(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置された正極集電体および負極集電体と、
前記正極集電体と前記負極集電体との間に配され、両集電体の対向方向に直交する方向にセパレータを介して向かい合うように積層された複数の正極と負極と、
前記正極および負極に平行な導電性のプレートと、
を備え、
前記正極は正極活物質を含み、前記負極は負極活物質を含み、
前記正極と負極の少なくとも一方は、前記導電性のプレートを挟持するように構成され、前記導電性のプレートは、当該プレートを挟持する電極の前記両集電体の対向方向における少なくとも一方端部から突出し、前記正極と前記正極集電体とが導通し、前記負極と前記負極集電体とが導通するように構成される、二次電池。
【請求項２】
前記導電性のプレートを挟持する電極と前記導電性のプレートとが固着されていない、請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記導電性のプレートを挟持する電極は、活物質を含む一対の電極として構成され、当該一対の電極が前記導電性のプレートを挟持する、請求項１に記載の二次電池。
【請求項４】
前記導電性のプレートを挟持する電極の前記両集電体の対向方向における両端部から前記導電性のプレートが突出した、請求項１に記載の二次電池。
【請求項５】
前記導電性のプレートを挟持する電極は、前記導電性のプレートを挟み込むように折り曲げられた、請求項１に記載の二次電池。
【請求項６】
前記導電性のプレートを挟持する電極の折り曲げ部は活物質を含まない、請求項５に記載の二次電池。
【請求項７】
前記導電性のプレートがニッケルめっき鋼板である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の二次電池。
【請求項８】
対向して配置された正極集電体および負極集電体と、前記正極集電体と前記負極集電体との間に配され、両集電体の対向方向に直交する方向にセパレータを介して向かい合うように積層された複数の正極と負極と、前記正極および負極に平行な導電性のプレートと、を備え、前記正極は正極活物質を含み、前記負極は負極活物質を含む二次電池の電極積層構造であって、
前記正極と負極の少なくとも一方は、前記導電性のプレートを挟持するように構成され、前記導電性のプレートは、当該プレートを挟持する電極の前記両集電体の対向方向における少なくとも一方端部から突出し、
前記導電性のプレートを挟持する電極と前記導電性のプレートとが、固着されておらず、
前記正極と前記正極集電体とが導通し、前記負極と前記負極集電体とが導通するように構成される、電極積層構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に関し、詳しくは、電極の積層構造に特徴を有する二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、携帯電話やモバイルＰＣ、電動工具、電動自転車など、さまざまな製品に二次電池が使われている。近年では、ハイブリッド車、電気自動車、電車などの車両に二次電池が搭載されることがよく知られている。その他、地上蓄電設備や、風力発電・太陽光発電などの自然エネルギーを利用した発電や、系統安定化にも二次電池が使われている。これは不安定な出力を二次電池で補ったり、出力を平滑化するために使用されたりするもので、大容量で大型の二次電池が使われている。
【０００３】
このような二次電池には、捲回型電池や角形電池などあるが、大容量で大型の二次電池の場合、設置スペースや生産性の観点から角形電池が多く用いられている。角形電池の構造は、例えば、複数の正負の電極をセパレータを介して交互に積層することによって電極体を構成し、電極体を電解液と共に電池容器内に収容してなる。複数の正負の電極が、それぞれ正負の集電体に接触することで導通を確保している。
【０００４】
このとき、電極と集電体とにずれが生じて、これらの接触が十分でなくなると接触抵抗が増大するなど、電池容量の低下や電池性能の低下を招くおそれがある。これを回避するためには、電極と集電体とが、しっかりと確実に接触した状態を維持する必要がある。
【０００５】
そこで、電子ビーム溶接法により、積層した各電極の端面を直接集電体に溶接する発明が開示されている（例えば、特許文献１）。すなわち、各電極をそれぞれ集電体の表面に対して直立するような姿勢で突き合わせて接合する方法であり、このとき集電体と電極はＴ型継手を構成する。（特許文献１の第１図（ｄ）、第２図（ｂ）参照）。
【０００６】
また、出願人は、次のような構造の二次電池を提案している（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の二次電池は、互いに対向配置された平板状の正極集電体２３および負極集電体２５と、両集電体の間で、これらの対向方向Ｘに直交する方向に、セパレータ１１を介して対向して交互に積層された複数の正極体１３および負極体１５からなる電極体１７と、両集電体と電極体１７との間にそれぞれ介在する導電素材を含むシート状の緩衝部材３１と、を備えた構造である（特許文献２の図３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２６１６１９７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５０９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の発明では、電極と集電体との接触箇所に溶接部分が存在し、溶接屑が内部短絡のような不具合の原因となることがある。さらに、電極と集電体との溶接位置の調整などが煩雑で生産性が悪い。
【０００９】
また、特許文献２の発明のように、電極と集電体との間にシート状の緩衝部材を介在させて電極と集電体との導通を維持することも有用であるが、さらに長期間の導通維持のため、本願発明は別のアプローチで電極と集電体との導通を確保しようとするものである。
【００１０】
ところで、二次電池は、充放電により電極が膨張／収縮する。これは電極に含まれる活物質が膨張／収縮するためで、電極が膨張／収縮をすることにより接触圧力が変化する。さらに長期的な使用によって引き起こされるセパレータのクリープや電極の湾曲等により、電極と集電体との接触圧力が不十分となると、電池性能が低下するおそれがある。
【００１１】
本発明の目的は、電極の膨張／収縮による電池への影響を抑えることによって、電極と集電体との導通を維持し、電池性能の低下を抑制することにある。これにより、電池の長寿命化を図るとともに、信頼性に優れた二次電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するため、本発明に係る二次電池は、対向して配置された正極集電体および負極集電体と、前記正極集電体と前記負極集電体との間に配され、両集電体の対向方向に直交する方向にセパレータを介して向かい合うように積層された複数の正極と負極と、前記正極および負極に平行な導電性のプレートと、を備え、前記正極は正極活物質を含み、前記負極は負極活物質を含み、前記正極と負極の少なくとも一方は、前記導電性のプレートを挟持するように構成され、前記導電性のプレートは、当該プレートを挟持する電極の前記両集電体の対向方向における少なくとも一方端部から突出し、前記正極と前記正極集電体とが導通し、前記負極と前記負極集電体とが導通するように構成されることを特徴とする（ＣＬ１）。
【００１３】
この構成によれば、活物質を含む電極の間に導電性のプレートを挟み込むことによって、電極が膨張／収縮しても電極自体が直接集電体やセパレータに作用しにくく、電極と集電体およびセパレータとの間の接触圧力の変動を抑制できる。
【００１４】
ここで、「一方端部」とは、電極の集電体側の端部またはセパレータ側の端部をいう。プレートが電極の集電体側の端部から突出する場合は、プレートが集電体側の電極の膨張／収縮を吸収するとともに、集電体とプレートとが安定して接触し、導通を確保する。一方、プレートが電極のセパレータ側の端部から突出する場合は、プレートがセパレータ側の電極の膨張／収縮を吸収して、電極の膨張／収縮によって引き起こされるセパレータのクリープを抑える。また、プレートの突出寸法は、電極の膨張／収縮を吸収できる程度でよく、突出寸法を大きくすると、相対的に電極が短くなり、電池のエネルギー密度の観点から好ましくない。プレートの突出寸法は、使用する電極によって異なるが、電極に対して１％〜５％が好ましい。なお、プレートは導電性で、耐アルカリ性の材料が好ましく、例えば、ニッケルめっき鋼板、ニッケル板、チタンめっき鋼板、チタン板、ステンレス板などを使用するとよい。
【００１５】
また、「正極と負極の少なくとも一方」とは、正極または負極のいずれか一方にこの電極構造を適用してもよいし、双方に適用してもよいことをいう。例えば、正極の基板に発泡ニッケル、負極の基板に鋼板を用いたニッケル水素二次電池の場合は、相対的に膨張／収縮率の大きい正極にこの構造を用いると効果的である。また、「導電性プレートを挟持する」とは、例えば、一対の電極により導電性プレートを挟み込むことや、電極を折り曲げて間に導電性プレートを挟み込むことなどをいう。
【００１６】
本発明に係る二次電池は、前記導電性のプレートを挟持する電極と前記導電性のプレートとが固着されていなくともよい。ここで、「固着されていない」とは、電極とプレートとが、接着や塗着、溶着などにより一体化されていないことをいい、例えば、プレートを両側から電極によって押圧し挟持することをいう。この構成によれば、電極がプレートからフリーの状態となるため、活物質の膨張／収縮がプレートに伝わらず、接触圧力の変動を抑制できる。また、電極が集電体とセパレータのどちらか一方に接触していても、膨張した際に接触していない方（プレートが突出している方）へ電極がスライドし、膨張／収縮によるセパレータや集電体への影響を抑制できる。また、電極とプレートとの接着や塗着、溶着などの手間も省ける。なお、電極とプレートとは一部が固着されていてもよいが、電極とプレートとの全面が固着されているのは好ましくない。全面を固着すると、活物質の膨張／収縮による接触圧力の変動を抑制できない場合がある（ＣＬ２）。
【００１７】
本発明に係る二次電池は、前記導電性のプレートを挟持する電極は、活物質を含む一対の電極として構成され、当該一対の電極が前記導電性のプレートを挟持してもよい。この構成によれば、一対の電極の間にプレートを配するだけでよく、簡単な構造でコストがかからない。なお、一対の電極の厚みを、通常の電極の厚みの略１／２とすれば、通常の電極を積層した構造の電池とほぼ同等の設計が可能となる（ＣＬ３）。
【００１８】
本発明に係る二次電池は、前記導電性のプレートを挟持する電極の前記両集電体の対向方向における両端部から前記導電性のプレートが突出してもよい。この構成によれば、プレートが、両端部における電極の膨張／収縮を吸収できる。また、プレートが集電体とセパレータとの間に柱のように存在するため、安定した電池構造となる（ＣＬ４）。
【００１９】
本発明に係る二次電池は、前記導電性のプレートを挟持する電極は、前記導電性のプレートを挟み込むように折り曲げられてもよい。この構成によれば、電極の折り曲げ部と反対側の端部からプレートが突出し、この端部の電極の膨張／収縮をプレートが吸収する。また、プレートは、集電体側、またはセパレータ側のいずれの側から突出してもよい。（ＣＬ５）。
【００２０】
本発明に係る二次電池は、前記導電性のプレートを挟持する電極の折り曲げ部は活物質を含まなくともよい。この構成によれば、折り曲げ部に活物質を含まないため電極を折り曲げやすく、製造しやすい。また、電極の折り曲げ部を集電体側に配すれば、この折り曲げ部を緩衝部材の如く利用することができる。ここで、電極の折り曲げ部に活物質を含まない構造とするには、例えば、電極に折り曲げ部を形成する際に、多孔質のニッケル基板を押圧によって形成することで、基板内の空隙部を潰して活物質が入り込まないようにするとよい。なお、電極とプレートとは固着せずともよいし、電極の折り曲げ部とプレートとを溶着してもよいし、電極の折り曲げ部周辺とプレートとを溶着してもよい（ＣＬ６）。
【００２１】
本発明に係る二次電池は、前記導電性のプレートがニッケルめっき鋼板であることが好ましい。この構成によれば、プレートにニッケルめっき鋼板を使用することで、導電性かつ耐アルカリ性で、薄く成形しても所定の強度を保つことができる。なお、プレートは集電体の対向方向に付加される圧力に耐えうる強度が必要となるが、プレートが厚すぎると電池のエネルギー密度の観点から好ましくない（ＣＬ７）。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明に係る二次電池によれば、電極の膨張／収縮による電池への影響を抑えることができ、電極と集電体との導通を維持し、電池性能の低下を抑制することができる。これにより、電池の長寿命化を図るとともに、信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次電池を用いた電池モジュールを示す部分破断側面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る二次電池の部分破断斜視図である。
【図３】（ａ）は図２の部分破断平面図である。（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。（ｃ）は電極体と集電体との間に緩衝部材を介在させた図である。
【図４】図２の二次電池に用いられる正極群の構造を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は図４の正極群の正面図である。（ｂ）〜（ｆ）は正極群の変形例を示す正面図である。
【図６】図５（ｃ）〜（ｆ）の正極群の製造工程を示すフロー図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る二次電池の正極群の保持構造を示す説明図である。
【図８】従来の二次電池における正極の膨張／収縮の状態を示す説明図である。（ａ）は正極が通常の状態、（ｂ）は正極が膨張した状態、（ｃ）は正極が収縮した状態である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づき説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。
【００２５】
（電池モジュールの構造）
図１に示すように、電池モジュールＭは、ニッケル水素二次電池である二次電池Ｃが、その厚み方向（Ｚ方向）に複数個（本実施形態では３０個）積層され、これを囲む側面板１１と圧縮板１２とを備え、これらが絶縁素材からなるケーシング１０によって覆われている。また、側面板１１と圧縮板１２とケーシング１０とがボルトまたはネジによって締結され、３０個の二次電池Ｃが積層方向（Ｚ方向）に押し付けられた状態で保持される。なお、二次電池Ｃは、正極集電体７の電池外側に露出した面が正極端子面、負極集電体８の電池外側に露出した面が負極端子面として機能し、隣り合う二次電池Ｃの正極端子面と負極端子面とが導電性の放熱板１３を介して電気的に接続される。
【００２６】
（二次電池の構造）
図２に示すように、二次電池Ｃは、絶縁性の矩形の枠形部材６と、枠形部材６を覆うようにＺ方向に対向して配置された平板状の正極集電体７および負極集電体８と、によって角形のセル５が形成されている。セル５の内方には、一対の短冊状の正極２ａとニッケルめっき鋼板からなる短冊状のプレート２ｂとで構成された正極群２と、負極活物質を含む短冊状の負極３と、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ４と、で構成される電極体１が電解液と共に収納されている。なお、正極２ａとプレート２ｂとで構成された正極を、通常の正極との違いを明確にするため、正極群と呼ぶこととする。
【００２７】
なお、本実施形態において、正極２ａには多孔質の発泡ニッケルやニッケル焼結体からなる基板を用い、これに水酸化ニッケルを主とする正極活物質を含浸する。また、負極３にはニッケルめっきを施した鋼板に多数の孔を形成したパンチングメタルからなる基板を用い、これに水素吸蔵合金を主とする負極活物質を含浸する。また、セパレータ４には、ポリプロピレン系の不織布からなる親水性のセパレータを用いる。また、電解液にはアルカリ系水溶液を用いる。また、正極集電体７および負極集電体８は、ニッケルめっきを施した鋼板を用いる。
【００２８】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、電極体１は、プレート２ｂが一対の正極２ａに挟持された正極群２と負極３とが、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ４を介して、両集電体７、８の対向方向（Ｚ方向）に直交するＸ方向に、交互に積層された状態で配置される積層構造を有する。また、正極群２は、プレート２ｂが一対の正極２ａに挟持され、正極２ａの幅方向（Ｚ方向）の両端からプレート２ｂが突出して構成されている。なお、正極２ａとプレート２ｂとは固着されておらず、両側からの押圧によって導通されている。また、プレート２ｂの一方端部が正極集電体７に接触し、正極群２と正極集電体７とが導通している。また、負極３の一方端部が負極集電体８に接触して、負極３と負極集電体８とが導通している。また、二次電池Ｃにおいて、正極群２および負極３と、正極集電体７および負極集電体８との導通は、金属屑のような異物の混入の防止および工程の簡略化のために溶接は行わず、セパレータ４の張力による押しつけによって確保されている。
【００２９】
なお、図３（ｃ）に示すように、電極体１と、正極集電体７および負極集電体８との間
に、それぞれ導電性のシート状緩衝部材９を介在させてもよい。緩衝部材９を介在することで、正極群２および正極集電体７と、負極３および負極集電体８とを確実に接触させることができ、これらの導通をより向上させることができる。また緩衝部材９によって、正極群２および負極３の寸法のばらつきなどに起因する接触圧のばらつきを抑制できる。これにより、電池性能をさらに向上することができる。
【００３０】
ところで、前述のように、二次電池は充放電によって、正極および負極が膨張／収縮を繰り返す。図８に示すように、従来の二次電池では、正極および負極の膨張／収縮の際にセパレータを引っ張り、長期的にはセパレータにクリープが生じるおそれがある。セパレータにクリープが生じると、セパレータの張力が減少する。これによって、正極および負極と、正極集電体および負極集電体との接触圧が低下すると、十分な電池性能を得られない場合がある。
【００３１】
一方、本実施形態の二次電池Ｃのように、正極群２が正極２ａからプレート２ｂを突出した構造とすると、充放電による正極２ａの膨張／収縮をプレート２ｂの突出部分が吸収できる。これにより、正極２ａの膨張／収縮によるセパレータ４や正極集電体７への影響を抑制して、電池性能の低下を抑えることができ、電池の長寿命化を図ることができる。
【００３２】
また、正極２ａとプレート２ｂとは固着されておらず、セパレータ４の押圧によって導通されるのみであるため、正極２ａの膨張／収縮が正極２ａの幅方向（Ｚ方向）にスムーズに行える。
【００３３】
なお、本実施形態においては、比較的膨張／収縮率の高い正極２ａにのみプレートを用いた構造をとっているが、負極３にこの構造を用いてもよく、正極２ａおよび負極３双方にこの構造を用いてもよい。
【００３４】
（正極の構造および変形例）
以下、本実施形態に係る二次電池Ｃの正極群２の構造およびその変形例について説明するが、この構造は負極３にも同様に適用することができる。
（１）図４および図５（ａ）に示すように、二次電池Ｃの正極群２は、一対の正極２ａにプレート２ｂが挟持されてなる。具体的には、短冊状の正極２ａに、幅寸法が１％〜５％程大きい短冊状のプレート２ｂが挟持され、両端部からプレート２ｂが突出した構造となっている。
【００３５】
（２）次に、正極群２の変形例について説明する。同様の部材については同一の符号とする。図５（ｂ）に示すように、正極群２は、プレート２ｂが正極２ａの一方端部から突出する構造としてもよい。また、正極２ａとプレート２ｂとは一部を溶着等により固着してもよい。なお、全面を固着すると、正極活物質の膨張／収縮がプレート２ｂに伝わり、接触圧力が変動してしまう。
【００３６】
（３）図５（ｃ）に示すように、正極群２’は、正極２ａ’を幅方向の中心から長手方向に沿って折り曲げ、プレート２ｂを挟み込む構造としてもよい。また、正極２ａ’の折り曲げ部には正極活物質を含浸しないよう構成する。これにより、正極２ａ’を折り曲げやすくなるほか、折り曲げ部を緩衝部材の如く利用することができる。また、図５（ｄ）に示すように、正極群２’は逆の向きに配置してもよい。また、図５（ｃ）（ｄ）に示す正極群２’のように正極２ａ’とプレート２ｂとは固着せずともよいし、図５（ｅ）、（ｆ）に示す正極群２’のように正極２ａ’とプレート２ｂとの一部を溶着等により固着してもよい。
【００３７】
（４）なお、図５（ｃ）〜（ｆ）に示す正極群２’の製造は、次のように行うとよい。図６に示すように、まず、内部に空隙を有する正極２ａ’の基板を幅方向中心に、長手方向に沿った折り曲げ溝を押圧によって形成する。この押圧によって、折り曲げ溝における正極２ａ’の基板内の空隙部が潰される（ＩＩ）。その後、正極２ａ’の基板に正極活物質を塗着または含浸して、空隙部に正極活物質を含める。このとき、折り曲げ溝においては、空隙部があらかじめ潰されているため正極活物質が入り込まない（ＩＩＩ）。続いて、プレート２ｂを折り曲げ溝に挟み込むように配し（ＩＶ）、正極２ａ’を折り曲げ溝に沿って折り畳んで、折り曲げ部を有する正極群２’が完成する（Ｖ）。なお、図５（ｅ）や（ｆ）に示す正極群２’の場合は、プレート２ｂと正極２ａ’との一部を超音波溶接（Ｗｅｌｄ）等により溶着する。
【００３８】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。特に、本発明の電極の積層構造は、正極のみならず負極にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  電極体
２，２’  正極群
２ａ，２ａ’  正極
２ｂ  プレート
３  負極
４  セパレータ
５  角形セル
６  枠形部材
７  正極集電体
８  負極集電体
９  緩衝部材
１０  ケーシング
１１  側面板
１２  圧縮板
１３  放熱板
Ｃ  二次電池
Ｍ  電池モジュール
【図１】
0005809044.tif 000002
【図２】
0005809044.tif 000003
【図３】
0005809044.tif 000004
【図４】
0005809044.tif 000005
【図５】
0005809044.tif 000006
【図６】
0005809044.tif 000007
【図７】
0005809044.tif 000008
【図８】
0005809044.tif 000009