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JP4803360B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents

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Description

リチウムイオン二次電池に係り、詳しくはリチウムイオン二次電池のセルケースに関する。
通常、リチウムイオン二次電池はモジュール化されており、一つのモジュールは、板状の正極、陰極及びセパレータが交互に層状に重ね合わされた電極束をセルケースに入れ電解液とともに密封して一つのセルユニットを形成し、当該セルユニットを複数個ずつモジュールケースに並べて梱包することで構成されている。
そして、従来、セルケースとモジュールケースとは、共に変形しないような例えば樹脂製または金属製のハードケースで構成するのが一般的である。
従って、ハードケースで構成されたモジュールケース内容量は予め決まっており、故にモジュールケース内に収納される複数個のセルユニットの総体積も予め決まっている。
ところが、従来のようにセルケースをモジュールケースと同様にハードケースで構成すると、セルケースの壁厚が比較的厚いため、当該壁厚の分だけセルケース内に収容することができる電極板の数が制限されることになり、セルケース内の容量も制限される。
また、電極束をセルケースに収納する際の作業性を向上させるためにはセルケース側に余剰スペースを設ける必要があるが、セルケースを変形しないハードケースで構成した場合には、余剰スペースを効率よく設けることが困難であり、収容することができる内容量も制限される。
このように、セルケースをハードケースによって構成した場合には、内容量が制限されるためリチウムイオン二次電池モジュールの小型大容量化が難しいという問題がある。
この場合、一つのセルケースの容量を大きくすれば全体としてセルケースの壁厚の総体積量を低減可能であるが、一つのセルケース体積が増える結果、モジュールケース内に挿入可能なセルケース数が減少し、電極板、電解液等を変更しない限り電圧が下がってしまうという新たな問題が生じる。
そこで、セルケースをラッピング型パウチケースとし、電極束をラミネートフィルムで包み込んだうえで減圧し密着させるように構成したリチウムイオン二次電池が考えられている（特許文献１参照）。このようにセルケースをラッピング型パウチケースで構成するようにすれば、セルケースの壁厚を薄くでき、余剰スペースを必要とせずに電極束をセルケースに容易に収納可能で、セルケースの外寸法の変更無しでリチウムイオン二次電池を構成可能である。また、少なくともモジュールケースをハードケースで構成することで外部からの衝撃については十分に吸収可能である。
特開２００４−１０３４１５号公報
しかしながら、上記のように電極束をラミネートフィルムで覆うようにすると、ラミネートフィルムと電極束との密着度合いが高くなり、液体状の電解液を使用するリチウムイオン二次電池ではラミネートフィルムと電極束との間に電解液を十分に注液できないという問題がある。
このようにセルケース内に電解液を十分に注液できないことになると、内部抵抗が増大する等の不都合が生じ、発電効率の低下を招き好ましいことではない。なお、上記特許文献１の場合には、ラミネートフィルムと電極束との間にさらに弾性体を介装するようにしているが、この場合であっても状況は同じである。
そこで、ラミネートフィルムと電極束との密着度合いを低くすることが考えられるが、このように密着度合いを逆に低くすると、セルケースとしての形状が不安定になりモジュールケースへの梱包性、即ちリチウムイオン二次電池の製造作業性に悪影響を与えるという問題がある。また、単に密着度合いを低くするだけでは、ラミネートフィルムと電極束との間の隙間にばらつきが生じ、電解液を一様に注液することができず、発電効率の向上を十分に図れないという問題もある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、製造作業性の悪化なく小型大容量化の可能なリチウムイオン二次電池を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項１のリチウムイオン二次電池は、板状の正極、負極及びセパレータを層状に重ね合わせた電極束をセルケースに入れ電解液とともに密封してセルユニットを形成し、当該セルユニットを複数個ずつモジュールケースに並べて梱包して一つのモジュールを構成してなるリチウムイオン二次電池であって、前記セルケースをラミネートフィルムで構成し、前記電極束の上下面を除く側面の全周面と前記ラミネートフィルムとの間に絶縁体からなる多孔質のスペーサを介装し、前記多孔質のスペーサは、弾性変形の防止された硬質樹脂からなり、前記電解液を貯留できる多数の貫通した微細孔を有し、前記多孔質のスペーサと前記ラミネートフィルムとを密着させることを特徴とする。
また、請求項２のリチウムイオン二次電池では、請求項１において、前記多孔質のスペーサは厚みが前記電極束の厚みの１／１０以下の硬質樹脂からなることを特徴とする。
請求項１のリチウムイオン二次電池によれば、電極束の上下面を除く側面の全周面または一部の表面とラミネートフィルムとの間に絶縁体にして電解液を貯留できる多数の貫通した微細孔を有した多孔質のスペーサを介装したことにより、当該多孔質のスペーサの各孔内に電解液が良好に貯留されることになり、ラミネートフィルムと当該スペーサとの密着度が高い場合であっても、ラミネートフィルムと電極束との間に電解液を十分に注液することができる。
これにより、セルケースの壁厚を薄くし且つ余剰スペースを必要とせずに電極束をセルケースに容易に収納可能であるとともに、セルケースとしての形状が不安定にならないようにしてモジュールケースへの梱包性、即ち製造作業性の悪化を防止しつつ発電効率の向上を図るようにでき、リチウムイオン二次電池の小型大容量化を実現することができる。特に、スペーサは硬質樹脂からなるので、スペーサの変形を防止して各孔の容積が不用意に変化しないようにでき、故に電解液を各孔内に常に良好に貯留でき、確実に発電効率の向上を図ることができる。
また、請求項２のリチウムイオン二次電池によれば、多孔質のスペーサは厚みが電極束の厚みの１／１０以下の硬質樹脂からなるので、スペーサを電極束の厚みの１／１０以下としつつ、ラミネートフィルムと電極束との間に電解液を十分に注液することができる。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１には、本発明に係るリチウムイオン二次電池のセルユニット１の斜視図が示されており、図２には、当該セルユニット１の分解斜視図が示され、図３には、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図が部分的に示されている。
セルユニット１は、モジュール化されたリチウムイオン二次電池の一構成単位であり、樹脂または金属製のハードケースからなるモジュールケース（図示せず）に複数収納されることによりリチウムイオン二次電池を構成する。
セルユニット１は、基本的には、それぞれ複数の正極板１２、負極板１４及びセパレータ板１６が層状に重ね合わされた電極束１０と電解液とをラミネートフィルム２２からなるセルケース２０に収納し減圧して電極束１０とラミネートフィルム２２とを密着させた後に密封して構成されている。
正極板１２は、アルミニウム等からなる正極集電体の両面に正極材料が結集した構造を有しており、当該正極板１２の材料としては、例えばリチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ２）等が採用される。
負極板１４は、銅等からなる負極集電体の両面に負極材料が結集した構造を有しており、当該負極板１４の材料としては、例えば黒鉛、好ましくは非晶質カーボン系材料等が採用される。
セパレータ板１６は、正極板１２と負極板１４とを絶縁するものであり、当該セパレータ板１６の材料としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等が採用される。
なお、これら正極板１２、負極板１４及びセパレータ板１６の構成は公知であり、これらの詳細についてはここでは説明を省略する。
ラミネートフィルム２２は、例えば熱融着性樹脂フィルム、アルミ箔、高剛性樹脂フィルムを積層した高分子金属複合フィルムで構成されており、超音波融着等を用いて表面の熱融着性樹脂フィルム同士を容易に接着可能、或いは熱融着性樹脂フィルムを他の同質の樹脂に容易に接着可能である。これより、ラミネートフィルム２２を用いてラッピング型パウチケースであるセルケース２０を簡単に構成可能であり、電極束１０と電解液とを当該セルケース２０内に容易に密封可能である。
そして、本発明に係るリチウムイオン二次電池では、さらに、電極束１０の上下面を除く側面の全周（一部の表面）とラミネートフィルム２２との間に絶縁体からなる多孔質のスペーサ３０が介装されている。つまり、セルユニット１は、側面が多孔質のスペーサ３０に覆われた電極束１０と電解液とをラミネートフィルム２２からなるセルケース２０に収納し減圧して電極束１０或いはスペーサ３０とラミネートフィルム２２とを密着させた後に密封するように構成されている。
詳しくは、図１に示すように、電極束１０の上部には正極端子１３及び負極端子１５を突出させて樹脂蓋２５が設けられており、ラミネートフィルム２２は、多孔質のスペーサ３０の周りに当該スペーサ３０と密着するように巻かれて端部同士が接着（斜線で示す）された後、上部が当該樹脂蓋２５の側面と全周に亘り接着（斜線で示す）され、下部が互いに接着（斜線で示す）されて封鎖されている。即ち、ラミネートフィルム２２は、電極束１０の側面部分において多孔質のスペーサ３０と密着するようにしてラッピング型パウチケースであるセルケース２０を構成している。
多孔質のスペーサ３０は、例えば所定硬度以上の硬度を有した硬質材料（硬質樹脂等）で構成されており、その厚みは例えば電極束１０の厚み（例えば、１０mm）の１／１０以下（例えば、１mm以下）である。
そして、多孔質のスペーサ３０には、貫通して多数の微細孔３２が一様に設けられており、各微細孔３２は、内部に電解液を十分に保持可能に構成されている。
以下、このように構成された本発明に係るリチウムイオン二次電池のセルユニット１の作用について説明する。
上述したように、電極束１０の側面の全周とラミネートフィルム２２との間には多孔質のスペーサ３０が介装されてセルケース２０が構成されており、これにより、充填された電解液の一部が毛細管現象等によって当該多孔質のスペーサ３０の微細孔３２に浸入し保持される。
このように微細孔３２の内部に電解液が保持されることになると、図３に示すように、ラミネートフィルム２２とスペーサ３０との密着度が高い状態、即ちラミネートフィルム２２がスペーサ３０に隙間無く張り付いた状態であっても、電極束１０とラミネートフィルム２２との間に電解液が一様にしてほぼ確実に注液した状態となる。
これにより、ラミネートフィルム２２を用いてラッピング型パウチケースであるセルケース２０を構成した場合において、セルケース２０の壁厚（フィルム厚）を薄くし且つ余剰スペースを必要とせずに電極束１０をセルケース２０に容易に収納可能でありながら、リチウムイオン二次電池の内部抵抗の上昇を防止して発電効率の向上を図ることができる。
また、ラミネートフィルム２２とスペーサ３０との密着度が高いことで、セルケース２０の形状が不安定にならないようにでき、セルケース２０のモジュールケースへの梱包性、即ち製造作業性の悪化を防止することができる。
このように、本発明に係るリチウムイオン二次電池によれば、製造作業性の悪化を防止して発電効率の向上を図りながら、リチウムイオン二次電池の小型大容量化を好適に実現することができる。
また、多孔質のスペーサ３０は硬質材料で構成されているので、スペーサ３０の変形（主として弾性変形）を防止して各微細孔３２の容積が不用意に変化しないようにでき、故に電解液を各微細孔３２内に常に良好に貯留でき、確実に発電効率の向上を図ることができる。
なお、微細孔３２の数量（開口率）や各微細孔３２の開口径やスペーサ３０の厚さを変えることで容易に電極束１０とラミネートフィルム２２間における電解液の注液量を調節可能である。
以上で本発明に係るリチウムイオン二次電池の実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、多孔質のスペーサ３０を電極束１０の側面の全周にのみ設けるようにしているが、ラミネートフィルム２２を電極束１０の側面周りのみならず上下面周りについても密着させてセルケース２０を構成するような場合には、多孔質のスペーサ３０を当該上下面をも含めて電極束１０の全周面（正極端子１３及び負極端子１５を除く）に設けるのが好ましい。
また、多孔質のスペーサ３０を電極束１０の側面の全周に設けることなく当該電極束１０の側面のうち対向する一対の側面にのみ設けるようにしてもよく、このようにしても十分な効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、断面形状が円形の微細孔３２を多数形成するようにして多孔質のスペーサ３０を構成しているが、孔内に電解液を保持可能であれば微細孔３２の断面形状は如何なるものであってもよく、多孔質のスペーサ３０を例えばメッシュ構造の部材で構成するようにしてもよい。
本発明に係るリチウムイオン二次電池のセルユニットの斜視図である。 本発明に係るリチウムイオン二次電池のセルユニットの分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図の一部である。
符号の説明
１ セルユニット
１０ 電極束
１２ 正極板
１４ 負極板
１６ セパレータ板
２０ セルケース
２２ ラミネートフィルム
３０ 多孔質のスペーサ
３２ 微細孔

Claims (2)

  1. 板状の正極、負極及びセパレータを層状に重ね合わせた電極束をセルケースに入れ電解液とともに密封してセルユニットを形成し、当該セルユニットを複数個ずつモジュールケースに並べて梱包して一つのモジュールを構成してなるリチウムイオン二次電池であって、
    前記セルケースをラミネートフィルムで構成し、
    前記電極束の上下面を除く側面の全周面と前記ラミネートフィルムとの間に絶縁体からなる多孔質のスペーサを介装し、
    前記多孔質のスペーサは、弾性変形の防止された硬質樹脂からなり、前記電解液を貯留できる多数の貫通した微細孔を有し、
    前記多孔質のスペーサと前記ラミネートフィルムとを密着させることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
  2. 前記多孔質のスペーサは厚みが前記電極束の厚みの１／１０以下の硬質樹脂からなることを特徴とする、請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
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