(57)【要約】【課題】捲回電極体の内部にガス溜まりが形成されることを抑制し、電極活物質層の剥離による電池性能の劣化を好適に防止することができる技術を提供する。【解決手段】ここで開示される密閉型電池１００は、捲回電極体２０と、当該捲回電極体２０を収容するケース１０と、一端が捲回電極体２０と接続される電極端子３０とを備えている。かかる密閉型電池１００の電極シートには集電体が露出している集電体露出部２４が形成されており、捲回電極体２０の両側縁部には集電体露出部２４が捲回された端子接続部２０Ｂが形成されている。そして、かかる密閉型電池１００では、重力方向Ｚにおける端子接続部２０Ｂの下半分の領域ｈ２に集電体露出部２４同士を接合させた集電体接合部２８が形成されていると共に、端子接続部２０Ｂの最外周面をなす集電体露出部２４に電極端子３０が接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極および負極の電極シートが捲回された捲回電極体と、当該捲回電極体を収容するケースと、一端が前記ケース内で捲回電極体と接続されると共に他端がケース外に露出する長尺な電極端子とを備えた密閉型電池であって、
前記電極シートは、箔状の集電体の表面に電極活物質層が付与されることによって形成され、当該電極シートの一方の側縁部には前記電極活物質層が付与されずに前記集電体が露出している集電体露出部が形成されており、
前記捲回電極体の捲回軸方向の中央部には前記正極および負極の電極活物質層が対向した捲回コア部が形成され、前記捲回軸方向の両側縁部には前記集電体露出部が捲回された端子接続部が形成されており、
ここで、電池使用時の重力方向における前記端子接続部の下半分の領域に、捲回された前記集電体露出部同士を接合させた集電体接合部が形成されていると共に、前記端子接続部の最外周面をなす前記集電体露出部に前記電極端子が接合されている、密閉型電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は密閉型電池に関する。詳しくは、捲回電極体がケース内に収容され、当該捲回電極体に電極端子が接続されている密閉型電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境車向け車載用二次電池への需要の高まりから、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池の開発が進められている。このような二次電池の典型的な構造の一つとして密閉型電池が挙げられる。かかる密閉型電池では、正極および負極の電極シートを備えた電極体がケース内に収容されており、当該密閉型電池のケースに他の電池や外部機器と接続される電極端子が設けられている。
【０００３】
かかる密閉型電池の具体的な構造について図７を参照しながら説明する。一般的な密閉型電池２００では、例えば、箔状の集電体の表面に電極活物質層が付与された電極シートが用いられており、当該電極シートを捲回させた捲回電極体２２０がケース２１０内に収容されている。捲回電極体２２０の捲回軸方向（紙面垂直方向）の中央部には正負極の電極活物質層が対向した捲回コア部（図示省略）が形成され、両側縁部には電極活物質層が付与されていない集電体（集電体露出部）が捲回された端子接続部２２０Ｂが形成されている。
そして、図７に示すように、かかる密閉型電池２００では、端子接続部２２０Ｂの側縁部が纏めて接合された集電体接合部２２８が形成されており、当該集電体接合部２２８の上面に電極端子２３０が接合されている。このような捲回電極体の側縁部における接合構造の一例が特許文献１や特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−８０４４号公報
【特許文献２】特開２００７−１８４２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した構造の密閉型電池では、過充電状態になった際に捲回電極体の内部にガスが発生してガス溜まりが形成されることがあった。このようなガス溜まりが形成された箇所では集電体から電極活物質層が剥離し易くなるため、導電パスの切断による電池抵抗の増加や電池容量の低下などの電池性能の劣化が生じる原因となっていた。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、捲回電極体の内部にガス溜まりが形成されることを抑制し、電極活物質層の剥離による電池性能の劣化を好適に防止することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の密閉型電池が提供される。
【０００８】
ここで開示される密閉型電池は、正極および負極の電極シートが捲回された捲回電極体と、当該捲回電極体を収容するケースと、一端がケース内で捲回電極体と接続されると共に他端がケース外に露出する長尺な電極端子とを備えている。
かかる密閉型電池の電極シートは、箔状の集電体の表面に電極活物質層が付与されることによって形成され、当該電極シートの一方の側縁部には電極活物質層が付与されずに集電体が露出している集電体露出部が形成されている。また、捲回電極体の捲回軸方向の中央部には正極および負極の電極活物質層が対向した捲回コア部が形成され、捲回軸方向の両側縁部には集電体露出部が捲回された端子接続部が形成されている。
そして、ここで開示される密閉型電池では、電池使用時の重力方向における端子接続部の下半分の領域に、捲回された集電体露出部同士を接合させた集電体接合部が形成されていると共に、端子接続部の最外周面をなす集電体露出部に電極端子が接合されている。
【０００９】
本発明者は、上記した課題を解決するために種々の検討を行った結果、図７に示すような従来の密閉型電池２００では、端子接続部２２０Ｂが纏めて接合されているため、捲回電極体２２０の両側縁部が封止されてガスを外部に排出することができず、捲回電極体２２０内部にガス溜まりが形成され易くなっていると考えた。
【００１０】
そこで、本発明者は、捲回電極体の内部からガスを適切に排出することができるように、端子接続部が接合されていない捲回電極体を用いることを考えた。しかし、このような接合部が形成されていない捲回電極体は、電池外部から衝撃や振動が加えられた際に形状を維持することができなくなるという問題や、適切な導電経路が確保できないという問題を有しているため、実際に使用することは困難であった。
そこで、本発明者は、ガスの排出を阻害しないような箇所のみに接合部を形成すれば、外部から衝撃などが加えられても好適に形状を維持することができ、かつ、内部で生じたガスを外部に適切に排出できると考え、種々の検討を重ねた。
【００１１】
そして、かかる検討において、本発明者は、捲回電極体内で生じたガスは重力方向の上方に浮上しやすいという性質に着目し、電池使用時の重力方向における端子接続部の下半分の領域に接合部（集電体接合部）を形成することに思い至った。かかる構造の場合、集電体接合部がガスの排出を阻害することがないため、捲回電極体の形状を維持するために集電体接合部を形成しているにも関わらず、捲回電極体の内部で生じたガスを外部に適切に排出することができる。
【００１２】
さらに、本発明者は、電極端子と端子接続部との接合部位についても検討し、当該電極端子と端子接続部との接合部位において、端子接続部の内部まで集電体露出部が接合されるとガスの排出が阻害されてしまう虞があると考え、電極端子を端子接続部の最外周面をなす集電体露出部に接合させることに思い至った。
【００１３】
ここで開示される密閉型電池は、上記した知見に基づいてなされたものであり、捲回電極体の端子接続部に、当該捲回電極体内で生じたガスを適切に排出できるガス排出経路が形成されているため、捲回電極体の内部にガス溜まりが形成されることを抑制して、電極活物質層の剥離による電池性能の劣化を好適に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における捲回電極体を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態における捲回電極体と電極端子とを模式的に示す平面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す断面図である。
【図５】試験例１および試験例２の容量維持率の測定結果を示すグラフである。
【図６】試験例１および試験例２の抵抗増加率の測定結果を示すグラフである。
【図７】従来の密閉型電池を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態に係る密閉型電池の一例としてリチウムイオン二次電池を説明する。なお、ここで開示される密閉型電池の構造は、リチウムイオン二次電池に限定されず、種々の二次電池（例えば、ニッケル水素電池）に適用することができる。
【００１６】
また、以下の図面において、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。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚みなど）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、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本発明の実施に必要な事柄（例えば、電解質の構成および製法など）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。
【００１７】
１．全体構成
先ず、本実施形態に係る密閉型電池の全体構成を説明する。図１は本実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す断面図であり、図２は本実施形態における捲回電極体を模式的に示す斜視図であり、図３は本実施形態における捲回電極体と電極端子を模式的に示す平面図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１００は、ケース１０の内部に捲回電極体２０が収容されることによって構成されており、ケース１０内部の捲回電極体２０に電極端子３０が接続されている。なお、本実施形態に係る密閉型電池１００は、ケース１０の扁平面１０ａが重力方向の上側および下側に配置される状態（いわゆる、横置きの状態）で使用される密閉型電池である。以下、かかる密閉型電池を構成する各部材について具体的に説明する。
【００１９】
（１）ケース
本実施形態に係るケース１０は、扁平な角型の容器であり、アルミニウムなどの軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成されている。なお、ケースには、図１に示される角形のケース１０の他に、捲回電極体２０を収容するラミネートフィルムなどを用いることもできる。
【００２０】
（２）捲回電極体
捲回電極体２０は、図２に示すように、セパレータ２９を介して長尺な正極および負極の電極シート２１が積層された積層体を捲回させることによって形成されている。
かかる捲回電極体２０を構成する各々の電極シート２１は、導電性の箔体（アルミニウム箔、銅箔等）である集電体２２の表面に電極活物質層２３が付与されることによって構成されている。また、電極シート２１の一方の側縁部には電極活物質層２３が付与されずに集電体２２が露出した集電体露出部２４が形成されている。なお、正極および負極の各々の電極シート２１に用いられる材料（正極および負極の活物質、バインダ、導電材等）は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられ得る材料を特に限定なく使用することができ、本発明を特徴付けるものでないため説明を省略する。
そして、本実施形態における捲回電極体２０では、捲回軸方向Ｘの中央部に正負極の電極活物質層２３が対向した捲回コア部２０Ａが形成されており、両側縁部に集電体露出部２４が捲回された端子接続部２０Ｂが形成されている。
【００２１】
なお、ケース１０内には、上記した捲回電極体２０以外に電解質（図示省略）が収容されているが、かかる電解質についても、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられ得る材料を特に限定なく使用することができ、本発明を特徴付けるものでないため説明を省略する。
【００２２】
（３）電極端子
図１および図３に示すように、電極端子３０は、長尺な平板状の部材であり、アルミニウムなどの導電性材料によって構成されている、かかる電極端子３０の一方の端部は、ケース１０内で捲回電極体２０と接続されている。具体的には、図３に示すように、電極端子３０の一方の端部は、集電体露出部２４が捲回された端子接続部２０Ｂに超音波溶接などによって接合されている。また、図１に示すように、電極端子３０の他方の端部は、ケース１０を貫通して当該ケース１０の外部に露出しており、他の電池や外部機器と接続されるように構成されている。
【００２３】
２．端子接続部におけるガス排出経路
そして、本実施形態に係る密閉型電池１００では、図３に示す端子接続部２０Ｂに、捲回コア部２０Ａの内部で生じたガスを適切に排出できるようなガス排出経路が形成されている。以下、本実施形態における捲回電極体２０の端子接続部２０Ｂに形成されるガス排出経路について図１を参照しながら説明する。
【００２４】
先ず、本実施形態に係る密閉型電池１００では、集電体露出部２４同士を接合させた集電体接合部２８が端子接続部２０Ｂの一部のみに形成されている。このため、図７に示すような従来の密閉型電池２００と異なり、捲回コア部内で生じたガスを、集電体接合部２８が形成されていない箇所から外部に排出することができる。
そして、本実施形態では、上記した集電体接合部２８が、重力方向Ｚにおける端子接続部２０Ｂの下半分の領域ｈ２（より具体的には端子接続部２０Ｂの底面近傍）に形成されている。かかる領域に形成された集電体接合部２８は、重力方向の上方に浮上する傾向があるガスの排出を阻害する虞が少ないため、捲回電極体２０の形状を好適に維持するために集電体接合部２８を形成しているにも関わらず、捲回電極体２０の内部で生じたガスを外部に適切に排出することができる。
なお、上記した端子接続部２０Ｂの下半分の領域ｈ２とは、重力方向Ｚにおける捲回電極体２０の全高ｈ１の１／２よりも低い領域を指す。
【００２５】
さらに、本実施形態においては、端子接続部２０Ｂの最外周をなす集電体露出部２４に電極端子３０が接合されている。これによって、電極端子３０と端子接続部２０Ｂとの接合部位が端子接続部２０Ｂの内部まで形成されて、ガスの排出を阻害することを適切に防止することができる。
【００２６】
以上のように、本実施形態に係る密閉型電池１００では、捲回電極体２０の内部で生じたガスを適切に排出できるようなガス排出経路が端子接続部２０Ｂに形成されているため、捲回コア部２０Ａの内部にガス溜まりが形成されることを抑制できる。この結果、ガス溜まりが形成された箇所で電極活物質層２３が集電体２２から剥離して電池性能が劣化することを好適に防止することができる
【００２７】
３．他の態様
なお、ここで開示される密閉型電池は、上記した実施形態に限定されず、種々の構成を変更することができる。
例えば、上記した実施形態では、図１に示すように、横置きの状態で使用される密閉型電池１００を対象としているが、ここで開示される密閉型電池は、図４に示すような縦置きの状態で使用される密閉型電池１００Ａに適用することもできる。かかる縦置きの密閉型電池１００Ａの場合においても、電池使用時の重力方向Ｚにおける端子接続部２０Ｂの下半分の領域ｈ２（図４では湾曲部２７近傍）に集電体接合部２８を形成し、端子接続部２０Ｂの最外周面をなす集電体露出部２４に電極端子３０を接合することによって、捲回電極体２０内のガスを適切に排出してガス溜まりが形成されることを抑制できる。
【００２８】
［試験例］
以下、本発明に関係する試験を説明するが、以下の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
【００２９】
１．各試験例
（１）試験例１
試験例１では、正極シートとして、正極活物質（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）と、導電材（アセチレンブラック）と、バインダ（ポリフッ化ビニリデン）とが、質量比で９４：３：３の割合で混合された正極活物質層が、正極集電体（アルミニウム箔）の両面に形成された電極シートを作製した。一方、負極シートとして、負極活物質（黒鉛）と、増粘剤（カルボキシメチルセルロース）と、バインダ（スチレンブタジエンゴム）とが、質量比で９８：１：１の割合で混合された負極活物質層が、負極集電体（銅箔）の両面に形成された電極シートを作製した。次に、セパレータ（ポリエチレン製）を介して上記した正負極の電極シートを積層させて、当該積層体を捲回させることによって捲回電極体を作製した。
【００３０】
次に、図１に示すように、作製後の捲回電極体２０の端子接続部２０Ｂの最外周面をなす電極体露出部２４に電極端子３０を超音波溶接で接合すると共に、端子接続部２０Ｂの扁平面近傍における集電体露出部２４を溶接して集電体接合部２８を形成した。そして、当該集電体接合部２８が捲回電極体２０の全高ｈ１の下半分の領域ｈ２に配置されるように、捲回電極体２０をケース１０に収容した。そして、ケース１０内に電解質（非水電解液）を注液した後でケース１０を密閉して試験例１の密閉型電池１００を作製した。
【００３１】
（２）試験例２
試験例２では、図７に示す従来の密閉型電池２００のように、端子接続部２２０Ｂにおいて捲回されている全ての集電体露出部を纏めて接合して集電体接合部２２８を形成し、当該集電体接合部２２８の上面に電極端子２３０を接合したことを除いて、試験例１と同じ条件および手順で密閉型電池を作製した。
【００３２】
２．評価試験
本試験においては、試験例１および試験例２の各々の密閉型電池に対して耐久試験を実施し、当該耐久試験における容量維持率と抵抗増加率の推移を測定した。かかる評価試験の具体的な内容を以下に記載する。
【００３３】
（１）耐久試験
先ず、上記した試験例１および試験例２の密閉型電池を初期充電し、６０℃の恒温槽にて２４時間保存する活性化処理を行った後、各試験例の密閉型電池の初期容量を測定した。初期容量の測定は、２５℃の温度環境下において、３．０Ｖから４．１Ｖの電圧範囲で、以下の手順１〜手順４に従って実施した。
［手順１］１Ｃの定電流で４．１Ｖまで充電した後、５分間休止する。
［手順２］１Ｃの定電流で３．０Ｖまで放電した後、５分間休止する。
［手順３］１Ｃの定電流で４．１Ｖまで充電した後、電流値が０．１Ｃになるまで定電圧充電し、その後１０秒間休止する。
［手順４］１Ｃの定電流で３．０Ｖまで放電した後、電流値が０．１Ｃになるまで定電圧放電し、その後１０秒間休止する。
そして、本試験においては、上記した手順４における放電容量（ＣＣＣＶ放電容量）と電池抵抗を測定し、放電容量を初期容量とし、電池抵抗を初期抵抗とした。
【００３４】
次に、各試験例の密閉型電池を６０℃の恒温槽にて２時間以上静置した後、以下の充放電操作（１）、（２）を合計で２５００サイクル繰り返す耐久試験を行った。
（１）２Ｃのレートで４．１ＶまでＣＣ充電した後、１０分休止する。
（２）２Ｃのレートで３．０ＶまでＣＣ放電した後、１０分休止する。
【００３５】
（２）容量維持率の測定
上記した耐久試験において、１０００サイクルまでは２００サイクルごとに放電容量を測定し、１０００サイクル以降は５００サイクルごとに放電容量を測定した。そして、初期容量を１００％としたときの各サイクルにおける放電容量を容量維持率として算出した。算出結果を図５に示す。
【００３６】
（３）抵抗増加率の測定
上記した容量維持率と同様に、耐久試験において、１０００サイクルまでは２００サイクルごとに電池抵抗を測定し、１０００サイクル以降は５００サイクルごとに電池抵抗を測定した。そして、初期抵抗を１００％としたときの各サイクルにおける電池抵抗を抵抗増加率として算出した。算出結果を図６に示す。
【００３７】
３．評価結果
図５および図６に示すように、容量維持率と抵抗増加率の両方において、試験例１の方が試験例２よりも好適な結果が得られ、電池性能の劣化が抑制されていることが確認できた。これは、試験例１では、捲回電極体の端子接続部に好適なガス排出経路が形成されているため、捲回電極体の内部にガス溜まりが形成されて電極活物質層が剥離することが適切に抑制されたためと解される。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
１０、２１０              ケース
２０、２２０              捲回電極体
２０Ａ                    捲回コア部
２０Ｂ、２２０Ｂ          端子接続部
２１                      電極シート
２２                      集電体
２３                      電極活物質層
２４                      集電体露出部
２７                      湾曲部
２８、２２８              集電体接合部
２９                      セパレータ
３０、２３０              電極端子
１００、１００Ａ、２００  密閉型電池
Ｘ                        捲回軸方向
Ｚ                        高さ方向
ｈ１                      捲回電極体の全高
ｈ２                      捲回電極体の下半分の領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018142440.tif 000009