JP2016018730A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】性能に優れた二次電池を提供すること。【解決手段】二次電池は、巻回電極体と導電性部材とを備える。巻回電極体では、正極と負極とセパレータとが巻回されている。正極は、正極芯体と、正極芯体に設けられた正極合剤層とを有する。負極は、負極芯体と、負極芯体に設けられた負極合剤層とを有する。セパレータは、正極合剤層と負極合剤層との間に設けられている。負極合剤層の最外周部分の方が、正極合剤層の最外周部分よりも、巻回電極体の外周側に位置している。導電性部材は、負極合剤層の最外周部分よりも巻回電極体の外周側に設けられており、巻回電極体において１周以上巻回されている。【選択図】図３

Description

本発明は、正極と負極とセパレータとが巻回されて構成された巻回電極体を備えた二次電池に関する。

特許文献１（特開２０１３−７７４８４号公報）の二次電池では、偏平状の巻回電極体の最外周に位置するセパレータとそのセパレータに隣接する負極露出部とが固定部材によって一体に固定されている。このような二次電池では、負極露出部のうち最外周に位置する部分が大きく曲げられることがあっても、負極合剤層が負極露出部側に浮き上がることを防止でき、また、負極合剤層が負極芯体から剥がれることを防止できる、ということが特許文献１に記載されている。

特開２０１３−７７４８４号公報

特許文献１の巻回電極体では、負極が正極よりも外周側に位置しており、最外周がセパレータで構成されている。そのため、正極露出部を正極集電板に集電溶接し、負極露出部を負極集電板に集電溶接すると、極板の最内周部分から極板の最外周部分よりも一周内側まででは、正極は正極集電板とその外側に位置する負極とによって巻回電極体の内周側へ押さえつけられ、負極は負極集電板とその外側に位置する正極とによって巻回電極体の内周側へ押さえつけられる。しかし、負極の最外周部分は、負極集電板によってのみ巻回電極体の内周側へ押さえつけられるので、負極の最外周部分では、巻回電極体の外周側から与えられる力の方が巻回電極体の内周側から与えられる力よりも小さくなる。その結果、巻回電極体の最外周では、巻回電極体の膨張時に巻回状態の緩みが発生する。これにより、正極の最外周部分の内周側とその外周側とでは、正極又は負極とセパレータとの密着状態が異なることとなるので、正極と負極との間の距離が異なることとなる。

このような巻回電極体を備えた二次電池に対して充放電を行うと、巻回電極体において抵抗ムラが発生する。そのため、巻回電極体には充放電ムラが発生する。よって、二次電池が部分的に劣化するので、二次電池の性能が低下する。本発明は、性能に優れた二次電池の提供を目的とする。

本発明の二次電池は、巻回電極体と導電性部材とを備える。巻回電極体では、正極と負極とセパレータとが巻回されている。正極は、正極芯体と、正極芯体に設けられた正極合剤層とを有する。負極は、負極芯体と、負極芯体に設けられた負極合剤層とを有する。セパレータは、正極合剤層と負極合剤層との間に設けられている。負極合剤層の最外周部分の方が、正極合剤層の最外周部分よりも、巻回電極体の外周側に位置している。導電性部材は、負極合剤層の最外周部分よりも巻回電極体の外周側に設けられており、巻回電極体において１周以上巻回されている。

ここで、「負極合剤層の最外周部分」とは、巻回電極体における負極合剤層の最外周部分を意味し、「正極合剤層の最外周部分」とは、巻回電極体における正極合剤層の最外周部分を意味する。後述の「負極の最外周部分」、「正極の最外周部分」及び「セパレータの最外周部分」についても同様である。また、「導電性部材が巻回電極体において１周以上巻回されている」とは、導電性部材が負極及びセパレータとともに巻回され、その巻き数が１周以上であることを意味する。

このように、本発明の巻回電極体では、導電性部材が、負極合剤層の最外周部分よりも巻回電極体の外周側に設けられている。これにより、負極の最外周部分では、負極の最外周部分よりも巻回電極体の外周側から与えられる力が巻回電極体の内周側から与えられる力よりも小さくなることを防止できる。よって、巻回電極体に充放電ムラが発生することを防止できる。

巻回電極体は、正極合剤層が設けられていない正極芯体の部分である正極露出部を軸方向一端に有することが好ましく、負極合剤層が設けられていない負極芯体の部分である負極露出部を軸方向他端に有することが好ましい。また、導電性部材は、正極露出部とともに集電溶接されていることが好ましい。負極露出部は、集電溶接されていることが好ましい。導電性部材が正極露出部とともに集電溶接されていれば、巻回電極体における導電性部材の位置ズレを防止できる。ここで、「集電溶接」とは、集電板又はリード等の集電部材への溶接を意味する。また、「導電性部材は、正極露出部とともに集電溶接されている」とは、導電性部材と正極露出部とが同一の集電部材に溶接されていることを意味する。

より好ましくは、導電性部材は、正極芯体と同一の材料からなる。これにより、正極露出部と導電性部材とを同一の溶接条件で集電溶接できる。

導電性部材は、正極芯体の一部分であることが好ましい。これにより、導電性部材を正極、負極又はセパレータに固定することなく巻回電極体を製造できる。

本発明では、性能に優れた二次電池を提供することができる。

本発明の一実施形態の二次電池の内部構造を示す平面図である。 本発明の一実施形態の巻回電極体の斜視図である。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 図３に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 巻回電極体と集電板との溶接状態の一例を示す断面図である。 巻回時における正極と負極との位置関係を示す平面図である。 巻回時における正極と負極との位置関係を示す断面図である。

以下、本発明について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

［二次電池の構成］
図１は、本発明の一実施形態の二次電池の内部構造を示す平面図である。図２は、本実施形態の巻回電極体の斜視図である。図３は図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図であり、図４は図３に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図である。図５は、正極露出部と正極集電板との溶接状態、及び、負極露出部と負極集電板との溶接状態を示す断面図である。図６は巻回時における正極と負極との位置関係を示す平面図である。図７は巻回時における正極と負極との位置関係を示す断面図である。

本実施形態の二次電池では、電池ケース１のケース本体１Ａには巻回電極体１１と電解質又は電解液（不図示）とが設けられており、ケース本体１Ａの開口は電池ケース１の蓋体１Ｂによって蓋されている。

巻回電極体１１は、正極１３と負極１７とセパレータ１５とが巻回されて構成されている。正極１３は、正極芯体１３Ａと、正極芯体１３Ａの表面の一部に設けられた正極合剤層１３Ｂとを有する。負極１７は、負極芯体１７Ａと、負極芯体１７Ａの表面の一部に設けられた負極合剤層１７Ｂとを有する。セパレータ１５は正極合剤層１３Ｂと負極合剤層１７Ｂとの間に設けられており、セパレータ１５の最外周部分が巻回電極体１１の最外周を構成している。

巻回電極体１１では、負極合剤層１７Ｂの最外周部分１１７Ｂの方が正極合剤層１３Ｂの最外周部分よりも外周側に位置しており、負極合剤層１７Ｂの最外周部分１１７Ｂよりも巻回電極体１１の外周側には導電性部材１９が設けられている（図３、図４）。

このように導電性部材１９が負極合剤層１７Ｂの最外周部分１１７Ｂよりも巻回電極体１１の外周側に設けられているので、負極１７の最外周部分では、負極１７の最外周部分よりも巻回電極体１１の外周側から与えられる力（以下では「巻回電極体１１の最外周側から与えられる力」と記す）が巻回電極体１１の内周側から与えられる力よりも小さくなることを防止できる。これにより、巻回電極体１１が膨張しても、巻回電極体１１の最外周における巻回状態の緩みを防止できる。よって、正極１３の最外周部分の内周側とその外周側とにおいて、正極１３又は負極１７とセパレータ１５との密着状態が異なることを防止できるので、正極１３と負極１７との間の距離が異なることを防止できる。したがって、巻回電極体１１の内周側とその外周側とにおいて、正極１３又は負極１７とセパレータ１５との密着状態が異なることを防止できるので、正極１３と負極１７との間の距離が異なることを防止できる。これらのことから、巻回電極体１１を備えた二次電池に対して充放電を行っても巻回電極体１１における抵抗ムラの発生を防止できるので、巻回電極体１１における充放電ムラの発生を防止できる。

以上説明したように、本実施形態では、巻回電極体１１の最外周がセパレータ１５の最外周部分で構成されているにも関わらず、巻回電極体１１における充放電ムラの発生を防止できる。これにより、二次電池が部分的に劣化することを防止できるので、性能に優れた二次電池を提供できる。よって、二次電池を例えばハイブリッド自動車若しくは電気自動車等の自動車用電源、工場用電源又は家庭用電源等に使用される大型電池として用いることができる。以下、導電性部材１９を説明しつつ、本実施形態の二次電池の構成をさらに説明する。

（巻回電極体）
巻回電極体１１は、正極合剤層１３Ｂが設けられていない正極芯体１３Ａの部分（正極露出部１３Ｄ）を軸方向一端（図４の左端）に有し、負極合剤層１７Ｂが設けられていない負極芯体１７Ａの部分（負極露出部１７Ｄ）を軸方向他端（図４の右端）に有する。

巻回電極体１１の軸方向一端では、正極露出部１３Ｄと導電性部材１９とが、セパレータ１５よりも巻回電極体１１の軸方向外側へ向かって突出しており、正極集電板３１に溶接されている（図５の左側）。このように導電性部材１９が正極露出部１３Ｄとともに正極集電板３１に溶接されていれば、巻回電極体１１における導電性部材１９の位置ズレを防止できる。これにより、負極１７の最外周部分では、巻回電極体１１の最外周側から与えられる力が巻回電極体１１の内周側から与えられる力よりも小さくなることを更に防止できる。よって、巻回電極体１１における充放電ムラの発生を更に防止できるので、二次電池の性能を更に高めることができる。

また、巻回電極体１１における導電性部材１９の位置ズレを防止できれば、巻回電極体１１の軸方向一端側の端面の形状が巻回電極体１１の最外周側において歪となることを防止できる。これにより、巻回電極体１１をケース本体１Ａへスムーズに挿入できる。よって、二次電池の製造歩留りを高く維持できる。

また、導電性部材１９が正極芯体１３Ａと同一の材料（例えばアルミニウム）からなれば、導電性部材１９と正極露出部１３Ｄとを同一の溶接条件で正極集電板３１に溶接できる。これにより、正極集電板３１への導電性部材１９の溶接が容易となるので、二次電池を簡便且つ低コストで製造できる。

更に、導電性部材１９が正極芯体１３Ａの一部分であれば（図７）、導電性部材１９を正極１３、負極１７又はセパレータ１５等に固定することなく巻回電極体１１を製造できる。これにより、導電性部材１９が正極芯体１３Ａとは別体である場合に比べて、二次電池を更に簡便に製造でき、二次電池を更に低コストで製造できる。

巻回電極体１１の軸方向他端では、負極露出部１７Ｄが、セパレータ１５よりも巻回電極体１１の軸方向外側へ向かって突出しており、負極集電板７１に溶接されている（図５の右側）。

なお、正極集電板３１は、絶縁部材３３によって蓋体１Ｂとは絶縁されている一方、正極端子３に電気的に接続されている。正極端子３は、絶縁部材３５を挟んで蓋体１Ｂに設けられている。また、負極集電板７１は、絶縁部材７３によって蓋体１Ｂとは絶縁されている一方、負極端子７に電気的に接続されている。負極端子７は、絶縁部材７５を挟んで蓋体１Ｂに設けられている。

（正極、導電性部材）
以下では、導電性部材１９が正極芯体１３Ａの一部分である場合を例に挙げて、正極１３及び導電性部材１９を更に示す。この場合、正極１３の長手方向のうちの一端側（正極１３の最外周部分となる側）では、正極合剤層１３Ｂが正極芯体１３Ａの上に設けられておらず、この部分が導電性部材１９である（図６、図７）。

導電性部材１９は、巻回電極体１１においてセパレータ１５又は負極１７等とともに１周以上巻回されることが好ましい。これにより、負極１７の最外周部分では、巻回電極体１１の最外周側から与えられる力が巻回電極体１１の内周側から与えられる力よりも小さくなることを更に防止できる。よって、巻回電極体１１における充放電ムラの発生を更に防止できるので、二次電池の性能及び安全性を更に高めることができる。

より好ましくは、巻回電極体１１の最外周側において正極１３が負極１７よりも正極１３の長手方向（巻回電極体１１の周方向）に突出する部分の長さ（Ｌ₁₂）が巻回電極体１１の最外周１周の長さ以上である。これにより、導電性部材１９が巻回電極体１１においてセパレータ１５又は負極１７等とともに１周以上巻回されることとなり、よって、上述の効果が得られる。

上述のＬ₁₂は、巻回電極体１１の最外周１周の長さ以上（巻回電極体１１の最外周１周の長さ＋巻回電極体１１の周方向における負極１７の巻き終端から図３に示すＲ₁₂までの距離）以下であることが好ましい。これにより、導電性部材１９を設けたことに起因して二次電池のエネルギー密度が低下することを防止できる。図３に示すＲ₁₂とは、負極１７の巻き終端から巻回電極体１１の周方向に沿って巻回電極体１１の最外周へ向かって進んだときに最初に現れる巻回電極体１１のＲ部と巻回電極体１１の平坦部との２つの交点（図３に示すＲ₁₁及びＲ₁₂）のうち、巻回電極体１１の最外周寄りに位置する交点を意味する。負極１７の巻き終端が巻回電極体１１のＲ部に位置する場合には、負極１７の巻き終端から巻回電極体１１の周方向に沿って巻回電極体１１の最外周へ向かって進んだときに最初に現れる巻回電極体１１の平坦部とその平坦部よりも巻回電極体１１の最外周寄りに位置するＲ部（巻き終端が位置するＲ部とは異なるＲ部）との交点を意味する。図３に示す場合には、導電性部材１９の巻き終端がＲ₁₂近傍又はＲ₁₂よりもＲ₁₁側に位置することが好ましい。

ここで、巻回電極体１１の平坦部とは、正極１３とセパレータ１５と負極１７とが巻回電極体１１の横断面の長軸方向（図３の縦方向）に平行に配置されている部分を意味する。巻回電極体１１のＲ部とは、正極１３とセパレータ１５と負極１７とが巻回電極体１１の横断面においてアーチ状に配置されている部分を意味する。

なお、正極１３の長手方向における導電性部材１９の大きさは、上述のＬ₁₂と、巻回電極体１１の最外周側において負極合剤層１７Ｂが正極合剤層１３Ｂよりも正極１３の長手方向に突出する部分の長さ（Ｌ₁₃）との合計で表される（図６及び図７）。

正極１３のうち導電性部材１９として機能する部分を除いた部分では、正極露出部１３Ｄが正極１３の幅方向一端（図６の左端）に設けられている。正極１３の幅方向に対して平行となるように巻回用軸を配置し正極１３等をその巻回用軸に巻きつけて巻回電極体１１を製造するので、巻回電極体１１の軸方向一端（図４の左側）には正極露出部１３Ｄと導電性部材１９とが設けられることとなる（上述）。

（負極）
負極１７では、負極合剤層１７Ｂの幅（Ｄ₂₁）は正極合剤層１３Ｂの幅（Ｄ₁₁）よりも大きく、負極１７の長さ（Ｌ₂₁）は正極１３の長さ（Ｌ₁）よりも短いが正極１３の長手方向における正極合剤層１３Ｂの長さ（Ｌ₁₁）よりも長い。なお、正極露出部１３Ｄの幅（Ｄ₁₂）と負極露出部１７Ｄの幅（Ｄ₂₂）との大小関係は特に制限されず、正極１３の幅（Ｄ₁）と負極１７の幅（Ｄ₂）との大小関係は特に制限されない。

負極露出部１７Ｄは、負極１７の幅方向一端（図６の右端）に設けられている。負極１７の幅方向に対して平行となるように巻回用軸を配置し負極１７等をその巻回用軸に巻きつけて巻回電極体１１を製造するので、巻回電極体１１の軸方向他端（図４の右側）には負極露出部１７Ｄが設けられることとなる（上述）。

［二次電池の製造］
例えば次に示す方法にしたがって本実施形態の二次電池を製造できる。まず、正極１３（図６及び図７）と、負極１７（図６及び図７）と、セパレータ１５とを準備する。例えば、正極活物質と導電剤と結着剤とを混ぜて正極合剤ペーストを調製する。正極芯体１３Ａのうち正極１３の長手方向一端側（巻き終端となる側）と正極１３の幅方向一端側とを除く部分に正極合剤ペーストを塗布し、その正極合剤ペーストが乾燥したら圧延を行う。このようにして正極１３が得られる。得られた正極１３では、導電性部材１９となる部分が長手方向一端側（巻き終端となる側）に設けられ、正極露出部１３Ｄが幅方向一端側に設けられている。

また、負極活物質と結着剤とを混ぜて負極合剤ペーストを調製する。負極芯体１７Ａのうち負極１７の幅方向一端側を除く部分に負極合剤ペーストを塗布し、その負極合剤ペーストが乾燥したら圧延を行う。このようにして負極１７が得られる。得られた負極１７では、負極露出部１７Ｄが幅方向一端側に設けられている。

次に、巻回電極体１１を作製する。まず、正極合剤層１３Ｂと負極合剤層１７Ｂとの間にセパレータ１５を配置する。このとき、正極露出部１３Ｄと負極露出部１７Ｄとを正極１３の幅方向においてセパレータ１５から逆向きに突出させる。次に、正極１３の幅方向に対して平行となるように巻回用軸を配置する。続いて、この巻回用軸を用いて、正極１３、負極１７及びセパレータ１５を巻回する。このとき、導電性部材１９となる部分が巻き終端となるように、正極１３、負極１７及びセパレータ１５を巻回する。このようにして得られた円筒型電極体に対して互いに逆向きの圧力を与え、よって、巻回電極体１１を得る。

続いて、巻回電極体１１を電池ケース１に収容する。まず、蓋体構造体を準備する。蓋体構造体では、正極端子３及び負極端子７が蓋体１Ｂに設けられ、その正極端子３には正極集電板３１が接続され、その負極端子７には負極集電板７１が接続されている。次に、巻回電極体１１の軸方向一端側において正極露出部１３Ｄと導電性部材１９とを正極集電板３１に溶接する。また、巻回電極体１１の軸方向他端側において負極露出部１７Ｄを負極集電板７１に溶接する。これにより、蓋体構造体が巻回電極体１１に接続される。続いて、蓋体構造体が接続された巻回電極体１１をケース本体１Ａに収容する。蓋体構造体の蓋体１Ｂをケース本体１Ａに固定すれば、巻回電極体１１が電池ケース１に収容されることとなる。

その後、電解質又は電解液を蓋体１Ｂの注液用孔からケース本体１Ａに注入してから、電池ケース１の内部を減圧し、注液用孔を封止する。このようにして本実施形態の二次電池が得られる。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

二次電池は、好ましくは非水電解質二次電池であり、より好ましくはリチウムイオン二次電池である。

正極芯体としては、リチウムイオン二次電池の正極芯体として従来公知の構成を有することが好ましく、例えばアルミニウム箔を用いることができる。正極集電板及び正極端子についても同様のことが言え、例えばアルミニウムからなることが好ましい。

正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極活物質として従来公知の材料からなることが好ましく、例えばＬｉと３種の遷移金属元素（Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎ）とを含む複合酸化物からなる粉末を用いることができる。正極合剤層に含まれる導電剤としては、リチウムイオン二次電池の正極合剤層に含まれる導電剤として従来公知の材料からなることが好ましく、例えばアセチレンブラック等の炭素材料を用いることができる。正極合剤層に含まれる結着剤としては、リチウムイオン二次電池の正極合剤層に含まれる結着剤として従来公知の材料からなることが好ましく、例えばポリフッ化ビニリデン等を用いることができる。正極合剤層における正極活物質、導電剤及び結着剤の各含有量としては、リチウムイオン二次電池の正極合剤層における各含有量を特に制限されることなく適用することができる。

負極芯体としては、リチウムイオン二次電池の負極芯体として従来公知の構成を有することが好ましく、例えば銅箔を用いることができる。負極集電板及び負極端子についても同様のことが言え、例えば銅からなることが好ましい。

負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極活物質として従来公知の材料からなることが好ましく、例えば天然黒鉛を核材とする炭素材料を用いることができる。負極合剤層に含まれる結着剤としては、リチウムイオン二次電池の負極合剤層に含まれる結着剤として従来公知の材料からなることが好ましく、例えばＳＢＲ（styrene-butadiene rubber）等を用いることができる。負極合剤層における負極活物質及び結着剤の各含有量としては、リチウムイオン二次電池の負極合剤層における各含有量を特に制限されることなく適用することができる。

セパレータとしては、リチウムイオン二次電池のセパレータとして従来公知の構成を有することが好ましく、例えばＰＥ（polyethylene）又はＰＰ（polypropylene）からなることが好ましい。

電解質又は電解液としては、それぞれ、リチウムイオン二次電池の電解質又は電解液として従来公知の構成を有することが好ましい。例えば、電解質又は電解液はＬｉＰＦ₆等のリチウム塩を含むことが好ましい。

１ 電池ケース、１Ａ ケース本体、１Ｂ 蓋体、３ 正極端子、７ 負極端子、１１ 巻回電極体、１３ 正極、１３Ａ 正極芯体、１３Ｂ 正極合剤層、１３Ｄ 正極露出部、１５ セパレータ、１７ 負極、１７Ａ 負極芯体、１７Ｂ 負極合剤層、１７Ｄ 負極露出部、１９ 導電性部材、３１ 正極集電板、３３，３５，７３，７５ 絶縁部材、７１ 負極集電板。

Claims (4)

1. 正極芯体と前記正極芯体に設けられた正極合剤層とを有する正極と、負極芯体と前記負極芯体に設けられた負極合剤層とを有する負極と、前記正極合剤層と前記負極合剤層との間に設けられたセパレータとが巻回されて構成された巻回電極体を備え、
   前記巻回電極体では、前記負極合剤層の最外周部分の方が前記正極合剤層の最外周部分よりも外周側に位置しており、
   導電性部材が、前記負極合剤層の最外周部分よりも前記巻回電極体の外周側に設けられており、前記巻回電極体において１周以上巻回されている二次電池。
2. 前記巻回電極体は、前記正極合剤層が設けられていない前記正極芯体の部分である正極露出部を軸方向一端に有し、前記負極合剤層が設けられていない前記負極芯体の部分である負極露出部を軸方向他端に有し、
   前記導電性部材は、前記正極露出部とともに集電溶接され、
   前記負極露出部は、集電溶接されている請求項１に記載の二次電池。
3. 前記導電性部材は、前記正極芯体と同一の材料からなる請求項２に記載の二次電池。
4. 前記導電性部材は、前記正極芯体の一部分である請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。

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