(57)【要約】【課題】耐衝撃性および耐振動性に優れた電池を提供する。【解決手段】電池１は、正極板１９Ａと負極板１９Ｂとをセパレータを介して積層または巻回してなる発電要素８と、電解液と、発電要素８を電解液に浸した状態で収容するケース２と、を備える。本発明は、発電要素８とケース２の内壁２Ａとの間に電解液により膨張する材料からなる緩衝材１０を配置したところに特徴を有する。緩衝材１０を配置することにより耐衝撃性および耐振動性に優れた電池１を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板と負極板とをセパレータを介して積層または巻回してなる発電要素と、電解液と、前記発電要素を前記電解液に浸した状態で収容するケースと、を備える電池であって、
前記発電要素と前記ケースの内壁との間に前記電解液により膨張する材料からなる緩衝材を配置したことを特徴とする電池。
【請求項２】
前記緩衝材は、前記発電要素の端面と前記ケースの内壁との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記正極板および前記負極板の少なくとも一方は、端部に活物質が塗布されていない活物質未塗布部を有するとともに、前記活物質未塗布部が前記発電要素の端部に配され、
前記緩衝材は、前記発電要素の端面と前記活物質未塗布部を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池。
【請求項４】
前記緩衝材が、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデンとポリスチレンとの混合樹脂からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、正極板と負極板とをセパレータを介して積層または巻回してなる発電要素と、電解液と、発電要素を電解液に浸した状態で収容するケースと、を備える電池としては、例えば特許文献１に記載の電池などが知られている。
この電池において、正極板は電池の側方に延出されて正極集電体に接合され、負極板は反対側の側方に延出されて負極集電体に接合された状態で、電解液に浸されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の電池においては、特許文献１の図３に示すように、ケースと発電要素との間に隙間があるため、電池が衝撃や振動を受けることで、発電要素が移動することがある。このように、発電要素が移動してケース内壁などに衝突すると、極板と集電体との接合部が切れたり、極板の破損や変形、極板からの活物質の脱落などによる抵抗の上昇や内部短絡の発生が懸念される。
【０００５】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、耐衝撃性および耐振動性に優れた電池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】
【０００６】
上記課題を解決するものとして、本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して積層または巻回してなる発電要素と、電解液と、前記発電要素を前記電解液に浸した状態で収容するケースと、を備える電池であって、前記発電要素と前記ケースの内壁との間に前記電解液により膨張する材料からなる緩衝材を配置するところに特徴を有する。
【０００７】
本発明においては、例えば、発電要素の外面のうち、ケース内壁に対向する位置に緩衝材を取り付けてからケース内に収容し、電解液を注入すると、緩衝材が電解液により膨張して、発電要素とケースの内壁との間に配置される。そして、このようにして配置された緩衝材により、発電要素は、ケース内壁との間に間隔をあけた状態で保持され、電池が衝撃や振動を受けたとしても、極板と集電体との接合部が切れたり、極板の破損するなどの問題が発生しにくくなる。
その結果、本発明によれば、耐衝撃性および耐振動性に優れた電池を提供することができる。
【０００８】
また、本発明において使用する緩衝材は、ケース内において、電解液に浸された状態となってから膨張するので、ケースに収容する前の体積は、ケース内で膨張した後の体積よりも小さい状態である。つまり、緩衝材の体積は、ケースに収容する作業を行うときには、ケース内における緩衝材の収容スペースの容積よりも小さい状態であるので、緩衝材をケース内に収容する作業を円滑に行うことができる。
【０００９】
本発明は以下の構成であってもよい。
前記緩衝材は、前記発電要素の端面と前記ケースの内壁との間に配置されていてもよい。
【００１０】
ケース内において、発電要素は、極板の積層方向あるいは極板の巻回方向においては電解液を吸収して膨張するので、ケース内に発電要素を収容し電解液を注液するだけで、発電要素の外周面とケース内壁とが接触状態となり、発電要素とケース内壁との衝突の問題は生じにくい。
しかしながら、発電要素は、極板の積層方向に垂直な方向や、巻回方向に垂直な方向（巻回軸方向）においては、電解液を吸収しても膨張しにくいため、ケース内に収容した発電要素に電解液を注液した後においても、発電要素の端面（極板の端面が配される面）とケース内壁との間には隙間が空いている。そこで、上記のような構成とすると、緩衝材が、発電要素の膨張しにくい方向に配される面とケース内壁面との間に配置されるから、電池が衝撃や振動を受けたとしても、緩衝材により衝撃や振動の影響を確実に緩和することができる。
【００１１】
前記正極板および前記負極板の少なくとも一方は、端部に活物質が塗布されていない活物質未塗布部を有するとともに、前記活物質未塗布部が前記発電要素の端部に配され、前記緩衝材は、前記発電要素の端面と前記活物質未塗布部を覆うように配置されていてもよい。
活物質が塗布されている部分においてケースとの間に空間がなくても、活物質が塗布されていない未塗布部においては、ケースとの間に空間が生じる可能性があるが、上記のような構成とすると、このような空間にも緩衝材が配置されるので、耐衝撃性および耐振動性に優れる。
【００１２】
前記緩衝材が、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデンとポリスチレンとの混合樹脂からなる構成であってもよい。
このような構成とすると、緩衝材がリチウムイオン二次電池において用いられる非水電解液中で膨張しやすいものとなり、好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、耐衝撃性および耐振動性に優れた電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１の電池を模式的に示した一部断面図
【図２】ケースに収容する前の発電要素を示した斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜実施形態１＞
本発明をリチウムイオン電池１に適用した実施形態１を図１および図２によって説明する。
本実施の形態の電池１は、図１に示すように、上方に開口した略直方体状のケース２内に、発電要素８と図示しない電解液を備える。
【００１６】
ケース２の開口部分２Ｂには、当該開口部分２Ｂをふさぐ平板状の蓋部３が取り付けられている。蓋部３は金属材料からなるともに、図１および図２に示すように、ケース２の開口部分２Ｂに対応した長方形状をなしている。蓋部３の上面には、２つの電極端子４Ａ，４Ｂ（正極端子４Ａ、負極端子４Ｂ）が樹脂製の支持部５に支持された状態で取り付けられており、２つの電極端子４Ａ，４Ｂの間には電解液をケース２内に注液する注液口６が設けられている。
【００１７】
各電極端子４Ａ，４Ｂは図２に示すように、略Ｕ字状をなしており、その先端部には、隣り合う電池（図示せず）の電極端子４と電気的に接続するためのバスバーなどが取り付け可能とされる。
【００１８】
各電極端子４Ａ，４Ｂは蓋部３および支持部５を貫通してケース２内に配される集電体７Ａ，７Ｂと連なっている。つまり、本実施形態において、正極端子４Ａは正極集電体７Ａと一体的に形成されており、負極端子４Ｂは負極集電体７Ｂと一体的に形成されている。本実施形態では、図１において左側に配されている電極端子４Ａおよび集電体７Ａをそれぞれ正極端子４Ａおよび正極集電体７Ａとし、図示右側に配されている電極端子４Ｂおよび集電体７Ｂをそれぞれ負極端子４Ｂおよび負極集電体７Ｂとする。正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂを総括する場合には電極端子４とし、正極集電体７Ａおよび負極集電体７Ｂを総括する場合には集電体７とする。
【００１９】
正極集電体７Ａ及び正極端子４Ａは、例えばアルミニウムなどの金属製材料からなり、負極集電体７Ｂ及び負極端子４Ｂは例えば銅などの金属製材料からなる。集電体７および電極端子４は金属板材を所定の形状に打ち抜き加工あるいは所定の形状に切削加工した後、集電体７部分及び電極端子４部分を図２に示す形状に折り曲げ加工することにより得られる。
【００２０】
集電体７および電極端子４を一体的に備える部材は、例えば金属−樹脂接合により蓋部３に取り付けることができる。この金属−樹脂接合は、金属と樹脂とを強固に接合させる技術であり、例えば金属表面を表面処理して微少な凹部を形成し、その表面処理した金属を金型内に配置して樹脂を射出成形する。具体的には、集電体７および電極端子４を一体的に備える部材、及び、蓋部３に対して上述の表面処理を施した後、電極端子４を蓋部３の孔（図示せず）に通し、金型中に図２で示す姿勢で配置する。そして、前記金型に樹脂を射出成形することで、図２に示す構造の電極端子４が取り付けられた蓋部３が得られる。
【００２１】
ケース２の内部には、発電要素８と集電体７が電解液に浸された状態で収容されている。発電要素８は、帯状の正極板１９Ａと帯状の負極板１９Ｂとをセパレータ（図示せず）を介して巻回してなる。詳細は図示しないが、正極板１９Ａには正極活物質が塗布されており、負極板１９Ｂには負極活物質が塗布されている。正極板１９Ａは図１に示すように、図示左側に延出され、その延出端は正極活物質の塗布されていない活物質未塗布部９Ａ（図示帯状部分）であり、正極集電体７Ａが溶接により接合されている。負極板１９Ｂは図１に示すように、図示右側に延出され、その延出端は負極活物質の塗布されていない活物質未塗布部９Ｂ（図示帯状部分）であり、負極集電体７Ｂが溶接により接合されている。
【００２２】
正極板１９Ａとしては、例えばアルミニウム箔などの金属箔を用いることができ、正極活物質としては、リチウムやマンガンなどを含むリチウム複合酸化物など、リチウムイオン電池の正極活物質として公知のものを用いることができる。
【００２３】
負極板１９Ｂとしては、例えば銅箔などの金属箔を用いることができ、負極活物質としては、リチウム金属、リチウムを吸臓・放出可能な物質であるリチウム−アルミニウム合金、リチウム−鉛合金、リチウム−錫合金などのリチウム合金、黒鉛、コークス、有機物焼成体、非晶質炭素などの炭素材料など、リチウムイオン電池の負極活物質として公知のものを用いることができる。
【００２４】
電解液としては、リチウムイオン電池の電解液（非水電解液）として公知のものを用いることができる。
【００２５】
非水電解液の非水溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル類、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等の環状エーテル類、ジメトキシエタン、ジメトキシメタン等の鎖状エーテル類、リン酸エチレンメチル、リン酸エチルエチレン等の環状リン酸エステル、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等の鎖状リン酸エステル、これらの化合物のハロゲン化物などを使用することができる。これらの有機溶媒は、一種類だけを選択して使用してもよいし、二種類以上を組み合わせて用いてもよい。
【００２６】
非水電解液の溶質としては、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４等の無機リチウム塩や、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２ ）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２ ）２ 、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＯ）およびＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２ ）３等の含フッ素有機リチウム塩等を挙げることができる。これらの溶質は、一種類だけを選択して使用してもよいし、二種類以上を組み合わせて用いてもよい。
【００２７】
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン製微多孔膜など、リチウムイオン電池のセパレータとして公知のものを用いることができる。
【００２８】
本実施形態において、発電要素８は各極板１９Ａ，１９Ｂの端面を図１に示す左右に配置した状態で配されている。極板１９Ａ，１９Ｂの端面が配されている発電要素８の左端面８Ａとケース２の内壁２Ａとの間および発電要素８の右端面８Ａとケース２の内壁２Ａとの間には、それぞれ、電解液により膨張する材料からなる緩衝材１０が配置されている。
本実施形態においては緩衝材１０は、発電要素８の図１における左端部では、左側の端面８Ａと活物質未塗布部９Ａを覆うように配置され、かつ、発電要素８の図１における右端部では、右側の端面８Ａと活物質未塗布部９Ｂを覆うように配置されている。
【００２９】
緩衝材１０としては、電解液により膨張する材料からなるものであればよく、その形状は、シート状であっても、繊維状などであっても構わない。緩衝材１０の材料の具体例としては、アクリロニトリル系樹脂，メチルメタアクリレート系樹脂，ポリフッ化ビニリデン系樹脂，ポリエチレンオキサイド系樹脂，ポリスルホン系樹脂，エポキシ系樹脂，カルボキシメチルセルロース系樹脂等の樹脂、分子内に架橋構造を有する前記樹脂、ポリテトラフルオロエチレン，ポリイミド系樹脂，ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂などがあげられる。これらの材料は一種または二種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの材料のうち、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデンとポリスチレンとの混合樹脂は、リチウムイオン電池の電解液として用いられる非水電解液において膨張しやすいので好ましい。
【００３０】
上記緩衝材１０の材料には、例えば、ポリエステル系繊維、アクリル系繊維、ポリアミド系繊維、ポリビニル系繊維、ポリ塩化ビニル系繊維、ポリ塩化ビニリデン系繊維、セルロース系繊維などから選ばれる一種以上の繊維を混合してもよい。これらの繊維を混合すると、緩衝材１０がより膨れやすくなるので、好ましい。
【００３１】
緩衝材１０を配置する際には、発電要素８の外面のうち、ケース２の内壁２Ａと対向する位置（本実施形態では発電要素８の端面８Ａ）に、緩衝材１０を、例えば接着剤または接着テープなどにより貼りつけた状態としてケース２内に挿入する。緩衝材１０を貼り付けた発電要素８をケース２内に収容した後に、電解液を注入すると、緩衝材１０が電解液により膨張してケース２の内壁２Ａと発電要素８の端面８Ａとの間に配置される。このようにして本実施形態の電池１が得られる。
【００３２】
そして、本実施形態の電池１においては、電解液の注入により、発電要素８が電解液を吸収して極板１９Ａ，１９Ｂの巻回方向に膨張するので、発電要素８の面のうち、図１における手前側の広い面８Ｂと、この面に対向する奥側の広い面８Ｂは、ケース２の内壁２Ａの一対の長側面（ケース２の側面のうち面積の広い面）と接触状態となる。
【００３３】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。
本実施形態においては、発電要素８とケース２の内壁２Ａとの間に、電解液により膨張する緩衝材１０を配置するから、この緩衝材１０により発電要素８が、ケース２の内壁２Ａとの間に間隔をあけた状態で保持される。その結果、本実施形態によれば、電池１が衝撃や振動を受けたとしても、極板と集電体７との接合部が切れたり、極板の破損するなどの問題が発生しにくくなるので、耐衝撃性および耐振動性に優れた電池１を提供することができる。
【００３４】
ところで、発電要素８とケース２の内壁２Ａとの衝突を防止するために発電要素８とケース２の内壁２Ａとの間に形成される隙間部分全体に緩衝材１０を配置することも考えられる。上述したように、本実施形態の電池１においては、電解液の注入により、発電要素８が電解液を吸収して極板の巻回方向に膨張するので、発電要素８の面のうち、図１における手前側の広い面８Ｂと、この面に対向する奥側の広い面８Ｂとは、ケース２の内壁２Ａの一対の長側面と接触状態となるので、緩衝材１０を配置しなくても、衝突の問題は生じにくい。しかしながら、電解液を注入しても、発電要素８は巻回軸方向においては膨張しにくい。
【００３５】
そこで、本実施形態では、電解液により膨張しにくい方向に配される発電要素８の端面８Ａと、ケース２の内壁２Ａとの間にのみ緩衝材１０を配置している。その結果、本実施形態によれば、緩衝材１０の使用量を少なくしつつ、衝撃や振動の影響を確実に緩和することができる。
【００３６】
また、本実施形態において使用する緩衝材１０は、ケース２内において、電解液に浸された状態となってから膨張するので、ケース２に収容する前の体積は、ケース２内で膨張した後の体積よりも小さい状態である。つまり、緩衝材１０の体積は、ケース２に収容する作業を行うときには、ケース２内における緩衝材１０の収容スペースの容積よりも小さい状態であるので、本実施形態によれば、緩衝材１０をケース２内に収容する作業を円滑に行うことができるという効果も得られる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、活物質未塗布部９Ａ，９Ｂが発電要素８の両端部に配され、緩衝材１０は、発電要素８の右側の端面８Ａと活物質未塗布部９Ａおよび、発電要素８の左側の端面８Ａと活物質未塗布部９Ｂを覆うように配置されているから、活物質未塗布部９Ａ、９Ｂとケース２の内壁との間に空間があったとしてもその空間に緩衝材１０が配置されるので、耐衝撃性および耐振動性に優れる。
【００３８】
＜実施例＞
以下、実施例および比較例により本発明を詳しく説明する。
（実施例１の電池の作製）
実施形態１で説明した形態の電池を以下の手順により作製した。
アルミニウム製の蓋部に、アルミニウム製の金属板材を加工して得られた正極端子および正極集電体が一体化した部材と、銅製の金属板材を加工して得られた負極端子および負極集電体が一体化した部材とを取り付けた部材に支持部を設けて蓋部材を作製した。
【００３９】
帯状のアルミニウム箔にコバルト酸リチウムおよびマンガン酸リチウムからなる正極活物質を塗布してなる正極板と、帯状の銅箔にグラファイトからなる負極活物質を塗布してなる負極板とを、ポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを介して巻回して発電要素を作製した。
【００４０】
蓋部材を構成する正極集電体と負極集電体に、発電要素を構成する正極板の端部と負極板の端部をそれぞれ溶接し接合した。
【００４１】
発電要素の２つの端面にそれぞれ、シート状のポリスチレン樹脂が配置されるようにケース内に挿入し蓋部をケースの開口部分に接合し、非水電解液を注液口から注液することにより実施例１の電池を作製した。
非水電解液としては  ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびエチレンカーボネートで構成された電解液を用いた。
【００４２】
（比較例１の電池の作製）
ケースにポリスチレン樹脂を挿入しなかったこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の電池を作製した。
【００４３】
（評価試験）
実施例１の電池および比較例１の電池のそれぞれについて、予め電圧を測定しておき、下記の方法により、振動試験を行った。
各電池を振動が直接伝わるように振動試験機に固定し、振動試験をおこなった。振動試験の条件は以下とした。振動は正弦波形の対数掃引とし、振動数７Ｈｚ→２００Ｈｚ→７Ｈｚを１５分で掃引、このセットをＸＹＺの３方向に各１２回繰り返した。対数掃引は７Ｈｚから１８Ｈｚに達するまで、ピーク加速度を１ｇｎに維持した。その後振幅を０．８ｍｍに保ちピーク加速度が８ｇｎとなるまで振動を増加した。その後振動が２００Ｈｚに上がるまで、８ｇｎのピーク加速度を維持した。
【００４４】
（結果と考察）
実施例１の電池については、振動試験後に電圧の低下は生じなかったが比較例１の電池については、振動試験後に、電圧の低下が生じた。
実施例１の電池については、振動試験後において、集電体と発電要素の溶接部の接合状態が保持されており、極板の変形や粉落ちが認められなかった。
比較例１の電池については、振動試験後において、集電体と発電要素の溶接部が一部切れており、極板の変形および粉落ちが認められた。
【００４５】
以上の結果から、本発明によれば、耐振動性に優れた電池が得られるということが確認された。
【００４６】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態ではリチウムイオン電池に適用した例を示したが、本発明は、ニッケル水素電池などの二次電池や、各種一次電池に適用することが可能である。
（２）上記実施形態では、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回してなる発電要素を示したが、正極板と負極板とをセパレータを介して積層してなる発電要素であってもよい。
（３）上記実施形態では緩衝材を発電要素の端面とケース内壁との間に配置した電池を示したが、緩衝材を、発電要素の端面以外の外面とケース内壁との間や、発電要素の外面とケース内壁との間に形成される隙間部分の全域に配置してもよい。また、緩衝材を発電要素の端面とケース内壁との間の空間に部分的に配置してもよい。
（４）上記実施例では、正極板としてアルミニウム箔を備えるものを示し負極板として銅箔を備えるものを示したが、本発明をリチウムイオン電池に適用する場合でっても、極板の材料はこれに限定されない。
（５）上記実施形態では、発電要素の両端部において、端面と活物質未塗布部を覆うように配置された緩衝材を示したが、緩衝材は活物質未塗布部を覆っていなくてもよい。また、緩衝材は、発電要素の一方の端部において、発電要素の端面と活物質未塗布部を覆うように配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１...電池
２...ケース
２Ａ...ケースの内壁
４...電極端子
４Ａ...正極端子
４Ｂ...負極端子
８...発電要素
８Ａ...発電要素の端面
９Ａ...（正極板の）活物質未塗布部
９Ｂ...（負極板の）活物質未塗布部
１０...緩衝材
１９Ａ...正極板
１９Ｂ...負極板
【図１】
2013077465.tif 000003
【図２】
2013077465.tif 000004