JP2016024969A - 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータ内での正極のずれを防止するとともに、有効電極部の面積を大きくする。【解決手段】二次電池は、正極タブ１３ａがセパレータ１４から突出する状態でセパレータ１４に包まれた正極１３と、負極とが交互に積層された積層型の電極組立体を備える。セパレータ１４は、相対する一対のシート１４ａの縁部同士が溶着された第１の溶着部３１ａを有し、少なくとも一辺には第１の溶着部３１ａと連続した状態で正極１３の周縁部と溶着された第２の溶着部３１ｂを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電装置及び蓄電装置の製造方法に係り、詳しくは正極タブがセパレータから突出する状態でセパレータに包まれた正極と、負極とが交互に積層された積層型の電極組立体を備える蓄電装置及び蓄電装置の製造方法に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。例えば、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）などの車両に搭載される蓄電装置としては、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池などがよく知られている。そして、蓄電装置は、金属箔に活物質を含有するスラリー状の活物質合剤が塗工されて形成された活物質層を有するシート状の正極及びシート状の負極が、間にセパレータが存在する状態で層をなすように積層あるいは巻回された電極組立体を備えている。

積層型の電極組立体として、袋状のセパレータに収容された正極と、負極とが交互に積層された構成のものがある。図７（ａ）に示すように、正極４１は、タブ４１ａの一部が袋状のセパレータ４２から突出する状態でセパレータ４２内に収容され、セパレータ４２の溶着部４３は正極４１を囲むように形成されている。セパレータ４２にはイオンの通過を許容する微細孔（図示せず）が形成されており、正極の活物質層と対応する部分の微細孔が潰れると、その部分はイオンが通過できないため、正極の有効面積が小さくなる。そのため、溶着部４３は正極４１の周縁から距離をおいて形成される。また、セパレータ４２のタブ４１ａと対向する部分にも溶着部４３が形成されていない。そのため、正極４１は、セパレータ４２で包まれているが、セパレータ４２の中で正極４１のずれが発生する。

また、図８に示すように、二つ折りにしたセパレータ４５の側辺４５ｂ，４５ｂの２辺を溶着して袋状に成形して正極４６とセパレータ４５とを一体化するとともに、当該一体化物の表裏両面において、正極タブ４７の取付部を含む正極４６の上縁部４６ａに対面している部分のセパレータ４５を溶融したものが提案されている（特許文献１参照）。正極タブ４７の取付部を含む正極４６の上縁部４６ａに対面している部分のセパレータ４５を溶融するのは、正極４６の上縁部４６ａからの活物質の脱落を抑制して内部短絡を防止するためである。

特開平１１−４０１４７号公報

特許文献１には、正極の上縁部からの活物質の脱落を抑制して内部短絡を防止するために、正極の上縁部と対面する部分のセパレータが溶融されて被膜化しているため、セパレータ内で正極がずれ難くなる。しかし、特許文献１の場合も、セパレータ同士を溶着する部分は、電極から離れた位置に形成されている。これは、正極にかかった部分のセパレータを溶着すると、セパレータの微細孔が潰れるためその分、活物質層を有効に利用することができなくなることを回避するためである。一方、セパレータの溶着部は、強度上かつ製造上、一定以上の幅が必要である。そのため、セパレータ同士を溶着する構成では、図７（ｂ）に示すように、正極４１と溶着部４３との間に隙間４４を設け、その外側に溶着部４３が設けられる構造となる。その結果、電極組立体が同じ大きさの場合、隙間の分だけ有効電極部が減少することになる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、セパレータ内での正極のずれを防止するとともに、有効電極部の面積を大きくすることができる蓄電装置及び蓄電装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置は、正極タブがセパレータから突出する状態でセパレータに包まれた正極と、負極とが交互に積層された積層型の電極組立体を備える蓄電装置であって、前記セパレータは、相対する一対のシートの縁部同士が溶着された第１の溶着部を有し、少なくとも一辺には前記第１の溶着部と連続した状態で前記正極の周縁部と溶着された第２の溶着部を有する。

セパレータの強度を確保するため、溶着部は所定の幅が必要になる。セパレータは、少なくとも一辺に正極の周縁部と溶着された第２の溶着部を有するため、その部分ではセパレータの微細孔が潰れて正極の活物質層に無効な領域ができる。しかし、正極の周縁部に溶着された部分はセパレータのシート同士が溶着された第１の溶着部と連続しているため、正極の活物質層に生じる無効な領域は溶着部と重なる状態になる。セパレータの溶着部は、もともと有効電極部とはならない領域のため、セパレータが同じ大きさの場合、有効電極部と溶着部との間に隙間が無いこの構成では、隙間が無い分、結果として有効電極部の面積が大きくなる。したがって、セパレータ内での正極のずれを防止するとともに、有効電極部の面積を大きくすることができる。

前記負極は、前記セパレータの大きさ以上の大きさに形成されていることが好ましい。積層された状態において、負極とセパレータとのずれが発生した場合、負極とセパレータとを同じ大きさにしていると、正極と負極とが対向しない部分が生じる虞がある。しかし、負極をセパレータより大きく形成した場合、ずれが発生しても正極が負極と対向しない部分が生じることを抑制することができる。

前記セパレータは、全周が前記正極の周縁部と連続して溶着されていることが好ましい。この場合、正極がセパレータ内でずれることが確実に防止される。
上記課題を解決する蓄電装置の製造方法は、正極タブがセパレータから突出する状態でセパレータに包まれた正極と、負極とが交互に積層された積層型の電極組立体を備える蓄電装置の製造方法であって、前記正極を前記セパレータを構成する一対のシートの間に配置した状態で前記一対のシートを溶着する溶着工程は、前記シート同士が溶着される第１の溶着部の溶着を、前記シートが前記正極に溶着される第２の溶着部の溶着と同時に行う。

正極を包むセパレータのシートの溶着部が、シート同士が溶着された第１の溶着部と、シートが正極に溶着された第２の溶着部とが連続するように形成する場合、溶着作業をシート同士を溶着する作業と、シートと正極とを溶着する作業との二回に分けて行うことも可能である。しかし、同時に行う方が、作業の手間が簡単になるとともに、第１の溶着部と第２の溶着部が同じ状態で連続するように溶着することができる。

本発明によれば、セパレータ内での正極のずれを防止するとともに、有効電極部の面積を大きくすることができる。

一実施形態の二次電池の模式断面図。 電極組立体の模式斜視図。 （ａ）はセパレータに包まれた正極の模式図、（ｂ）は溶着部セパレータ、正極の位置関係を示す模式断面図。 溶着工程を説明する模式斜視図。 溶着部が形成された状態の模式平面図。 別の実施形態を示す模式正面図。 （ａ）は従来技術におけるセパレータに包まれた正極の模式図、（ｂ）はその部分断面図。 従来技術の正極が一体化されたセパレータの模式図。

以下、本発明をリチウムイオン二次電池に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は、直方体状のケース１１内に、積層型の電極組立体１２が収容されている。ケース１１は、有底四角筒状の金属製（例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金製）のケース本体１１ａと、ケース本体１１ａの開口部を塞ぐ蓋体１１ｂとで構成されている。なお、ケース１１内には図示しないが電解液も収容されている。二次電池１０は、リチウムイオン二次電池に具体化されている。

図２に示すように、電極組立体１２は、正極タブ１３ａがセパレータ１４から突出する状態でセパレータ１４に包まれた正極１３と、負極１５とが交互に積層された積層型の電極組立体である。

図２に示すように、正極１３は、集電体としての金属箔１６の両面に矩形状に形成された活物質層１３ｂを有し、活物質が塗布されていない活物質非塗布部１３ｃが活物質層１３ｂの上側に設けられている。正極タブ１３ａは活物質非塗布部１３ｃから突出形成された状態で、正極１３の左側上部に形成されている。

負極１５は、集電体としての金属箔１６の両面に矩形状に形成された活物質層１５ｂを有し、活物質が塗布されていない活物質非塗布部１５ｃが活物質層１５ｂの上側に設けられている。負極タブ１５ａは活物質非塗布部１５ｃから突出形成された状態で、負極１５の右側上部に形成されている。負極１５は、セパレータ１４の大きさ以上の大きさに形成されている。

二次電池１０がリチウムイオン二次電池の場合、正極１３用の金属箔１６はアルミニウム箔が好ましく、負極１５用の金属箔１６は銅箔が好ましい。
図１に示すように、蓋体１１ｂには正極端子１７及び負極端子１８が固定されている。正極端子１７及び負極端子１８は、雄ねじ部１７ａ，１８ａ及び鍔部１７ｂ，１８ｂを有し、蓋体１１ｂに形成された孔（図示せず）を、鍔部１７ｂ，１８ｂがケース１１の内側に位置する状態で貫通して蓋体１１ｂから突出する雄ねじ部１７ａ，１８ａに螺合するナット１９により、蓋体１１ｂに締め付け固定されている。正極端子１７及び負極端子１８は、複数の二次電池１０を電気的に接続するバスバー２０をボルト２１により締め付け固定可能に構成されている。なお、鍔部１７ｂ，１８ｂと蓋体１１ｂとの間及びナット１９と蓋体１１ｂとの間には図示しない電気的絶縁材製のシール部材が介装されている。

正極端子１７は鍔部１７ｂに接合された導電部材２２を介して電極組立体１２の正極タブ１３ａに電気的に接続されている。負極端子１８は鍔部１８ｂに接合された導電部材２３を介して電極組立体１２の負極タブ１５ａに電気的に接続されている。

図２及び図３（ｂ）に示すように、セパレータ１４は、相対する一対の樹脂製のシート１４ａの縁部同士が溶着され、かつ一部が正極１３の周縁部と連続して溶着されている。シート１４ａは、例えば、多孔性のポリプロピレン製である。図３（ａ）に示すように、この実施形態では、セパレータ１４は、２枚の樹脂製のシート１４ａが正極１３を挟んだ状態で、その全周が正極１３の周縁部と連続して溶着されている。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、セパレータ１４の溶着部３１は、セパレータ１４を構成する２枚のシート１４ａ同士が溶着された第１の溶着部３１ａと、シート１４ａと正極１３の周縁部とが溶着された第２の溶着部３１ｂとから成り、第１の溶着部３１ａと第２の溶着部３１ｂとが連続している。第１の溶着部３１ａは、図３（ａ）において破線で示す正極１３の外形線の外側の領域になる。また、第２の溶着部３１ｂは、図３（ａ）において二点鎖線で示す矩形の外側で、かつ破線で示す正極１３の外形線の内側の領域になる。

図３（ｂ）では、金属箔１６、活物質層１３ｂ、シート１４ａを分かり易くするため、模式的に厚さを誇張して図示しているため、第１の溶着部３１ａと第２の溶着部３１ｂとの間に溶着されていない部分が有るように見えるが、１枚の正極１３の厚さは０．１ｍｍ程度であるため、実際は第１の溶着部３１ａと第２の溶着部３１ｂとが連続している。

二次電池１０の製造方法は、２枚のシート１４ａの間に正極１３を挟んだ状態で、シート１４ａ同士及び正極１３の周囲とシート１４ａとを溶着する溶着工程が従来と異なり、他の工程は従来の工程と基本的に同じため説明を省略する。

溶着工程では、図４に示すように、まず、２枚の帯状のシート１４ａの間に、複数の正極１３を所定間隔を置いて並べて配置し、正極１３をシート１４ａで挟み込む。
次に、図５に示すように、シート１４ａに挟まれた状態の正極１３の周縁部と、シート１４ａの周縁部とを溶着装置の溶着体で同時に押圧して溶着を行う。例えば、溶着を超音波ウェルダーで行う場合は、溶着体はホーンになる。そして、溶着体でセパレータ１４の四辺を順に押圧して溶着が行われる。溶着体は、２枚のシート１４ａのみが重なる部分と、正極１３とシート１４ａとが重なる部分とに跨った状態でシート１４ａ及び正極１３を同時に押圧するため、第１の溶着部３１ａ及び第２の溶着部３１ｂが同時に形成され、溶着部３１は第１の溶着部３１ａと第２の溶着部３１ｂとが連続する状態で形成される。

次に前記のように構成された二次電池１０の作用を説明する。
セパレータ１４は、少なくとも一辺が正極１３の周縁部に溶着されるため、その部分ではセパレータ１４の微細孔が潰れて正極１３の活物質層１３ｂに無効な領域ができる。しかし、シート１４ａの正極１３の周縁部に溶着された部分は、セパレータ１４のシート１４ａ同士が溶着された部分と連続しているため、正極１３の活物質層１３ｂに生じる無効な領域は溶着部３１と重なる状態になる。そして、二次電池１０は、セパレータ１４を挟んで正極１３の活物質層１３ｂが形成された部分と、負極１５の活物質層１５ｂが形成された部分とが対向する部分の面積から、第２の溶着部３１ｂ、すなわちシート１４ａと正極１３の周縁部とが溶着されてセパレータ１４の微細孔が潰れた部分の面積を差し引いた面積が有効な電極部となる。正極１３の活物質層１３ｂの面積は負極１５の活物質層１５ｂの面積より小さいため、有効な電極部となる面積は、正極１３の活物質層１３ｂの面積から第２の溶着部３１ｂの面積を差し引いた値となる。この面積は、図３（ａ）において、二点鎖線で囲まれた部分の面積になる。

一方、従来技術の場合、図７（ａ），（ｂ）に示すように、セパレータ４２の溶着部４３は、正極４１と溶着部４３との間に隙間４４を設けた状態で、正極４１の外側に溶着部４３が設けられている。その結果、電極組立体１２が同じ大きさの場合、即ち、セパレータ４２の大きさが同じ場合、隙間４４の分だけ有効電極部が減少することになる。

そのため、この実施形態の二次電池１０は、同じ大きさの電極組立体１２を使用した場合、従来技術に比べて高密度化が可能になる。
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。

（１）二次電池１０は、正極タブ１３ａがセパレータ１４から突出する状態でセパレータ１４に包まれた正極１３と、負極１５とが交互に積層された積層型の電極組立体１２を備える蓄電装置である。そして、セパレータ１４は、相対する一対のシート１４ａの縁部同士が溶着された第１の溶着部３１ａを有し、少なくとも一辺には第１の溶着部３１ａと連続した状態で正極１３の周縁部と溶着された第２の溶着部３１ｂを有する。

シート１４ａが正極１３の周縁部に溶着された第２の溶着部３１ｂは、セパレータ１４のシート１４ａ同士が溶着された第１の溶着部３１ａと連続しているため、正極１３の活物質層１３ｂに生じる無効な領域は溶着部３１と重なる状態になる。セパレータ１４の溶着部３１は、もともと有効電極部とはならない領域のため、セパレータ１４が同じ大きさの場合、有効電極部と溶着部３１との間に隙間が無いこの構成では、隙間が無い分、結果として有効電極部の面積が大きくなる。したがって、セパレータ１４内での正極１３のずれを防止するとともに、有効電極部の面積を大きくすることができる。

（２）負極１５は、セパレータ１４の大きさ以上の大きさに形成されている。積層された状態において、負極１５とセパレータ１４とのずれが発生した場合、負極１５をセパレータ１４の大きさより小さくしていると、正極１３と負極１５とが対向しない部分が生じる虞がある。しかし、負極１５をセパレータ１４の大きさ以上の大きさに形成した場合、ずれが発生しても正極１３が負極１５と対向しない部分が生じることを抑制することができる。

（３）セパレータ１４は、全周が正極１３の周縁部と連続して溶着されている。この構成によれば、正極１３がセパレータ１４内でずれることが確実に防止される。
（４）二次電池（蓄電装置）１０の製造方法は、正極タブ１３ａがセパレータ１４から突出する状態でセパレータ１４に包まれた正極１３と、負極１５とが交互に積層された積層型の電極組立体１２を備える蓄電装置の製造方法である。そして、正極１３を、セパレータ１４を構成する一対のシート１４ａの間に配置した状態で一対のシート１４ａを溶着する溶着工程は、一対のシート１４ａのうち正極１３に溶着される部分と連続する状態でシート１４ａ同士が溶着される第１の溶着部３１ａの溶着を、シート１４ａが正極１３に溶着される第２の溶着部３１ｂの溶着と同時に行う。正極１３を包むセパレータ１４のシート１４ａの溶着部３１が、シート１４ａ同士が溶着された第１の溶着部３１ａと、シート１４ａが正極１３に溶着された第２の溶着部３１ｂとが連続するように形成する場合、溶着作業をシート１４ａ同士を溶着する作業と、シート１４ａと正極１３とを溶着する作業との二回に分けて行うことも可能である。しかし、同時に行う方が、作業の手間が簡単になるとともに、第１の溶着部３１ａと第２の溶着部３１ｂが同じ状態で連続するように溶着することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ セパレータ１４は、正極タブ１３ａがセパレータ１４から突出する状態で、相対する一対のシート１４ａの縁部同士が溶着され、かつ少なくとも一辺が正極１３の周縁部と連続して溶着されていればよく、全周が正極１３の周縁部と連続して溶着されている必要はない。例えば、図６に示すように、正極タブ１３ａの突出方向に延びる二辺（図６における左右の二辺）の溶着部３１は、第１の溶着部３１ａ及び第２の溶着部３１ｂで構成され、セパレータ１４の上下の二辺は第１の溶着部３１ａのみで構成してもよい。また、左右の二辺は第１の溶着部３１ａで構成し、上下の二辺を第１の溶着部３１ａ及び第２の溶着部３１ｂで構成してもよい。三辺を第１の溶着部３１ａ及び第２の溶着部３１ｂで構成し、残りの一辺を第１の溶着部３１ａのみで構成してもよい。

○ 正極１３及び負極１５は、必ずしも金属箔１６の両面に活物質層１３ｂ，１５ｂが形成された構成に限らず、金属箔１６の片面にのみ活物質層１３ｂ，１５ｂが形成された構成であってもよい。

○ 金属箔１６の両面に活物質層１３ｂ，１５ｂが形成された正極１３及び負極１５を使用する場合も、積層方向の両端に位置する正極１３及び負極１５に、金属箔１６の片面に活物質層１３ｂ，１５ｂが形成された正極１３及び負極１５を使用してもよい。この場合、不要な活物質層１３ｂ，１５ｂが存在しない分、活物質が無駄にならない。

○ 正極タブ１３ａ及び負極タブ１５ａは、金属箔１６の一部を利用して一体形成されたものに限らず、別に形成されたタブ用金属箔を活物質非塗布部１３ｃ，１５ｃに溶接で接合した構成としてもよい。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等の他の二次電池であってもよい。
○ 蓄電装置は、二次電池１０に限らず、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のようなキャパシタであってもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１又は請求項２に記載された前記セパレータの溶着部は、前記一対のシート同士が溶着された第１の溶着部と、シートと正極の周縁部とが溶着された第２の溶着部とから成り、前記第１の溶着部と前記第２の溶着部とが連続している。

１０…蓄電装置としての二次電池、１２…電極組立体、１３…正極、１３ａ…正極タブ、１４…セパレータ、１４ａ…シート、１５…負極、３１…溶着部、３１ａ…第１の溶着部、３１ｂ…第２の溶着部。

Claims (4)

1. 正極タブがセパレータから突出する状態でセパレータに包まれた正極と、負極とが交互に積層された積層型の電極組立体を備える蓄電装置であって、
   前記セパレータは、相対する一対のシートの縁部同士が溶着された第１の溶着部を有し、少なくとも一辺には前記第１の溶着部と連続した状態で前記正極の周縁部と溶着された第２の溶着部を有することを特徴とする蓄電装置。
2. 前記負極は、前記セパレータの大きさ以上の大きさに形成されている請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記セパレータは、全周が前記正極の周縁部と連続して溶着されている請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
4. 正極タブがセパレータから突出する状態でセパレータに包まれた正極と、負極とが交互に積層された積層型の電極組立体を備える蓄電装置の製造方法であって、
   前記正極を前記セパレータを構成する一対のシートの間に配置した状態で前記一対のシートを溶着する溶着工程は、前記シート同士が溶着される第１の溶着部の溶着を、前記シートが前記正極に溶着される第２の溶着部の溶着と同時に行うことを特徴とする蓄電装置の製造方法。