JP2015158993A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正極電極の未塗工部と負極電極の活物質層とが短絡することを抑制すること。【解決手段】二次電池の電極組立体を構成する正極電極２１は、矩形状であり、正極金属箔２２に正極活物質層２３を有する。正極電極２１は、四辺のうちの一辺である上縁部２１ａに沿って正極活物質層２３を有さない正極金属箔２２からなる未塗工部２２ｂを有する。正極電極２１の上縁部２１ａからは正極タブ２４が突出している。正極電極２１のうち、未塗工部２２ｂの全体と正極活物質層２３の全体とにセラミックスコーティングが施されている。【選択図】図３

Description

この発明は、蓄電装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。例えば、特許文献１に記載の二次電池は、金属箔に活物質層を有する矩形状の正極電極と負極電極とが、セパレータを介在させて積層した電極組立体を有する。

特開平０９−１２０８３６公報

ところで、正極電極の活物質層は、製造誤差によりその形成領域にずれが生じることがある。このため、例えば正極電極において、製造誤差によって活物質層が正極タブにまで形成される場合には、正極タブの活物質層が無駄となるおそれがある。さらにこの場合には、電極組立体の積層方向において、正極電極の正極タブの活物質層を負極電極の活物質層に対向させるために、負極電極を拡張する必要が生じる。

そこで、仮に製造誤差によって正極電極の活物質層の形成領域にずれが生じても、活物質層が正極タブにまで形成されないように、正極電極における正極タブが突出する一辺に沿って活物質層を有しない金属箔からなる未塗工部を位置させることが考えられる。こうして正極電極の活物質層を形成することにより、負極電極の拡張を抑制することができる。

しかしながら、上記のように正極電極の表面に活物質層と未塗工部とを有する場合では、セパレータの溶融等に伴って正極電極の未塗工部と負極電極の活物質層とが短絡すると、二次電池としての内部抵抗値と、短絡箇所における抵抗値とが近いことから、当該短絡箇所における発熱が大きくなるおそれがある。

この発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、正極電極の未塗工部と負極電極の活物質層とが短絡することを抑制することができる蓄電装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する蓄電装置は、金属箔に活物質層を有する矩形状の正極電極と負極電極とが、セパレータを介在させて積層された電極組立体を備える蓄電装置である。そして、蓄電装置では、正極電極が、活物質層を有さない未塗工部を有し、未塗工部が、正極電極の四辺のうちの少なくとも一辺に沿い、かつ正極電極の端部から活物質層の縁部まで形成されており、正極電極が、さらに未塗工部の縁部から突出する正極タブを有し、正極電極のうち、少なくとも未塗工部の全体にセラミックスコーティングが施されている。

上記構成によれば、電極組立体における正極電極の未塗工部と負極電極の活物質層との間にセラミックスコーティングによるセラミックス層を介在させることができる。このため、正極電極の未塗工部をセラミックス層によって覆うことができ、正極電極の未塗工部と負極電極の負極活物質層とが短絡することを抑制することができる。

負極電極は、例えばその活物質層のうち、少なくとも正極電極の未塗工部と対向する部分にセラミックスコーティングが施されていることが好ましい。
上記構成によれば、電極組立体における正極電極の未塗工部と負極電極の活物質層との間に、正極電極のセラミックス層に加えて負極電極のセラミックス層を介在させることができる。したがって、正極電極の未塗工部と負極電極の負極活物質層とが短絡することをより適切に抑制することができる。

セラミックスコーティングは、例えば正極電極における未塗工部の全体及び活物質層の全体と、負極電極における活物質層の全体と、に施されていることが好ましい。
上記構成によれば、正極電極の未塗工部のみや、負極電極の活物質層のうちで正極電極の未塗工部と対向する部分のみにセラミックスコーティングを施す場合と比較して、セラミックスコーティングの作業の作業性を向上させることができる。

例えば、四辺全てに沿って未塗工部を有する正極電極を採用する場合では、正極電極のうち、四辺全ての未塗工部にセラミックスコーティングが施されていることが好ましい。
上記構成によれば、電極組立体における正極電極の四辺全ての未塗工部と負極電極の活物質層との間に、正極電極のセラミックス層を介在させることができる。したがって、正極電極の未塗工部と負極電極の負極活物質層とが短絡することをより適切に抑制することができる。

上記蓄電装置において、前記蓄電装置の好適な例としては、二次電池を挙げることができる。

本発明によれば、正極電極の未塗工部と負極電極の活物質層とが短絡することを抑制できる。

本実施形態における二次電池の外観を示す斜視図。 電極組立体の構成要素を示す分解斜視図。 正極電極の平面図。 図３の４−４線断面図。 負極電極の平面図。 別の実施形態における正極電極の平面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０には、ケース１１に電極組立体１２が収容されている。ケース１１は、矩形筒状のケース本体１３と、ケース本体１３の開口部を閉塞する矩形平板状の蓋体１４とからなる。ケース本体１３と蓋体１４とは、いずれも金属製（例えば、ステンレス製やアルミニウム製）である。また、本実施形態の二次電池１０は、その外郭が角型のケース１１からなる角型電池である。そして、本実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池である。

電極組立体１２には、電極組立体１２との間で電気を授受する正極端子１５と負極端子１６とが電気的に接続されている。これら正極端子１５及び負極端子１６は、蓋体１４からケース１１の外部に露出されている。また、正極端子１５及び負極端子１６には、ケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁部材１５ａ，１６ａがそれぞれ取り付けられている。

図２に示すように、電極組立体１２は、矩形状の正極電極２１及び負極電極２５を備える。正極電極２１は、矩形状の正極金属箔２２と、その両面に正極活物質を塗工してなる正極活物質層２３とを有する。正極金属箔２２は、アルミニウム箔である。正極電極２１の一辺を構成する上縁部２１ａの一部には、正極金属箔２２からなる正極タブ２４が突出している。負極電極２５は、矩形状の負極金属箔２６と、その両面に負極活物質を塗工してなる負極活物質層２７とを有する。負極金属箔２６は、銅箔である。負極電極２５の一辺を構成する上縁部２５ａの一部には、負極金属箔２６からなる負極タブ２８が突出している。

図３に示すように、正極電極２１の両面の正極活物質層２３は、正極電極２１を構成する四辺のうち上縁部２１ａと対向する一辺を構成する下縁部２１ｂを含み、当該下縁部２１ｂから一定幅で正極活物質が塗工されることにより形成されている。また、正極電極２１の両面の正極活物質層２３は、正極電極２１を構成する四辺のうち、上縁部２１ａと下縁部２１ｂとを繋ぐ二辺を構成する縁部２１ｃから縁部２１ｄまで位置している。本実施形態では、正極電極２１の正極金属箔２２のうち、その表面に正極活物質層２３が形成された領域が、正極活物質が塗工された塗工部２２ａとなる。

また、正極電極２１の両面では、正極電極２１の上縁部２１ａを含み、当該上縁部２１ａに沿って上縁部２１ａから一定幅で正極活物質が塗工されていない未塗工部２２ｂが位置している。未塗工部２２ｂは、正極電極２１の両面のうち、上縁部２１ａの一端から他端に、すなわち縁部２１ｃから縁部２１ｄまでの範囲に位置している。また、未塗工部２２ｂは、正極活物質層２３を有さない正極金属箔２２からなる。そして、正極電極２１の両面には、塗工部２２ａと未塗工部２２ｂとの境界２２ｃが位置している。すなわち、正極電極２１における未塗工部２２ｂは、正極電極２１の端部に相当する上縁部２１ａから正極活物質層２３の縁部に相当する境界２２ｃまで形成されている。

正極電極２１において、下縁部２１ｂから上縁部２１ａまでの長さＬ１は、下縁部２１ｂから境界２２ｃまでの長さＬ２より大きい。そして、境界２２ｃは、正極電極２１における上縁部２１ａよりも下縁部２１ｂ側に位置している。なお、本実施形態の正極電極２１において、上縁部２１ａ及び下縁部２１ｂと、境界２２ｃとは、略平行である。

正極電極２１の両面は、セラミックスコーティングが施されることにより、セラミックス層３１を有している。セラミックス層３１は、正極電極２１のうち、正極活物質層２３、すなわち塗工部２２ａの全体と、未塗工部２２ｂの全体とに位置している。

図４に示すように、正極電極２１のセラミックス層３１は、極めて微細な空孔構造をなしており、その表面が滑らかな形状である。正極電極２１のセラミックス層３１のうち、塗工部２２ａに位置するセラミックス層３１ａは正極金属箔２２上の正極活物質層２３の表面に形成されている一方、未塗工部２２ｂに位置するセラミックス層３１ｂは正極金属箔２２の表面に形成されている。このため、セラミックス層３１ｂをセラミックス層３１ａよりも厚く形成することにより、正極電極２１のセラミックス層３１の表面を滑らかな形状としている。なお、正極電極２１へのセラミックス層３１の形成は、例えば、正極電極２１の塗工部２２ａ及び未塗工部２２ｂにセラミックスペーストを塗工し、その表面を均すことにより可能である。

図５に示すように、負極電極２５の両面の負極活物質層２７は、負極電極２５を構成する四辺のうち上縁部２５ａと対向する一辺を構成する下縁部２５ｂを含み、当該下縁部２５ｂから上縁部２５ａの範囲で負極活物質が塗工されることにより形成されている。すなわち、本実施形態の負極電極２５の両面のうち、負極タブ２８以外の部分の全体が負極活物質層２７を有している。また、負極電極２５の両面の負極活物質層２７は、負極電極２５を構成する四辺のうち、上縁部２５ａと下縁部２５ｂとを繋ぐ二辺を構成する縁部２５ｃから縁部２５ｄまで位置している。本実施形態では、負極電極２５の負極金属箔２６のうち、その表面に負極活物質層２７が形成された領域が、負極活物質が塗工された塗工部２６ａとなる。

負極電極２５の両面は、セラミックスコーティングが施されることにより、セラミックス層３２を有している。セラミックス層３２は、負極電極２５のうち、負極活物質層２７の全体、すなわち塗工部２６ａの全体に位置している。また、セラミックス層３２は、正極電極２１のセラミックス層３１と同様に、極めて微細な空孔構造である。

図３及び図５に示すように、正極電極２１の縁部２１ｃから縁部２１ｄまでの長さＬ３は、負極電極２５の縁部２５ｃから縁部２５ｄまでの長さＬ４よりも小さい。また、負極電極２５における下縁部２５ｂから上縁部２５ａまでの長さＬ５は、正極電極２１における下縁部２１ｂから上縁部２１ａまでの長さＬ１より突出するように大きい。

また、負極電極２５における下縁部２５ｂから上縁部２５ａまでの長さＬ５は、正極電極２１における下縁部２１ｂから境界２２ｃまでの長さＬ２よりも大きい。このため、正極電極２１と負極電極２５とを積層した状態では、負極電極２５の両面のうちで上縁部２５ａの近傍の位置で上縁部２５ａに沿う部分が、正極電極２１の未塗工部２２ｂと対向する対向部２５ｅとなる。すなわち、負極電極２５では、その両面の負極タブ２８以外の部分のうち、対向部２５ｅを含む全体にセラミックスコーティングが施されている。

また、図５に示すように、セパレータ２９は、絶縁性を有する樹脂材料からなり、極めて微細な空孔構造をなす矩形状の多孔性シートとされている。セパレータ２９が正極電極２１及び負極電極２５と積層した状態で、セパレータ２９を構成する４辺のうち、上縁部２９ａが正極電極２１の上縁部２１ａ及び負極電極２５の上縁部２５ａに沿う。セパレータ２９の下縁部２９ｂが正極電極２１の下縁部２１ｂ及び負極電極２５の下縁部２５ｂに沿う。セパレータ２９の縁部２９ｃが正極電極２１の縁部２１ｃ及び負極電極２５の縁部２５ｃに沿う。セパレータ２９の縁部２９ｄが正極電極２１の縁部２１ｄ及び負極電極２５の縁部２５ｄに沿う。そして、セパレータ２９における下縁部２９ｂから上縁部２９ａまでの長さＬ６は、負極電極２５における下縁部２５ｂから上縁部２５ａまでの長さＬ５より大きい。また、正極電極２１における縁部２９ｃから縁部２９ｄまでの長さＬ７は、負極電極２５の縁部２５ｃから縁部２５ｄまでの長さＬ４より大きい。

電極組立体１２は、正極電極２１と負極電極２５との間にセパレータ２９を介在させて層状をなす積層構造とされている。電極組立体１２は、複数の正極電極２１と複数の負極電極２５とを積層して構成される。また、電極組立体１２では、正極電極２１の上縁部２１ａと負極電極２５の上縁部２５ａとセパレータ２９の上縁部２９ａとが電極組立体１２における同一縁部側に位置している。

そして、正極タブ２４及び負極タブ２８は、正極電極２１及び負極電極２５が積層された状態で、正極タブ２４と負極タブ２８とが重ならない位置にそれぞれ設けられている。正極タブ２４は、複数枚集められた状態で正極端子１５と電気的に接続されている。負極タブ２８は、複数枚集められた状態で負極端子１６と電気的に接続されている。

電極組立体１２では、正極電極２１の上縁部２１ａ及び下縁部２１ｂが負極電極２５の上縁部２５ａ及び下縁部２５ｂよりも内側に位置している。正極電極２１の両縁部２１ｃ，２１ｄが負極電極２５の両縁部２５ｃ，２５ｄよりも内側に位置している。このため、本実施形態の電極組立体１２では、電極組立体１２の積層方向において、正極電極２１の塗工部２２ａが負極電極２５の塗工部２６ａに含まれている。

また、電極組立体１２では、セパレータ２９の上縁部２９ａ及び下縁部２９ｂが、正極電極２１の上縁部２１ａ及び下縁部２１ｂよりも外側であって、かつ負極電極２５の上縁部２５ａ及び下縁部２５ｂよりも外側に位置している。セパレータ２９の両縁部２９ｃ，２９ｄが、正極電極２１の両縁部２１ｃ，２１ｄよりも外側であって、かつ負極電極２５の両縁部２５ｃ，２５ｄよりも外側に位置している。このため、本実施形態の電極組立体１２では、電極組立体１２の積層方向において、正極電極２１の塗工部２２ａ及び負極電極２５の塗工部２６ａがセパレータ２９に含まれている。

次に、本実施形態の二次電池１０の作用について説明する。
正極電極２１のうち、塗工部２２ａの全体と未塗工部２２ｂの全体とにセラミックスコーティングが施されている。負極電極２５のうち、正極電極２１の未塗工部２２ｂと対向する対向部２５ｅを含む、塗工部２６ａの全体にセラミックスコーティングが施されている。このため、電極組立体１２では、正極電極２１の未塗工部２２ｂと負極電極２５の塗工部２６ａとの間にセラミックス層３１，３２が介在することとなる。

なお、仮に正極電極２１の未塗工部２２ｂにテープを貼り付けて当該未塗工部２２ｂをテープで覆うと、電極組立体１２における正極電極２１の未塗工部２２ｂと負極電極２５の塗工部２６ａとの間にテープを介在させることができる。しかしながら、こうした場合では、テープの厚みによって正極電極２１の正極活物質層２３の表面に段差が生じることとなり、電極組立体１２として積層された状態で正極電極２１に作用する押圧力にむらが生じるおそれがある。本実施形態では、正極電極２１のセラミックス層３１を表面が滑らかな形状としている。このため、上記のような正極電極２１の正極活物質層２３の表面での段差を抑制することができ、電極組立体１２として積層された状態で正極電極２１に作用する押圧力にむらが生じることを抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば以下に示す効果を得ることができる。
（１）正極電極２１のうち、未塗工部２２ｂの全体にセラミックスコーティングが施されている。このため、正極電極２１の未塗工部２２ｂをセラミックス層３１によって覆うことができ、正極電極２１の未塗工部２２ｂと負極電極２５の負極活物質層２７とが短絡することを抑制することができる。

（２）負極電極２５のうち、正極電極２１の未塗工部２２ｂと対向する対向部２５ｅにセラミックスコーティングが施されている。このため、電極組立体１２では、正極電極２１の未塗工部２２ｂと負極電極２５の塗工部２６ａとの間に、正極電極２１のセラミックス層３１に加えて負極電極２５のセラミックス層３２を介在させることができる。したがって、正極電極２１の未塗工部２２ｂと負極電極２５の負極活物質層２７とが短絡することをより適切に抑制することができる。

（３）正極電極２１のうち、未塗工部２２ｂの全体と正極活物質層２３の全体とにセラミックスコーティングが施されている。負極電極２５のうち、対向部２５ｅを含む負極活物質層２７の全体にセラミックスコーティングが施されている。このため、正極電極２１の未塗工部２２ｂのみや負極電極２５の対向部２５ｅのみにセラミックスコーティングを施す場合と比較して、セラミックスコーティングの作業の作業性を向上させることができる。

（４）セラミックス層３１，３２が極めて微細な空孔構造であるため、セラミックス層３１，３２の空孔によって電解液を保持することができ、二次電池１０の寿命を長くすることができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
○ 図６に示すように、正極電極として、その四辺全て、すなわち上縁部２１ａ、下縁部２１ｂ、縁部２１ｃ、及び縁部２１ｄに沿って未塗工部２２ｂを有する正極電極１２１を採用しても良い。この形態においても、正極電極１２１における上縁部２１ａ、下縁部２１ｂ、縁部２１ｃ、及び縁部２１ｄの全てに沿う未塗工部２２ｂにセラミックスコーティングを施すことにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

○ 負極電極２５とセパレータ２９とを同一の大きさとしても良い。
○ 正極電極２１，１２１と負極電極２５とを同一の大きさとしても良い。
○ 正極金属箔２２として、アルミニウム以外の金属からなる箔を採用してもよい。

○ 負極金属箔２６として、銅以外の金属からなる箔を採用してもよい。
○ 正極電極２１，１２１のセラミックス層３１は、表面に多少の段差が生じる形状であっても良い。ただし、電極組立体１２として積層された状態で正極電極２１，１２１に作用する押圧力のむらを最小限に抑えるためには、セラミックス層３１の表面の段差をできるだけ小さく抑えることが望ましい。

○ 負極電極２５のうち、少なくとも正極電極２１，１２１の未塗工部２２ｂと対向する対向部２５ｅにセラミックスコーティングが施されていれば、負極電極２５に施すセラミックスコーティングの範囲を縮小させても良い。

○ 負極電極２５の片面のみが負極活物質を塗工してなる負極活物質層２７を有するものであってもよい。この形態においても、負極電極２５の両面のうち、少なくとも負極活物質が塗工される塗工面における対向部２５ｅにセラミックスコーティングを施すようにすれば、正極電極２１，１２１の未塗工部２２ｂと負極電極２５の負極活物質層２７との短絡を抑制することができる。

○ 負極電極２５へのセラミックスコーティングを省略しても良い。この形態においても、正極電極２１，１２１の未塗工部２２ｂの全体にセラミックスコーティングを施せば、正極電極２１，１２１の未塗工部２２ｂと負極電極２５の負極活物質層２７との短絡を抑制することができる。

○ 正極電極２１，１２１の塗工部２２ａや未塗工部２２ｂに加えて、正極電極２１，１２１の正極タブ２４の一部にセラミックスコーティングを施しても良い。
○ 正極電極２１，１２１の塗工部２２ａに施すセラミックスコーティングの範囲を縮小させて、塗工部２２ａの一部にセラミックスコーティングを施すようにしても良い。また、正極電極２１，１２１の塗工部２２ａへのセラミックスコーティングを省略しても良い。この形態においても、正極電極２１，１２１の未塗工部２２ｂの全体にセラミックスコーティングを施せば、正極電極２１，１２１の未塗工部２２ｂと負極電極２５の負極活物質層２７との短絡を抑制することができる。

○ 正極電極２１，１２１の片面のみが正極活物質を塗工してなる正極活物質層２３を有するものであってもよい。この形態においても、正極電極２１，１２１の両面のうち、少なくとも正極活物質の塗工される塗工面における未塗工部と、正極活物質の塗工されない未塗工面の全体である未塗工部とにセラミックスコーティングを施すようにすれば、正極電極２１，１２１の未塗工部と負極電極２５の負極活物質層２７との短絡を抑制することができる。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であってもよい。要するに、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。

○ 二次電池１０は、電極組立体１２において正極タブ２４と負極タブ２８を異なる縁部に設けた二次電池でもよい。例えば、電極組立体１２において、正極タブ２４を設けた縁部とは反対側の縁部に負極タブを設けてもよい。

○ ケース１１の形状を変更してもよい。例えば、ケース１１は円筒型でもよい。
○ 本発明を、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置に具体化してもよい。

１０…二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、１３…ケース本体、１４…蓋体、２１，１２１…正極電極、２１ａ，２５ａ…上縁部、２１ｂ，２５ｂ…下縁部、２１ｃ，２１ｄ，２５ｃ，２５ｄ…縁部、２２…正極金属箔、２２ａ，２６ａ…塗工部、２２ｂ…未塗工部、２３…正極活物質層、２４…正極タブ、２５…負極電極、２５ｅ…対向部、２６…負極金属箔、２７…負極活物質層２７、２８…負極タブ、２９…セパレータ、３１，３２…セラミックス層。

Claims (5)

1. 金属箔に活物質層を有する矩形状の正極電極と負極電極とが、セパレータを介在させて積層された電極組立体を備える蓄電装置であって、
   前記正極電極は、前記活物質層を有さない未塗工部を有し、
   前記未塗工部は、前記正極電極の四辺のうちの少なくとも一辺に沿い、かつ前記正極電極の端部から前記活物質層の縁部まで形成されており、
   前記正極電極は、さらに前記未塗工部の縁部から突出する正極タブを有し、
   前記正極電極のうち、少なくとも前記未塗工部の全体にセラミックスコーティングが施されていることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記負極電極の前記活物質層のうち、少なくとも前記正極電極の前記未塗工部と対向する部分にセラミックスコーティングが施されている請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記正極電極における前記未塗工部の全体及び前記活物質層の全体と、前記負極電極における前記活物質層の全体と、にセラミックスコーティングが施されている請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記正極電極は、四辺全てに沿って前記未塗工部を有し、
   前記正極電極のうち、前記四辺全ての前記未塗工部にセラミックスコーティングが施されている請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の蓄電装置。
5. 前記蓄電装置は、二次電池である請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の蓄電装置。