JP2014515165A - リチウムイオン蓄電池のセル巻線、および、セル巻線の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも２つの電流導体（９０）と少なくとも２つのセパレータとを備え、電流導体（９０）はセパレータによって相互に分離されており、電流導体（９０）上に活性材料（９２）が塗布されている、リチウムイオン蓄電池のセル巻線に関しており、活性材料の厚さ（９４）が電流導体（９０）に沿って変化することを特徴とする。活性材料の厚さ（９４）が電流導体（９０）に沿って変化することにより、セル巻線の耐用期間が増大し、大きなメモリ容量を実現することができる。

Description

本発明は、少なくとも２つの電流導体と少なくとも２つのセパレータとを備え、電流導体がセパレータによって相互に分離されており、活性材料が電流導体上に塗布されている、リチウムイオン蓄電池のセル巻線に関する。

従来技術
リチウムイオン蓄電池は高い比エネルギおよび比抵抗を有する電気化学的エネルギ蓄積器である。これは、例えば、携帯電話機、ラップトップコンピュータ、電気工具などにおいて用いられているが、将来は自動車などでもますます利用されるようになるはずである。基本的には、円筒形のリチウムイオン蓄電池や、積層電極を備えたリチウムイオン蓄電池、また、電極およびセパレータが「角柱形」に巻き回された、いわゆる角柱形セルを有するリチウムイオン蓄電池などが知られている。

電極を巻き回すことにより、活性材料に機械的負荷が発生する。巻き回し径が小さく、かつ、活性材料層が厚くなるにつれて、機械的負荷も大きくなる。活性材料はリチウムのインタカレーション／デインタカレーションによってその体積を変化させるので、活性材料層はリチウムイオン蓄電池の充放電過程中にさらに機械的負荷を受ける。

発明の開示
本発明は、少なくとも２つの電流導体と少なくとも２つのセパレータとを備え、電流導体がセパレータによって相互に分離されており、活性材料が電流導体上に塗布されている、リチウムイオン蓄電池のセル巻線に関しており、活性材料の厚さが電流導体に沿って変化することを特徴とする。

本発明によれば、リチウムイオン蓄電池のセル巻線は、少なくとも２つの電流導体と少なくとも２つのセパレータとを備える。第１の電流導体は例えば正電極ないしカソードであって、アルミニウムから成る。第２の電流導体は例えば負電極ないしアノードであって、銅から成る。各電流導体はそれぞれ異なる形状を有していてよい。通常、２つの電流導体は金属シートとして構成される。２つのセパレータが２つの電流導体を相互に分離している。２つのセパレータは典型的には多孔性のポリエチレンおよび／またはポリプロピレンから成る。各セパレータは電流導体間に配置され、各電流導体が直接に接触してセル巻線内で短絡が生じることを防止する。活性材料が２つの電流導体上に塗布されている。通常、活性材料は２つの電流導体の両側に塗布される。

本発明によれば、活性材料の厚さは電流導体に沿って変化する。これは、電流導体に沿った活性材料の厚さが製造過程中のセル巻線の巻回方向で変化することを意味する。また、活性材料の厚さは、電流導体に沿って、製造中のセル巻線の巻回方向に対する横断方向で変化してもよい。第１の電流導体に沿った活性材料の厚さは第２の電流導体に沿った活性材料の厚さとは異なっていてよい。活性材料の厚さが変化することにより、電流導体およびその上に塗布されている活性材料は、セル巻線が屈曲されたり巻き回されたりする間、種々の大きさの機械的負荷を受ける。これにより、電流導体および塗布された活性材料の断面で見た厚さが得られる。ここでの断面とは、製造中のセル巻線の巻回方向で見た断面である。

活性材料の厚さが変化することにより、応力は断面で見た厚さに直接に依存するので、発生する最大応力も変化する。リチウムイオン蓄電池のセル巻線が例えば熱負荷および／または機械的負荷のために膨張する場合、そこで生じる応力は厚さの変化によって低減される。熱負荷もしくは機械的負荷が僅かしか予測されない位置は、相応の大きさの活性材料厚さを有する。また、セル巻線は、リチウムイオン蓄電池の充放電過程中、機械的負荷を受ける。この機械的負荷は、リチウムのインタカレーション／デインタカレーションによる活性材料の体積変化から生じる。活性材料の厚さを変化させることにより、活性材料層における応力を意図的に制御できる。活性材料の厚さを変化させることにより、負荷領域において活性材料が剥落しなくなるため、セル巻線の耐用期間も長くなる。さらに、セルの比エネルギ［Ｗｈ／ｋｇ］および体積エネルギ密度［Ｗｈ／ｍ^３］も高められる。セル巻線のうち強い負荷のかかる領域には活性材料が僅かしか塗布されないが、弱い負荷の領域には多くの活性材料が塗布されることになる。また、本発明では、活性材料に注意しさえすれば、セル巻線を任意の形状で製造可能である。したがって、例えば角柱形、直方体形、螺旋形、円筒形などの形状のセル巻線を製造することができる。

セル巻線の一実施形態によれば、電流導体に沿った活性材料の厚さは電流導体の曲率半径に依存して変化する。活性材料の厚さが電流導体に沿ってその曲率半径に依存して変化することにより、高い負荷が予測される位置での活性材料の厚さを低減することができる。

セル巻線の別の実施形態によれば、活性材料の厚さは電流導体に沿ってその曲率半径に比例して変化する。

外部負荷、例えば機械的負荷もしくは熱負荷に関係なく、巻き回しによってセル巻線を製造する際には屈曲による機械的負荷が生じる。活性材料の厚さが電流導体に沿ってその曲率半径に比例して変化することにより、屈曲位置では曲率半径に依存するように活性材料が塗布される。こうして、小さな曲率半径に対しては小さな厚さの活性材料が設けられ、大きな曲率半径に対しては大きな厚さの活性材料が設けられるので、活性材料内の応力負荷が低減される。すなわち、直線状の電流導体は無限大へ向かう最大の曲率半径を有する。屈曲された電流導体はゼロへ向かう最小の曲率半径を有する。

セル巻線の別の実施形態によれば、活性材料の厚さは、電流導体のうち相対的に小さい曲率半径を有する位置で最小であり、および／または、電流導体のうち相対的に大きい曲率半径を有する位置で最大である。

電流導体に沿った曲率半径はきわめて大きく変化しうる。よって、例えば、螺旋形または円筒形のセル巻線では、第１の巻線が特にゼロへ向かうきわめて小さな曲率半径を有し、第２の巻線がきわめて大きな曲率半径を有する。この場合、１つの巻線を、リチウムイオン蓄電池のセル巻線を巻き回す際に発生するスパイラルの（小さい）１ラウンドと称する。本発明における相対的に小さい曲率半径とは、平均曲率半径よりも小さい曲率半径のことである。つまり、セル巻線の内側の巻線は相対的に小さな曲率半径を有する。本発明における相対的に大きい曲率半径とは、平均曲率半径よりも大きい曲率半径のことである。つまり、セル巻線の外側の巻線は相対的に大きな曲率半径を有する。本発明における平均曲率半径とは、電流導体に沿った曲率半径の経過を巻数で除算して得られる値である。平均曲率半径は、観察しているセル巻線の平均曲率半径に相当し、セル巻線ごとに異なっていてよい。この実施形態によれば、電流導体のうち相対的に小さい曲率半径を有する位置または曲率半径の設定値を下回る位置で活性材料の最小厚さが示され、および／または、電流導体のうち相対的に大きい曲率半径を有する位置または曲率半径の設定値を上回る位置で活性材料の最大厚さが示される。

セル巻線の別の実施形態によれば、活性材料の厚さは、電流導体に沿って、活性材料のそれぞれの位置でこの電流導体に作用する機械的負荷および／または熱負荷に依存して変化する。活性材料の厚さが、電流導体に沿って、活性材料のそれぞれの位置でこの電流導体に作用する機械的負荷または熱負荷に依存して変化することにより、活性材料の負荷ないし応力を回避することができる。

セル巻線の別の実施形態によれば、活性材料の厚さは、電流導体に沿って、この電流導体に作用する機械的負荷および／または熱負荷に反比例して変化する。

セル巻線の別の実施形態によれば、活性材料の厚さは、電流導体に作用する機械的負荷および／または熱負荷が最小となる位置で最大であり、および／または、電流導体に作用する機械的負荷および／または熱負荷が最大となる位置で最小である。

セル巻線の別の実施形態によれば、活性材料の厚さは、０μｍ以上２００μｍ以下の範囲、特に５μｍ以上１８０μｍ以下の範囲で変化する。

最大負荷の領域では、活性材料の厚さは有利には０μｍである。このようにすれば、この領域で活性材料の剥落がもはや発生しなくなる。最小負荷の領域では、活性材料の厚さは有利には２００μｍである。ここでは活性材料の剥落はほとんど生じない。

同様に小さい負荷を有する位置での活性材料は、リチウムイオン蓄電池の典型的な層厚さの２倍から６倍の厚さを有する。活性材料の最大厚さは、活性材料の厚さとともに増大する内部抵抗によって制限される。さらに、内部抵抗は、きわめて厚い活性材料層の製造能力によっても制限される。

また、本発明は、リチウムイオン蓄電池のセル巻線の製造方法に関する。本発明の方法では、活性材料を電流導体上に塗布する間、活性材料の厚さが変化される。こうした方法により、上述した有利な特性を有するセル巻線が製造される。

本発明の方法の一実施形態によれば、活性材料を電流導体上に塗布した後、活性材料が複数の所定の位置で少なくとも部分的に除去される。

本発明の方法では、種々の厚さの活性材料を有するセル巻線を特に簡単に製造することができる。これは、予め塗布されていた活性材料が所定の位置で除去されることによって行われる。ここでの除去は種々の方式で実行可能である。例えば、電流導体のうち活性材料を有さない領域を分離可能な層によってコーティングし、その領域に活性材料を形成しないかまたは付着させないようにすることができる。さらに、スタンピングによって活性材料を連続的に除去したり、打ち抜きによって除去したりすることもできる。別の手段として、ステンシル型を用いて活性材料を直接に所望の位置に塗布したり、電流導体のうち活性材料を有するべきでない位置を切り欠いたりすることができる。

本発明の利点および有利な実施形態を図示し、以下に詳細に説明する。なお、図は各特徴を説明するためのものであって、本発明を何らかの形式に制限するものでないことに注意されたい。

角柱形のセル巻線を示す図である。 図１に示されている角柱形のセル巻線のうち強い負荷を受ける領域を示す拡大図である。 巻き回される前の図１の角柱形のセル巻線のうち、活性材料を塗布された電流導体を示す部分図である。 螺旋形もしくは円筒形のセル巻線を示す図である。 巻き回される前の図４の螺旋形もしくは円筒形のセル巻線のうち、活性材料を塗布された電流導体を示す部分図である。 立方体形もしくは直方体形のセル巻線を示す図である。 巻き回される前の図６の立方体形もしくは直方体形のセル巻線のうち、活性材料を塗布された電流導体を示す部分図である。 電流導体上の活性材料分布の第１の実施例を示す図である。 電流導体上の活性材料分布の第２の実施例を示す図である。 電流導体上の活性材料分布の第３の実施例を示す図である。

図１には、２層の電流導体１２および２層のセパレータ１４、すなわち全体で４層から成る角柱形のセル巻線１０が示されている。第１の電流導体１２は正電極（カソード）であり、アルミニウムから成る。第２の電流導体１２は負電極（アノード）であり、銅から成る。２つの電流導体１２は活性材料２６でコーティングされている。２つのセパレータ１４は典型的には多孔性のポリエチレンおよび／またはポリプロピレンから成る。２つのセパレータ１４は２つの電流導体１２間に挿入されており、活性材料が直接接触して内部短絡が生じることを防止している。電流導体１２が巻き回され、セル巻線１０が駆動されることにより、セル巻線１０の側方領域に強い負荷のかかる領域１６が発生する。この領域１６では活性材料２６が屈曲によって機械的に強く負荷されている。電流導体１２の曲率半径が小さくなるにつれて、活性材料２６の厚さ２８は大きくなるので、機械的負荷も増大する。また、活性材料はリチウムイオン蓄電池の充放電過程中にも機械的負荷を受ける。この機械的負荷はリチウムのインタカレーション／デインタカレーションによって生じる体積変化に基づいて生じる。

図２には図１のセル巻線１０のうち強い負荷のかかる領域１６が拡大図によって示されている。矢印２０は平均曲率半径を表しており、矢印１８は平均曲率半径２０に比べて相対的に大きな曲率半径を表しており、矢印２２は平均曲率半径２０に比べて相対的に小さな曲率半径を表している。

図３には、図１に示されている角柱形のセル巻線１０のうち、活性材料２６の塗布された電流導体１２の一部が示されている。図示を簡単化するために、活性材料は電流導体の一方側にしか示されていないが、典型的には活性材料は１つの電流導体の両面に塗布される。相応のことが図５，図７−図１０にも当てはまる。電流導体１２は展開された状態で示されている。図示の実施例では、セクション３０に活性材料２６が塗布されていない。セクション３０は電流導体１２のうち相対的に小さな曲率半径２２を有する領域である。セクション３２では活性材料２６は一定の厚さ２８で塗布されている。このセクション３２は電流導体のうち相対的に大きな曲率半径２４を有する領域である。

図４には、２層の電流導体４２と２層のセパレータ４４との全部で４層から成る螺旋形もしくは円筒形のセル巻線４０が示されている。図５からわかるように、セル巻線４０の内側の巻線は活性材料を有さない。電流導体４２のセクション５２は、電流導体のうち相対的に小さな曲率半径を有する領域であり、セル巻線４０の内側の巻線上に存在している。電流導体４２のセクション５２には活性材料が塗布されていないので、この箇所はきわめて小さな曲率半径を有する。よって、単純な巻き回しにより、長い耐用期間を期待できるセル巻線４０が製造される。

電流導体４２のセクション５４は、電流導体４２のうち相対的に大きな曲率半径を有する領域であり、セル巻線４０の外側の巻線上に存在している。セクション５４では、活性材料４８が塗布されている。図示の実施例では、活性材料４８の厚さ５０は曲率半径に比例する。つまり、活性材料４８の厚さ５０はセル巻線の巻数が増大するにつれて線形に増大する。このため、有利には、活性材料４８の全体積を増大でき、その際に活性材料が巻き回し過程での電流導体の屈曲から生じる不要な負荷に曝されるおそれがない。理想的には、こうした負荷は、巻き回し過程中に活性材料４８の厚さ５０が増大しても、一定に保持される。しかし、活性材料４８の体積はリチウムイオン蓄電池の蓄積容量に対して決定的な影響を有する。

活性材料４８の厚さ５０は任意の特性を有してよく、特には、一定であってもよいし、指数的特性もしくは凹特性もしくは凸特性を有してもよい。有利には、最外側の巻線での活性材料の厚さは比例を外れて大きく増大する。この場合、付加的に活性材料が塗布されることになるが、大きな体積変化によって活性材料の内側の領域への影響は生じない。

電流導体４２のセクション５２、すなわち、電流導体４２のうち相対的に小さな曲率半径を有する領域の終端部と、電流導体４２のセクション５４、すなわち、電流導体４２のうち相対的に大きな曲率半径を有する領域の始端部とは、任意に選定可能である。有利には、電流導体４２のセクション５４は、曲率半径が予め設定された限界値に達するかまたは上回る箇所、ひいては、屈曲から生じる機械的負荷が所定の限界値に達するかまたは上回る箇所から始まる。活性材料の始端部は図５に示されているように急峻に出現する。有利には、活性材料４８の厚さ５０は、０μｍから徐々に増大する。これにより、巻き回し過程中にセル巻線４０の巻線間に空隙が生じないという利点が得られる。これに代えて、電流導体４２のセクション５２を除去して、活性材料４８の厚さ５０が始端部から終端部まで連続的に増大するようにしてもよい。

図６には、２層の電流導体６２と２層のセパレータ６３との全部で４層から成る立方体形もしくは直方体形のセル巻線６０が示されている。この４層は立方体形もしくは直方体形のセルコア６４を中心として巻き回されている。図７には、図６のセル巻線６０の電流導体６２のうち活性材料６８が塗布された部分が示されている。図７では電流導体６２は展開された状態で示されている。

電流導体６２のセクション７２、すなわち、電流導体６２のうち相対的に小さな曲率半径を有する領域には、活性材料６８が塗布されていない。この領域で電流導体６２は屈曲され、セルコアの立方体形もしくは直方体形の形状に密に接する。電流導体６２のセクション７４、すなわち、電流導体６２のうち相対的に大きな曲率半径を有する領域には、活性材料６８が塗布されている。電流導体６２のセクション７４の長さはセル巻線の内側の巻線ではセルコア６４の側辺長さに相当する。電流導体６２のセクション７４の長さは外側へ向かって徐々に増大する。

図８−図１０には電流導体上の活性材料の分布の実施例が示されている。

図８には、電流導体８０の活性材料８２の分布が示されている。活性材料８２の厚さ８４は、電流導体８０の１つのセクション８８、すなわち、電流導体８０のうち相対的に大きな曲率半径を有する領域内では一定である。ただし、活性材料８２の厚さは電流導体８０の１つのセクションから次のセクションへ移行すると増大する。電流導体８０のセクション８６、すなわち、電流導体８０のうち相対的に小さな曲率半径を有する領域には、活性材料８２は塗布されていない。活性材料８２は電流導体８０上に段階的に塗布されており、各活性材料８２間の距離ないし電流導体８０のセクション８６の長さは増大している。このため、例えば単純な折り畳みにより、角柱形のセル巻線を製造することができる。

図９には、電流導体９０の活性材料９２の分布が示されている。電流導体９０のセクション９６、すなわち、電流導体９０のうち相対的に中程度の曲率半径を有する領域が見て取れる。本発明での相対的に中程度の曲率半径とは、平均曲率半径に相当するかまたはこれと僅かしか異ならず、相対的に小さな曲率半径を有する領域から相対的に大きな曲率半径を有する領域への移行領域を規定する曲率半径である。この場合、活性材料９２の厚さ９４は、０μｍから線形に増大する。活性材料９２の終端部では活性材料９２の厚さ９４が線形に低下している。活性材料９２のこうした構成により、セル巻線内の空隙を回避することができる。

図１０には電流導体１００上の活性材料１０２の分布が示されている。ここでは、電流導体１００のセクション１０６が相対的に小さな曲率半径を有することが見て取れる。この場合、活性材料１０２の厚さ１０４は、０μｍから始まって指数特性もしくは凹特性を有する。

Claims (10)

1. リチウムイオン蓄電池のセル巻線（１０）であって、
   少なくとも２つの電流導体（１２）と少なくとも２つのセパレータ（１４）とを備え、
   前記電流導体（１２）は前記セパレータ（１４）によって相互に分離されており、
   前記電流導体（１２）上に活性材料（２６）が塗布されている、
   セル巻線（１０）において、
   前記活性材料（２６）の厚さ（２８）が前記電流導体（１２）に沿って変化する
   ことを特徴とするセル巻線（１０）。
2. 前記活性材料（２６）の厚さ（２８）は前記電流導体（１２）に沿ってその曲率半径に依存して変化する、請求項１記載のセル巻線（１０）。
3. 前記活性材料（２６）の厚さ（２８）は前記電流導体（１２）に沿ってその曲率半径に比例して変化する、請求項２記載のセル巻線（１０）。
4. 前記活性材料（２６）の厚さ（２８）は、前記電流導体（１２）のうち相対的に小さい曲率半径を有する位置で最小であり、および／または、前記電流導体（１２）のうち相対的に大きい曲率半径を有する位置で最大である、請求項２または３記載のセル巻線（１０）。
5. 前記活性材料（２６）の厚さ（２８）は、前記電流導体（１２）に沿って、前記活性材料（２６）のそれぞれの位置で前記電流導体（１２）に作用する機械的負荷および／または熱負荷に依存して変化する、請求項１記載のセル巻線（１０）。
6. 前記活性材料（２６）の厚さ（２８）は、前記電流導体（１２）に沿って、前記電流導体（１２）に作用する機械的負荷および／または熱負荷に反比例して変化する、請求項５記載のセル巻線（１０）。
7. 前記活性材料（２６）の厚さ（２８）は、前記電流導体（１２）に作用する機械的負荷および／または熱負荷が最小となる位置で最大であり、および／または、前記電流導体（１２）に作用する機械的負荷および／または熱負荷が最大となる位置で最小である、請求項５または６記載のセル巻線（１０）。
8. 前記活性材料（２６）の厚さ（２８）は、０μｍ以上２００μｍ以下の範囲、例えば５μｍ以上１８０μｍ以下の範囲で、変化する、請求項４または７記載のセル巻線（１０）。
9. リチウムイオン蓄電池のセル巻線（１０）の製造方法であって、
   活性材料（２６）を電流導体（１２）上に塗布する間、前記活性材料（２６）の厚さ（２８）を変化させる
   ことを特徴とするセル巻線の製造方法。
10. 前記活性材料（２６）を前記電流導体（１２）上に塗布した後、前記活性材料（２６）を複数の所定の位置で少なくとも部分的に除去する、請求項９記載のセル巻線の製造方法。

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