JPWO2019093333A1 - 電池及び電池パック - Google Patents

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Abstract

実施形態によれば、電池は、電極群と、容器と、蓋体と、一対の電極端子と、電極群押さえと、を備える。容器は、電極群を収納し、蓋体は、容器の開口部を塞ぐ。蓋体は、ガス排出弁を備え、蓋体には、注液口が形成される。電極端子は、蓋体の外表面に取付けられる。電極群押さえは、容器の内部において蓋体と電極群との間に設けられるとともに、蓋体に対して重ねられる。電極群押さえには、ガス排出弁に対向する部位及び注液口に対向する部位に跨って、電極群押さえを貫通する開口孔が形成される。

Description

本発明の実施形態は、電池及び電池パックに関する。
電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車、電動バイク、及び、フォークリフトなどの電源として期待されている。その電池は、上部が開口した容器と、その開口部を覆う蓋体と、からなっていることが多く、電池の製造工程には、蓋体に形成された注液口から電解液を注入する工程と、封止板でその注液口を溶接する工程と、を含むものがある。そのような電池においては、封止する箇所付近に電解液が溜まることで、溶接不良を生じることがある。
特開2001−202933号公報
本発明が解決しようとする課題は、電解液による溶接不良を低減するための電池を提供することである。また、その電池を備える電池パックを提供することである。
実施形態によれば、電池は、電極群と、容器と、蓋体と、一対の電極端子と、電極群押さえと、を備える。電極群は、正極及び負極を備える。容器は、電極群を収納し、容器には、高さ方向の一方側へ開口する開口部が形成される。蓋体は、容器の開口部を塞ぐ。蓋体は、ガス排出弁を備えるとともに、蓋体には、蓋体を貫通する注液口が形成される。一対の電極端子は、蓋体の外表面に取付けられ、電極群に電気的に接続される。電極群押さえは、容器の内部において蓋体と電極群との間に設けられるとともに、蓋体に対して重ねられる。電極群押さえには、ガス排出弁に対向する部位及び注液口に対向する部位に跨って、電極群押さえを貫通する開口孔が形成される。
また、実施形態によれば、前述の電池を備える電池パックが提供される。
また、実施形態によれば、電池は、正極、負極、及び、セパレータを重ねてなる電極群と、電極群に電気的に接続された正極端子及び負極端子を備える蓋体と、電極群と蓋体との間に蓋体に近接するよう重ねて設けられる電極群押さえと、電極群及び電極群押さえを収容する容器と、を備える。蓋体には、蓋体を貫通する注液口と、溝を有し肉薄に形成されているガス排出弁と、が設けられる。電極群押さえは、注液口及びガス排出弁に対応した位置に跨って開口部を有している。
図1は、実施形態に係る電池の一例を示す分解斜視図である。 図2は、実施形態に係る電池の断面図である。 図3は、実施形態に係る電極群押さえの上面図である。 図4は、実施形態に係る電池を、部材ごとに分解して詳細に示す斜視図である。 図5は、実施形態に係る電池を、容器を省略し、かつ、部材ごとに分解して示す斜視図である。 図6は、実施形態に係る電極群の構成の一例を示す概略図である。 図7は、実施形態に係る蓋体及び電極群押さえ等が組み立てられたキャップ体を示す斜視図である。 図8は、実施形態に係る電極群押さえの構成を示す斜視図である。 図9は、実施形態のある変形例に係る電極群押さえの構成を示す斜視図である。
以下、図面を参照しながら、実施形態に係る電池の一例を説明する。
図1は、実施形態に係る電池の一例を示す。図1に示す電池100は、容器1と、蓋体2と、電極群11と、4つのリード補助材15a−1、15a−2、15b−1、15b−2と、正極端子5a及び負極端子5bの対応する一方にそれぞれが接続される2つのリード13a、13bと、電極群押さえ12と、正極電極ガード16aと、負極電極ガード16bと、絶縁テープ17a、17bと、を備える。
容器1は、金属製であり、開口部21を有する有底角筒形状を有している。容器1の開口部21は、矩形の蓋体2が配置されており、それによって塞がれている。容器1は、電極群11及び電解液(図示しない)を収容している。
蓋体2には、ガス排出弁9が設けられている。ガス排出弁9は、矩形の肉薄部からなり、 十字の溝を有する。蓋体2のうちガス排出弁9の溝が設けられた部分は、特に肉薄となっている。そのため、溝は、容器1の内部圧力が上昇した際に、破断することによって、容器1内のガスを外に放出することができる。また、蓋体2には、ガス排出弁9の他に、後述する端子絶縁体6a、6bの対応する一方をそれぞれがはめ込む2つの凹部(はめ込み部)2a、2bが設けられており、凹部(はめ込み部)2a、2bのそれぞれの底部には、貫通孔2a−1、2b−1の対応する一方が設けられている。更に、蓋体2には、注液口10が設けられている。
蓋体2には、正極端子5aと、負極端子5bと、2つの端子絶縁体6a、6bと、後述する絶縁ガスケット7a、7bと、が固定されている 。正極端子5aは、フランジ部5a−1及び軸部5a−2を含むリベット形状を有し、フランジ部5a−1及び軸部5a−2は、導電性を有する。負極端子5bは、フランジ部5b−1及び軸部5b−2を含むリベット形状を有し、フランジ部5b−1及び軸部5b−2は、導電性を有する。
端子絶縁体6a,6bのそれぞれは、正極端子5a及び負極端子5bの対応する一方と篏合するような形状を有し、正極端子5a及び負極端子5bの対応する一方と篏合することにより、フランジ部5a−1,5b−1の対応する一方の外周部を覆うことができる。
端子絶縁体6a,6bのそれぞれは、蓋体2の2つの凹部2a,2bの対応する一方に嵌め込まれている。正極端子5aの軸部5a−2及び負極端子5bの軸部5b−2のそれぞれは、リング状の絶縁ガスケット7a、7bの対応する一方に挿通され、さらに凹部2aの底部に設けられた貫通孔2a−1、及び、凹部2bの底部に設けられた貫通孔2b−1の対応する一方に挿入されている。絶縁ガスケット7a、7bのそれぞれは、貫通孔2a−1、2b−1の対応する一方に篏合されるため、正極端子5aの軸部5a−2及び負極端子5bの軸部5b−2は、貫通孔2a−1、2b−1の対応する一方で蓋体2に接触していない。このような配置により、正極端子5a及び負極端子5bは、蓋体2から電気的に絶縁されている。
図2は電池100の断面図であり、図3は電極群押さえ12の上面図である。電極群押さえ12は、蓋体2と電極群11との間に挟み込まれるように取り付けられており、電極群押さえ12は、蓋体2及び電極群11のそれぞれに対して、近接するように、重ねて設けられている。電極群押さえ12は、矩形であり、その両端部に、貫通孔12c及び12dが備えられている。貫通孔12cには、端子絶縁体6a及びリング状の絶縁ガスケット7aを挿通した正極端子5aの軸部5a−2が、挿入されている。また、貫通孔12dには、端子絶縁体6b及び絶縁ガスケット7bを挿通した負極端子5bの軸部5b−2が、挿入されている。
図2及び図3に示すように、電極群押さえ12には、蓋体2の中央部に設けられた矩形のガス排出弁9に対向する位置及び注液口10に対向する位置に跨って、例えば矩形の開口部(開口孔)12aが設けられている。さらに、例えば、開口部12aに隣接する位置には、電池100を組み立てた際に電極群11と所定の面積で接触するように形成された、凸部(突起)12e、12fが設けられている。図2は、電池100の断面図であるが、図2に示すように、電極群押さえ12の凸部12e、12fが電極群11と接触することにより、電極群11は電池100内で固定される。これにより、電池100に振動又は衝撃が加わった場合であっても、電極群11が電池100内で動くことがないため、電極群11が電池100内部の部品と接触して損傷する可能性を、低減することができる。なお、ある実施例では、凸部12e,12fは、電極群11との間に、微小な隙間を有してもよい。
電極群11は、図示しない複数の正極と、図示しない複数の負極と、図示しないセパレータと、を含む。正極及び負極は、間にセパレータを挟んで積層され、また電極群11は、図示しない電解液によって含浸されている。
正極は、帯状の正極集電体と、集電体の表面の一部に形成された正極活物質含有層と、を備える。正極集電体は、表面に正極活物質層が形成されていない正極集電タブ14aを備える。正極は、例えば、正極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより、作成される。負極は、帯状の負極集電体と、集電体の表面の一部に形成された負極活物質含有層と、を備える。負極集電体は、表面に負極活物質層が形成されていない負極集電タブ14bを備える。負極は、例えば、負極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより、作成される。
電極群11は、セパレータを介して正極と負極とが積層された積層体が、扁平形状に捲回されたものである。電極群11は、容器1の短側面に対向する二つの端面を有しており、これらの端面の一方が正極集電タブ14a、他方が負極集電タブ14bとして機能している。複数の正極集電タブ14aは、電極群11において、容器1の一方の短側面に対向する端面から、延出している。複数の負極集電タブ14bは、電極群11において、容器1の他方の短側面に対向する端面から、延出している。正極集電タブ14aは、正極リード補助材15a−1、15a−2と接続されており、負極集電タブ14bは、負極リード補助材15b−1、15b−2と接続されている。リード補助材15a−1、15a−2、15b−1、15b−2のそれぞれが、正極集電タブ14a及び負極集電タブ14bの対応する一方を所定の範囲内の枚数ずつを挟むことにより、正極集電タブ14a及び負極集電タブ14bが束ねられる。リード補助材15a−1、15a−2、15b−1、15b−2は、純アルミニウム系のアルミ合金により形成される、導電性を有する部材である。正極集電タブ14aは、正極リード補助材15a−1、15a−2により束ねられることにより、互いに対して容易に溶接されるようになり、負極集電タブ14bは、負極リード補助材15b−1、15b−2により束ねられることにより、互いに対して容易に溶接されるようになる。なお、図1に示されるように、例えば、正極集電タブ14aは、正極リード補助材15a−1、15a−2により2つの束に束ねられ、負極集電タブ14bは、負極リード補助材15b−1、15b−2により2つの束に束ねられる。なお、正極集電タブ14a及び負極集電タブ14bのそれぞれは、リード補助材によりいくつの束に束ねられる構成であってもよい。リード補助材のそれぞれは、そのリード補助材によって束ねられた集電タブに、例えば超音波接合されている。
正極集電タブ14a及び負極集電タブ14bのそれぞれは、上記の積層体が捲回された場合に、捲回軸方向の端部の対応する一方から延出するように形成されている。
正極リード13a及び負極リード13bのそれぞれは、導電性の板(導電板)からなる。正極リード13aが、正極集電タブ14aに電気的に接続され、また、負極リード13bが、負極集電タブ14bに電気的に接続されている。
正極リード13aは、二又形状で形成された溶接部13a−3、13a−4と、溶接部13a−3、13a−4を支持するベース部13a−1と、を備える。正極リード13aのベース部13a−1には、蓋体2に取付けられた正極端子5aの軸部5a−2が、ベース部13a−1に備わる孔13a−2にかしめられることにより、固着される。また、正極リード13aの二又形状の溶接部13a−3、13a−4の間には、電極群11の正極集電タブ14aを束ねる正極リード補助材15a−1、15a−2が、挟み込まれて、溶接により固着される。
負極リード13bは、二又形状で形成された溶接部13b−3、13b−4と、溶接部13b−3、13b−4を支持するベース部13b−1と、を備える。負極リード13bのベース部13b−1には、蓋体2に取付けられた負極端子5bの軸部5b−2が、ベース部13b−1に備わる孔13b−2にかしめられることにより、固着される。また、負極リード13bの二又形状の溶接部13b−3、13b−4の間には、電極群11の負極集電タブ14bを束ねる負極リード補助材15b−1、15b−2が、挟み込まれて、溶接により固着される。
電極ガード16a、16bは、容器1、正極端子5a、負極端子5b、蓋体2、正極リード13a、及び、負極リード13bなどに比べて電気抵抗が高い絶縁性の材料により形成された、絶縁部材である。電池100は、正極側に設けられた正極電極ガード16aと、負極側に設けられた負極電極ガード16bと、を備える。正極側に設けられた正極電極ガード16aは、正極リード13a及び正極集電タブ14aなどを覆う形状で形成されている。正極側に設けられた正極電極ガード16aにより、正極リード13a及び正極集電タブ14aなどが容器1に接触することを、防ぐことができる。同様に負極側に設けられた負極電極ガード16bにより、負極リード13b及び負極集電タブ14bなどが容器1に接触することを、防ぐことができる。
正極電極ガード16a及び負極電極ガード16bのそれぞれと電極群11の表面との境界部には、絶縁性のテープ17a及び17bの対応する一方が、張り付けられている。これにより、正極電極ガード16a及び負極電極ガード16bのそれぞれが、電極群11により強固に固定される。
図4は、前述した実施形態の電池100を部材ごとに分解して示し、図5は、電池100を、容器1を省略し、かつ、部材ごとに分解して示す。図4及び図5に示すように、電池100では、縦方向(矢印X1及び矢印X2で示す方向)、縦方向に対して交差する(垂直又は略垂直な)横方向(矢印Y1及び矢印Y2で示す方向)、及び、縦方向及び横方向の両方に対して交差する(垂直又は略垂直な)高さ方向(矢印Z1及び矢印Z2で示す方向)が、規定される。電池100の縦方向は、容器1の縦方向と一致又は略一致し、電池100の横方向は、容器1の横方向と一致又は略一致する。そして、電池100の高さ方向は、容器1の高さ方向と一致する。
容器1では、縦方向についての寸法が、横方向についての寸法、及び、高さ方向についての寸法のそれぞれに比べて、遥かに小さい。また、電池100の縦方向についての寸法は、容器1の縦方向についての寸法と同一又は略同一であり、電池100の横方向についての寸法は、容器1の横方向についての寸法と同一又は略同一である。そして、電池100の高さ方向についての寸法は、容器1の高さ方向についての寸法と同一又は略同一である。このため、電池100では、縦方向についての寸法が、横方向についての寸法、及び、高さ方向についての寸法のそれぞれに比べて、遥かに小さい。
容器1は、前述の開口部21に加えて、底壁22、及び、側壁23a、23b、25a、25bを有する。容器1では、底壁22及び側壁23a、23b、25a、25bによって、電極群11及び電極群押さえ12等が収納される内部空洞が、形成される。内部空洞は、開口部21において、容器1の高さ方向の一方側(上側)へ、開口する。また、容器1では、底壁22が、内部空洞を挟んで、開口部21から高さ方向に離れて配置され、底壁22によって、高さ方向について開口部21とは反対側(下側)の端面が、形成される。容器1では、開口部21から底壁22の外表面までの寸法が、高さ方向についての寸法と同一又略同一になる。
側壁23a、23b、25a、25bは、底壁22から開口部21まで、高さ方向に沿って延設される。側壁23a、23bは、内部空洞を挟んで、互いに対して横方向に離れて配置され、側壁25a、25bは、内部空洞を挟んで、互いに対して縦方向に離れて配置される。また、側壁23a、23bのそれぞれは、側壁25aから側壁25bまで縦方向に沿って延設され、側壁25a、25bのそれぞれは、側壁23aから側壁23bまで横方向に沿って延設される。容器1では、側壁23aの外表面から側壁23bの外表面までの寸法が、横方向についての寸法と同一又略同一になる。そして、容器では、側壁25aの外表面から側壁25bの外表面までの寸法が、縦方向についての寸法と同一又略同一になる。
図6は、電極群11の構成の一例を示す。図6の一例では、電極群11は、例えば、扁平形状に形成され、正極31aと、負極31bと、セパレータ32と、を備える。正極31aは、正極集電体としての正極集電箔31a−1と、正極集電箔31a−1の表面に担持される正極活物質含有層31a−2と、を備える。また、負極31bは、負極集電体としての負極集電箔31b−1と、負極集電箔31b−1の表面に担持される負極活物質含有層31b−2と、を備える。
正極集電箔31a−1では、一方の長辺縁31a−3及びその近傍部位によって、前述の正極集電タブ14aが形成される。正極集電タブ14aでは、正極集電箔31a−1の表面に正極活物質含有層31a−2が担持されない。また、負極集電箔31b−1では、一方の長辺縁31b−3及びその近傍部位によって、前述の負極集電タブ14bが形成される。負極集電タブ14bでは、負極集電箔31b−1の表面に負極活物質含有層31b−2が担持されない。
図6の一例の電極群11では、正極活物質含有層31a−2と負極活物質含有層31b−2との間でセパレータ32が挟まれた状態で、正極31a、負極31b及びセパレータ32が捲回軸Bを中心として扁平形状に捲回される。この際、例えば、正極31a、セパレータ32、負極31b及びセパレータ32は、この順に重ねられた状態で、捲回される。また、図6の一例の電極群11では、正極集電箔31a−1の正極集電タブ14aが、負極31b及びセパレータ32に対して、捲回軸Bに沿う方向の一方側へ突出する。そして、負極集電箔31b−1の負極集電タブ14bが、正極31a及びセパレータ32に対して、捲回軸Bに沿う方向について正極集電タブ14aが突出する側とは反対側に、突出する。また、図6の一例の電極群11では、捲回軸Bに対して交差する(垂直又は略垂直な)幅方向、及び、捲回軸B及び幅方向の両方に対して交差する(垂直又は略垂直な)厚さ方向が、規定される。そして、図6の一例の電極群11では、幅方向についての寸法が、厚さ方向についての寸法に比べて、遥かに大きい。
図4等に示すように、電極群11は、捲回軸Bが容器1(電池100)の横方向に沿う状態で、容器1の内部空洞に配置される。そして、電極群11は、電極群11の厚さ方向が容器1の縦方向と一致又は略一致し、かつ、電極群11の幅方向が容器1の高さ方向と一致又は略一致する状態で、配置される。このため、容器1の内部空洞に配置される電極群11では、正極集電タブ14aが、容器1(電池100)の横方向について一方側へ、負極31bに対して突出する。そして、電極群11では、負極集電タブ14bが、容器1(電池100)の横方向について、正極集電タブ14aが突出する側とは反対側へ、正極31aに対して突出する。
前述のように電極群11が配置されるため、容器1の内部空洞では、容器1の横方向について電極群11の両側に、空間が形成される。すなわち、容器1の内部空洞では、容器1の横方向について一端部及び他端部のそれぞれに、空間が形成される。これら2つの空間の一方に、正極集電タブ14a、正極リード補助材15a−1、15a−2、正極リード13a、及び、正極電極ガード16aが配置される。そして、空間の一方において、正極集電タブ14aが、正極リード補助材15a−1、15a−2を介して、正極リード13aに接続される。また、前述の2つの空間の他方に、負極集電タブ14b、負極リード補助材15b−1、15b−2、負極リード13b、及び、負極電極ガード16bが配置される。そして、空間の他方において、負極集電タブ14bが、負極リード補助材15b−1、15b−2を介して、負極リード13bに接続される。
図4及び図5等に示すように、蓋体2は、略長方形板状に形成され、蓋体2では、縦方向についての寸法が、横方向についての寸法に比べて、小さい。このため、蓋体2では、横方向が長手方向となり、縦方向が短手方向となる。また、蓋体2では、厚さ方向についての寸法が、縦方向についての寸法、及び、横方向についての寸法のそれぞれに比べて、小さい。蓋体2の縦方向についての寸法は、容器1の縦方向についての寸法と同一又は略同一になり、蓋体2の横方向についての寸法は、容器1の横方向についての寸法と同一又は略同一になる。また、ガス排出弁9は、蓋体2の他の部位に比べて、薄肉に形成される。
電池100では、蓋体2は、蓋体2の縦方向(短手方向)が容器1(電池100)の縦方向と一致又は略一致し、かつ、蓋体2の横方向(長手方向)が容器1(電池100)の横方向と一致又は略一致する状態で、配置される。そして、蓋体2は、蓋体2の厚さ方向が容器1(電池100)の高さ方向と一致又は略一致する状態で、配置される。蓋体2は、容器1の開口部21を塞ぐ。そして、蓋体2は、容器1において開口部21の端面に、溶接される。
電池100では、互いに対して電気的極性が反対の正極端子5a及び負極端子5bが、一対の電極端子として、蓋体2の外表面に取付けられる。正極端子5aは、正極リード13a等を介して、電極群11の正極集電タブ14aに電気的に接続される。また、負極端子5bは、負極リード13b等を介して、電極群11の負極集電タブ14bに電気的に接続される。
電極端子5a、5bは、電池100の横方向について、互いに対して離れて配置される。そして、蓋体2では、横方向について一方側の端部に、正極端子5aが配置され、横方向について正極端子5aが位置する側とは反対側の端部に、負極端子5bが配置される。また、蓋体2に形成されるガス排出弁9及び注液口10は、電池100の横方向について、電極端子5a、5bの間に配置される。そして、蓋体2では、注液口10は、ガス排出弁9の近傍に形成される。また、本実施形態の蓋体2では、ガス排出弁9及び注液口10は、横方向について、中央部に配置される。ただし、ガス排出弁9及び注液口10は、電池100の横方向について、互いに対して離れて配置される。
図7は、蓋体2及び電極群押さえ12等が組み立てられたキャップ体を示し、図8は、電極群押さえ12の構成を示す。図4、図5、図7及び図8等に示すように、電極群押さえ12は、略長方形板状に形成され、電極群押さえ12では、縦方向についての寸法が、横方向についての寸法に比べて、小さい。このため、電極群押さえ12では、横方向が長手方向となり、縦方向が短手方向となる。また、電極群押さえ12では、厚さ方向についての寸法が、縦方向についての寸法、及び、横方向についての寸法のそれぞれに比べて、小さい。電極群押さえ12の縦方向についての寸法は、容器1の内部空洞の縦方向についての寸法と同一又は略同一になり、電極群押さえ12の横方向についての寸法は、容器1の内部空洞の横方向についての寸法と同一又は略同一になる。また、電極群押さえ12は、電気的絶縁性を有する樹脂から形成される。
電池100では、電極群押さえ12は、電極群押さえ12の縦方向(短手方向)が容器1(電池100)の縦方向と一致又は略一致し、かつ、電極群押さえ12の横方向(長手方向)が容器1(電池100)の横方向と一致又は略一致する状態で、配置される。そして、電極群押さえ12は、電極群押さえ12の厚さ方向が容器1(電池100)の高さ方向と一致又は略一致する状態で、配置される。電極群押さえ12は、容器1の内部において、蓋体2と電極群11との間に設けられる。そして、電極群押さえ12は、蓋体2に対して重ねられる。電池100では、高さ方向について容器1の底壁22に近い側から、電極群11、電極群押さえ12、及び、蓋体2の順に重ねられる(積層される)。
また、電極群押さえ12は、面41と、面41とは反対側を向く面42と、を備える。電池100では、面41は、容器1の高さ方向について、蓋体2が位置する側を向く。また、面42は、容器1の高さ方向について、電極群11が位置する側を向く。電極群押さえ12では、開口部(開口孔)12a及び貫通孔12c、12dのそれぞれが、面41から面42まで貫通する。また、電極群押さえ12では、面42において、凸部(突起)12e、12fのそれぞれが、電極群11が位置する側へ突出する。
貫通孔12c、12dは、電池100の横方向について、互いに対して離れて配置される。そして、電極群押さえ12では、横方向について一方側の端部に、貫通孔12cが配置され、横方向について貫通孔12cが位置する側とは反対側の端部に、貫通孔12dが配置される。また、電極群押さえ12に形成される開口部12a及び凸部(突起部)12e、12fは、電池100の横方向について、貫通孔12c、12dの間に配置される。そして、開口部12a及び凸部12e、12fは、電池100の横方向について、電極端子5a、5bの間に配置される。
本実施形態では、開口部(開口孔)12aは、電極群押さえ12において、ガス排出弁(ガス開放弁)9に対向する部位、及び、注液口10に対向する部位に跨って、形成される。このため、電極群押さえ12では、電池100の横方向について、ガス排出弁9に対向する部位から注液口10に対向する部位まで連続して、開口部12aが形成される。また、本実施形態の電極群押さえ12では、開口部12aは、横方向について、中央部に配置される。
また、電極群押さえ12では、開口部12aは、横方向について凸部12e、12fの間に配置される。このため、電池100の横方向について開口部(開口孔)12aの両側に、凸部(突起)12e、12fが、設けられる。本実施形態では、凸部12eは、電池100の横方向について、開口部12aと正極端子5aとの間に設けられ、凸部12fは、電池100の横方向について、開口部12aと負極端子5bとの間に設けられる。したがって、凸部12e、12fは、電極群押さえ12において、開口部(開口孔)12aの周囲、すなわち、開口部12aの近傍に設けられる。
なお、前述の実施形態等では、電極群押さえ12において2つの凸部(突起)12e、12fが設けられるが、電極群押さえ12に設けられる凸部の数は、1つでもよく、3つ以上であってもよい。ただし、いずれの場合も、凸部(12e、12f等)は、電池100の横方向について、電極端子5a、5bの間に配置される。そして、凸部(12e、12f等)は、開口部12aの周囲に形成される。
例えば、図9に示すある変形例では、電極群押さえ12に、3つの凸部(突起)12e〜12gが設けられる。凸部12e、12gは、電池100の横方向について、開口部12aと正極端子5aとの間に設けられ、凸部12fは、電池100の横方向について、開口部12aと負極端子5bとの間に設けられる。本変形例でも、凸部12e〜12gは、電極群押さえ12において、開口部(開口孔)12aの周囲、すなわち、開口部12aの近傍に設けられる。
また、前述の実施形態では、図3等に示すように、電極群押さえ12において、凸部12eに対応する位置に格子状のリブ45aが形成され、凸部12fに対応する位置に格子状のリブ45bが形成されることが、好ましい。リブ45aは、電池100の高さ方向について蓋体2が位置する側から、凸部12eを支持する。そして、リブ45bは、電池100の高さ方向について蓋体2が位置する側から、凸部12fを支持する。
以上説明した実施形態に係る電池は、一次電池又は電池の何れにも限られるものではない。実施形態に係る電池の一例としては、リチウムイオン電池が挙げられる。
また、前述の実施形態に係る電池を1つ以上用いて、電池パックを形成することができる。電池パックは、前述の電池を1つのみ備えてもよく、前述の電池を複数備えてもよい。また、電池パックに電池が複数設けられる場合、電池は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよい。また、電池パックにおいて、電池が直列に接続される直列接続構造、及び、電池が並列に接続される並列接続構造の両方が、形成されてもよい。また、電池パックは、電池の充放電を制御する保護回路を備えることができる。前述のように形成される電池パックは、電気自動車、ハイブリッド自動車、電動バイク、及び、フォークリフトなどの車両の電源として、用いることができる。
以下、実施形態に係る電池で用いることのできる正極、負極、セパレータ、電解液、及び、容器について、並びに、電極群の構造及び形状について詳細に説明する。
1)正極
正極は、正極集電体と、集電体の表面の一部に形成された正極活物質含有層と、を備えることができる。正極集電体は、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔等であり、厚さが10μm〜20μm程度である。 正極活物質含有層は、正極活物質と、任意に導電剤及び結着剤と、を含むことができる。 正極活物質としては、例えば、酸化物又は硫化物を用いることができる。例えば、正極活物質としては、これらに限定されるものではないが、リチウムイオンを吸蔵放出できる酸化物、硫化物及びポリマー等が挙げられる。また、高い正極電位を得られる観点から、正極活物質は、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物及びリチウム燐酸鉄等が、用いられることが好ましい。
2)負極
負極は、負極集電体と、負極集電体の表面の一部に形成された負極活物質含有層と、を備えることができる。負極集電体は、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔又は銅箔等であり、厚さが10μm〜20μm程度である。
負極活物質含有層は、負極活物質と、任意に導電剤及び結着剤と、を含むことができる。 負極活物質としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵放出することができる物質であり、金属酸化物、金属窒化物、合金、及び、炭素等を用いることができる。例えば、負極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムイオンを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物及び炭素材料等が挙げられる。特に、リチウムイオンの吸蔵放出電位が金属リチウム電位に対して0.4V以上となる物質、すなわち、0.4V(対Li/Li)以上の電位でリチウムイオンの吸蔵放出が可能な物質を、負極活物質として用いることが好ましい。このようなリチウムイオン吸蔵放出電位を有する負極活物質を用いることにより、アルミニウム又はアルミニウム合金とリチウムとの合金反応が抑えられるため、負極集電体及び負極に関連する構成部材に、アルミニウム及びアルミニウム合金を使用可能になる。リチウムイオンの吸蔵放出電位が0.4V(対Li/Li)以上になる負極活物質としては、例えば、チタン酸化物、チタン酸リチウム等のリチウムチタン複合酸化物、タングステン酸化物、アモルファススズ酸化物、ニオブ・チタン複合酸化物、スズ珪素酸化物、及び、酸化珪素等が挙げられ、リチウムチタン複合酸化物を負極活物質として用いることが、特に好ましい。なお、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素材料を負極活物質として用いる場合は、負極集電体は銅箔を用いるとよい。負極活物質として用いられる炭素材料は、リチウムイオンの吸蔵放出電位が0V(対Li/Li)程度になる。
なお、正極集電体及び負極集電体に用いられるアルミニウム合金は、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiから選択される1種または2種以上の元素を含むことが望ましい。アルミニウム及びアルミニウム合金の純度は、98重量%以上にすることができ、99.99重量%以上が好ましい。また、純度100%の純アルミニウムを、正極集電体及び/又は負極集電体の材料として用いることが可能である。アルミニウム及びアルミニウム合金における、ニッケル、クロムなどの遷移金属の含有量は100重量ppm以下(0重量ppmを含む)にすることが好ましい。
3)セパレータ
セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、又は、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、又は、合成樹脂製の不織布から形成されてよい。中でも、ポリエチレン又はポリプロピレンから形成された多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるため、安全性を向上できる。
なお、セパレータは、正極及び負極とは別体のシート等であってもよく、正極及び負極の一方と一体に形成されてもよい。また、セパレータは、有機材料から形成されてもよく、無機材料から形成されてもよく、有機材料と無機材料との混合物から形成されてもよい。セパレータを形成する有機材料としては、エンプラ及びスーパーエンプラが挙げられる。そして、エンプラとしては、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン及び変性ポリフェニレンエーテル等が挙げられる。また、スーパーエンプラとしては、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリビニリデンフロライド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルニトリル、ポリサルホン、ポリアクリレート、ポリエーテルイミド及び熱可塑性ポリイミド等が挙げられる。また、セパレータを形成する無機材料としては、酸化物(例えば、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、リン酸化物、酸化カルシウム、酸化鉄、酸化チタン)、窒化物(例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化バリウム)等が挙げられる。
4)電解液
電極群に含侵される電解液としては、例えば、非水電解質を用いることができる。非水電解質は、例えば、電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される液状の非水電解質、又は、液状の電解質と高分子材料とを複合化したゲル状の非水電解質であってもよい。液状の非水電解質は、電解質を0.5モル/L以上2.5モル/L以下の濃度で有機溶媒に溶解したものであることが好ましい。
有機溶媒に溶解させる電解質の例には、過塩素酸リチウム(LiClO)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCFSO)、及び、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CFSO]のようなリチウム塩、及び、これらの混合物が含まれる。電解質は、高電位でも酸化し難いものであることが好ましく、LiPFが最も好ましい。
有機溶媒の例には、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、及び、ビニレンカーボネートのような環状カーボネート;ジエチルカーボネート(DEC)、 ジメチルカーボネート(DMC)、及び、メチルエチルカーボネート(MEC)のような鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン(THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、及び、ジオキソラン(DOX)のような環状エーテル;ジメトキシエタン(DME)、ジエトキシエタン(DEE)のような鎖状エーテル;γ−ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、及び、スルホラン(SL)が含まれる。これらの有機溶媒は、単独で、又は、混合溶媒として用いることができる。
高分子材料の例には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及び、ポリエチレンオキサイド(PEO)が含まれる。
また或いは、非水電解質には、リチウムイオンを含有した常温溶融塩(イオン性融体)、高分子固体電解質、及び、無機固体電解質等を用いてもよい。
常温溶融塩(イオン性融体)は、有機物カチオンとアニオンとの組合せからなる有機塩の内、常温(15〜25℃)で液体として存在しうる化合物を指す。常温溶融塩には、単体で液体として存在する常温溶融塩、電解質と混合させることで液体となる常温溶融塩、及び、有機溶媒に溶解させることで液体となる常温溶融塩が、含まれる。一般に、非水電解質電池に用いられる常温溶融塩の融点は、25℃以下である。また、有機物カチオンは、一般に4級アンモニウム骨格を有する。
また、高分子固体電解質及び無機固体電解質等の固体電解質が非水電解質として設けられる場合、電極群に、前述のセパレータが設けられなくてもよい。そして、電極群では、セパレータの代わりに、固体電解質が正極と負極との間で挟まれる。これにより、固体電解質によって、正極と負極との間が電気的に絶縁される。
或いは、実施形態に係る電池の電池反応にリチウムイオンが関与しない場合、電解液は、水溶液でもよい。
5)容器
容器としては、図1を参照しながら説明した電池100が具備する容器1のように、金属製容器を用いることができる。
金属製容器としては、例えば、厚さ1mm以下の金属製容器が用いることができる。金属製容器は、厚さ0.5mm以上であることがより好ましい。
金属製容器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等から作られる。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、及び、ケイ素等の元素を含む合金であることが好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、及び、クロム等の遷移金属を含む場合、その含有量は1質量%以下にすることが好ましい。なお、容器は、金属製容器に限られない。
6)電極群の構造及び形状
電極群は、正極活物質と負極活物質とがセパレータを介して向き合っている構造であれば、如何なる構造を採用することもできる。また、セパレータの代わりに、非水電解質である固体電解質を用いることもできる。
例えば、電極群はスタック構造を有することができる。スタック構造は、先に説明した正極及び負極を間にセパレータを挟んで積層した構造を、有する。
或いは、電極群は捲回構造を有することができる。捲回構造は、先に説明した正極及び負極を間にセパレータを挟んで積層し、このようにして得られた積層体を渦巻状又は扁平の渦巻状に捲回した構造である。
電極群の全体としての形状は、電極群が収納される容器に合わせて決定することができる。
続いて、本実施形態の電池100の製造工程 について説明する。
セパレータを介して正極と負極とが積層して捲回された電極群11において、捲回軸Bに沿う方向について一方の端部から延出した正極集電タブ14aを正極リード補助材15a−1、15a−2のそれぞれが挟み込み、捲回軸Bに沿う方向について他方の端部から延出した負極集電タブ14bを負極リード補助材15b−1、15b−2のそれぞれが挟み込む。一方、正極端子5aの軸部5a−2が、端子絶縁体6a、ガスケット7a、蓋体2の貫通孔2a−1、電極群押さえ12の貫通孔12c、及び、正極リード13aのベース部13a−1に備わる孔13a−2に挿通され、かしめられることにより、正極リード13aのベース部13a−1は、蓋体2に固着する。同様に、負極端子5bの軸部5b−2が、端子絶縁体6b、ガスケット7b、蓋体2の貫通孔2b−1、電極群押さえ12の貫通孔12d、及び、負極リード13bのベース部13b−1に備わる孔13b−2に挿通され、かしめられることにより、負極リード13bのベース部13b−1は、蓋体2に固着する。また、これにより、電極群押さえ12は、蓋体2とリード13a、13bとの間に挟み込まれ、固定される。これにより、キャップ体が完成する。キャップ体とは、電池100のうち、電極群11、容器1、電極ガード16a、16b、及び、電極ガード用の固定テープ(絶縁テープ)17a、17b以外の構成部品の組み立て体の名称であり、例えば、図7に示す組み立て体である。
そして、キャップ体のうち、正極リード13aの溶接部13a−3と正極リード補助材15a−1とを例えば超音波接合し、溶接部13a−4と正極リード補助材15a−2とを例えば超音波接合する。同じく、負極側も、負極リード13bの溶接部13b-3と負極リード補助材15b−1とを例えば超音波接合し、溶接部13b−4と負極リード補助材15b−2とを例えば超音波接合する。これにより、正極及び負極のそれぞれのリードが正極及び負極の対応する一方の集電タブに電気的に接続され、また、キャップ体と電極群11とが一体に組み立てられる。
その後、正極電極ガード16aを、電極群11の捲回軸方向の一方側の端部から正極集電タブ14aに挿入したうえで、正極電極ガード16aと電極群11との境界部に絶縁性のテープ17aを張り付け、正極電極ガード16aを電極群11に固定する。同様に、負極電極ガード16bを、電極群11の捲回軸方向の他方側の端部から負極集電タブ14bに挿入したうえで、負極電極ガード16bと電極群11との境界部に絶縁性のテープ17bを貼り付け、負極電極ガード16bを電極群11に固定する。
さらに、電極群11を先頭に、キャップ体及び電極群11を開口部21が形成された容器1に挿入することにより、蓋体2と容器1の開口部21の端面とを当接させる。
この状態で、蓋体2において正極端子5a及び負極端子5bが配置された面、すなわち、蓋体2の上方から、蓋体2の外周縁部に対してレーザーを照射することにより、蓋体2と容器1の開口部21の端面とを溶接する。
その後、電池100に注液口10から電解液を注液し、電極群11の正極、負極、及び、セパレータに加えて、これらの層間等の空隙を電解液で十分に満たす。そして、注液口10に封止板8を溶接し、封止することで、電池100が完成する。
ここで、電解液を注液する際に電極群押さえ12と蓋体2との間の隙間に電解液が溜まった場合、封止板8を溶接する前において、電解液が注液口10から容器1の外部に噴出する可能性がある。そして、噴出した電解液が、蓋体2の外表面において、注液口10の近傍、すなわち、封止板8によって封止される箇所付近に、付着する可能性がある。この場合、付着した電解液によって、封止板8の溶接不良が発生する可能性がある。
本実施形態では、電解液を注液する際、電池100の電極群押さえ12のように、ガス排出弁9に対向する位置及び注液口10に対向する位置に跨って、開口部12aが設けられていることにより、電極群押さえ12と蓋体2との間の隙間に電解液が溜まることを、防ぐことができる。これにより、注液口10を封止板8で溶接する際に、電解液によって溶接不良となる可能性を、低減することができる。
特に、本実施形態に係るガス排出弁9は、蓋体2の中央部に設けられていることが好ましく、注液口10も、注液する電解液が電極群11に均一に含侵するように、蓋体2の中央部に設けられていることが好ましい。そのため、ガス排出弁9及び注液口10は互いに対して近接した位置に設けられることになる。
電極群押さえ12においてガス排出弁9に対応する開口部(開口孔)及び注液口10に対応する開口部(開口孔)が別々に形成されると、電極群押さえ12と蓋体2間に電解液が溜まる可能性がある。ただし、上記のような本実施形態の構成の場合、蓋体2の直下に配置された電極群押さえ12に設けられた開口部(開口孔)12aは、ガス排出弁9に対向する位置及び注液口10に対向する位置に跨って設けられている。このため、注液時における電極群押さえ12と蓋体2との間での電解液の溜まりをより解消しやすくなり、蓋体2への封止板8の溶接不良もより解消しやすくなる。
また、電極群11は、捲回軸Bに沿う方向が挿入方向に対して直交する向きにして、容器1に挿入される。そのため、電極群11の最外周のR部は、電極群押さえ12の中央部に対して、最も接近することになる。仮に、電極群11が電極群押さえ12に接触し、さらには、電極群押さえ12の開口部12aを介して蓋体2に接触した場合、電極群11に付着及び含侵された電解液が、蓋体2の注液口10付近に付着してしまう可能性がある。
しかしながら、本実施形態のように開口部12aに近接した位置に凸部(突起部)12e、12f等を設けることで、電極群押さえ12によって、特に注液口10と電極群11との距離をある程度の大きさで保つことができる。これにより、上記のように電極群11に付着及び含侵された電解液が注液口10付近に付着してしまう可能性を、低減することができ、封止板8の蓋体2への溶接不良もより解消しやすくなる。
また、電極群押さえ12では、凸部12e、12fのそれぞれは、リブ45a、45bの対応する1つによって、蓋体2が位置する側から、支持される。このため、凸部12e、12fから電極群11へ、蓋体2が位置する側とは反対側への押圧力が、確実に作用する。これにより、注液口10と電極群11との距離をある程度の大きさで、より確実に保つことができる。
これらの少なくとも一つの実施形態又は実施例の電池によれば、容器の内部において蓋体と電極群との間に、電極群押さえが設けられるとともに、電極群押さえは、蓋体に対して重ねられる。電極群押さえでは、ガス排出弁に対向する部位及び注液口に対向する部位に跨って、電極群押さえを貫通する開口孔が形成される。このため、電解液によるこのような溶接不良を低減するための電池を提供することができる。
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。

Claims (11)

  1. 正極及び負極を備える電極群と、
    前記電極群を収納するとともに、高さ方向の一方側へ開口する開口部が形成される容器と、
    前記容器の前記開口部を塞ぐ蓋体であって、ガス排出弁を備えるとともに、前記蓋体を貫通する注液口が形成される蓋体と、
    前記蓋体の外表面に取付けられ、前記電極群に電気的に接続される一対の電極端子と、
    前記容器の内部において前記蓋体と前記電極群との間に設けられるとともに、前記蓋体に対して重ねられる電極群押さえであって、前記ガス排出弁に対向する部位及び前記注液口に対向する部位に跨って前記電極群押さえを貫通する開口孔が形成される電極群押さえと、
    を具備する、電池。
  2. 前記電極群押さえは、前記開口孔の周囲において前記電極群が位置する側へ突出する突起を備える、請求項1の電池。
  3. 前記突起は、前記高さ方向に交差する横方向について、前記開口孔の両側に設けられる、
    請求項2の電池。
  4. 前記一対の電極端子は、前記高さ方向に交差する横方向について、互いに対して離れて配置され、
    前記ガス排出弁、前記注液口、前記開口孔及び前記突起は、前記横方向について、前記一対の電極端子の間に配置される、
    請求項2又は3の電池。
  5. 前記電極群押さえは、前記蓋体が位置する側から前記突起を支持する格子状のリブを備える、請求項2乃至4のいずれか1項の電池。
  6. 前記一対の電極端子は、前記高さ方向に交差する横方向について、互いに対して離れて配置され、
    前記ガス排出弁、前記注液口及び前記開口孔は、前記横方向について、前記一対の電極端子の間に配置される、
    請求項1の電池。
  7. 前記電極群押さえは、前記高さ方向に交差する横方向に対して前記電極群押さえの長手方向が一致する状態で配置され、
    前記蓋体は、前記横方向に対して前記蓋体の長手方向が一致する状態で配置される、
    請求項1乃至6のいずれか1項の電池。
  8. 前記電極群の前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体の表面に担持される正極活物質含有層と、を備え、
    前記電極群の前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体の表面に担持される負極活物質含有層と、を備え、
    前記正極集電体は、前記表面において前記正極活物質含有層が担持されない正極集電タブを備え、
    前記負極集電体は、前記表面において前記負極活物質含有層が担持されない負極集電タブを備え、
    前記正極集電タブは、前記高さ方向に交差する横方向について一方側へ、前記負極に対して突出し、
    前記負極集電タブは、前記横方向について前記正極集電タブが突出する側とは反対側へ、前記正極に対して突出する、
    請求項1乃至7のいずれか1項の電池。
  9. 請求項1乃至8のいずれか1項の電池を具備する、電池パック。
  10. 正極、負極、及び、セパレータを重ねてなる電極群と、
    前記電極群に電気的に接続された正極端子及び負極端子を備える蓋体と、
    前記電極群と前記蓋体との間に前記蓋体に近接するよう重ねて設けられる電極群押さえと、
    前記電極群及び前記電極群押さえを収容する容器と、
    を備え、
    前記蓋体には、前記蓋体を貫通する注液口と、溝を有し肉薄に形成されているガス排出弁と、が設けられ、
    前記電極群押さえは、前記注液口及び前記ガス排出弁に対応した位置に跨って開口部を有する、
    電池。
  11. 前記電極群押さえの前記開口部の周辺には、前記電極群と対向する側に凸の突起部が設けられている、請求項10の電池。
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