(57)【要約】【課題】電極の膨張による絶縁シートの破れを抑制できる蓄電装置を提供する。【解決手段】二次電池１０は、矩形シート状の複数の正極電極と負極電極とをセパレータで絶縁した状態で交互に積層した直方体状の電極組立体１２と、電極組立体１２を収容する直方体状のケース１１と、電極組立体１２とケース１１との間に配置され、電極組立体１２を収容する袋状であって、電極組立体１２とケース１１とを絶縁する絶縁フィルム３０とを備える。絶縁フィルム３０の突き刺し強度は、３０〜７０Ｎに設定される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形シート状の複数の正極電極と負極電極とをセパレータで絶縁した状態で交互に積層した直方体状の電極組立体と、
前記電極組立体を収容する直方体状のケースと、
前記電極組立体と前記ケースとの間に配置され、前記電極組立体を収容する袋状であって、前記電極組立体と前記ケースとを絶縁する絶縁シートと、
を備えた蓄電装置であって、
前記絶縁シートの突き刺し強度は、３０〜７０Ｎであることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記絶縁シートは、厚みが１２０〜１５０μｍのポリプロピレン製である請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記負極電極は、集電体及び該集電体の両面又は片面に存在する活物質層を有し、
前記活物質層は、ケイ素を含む請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極組立体と、電極組立体を収容するケースと、電極組立体とケースとの間に配置され、両者を絶縁する絶縁シートとを備える蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）などの車両には、走行用モータへの供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。二次電池は、矩形シート状の正極電極及び負極電極が積層された電極組立体と、当該電極組立体を収容する直方体状のケースとを備える。また、電極組立体を袋状に形成された絶縁シートによって覆うことで、電極組立体とケースとを絶縁させている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−３８７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、正極電極及び負極電極は、二次電池の充放電時に膨張収縮するため、膨張した正極電極及び負極電極の角部とケースの内面との間に絶縁シートが挟まれ、絶縁シートが破れるおそれがある。絶縁シートが破れると、電極組立体とケースが短絡してしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電極の膨張による絶縁シートの破れを抑制できる蓄電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するための蓄電装置は、矩形シート状の複数の正極電極と負極電極とをセパレータで絶縁した状態で交互に積層した直方体状の電極組立体と、前記電極組立体を収容する直方体状のケースと、前記電極組立体と前記ケースとの間に配置され、前記電極組立体を収容する袋状であって、前記電極組立体と前記ケースとを絶縁する絶縁シートと、を備えた蓄電装置であって、前記絶縁シートの突き刺し強度は、３０〜７０Ｎであることを要旨とする。
【０００７】
これによれば、蓄電装置の充電時に正極電極及び負極電極が膨張し、正極電極及び負極電極の角部が絶縁シートに押し当てられ、押し当てられた部分の絶縁シートが正極電極及び負極電極の角部とケースの内面とで挟まれたとしても、絶縁シートが破れにくくなる。
【０００８】
また、上記蓄電装置において、前記絶縁シートは、厚みが１２０〜１５０μｍのポリプロピレン製であるのが好ましい。
同じ材料の絶縁シートでは、厚みが厚いほど突き刺し強度は強くなるため破れにくくなる。その一方で、絶縁シートが厚くなるほどケース内を占める電極組立体の容積が小さくなり、蓄電装置の容量が低下してしまう。よって、絶縁シートがポリプロピレン製である場合、絶縁シートの突き刺し強度と電極組立体の容積の両方を加味した厚みとして１２０〜１５０μｍに設定することで、蓄電装置の容量を大幅に低下させることなく絶縁シートの破れを抑制できる。また、絶縁シートをポリプロピレン（ＰＰ）製にすることで、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）製にする場合と比べて、絶縁シートの生産コストを抑えられる。
【０００９】
また、上記蓄電装置において、前記負極電極は、集電体及び該集電体の両面又は片面に存在する活物質層を有し、前記活物質層は、ケイ素を含むのが好ましい。
負極電極の活物質層がケイ素を含む場合、ケイ素を含まない場合と比較して膨張量が大きいため、膨張した負極電極の角部から絶縁シートに加わる荷重も大きくなる。このため、突き刺し強度が３０〜７０Ｎの絶縁シートを採用することで絶縁シートの破れを抑制するとよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電極の膨張による絶縁シートの破れを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の二次電池の分解斜視図。
【図２】（ａ）は実施形態の二次電池の断面図、（ｂ）は（ａ）の拡大断面図。
【図３】実施形態の電極組立体の分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、蓄電装置を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１及び図２（ａ）に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１１を備える。二次電池１０は、ケース１１に収容された電極組立体１２を備える。ケース１１は、直方体状のケース本体１３と、ケース本体１３の開口部１３ａを閉塞する矩形平板状の蓋１４とを有する。ケース１１を構成するケース本体１３と蓋１４は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。また、本実施形態の二次電池１０は、その外観が角型をなす角型電池である。また、本実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池である。
【００１３】
ケース本体１３は、底壁１３ｂ（図２（ａ）参照）と、底壁１３ｂに繋がる第１〜第４壁部１３ｃ〜１３ｆとを備える。ケース本体１３は、底壁１３ｂの一対の長縁部に繋がる壁部のうちの一方の壁部に第１壁部１３ｃを備え、第１壁部１３ｃと対面する他方の壁部に第２壁部１３ｄを備える。また、ケース本体１３は、第１壁部１３ｃと第２壁部１３ｄとを繋ぎ、底壁１３ｂの一対の短縁部に繋がる壁部のうちの一方の壁部に第３壁部１３ｅを備え、第３壁部１３ｅと対面する他方の壁部に第４壁部１３ｆを備える。図２に示すように、ケース本体１３は、底壁１３ｂの内底面と第１〜第４壁部１３ｃ〜１３ｆの内面とが交差する部分に、第１〜第４壁部１３ｃ〜１３ｆから底壁１３ｂに向かうアール状の隅部１３ｇを有する。ケース本体１３は、深絞り加工や、インパクトプレス加工などの塑性加工によって金属板を塑性変形させることで製造されている。隅部１３ｇは、塑性加工に際して生じるものである。
【００１４】
二次電池１０は、電極組立体１２から電気を取り出すための正極端子１５と負極端子１６を備える。正極端子１５と負極端子１６は、蓋１４に所定の間隔をあけて並設された一対の孔１４ａからケース１１の外部に露出される。また、正極端子１５及び負極端子１６には、ケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁リング１７ａがそれぞれ取り付けられている。
【００１５】
図３に示すように、電極組立体１２は、第１の電極としての矩形シート状の複数の正極電極２０と、第２の電極としての矩形シート状の複数の負極電極２１と、矩形シート状の複数のセパレータ２８とを備える。電極組立体１２は、正極電極２０と負極電極２１との間にセパレータ２８を介在させ、かつ相互に絶縁させた状態で積層した構造を備える。電極組立体１２は、直方体状をなす。
【００１６】
正極電極２０は、矩形シート状の集電体としての正極金属箔（例えばアルミニウム箔）２２と、正極金属箔２２の両面に存在する正極活物質層２３とを有する。正極電極２０は、一対の長辺に沿う縁部のうちの一方の縁部に第１縁部２０ａを備える。正極電極２０は、第１縁部２０ａの一部から突出した形状の正極タブ２４を有する。正極タブ２４は、正極活物質層２３が存在せず、正極金属箔２２そのもので構成されている。
【００１７】
また、正極電極２０は、一対の長辺に沿う縁部のうちの第１縁部２０ａの対辺となる他方の縁部に第２縁部２０ｂを備える。さらに、正極電極２０は、第１縁部２０ａと第２縁部２０ｂ同士を繋ぐ一対の短辺に沿う縁部のうちの一方の縁部に第３縁部２０ｃを備え、第３縁部２０ｃの対辺となる他方の縁部に第４縁部２０ｄを備える。正極電極２０は、第２縁部２０ｂと第３縁部２０ｃとが交差する部分に第１角部２０ｅを備え、第２縁部２０ｂと第４縁部２０ｄとが交差する部分に第２角部２０ｆを備える。
【００１８】
負極電極２１は、矩形シート状の集電体としての負極金属箔（例えば銅箔）２５と、負極金属箔２５の両面に存在する負極活物質層２６とを有する。負極活物質層２６は、活物質、導電助剤、溶媒及びバインダを混合した活物質ペーストを集電体に塗布した後、乾燥させることで形成される。本実施形態の活物質はケイ素である。活物質にケイ素を用いることで、例えばカーボンを用いる場合と比較して、二次電池１０の容量を増大させることができる。一方で、ケイ素を含む負極活物質層２６は、二次電池１０の充放電時の膨張量及び収縮量が大きくなる。負極電極２１は、一対の長辺に沿う縁部のうちの一方の縁部に第１縁部２１ａを備える。負極電極２１は、第１縁部２１ａの一部から突出した形状の負極タブ２７を有する。負極タブ２７は、負極活物質層２６が存在せず、負極金属箔２５そのもので構成されている。
【００１９】
また、負極電極２１は、一対の長辺に沿う縁部のうちの第１縁部２１ａの対辺となる他方の縁部に第２縁部２１ｂを備える。さらに、負極電極２１は、第１縁部２１ａと第２縁部２１ｂ同士を繋ぐ一対の短辺に沿う縁部のうちの一方の縁部に第３縁部２１ｃを備え、第３縁部２１ｃの対辺となる他方の縁部に第４縁部２１ｄを備える。負極電極２１は、第２縁部２１ｂと第３縁部２１ｃとが交差する部分に第１角部２１ｅを備え、第２縁部２１ｂと第４縁部２１ｄとが交差する部分に第２角部２１ｆを備える。以下、負極電極２１の面と直交する方向を負極電極２１の厚さ方向としての第１方向Ｘ１とする。また、第１及び第２縁部２１ａ，２１ｂに沿う方向を第２方向Ｘ２とし、第３及び第４縁部２１ｃ，２１ｄに沿う方向を第３方向Ｘ３とする。
【００２０】
図１に示すように、各正極電極２０は、それぞれの正極タブ２４が電極組立体１２の積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。同様に、各負極電極２１は、それぞれの負極タブ２７が、正極タブ２４と重ならないように電極組立体１２の積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。そして、各正極タブ２４は、電極組立体１２における積層方向の一端から他端までの範囲に集められて正極タブ群２４ａとされる。正極タブ群２４ａには、正極端子１５が電気的に接合される。また、各負極タブ２７も同様に、電極組立体１２における積層方向の一端から他端までの範囲に集められて負極タブ群２７ａとされる。負極タブ群２７ａには、負極端子１６が電気的に接続される。
【００２１】
電極組立体１２は、蓋１４に対向した端面に正極タブ群２４ａ及び負極タブ群２７ａが存在するタブ側端面１２ａを備え、ケース本体１３の底壁１３ｂの内面に対向した端面に底側端面１２ｂを備える。底側端面１２ｂは、正極電極２０及び負極電極２１の第２縁部２０ｂ，２１ｂが積層されて構成されている。また、電極組立体１２は、ケース本体１３の第１壁部１３ｃの内面に対向した端面に第１側面１２ｃを備え、ケース本体１３の第２壁部１３ｄの内面に対向した端面に第２側面１２ｄを備える。電極組立体１２は、ケース本体１３の第３壁部１３ｅの内面に対向した端面に第３側面１２ｅを備え、ケース本体１３の第４壁部１３ｆの内面に対向した端面に第４側面１２ｆを備える。第３側面１２ｅは、正極電極２０及び負極電極２１の第３縁部２０ｃ，２１ｃが積層されて構成され、第４側面１２ｆは、正極電極２０及び負極電極２１の第４縁部２０ｄ，２１ｄが積層されて構成されている。このような電極組立体１２は、袋状の絶縁シートとしての絶縁フィルム３０に収容されている。
【００２２】
ここで、二次電池１０の充放電時の正極電極２０及び負極電極２１について説明する。
二次電池１０の充放電を行うと、正極電極２０の正極活物質層２３及び負極電極２１の負極活物質層２６は、第２方向Ｘ２及び第３方向Ｘ３へ膨張収縮する。なお、正極活物質層２３及び負極活物質層２６は第１方向Ｘ１にも膨張収縮しようとするが、一般に二次電池１０の充放電は、図示しない拘束治具によって電極組立体１２を第１方向Ｘ１に拘束した状態で行われるため、第１方向Ｘ１への膨張量及び収縮量は十分小さい。正極活物質層２３及び負極活物質層２６の膨張に伴い、正極電極２０の正極金属箔２２及び負極電極２１の負極金属箔２５も第２方向Ｘ２及び第３方向Ｘ３に膨張する。これにより、正極電極２０及び負極電極２１の第１角部２０ｅ，２１ｅから絶縁フィルム３０の第１部位３０ａに荷重が加わる。同様に、正極電極２０及び負極電極２１の第２角部２０ｆ，２１ｆから絶縁フィルム３０の第２部位３０ｂに荷重が加わる。
【００２３】
絶縁フィルム３０は、電極組立体１２を金属製のケース１１と絶縁するための絶縁性のシートである。絶縁フィルム３０の突き刺し強度は、３０〜７０Ｎに設定される。本実施形態の絶縁フィルム３０は、厚みが１５０μｍのポリプロピレン（ＰＰ）製であり、突き刺し強度は５８Ｎである。
【００２４】
突き刺し強度は、次の方法で測定される。まず、拘束具（図示せず）によって絶縁フィルム３０を拘束する。拘束具は、一対の拘束板と、一対の拘束板を連結するボルトと、ボルトに螺合されるナットとを備える。各拘束板は、貫通孔を備える。各拘束板は、片面に円環状のシリコンゴムを備える。貫通孔は、シリコンゴムの内側と連通する。一対の拘束板のうち、一方の拘束板は、シリコンゴムが絶縁フィルム３０の一方の面と対向するように配置され、他方の拘束板は、シリコンゴムが絶縁フィルム３０の他方の面と対向するように配置される。この状態でボルトにナットを螺合することで、一対の拘束板はシリコンゴムを介して絶縁フィルム３０を拘束する。絶縁フィルム３０は、張った状態（皺や撓みがない状態）で拘束される。次に、拘束された絶縁フィルム３０に対して釘（図示せず）を一定速度（２５ｍｍ／ｍｉｎ）で降下させ、絶縁フィルム３０に荷重を加えていく。釘は、φ８ｍｍであり、先端にテーパ部を備える。釘の中心軸線に対するテーパ部の傾斜角度は６０度である。そして、絶縁フィルム３０に釘が接触した後であって、釘の先端が絶縁フィルム３０を突き抜ける直前の荷重を測定する。測定された荷重が突き刺し強度である。つまり、突き刺し強度とは、釘によって絶縁フィルム３０に孔が開く直前に絶縁フィルム３０に加わっている荷重である。
【００２５】
絶縁フィルム３０の突き刺し強度が３０Ｎより小さい場合、上述した正極電極２０及び負極電極２１の膨張によって絶縁フィルム３０に破れが発生する可能性が高く好ましくない。正極電極２０及び負極電極２１の膨張度合いが大きく、正極電極２０及び負極電極２１の各角部２０ｅ，２０ｆ，２１ｅ，２１ｆから絶縁フィルム３０に加わる荷重が７０Ｎを超える場合、電極組立体１２全体が蓋１４の方へ移動する。これにより、絶縁フィルム３０は、正極電極２０及び負極電極２１の各角部２０ｅ，２０ｆ，２１ｅ，２１ｆとケース本体１３の隅部１３ｇの間で挟まれず、絶縁フィルム３０に破れが発生する可能性は低い。このことから、絶縁フィルム３０の突き刺し強度を７０Ｎ以下にしてよい。
【００２６】
絶縁フィルム３０の突き刺し強度は、絶縁フィルム３０の厚みを厚くするほど強くなる。その一方で、絶縁フィルム３０が厚くなるほどケース１１内を占める電極組立体１２の容積が小さくなり、二次電池１０の容量が低下してしまう。したがって、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）製の絶縁フィルム３０の場合、絶縁フィルム３０の突き刺し強度と二次電池１０の容量の両方を加味した厚みとして１２０〜１５０μｍに設定することが好ましい。
【００２７】
本実施形態の絶縁フィルム３０は、１枚の絶縁フィルム３０を折り畳み、かつ溶着して袋状に形成されている。絶縁フィルム３０は、電極組立体１２のタブ側端面１２ａを除く５面（底側端面１２ｂ及び第１〜第４側面１２ｃ〜１２ｆ）を覆っている。絶縁フィルム３０のうち、正極電極２０及び負極電極２１の第１角部２０ｅ，２１ｅを覆う部分を第１部位３０ａとし、第２角部２０ｆ，２１ｆを覆う部分を第２部位３０ｂとする。絶縁フィルム３０に覆われた電極組立体１２をケース本体１３に収容した状態において、第１部位３０ａは、第１角部２０ｅ，２１ｅとケース本体１３の隅部１３ｇとの間に位置し、第２部位３０ｂは、第２角部２０ｆ，２１ｆとケース本体１３の隅部１３ｇとの間に位置する（図２（ｂ）参照）。
【００２８】
次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態の絶縁フィルム３０の突き刺し強度は３０〜７０Ｎに設定されているため、正極電極２０及び負極電極２１が膨張したとしても第１部位３０ａ及び第２部位３０ｂに破れが生じにくくなる。
【００２９】
次に、本実施形態の効果を記載する。
（１）絶縁フィルム３０の突き刺し強度は３０〜７０Ｎに設定される。よって、二次電池１０の充電時に正極電極２０及び負極電極２１が膨張し、正極電極２０及び負極電極２１の第１角部２０ｅ，２１ｅや第２角部２０ｆ，２１ｆが絶縁フィルム３０の第１部位３０ａや第２部位３０ｂに押し当てられ、第１部位３０ａや第２部位３０ｂが第１角部２０ｅ，２１ｅや第２角部２０ｆ，２１ｆとケース本体１３の隅部１３ｇとで挟まれたとしても、絶縁フィルム３０に破れが生じにくくなる。
【００３０】
（２）絶縁フィルム３０は、厚みが１２０〜１５０μｍのポリプロピレン（ＰＰ）製である。絶縁フィルム３０の厚みが厚いほど、突き刺し強度は強くなるため、絶縁フィルム３０の厚みを厚くすることで破れを抑制できる。その一方で、絶縁フィルム３０が厚くなるほどケース１１内を占める電極組立体１２の容積が小さくなり、二次電池１０の容量が低下してしまう。よって、絶縁フィルム３０の突き刺し強度と二次電池１０の容量の両方を加味して絶縁フィルム３０の厚みを設定することで、二次電池１０の容量を低下させることなく絶縁フィルム３０の破れを抑制できる。また、絶縁フィルム３０をポリプロピレン（ＰＰ）製にすることで、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）製にする場合と比べて、絶縁フィルム３０の生産コストを抑えられる。
【００３１】
（３）負極活物質層２６は、ケイ素を含むため、ケイ素を含まない負極活物質層と比較して膨張量が大きい。よって、負極電極２１の各角部２１ｅ，２１ｆから絶縁フィルム３０に加わる荷重も大きくなる。このため、突き刺し強度が３０〜７０Ｎの絶縁フィルム３０を採用することで絶縁フィルム３０の破れを抑制するとよい。
【００３２】
なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
○  集電体は、正極活物質層２３や負極活物質層２６が形成できるものであれば、正極金属箔２２や負極金属箔２５に限定されるものではない。例えば、織物状や網状のシートを用いてもよい。
【００３３】
○  正極電極２０は、正極金属箔２２の片面に正極活物質層２３が存在する構造でもよい。同様に、負極電極２１は、負極金属箔２５の片面に負極活物質層２６が存在する構成でもよい。
【００３４】
○  正極電極２０及び負極電極２１の一方の極性の電極の外形を他方の極性の電極の外形よりも大きくしてもよい。この場合、絶縁フィルム３０は、外形の大きい方の極性の電極の角部とケース本体１３の隅部１３ｇの間に挟まれる。
【００３５】
○  負極活物質層２６の活物質は、カーボンでもよく、シリコンとカーボンの両方を含んでもよい。活物質に用いる材料の種類や割合は、二次電池１０の容量に応じて変更してよい。
【００３６】
○  上記実施形態の絶縁フィルム３０の突き刺し強度は５８Ｎであったが、３０〜７０Ｎの範囲で適宜変更してよい。
○  上記実施形態の絶縁フィルム３０は、厚みが１５０μｍのポリプロピレン（ＰＰ）製であったが、絶縁フィルム３０の材料及び厚みは、突き刺し強度が３０〜７０Ｎとなる範囲で適宜変更してよい。絶縁フィルム３０の他の材料としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエチレン（ＰＥ）などが挙げられる。
【００３７】
○  複数枚の絶縁フィルム３０を袋状に形成することで、電極組立体１２を覆ってもよい。
○  絶縁フィルム３０を袋状に形成する方法は、溶着に限定されない。例えば、１枚の絶縁フィルム３０によって電極組立体１２を覆う。そして、絶縁フィルム３０において電極組立体１２からはみ出した部分を、電極組立体１２を覆っている部分に重ねるようにテープで貼り付けてもよい。また、他の方法として、電極組立体１２より一回り大きい袋状の絶縁フィルム３０の中に電極組立体１２を収納し、その後で絶縁フィルム３０を熱収縮させることで電極組立体１２と絶縁フィルム３０とを密着させてもよい。
【００３８】
○  二次電池１０は、リチウムイオン二次電池でもよいし、他の二次電池であってもよい。要は、正極用の活物質と負極用の活物質との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。
【００３９】
○  蓄電装置は、例えばキャパシタなど、二次電池以外の蓄電装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、２０…正極電極、２１…負極電極、２５…集電体としての負極金属箔、２６…活物質層としての負極活物質層、２８…セパレータ、３０…絶縁シートとしての絶縁フィルム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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