JP5409696B2 - 電池 - Google Patents
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Description
そして、電池の充電または放電の際には、正極活物質、負極活物質、または電解液等の反応により、一般的に電池容器の内部に気泡が発生する。
当該気泡が積層電極体の内部に滞留すると、積層電極体の電極板のうち当該気泡に接触している部分は電極板間のイオン伝導への寄与が困難となるため、電池性能が劣化する恐れがある。
このため、電池容器の内部に当該気泡の流路を形成して、電池性能の劣化を防止する電池(特許文献1及び特許文献2参照)が開発されている。
一方、特許文献2の電池は、積層電極体内部に気泡の流路を形成した部材であるガラス繊維を配置しているので、積層電極体の内部で発生した気泡の除去も可能である。しかし、積層電極体の内部に電極板とセパレータ以外の当該部材を配置する必要があるので、電池が大型化する恐れがある。
そこで、本発明は、積層電極体の内部に上記部材を配置しない簡易な構成で、積層電極体の内部で発生した気泡の除去を促進し、これにより電池性能を向上した電池を提供することを目的とする。
なお、後述の実施形態及びその変形例の電池としては、一次電池または二次電池等のいずれの電池でも用いることが可能であるが、ここでは電池の一例として、充放電可能な電池、例えば蓄電池であるリチウムイオン二次電池を用いて説明する。
図1(a)は、電池1の正面(XZ平面)からの透視概要図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A´線のYZ平面における断面概要図である。なお、以下で使用する図では、いずれも同一の直交座標系を用いている。また、図1(a)は理解促進のための概要図であるため、図1(b)に示した各構成が全て記載されているわけではない。
ここで、蓋7は容器本体2と同一の材質である。そして、蓋7には、蓋7を貫通して配置される円柱状(XY平面における断面形状が実質的に直径rの円)の電極端子(正極端子8及び負極端子9)と、電極端子を蓋7に固定し且つ電極端子と蓋7との間を電気的に絶縁する絶縁性の樹脂10(例えば、プラスチック樹脂等)が形成されている。
上述のように本実施形態では、一例として、第1電池容器は導電性であるとして説明するので、積層電極体6と第1電池容器との間を電気的に絶縁すべく、容器本体2の内側の底面に当該底面と実質的に同じ形状及び寸法の絶縁性の樹脂板11(例えば、プラスチック樹脂製のシート)を配置している。また、容器本体2の底面以外の他の壁面については、後述の絶縁性樹脂からなる一対の第1補助シート12(12a、12b)及び一対の第2補助シート13が配置される。
具体的には、積層電極体6を、−Y方向と+Y方向から一対の第1補助シート12(12a、12b)で挟み込み、また、−X方向と+X方向から一対の第2補助シート13で挟み込み、これら4つの補助シートを互いに絶縁テープで固定して1つのユニットとした上で、当該ユニットを容器本体2に挿入する。この際、これら補助シートは、積層電極体6が直接的に容器本体2に接触して損傷することを防止し且つ積層電極体を円滑に容器本体2に挿入するための挿入ガイドとして機能することができる。
正極板3は、アルミニウム等の正極用金属箔の両面にマンガン酸リチウム等の正極活物質が塗工された後、略矩形に打ち抜かれて形成される。この打ち抜きの際、正極活物質が塗工されていない正極用金属箔も正極板3と一体に打ち抜かれ、当該正極用金属箔は正極板3に接続した正極タブ14となる。
一方、負極板4は、銅等の負極用金属箔の両面にカーボン等の負極活物質が塗工された後、略矩形に打ち抜かれて形成される。この打ち抜きの際、負極活物質が塗工されていない負極用金属箔も負極板4と一体に打ち抜かれ、当該負極用金属箔は負極板4に接続した負極タブ15となる。負極板4のXZ平面における略矩形の寸法は、第1電池容器の内部に折れ曲がることなく収納される寸法であり、正極板3のXZ平面における略矩形の寸法は、負極板4のXZ平面における略矩形の寸法よりも小さい。従って、図1(a)に示すように、Y方向から見て、正極板3は負極板4の面内に配置される。また、負極タブ15は、正極板3と負極板4とを後述のようにY方向に積層した際に、XZ平面上で正極タブ14と重ならない位置に配置される。
セパレータ5は、樹脂製のセパレータであっても、セラミックセパレータであっても、いわゆる電池に用いることができるセパレータであればよい。ここでは、セパレータ5は袋状に形成され、当該袋の内部に正極板3の全面が収められ且つ当該袋の内部から外部へ正極タブ14が突出するように当該袋の寸法が設計される。
なお、袋状のセパレータの内部に電極板(正極板3または負極板4)の全面が収められ且つ当該袋の内部から外部へ電極タブ(正極タブ14または負極タブ15)が飛び出している状態を「内包」という。
これを順次繰り返し、最終的に複数の正極板3と複数の負極板4からなり且つYZ平面をX方向から見たY方向の両端に負極板4が配置される積層電極体6が形成される。
なお、Y方向から見て実質的に同じ位置に揃えられた全ての正極タブ14は、リベット打ち又は溶接等で、正極端子8に電気的に接続される。この際、正極タブ14を直接的に正極端子8に接続してもよいし、正極タブ14と正極端子8との間に金属製の正極用リードを介在させてもよい。また、Y方向から見て実質的に同じ位置に揃えられた全ての負極タブ15は、リベット打ち又は溶接等で、負極端子9に電気的に接続される。この際、負極タブ15を直接的に負極端子9に接続してもよいし、負極タブ15と負極端子9との間に金属製の負極用リードを介在させてもよい。
図2(a)は、最も近接する第1電池容器の壁面側の第1補助シート12aの面(以下、第1面という)のXZ平面概要図である。同図に示すように、第1面は略矩形の平面である。具体的には、第1電池容器2のXZ平面におけるX方向の内壁間の幅と、第1電池容器2の内壁のZ方向の長さよりも小さく且つ積層電極体6のZ方向の高さ以上の長さを実質的に備えた略矩形の形状である。
なお、絞り出し形状に沿って第2面が次第に第1面に近づいてゆく方向を「絞り出し方向」という。絞り出し形状がかまぼこ形の場合には、上記頂点から+X方向に進む方向と上記頂点から-X方向に進む方向の2方向が「絞り出し方向」となる。
言い換えれば、第1補助シート12aは、「絞り出し方向」に進むに従って次第にそのY方向の寸法(厚み)を減少するよう設計される。ただし、第2面には、積層電極体6の電極板が接触するので、当該電極板に損傷を与えないよう、丸みを帯び且つ凹凸のない実質的に一様に滑らかな面とするのが望ましい。従って、上記頂点も、角のない丸みのある形状となる。
第2補助シート13は、第1補助シート12と異なり、絞り出し形状を備えていないが、その他(ただし、寸法を除く)は第1補助シート12と同様の構成である。具体的には、第2補助シート13は、図1のYZ平面と実質的に平行な2つの平面(表面と裏面)を備え、当該表面は第1電池容器の壁面に、また、当該裏面は積層電極体に向けて配置されるので、当該2つの平面のうち他方の面(裏面)には積層電極体6の電極板が接触することになる。従って、当該裏面は、電極板に損傷を与えないよう、凹凸のない実質的に一様に滑らかな面とするのが望ましい。
そして、電池1の充放電がなされると、電解液又は電解質が分解等することで気泡が発生し、このうち積層電極体6の内部で発生した微細な気泡は正極板3及び負極板4の表面、すなわち電極板表面に付着する。図1のように電池1が配置される場合には、当該気泡の浮力は第1電池容器の底から蓋7に向かって重力と反対方向である+Z方向に働くので、一定量の気泡は第1電池容器内の蓋7の周辺まで自然に上昇してここに溜まることになる。しかし、積層電極体6の内部で発生した一部の気泡は、例えば隣り合う電極板同士で圧迫されて、自然には浮力によって上昇できず、結果として電極板の表面に気泡が付着した状態が維持される場合がある。かように電極板の表面に気泡が滞留すると、気泡に接している電極板はイオンの移動に寄与できなくなるため、電池の能力が低減する恐れがある。
そこで、当該電池の能力の低減を防止するために、電池1は、「絞り出し部」による「絞り出し機能」を備えている。「絞り出し機能」は、電極板の表面に付着して、自然には又は放置しては浮力によって上昇困難な気泡をも「絞り出し部」の「絞り出し形状」によって、積層電極体6の内部、具体的には少なくとも正極板3と負極板4とが互いに重なっている部分から気泡を複数の「絞り出し方向」へ絞り出し、当該部分に付着した気泡の量を低減させる機能であり、電池1の充放電により積層方向(Y方向)に膨張・収縮する積層電極体6の動きを積極的に利用するものである。これを以下、詳述する。
従って、充電が進むことで当該膨張の量が大きくなると、一対の第1補助シート12は絞り出し部として「かまぼこ形」の「絞り出し形状」を備えているので、第1電池容器のX軸上の中央付近から2方向へ、すなわち当該中央付近から+X側及び-X側の端に向かって、次第にそれぞれの第2面で積層電極体6に接してゆくことになる。
このとき、一対の第1補助シート12のそれぞれの第1面が第1電池容器の壁面に接すると、第1補助シート12が積層電極体6の膨張に従ってY方向へ移動することがもはや困難となる。このため、第1電池容器の壁面にそれぞれの第1補助シート12の第1面が接触した状態で積層電極体6がさらに膨張を続けると、積層電極体6が第1補助シート12の第2面を積層電極体6のX軸上の中央付近から±X方向の端に向かって順次圧迫してゆくことになる。
すなわち、2つの第1補助シート12の第2面同士の積層方向(Y方向)における間隔は、第1電池容器のX軸上の中央付近(積層電極体6のX軸上の中央付近でもある)から±X方向に向かって次第に広く、言い換えれば、気泡の浮力の働く方向と垂直方向且つ当該積層方向の第1電池容器内部の「絞り出し部」間の距離は2つの「絞り出し方向」へ向かって次第に広くなる。従って、積層電極体6の各負極板4の負極活物質がXZ平面上のいずれの位置でも同じ幅だけ積層方向(Y方向)に膨張しようとすると、積層電極体6は、自身の膨張力により第1電池容器の上記中央付近から次第に加圧されてゆくことになる。
このため、電極板に付着した気泡を、2つの「絞り出し方向」へ効果的に絞り出し、積層電極体6の内部に付着した気泡の量を低減させることができる。なお、複数の「絞り出し方向」へ気泡を絞り出す構成としているのは、電極板の一端から他端まで気泡を絞り出すような1つのみの「絞り出し方向」となる構成に比べ、気泡の移動量を減らすことができるため、より効果的に「絞り出し機能」を発揮させることができるからである。
図3(a)は図2(a)に相当する配置図である。第1補助シート12a´の第1面は平面であるが、第2面は「山形」であるので、図3(a)では理解容易のため、第2面のY方向の高さの等高線を点線にて示している。そして、図3(a)のB−B´線におけるXY断面形状を図3(b)に、図3(a)のC−C´線におけるXY断面形状を図3(C)に、図3(a)のD−D´線におけるXY断面形状を図3(d)に示すとともに、図3(a)のE−E´線におけるYZ断面形状を図3(e)に、図3(a)のF−F´線におけるYZ断面形状を図3(f)に、図3(a)のG−G´線におけるYZ断面形状を図3(g)に示している。
図3(c)及び図3(f)に示すように、第1補助シート12a´の厚みは中央部分が一番厚く、当該中央部分から周囲に向かって放射状に進むと、図3(b)、図3(d)、図3(e)及び図3(g)に示すように、次第に厚みが薄くなるよう設計されている。
従って、図1の電池1において、第1補助シート12aの代わりに第1補助シート12a´をその第2面を積層電極体6に向けて配置し、第1補助シート12bの代わりに第1補助シート12b´をその第2面を積層電極体6に向けて配置すると、第1補助シート12aのように第1電池容器の側壁に向かう2方向のみではなく、「絞り出し方向」として少なくとも当該2方向を含み且つそれ以上の多方向に放射状に気泡を絞り出すことができる。図1の電池1の配置は、重力の働く方向を−Z方向として説明したが、例えば重力の加わる方向を+X方向として電池1を配置することが許容される場合には、第1補助シート12a´と12b´を、第1補助シート12aと12bの代わりに用いた方が、電池1の配置に影響なく、すなわち第1電池容器のいずれの壁面を重力の働く方向へ向けて配置したとしても気泡を絞り出すことができるので、電池性能をより効果的に向上することができる。
第2電池容器としての保護容器16は、第1電池容器の変形を押さえ込んで防止することができればよいので、変形困難な材質及び厚みを備えた絶縁性の樹脂または金属で形成される。
電池1´の構成によれば、電池1の内部の一対の第1補助シート12と同一の形、例えば「かまぼこ形」または「山形」などのいずれか一つの形に統一された別の一対の第1補助シート12で電池1を第1電池容器の外部から挟みこんでいる。このとき、当該別の一対の第1補助シート12のそれぞれの第2面は、第1電池容器に向けて配置される。従って、積層電極体6をY方向から4つの「絞り出し部」で挟んでいることとなるので、「絞り出し機能」がより効果的に発揮される。
なお、上記の実施形態及びその変形例では、積層電極体6を1つだけ第1電池容器に収納していたが、複数の積層電極体6(ここでは、積層電極体6aと6b)のそれぞれを図1と同様にユニット化して、第1電池容器に収納する構成としてもよい。
また、第1電池容器は、導電性の材質として説明したが、プラスチック樹脂等の絶縁性の材質としてもよい。なお、第1電池容器が絶縁性の材質で形成された場合あっても、積層電極体6を損傷なく第1電池容器に収納するためには、挿入ガイドとして機能する第1補助シート12又は第2補助シート13等の補助シートは極めて有用である。
さらに、積層電極体6の寸法に比べ第1電池容器の寸法が大きい等のため挿入ガイドの機能が重視されない場合には、第1電池容器を形成する際に、絞り出し部である第1補助シート12の備えた「絞り出し形状」に相当する形状を、第1電池容器の内壁として型等により同一材料で一体に成形してもよい。この場合には、当該内壁自体が「絞り出し部」となる。もちろん、第1補助シート12のように第1電池容器と別体に形成してもよい。また、同様に、保護容器16(第2電池容器)の内壁に、第1補助シート12の「絞り出し形状」に相当する形状を、型等により同一材料で一体に成形してもよい。この場合には、当該内壁自体が「絞り出し部」となる。
その上、上記気泡及び電解液の流れを円滑にするため、第1補助シート12には、第1面から第2面へ貫通する貫通孔や、第1面に重力方向に延びる凹形状の溝を形成してもよい。
6…積層電極体、7…蓋、8…正極端子、9…負極端子、
10…絶縁性樹脂、11…絶縁性樹脂板、
12(12a、12b、12a´、12b´)…第1補助シート、13…第2補助シート、
14…正極タブ、15…負極タブ、
16…保護容器(第2電池容器)
Claims (6)
- セパレータを介して第1電極板と第2電極板とが積層された積層電極体と、
電解液又は電解質と、
前記第1電極板に電気的に接続された第1電極端子と、前記第2電極板に電気的に接続された第2電極端子と、
前記電解液又は前記電解質と前記積層電極体とを収納した電池容器と、
を備え、
前記積層電極体と前記電池容器との間に前記電池容器と一体又は別体に形成され、前記積層電極体の積層方向に対して垂直な絞り出し方向における前記積層電極体の中央部に対向する位置を頂点として、前記積層電極体に対向する側が該積層電極体側に突出し、該頂点を基準にして該絞り出し方向の一方側及び他方側に進むに従って次第にその厚みが減少し、且つ、前記積層電極体に対向する面が丸みを帯びた滑らかな面である絞り出し部を有することを特徴とする電池。 - 前記絞り出し方向は、前記積層方向に対して垂直な複数の方向のうち、一の方向のみであり、前記絞り出し部は、かまぼこ形であることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記絞り出し方向は、前記積層方向に対して垂直な全方向であり、前記絞り出し部は、山形であることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記絞り出し部は、前記電池容器とは別体として形成された絶縁性の補助シートであることを特徴とする請求項2または請求項3のいずれか一項に記載の電池。
- 前記絞り出し部は、前記電池容器と一体に形成されていることを特徴とする請求項2または請求項3のいずれか一項に記載の電池。
- 前記電池容器として、前記電解液又は前記電解質と前記積層電極体とを収納した第一電池容器と、該第一電池容器を覆う保護容器としての第二電池容器と、を有し、
前記絞り出し部は、前記積層電極体と前記第一電池容器との間と、前記第一電池容器と前記第二電池容器との間とのうち、少なくとも一方の間に配置されている請求項4または請求項5のいずれか一項に記載の電池。
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