JP7615038B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本開示は、二次電池に関する。

電極体が外装体に収容された二次電池の集電構造として、電極体から外装体の封口板側に延出した集電タブを、集電体を介して外部端子に接続する構造が知られている。

このような集電構造において、特許文献１には、電極体として、正極板と負極板とがセパレータを介して扁平状に巻回された構成が開示されている。正極板及び負極体は、それぞれ帯状に形成されており、幅方向一端部に、正負の複数の集電タブが、所定の間隔で形成されている。そして、正極板及び負極板を巻回して電極体を構成した際、正負の複数の集電タブは、それぞれ、所定の位置で積層されて、タブ群を構成している。正負のタブ群は、それぞれ束ねられて、正負の集電体に接続され、さらに集電体が外部端子に接続されることによって、集電構造が構成されている。

特表２０１８－５３４７２５号公報

上記の集電構造において、外部端子に接続された集電体を、封口板と電気的に絶縁するために、集電体と封口板との間に、絶縁部材が配置されている。

ところで、二次電池の出力を高めるために、封口板の長手方向における集電タブの幅を広げることが効果的である。集電タブの幅を広げると、タブ群が接続される集電体の領域も広くなる。その結果、タブ群は、集電体の長手方向における端部まで接近して配置されることになる。

一方、複数の集電タブは、正極板及び負極板を扁平状に巻回して電極体を構成した際、所定の位置で積層されるよう、予め、正極板及び負極板の一端部に、所定の間隔で形成されている。しかしながら、極板の厚みや、巻回された極板の曲率、巻回された電極体を扁平状に押圧する際の押圧方向等のバラツキによって、所定の位置からずれて積層される場合がある。

このように、複数の集電タブが互いにずれた状態で、タブ群が集電体に接続されると、一部の集電タブが、集電体から封口板の長手方向にはみ出てしまうおそれがある。その結果、集電タブの集電体からはみ出た部分が、封口板と接触し、タブ群と封口板との絶縁性が失われるおそれがある。

本開示に係る二次電池は、正極板及び負極板を備えた電極体と、開口部を有し、電極体を収容した外装体と、開口部を封口する封口板と、封口板の外側に設けられた外部端子と、封口板の内側に設けられ、外部端子に接続された接続部材と、封口板と接続部材との間に設けられた絶縁部材と、封口板の内側に配置され、接続部材に接続されるとともに、正極板及び負極板から延出した複数の集電タブからなるタブ群に接続された集電体と、を備え、タブ群は、少なくとも一部の集電タブが、集電体から封口板の長手方向にはみ出たはみ出し部分を有し、絶縁部材は、封口板の長手方向に沿って、少なくともはみ出し部分と封口板との間に延在した延在部を有している。

本開示によれば、集電体を備えた二次電池において、複数の集電タブからなるタブ群と、封口板との絶縁性を維持した構造の二次電池を提供することができる。

図１は本開示の一実施形態における二次電池の構成を模式的に示した斜視図である。 図２は図１のII－II線に沿った断面図である。 図３Ａは、正極板の平面図である。 図３Ｂは、負極板の平面図である。 図４Ａは、電極体の上面図である。 図４Ｂは、電極体の側面図である。 図４Ｃは、電極体の正面図である。 図５は外装体及び電極体を除く二次電池の各構成の分解斜視図である。 図６は外装体及び電極体を除く二次電池の各構成の分解斜視図である。 図７は正極タブ群及び負極タブ群を、正極集電体及び負極集電体に接続した状態を示した平面図である。 図８は封口板に、正極外部端子、負極外部端子、正極接続部材、負極接続部材を組み付けた状態を示した平面図である。 図９は図７に示した状態の正極集電体及び負極集電体を、図８に示した状態の正極接続部材及び負極接続部材に接続した状態を示した平面図である。 図１０は図９において、正極側を拡大して示した平面図である。 図１１は図９において、正極側を拡大して示した側面図である。 図１２は図９において、封口板の下側から見た斜視図である。

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。なお、本開示は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本開示の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本開示の一実施形態における二次電池の構成を模式的に示した斜視図である。また、図２は、図１のII－II線に沿った断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態における二次電池１００は、開口部を有し、電極体３を収容した外装体１と、外装体１の開口部を封口した封口板２とを備える。外装体１と封口板２とは、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。封口板２の外側には、正極外部端子１０及び負極外部端子２０が設けられている。電極体３は、正極板及び負極板がセパレータを介して扁平状に巻回された構造をなす。なお、本実施形態において、封口板２の長手方向とは、図１中の矢印Ａで示した方向をいう。

封口板２の内側には、正極外部端子１０及び負極外部端子２０にそれぞれ接続された正極接続部材１１及び負極接続部材２１が設けられている。さらに、封口板２の内側には、正極接続部材１１及び負極接続部材２１にそれぞれ接続された正極集電体１２及び負極集電体２２が設けられている。

電極体３は、封口板２側端部において、正極板及び負極板にそれぞれ接続された複数の集電タブからなる正極タブ群４０ａ及び負極タブ群５０ａを有している。また、正極タブ群４０ａ及び負極タブ群５０ａは、それぞれ正極集電体１２及び負極集電体２２に接続されている。

正極外部端子１０、正極接続部材１１、及び正極集電体１２は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。負極外部端子２０、負極接続部材２１、及び負極集電体２２は、例えば、銅または銅合金からなる。

正極外部端子１０及び負極外部端子２０と、封口板２との間には、それぞれ、上部絶縁部材１３、２３が配置されている。また、正極接続部材１１及び負極接続部材２１と、封口板２との間には、それぞれ、絶縁部材１４、２４が配置されている。これにより、正極外部端子１０、負極外部端子２０、及び、正極接続部材１１、負極接続部材２１は、それぞれ、封口板２と電気的に絶縁されている。

封口板２には、電解液を注液する注液孔（不図示）が設けられており、注液孔は封止部材３０で封止されている。封口板２には、ガス排出弁３１が設けられており、外装体１内の圧力が所定値以上となったときに、外装体１内のガスが、破断したガス排出弁３１から外部に排出される。外装体１と電極体３との間には、絶縁性の電極体ホルダー６が配置されている。

次に、図３Ａ～図９を参照しながら、本実施形態における二次電池の組み立て方法、及び各構成の詳細を説明する。

図３Ａは、正極板４の平面図である。正極板４は、正極芯体の両面に正極活物質を含む正極合剤層が形成された構成からなる。正極板４の端辺からは、所定の間隔で複数の正極集電タブ４ａが突出している。正極集電タブ４ａは、正極芯体の一部であってもよいし、他の部材であってもよい。正極芯体は、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔からなる。また、正極活物質は、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物等からなる。

図３Ｂは、負極板５の平面図である。負極板５は、負極芯体の両面に負極活物質を含む負極合剤層が形成された構成からなる。負極板５の端辺からは、所定の間隔で複数の負極集電タブ５ａが突出している。負極集電タブ５ａは、負極芯体の一部であってもよいし、他の部材であってもよい。負極芯体は、例えば、銅箔、銅合金箔からなる。また、負極活物質は、例えば、炭素材料やシリコンを含有する材料等からなる。

図４Ａ～図４Ｃは、正極板４及び負極板５を、セパレータを介して扁平状に巻回して構成した電極体３を示す。ここで、図４Ａは、電極体３の上面図、図４Ｂは、電極体３の側面図、図４Ｃは、電極体３の正面図である。

図４Ａ～図４Ｃに示すように、電極体３の端辺からは、正極タブ群４０ａ及び負極タブ群５０ａが延出している。正極タブ群４０ａ及び負極タブ群５０ａは、正極板４及び負極板５を扁平状に巻回して電極体３を構成した際、複数の正極集電タブ４ａ及び複数の負極集電タブ５ａが、所定の位置で積層されて構成されている。なお、正極タブ群４０ａ及び負極タブ群５０ａは、その先端部が束ねられて、後述する正極集電体１２及び負極集電体２２に接続される。

図５及び図６は、外装体１及び電極体３を除く二次電池の各構成の分解斜視図である。ここで、図５は、封口板２の上側から見た分解斜視図で、図６は、封口板２の下側から見た分解斜視図である。なお、以下では、正極側の各構成について説明するが、負極側の各構成についても、基本的に同じ構成を有する。

図５及び図６に示すように、封口板２の上側には、正極外部端子１０及び上部絶縁部材１３が配置されている。また、封口板２の下側には、絶縁部材１４、正極接続部材１１、及び正極集電体１２が配置されている。

正極外部端子１０は、円筒状の突出部１０ａを有している。上部絶縁部材１３、封口板２、絶縁部材１４、及び正極接続部材１１には、それぞれ、正極外部端子１０の突出部１０ａを貫通する貫通孔１３ａ、２ａ、１４ａ、１１ａが設けられている。

封口板２は、電解液を注入する注液孔２ｂ、及び、外装体１内のガスを排出するガス排出弁３１を有している。絶縁部材１４には、注液孔２ｂを塞がない位置に、開口部１４ｂが設けられている。

正極集電体１２は、封口板２の長手方向に沿って、正極タブ群４０ａに接続される第１接続領域１２ａと、正極接続部材１１に接続される第２接続領域１２ｂとを有している。また、正極集電体１２は、第１接続領域１２ａと、第２接続領域１２ｂとの間に段差部１２ｃを有し、第１接続領域１２ａは、第２接続領域１２ｂよりも封口板２側に位置している。正極集電体１２には、注液孔２ｂを塞がない位置に、切り欠き部１２ｄが設けられている。

なお、負極側の絶縁部材２４及び負極集電体２２は、注液孔２ｂを塞ぐ位置に配置されないため、絶縁部材１４及び正極集電体１２に設けた開口部１４ｂ及び切り欠き部１２ｄに相当する部位を有していない。

図７は、構成が同じ２つの電極体３ａ、３ｂにそれぞれ設けられた正極タブ群４０ａ、４０ｂ、及び負極タブ群５０ａ、５０ｂを、正極集電体１２及び負極集電体２２に接続した状態を示した平面図である。

具体的には、図７に示すように、２つの電極体３ａ、３ｂを、正極タブ群４０ａ、４０ｂ、及び負極タブ群５０ａ、５０ｂが、互いに向かい合うように配置する。そして、正極集電体１２の第１接続領域１２ａ、及び負極集電体２２の第１接続領域２２ａの上に、正極タブ群４０ａ、４０ｂ、及び負極タブ群５０ａ、５０ｂを配置して、正極タブ群４０ａ、４０ｂ、及び負極タブ群５０ａ、５０ｂを、溶接箇所６０、７０において、正極集電体１２及び負極集電体２２に溶接する。溶接は、例えば、超音波溶接、抵抗溶接、レーザ溶接等を用いて行うことができる。

なお、２つの電極体３ａ、３ｂは、正極タブ群４０ａ、４０ｂ、及び負極タブ群５０ａ、５０ｂを折り曲げて、電極体３ａ、３ｂが互いに並列に配置された状態で、外装体１内に収容される。

図８は、封口板２に、正極外部端子１０、負極外部端子２０、及び正極接続部材１１、負極接続部材２１を組み付けた状態を、封口板２の下側から見た平面図である。

具体的には、図５及び図６に示すように、上部絶縁部材１３、封口板２、絶縁部材１４、及び正極接続部材１１を、それぞれに設けられた貫通孔１３ａ、２ａ、１４ａ、１１ａの位置を揃えて配置する。そして、正極外部端子１０の突出部１０ａを、貫通孔１３ａ、２ａ、１４ａ、１１ａに挿入し、突出部１０ａの先端部を、正極接続部材１１上にかしめて、正極外部端子１０及び正極接続部材１１を、封口板２に固定する。なお、かしめ部において、正極外部端子１０と正極接続部材１１とを、さらに溶接してもよい。

なお、絶縁部材１４は、凹部１４ｄを有し、正極接続部材１１は、凹部１４ｄにはめ込まれている。また、凹部１４ｄの一部は、正極接続部材１１から露出しており、当該露出した部位に、後述する正極集電体１２がはめ込まれる。

図９は、図７に示した状態の正極集電体１２及び負極集電体２２を、図８に示した状態の正極接続部材１１及び負極接続部材２１に接続した状態を示した平面図である。

図９に示すように、正極集電体１２は、第１接続領域１２ａを、絶縁部材１４の凹部１４ｄにはめ込んだ状態で、第２接続領域１２ｂにおいて、正極接続部材１１に溶接されている。溶接は、例えば、レーザ溶接等を用いて行うことができる。

ところで、図３Ａ、図３Ｂ及び図４Ａ～図４Ｃに示したように、複数の正極集電タブ４ａ及び負極集電タブ５ａは、正極板４及び負極板５を扁平状に巻回して電極体３を構成した際、所定の位置で積層されるよう、予め、正極板４及び負極板５の一端部に、所定の間隔で形成されている。しかしながら、正極板４及び負極板５の厚みや、電極体３の曲率、巻回された電極体３を扁平状に押圧する際の押圧方向等のバラツキによって、所定の位置からずれて積層される場合がある。

図１０は、図９において、正極側を拡大して示した平面図である。なお、図１０では、電極体３ａ、３ｂを省略している。

図１０に示すように、正極タブ群４０ａ、４０ｂを構成する複数の正極集電タブ４ａ、４ｂは（図１０では、３つを表示）、それぞれ、封口板２の長手方向に互いにずれて積層されている。そのため、正極タブ群４０ａ、４０ｂは、少なくとも一部の正極集電タブ４ａ、４ｂが、正極集電体１２（第１接続領域１２ａ）から、封口板２の長手方向にはみ出した部分（はみ出し部分）を有している。

特に、二次電池の出力を高めるために、封口板２の長手方向における正極集電タブ４ａ、４ｂの幅を広げると、正極タブ群４０ａ、４０ｂが接続される正極集電体１２の第１接続領域１２ａも広くなる。その結果、正極タブ群４０ａ、４０ｂは、正極集電体の長手方向における端部まで接近して配置されるため、正極タブ群４０ａ、４０ｂのはみ出し部分は多くなる。また、正極集電体１２と正極タブ群４０ａ、４０ｂとの接合部６０、６０が、第１接続領域１２ａにおいて、段差部１２ｃよりも正極集電体１２の端部側に位置している場合も、正極タブ群４０ａ、４０ｂのはみ出し部分が多くなる。

本実施形態では、絶縁部材１４は、封口板２の長手方向において、正極タブ群４０ａ、４０ｂのはみ出し部分と、封口板２との間に延在した延在部１４ｃを有している。従って、延在部１４ｃは、正極集電体１２から、封口板２の長手方向にはみ出していることにもなる。

本実施形態によれば、絶縁部材１４に延在部１４ｃを設けることによって、正極タブ群４０ａ、４０ｂのはみ出し部分が、封口板２と接触するのを防止することができる。これにより、正極タブ群４０ａ、４０ｂと、封口板２との絶縁性を維持した構造の二次電池を提供することができる。特に、封口板２の長手方向における正極集電タブ４ａ、４ｂの幅を広げても、正極タブ群４０ａ、４０ｂのはみ出し部分が、封口板２と接触するのを防止できるため、出力が高く、かつ、正極タブ群４０ａ、４０ｂと封口板２との絶縁性を維持した構造の二次電池を提供することができる。

なお、本実施形態では、負極側における絶縁部材２４においても、同様の構成を有するため、負極タブ群５０ａ、５０ｂと、封口板２との絶縁性を維持した構造の二次電池を提供することができる。

図１１及び図１２は、図９において、正極側を拡大して示した側面図、及び封口板２の下側から見た斜視図である。なお、図１０及び図１１では、電極体３ａ、３ｂ、正極タブ群４０ａ、４０ｂ、及び負極タブ群５０ａ、５０ｂを省略している。

図１１及び図１２に示すように、正極集電体１２は、正極タブ群４０ａ、４０ｂが接続される第１接続領域１２ａが、絶縁部材１４の凹部１４ｄにはめ込まれた状態で、正極接続部材１１に溶接されている。そして、第１接続領域１２ａにおける電極体３ａ、３ｂ側の面と、絶縁部材１４の延在部１４ｃにおける電極体３ａ、３ｂ側の面とは、同一面をなしている。これにより、正極集電タブ４ａ、４ｂが、正極集電体１２（第１接続領域１２ａ）と、絶縁部材１４（延在部１４ｃ）とに跨がって配置されても、正極集電タブ４ａ、４ｂに、余計な負荷がかかるのを防止することができる。

また、図１１及び図１２に示すように、封口板２と延在部１４ｃとの間には、隙間Ｓが設けられている。これにより、絶縁部材の１４の軽量化、及び低コスト化を図ることができる。

また、本実施形態では、図２に示したように、正極集電体１２の第１接続領域１２ａは、第２接続領域１２ｂよりも、封口板２側に位置している。これにより、電極体３の封口板２側端部を、封口板２により近づけることができる。その結果、二次電池の容量をより大きくすることができる。

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、もちろん、種々の改変が可能である。

例えば、上記の実施形態では、正極外部端子１０と、正極接続部材１１とを、別部材で構成したが、同一部材で一体的に形成されていてもよい。同様に、負極外部端子２０と、負極接続部材２１とを、別部材で構成したが、同一部材で一体的に形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、電極体３ａ、３ｂとして、正極板４及び負極板５がセパレータを介して巻回された構造のものを使用したが、複数の正極板及び負極板がセパレータを介して積層された構造のものを使用してもよい。積層された構造の電極体においても、各正極板及び負極板に設けられた複数の集電タブは、互いにずれた状態で積層され、その一部が、正負の集電体からはみ出る場合もあるからである。

また、上記実施形態では、２つの電極体３ａ、３ｂを外装体１に収容した例を説明したが、電極体は一つであってもよいし、３つ以上の電極体を用いてもよい。

本実施形態における二次電池は、その種類は特に限定されず、例えば、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池等に適用することができる。

１ 外装体
２ 封口板
２ｂ 注液孔
３，３ａ，３ｂ 電極体
４ 正極板
４ａ，４ｂ 正極集電タブ
５ 負極板
５ａ，５ｂ 負極集電タブ
６ 電極体ホルダー
１０ 正極外部端子
１０ａ 突出部
１１ 正極接続部材
１２ 正極集電体
１２ａ 第１接続領域
１２ｂ 第２接続領域
１２ｃ 段差部
１２ｄ 切り欠き部
１３，２３ 上部絶縁部材
１３ａ，２ａ，１４ａ，１１ａ 貫通孔
１４，２４ 絶縁部材
１４ｂ 開口部
１４ｃ 延在部
１４ｄ 凹部
２０ 負極外部端子
２１ 負極接続部材
２２ 負極集電体
２２ａ 第１接続領域
３０ 封止部材
３１ ガス排出弁
４０ａ，４０ｂ 正極タブ群
５０ａ，５０ｂ 負極タブ群
６０，７０ 溶接箇所
１００ 二次電池

Claims (7)

1. 正極板及び負極板を備えた電極体と、
   開口部を有し、前記電極体を収容した外装体と、
   前記開口部を封口する封口板と、
   前記封口板の外側に設けられた外部端子と、
   前記封口板の内側に設けられ、前記外部端子に接続された接続部材と、
   前記封口板と前記接続部材との間に設けられた絶縁部材と、
   前記封口板の内側に配置され、前記接続部材に接続されるとともに、前記正極板及び前記負極板から延出した複数の集電タブからなるタブ群に接続された集電体と、
   を備えた二次電池であって、
   前記タブ群は、少なくとも一部の集電タブが、前記集電体から前記封口板の長手方向にはみ出たはみ出し部分を有し、
   前記絶縁部材は、前記封口板の長手方向に沿って、少なくとも前記はみ出し部分と前記封口板との間に延在した延在部を有し、
   前記タブ群が接続された前記集電体の部位における前記電極体側の面と、前記絶縁部材の前記延在部における前記電極体側の面とは、同一面をなしている、二次電池。
2. 前記集電体は、前記タブ群に接続された第１接続領域と、前記接続部材に接続された第２接続領域とを有し、
   前記第１接続領域が、前記絶縁部材に設けられた凹部にはめ込まれた状態で、前記第１接続領域における前記電極体側の面と、前記絶縁部材の延在部における前記電極体側の面とは、同一面をなしている、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記封口板と前記延在部との間に隙間が設けられている、請求項１に記載の二次電池。
4. 前記集電体は、前記タブ群に接続された第１接続領域と、前記接続部材に接続された第２接続領域とを有するとともに、前記第１接続領域と前記第２接続領域との間に段差部を有し、
   前記第１接続領域は、前記第２接続領域よりも、前記封口板側に位置している、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記集電体と前記タブ群との接合部は、前記第１接続領域において、前記段差部よりも、前記集電体の端部側に位置している、請求項４に記載の二次電池。
6. 前記外部端子と前記接続部材とは、同一部材で一体的に形成されている、請求項１に記載の二次電池。
7. 前記電極体は、前記正極板及び前記負極板がセパレータを介して巻回された構造をなす、請求項１に記載の二次電池。

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