(57)【要約】【課題】電極体への電解液の含浸性が低下することを抑制しつつ、電池ケースと電極体の間における電解液を介したイオン伝導を適切に抑制することが可能な二次電池を提供する。【解決手段】二次電池は、電極体、電池ケース、および絶縁フィルムを備える。電極体では、正極と負極とがセパレータを介して積層されている。電池ケースは有底箱形状であり、電極体と電解液を収容する。絶縁フィルムは、電極体と電池ケースの内壁の間に設けられ、電極体と電池ケースを絶縁する。絶縁フィルムは、隔離部４５と電解液通過部４６を備える。隔離部４５は、電池ケースの底部に溜まる余剰電解液の液面Ｌよりも高い位置Ｈから下方の範囲において、電極体側と内壁側との間の電解液の移動を禁止する。電解液通過部４６は、余剰電解液の液面Ｌよりも高い位置に形成され、電極体側と内壁側との間で電解液を通過させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極とがセパレータを介して積層された電極体と、
前記電極体と電解液を収容する有底箱形状の電池ケースと、
前記電極体と前記電池ケースの内壁との間に設けられ、前記電極体と前記電池ケースを絶縁する絶縁フィルムと、
を備え、
前記絶縁フィルムは、
シート状の基材が成形されることで形成され、前記電極体に浸透せずに前記電池ケースの底部に溜まる前記電解液である余剰電解液の液面よりも高い位置から下方の範囲における、前記電極体側と前記内壁側との間の前記電解液の移動を禁止する隔離部と、
前記余剰電解液の液面よりも高い位置に形成され、前記電極体側と前記内壁側との間で前記電解液を通過させる電解液通過部と、
を備えたことを特徴とする二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解液を備えた二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、軽量で高いエネルギー密度が得られることから、パソコンや携帯端末等のポータブル電源、あるいはＥＶ（電気自動車）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等の車両駆動用電源として広く用いられている。二次電池の一例として、電極体と電解液を電池ケースに収容した二次電池が知られている。電池ケースの材質として、導電性を有する材質（例えばアルミニウム等の金属）を使用する場合、電極体と電池ケースを絶縁するために、電極体を絶縁フィルムで包装した状態で電池ケースに収容させることが行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載されている二次電池では、上端の開口以外に貫通孔が存在しない袋状の絶縁フィルムによって、電極体が下端から上端まで全て覆われている。つまり、電極体の全体が、水密構造に形成された袋状の絶縁フィルムで覆われている。これにより、電極体が電解液を保持する性能の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−９１７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二次電池を製造する際には、絶縁フィルムで覆われた電極体を電池ケースに収容させた後に、電池ケースの上部から内部に電解液が注液される。ここで、電極体の全体が、水密構造に形成された袋状の絶縁フィルムで覆われていると、電解液の一部が絶縁フィルムと電池ケースの内壁との間に入り込むことで、電極体への電解液の含浸が不十分となり、電池性能が低下する可能性がある。
【０００６】
これに対し、電極体と電池ケースの内壁との間で電解液が絶縁フィルムによって隔離されない状態とすると、電解液は電極体に含浸され易くなる。しかし、電池ケースと電極体の負極が短絡し、電池ケースと負極との間で電解液を介したイオン伝導が生じると、電池ケースにおいて合金が生成されて破損が生じてしまう可能性がある。
【０００７】
本発明の典型的な目的は、電極体への電解液の含浸性が低下することを抑制しつつ、電池ケースと電極体との間における電解液を介したイオン伝導を適切に抑制することが可能な二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様の二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して積層された電極体と、前記電極体と電解液を収容する有底箱形状の電池ケースと、前記電極体と前記電池ケースの内壁との間に設けられ、前記電極体と前記電池ケースを絶縁する絶縁フィルムと、を備え、前記絶縁フィルムは、シート状の基材が成形されることで形成され、前記電極体に浸透せずに前記電池ケースの底部に溜まる前記電解液である余剰電解液の液面よりも高い位置から下方の範囲における、前記電極体側と前記内壁側との間の前記電解液の移動を禁止する隔離部と、前記余剰電解液の液面よりも高い位置に形成され、前記電極体側と前記内壁側との間で前記電解液を通過させる電解液通過部と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
上記構成の二次電池では、余剰電解液の液面よりも高い位置から下方の範囲において、電極体と電池ケースの内壁との間で電解液が隔離される。従って、余剰電解液を介した電池ケースと電極体との間のイオン伝導が抑制される。また、絶縁フィルムと電池ケースの内壁との間に入り込んだ電解液も、余剰電解液の液面よりも高い位置に形成された電解液通過部を通じて、電極体側に移動することができる。よって、電極体への電解液の含浸性の低下と、電池ケースと電極体との間における電解液を介したイオン伝導が、共に適切に抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態における二次電池１の内部構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図である。
【図３】本実施形態における絶縁フィルム４の斜視図である。
【図４】第１評価試験の結果を示すグラフである。
【図５】第２評価試験の結果を示すグラフである。
【図６】変形例における絶縁フィルム５の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
【００１２】
本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。以下、電解液を用いた二次電池の一種である扁平な直方体形状（いわゆる角形）のリチウムイオン二次電池の製造方法を例示して、本開示に係る二次電池について詳細に説明する。ただし、本開示に係る二次電池を、以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。また、以下の実施形態の二次電池は、リチウムイオン二次電池以外の二次電池を包含する。例えば、ナトリウムイオン二次電池等であり得る。
【００１３】
＜二次電池の構成＞
図１を参照して、本開示に係る二次電池１の構成について説明する。図１に例示する二次電池１はリチウムイオン二次電池であり、電極体２、電解液３、絶縁フィルム４、および電池ケース６を備える。
【００１４】
電池ケース６は、電極体２、電解液３、および絶縁フィルム４を、内部に密閉した状態で収容する。本実施形態の電池ケース６の形状は、扁平な角形である。ただし、電池ケースの形状は、角形以外の箱形状（例えば有底の円筒形の箱形状等）であってもよい。電池ケース６は、一端（図１における上端）に開口部を有する有底箱形状の本体６１と、該本体の開口部を塞ぐ板状の蓋体６２を備える。蓋体６２には、電解液３を電池ケース６の内部に供給するための供給口である注液口６３が設けられている。注液口６３は、電解液３の注液後に封止材によって封止される。また、蓋体６２には、外部接続用の正極端子２７および負極端子２８が設けられている。電池ケース６の材質としては、例えば、軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。一例として、本実施形態における電池ケース６の材質にはアルミニウムが用いられている。
【００１５】
電極体２は、二次電池１における発電要素となる。本実施形態における電極体２には、長尺状の正極２１、負極２２、およびセパレータ（図示せず）が重ね合わされて捲回された捲回電極体が用いられている。図１および図２に示すように、本実施形態の電極体２は、正極２１、負極２２、およびセパレータが捲回された後に成形されることで、図１および図２における上下方向両端部に湾曲部（Ｒ部）を有する略板状に形成されている。電極体２の正極２１には正極集電板２３が電気的に接続され、正極集電板２３には正極端子２７が電気的に接続されている。また、負極２２には負極集電板２４が電気的に接続され、負極集電板２４には負極端子２８が電気的に接続されている。
【００１６】
電解液３は、典型的には溶媒と支持塩を含む。溶媒としては、この種の二次電池に用いられる種々の非水溶媒、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等のカーボネート系非水溶媒にリチウム塩を含む非水電解液を好適に用いることができる。支持塩としては、二次電池の種類に応じて例えば、リチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩等を用いることができる。本実施形態では、支持塩としてリチウム塩（例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４等）が用いられている。
【００１７】
本実施形態の二次電池１は、使用時に、電池ケース６の蓋体６２が上側、本体６１の底部が下側に位置するように配置される。従って、以下の説明では、図１および図２における上側を二次電池１の上側、図１および図２における下側を二次電池１の下側として説明を行う。
【００１８】
絶縁フィルム４は、図１および図２に示すように、電極体２と電池ケース６との間に配置される。その結果、電極体２と電池ケース６の直接的な接触が回避され、電極体２と電池ケース６との間の絶縁が確保される。本実施形態の絶縁フィルム４は、シート状の基材が成形されることで、上端が開放された袋状に成形されている。絶縁フィルム６は、電極体２の底面の全てを覆うと共に、電極体２の側面（本実施形態では、前後左右の４つの側面）に沿って、略板状である電極体２の捲回体の上端まで延びる。従って、電極体２の底面および側面が、絶縁フィルム４によって十分に覆われるので、電極体２と電池ケース６の絶縁がより適切に確保される。絶縁フィルム４の詳細については後述する。
【００１９】
絶縁フィルム４の材質は、絶縁部材として機能し得る材料で構成されていればよい。典型的には、電極体２等の形状に応じて湾曲および屈曲し得る柔軟な材料が好ましい。例えば、種々の熱可塑性樹脂材料、典型的にはポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等のポリオレフィン系樹脂材料を、絶縁フィルム４の材質として採用することが可能である。
【００２０】
ここで、本実施形態の二次電池１の製造方法について説明する。まず、作業者は、正極２１、負極２２、およびセパレータを積層して電極体２を製造する。次いで、作業者は、袋状である絶縁フィルム４の上部の開口部に、電極体２を下端側から挿入する。その結果、電極体の底面および側面が、絶縁フィルム４によって覆われた状態となる。作業者は、絶縁フィルム４によって覆われた電極体２を、電池ケース６の本体６１の開口部に下端側から挿入する。絶縁フィルム４は、電池ケース２の内部において、電極体２と電池ケース６（本体６１）の内壁６５との間に介在した状態となる。次いで、本体６１の開口部に蓋体６２が被せられて、両者が溶接等によって固定される。作業者は、蓋体６２を上方に位置させた状態で、蓋体６２の注液口６３から電解液３を注液する。その後、注液口６３が封止される。注液口６３から注液された電解液３の大部分は、電池ケース６に収容された電極体２の内部（つまり、正極２１、負極２２、およびセパレータの間）に含浸される。電極体２に含浸されなかった一部の電解液３は、余剰電解液３３として電池ケース６の底部に溜まる。なお、図１では、電池ケース６の内部における最も底の位置をＢ、位置Ｂからの余剰電解液３３の液面の高さをＬで表している。
【００２１】
電解液３は、電極体２の内部に十分に含浸されることが望ましい。しかし、電池ケース６の上部から注液された電解液３の一部が、絶縁フィルム４と電池ケース６の内壁６５との間に入り込む場合がある。余剰電解液３３のうち、絶縁フィルム４によって電極体２から隔離された余剰電解液３３は、電池性能に寄与しない。従って、電極体２の底面および側面の全体が、水密構造に形成された袋状の絶縁フィルム（例えば、特許文献１に記載の絶縁フィルム等）で覆われていると、電極体２への電解液３の含浸が不十分となる可能性がある。例えば、絶縁フィルムの底部に貫通孔等を設け、余剰電解液３３が電極体２から隔離されていない状態とすると、電解液３は電極体２に含浸され易くなる。しかし、この場合には、電池ケース６と電極体２の負極２２が短絡し、電池ケース６と負極２２との間で電解液３を介したイオン伝導が生じる可能性がある。この場合、電池ケース６を形成しているアルミニウムがリチウムと反応してＬｉＡｌ合金が生成され、体積が膨張して、電池ケース６に亀裂等が発生することも考えられる。これらの問題の発生は、本実施形態の絶縁フィルム４を用いることで抑制される。
【００２２】
＜絶縁フィルムの構成＞
図３を参照して、本実施形態の絶縁フィルム４の構成について詳細に説明する。本実施形態の絶縁フィルム４は、シート状の基材が成形されることで略袋状に形成されており、底面４１、一対の幅広面４２Ａ，４２Ｂ、および一対の幅狭面４３Ｌ，４３Ｒを備える。底面４１は、電極体２の底面を覆う。一対の幅広面４２Ａ，４２Ｂは、底面４１の短手方向両端部の各々から上方へ延びている。一対の幅狭面４３Ｌ，４３Ｒは、底面４１の長手方向両端部の各々から上方へ延びている。底面４１、幅広面４２Ａ，４２Ｂ，および幅狭面４３Ｌ，４３Ｒの各々の接続部には、隙間は設けられていない。絶縁フィルム４の上部は開口部となっている。
【００２３】
絶縁フィルム４の下部には隔離部４５が設けられている。隔離部４５は、電池ケース６の底部に溜まる余剰電解液３３（図１参照）の液面の高さＬよりも高い位置Ｈから下方の範囲における、電極体２側と電池ケース６の内壁６５側との間の電解液３の移動を禁止する。つまり、隔離部４５は、電極体２側と電池ケース６の内壁６５側に余剰電解液３３を隔離する。さらに換言すると、絶縁フィルム４のうち、高さＨよりも下方の部位（つまり、隔離部４５）の底面および側面は、水密構造に形成されている。従って、電極体２と電池ケース６が短絡しても、電極体２と電池ケース６との間の余剰電解液３３を介したイオン伝導が生じにくい。
【００２４】
絶縁フィルム４のうち、余剰電解液３３（図１参照）の液面の高さＬよりも高い位置（本実施形態では、高さＨの位置）には、電極体２側と電池ケース６の内壁６５側との間で電解液を通過させる電解液通過部４６が設けられている。従って、例えば、電池ケース６の内部に電解液３を注液する際に、絶縁フィルム４と電池ケース６の内壁６５との間に大量の電解液３が入り込んでしまった場合でも、電解液３は、電解液通過部４６を通過して電極体２側へ移動することができる。また、二次電池１を傾けることで、電解液通過部４６を通じて余剰電解液３３を電極体２側へ移動させることも可能である。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態の二次電池１の内部において、長手方向（図１における左右方向）の両端部には電極体２と電池ケース６の内壁６５との間に隙間が生じる。一方で、図２に示すように、厚み方向（図２における左右方向）の両端部では、電極体２と絶縁フィルム４と電池ケース６は密着した状態となり、隙間が生じない。本実施形態の絶縁フィルム４では、電極体２と電池ケース６との間に隙間が生じる長手方向両端部の幅狭面４３Ｌ，４３Ｒの各々に、電解液通過部４６が形成されている。従って、電解液３は、電解液通過部４６を通じて適切に移動する。
【００２６】
電極体２および内壁６５と密着する一対の幅広面４２Ａ，４２Ｂには、電解液通過部４６が設けられていない。従って、一対の幅広面４２Ａ，４２Ｂは、電極体２における厚み方向（図２における左右方向）の両側の面の全体を隙間無く覆う。よって、電極体２と電池ケース６の絶縁が適切に確保される。また、幅狭面４３Ｌ，４３Ｒにおいても、スリット状の電解液通過部４６以外の部位には貫通孔等は設けられていない。よって、長手方向両端部においても、電極体２と電池ケース６の絶縁が確保され易い。
【００２７】
なお、図３に例示する絶縁フィルム４では、水平方向に延びるスリット状の電解液通過部４６が、一対の幅狭面４３Ｌ，４３Ｒの各々に１つずつ設けられている。しかし、幅狭面４３Ｌ，４３Ｒに設けられる電解液通過部の数、電解液通過部の形状および大きさ等を変更することも可能である。例えば、幅狭面４３Ｌ，４３Ｒの各々に、２つ以上の電解液通過部が形成されていてもよい。電解液通過部４６の形状は、上下方向に延びるスリット状でもよいし、円形等でもよい。
【００２８】
＜第１評価試験＞
図４を参照して、上記実施形態の二次電池１の効果を確認するための第１評価試験の結果について説明する。第１評価試験では、上記実施形態の二次電池１（以下、「実施例の二次電池１」という）と、比較例の二次電池を用意した。実施例の二次電池１と比較例の二次電池では、絶縁フィルムの構成のみが異なり、その他の構成は同一である。比較例の二次電池における絶縁フィルムでは、長手方向の両端部に位置する一対の幅狭面の各々に、電解液３を通過させる隙間が、下端部から上端部に亘って設けられている。つまり、比較例の二次電池では、余剰電解液は、電極体２側と電池ケース６の内壁６５側で隔離されていない。
【００２９】
第１評価試験では、実施例の二次電池１と、比較例の二次電池の各々について、電極体２の負極２２と電池ケース６を銅線で短絡させて、電池ケース６における亀裂または孔の発生の観察、および、銅線を流れる短絡電流の経時変化の測定を行った。なお、２つの二次電池の保存温度は２５℃とし、保存中のＳＯＣは６０％とした。
【００３０】
比較例の二次電池では、９０日経過後までは亀裂および孔は発生しなかったものの、１２０日経過後に観察すると、余剰電解液３３が存在する電池ケース６の角部に亀裂が発生した。一方で、実施例の二次電池１には、１８０日が経過しても、亀裂および孔は発生しなかった。また、図４に示すように、比較例の二次電池では、短絡電流は徐々に小さくなったものの、１２０日経過後も一定の値を示した。一方で、実施例の二次電池１では、比較例の二次電池に比べて、短絡電流の値は大幅に小さい値となった。以上より、上記実施形態の二次電池１によると、電池ケース６と電極体２との間における電解液３を介したイオン伝導が適切に抑制されることが分かる。
【００３１】
＜第２評価試験＞
図５を参照して、第２評価試験の結果について説明する。第２評価試験では、上記実施形態の二次電池１（以下、「実施例の二次電池１」という）を２つと、比較例の二次電池を１つ用意した。比較例の二次電池は、第１評価試験における比較例の二次電池と同一である。第２評価試験では、３つの二次電池の各々について、電解液３の注液後におけるインピーダンスを測定した。ここで、２つ用意した実施例の二次電池１のうち、一方の二次電池１は傾けずに保存し、他方の二次電池１は傾けた。
【００３２】
図５に示すように、実施例の二次電池１のキャパシタンスは、傾け無、傾け有の両方において、５時間経過後に安定している。従って、実施例の二次電池１では、電極体２への電解液３の含浸性に悪影響が無いことが分かる。また、実施例の二次電池１を傾けることで、従来と同等な含浸性が得られることが分かる。
【００３３】
＜変形例＞
上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記実施形態で例示された技術を変更することも可能である。図６を参照して、絶縁フィルムの変形例について説明する。図６に示す絶縁フィルム５も、上記実施形態の絶縁フィルム４（図３参照）と同様に、底面５１、一対の幅広面５２Ａ，５２Ｂ、および一対の幅狭面５３Ｌ，５３Ｒを備える。また、絶縁フィルム５の下部には隔離部５５が設けられている。隔離部５５は、電池ケース６の底部に溜まる余剰電解液３３の液面の高さＬよりも高い位置Ｈから下方の範囲において、電極体２側と電池ケース６の内壁６５側との間の電解液３の移動を禁止する。また、幅狭面５３Ｌには、上下に延びるスリット状の電解液通過部５６Ｌが設けられている。同様に、幅狭面５３Ｒにも電解液通過部５６Ｒが設けられている。図６に示す電解液通過部５６Ｌ，５６Ｒは、高さＨの位置から絶縁フィルム５の上端まで延びる。
【００３４】
図６に例示する絶縁フィルム５は、１枚の矩形の基材を折るだけで容易に形成することができる。ここで、対象な一対の幅狭面５３Ｌ，５３Ｒのうち、幅狭面５３Ｌを形成する方法の一例について説明する。まず、作業者は、折れ線Ｐ１および折れ線Ｐ２に沿って基材を折ることで、基材を側面視略Ｕ字状に成形する。次いで、作業者は、折れ線Ｐ３と折れ線Ｐ４に沿って、基材の端部を内側に折る。その結果、幅狭面５３Ｌの一部を構成する面５３ＬＦが形成されると共に、幅狭面５３Ｌと隔離部５５の各々の一部を構成する面５３ＬＤが、側面を向く。次いで、作業者は、折れ線Ｐ５に沿って、基材の端部を内側に折る。その結果、幅狭面５３Ｌの一部を構成する面５３ＬＢが形成されると共に、面５３ＬＤが形成される。
【００３５】
なお、面５３ＬＤの内側の面と、面５３ＬＦ，５３ＬＢの外側の面は、溶着または接着剤等によって接着されていてもよい。この場合、絶縁フィルム５の形状が保持され易い。しかし、面５３ＬＤの内側の面と、面５３ＬＦ，５３ＬＢの外側の面が接着されていなくても、基材が適度な強度を有していれば、隔離部５５等の形状は適切に保持される。また、面５３ＬＦと面５３ＬＤは重なっていてもよい。この場合でも、面５３ＬＦと面５３ＬＤの隙間を電解液３が通過できれば、電解液３は電極体２に含浸され易くなる。
【符号の説明】
【００３６】
１    二次電池
２    電極体
３    電解液
４，５    絶縁フィルム
６    電池ケース
３３    余剰電解液
４５，５５    隔離部
４６，５６Ｌ，５６Ｒ    電解液通過部
６５    内壁
【図１】
2020057502.tif 000003
【図２】
2020057502.tif 000004
【図３】
2020057502.tif 000005
【図４】
2020057502.tif 000006
【図５】
2020057502.tif 000007
【図６】
2020057502.tif 000008