JP2017126400A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 容量及びエネルギー効率が高い二次電池を提供する。
【解決手段】 一実施形態に係る二次電池は、セパレータを介して重ねられた正極及び負極が偏平形状に捲回された捲回体が前記捲回体の捲回軸方向と平行な線を中心に折り曲げられた電極群と、第１の端子と、第２の端子と、前記第１の端子に接続された第１のリードと、前記第２の端子に接続された第２のリードと、前記捲回軸方向の一方から延出し、前記第１のリードに溶接された第１の集電タブと、前記捲回軸方向の他方から延出し、前記第２のリードに溶接された第２の集電タブと、を具備する。
【選択図】 図３

Description

本発明の実施形態は、二次電池に関する。

近年、二次電池としてリチウムイオン電池などが一般的に普及している。二次電池は、応用分野によって高エネルギー密度と高い耐久性とが要求されている。例えば、リチウムイオン電池は、セパレータを介した正極と負極との積層体が巻回された電極組立体を備える。リチウムイオン二次電池は、電極組立体が有機電解液で満たされた電池缶（外装缶）内に封入された構成を備える。

二次電池は、エネルギー効率の向上という課題を有する。二次電池を大容量化する為に、電極群のスペースを最大限確保することが重要である。また、二次電池を高出力化する為に、リード等の導電経路の断面積を最大限確保し、導電経路の抵抗を小さくして発熱を抑制することが重要である。このように、二次電池を大容量化する為の構成と、二次電池を高出力化する為の構成とは、電極群のスペースを最大限確保することと導電経路の断面積を最大限確保することとで互いにトレードオフの関係を持つ。

しかし、従来のようにの積層体が巻回されて製造された電極組立体では、積層体のカーブが緩く、電池缶内に余剰スペースが生じるという課題がある。

特開２０１１−０７１１０９号公報

上記の課題を解決するために、容量及びエネルギー効率が高い二次電池を提供する。

一実施形態に係る二次電池は、セパレータを介して重ねられた正極及び負極が偏平形状に捲回された捲回体が前記捲回体の捲回軸方向と平行な線を中心に折り曲げられた電極群と、第１の端子と、第２の端子と、前記第１の端子に接続された第１のリードと、前記第２の端子に接続された第２のリードと、前記捲回軸方向の一方から延出し、前記第１のリードに溶接された第１の集電タブと、前記捲回軸方向の他方から延出し、前記第２のリードに溶接された第２の集電タブと、を具備する。

図１は、一実施形態に係る二次電池について説明する為の図である。 図２は、一実施形態に係る二次電池について説明する為の図である。 図３は、一実施形態に係る二次電池について説明する為の図である。 図４は、一実施形態に係る二次電池について説明する為の図である。 図５は、一実施形態に係る二次電池について説明する為の図である。 図６は、一実施形態に係る二次電池について説明する為の図である。

以下、図面を参照しながら説明する。
図１は、一実施形態に係る二次電池１の例を示す。

本例の二次電池１は、外装缶１９、外装缶内に収納される電極組立体１０、正極端子１４、負極端子１５、ガスケット２３、キャップ２４、正極リード２８、及び負極リード２９などを備える。電極組立体１０は、電極群１１、正極集電タブ１２、及び負極集電タブ１３を備える。また、電解質が電極群１１に保持されている。なお、電解質は、例えば、非水電解質である。

外装缶１９は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等から形成することができる。アルミニウム合金としては、マンガン、鉄、銅、、ケイ素、亜鉛等の元素を含む合金が好ましい。外装缶１９の板厚は、１ｍｍ以下にすることができ、０．２〜０．７ｍｍであることがより好ましい。

電極組立体１０は、正極と負極がその間にセパレータを介して積層された積層体が偏平形状に捲回されたものである。正極は、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１２と、少なくとも正極集電タブ１２の部分を除いて正極集電体に形成された正極材料層（正極活物質含有層）とを含む。一方、負極は、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１３と、少なくとも負極集電タブ１３の部分を除いて負極集電体に形成された負極材料層（負極活物質含有層）とを含む。電極群１１は、電極組立体１０の正極集電タブ１２及び負極集電タブ１３を除いた部分を示す。

このような正極、セパレータ、及び負極は、正極集電タブ１２が電極組立体１０の捲回軸方向にセパレータから突出し、かつ負極集電タブ１３がこれとは反対方向にセパレータから突出するよう、正極及び負極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、電極組立体１０は、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ１２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１３が突出する状態になる。

正負極の集電タブは、正負極の集電体と同じ材料から形成しても、アルミニウム、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ及びＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含むアルミニウム合金から形成しても良い。

正極端子１４は、内部の正極リード２８を介して正極集電タブ１２に電気的に接続されている。また、負極端子１５は、内部の負極リード２９を介して負極集電タブ１３に電気的に接続されている。

負極活物質に炭素系材料を使用するリチウムイオン二次電池の場合、正極端子１４は一般的に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金が使用され、負極端子１５は、銅、ニッケル、ニッケルメッキされた鉄などの金属が使用される。また、負極活物質にチタン酸リチウムを使用する場合は、上記に加え、負極端子１５にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を使用してもかまわない。正極端子１４及び負極端子１５にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を使用する場合、正極集電タブ１２、負極集電タブ１３、正極リード２８及び負極リード２９は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金から形成することが望ましい。例えば、アルミニウム、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ及びＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含むアルミニウム合金を使用することができる。

キャップ２４は、外装缶１９の上面を覆うプレートである。キャップ２４は、正極端子１４を通過させる穴と、負極端子１５を通過させる穴と、を備える。キャップ２４は、穴に設置される絶縁部材であるガスケット２３を介して正極端子１４及び負極端子１５を固定する。キャップ２４は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等から形成することができる。アルミニウム合金としては、マンガン、鉄、銅、ケイ素、亜鉛等の元素を含む合金が好ましい。

正極リード２８及び負極リード２９は、それぞれ、導電性の板（導電板）からなる。正極リード２８が正極集電タブ１２に電気的に接続され、また、負極リード２９が負極集電タブ１３に電気的に接続されている。正極リード２８の先端は、正極端子１４に電気的に接続され、負極リード２９の先端は負極端子１５に電気的に接続されている。

なお、正極リード２８は、キャップ２４に正極端子１４がかしめられることにより固着される。また、正極リード２８は、電極群１１の正極集電タブ１２に超音波溶接により固着される。また、負極リード２９は、キャップ２４に負極端子１５がかしめられることにより固着される。また、負極リード２９は、電極群１１の負極集電タブ１３に超音波溶接により固着される。

二次電池１は、外装缶１９内に図１に示された電極群１１、正極集電タブ１２、負極集電タブ１３、正極端子１４、負極端子１５、正極リード２８、及び負極リード２９を備える。また、二次電池１は、キャップ２４が外装缶１９に固定され、二次電池１として使用可能な状態になる。

以下、正極、負極、セパレータ、及び非水電解質について説明する。

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製される。正極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる酸化物や硫化物、ポリマーなどが使用できる。好ましい活物質としては、高い正極電位が得られる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、リチウム燐酸鉄等が挙げられる。

また、負極は、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製される。負極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、合金等が使用でき、好ましくは、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以上貴となる物質である。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は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金とリチウムとの合金反応を抑えられることから、負極集電体および負極関連構成部材へのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の使用を可能とする。たとえば、チタン酸化物、チタン酸リチウムのような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、スズ珪素酸化物、酸化珪素などがあり、中でもリチウムチタン複合酸化物が好ましい。セパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材又は異種材の積層物等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等を挙げることができる。

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た非水電解液が用いられる。非水溶媒としては、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等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。電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ過リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）等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。

図２は、電極群１１の構造の例を示す。
上記したように、電極群１１は、正極と負極がその間にセパレータを介して積層された積層体が偏平形状に捲回されたものである。この場合、電極群１１の捲回体は、外周からセパレータ１１ａ、負極１１ｂ、セパレータ１１ａ、正極１１ｃの順に積層されている。また、電極群１１の捲回体は、第１の端部１１ｅと第２の端部１１ｆとを備える。図２の例によると、電極群１１は、幅がＸであり厚さがＹである。

なお、電極群１１の最外周側において、負極１１ｂと正極１１ｃとを隔てるセパレータ１１ａ及び負極１１ｂは、端部が正極１１ｃより１／４周分短く配置される。即ち、負極１１ｂと正極１１ｃとを隔てるセパレータ１１ａ及び負極１１ｂの最外周側の端部は、電極群１１の幅Ｘの半分の長さだけ短く配置される。

また、電極群１１の最内周側において、負極１１ｂと正極１１ｃとを隔てるセパレータ１１ａ及び負極１１ｂは、端部が正極１１ｃより１／２周分短く配置される。即ち、負極１１ｂと正極１１ｃとを隔てるセパレータ１１ａ及び負極１１ｂの最内周側の端部は、電極群１１の幅Ｘだけ短く配置される。このように配置された場合、図２に示されたように、電極群１１の最内周部において正極１１ｃと負極１１ｂとが２枚のセパレータ１１ａを介して対向する。このような構成によると、電極群１１は、最内周部にも電気を蓄えることができる。

電極群１１は、支点Ｆを中心に折り曲げられる。支点Ｆは、電極群１１の表面であって、電極群１１の幅方向の中心である。即ち、支点Ｆから第１の端部１１ｅ及び第２の端部１１ｆまでの長さはそれぞれＸ／２である。また、支点Ｆは、電極群１１の最外周側の負極１１ｂと正極１１ｃとを隔てるセパレータ１１ａ及び負極１１ｂの端部の位置に相当する。即ち、電極群１１は、支点Ｆを境界として正極１１ｃが負極１１ｂより外周に存在する部分と、負極１１ｂが正極１１ｃより外周に存在する部分とに分かれる。

なお、支点Ｆは、電極群１１の捲回軸方向と平行に電極群１１の表面に複数存在する。即ち、具体的には、電極群１１は、複数の支点Ｆから成る線を中心に折り曲げられる。電極群１１は、支点Ｆを中心に折り曲げられた場合、図３に示されたようになる。

図３は、支点Ｆで折り曲げられた電極群１１の例を示す。
上記したように、電極群１１が支点Ｆで折り曲げられ（折り畳まれ）た場合、二枚のセパレータ１１ａを介して正極１１ｃと負極ｂとが対向する。このような構成によると、電極群１１は、折り畳まれて最内周になった部分にも電気を蓄えることができる。なお、電極群１１が折り畳まれた後約１２０℃で加熱プレスされることにより、外装缶１９内に収納される電極組立体１０が作製される。この場合、第２の端部１１ｆが折り返されて第１の端部１１ｅと重なる位置にくる。

図３に示されたように、折り曲げ後の電極群１１の厚さをＴ、折り曲げ後の電極群１１の幅をＷとした場合、電極群１１は、Ｗ／Ｔ≧２．０を満たしていることが望ましい。なお、厚さYの電極群が折り曲げられて重ねられている為、図３の電極群１１の厚さは、Ｔ＝２Ｙである。また、電極群が折り曲げられる際に電極群１１の厚さの分だけ電極群の幅が長くなる。この為、折り曲げ後の電極群の幅は、Ｗ＝（Ｘ／２）＋Ｙである。

図４は、電極群１１の厚さＴと幅Ｗとの比と、外装缶１９内における電極群１１の収納容積の比率を示す。

図４に示されたように、電極群１１の幅Ｗが厚さＴに対して大きいほど外装缶１９内の電極群１１の収納容積の比率が高くなる。

図5は、外装缶１９に収納される場合の電極組立体１０の例を示す。なお、図５は、図１のＡＡ線で二次電池１を切断した場合の断面図である。
図５に示されたように、二次電池１は、三又形状の正極リード２８を備える。正極リード２８は、電極組立体１０の厚さ方向に伸びたベース部２８ａと、このベース部２８ａから電極組立体１０の幅方向に伸びた第１の溶接部２８ｂ、第２の溶接部２８ｃ、及び第３の溶接部２８ｄを備える。

ベース部２８ａ、第１の溶接部２８ｂ、第２の溶接部２８ｃ、及び第３の溶接部２８ｄは、それぞれ正極リード２８の一部であり、導電性の金属である。ベース部２８ａは、第１の溶接部２８ｂ、第２の溶接部２８ｃ、及び第３の溶接部２８ｄを支える支柱である。第１の溶接部２８ｂ、第２の溶接部２８ｃ、及び第３の溶接部２８ｄは、電極組立体１０の正極集電タブ１２を溶接する為の部材である。

電極組立体１０の正極集電タブ１２は、図示されない挟持部材により束ねられて第１の溶接部２８ｂ、第２の溶接部２８ｃ、及び第３の溶接部２８ｄに溶接される。

なお、上記したように、電極組立体１０は、図２に示されたような捲回体が図３に示されるように折り返された形状を有する。この為、電極組立体１０は、第１の端部１１ｅ側の正極集電タブ１２が第１の溶接部２８ｂと第２の溶接部２８ｃとに溶接され、第２の端部１１ｆ側の正極集電タブ１２が第２の溶接部２８ｃと第３の溶接部２８ｄとに溶接される。

また、正極集電タブ１２は、接続板３０を介して正極リード２８に溶接されている。図５に示されるように、接続板３０は、正極リード２８の各溶接部間の空間を埋めるように設けられている。即ち、接続板３０は、正極リード２８の各溶接部間の距離から正極リード２８の各溶接部間に挟み込まれる正極集電タブ１２の厚さを引いた厚さを有する。

このような接続板３０が挿入されることにより、第１の溶接部２８ｂ、第２の溶接部２８ｃ、第３の溶接部２８ｄ、第１の端部１１ｅ側の正極集電タブ１２、第２の端部１１ｆ側の正極集電タブ１２、及び接続板３０が隙間なく一体に溶接される。

なお、図５の構成は、二次電池１の正極側の構成であるが、二次電池１の負極側も正極側と同様の構成である。即ち、二次電池１の負極側も正極側と同様に、三又形状の負極リード２９を備え、負極リードの各溶接部間に負極集電タブ１３と接続板３０とが挟み込まれて溶接されている。これにより、正極側と同様に負極リード２９、負極集電タブ１３、及び接続板３０が隙間なく一体に溶接される。

このように、接続板３０は、導電経路の断面積を大きくして導電経路の抵抗を小さくし、発熱を抑制することができる。これにより二次電池１を高出力化することができる。

図６は、従来の電極組立体の電極群の容積と、図３により示された電極組立体１０の電極群１１の容積との比較の例を示す。

図６に示されるように、電極組立体１０の電極群１１の第１の端部１１ｅ及び第２の端部１１ｆは、従来の電極群に比べて端部のカーブが急（半径が小さい）である。この為、第１の端部１１ｅと第２の端部１１ｆとが重ねられた端部１１ｇは、他方の端部１１ｈに比べてより容積比率が高い。即ち、端部１１ｇは、従来の電極群の端部に比べて同じ体積内により多くの電極群１１を有する。

上記した構成によると、二次電池１は、同じサイズの外装缶１９内により多くの電極群１１を収納することができる。これにより、二次電池１は、電極群１１のスペースを最大限確保することができる。この結果、容量及びエネルギー効率が高い二次電池を提供することができる。さらに、二次電池１は、正極集電タブ１２及び負極集電タブ１３と、電極リードとの接続面積を増やすことができる。これにより、二次電池１は、電極群１１のスペースを最大限確保し、且つ導電経路の断面積を最大限確保することができる。この結果、容量及びエネルギー効率が高く、高出力の二次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。

１…二次電池、１０…電極組立体、１１…電極群、１１ａ…セパレータ、１１ｂ…負極、１１ｃ…正極、１１ｅ…第１の端部、１１ｆ…第２の端部、１１ｇ…端部、１１ｈ…他方の端部、１２…正極集電タブ、１３…負極集電タブ、１４…正極端子、１５…負極端子、１９…外装缶、２３…ガスケット、２４…キャップ、２８…正極リード、２８ａ…ベース部、２８ｂ…第１の溶接部、２８ｃ…第２の溶接部、２８ｄ…第３の溶接部、２９…負極リード、３０…接続板。

Claims (7)

1. セパレータを介して重ねられた正極及び負極が偏平形状に捲回された捲回体が前記捲回体の捲回軸方向と平行な線を中心に折り曲げられた電極群と、
   第１の端子と、
   第２の端子と、
   前記第１の端子に接続された第１のリードと、
   前記第２の端子に接続された第２のリードと、
   前記捲回軸方向の一方から延出し、前記第１のリードに溶接された第１の集電タブと、
   前記捲回軸方向の他方から延出し、前記第２のリードに溶接された第２の集電タブと、
   を具備する二次電池。
2. 前記電極群は、前記捲回体の幅方向の中間であり、且つ前記捲回体の表面の前記捲回軸方向と平行な線を中心として折り曲げられた前記捲回体である、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記電極群は、前記捲回体の最内周側で前記正極と負極とのいずれかが対向する極に対して前記捲回体の幅未満の長さの範囲で短い、請求項１または２に記載の二次電池。
4. 前記電極群は、前記捲回体の最外周側で前記正極と負極とのいずれかが対向する極に対して前記捲回体の幅の１／２未満の長さの範囲で短い、請求項１乃至３のいずれかに記載の二次電池。
5. 前記電極群の幅は、前記電極群の厚さの二倍以上である請求項１乃至４のいずれかに記載の二次電池。
6. 前記第１のリード及び前記第２のリードは、前記電極群の厚さ方向に伸びたベース部と、前記ベース部から前記電極群の幅方向に伸びた複数の溶接部とをそれぞれ具備し、
   前記第１の集電タブ及び前記第２の集電タブは、前記複数の溶接部の間に挟み込まれて溶接される、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の二次電池。
7. 前記第１のリード及び前記第２のリードは、前記複数の溶接部の間に挿入された接続板をさらに具備し、
   前記第１の集電タブ及び前記第２の集電タブは、前記複数の溶接部の間に挟み込まれて前記接続板と共に一体に溶接される、
   請求項６に記載の二次電池。

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