JP7813673B2 - 電池セル - Google Patents

Description

本発明は、電池セルに関する。

近年、リチウムイオン二次電池セル等の電池セルの様々な構造が開発されている。例えば、特許文献１に記載されている電池セルは、電池要素、２つの蓋材及び外装フィルムを備えている。２つの蓋材は、電池要素の長手方向の両端部を覆っている。各蓋材からは、電池要素に電気的に接続されたタブが引き出されている。外装フィルムは、電池要素の長手方向の周りに巻き付けられている。

特開２０１１－１０８６２３号公報

例えば特許文献１に記載されている電池セルでは、外装フィルムの形状の歪みによって外装フィルムにしわが形成されることがある。しかしながら、外装フィルムのしわが外装フィルムの電池要素の周囲に存在すると、電池要素にしわが転写されることがある。これによって、電池セルの特性がしわの影響を受けることがある。

本発明の目的の一例は、電池セルの特性を安定化させることにある。本発明の他の目的は、本明細書の記載から明らかになるであろう。

本発明の一態様は、以下のとおりである。
［１］
電池要素と、
前記電池要素から引き出された集電体の集約部を介して前記電池要素に電気的に接続されたタブと、
前記電池要素の一端部を覆い、前記タブが引き出される蓋材と、
少なくとも一部分が前記電池要素に巻き付けられた外装フィルムと、
を備え、
前記外装フィルムの前記集電体の前記集約部の周囲に前記外装フィルムのしわが存在する、電池セル。
［２］
前記タブの引き出し方向から見て、前記蓋材の大きさが前記電池要素の大きさより大きい、［１］に記載の電池セル。
［３］
前記タブの引き出し方向から見て、前記蓋材の大きさが前記電池要素の大きさより小さい、［１］に記載の電池セル。

本発明の上記態様によれば、電池セルの特性を安定化させることができる。

実施形態に係る電池セルの前方斜視図である。 実施形態に係る電池セルの一部分の前方拡大斜視図である。 実施形態に係る電池セルの右側面図である。 図３のＡ－Ａ断面模式図である。 実施形態に係る電池セルの製造方法の第１例を説明するための図である。 実施形態に係る電池セルの製造方法の第２例を説明するための図である。 変形例に係る電池セルの前方斜視図である。

以下、本発明の実施形態及び変形例について、図面を用いて説明する。すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、実施形態に係る電池セル１０の前方斜視図である。図２は、実施形態に係る電池セル１０の一部分の前方拡大斜視図である。図３は、実施形態に係る電池セル１０の右側面図である。図４は、図３のＡ－Ａ断面模式図である。図３では、説明のため、外装フィルム３００を透過させた状態で図示している。

各図には、説明のため、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向が付されている。Ｘ方向は、電池セル１０の前後方向を示している。Ｙ方向は、Ｘ方向に直交している。Ｙ方向は、電池セル１０の左右方向を示している。Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向の双方に直交している。Ｚ方向は、電池セル１０の上下方向を示している。Ｘ方向を示す矢印によって指し示される方向、Ｙ方向を示す矢印によって指し示される方向及びＺ方向を示す矢印によって指し示される方向は、それぞれ、後方向、左方向及び上方向である。ただし、電池セル１０のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、前後方向、左右方向及び上下方向の関係は、この例に限定されない。

なお、Ｘ方向、Ｙ方向又はＺ方向を示すＸ付き白丸は、紙面の手前から奥に向かう方向が当該方向を示す矢印によって指し示される方向であることを示している。

電池セル１０は、電池要素１００、正極タブ１１０、負極タブ１２０、前方蓋材２１０、後方蓋材２２０及び外装フィルム３００を備えている。外装フィルム３００は、巻付部分３０２及び引出部分３０４を有している。

電池要素１００は、略直方体形状となっている。電池要素１００の長手方向は、Ｘ方向に略平行となっている。電池要素１００のＸ方向の長さは、以下に限定されないが、例えば、３００ｍｍ以上５００ｍｍ以下、好ましくは４５０ｍｍ以下である。電池要素１００の短手方向は、Ｚ方向に略平行となっている。電池要素１００のＺ方向の長さは、以下に限定されないが、例えば、９０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下、好ましくは１２０ｍｍ以下である。電池要素１００の厚み方向は、Ｙ方向に略平行となっている。電池要素１００のＹ方向の厚さは、以下に限定されないが、例えば、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、好ましくは４５ｍｍ以下である。ただし、電池要素１００の形状は、この例に限定されない。

電池要素１００は、不図示の少なくとも１つの正極、不図示の少なくとも１つの負極及び不図示の少なくとも１つのセパレータを有している。例えば、複数の正極及び複数の負極がＹ方向に交互に積層されている。セパレータの少なくとも一部分は、Ｙ方向に隣り合う正極及び負極の間に位置している。例えば、複数枚のシート状のセパレータの各々がＹ方向に隣り合う正極及び負極の間に位置していてもよい。或いは、１枚のシート状のセパレータがＹ方向に隣り合う正極及び負極の間の領域を通過するつづら折り形状になっていてもよい。或いは、正極、負極及びセパレータは、セパレータが正極及び負極の間に配置されるように巻回されていてもよい。一例において、正極及び負極の一方の両面がセパレータによって覆われた状態で正極、負極及びセパレータは巻回されている。他の例において、正極、セパレータ及び負極をこの順に含む単位積層体を複数含む積層体が巻回されていてもよい。ただし、正極、負極及びセパレータの巻回構造は、これらの例に限定されない。

図３に示すように、正極タブ１１０は、電池要素１００の前方に配置されている。正極タブ１１０の後端部は、正極集電体１０２ａに電気的に接続されている。正極集電体１０２ａは、正極１０２から前方に向けて引き出されている。これによって、正極タブ１１０は、複数の正極１０２に電気的に接続されている。図４に示すように、電池要素１００と前方蓋材２１０との間では、複数の正極集電体１０２ａの集約されている。言い換えると、電池要素１００と正極タブ１１０との間には、複数の正極集電体１０２ａの集約部が存在している。複数の正極集電体１０２ａの集約部のＹ方向の幅は、電池要素１００から前方に向かうにつれて狭くなっている。なお、図４では、電池要素１００から引き出されて集約された複数の正極集電体１０２ａが模式的に三角形状に図示されている。

図３に示すように、負極タブ１２０は、電池要素１００の後方に配置されている。負極タブ１２０の前端部は、負極集電体１０４ａに電気的に接続されている。負極集電体１０４ａは、負極１０４から後方に向けて引き出されている。これによって、負極タブ１２０は、複数の負極１０４に電気的に接続されている。図４に示した例と同様にして、電池要素１００と負極タブ１２０との間には、複数の負極集電体１０４ａの集約部が存在している。

前方蓋材２１０は、電池要素１００の前端部を覆っている。前方蓋材２１０は、例えば、樹脂、金属等からなっている。前方蓋材２１０の前面からは、正極タブ１１０の前端部が前方に向けて引き出されている。前方から見て、前方蓋材２１０は、略長方形形状となっている。前方から見て、前方蓋材２１０の長手方向はＺ方向に略平行となっており、前方蓋材２１０の短手方向はＹ方向に略平行となっている。

後方蓋材２２０は、電池要素１００の後端部を覆っている。後方蓋材２２０は、例えば、樹脂、金属等からなっている。後方蓋材２２０の後面からは、負極タブ１２０の後端部が後方に向けて引き出されている。後方から見て、後方蓋材２２０は、略長方形形状となっている。後方から見て、後方蓋材２２０の長手方向はＺ方向に略平行となっており、後方蓋材２２０の短手方向はＹ方向に略平行となっている。

図１及び図２に示すように、巻付部分３０２は、前方及び後方の双方に向けて開口した略筒形状となっている。巻付部分３０２の前方の開口の内部には、前方蓋材２１０が配置されている。巻付部分３０２の後方の開口の内部には、後方蓋材２２０が配置されている。巻付部分３０２は、電池要素１００、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０のＸ方向の周りに１周巻き付けられている。これによって、前方蓋材２１０、後方蓋材２２０及び巻付部分３０２は、電池要素１００を収容する収容空間５００を形成している。収容空間５００には、電池要素１００とともに、不図示の電解液が収容されている。なお、巻付部分３０２の電池要素１００の巻き付きの態様は、上述した例に限定されない。

前方蓋材２１０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の前方の開口のＸ方向の周りの内周面と、は例えば熱融着によって互いに接合されている。これによって、前方封止部５１０が形成されている。

後方蓋材２２０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の後方の開口のＸ方向の周りの内周面と、は例えば熱融着によって互いに接合されている。これによって、後方封止部５２０が形成されている。

図１及び図２に示すように、前方から見て、引出部分３０４は、巻付部分３０２の電池要素１００の左上側の角から引き出されている。具体的には、図２に示すように、引出部分３０４は、第１引出部分３０４ａ及び第２引出部分３０４ｂを含んでいる。第１引出部分３０４ａは、巻付部分３０２のＸ方向の周りの周方向の両端の一方から引き出されている。第２引出部分３０４ｂは、巻付部分３０２のＸ方向の周りの周方向の両端の他方から引き出されている。第１引出部分３０４ａ及び第２引出部分３０４ｂは、例えば熱融着によって互いに接合されている。これによって、前方から見て、側方封止部５３０が形成されている。引出部分３０４は、電池要素１００の上面に沿って折り曲げられている。ただし、引出部分３０４は、折り曲げられていなくてもよい。また、引出部分３０４の折り曲げの形状は、実施形態に係る形状に限定されない。

図３に示すように、外装フィルム３００は、前方部３１０、後方部３２０及び中央部３３０を有している。前方部３１０は、正極集電体１０２ａの集約部のＸ方向の周りの周囲に位置している。後方部３２０は、負極集電体１０４ａの集約部のＸ方向の周りの周囲に位置している。中央部３３０は、Ｘ方向において前方部３１０及び後方部３２０の間に位置している。中央部３３０は、電池要素１００のＸ方向の周りの周囲に位置している。

外装フィルム３００においては、中央部３３０にしわが存在せずに、前方部３１０及び後方部３２０の少なくとも一方にしわが存在している。外装フィルム３００の形状に歪みによって外装フィルム３００にしわが形成されることがある。仮に、中央部３３０にしわが存在すると、電池要素１００にしわが転写されることがある。これによって、電池セル１０の特性がしわの影響を受けることがある。例えば、しわが存在する部分において、正極及び負極の間の間隔に不均一が生じてイオン抵抗がばらつくことがある。他の例として、正極及び負極の間の間隔の不均一によって正極及び負極の間における抵抗が比較的小さい部分では他の部分と比べて劣化が促進されることがある。外装フィルム３００のしわそのものを除去することは比較的難しいことがある。実施形態では、中央部３３０にしわが形成されても、前方部３１０及び後方部３２０の少なくとも一方にしわを移動させている。前方部３１０又は後方部３２０に存在するしわは、電池セル１０の特性に影響を及ぼしにくい。このため、実施形態では、電池セル１０の特性を安定化させることができる。さらに、実施形態では、しわによって前方部３１０又は後方部３２０の内面側に形成されるスペースを、電解液を収容するスペースや、ガスを収容するスペースとして利用することができる。

外装フィルム３００のしわは、例えば、Ｘ方向から見たときの電池要素１００の大きさと前方蓋材２１０又は後方蓋材２２０の大きさとの差に起因して生じることがある。

一例において、Ｘ方向から見て、前方蓋材２１０の大きさは、電池要素１００の大きさより大きくてもよい。例えば、前方蓋材２１０のＹ方向の長さは、電池要素１００のＹ方向の厚さより長くてもよい。例えば、Ｙ方向に複数の電池セル１０を積層させて電池モジュールを形成することがある。この例においては、Ｙ方向に隣り合う電池セル１０の中央部３３０の間にコンプレッションパッドが配置されることがある。この電池モジュールにおいては、前方蓋材２１０のＹ方向の長さを、コンプレッションパッドのＹ方向の厚さに相当する分、電池要素１００のＹ方向の厚さより長くしてもよい。これによって、複数の電池セル１０をＹ方向に安定して積層することができる。上述した例と同様にして、Ｘ方向から見て、後方蓋材２２０の大きさは、電池要素１００の大きさより大きくしてもよい。

他の例において、Ｘ方向から見て、前方蓋材２１０の大きさは、電池要素１００の大きさより小さくしてもよい。例えば、前方蓋材２１０のＹ方向の長さは、電池要素１００のＹ方向の厚さより短くてもよい。例えば、Ｙ方向に複数の電池セル１０を積層させて電池モジュールを形成することがある。この例においては、前方蓋材２１０のＹ方向の長さが電池要素１００のＹ方向の厚さより短い場合、Ｙ方向に隣り合う前方蓋材２１０の接触及び干渉を抑制することができる。また、電池要素１００のＹ方向の厚みの公差によって電池要素１００のＹ方向の実際の厚さが電池要素１００のＹ方向の設計上の厚さより薄くなることがある。この場合においても、前方蓋材２１０のＹ方向の長さが電池要素１００のＹ方向の厚さより短いとき、複数の電池セル１０をＹ方向に安定に積層して電池モジュールを形成することができる。

図５は、実施形態に係る電池セル１０の製造方法の第１例を説明するための図である。この第１例において、電池セル１０は、以下のようにして製造されている。

まず、電池要素１００を製造する。電池要素１００は、少なくとも１つの正極、少なくとも１つの負極及び少なくとも１つのセパレータを有している。

次いで、正極タブ１１０と、前方蓋材２１０と、を互いに接合させる。同様にして、負極タブ１２０と、後方蓋材２２０と、を互いに接合させる。次いで、正極タブ１１０と、正極集電体１０２ａと、を互いに接合させる。同様にして、負極タブ１２０と、負極集電体１０４ａと、を互いに接合させる。ただし、正極タブ１１０と正極集電体１０２ａとを互いに接合させた後、正極タブ１１０と前方蓋材２１０とを互いに接合させてもよい。同様にして、負極タブ１２０と負極集電体１０４ａとを互いに接合させた後、負極タブ１２０と後方蓋材２２０とを互いに接合させてもよい。

次いで、電池要素１００、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０のＸ方向の周囲に外装フィルム３００を巻き付ける。これによって、電池要素１００、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０のＸ方向の周囲に巻付部分３０２が形成される。また、外装フィルム３００の余長を引出部分３０４として巻付部分３０２から引き出す。

次いで、前方蓋材２１０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の前方の開口のＸ方向の周りの内周面と、を熱融着によって互いに接合する。これによって、前方封止部５１０が形成される。次いで、後方蓋材２２０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の後方の開口のＸ方向の周りの内周面と、を熱融着によって互いに接合する。これによって、後方封止部５２０が形成される。

次いで、図５に示すように、注液開口３０４ｃを介して電解液を収容空間５００の内部に注入する。注液開口３０４ｃは、第１引出部分３０４ａ及び第２引出部分３０４ｂの間の隙間によって形成されている。

次いで、収容空間５００を真空封止する。具体的には、注液開口３０４ｃを介して収容空間５００を真空引きした後、第１引出部分３０４ａ及び第２引出部分３０４ｂを熱融着によって互いに接合して側方封止部５３０を形成する。収容空間５００の真空引きによって外装フィルム３００にしわが形成されることがある。中央部３３０にしわが存在する場合、前方部３１０及び後方部３２０の少なくとも一方にしわを移動させる。

次いで、引出部分３０４を電池要素１００の上面に沿って折り曲げる。

このようにして、電池セル１０が製造される。

図６は、実施形態に係る電池セル１０の製造方法の第２例を説明するための図である。この第２例は、以下の点を除いて、上述した第１例と同様である。

まず、第１例と同様にして、電池要素１００を製造する。次いで、第１例と同様にして、正極タブ１１０と、前方蓋材２１０と、を互いに接合させる。また、負極タブ１２０と、後方蓋材２２０と、を互いに接合させる。次いで、第１例と同様にして、正極タブ１１０と、正極集電体１０２ａと、を互いに接合させる。また、負極タブ１２０と、負極集電体１０４ａと、を互いに接合させる。

次いで、電池要素１００、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０のＸ方向の周りに外装フィルム３００を巻き付けて、巻付部分３０２及び引出部分３０４を形成する。次いで、前方蓋材２１０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の前方の開口のＸ方向の周りの内周面と、を熱融着によって互いに接合する。これによって、前方封止部５１０が形成される。次いで、後方蓋材２２０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の後方の開口のＸ方向の周りの内周面と、を熱融着によって互いに接合する。これによって、後方封止部５２０が形成される。次いで、第１引出部分３０４ａと、第２引出部分３０４ｂと、を熱融着によって互いに接合する。これによって、側方封止部５３０が形成される。

次いで、図６に示すように、前方蓋材２１０に設けられた注液孔２１０ａを介して電解液を収容空間５００の内部に注入する。次いで、収容空間５００を真空封止する。具体的には、注液孔２１０ａを介して収容空間５００を真空引きした後、注液孔２１０ａを所定の蓋部材によって塞ぐ。収容空間５００の真空引きによって外装フィルム３００にしわが形成されることがある。中央部３３０にしわが存在する場合、前方部３１０及び後方部３２０の少なくとも一方にしわを移動させる。なお、注液孔は、後方蓋材２２０に設けられていてもよい。

次いで、第１例と同様にして、引出部分３０４を電池要素１００の上面に沿って折り曲げる。

このようにして、電池セル１０が製造される。

図７は、変形例に係る電池セル１０Ａの前方斜視図である。変形例に係る電池セル１０Ａは、以下の点を除いて、実施形態に係る電池セル１０と同様である。

変形例において、正極タブ１１０Ａは、前方蓋材２１０のＹ方向の略中央から引き出されている。負極タブ１２０Ａは、後方蓋材のＹ方向の略中央から引き出されている。変形例においても、電池要素と正極タブ１１０Ａとの間には、複数の正極集電体の集約部が存在している。同様にして、電池要素と負極タブ１２０Ａとの間には、複数の負極集電体の集約部が存在している。変形例においても、外装フィルム３００のこれらの集約部の周囲に外装フィルム３００のしわが存在している。したがって、変形例においても、実施形態と同様にして、電池セル１０Ａの特性を安定化させることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態及び変形例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

例えば、実施形態では、正極タブ１１０及び負極タブ１２０が電池要素１００のＸ方向の互いに反対側に配置されている。しかしながら、正極タブ１１０及び負極タブ１２０の双方が電池要素１００のＸ方向の前側及び後側の一方のみに配置されていてもよい。この場合、電池要素１００の前端部及び後端部は、例えば、２つの蓋材によって覆われている。或いは、電池要素１００の正極タブ１１０及び負極タブ１２０が引き出された側のみが蓋材によって覆われていてもよい。この例において、電池要素１００の蓋材の反対側において、外装フィルム３００が封止されて電池要素１００に沿って折りたたまれていてもよい。

１０，１０Ａ 電池セル
１００ 電池要素
１０２ 正極
１０２ａ 正極集電体
１０４ 負極
１０４ａ 負極集電体
１１０，１１０Ａ 正極タブ
１２０，１２０Ａ 負極タブ
２１０ 前方蓋材
２１０ａ 注液孔
２２０ 後方蓋材
３００ 外装フィルム
３０２ 巻付部分
３０４ 引出部分
３０４ａ 第１引出部分
３０４ｂ 第２引出部分
３０４ｃ 注液開口
３１０ 前方部
３２０ 後方部
３３０ 中央部
５００ 収容空間
５１０ 前方封止部
５２０ 後方封止部
５３０ 側方封止部

Claims (3)

1. 第１方向に対して平行な長手方向を有する電池要素と、
   前記電池要素から引き出された集電体の集約部を介して前記電池要素に電気的に接続されたタブと、
   前記電池要素の前記第１方向側の一端部を覆い、前記タブが引き出される蓋材と、
   少なくとも一部分が前記電池要素の前記第１方向の周りに巻き付けられた外装フィルムと、
   を備え、
   前記外装フィルムの前記集電体の前記集約部の前記第１方向の周りの周囲に前記外装フィルムのしわが存在し、
   前記外装フィルムの前記電池要素の前記第１方向の周りの周囲に前記しわが存在せず、
   前記タブと、前記外装フィルムの前記集電体の前記集約部の前記第１方向の周りの周囲に位置する部分と、が互いに接続されていない、電池セル。
2. 前記第１方向から見て、前記蓋材の大きさが前記電池要素の大きさより大きい、請求項１に記載の電池セル。
3. 前記第１方向から見て、前記蓋材の大きさが前記電池要素の大きさより小さい、請求項１に記載の電池セル。