(57)【要約】【課題】本明細書は、二次電池の温度上昇を抑制する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する二次電池は、電極体とケースと正極集電部材と負極集電部材を備える。電極体は、正極シートと負極シートがセパレータを挟んで幾重にも積層されたものである。ケースは、その電極体を収容する。正極集電部材と負極集電部材は、ケース内部にて、電極体の両端の夫々に溶接されているとともに、ケース外に露出している端子と導通している。そして、この二次電池は、ケースの内側と電極体の間の空間に電解液が溜められている。さらに、正極集電部材と電極体の溶接箇所と、負極集電部材と電極体の溶接箇所の少なくとも一方が電解液に浸っている。【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セパレータを挟んで幾重にも積層された電極体と、
前記電極体を収容するケースと、
ケース内部にて、電極体の両端の夫々に溶接されているとともに、ケース外に露出している端子と導通している正極集電部材及び負極集電部材と、
ケースの内側と電極体の間の空間に溜められている電解液と、
を備えており、
正極集電部材と電極体の溶接箇所と、負極集電部材と電極体の溶接箇所の少なくとも一方が電解液に浸っている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、二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車用のバッテリなど、近年、二次電池の開発が盛んである。リチウムイオンバッテリなどの典型的な二次電池は、セパレータを挟んだ正極シートと負極シートが幾重にも積層された電極体を有する。正極シートと負極シートはずらして積層されており、電極体の一方の側端には正極シートだけが積層され、他方の側端には負極シートだけが積層されており、それらの間で正極シートを負極シートがセパレータを挟んで積層している。電極体の一側端では複数の正極シートを挟圧しつつ固定する正極集電部材が取り付けられ、他方の側端では複数の負極シートを挟圧しつつ固定する負極集電部材が取り付けられている。集電部材は溶接で正極（負極）シートに固定されることが多い。正極シート、負極シート、セパレータは電解液で湿らされており、正極シートと負極シートの間でイオンが移動し、電流が流れる。集電部材は、幾重にも重なった正極シート（負極シート）から電気を集める。集電部材は、それぞれ、ケースの外側に露出している端子と導通しており、集電部材で集められた電気がケース外部に露出している端子を通じて外部の電気デバイスに供給される。そのような構造の二次電池が例えば特許文献１−３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１１２３０１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６５４３１号公報
【特許文献３】特開２００９−０９９４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
二次電池は充放電の際に電極体が発熱する。大容量であるほど発熱量が多くなる。また、大電流で充放電が繰り返されると発熱量が多くなる。大電流で充放電が繰り返されたとき、発熱ムラも大きくなり、電極体の温度が上昇すると内部抵抗が増加する傾向にある。それゆえ、発熱による温度上昇はできるだけ抑制することが好ましい。例えば特許文献１では、扁平な二次電池を並列に配置し、隣接する二次電池の間に空冷スペーサを配置し、その空冷スペーサで二次電池の熱を吸収し外部に発散することが提案されている。空冷スペーサは、二次電池の側面に密着する波状、矩形状、あるいは、三角状の凹凸を有しており、その凹凸を介して二次電池から熱を吸収する。
【０００５】
本明細書は、特許文献１の技術とは異なり、二次電池の内部構造を巧みに利用して温度上昇を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述したように、二次電池は電解液を使うが、二次電池を機能させるためには電極体が電解液で湿っていればよく、二次電池のケースを電解液で満たす必要はない。例えば特許文献２では、電極体の下部だけが浸る程度に余剰の電解液が入れられている（特許文献２の図１参照）。
【０００７】
本明細書が開示する技術は、電極体の冷却に電解液を積極的に活用する。発明者らの検討によると、集電部材と正極（負極）シートの接合部位、即ち、溶接部分で発熱が大きいことが判明した。そこで、本明細書が開示する新規な二次電池では、電解液を従来の二次電池よりも多く注入し、集電部材と正極（負極）シートの溶接箇所を電解液に浸らせる。こうして、溶接箇所での発熱を電解液に拡散させることで、電極体の温度上昇を抑制する。なお、正極集電部材と正極シートの溶接箇所と負極集電部材と負極シートの溶接箇所の双方を電解液に浸らせることが望ましいが、いずれか一方だけが電解液に浸っているだけでも相応の効果が期待できる。
【発明の効果】
【０００８】
本明細書が開示する技術は、簡単な構造で発熱による電極体の温度ムラ、温度上昇を抑制することのできる二次電池を提供する。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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の二次電池の斜視図である。
【図２】実施例の二次電池の側面断面図である。
【図３】二次電池モジュールの斜視図である。
【図４】別の態様の二次電池モジュールの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して実施例の二次電池を説明する。図１に、二次電池２の斜視図を示し、図２に、二次電池２の側面断面図を示す。図１は、ケース内部の構造を破線で描いてある。実施例の二次電池２は、リチウムイオン電池である。二次電池２は、正極シート４と負極シート６を、セパレータ５を挟んで巻回した電極体３を備える。正極シート４と負極シート６とセパレータ５の積層体は、扁平に巻回されている。正極シート４は、柔軟な帯状のシートに、一方の側端を除き正極活物資を塗布したものである。負極シート６は、柔軟な帯状のシートに、一方の側端を除き負極活物質を塗布したものである。正極（負極）シートにおいて活物質を塗布した領域は塗工部と呼ばれ、塗布していない領域は未塗工部と呼ばれている。正極シート４と負極シート６は、セパレータ５を挟んで積層されるが、その際、未塗工部が相手のシートと重ならないように積層される。別言すれば、正極シート４と負極シート６は、塗工部だけが重なるように積層される。そうして巻回された電極体３は、シートの巻回軸方向の一方の側端には正極シート４だけが積層され、他方の側端には負極シート６だけが積層されることになる。正極シート４だけが積層された部位は正極タブと呼ばれ、負極シートだけが積層された部位は負極タブと呼ばれる。正極タブと負極タブは、電極体３の巻回軸方向の両側に位置することになる。電極体３の正極タブには正極集電部材７が溶接され、負極タブには負極集電部材８が溶接される。正極集電部材７と負極集電部材８はともに、細長い金属板である。正極集電部材７（負極集電部材８）は、扁平な電極体３の一部をさらに押しつぶして扁平度を高めてから溶接される。図１、図２において、符号７ａは、正極タブと正極集電部材７の溶接箇所を指し示しており、符号８ａは、負極タブと負極集電部材８の溶接箇所を指し示している。図２において網掛けのハッチングを施した領域が、溶接箇所を表している。なお、溶接箇所は、正極タブ（負極タブ）と正極集電部材７（負極集電部材８）との接合面であるが、図２では理解を助けるために、正極集電部材７（負極集電部材８）の溶接箇所に相当する範囲に網掛のハッチングを施してある。
【００１１】
正極集電部材７及び負極集電部材８を取り付けた電極体３は、扁平なケース１３に収容され、ケース１３の開口は封口板１４で閉じられ、内部は密閉される。ケース内部の正極集電部材７は、ケース外に露出する正極端子１７と導通しており、負極集電部材８は、やはりケース外に露出する負極端子１８と導通している。
【００１２】
ケース内部には電解液９が注入されている。電極体３を機能させるためには、電極体３（正極シート４とセパレータ５と負極シート６）が電解液で湿っていれば十分であるが、本実施例の二次電池２では、ケース１３の内側と電極体３の間の空隙に溜まるほどに電解液９を注入している。ただし、ケース１３の内空間の上方に多少の空隙Ｓｐが確保される。図１、図２の座標系のＺ軸の正方向が、鉛直上方を示している。図１、図２における二次電池２の姿勢は、使用時に指定されている姿勢である。即ち、二次電池２は、電極端子１７、１８が鉛直上方に位置する姿勢で使われることが定められている。
【００１３】
電解液９は、二次電池２を使用時の姿勢に置いたときに正極集電部材７と正極タブとの溶接箇所７ａと、負極集電部材８と負極タブとの溶接箇所８ａが浸る程度の量が注入されている。二次電池２は、充放電する際、上記した溶接箇所７ａ及び８ａで発熱量が大きい。実施例の二次電池２は、発熱量が大きい溶接箇所７ａ、８ａを電解液９で浸すことによって、溶接箇所７ａ、８ａで発生する熱は電解液９に拡散する。溶接箇所７ａ、８ａで局所的に発生した熱エネルギは、電解液９へ拡散することで、電極体３の温度上昇が抑えられる。
【００１４】
二次電池は電極体の温度ムラ（電極体内の温度分布の不均一性）が大きくなると、内部抵抗が高なる傾向があるが、実施例の二次電池２は、電極体３の温度上昇を抑制することで内部抵抗の増大を抑えることができる。
【００１５】
次に、本明細書が開示する技術を、複数の二次電池を直列あるいは並列に接続した電池モジュールに適用した例について説明する。図３は、３個の二次電池２ａ、２ｂ、及び、２ｃを直列に接続して出力電圧を高めた電池モジュール３０ａの斜視図である。二次電池２ａのみ、内部の部品を点線で描くとともに、電解液を示してある。３個の二次電池２ａ−２ｃは、ベースプレート３２に固定されている。図３においても座標系のＺ軸の正方向が鉛直上方を示している。二次電池２ａ、２ｃは、正極端子１７ａ、１７ｃが、二次電池の筐体の鉛直下側に位置する姿勢でベースプレート３２に取り付けられている。別言すれば、二次電池２ａ、２ｃは、正極端子１７ａ、１７ｃが、負極端子１８ａ、１８ｃよりも鉛直下側に位置する姿勢でベースプレート３２に取り付けられている。二次電池２ａと２ｃに挟まれている二次電池２ｂは、二次電池２ａ、２ｃとは逆に、負極端子１８ｂが、二次電池の筐体の鉛直下側に位置する姿勢でベースプレート３２に取り付けられている。別言すれば、二次電池２ｂは、負極端子１８ｂが正極端子１７ｂよりも鉛直下側に位置する姿勢でベースプレート３２に取り付けられている。
【００１６】
上記の姿勢でベースプレート３２に取り付けられた３個の二次電池２ａ−２ｃは、二次電池２ａの負極端子１８ａと、これに隣接する二次電池２ｂの正極端子１７ｂがバスバー３１ａで接続される。また、二次電池２ｂの負極端子１８ｂと、これに隣接する二次電池２ｃの正極端子１７ｃがバスバー３１ｂで接続される。こうして、３個の二次電池２ａ−２ｃは、直列に接続され、その出力電圧は１個の二次電池の３倍となる。
【００１７】
図３では、二次電池２ａのみ、ケース内部構造を破線で描いてある。二次電池２ａの構造は、図１、図２で示した二次電池２と同じである、ただし、電池モジュール３０ａでは、電極体３の巻回軸が鉛直方向を向くように二次電池２ａの姿勢が定められている。また、電解液９の量は、図１、図２で示した二次電池２の電解液の量よりも少ない。
【００１８】
ケース１３の内側と電極体３の間の空間には電解液９が保持されている。電解液９は、ケース１３の約半分を満たす程度に注入されている。二次電池２ａは、正極端子１７ａが鉛直下側に位置する姿勢に保持されており、ケース１３の内部では、正極端子１７ａに接続されている正極集電部材７がケース１３の内部で電極体３の全体の鉛直下側に位置している。そして、電解液９がケース１３の約半分を満たす程度に注入されているので、正極集電部材７は電解液９に浸ることになる。即ち、正極集電部材７と正極タブとの溶接箇所７ａが電解液９に浸る。
【００１９】
二次電池２ｂと２ｃにも、二次電池２ａと同程度の量の電解液が注入されている。従って、負極端子１８ｂが鉛直下側に位置する二次電池２ｂでは、負極集電部材８（図３では不図示）と負極タブとの溶接箇所が電解液に浸っており、二次電池２ａと同様に正極端子１７ｃが鉛直下側に位置する二次電池２ｃでは、二次電池２ａと同じく正極集電部材７（図３では不図示）と正極タブとの溶接箇所が電解液に浸っている。即ち、複数の二次電池を有する電池モジュール３０ａでは、各二次電池は、正極集電部材と正極タブとの溶接箇所、あるいは、負極集電部材と負極タブとの溶接箇所のいずれか一方が電解液に浸っている。電解液に浸っている溶接箇所で発生した熱は、電解液に拡散するので、内部抵抗の増加が抑制される。
【００２０】
図４は、別の態様の電池モジュール３０ｂの斜視図である。電池モジュール３０ｂは、図３の電池モジュール３０ａと同様に３個の二次電池２ａ−２ｃを連結したものである。ただし、電池モジュール３０ｂでは、二次電池２ｂの鉛直方向の向きが図３の電池モジュール３０ａとは逆である。即ち、電池モジュール３０ｂでは、３個の二次電池２ａ−２ｃの全てが、正極端子１７ａ、１７ｂ、１７ｃが鉛直下側に位置するように姿勢が揃えられている。そうして、鉛直下側で一直線に並んだ３個の正極端子１７ａ、１７ｂ、１７ｃがバスバー３１ｄで接続されており、鉛直上側で一直線に並んだ３個の負極端子１８ａ、１８ｂ、１８ｃがバスバー３１ｃで接続されている。こうして、電池モジュール３０ｂは、３個の二次電池を並列に接続し、容量の大きな二次電池を実現している。
【００２１】
図４でも二次電池２ａは内部の構造を示してある。電池モジュール３０ｂの二次電池２ａの内部構造と鉛直方向に対する向きは、図３の電池モジュール３０ａの二次電池２ａの内部構造と鉛直方向に対する向きと同じである。そして、電池モジュール３０ｂの二次電池２ｂ、２ｃの内部構造と鉛直方向に対する向きは、二次電池２ａのそれと同じである。すなわち、電池モジュール３０ｂでは、３個の二次電池２ａ−２ｃは全て、正極集電部材と正極タブとの溶接箇所が電解液に浸っている。溶接箇所を電解液に浸らせることで、充放電時の電極体の温度上昇を抑え、ひいては、内部抵抗の増加を抑制することができる。
【００２２】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の二次電池はいずれも、正極シートと負極シートを、セパレータを挟んで巻回した電極体を備える。電極体は、シートを巻回したものでなく、複数の正極シートと複数の負極シートを、間にセパレータを挟んで交互に積層したものであってもよい。
【００２３】
図１と図２で示した二次電池は、正極集電部材７と正極タブとの溶接箇所７ａと、負極集電部材８と負極タブとの溶接箇所８ａがいずれも電解質に浸っている。図３あるいは図４で示した二次電池２ａのように、２つの溶接箇所のいずれか一方だけが電解液に浸っているだけでも温度上昇抑制効果が期待できる。従って、本明細書が開示する二次電池の特徴は次のように表すことができる。その二次電池は、ケース内部にて電極体の両端の夫々に溶接されているとともに、ケース外に露出している端子と導通している正極集電部材及び負極集電部材を備える。そして、正極集電部材の溶接箇所と負極集電部材の溶接箇所の少なくとも一方が電解液に浸っている。
【００２４】
本実施例で説明した電池モジュールの特徴は、包括的には次のように表現することができる。上記した二次電池を複数個が並列又は直列に接続されており、各二次電池の正極集電部材の溶接箇所と負極集電部材の溶接箇所の少なくともいずれか一方が電池モジュールの鉛直下側に位置するように配置されている。
【００２５】
図３と図４の電池モジュールは、正極端子と負極端子が鉛直方向で上下となるように、二次電池の姿勢が定められた。そして、正極集電部材と正極タブとの溶接箇所と、負極集電部材と負極タブとの溶接箇所のいずれか一方が電解液に浸っている。他方、図１、図２で示した二次電池は、正極端子と負極端子のいずれもが筐体の上面に位置する姿勢であっても、正極集電部材７と正極タブとの溶接箇所７ａと、負極集電部材８と負極タブとの溶接箇所８ａがいずれも電解質に浸っている。従って、図１の二次電池を図１の姿勢で複数個並べ、それらを直列あるいは並列に接続した電池モジュールも、充放電時の温度上昇を抑えることができる。
【００２６】
実施例の二次電池はリチウムイオン電池を想定していた。本明細書が開示する技術はリチウムイオン電池に限られない。本明細書が開示する技術は、電解液で湿らされた正極シートと負極シートがセパレータを挟んで積層されている電極体を有する電池であれば、適用可能である。
【実施例】
【００２７】
発明者らは、上記した技術を採用したリチウムイオン電池を４種類（実施例１−実施例４）と、溶接箇所が電界液に浸っていない従来のリチウムイオン電池（比較例）を準備し、充放電を１０００サイクル繰り返してその温度と内部抵抗の変化率を調べた。実施例１は、図１、図２に示したように正極集電部材の溶接箇所と負極集電部材の溶接箇所の両方が電解液に浸るものである。実施例２は、正極電極が鉛直下側に位置し、正極集電部材と正極タブの溶接箇所が電解液に浸るものである。実施例３は、図３に示したように、正極端子と負極端子の上限関係が交互に反転するように二次電池を並べて接続したものである。実施例４は、負極電極が鉛直下側に位置し、負極集電部材と負極タブの溶接箇所が電解液に浸るものである。比較例は、図１、図２に示した形態の二次電池であるが溶接箇所がいずれも電解液に浸らないように電解液の分量を減らしたものである。いずれの例も、充放電の仕様は以下の通りである。（１）恒温槽０度にて、６６アンペアの定電流が流れるように負荷を調整し、充電量（ＳＯＣ）が２０％となるまで放電させる。（２）３０秒間の休止の後、５４アンペアで一定の銃電流を供給し、８５％まで容量が回復するまで充電を続ける。（３）最後に３０秒の休止を設ける。これを１サイクルとして１０００サイクル繰り返した。なお、熱電池を二次電池の底面に貼着し充放電サイクル中の最大温度を測定した。また、内部抵抗は、恒温槽２５度にて、初期電圧Ｖ１から定電流２００アンペアで１０秒間放電した後の電圧をＶ２としたとき、内部抵抗＝（Ｖ１−Ｖ２）／２００の式で求めた。
【００２８】
測定の結果、１０００サイクル後の抵抗変化率は、実施例１：１０２％、実施例２：１０３％、実施例３：１１５％、実施例４：１２８％、比較例：１５０％であった。また、１０００サイクル後の周囲温度との差は、実施例１：９度、実施例２：９度、実施例３：１０度、実施例４：１２度、比較例；１９度であった。このように、少なくとも一方の溶接箇所を電解液に浸すだけで、従来よりも二次電池の内部抵抗の増加と温度上昇を抑制する効果があることが確認された。
【００２９】
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】
【００３０】
２、２ａ、２ｂ、２ｃ：二次電池
３：電極体
４：正極シート
５：セパレータ
６：負極シート
７：正極集電部材
７ａ、８ａ：溶接箇所
８：負極集電部材
９：電解液
１３：ケース
１４：封口板
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ：正極端子
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ：負極端子
３０ａ、３０ｂ：電池モジュール
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ：バスバー
３２：ベースプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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