WO2012114649A1

WO2012114649A1 - 電池

Info

Publication number: WO2012114649A1
Application number: PCT/JP2012/000347
Authority: WO
Inventors: 直人安田
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-08-30
Also published as: JPWO2012114649A1

Abstract

　本発明は、充放電容量の低下及び内部抵抗の増加を抑え、電池内部での短絡を防止することができる電池を提供することを目的とする。　本発明の電池は、収容部材２と、収容部材２の内部に収容された電池本体１及び電解液とを備えている。電池本体１は、正極板１１と負極板１２とをセパレータ１５を介在させてそれぞれ１又は２以上積層してなり、電池本体１には電解液が含浸されている。正極板１１及び負極板１２には、その平面方向の中央位置から周縁部までの長さを１００％としたときに、平面方向の中央位置から周縁部までの長さの１５％以内の範囲の互いに同一平面位置に中心点をもち、電解液を滞留させる滞留穴３を形成している。

Description

電池

　本発明は、電池本体を収容部材で密閉した電池に関する。

　電池本体をフィルム状の収容部材で密閉した電池（所謂、ラミネート電池）は、所望の出力を確保するために、複数集合した電池集合体（組電池）として利用される。このようなラミネート電池は、正極板とセパレータと負極板とからなる電池要素を複数積層して電池本体とし、この電池本体と電解液を収容部材に収容し、真空引きした後に、収容部材が密閉される。

　ラミネート電池は、薄く、表面積が大きいことから、放熱性に優れている。また、ラミネート電池はコンパクトであることから、例えば、ラミネートセルを複数多段に積層して積層方向に隣り合う電池の電極タブ同士を積層接続した電池積層集合体として、電気自動車用やハイブリッド電気自動車の二次電池として採用されつつある。

　しかしながら、ラミネート電池は、充放電を繰り返すことにより、電解液が電極内部で分解して電解液不足が生じ、充放電容量の低下や、電池の内部抵抗の増加が生じるおそれがある。電解液が不足すると、特に電池本体の平面方向の中央位置付近の内部で生じやすい。このような液枯れ現象は、電池本体の平面方向の大きさが大きくなり、しかも厚みが大きくなるほど発生しやすい。

　近年、ハイレート特性が要求される場合が多く、それに伴って、電池の平面方向の大きさ及び厚みは、益々大きくなる傾向にある。このため、電池の中央部分に電解液の液枯れが生じることが懸念される。

　従来、液枯れ現象を防止する技術として、特開２０１０－２７３６８号公報及び特開２００１－７６７６１号公報には、正極と負極とセパレータに電解液を保持する貫通孔を形成することが開示されている。また、特開２００１－６７４９号公報には、電解液補充目的ではなく、ガス抜き目的の貫通孔を、正極と負極とセパレータに形成することが開示されている。

特開２０１０－２７３６８号公報特開２００１－７６７６１号公報特開２００１－６７４９号公報

　しかしながら、特開２０１０－２７３６８号公報及び特開２００１－７６７６１号公報のいずれも、正極と負極とセパレータとからなる電池本体に、厚み方向に貫通する貫通孔を形成している。このため、電池本体及び電解液を収容部材に収容した状態で真空引きしている際に、電池本体に形成した貫通孔から電解液が漏れ出てしまい、貫通孔全体に電解液を滞留させることができないおそれがある。

　また、セパレータに孔が開口していると、セパレータの孔を通じてその上下に積層されている正極板と負極板とが短絡（ショート）するおそれがある。

　また、特開２００１－６７４９号公報についても、ガス抜き用の貫通孔に電解液が滞留すると考えることができる。しかし、その場合にも、特開２０１０－２７３６８号公報及び特開２００１－７６７６１号公報と同様に、真空引きの際に、電池本体に形成した貫通孔から電解液が漏れ出てしまい、貫通孔全体に電解液を滞留させることができないおそれがある。この場合、充放電容量の低下や内部抵抗の増加が懸念される。

　本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、充放電容量の低下及び内部抵抗の増加を抑え、電池内部での短絡を防止することができる電池を提供することを課題とする。

　本発明の電池は、収容部材と、該収容部材の内部に収容された電池本体及び電解液とを備えており、前記電池本体は、正極板と負極板とをセパレータを介在させてそれぞれ１又は２以上積層してなり、前記電池本体には前記電解液が含浸されている電池において、前記正極板及び前記負極板には、前記正極板及び前記負極板の平面方向の中央位置から前記正極板及び前記負極板の周縁部までの長さを１００％としたときに、前記平面方向の中央位置から前記周縁部までの長さの１５％以内の範囲の互いに同一平面位置に中心点をもち、前記電解液を滞留させる滞留穴を形成していることを特徴とする。

　上記構成によれば、正極板及び負極板には、正極板及び負極板の平面方向の中央位置から周縁部までの長さを１００％としたときに、平面方向の中央位置から周縁部までの長さの１５％以内の範囲に中心点をもつ滞留穴が形成されている。このため、電解液が正極板及び負極板の平面方向の中央位置付近に十分に保留され、充放電の繰り返しに伴い電解液が少なくなったとしても正極板及び負極板の中央位置付近に電解液の液枯れが生じることが抑制される。

　複数の正極板及び負極板がセパレータを介して積層してある場合に、最外層に位置する正極板及び負極板の滞留穴から電解液が、徐々に内部の正極板及び負極板の滞留穴に浸透していく。ここで、各正極板及び各負極板の滞留穴は、互いに平面方向の同じ位置に形成される。このため、正極板及び負極板の厚み方向に滞留穴が直列に配列することとなり、最外層の滞留穴から内部の滞留穴に電解液が厚み方向に浸透することで、すべての滞留穴に電解液を滞留させることができる。よって、すべての滞留穴に電解液を確実に充満させることができる。

　また、滞留穴の直径は電解液を滞留させることができる大きさであれば特に限定しないが、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であるとよい。この場合、十分な量の電解液を正極板及び負極板の中央位置に補充することができる。一方、滞留穴の直径が１ｍｍ以下の場合には、滞留穴に滞留可能な電解液の量が少なく、正極板及び負極板の中央位置で、充放電の繰り返しに伴って液枯れが生じるおそれがある。一方、滞留穴が２０ｍｍを超える場合には、収容部材が可撓性である場合に、大気圧で収容部材が押されて、収容部材の滞留穴に対面する部分が凹状に窪んでしまい、外観を損なうおそれがある。また、正極板及び負極板の発電面積が少なくなりすぎて、電池容量の低下の要因となるおそれがある。

　また、滞留穴は、正極板及び負極板のみに形成されており、セパレータには形成されていない。しかし、セパレータに形成されている微少な孔を通じて電解液は徐々に流通可能である。

　電池を組み付けるときには、電池本体を収容部材内に収容し電解液を入れた後に真空引きし、収容部材が密閉される。本発明では、電解液を滞留させた滞留穴は、セパレータにより塞がれているため、真空引きしたときに、電解液が滞留穴から流出することを防止することができる。また、セパレータには、滞留穴が形成されていないため、滞留穴を通じて正極板と負極板との間で短絡が生じるおそれはない。

　一方、セパレータにも穴が開いている場合には、電池本体を収容部材内に収容し電解液を入れた状態で真空引きしたときに、電解液がセパレータの穴を通じて滞留穴から出てしまい、滞留穴に十分量の電解液を滞留させることができないおそれがある。

　前記電池本体の厚みは、１０ｍｍ以上であることが好ましい。

　電池本体の厚みが１０ｍｍ以上と大きい場合には、電池本体の中心位置付近で、その厚み方向の内部に、電解液の液枯れを生じることを有効に抑制することができる。

　前記収容部材は、可撓性材料により形成されてなることが好ましい。この場合にも、電池本体の液枯れを抑制することができる。

　前記各正極板及び前記各負極板にそれぞれ形成された前記滞留穴は、前記正極板及び前記負極板の平面方向の同じ位置に形成されているとよい。この場合、前記正極板及び前記負極板の平面方向の同じ位置に形成されている前記正極板の前記滞留穴及び前記負極板の前記滞留穴は、互いに同じ直径をもつことも可能である。また、前記正極板及び前記負極板の平面方向の同じ位置に形成されている前記正極板の前記滞留穴及び前記負極板の前記滞留穴では、該負極板の該滞留穴の直径が、該正極板の該滞留穴の直径よりも大きくてもよい。

　本発明の電池によれば、正極板及び負極板の平面方向の中央位置付近に所定の滞留穴を形成しているため、充放電容量の低下及び内部抵抗の増加を抑え、電池内部での短絡を防止することができる。

本発明の実施形態に係る電池の断面説明図である。本実施形態に係る正極板及び負極板の平面図である。本実施形態に係る滞留穴の中心点の位置を説明するための正極板及び負極板の平面説明図である。

　本発明の実施形態に係る電池について、図面を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る電池は、リチウムイオン電池であり、電池本体１と、収容部材２とを備えている。

　電池本体１は、正極板１１と負極板１２とをセパレータ１５を介在させて複数積層したものである。

　正極板１１は、正極活物質層１１aを正極集電体１１ｂの表面に形成したものである。正極板１１は、正極活物質としてのリチウムニッケル複合酸化物と、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンとを混合してスラリーとなし、これを集電体としてのアルミニウム箔に塗工し、プレスし、焼成して形成される。負極板１２は、負極活物質層１２aを負極集電体１２ｂの表面に形成したものである。負極板１２は、負極活物質としての酸化珪素と、導電助材としての黒鉛粉末とケッチェンブラックと、結着剤としてのポリアミドイミドとを混合し溶媒を加えてスラリーとなし、このスラリーを集電体としての銅箔に塗工し、プレスし、焼成して形成される。

　正極板１１と負極板１２は、いずれも長方形のシート状を呈しており、平面方向の大きさはいずれも、略１４０ｍｍ×６０ｍｍ程度である。正極板１１の厚みは２００μｍであり、負極板１２の厚みは１００μｍである。

　セパレータ１５は、電解液の流通が可能なポリプロピレン多孔質薄膜からなり、正極板１１及び負極板１２よりも平面方向の大きさが若干大きい。セパレータ１５の厚みは、２５μｍである。

　電池本体１は、正極板１１と負極板１２とセパレータ１５とを複数積層して形成されている。本実施形態では、正極板１１及び負極板１２は４０～６０枚、セパレータ１５は８０～１２０枚が積層されていて、電池本体１の全体厚みは、約１８ｍｍである。なお、図１で示す正極板１１、負極１２及びセパレータ１５の厚み及び積層数は、モデルにすぎず、上記で説明した本実施形態の正極板１１、負極１２及びセパレータ１５の厚み及び積層数とは相違する。

　各正極板１１及び各負極板１２には、それぞれ滞留穴３が形成されている。各滞留穴３はすべて、正極板１１及び負極板１２の平面方向の同一位置に一カ所形成されている。各滞留穴３は、正極板１１及び負極板１２の平面方向の中央位置から正極板１１及び負極板１２の周縁部までの長さを１００％としたときに、その平面方向の中央位置から周縁部に向かって１５％以内の範囲に中心点Ｐをもつ。本実施形態においては、各滞留穴３は、正極板１１及び負極板１２の平面方向の中央位置に形成されている。各滞留穴３の直径は、１０ｍｍである。

　収容部材２は、可撓性のあるアルミニウムシートの周縁を熱圧着することにより封止したものである。各正極板１１が正極リード１１ｄを介して正極タブ１１ｅに接続される一方で各負極板１２が図略の負極リード１２ｄを介して負極タブ１２ｅに接続され、これら正極タブ１１ｅ及び負極タブ１２ｅが収容部材２の圧着部から外部に引き出されている。

　本実施形態においては、正極板１１及び負極板１２の平面方向の中央位置に、電解液を滞留させる滞留穴３が形成されている。このため、電解液が正極板１１及び負極板１２の平面方向の中央位置に十分に保留され、電池使用に伴い電解液が少なくなったとしても正極板１１及び負極板１２の中央位置に電解液の液枯れが生じることが抑制される。

　複数層の正極板１１及び負極板１２がセパレータ１５を介して積層してある場合に、最外層に位置する正極板１１及び負極板１２の滞留穴３から電解液が徐々に内部の正極板１１及び負極板１２の滞留穴３に浸透していく。ここで、各正極板１１及び負極板１２の滞留穴３は、正極板１１と負極板１２の平面方向の同じ位置に形成されている。このため、正極板１１及び負極板１２の厚み方向に滞留穴３が直列に配列することとなり、最外層の滞留穴３から内部の滞留穴３に電解液が厚み方向に浸透することで、すべての滞留穴３に電解液を滞留させることができる。よって、電池本体１に形成されているすべての滞留穴３に電解液を確実に充満させることができる。

　滞留穴３の直径は１０ｍｍであり、十分な量の電解液を正極板１１及び負極板１２の中央位置に補充することができる。滞留穴３は、正極板１１と負極板１２のみに形成されており、セパレータ１５には形成されていない。電池を組み付けるときには、電池本体１を収容部材２に収容し電解液を入れた後に真空引きし、収容部材２が密閉される。本実施形態では、電解液を滞留させた滞留穴３は、セパレータ１５により塞がれているため、真空引きしたときに、電解液が滞留穴３から流出することを防止することができる。また、セパレータ１５には、滞留穴３に対応する穴が形成されていないため、穴を通じて正極板１１と負極板１２との間で短絡が生じるおそれはない。

　上記実施形態においては、図２に示すように、滞留穴３は、正極板１１及び負極板１２の平面方向の中心位置に形成されている。しかし、図３に示すように、正極板１１及び負極板１２の平面方向の中央位置から周縁部までの長さを１００％としたときに、正極板１１及び負極板１２の平面方向の中央位置から周縁部に向かって１５％以内の範囲Ｈ（図３のハッチング部分）に中心点Ｐがあればよい。この範囲に中心点Ｐがある滞留穴３を形成することにより、正極板１１及び負極板１２の中心位置付近での電解液の液枯れを抑制することができる。

　ここで、正極板１１及び負極板１２の平面形状は、特に限定されないが、例えば、四角形をはじめとし、三角形、五角形、六角形などの多角形であったり、円形、楕円形などであったりする。正極板１１及び負極板１２の平面方向の中央位置は、正極板１１及び負極板１２の平面形状の重心の位置であると良い。正極板１１及び負極板１２が、正方形、長方形状、菱形、台形などの四角形をなしている場合には、平面方向の中央位置は、四角形の２つの対角線が互いに交差する点に位置する。正極板１１及び負極板１２の形状及び大きさが同じ場合には、平面方向の中央位置は、正極板１１及び負極板１２の周縁部で囲まれた部分の平面方向の中央位置であるとよい。正極板１１及び負極板１２の形状及び大きさが異なる場合には、平面方向の中央位置は、正極板１１及び負極板１２の重なり合っている部分の周縁部で囲まれた部分の平面方向の中央位置であるとよい。各板の重なり合っている部分で電解液の液枯れが問題であり、重なり合っていない部分では各板表面は電解液に直接接触でき液枯れが生じないからである。また、正極板１１及び負極板１２の平面方向の中央位置から周縁部に向かって１５％以内の範囲Ｈは、正極板１１及び負極板１２が互いに同じ形状で同じ大きさである場合には、正極板１１及び負極板１２の平面方向の中央位置から周縁部との間の長さを１００％としたときに、該中央位置から該周縁部に向かって１５％以内の長さの範囲となるとよい。正極板１１及び負極板１２が互いに異なる大きさや形状である場合には、前記範囲Ｈは、正極板１１と負極板１２の互いに重なり合っている部分の中央位置と周縁部との間の長さを１００％としたときに、該中央位置から該周縁部に向かって１５％以内の長さの範囲となるとよい。各板の重なり合っている部分で電解液の液枯れが問題であり、重なり合っていない部分では各板表面は電解液に直接接触でき液枯れが生じないからである。

　上記実施形態においては、正極板１１と負極板１２に形成された各滞留穴３は、互いに直径を同じくしているが、異なる直径とすることも可能である。この場合、負極板１２に形成する滞留穴３の直径は、正極板１１に形成する滞留穴３の直径よりも小さくても大きくても良い。負極板１２に形成する滞留穴３の直径は、正極板１１に形成する滞留穴３の直径よりも大きくすることが好ましい。

　各正極板１１及び各負極板１２にそれぞれ形成された滞留穴３は、正極板１１及び負極板１２の平面方向の同じ位置に形成されていても、異なる位置に形成されていてもよいが、同じ位置に形成されているとよい。この場合、正極板１１及び負極板１２の平面方向の同じ位置に形成されている正極板１１の滞留穴３及び負極板１２の滞留穴３は、互いに同じ直径をもつことも可能である。また、正極板１１及び負極板１２の平面方向の同じ位置に形成されている正極板１１の滞留穴３及び負極板１２の滞留穴３では、該負極板１２の該滞留穴３の直径が、該正極板１１の該滞留穴３の直径よりも大きいことがよい。負極板の滞留穴近傍で生じたイオンを正極板に確実に到達させるためである。

　上記実施形態においては、電池本体１の最外層を負極板１２としているが、最外層を正極板１１としてもよい。また、上記実施形態では、電池本体１の全体厚みは、約１８ｍｍである。電池本体１の厚みが厚くなりすぎると電池本体１における滞留穴の空いた部分の厚みと空いていない部分の厚みとの差が大きくなる。このため、収容部材が可撓性である場合に、大気圧で収容部材が押されて、収容部材の滞留穴に対する部分が凹状に窪んでしまい、外観を損なうおそれがあるので、電池本体１の全体厚みは１００ｍｍより薄くすることが好ましい。

　本発明の電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部に本発明の電池による電気エネルギーを使用している車両であれば良く，例えば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両に本発明の電池を搭載する場合には、電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。本発明の電池は、車両以外にも、パーソナルコンピュータ，携帯通信機器など，電池で駆動される各種の家電製品，オフィス機器，産業機器が挙げられる。

１：電池本体、２：収容部材、３：滞留穴、１１：正極板、１２：負極板、１５：セパレータ。

Claims

　収容部材と、該収容部材の内部に収容された電池本体及び電解液とを備えており、前記電池本体は、正極板と負極板とをセパレータを介在させてそれぞれ１又は２以上積層してなり、前記電池本体には前記電解液が含浸されている電池において、
　前記正極板及び前記負極板には、前記正極板及び前記負極板の平面方向の中央位置から前記正極板及び前記負極板の周縁部までの長さを１００％としたときに、前記平面方向の中央位置から前記周縁部までの長さの１５％以内の範囲の互いに同一平面位置に中心点をもち、前記電解液を滞留させる滞留穴を形成していることを特徴とする電池。
　前記滞留穴の直径は、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下である請求項１記載の電池。
　前記各正極板及び前記各負極板にそれぞれ形成された前記滞留穴は、前記正極板及び前記負極板の平面方向の同じ位置に形成されている請求項１記載の電池。
　前記正極板及び前記負極板の平面方向の同じ位置に形成されている前記正極板の前記滞留穴及び前記負極板の前記滞留穴は、互いに同じ直径をもつ請求項３記載の電池。
　前記正極板及び前記負極板の平面方向の同じ位置に形成されている前記正極板の前記滞留穴及び前記負極板の前記滞留穴では、該負極板の該滞留穴の直径が、該正極板の該滞留穴の直径よりも大きい請求項３記載の電池。
　前記電池本体の厚みは、１０ｍｍ以上である請求項１記載の電池。
　前記収容部材は、可撓性材料により形成されてなる請求項１記載の電池。
　請求項１記載の電池を搭載したことを特徴とする車両。