JP5164155B2 - 扁平形電池 - Google Patents

Description

本発明は、電池缶内に発電要素としての電極体を収容するリチウムイオン二次電池等の扁平形電池に関する。

扁平形電池の公知例としては、例えば特許文献１ないし４を挙げることができる。かかる扁平形電池にあっては、電池缶が、底壁の周縁から周壁を上向きに曲げた扁平状の正極缶と、上壁の周縁から周壁を下向きに曲げた扁平状の負極缶と、該負極缶の周壁の開口部に装着されたガスケットとを備え、ガスケットを装着した負極缶が、ガスケットの内側に電極体を配置した状態で正極缶の内側に嵌め込まれている。電極体は、正極と負極とをセパレータを挟んで上下方向に交互に複数段積層することで構成されている（特許文献１では図６の電池）。正極は、正極活物質を含有する正極活物質層が配置された正極集電体を有し、負極は、負極活物質を含有する負極活物質層が配置された負極集電体を有する。

そして、特許文献１に記載の扁平形電池では、各正極の正極集電体を正極缶の底壁に溶接するとともに、各負極の負極集電体を負極缶の上壁に溶接している。ところが、かかる扁平形電池では、前記溶接に用いる器具を挿入するための空間を電池缶内に設けなければならず、その空間の分だけ電極体が小さくなって電池容量の低下を招く。

これに対して、特許文献２に記載の扁平形電池では、各正極の正極集電体から延出した正極リードを一まとめにして溶接し、該溶接箇所から延出するリードを正極缶の底壁に溶接するとともに、各負極の負極集電体から延出した負極リードを一まとめにして溶接し、該溶接箇所から延出するリードを負極缶の上壁に溶接している。そして、溶接後に前記延出する各リードを折り畳んで電極体に重ねて、該電極体を正極缶および負極缶からなる電極缶内に収容している（特許文献２の図４参照）。これによれば、溶接に用いる器具を挿入するための空間を電池缶内に確保しなくても済み、この分だけ電池容量の低下を防止できる。ところが、前記延出する各リードは折り畳むための長さが必要であり、そのリードの嵩の分だけ電池容量の低下を招くことになる。

特許文献３および４に記載の扁平形電池では、各正極の正極集電体から延出した正極リードを一まとめにした状態で溶接して正極接続部を形成することで、正極どうしを接続するとともに、各負極の負極集電体から延出した負極リードを一まとめにした状態で溶接して負極接続部を形成することで、負極どうしを接続している。そして、最下段に配置した正極の正極集電体を正極缶の底壁に接触させて各正極を正極缶に導通させ、また最上段に配置した負極の負極集電体を負極缶の上壁に接触させて各負極を負極缶に導通させている。これによれば、正極リードおよび負極リードを電池缶に溶接しなくても済むために、特許文献１のような溶接用の器具を挿入するための空間を電池缶内に確保する必要がなく、また特許文献２のようなリードの折り畳みも必要がない。このため、特許文献３および４に記載の扁平形電池では、前述の電池容量の低下を防止できる。

特開２０００−１６４２５９号公報（図６） 特開２００５−３１０５７７号公報（図４） 特開２００１−６８１６０号公報（図１） 特開２００３−４５４９４号公報（図１）

特許文献３および４では、前記負極接続部および前記正極接続部の位置が模式的に記載されているに過ぎない。このため、電池缶内における前記負極接続部および前記正極接続部の上下方向の配置位置が特定できず、例えば負極接続部が正極缶の底壁側に近い位置に配置されると、ガスケットと正極缶との間に負極接続部が挟まった状態または負極接続部が正極缶に接触した状態で、電池缶が組み立てられる可能性がある。この場合、正極缶を介して負極と正極とが短絡して不良品が生じるおそれがある。また正極および負極の側面は露出状態のため、前記リードを一まとめにした際に、例えば負極リードが正極に接触して短絡するおそれがある。

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、各負極集電体から延出した負極リードを一まとめにして互いに接続してなる負極接続部が、ガスケットと正極缶との間に挟まったり、正極缶に接触したりすることがなく、信頼性に優れた扁平形電池を提供することにある。

本発明は、発電要素の電極体１を収容する電池缶２が、底壁３の周縁から周壁５を上向きに曲げた扁平皿形状の正極缶６と、上壁７の周縁から周壁９を下向きに曲げた扁平皿形状の負極缶１０と、負極缶１０の周壁９の開口部に装着されたガスケット１１とを備えており、ガスケット１１を装着した負極缶１０が、ガスケット１１の内側に電極体１を配置した状態で、正極缶６の内側に嵌め込まれる扁平形電池を対象とする。前記電極体１は、袋状のセパレータ１５内に収容された正極１２と、負極１３とを上下方向に交互に複数段積層することで構成される。最下段に配置した袋状のセパレータ１５と、正極缶６の底壁３との間には、導電性の正極タブ２１が配置されており、正極タブ２１が正極缶６の底壁３に接触している。各正極１２から正極リード２５が延出されており、該正極リード２５が袋状のセパレータ１５の外側に導出しており、各正極リード２５および正極タブ２１から延出した接続リード２１ａの先端側が、一まとめにした状態で互いに接続されている。最上段に配置した負極１３が、負極缶１０の上壁７に接触しており、各負極１３から負極リード２６が延出されており、各負極リード２６の先端側を一まとめにした状態で互いに接続することで負極接続部３１が形成されている。そして、負極接続部３１が、正極缶６の底壁３よりも負極缶１０の上壁７の方が近くなる上下高さ位置に配置されることを特徴とする。

負極接続部３１が正極缶６の底壁３側へ移動することが規制されるように、各負極リード２６の延出寸法が設定されているものとすることができる。

各正極リード２５および接続リード２１ａの先端側を一まとめにした状態で互いに接続することで正極接続部３０が形成されており、正極接続部３０が、負極缶１０の上壁７よりも正極缶６の底壁３の方が近くなる位置に配置されているものとすることができる。

ガスケット１１が、正極缶６の底壁３上に配置されるリング状のベース部１１ａと、ベース部１１ａの外縁部から上向きに張り出し形成されていて正極缶６の周壁５および負極缶１０の周壁９で挟まれる外壁部１１ｂと、ベース部１１ａの内縁部から上向きに張り出し形成されて負極缶１０の周壁９の内面に接する内壁部１１ｃとを備え、ガスケット１１の内壁部１１ｃが、負極缶１０の上壁７の高さ位置まで上向きに延びていて、内壁部１１ｃの内側に電極体１が配置されているものとすることができる。

本発明の扁平形電池においては、各負極リード２６の先端側を互いに接続することで形成された負極接続部３１が、正極缶６の底壁３よりも負極缶１０の上壁７の方が近くなる上下高さ位置に配置されるので、電池の組み立て作業に際して、例えば負極缶１０に装着したガスケット１１の内側に電極体１が嵌め込まれるときに、電極体１の負極接続部３１が、ガスケット１１の内面に接触して、負極缶１０の開口側である正極缶６の底壁３側に押されても、該正極缶６の底壁３までは至り難くなる。これにて、負極接続部３１または負極リード２６が、正極缶６の底壁３に接触したり、ガスケット１１と正極缶６の底壁３との間に挟まれたりすることが抑えられ、各負極１３が正極缶６を介して各正極１２に短絡して、電池が故障することを確実に防止できる。

各正極１２が、袋状のセパレータ１５内にそれぞれ収容されるので、負極接続部３１が、例えば、前記組み立て作業の際にガスケット１１に接触して各正極１２側に近づくことになっても、前記セパレータ１５によって各負極リード２６および負極接続部３１が、各正極１２に接触して短絡することを確実に防止できる。

最上段に配置した負極１３が負極缶１０の上壁７に接触することで、各負極１３が負極缶１０に導通し、正極タブ２１が正極缶６の底壁３に接触することで、各正極１２が正極缶６に導通するので、各負極リード２６および各正極リード２５をそれぞれ負極缶１０および正極缶６に溶接して、各負極１３および各正極１２をそれぞれ負極缶１０および正極缶６に導通させなくても済む。これにて、電池缶２内に溶接用の器具を挿入するための空間を設けなくても済んで、その空間の分だけ電極体１が小さくなることが防止され、これによって電池容量の低下を招くことを防止できる。

負極接続部３１が正極缶６の底壁３側へ移動することが規制されるように、各負極リード２６の延出寸法が設定されると、その負極リード２６によって負極接続部３１が、正極缶６の底壁３側に移動することが確実に抑制される。したがって、負極接続部３１または負極リード２６が、正極缶６の底壁３に接触したり、ガスケット１１と正極缶６の底壁３との間に挟まれたりすることがより確実に抑えられる。

各正極リード２５および接続リード２１ａの先端側を互いに接続することで形成された正極接続部３０が、負極缶１０の上壁７よりも正極缶６の底壁３の方が近くなる位置に配置されると、正極接続部３０が、例えば負極缶１０の上壁７側に押されても、負極缶１０の上壁７までは至り難くなる。したがって、正極接続部３０または正極リード２５が、負極缶１０の上壁７に接触することが抑えられる。これにて、各正極１２が負極缶１０を介して各負極１３に短絡して、電池が故障することが確実に防止される。

ガスケット１１の内壁部１１ｃが、負極缶１０の上壁７の高さ位置まで上向きに延びていると、その内壁部１１ｃによって正極接続部３０が、負極缶１０の周壁９に接触することが確実に防止される。これによっても、各正極１２が負極缶１０を介して各負極１３に短絡して、電池が故障することが確実に防止される。

図１ないし図５に、本発明に係る扁平形電池を示す。この扁平形電池は、発電要素の電極体１および非水電解液を扁平四角形状の電池缶２内に収容する。電池缶２は、図２および図３に示すように、四角形状の底壁３の周縁から周壁５を上向きに曲げた扁平角皿形状の正極缶６と、四角形状の上壁７の周縁から周壁９を下向きに曲げた扁平角皿形状の負極缶１０と、負極缶１０の周壁９の開口部に装着されたガスケット１１とを備える。負極缶１０の周壁９の下部は、内外二重のはぜ折りに加工してある。正極缶６および負極缶１０はステンレス等からなり、ガスケット１１は、合成樹脂製の絶縁材からなる。

そして、ガスケット１１を装着した負極缶１０を、ガスケット１１の内側に電極体１を配置した状態で、正極缶６の内側に嵌め込んで、正極缶６の周壁５の開口上端部を内方に向けてかしめ加工することで、正極缶３と負極缶１０とが、ガスケット１１を介在させた状態で結合される（図２の状態）。ガスケット１１によって正極缶６と負極缶１０との間が封止される。扁平形電池の全高寸法は５．０ｍｍであり、電池缶２の内部空間の全高寸法は４．５ｍｍである。

ガスケット１１は、図１および図３に示すように、正極缶６の底壁３上に配置されるリング状のベース部１１ａと、ベース部１１ａの外縁部から上向きに張り出し形成されていて正極缶６の周壁５および負極缶１０の周壁９で挟まれる外壁部１１ｂと、ベース部１１ａの内縁部から上向きに張り出し形成されていて負極缶１０の周壁９の内面に接する内壁部１１ｃとを備える。ガスケット１１の内壁部１１ｃは、負極缶１０の上壁７のほぼ高さ位置まで上向きに延びており、その内壁部１１ｃの内側に、電極体１が嵌め込まれて配置される中央開口部１４が形成される。

電極体１は、四角形状の正極１２と四角形状の負極１３とを、上下方向に交互に複数段積層することで扁平な直方体形状に構成される。各正極１２は、扁平四角形状の袋状（図５参照）に形成されたセパレータ１５に収容される。袋状のセパレータ１５に収容された正極１２および負極１３はそれぞれ３段ずつ配置される。電極体１の下端に袋状のセパレータ１５に収容された正極１２が配置され、電極体１の上端に負極１３が配置される。正極１２の厚さ寸法は１５０μｍ、負極１３の厚さ寸法は１４０μｍである。

正極１２は、コバルト酸リチウム等の正極活物質を含有する正極活物質層１６をアルミニウム等の金属箔製の正極集電体１７の上下両面に配置することで形成される。最下段に配置された正極１２は、図１に示すように、正極集電体１７の下面には正極活物質層１６を配置していない。最下段に配置された正極１２を収容する袋状のセパレータ１５と、正極缶６の底壁３との間には、導電性の正極タブ２１が配置されており、該正極タブ２１が正極缶６の底壁３に接触している。正極タブ２１は、アルミニウム等からなり、図５に示すように、左右横長の四角形に形成される。

負極１３は、黒鉛等の負極活物質を含有する負極活物質層１９を銅等の金属箔製の負極集電体２０の上下両面に配置することで形成される。最上段に配置された負極１３は、負極集電体２０の上面には負極活物質層１９を配置しておらず、該負極集電体２０の上面が露出状態で負極缶１０の上壁７の内面に接触する。

セパレータ１５は、絶縁性に優れたポリエチレン製の微多孔性薄膜で構成してあって、リチウムイオンが透過可能になっている。つまり、セパレータ１５は、図４に示すように一枚の長方形状の微多孔性薄膜のシート材２２を、正極１２を挟み込むようにして上下に折り畳み、該セパレータ１５の上側部分１５ａと下側部分１５ｂとの周縁どうしを熱溶着等によって接着することで、袋状のセパレータ１５内に正極１２が収容される。袋状のセパレータ１５の縦横方向の各寸法は、正極１２の縦横方向の各寸法よりも大きくなっている。シート材２２の厚さ寸法は１６μｍである。

各正極１２の正極集電体１７には、横方向に延出する導電性の正極リード２５が一体形成される。正極リード２５は、図５に示すように、セパレータ１５においてシート材２２の折り目２３の反対側に位置する一辺側２４からセパレータ１５外へ導出されている。前記セパレータ１５の一辺側２４の縦方向の中央には、図４および図５に示すように、正極リード２５の基端側を覆うための被覆部２７が延出される。つまり、セパレータ１５の上側部分１５ａおよび下側部分１５ｂの一辺側２４の縦方向の中央には、上側被覆部２７ａおよび下側被覆部２７ｂがそれぞれ延出しており、上下の被覆部２７ａ・２７ｂによって正極リード２５の基端側が上下から挟まれて被覆される（図１参照）。

正極タブ２１の一辺側には、図５に示すように、接続リード２１ａが正極リード２５と同一方向に延出している。各正極１２の正極リード２５および正極タブ２１の接続リード２１ａが、図１に示すように、その先端側どうしを一まとめにした状態で超音波溶接等で互いに接続される。これにて、各正極１２が正極タブ２１を介して正極缶６に導通する。各正極リード２５および接続リード２１ａの先端側を一まとめにした状態で互いに接続することで形成された正極接続部３０は、電池缶２内において、負極缶１０の上壁７よりも正極缶６の底壁３の方が近くなる上下位置に配置される。つまり、正極接続部３０が負極缶１０の上壁７側へ移動することが規制されるように、各正極リード２５および接続リード２１ａの延出寸法が設定される。

各負極１３の負極集電体２０には、図５に示すように、横方向に延出する導電性の負極リード２６が一体形成される。負極リード２６は、正極リード２５の反対方向に延出している。そして、図１に示すように、各負極１３の負極リード２６が、その先端どうしを一まとめにした状態で超音波溶接等で互いに接続される。前述のように最上段に配置した負極１３の負極集電体２０が負極缶１０の上壁７に接触していることで、各負極１３が負極缶１０に導通する。

各負極リード２６を一まとめにした状態で接続することで形成された負極接続部３１は、電池缶２内において、正極缶６の底壁３よりも負極缶１０の上壁７の方が近くなる上下位置に配置される。つまり、負極接続部３１が正極缶６の底壁３側へ移動することが規制されるように、各負極リード２６の延出寸法が設定される。

本発明の扁平形電池の組み立て作業を図３および図５を参照して説明する。図５に示すように、正極タブ２１と、最上段に配置された負極１３との間に、正極１２を収容した袋状のセパレータ１５と、負極１３とを交互に積層する。この状態で、各負極１３の負極リード２６を、電極体１の上側寄りの所定の位置で一まとめに束ね、その束ねた位置で超音波溶接等によって負極リード２６どうしを接続する。これにて、前述の負極接続部３１が形成される。なお、負極接続部３１よりも電極体１の外側に飛び出した負極リード２６の部分は切断される。

また、各正極１２の正極リード２５および正極タブ２１の接続リード２１ａを、電極体１の下側寄りの所定の位置で一まとめに束ね、その束ねた位置で超音波溶接等によって正極リード２５および接続リード２１ａを互いに接続する。これにて、前記正極接続部３０が形成される。なお、正極接続部３０よりも電極体１の外側に飛び出した各正極リード２５および接続リード２１ａの部分は切断される。これによって図３に示す電極体１が完成する。

次に、負極缶１０の上壁７を下側にした状態で、負極缶１０の開口部にガスケット１１を装着し、そのガスケット１１の内壁部１１ｃの内側の中央開口部１４内に、最上段に配置した負極１３側を下側にした電極体１を嵌め込んで収容する。このとき、例えば、電極体１の負極接続部３１がガスケット１１の内壁部１１ｃの内面に接触している状態で電極体１が負極缶１０内に嵌め込まれても、負極接続部３１は、前述のように正極缶６の底壁３側（負極缶１０の開口側）へ移動することが規制されるため、この後の作業において正極缶６の底壁３に接触したり、ガスケット１１のベース部１１ａと正極缶６の底壁３との間に挟まれたりすることがない。

次いで、負極缶１０内に非水電解液を注入し、正極缶６の内側に負極缶１０をガスケット１１と共に嵌め込んで、正極缶６の周壁５の開口端部を内方に向けてかしめ加工する。これにて正極缶６と負極缶１０とが、ガスケット１１を介在させた状態でかしめ固定されて、図２に示す本発明の扁平形電池の組み立てが完了する。非水電解液は、例えば、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとを混合した溶媒に、ＬｉＰＦ₆ を溶解させて作製した。

このように、負極接続部３１が、正極缶６の底壁３よりも負極缶１０の上壁７の方が近くなる上下高さ位置に配置されるので、電池の組み立て作業に際して、負極缶１０に装着したガスケット１１の内側に電極体１が嵌め込まれるときに、電極体１の負極接続部３１が、ガスケット１１の内面に接触して負極缶１０の開口端側（正極缶６の底壁３側）に押されても、負極缶１０の開口端までは至り難くなる。これにて、負極接続部３１または負極リード２６が、正極缶６の底壁３に接触したり、ガスケット１１と正極缶６の底壁３との間に挟まれたりすることが抑えられ、各負極１３が正極缶６を介して各正極１２に短絡することを確実に防止できる。

各正極１２が、袋状のセパレータ１５内にそれぞれ収容されるので、負極接続部３１が、例えば前記組み立て作業の際にガスケット１１に接触して各正極１２側に近づくことになっても、セパレータ１５によって各負極リード２６および負極接続部３１が、各正極１２に接触して短絡することを確実に防止できる。また、各正極リード２５の基端側が、セパレータ１５の被覆部２７で覆われているため、束ねた各正極リード２５が負極１３に接触して、正極１２と負極１３とが短絡することが防止される。

最上段に配置した負極１３が負極缶１０の上壁７に接触することで、各負極１３が負極缶１０に導通し、正極タブ２１が正極缶６の底壁３に接触することで、各正極１２が正極缶６に導通するので、各負極リード２６および各正極リード２５をそれぞれ負極缶１０および正極缶６に溶接して、各負極１３および各正極１２をそれぞれ負極缶１０および正極缶６に導通させなくても済む。これにて、電池缶２内に溶接用の器具を挿入するための空間を設けなくても済んで、その空間の分だけ電極体１が小さくなることが防止され、これによって電池容量の低下を招くことを防止できる。

正極接続部３０が、負極缶１０の上壁７よりも正極缶６の底壁３の方が近くなる位置に配置されるので、正極接続部３０が、例えば負極缶１０の上壁７側に押されても、負極缶１０の上壁７までは至り難くなる。したがって、正極接続部３０または正極リード２５が、負極缶１０の上壁７に接触することが抑えられる。これにて、各正極１２が負極缶１０を介して各負極１３に短絡することが防止される。

ガスケット１１の内壁部１１ｃが、負極缶１０の上壁７の高さ位置まで上向きに延びているので、その内壁部１１ｃによっても正極接続部３０が、負極缶１０の周壁９に接触することが防止される。

負極缶１０の上壁７と負極接続部３１との間の上下寸法は、負極缶１０の上壁７の下面と正極缶６の底壁３の上面との間の上下寸法Ｌ１（図１）の０〜４０％の寸法になることが好ましい。

なお、正極接続部３０は、正極缶６の底壁３と負極缶１０の上壁７との間の上下方向の中央に配置されてもよく、該中央よりも負極缶１０の上壁７側に僅かに偏って配置されてもよい。負極接続部３１は、負極缶１０の上壁７に接触している状態で電池缶２内に収容されてもよい。前記説明では、電池缶２は、扁平四角形状であったが、扁平丸形形状等であってもよい。

本発明に係る扁平形電池の要部の縦断面図である。 本発明の扁平形電池の全体を示す縦断面図である。 扁平形電池の組み立て前の状態を示す分解断面図である。 本発明に係るセパレータの作製を説明するための斜視図である。 本発明に係る電極体の分解斜視図である。

符号の説明

１ 電極体
２ 電池缶
３ 底壁
５ 周壁
６ 正極缶
７ 上壁
９ 周壁
１０ 負極缶
１１ ガスケット
１１ａ ベース部
１１ｂ 外壁部
１１ｃ 内壁部
１２ 正極
１３ 負極
１５ セパレータ
２１ 正極タブ
２１ａ 接続リード
２５ 正極リード
２６ 負極リード
３０ 正極接続部
３１ 負極接続部

Claims (4)

1. 発電要素の電極体を収容する電池缶が、底壁の周縁から周壁を上向きに曲げた扁平皿形状の正極缶と、上壁の周縁から周壁を下向きに曲げた扁平皿形状の負極缶と、該負極缶の周壁の開口部に装着されたガスケットとを備えており、前記ガスケットを装着した前記負極缶が、前記ガスケットの内側に前記電極体を配置した状態で、前記正極缶の内側に嵌め込まれる扁平形電池であって、
   前記電極体は、袋状のセパレータ内に収容された正極と、負極とを上下方向に交互に複数段積層することで構成され、
   最下段に配置した前記袋状のセパレータと、前記正極缶の底壁との間には、導電性の正極タブが配置されており、該正極タブが前記正極缶の底壁に接触しており、
   前記各正極から正極リードが延出されており、該正極リードが前記袋状のセパレータの外側に導出しており、
   前記各正極リードおよび前記正極タブから延出した接続リードの先端側が、一まとめにした状態で互いに接続されており、
   最上段に配置した前記負極が、前記負極缶の上壁に接触しており、
   前記各負極から負極リードが延出されており、前記各負極リードの先端側を一まとめにした状態で互いに接続することで負極接続部が形成されており、
   前記負極接続部が、前記正極缶の底壁よりも前記負極缶の上壁の方が近くなる上下高さ位置に配置されることを特徴とする扁平形電池。
2. 前記負極接続部が前記正極缶の底壁側へ移動することが規制されるように、前記各負極リードの延出寸法が設定されている請求項１記載の扁平形電池。
3. 前記各正極リードおよび前記接続リードの先端側を一まとめにした状態で互いに接続することで正極接続部が形成されており、
   前記正極接続部が、前記負極缶の上壁よりも前記正極缶の底壁の方が近くなる位置に配置されている請求項１または２記載の扁平形電池。
4. 前記ガスケットが、前記正極缶の底壁上に配置されるリング状のベース部と、該ベース部の外縁部から上向きに張り出し形成されて前記正極缶の周壁および前記負極缶の周壁で挟まれる外壁部と、前記ベース部の内縁部から上向きに張り出し形成されて前記負極缶の周壁の内面に接する内壁部とを備え、
   前記ガスケットの内壁部が、前記負極缶の上壁の高さ位置まで上向きに延びており、該内壁部の内側に前記電極体が配置されている請求項１ないし３のいずれかに記載の扁平形電池。

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