(57)【要約】【課題】外装体と積層電極体との間に間隙が発生することを抑制できる積層型電池を提供すること。【解決手段】複数の正極および複数の負極がセパレータを介して積層された積層電極体が外装体に収容された積層型電池において、前記外装体のうち前記積層電極体と向かい合う面に溝を設け、前記外装体と前記積層電極体とを接着剤によって接着し、前記接着剤を前記溝に入り込ませた。【選択図】図２
2020202055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の正極および複数の負極がセパレータを介して積層された積層電極体が外装体に収容されている積層型電池であって、
前記外装体のうち、前記積層電極体と向かい合う面には、溝が設けられており、
前記外装体と前記積層電極体とは、接着剤によって接着されており、
前記接着剤は、前記溝に入り込んでいる、ことを特徴とする積層型電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、正極および負極がセパレータを介して重ね合わせてなる単板セルを複数積層して構成される積層電極体を備えた積層型電池が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ラミネートフィルム等の外装体に積層電極体が収容されており、外装体と積層電極体とが接着剤等によって接着された積層型電池が開示されている。外装体と積層電極体とが固定されることにより、積層型電池に外部から衝撃が加わった場合であっても、積層電極体の位置ずれが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３５１６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の積層型電池を拘束せずに用いたり、複数の積層型電池を組電池として定寸拘束、すなわち積層方向において一定の幅で拘束して用いたりすると、外装体と積層電極体との間に間隙が生じる場合がある。これは、充放電に伴う積層電極体の膨張収縮による変形が繰り返し発生することにより、外装体がその変形に追随できず、積層電極体と外装体との接着が剥離する場合があるためである。外装体と積層電極体との間に間隙が生じると、これらの接触面積が低下し、積層電極体から発生する熱を外装体に伝熱することができず、その結果、積層型電池の冷却性能が低下する場合がある。
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、外装体と積層電極体との間に間隙が発生することを抑制できる積層型電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る積層型電池は、複数の正極および複数の負極がセパレータを介して積層された積層電極体が外装体に収容されている。前記外装体のうち、前記積層電極体と向かい合う面には、溝が設けられている。前記外装体と前記積層電極体とは、接着剤によって接着されている。前記接着剤は、前記溝に入り込んでいる。
【０００８】
本発明の一態様に係る積層型電池においては、溝が設けられた外装体と積層電極体とが接着剤により接着されている。外装体に溝を設けることにより、外装体と接着剤との接触面積が増加し、外装体と積層電極体との接着力が向上する。さらに、接着剤が外装体の溝に入り込むことにより、積層電極体が膨張収縮した場合でも、溝に入り込んだ接着剤が溝から抜けにくくなる。そのため、積層型電池に対して外部からの拘束がない場合であっても、外装体と積層電極体との間に間隙が発生することが抑制される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様に係る積層型電池によると、外装体と積層電極体との間に間隙が発生することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一態様に係る積層型電池の概略図である。
【図２】図１に示す積層型電池のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の一態様に係る積層型電池を用いた組電池の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一態様に係る積層型電池を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。
【００１２】
図１は、本発明の一態様に係る積層型電池の概略図を示している。図１に示すように、本発明の一態様に係る積層型電池１は、外装体１０の内部に、正極タブ３１および負極タブ３２に接続された図示しない積層電極体を収容している。なお、外装体１０の内部は、図示しない電解液が注入されている。
【００１３】
図２は、図１に示す積層型電池のＡ−Ａ線断面図を示している。図２に示すように、外装体１０は、積層電極体２０の上面を覆うシート状の第一面部材１１と、積層電極体２０の下面を覆うシート状の第二面部材１２とを備えている。第一面部材１１と第二面部材１２とは、両側端が接着しているとともに中央部に空間を形成し、この空間に積層電極体２０を収容している。第一面部材１１および第二面部材１２は、アルミニウム合金フィルム（ラミネートフィルム）である。
【００１４】
外装体１０を構成する第一面部材１１の内側は、積層電極体２０の最上面にあるセパレータ２３ａと向かい合うように配置されている。外装体１０を構成する第二面部材１２の内側は、積層電極体２０の最下面にあるセパレータ２３ｂと向かい合うように配置されている。セパレータ２３ａおよびセパレータ２３ｂについては後述する。
【００１５】
第一面部材１１は、セパレータ２３ａと向かい合う面において、複数の溝１１ａ、１１ａ、１１ａ・・・を備えている。同じく第二面部材１２は、セパレータ２３ｂと向かい合う面において、複数の溝１２ａ、１２ａ、１２ａ・・・を備えている。溝１１ａおよび溝１２ａは各々、第一面部材１１および第二面部材１２の厚み方向、すなわち図２における上下方向に１μｍ〜５μｍの長さで形成されている。溝１１ａおよび溝１２ａは各々、第一面部材１１および第二面部材１２の厚み方向に垂直な方向に１μｍ〜５μｍの間隔で形成されている。溝１１ａには、後述する接着剤４０が入り込んでおり、この接着剤４０が、第一面部材１１と、セパレータ２３ａとの間に介在し、これらを接着している。同様に、溝１２ａにおいても、接着剤４０が入り込んでおり、この接着剤４０が、第二面部材１２とセパレータ２３ｂとの間に介在し、これらを接着している。
【００１６】
溝１１ａおよび溝１２ａは、第一面部材１１および第二面部材１２のうち接着剤４０が存在する箇所にのみ設けられている。溝１１ａおよび溝１２ａは、セパレータ２３ａおよびセパレータ２３ｂの面積に対して、１／４〜３／４の割合で第一面部材１１および第二面部材１２に設けられていることが好ましい。溝１１ａおよび溝１２ａは、第一面部材１１および第二面部材１２のうち接着剤４０が存在しない箇所や、第一面部材１１および第二面部材１２の全面に設けられていてもよい。
【００１７】
溝１１ａおよび溝１２ａは、第一面部材１１および第二面部材１２の表面に対して電気化学的に表面処理を行うことにより形成されるが、機械的な研磨処理や物理的なレーザー処理等により形成されてもよい。
【００１８】
積層電極体２０は、シート状の正極２１、負極２２、およびセパレータ２３から構成され、正極２１および負極２２が、セパレータ２３を介して交互に積層配置されている。積層電極体１０の最上面および最下面には、各々セパレータ２３ａおよびセパレータ２３ｂが配置されている。
【００１９】
正極２１および負極２２は、セパレータ２３を介して互いに接着されている。正極２１および負極２２がセパレータ２３と一部しか接着されていない場合、積層電極体２０の膨張収縮時に積層電極体２０の座屈が起こる場合があるので、正極２１および負極２２の全面が、セパレータ２３と接着されていることが好ましい。
【００２０】
正極２１および負極２２は、後述するセパレータ２３に含まれる絶縁層内のバインダによって互いに接着されるが、正極２１および負極２２とセパレータ２３との間に別途接着層を設けて接着してもよい。
【００２１】
正極２１は、正極集電体およびリチウムイオンを吸蔵する正極活物質を含んでいる。正極２１は、導電材およびバインダを含んでいてもよい。負極２２は、負極集電体およびリチウムイオンを吸蔵する負極活物質を含んでいる。負極２２は、導電材およびバインダを含んでいてもよい。
【００２２】
セパレータ２３は、絶縁性の多孔質フィルムを含んでいる。多孔質フィルムの表面には、絶縁粒子およびバインダを含む絶縁層が配置されていることが好ましい。絶縁粒子の径は、第一面部材１１および第二面部材１２の溝１１ａおよび溝１２ａにおける溝の幅と同程度の１μｍ〜５μｍであることが好ましい。
【００２３】
正極タブ３１は、積層電極体２０の正極２１の各々に電気的に接続され、外装体１０の一端部に取り付けられている（図１参照）。負極タブ３２は、積層電極体２０の負極２２の各々に電気的に接続され、上記一端部とは反対側の端部に取り付けられている。なお、正極タブ３１および負極タブ３２が外装体２０の同じ一端部に並べて取り付けられていてもよい。
【００２４】
接着剤４０は、外装体１０の第一面部材１１と積層電極体２０のセパレータ２３ａとの間に存在し、第一面部材１１の溝１１ａに入り込んでいる。接着剤４０は、外装体１０の第二面部材１２と積層電極体２０のセパレータ２３ｂとの間に存在し、第二面部材１１の溝１２ａに入り込んでいる。接着剤４０の材質はアクリル系であるが、例えばエポキシ系やウレタン系、シリコン系等であってもよい。接着剤４０は、液状の材料であってもよいし、シート状の材料であってもよい。
【００２５】
第一面部材１１および第二面部材１２に溝１１ａおよび溝１２ａを設けたことにより、外装体１０と接着剤４０との接触面積が増加し、接着力が向上する。また、接着剤４０が溝１１ａおよび溝１２ａに入り込むことにより、接着剤４０が溝１１ａおよび溝１２ａから抜けにくくなり、接着力が向上する。
【００２６】
さらに、積層電極体２０のセパレータ２３ａおよびセパレータ２３ｂが絶縁粒子を含む。絶縁粒子の一部が溝１１ａおよび溝１２ａに入り込むことにより、接着剤４０に加えて絶縁粒子も溝１１ａおよび溝１２ａから抜けにくくなり、接着力がより向上する。
【００２７】
加えて、溝１１ａおよび溝１２ａの溝の幅と絶縁粒子の径とが同程度の大きさであることにより、絶縁粒子が溝１１ａおよび溝１２ａからさらに抜けにくくなり、接着力がより一層向上する。
【００２８】
＜実施例＞
［外装体の製造］
外装体１０をＥＣ／ＤＭＣ／ＥＭＣ＝３／４／３（体積比）に支持塩としてＬｉ（ＣＦ２ＳＯ２）２Ｎを含む溶媒に含浸させ、酸化処理（１０ｍＶ／ｓｅｃにて６Ｖまで掃引）を行うことにより、表面処理した外装体１０が作製された。
［積層電極体の製造］
以下に示す正極２１および負極２２をセパレータ２３を介して重ね合わせて積層電極体２０が作製された。
・正極２１：正極活物質（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）を含む正極
・負極２２：負極活物質（黒鉛）を含む負極
・セパレータ２３：ＰＥ／ＰＰ／ＰＥの三層多孔質フィルムの表面に絶縁粒子（１μｍ〜５μｍ径のアルミナ）およびバインダ（ポリアクリル酸ナトリウム）を含む絶縁層が形成されたセパレータ
［積層型電池の製造］
表面処理した外装体１０に接着剤４０（ポリアクリル酸ナトリウム）を塗布し、積層電極体２０および電解液３３（支持塩：ＬｉＰＦ６（濃度１Ｍ）、溶媒：ＥＣ／ＤＭＣ／ＥＭＣ＝３／４／３（体積比））を封入することにより、積層型電池１が作製された。
【００２９】
実施例の積層型電池１により、外装体１０と積層電極体２０との間に間隙が発生することを抑制できることを確認するために、以下の比較例１〜４の電池が作製された。
＜比較例１＞
外装体１０を表面処理していないこと以外は、実施例と同様である。
【００３０】
＜比較例２＞
外装体１０に接着剤４０を塗布していないこと以外は、実施例と同様である。
【００３１】
＜比較例３＞
積層電極体２０の代わりに捲回電極体を用いたこと以外は、実施例と同様である。
【００３２】
＜比較例４＞
外装体１０を表面処理していないこと、外装体１０に接着剤４０を塗布していないこと、および、積層電極体２０の代わりに捲回電極体を用いたこと以外は、実施例と同様である。
【００３３】
［評価］
＜充放電サイクル試験＞
６０℃に設定された恒温槽内において、作製した電池をＳＯＣが０〜１００％の範囲で２Ｃのレートにて５００サイクル充放電を繰り返した。なお「２Ｃ」の電流レートでは、電池の定格容量が３０分間で充放電される。
【００３４】
＜隙間評価＞
充放電サイクル試験後の電池をＣＴスキャンし、外装体１０と電極体２０との間の隙間が２ｍｍ以下の場合を「○」、２ｍｍよりも大きい場合を「×」とした。
【００３５】
＜座屈評価＞
充放電サイクル試験後の電池をＣＴスキャンし、電極の積層方向に対する歪み量が２ｍｍ以下の場合を「○」、２ｍｍよりも大きい場合を「×」とした。
【００３６】
＜容量維持率評価＞
充放電サイクル試験後の電池を１Ｃのレートでの３時間ＣＣＣＶ放電させた後の容量を、充放電サイクル試験前の容量で除した値を容量維持率とした。
【００３７】
＜温度ムラ評価＞
充放電サイクル試験後の電池内の温度を任意に１０箇所測定し、温度の最大値と最小値の差が２０℃以下の場合を「○」、２０℃よりも大きいの場合を「×」とした。
【００３８】
＜過充電後の連続昇温評価＞
２５℃に設定された恒温槽内において、充放電サイクル試験後の電池をＳＯＣ２０００％まで１Ｃのレートにて充電を行った。なお「１Ｃ」の電流レートでは、電池の定格容量が１時間で充電される。充電後に電池の連続昇温（１分間で３０℃以上）がない場合を「○」、ある場合を「×」とした。
【００３９】
［結果］
表１に試験の結果を示す。
【００４０】
【表１】
2020202055.tif 000003
【００４１】
実施例では、表面処理した外装体１０が接着剤４０により積層電極体２０に接着されていることにより、外装体１０と積層電極体２０との接着力が高まり、サイクル試験後においても隙間が発生しなかった。これにより、サイクル試験後の冷却性能が維持され、サイクル試験後における高い容量維持率や、温度ムラおよび過充電後の連続昇温の抑制につながったものと考えられる。
【００４２】
比較例１では、表面処理していない外装体１０を用いたことにより、外装体１０と積層電極体２０との接着力が十分でなく、隙間が発生したと考えられる。比較例２では、接着剤４０が用いられていないため、外装体１０と積層電極体２０との接着力が十分でなく、隙間が発生したと考えられる。比較例３、４では、捲回電極体が用いられており、隙間に加えて座屈も発生したことから、捲回電極体では本発明の効果が得られないことが分かった。
【００４３】
以上のように本発明の一態様に係る積層型電池について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むことが意図される。
【００４４】
例えば、本発明の一態様に係る積層型電池を単電池として用いる場合について説明したが、単電池を複数積層し、定置用や車載用等の組電池として用いてもよい。この場合、組電池を拘束せずに用いたり、定寸拘束により用いたりすることが可能となる。例えば、図３には、本発明の一態様に係る積層型電池を用いた組電池の上面図を示している。図３に示すように、正極タブ３１および負極タブ３２を固定プレート５０に固定した複数の積層型電池１、積層型電池１、積層型電池１・・・を、積層方向からエンドプレート６０により拘束（定寸拘束）した組電池として用いてもよい。
【００４５】
また、外装体２０としてラミネートフィルムを用いた例を取り上げて説明したが、外装体２０は特に限定されず、例えば金属缶等であってもよい。また、積層電極体の最上面および最下面がセパレータである例を取り上げて説明したが、積層電極体の最上面および最下面はセパレータでなくてもよく、例えば正極や負極であってもよいし、セパレータとは別の絶縁性のシート等であってもよい。
【００４６】
さらに、電解質として電解液３３を用いた例を取り上げて説明したが、電解液３３の代わりに固体電解質を用いた全固体電池等であってもよい。この場合、セパレータ２３が固体電解質となりうる。また、リチウムイオン電池である例を取り上げて説明したが、ナトリウムイオン電池やマグネシウムイオン電池等であってもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１…積層型電池
１０…外装体
１１…第一面部材、１１ａ…溝
１２…第二面部材、１２ａ…溝
２０…積層電極体
２１…正極
２２…負極
２３、２３ａ、２３ｂ…セパレータ
３１…正極タブ
３２…負極タブ
３３…電解液
４０…接着剤
５０…固定プレート
６０…エンドプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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