JP2017162761A - 電気化学セルおよび電気化学セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造容易な電気化学セルを提供する。
【解決手段】電池は、一対の集電パッドが形成された外装容器と、外装容器に収容された電極体１０と、を備える。電極体１０は、正極集電体を有する正極体１２と、負極集電体を有する負極体１３と、がセパレータ１４を介して積層された状態で、捲回軸Ｐ回りに捲回された電極体本体部１１と、正極体１２の最外周部における正極集電体の端縁から、捲回軸Ｐの軸方向に直交する方向に沿うように延出し、一方の集電パッドに接続された正極タブ２１と、負極体１３の最外周部における負極集電体の端縁から、軸方向に直交する方向に沿うように延出し、他方の集電パッドに接続された負極タブ２２と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気化学セルおよび電気化学セルの製造方法に関するものである。

非水電解質二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、外装容器の内部に電極体を備えた構成となっている。電極体は、正極体および負極体をセパレータを介して交互に積層することで形成されている。また、正極体および負極体それぞれには、タブが接続されている。例えば、特許文献１に記載の電気化学セルは、正極板（正極体）および負極板（負極体）がその間にセパレータを介して対向配置され、その状態をもって捲回されてなる電極体を備えている。さらに、特許文献１に記載の電気化学セルでは、捲回されてなる電極体の端面から一対のタブが延出している。この場合、タブは、少なくとも一部が展開された状態にある正極体および負極体それぞれに対して溶接等により取り付けられた後、正極体および負極体とともに捲回される。

特開２００５−２４３５２４号公報

しかしながら、捲回されてなる電極体の端面からタブが延出する構成とした場合、正極体および負極体の捲回時にかかるテンションの変化や電極長の公差により、タブの位置が所望の位置からずれ、一対のタブの間隔が設計値から外れる可能性がある。特に小型化された電気化学セルにおいては、タブを最外周とした場合、正極体および負極体の捲回時における僅かなテンションの変化や電極長の公差でタブの位置が変化するため、一対のタブの間隔が設計値から外れやすくなる。したがって、外装容器に対してタブを所望の位置に配置できない等の不具合が生じやすくなり、電気化学セルの製造が困難となるという課題があった。

そこで本発明は、製造容易な電気化学セルおよび電気化学セルの製造方法を提供するものである。

本発明の電気化学セルは、一対の集電パッドが形成された外装容器と、前記外装容器に収容された電極体とを備え、前記電極体は、正極集電体を有する正極体と、負極集電体を有する負極体とがセパレータを介して積層された状態で、捲回軸回りに捲回された電極体本体部と、前記正極体の最外周部における前記正極集電体の端縁から、前記捲回軸の軸方向に直交する方向に沿うように延出し、一方の前記集電パッドに接続された正極タブと、前記負極体の最外周部における前記負極集電体の端縁から、前記軸方向に直交する方向に沿うように延出し、他方の前記集電パッドに接続された負極タブとを備えることを特徴とする。

本発明では、正極タブが正極体の最外周部における正極集電体の端縁から軸方向に直交する方向に沿うように延出し、負極タブが負極体の最外周部における負極集電体の端縁から軸方向に直交する方向に沿うように延出している。このため、正極体の最外周部における正極集電体の端縁と、負極体の最外周部における負極集電体の端縁と、の相対位置が、捲回時のテンションの変化や電極長の公差により軸方向に直交する方向における所望の相対位置からずれた場合であっても、正極タブおよび負極タブの軸方向における相対位置がずれることを防止できる。これにより、正極タブおよび負極タブの間隔が設計値から外れることを防止できるので、正極タブおよび負極タブを外装容器の一対の集電パッドに対して正確に位置させることが可能となる。したがって、製造容易な電気化学セルを提供できる。

上記の電気化学セルにおいて、前記正極タブは、前記正極集電体と一体形成され、前記負極タブは、前記負極集電体と一体形成されている、ことが望ましい。

本発明によれば、集電体とは別部材のタブを用いる必要がなくなるので、集電体とタブとを接続する工程を削減できる。したがって、製造容易な電気化学セルを提供できる。
しかも、本発明によれば、集電体とは別部材のタブを用いる必要がなくなるので、部品点数を削減することができる。また、集電体とは別部材のタブを用いる場合、集電体とタブとの接続部には溶接等により微小な突起等が形成される場合があるので、集電体とタブとの接続部を絶縁テープにより被覆し、セパレータを保護する必要がある。これに対して、本発明では、タブが集電体と一体形成されているので、絶縁テープを貼り付ける必要がなくなる。よって部品点数を削減することができる。したがって、低コストな電気化学セルを提供できる。

上記の電気化学セルにおいて、前記正極体は、前記負極体よりも小面積に形成され、前記セパレータは、前記正極体を覆っている、ことが望ましい。

本発明によれば、最小限の面積のセパレータにより正極体と負極体との接触を防止することができる。したがって、低コストな電気化学セルを提供できる。

本発明の電気化学セルの製造方法は、上記の電気化学セルの製造方法であって、前記セパレータを介して、前記正極体および前記負極体を積層した状態で捲回する捲回工程と、前記捲回工程を行った後に、前記正極タブおよび前記負極タブのうち少なくとも一方の先端部を切断して長さを調整するタブ調整工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、捲回工程において軸方向に直交する方向における正極タブおよび負極タブの相対位置が所望の相対位置からずれ、正極タブおよび負極タブの先端部の位置が不揃いとなった場合でも、タブ調整工程において正極タブおよび負極タブの長さを調整して、正極タブおよび負極タブの先端部の位置を揃えることができる。これにより、正極タブおよび負極タブを外装容器の一対の集電パッドに対して正確に位置させることが可能となる。したがって、電気化学セルを容易に製造できる。

本発明によれば、正極体の最外周部における正極集電体の端縁と、負極体の最外周部における負極集電体の端縁と、の相対位置が、捲回時のテンションの変化や電極長の公差により軸方向に直交する方向における所望の相対位置からずれた場合であっても、正極タブおよび負極タブの軸方向における相対位置がずれることを防止できる。これにより、正極タブおよび負極タブの間隔が設計値から外れることを防止できるので、正極タブおよび負極タブを外装容器の一対の集電パッドに対して正確に位置させることが可能となる。したがって、製造容易な電気化学セルを提供できる。

実施形態の電池の斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における部分断面図である。 実施形態の電極体の斜視図である。 実施形態の電極体の展開状態における平面図である。 実施形態の電極体の分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、電気化学セルとして、非水電解質二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」という。）を例に挙げて説明する。

図１は、実施形態の電池の斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における部分断面図である。
図１および図２に示すように、電池１は、外装容器２と、電解液等の非水電解質とともに外装容器２に収容された電極体１０と、を備えている。

外装容器２は、凹状に形成されたベース３と、ベース３の開口端面上に設けられたシールリング４と、シールリング４上に重ねられ、ベース３の内側を気密封止するリッド５と、を備えている。ベース３の内側における底面には、後述する正極タブ２１および負極タブ２２の位置に合せて一対の集電パッド６が並設されている。各集電パッド６は、ベース３の底部を貫通する貫通孔内に充填された一対の接続電極７それぞれを介して、ベース３の外面上に形成された一対の外部電極８それぞれに接続している。

図３は、実施形態の電極体の斜視図である。図４は、実施形態の電極体の展開状態における平面図である。図５は、実施形態の電極体の分解斜視図である。
図３から図５に示すように、電極体１０は、円柱状に形成されている。電極体１０は、電極体本体部１１と、正極タブ２１と、負極タブ２２と、を備えている。電極体本体部１１は、正極体１２と、負極体１３と、セパレータ１４と、を備え、正極体１２と負極体１３とがセパレータ１４を介して積層された状態で捲回軸Ｐ回りに捲回されている。

図５に示すように、正極体１２は、シート状の正極集電体１５と、正極集電体１５の両面に塗工された正極１６と、を有する。
正極集電体１５は、金属箔により長尺の矩形状に形成されている。正極集電体１５を形成する材料としては、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等を用いることができる。正極集電体１５は、例えば長さが３０〜１００ｍｍ、幅が２〜１０ｍｍ、厚さが８〜１５μｍ程度となっている。正極集電体１５は、その短手方向が捲回軸Ｐ（図３参照）の軸方向（以下、単に「軸方向」という。）と一致するように配置されている。

正極１６は、正極活物質、導電助剤および結着材により形成されている。正極活物質は、例えば、コバルト酸リチウムやチタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のように、リチウムと遷移金属とを含む複合酸化物である。正極１６は、正極集電体１５の両面における略全面に塗工されている。

負極体１３は、シート状の負極集電体１８と、負極集電体１８の両面に塗工された負極１９と、を有する。
負極集電体１８は、金属箔により長尺の矩形状に形成されている。負極集電体１８を形成する材料としては、例えば銅や銅合金、ニッケル、ステンレス等を用いることができる。負極集電体１８は、正極体１２を負極体１３よりも小面積とすべく、長さおよび幅ともに、正極集電体１５よりも僅かに大きくなっている。負極集電体１８は、その短手方向が軸方向と一致するように配置されている。

負極１９は、負極活物質、導電助剤および結着材により形成されている。負極活物質は、例えば、シリコン酸化物やグラファイト、ハードカーボン、チタン酸リチウム、ＬｉＡｌ等である。負極１９は、負極集電体１８の両面における略全面に塗工されている。

セパレータ１４は、長尺の矩形シート状に形成されている。セパレータ１４は、リチウムイオンを通す特性を有し、例えば、ポリオレフィン製の樹脂ポーラスフィルム、ガラス製不織布、樹脂製不織布等により形成されている。セパレータ１４は、長さが負極集電体１８の長さの２倍以上、幅が負極集電体１８の幅以上となっている。セパレータ１４は、その長手方向における中間部分において折曲され、正極体１２の全体を挟み込むように配置されている。なお、このとき、セパレータ１４の折曲部は、後述する正極タブ２１と干渉しない位置に配置されている。また、セパレータ１４は、負極体１３の全体と重なるように配置されている（図４参照）。

正極タブ２１は、正極集電体１５と一体形成されている。正極タブ２１は、捲回された正極体１２の最外周部における正極集電体１５の端縁１５ａのうち、軸方向の一端部から、軸方向に直交する方向に沿って延出している。正極タブ２１は、例えば延出方向における長さが２〜５ｍｍ、幅が１〜５ｍｍ程度となっている。正極タブ２１は、外装容器２の一方の集電パッド６に、超音波溶着等により接続されている（図２参照）。

負極タブ２２は、負極集電体１８と一体形成されている。負極タブ２２は、捲回された負極体１３の最外周部における負極集電体１８の端縁１８ａのうち、軸方向の他端部から、軸方向に直交する方向に沿って延出している。負極タブ２２は、正極タブ２１と同等の大きさに形成されている。図４に示すように、負極タブ２２は、正極タブ２１に対して軸方向で離間している。負極タブ２２は、外装容器２の他方の集電パッド６に、超音波溶着等により接続されている（図２参照）。

以下、電池１の製造方法について説明する。なお、以下の説明における電池１の各構成部品の符号については、図１から図５を参照されたい。
電池１の製造方法は、捲回工程と、タブ調整工程と、タブ接続工程と、封止工程と、を備えている。
最初に捲回工程を行う。捲回工程では、正極体１２および負極体１３をセパレータ１４を介して積層した状態（図４に示す状態）で捲回する。このとき、正極体１２における正極タブ２１が接続されていない端部、および負極体１３における負極タブ２２が接続されていない端部が捲回中心となるように、正極体１２および負極体１３を積層する。これにより、電極体本体部１１が形成されるとともに、電極体本体部１１から各タブ２１，２２が延出した状態となり、電極体１０が形成される。

次にタブ調整工程を必要に応じて行う。
ここで、上述した捲回工程において、正極体１２および負極体１３を捲回すると、捲回時のテンションの変化等により、正極体１２および負極体１３それぞれの最外周部における端縁の相対位置が所望の相対位置から軸方向に直交する方向にずれることがある。その結果、各タブ２１，２２の先端部の位置が軸方向に直交する方向にずれる。この場合には、タブ調整工程を行う。
タブ調整工程では、正極タブ２１および負極タブ２２のうち少なくとも一方の先端部を切断して、各タブ２１，２２の先端部の位置を揃えるように、各タブ２１，２２の長さを調整する。

次にタブ接続工程を行う。タブ接続工程では、ベース３の内側が開放された外装容器２の集電パッド６に、各タブ２１，２２をそれぞれ超音波溶着等により接続する。

次に封止工程を行う。封止工程では、電極体１０を外装容器２内に収容する。より詳細に、まず各タブ２１，２２が集電パッド６に接続された電極体１０を、ベース３の内側に収容する。このとき、電解液等の非水電解質を電極体１０とともにベース３の内側に充填する。続いて、シールリング４を挟んでリッド５をベース３上に重ね合わせ、シールリング４に対してリッド５を溶接等により接合し、ベース３の内側を気密に封止する。
以上により、電池１の製造が完了する。

このように、本実施形態では、電極体１０は、正極体１２の最外周部における正極集電体１５の端縁１５ａから、軸方向に直交する方向に沿うように延出した正極タブ２１と、負極体１３の最外周部における負極集電体１８の端縁１８ａから、軸方向に直交する方向に沿うように延出した負極タブ２２と、を備える構成とした。
この構成によれば、正極体１２の最外周部における正極集電体１５の端縁１５ａと、負極体１３の最外周部における負極集電体１８の端縁１８ａと、の相対位置が、捲回時のテンションの変化や電極長の公差により軸方向に直交する方向における所望の相対位置からずれた場合であっても、各タブ２１，２２の軸方向における相対位置がずれることを防止できる。これにより、各タブ２１，２２の間隔が設計値から外れることを防止できるので、各タブ２１，２２を外装容器２の一対の集電パッド６に対して正確に位置させることが可能となる。したがって、製造容易な電池１を提供できる。

ところで、各タブ２１，２２を外装容器２の集電パッド６に接続する作業時には、各タブ２１，２２に力がかかる。ここで、従来技術のように、各タブが電極体の軸方向を向く端面から延出する構成の場合、各タブに力がかかると、捲回された正極体および負極体が各タブを介して軸方向に沿って引っ張られて電極体の端面から引き出され、電極体本体部が捲回状態から崩壊するおそれがある。
本実施形態では、各タブ２１，２２が軸方向に直交する方向に沿って延出しているので、各タブ２１，２２に力がかかっても、正極体１２および負極体１３が各タブ２１，２２を介して軸方向に沿って引っ張られることがない。したがって、製造時における電極体本体部１１の崩壊を防止でき、高品質な電池１を提供できる。

また、正極タブ２１は、正極集電体１５と一体形成され、負極タブ２２は、負極集電体１８と一体形成されているので、各集電体１５，１８とは別部材のタブを用いる必要がなくなる。これにより、各集電体１５，１８と各タブ２１，２２とを接続する工程を削減できる。したがって、製造容易な電池１を提供できる。

しかも、本実施形態によれば、各集電体１５，１８とは別部材のタブを用いる必要がなくなるので、部品点数を削減することができる。
また、各集電体１５，１８とは別部材のタブを用いる場合、集電体とタブとの接続部には溶接等により微小な突起等が形成される場合があるので、集電体とタブとの接続部を絶縁テープにより被覆し、セパレータ１４を保護する必要がある。これに対して、本実施形態では、各タブ２１，２２が各集電体１５，１８と一体形成されているので、絶縁テープを貼り付ける必要がなくなる。よって部品点数を削減することができる。
したがって、低コストな電池１を提供できる。

また、正極体１２は、負極体１３よりも小面積に形成され、セパレータ１４は、正極体１２を覆っているので、最小限の面積のセパレータ１４により正極体１２と負極体１３との接触を防止することができる。したがって、低コストな電池１を提供できる。

また、本実施形態の電池１の製造方法は、捲回工程を行った後に、正極タブ２１および負極タブ２２のうち少なくとも一方の先端部を切断して長さを調整するタブ調整工程を備える。
この方法によれば、捲回工程において軸方向に直交する方向における各タブ２１，２２の相対位置が所望の相対位置からずれ、各タブ２１，２２の先端部の位置が不揃いとなった場合でも、タブ調整工程においてタブ２１，２２の長さを調整して、各タブ２１，２２の先端部の位置を揃えることができる。これにより、各タブ２１，２２を外装容器２の一対の集電パッド６に対して正確に位置させることが可能となる。したがって、電池１を容易に製造できる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態においては、電気化学セルの一例として、非水電解質二次電池を例に挙げて説明したが、この場合に限定されず、電気二重層キャパシタや一次電池等に上述した構成を適用することができる。

また、上記実施形態においては、各タブ２１，２２が各集電体１５，１８と一体形成されているが、これに限定されず、各タブが各集電体１５，１８とは別部材であってもよい。この構成であっても、上述した作用効果を奏することができる。すなわち、各タブを外装容器２の一対の集電パッド６に対して正確に位置させることが可能となり、製造容易な電池を提供できるとともに、製造時における電極体本体部の崩壊を防止でき、高品質な電池を提供できる。

また、上記実施形態では、セパレータ１４が負極体１３の全体と重なるように配置されているが、これに限定されず、セパレータは少なくとも正極体１２の全体を覆っていればよい。これにより、セパレータの面積をより小さくすることができ、部材コストを低減することが可能となる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１…電池（電気化学セル） ２…外装容器 ６…集電パッド １０…電極体 １１…電極体本体部 １２…正極体 １３…負極体 １４…セパレータ １５…正極集電体 １５ａ…正極集電体の端縁 １８…負極集電体 １８ａ…負極集電体の端縁 ２１…正極タブ ２２…負極タブ Ｐ…捲回軸

Claims (4)

1. 一対の集電パッドが形成された外装容器と、
   前記外装容器に収容された電極体とを備え、
   前記電極体は、
   正極集電体を有する正極体と、負極集電体を有する負極体とがセパレータを介して積層された状態で、捲回軸回りに捲回された電極体本体部と、
   前記正極体の最外周部における前記正極集電体の端縁から、前記捲回軸の軸方向に直交する方向に沿うように延出し、一方の前記集電パッドに接続された正極タブと、
   前記負極体の最外周部における前記負極集電体の端縁から、前記軸方向に直交する方向に沿うように延出し、他方の前記集電パッドに接続された負極タブとを備えることを特徴とする電気化学セル。
2. 前記正極タブは、前記正極集電体と一体形成され、
   前記負極タブは、前記負極集電体と一体形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
3. 前記正極体は、前記負極体よりも小面積に形成され、
   前記セパレータは、前記正極体を覆っている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学セル。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学セルの製造方法であって、
   前記セパレータを介して、前記正極体および前記負極体を積層した状態で捲回する捲回工程と、
   前記捲回工程を行った後に、前記正極タブおよび前記負極タブのうち少なくとも一方の先端部を切断して長さを調整するタブ調整工程と、
   を備えることを特徴とする電気化学セルの製造方法。

Images