JP2016143491A - 電極組立体及び電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】デッドスペースの低減と生産速度の向上を両立できる電極組立体及び電池セルを提供する。【解決手段】電極組立体２０は、正極５０及び負極３０が、互いの間にセパレータ７０が介在した状態で積層されてなる。正極５０及び負極３０の一方を含む第１電極体３０は、長尺の第１帯状電極３２と、複数の第１個片電極３８と、を有している。正極５０及び負極３０の他方を含む第２電極体５０は、長尺の第２帯状電極５２を有している。第１帯状電極３２と第２帯状電極５２とは、互いに重ね合わされる折り重ね部分３２Ａ，５２Ａが形成されるように長手方向に折り畳まれてつづら折り形状をなしており、第１個片電極は３８、第２帯状電極５２における第１帯状電極３２の反対面５３同士の間に挟まれている。【選択図】図２

Description

本発明は、電極組立体及び電池セルに関する。

従来、正極及び負極が、互いの間にセパレータが介在した状態で積層された電極組立体が知られている。例えば、特許文献１に開示された電極組立体では、長尺かつ帯状の正極及び負極が、互いに重ね合わされる折り重ね部分が形成されるように長手方向に折り畳まれてつづら折り形状をなしている。また、特許文献１には、この構成とは別に、長尺かつ帯状の負極が折り畳まれてつづら折り形状をなすと共に、折り重ね部分のそれぞれにおいて、対向する負極同士の間に板状の正極が挟まれた構成も開示されている。

特開平３−１１６６６３号公報

上記のように、正極及び負極が折り畳まれた構成の場合、積層作業が容易であり、生産速度を向上できる。しかしながら、折り重ね部分において対向する正極同士及び負極同士が重なり合っており、重なり合った部分が電池容量に寄与しないデッドスペースとなる。このため、正極及び負極が交互に積層された場合と比較して、エネルギー密度が小さくなる。一方、折り畳まれた負極の間に板状の正極が挟まれた構成の場合、そのようなデッドスペースを低減できる。しかしながら、積層作業時に複数の正極を所定の位置に順次セットする必要があることから、生産速度が遅くなる。

本発明は、デッドスペースの低減と生産速度の向上を両立できる電極組立体及び電池セルを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る電極組立体は、正極及び負極が、互いの間にセパレータが介在した状態で積層された電極組立体であって、正極及び負極の一方を含む第１電極体は、長尺の第１帯状電極と、複数の第１個片電極とを有し、正極及び負極の他方を含む第２電極体は、長尺の第２帯状電極を有し、第１帯状電極と第２帯状電極とは、互いに重ね合わされる折り重ね部分が形成されるように長手方向に折り畳まれてつづら折り形状をなし、第１個片電極は、第２帯状電極における第１帯状電極の反対面同士の間に挟まれている。

この電極組立体では、第１帯状電極と第２帯状電極とが折り畳まれてつづら折り形状をなしており、第１個片電極が、第２帯状電極における第１帯状電極の反対面同士の間に挟まれている。これにより、第２帯状電極の折り重ね部分において第２帯状電極同士が重なり合うことが回避され、デッドスペースの低減が図られている。また、第２帯状電極の反対面同士の間のみに第１個片電極が挟まれていることから、第２帯状電極における第１帯状電極側の面同士の間、及び反対面同士の間の双方に個片電極が挟まれる場合と比較して、個片電極の数が低減され、生産速度の向上が図られている。よって、この電極組立体によれば、デッドスペースの低減と生産速度の向上を両立できる。

また、第２帯状電極は、帯状セパレータで包まれた複数の電極片であってもよい。この場合、第２帯状電極とセパレータとが一体となることから、積層作業が容易化され、生産速度を更に向上できる。

また、第２電極体は、複数の第２個片電極を更に有し、第２個片電極は、第１帯状電極における第２帯状電極の反対面同士の間に挟まれていてもよい。この場合、第１帯状電極の折り重ね部分において第１帯状電極同士が重なり合うことが回避され、デッドスペースの低減が図られる。また、１つの帯状電極が折り畳まれてつづら折り形状をなすと共に、折り重ね部分のそれぞれにおいて、対向する電極同士の間に個片電極が挟まれた構成と比較して、個片電極の数が低減され、生産速度の向上が図られている。よって、この電極組立体によっても、デッドスペースの低減と生産速度の向上を両立できる。

また、第１帯状電極は、帯状セパレータで包まれた複数の電極片であり、第２帯状電極は、帯状セパレータで包まれた複数の電極片の連結体であってもよい。この場合、第１帯状電極及び第２帯状電極のそれぞれとセパレータとが一体となることから、積層作業が容易化され、生産速度を向上できる。ここで、第１個片電極及び第２個片電極のそれぞれは、電極片が袋状セパレータで包まれてなるものでもよいし、袋状セパレータによって包まれていない電極片でもよい。ただし、第１個片電極及び第２個片電極を袋状セパレータによって包まれていない電極片とすれば、これらの電極片を袋状セパレータで包む処理を省略できることから、生産速度を向上できると共に、材料コストを低減できる。

また、第１個片電極は、電極片が袋状セパレータで包まれてなり、第２個片電極は、電極片が袋状セパレータで包まれてなっていてもよい。この場合、第１帯状電極、第２帯状電極、第１個片電極、及び第２個片電極のそれぞれを構成する電極片が袋状セパレータによって包まれることから、各電極片の表面に設けられた活物質層の微粉が落下すること（粉落ち）を抑制できる。

また、第２帯状電極は、帯状セパレータで包まれた複数の電極片であり、第２個片電極は、電極片が袋状セパレータで包まれてなっていてもよい。この場合、第１帯状電極及び第１個片電極のそれぞれを構成する電極片は、セパレータによって包まれない。このような構成とすれば、これらの電極片をセパレータで包む処理を省略できることから、生産速度を向上できると共に、材料コストを低減できる。特に、長尺の第１帯状電極を構成する電極片をセパレータで包む処理を省略できることから、材料コストを効果的に低減できる。

また、本発明の一側面に係る電池セルは、上記電極組立体がケースに収容されてなる。

この電池セルでは、第１帯状電極と第２帯状電極とが折り畳まれてつづら折り形状をなしており、第１個片電極が、第２帯状電極における第１帯状電極の反対面同士の間に挟まれている。これにより、第２帯状電極の折り重ね部分において第２帯状電極同士が重なり合うことが回避され、デッドスペースの低減が図られている。また、第２帯状電極の反対面同士の間のみに第１個片電極が配置されていることから、第２帯状電極における第１帯状電極側の面同士の間、及び反対面同士の間の双方に第１個片電極が配置される場合と比較して、個片電極の数が低減され、生産速度の向上が図られている。よって、この電池セルによれば、デッドスペースの低減と生産速度の向上を両立できる。

本発明によれば、デッドスペースの低減と生産速度の向上を両立できる電極組立体及び電池セルを提供できる。

本発明の一実施形態に係る電池セルの概略断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における電極組立体の概略断面図である。 （ａ）は、電極組立体の組立工程の概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の部分拡大図である。 第１変形例の概略図である。 第２変形例の概略図である。 第３変形例の概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態の電池セル１を示す概略断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における電極組立体２０の概略断面図である。図３（ａ）は、組立工程の概略図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の部分拡大図である。図１において、矢印Ｄは、例えば鉛直方向を示している。電池セル１は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。

図１及び図２に示すように、電池セル１は、ケース１０及び電極組立体２０を備えている。ケース１０は、例えば略直方体状の筐体である。ケース１０は、例えばアルミニウム等の金属から形成されている。ケース１０は、鉛直上方に開口した本体部１２と、本体部１２の開口を塞ぐ蓋部１４と、を有している。

電極組立体２０は、ケース１０内に収容されている。図１及び図２に示すように、電極組立体２０では、負極（第１電極体）３０と正極（第２電極体）５０とが、互いの間にセパレータ７０が介在した状態で積層されている。セパレータ７０は、例えば微多孔膜であり、セパレータ７０には電解液が含浸されている。電解液は、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液であり、後述する負極活物質層３６，４２及び正極活物質層６０にも含浸されている。

図１に示すように、負極３０は、鉛直上方へ突出するタブ部７２を有しており、タブ部７２において導電部材７４に電気的に接続されている。この導電部材７４は、ケース１０の蓋部１４を貫通するように配置された負極端子７６に電気的に接続されている。蓋部１４と負極端子７６の間は、絶縁部材７８Ａ及び絶縁部材７８Ｂによって絶縁されている。

正極５０は、鉛直上方へ突出するタブ部８２を有しており、タブ部８２において導電部材８４に電気的に接続されている。この導電部材８４は、ケース１０の蓋部１４を貫通するように配置された正極端子８６に電気的に接続されている。蓋部１４と正極端子８６の間は、絶縁部材７８Ａ及び絶縁部材７８Ｂによって絶縁されている。

図２及び図３に示すように、負極３０は、長尺かつ帯状の第１帯状電極３２と、複数の第１個片電極３８と、を有している。第１帯状電極３２は、長尺かつ帯状の金属箔３４と、金属箔３４における正極５０側の一方面を覆う負極活物質層３６と、を含んでいる。

金属箔３４は、例えば銅箔である。負極活物質層３６は、例えば負極活物質及びバインダを含んで構成されている。負極活物質としては、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、及びソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、並びに、ホウ素添加炭素等が挙げられる。

第１個片電極３８は、矩形板状の電極片４０と、電極片４０の両面を覆う負極活物質層４２と、を含んでいる。電極片４０は、例えば銅箔等の金属箔である。負極活物質層４２は、負極活物質層３６と同様の負極活物質及びバインダを含んで構成されている。

図２及び図３に示すように、正極５０は、長尺かつ帯状の第２帯状電極５２を有している。本実施形態では、第２帯状電極５２は、帯状のセパレータ７０と一体となっている。セパレータ７０は、複数の袋状セパレータ５８が互いに連結されてなり、長尺かつ帯状に形成されている。これら各袋状セパレータ５８内に、第２帯状電極５２を構成する矩形板状の電極片５６が配置されている。第２帯状電極５２は、電極片５６を袋状セパレータ５８で包んだ個片電極の連結体に相当する。換言すれば、第２帯状電極５２は、帯状セパレータで包まれた複数の電極片５６である。

電極片５６は、例えばアルミニウム箔等の金属箔である。電極片５６の両面には、正極活物質層６０が設けられている。正極活物質層６０は、例えば正極活物質及びバインダを含んで構成されている。正極活物質としては、例えば、複合酸化物、金属リチウム、及び硫黄等が挙げられる。複合酸化物は、例えば、マンガン、ニッケル、コバルト、及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとを含むものが挙げられる。

各袋状セパレータ５８は、例えばタブ部８２の引き出し部分が開口した袋状をなしている。これら袋状セパレータ５８同士は、長手方向の端部において溶着されて連結されている。図２では、この溶着部分が符号５９で示されている。第２帯状電極５２の形成方法としては、帯状の２枚のセパレータの間に複数の電極片５６を所定の間隔で配置し、電極片５６の周囲を囲むようにセパレータ同士を溶着する方法が挙げられる。また、袋状セパレータ５８で包まれた電極片５６を複数用意し、袋状セパレータ５８の端部同士を溶着していく方法でもよい。

図２に示すように、第１帯状電極３２と第２帯状電極５２とは、互いに重ね合わされる折り重ね部分３２Ａ，５２Ａが形成されるように長手方向に折り畳まれてつづら折り形状をなしている。ここで、つづら折り形状とは、長尺の帯状体が、山折りと谷折りが交互に繰り返されるように、例えば所定間隔で折り畳まれた形状をいう。第１帯状電極３２及び第２帯状電極５２においては、折り重ね部分３２Ａと折り重ね部分５２Ａとが互いに重ね合わされており、負極活物質層３６と袋状セパレータ５８とが重なり合って接触している。また、第１帯状電極３２の折り重ね部分３２Ａにおいては、第１帯状電極３２の金属箔３４同士が重なり合って接触している。

そして、第２帯状電極５２における第１帯状電極３２の反対面（第１帯状電極３２と反対側の面）５３同士の間に、第１個片電極３８が挟まれている。この場合、反対面５３は、袋状セパレータ５８における第１帯状電極３２と反対側の面である。すなわち、第２帯状電極５２の折り重ね部分５２Ａにおいては、第２帯状電極５２同士は重なり合っておらず、第１個片電極３８の両面の負極活物質層４２と、第２帯状電極５２の袋状セパレータ５８とが重なり合って接触している。

このように、電極組立体２０では、負極３０と正極５０とが、第１帯状電極３２、第２帯状電極５２、第１個片電極３８、第２帯状電極５２、第１帯状電極３２、第１帯状電極３２、第２帯状電極５２、第１個片電極３８、…、の順に繰り返し積層されている。また、負極３０と正極５０の間には、セパレータ７０（袋状セパレータ５８）が介在している。

続いて、図３を参照しつつ、電極組立体２０の組立工程について説明する。なお、図３では、溶着部分５９は省略されている。組立工程では、第１帯状電極３２と第２帯状電極５２とを互いに重ね合わせるように長手方向に折り畳むと共に、第２帯状電極５２の反対面５３同士の間に第１個片電極３８を挟み込む。このとき、図３（ａ）に示すように、第１帯状電極３２及び第２帯状電極５２の所定位置に複数の第１個片電極３８を差し込む（押し込む）ことによって第１帯状電極３２及び第２帯状電極５２を一括して折り畳み、電極組立体２０を組み立ててもよい。

あるいは、重ね合わせた第１帯状電極３２及び第２帯状電極５２を、所定位置に第１個片電極３８を挟み込みつつ、逐次折り畳んでいってもよい。この場合、重ね合わせた第１帯状電極３２及び第２帯状電極５２を第２帯状電極５２同士が対向する側へ折り返す前に、第２帯状電極５２上に第１個片電極３８を載置し、その後、第１帯状電極３２及び第２帯状電極５２を載置された第１個片電極３８上に折り返す工程を繰り返し行うことによって、電極組立体２０を組み立てればよい。

以上説明した電極組立体２０では、第１帯状電極３２と第２帯状電極５２とが折り畳まれてつづら折り形状をなしており、第１個片電極３８が、第２帯状電極５２の反対面５３同士の間に挟まれている。これにより、第２帯状電極５２の折り重ね部分５２Ａにおいて第２帯状電極５２同士が重なり合うことが回避され、デッドスペースの低減が図られている。また、第２帯状電極５２の反対面５３同士の間のみに第１個片電極３８が挟まれていることから、第２帯状電極５２における第１帯状電極３２側の面同士の間、及び反対面５３同士の間の双方に個片電極が挟まれる場合と比較して、個片電極の数が低減され、生産速度の向上が図られている。よって、電極組立体２０、及びこれを含んでなる電池セル１によれば、デッドスペースの低減によるエネルギー密度の増加と生産速度の向上を両立することができる。

また、電極組立体２０では、第２帯状電極５２が、電極片が袋状セパレータ５８で包まれた個片電極の連結体に相当し、第２帯状電極５２とセパレータ７０とが一体となっていることから、積層作業が容易化され、生産速度が更に向上されている。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、図４に示す第１変形例のように、正極５０は、複数の第２個片電極６２を更に有していてもよい。第２個片電極６２は、第１個片電極３８と同様に、矩形板状の電極片と、この電極片の両面を覆う正極活物質層と、を含んでいる。この電極片は、例えばアルミニウム箔等の金属箔である。正極活物質層は、正極活物質層６０と同様の正極活物質及びバインダを含んで構成されている。また、第１変形例では、負極３０の第１帯状電極３２についても、第２帯状電極５２と同様に、電極片６６を袋状セパレータ６８で包んだ個片電極の連結体となっている。電極片６６は、例えば銅箔等の金属箔である。

第１変形例の電極組立体では、第１帯状電極３２における第２帯状電極５２の反対面３３同士の間に、第２個片電極６２が挟まれる。この場合、反対面３３は、袋状セパレータ６８における第２帯状電極５２と反対側の面である。第１変形例では、第１帯状電極３２の折り重ね部分３２Ａにおいても、第１帯状電極３２同士は重なり合わず、第２個片電極６２の両面の正極活物質層と、第１帯状電極３２の袋状セパレータ６８とが重なり合って接触する。

第１変形例によれば、第１帯状電極３２の折り重ね部分３２Ａにおいて第１帯状電極３２同士が重なり合うことが回避され、デッドスペースの低減が図られる。また、１つの帯状電極が折り畳まれてつづら折り形状をなすと共に、折り重ね部分のそれぞれにおいて、対向する電極同士の間に個片電極が挟まれた構成と比較して、個片電極の数が低減され、生産速度の向上が図られている。よって、第１変形例の電極組立体によっても、デッドスペースの低減と生産速度の向上を両立できる。

また、第１変形例によれば、第１帯状電極３２及び第２帯状電極５２のそれぞれとセパレータとが一体となっていることから、積層作業が容易化され、生産速度が向上されている。また、第１個片電極３８及び第２個片電極６２のそれぞれを構成する電極片がセパレータによって包まれていないことから、これらの電極片をセパレータで包む処理を省略できる。よって、生産速度を向上できると共に、材料コストを低減できる。

また、図５に示す第２変形例のように、第１個片電極３８が、電極片（図３中の電極片４０）が袋状セパレータ３９で包まれてなると共に、第２個片電極６２が、電極片が袋状セパレータ６３で包まれてなっていてもよい。第２変形例の電極組立体では、第１個片電極３８の袋状セパレータ３９と第２帯状電極５２の袋状セパレータ５８とが重なり合って接触し、第２個片電極６２の袋状セパレータ６３と第１帯状電極３２の袋状セパレータ６８と重なり合って接触する。

第２変形例によれば、第１帯状電極３２、第２帯状電極５２、第１個片電極３８、及び第２個片電極６２のそれぞれを構成する電極片が袋状セパレータ６８，５８，３９，６３によって包まれることから、各電極片の表面に設けられた活物質層の微粉が落下すること（粉落ち）を抑制できる。

また、図６に示す第３変形例のように、第２帯状電極５２が、電極片５６を袋状セパレータ５８で包んだ個片電極の連結体であると共に、第２個片電極６２が、電極片が袋状セパレータ６３で包まれてなっていてもよい。第３変形例では、第１帯状電極３２及び第１個片電極３８のそれぞれを構成する電極片は、セパレータによって包まれていない。

第３変形例によれば、第１帯状電極３２及び第１個片電極３８のそれぞれを構成する電極片をセパレータで包む処理を省略できることから、生産速度を向上できると共に、材料コストを低減できる。特に、長尺の第１帯状電極３２を構成する電極片をセパレータで包む処理を省略できることから、材料コストを効果的に低減できる。

なお、上記実施形態では、正極及び負極の一方を含む、電極そのもの又はセパレータに包まれた電極を総称し、電極体として説明した。帯状電極は、正極及び負極の一方を含み、長尺帯状をなすと共に、積層式の電極組立体内に屈曲して配置される電極体である。したがって、上述したように、長尺帯状の金属箔上に連続した活物質層が形成された電極そのもの、又は、帯状の２枚のセパレータの間に複数の電極片を所定の間隔で配置し、電極片の周囲を囲むようにセパレータ同士を溶着したもの、を含む。その他では、例えば、長尺かつ帯状の金属箔上に間欠塗工によって複数の活物質層が形成されたもの、又は、電極の両面上に長尺かつ帯状セパレータが溶着によって固定されたもの、であってもよい。個片電極は、正極及び負極の一方を含むと共に、枚葉状をなし、積層式の電極組立体内に屈曲されることなく配置される電極体である。具体的には、電極片そのもの、又は、電極片を個別の袋状セパレータに収容したもの、を含む。

また、上記実施形態及び第１〜第３変形例では、第１電極体が負極３０を含み、第２電極体が正極５０を含む構成としたが、第１電極体が正極５０を含み、第２電極体が負極３０を含む構成としてもよい。また、セパレータ７０が第１帯状電極３２及び第２帯状電極５２と別体であってもよく、例えば負極３０及び正極５０とは別体に形成されたシート状のセパレータを負極３０と正極５０の間に介在させてもよい。この場合、第１帯状電極３２及び第２帯状電極５２の双方が長尺かつ帯状の金属箔により構成されていてよい。ただし、上述したように、第１帯状電極３２又は第２帯状電極５２とセパレータとを一体とした方が、積層作業が容易化され、生産速度を向上できる。

１…電池セル、１０…ケース、２０…電極組立体、３０…負極（第１電極体）、３２…第１帯状電極、３２Ａ，５２Ａ…折り重ね部分、３３，５３…反対面、３８…第１個片電極、３９，５８，６３，６８…袋状セパレータ、４０，５６，６６…電極片、５０…正極（第２電極体）、５２…第２帯状電極、６２…第２個片電極、７０…セパレータ。

Claims (7)

1. 正極及び負極が、互いの間にセパレータが介在した状態で積層された電極組立体であって、
   前記正極及び前記負極の一方を含む第１電極体は、長尺の第１帯状電極と、複数の第１個片電極と、を有し、
   前記正極及び前記負極の他方を含む第２電極体は、長尺の第２帯状電極を有し、
   前記第１帯状電極と前記第２帯状電極とは、互いに重ね合わされる折り重ね部分が形成されるように長手方向に折り畳まれてつづら折り形状をなし、
   前記第１個片電極は、前記第２帯状電極における前記第１帯状電極の反対面同士の間に挟まれている、電極組立体。
2. 前記第２帯状電極は、帯状セパレータで包まれた複数の電極片である、請求項１記載の電極組立体。
3. 前記第２電極体は、複数の第２個片電極を更に有し、
   前記第２個片電極は、前記第１帯状電極における前記第２帯状電極の反対面同士の間に挟まれている、請求項１又は２記載の電極組立体。
4. 前記第１帯状電極は、帯状セパレータで包まれた複数の電極片であり、
   前記第２帯状電極は、帯状セパレータで包まれた複数の電極片である、請求項３記載の電極組立体。
5. 前記第１個片電極は、電極片が袋状セパレータで包まれてなり、
   前記第２個片電極は、電極片が袋状セパレータで包まれてなる、請求項４記載の電極組立体。
6. 前記第２帯状電極は、帯状セパレータで包まれた複数の電極片であり、
   前記第２個片電極は、電極片が袋状セパレータで包まれてなる、請求項３記載の電極組立体。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の電極組立体がケースに収容されてなる電池セル。

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