JP5823604B2 - 電池及び電池パック - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電池及び電池パックに関する。
近年、急速に普及しているハイブリッド電気自動車、プラグイン電気自動車等の電気自動車の電源には、充放電可能な直方体状の非水電解質電池、例えばリチウムイオン電池が主として用いられている。リチウムイオン電池は、正極及び負極を、セパレータを介して捲回または積層した電極群、及び非水電解質を、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、直方体状をなすケースに収納して構成される。
リチウムイオン電池の製造工程における注液では、ケース内を減圧した後に電解液の注液が行われるが、ケース内の空隙容積よりも注液量が多い場合、電解液が電極群中に含浸して、電解液がケース内に全量入るまでに長時間を要していた。
本発明が解決しようとする課題は、注液時間の短縮が可能な電池及び電池パックを提供することである。
実施形態によれば、容器と、電極群と、電解液と、封口板と、端子と、注液口と、封止栓と、リードと、押圧部材とを含む電池が提供される。電極群は、容器内に収納され、かつ正極及び負極を含む。電解液は、容器内に収納される。封口板は、容器の開口部に配置される。端子は、封口板に配置される。注液口は、封口板に開口される。封止栓は、封口板の注液口を塞ぎ、弾性材よりなる。リードは、電極群の正極又は負極と端子とを電気的に接続する。押圧部材は、リードに一体化され、封止栓を封口板に押圧する。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1に示す電池は、注液工程前の密閉型の角型非水電解質電池である。電池は、容器としての外装缶1と、外装缶1の開口部に取り付けられた封口板2と、封口板2に設けられた正負極端子3,4とを有する。外装缶1は、有底角筒形状を有する。図1及び図2に示すように、偏平型電極群5は、外装缶1内に収納されている。電解液(図示しない)は、外装缶1内に収容され、偏平型電極群5に含浸されている。
図1に示す電池は、注液工程前の密閉型の角型非水電解質電池である。電池は、容器としての外装缶1と、外装缶1の開口部に取り付けられた封口板2と、封口板2に設けられた正負極端子3,4とを有する。外装缶1は、有底角筒形状を有する。図1及び図2に示すように、偏平型電極群5は、外装缶1内に収納されている。電解液(図示しない)は、外装缶1内に収容され、偏平型電極群5に含浸されている。
図3に示すように、偏平型電極群5は、正極6と負極7がその間にセパレータ8を介して偏平形状に捲回されたものである。正極6は、例えば金属箔からなる帯状の正極集電体と、正極集電体の長辺に平行な一端部からなる正極集電タブ6aと、少なくとも正極集電タブ6aの部分を除いて正極集電体に形成された正極活物質層6bとを含む。一方、負極7は、例えば金属箔からなる帯状の負極集電体と、負極集電体の長辺に平行な一端部からなる負極集電タブ7aと、少なくとも負極集電タブ7aの部分を除いて負極集電体に形成された負極活物質層7bとを含む。
このような正極6、セパレータ8及び負極7は、正極集電タブ6aが電極群の捲回軸方向にセパレータ8から突出し、かつ負極集電タブ7aがこれとは反対方向にセパレータ8から突出するよう、正極6及び負極7の位置をずらして捲回されている。このような捲回により、電極群5は、図3に示すように、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ6aが突出し、かつ他方の端面から渦巻状に捲回された負極集電タブ7aが突出している。
図1及び図2に示すように、正極リード9は、正極端子3と電気的に接続するための接続プレート9aと、接続プレート9aに開口された貫通孔9bと、接続プレート9aから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部9cとを有する。正極リード9の集電部9cは、その間に電極群5の正極集電タブ6aを挟み、溶接によって正極集電タブ6aに電気的に接続されている。一方、負極リード10は、負極端子4と電気的に接続するための接続プレート10aと、接続プレート10aに開口された貫通孔10bと、接続プレート10aから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部10cとを有する。負極リード10の集電部10cは、その間に電極群5の負極集電タブ7aを挟み、溶接によって負極集電タブ7aに電気的に接続されている。正負極リード9,10を正負極集電タブ6a,7aに電気的に接続する方法は、特に限定されるものではないが、例えば超音波溶接やレーザ溶接等の溶接が挙げられる。
電極ガード11は、正負極集電タブ6a,7aの端面を覆う側板11aと、正負極集電タブ6a,7aの最外周を覆うようにU字状に湾曲した側板11bとを有する。電極ガード11の上端は、そこから電極群5が挿入されるため、開放されている。電極群5の正極集電タブ6aは、正極リード9の集電部9cが溶接された状態で電極ガード11によって被覆される。正極リード9の接続プレート9aは、電極ガード11の上方に位置する。一方、電極群5の負極集電タブ7aは、負極リード10の集電部10cが溶接された状態で電極ガード11によって被覆される。負極リード10の接続プレート10aは、電極ガード11の上方に位置する。2つの電極ガード11は、電極群5に絶縁テープ12によって固定されている。
図1,図2及び図8に示すように、封口板2は、矩形板状をしている。封口板2は、正負極端子3,4を取り付けるための貫通孔13a,13bと、封口板2の中央付近に位置する安全弁14と、貫通孔13aと安全弁14との間に位置する注液口15とを有する。絶縁板16は、2つの凹部16aを有する。また、絶縁板16は、封口板2の貫通孔13a,13bと連通する貫通孔と、安全弁14と対向する箇所に開口されたガス抜き孔16bと、封口板2の注液口15と連通する貫通孔とを有する。絶縁板16は、封口板2の裏面に配置される。絶縁板16の一方の凹部16aに正極リード9の接続プレート9aが接し、他方の凹部16a内に負極リード10の接続プレート10aが収納される。
正負極端子3,4は、それぞれ、矩形板状の突起部3a,4aと、突起部3a,4aから延出された軸部3b,4bとを有する。また、絶縁ガスケット17は、正負極端子3,4の軸部3b,4bが挿入される貫通孔17aを有する。図4に示すように、正極端子3の軸部3bは、絶縁ガスケット17の貫通孔17a、封口板2の貫通孔13a、絶縁板16の貫通孔、正極リード9の接続プレート9aの貫通孔9bに挿入され、これら部材にかしめ固定されている。これにより、正極端子3は、正極リード9を経由して正極集電タブ6aと電気的に接続される。一方、負極端子4の軸部4bは、絶縁ガスケット17の貫通孔17a、封口板2の貫通孔13b、絶縁板16の貫通孔、負極リード10の接続プレート10aの貫通孔10bに挿入され、これら部材にかしめ固定されている。これにより、負極端子4は、負極リード10を経由して負極集電タブ7aと電気的に接続される。
図1及び図2に示すように、封止栓18は、円柱形状を有し、弾性材よりなる。弾性材には、電解液耐性を有するものが好ましく、例えば、EPDMゴムなどを挙げることができる。また、封止栓18の形状は円柱形状に限らず、注液口15の形状に応じて変更することができる。図4及び図6に示すように、封止栓18は、封口板2の裏面から注液口15を塞いでいる。正極リード9の接続プレート9aの先端部分は、封口板2との間に封止栓18を挟み、封止栓18を封口板2に向けて押圧している。すなわち、正極リード9の接続プレート9aの先端部分は、封止栓18を封口板2に押圧する押圧部材として機能する。押圧部材には、リードと同一部材をそのまま延長して使用しても良いし、アルミニウム合金やステンレス鋼などの電解液耐性のある金属からなる押圧部材をリードに複合させることも可能である。正負極リード9,10は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金から形成することができる。リードと同一部材をそのまま延長したものを押圧部材として用いる場合、押圧部材はアルミニウム、アルミニウム合金から形成することができる。
ここで、正負極の活物質、セパレータ、非水電解液、容器、封口板及び電極ガードについて説明する。
正極活物質は、特に限定されるものではなく、種々の酸化物、例えば、リチウム含有コバルト酸化物(例えば、LiCoO2)、二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn2O4、LiMnO2)、リチウム含有ニッケル酸化物(例えば、LiNiO2)、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物(例えば、LiNi0.8Co0.2O2)、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。
負極活物質は、特に限定されるものではなく、例えば、黒鉛質材料もしくは炭素質材料(例えば、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体など)、カルコゲン化合物(例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブなど)、軽金属(例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム、リチウム合金など)、リチウムチタン酸化物(例えば、スピネル型のチタン酸リチウム)等を挙げることができる。
セパレータは、特に限定されるものではなく、例えば、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物などを用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー、セルロースなどをあげることができる。
非水電解液は、非水溶媒に電解質(例えば、リチウム塩)を溶解させることにより調製される。非水溶媒は、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフランなどを挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、2種以上混合して使用してもよい。電解質は、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)などのリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、2種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、0.2mol/L〜3mol/Lとすることが望ましい。電解質の濃度が低すぎると十分なイオン導電性を得ることができない場合がある。一方、高すぎると溶媒に完全に溶解できない場合がある。
容器及び封口板の材料には、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)めっきした鉄、ステンレス(SUS)などを用いることができる。正負極端子3,4をアルミニウムもしくはアルミニウム合金から形成する場合、正負極リード9,10には、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を使用することができる。
電極ガードに使用される樹脂としては、電解液に侵されにくい樹脂であればいかなる樹脂でも使用可能であるが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン酢酸ビニルアルコール共重合体、エチレン・アクリル酸共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、エチレン・メチルアクリレート共重合体、エチレンメタクリルアクリレート共重合体、エチレン・メチルメタクリル酸共重合体、アイオノマー、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレンなどを用いることができ、上記樹脂は、1種類を単独で使用してもよく、また、複数の種類を混合して使用してもよい。中でも、ポリプロピレンまたはポリエチレンを用いることが好ましい。
以上説明した構造によれば、図6に示すように、封口板2の注液口15と正極リード9の接続プレート9aとの間に弾性材よりなる封止栓18が配置されている。非水電解液を注液する際には、作動ピン19を注液口15から挿入し、作動ピン19で封止栓18を下方に押し込み、注液口15の周囲と封止栓18との間に隙間を設ける。この状態で注液口15に注液ノズルを挿入し、注液ノズルから圧力を加えつつ、非水電解液を注液すると、加圧により容器が膨れて容器内の空隙体積が増加するため、非水電解液の電極群5への含浸を促進することができる。すなわち、容器の膨れを利用して加圧注液を行うことができるため、電解液全量を短時間で注液することができる。その後、作動ピン19を引き上げると、容器内の加圧状態を維持したまま封止することができるため、注液ノズルを注液口から外した際の電解液の吹き返しを防ぐことができ、短時間で注液をすることができる。
封止栓を持たない構造において、加圧状態で注液を行い、電解液が電極群に含浸する前に注液口から注液ノズルを外すと、容器の内外の圧力差によって電解液の吹き返しが起こる。
注液後、図8に示すように、封口板2の表面に円板状の封止蓋20を溶接により固定し、封止蓋20で注液口15を塞ぐことが望ましい。これにより、注液口15は、封止栓18と封止蓋20とで封止されるため、電池の気密性を高くすることができる。封止蓋20は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)めっきした鉄、ステンレス(SUS)などから形成することができる。
なお、図5では、正極リード9の接続プレート9aを封口板2の長辺と平行に延出させたが、接続プレート9aの形状はこれに限定されず、例えば図9に示すように、接続プレート9aを垂直に折り曲げ、封口板2の短辺と平行に延出させても良い。このような構造にすると、正極リード9の接続プレート9aの長さを短くすることができるため、正極リード9の製作コストを低く抑えることができる。
また、図4では、正極リード9の接続プレート9aに矩形板を用いたが、接続プレート9aの形状はこれに限定されず、例えば図10に示すように、段差を設けることができる。
図4,10では、正極リード9の接続プレート9aに押圧部材を形成したが、これに限定されず、負極リード10の接続プレート10aに押圧部材を形成しても良い。
以上説明した第1の実施形態によれば、封口板の注液口とリードの押圧部材との間に弾性材よりなる封止栓が配置されている。非水電解液を注液する際には、封止栓をリード側に押し込み、注液口を開放した後、注液口から非水電解液を圧力を加えつつ、注液する。加圧により容器が膨れると、容器内の空隙容積を注液量よりも多くすることができるため、電解液全量を短時間で注液することができる。注液後、封止栓に加えていた押圧力を解除すると、リードの押圧部材が封止栓を封口板に押し付けるため、容器内の加圧状態を維持したまま容器内から封止することができる。このため、注液の際に加えていた圧力を解除した際の電解液の吹き返しを防ぐことができる。また、加圧状態は封止栓を注液口に押し付ける方向へ作用するため、より封止圧力を高めることができる。以上により、注液時間の短縮と含浸時間の短縮が可能となる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態によれば、非水電解質電池を含む電池パックが提供される。非水電解質電池には、第1の実施形態に係る非水電解質電池が使用される。電池パックに含まれる非水電解質電池(単電池)の数は、1個または複数にすることができる。複数の単電池を備える場合、各単電池は電気的に直列もしくは並列に接続されている。
第2の実施形態によれば、非水電解質電池を含む電池パックが提供される。非水電解質電池には、第1の実施形態に係る非水電解質電池が使用される。電池パックに含まれる非水電解質電池(単電池)の数は、1個または複数にすることができる。複数の単電池を備える場合、各単電池は電気的に直列もしくは並列に接続されている。
このような電池パックを図11を参照して詳細に説明する。組電池22は、複数の単電池21を含む。複数の単電池21は、互いに電気的に直列に接続されている。正極側リード23は、組電池22の正極端子に接続され、その先端は正極側コネクタ24に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード25は、組電池22の負極端子に接続され、その先端は負極側コネクタ26に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ24,26は、配線27,28を通して保護回路29に接続されている。
サーミスタ30は、単電池21の温度を検出し、その検出信号は保護回路29に送信される。保護回路29は、所定の条件で保護回路29と外部機器への通電用端子31との間のプラス側配線32aおよびマイナス側配線32bを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ30の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池21の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池21もしくは単電池21全体について行われる。個々の単電池21を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池21中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図6の場合、単電池21それぞれに電圧検出のための配線33を接続し、これら配線33を通して検出信号が保護回路29に送信される。
図11では単電池21を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。組み上がった電池パックを直列、並列に接続することもできる。
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。電池パックの用途としては、大電流特性でのサイクル特性が望まれるものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。特に、車載用が好適である。
以上詳述した第2の実施形態の電池パックによれば、第1の実施形態に係る電池を含むため、注液時間の短縮と含浸時間の短縮が可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…外装缶、2…封口板、3…正極端子、4…負極端子、5…電極群、6…正極、6a…正極集電タブ、6b…正極活物質含有層、7…負極、7a…負極集電タブ、7b…負極活物質含有層、8…セパレータ、9…正極リード、9a…接続プレート,9b…貫通孔、9c…正極集電部、10…負極リード、10a…接続プレート,10b…貫通孔、10c…負極集電部、11…電極ガード、12…絶縁テープ、14…安全弁、15…注液口、16…絶縁板、17…絶縁ガスケット、18…封止栓、19…作動ピン、20…封止蓋、21…単電池、22…組電池、29…保護回路、30…サーミスタ。
Claims (5)
- 容器と、
前記容器内に収納され、正極及び負極を含む電極群と、
前記容器内に収納された電解液と、
前記容器の開口部に配置された封口板と、
前記封口板に配置された端子と、
前記封口板に開口された注液口と、
前記封口板の前記注液口を塞ぎ、弾性材よりなる封止栓と、
前記電極群の前記正極又は前記負極と前記端子とを電気的に接続するリードと、
前記リードに一体化され、前記封止栓を前記封口板に押圧する押圧部材と
を含むことを特徴とする電池。 - 前記押圧部材は、前記リードと同じ材料から形成されていることを特徴とする請求項1記載の電池。
- 前記リードは、前記端子が固定される接続プレートを有し、前記接続プレートが前記押圧部材を兼ねていることを特徴とする請求項2記載の電池。
- 前記押圧部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成されていることを特徴とする請求項2記載の電池。
- 請求項1〜4いずれか1項記載の電池を含むことを特徴とする電池パック。
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