JP5409338B2

JP5409338B2 - 捲回式角形電池

Info

Publication number: JP5409338B2
Application number: JP2009294005A
Authority: JP
Inventors: 亮小島
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: JP2011134634A

Description

本発明は、捲回式角形電池に関する。

近年、リチウムイオン二次電池に代表される高エネルギー密度型の電池は、コードレス機器から移動体に至るまで幅広い用途に用いられている。このうち、機器への実装形態の問題から、従来の円筒形型電池だけでなく、角形状の電池（角形電池）が多く使用されるようになってきている。

これらの角形電池は、その形状設計の自由度の高さから要求の多いものであるが、リチウムイオン二次電池のように充放電に伴って活物質が膨張収縮する電池系においては、繰り返し変形の蓄積による電池外装缶の膨れなどが問題となっている。

かかる課題を解決するための技術として次のようなものがある。

特許文献１には、組電池の枠体によって押圧力を確保して膨張を抑制する技術が開示されている。

特許文献２には、電池容器の封口板によって電極群に対して圧迫力を加えるなどの技術が開示されている。

特開２００３−４５３８５号公報特開平６−２６０１５５号公報

本発明の目的は、平板状の芯材を有する捲回式角形電池における電極の体積膨張及び収縮並びに電池内部におけるガスの発生による電池外装缶の変形を防止することにある。

本発明の捲回式角形電池は、平板状の芯材に、正極とセパレータと負極とを積層して捲回した扁平形状の電極群を内蔵する。そして、前記芯材は、互いに捲回軸方向に相対的に滑動可能に斜めに分割されていることを特徴とする。

本発明によれば、電極の膨張などによる電池の厚さ方向への変形を抑制することができ、電池の性能の低下を防止することができる。

実施例の平板状芯材の滑動前後における状態を示す斜視図である。実施例の電極群の内部構造を示す概略斜視図である。実施例の芯材を示す側面図である。実施例の芯材を示す上面図である。図４Ａの芯材の変形例を示す上面図である。図４Ａの芯材の変形例を示す上面図である。図４Ａの芯材の変形例を示す上面図である。図４Ａの芯材の変形例を示す上面図である。図４Ａの芯材の変形例を示す部分斜視図である。実施例の電極群を示す概略斜視図である。実施例の電池を示す概略断面図である。電池の厚さを測定する位置を示す斜視図である。実施例１と比較例１との比較試験の結果を示すグラフである。実施例の電池を複数個並べて配置した電池モジュールの一部を示す上面図である。

以下、本発明の実施形態である捲回式角形電池について説明する。

本実施形態においては、正極にリチウム含有複合酸化物を用い、負極に黒鉛材料を用いている。そして、平板状の芯材の周りに扁平状に捲回した電極群を有する非水電解液二次電池を例に挙げている。

ただし、この例示によって材料、寸法等について限定されるものではなく、非水電解液二次電池のみならず、電極材料の膨張収縮等によって芯材を変形させる力を受け、芯材の厚さ方向への変形が電池外装を変形させ得る電池において本発明の構成要件が有効であることは言うまでもない。

本実施形態は、基本的に次のように構成する。

前記捲回式角形電池は、平板状の芯材に、正極とセパレータと負極とを積層して捲回した扁平形状の電極群を内蔵する。そして、芯材は、互いに捲回軸方向に相対的に滑動可能に斜めに分割されている。

すなわち、芯材は、２つに分割され、互いに捲回軸方向に相対的に滑動可能な滑動部を有し、この滑動部は、電極群の捲回軸方向の両端部（上端部及び下端部）と交わっている。更に言い換えると、芯材の扁平部（平面部）における切断線（２つに分割された芯材の切れ目）は、捲回軸方向の両端部（上端部及び下端部）と交点（切片）を有している。なお、滑動部と捲回軸とは平行でなく、所定の角度で交差している。

前記捲回式角形電池は、斜めに分割されている二枚の芯材はそれぞれ、凸部と凹部とを有し、これらの凸部と凹部とを嵌め合わせた嵌合部を有する。

前記捲回式角形電池は、正極は、正極リード片及び正極集電板を介して正極外部端子に接続され、負極は、負極リード片及び負極集電板を介して負極外部端子に接続され、正極集電板及び負極集電板は、貫通孔を有し、芯材は、貫通孔に進入可能である。

前記捲回式角形電池は、嵌合部は、液（非水電解液）の浸入を可能とする隙間（空間）を有する。

前記捲回式角形電池を用いて電池モジュールを構成してもよい。

以下、図を用いて実施例を説明する。

図１は、実施例の平板状芯材の滑動前後における状態を示す斜視図である。

芯材１ａ、１ｂはそれぞれ、台形状の面を有する平板であり、それらの斜面が接するように嵌め合わせてある。すなわち、芯材１ａ、１ｂは、２つに分割されている。このように芯材１ａ、１ｂが接する部分を滑動部１０１と呼ぶことにする。

芯材１ａ、１ｂは、滑動部１０１に平行に移動可能であり、周囲から力を受けた場合に、図中の左の状態から右の状態へと変位するようになっている。すなわち、芯材１ｂ及び芯材１ａは、上下方向に飛び出すように移動する。

なお、芯材１ａ、１ｂに適用される部材は、電池の使用条件における強度、耐熱性等、所定の耐久性を具備することを要求されるが、材質等に関して特に限定されるものではない。絶縁性の材料は望ましい。また、望ましい材料の例としては、ポリプロピレン（ＰＰ）がある。ＰＰは、ガラス繊維等により強化されていることが望ましい。

図２は、実施例の電極群の内部構造を示す概略斜視図である。

セパレータ２ａ、正極３、セパレータ２ｂ及び負極４が、この順に積層された状態で芯材１ａ、１ｂの周りに捲回されている。これらが電極群１５０を構成している。また、正極３及び負極４は、捲回方向に対して直交する方向にそれぞれ反対向きに正極リード片５及び負極リード片６を設けてある。

芯材１ａは凸部を有し、芯材１ｂは凹部を有する。凸部と凹部とを嵌め合わせることにより、滑動部１０１に平行な方向にのみ芯材１ａ、１ｂが移動できるようになっている。

なお、セパレータ２ａ、正極３、セパレータ２ｂ及び負極４を芯材１ａ、１ｂに捲回する際に芯材１ａ、１ｂを締め付ける力Ｆ_ａは、芯材１ａ、１ｂが滑動を開始するために必要な締め付け力Ｆ_ｂより弱くする必要がある。また、電極群１５０が膨張した場合に芯材１ａ、１ｂを締め付ける力Ｆ_ｃは、芯材１ａ、１ｂが滑動を開始するために必要な締め付け力Ｆ_ｂより強くする必要がある。

ここで、Ｆ_ａは、電極群１５０を電池外装缶に収納する前に行う工程であり、非水電解液が滑動部１０１に浸透しない状態における力であるため、摩擦係数が大きい。このため、電池群１５０の作製における不具合が生じにくい。

これに対して、Ｆ_ｃを受ける場合は、非水電解液が滑動部１０１に浸透した状態であるため、摩擦係数が低下し、Ｆ_ｂが小さくなって滑動しやすくなる。

図３は、実施例の芯材を示す側面図であり、図４Ａは、実施例の芯材を示す上面図である。

図３において、芯材１ａ、１ｂの捲回軸方向（図中、鉛直方向）の中心軸に対する滑動部１０１の角度θ（ｄｅｇ）は、１０°（１０度）としている。

図３においては、角度θを１０°としたが、これに限定されるものではなく、θは、０度より大きく、芯材の平面部の対角線が捲回軸方向の中心軸に対してなす角よりも小さい範囲で適切な値に設定することができる。滑動部１０１の摩擦係数や、芯材１ａ、１ｂの水平方向への変位を考慮し、望ましい範囲としては、θが５〜４０°である。さらに望ましい範囲は、θが１０〜３５°である。

図４Ａにおいては、芯材１ａ、１ｂがそれぞれ、凸部及び凹部を有し、この凸部及び凹部が嵌め合わされることにより、滑動部１０１の嵌合部を形成している。

本図に示す嵌合部は、構造を分かりやすく示すために幅と厚みとの比率が実際とは異なっているが、本発明の概念を表すものである。

図４Ｂは、図４Ａの芯材の変形例を示す上面図である。

本図においては、芯材１ｂの凹部の断面形状が矩形状であるのに対し、芯材１ａの凸部の先端における断面形状を曲線とすることにより、滑動部１０１の嵌合部に隙間１０２を設けてある。この隙間１０２に電池内部に封入した非水電解液が浸透するため、完成した電池の滑動部１０１の摩擦係数は低下することになる。

なお、隙間１０２の形状は、本図の例に限定されるものではなく、芯材１ａ、１ｂの接触面積を小さくして隙間１０２を設ければよい。芯材１ａの凸部の先端形状を三角形状、くびれを有する矢印形状などにしてもよく、芯材１ｂの凹部の断面形状を曲線としてもよい。また、非水電解液が浸透する構成であれば、滑動部１０１が移動する方向だけでなく、滑動部１０１が移動する方向に交差する方向に溝などを設けることにより隙間１０２を形成してもよい。

図４Ｃは、芯材１ａの凸部の先端における断面形状が三角形状である。図４Ｄは、芯材１ａの凸部の断面形状がくびれを有する矢印形状である。図４Ｅは、芯材１ｂの凹部の断面形状が曲線である。

また、図４Ｆは、芯材１ａの変形例を示す部分斜視図である。

凸部１１１の先端部１１２は、断面形状が三角形状であり、凸部１１１の側面部には、水平方向（滑動部が移動する方向に交差する方向）の溝１１３を複数設けてある。

図５は、実施例の電極群であって、集電ブロックの溶接されたものを示す概略斜視図である。

本図において、電極群１５０は、芯材１に捲回された状態であり、正極リード片５及び負極リード片６がそれぞれ、超音波溶接により正極集電板７及び負極集電板８に接続されている。これらの正極集電板７及び負極集電板８を介して、それぞれ正極外部端子９及び負極外部端子１０に接続されている。また、正極集電板７及び負極集電板８は、スリット１１（貫通孔）を有し、電極群１５０の膨張に伴って、２つに分割された芯材１が上下方向に飛び出した場合に、芯材１がスリット１１に入り込むよう（進入可能）になっている。このため、電極群１５０の膨張を芯材１の移動によって吸収することができる。

スリット１１は、芯材１が通過する際、芯材１が適度の摩擦を受ける寸法に設定してあり、芯材１が電極群１５０から幅方向の圧力を受けた際、芯材１の上下方向の延伸を抑制する機能をも併せ持つ。具体的には、スリット１１の寸法を、芯材１が延伸する方向に向かって若干小さくしてもよい。すなわち、スリット１１にテーパを設けてもよい。また、スリット１１の内面の粗度又は摩擦係数を、芯材１が延伸する方向に向かって大きくしてもよい。

本実施例においては、スリット１１が正極集電板７及び負極集電板８を貫通するように設けてあり、正極外部端子９及び負極外部端子１０を構成する突起がスリット１１を塞がない位置に設けてある。すなわち、正極外部端子９及び負極外部端子１０は、スリット１１から突き出した芯材１が衝突しないように配置されている。

上記の構成により、芯材１が延伸した際、電極群１５０と正極集電板７及び負極集電板８との間に強い力が加わって正極リード片５及び負極リード片６が破断することを防止することができる。

図６は、実施例の電池を示す概略断面図である。

本図において、電極群１５０は、電池外装缶３２に収納され、非水電解液に浸され、蓋板１２で密封されている。正極集電板７及び負極集電板８の外側には、絶縁ストッパー２１、２２が設置してあり、芯材１ａ、１ｂの上下方向への変位を制限することができる。また、絶縁ストッパー２１、２２にも凹部を設けることにより、芯材１ａ、１ｂの変位の許容長さを大きくすることもできる。

また、本図においては、芯材１ａ、１ｂの扁平部（芯材１ａ、１ｂの最も広い平面部）及び捲回軸方向の両端部（図中の上端部及び下端部）に滑動部１０１の切片（芯材１ａ、１ｂ単体において滑動部１０１が外側に露出した部分。滑動部１０１は面であり、露出した部分は線である。）を有し、滑動部１０１と電極群１５０の捲回軸とが平行でない。

以下、本実施例で用いた材料について詳細に説明する。

まず、化学式ＬｉＮｉ_０．３３Ｍｎ_０．３３Ｃｏ_０．３３Ｏ_２で表される層状岩塩型の結晶構造を有する正極活物質粉末を８５重量部、炭素材料を含む導電材粉末を１０重量部、及び、ポリふっ化ビニリデンをノルマルメチルピロリドンに溶解したバインダ溶液を５重量部、それぞれ一様になるまで混合して正極スラリを作製した。この正極スラリをアルミ箔で形成された正極集電基材に均一に塗布して乾燥し、所定の厚さに圧延成型して正極を作製した。

人造黒鉛を主成分とする負極活物質粉末を９０重量部、アセチレンブラック等の炭素材料を主成分とする導電材粉末を５重量部、及び、ポリふっ化ビニリデンをノルマルメチルピロリドンに溶解したバインダ溶液を５重量部、それぞれ混合して負極スラリを作製した。この負極スラリを銅箔で形成された負極集電基材に均一に塗布して乾燥し、所定の厚さに圧延成型して負極を作製した。

図２に示すように、正極３及び負極４は、片側にスラリを塗布しない部分（無地部）を設け、この無地部を山形に切断加工することにより、正極リード片５及び負極リード片６を形成してある。

正極リード片５及び負極リード片６とは反対側の部分をスラリ塗工部の幅が所定の値になるよう切断し、フープ状（らせん状）に巻き取ったものを、ポリエチレンやポリプロピレンで形成された微多孔膜であるセパレータ２を介して分割された平板状の芯材１ａ、１ｂの周りに、蛇行を防ぎ、張力を一定に保つことができる捲回機で捲回し、扁平状に捲回された電極群１５０を得た。

図４に示すように、芯材１ａ、１ｂがそれぞれ、凸部及び凹部を有し、この凸部及び凹部が嵌め合わされることにより、滑動部１０１の嵌合部を形成したものを実施例１とした。また、分割されていない１枚の平板状の芯材を用いたものを比較例１とした。

実施例１及び比較例１の芯材を用いて、図６に示す非水電解液二次電池を作製した。

この電池に用いる非水電解液は、六ふっ化燐酸リチウムをエチルメチルカーボネート及びジメチルカーボネートの混合溶媒に溶解し、溶液の濃度を１ｍｏｌ／Ｌ（モル／リットル）としたものである。

比較例１は、芯材が平板の一体成型である点以外に実施例１と異なる点はない。

実施例１と比較例１とを比較するため、以下の実験を行った。

実施例１及び比較例１の電池を９０％ＳＯＣ（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ、充電レベル）まで充電し、５０℃の環境試験機中に放置して電池の外形寸法の変化及び性能の変化を調べた。

図７は、電池の厚さを測定する位置を示す斜視図である。

本図に示す電池は、電池外装缶３２の上端及び下端に正極外部端子９及び負極外部端子１０を設けてある。正極外部端子９及び負極外部端子１０の周囲には、絶縁パッキン３１が設けてあり、内部の非水電解液が漏出しないようにしてある。

外形寸法は、電池厚さ測定位置３３においてマイクロメーターを用いて電池の厚さを計測して代表値とした。

性能に関しては、電池容量及び内部抵抗を計測して指標とした。

測定は、２週間ごとに行った。

電池容量及び内部抵抗の計測条件は、下記の通りである。

（電池容量の計測条件）
充電：１時間率、４．２Ｖ定電流定電圧充電、１．５ｈ終止
放電：１時間率、定電流放電、３．０Ｖ終止
（内部抵抗の計測条件）
ＳＯＣ調整：１時間率、３．７Ｖ定電流定電圧充電、１ｈ終止
抵抗計測：１時間率、１／３時間率、１／５時間率、１／１０時間率
上記の条件においてそれぞれ１１秒間放電し、放電電流値に対して電圧をプロットし、その傾きを内部抵抗値とした。

図８は、上述の比較試験の結果を示すグラフである。

横軸に放置期間、左の縦軸に電池容量、右の縦軸に放電時直流内部抵抗（ＤＣＲ）及び電池厚さをとっている。

本図から、実施例１は、比較例１に対して同一の放置期間に電池容量が低下しにくく、放電時直流内部抵抗（ＤＣＲ）が上昇しにくく、電池厚さの増大も抑制されることがわかる。

図９は、実施例の電池を複数個並べて配置した電池モジュールの一部を示す上面図である。

本図における電池モジュールは、電池２０１の発熱及び体積膨張への対策の観点から、隣り合う電池２０１の間に所定の間隔ｄを設けてある。この間隔ｄを有する隙間は、電池の強制対流冷却のための通風路でもある。

上述の実施例の電池を本図における電池モジュールに適用した場合、電池の厚さ方向の膨張が抑制されるため、間隔ｄを小さくすることができ、電池モジュール全体の寸法をコンパクトにすることができる。

１ａ、１ｂ：芯材、２：セパレータ、３：正極、４：負極、５：正極リード片、６：負極リード片、７：正極集電板、８：負極集電板、９：正極外部端子、１０：負極外部端子、１１：スリット、１２：蓋板、２１、２２：絶縁ストッパー、３１：絶縁パッキン、３２：電池外装缶、３３：電池厚さ測定位置、１０１：滑動部、１０２：隙間、１５０：電極群、２０１：電池。

Claims

平板状の芯材に、正極とセパレータと負極とを積層して捲回した扁平形状の電極群を内蔵する捲回式角形電池であって、前記芯材は、互いに捲回軸方向に相対的に滑動可能に斜めに分割されていることを特徴とする捲回式角形電池。
斜めに分割されている二枚の前記芯材はそれぞれ、凸部と凹部とを有し、これらの凸部と凹部とを嵌め合わせた嵌合部を有することを特徴とする請求項１記載の捲回式角形電池。
前記正極は、正極リード片及び正極集電板を介して正極外部端子に接続され、前記負極は、負極リード片及び負極集電板を介して負極外部端子に接続され、前記正極集電板及び前記負極集電板は、貫通孔を有し、前記芯材は、前記貫通孔に進入可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の捲回式角形電池。
前記嵌合部は、液の浸入を可能とする隙間を有することを特徴とする請求項２記載の捲回式角形電池。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の捲回式角形電池を用いたことを特徴とする電池モジュール。