JP2015069730A - 蓄電素子およびその製造方法 - Google Patents

蓄電素子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】性能低下をさせずに異常時における安全性を確保できる蓄電素子を提供する。【解決手段】本発明の蓄電素子10は、正極141、負極142、セパレータ143、144が巻回されてなる電極体140と、電極体140の最外周の端部を固定している接着テープ150と、を備え、セパレータ143、144は、一方の面を形成する基材層143a、144aと、他方の面を形成し、かつ、無機粒子を含む耐熱層143b、144bとを有し、電極体140は外周面がセパレータ144の耐熱層144bであり、セパレータ144bは、電極体140の最外周の端部の第一領域R1と、当該最外周の端部が電極体140の外周面に重なる先の第二領域R2とにおいて、基材層144aの少なくとも一部が露出しており、接着テープ150は、第一領域R1および第二領域R2において接着されることにより、電極体140の最外周の端部を固定している。【選択図】図5

Description

本発明は、正極および負極と、セパレータとが積層され、かつ、巻回された巻回型電極体を有する蓄電素子およびその方法に関する。
従来、リチウムイオン電池などの電池を含む蓄電素子において、正極および負極とセパレータとが積層されて、かつ、巻回された巻回型電極体を有するものがある。このような巻回型電極体を有する蓄電素子では、巻回型電極体の最外周の巻き終わりの位置でセパレータを固定することになる。このとき、巻回型電極体の最外周の巻き終わりの位置でのセパレータの固定方法としては、接着テープを用いて固定する方法がある。
特開平11−250873号公報
しかしながら、異常時に熱が発生したときに、正極と負極との間の絶縁性を維持する目的で、セパレータの片面に耐熱フィラーなどの耐熱層を塗工したセパレータ(以下、「耐熱塗工セパレータ」という。)が考案されている。このような耐熱塗工セパレータを巻回型電極体に適用する場合に、耐熱塗工セパレータの耐熱層には接着テープが接着されにくく、巻回型電極体に対して引張力をかけた状態を接着テープで固定することが難しい。このため、巻回型電極体の最外周の部分が緩みやすくなり、巻回型電極体の正極と負極との間に空間(距離)が空きやすくなり蓄電素子の性能低下に繋がりやすくなる。
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、性能低下をさせずに異常時における安全性を確保できる蓄電素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、正極および負極と、セパレータとが積層され、かつ、巻回されてなる電極体と、前記電極体の最外周の端部を固定している接着テープと、を備え、前記セパレータは、基材層と、前記基材層上に配置される、無機粒子を含む耐熱層と、を有し、前記電極体は、外周面が前記セパレータの前記耐熱層であり、前記セパレータは、前記電極体の外周面のうちの第一領域と、前記第一領域とは周方向の位置が異なる第二領域とにおいて、前記基材層の少なくとも一部が露出しており、前記接着テープは、前記電極体の最外周の端縁をまたいで前記第一領域および前記第二領域において接着されることにより、前記電極体の最外周の端部を固定している。
これによれば、接着テープは、電極体の最外周の端部を基材層の少なくとも一部が露出している第一領域および第二領域で接着されることにより、電極体の最外周の端部を固定している。つまり、接着テープは、接着されやすい第一領域および第二領域で接着されるため、電極体の最外周の端部に引張力をかけた状態で固定することができる。このため、巻回型の電極体の最外周の部分が緩むことを防ぐことができ、耐熱層が設けられたセパレータを採用した蓄電素子において、性能低下を抑えることができる。つまり、本発明の蓄電素子では、性能低下をさせずに異常時における安全性を確保できる。
また、例えば、前記第一領域と前記第二領域とは、前記電極体の最外周の端縁を境界として隣接していてもよい。
これによれば、接着テープが接着されやすい基材層が露出している第一領域および第二領域が連続しているため、接着テープは、間に接着されにくい領域を挟むことなく、電極体の最外周の端部を電極体の外周面に固定することができる。このため、より確実に、電極体の最外周の端部を電極体の外周面に固定することができる。
また、例えば、前記接着テープは、前記第一領域および前記第二領域に含まれる領域に配置されていてもよい。
このため、接着テープの全ての接着面を電極体の最外周の固定に利用でき、より確実に、電極体の最外周の端部を電極体の外周面に固定することができる。
また、本発明は、正極および負極と、基材層、および、前記基材層上に配置される、無機粒子を含む耐熱層を有するセパレータと、を積層しつつ、前記セパレータの耐熱層が外周面となるように巻回することにより電極体を形成する巻回ステップと、電極体の外周面となるセパレータの領域のうちの第一領域と、前記第一領域とは周方向の位置が異なる第二領域とにおいて、前記基材層の少なくとも一部を露出させる露出ステップと、前記巻回ステップで形成された前記電極体のうちの、前記露出ステップにおいて露出された前記第一領域および前記第二領域において、接着テープを接着することにより、当該電極体の最外周の端部を固定する固定ステップと、を含む蓄電素子の製造方法として実現してもよい。
本発明に係る蓄電素子によれば、電極体に対して引張力が働いた状態で容易に保持できるため、蓄電素子の性能が低下することを抑えることができる。
本発明の実施の形態に係る蓄電素子の外観を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る蓄電素子の容器の本体を分離して蓄電素子が備える各構成要素を示す斜視図である。 電極体の構造を説明するための図である。 電極体の外観を示す斜視図である。 電極体の断面図であり、(a)は図4の電極体のV−V断面図であり、(b)は、(a)のA1の部分の部分拡大図である。 本発明の実施の形態に係る蓄電素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。 変形例に係る電極体の外観を示す斜視図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子の外観を模式的に示す斜視図である。図2は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子の容器の本体を分離して蓄電素子が備える各構成要素を示す斜視図である。
蓄電素子10は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる二次電池であり、より具体的には、リチウムイオン二次電池などの非水電解質電池である。
同図に示すように、蓄電素子10は、容器100と、正極端子200と、負極端子300と容器100とを備えている。また、容器100の内方には、電極体140と、正極集電体120と、負極集電体130とが配置されている。
なお、蓄電素子10の容器100の内部には電解液などの液体が封入されているが、当該液体の図示は省略する。また、蓄電素子10は、非水電解質電池には限定されず、非水電解質電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよい。
容器100は、金属からなる矩形筒状で底を備える本体111と、当該本体の開口を閉塞する金属製の蓋体110とで構成されている。また、容器100は、電極体140等を内部に収容後、蓋体110と本体111とが溶接等されることにより、内部を密封することができるものとなっている。なお、本実施の形態では、本体111と蓋体110との並び方向をZ軸方向とし、正極端子200と負極端子300との並び方向をX軸方向とし、上下方向および左右方向に垂直な方向をY軸方向する。
電極体140は、正極と負極とセパレータとを備え、電気を蓄えることができる部材である。具体的には、電極体140は、負極と正極との間にセパレータが挟み込まれるように層状に配置されたものを全体が長円形状となるように巻回されて形成されている。なお、同図では、電極体140の形状としては長円形状を示したが、円形状または楕円形状でもよい。電極体140の詳細な構成については、後述する。
正極端子200は、電極体140の正極に電気的に接続された電極端子であり、負極端子300は、電極体140の負極に電気的に接続された電極端子である。つまり、正極端子200および負極端子300は、電極体140に蓄えられている電気を蓄電素子10の外部空間に導出し、また、電極体140に電気を蓄えるために蓄電素子10の内部空間に電気を導入するための金属製の電極端子である。また、正極端子200および負極端子300は、電極体140の上方に配置された蓋体110に取り付けられている。
正極集電体120は、電極体140の正極と容器100の側壁との間に配置され、正極端子200と電極体140の正極とに電気的に接続される導電性と剛性とを備えた部材である。なお、正極集電体120は、電極体140の正極と同様の材料からなり、具体的には、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている。
負極集電体130は、電極体140の負極と容器100の側壁との間に配置され、負極端子300と電極体140の負極とに電気的に接続される導電性と剛性とを備えた部材である。なお、負極集電体130は、電極体140の負極と同様の材料からなり、具体的には銅または銅合金で形成されている。
図3は、電極体の構造を説明するための図である。図4は、電極体の外観を示す斜視図である。図5は、電極体の断面図である。具体的には、図5の(a)は、図4の電極体のV−V断面図であり、図5の(b)は、図5の(a)のA1の部分の部分拡大図である。
電極体140は、図3〜5に示すように、活物質が表面に塗布された正極141および負極142と、セパレータ143、144とが積層され、かつ、巻回されてなる。つまり、電極体140は、正極141と、第一セパレータ143と、負極142と、第二セパレータ144とがこの順に積層された状態で、断面が長円形状になるように巻回されることにより成る。そして、図4に示すように、電極体140の最外周の端部は、複数箇所(本実施の形態では3箇所)で接着テープ150により固定されている。なお、接着テープ150で固定される電極体140の端部は、複数箇所に限らずに1箇所でもよい。
正極141は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる長尺帯状の正極集電箔の表面に、正極活物質層が形成されたものである。なお、本発明に係る蓄電素子10に用いられる正極141は、特に従来用いられてきたものと異なるところはなく、通常用いられているものが使用できる。
負極142は、銅または銅合金からなる長尺帯状の負極集電箔の表面に、負極活物質層が形成されたものである。なお、本発明に係る蓄電素子10に用いられる負極142は、特に従来用いられてきたものと異なるところはなく、通常用いられているものが使用できる。
第一セパレータ143および第二セパレータ144は、図5の(b)に示すように、正極141と負極142との間に配置される長尺帯状のセパレータである。第一セパレータ143および第二セパレータ144は、それぞれが基材層143a、144aと耐熱層143b、144bとを備えた耐熱塗工セパレータである。
基材層143a、144aは、熱可塑性樹脂を含んだ微多孔性のシートである。
耐熱層143b、144bは、基材層143a、144aの一方の面に配置される、基材層143a、144aとは材質が異なる層である。本実施の形態では、耐熱層143b、144bは、基材層143a、144aの一方の面上に塗工された層である。ここで、耐熱層は、例えば、アルミナなどの無機粒子とポリフッ化ビニリデン(PVdF)などのバインダの混合物またはポリジビニルベンゼン(PDVB)、ポリアミドなどの耐熱性樹脂とを含む。
つまり、第一セパレータ143および第二セパレータ144のそれぞれは、基材層143a、144aと、基材層143a、144aに配置される、無機粒子を含む耐熱層143b、144bとを有する。そして、第一セパレータ143および第二セパレータ144は、正極141に耐熱層143b、144bが対向するように積層され、かつ、負極142に基材層143a、144aが対向するように積層される。
また、電極体140の最内周には、ポリプロピレン、ポリエチレン等から成る巻芯(図示せず)が配置される。電極体140は、第一セパレータ143および第二セパレータ144が巻芯に溶着固定されて、正極141と、第一セパレータ143と、負極142と、第二セパレータ144とが積層され、かつ、巻回されることにより構成される。電極体140の最外周(最後の一周)の外周面は、図3および図4に示すように第二セパレータ144の耐熱層144bにより構成される。
電極体140の第二セパレータ144は、図4の網掛けハッチングの領域および図5の(b)に示すように、電極体140の外周面のうちの第一領域R1および第二領域R2で基材層144aの少なくとも一部が露出している。つまり、第二セパレータ144は、第一領域R1および第二領域R2において、基材層144aが露出している部分と、第一領域R1および第二領域R2以外の領域での耐熱層144bよりも薄い耐熱層144bが残っている部分とが混在している。ここで、第一領域R1は、電極体140の最外周における第二セパレータ144の端部の領域である。第二領域R2は、電極体140の外周面における第一領域R1とは周方向(巻回方向)の位置が異なる領域であって、当該最外周の端部(第一領域R1)が電極体140の外周面に重なる先の第二セパレータ144における領域である。また、第一領域R1と第二領域R2とは、電極体140の最外周の端縁L1を境界として隣接している。つまり、第二セパレータ144における第一領域R1と第二領域R2とは、電極体140の最外周の端部が電極体140の外周面に重なった状態で、連続している。
接着テープ150は、電極体140の最外周の端縁L1(つまり、第二セパレータ144の端縁L1)をまたいで第一領域R1および第二領域R2において接着されることにより、電極体140の最外周の端部を電極体140の外周面に固定している。また、接着テープ150は、第二セパレータ144における第一領域R1および第二領域R2において接着されることにより、電極体140の最外周の端部を固定している。つまり、接着テープ150は、第二セパレータ144における第一領域R1および第二領域R2に含まれる領域に配置されている。
次に、上記電極体140を有する蓄電素子10の製造方法について、図6を用いて説明する。
図6に示すように、まず、正極141および負極142と、セパレータ143、144とを積層しつつ巻回することにより、電極体140を形成する(S1:巻回ステップ)。
次に、巻回ステップS1において形成された電極体140の外周面における、第一領域R1および第二領域R2での耐熱層144bを剥離することにより基材層144aの少なくとも一部を露出させる(S2:露出ステップ)。露出ステップS2では、具体的には、巻回された電極体140の最外周の端部とその周辺の領域において耐熱層144bが、例えば、接着テープ(接着テープ150とは異なる)での接着および引きはがしが1回または複数回繰り返すことにより行われてもよいし、当該領域において例えばブラッシングにより耐熱層144bを削ることにより行われてもよい。つまり、電極体140の最外周の端部と、当該端部が重なる電極体140の外周面の領域とにおいて、第二セパレータ144のうちで接着テープ150が接着されやすい、基材層144aが少なくとも露出するような加工が行われればよい。
最後に、露出ステップにおいて露出された第二セパレータ144の第一領域R1および第二領域R2において、接着テープ150を接着することにより、電極体140の最外周の端部を固定する(S3:固定ステップ)。
これにより、電極体140の最外周の端部は、電極体140の外周面にしっかりと固定される。
本実施の形態に係る蓄電素子10によれば、接着テープ150は、電極体140の最外周の端部を基材層144aの少なくとも一部が露出している第一領域R1および第二領域R2で接着されることにより、電極体140の最外周の端部を固定している。つまり、接着テープ150は、接着されやすい第一領域R1および第二領域R2で接着されるため、電極体140の最外周の端部に引張力をかけた状態で固定することができる。このため、巻回型の電極体140の最外周の部分が緩むことを防ぐことができ、耐熱層144bが設けられたセパレータ143、144を採用した蓄電素子10において、性能低下を抑えることができる。つまり、蓄電素子10では、性能低下をさせずに異常時における安全性を確保できる。
また、本実施の形態に係る蓄電素子10によれば、接着テープ150が接着されやすい基材層144aが露出している第一領域R1および第二領域R2が連続している。このため、接着テープ150は、間に接着されにくい領域を挟むことなく、電極体140の最外周の端部を電極体140の外周面に固定することができる。このため、より確実に、電極体140の最外周の端部を電極体140の外周面に固定することができる。
また、本実施の形態に係る蓄電素子10によれば、接着テープ150の面積は、第一領域R1および前記第二領域R2を合わせた面積以下である。このため、接着テープ150の全ての接着面を電極体140の最外周の固定に利用でき、より確実に、電極体140の最外周の端部を電極体140の外周面に固定することができる。
(変形例)
(1)
上記実施の形態における蓄電素子10では、電極体140の第一領域R1と第二領域R2とが電極体140の最外周の端縁L1を境界として隣接しているが、これに限らない。例えば、図7に示すように、第二領域R12を電極体140aの最外周の端縁L1から離れた位置に形成することで、第一領域R11と第二領域R12とが隣接しないようにしてもよい。なお、図7に示す第一領域R11は、電極体140aの最外周の端縁L1を含む領域に形成されているが、電極体140aの最外周の端縁L1から離れた位置に形成されていてもよい。また、図7に示す第一領域R11と第二領域R12とは、第二セパレータ144のY軸マイナス方向側の面に形成されているが、Y軸プラス方向側の面に形成されていてもよい。また、第一領域R11および第二領域R12は、第二領域R12から第二セパレータ144の最外周の端縁L1の第一領域R11までが連続して形成されていてもよい。
図7のように、第一領域R11および第二領域R12を離れた位置に形成しても、接着テープ150は、第一領域R11および第二領域R12を電極体140aの最外周の端縁L1をまたいで接着されているため、電極体140aの端部を電極体140aの外周面に固定することができる。
(2)
上記実施の形態における蓄電素子10では、接着テープ150は、第一領域R1および第二領域R2とに含まれる領域に設けられているが、これに限らずに、第一領域R1および第二領域R2から例えばZ軸方向の外側にはみ出して設けられてもよい。
(3)
上記実施の形態に係る蓄電素子10では、第一セパレータ143および第二セパレータ144は、耐熱層143b、144bが、基材層143a、144aの一方の面上に塗工されている構成であるが、これに限らない。つまり、第一セパレータおよび第二セパレータの少なくとも一方は、基材層の両面に耐熱層が塗工された構成としてもよい。
(4)
上記実施の形態に係る蓄電素子10の製造方法では、巻回ステップS1と露出ステップS2との順で行っているが、巻回ステップS1と露出ステップS2の順番を入れ替えてもよい。つまり、予め電極体140の外周面となる第二セパレータ144上の領域である第一領域R1および第二領域R2の位置を推定して、推定された第二セパレータ144上の第一領域R1および第二領域R2において、基材層144aの少なくとも一部を露出させる露出ステップを巻回ステップよりも先に行ってもよい。
(5)
上記実施の形態に係る蓄電素子10の製造方法では、第二セパレータ144は、第一領域R1および第二領域R2において、基材層144aが露出している部分と、第一領域R1および第二領域R2以外の領域での耐熱層144bよりも薄い耐熱層144bが残っている部分とが混在しているが、これに限らない。例えば、第二セパレータ144は、第一領域R1および第二領域R2において、基材層144aのみが露出されているように形成されてもよい。つまり、この場合の第二セパレータは、第一領域R1および第二領域R2において、耐熱層144bが全くないように形成されてもよい。
本発明の一態様に係る蓄電素子は、性能低下をさせずに異常時における安全性を確保できる蓄電素子などとして有用である。
10 蓄電素子
100 容器
110 蓋体
111 本体
120 正極集電体
130 負極集電体
140、140a 電極体
141 正極
142 負極
143 第一セパレータ
143a 基材層
143b 耐熱層
144 第二セパレータ
144a 基材層
144b 耐熱層
150 接着テープ
200 正極端子
300 負極端子
L1 端縁
R1、R11 第一領域
R2、R12 第二領域

Claims (4)

  1. 正極および負極と、セパレータとが積層され、かつ、巻回されてなる電極体と、
    前記電極体の最外周の端部を固定している接着テープと、
    を備え、
    前記セパレータは、基材層と、前記基材層上に配置される、無機粒子を含む耐熱層と、を有し、
    前記電極体は、外周面が前記セパレータの前記耐熱層であり、
    前記セパレータは、前記電極体の外周面のうちの第一領域と、前記第一領域とは周方向の位置が異なる第二領域とにおいて、前記基材層の少なくとも一部が露出しており、
    前記接着テープは、前記電極体の最外周の端縁をまたいで前記第一領域および前記第二領域において接着されることにより、前記電極体の最外周の端部を固定している
    蓄電素子。
  2. 前記第一領域と前記第二領域とは、前記電極体の最外周の端縁を境界として隣接している
    請求項1に記載の蓄電素子。
  3. 前記接着テープは、前記第一領域および前記第二領域に含まれる領域に配置されている
    請求項2に記載の蓄電素子。
  4. 正極および負極と、基材層、および、前記基材層上に配置される、無機粒子を含む耐熱層を有するセパレータと、を積層しつつ、前記セパレータの耐熱層が外周面となるように巻回することにより電極体を形成する巻回ステップと、
    電極体の外周面となるセパレータの領域のうちの第一領域と、前記第一領域とは周方向の位置が異なる第二領域とにおいて、前記基材層の少なくとも一部を露出させる露出ステップと、
    前記巻回ステップで形成された前記電極体のうちの、前記露出ステップにおいて露出された前記第一領域および前記第二領域において、接着テープを接着することにより、当該電極体の最外周の端部を固定する固定ステップと、を含む
    蓄電素子の製造方法。
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