JP5838837B2 - 電極収納セパレータ、蓄電装置及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、内部に電極が収納された電極収納セパレータ、蓄電装置及び車両に関する。

従来から周知のように、再充電可能な二次電池は、繰り返し使用することが可能であるので、種々の機器や装置に広く使用されている。車両の分野においては、化石燃料の使用削減（二酸化炭素排出規制）が求められていることから、この種の二次電池をモータの電源として走行する車両、いわゆるハイブリッド車やＥＶ車（Electric Vehicle車）などに広く普及してきている。このような二次電池では、大電流での充電及び放電や、電池容量の大容量化が要求され、例えばリチウムイオン二次電池が製品として量産されている。

この種の二次電池としては、例えば正極シートと、負極シートと、これらを絶縁するセパレータとを、交互に積み重ねて電極体を形成する積層構造の二次電池が周知である。しかし、積層構造は、正極シート、負極シート、セパレータを、順に積み重ねていく製造工程を経るので、積み重ね工程の数が多くなる。よって、生産のタクトタイムが長く、生産性がよくないという課題があった。そこで、例えば正極シートを袋状セパレータの内部に予め収納しておくことにより、前述の積み重ね工程数を減らして、電池の生産性をよくする技術が考案されている（特許文献１等参照）。

特開２００３−９２１００号公報

袋状セパレータの場合、表のセパレータと裏のセパレータとを重ねて、これらの縁を接合することにより、袋状に形成する必要がある。しかし、特許文献１は、セパレータの各辺においてほぼ全域に亘って接合面が設けられているので（段落番号［００３９］や図７参照）、接合面を広くとらなければならない問題があった。特許文献１には、種々の変形例が記載されているもの、どれも接合面が辺に沿わせて帯状に形成されており、いまだ接合面を広くとらざるを得ない問題があった。

本発明の目的は、一対のセパレータを固定するのに必要な接合箇所を少なく抑えることができる電極収納セパレータ、蓄電装置及び車両を提供することにある。

前記問題点を解決するために、請求項１では、互いに対峙する一対のセパレータを備え、前記一対のセパレータに電極を挟み込む電極収納セパレータにおいて、前記電極の複数の角部のうち、少なくとも１箇所に前記角部を斜め向きにカットすることにより形成された面取り部と、前記セパレータの少なくとも前記面取り部と対応する箇所に前記面取り部の形状に沿って設けられ、前記一対のセパレータを接合する第１接合部と、前記セパレータにおいて、前記電極の複数の角部のうち、前記面取り部が形成されていない角部の間の辺に沿って設けられ、前記一対のセパレータを接合する第２接合部とを備え、前記セパレータは、前記第１接合部と前記第２接合部のみで接合されていることを要旨とする。

本発明の構成によれば、電極の少なくとも１箇所の角部に面取り部を設け、一対のセパレータを固定する接合部を、面取り部と対応する箇所に設けた。よって、面取り部に対応する箇所に設けた接合部は電極の複数方向の位置決めが可能であるので、少ない接合部によって、内部の電極を位置決め状態で収納することが可能となる。従って、内部に電極を収納する電極収納セパレータにおいて、一対のセパレータを固定する接合部の個数を少なく抑えることが可能となる。

請求項２では、請求項１に記載の発明において、前記電極及び前記セパレータは、四角状であり、前記面取り部は、前記電極の辺の両端である２箇所の前記角部に形成され、前記接合部は、２箇所の前記面取り部に対応して各々設けられた２箇所の第１接合部と、前記セパレータにおいて２箇所の前記面取り部が形成された辺に対して反対側に位置する辺に形成された１箇所以上の第２接合部とを備えることを要旨とする。この構成によれば、接合部の個数削減に効果が高くなる。

請求項３では、請求項１又は２に記載の発明において、前記セパレータの外形は、正負他方の電極の外形と相似に形成されていることを要旨とする。この構成によれば、電極収納セパレータと正負他方の電極とを交互に重ねる組み立てにおいて、この作業を実施し易くなる。

請求項４では、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の発明において、 正負一方の電極は、正極であることを要旨とする。この構成によれば、電極収納セパレータと正負他方の電極とを交互に重ねる組み立てにおいて、作業性向上に一層効果が高くなる。

請求項５では、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の電極収納セパレータを備える蓄電装置であることを要旨とする。
請求項６では、請求項５に記載の蓄電装置を搭載する車両であることを要旨とする。

本発明によれば、一対のセパレータを固定するのに必要な接合箇所を少なく抑えることができる。

一実施形態の二次電池の構成を示す分解斜視図。 二次電池の外観を示す斜視図。 電極体の構成を示す分解斜視図。 集電部においてリードが溶接された箇所を示す断面図。 図８のII−II線断面図。 正極シートの平面図。 セパレータシートの平面図。 電極収納袋状セパレータの平面図。 電極収納袋状セパレータと負極シートとを重ねた平面図。 従来の電極収納袋状セパレータの溶接箇所を示す平面図。 溶着時にセパレータシートにシワができる様子を示す説明図。 ケースの角部分を示す部分拡大断面図。 （ａ），（ｂ）は別例の電極収納袋状セパレータの平面図。

以下、本発明を具体化した電極収納セパレータ、蓄電装置及び車両の一実施形態を図１〜図１２に従って説明する。
図１及び図２に示すように、例えばハイブリッド車（プラグインハイブリッド車）やＥＶ車等の車両１（図２に図示）には、車両１の駆動源として使用されるモータ（図示略）の電源として二次電池２が搭載されている。二次電池２には、例えば金属製のケース３が設けられ、ケース本体４の内部には、発電要素である電極体５が収納されている。ケース本体４の上部の開口部４ａは、金属製の板状のケース蓋６によって密封状態に封止される。なお、二次電池２が蓄電装置に相当する。

図２に示すように、二次電池２の上面には、正極用の電極端子である正極端子７と、負極用の電極端子である負極端子８とが設けられている。正極端子７及び負極端子８は、ケース蓋６の開口孔６ａからケース３の外部に露出されている。正極端子７及び負極端子８とケース３との間には、正極端子７及び負極端子８をケース３から絶縁するリング状の絶縁部材９が各々取り付けられている。

図３に示すように、電極体５は、袋内部に正負一方の電極としての電極（正極電極）を収納した袋状セパレータ（以降、電極収納袋状セパレータ１０と記す）と、正負他方の電極としての負極（負極電極）となる薄い負極シート１１とからなる層を複数層有する組立体からなる。電極収納袋状セパレータ１０は、袋状のセパレータ本体１２の内部に、正極電極となる薄い正極シート１３を収納した部材である。電極体５は、電極収納袋状セパレータ１０及び負極シート１１が、電極体５の厚み方向（積層方向：図１等のＹ軸方向）に沿って、一定方向に積み重ねられた積層構造をとる。なお、負極シート１１及び正極シート１３が電極を構成する。

正極シート１３には、金属製のシート状の箔１４が設けられ、箔１４に両面に正極活物質層１５が塗布されることにより、この部分が塗工部１６として形成されている。正極シート１３の周縁の一部分には、箔１４の一部がタブとして引き出され、この部分が正極活物質層１５を塗布していない未塗工部１７として形成されている。負極シート１１も、金属製のシート状の箔１８が設けられ、箔１８の両面に負極活物質層１９が塗布され、正極シート１３と同様に、塗工部２０及び未塗工部２１が形成されている。

図４に示すように、正極シート１３及び負極シート１１の各々には、同極の未塗工部１７，２１同士を積層方向Ｙにおいて束ねた正極集電部２２及び負極集電部２３において、正極リード２４及び負極リード２５が各々溶接されている。正極リード２４、負極リード２５は、正極集電部２２、負極集電部２３の根元付近を溶接部２６，２７として正極集電部２２、負極集電部２３に固定される。また、正極端子７が正極リード２４に接続され、負極端子８が負極リード２５に接続される。集電部２２，２３は、電極体５の本体部である電極対２８の上面から上方に飛び出し、電極対２８の幅方向（図１のＸ軸方向）において、それぞれ離れる側の端寄りの位置に配置されている。

図３及び図５に示すように、電極収納袋状セパレータ１０は、互いに対峙する一対のセパレータである２枚のセパレータシート２９を重ね合わせ、セパレータシート２９同士を溶着することにより、袋状に形成されている。これにより、電極収納袋状セパレータ１０の内部には、隙間からなる収納部３０が設けられ、この収納部３０に正極シート１３が収納される。なお、収納部３０が袋内部に相当する。

図６に示すように、長方形状の正極シート１３の４つの角部のうち、未塗工部１７が設けられていない側の辺（紙面の下辺３１）の両端の角部３２には、先端部分を省略することにより、面取り部３３が設けられている。即ち、本例の面取り部３３は、正極シート１３において１箇所以上（本例の場合、紙面下側の両角の２箇所）に形成されている。本例の面取り部３３は、正極シート１３の各角部３２を斜め向きにカットすることにより形成される。

図７に示すように、２枚のセパレータシート２９は、直方形状に形成されるとともに、正極シート１３の外寸よりも、所定量大きい面積で形成されている。セパレータシート２９は、正極シート１３と負極シート１１とを絶縁するためのシート部材である。

図８に示すように、２枚のセパレータシート２９は、セパレータシート２９同士を４角で溶着することにより、４箇所の溶着部３４によって袋状に固定されている。これら溶着部３４…は、正極シート１３が電極収納袋状セパレータ１０の内部において上下左右の各方向に動かない（位置ずれしない）状態をとる個数及び場所に必要である。なお、溶着部３４が接合部に相当する。

本例の場合、長方形状の電極収納袋状セパレータ１０において、長手辺の一方（図８の紙面の下辺３５）の左右両端には、面取り部３３の形状に沿って形成された２箇所の斜状溶着部３４ａが設けられている。斜状溶着部３４ａは、１つで正極シート１３の複数方向の位置決めが可能である。また、斜状溶着部３４ａは、下辺３５において、セパレータ本体１２の幅方向（図８のＸ軸方向）の左右の各端部に配置されている。なお、斜状溶着部３４ａが第１接合部に相当する。

長方形状の電極収納袋状セパレータ１０において、長手辺の他方（図８の紙面の上辺３６）の左右両端には、正極シート１３の直角の角部の一辺に沿って形成された２箇所の直線状溶着部３４ｂが設けられている。直線状溶着部３４ｂは、正極シート１３の上方（図８の＋Ｚ軸方向）への動きを規制する。直線状溶着部３４ｂは、上辺３６において、セパレータ本体１２の幅方向（図８のＸ軸方向）の左右の各端部に配置されている。なお、直線状溶着部３４ｂが第２接合部に相当する。即ち、第２接合部は、電極収納袋状セパレータ１０において面取り部３３が形成された辺に対して反対側に位置する辺に１箇所以上、一対形成されている。

図９に示すように、電極収納袋状セパレータ１０の外形は、負極シート１１の外形と相似をとるように形成されている。これは、電極収納袋状セパレータ１０に溶着部３４を形成したからである。また、これら形状を相似とするのは、ケース３内へ電極収納袋状セパレータ１０及び負極シート１１を順に積み上げていくとき、電極収納袋状セパレータ１０及び負極シート１１のケース３への位置決めが容易となり、かつこれらのケース３に対する位置ズレの防止にもなるからである。また、負極シート１１の角部にも、正極シート１３と同様に２箇所の面取り部３７が形成されている。

次に、本例の電極収納袋状セパレータ１０の製造工程について、図３，図８，図１０及び図１１を用いて説明する。
図３に示すように、セパレータ製造工程において、２箇所の角部３２に面取り部３３が形成された正極シート１３を用意し、この正極シート１３を表裏から２枚のセパレータシート２９で挟み込む。そして、図８に示すように、２枚のセパレータシート２９を、シート上部の２箇所と面取り部３３の２箇所とにおいて、溶着により固定する。これにより、袋状のセパレータ本体１２の内部に正極シート１３が収納され、正極及びセパレータが一体となった電極収納袋状セパレータ１０が形成される。このセパレータ製造工程において、電極収納袋状セパレータが量産される。

このとき、正極シート１３は、セパレータ本体１２内の収納部３０において、紙面上下方向への動きが４つの溶着部３４ａ，３４ｂによって規制され、紙面左右方向への動きが２つの斜状溶着部３４ａによって規制されている。即ち、セパレータシート２９同士を、面取り部３３に沿う２箇所の溶着部３４ａと、シート上部の溶着部３４ｂとで固定することにより、収納部３０内の正極シート１３を、上下左右の各方向に動かない（位置ずれしない）状態で収納部３０に収納する。

続いて、積層工程において、電極収納袋状セパレータ１０と負極シート１１とを交互に重ねていく。そして、必要枚数重ねた後、同極の未塗工部１７，２１同士を束ねて、リード２４，２５を溶接し、電極体５を組立てる。電極体５の組み立て後、この電極体５をケース本体４に収納し、ケース本体４の開口部４ａをケース蓋６で閉じることにより、二次電池２が組み立てられる。

以上により、本例においては、正極シート１３の２箇所の角部３２に面取り部３３を形成し、正極シート１３を表裏から包む２枚のセパレータシート２９同士を、面取り部３３に沿って溶着する。このため、セパレータシート２９を袋状に固定するのに必要な溶着箇所が、各面取り部３３に形成された２箇所（斜状溶着部３４ａ）と、シート上部の２箇所（直線状溶着部３４ｂ）との合計４箇所で済む。よって、正極シート１３を収納部３０内において移動しないようにするには、従来の場合、図１０に示すように溶着箇所が６箇所必要なのに対し、本例の場合、溶着箇所が４箇所で済む。

また、面取り部３３を利用した溶着の場合、図１１に示す構造のように、正極シート１３の１つの角部４１の両側に溶着部３４を形成する必要がない。即ち、同図の構造の場合、角部４１の一方の面に沿って溶着部３４ｒを形成し、その後、角部４１の他方の面に沿って溶着部３４ｓを形成すると、溶着部３４ｓの形成の際に、どうしてもセパレータシート２９にシワができてしまう現状がある。それに対し、斜状溶着部３４ａの場合は、このようなシワができないので、この点で効果が高いと言える。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）正極シート１３の角部３２に面取り部３３を設け、表裏のセパレータシート２９を袋状に固定する複数の溶着部３４…のうち、面取り部３３と対応する箇所を、面取り部３３に沿う形状の斜状溶着部３４ａとして形成した。よって、セパレータシート２９同士を内部に正極シート１３を挟んだ状態で袋状に溶着する際、内部の正極シート１３を動かない状態で固定する個数の溶着部３４が必要となるが、本例の場合、その溶着部３４の個数を、少ない数（合計４箇所）に抑えることができる。

（２）充放電時のイオンのやり取りの関係上、負極シート１１を正極シート１３以上の面戦記に形成する必要があるが、セパレータ本体１２内に収納する電極を正極シート１３とすれば、負極シート１１を正極シート１３よりも大きい形状とすれば、サイズに関して最低限の要件を満たすことができる。よって、正極シート１３と負極シート１１との外寸を正確に寸法合わせせずに済む。

（３）溶着部３４をシート下側の面取り部３３の２箇所とシート上側の２箇所との計４箇所とするので、４箇所という少ない溶着箇所により、２枚のセパレータシート２９を、内部の正極シート１３が動かない状態で袋状に固定することができる。

（４）電極収納袋状セパレータ１０の外寸と負極シート１１の外寸とを同じに形成した。このため、電極体５の組み立て時において、電極収納袋状セパレータ１０と負極シート１１とを交互に積み重ねていく際の位置合わせを、容易に行うことができる。これにより、積層工程のタクトタイム短縮に効果が高いので、生産性向上にも寄与する。また、電極収納袋状セパレータ１０と負極シート１１との外周が揃うので、これらの位置ズレ防止にも効果が高い。

（５）負極シート１１の紙面下側の２箇所の角部にも、面取り部３３を形成した。このため、図１２に示すように、電極体５をケース３に収納する際、ケース３の角部４５がＲ状になっていて、そこに電極収納袋状セパレータ１０及び負極シート１１の角部分が当接しても、折れ曲がり可能である。よって、ケース３内の角部４５のＲ部分が吸収されるので、電極体５のケース３への収納し易さを確保することができる。

（６）電極収納袋状セパレータ１０と負極シート１１とを相似形状としたので、これらを積み上げていく積層工程において、作業性を向上することができる。
なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。

・図１３（ａ）に示すように、シート上部に形成する直線状溶着部３４ｂは、１つでもよい。この場合、溶着部３４の個数を３つに減らすことができる。
・図１３（ｂ）に示すように、面取り部３３は、片側にのみ１つ（電極の複数の角部のうち、少なくとも１箇所）形成してもよい。この例では、正極シート１３を位置決めするために、シート上部に直線状溶着部３４ｂを１つ形成し、シート側部に直線状溶着部３４ｔを１つ形成する。この場合も、溶着部３４の個数を３つに減らすことができる。

・電極収納袋状セパレータ１０は、２枚のセパレータシート２９を貼り付けることで形成されることに限定されない。例えば、１枚の大きなセパレータシートを用意し、これを中央付近で折り曲げることにより、正極シート１３を包み込んで袋状となる構成でもよい。

・セパレータシート２９の接合方式は、溶着に限定されず、例えば接着や、テープを使用した固定など、他の形式に変更可能である。
・正極端子７及び負極端子８は、電極対２８の同一辺に配置されることに限定されず、各々異なる辺に配置されてもよい。

・集電部２２，２３の配置位置は、電極対２８の上面に限らず、側面や下面などに変更可能である。
・正極集電部２２は、１つに限定されず、例えば複数でもよく、これらを１つ、或いは複数のリードで電気接続してもよい。なお、これは、負極集電部２３でも同様に言える。

・正極や負極は、シート状の部材に限定されず、例えば所定量厚みのある板状の部材を使用してもよい。
・正極シート１３、負極シート１１及びセパレータシート２９の素材は、適宜変更可能である。

・正極端子７、負極端子８、集電部２２，２３の構造は、実施形態に述べた例に限らず、他の構造に変更可能である。
・ケース本体４の開口部４ａは、ケース本体４の上面に形成されることに限らず、ケース本体４の側面など、別の箇所に変更可能である。

・電極体５は、積層構造に限定されず、シート状の電極対を何層にも巻いて正負の電極層を持つ捲回構造としてもよい。
・蓄電装置は、二次電池に限定されず、例えば電気二重層キャパシタによって充放電する蓄電器としてもよい。

・電極収納袋状セパレータ１０内の電極は、正極に限定されず、負極としてもよい。
・リード溶接（抵抗溶接）は、スポット溶接、バット溶接、プロジェクション溶接などの種々の溶接が使用可能である。また、リード溶接は、抵抗溶接に限らず、他の方式を採用可能である。

・電極収納セパレータは、袋状に限定されず、例えば筒状など、他の形状に変更可能である。
・電極収納袋状セパレータ１０と負極シート１１は、外形が相似となることに限定されず、非相似形をとってもよい。また、これらは、互いに外形が異なる形状をとっていてもよい。

・セパレータ形状は、四角状に限定されず、種々の形状に適宜変更可能である。
・接合部（斜状溶着部３４ａ）は、面取り部３３に沿って設けられることに限定されず、例えば面取り部３３の近傍に設けられる配置も広義として含むものとする。

・電極体５（二次電池２）は、車両１に搭載されることに限定されず、他の機器や装置に搭載可能である。

１…車両、２…蓄電装置としての二次電池、５…電極体、１０…電極収納セパレータとしての電極収納袋状セパレータ、１１…電極を構成する負極シート、１３…電極を構成する正極シート、２９…セパレータシート（セパレータ）、３０…収納部、３２…角部、３３…面取り部、３４（３４ａ，３４ｂ，３４ｒ，３４ｓ，３４ｔ）…接合部としての溶着部、３４ａ…第１接合部としての斜状溶着部、３４ｂ…第２接合部としての直線状溶着部、３５…面取り部が形成された辺としての下辺、３６…反対側に位置する辺としての上辺。

Claims (6)

1. 互いに対峙する一対のセパレータを備え、前記一対のセパレータに電極を挟み込む電極収納セパレータにおいて、
   前記電極の複数の角部のうち、少なくとも１箇所に前記角部を斜め向きにカットすることにより形成された面取り部と、
   前記セパレータの少なくとも前記面取り部と対応する箇所に前記面取り部の形状に沿って設けられ、前記一対のセパレータを接合する第１接合部と、
   前記セパレータにおいて、前記電極の複数の角部のうち、前記面取り部が形成されていない角部の間の辺に沿って設けられ、前記一対のセパレータを接合する第２接合部と
   を備え、前記セパレータは、前記第１接合部と前記第２接合部のみで接合されていることを特徴とする電極収納セパレータ。
2. 前記電極及び前記セパレータは、四角状であり、
   前記面取り部は、前記電極の辺の両端である２箇所の前記角部に形成され、
   前記接合部は、２箇所の前記面取り部に対応して各々設けられた２箇所の第１接合部と、前記セパレータにおいて２箇所の前記面取り部が形成された辺に対して反対側に位置する辺に形成された１箇所以上の第２接合部とを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電極収納セパレータ。
3. 前記セパレータの外形は、正負他方の電極の外形と相似に形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電極収納セパレータ。
4. 正負一方の電極は、正極である
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の電極収納セパレータ。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の電極収納セパレータを備える
   ことを特徴とする蓄電装置。
6. 請求項５に記載の蓄電装置を搭載する
   ことを特徴とする車両。