WO2021186947A1

WO2021186947A1 - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: WO2021186947A1
Application number: PCT/JP2021/004628
Authority: WO
Inventors: 達也津島; 尚士細川
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2021-09-23
Also published as: EP4123820A1; EP4123820A4; JPWO2021186947A1; US20230091100A1; CN115039285A

Abstract

二次電池は、電極板を含む電極体と、電極体を収容した角形外装体と、封口板と、封口板に設けられた電極端子と、電極体と封口板との間に配置され電極端子に接続された第１集電体と、電極体と角形外装体の側壁との間に配置され、第１集電体に接続された第２集電体と、電極板から側壁側に延出した複数のタブを積層することによって形成され第２集電体に接続されたタブ群と、を備える。タブ群は、第２集電体に接続され、且つ、第２集電体との接続部側において、側壁に平行に折り曲げられている。各タブの付け根部分の第１アール部の曲率半径は、各タブの先端部分の第２アール部の曲率半径よりも、大きい。

Description

非水電解質二次電池

　本開示は、非水電解質二次電池に関する。

　リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池において、角形外装体に収容された電極体から延出したタブ群が、集電体を介して、封口板に設けられた外部端子に接続された構成が知られている。

　特許文献１には、封口板と電極体との間に配置された基台部と、基台部の端部から、外装体の側壁に沿って底部方向に延びる脚部とで構成された集電体が開示されている。基台部は、外部端子に接続され、脚部は、電極体から引き出された極板積層部（タブ群）に接続されている。

特開２０１６－８５８７５号公報

　特許文献１に開示された集電体において、脚部は、電極体と外装体の側壁との間に配置されるため、脚部が配置された空間は、発電に寄与しないデッドスペースになる。そのため、電池の体積エネルギー密度を低下させる要因になる。

　本開示に係る二次電池は、電極板を含む電極体と、開口を有し、上記電極体を収容した角形外装体と、上記開口を封口した封口板と、上記封口板に設けられた電極端子と、上記電極体と上記封口板との間に配置され、上記電極端子に接続された第１集電体と、上記電極体と、上記角形外装体における側壁との間に配置され、上記第１集電体に接続された第２集電体と、上記電極板から上記側壁側に延出した複数の電極タブを積層することによって形成され、上記第２集電体に接続されたタブ群と、を備え、上記第２集電体は、上記側壁に平行な面を有する平板からなり、上記タブ群は、上記第２集電体との接続部側において、上記側壁に平行に折り曲げられており、上記各電極タブは、上記電極板との付け根部分の幅方向両側の隅部各々に設けられたアール形状の第１アール部と、延出方向の先端部分の幅方向両側の角部各々に設けられたアール形状の第２アール部と、を有し、上記第１アール部の曲率半径は、上記第２アール部の曲率半径よりも、大きい。

　本開示によれば、体積エネルギー密度が高く、且つ、タブ群と集電体との溶接安定性を確保しつつ、電流集中を緩和する二次電池を提供することができる。

図１は、非水電解質二次電池を示す斜視図である。図２は、非水電解質二次電池の内部構造を示す断面図である。図３は、タブ群の折り曲げ前において、第２集電体とタブ群との接続部近傍を示す図である。図４は、タブ群の折り曲げ後において、第２集電体とタブ群との接続部近傍を示す図である。図５は、本実施形態に係る電極板から延出した電極タブを示す図である。図６は、第２集電体を示す図である。図７は、複数の電極体を含む電極体群を示す図である。図８は、本実施形態に係る電極タブの詳細を示す図である。図９は、本実施形態に係る電極板から電極タブへ流れる電流のフローを模式的に示す図である。図１０は、先の出願に係る電極板から延出した電極タブを示す図である。図１１は、先の出願に係る電極タブの詳細を示す図である。図１２は、先の出願に係る電極板から電極タブへ流れる電流のフローを模式的に示す図である。

　（先の出願に係る非水電解質二次電池）
　本願出願人は、非水電解質二次電池の構造を、先の出願（特願２０１９－１７４８７８）の明細書に開示している。

　上記明細書に開示した非水電解質二次電池２０は、図１，２に示すように、角形外装体１に収容された電極板（正極板４及び負極板５）を含む電極体３のタブ群４０と、封口板２に設けられた電極端子８とが、第１集電体６１及び第２集電体６２によって、互いに電気的に接続されている。

　第１集電体６１は、電極体３と封口板２との間に配置され、電極端子８に接続されている。第２集電体６２は、電極体３と角形外装体１における側壁１ｂとの間に配置され、側壁１ｂに平行な面を有する平板からなり、第１集電体６１に接続されている。

　タブ群４０は、図１０，１１に示すように、電極板（例えば正極板４）の短手方向一方側の端辺４ａから延出した複数の電極タブ（例えば正極タブ４１）を、積層することによって形成されている。タブ群４０は、図３に示すように、電極体３から側壁１ｂ側に延出し、第２集電体６２に接続されている。タブ群４０は、図４に示すように、第２集電体６２との接続部６３側において、側壁１ｂに平行に折り曲げられている。

　かかる構成によれば、第２集電体６２を折り曲げることなく、タブ群４０を折り曲げることができる。これにより、簡単な方法によって、体積エネルギー密度の高い非水電解質二次電池を作製することができる。

　本願発明者等は、当該非水電解質二次電池をさらに改良して、各電極タブにおける電極板との付け根部分の幅方向両側の隅部の曲率半径を、各電極タブにおける先端部分の幅方向両側の角部の曲率半径よりも、大きくした。これにより、タブ群と第２集電体との溶接安定性を確保しつつ、電極タブと電極板との付け根部分の幅方向両側の隅部における電流集中及び応力集中を緩和することを可能にした。

　（非水電解質二次電池の全体構成）
　以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物あるいはその用途を制限することを意図するものでは全くない。なお、本実施形態における非水電解質二次電池の基本的な構成は、先の出願と同じであるため、先の出願の説明において使用した図１，２，３，４をそのまま使用する。

　図１は、本開示の実施形態に係る非水電解質二次電池２０を示す斜視図である。図２は、非水電解質二次電池２０の内部構造を示す断面図である。図１，２に示すように、非水電解質二次電池２０は、開口を有する有底角筒状の角形外装体１と、角形外装体１の開口を封口する封口板２と、からなる電池ケース１００を備える。

　角形外装体１は、底部１ａと、一対の第１側壁１ｂ，１ｃと、一対の第２側壁１ｄ，１ｅと、を有する。一対の第１側壁１ｂ，１ｃは、互いに対向する向きに配置されている。一対の第２側壁１ｄ，１ｅは、互いに対向する向きに配置されている。一対の第１側壁１ｂ，１ｃは、封口板２の長手方向に垂直であり、一対の第１側壁１ｂ，１ｃの面積は、一対の第２側壁１ｄ、１ｅの面積よりも小さい。

　角形外装体１内には、電極板としての正極板４と負極板５とを含む電極体３が電解質と共に収容されている。本実施形態では、電極体３は、正極板４と負極板５とがセパレータを介して巻回された扁平状の電極体である。電極体３の巻回軸は、第１側壁１ｂ，１ｃに対して垂直、且つ、第２側壁１ｄ，１ｅに対して平行に延びる。なお、電極体３は、巻回電極体に限定されず、例えば正極板４と負極板５とがセパレータを介して積層された積層電極体でもよい。

　なお、図２において、符号１４は、角形外装体１の内部に配置され、電極体３を収容する箱状ないし袋状の絶縁シートである。符号１５は、封口板２に設けられた電解液注液孔である。符号１６は、電解液注液孔１５を封止する封止部材である。符号１７は、封口板２に設けられたガス排出弁である。

　非水電解質二次電池２０は、電極体３の巻回軸が延びる方向において、一方側を正極側、他方側を負極側としている。以下、主に正極側について説明し、負極側については、説明を省略する場合がある。

　電極体３において、巻回軸が延びる方向における一方の端部には正極タブ群４０が設けられている。具体的には、正極タブ群４０は、電極体３における一方の端部から第１側壁１ｂ側に延出している。正極タブ群４０は、複数の電極タブとしての正極タブ４１，４１，…を積層することによって形成されている。

　図５に示すように、正極板４は、長尺の帯状であって、略長方形状に形成されている。正極板４は、正極芯体の両面に正極活物質層４ｂが形成された領域を有する。略長方形状の正極板４の短手方向における一方の端辺４ａから、複数の正極タブ４１，４１，…が延出している。正極タブ４１は、正極芯体露出部からなる。正極タブ４１の根本部分、すなわち正極板４との付け根部分４２には、正極活物質層４ｂよりも導電性が低い正極保護層が設けられている。なお、正極保護層を設けなくてもよい。正極タブ（電極タブ）４１の形状の詳細については、後述する。

　正極板４の短手方向は、巻回電極体３の巻回軸方向に一致する。すなわち、各正極タブ４１は、正極板４から第１側壁１ｂ側に延出している。

　図２に示すように、封口板２には、電極端子としての正極端子８が設けられている。正極端子８は、正極集電体６を介して正極タブ群４０に電気的に接続されている。正極集電体６は、第１正極集電体６１及び第２正極集電体６２で構成されている。

　第１正極集電体６１は、断面略Ｌ字状であり、電極体３と封口板２との間に配置されている。具体的には、第１正極集電体６１は、封口板２に沿って配置された第１領域と、第１領域の端部から折り曲げられた第２領域と、を有する。第２領域は、第１側壁１ｂに沿って底部１ａ側へ延びる。第１正極集電体６１は、正極端子８に接続されている。

　第２正極集電体６２は、電極体３と角形外装体１における第１側壁１ｂとの間に配置されている。具体的には、第２正極集電体６２は、第１側壁１ｂに平行な面を有する平板からなり、第１側壁１ｂに沿って底部１ａ側へ延びている。第２正極集電体６２は、第１正極集電体６１に接続されている。

　図６は、第２正極集電体６２を示す。第２正極集電体６２は、集電体接続部６２ａと、傾斜部６２ｂと、タブ接続部６２ｃと、を有する。集電体接続部６２ａは、第１正極集電体６１に接続される。タブ接続部６２ｃには、正極タブ群４０が接続される。傾斜部６２ｂは、集電体接続部６２ａとタブ接続部６２ｃとを連結しており、両者に対して傾斜している。

　集電体接続部６２ａには、凹部６２ｄが設けられている。凹部６２ｄには、貫通孔６２ｅが設けられている。凹部６２ｄにおいて、集電体接続部６２ａが第１正極集電体６１に接合される。

　第２正極集電体６２には、ヒューズ部６６が設けられている。

　次に、正極タブ群４０の折り曲げ及び正極タブ群４０と第２正極集電体６２との接続について、説明する。図３は、正極タブ群４０の折り曲げ前において、第２正極集電体６２と正極タブ群４０との接続部近傍を示す。

　正極タブ群４０は、第２正極集電体６２におけるタブ接続部６２ｃに接続されている。具体的には、図３に示すように、正極タブ群４０の折り曲げ前において、第２正極集電体６２におけるタブ接続部６２ｃ上に正極タブ群４０を配置した状態で、タブ接続部６２ｃと正極タブ群４０とを接合（溶接）することによって、接続部６３が形成されている。

　ここで、正極タブ群４０は、図３に示すように、平板の幅方向一方側（図３における右側）に寄って、第２正極集電体６２におけるタブ接続部６２ｃに接続されている。すなわち、正極タブ群４０とタブ接続部６２ｃとの接続部６３は、平板の幅方向における正極タブ群４０の根本側（幅方向一方側、図３における右側）に寄っている。これにより、正極タブ群４０を折り曲げた際、より確実に正極タブ群４０の根本近傍に安定的に湾曲形状を形成することができる。

　なお、正極タブ群４０は、平板の幅方向中央において、第２正極集電体６２におけるタブ接続部６２ｃに接続されてもよい。

　図４は、正極タブ群４０の折り曲げ後において、第２正極集電体６２と正極タブ群４０との接続部近傍を示す。電極体３の第１主面３ａ及び第２主面３ｂに対して略平行に配置されていた（図３参照）第２正極集電体６２におけるタブ接続部６２ｃを、正極タブ群４０を折り曲げることによって、電極体３の巻回軸に対して略垂直な向きとする。すなわち、正極タブ群４０は、第２正極集電体６２との接続部６３側において、第１側壁１ｂに平行に折り曲げられる。折り曲げられた状態の正極タブ群４０は、テープ８０によって電極体３に固定される。

　図７に示すように、非水電解質二次電池２０は、複数の電極体３を備えている。各電極体３の正極タブ群４０には、それぞれ第２正極集電体６２が接続されている。複数の電極体３を配列して、テープで纏めて固定することで、電極体群３００が形成される。各電極体３に設けられた第２正極集電体６２は、それぞれ、封口板２に設けられた１つの第１正極集電体６１に接続される。

　（電極タブの詳細構造）
　以下、本実施形態に係る電極タブの構成について詳細に説明する。なお、正極側の正極タブ４１を例示して説明するものとし、負極側の負極タブについては、説明を省略する。

　図８は、本実施形態に係る正極タブ４１の詳細を示す。図８に示すように、各正極タブ４１は、略長方形状の正極板４の短手方向（巻回軸方向）における一方の端辺４ａから延出している。各正極タブ４１は、正極板４の端辺４ａに対して直交するように延びている。各正極タブ４１は、略四角形状である。具体的には、各正極タブ４１は、正極板４との付け根部分４２側の辺４２ａ（下底）を長辺、延出方向における先端部分４５側の辺４５ａ（上底）を短辺とする略台形状である。各正極タブ４１の先端側の辺４５ａは、正極板４の端辺４ａに平行している。

　各正極タブ４１における正極板４との付け根部分４２の幅方向両側の隅部４３，４３各々には、アール形状の第１アール部４４，４４が設けられている。第１アール部４４は、正極板４側に凸の円弧状に形成されている。第１アール部４４は、隅部４３における電流集中及び応力集中を緩和するために設けられている。第１アール部４４の曲率半径Ｒ１は、例えば５ｍｍ以上であることが好ましい。

　一方、各正極タブ４１における延出方向の先端部分４５の幅方向両側の角部４６，４６各々には、アール形状の第２アール部４７、４７が設けられている。第２アール部４７は、正極板４とは反対側に凸の円弧状に形成されている。第２アール部４７を設けて角部４６を滑らかにすることは、作業者が角部４６に接触したときの安全性の観点から、必要不可欠である。第２アール部４７の曲率半径Ｒ２は、例えば１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。

　本実施形態では、第１アール部４４の曲率半径Ｒ１は、第２アール部４７の曲率半径Ｒ２よりも、大きい。

　なお、先の出願では、図１１に示すように、付け根部分４２側の曲率半径Ｒ１’と先端部分４５側の曲率半径Ｒ２’とは、互いに略同じ大きさである。

　図８において、符号Ｂ１は、付け根部分４２の第１アール部４４，４４を含む幅寸法である。符号ｂ１は、付け根部分４２の第１アール部４４，４４を除く幅寸法である。符号Ｂ２は、先端部分４５の第２アール部４７，４７を含む幅寸法である。符号ｂ２は、先端部分４５の第２アール部４７，４７を除く幅寸法である。

　図８において、ハッチング部は、正極タブ群４０と第２正極集電体６２との溶接範囲４８である。溶接範囲４８の幅寸法Ｂ３は、先端部分４５の第２アール部４７，４７を除く幅寸法ｂ２に略一致する。

　（作用効果）
　以上の通り、本実施形態によれば、付け根部分４２側の第１アール部４４の曲率半径Ｒ１と、先端部分４５側の第２アール部４７の曲率半径Ｒ２とを、互いに同じにするのではなく、付け根部分４２側の曲率半径Ｒ１を、先端部分４５側の曲率半径Ｒ２よりも大きくしている。

　これにより、先の出願のように、付け根部分４２側の曲率半径Ｒ１’と先端部分４５側の曲率半径Ｒ２’とが互いに略同じ場合（図１１参照）に比較して、付け根部分４２側の曲率半径Ｒ１を大きくすることができる。

　ここで、先の出願のように、付け根部分４２側の曲率半径Ｒ１’が小さい場合（図１１参照）には、図１２に示すように、正極板４の端辺４ａに沿って流れる電流Ｆ’は、正極タブ４１へスムースに流入しない。その結果、付け根部分４２の幅方向両側の隅部４３において、電流集中が発生する可能性がある。

　本実施形態では、図８に示すように、付け根部分４２側の曲率半径Ｒ１を大きくすることができるので、図９に示すように、正極板４の端辺４ａに沿って流れる電流Ｆを、正極タブ４１へスムースに流入させることができる。その結果、付け根部分４２の幅方向両側の隅部４３において電流集中が発生することを、緩和することができる。

　また、付け根部分４２側の曲率半径Ｒ１を大きくすることによって、付け根部分４２の幅方向両側の隅部４３における応力集中を、緩和することができる。これにより、運搬時等に非水電解質二次電池２０が振動する等して正極タブ４１に負荷が加えられたとき、正極タブ４１が隅部４３を起点に破断することを、抑制することができる。特に、本実施形態に係る非水電解質二次電池２０は、デッドスペースを減らして、体積エネルギー密度を大きくしている分、重量が大きく、正極タブ４１に加わる負荷も大きい。したがって、上記応力集中緩和構造を採用することは、有効である。

　ここで、本実施形態では、付け根部分４２側の曲率半径Ｒ１のみを大きしており、先端部分４５側の曲率半径Ｒ２を大きくしない。

　これにより、先端部分４５における第２アール部４７，４７を除く幅寸法ｂ２が小さくなることを、抑制することができる。すなわち、正極タブ群４０と第２正極集電体６２との溶接範囲４８の幅寸法Ｂ３が小さくなることを、抑制することができる。これにより、正極タブ群４０と第２正極集電体６２との溶接面積を、十分に確保することができる。したがって、正極タブ群４０と第２正極集電体６２との溶接安定性を、十分に確保することができる。

　以上の通り、正極タブ群４０と第２正極集電体６２との溶接安定性を確保しつつ、正極タブ４１と正極板４との付け根部分４２の幅方向両側の隅部４３における電流集中及び応力集中を緩和することができる。

　第１アール部４４の曲率半径Ｒ１を５ｍｍ以上とすることによって、付け根部分４２の幅方向両側の隅部４３における電流集中を、さらに緩和することができる。シミュレーションによると、曲率半径Ｒ１が５ｍｍの場合、曲率半径Ｒ１が２ｍｍの場合と比較して、隅部４３における電流密度（ｍＡ／ｍｍ^２）は、１０％以上低減する。

　また、第１アール部４４の曲率半径Ｒ１を５ｍｍ以上とすることによって、付け根部分４２の幅方向両側の隅部４３における応力集中を、さらに緩和することができる。シミュレーションによると、曲率半径Ｒ１が５ｍｍの場合、曲率半径Ｒ１が２ｍｍの場合と比較して、隅部４３における応力（Ｎ／ｍｍ^２）は、２０％以上低減する。

　正極タブ４１を略台形状とすることによって、例えば正極タブ４１が略矩形状の場合に比較して、正極板４の端辺４ａに沿って流れる電流Ｆを、正極タブ４１へさらにスムースに流入させることができる。

　負極側も正極側と同様の構成であり、図２おいて、符号９は負極端子、符号５０は負極タブ群、符号７は負極集電体、符号７１は第１負極集電体、符号７２は第２負極集電体、符号１２は外部側絶縁部材、符号１３は内部側絶縁部材を示す。図７において、符号７２ａは集電体接続部、符号７２ｂは傾斜部、符号７２ｃはタブ接続部である。

　（その他の実施形態）
　以上、本開示を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。

　付け根部分４２側の曲率半径Ｒ１を先端部分４５側の曲率半径Ｒ２よりも大きくした上記構造を、正極タブ及び負極タブのうちの両方に採用してもよく、いずれか一方にのみ採用してもよい。

　上記実施形態では、各電極タブを略台形状としたが、これに限定されない。各電極タブは、例えば、略正方形状、略矩形状、その他の略四角形状でもよい。さらに、各電極タブは、略四角形状に限定されず、電極板との付け根部分の幅方向両側に隅部が設けられ、且つ、延出方向の先端部分の幅方向両側に角部が設けられるのであれば、五角形以上の略多角形状でもよい。

Ｒ１　　曲率半径
Ｒ２　　曲率半径
Ｂ１　　幅寸法
ｂ１　　幅寸法
Ｂ２　　幅寸法
ｂ２　　幅寸法
Ｂ３　　幅寸法
Ｆ　　電流
Ｆ’　　電流
１　　角形外装体
１ｂ　　第１側壁（側壁）
２　　封口板
３　　電極体
４　　正極板（電極板）
４ａ　　端辺
４ｂ　　正極活物質層
８　　正極端子（電極端子）
２０　　非水電解質二次電池
４０　　正極タブ群（タブ群）
４１　　正極タブ（電極タブ）
４２　　付け根部分
４２ａ　　辺
４３　　隅部
４４　　第１アール部
４５　　先端部分
４５ａ　　辺
４６　　角部
４７　　第２アール部
４８　　溶接範囲
６１　　第１正極集電体（第１集電体）
６２　　第２正極集電体（第２集電体）
６３　　接続部

Claims

　電極板を含む電極体と、
　開口を有し、前記電極体を収容した角形外装体と、
　前記開口を封口した封口板と、
　前記封口板に設けられた電極端子と、
　前記電極体と前記封口板との間に配置され、前記電極端子に接続された第１集電体と、
　前記電極体と、前記角形外装体における側壁との間に配置され、前記第１集電体に接続された第２集電体と、
　前記電極板から前記側壁側に延出した複数の電極タブを積層することによって形成され、前記第２集電体に接続されたタブ群と、
を備え、
　前記第２集電体は、前記側壁に平行な面を有する平板からなり、
　前記タブ群は、前記第２集電体との接続部側において、前記側壁に平行に折り曲げられており、
　前記各電極タブは、
　　前記電極板との付け根部分の幅方向両側の隅部各々に設けられたアール形状の第１アール部と、
　　延出方向の先端部分の幅方向両側の角部各々に設けられたアール形状の第２アール部と、を有し、
　前記第１アール部の曲率半径は、前記第２アール部の曲率半径よりも、大きい、二次電池。
　請求項１において、
　前記各電極タブは、前記付け根部分側を長辺、前記先端部分側を短辺とする略台形状である、二次電池。
　請求項１又は２において、
　前記第１アール部の曲率半径は、５ｍｍ以上である、二次電池。