JP2014067633A - 蓄電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電素子の電極体が備える正極シート及び／又は負極シートへの異物の混入を確実に防止する。
【解決手段】電極体５は、正極シート１１、負極シート１２、及びセパレータ１３を重ね合わせて巻回してなる。正極リード１７とは反対側の正極シート１１の幅方向の端部１１ａを包むように、正極シート１１に対して谷折りに折り曲げた折曲部１３ｃをセパレータ１３に設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、非水電解質二次電池を含む電池及びキャパシタのような蓄電素子に関する。

非水電解質二次電池を含む電池及びキャパシタのような蓄電素子が備える電極体には、いずれも帯状である正極シート、負極シート、及び２枚のセパレータを重ね合わせて巻回した構造のものがある。正極シート及び負極シートの両面には活物質層が設けられ、幅方向の一端には活物質層が形成されず金属箔が露出するリードが設けられている。正極シートと負極シートとの間にはセパレータが介在している。リードはセパレータの幅方向の両端のいずれか一方から突出している。

特許文献１に開示された二次電池が備える電極体は、正極シート及び／又は負極シートのリードとは反対側の幅方向の一端に、２枚のセパレータを接合した接合部を備える。接合部を設けることで、正極シート及び／又は負極シートのリードとは反対側の一端が２枚のセパレータで包まれ、この部分への異物の混入が防止される。異物には、例えば正極シート及び／又は負極シートのリードを集電体に超音波溶接する際に発生した金属片がある。

特許文献１に開示の電極体を製造するには、例えば巻回時に２枚のセパレータをヒートローラで熱融着することで接合部を形成する必要があり、製造工程が複雑化する。また、接合部で２枚のセパレータが分離すると、正極シート及び／又は負極シートを異物の混入から保護する機能が失われる。

特開２０１１−２１６３９９号公報

簡易な製造工程で製造可能であるが、正極シート及び／又は負極シートを異物の混入から保護する機能を確実に維持できる電極体を備える蓄電池を提供することを課題とする。

本発明は、それぞれ金属箔に活物質層を設けた正極シート及び負極シートと、少なくとも１枚のセパレータとを、前記正極シートと前記負極シートとの間に前記セパレータが介在するように重ね合わせて巻回又は積層してなる電極体を備え、前記セパレータは、前記正極シート及び前記負極シートのうちの一方を包むように長手方向に沿って折り曲げた折曲部を有する第１のセパレータを含む、蓄電素子を提供する。

折曲部を設けてセパレータで包むことにより、正極シート及び／又は負極シートへの異物の接触が防止される。異物には、例えば正極シート及び／又は負極シートのリードを集電体に超音波溶接する際に発生した金属片がある。

折曲部を設けることで正極シート及び／又は負極シートを包むので、製造に際して熱融着等によりセパレータを接合する工程が不要である。つまり、簡易な工程で電極体を製造可能である。

折曲部を設けることで正極シート及び／又は負極シートを包むので、熱溶着等による接合部を設ける場合とは異なり、正極シート及び／又は負極シートを包む部分でのセパレータの分離が生じることがない。そのため、セパレータで包むことによる正極シート及び／又は負極シートを異物の混入から保護する機能は、確実に維持される。

具体的には、前記正極シート及び負極シートの前記活物質層は、前記金属箔の幅方向の一端に前記金属箔が露出したリードが形成されるように設けられ、前記第１のセパレータの前記折曲部は、前記正極シート及び前記負極シートのうちの一方の前記リードとは反対側の幅方向の端部を包む。

前記セパレータは、前記正極シート及び前記負極シートのうちの他方を包むように長手方向に沿って折り曲げた折曲部を有する第２のセパレータを含んでもよい。この場合、前記第２のセパレータの前記折曲部は、前記正極シート及び前記負極シートのうちの他方の前記リードとは反対側の幅方向の端部を包む。

前記第１及び第２のセパレータの前記折曲部から幅方向の反対側までの長さは、前記活物質層の幅方向の寸法に対応して設定することが好ましい。

好ましくは、前記第１のセパレータの前記折曲部は、前記正極シートの前記リードとは反対側の幅方向の一端を包む。

本発明に係る蓄電素子が備える電極体では、セパレータに折曲部を設けることで正極シート及び／又は負極シートをセパレータによって包むので、熱融着等の接合工程が不要な簡易な製造工程で製造可能であるが、正極シート及び／又は負極シートへの異物の接触防止機能を確実に維持できる。

本発明の第１実施形態に係る非水電解質二次電池の分解斜視図。 電極体の模式的な断面図（図１のII−II線）。 折曲部の部分拡大断面図。 電極体の製造装置の模式図。 図４のＶ−Ｖ線での断面図。 本発明の第２実施形態に係る非水電解質二次電池が備える電極体の図２と同様の断面図。 本発明の第３実施形態に係る非水電解質二次電池が備える電極体の図２と同様の断面図。 本発明の第４実施形態に係る非水電解質二次電池が備える電極体の図２と同様の断面図。 本発明の第５実施形態に係る非水電解質二次電池が備える電極体の模式的な展開斜視図。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「側」、「端」を含む用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る非水電解質二次電池（以下、単に電池という）１を示す。電池１は、上端が開口した容器２と、容器２の開口を閉鎖する蓋体３とで構成されたケーシング４を備える。ケーシング４の内部には、電極体５が収容されている。また、ケーシング４内に蓋体３に形成された注液口３ａを介して電解液が充填されている。

図２を併せて参照すると、電極体５は後に詳述する正極及び負極リード１７，２３を備え、これらのリード１７，２３は、それぞれ正極及び負極の集電体６Ａ，６Ｂの脚部６ａに電気的に接続されている。正極及び負極の集電体６Ａ，６Ｂは、蓋体３から外部に突出するボルト状の接続部７ａを有する正極及び負極の外部端子７Ａ，７Ｂにそれぞれ電気的に接続されている。集電体６Ａ，６Ｂと蓋体３の下面との間に下パッキン８が介装され、外部端子７Ａ，７Ｂと蓋体３の上面との間には上パッキン９が介装されている。

電極体５は、いずれも一定幅の長尺な帯状である正極シート１１、負極シート１２、及び微多孔性樹脂シートからなる１枚のセパレータ１３（第１のセパレータ）を重ね合わせ、高扁平率の楕円筒状に巻回したものである。後に詳述するように、セパレータ１３は長手方向に折り曲げられており、正極シート１１の一つの層と、それに隣接する負極シート１２の一つの層との間には、セパレータ１３（後述する第１及び第２帯状部１３ｄ，１３ｅのうちのいずれか一方）が介在している。

正極シート１１は、帯状の正極金属箔１５と、この正極金属箔１５の両面に形成された正極活物質層１６とを備える。正極シート１１の幅方向の一方（図２において右側）の端部１１ａでは、正極活物質層１６が側縁１１ｃまで設けられている。正極シート１１の幅方向の他方（図２において左側）の端部１１ｂには、正極活物質層１６を設けずに正極金属箔１５を露出させた正極リード１７が設けられている。

負極シート１２は、帯状の負極金属箔２１と、この負極金属箔２１の両面に形成された負極活物質層２２とを備える。負極シート１２の幅方向の一方側（図２において左側）の端部１２ｂでは、負極活物質層２２が側縁１２ｃまで設けられているが、負極シート１２の幅方向の他方（図２において右側）の端部１２ａには、負極活物質層２２を設けずに負極金属箔２１を露出させた負極リード２３が設けられている。

セパレータ１３は幅方向の中央で端部１３ａ，１３ｂと平行に長手方向に直線状に延びる折曲部１３ｃを設け、２つ折りに折り曲げられている。言い換えれば、セパレータ１３は、折曲部１３ｃから端部１３ａまでの第１帯状部１３ｄと、折曲部１３ｃから端部１３ｂまでの第２帯状部１３ｅとを備える。仮にセパレータ１３を展開した状態とすると、長手方向に延びる折曲部１３ｃの両側に同じ長手方向に延びる第１帯状部１３ｄと第２帯状部１３ｅが広がっている。本実施形態では折曲部１３ｃから端部１３ａ，１３ｂまでの距離は等しく、第１帯状部１３ｄと第２帯状部１３ｅの幅は同一である。

正極シート１１の正極活物質層１６側がセパレータ１３の第１帯状部１３ｄと第２帯状部１３ｅとの間に配置されている。つまり、正極シート１１の正極活物質層１６側は二つ折りのセパレータ１３に挟まれており、正極シート１１を基準とするとセパレータ１３の折曲部１３ｃは谷折りである。図３に示すように、正極シート１１の正極活物質層１６側の端部１１ａ（正極リード１７と反対側の端部）は、セパレータ１３の折曲部１３ｃに概ね突き当たっている。

正極シート１１と負極シート１２は、二つ折りされセパレータ１３の幅方向の両側（端部１３ａ，１３ｂ側と折曲部１３ｃ側）から正極リード１７と負極リード２３がそれぞれ突出するように、正極リード１７と負極リード２３の向き（図２において左右の向き）を反対に設定し、かつセパレータ１３に対する幅方向の位置をずらしている。正極シート１１については、正極リード１７を設けた端部１１ｂが二つ折りされたセパレータ１３の図２において左側（端部１３ａ，１３ｂ側）から突出する。負極シート１２については、負極リード２３を設けた端部１２ａが二つ折りされたセパレータ１３の図２において右側（折曲部１３ｃ側）から突出する。

図１に示すように、二つ折りされたセパレータ１３から突出する正極リード１７と負極リード２３は、クリップ２４で束ねられて集電体６Ａ，６Ｂの脚部６ａに接続されている。例えば、リード１７，２３とクリップ２４が超音波溶接され、クリップ２４と集電体６Ａ，６Ｂの脚部６ａが超音波溶接される。

正極シート１１の端部１１ａをセパレータ１３で包むことで、この部分への異物の混入が防止される。異物には、例えば負極シート１２の負極リード２３をクリップ２４に超音波溶接する際に発生する金属片がある。正極シート１１の正極金属箔１５がアルミニウム製で負極シート１２の負極金属箔２１が銅製の場合がある。負極シート１２の負極リード２３、つまり負極金属箔２１をクリップ２４に超音波溶接する際に銅片が発生し、この銅片が正極シート１１のアルミニウム製の正極金属箔１５と接触すると、銅片が銅イオンとして電解液中に析出する。溶出した銅イオンが負極に到達すると、負極表面で析出し、析出量が大きくなると、セパレータを突き破り、正極側に到達して微小短絡回路が形成される。その結果、微小短絡回路に電流が流れて局所的に発熱し、セパレータを溶融させて微小な貫通孔が形成されるので、電池１の容量低下の原因となり得る。二つ折りされたセパレータ１３の折曲部１３ｃでアルミニウム製の正極金属箔１５を備える正極シート１１を覆うことで、銅片の電気化学的な溶解を防止できる。

図３の下側の図に示すように、２枚のセパレータ１３’，１４’の端部に熱溶着等により接合部４０を設けることでも、正極シート１１の端部１１ａをセパレータで包むことができる。しかし、正極シート１１の端部１１ａを２枚のセパレータ１３’，１４’の接合部４０に突き当たる位置に配置することができない。そのため、正極シート１１の端部１１ａから接合部４０までの間には符号Ｗ１で示す隙間が不可避的に生じる。また、セパレータ１３’，１４’の端部には、熱溶着等により接合部４０を設けるためにある程度の幅Ｗ２の帯状部４１が必要である。これに対し、本実施形態の場合、前述のように正極シート１１の端部１１ａをセパレータ１３の折曲部１３ｃに概ね突き当てることができるので、接合部４０を設ける場合のような隙間Ｗ１は生じない。また、折曲部１３ｃは実質的に幅を有しないため、接合部４０を設ける場合のような帯状部４１を設ける必要がない。これらの理由より、本実施形態のように１枚のセパレータ１３に折曲部１３ｃを設けて同一のセパレータ１３の第１帯状部１３ｄと第２帯状部１３ｅとで正極シート１１の端部１１ａを包むことで、電極体５の体積容量密度を向上することができる。

図３の下側の図に示す２枚のセパレータ１３’，１４’の端部に熱溶着等により接合部４０を設ける構成の場合、接合部４０での接合が解除され、２枚のセパレータ１３’，１４’の端部が分離する可能性がある。２枚のセパレータ１３’，１４’の端部が分離すると、正極シート１１の端部１１ａへの異物の接触を防止する機能が失われる。これに対し、本実施形態では、セパレータ１３で正極シート１１の端部１１ａを包むための折曲部１３ｃの部分で第１帯状部１３ｄと第２帯状部１３ｅとが分離することは、実質的に起こり得ない。そのため、セパレータ１３で包むことにより正極シート１１の端部１１ａへの異物の接触を防止する機能は、確実に維持される。

図４は電極体５の製造装置３０を示す。製造装置３０は、３個の供給ボビン３１〜３３を備える。供給ボビン３１，３２には、正極シート１１と負極シート１２がそれぞれコイル状に巻き付けられている。供給ボビン３１には、セパレータ１３がコイル状に巻き付けられている。供給ボビン３１〜３３から巻き出された正極シート１１、負極シート１２、及びセパレータ１３は、互いに重ね合わせられた状態で、回転する巻枠３８によって巻き取られる。巻枠３８に巻き取られる。

正極シート１１と負極シート１２の供給ボビン３１，３２の回転中心が延びる方向に対し、セパレータ１３の供給ボビン３３の回転方向は概ね直交している。供給ボビン３１から巻き出された正極シート１１はガイドローラ３５を経てローラ対３６のニップ部に送り込まれる。供給ボビン３１から巻き出されたセパレータ１３は、本実施形態では図５に示すような三角形板である折曲部材３７を通過してローラ対３６のニップ部に送り込まれることで、二つ折りに折り曲げられる。折曲部材３７の頂点３７ａによりセパレータ１３に折曲部１３ｃが形成される。

ローラ対３６よりも上流側において、完全に二つ折りされる前のセパレータ１３の第１帯状部１３ｄと第２帯状部１３ｅとの間に、供給ボビン３１から供給される正極シート１１が差し込まれる。図４では、ローラ対３６のニップ部を通過する際に、セパレータ１３の第１帯状部１３ｄ、正極シート１１、及びセパレータ１３の第２帯状部１３ｅがこの順で重ね合わされる。供給ボビン３３からの負極シート１２は、ローラ対３６よりも下流側において、既に二つ折りにされたセパレータ１３（第１帯状部１３ｄと第２帯状部１３ｅの間に既に正極シート１１が挿入されている）に重ねられる。

本実施形態の電極体５はセパレータ１３を二つ折りにすることで正極シート１１の端部１１ａをセパレータ１３で包むので、熱溶着等により２枚のセパレータを接合する必要がない。そのため、製造装置３０は、熱溶着装置のようなセパレータを接合するための機器ないし設備は不要である。

また、折曲部材３７からローラ対３６のニップ部までの間でセパレータ１３の第１帯状部１３ｄと第２帯状部１３ｅとの間に正極シート１１を挿入する際に、正極シート１１の端部１１ａをセパレータ１３の折曲部１３ｃ（正極シート１１を基準とすると谷折り）に沿わせることができる。正極シート１１の端部１１ａを折曲部１３ｃに沿わせることで、セパレータ１３の幅方向の位置を正極シート１１で規正し、それによって巻枠３８で巻き取る際のセパレータ１３の幅方向の位置ずれを防止ないし抑制できる。

（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係る電池が備える電極体５を示す。この実施形態の電池の全体的な構造は、第１実施形態と同様である（図１参照）。

本実施形態の電極体５は、谷折りの折曲部１３ｃで二つ折りに折り曲げたセパレータ１３により、負極シート１２を包んでいる。折曲部１３ｃを設けてセパレータ１３で包むことにより、負極シート１２の端部１２ｂへの異物の接触を防止できる。

（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態に係る電池が備える電極体５を示す。この実施形態の電池の全体的な構造は、第１実施形態と同様である（図１参照）。

本実施形態の電極体５は、２枚のセパレータ１３，１４を備える。一方のセパレータ１３は、第１実施形態と同様に、谷折りの折曲部１３ｃで二つに折り曲げられて正極シート１１の端部１１ａを包んでいる。他方のセパレータ１４（第２のセパレータ）は、第２実施形態と同様に、谷折りの折曲部１４ｃで二つに折り曲げられ第１及び第２帯状部１４ｄ，１４ｅで負極シート１２の端部１２ｂを包んでいる。折曲部１３，１４を設けてセパレータ１３，１４で包むことにより、正極シート１１と負極シート１２の両方について端部１１ａ，１２ａへの異物の接触を防止できる。

（第４実施形態）
図８は本発明の第４実施形態に係る電池が備える電極体５を示す。この実施形態の電池の全体的な構造は、第１実施形態と同様である（図１参照）。

本実施形態の電極体５は、第３実施形態と同様に２枚のセパレータ１３，１４を備え、これらのセパレータ１３，１４に谷折りの折曲部１３ｃ，１４ｃを設けることで、正極シート１１の端部１１ａと負極シート１２の端部１２ａの両方をセパレータ１３，１４で包んでいる。

正極シート１１を包むセパレータ１３の折曲部１３ｃから端部１３ａ，１３ｂまでの長さＬ１（第１及び第２帯状部１３ｄ，１３ｅの幅）は、正極活物質層１６の幅方向の寸法と同一又はそれよりも僅かに長く設定している。また、負極シート１２を包むセパレータ１４の折曲部１４ｃから端部１４ａ，１４ｂまでの長さＬ２（第１及び第２帯状部１４ｄ，１４ｅの幅）は、負極活物質層２２の幅方向の寸法と同一又はそれよりも僅かに長く設定している。つまり、本実施形態では、セパレータ１３，１４の幅は正極活物質層１６と負極活物質層２２を包むのに必要最小限の寸法に設定している。これにより、正極リード１７及び負極リード２３をクリップ２４（図１参照）で束ねる部分（図８において符号Ａ，Ｂ）では、リード１７，２３間にセパレータ１３，１４が介在せず、過度に体積が大きくなるのを防ぐことができる。

（第５実施形態）
図９は本発明の第５実施形態に係る電池が備える電極体５を示す。この実施形態の電池の全体的な構造は、第１実施形態と同様である（図１参照）。

本実施形態における電極体５では、第１実施形態と同様に、いずれも一定幅の長尺な帯状である正極シート１１、負極シート１２、及びセパレータ１３を重ね合わせている。セパレータ１３は折曲部１３ｃで長手方向に折り曲げられており、正極シート１１の正極活物質層１６側がセパレータ１３の第１帯状部１３ｄと第２帯状部１３ｅとの間に配置されている（折曲部１３ｃで二つ折りに折り曲げたセパレータ１３により、正極シート１１を包んでいる）。

第１実施形態では、重ね合わせた正極シート１１、負極シート１２、及びセパレータ１３を巻回している。これに対し、本実施形態では、正極シート１１、負極シート１２、及びセパレータ１３を重ね合わせた状態で、図９において右側に山折となる折曲部５１と右側が谷折となる折曲部５２とを一定幅をあけて繰り返し設けることで、正極シート１１、負極シート１２、及びセパレータ１３を積層している。言い換えれば、いわばジクザク状に折り畳むことで、正極シート１１、負極シート１２、及びセパレータ１３を積層している。

前述の第２実施形態（図６）では二つ折りに折り曲げたセパレータ１３によって負極シート１２を包んでいる。また、前述の第３及び図４実施形態（図７，８）では、二つ折りに折り曲げたセパレータ１３によって正極シート１１を包み、同様に二つ折りに折り曲げたセパレータ１４によって負極シート１２を包んでいる。第２から第４実施形態の態様で正極シート１１、負極シート１２、及びセパレータ１３（１４）を重ね合わせた場合も、これらをジクザグ状に折り畳んで、正極シート１１、負極シート１２、及びセパレータ１３（１４）を積層してもよい。

前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。特に、非水電解質二次電池を例に本発明を説明したが、同様又は類似の構造の電極体を備える他の電池及びキャパシタに本発明を適用できる。

１ 電池
２ 容器
３ 蓋体
３ａ 注液口
４ ケーシング
５ 電極体
６Ａ，６Ｂ 集電体
６ａ 脚部
７Ａ，７Ｂ 外部接続端子
７ａ 接続部
８ 下パッキン
９ 上パッキン
１１ 正極シート
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 側縁
１２ 負極シート
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 側縁
１３，１４ セパレータ
１３ａ，１３ｂ，１３ａ，１３ｂ 端部
１３ｃ，１４ｃ 折曲部
１３ｄ，１３ｅ，１４ｄ，１４ｅ 帯状部
１５ 正極金属箔
１６ 正極活物質層
１７ 正極リード
２１ 負極金属箔
２２ 負極活物質層
２３ 負極リード
２４ クリップ
３０ 製造装置
３１，３２，３３ 供給ボビン
３５ ガイドローラ
３６ ローラ対
３７ 折曲部材
３７ 頂点
３８ 巻枠
４０ 接合部
４１ 帯状部
５１，５２ 折曲部

Claims (6)

1. それぞれ金属箔に活物質層を設けた正極シート及び負極シートと、少なくとも１枚のセパレータとを、前記正極シートと前記負極シートとの間に前記セパレータが介在するように重ね合わせて巻回又は積層してなる電極体を備え、
   前記セパレータは、前記正極シート及び前記負極シートのうちの一方を包むように長手方向に沿って折り曲げた折曲部を有する第１のセパレータを含む、蓄電素子。
2. 前記正極シート及び負極シートの前記活物質層は、前記金属箔の幅方向の一端に前記金属箔が露出したリードが形成されるように設けられ、
   前記第１のセパレータの前記折曲部は、前記正極シート及び前記負極シートのうちの一方の前記リードとは反対側の幅方向の端部を包む、請求項１に記載の蓄電素子。
3. 前記セパレータは、前記正極シート及び前記負極シートのうちの他方を包むように長手方向に沿って折り曲げた折曲部を有する第２のセパレータを含む、請求項２に記載の蓄電素子。
4. 前記第２のセパレータの前記折曲部は、前記正極シート及び前記負極シートのうちの他方の前記リードとは反対側の幅方向の端部を包む、請求項３に記載の蓄電素子。
5. 前記第１及び第２のセパレータの前記折曲部から幅方向の反対側までの長さは、前記活物質層の幅方向の寸法に対応して設定されている、請求項４に記載の蓄電素子。
6. 前記第１のセパレータの前記折曲部は、前記正極シートの前記リードとは反対側の幅方向の一端を包む、請求項２に記載の蓄電素子。