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公開番号2021111589
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210802
出願番号2020004472
出願日20200115
発明の名称電池
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人個人,個人,個人,個人,個人,個人
主分類H01M 50/531 20210101AFI20210705BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】絶縁体を介して複数の電極体を積層し、当該複数の電極体の一部のタブ同士を絶縁タブで絶縁する一方で、一部のタブ同士を加熱接合する場合に、タブから電極部へと伝熱を抑える。
【解決手段】複数の電極体と、複数の電極体の間の各々に配置された絶縁体とを備え、電極体が、電極部と、正極タブ及び負極タブとを備え、絶縁体が、電極部絶縁部と、絶縁タブとを備え、電極部絶縁部の熱伝導率よりも絶縁タブの熱伝導率のほうが高く、一の絶縁体を挟んで隣接する一方の電極体を第1電極体とし、他方の電極体を第2電極体とした場合に、第1電極体の正極タブと第2電極体の負極タブとが加熱接合され、第1電極体の負極タブと第2電極体の正極タブとの間に絶縁体の絶縁タブが配置され、第1電極体の電極部と第2電極体の電極部との間に絶縁体の電極部絶縁部が配置される、電池。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
複数の電極体と、前記複数の電極体の間の各々に配置された絶縁体とを備え、
前記電極体が、電極部と、前記電極部から突出した正極タブ及び負極タブとを備え、
前記絶縁体が、電極部絶縁部と、前記電極部絶縁部から突出した絶縁タブとを備え、
前記電極部絶縁部の熱伝導率よりも前記絶縁タブの熱伝導率のほうが高く、
一の前記絶縁体を挟んで隣接する一方の前記電極体を第1電極体とし、他方の前記電極体を第2電極体とした場合に、前記第1電極体の前記正極タブと前記第2電極体の前記負極タブとが加熱接合され、前記第1電極体の負極タブと前記第2電極体の正極タブとの間に前記絶縁体の前記絶縁タブが配置され、前記第1電極体の前記電極部と前記第2電極体の前記電極部との間に前記絶縁体の前記電極部絶縁部が配置される、
電池。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本願は電池を開示する。
続きを表示(約 9,700 文字)【背景技術】
【0002】
複数の電極体を直列接続する際、短絡防止のため、電極体の間に絶縁体を配置する場合がある。例えば、特許文献1に開示された技術では、導電性の接続部材と絶縁性の接続部材と絶縁性の固定部材とを組み合わせて用いることで、電極体のタブ同士の直列接続と電極体のタブ間の絶縁とを両立している。また、特許文献2には、正極タブと負極タブとを超音波溶接する技術が開示されている。さらに、特許文献3には、はんだ等の導電性材料を用いて電池の接続部を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2016−136504号公報
特開2014―167881号公報
特開2017−152415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に開示された技術のように接続部材や固定部材を別途用いる場合、電池の重量及び体積が大きくなってしまう。特許文献2に開示された技術のように超音波溶接を行うと、絶縁部材が破損する虞がある。特許文献3に開示された技術のようにはんだ等の導電性材料を用いてタブの接続を行うことで、電池の重量及び体積の増加を抑えることができ、絶縁部材の破損も抑制できるものと考えられる。しかしながら、加熱によってはんだを溶融させてタブを接続する際、タブから電極部へと伝熱して、電池性能が劣化する虞がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
複数の電極体と、前記複数の電極体の間の各々に配置された絶縁体とを備え、
前記電極体が、電極部と、前記電極部から突出した正極タブ及び負極タブとを備え、
前記絶縁体が、電極部絶縁部と、前記電極部絶縁部から突出した絶縁タブとを備え、
前記電極部絶縁部の熱伝導率よりも前記絶縁タブの熱伝導率のほうが高く、
一の前記絶縁体を挟んで隣接する一方の前記電極体を第1電極体とし、他方の前記電極体を第2電極体とした場合に、前記第1電極体の前記正極タブと前記第2電極体の前記負極タブとが加熱接合され、前記第1電極体の負極タブと前記第2電極体の正極タブとの間に前記絶縁体の前記絶縁タブが配置され、前記第1電極体の前記電極部と前記第2電極体の前記電極部との間に前記絶縁体の前記電極部絶縁部が配置される、
電池を開示する。
【発明の効果】
【0006】
本開示の電池によれば、正極タブと負極タブとが加熱接合されており、接続部材や固定部材を別途用いる必要がない。また、電極体の間に配置される絶縁体において、電極部絶縁部よりも絶縁タブのほうが高い熱伝導率を有することから、加熱接合の際、電極体の電極部よりもタブ部が優先的に加熱され、短時間で加熱接合が可能であり、電極部への伝熱を抑制して電池性能の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
電池の各構成要素を分解して示す概略図である。両矢印を示したタブ同士が加熱接合されている。
タブが突出する電池側面の積層構造を示す概略図である。両矢印を示したタブ同士が加熱接合されている。
電極体の外観を示す概略図である。
タブが突出する電極体側面の積層構造を示す概略図である。
絶縁体の面形状を示す概略図である。
絶縁タブが突出する絶縁体側部の構造を示す概略図である。
電池の製造方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
1.電池
図1〜6に本開示の電池100の構成を概略的に示す。図1及び2に示されるように、電池100は、複数の電極体10と、複数の電極体10の間の各々に配置された絶縁体20とを備える。図2〜4に示されるように、電極体10は、電極部10aと、電極部10aから突出した正極タブ10b及び負極タブ10cとを備える。図2、5及び6に示されるように、絶縁体20は、電極部絶縁部20aと、電極部絶縁部20aから突出した絶縁タブ20bとを備える。ここで、電極部絶縁部20aの熱伝導率よりも絶縁タブ20bの熱伝導率のほうが高い。また、図1及び2に示されるように、電池100においては、一の絶縁体20を挟んで隣接する一方の電極体10を第1電極体(X)とし、他方の電極体10を第2電極体(Y)とした場合に、第1電極体(X)の正極タブ10bと第2電極体(Y)の負極タブ10cとが加熱接合され、第1電極体(X)の負極タブ10cと第2電極体(Y)の正極タブ10bとの間に絶縁体20の絶縁タブ20bが配置され、第1電極体(X)の電極部10aと第2電極体(Y)の電極部10aとの間に絶縁体20の電極部絶縁部20aが配置される。
【0009】
1.1 電極体
図2〜4に示されるように、電極体10は、電極部10aと、電極部10aから突出した正極タブ10b及び負極タブ10cとを備える。
【0010】
1.1.1 電極部
電極部10aにおいて電気化学的な反応を生じさせて発電を行う。電極部10aの構成は従来と同様でよい。例えば、図4に示されるように、電極部10aは正極タブ10bを有する正極集電体1、負極タブ10cを有する負極集電体2、正極活物質層3、負極活物質層4及び電解質層5を備えてもよい。
【0011】
正極集電体1は、金属箔や金属メッシュ等により構成すればよい。取扱い性等に優れる観点からは、正極集電体1を金属箔としてもよい。正極集電体1は複数枚の金属箔からなっていてもよい。正極集電体1を構成する金属としては、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Ag、Al、Fe、Ti、Zn、Co、ステンレス鋼等が挙げられる。正極集電体1は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、正極集電体1が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔間に何らかの層を有していてもよい。正極集電体1の厚みは特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上であってもよいし、1μm以上であってもよく、1mm以下であってもよいし、100μm以下であってもよい。
【0012】
負極集電体2は、金属箔や金属メッシュ等により構成すればよい。取扱い性等に優れる観点からは、負極集電体2を金属箔としてもよい。負極集電体2は複数枚の金属箔からなっていてもよい。負極集電体2を構成する金属としては、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Ag、Al、Fe、Ti、Zn、Co、ステンレス鋼等が挙げられる。負極集電体2と正極集電体1とは同じ材質からなるものであってもよいし、異なる材質からなるものであってもよい。負極集電体2は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、負極集電体2が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔間に何らかの層を有していてもよい。負極集電体2の厚みは特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上であってもよいし、1μm以上であってもよく、1mm以下であってもよいし、100μm以下であってもよい。
【0013】
正極活物質層3は、少なくとも正極活物質を含む層である。電池100を固体電池とする場合は、正極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含ませることができる。また、電池100を電解液系の電池とする場合は、正極活物質に加えて、さらに任意にバインダー及び導電助剤等を含ませることができる。正極活物質は公知の活物質を用いればよい。公知の活物質のうち、所定のイオンを吸蔵放出する電位(充放電電位)の異なる2つの物質を選択し、貴な電位を示す物質を正極活物質とし、卑な電位を示す物質を後述の負極活物質として、それぞれ用いることができる。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、正極活物質としてコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、LiNi
1/3
Co
1/3
Mn
1/3


、マンガン酸リチウム、スピネル系リチウム化合物等の各種のリチウム含有複合酸化物を用いることができる。電池100を固体電池とする場合、正極活物質は表面がニオブ酸リチウム層やチタン酸リチウム層やリン酸リチウム層等の酸化物層で被覆されていてもよい。また、電池100を固体電池とする場合、固体電解質は無機固体電解質であってもよい。無機固体電解質は有機ポリマー電解質と比較してイオン伝導度が高い。また、有機ポリマー電解質と比較して、耐熱性に優れる。さらに、有機ポリマー電解質と比較して、硬質で剛性に優れ、電池100をより容易に構成できる。無機固体電解質としては、例えば、ランタンジルコン酸リチウム、LiPON、Li
1+X
Al

Ge
2−X
(PO



、Li−SiO系ガラス、Li−Al−S−O系ガラス等の酸化物固体電解質;Li

S−P



、Li

S−SiS

、LiI−Li

S−SiS

、LiI−Si

S−P



、Li

S−P



−LiI−LiBr、LiI−Li

S−P



、LiI−Li

S−P



、LiI−Li

PO

−P



、Li

S−P



−GeS

等の硫化物固体電解質を例示することができる。特に、硫化物固体電解質が好ましく、Li

S−P



を含む硫化物固体電解質がより好ましい。正極活物質層3に含まれ得るバインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム(BR)系バインダー、ブチレンゴム(IIR)系バインダー、アクリレートブタジエンゴム(ABR)系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)系バインダー等が挙げられる。正極活物質層3に含まれ得る導電助剤としてはアセチレンブラックやケッチェンブラック等の炭素材料やニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。正極活物質層3における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。正極活物質層3の形状も従来と同様とすればよい。特に、電池100を容易に構成できる観点から、シート状の正極活物質層3が好ましい。正極活物質層3の厚みは、特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上2mm以下としてもよい。下限は1μm以上であってもよく、上限は1mm以下であってもよい。
【0014】
負極活物質層4は、少なくとも負極活物質を含む層である。電池100を固体電池とする場合は、負極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含ませることができる。また、電池100を電解液系の電池とする場合は、負極活物質に加えて、さらに任意にバインダー及び導電助剤等を含ませることができる。負極活物質は公知の活物質を用いればよい。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、負極活物質としてSiやSi合金や酸化ケイ素等のシリコン系活物質;グラファイトやハードカーボン等の炭素系活物質;チタン酸リチウム等の各種酸化物系活物質;金属リチウムやリチウム合金等を用いることができる。固体電解質、バインダー及び導電助剤は正極活物質層3に用いられるものとして例示したものの中から適宜選択して用いることができる。負極活物質層4における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。負極活物質層4の形状も従来と同様とすればよい。特に、電池100を容易に構成できる観点から、シート状の負極活物質層4が好ましい。負極活物質層4の厚みは、特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上2mm以下としてもよい。下限は1μm以上であってもよく、上限は1mm以下であってもよい。
【0015】
電解質層5は、少なくとも電解質を含む層である。電池100を固体電池とする場合、電解質層5は、固体電解質と任意にバインダーとを含む固体電解質層とすることができる。固体電解質は上述した無機固体電解質、特に硫化物固体電解質が好ましい。バインダーは正極活物質層3に用いられるものとして例示したものの中から適宜選択して用いることができる。固体電解質層における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。固体電解質層の形状も従来と同様とすればよい。特に、電池100を容易に構成できる観点から、シート状の固体電解質層が好ましい。この場合、固体電解質層の厚みは、例えば、0.1μm以上2mm以下としてもよい。下限は1μm以上であってもよく、上限は1mm以下であってもよい。一方で、電池100を電解液系電池とする場合、電解質層5は電解液とセパレータとを含み得る。電解液やセパレータは公知のものを用いればよい。
【0016】
1.1.2 正極タブ
正極タブ10bの材質は、正極集電体1の材質と同じであってもよいし、異なっていてもよい。正極タブ10bの厚みは、正極集電体1の厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。正極タブ10bは正極集電体1から突出した形状であればよい。正極タブ10bの突出形状は、多角形状、半円形状、線状等、種々の形状を採用し得る。正極集電体1に正極タブ10bを設ける方法は特に限定されるものではない。例えば、正極集電体1の一部を切り欠くことで正極タブ10bを形成してもよいし、正極集電体1に正極タブ10bを溶接等によって接合してもよい。
【0017】
1.1.3 負極タブ
負極タブ10cの材質は、負極集電体2の材質と同じであってもよいし、異なっていてもよい。負極タブ10cの厚みは、負極集電体1の厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。負極タブ10cは負極集電体2から突出した形状であればよい。負極タブ10cの突出形状は、多角形状、半円形状、線状等、種々の形状を採用し得る。負極集電体2に負極タブ10cを設ける方法は特に限定されるものではない。例えば、負極集電体2の一部を切り欠くことで負極タブ10cを形成してもよいし、負極集電体2に負極タブ10cを溶接等によって接合してもよい。
【0018】
1.1.4 補足
電極体10は公知の方法により作製可能である。全固体電池とする場合は、例えば、集電体の一面側に乾式又は湿式法で活物質層Aを積層し、当該活物質層Aの一面側に乾式又は湿式法で固体電解質層を積層し、当該固体電解質層の一面側に乾式又は湿式法で活物質層Bを積層し、さらに活物質層Bの一面側に集電体を積層することで、電極体10が得られる。各層の積層順はこれに限定されるものではない。
【0019】
尚、図1〜4においては、1つの負極集電体2の両面に負極活物質層4、4が設けられ、各々の負極活物質層4、4に電解質層5、5が設けられ、各々の電解質層5、5に正極活物質層3、3が設けられ、各々の正極活物質層3、3に正極集電体1、1が設けられる形態を例示したが、電極体10の形態はこれに限定されるものではない。1つの正極集電体1の両面に正極活物質層3、3、電解質層5、5、負極活物質層4、4及び負極集電体2、2を順次設けて電極体を構成してもよいし、1つの正極集電体層1と1つの負極集電体2との間に正極活物質層3、固体電解質層5及び負極活物質層4を設けて電極体を構成してもよい。或いは、正極集電体層1と負極集電体2との間にバイポーラ集電体を設けてバイポーラ電極体を構成してもよい。
【0020】
1.2.絶縁体
図2、5及び6に示されるように、絶縁体20は電極部絶縁部20aと、電極部絶縁部20aから突出した絶縁タブ20bとを備える。ここで、電極部絶縁部20aの熱伝導率よりも絶縁タブ20bの熱伝導率のほうが高い。
【0021】
1.2.1 電極部絶縁部
電極部絶縁部20aは、電極体10の電極部10a間に配置され、電極部10a同士の導通を防ぐ。電極部10aには拘束圧力がかかる場合があり、この場合、電極部絶縁部20aは、高い荷重がかかった中でも破損しないことが求められる。また、電極体10同士の伝熱を抑制することを考慮して、電極部絶縁部20aを大きな熱抵抗を有する材料によって構成してもよい。例えば、ポリエチレンテレフタラートやポリイミド等の樹脂によって電極部絶縁部20aを構成することができる。電極部絶縁部20aの形状は、例えば、シート状とすることができる。電極部絶縁部20aの厚みは、電極部10a同士の接触及び導通を防ぐことが可能である限り、特に限定されるものではない。例えば、電極部絶縁部20aの厚みを0.1μm以上2mm以下としてもよい。電極部絶縁部20aを構成する材料の熱伝導率は例えば0.1W/mK以上1.0W/mK以下であってもよい。
【0022】
1.2.2 絶縁タブ
絶縁タブ20bは、電極体10のタブ間に配置され、タブ10b、10c同士の導通を防ぐ。絶縁タブ20bは絶縁性を有するとともに、電極部絶縁部20aよりも熱伝導率の高い材質からなる。例えば、熱伝導フィラーと樹脂との混合物によって絶縁タブ20bを構成することができる。熱伝導フィラーとしてはアルミナ粒子等の無機酸化物粒子が挙げられる。樹脂としてはポリエチレンテレフタラートやポリイミドやシリコーン等が挙げられる。絶縁タブ20bは電極部絶縁部20aに対して突出していればよく、その突出形状は、多角形状、半円形状等、種々の形状を採用し得る。絶縁タブ20bの形状は、タブ10b、10c同士の導通を防ぐことが可能なように、タブ10b、10cと対応する形状を有していてもよい。また、絶縁タブ20bはタブ10b、10cよりも大きな面積を有していてもよい。絶縁タブ20bの厚みは、電極部絶縁部20aの厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。絶縁タブ20bの厚みは、電極部絶縁部20aの厚み以下であってもよい。絶縁タブ20bを構成する材料の熱伝導率は例えば1.0W/mK超10.0W/mK以下であってもよい。
【0023】
1.2.3 補足
絶縁体20は公知の手段・方法により作製可能である。例えば、樹脂をフィルム状に成形して電極部絶縁部20aを得る一方、熱伝導フィラー含有樹脂組成物をタブ形状に成形して絶縁タブ20bとし、電極部絶縁部20aに絶縁タブ20bを接着或いは溶着させることで絶縁体20を作製してもよいし、電極部絶縁部20aを構成する樹脂と絶縁タブ20bを構成する熱伝導フィラー含有樹脂組成物とを同時に一体成形して絶縁体20を作製してもよい。
【0024】
1.3.電極体と絶縁体との配置構造及び接合構造
図1及び2に示されるように、電池100においては、一の絶縁体20を挟んで隣接する一方の電極体10を第1電極体(例えば、図2の10x)とし、他方の電極体10を第2電極体(例えば、図2の10y)とした場合に、第1電極体10xの正極タブ10bと第2電極体10yの負極タブ10cとが加熱接合され、第1電極体10xの負極タブ10cと第2電極体10yの正極タブ10bとの間に絶縁体20の絶縁タブ20bが配置され、第1電極体10xの電極部10aと第2電極体10yの電極部10aとの間に絶縁体20の電極部絶縁部20aが配置される。
【0025】
図1及び2にて両矢印で示したように、第1電極体10xの正極タブ10bと第2電極体10yの負極タブ10cとが加熱接合されることで、第1電極体10xと第2電極体10yとが直列に接続されることとなる。タブ10b、10cが加熱接合されたものか否かは、目視で容易に判断できる。タブ10b、10cは、例えば、はんだ等の加熱によって溶融する導電材料を介して加熱接合されていてもよい。一方、第1電極体10xの負極タブ10cと第2電極体10yの正極タブ10bとの間には絶縁タブ20bが配置され、第1電極体10xの負極タブ10cと第2電極体10yの正極タブ10bとが絶縁される。
【0026】
電池100は、このような第1電極体10xと、第2電極体10yと、第1電極体10x及び第2電極体10yの間に配置された絶縁体20とからなる組み合わせが複数設けられる。図1及び2に示されるように、第1電極体10xと第2電極体10yとは、表裏の向きが互いに逆向きであってもよい。すなわち、第1電極体10xの面の向きを表向きとした場合、第2電極体10yの面の向きは裏向きであってよい。このように、同一形状を有する電極体10x、10yを、絶縁体20を介して表裏が逆となるように積層することで、電池100をより容易に構成することができる。
【0027】
尚、電池100において、電極体10の数は特に限定されるものではない。目的とする電池性能に応じて、電極体10の数を適宜決定すればよい。
【0028】
以上の通り、電池100によれば、正極タブ10bと負極タブ10cとが加熱接合されており、接続部材や固定部材等の別途の部材は不要である。また、電極体10、10の間に配置される絶縁体20において、電極部絶縁部20aよりも絶縁タブ20bのほうが高い熱伝導率を有することから、加熱接合の際、電極体10の電極部10aよりもタブ10b、10cのほうが優先的に加熱され、短時間で加熱接合が可能となる。結果として、電極部10aへの伝熱が抑制され、熱による電池性能の劣化が抑制される。
【0029】
尚、電池100の作動時、通電によってタブ10b、10cが発熱する場合があるが、このような場合も、発熱したタブから絶縁タブ20bを介して他のタブへと優先的に熱を伝搬させて、電極部10aへの伝熱を抑制することができるものと考えられる。すなわち、電池100は、電池製造時における電極部10aの熱劣化を抑える効果だけでなく、電池作動時の電極部10aの熱劣化を抑える効果も発揮するものと考えられる。
【0030】
2.電池の製造方法
上述の通り、本開示の電池100においては、複数の電極体10の一部のタブ同士を加熱接合する一方、一部のタブ間に絶縁体20を配置して絶縁する。このような電池100は、例えば、図7に示されるような方法を経て製造することができる。
(【0031】以降は省略されています)

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