JP2014203565A

JP2014203565A - 電池及び電池を搭載した車両

Info

Publication number: JP2014203565A
Application number: JP2013076761A
Authority: JP
Inventors: 聡美川瀬; Toshimi Kawase
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-10-27

Abstract

【課題】帯状電極体の端部の緩みにくい電池の提供。
【解決手段】第１の電極シート（３２）、第１のセパレータ（３４）、第２の電極シート（３３）、及び、第２のセパレータ（３３）を順に積み重ねて形成される帯状電極体（２）を有する電池である。帯状電極体（２）の一端側には、帯状電極体（２）の一端（２３）を少なくとも１回以上巻き回して形成された第１の巻回部（２１）が設けられる。一方、帯状電極体（２）の他端側には、帯状電極体（２）の他端（２５）を少なくとも１回以上巻き回して形成された第２の巻回部（２２）が設けられる。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は電池及び電池を搭載した車両、特に帯状電極体を有する電池及びこの電池を搭載した車両に関する。

正極板又は負極板として機能する第１の電極シート、第１のセパレータ、第１の電極シートと反対の極性を有する第２の電極シート、第２のセパレータを順に積み重ねて帯状電極体を形成し、この帯状電極体を巻回した巻回部を有する電池が幅広く使用されている。

例えば、特許文献１では、一方の電極シートを他方の電極シートの巻き終り端部を覆うように帯状電極体を巻き回した巻回部を有する電池が開示されている。このような電池では、他方の電極シートの巻き終り端部に面圧を均等にかけることができ、良好な電池性能を有すると述べている。

特開２０１０−０１５７５１号公報

しかしながら、特許文献１で開示される電池では、帯状電極体、特に、一方の電極シートの巻終り端部が緩みがちであった。かかる緩みにより、電極シート間の距離が広がり、電池性能が低下することがあった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、帯状電極体の端部の緩みにくい電池を提供することを目的とする。

本発明にかかる電池は、
第１の電極シート、第１のセパレータ、第２の電極シート、及び、第２のセパレータを順に積み重ねて形成される帯状電極体を有し、
前記帯状電極体の一端側には、前記帯状電極体の一端を少なくとも１回以上巻き回して形成された第１の巻回部が設けられ、
前記帯状電極体の他端側には、前記帯状電極体の他端を少なくとも１回以上巻き回して形成された第２の巻回部が設けられる。

このような構成により、帯状電極体の一端及び他端は、いずれも面圧を受けて、緩みにくいのである。

ここで、前記第１の巻回部及び前記第２の巻回部は、前記帯状電極体の同一主面上に形成されると好ましい。また、前記第１の巻回部と前記第２の巻回部の間隙に挟まれる集電端子を含み、前記間隙は前記集電端子の厚みと比較して小さいことが好ましい。さらに、前記第１の巻回部及び前記第２の巻回部の少なくとも一部は、互いに密着していることが好ましい。また、前記第１の巻回部及び前記第２の巻回部は、前記帯状電極体を同じ回数巻き回して形成されることが好ましい。

他方、本発明にかかる車両は、上記した電池を搭載するものである。

他方、本発明にかかる電池の製造方法は、第１の電極シート、第１のセパレータ、第２の電極シート、及び、第２のセパレータを順に積み重ねて形成される帯状電極体を有し、
前記帯状電極体の一端側には、前記帯状電極体の一端を少なくとも１回以上巻き回して形成された第１の巻回部が設けられ、
前記帯状電極体の他端側には、前記帯状電極体の他端を少なくとも１回以上巻き回して形成された第２の巻回部が設けられる電池の製造方法であって、
前記帯状電極体の一端を少なくとも１回以上巻き回して前記第１の巻回部を形成する第１巻回部形成ステップと、
前記帯状電極体の巻き終り端部を少なくとも１回以上巻き回して前記第２の巻回部を形成する第２巻回部形成ステップと、を含むものである。さらに、この製造方法は、前記第１の巻回部と前記第２の巻回部とを密着させる巻回部密着ステップを含むことが好ましい。さらに、この製造方法は、前記第１の巻回部及び前記第２の巻回部を両側面からプレスして、偏平化させるステップと、を含むことが好ましい。

本発明により、帯状電極体の端部の緩みにくい電池を提供することができる。

実施形態にかかる電池の正断面図である。実施形態にかかる電池の側断面図及び拡大図である。製造方法を示すフローチャートである。製造方法の一工程を表す図である。製造方法の一工程を表す図である。製造方法の一工程を表す図である。製造方法の一工程を表す図である。製造方法の一工程を表す図である。製造方法の一工程を表す図である。

（実施形態）
図１Ａ及び１Ｂを用いて、本発明の一実施形態にかかる電池について説明する。図１Ａは実施形態にかかる電池の正断面図を示す。図１Ｂは、実施形態にかかる電池の側断面図及び拡大図を示す。

図１Ａに示すように、電池１は、帯状電極体２と、正極集電端子４と、負極集電端子５と、ケース６と、電解液７と、封口板８と、を含む。電池１は、正極集電端子４及び負極集電端子５を介して直流電流を供給することのできるリチウムイオン二次電池である。

図１Ｂに示すように、帯状電極体２は、負極シート３２、第２セパレータ３４、正極シート３１、第１セパレータ３３をこの順に積み重ねて形成した帯状体である。帯状電極体２は、幅方向の両端部に、正極活物質層（後述）及び負極活物質層（後述）の無い非塗工部を有するシート体であってもよい。帯状電極体２はその主面の厚み方向及び／又は長手方向に変形することができる。帯状電極体２は、第１巻回部２１と、第２巻回部２２とを含む。

第１巻回部２１は、偏平状の第１巻芯９１に帯状電極体２の一端部２３を１回以上巻き回して、帯状電極体２の一端側に形成される。第１巻回部２１は、略Ｕ字状に曲がる上曲線部２１１と、上曲線部２１１よりも下方に位置しつつ略Ｕ字状に曲がる下曲線部２１３と、上曲線部２１１及び下曲線部２１３を接続しつつ略直線状に配置する直線部２１２とを含む偏平状の巻回部である。また、第１巻回部２１は、帯状電極体２の主面２７に形成されている。ここで、一端部２３が上曲線部２１１に位置している。また、外周部２４が一端部２３の外周側に巻き回される。一端部２３は、第１巻芯９１と、帯状電極体２、特に外周部２４とに挟まれて面圧を受けている。なお、一端部２３をより多い回数で巻き回すと、面圧を一端部２３により確実に与えることができて好ましい。

第２巻回部２２は、偏平状の第２巻芯９２に帯状電極体２の他端部２５を１回以上巻き回して、帯状電極体２の他端側に形成される。ここでは、第２巻回部２２は、他端部２５を第１巻回部２１と同じ回数巻き回して形成されている。第２巻回部２２は、帯状電極体２を略Ｕ字状に曲がる上曲線部２２１と、上曲線部２２１よりも下方に位置しつつ帯状電極体２を略Ｕ字状に曲がる下曲線部２２３と、上曲線部２２１及び下曲線部２２３を接続しつつ略直線状に配置する直線部２２２とを含む偏平状の巻回部である。また、第２巻回部２２は、主面２７に形成されている。また、第２巻回部２２と第１巻回部２１との間隙は、正極集電端子４及び負極集電端子５の厚みより小さい。さらに、第２巻回部２２と第１巻回部２１の少なくとも一部は互いに密着している。ここで、他端部２５は、上曲線部２２１に位置している。また、外周部２６が他端部２５の外周側に巻き回される。他端部２５は、第２巻芯９２と、帯状電極体２、特に外周部２６とに挟まれて面圧を受けている。なお、他端部２５をより多い回数で巻き回すと、面圧を他端部２５により確実に与えることができて好ましい。

正極シート３１は、その表面に正極活物質層を形成したシート体である。正極シート３１は、例えば、幅方向の一端部を残して、その表面に正極活物質層を形成したシート体であってもよい。このような正極シート３１の幅方向の一端部は、正極活物質層の無い非塗工部となる。正極活物質層は、リチウムイオン電池に使用される正極活物質のうち１種又は２種以上を含む層である。このような正極活物質として、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）などのリチウム複合酸化物がある。また、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉＯ_２を任意の割合で混合して焼成した材料を用いてもよい。組成の一例としては、例えば、これらの材料を等しい割合で混合したＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２がある。また、シート体としては、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるシート体を使用することができる。

負極シート３２は、正極シート３１と反対の極性を有し、負極活物質層を表面に形成したシート体である。負極シート３２は、例えば、幅方向の一端部を残して、その表面に負極活物質層を形成したシート体であってもよい。このような負極シート３２の幅方向の一端部は、負極活物質層の無い非塗工部となる。負極活物質層は、例えば、リチウムイオン電池に使用される負極活物質のうち１種又は２種以上を含む層である。このような負極活物質は、例えば、グラファイトカーボン、アモルファスカーボンなどの炭素系材料、リチウム含有遷移金属酸化物や遷移金属酸化物がある。シート体としては、例えば、銅、ニッケル又はそれらの合金からなる箔を使用することができる。

第１セパレータ３３及び第２セパレータ３４は、絶縁性を有する多孔質体である。第１セパレータ３３及び第２セパレータ３４としては、例えば、ポリエチレン膜、ポリオレフィン膜、およびポリ塩化ビニル膜等の多孔質ポリマー膜、又は、リチウムイオンもしくはイオン導電性ポリマー電解質膜を、単独、又は組み合わせて使用することができる。

図１Ａを併せて参照すると、正極集電端子４は、その端部を第１巻回部２１と第２巻回部２２との間に挟まれて溶接されている。また、負極集電端子５は、正極集電端子４から離間しつつ、その端部を第１巻回部２１と第２巻回部２２との間に挟まれて溶接されている。なお、正極集電端子４は、帯状電極体２の幅方向の一端部、正極活物質層及び負極活物質層の無い非塗工部に挟まれるとともに、負極集電端子５は、帯状電極体２の幅方向の他端部、正極活物質層及び負極活物質層の無い非塗工部に挟まれて溶接されていてもよい。

ケース６は、上部に開口部を有するケースである。ケース６は、例えば、ニッケルめっき鋼、ステンレス鋼、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属材料からなる。

電解液７は、帯状電極体２に浸透しつつケース６に保持される。電解液７は、例えば、非水溶媒に電解質を溶かした液体である。この非水溶媒として、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン等の有機溶媒のうち１種又は２種以上を使用することができる。また、この電解質としては、フッ素を含む各種リチウム塩のうち１種又は２種以上を用いることができる。例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＡＳＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３等からなる群のうち１種又は２種以上を使用することができる。

封口板８は、ケース６の上部に溶接されて、ケース６の開口部を封口する。封口板８は、正極集電端子４及び負極集電端子５を絶縁材（図示略）を介して固定している。また、封口板８は、電解液７をケース６に注入するための注入口（図示略）を有し、シール体（図示略）で塞がれている。

以上、実施形態にかかる電池１によれば、一端部２３及び他端部２５は外周部２４及び外周部２６からそれぞれ面圧を受けるので、いずれも緩みにくい。これにより、電池１では、電極シート間の距離の広がりによる電池性能の低下が生じにくいのである。

また、第１巻回部２１及び第２巻回部２２は帯状電極体２の主面２７に形成されている。第１巻回部２１と第２巻回部２２の間隙は、正極集電端子４及び負極集電端子５の厚みと比較して小さい。さらに、第１巻回部２１及び第２巻回部２２の少なくとも一部は、互いに密着している。これらにより、一端部２３及び他端部２５を外周部２４及び外周部２６にそれぞれより強く巻締めることができ、さらに緩みにくくすることができる。また、第１巻回部２１及び第２巻回部２２は、一端部２３及び他端部２５をそれぞれ同じ回数巻き回して形成される。これにより、正極集電端子４及び負極集電端子５を第１巻回部２１及び第２巻回部２２に溶接して、電池１に容易に組み付けることができる。

なお、上記した実施形態にかかる電池では、一端部２３及び他端部２５を上曲線部２１１、２２１にそれぞれ位置するように巻き回したが、直線部２１２、２２２や下曲線部２１３、２２３に位置するように巻き回しても構わない。また、必要に応じて第１巻芯９１及び第２巻芯９２を省略してもよい。かかる電池では、電池１と同様に、一端部及び他端部は緩みにくく、電極シート間の距離の広がりによる電池性能の低下が生じにくいのである。

また、第１巻回部２１及び第２巻回部２２は偏平状に巻き回して形成しているが、略円筒状に巻き回して形成してもよい。また、帯状電極体２は、負極シート３２、第２セパレータ３４、正極シート３１、第１セパレータ３３の順に積み重ねて形成されているが、この順を適宜変えてもよく、例えば、正極シート３１、第２セパレータ３４、負極シート３２、第１セパレータ３３の順であっても構わない。また、一端部２３及び他端部２５では、第１セパレータ３３、第２セパレータ３４のみから構成される部分があっても構わない。

また、本実施形態にかかる電池として、リチウムイオン二次電池である電池１について説明したが、他の実施形態として、巻回部を有する電池、例えば、ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素電池などのアルカリ二次電池が挙げられる。なお、他の実施形態として挙げられるアルカリ二次電池では、必要に応じて電池１の構成及び材料を変更する。

また、本実施形態にかかる電池は、車両に搭載することができる。例えば、ハイブリッド自動車などのモータを用いて車輪を駆動する車両に、実施形態にかかる電池を搭載すると、実施形態にかかる電池からモータにインバータを介して電力を供給することができる。このような車両として、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動スクータ、立ち乗りスクータ、シニアカー、搭乗型移動ロボット等を含む。

（製造方法）
次に、図２を参照しつつ図３〜８を用いて実施形態にかかる電池の一製造方法について説明する。図２は、製造方法を示すフローチャートである。図３〜８は、製造方法の一工程を表す図を示す。

図３に示すように、負極シート３２と、第２セパレータ３４と、正極シート３１と、第１セパレータ３３とを順に積み重ねるように、略円筒状の第１巻芯９１０に巻き回して、帯状電極体２を形成するとともに、略円筒状の第１巻回部２１０を形成する（第１巻回部形成ステップＳ１）。形成した後に、切断装置８１、８２により正極シート３１と負極シート３２とを切断する。なお、このステップに先立って、第１セパレータ３３と、正極シート３１と、第２セパレータ３４と、負極シート３２とを順に積み重ねて、略円筒状の第１巻芯９１０に固定してもよい。また、第１セパレータ３３、正極シート３１、第２セパレータ３４、負極シート３２は、それぞれを巻き回した第１セパレータ巻回体４３、正極シート巻回体４１、第２セパレータ巻回体４４、負極シート巻回体４２から供給することができる。

次いで、図４に示すように、正極シート３１と負極シート３２の残りを第１巻芯９１０に巻き回した後に、第１セパレータ３３及び第２セパレータ３４を略円筒状の第２巻芯９２０に固定し、第２巻芯９２０からはみ出た第１セパレータ３３及び第２セパレータ３４の端部を切断装置８３、８４によりそれぞれ切断する。（巻芯固定ステップＳ２）。第２巻芯９２０は、例えば、略半円状の断面形状を有する２つの筒体を有し、第１セパレータ３３と、第２セパレータ３４とをこれらの筒体の間に挟み込むことで固定することができる。

次いで、図５に示すように、帯状電極体２を第１巻芯９１０から第２巻芯９２０に巻き戻し、略円筒状の第２巻回部２２０を形成する（第２巻回部形成ステップＳ３）。

次いで、第２巻回部２２０を第１巻回部２１０に接近させるように、第２巻芯９２０を巻回すなどして、第２巻回部２２０と第１巻回部２１０とを密着させる。（巻回部密着ステップＳ４）。ここで、図６に示すように、第１巻回部２１０において、外周部２８が、一端部２３の外周側を巻き回している。また、第２巻回部２２０において、外周部２９が、他端部２５の外周側を巻き回している。つまり、一端部２３と他端部２５は、第１巻芯９１０と外周部２８の間、第２巻芯９２０と外周部２９との間にそれぞれ挟まれて面圧を受けている。

次いで、図７に示すように、正極集電端子４と負極集電端子５（図示略）とを挟み込んで、第１巻回部２１０と第２巻回部２２０とを両側面からプレスして、偏平化させる（偏平プレスステップＳ５）。詳細には、図７（ａ）に示すように、まず、第１巻芯９１０及び第２巻芯９２０を回転方向Ａ２、Ｂ２にそれぞれ回転させて、第１巻回部２１０と第２巻回部２２０とを一旦離間させる。次いで、図７（ｂ）に示すように、正極集電端子４を第１巻回部２１０と第２巻回部２２０の間に挟み込み、さらに、負極集電端子５を正極集電端子４から離間して第１巻回部２１０と第２巻回部２２０の間に挟み込む。ここで、正極集電端子４及び負極集電端子５を第１巻回部２１０と第２巻回部２２０の両端部にそれぞれ挟み込んでもよい。図７（ｃ）に示すように、次いで、第１巻回部２１０と第２巻回部２２０とを正極集電端子４及び負極集電端子５に接触させるまで、第１巻芯９１０及び第２巻芯９２０を回転方向Ａ１、Ｂ１にそれぞれ回転させる。これにより、一端部２３と他端部２５は、第１巻芯９１０、第２巻芯９２０にそれぞれ巻締められて大きな面圧を受ける。また、正極集電端子４と負極集電端子５を帯状電極体２に容易に組み付けることができる。さらに、第１巻回部２１０と第２巻回部２２０とを両側面からプレスして、偏平化させる。これにより、図８を併せて参照すると、第１巻回部２１０及び第２巻回部２２０は、略円筒状から偏平状に変形し、それぞれ第１巻回部２１及び第２巻回部２２となる。第１の巻芯９１０及び第２の巻芯９２０は略円筒状から偏平状に変形し、それぞれ第１の巻芯９１及び第２の巻芯９２となる。

最後に、正極集電端子４と負極集電端子５を第１巻回部２１と第２巻回部２２にそれぞれ溶接して、帯状電極体２をケース６（図１Ａ及び図１Ｂ参照）に挿入し、封口板８（図１Ａ及び図１Ｂ参照）をケース６の上部に溶接して封口して、電解液７（図１Ａ及び図１Ｂ参照）を封口板８の注入口から注ぎ、注入口を塞ぐ（電池組立ステップＳ６）。

以上の製造工程を経ることで、電池１（図１Ａ及び図１Ｂ参照）を製造することができる。

なお、上記した製造方法では、偏平プレスステップＳ５を実施したが、第１巻芯９１０及び第２巻芯９２０の代わりに、偏平状の第１巻芯９１及び第２巻芯９２に帯状電極体２を巻き回して、偏平状の巻回部を形成するなどして、偏平プレスステップＳ５を省略しても構わない。また、偏平プレスステップＳ５を省略して、略円筒状の第２巻回部２２０と第１巻回部２１０とを有する電池を製造してもよい。また、上記した製造方法では、巻回部密着ステップＳ４を実施したが、巻回部密着ステップＳ４を省略しても構わない。また、上記した製造方法では、第１巻回部形成ステップＳ１、巻芯固定ステップＳ２、第２巻回部形成ステップＳ３の順に実施したが、巻芯固定ステップＳ２、第１巻回部形成ステップＳ１、第２巻回部形成ステップＳ３の順番に変えて実施してもよい。また、上記した製造方法では、偏平プレスステップＳ５において第１巻芯９１０及び第２巻芯９２０を偏平状に変形させたが、偏平プレスステップＳ５を実施する前に、第１巻芯９１０及び第２巻芯９２０を第１巻回部２１０と第２巻回部２２０から抜き取ってもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。

１電池、２帯状電極体、４正極集電端子、５負極集電端子、
６ケース、７電解液、８封口板、２１、２１０第１巻回部、
２２、２２０第２巻回部、２３一端部、２５他端部、２７主面、
２４、２６、２８、２９外周部、３１正極シート、３２負極シート、
３３第１セパレータ、３４第２セパレータ、９１、９１０第１巻芯、
９２、９２０第２巻芯、２１１、２２１上曲線部、２１２、２２２直線部、
２１３、２２３下曲線部

Claims

第１の電極シート、第１のセパレータ、第２の電極シート、及び、第２のセパレータを順に積み重ねて形成される帯状電極体を有し、
前記帯状電極体の一端側には、前記帯状電極体の一端を少なくとも１回以上巻き回して形成された第１の巻回部が設けられ、
前記帯状電極体の他端側には、前記帯状電極体の他端を少なくとも１回以上巻き回して形成された第２の巻回部が設けられる電池。
前記第１の巻回部及び前記第２の巻回部は、前記帯状電極体の同一主面上に形成されることを特徴とする請求項１に記載される電池。
前記第１の巻回部と前記第２の巻回部の間隙に挟まれる集電端子を含み、
前記間隙は前記集電端子の厚みと比較して小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載される電池。
前記第１の巻回部及び前記第２の巻回部の少なくとも一部は、互いに密着していることを特徴とする請求項３項に記載される電池。
前記第１の巻回部及び前記第２の巻回部は、前記帯状電極体を同じ回数巻き回して形成されることを特徴とする請求項４に記載される電池。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載される電池を搭載した車両。
第１の電極シート、第１のセパレータ、第２の電極シート、及び、第２のセパレータを順に積み重ねて形成される帯状電極体を有し、
前記帯状電極体の一端側には、前記帯状電極体の一端を少なくとも１回以上巻き回して形成された第１の巻回部が設けられ、
前記帯状電極体の他端側には、前記帯状電極体の他端を少なくとも１回以上巻き回して形成された第２の巻回部が設けられる電池の製造方法であって、
前記帯状電極体の一端を少なくとも１回以上巻き回して前記第１の巻回部を形成する第１巻回部形成ステップと、
前記帯状電極体の巻き終り端部を少なくとも１回以上巻き回して前記第２の巻回部を形成する第２巻回部形成ステップと、を含む電池の製造方法。
前記第１の巻回部と前記第２の巻回部とを密着させる巻回部密着ステップを含むことを特徴とする請求項７に記載される電池の製造方法。
前記第１の巻回部及び前記第２の巻回部を両側面からプレスして、偏平化させるステップと、を含む請求項７又は８に記載される電池の製造方法。