JP5784978B2 - 非水電解質電池 - Google Patents

Description

本発明は、非水電解質電池に関する。

非水電解質電池において、瞬時に大電流を取り出す目的、すなわち、高出力を得る目的を達成するためには、電極から効率的に電流を取り出し、かつ、電極から端子部までの電流経路（パス）を短くして、放電時の電気抵抗を低減することが有効である。

特許文献１には、捲回された扁平状の電極群の正極タブが、捲芯に固定された平板状の正極集電部材に接合され、捲回された扁平状の電極群の負極タブが、正極集電部材の反対側で捲芯に固定された平板状の負極集電部材に接合された構成を有する扁平形二次電池が開示されている。

特開２０１０−１４６８７２号公報

非水電解質電池においては、正極と負極とが短絡する等、電池が異常な状態になった際に電池内部でガスが発生し、電池内圧が異常に上昇する場合がある。異常な内圧の上昇は、電池にとって好ましくないため、ガスを電池外部に放出するためのガス放出弁が設置される。

特許文献１に記載された構成においては、集電部の平板状部分が電極捲回群の捲回軸と交わる方向に配置されるため、電池内部のガスを外部に放出する経路が狭められ、ガスの放出機能が低下する問題があった。

本発明の目的は、電池の内圧が異常に上昇した場合に電池の内部のガスを外部に放出する経路を確保し、安全性に優れた非水電解質電池を提供することにある。

本発明の非水電解質電池においては、前記正極及び前記負極は、それぞれ、それらの基板である金属箔の露出部を有し、正極集電部は、その平面部に前記露出部を電気的に接続してあり、かつ、正極外部端子を有し、負極集電部は、その平面部に前記露出部を電気的に接続してあり、かつ、負極外部端子を有し、前記正極集電部及び前記負極集電部のうち少なくとも一方の前記平面部は、電極捲回群の捲回軸方向に沿う方向に配置してあり、前記捲回軸方向に沿う方向に配置してある前記平面部を有する前記正極集電部又は前記負極集電部を覆う部位にガス放出弁が設けてあることを特徴とする。

本発明によれば、電池の内圧が異常に上昇した場合に電池の内部のガスを外部に放出する経路を確保することができ、安全性に優れた非水電解質電池を提供することができる。

実施例の非水電解質電池の捲回群を示す部分展開図である。 実施例の非水電解質電池における集電板及び捲芯の構成を示す部分斜視図である。 実施例の非水電解質電池の構成を示す透視図である。 実施例の非水電解質電池を示す外観斜視図である。 比較例の非水電解質電池における集電板及び捲芯の組立手順を示す部分斜視図である。 比較例の非水電解質電池における集電板及び捲芯の組立手順を示す部分斜視図である。 比較例の非水電解質電池の構成を示す透視図である。 実施例の非水電解質電池における集電板及び捲芯の組立手順を示す部分斜視図である。 実施例の非水電解質電池における集電板及び捲芯の組立手順を示す部分斜視図である。 実施例の非水電解質電池の構成を示す透視図である。

本発明は、車載用途等に使用される高出力、かつ、大容量の非水電解質電池に関し、特に、扁平形や角形の扁平捲回式リチウムイオン電池に関するものである。

以下、本発明の一実施形態に係る非水電解質電池について説明する。

前記非水電解質電池は、正極と負極との間にセパレータを挟んで捲回した電極捲回群と、正極集電部と、負極集電部と、これらを収納した電池ケースとを含み、正極及び負極は、それぞれ、それらの基板である金属箔の露出部を有し、正極集電部は、その平面部に露出部を電気的に接続してあり、かつ、正極外部端子を電気的に接続してあり、負極集電部は、その平面部に露出部を電気的に接続してあり、かつ、負極外部端子を電気的に接続してあり、正極集電部及び負極集電部のうち少なくとも一方の平面部は、電極捲回群の捲回軸方向に沿う方向に配置してあり、捲回軸方向に沿う方向に配置してある平面部を有する正極集電部又は負極集電部を覆う部位には、ガス放出弁が設けてあることを特徴とする。

前記非水電解質電池において、露出部は、平面部に沿う方向に配置してある。

前記非水電解質電池において、平面部と露出部との接合部は、捲回軸方向に沿う方向に配置してある。

前記非水電解質電池において、電極捲回群は、捲芯を有し、正極集電部及び負極集電部は、捲芯に固定されている。

前記非水電解質電池において、正極集電部及び負極集電部のうち少なくとも一方の、捲回軸方向に直交する断面の面積は、ガス放出弁の面積より小さいことが望ましい。

前記非水電解質電池において、正極集電部及び負極集電部のうち少なくとも一方の平面部の厚さは、捲芯の厚さ以下であることが望ましい。

前記非水電解質電池において、ガス放出弁は、電極捲回群の捲回軸方向の端部側に位置する電池ケースの少なくとも一方の底部に設けてある。

前記非水電解質電池において、露出部は、タブ群を形成している。

前記非水電解質電池において、正極外部端子及び負極外部端子のうち少なくとも一方は、平面部の端部に設置してある。

前記非水電解質電池において、電池ケースは、扁平形である。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

図１は、非水電解質電池に適用される電極捲回群の構成を示したものである。

本図において、捲回群１０２（電極捲回群）は、正極板４０１（正極）と負極板４０２（負極）との間にセパレータ４０３を挟んで捲芯４０４の周りに捲回した構成を有する。正極板４０１は、アルミニウム箔の両面に正極合剤を塗布したものである。負極板４０２は、銅箔の両面に負極合剤を塗布したものである。セパレータ４０３は、ポリオレフィン製である。

正極板４０１の片方の端部は、正極合剤が塗布されずにアルミニウム箔が露出している。そして、その末端には、短冊状の正極タブ群４０５が形成されている。一方、負極板４０２の端部も、負極合剤が塗布されずに銅箔が露出している。そして、その末端には、短冊状の負極タブ群４０６が形成されている。正極タブ群４０５及び負極タブ群４０６の個々のタブの寸法は、幅２ｍｍ〜１０ｍｍ、長さ１５ｍｍ〜５０ｍｍが好適である。捲回群１０２の一方の端部から正極タブ群４０５が突出し、他方の端部から負極タブ群４０６が突出している。ここで、正極タブ群４０５及び負極タブ群４０６は、金属箔の露出部とも呼ぶ。

図２は、電極（正極）と集電部との接合部の模式図を示したものである。

本図において、正極集電部１０４は、平面部１２１を有する板状体であり、その平面部１２１に正極端子１０９（正極外部端子）が接続され、捲芯４０４の端部に設けられた開口部４０７（溝部）に嵌合するための二つの突起部１０６が配置されている。正極集電部１０４は、厚さ０．５〜５ｍｍのアルミニウム製の板状部材である。正極集電部１０４の長さは、電池形状により任意に決定されて良いが、ガス放出弁の開口寸法よりも大きくすることにより、正極集電部１０４とともに内容物が外部に放出されることを防ぐ効果もある。また、正極集電部１０４は、捲回軸方向のいずれの位置においても、捲回軸方向に直交する断面の面積がガス放出弁の面積より小さいことが望ましい。さらに、正極集電部１０４の厚さは、突起部１０６を含めて捲回軸方向のいずれの位置においても、平面部１２１の厚さ以下であることが望ましい。さらにまた、正極集電部１０４の厚さは、捲芯４０４の厚さ以下であることが望ましい。

正極集電部１０４には、正極タブ群４０５が溶接してある。溶接した部分（「溶接部」又は「接合部」と呼ぶ。）の面積が大きいほど望ましい。それは、大電流を流すときの内部抵抗の低減に寄与するからである。

突起部１０６は、捲回群１０２を捲回した捲芯４０４の開口部４０７に嵌合して固定してある。負極側も同様にして集電部（負極集電部）を形成する。なお、正極集電部１０４及び負極集電部は、合わせて「電極集電部」とも呼ぶ。また、本実施例に示す正極集電部１０４の形状をＩ字型と呼ぶことにする。これは、捲芯４０４の平面部１２１に垂直な断面における正極集電部１０４の形状がＩ字型であることに由来する。

なお、正極端子１０９は、正極集電部１０４の平面部１２１の端部、すなわち、捲回軸方向に直交する面に設置することが望ましい。負極端子も同様であり、負極集電部の平面部の端部、すなわち、捲回軸方向に直交する面に設置することが望ましい。

図３は、組み立てた非水電解質電池の構成を示す透視図である。

本図において、非水電解液電池１００は、正極集電部１０４及び負極集電部１０５を取り付けた捲回群１０２（電極捲回群）を電池ケース１０１に密封した構成を有する。電池ケース１０１の両端部には、正極側の封口板１１６及び負極側の封口板１０３が配置されている。正極集電部１０４には、正極タブ群４０５が溶接してある。なお、本図において、電池ケース１０１は、側面部（胴部）のみで構成され、両方の底部が開放されているが、電池ケース１０１の一方の底部を閉じた面とし、封口板１１６又は封口板１０３のいずれかを用いない構成であってもよい。これらは、電子ビームまたはレーザーによって溶接して固定してある。

正極端子１０９（正極外部端子）は、正極側の封口板１０３を貫通する形で設置してある。負極端子１１０（負極外部端子）は、負極側の封口板１１６を貫通する形で設置してある。封口板１０３、１１６には、ガス放出弁１０８（開裂弁）が設けてある。ガス放出弁１０８は、本図に示すように、捲回軸方向に直交する封口板１０３、１１６に設けることが望ましい。

さらに、正極側の封口板１０３には、電解液注入用の注液孔が設けてあり、注液孔は、注液栓１０７で封止してある。正極端子１０９と封口板１０３との間には、樹脂成形によって作製された絶縁カバー１１１が設けてある。同様に、負極端子１１０と封口板１１６との間には、絶縁カバー１１１が設けてある。

正極端子１０９及び負極端子１１０は、樹脂製のガスケット１１２、１１５及びナット１１３によって固定してある。なお、正極端子１０９及び負極端子１１０は、合わせて「外部端子」とも呼ぶ。

本実施例の非水電解液電池を電池Ａ１とした。

なお、捲芯４０４は、樹脂成形によって作製される。熱可塑性樹脂であれば、ポリプロピレンやポリフェニレンスルフィド等が用いられ、熱硬化性樹脂であれば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル等が用いられるが、高熱耐久性の樹脂であれば特に限定されるものではない。また、絶縁カバー１１１および２種類のガスケット１１２、１１５は、樹脂成型によって作製されることが好ましい。熱可塑性樹脂であれば、ポリプロピレンやポリフェニレンスルフィド等が用いられ、熱硬化性樹脂であれば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル等が用いられるが、これも高熱耐久性の樹脂であれば特に限定されるものではない。

また、セパレータ４０３は、実施例においてポリオレフィン製と記載したが、具体的には、ポリエチレン製やポリプロピレン製のものを単独または組み合わせて用いることができる。さらに、各種セラミックスや耐熱性の材料を追加して用いることもできる。

図４は、組立後の電池の外観を示したものである。

本図において、非水電解液電池１００の電池ケース１０１に溶接された封口板１０３には、注液栓１０７およびガス放出弁１０８が設けてある。また、正極端子１０９は、封口板１０３から突出し、ナット１１３で固定されている。

この非水電解液電池１００の定格容量は、１４Ａｈである。

（比較例）
図５Ａ及び５Ｂは、電極捲回群と正極集電部との接合部の従来の構成例を示したものである。これを比較例とした。

図５Ａは、正極集電部に正極タブ群を接合する際の配置を示したものであり、図５Ｂは、接合した後、捲芯に正極集電部を嵌合する際の配置を示したものである。

この電池には、電池ケースの両方の端面にガス放出弁が設けてある。捲回群１０２は、実施例１と同様のものである。

正極集電部２０４は、平面部２２１に集電板凸部６０３（突起部）を有する板状体であり、平面部２２１の形状が捲回軸に垂直な断面の形状と相似である。また、捲芯４０４も、平板状であり、捲回群１０２の端面部にその端部を露出している。

正極集電部２０４は、平面部２２１の外形が捲回群１０２の長円形の端面部の外形より小さく、捲芯４０４の端面部の外形よりも大きい。正極集電部２０４は、厚さが０．５〜５ｍｍであり、概略長円形の板である。正極集電部２０４には、正極端子１０９が設けてある。また、正極集電部２０４には、開口部６０２が設けてある。

正極集電部２０４に正極タブ群４０５を接合する際には、図５Ａに示すように、正極集電部２０４を捲回群１０２（捲芯４０４）の平面部と平行に配置し、正極タブ群４０５を正極集電部２０４の裏面のタブ溶接部６０１に押し付け、密着した状態で溶接する。

次に、図５Ｂに示すように、正極集電部２０４を捲回群１０２（捲芯４０４）の平面部に対して垂直に配置し、正極集電部２０４の集電板凸部６０３を捲芯４０４の開口部４０７に嵌合する。これにより、正極集電部２０４は捲芯４０４に固定される。ここで、本比較例に示す正極集電部２０４の形状をＴ字型と呼ぶことにする。これは、捲芯４０４の平面部に垂直な断面における正極集電部２０４の形状が集電板凸部６０３を含めてＴ字型であることに由来する。

なお、図５Ａ及び５Ｂにおいては、説明のために正極タブ群４０５を実際よりも長いものとして描いているが、集電板凸部６０３を開口部４０７に嵌合する余裕があればよいので、図示したものよりも短くてよい。

電極捲回群と負極集電部との接合部についても正極の場合と同様に構成してある。

図６は、本比較例の電池の透視図を示したものである。図５Ａ及び５Ｂに示す構成以外は、実施例１と同様であるため、詳しい説明は省略する。正極集電部２０４及び負極集電部２０５については、厚さ方向の断面が示されている。また、ガス放出弁１０８は、封口板１０３、１１６（両側）に設けてある。

本比較例の非水電解液電池を電池Ｂ１とした。

実施例１と同様の捲回群を用い、実施例１の正極集電部と、比較例の負極集電部とを用いたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解液電池を組み立てた。この電池には、電池ケースの正極端子を配置した端面にのみガス放出弁を設置した。

本実施例の非水電解液電池を電池Ａ２とした。

実施例１と同様の捲回群を用い、比較例の正極集電部と、実施例１の負極集電部とを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、非水電解液電池を組み立てた。この電池には、電池ケースの両方の端面にガス放出弁を設置した。

本実施例の非水電解液電池を電池Ａ３とした。

図７Ａ及び７Ｂは、電極捲回群と正極集電部との接合部の変形実施例を示したものである。

図７Ａは、正極集電部に正極の金属箔露出部を接合する前（捲芯に正極集電部を嵌合する前）の配置を示したものであり、図７Ｂは、接合した後の配置を示したものである。

図７Ａにおいて、正極集電部１０４は、図２と同様の構成を有する。すなわち、正極集電部１０４は、平面部１２１を有する板状体であり、その平面部１２１に正極端子１０９（正極外部端子）が接続され、捲芯の端部に設けられた開口部４０７に嵌合するための二つの突起部１０６が配置されている。

一方、捲回群２０２の正極集電部１０４側の端部には、正極の基板である金属箔（アルミニウム箔）を露出させた金属箔露出部１１０１が設けてある。短冊状の正極タブ群は設けていない。

同様に、図示していないが、捲回群２０２の負極集電部側の端部には、負極の基板である金属箔（銅箔）を露出させた金属箔露出部が設けてある。短冊状の負極タブ群は設けていない。

図７Ｂにおいて、正極集電部１０４は、図７Ａに示す捲芯４０４の端部に設けられた開口部４０７に嵌合され、金属箔露出部１１０１の一部は、正極集電部１０４のタブ溶接部７０１に押し付けられ、密着した状態で溶接されている。

これ以外の構成については、実施例１と同様にして、電池を組み立てた。

なお、負極集電部においても実施例１と同様であるため、詳しい説明は省略する。

図８は、本実施例の非水電解液電池の透視図を示したものである。全体の構成は、他の実施例と同様であるため、詳しい説明は省略する。なお、ガス放出弁１０８は、封口板１０３、１１６（両側）に設けてある。

本実施例の非水電解液電池を電池Ａ４とした。

なお、本実施例においては、正極集電部１０４の片側に正極の金属箔露出部１１０１を溶接し、負極集電部１０５の片側に負極の金属箔露出部１１０２を溶接したが、正極集電部１０４及び負極集電部１０５の両側に金属箔露出部１１０１、１１０２を溶接しても良い。その場合、図７Ａに示す金属箔露出部１１０１の溶接されていない部分を切り欠くなどして除去することにより、ガスの放出経路を拡大することができる。

上記の電池Ａ１〜Ａ４及びＢ１を用いて、１４Ａの電流値で、セル電圧が４．２Ｖに達するまで充電し、引き続き、４．２Ｖの定電圧充電を合計充電時間で１．５時間行った。その後、電池からのガスの排出能を測定する目的で、直径が３ｍｍの鋼鉄製の釘を、扁平型電池のほぼ中央部に、速度２〜８０ｍｍ／秒で貫通させた。この際、鋼鉄製の釘が正極と負極とを短絡させることになるため、大電流が流れ、そのジュール熱によって電池の温度上昇、電解液の分解や蒸発等によるガスの発生が起こり、電池内圧が上昇する。これによりガス放出弁が作動した場合、ガスが放出される。

表１は、この試験結果を示したものである。

本表に記載した電池の構成は、電極集電部（正極集電部及び負極集電部）並びにガス放出弁に関するものであり、これが性能に影響する因子である。ここで、「Ｉ字型２個」及び「Ｔ字型２個」は、正極集電部及び負極集電部の形状が同一の場合である。「Ｉ字型１個、Ｔ字型１個」は、正極集電部及び負極集電部の形状が異なる場合である。また、「タブ群なし」は、図７Ａ及び７Ｂに示すものである。さらに、ガス放出弁が「２個」の場合、両側の封口板にガス放出弁が設けてあり、ガス放出弁が「１個」の場合、片側の封口板にガス放出弁が設けてある。

判定は、電池の温度上昇、ガス放出弁の解放によるガスの放出が起こった場合を「ＰＡＳＳ」とし、それ以外の現象が起こった場合を「ＦＡＩＬ」とした。

釘の貫通速度が２ｍｍ／秒の場合には、いずれの電池においても、電池の温度上昇、ガス放出弁の解放、及びガスの放出が起こった（ＰＡＳＳ）。これに対し、釘の貫通速度を上昇させると、比較電池Ｂ１においては、異常現象が見られた（ＦＡＩＬ）。

比較例のように電極捲回群の集電部側（電極捲回群の内部に発生するガスの放出流路）を塞ぐ面積が大きい集電部に比べて、実施例の集電部は、ガスの放出流路を塞ぐ割合が小さい。したがって、実施例の集電部においては、電極捲回群とガス放出弁との間のガスの抵抗部分が集電部、及び電極のタブ群又は金属箔露出部の溶接部のみである。

また、実施例は、比較例に比べて溶接が容易であり、製造が容易である。

さらに、円筒形電池の場合、従来、電池ケースの端部に配置するＯ字型の集電部が使われているが、Ｏ字型の集電部より実施例の集電部の方が溶接しやすく、かつ、軽量である。

以上より、実施例の電池は、安全性に優れ、かつ、製造が容易で、かつ、軽量である。

１００：非水電解液電池、１０１：電池ケース、１０２：捲回群、１０３：封口板、１０４：正極集電部、１０５：負極集電部、１０６：突起部、１０７：注液栓、１０８：ガス放出弁、１０９：正極端子、１１０：負極端子、１１１：絶縁カバー、１１２：ガスケット、１１３：ナット、１１５：ガスケット、１１６：封口板、１２１：平面部、２０２：捲回群、２０４：正極集電部、２０５：負極集電部、２２１：平面部、３０１：注液孔、３０２：ガス放出用開口部、４０１：正極板、４０２：負極板、４０３：セパレータ、４０４：捲芯、４０５：正極タブ群、４０６：負極タブ群、４０７：開口部、６０１：タブ溶接部、６０２：開口部、６０３：集電板凸部、１１０１：金属箔露出部、１１０２：金属箔露出部。

Claims (8)

1. 正極と負極との間にセパレータを挟んで捲回した電極捲回群と、正極集電部と、負極集電部と、これらを収納した電池ケースとを含み、前記正極及び前記負極は、それぞれ、それらの基板である金属箔の露出部を有し、前記正極集電部は、その平面部に前記露出部を電気的に接続してあり、かつ、正極外部端子を電気的に接続してあり、前記負極集電部は、その平面部に前記露出部を電気的に接続してあり、かつ、負極外部端子を電気的に接続してあり、前記正極集電部及び前記負極集電部のうち少なくとも一方の前記平面部は、前記電極捲回群の捲回軸方向に沿う方向に配置してあり、前記捲回軸方向に沿う方向に配置してある前記平面部を有する前記正極集電部又は前記負極集電部を覆う部位には、ガス放出弁が設けてあり、前記露出部は、前記平面部に沿う方向に配置してあり、前記平面部と前記露出部との接合部は、前記捲回軸方向に沿う方向に配置してあることを特徴とする非水電解質電池。
2. 前記電極捲回群は、捲芯を有し、前記正極集電部及び前記負極集電部は、前記捲芯に固定されていることを特徴とする請求項１記載の非水電解質電池。
3. 前記正極集電部及び前記負極集電部のうち少なくとも一方の、前記捲回軸方向に直交する断面の面積は、前記ガス放出弁の面積より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の非水電解質電池。
4. 前記正極集電部及び前記負極集電部のうち少なくとも一方の前記平面部の厚さは、前記捲芯の厚さ以下であることを特徴とする請求項２に記載の非水電解質電池。
5. 前記ガス放出弁は、前記電極捲回群の捲回軸方向の端部側に位置する前記電池ケースの少なくとも一方の底部に設けてあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の非水電解質電池。
6. 前記露出部は、タブ群を形成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の非水電解質電池。
7. 前記正極外部端子及び前記負極外部端子のうち少なくとも一方は、前記平面部の端部に設置してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の非水電解質電池。
8. 前記電池ケースは、扁平形であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の非水電解質電池。

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