(57)【要約】【課題】簡単な構造によって、電極群のたわみを低減し、サイクル特性を改善することができる角形二次電池を得ること。【解決手段】本発明の角形二次電池１は、電極板４０、３０が扁平状の軸芯１０に捲回された電極群２０を有している。軸芯１０は、合成樹脂材料からなる基体１１と、基体１１よりも剛性の高い材料からなり、基体１１に沿って軸芯２０の捲回軸方向と扁平厚さ方向にそれぞれ直交する捲回幅方向に延在する補剛部材８０とを有している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極板が扁平状の軸芯に捲回された電極群を有する角形二次電池であって、
前記軸芯は、
合成樹脂材料からなる基体と、
該基体よりも剛性の高い材料からなり、前記基体に沿って前記軸芯の捲回軸方向と扁平厚さ方向にそれぞれ直交する捲回幅方向に延在する補剛部材と、
を有することを特徴とする角形二次電池。
【請求項２】
前記補剛部材は、前記基体の捲回軸方向一方端部と他方端部との間の中間位置に介在されて、前記基体の捲回幅方向一方端部と他方端部との間に亘って延在する第１の補剛部材を有することを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
【請求項３】
前記補剛部材は、前記基体の捲回軸方向一方端部と他方端部にそれぞれ設けられた一対の第２の補剛部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の角形二次電池。
【請求項４】
前記電極群は、前記電極板の捲回軸方向両端部を扁平厚さ方向に２つに分けてそれぞれ束ねた構成を有しており、
前記一対の第２の補剛部材は、前記基体の捲回軸方向一方端部と他方端部にそれぞれ着脱可能に係合されていることを特徴とする請求項３に記載の角形二次電池。
【請求項５】
前記基体は、互いに捲回幅方向に離反して前記捲回軸方向一方端部と他方端部からそれぞれ捲回軸方向に沿って突出する一対の軸芯凸部を有し、
前記第２の補剛部材は、互いに捲回幅方向に離反して突出する一対の軸芯凸部の間に挿入することによって前記各軸芯凸部にそれぞれ係合する一対の係合凹部を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の角形二次電池。
【請求項６】
前記第１の補剛部材は、前記捲回軸方向に所定間隔をおいて複数設けられていることを特徴とする請求項２に記載の角形二次電池。
【請求項７】
前記補剛部材は、金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車載用途等に使用される角形二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車等の動力源として、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、充電により電極板の活物質層が膨張して、電極板が捲回された電極群にたわみが発生すると、サイクル特性の劣化が起こることが知られている。この対策として、電極板を捲回して扁平状の電極群を形成する際に、電極板の巻き取り状態を緩める技術が開示されている (特許文献１)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2006-164956号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されている技術は、作業が複雑であり、安定して電極板間に隙間を設けることは困難であった。そして、電極群が合成樹脂製の扁平状の軸芯を有する場合、充電により電極板の活物質層が膨張し、発熱して高温になると、軸芯が変形して、電極群のたわみを増大させるおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造によって、電極群のたわみを低減し、サイクル特性を改善する角形二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の角形二次電池は、電極板が扁平状の軸芯に捲回された電極群を有する角形二次電池であって、軸芯は、合成樹脂材料からなる基体と、該基体よりも剛性の高い材料からなり、前記基体に沿って前記軸芯の捲回軸方向と扁平厚さ方向にそれぞれ直交する捲回幅方向に延在する補剛部材とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の角形二次電池によれば、補剛部材によって軸芯の捲回幅方向の剛性を向上させることができる。したがって、軸芯の変形を抑制して電極群のたわみを低減し、サイクル特性を改善することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施の形態に係わる角形二次電池の外観斜視図。
【図２】第１実施の形態に係わる角形二次電池の分解斜視図。
【図３】第１実施の形態に係わる角形二次電池の電極群を示す斜視図。
【図４】第１実施の形態に係わる角形二次電池の軸芯を示す平面図。
【図５】第１実施の形態に係わる角形二次電池の軸芯の要部を拡大して断面で示す図。
【図６】第１実施の形態に係わる角形二次電池の電極群の断面図。
【図７】第２実施の形態に係わる角形二次電池の軸芯を示す平面図。
【図８】第２実施の形態に係わる電極群の要部を拡大して示す斜視図。
【図９】第３実施の形態に係わる角形二次電池の軸芯を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１実施の形態］
以下、本実施の形態について、角形のリチウムイオン二次電池の場合を例として図面を用いて詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本実施の形態に係わる角形二次電池の外観斜視図、図２は、本実施の形態に係わる角形二次電池の分解斜視図である。
【００１１】
角形二次電池１は、角形のリチウムイオン二次電池であり、電池容器７８内に発電要素である電極群２０を収容した構成を有している。電池蓋７５で封止された電池容器７８を電池外装容器と呼ぶ。この電池外装容器は、一対の幅広側面ＰＷと、一対の幅狭側面ＰＮと、底面ＰＢと、電池蓋７５とで直方体形状の扁平角形容器を構成する。
【００１２】
電池蓋７５には、ガス排出弁７７が設けられている。電池容器内の圧力が上昇すると、ガス排出弁７７が開いて内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。そして、電池蓋７５には、電池容器７８内に電解液を注入する注液口７６が穿設されている。注液口７６は、電解液注入後に注液栓７９によって封止される。注液栓７９は、電池蓋７５に溶接される。電解液は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の体積比１：１：１の混合溶液中に六フッ化リン酸リチウムを１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解したものを用いる。
【００１３】
電池蓋７５には、正極側の外部端子７３と負極側の外部端子７１が配設されている。正極側の外部端子７３には正極側の接続板７４が接続され、負極側の外部端子７１には負極側の接続板７２が接続されている。正極側の接続板７４と負極側の接続板７２に電極群２０が接続されて、電池蓋７５のサブアッセンブリを形成する。この電池蓋７５のサブアッセンブリを絶縁シート９０で覆って電池容器７８内に挿入する。
【００１４】
電池容器７８、電池蓋７５は、共にアルミニウム合金で製作されている。正極側の接続板７４、外部端子７３はアルミニウム合金で製作され、負極側の接続板７２、外部端子７１は銅合金で製作されている。外部端子７３，７１を介して外部負荷に電力が供給され、あるいは、外部端子７３，７１を介して外部発電電力が電極群２０に充電される。
【００１５】
図３は、本実施の形態に係わる角形二次電池の電極群を示す斜視図である。
電極群２０は、平板形状を有する軸芯１０の周りに電極板である負極板３０と正極板４０を捲回することによって構成されており、断面が長円形となる扁平状を有している。電極群２０は、軸芯１０の周りにセパレータ６０を捲回したのち、負極板３０、セパレータ６０、正極板４０、セパレータ６０の順に扁平状に捲回される。電極群２０の最外周となる電極板は、負極板３０であり、さらにその外側にセパレータ６０が捲回される。セパレータ６０は、正極板４０と負極板３０と間に介在されて両者間を絶縁する役割を有している。
【００１６】
正極板４０は、正極金属箔の両面に正極合剤層４１を有している。負極板３０は、負極金属箔の両面に負極合剤層３１を有している。負極合剤層３１は、正極合剤層４１よりも捲回軸方向に大きい寸法に設定されており、正極合剤層４１と負極合剤層３１をセパレータ６０を間に介して互いに重ね合わせた状態で、正極合剤層４１が必ず負極合剤層３１に挟まれて負極合剤層３１の捲回軸方向の範囲内に収まるように構成されている。
【００１７】
正極板４０と負極板３０は、正極金属箔が露出した正極集電部４２と、負極金属箔が露出した負極集電部３２とが、捲回軸方向一方側と他方側に離れて配置されるように捲回される。正極集電部４２と負極集電部３２は、電極群２０の平面部でそれぞれ束ねられて接続板７４、７２に溶接等により接続される。本実施の形態では、正極集電部４２は、電極群２０の捲回軸方向一方端部の平面部で電極群２０の厚さ方向（Ｚ方向）に２つに分けて束ねられており（例えば図８を参照）、正極側の二股に分かれた一対の接続板７４にそれぞれ超音波溶接により接合される。同様に、負極集電部３２は、電極群２０の捲回軸方向他方側の平面部で電極群２０の厚さ方向（Ｚ方向）に２つに分けて束ねられており、負極側の二股に分かれた一対の接続板７２にそれぞれ超音波溶接により接合される。尚、セパレータ６０は幅方向で負極合剤層３１よりも広いが、正極集電部４２，負極集電部３２で金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。
【００１８】
正極板４０を得るために、正極活物質としてマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ２Ｏ４）１００重量部に対し、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）を添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという。）を添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極金属箔）の両面に無地の正極金属箔露出部である正極集電部４２を残して塗布し、正極合剤層４１を形成した。その後、乾燥、プレス、裁断して、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極板４０を得た。
【００１９】
負極板３０を得るために、負極活物質として非晶質炭素粉末１００重量部に対して、結着剤として１０重量部のＰＶＤＦを添加し、これに分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を、厚さ１０μｍの銅箔（負極金属箔）の両面に負極金属箔露出部である負極集電部３２を残して塗布し、負極合剤層３１を形成した。その後、乾燥、プレス、裁断して、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極板３０を得た。
【００２０】
なお、本実施の形態では、負極活物質として非晶質炭素を例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料等でよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。また、本実施の形態では、結着材にＰＶＤＦを用いた例を示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレン／ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。
【００２１】
図４は、本実施の形態に係わる角形二次電池の軸芯を示す平面図である。
軸芯１０は、電極群２０の扁平形状に対応した平板形状を有している。軸芯１０は、平面視略矩形状を有しており、その捲回軸方向一方端部と他方端部は、捲回軸方向外側に向かって移行するにしたがって捲回幅方向に狭くなるようにテーパ状に形成されている。
【００２２】
そして、軸芯１０の捲回軸方向一方端部と他方端部には、互いに捲回幅方向に離反してそれぞれ捲回軸方向に沿って突出する一対の軸芯凸部１０ａが設けられている。軸芯凸部１０ａは、軸芯１０に正極板４０等を捲回する際に、捲回機（図示せず）に取り付ける保持部となる。
【００２３】
軸芯１０の矩形部分の外周には、正極板４０の正極合剤層４１に対応する部分と負極板３０の負極合剤層３１に対応する部分とが捲回され、軸芯１０の捲回軸方向一方側のテーパ部分及び軸芯凸部１０ａの外周には、正極板４０の正極集電部４２に対応する部分が捲回され、捲回軸方向他方側のテーパ部分及び軸芯凸部１０ａの外周には、負極板３０の負極集電部３２に対応する部分が捲回される。
【００２４】
軸芯１０は、例えばポリプロピレン樹脂等の合成樹脂材料からなる基体１１と、例えば金属などの基体１１よりも剛性の高い材料からなる補剛部材８０によって構成されている。補剛部材８０は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金及び、銅・銅合金またはニッケル・ニッケル合金などの金属材料からなる。
【００２５】
基体１１は、軸芯１０を構成するための基本形状を有しており、補剛部材８０は、基体１１に沿って軸芯１０の捲回軸方向（Ｘ方向）と扁平厚さ方向（Ｚ方向）にそれぞれ直交する捲回幅方向（Ｙ方向）に延在している。
【００２６】
補剛部材（第１の補剛部材）８０は、基体１１の捲回軸方向一方端部と他方端部との間の中間位置に介在されており、基体１１の捲回幅方向一方端部と他方端部との間に亘って設けられている。本実施の形態では、基体１１の捲回軸方向中央位置に介在されて、基体１１を捲回軸方向に二分しており、捲回軸方向一方側と他方側の基体部材１１Ａ、１１Ｂを互いに接合して一体化している。
【００２７】
図５は、本実施の形態に係わる角形二次電池の軸芯の要部を拡大して断面で示す図であり、図４のＡ−Ａ線断面矢視図である。図５では、基体部材１１Ａ、１１Ｂと補剛部材８０との接合部分の断面を捲回幅方向一方側から示している。
【００２８】
補剛部材８０は、捲回軸方向両側の接合端面にそれぞれ嵌合凹部が形成されている。基体部材１１Ａ、１１Ｂは、補剛部材８０との接合端面に嵌合凸部が形成されている。そして、補剛部材８０の一方の嵌合凹部に基体部材１１Ａの嵌合凸部を嵌合し、補剛部材８０の他方の嵌合凹部に基体部材１１Ｂの嵌合凸部を嵌合することによって、基体部材１１Ａ、１１Ｂを互いに接合し、軸芯１０を形成している。基体部材１１Ａ、１１Ｂと補剛部材８０とを接合する方法は、上記したものに限定されず、種々の変更が可能である。例えば、補剛部材８０に嵌合突部を設けて、基体部材１１Ａ、１１Ｂに嵌合凹部を設けてもよく、また、他の既知の接合方法を採用してもよい。
【００２９】
次に、図６を用いて、負極合剤層の膨張により軸芯が変形するメカニズムについて説明する。
【００３０】
電極群２０は、充電により負極合剤層３１が膨張すると、捲回厚さ方向である矢印Ａ方向に、電極群２０の平面部が膨らむ。正極板４０及び負極板３０は、中心部分が金属箔によって構成されているので、伸びる方向の変形は少なく、電極群２０の平面部が膨らんでも、電極群２０の外周の長さはほとんど変化しない。したがって、電極群２０は、捲回幅方向である矢印Ｂ方向に圧縮されることとなる。
【００３１】
例えば軸芯が合成樹脂のみによって構成されている場合には、捲回幅方向に圧縮する力によって軸芯が変形するおそれがあり、特に、高温時には変形しやすくなる。軸芯が変形すると、電極群２０の正極板４０と負極板３０の平行性が乱れて、いわゆるたわんだ状態となり、電極板間に隙間が生じて、抵抗の増大などの性能劣化を招く。
【００３２】
一方、本実施の形態によれば、基体１１よりも剛性の高い材料からなる補剛部材８０が、基体１１に沿って捲回幅方向に延在して設けられているので、軸芯１０の捲回幅方向の剛性を向上させることができ、高温時にも剛性が低下するのを防ぐことができる。したがって、捲回幅方向に圧縮する力に抗することができ、軸芯１０の変形を抑制して電極群２０のたわみを低減し、たわみに起因した電池性能の劣化を防止することができる。そして、高温による軸芯１０の変形を防ぎ、かつ電極群２０の膨張形状を制御することが可能となるため、高温時のサイクル特性を改善できる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、補剛部材８０を基体１１の捲回軸方向中央位置に介在させて設けた場合を例に説明したが、捲回軸方向一方端部と他方端部との間の中間位置に設けられていればよく、中央位置から捲回軸方向に偏位した位置に設けてもよい。また、本実施の形態では、基体１１を捲回軸方向に二分割して補剛部材８０により接合して一体化する場合を例に説明したが、必ず基体１１を分割する構成とするものではなく、例えば基体１１の平面部に捲回幅方向に沿って凹溝を形成し、かかる凹溝内に補剛部材８０を嵌合させた構成としてもよい。
【００３４】
［第２実施の形態］
次に、第２実施の形態について説明する。
図７は、本実施の形態に係わる角形二次電池の軸芯を示す平面図、図８は、第２実施の形態に係わる電極群の要部を拡大して示す斜視図である。なお、第１実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態において特徴的なことは、第１実施の形態の構成に加えて、基体１１の捲回軸方向一方端部と他方端部にそれぞれ補剛部材（第２の補剛部材）８１を設けたことである。
【００３６】
補剛部材８１は、捲回幅方向（Ｙ方向）に離間した一対の軸芯凸部１０ａの間に挿入されて両端が各軸芯凸部１０ａに当接した状態で取り付けられる。補剛部材８１は、基体１１よりも剛性の高い材料からなる補剛部材８０と同様の金属材料からなり、図８に示すように、略三角柱形状を有している。
【００３７】
電極群２０は、その捲回軸方向一方端部と他方端部に正極集電部４２と負極集電部３２をそれぞれ束ねたことにより略三角柱状の空間部が形成されており、この空間部に、補剛部材８１が収容される。補剛部材８１は、両端部に溝状の係合凹部８１ａが形成されており、一対の軸芯凸部１０ａの間に挿入することによって各軸芯凸部１０ａにそれぞれ係合するようになっている。
【００３８】
本実施の形態によれば、補剛部材８１が、基体１１の捲回軸方向一方端部と他方端部にてそれぞれ捲回幅方向に延在して設けられているので、軸芯１０の捲回幅方向の剛性を第１実施の形態よりもさらに向上させることができ、高温時にも剛性が低下するのを防ぐことができる。
【００３９】
［第３実施の形態］
次に、第３実施の形態について説明する。
図９は、本実施の形態に係わる角形二次電池の軸芯を示す平面図である。なお、第１及び第２実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００４０】
本実施の形態において特徴的なことは、第２実施の形態の構成に対して、補剛部材８０を複数設けたことである。補剛部材８０は、捲回軸方向に所定間隔をおいて複数設けられている。複数の補剛部材８０は、本実施の形態では、基体１１の捲回軸方向中央位置と、その捲回軸方向両側に所定距離だけ離間した位置に設けられており、合計で３つとなっている。基体１１は、３つの補剛部材８０によって捲回軸方向に４分割される４つの基体部材１１Ａ〜１１Ｄからなり、補剛部材８０によって互いに接合されて一体化されている。
【００４１】
本実施の形態によれば、複数の補剛部材８０が捲回軸方向に所定間隔をおいて設けられているので、軸芯１０の捲回幅方向の剛性を第１及び第２実施の形態よりもさらに向上させることができ、高温時にも剛性が低下するのを防ぐことができる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  角形二次電池
１０  軸芯
１０ａ  軸芯凸部
１１  基体
１１Ａ、１１Ｂ  基体部材
２０  電極群
３０  負極板
３１  負極合剤層
３２  負極集電部
４０  正極板
４１  正極合剤層
４２  正極集電部
６０  セパレータ
７１  負極外部端子
７２  負極接続板
７３  正極外部端子
７４  正極接続板
７５  蓋
７６  注液口
７７  安全弁
７８  電池容器
７９  注液栓
８０  補剛部材（第１の補剛部材）
８１  補剛部材（第２の補剛部材）
８１ａ  係合凹部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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