(57)【要約】【課題】本明細書は、二次電池に備えられた扁平に巻回された電極体に発生する皺を抑える技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する二次電池２０は、正極シートと負極シートが幅方向にずらして積層されている積層体が扁平に巻回されている電極体４と、正極シートと負極シートが重なっている重複部１５の巻回軸方向の端部であって、巻回軸方向からみたときの長手方向の端部を挟んでいる挟圧部材２を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極シートと負極シートが幅方向にずらして積層されている積層体が扁平に巻回されている電極体と、
正極シートと負極シートが重なっている重複部の巻回軸方向の端部であって、巻回軸方向からみたときの長手方向の端部を挟んでいる挟圧部材と、
を備える二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、セパレータを挟んで正極シートと負極シートを扁平形状に巻回した電極体を有する二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車の普及に伴い、これらの車両に搭載する二次電池の利用が拡大している。電気自動車では、数十キロワットクラスの高出力モータを利用する。そのため、その電源に用いる二次電池は大容量となる。なお、本明細書では、「電気自動車」には、モータとともにエンジンを備えるハイブリッド車、及び、燃料電池車を含む。
【０００３】
このような大容量の二次電池として、帯状の正極シート及び負極シートが、セパレータを挟んで扁平に巻回された扁平型電極体を有する二次電池が知られている。なお、正極シートは幅方向の一端側に所定の幅の未塗工部を残してシートの両面に電極活物質が塗布され、負極シートも正極シートと同様に電極活物質が塗布されている。正極シートと負極シートは、幅方向の一方に正極シートの未塗工部が残り他方に負極シートの未塗工部が残るようにずらして積層されている。正極シートと負極シートが重なっている重複部にセパレータが挟まれている。
【０００４】
上記の扁平型電極体は、密閉されたケースの中に電解液と共に収納されている。この二次電池では、未塗工部が積層した部分（以下、集電タブと称する）にリード等を接続することで、扁平型電極体の電気エネルギーを外部へ取り出す技術が知られている。特許文献１では、集電タブを２つの束に分け、それぞれの束を挟持する導電性の挟持部材を備え、その挟持部材にリードを接続する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−０７１１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の扁平型電極体を有する二次電池では、蓄電容量を高めるために、ケースに収容する扁平型電極体の密度を高くする必要がある。そのためには、集電体の巻回数を増やす必要がある。また、二次電池の小型化をするために、集電タブの幅は小さくするのが好ましい。この幅を小さくした場合、集電タブを挟持すると、挟持した箇所から扁平型電極体の内側に向かって皺が発生する。特に、扁平に巻回された電極体の湾曲部（正極シートと負極シートの積層体が巻回時に折り返される部分）で皺が寄り易い。加えて、両端の集電タブの内側、即ち、正極シートと負極シートとセパレータが重なっている重複部は集電タブよりも厚みが大きく、厚みの相違が重複部での皺を助長する。電極活物質層が形成された部分（上記の重複部）の皺は電極活物質の剥離を引き起こし、二次電池の蓄電性能が低下する虞がある。また、この皺により発生した応力によりセパレータがダメージを被る虞がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する二次電池は、正極シートと負極シートが幅方向にずらして積層されている積層体が扁平に巻回されている電極体を備えている。また、二次電池は、正極シートの未塗工部だけが重なっている正極集電タブを圧接している正極リードと、負極シートの未塗工部だけが重なっている負極集電タブを圧接している負極リードを備えている。また、二次電池は、正極シートと負極シートが重なっている重複部の巻回軸方向の端部であって、巻回軸方向からみたときの扁平の長手方向の端部（重複部の湾曲部）を挟んでいる挟圧部材を備えている。なお、以下、正極集電タブ及び負極集電タブは、それぞれを区別なく説明できる場合には、集電タブと称する。
【０００８】
この構成によれば、圧接により集電タブの一部から発生した皺は、重複部まで広がる。このとき皺は、重複部の湾曲部に向かって広がり易い。しかし、挟圧部材が、この湾曲部を挟んでいるため、広がった皺は、挟圧部材で挟まれている位置で止まり、重複部の内側まで広がることはない。よって、重複部に形成されている電極活物質層が皺により剥離することが防止される。また、重複部に含まれるセパレータが皺により応力を受けることが防止される。よって、セパレータのダメージが防止される。また、皺は集電タブを圧接する荷重が大きいほど広がりやすい。この構成によれば、電極体の扁平形状を保持するために必要な荷重を、集電タブが圧接される荷重と挟圧部材が重複部を挟む荷重に分散することができる。よって、集電タブの圧接箇所を従来に比べ低い荷重で圧接することができ、皺の発生を抑えることができる。
【０００９】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書は、扁平に巻回された電極体を有する二次電池に関し、電極体に発生する皺が拡がることを抑える技術を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】二次電池の模式的正面図である。
【図２】図１に示す二次電池の矢印ＩＩの方向から視た縦断面図である。
【図３】二次電池に収納される電極体の展開斜視図である。
【図４】電極体に加える荷重とその荷重により発生するストロークとの関係を示したグラフである。
【図５】電池モジュールの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を参照して実施例の二次電池２０を説明する。図１、図２は、挟圧部材２に挟まれた電極体４が収納されている扁平なケース３を備えた二次電池２０を示している図である。図１では、ケース３を断面で示しており、電極体４を正面図で描いている。なお、Ｘ軸、Ｙ軸は水平方向を示しており、Ｚ軸が垂直方向を示している。Ｘ軸が電極体４の巻回軸方向と一致している。
【００１３】
図３に示すように、電極体４は、正極シート１６と負極シート１７とセパレータ１８が積層されて積層体を形成した後に、当該積層体が扁平に巻回されて形成されている。正極シート１６は、シートの厚み方向の両側に電極活物質が塗布された塗工部１６ｂと、電極活物質が塗工されていない未塗工部１６ａを有している。負極シート１７も、正極シート１６と同様に、塗工部１７ｂと未塗工部１７ａを有している。なお、図３において、電極活物質が塗布されている部分（塗工部１６ｂ、１７ｂ）は斜線のハッチングで描かれている。また、セパレータ１８はドットのハッチングで描かれている。幅方向の一端に未塗工部１６ａが残り他端に未塗工部１７ａが残るように、正極シート１６と負極シート１７は幅方向にずらされて積層されている。ここで、塗工部１６ｂ、１７ｂが重なっている部分を重複部１５と称する。重複部１５は、塗工部１６ｂと塗工部１７ｂの間に挟まれているセパレータ８を有している。また、正極シート１６の未塗工部１６ａだけが重なっている部分を正極集電タブ１３と称し、負極シート１７の未塗工部１７ａだけが重なっている部分を負極集電タブ１４と称する。図３に示すように巻回された電極体４は、図１に示すように電解液と共にケース３に収納される。
【００１４】
挟圧部材２はＸ軸（巻回軸方向）からみた縦断面形状が略Ｕ字形状のクリップ部材である。挟圧部材２は、互いに向かい合う２つの平板２ａを有し、この２つの平板２ａで重複部１５のＺ軸方向（重複部１５の扁平の長手方向）の両端に位置する湾曲部１５ａを挟んでいる。本実施例では、二次電池２は挟圧部材２を４個有している。挟圧部材２は、重複部１５のＸ軸方向の両端で、かつＺ軸方向の両端である重複部１５の四隅に位置している。つまり、挟圧部材２は重複部１５と正極集電タブ１３及び負極集電タブ１４の境界に沿って、重複部１５のＺ軸方向の両端の湾曲部１５ａを挟んでいる。なお、挟圧部材２の詳細及び設計手法については後述する。
【００１５】
正極集電タブ１３及び負極集電タブ１４は、Ｘ軸方向から視た時のＺ軸方向の略中央部分を正極リード５及び負極リード６により圧接されている。以下、正極集電タブ１３と負極集電タブ１４、正極リード５と負極リード６は同一の形状、構成をしているので、負極集電タブ１４及び負極リード６について説明する。負極集電タブ１４は、Ｘ軸方向からみたときに、Ｚ軸方向の略中央部分がＹ軸方向で両側に窪んでいる圧接部１４ｂを有している。圧接部１４ｂでは、負極シート１７の未塗工部１７ａが１枚ごとに積層され、未塗工部１７ａが１枚ごとに接合されている。また、負極リード６は、Ｘ軸方向から視た断面形状が略Ｕ字形状の導電性のクリップ部材である。負極リード６の圧接部１４ｂを接続部６ａで挟んでいる。接続部６ａのＹ軸方向の隙間は、圧接部１４ｂのＹ軸方向の厚みよりも狭く形成されている。よって、負極リード６は、圧接部１４ｂを挟む際に弾性変形をし、その際に生じる弾性力が圧接部１４ｂのＹ軸方向の両面から作用することで、圧接部１４ｂを圧接している。負極集電タブ１４と負極リード６は、圧接部１４ｂと接続部６ａが接合されることで電気的に接続されている。同様に、正極集電タブ１３と正極リード５も、電気的に接続されている。ここで、正極リード５及び負極リード６はケース３の内側から外側に向かって貫通して配置されている正極端子７及び負極端子８と接続されている。よって、電極体４から発生した電気エネルギーは正極端子７と負極端子８を通じで外部に取り出される。なお、ケース３は、電極体４を収容し上面が開口している箱３ｂと、箱３ｂの開口部を塞ぐ蓋部材３ａから構成されている。正極端子７及び負極端子８は、蓋部材３ａに取り付けられている。また、正極端子７及び負極端子８は、絶縁部材９及び絶縁部材１２によりケース３から絶縁している。
【００１６】
負極集電タブ１４の圧接部１４ｂを負極リード６で挟持すると、負極集電タブ１４には皺が生じる。図１の破線が皺を模式的に表している。図１の破線で示すように、負極集電タブ１４の圧接部１４ｂから発生した皺１９は、圧接部１４ｂから重複部１５のＺ軸方向の両端に位置する湾曲部１５ａに向かって広がる。しかし、湾曲部１５ａに向かって広がった皺１９は、挟圧部材２が湾曲部１５ａを挟んでいる位置で止まり、挟圧部材２を超えて広がることはない。よって、皺１９が重複部１５に侵入することが防止される。なお、正極集電タブ１３及び負極集電タブ１４の圧接部は、重複部１５に挟圧部材２が組み付けられた後に形成される。よって、皺１９は重複部１５が挟圧部材２に挟まれた後に発生するので、皺１９は挟圧部材２を超えて重複部１５の内側に向かって広がることが防止される。
【００１７】
また、圧接部から発生する皺は、圧接する荷重が大きいほど、深くなり広範囲に広がりやすくなる。本実施例では、電極体４の巻回構造は、集電タブの圧接部を圧接する荷重（以下、圧接荷重）と、挟圧部材２が重複部を挟む荷重（以下、挟圧荷重）により保持されている。つまり、従来、圧接荷重のみで保持していた構造は圧接荷重と挟圧荷重により保持することができる。つまり、圧接荷重を従来に比べて低くすることができる。よって、皺が広がることを抑えることができる。
【００１８】
なお、挟圧部材２は一体で形成されている。挟圧部材２は、弾性変形可能な材料で作られている。挟圧部材２は、電極体４に取り付けられる際に、平板２ａをＹ軸方向に広げ、電極体４を挟むように取り付けられる。つまり、挟圧部材２は、挟圧部材２が弾性変形した際の弾性力により電極体４を挟んでいる。その弾性力が挟圧荷重となる。挟圧荷重は、図４に示されるグラフを用いて適した値が求められる。図４は、電極体４の積層体の積層方向に試験棒を用いて加えられる荷重と、積層方向に試験棒が移動する距離（ストローク）との関係を示したグラフである。積層体の間（正極シート１６とセパレータ１８、負極シート１７とセパレータ１８の間）に隙間がある状態（図４のグラフの原点）から荷重を徐々に上げていくと、荷重Ｐで積層体の間に隙間が無くなる。さらに荷重をＰ以上に上げると、積層体が変形し、積層方向に試験棒が沈んでいく。よって、挟圧荷重は、荷重Ｐ以上であることが好ましい。挟圧荷重がＰ以下の場合、積層体の間に隙間があるため、皺の侵入を防止することができない場合がある。よって、挟圧部材２の材質や板厚、平板２ａの面積などの寸法は、荷重Ｐ以上で電極体を挟むことができるように設計される。なお、挟圧荷重を必要以上に高くすると、挟圧部材２が電極体４を挟んでいる箇所から皺が発生する虞があるので、挟圧荷重の上限値も考慮する必要がある。
【００１９】
次に、上記した二次電池を直列あるいは並列に繋いだ電池モジュールを説明する。図５は、本実施例で開示される複数の二次電池２０を直列に繋いだ電池モジュール３０の断面図である。図５に示す二次電池２０は、図１の矢印ＩＩから視た縦断面図で描かれている。電池モジュール３０は、二次電池２０を扁平なケース３の厚み方向の外壁３ｃを互いに平行に向かい合うようにＹ軸方向に一列に並べ、二次電池２０の間に冷却プレート２１が外壁３ｃと平行な姿勢で備えられている。冷却プレート２１はＹ軸方向（二次電池２０の並び方向）の両面に突起２２が設けられている。突起２２は、外壁３ｃと平行な当接面２３を有している。Ｙ軸方向からみたときに、当接面２３は、挟圧部材２と重なるように位置している。突起２２は二次電池２０に備えられる４個の挟圧部材２と合わせて冷却プレート２１に４個設けられている。挟圧部材２の重複部１５を挟む平板２ａはケース３の内面に接しており、当接面２３は外壁３ｃに接している。ここで、電池モジュール３０は、Ｙ方向に荷重され保持されている。よって、突起２２が外壁３ｃを間に挟んで挟圧部材２の重複部１５を挟む平板２ａを押圧している。
【００２０】
この構成によれば、二次電池２０をＹ軸方向に押圧している荷重は、冷却プレート２１の突起２２からケース３の外壁３ｃに伝わる。そして、外壁３ｃに伝わった荷重は、挟圧部材２の重複部１５を挟む平板２ａに作用する。この荷重により、挟圧荷重を増やすことができる。つまり、電極体４の巻回構造は、圧接荷重と挟圧荷重と突起２２が挟圧部材２を押圧している荷重（以下、押圧荷重）により保持されている。つまり、圧接荷重と挟圧荷重により保持されている電極体４の巻回構造は、さらに押圧荷重により保持される。よって、圧接荷重は、従来に比べさらに低くすることができ、皺が広がることを抑えることができる。
【００２１】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。挟圧部材は前述の実施例のように一体で形成されていなくてもよい。挟圧部材は、二体に分離された部品を、ボルトやスナップフィットにより結合する構造であってもよい。例えば、巻回軸方向からみたときに一方の部品をＬ字形状とし、他方の部品をＩ字形状もしくはＬ字形状とする。一方の部品の一平面と他方の部品の一平面が互いに向かい合うように結合されることで、実施例と同様な略Ｕ字形状の挟圧部材となる。この構成によれば、挟圧部材を電極体に簡易に組み付けることができる。
【００２２】
また、挟圧部材は、巻回軸方向からみたときに長方形の断面形状を有する枠形状であってもよい。つまり、前述の実施例にある重複部１５の一端の湾曲部１５ａを挟んでいる挟圧部材２と他端の湾曲部１５ａを挟んでいる挟圧部材２が繋がっていてもよい。挟圧部材は一体に形成されてもよいし、断面形状が略Ｕ字形状の２体の部品が結合して形成されてもよい。この構成によれば、挟圧部材が重複部と接触する面積を広くすることができ、挟圧部材が重複部を挟む荷重を高くすることができる。よって、圧接荷重をさらに低くすることができ、圧接部から発生する皺をさらに抑えることができる。
【００２３】
また、一般に、正極シートにはアルミニウムもしくはアルミニウムを含む複合材料が用いられ、負極シートには銅もしくは銅を含む複合材料が用いられる。アルミニウムを材料とする正極シートに比べ銅を材料とする負極シートの剛性の方が高い。重複部の巻回軸方向の両端の形状は、圧接された集電タブの形状に合わせて変形している。剛性の高い負極シートの方が正極シートに比べて変形し難い。ゆえに、変形し難い重複部の負極シート側の端部は皺が発生し易い。よって、挟圧部材は、皺が発生し易い重複部の負極集電タブ側の端部だけに配置されてもよい。このような構成によれば、少ない部品数で皺の広がりを防止することができる。
【００２４】
また、圧接部が扁平の長手方向の略中央から一端側に偏っている場合、圧接部から発生した皺は圧接部が偏っている一端側の湾曲部に向かって広がりやすい。よって、挟圧部材は、圧接部が偏っている一端側だけに配置されてもよい。このような構成によれば、前述と同様に少ない部品数で皺の広がりを防止することができる。
【００２５】
実施例で説明した電池モジュールは、次のように表現することができる。本明細書で開示する電池モジュールは、電極体と挟圧部材を収納している扁平なケースを備えた二次電池が間に冷却プレートを挟んで積層されているとともに、積層方向に荷重されている。冷却プレートは、複数の二次電池の積層方向からみたときに、挟圧部材と重なる位置に突起が設けられている。挟圧部材はケース内面に接しており、突起がケース外壁を挟んで挟圧部材を押圧している。この電池モジュールは、前述したように、冷却プレートと二次電池を積層している荷重が、冷却プレートの突起からケースの外壁に伝わって、外壁から挟圧部材に作用する。この荷重が作用することで、挟圧部材の電極体を挟んでいる荷重が増加する。つまり、電極体の扁平形状を保持するために必要な荷重を、集電タブが圧接される荷重と挟圧部材が電極体を挟んでいる荷重と二次電池を積層している荷重に分散することができる。よって、集電タブの圧接箇所を従来に比べさらに低い荷重で圧接することができ、さらに皺の発生を抑えることができる。
【００２６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許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。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２７】
２：挟圧部材 
３：ケース
４：電極体
５、６：正極リード、負極リード
７、８：正極端子、負極端子
１３、１４：正極集電タブ、負極集電タブ
１５：重複部
１６、１７：正極シート、負極シート
１６ａ、１７ａ：未塗工部
１６ｂ、１７ｂ：塗工部
１８：セパレータ
１９：皺
２０：二次電池
２１：冷却プレート
２２：突起
３０：電池モジュール
【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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