JP2012190697A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】負極と正極の相対的な位置ずれを抑止（防止）することを可能にし、高性能で信頼性の高い電池を提供する。
【解決手段】集電体２１に正極活物質と負極活物質のいずれか一方の活物質２２を、集電体２１の幅方向に所定の間隔をあけて一体に複数積層し、複数の一方の活物質２２を内包するようにセパレータ２３を一体に積層する。さらに、セパレータ２３の表面に、他方の活物質２４を一方の活物質２２と集電体２１の厚さ方向に重なるように積層する。そして、集電体２１の幅方向に隣り合う一方の活物質２２の間の折曲部２５で、一方の活物質２２と他方の活物質２４が対向するように折り曲げて、電極積層体２０を蛇腹状に形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、正極と負極がセパレータを介して積層された電池に関する。

実用上用いられる電池として、高出力なリチウムイオン二次電池がある。このリチウムイオン二次電池の形態としては、略矩形状の正極板と負極板とがセパレータを介して複数積層される積層型と、一対の帯状の正極板と負極板とがセパレータを介して積層された後に捲回される捲回型とに大別される（以下、正極板と負極板を総称して「電極板」とも称する）。

より具体的に、例えば積層型の二次電池Ａは、図３に示すように、複数の正極板１と、複数の負極板２と、それぞれの正極板１とそれぞれの負極板２との間に配置されるセパレータ（複数の負極板２のそれぞれを覆って内包する袋状セパレータ４）と、不図示の電解液と、これらを収納する電池缶６とを備えて構成されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

また、正極板１は、アルミニウム箔を略矩形状（略方形状）に加工した集電体に、例えば３元系材料ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成される正極活物質を塗工した正極板本体７と、この正極板本体の端部から伸びる正極タブ８とを備えている。

負極板２は、銅箔を略矩形状（略方形状）に加工した集電体に、例えばカーボン材料（人造黒鉛等）で構成される負極活物質を塗工した負極板本体９と、この負極板２の端部から伸びる負極タブ１０とを備えている。

そして、セパレータ４を間に正極板１と負極板２を重ねて複数積層することによって電極積層体１３が形成される。この電極積層体１３を電解液とともに電池缶６に収納することによって電池Ａが形成され、積層方向に重なって互いに対向する負極板２の面と正極板１の面の間でリチウムイオンの授受が主に行われる。

特許第４２９３２４７号公報 特開２００９−３０１７９８号公報

ところで、上記構成からなる従来の電池では、電池の使用時に不測の外力等によって、積層された正極板と負極板との相対位置がずれてしまうことがある。そして、相対位置のずれにより、正極板の活物質の塗工面と負極板の活物質の塗工面の積層方向において重なった部分の面積が減少すると、正極板と負極板の間でリチウムイオンの授受が好適に行えず、所望の電池性能が発揮されなくなってしまう。

また、正極板１と負極板２の相対位置がずれ、リチウムイオンの授受が好適に行えなくなることにより、図４（ａ）に示すように、リチウム３が正極板１に析出して突起状に成長し、セパレータ４を突き破り、短絡を発生させるおそれが生じる。

さらに、図４（ｂ）に示すように、集電材に塗工した活性物にバリ５が生じている場合があり、正極板１と負極板２との相対位置がずれるとともに、このバリ５がセパレータ４を突き破り、短絡を発生させるおそれが生じる。

本発明の電池は、セパレータを介して正極と負極を複数積層してなる電極積層体を備えた電池において、平板状の集電体の一面と他面にそれぞれ、正極活物質と負極活物質のいずれか一方の活物質を、該集電体の幅方向に所定の間隔をあけて一体に積層するとともに、前記集電体の一面側と他面側の一対の前記一方の活物質が前記集電体の厚さ方向に重なるように積層し、前記集電体の一面側と他面側にそれぞれ、前記複数の一方の活物質を内包するように前記セパレータを一体に積層し、前記集電体の一面側の一方のセパレータと前記集電体の他面側の他方のセパレータの表面にそれぞれ、他方の活物質を、前記集電体の幅方向に所定の間隔をあけて一体に、且つ前記一方の活物質と前記集電体の厚さ方向に重なるように積層するとともに、前記集電体の幅方向に向かって前記一方のセパレータと前記他方のセパレータに交互に積層し、前記集電体の幅方向に隣り合う前記一方の活物質の間の折曲部で、前記一方の活物質と前記他方の活物質が対向するように折り曲げて、前記電極積層体が蛇腹状に形成されていることを特徴とする。

この発明においては、集電体に、正極活物質と負極活物質のいずれか一方の活物質とセパレータと他方の活物質を一体に積層し、複数の折曲部でそれぞれ、一方の活物質と他方の活物質が対向するように交互に折り曲げることによって、蛇腹状の電極積層体を形成することができる。そして、このように電極積層体を蛇腹状にし、複数の一方の活物質と他方の活物質がセパレータ及び集電体を介して一体形成されているため、正負の極同士がずれることを防止（抑止）できる。

本発明の電池においては、電極積層体を蛇腹状にし、正極活物質と負極活物質である一方の活物質と他方の活物質がセパレータ及び集電体を介して一体形成されているため、正負の極同士がずれることを防止（抑止）でき、切断加工を要することなく電極積層体を形成することができる。これにより、正負の極同士がずれて所望の電池性能が発揮されなくなったり、突起状の析出物やバリがセパレータを突き破って短絡が生じるおそれを確実に解消することができ、高性能で信頼性の高い電池を提供することが可能になる。

また、集電体に正極活物質と負極活物質である一方の活物質とを積層形成することで、電極タブの数を少なくすることができ、配線作業の簡易化（効率化）を図ることも可能になる。

本発明の一実施形態に係る電池の電池積層体を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電池の電池積層体の形成方法を示す図である。 二次電池を示す斜視図である。 リチウム析出物や活物質のバリがセパレータを突き破った状態を示す図である。

以下、図１及び図２を参照し、本発明の一実施形態に係る電池について説明する。なお、本実施形態では、電池がリチウムイオン二次電池であるものとして説明を行う。また、本実施形態では、本発明に係る一方の活物質を負極活物質、他方の活物質を正極活物質として説明を行うが、本発明は一方の活物質が正極活物質、他方の活物質が負極活物質であってもよい。

本実施形態の電池Ｂは、図３に示した電池Ａと同様、電極積層体と、電解液と、これらを収納する電池缶６とを備えて構成される。

一方、本実施形態において、電極積層体２０は、従来のようにそれぞれ個別に形成した正極板１と、袋状セパレータ４に内包された負極板２とを複数積層して形成されているのではなく、図１に示すように、集電体２１に、負極活物質２２、セパレータ２３、正極活物質２４を一体に積層し、セパレータ２３を間に正極活物質２４と負極活物質２２が対向するように折り曲げて、蛇腹状に形成されている。

より具体的に、本実施形態の電極積層体２０を形成する方法（製造方法）について説明する。図２（ａ）に示すように、まず、例えば銅板などの矩形平板状の集電体２１を用意する。

次に、集電体２１の一面２１ａと他面２１ｂにそれぞれ、例えばカーボン材料（人造黒鉛等）で構成される負極活物質２２（一方の活物質）を塗工して一体に積層する。このとき、集電体２１の一面２１ａと他面２１ｂに、集電体２１の幅方向Ｔ１の長さをＬとし、集電体２１の幅方向Ｔ１に所定の間隔（Ｈ）をあけて複数の負極活物質２２を積層する。さらに、集電体２１の一面２１ａに塗工した負極活物質２２ａと他面２１ｂに塗工した負極活物質２２ｂの一対の負極活物質２２ａ、２２ｂが集電体２１の厚さ方向Ｔ２に重なるようにして、集電体２１の一面２１ａ側と他面２１ｂ側にそれぞれ複数の負極活物質２２を積層する。

次に、図２（ｂ）に示すように、集電体２１の一面２１ａ側と他面２１ｂ側にそれぞれ、集電体２１の一面２１ａと他面２１ｂにそれぞれ塗工した複数の負極活物質２２を覆って内包するように、多孔質のポリエチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂等を一体に積層し、セパレータ２３を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、集電体２１の一面２１ａ側の一方のセパレータ２３ａと他面２１ｂ側の他方のセパレータ２３ｂの表面にそれぞれ、例えば３元系材料ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成される正極活物質２４（他方の活物質）を塗工して積層する。このとき、両セパレータ２３ａ、２３ｂにはそれぞれ、集電体２１の幅方向Ｔ１の長さをＬとし、集電体２１の幅方向Ｔ１に所定の間隔（Ｈ）をあけて複数の正極活物質２４を積層する。また、各正極活物質２４は、集電体２１の一面２１ａと他面２１ｂに塗工した一対の負極活物質２２ａ、２２ｂと集電体２２の厚さ方向Ｔ２に重なるようにして積層する。さらに、両セパレータ２３ａ、２３ｂにそれぞれ塗工して集電体２１の幅方向Ｔ１に並設される複数の正極活物質２４は、幅方向Ｔ１に隣り合う一方の正極活物質２４ａが一方のセパレータ２３ａに、他方の正極活物質２４ｂが他方のセパレータ２３ｂに積層されている。すなわち、複数の正極活物質２４は、集電体２１の幅方向Ｔ１に向かって一方のセパレータ２３ａと他方のセパレータ２３ｂに交互に積層して配設されている。

さらに、本実施形態において、図２（ｃ）のように形成した電極積層体２０は、負極活物質２２と正極活物質２４が積層されていない部分、すなわち、幅方向Ｔ１に所定の間隔（Ｈ）をあけて隣り合う負極活物質２２同士、正極活物質２４同士の隙間（Ｈ）が、折曲部２５とされている。そして、本実施形態では、正極活物質２４の厚さをｄｐ、負極活物質２２の厚さをｄｍ、セパレータ２３の厚さ（負極活物質２２から一方のセパレータ２３ａ、他方のセパレータ２３ｂの表面までの厚さ）をｄｓ、調製代をαとしたとき、各折曲部２５の集電体２１の幅方向Ｔ１の長さＨが、Ｈ＝ｄｐ＋２ｄｍ＋２ｄｓ＋α（α＞０）の関係を満たすように設定されている。

そして、上記のように形成した電極積層体２０は、集電体２１の幅方向Ｔ１に並設された複数の折曲部２５を、幅方向Ｔ１の一側端部側から順に集電体２１の一面２１ａ側、他面２１ｂ側に交互に折り曲げ、図１に示すように蛇腹状に形成する。また、このとき、各折曲部２５の集電体２１の幅方向Ｔ１の長さＨが、Ｈ＝ｄｐ＋２ｄｍ＋２ｄｓ＋α（α＞０）の関係を満たすように設定されていることにより、セパレータ２３を間に正極活物質２４と負極活物質２２が対向するように折り曲げて蛇腹状の電極積層体２０を形成することができる。また、調製代αの大きさに応じて、セパレータ２３と正極活物質２４の間に所望の大きさの隙間（α）が形成される。

また、この蛇腹状の電極積層体２０においては、複数の負極活物質２２が集電体２１で電気的に接続されているため、一つの負極タブ１０を集電体２１に接続して設ければよい。

そして、上記構成からなる本実施形態の電極Ｂ（電極積層体２０）においては、集電体２１に、負極活物質２２（一方の活物質）とセパレータ２３と正極活物質２４（他方の活物質）を一体に積層し、複数の折曲部２５でそれぞれ、負極活物質２２と正極活物質２４が対向するように交互に折り曲げることによって、蛇腹状の電極積層体２０を形成することができる。このように電極積層体２０を蛇腹状にし、複数の負極活物質２２と正極活物質２４がセパレータ２３及び集電体２１を介して一体形成されているため、正負の極同士がずれることを防止（抑止）でき、切断加工を要することなく電極積層体２０を形成することができる。

よって、本実施形態の電極Ｂ（電極積層体２０）によれば、正負の極同士がずれて所望の電池性能が発揮されなくなったり、突起状の析出物３やバリ５がセパレータ２３を突き破って短絡が生じるおそれを確実に解消することができ、高性能で信頼性の高い電池Ｂを提供することが可能になる。

また、集電体２１に負極活物質２２（一方の活物質）とを積層形成することで、電極タブの数を少なくすることができ、配線作業の簡易化（効率化）を図ることも可能になる。

以上、本発明に係る電池の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、電池Ｂがリチウムイオン二次電池であるものとして説明を行ったが、本発明は、リチウムイオン二次電池以外の他の二次電池や、一次電池など、セパレータを介して正負の極を積層してなるあらゆる電池に適用可能である。

１ 正極板
２ 負極板
３ 析出物
４ セパレータ
５ バリ
６ 電池缶
７ 正極板本体
８ 正極タブ
９ 負極板本体
１０ 負極タブ
１１ 第一セパレータ
１２ 第二セパレータ
１３ 電極積層体
１４ 正極端子
１５ リード
１６ 負極端子
２０ 電極積層体
２１ 集電体
２１ａ 一面
２１ｂ 他面
２２ 負極活物質（一方の活物質）
２３ セパレータ
２３ａ 一方のセパレータ
２３ｂ 他方のセパレータ
２４ 正極活物質（他方の活物質）
２５ 折曲部
Ａ 電池
Ｂ 電池
Ｔ１ 集電体の幅方向
Ｔ２ 集電体の厚さ方向

Claims (2)

1. セパレータを介して正極と負極を複数積層してなる電極積層体を備えた電池において、
   平板状の集電体の一面と他面にそれぞれ、正極活物質と負極活物質のいずれか一方の活物質を、該集電体の幅方向に所定の間隔をあけて一体に積層するとともに、前記集電体の一面側と他面側の一対の前記一方の活物質が前記集電体の厚さ方向に重なるように積層し、
   前記集電体の一面側と他面側にそれぞれ、前記複数の一方の活物質を内包するように前記セパレータを一体に積層し、
   前記集電体の一面側の一方のセパレータと前記集電体の他面側の他方のセパレータの表面にそれぞれ、他方の活物質を、前記集電体の幅方向に所定の間隔をあけて一体に、且つ前記一方の活物質と前記集電体の厚さ方向に重なるように積層するとともに、前記集電体の幅方向に向かって前記一方のセパレータと前記他方のセパレータに交互に積層し、
   前記集電体の幅方向に隣り合う前記一方の活物質の間の折曲部で、前記一方の活物質と前記他方の活物質が対向するように折り曲げて、
   前記電極積層体が蛇腹状に形成されていることを特徴とする電池。
2. 請求項１記載の電池において、
   前記一方の活物質の厚さをｄｍ、他方の活物質の厚さをｄｐ、前記一方の活物質から前記表面までの前記一方のセパレータと前記他方のセパレータの厚さをｄｓ、調製代をαとしたとき、
   折り曲げ前の前記折曲部の前記集電体の幅方向の長さＨが、Ｈ＝ｄｐ＋２ｄｍ＋２ｄｓ＋αの関係を満たすように設定されていることを特徴とする電池。

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