(57)【要約】【課題】板状捲芯を用いても容器の膨れを防止できる扁平状二次電池を提供する。【解決手段】リチウムイオン二次電池１０は、板状捲芯１に正極および負極をセパレータを介して捲回した扁平状電極群２と、電極群２の両端面と対向するようにそれぞれ配置された正極集電板３および負極集電板と、電極群２および正極集電板３、負極集電板を収容する扁平形容器９とを備えている。捲芯１の両端部は電極群２の両端面からそれぞれ突出しており、正極集電板３、負極集電板と捲芯１の両端部の端面とが少なくとも３箇所以上の箇所で嵌合して固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状捲芯に正極および負極をセパレータを介して捲回した扁平状電極群と、
前記電極群の両端面と対向するようにそれぞれ配置された板状集電部材と、
前記電極群および集電部材を収容する扁平形容器と、
を備え、
前記捲芯の両端部は前記電極群の両端面からそれぞれ突出しており、前記集電部材と前記捲芯の両端部の端面とが少なくとも３箇所以上の箇所で固定されたことを特徴とする扁平形二次電池。
【請求項２】
前記少なくとも３箇所以上の各箇所において、前記集電部材側および前記捲芯の各端部の端面側のいずれか一方に突起が形成され、いずれか他方に凹部が形成されており、前記突起および凹部が互いに嵌合したことを特徴とする請求項１に記載の扁平形二次電池。
【請求項３】
前記３箇所のうち、１箇所は前記捲芯の各端部の端面の中央を含む位置に位置付けられ、他の２箇所は前記捲芯の各端部の端面の一側および他側の位置に位置付けられたことを特徴とする請求項２に記載の扁平形二次電池。
【請求項４】
前記１箇所において、前記捲芯の各端部の端面側に突起、前記集電部材側に凹部ないし貫通穴が形成されたことを特徴とする請求項３に記載の扁平形二次電池。
【請求項５】
前記他の２箇所において、前記捲芯の各端部の端面の一側および他側、並びに、前記集電部材側のいずれか一方に突起が形成され、いずれか他方に凹部が形成されたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の扁平形二次電池。
【請求項６】
前記突起は前記集電部材側に形成されており、前記他の２箇所のうちの１箇所において、前記集電部材側に形成された突起は外部端子と一体に構成され、前記集電部材を貫通していることを特徴とする請求項５に記載の扁平形二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は扁平形二次電池に係り、特に、電極群と正負極の集電部材と容器とを備えた扁平形二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、電気自動車電源用などの大電流充放電用途の二次電池には、いわゆる円柱密閉状の単電池を多数個（例えば、４０〜１００個）直列に接続した電池モジュールが用いられ、単電池に内蔵された電極群は、耐振性を向上させるために、空芯ではなく、例えば、樹脂製の捲芯に正負極の電極をセパレータを介して捲回して構成されている。
【０００３】
このような二次電池において、大電流充放電に耐えるために、集電構造には特段の工夫が要求され、例えば、電極の長手方向に沿う端部に多数のタブを形成し、これらのタブを集電部材に超音波溶接などで接合した円柱形二次電池が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。しかし、円柱形二次電池は複数個並べたときに空間占有率が低く、体積効率に劣るため、扁平形容器を用いた、いわゆる扁平形二次電池が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
扁平形二次電池は、一般に、捲芯（図３の符号１参照）に正極および負極をセパレータを介して捲回して扁平状の電極群（図３の符号２参照）を構成し、これを扁平形の金属製容器に収容して製造される。扁平形二次電池は、同体積の円柱形二次電池に比べて表面積が大きくなるため、放熱性能にも優れる、という副次的効果も得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３１２５１０号公報
【特許文献２】特開平１１−３１２５３７号公報
【特許文献３】特開２００７−１７２９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、扁平形二次電池では、正極および負極にそれぞれ活物質が塗布されているが、これらの活物質は充放電時にその体積が膨張収縮する性質がある。例えば充電時に活物質が膨張する場合、電池を充電するにつれて電極群も膨張しようとするが、電極群は外周を粘着テープで固定され、金属容器に収容されているので、容易には膨張することができない。そのため、板状の捲芯が座屈して湾曲し（図４参照）、この結果、容器の膨れが発生しやすい（図４に示す電極群２の厚さｔ’＞図３に示す電極群２の厚さｔ）。
【０００７】
電池が１個で用いられる用途では、必ずしもこれが大きな障害とはならない場合もあるが、充放電性能が膨れに伴って低下する上に、容器が変形したり、電池が機器の電池室から取り出せなくなるなど、一般的には使用上の不都合を生じる。また、電池を複数個組み合わせて（例えば、積層して）用いる電気自動車などの用途では、容器の膨れによって隣接した電池同士が接触し、電池間に設けられた冷却風のための通路を塞いで冷却が不十分となり、寿命が損なわれるという問題がある。
【０００８】
一方、捲芯が十分厚い設計であれば、上述した座屈に至る可能性はないが、近年電池には、ますます高性能（高体積容量密度）が要求されるようになり、活物質をより多く収容できるようにするために、捲芯を極力薄くせざるを得ず、この課題への対応が重要となってきている。
【０００９】
本発明は上記事案に鑑み、板状捲芯を用いても容器の膨れを防止することができる扁平状二次電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、扁平形二次電池であって、板状捲芯に正極および負極をセパレータを介して捲回した扁平状電極群と、前記電極群の両端面と対向するようにそれぞれ配置された板状集電部材と、前記電極群および集電部材を収容する扁平形容器と、を備え、前記捲芯の両端部は前記電極群の両端面からそれぞれ突出しており、前記集電部材と前記捲芯の両端部の端面とが少なくとも３箇所以上の箇所で固定されたことを特徴とする。
【００１１】
本発明において、少なくとも３箇所以上の各箇所において、集電部材側および捲芯の各端部の端面側のいずれか一方に突起が形成され、いずれか他方に凹部が形成されており、突起および凹部が互いに嵌合していることが好ましい。この３箇所のうち、１箇所は捲芯の各端部の端面の中央を含む位置に位置付けられ、他の２箇所は捲芯の各端部の端面の一側および他側の位置に位置付けられるようにしてもよい。この１箇所において、捲芯の各端部の端面側に突起、集電部材側に凹部ないし貫通穴が形成されていてもよく、また、他の２箇所において、捲芯の各端部の端面の一側および他側、並びに、集電部材側のいずれか一方に突起が形成され、いずれか他方に凹部が形成されていてもよい。この場合、突起は集電部材側に形成されており、他の２箇所のうちの１箇所において、集電部材側に形成された突起は外部端子と一体に構成され、集電部材を貫通していることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、捲芯の両端部は電極群の両端面からそれぞれ突出しており、集電部材と捲芯の両端部の端面とが少なくとも３箇所以上の箇所で固定されているので、活物質の膨張収縮があっても、捲芯が集電部材で支持されて座屈が防止され、容器の膨れをなくすことができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン二次電池の側断面図である。
【図２】集電板が固定された状態の電極群の平面図である。
【図３】捲芯に正極および負極をセパレータを介して捲回した直後の電極群の捲回中心線と交差する方向の断面図である。
【図４】捲芯が座屈した電極群の捲回中心線と交差する方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係る扁平形二次電池を、ハイブリッド自動車電源用の扁平形リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。
【００１５】
１．正極の作製
正極活物質としてリチウム遷移金属酸化物（例えば、層状構造を有するマンガン酸リチウムＬｉＭｎＯ２）粉末と、導電材として炭素粉末と、結着剤してポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、有機溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＭＮＰ）に分散混合してスラリを作製する。このスラリを正極集電体となる厚みが２０μｍのアルミニウム合金箔の両面に所定幅（例えば、８６ｍｍ幅）で塗布し、乾燥後、プレスして一体化する。その後、正極集電体の長手方向に沿う一側に形成されたスラリ未塗布部（無地部）を切り欠くことにより、例えば、長さ２５ｍｍ、幅５ｍｍの集電用タブを３０ｍｍ間隔で設けたフープ状の正極を作製する。
【００１６】
２．負極の作製
負極活物質としてリチウムイオンを放出／吸蔵可能な炭素材（例えば、非晶質炭素）と、結着剤としてＰＶＤＦとを、有機溶媒のＭＮＰに投入混合してスラリを作製する。このスラリを負極集電体となる厚みが１０μｍの銅箔の両面に所定幅（例えば、８８ｍｍ幅）で塗布し、乾燥後、プレスして一体化する。その後、負極集電体の長手方向に沿う一側に形成されたスラリ未塗布部（無地部）を切り欠くことにより、長さ２５ｍｍ、幅５ｍｍの集電用タブを３０ｍｍ間隔で設けたフープ状の負極を作製する。
【００１７】
３．電池の作製
図１および図２に示すように、正極と負極とを、厚さが２５μｍのポリエチレン多孔膜からなる２枚のセパレータと重ね合わせて、厚さ２ｍｍのＰＰ製の板状捲芯１に捲回して電極群２を作製する。電極群２は、一般の量産態様においては、捲芯１を回転可能に装着するための装着部と、モータを有し装着部を回転駆動する駆動部と、フープ状の正極、負極およびロール状のセパレータを供給する供給部と、供給部からそれぞれ供給される正極、負極およびセパレータを所定の長さで切断するカッタとを備えた捲回装置を用いて作製される。このとき、正極の集電用タブおよび負極の集電用タブは、互いに反対側に電極群２の上下端面から突き出すように捲回される。また、捲芯１の両端部は電極群２の上下端面からそれぞれ突出している。なお、電極群２は巻き解けを防止するために、捲回終端に位置するセパレータの端部が粘着テープで固定される。
【００１８】
電極群２から突き出た正極の集電用タブの先端部と、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金からなり一端に正極端子７が一体に構成された板状の正極集電板３とを超音波溶接装置によって接合する。同様に、電極群２から突き出た負極の集電用タブの先端部と、厚さ１ｍｍの銅板からなり一端に負極端子が一体に構成された負極集電板とを超音波溶接装置によって接合する。
【００１９】
正極集電板３と負極集電板の、捲芯１の両端部の端面の一側端部および他側端部に接する部位（箇所）には、切り曲げ加工によって捲芯１の方向に突起４、５が形成されている。一方、捲芯１の上下端部の端面の突起４、５の位置に対応する位置、すなわち、上下端部の端面の一側および他側の位置には、突起４、５と略同寸法の孔が形成されている。また、捲芯１の両端部の端面の中央部には、幅１０ｍｍ、高さ１ｍｍの突起６が突設されている。一方、正極集電板３と負極集電板の、捲芯１の突起６が突設された位置に対応する位置には、突起６と略同寸法の穴が形成されている。
【００２０】
このため、正負極の集電用タブの超音波溶接後に、正極集電板３および負極集電板と捲芯１とをそれぞれ３箇所で嵌合させ、正極集電板３および負極集電板を電極群２に固定することができる。従って、このように固定された正極集電板３および負極集電板は、電極群２の両端面と対向するように配設（配置）されることになる。なお、図２に示すように、これら３箇所の嵌合箇所は、捲芯１の端部の端面に沿うように電極群２の幅方向と交差する方向（図２の左右方向）の直線位置、かつ、正極集電板３および負極集電板の長手方向の中央部に位置付けられている。
【００２１】
正極集電板３および負極集電板が固定された電極群２を、アルミニウム合金製の扁平形容器９に収容し、同じくアルミニウム合金製の蓋を容器９に溶接する。このとき、正極端子７および負極端子が電池容器９および蓋から突出する基部にパッキン８および必要に応じてシール材を介在させることで、端子部での密閉性が確保される。次いで、蓋に形成された図示しない注液口から非水電解液を所定量注液後、図示しない注液口を封止してリチウムイオン二次電池１０が作製される。なお、非水電解液には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）との体積比２：３の混合溶媒中にリチウム塩として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットル溶解したものを用いることができる。
【００２２】
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池１０の効果等について説明する。
【００２３】
本実施形態のリチウムイオン二次電池１０は、厚さ２ｍｍのＰＰ製の板状捲芯１を捲回中心として電極群２が作製される。このため、捲芯の厚さの大きい電極群に比べ、正負極を捲芯１に多くのターン数で捲回することができるので、電池の体積容量密度を高めることができる。また、扁平形容器９を用いたため、電池の全体形状が扁平形となるので、放熱性能の点でも好適な電池を構成することができる。
【００２４】
また、本実施形態のリチウムイオン二次電池１０では、捲芯１の上下端部は電極群２の両端面からそれぞれ突出しており、正極集電板３および負極集電板と捲芯１の両端部の端面とが３箇所で固定されている。このため、正負極活物質の膨張収縮があっても、捲芯１が正極集電板３および負極集電板で支持されて座屈が防止され、容器９の膨れをなくすことができる。従って、リチウムイオン二次電池１０によれば、寸法精度が確保されることはもとより、電池モジュールを構成する単電池として使用しても、単電池間に冷却風を流通可能な隙間を確保可能なため、温度上昇による活物質の劣化が防止され、電池寿命をほぼ設計寿命とすることができる。
【００２５】
また、本実施形態のリチウムイオン二次電池１０では、正極集電板３および負極集電板と捲芯１の両端部の端面との固定をそれぞれの部材を嵌合させることにより行っている。このため、組立性を向上させることができ、その結果、コストの低減を図ることができる。
【００２６】
さらに、本実施形態のリチウムイオン二次電池１０では、上述した３箇所の嵌合箇所を、図２に示したように、正極集電板３（負極集電板）の長手方向の一直線上に両端を含め連続的に位置付けたため、座屈開始の動機となる電極群２の微小な形状変形も予防することができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、正極集電板３および負極集電板と捲芯１の両端部の端面とを３箇所で固定した例を示したが、本発明はこれに限らず、３箇所以上の箇所で固定するようにしてもよい。また、本実施形態では、特定の嵌合形態を例示したが、正極集電板３および負極集電板、並びに、捲芯１の上下端部の端面のいずれか一方に突起を形成し、いずれか他方に凹部を形成することで互いに嵌合させるようにしてもよい。このとき、正極集電板３および負極集電板の電極群２への固定を確保するために、正極集電板３および負極集電板、並びに、捲芯１の上下端部の端面には、少なくとも一つの突起および凹部を有することが好ましい。
【００２８】
また、本実施形態では、正極集電板３と負極集電板の一側端部および他側端部に切り曲げ加工により捲芯１の方向に突起４、５を形成した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、突起４、５のいずれか一方は、正極端子７および負極端子（の下部）に一体に構成された突起で代用するようにしてもよい。この場合、正極集電板３および負極集電板の一側端部および他側端部のいずれか一方に切り曲げ加工は行わず、正極端子７および負極端子（の下部）に一体に構成された突起が貫通可能な穴を形成すればよい。このような態様では、電極群２の上述した微小変形をパッキン８を介して容器９でも抑えることができる。
【００２９】
さらに、本実施形態では、リチウムイオン二次電池を例示したが、本発明はこれに制限されず、種々の電池に適用可能である。また、本実施形態では、活物質等の物質、各部材の材質や寸法を例示したが、本発明はこれに制約されないことは論を待たない
【実施例】
【００３０】
次に、上記実施形態に従って作製した実施例の扁平形二次電池について説明する。なお、比較のために作成した比較例の扁平形二次電池についても併記する。
【００３１】
（実施例）
実施例では、容器９の寸法（正極端子７および負極端子の突出部を除く。）が、幅９８ｍｍ、長さ１０５ｍｍ、厚さ２２ｍｍであり、１Ｃ放電時の容量が１２Ａｈの扁平形二次電池を作製した。
【００３２】
（比較例）
比較例では、両端部の端面の中央部に突起６のない捲芯を用いた以外は実施例と同一構造・同一サイズ・同一容量の扁平形電池を作製した。なお、正極集電体３と負極集電板には実施例と同様の切り曲げ加工による突起が形成されているので、正負極の集電用タブを超音波溶接した後に、捲芯と正極集電体３および負極集電板とを嵌合させることができ、特段の支障なく電池を組み立てることができた。
【００３３】
（試験）
このようにして作製した実施例および比較例の扁平形二次電池を、１Ｃでの充放電サイクルに投入し、５０サイクル毎に電池の中央部の厚みを測定した。下表１に測定結果を示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１に示すように、実施例の電池は充放電が進んでも、厚さがほぼ一定に保たれ、放電容量も初期の約８０％のレベルに維持されたのに対し、比較例の電池は１５０サイクルを過ぎた頃から厚みが次第に増して、４００サイクルで２３ｍｍを超え、放電容量も初期の２０％程度まで低下した。多数個の電池を組み合わせて構成される電池モジュールでは、電池間に２ｍｍ程度の隙間を設けて冷却風の通路とする必要があるが、比較例の電池では５００サイクルほどで隣接電池との隙間がほとんど無くなり、冷却が困難になる。このような状態になると電池の温度が上昇して、寿命がさらに損なわれることとなる。一方、実施例の電池は、８００サイクルにおいても厚みの増加はわずかなため、冷却風の流通を妨げることがない。従って、実施例の電池は、比較例の電池に比べ、寿命を大幅に向上させることが可能となり、実用上の価値は極めて大きいと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は板状捲芯を用いても容器の膨れを防止することができる扁平状二次電池を提供するもので設計寿命を全うでき、扁平状二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００３７】
１  捲芯
２  電極群
３  正極集電板（集電部材の一部）
４  突起
５  突起
６  突起
７  正極端子
９  容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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