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

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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