JP7205710B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池に関する。

従来、この種の二次電池として例えば特許文献１に示すものが知られている。こうした二次電池は、矩形状の正極板と負極板とがつづら折りされたセパレータを介して交互に複数積層されてなる積層体を電解液と共に外装体に封止することによって形成される。この場合、正極板の一端部及び負極板の一端部にはそれぞれタブ状の正極端子及びタブ状の負極端子が一体形成されており、正極端子及び負極端子はセパレータから突出している。さらにこの場合、正極板及び負極板はいずれも金属箔によって構成され且つセパレータは熱可塑性樹脂からなる薄い帯状の多孔質体によって構成されているため、セパレータは正極板及び負極板に比べて格段に脆弱になっている。

特開２０１６－１４３５５０号公報

ところで、上述のような二次電池では、複数の正極板同士及び複数の負極板同士はいずれも積層方向で輪郭が揃うように積層されているので、積層体の端縁部は切り立った絶壁形状となる。このため、積層体は、剛性が高くなり、端縁部が撓み難い状態になっている。この状態で、特に積層体の端縁部に対して積層方向における押圧力が作用した場合には、正極板及び負極板の端縁が刃となってセパレータに対して剪断力が作用し、セパレータが破断されることがあるという問題がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされた。その目的は、外力の作用によってセパレータが破断することを抑制できる二次電池を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する二次電池は、正極集電体を有した正極板と、負極集電体を有した負極板とがセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体を備えた二次電池であって、複数の前記正極板及び複数の前記負極板のうちの少なくとも一方は、一部の位置が積層方向と交差する方向にずれるように積層されていることを要旨とする。

この構成によれば、複数の正極板同士及び複数の負極板同士のうちの少なくとも一方は、一部の位置が積層方向と交差する方向にずれるように積層されているため、電極積層体の端縁部が撓み易い状態になる。このため、電極積層体の端縁部に対して積層方向における押圧力が付与された場合には、正極板及び負極板のうちの少なくとも一方の端縁部がセパレータと一緒に撓むので、セパレータが破断され難くなる。したがって、外力の作用によってセパレータが破断することを抑制できる。

本発明によれば、外力の作用によってセパレータが破断することを抑制できる。

一実施形態における二次電池の模式斜視図。 電極積層体の一部を示す模式斜視図。 図２の分解斜視図。 図２の４－４線矢視断面図。 電極積層体の要部拡大図。 正極板の端縁部が十分に撓む理由を説明する模式図。 正極板の端縁部が十分に撓む理由を説明する模式図。 図５の要部拡大断面模式図。 図８の電極積層体の端縁部に押圧力が作用したときの状態を示す模式図。 比較例の電極積層体の端縁部を示す断面模式図。 図１０の電極積層体の端縁部に押圧力が作用したときの状態を示す模式図。

以下、二次電池の一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、例えばリチウムイオン電池などによって構成される二次電池１１は、矩形状の外装体１２内に電極積層体１３及び電解液を封止することによって形成される。なお、以下の説明では、上述の外装体１２の短辺に沿う短手方向を第１方向Ｘとし、外装体１２の長辺に沿う長手方向を第２方向Ｙとし、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの両方と直交する方向を第３方向Ｚとする。

外装体１２は、例えばアルミニウムを用いた一対の矩形状をなす可撓性のラミネートフィルムの周縁部同士を溶着することによって形成される。外装体１２における第２方向Ｙの一端部には正極端子１４が露出しており、他端部には負極端子１５が露出している。電解液には、非水系溶媒に電解質を溶解したものが用いられる。

図２及び図３に示すように、電極積層体１３は、矩形状の正極板１６と、正極板１６よりも一回り大きい矩形状の負極板１７とが、山折りと谷折りを交互に繰り返すつづら折りされた帯状のセパレータ１８を介して、交互に複数積層されることによって形成される。この場合、セパレータ１８の一方側の対向する面同士の間には正極板１６がそれぞれ挟まれ、他方側の対向する面同士の間には負極板１７がそれぞれ挟まれる。

セパレータ１８は、絶縁性樹脂材料製の不織布によって構成されている。セパレータ１８における隣り合う２つの折り目間の矩形板状の部分は、負極板１７よりも一回り大きくなっている。なお、本実施形態では、正極板１６及び負極板１７が積層される積層方向が電極積層体１３の厚さ方向ともなる第３方向Ｚと一致している。

正極板１６は、例えば厚さが１０～２０μｍのアルミニウム箔などの導電性材料によって構成される正極集電体１９と、正極集電体１９の両面または片面に塗布された正極活物質とを有している。正極活物質は、例えばリチウムイオンなどの陽イオンを吸蔵及び放出可能な材料によって構成される。

正極集電体１９は、略矩形板状をなしており、その長手方向となる第２方向Ｙの一端部から突出する矩形板状の正極タブ部２０を有している。すなわち、正極タブ部２０は、正極集電体１９と一体形成されており、セパレータ１８から露出するように第２方向Ｙの外側に突出している。各正極タブ部２０は、正極端子１４（図１参照）と電気的に接続されている。正極タブ部２０には、正極活物質が塗布されない。

負極板１７は、例えば厚さが１０～２０μｍの銅箔などの導電性材料によって構成される負極集電体２１と、負極集電体２１の両面または片面に塗布された負極活物質とを有している。負極活物質は、例えばリチウムイオンなどの陽イオンを吸蔵及び放出可能な材料によって構成される。負極集電体２１は、略矩形板状をなしており、その長手方向となる第２方向Ｙの一端部から突出する矩形板状の負極タブ部２２を有している。

すなわち、負極タブ部２２は、負極集電体２１と一体形成されており、セパレータ１８から露出するように第２方向Ｙの外側に突出している。この場合、負極タブ部２２は、第２方向Ｙにおいて正極タブ部２０側とは反対側の方向に突出している。すなわち、負極タブ部２２の突出方向Ｙ２と、正極タブ部２０の突出方向Ｙ１とは、第２方向Ｙにおける互いに反対の方向になっている。換言すれば、負極タブ部２２の突出方向Ｙ２及び正極タブ部２０の突出方向Ｙ１は、いずれも第２方向Ｙと平行な方向である。各負極タブ部２２は、負極端子１５（図１参照）と電気的に接続されている。負極タブ部２２には、負極活物質が塗布されない。

図２、図４、及び図５に示すように、電極積層体１３における複数の正極板１６は、一部の位置が正極タブ部２０の突出方向Ｙ１と直交する方向である第１方向Ｘに平行にずれるように積層されている。本実施形態の電極積層体１３では、第３方向Ｚに積層される複数の正極板１６が一枚置きに第１方向Ｘにずれるように積層されている。

この場合、第１方向Ｘにずらす正極板１６のずらし量は、正極集電体１９の厚さの４倍以上（本例では図８に示すように４倍）であって且つ当該正極板１６が第３方向Ｚで対向する負極板１７を越えない範囲に設定されることが好ましい。そして、複数の正極板１６を一枚置きに第１方向Ｘに正極集電体１９の厚さの４倍以上ずれるように積層することで、複数の正極板１６の第１方向Ｘにおける端縁部２３（ずれた部分）が第３方向Ｚに十分に撓みやすくなる。

図２及び図５に示すように、電極積層体１３における複数の負極板１７は、一部の位置が負極タブ部２２の突出方向Ｙ２に平行にずれるように積層されている。本実施形態の電極積層体１３では、第３方向Ｚに積層される複数の負極板１７が一枚置きに第２方向Ｙにずれるように積層されている。

この場合、第２方向Ｙにずらす負極板１７のずらし量は、負極集電体２１の厚さの４倍以上（本例では図８に示すように４倍）であって且つ当該負極板１７が第３方向Ｚで対向するセパレータ１８を越えない範囲に設定されることが好ましい。そして、複数の負極板１７を一枚置きに第２方向Ｙに負極集電体２１の厚さの４倍以上ずれるように積層することで、複数の負極板１７の第２方向Ｙにおける端縁部２４（ずれた部分）が第３方向Ｚに十分に撓みやすくなる。

ここで、複数の正極板１６を一枚置きに第１方向Ｘに正極集電体１９の厚さの４倍以上ずれるように積層することで、複数の正極板１６の第１方向Ｘにおける端縁部２３（ずれた部分）が第３方向Ｚに十分に撓みやすくなる理由について図６及び図７に基づいて説明する。

図６に示すように、正極集電体１９の厚さがｔである２枚の正極板１６を上下に積層し、上側の正極板１６の端縁部２３を下側の正極板１６の端縁部２３よりも第１方向Ｘの外側に突出するようにずらした場合、上側の正極板１６の端縁部２３を構成する突出部分Ａに力をかけて突出部分Ａを下側の正極板１６の輪郭に沿って折り曲げるためには、突出部分Ａの突出長さが最低でも３ｔ分（折り曲げる部分に２ｔ分必要で、力をかける部分にｔ分必要）必要である。そして、図７に示すように、円滑に上側の正極板１６の突出部分Ａを十分に撓ませるためには、上述した突出部分Ａの最低の突出長さ分の３ｔに余裕分としてさらにｔ分追加して突出部分Ａの突出長さを４ｔとすることが好ましい。

なお、複数の負極板１７を一枚置きに第２方向Ｙに負極集電体２１の厚さの４倍以上ずれるように積層することで、複数の負極板１７の第２方向Ｙにおける端縁部２４（ずれた部分）が第３方向Ｚに十分に撓みやすくなる理由については、上述の正極板１６の場合と同様であるため、説明を省略する。

次に、二次電池１１が製造過程で外力を受けるときの作用について説明する。
二次電池１１は、外装体１２内に電極積層体１３及び電解液を封止することによって形成される。その後、作業者は、外装体１２の外側から二次電池１１を手で揉むことにより、電極積層体１３における各負極板１７とセパレータ１８との間や各正極板１６とセパレータ１８との間に電解液を行き渡らせる。

このとき、図８に示すように、正極板１６における第１方向Ｘの端縁部２３及び負極板１７における第２方向Ｙの端縁部２４に、作業者による第３方向Ｚからの押圧力Ｆが付与されると、セパレータ１８における正極板１６の端縁部２３及び負極板１７の端縁部２４と対応する位置に対して集中的に剪断力がかかり易くなる。

この点、本実施形態の二次電池１１の電極積層体１３では、図８に示すように、複数の正極板１６が第１方向Ｘに一枚置きにずれるように積層されるとともに、複数の負極板１７が第２方向Ｙに一枚置きにずれるように積層されている。このため、電極積層体１３の端縁部、すなわち複数の正極板１６の第１方向Ｘの端縁部２３及び複数の負極板１７の第２方向Ｙの端縁部２４が撓み易くなっている。

したがって、正極板１６における第１方向Ｘの端縁部２３及び負極板１７における第２方向Ｙの端縁部２４に対して作業者による第３方向Ｚからの押圧力Ｆが付与されても、図９に示すように、複数の正極板１６の第１方向Ｘの端縁部２３及び複数の負極板１７の第２方向Ｙの端縁部２４がセパレータ１８と一緒に第３方向Ｚに十分に撓む。

この結果、正極板１６における第１方向Ｘの端縁部２３及び負極板１７における第２方向Ｙの端縁部２４と、作業者による第３方向Ｚからの押圧力Ｆの付与とによってセパレータ１８にかかる剪断力が効果的に低減されるので、当該剪断力によってセパレータ１８が破断することが抑制される。

因みに、図１０に示すように、複数の正極板１００の端縁１０１及び複数の負極板１０２の端縁１０３がそれぞれ揃うように積層された比較例の電極積層体１０４では、その端縁部１０５が切り立った絶壁形状となっている。このため、電極積層体１０４の端縁部１０５の剛性が高くなるので、当該端縁部１０５が撓み難い状態になる。この状態で、電極積層体１０４の端縁部１０５に対して作業者による第３方向Ｚからの押圧力Ｆが付与された場合には、図１１に示すように、正極板１００及び負極板１０２のそれぞれの端縁１０１，１０３が刃となってセパレータ１８に対して局所的に剪断力が集中して作用し、セパレータ１８が破断されるという問題がある。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）二次電池１１において、複数の正極板１６及び複数の負極板１７は、一部の位置が第３方向Ｚ（積層方向）と交差する方向にずれるようにそれぞれ積層されている。この構成によれば、電極積層体１３の端縁部における正極板１６の積層枚数及び負極板１７の積層枚数が減少するので、電極積層体１３の端縁部を撓み易くすることができる。このため、電極積層体１３の端縁部に対して第３方向Ｚにおける押圧力Ｆが付与された場合には、正極板１６及び負極板１７のそれぞれの端縁部２３，２４がセパレータ１８と一緒に十分に撓むので、セパレータ１８が破断され難くなる。したがって、外力の作用によってセパレータ１８が破断することを抑制できる。

（２）二次電池１１において、複数の負極板１７は、一部の位置が負極タブ部２２の突出方向Ｙ２（第２方向Ｙに平行な方向であって正極タブ部２０の突出方向Ｙ１とは反対の方向）にずれるように積層されている。この構成によれば、複数の負極板１７における正極板１６側の端縁部２４に対して第３方向Ｚ（積層方向）の押圧力Ｆが付与された場合には、複数の負極板１７における正極板１６側の端縁部２４がセパレータ１８と一緒に十分に撓むので、複数の負極板１７における正極板１６側の端縁部２４においてセパレータ１８が破断することを抑制できる。したがって、負極板１７が正極板１６と接触して短絡することを効果的に抑制できる。

（３）二次電池１１において、複数の正極板１６は、一部の位置が正極タブ部２０の突出方向Ｙ１（第２方向Ｙに平行な方向）と直交する方向（第１方向Ｘ）にずれるように積層されている。この構成によれば、複数の正極板１６における負極板１７の端縁部２４と交わる端縁部２３に対して第３方向Ｚ（積層方向）の押圧力Ｆが付与された場合には、複数の正極板１６における負極板１７の端縁部２４と交わる端縁部２３がセパレータ１８と一緒に十分に撓む。このため、複数の正極板１６における負極板１７の端縁部２４と交わる端縁部２３においてセパレータ１８が破断することを抑制できる。したがって、正極板１６が負極板１７と接触して短絡することを効果的に抑制できる。

（４）二次電池１１において、負極板１７をずらす量は、負極集電体２１の厚さの４倍以上である。この構成によれば、ずらされた負極板１７の端縁部２４を十分に撓み易くすることができる。

（５）二次電池１１において、正極板１６をずらす量は、正極集電体１９の厚さの４倍以上である。この構成によれば、ずらされた正極板１６の端縁部２３を十分に撓み易くすることができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は次のように変更してもよい。
・二次電池１１において、正極板１６をずらす量は、必ずしも正極集電体１９の厚さの４倍以上である必要はない。

・二次電池１１において、負極板１７をずらす量は、必ずしも負極集電体２１の厚さの４倍以上である必要はない。
・二次電池１１において、複数の正極板１６は、必ずしも一部の位置が正極タブ部２０の突出方向Ｙ１と直交する第１方向Ｘにずれるように積層する必要はない。すなわち、複数の正極板１６は、例えば、一部の位置が第２方向Ｙにずれるように積層してもよい。

・二次電池１１において、複数の正極板１６は、端縁部２３が揃うように積層してもよい。
・二次電池１１において、複数の負極板１７は、必ずしも一部の位置が負極タブ部２２の突出方向Ｙ２（第２方向Ｙに平行な方向）にずれるように積層する必要はない。すなわち、複数の負極板１７は、例えば、一部の位置が第１方向Ｘにずれるように積層してもよい。

・二次電池１１において、複数の負極板１７は、端縁部２４が揃うように積層してもよい。
・二次電池１１において、複数の正極板１６及び複数の負極板１７は、それぞれ二枚置きや三枚置きなどの複数枚置きに位置がずれるように積層してもよい。例えば、複数の正極板１６及び複数の負極板１７は、それぞれ一部を一枚置きに位置がずれるように積層し、一部を二枚置きに位置がずれるように積層し、一部を四枚置きに位置がずれるように積層するなどのように、位置をずらす規則性が２つ以上あってもよい。すなわち、複数の正極板１６及び複数の負極板１７は、それぞれ、互いに異なる複数の任意な枚数置きに位置がずれるように積層してもよい。この場合、位置をずらして積層される正極板１６及び負極板１７のずらす量は、必ずしも一定である必要はない。

・二次電池１１において、複数の正極板１６及び複数の負極板１７は、それぞれ平行移動によって位置をずらすように積層するだけでなく、回転移動によって位置をずらすように積層してもよい。

・二次電池１１において、位置をずらして積層される正極板１６及び負極板１７は、それぞれ平行移動によって位置をずらすものと回転移動によって位置をずらすものとが混在していてもよい。

・二次電池１１において、セパレータ１８は、例えば絶縁性を有する合成樹脂製の多孔質シートによって構成してもよい。

１１…二次電池、１３…電極積層体、１６…正極板、１７…負極板、１８…セパレータ、１９…正極集電体、２０…正極タブ部、２１…負極集電体、２２…負極タブ部。Ｙ１，Ｙ２…突出方向、Ｚ…第３方向Ｚ（積層方向）。

Claims (3)

1. 正極集電体を有した正極板と、負極集電体を有した負極板とがセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体を備えた二次電池であって、
   複数の前記正極板及び複数の前記負極板のうちの少なくとも一方は、一部の位置が積層方向と交差する方向にずれるように積層され、
   前記負極集電体は、その端部から突出する負極タブ部を有しており、
   複数の前記負極板は、一部の位置が前記負極タブ部の突出方向にずれるように積層され、
   前記正極集電体は、その端部から突出する正極タブ部を有しており、
   複数の前記正極板は、一部の位置が前記正極タブ部の突出方向と直交する方向にずれるように積層され、
   前記正極板は、矩形状をなし、
   前記負極板は、前記正極板よりも一回り大きい矩形状をなし、
   前記負極板のずれた部分に対して積層方向の押圧力が付与された場合には、前記負極板のずれた部分が前記セパレータと一緒に撓むことを特徴とする二次電池。
2. 前記負極板をずらす量は、前記負極集電体の厚さの４倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記正極板をずらす量は、前記正極集電体の厚さの４倍以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電池。

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