JP2019075294A - 電気化学セルおよび電気化学セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような電気化学セルにおいては、電池容量並びに充電電流及び放電電流を大きくする観点から、電気化学セル内で対向している電極どうしの面積を大きくすることが必要である。電気化学セルの構造としては、一対の帯状の電極を帯状のセパレータを介して対向させてケースに収め、電解液を電極及びセパレータに含浸させた構造が知られている。
近年、ウエアラブル機器の薄型化の要求に対応して、帯状の電極及び帯状のセパレータをつづら折り形状とした構成も検討されている。例えば、以下の特許文献1では、帯状の電極をセパレータ袋体に収容した構造が提案されている。
例えば、積層数が少ない場合は対面位置ずれの寸法が小さいので構造的な誤差範囲として吸収できることもあるが、積層数が多い場合、位置ずれの寸法も大きくなるので、電極の位置ずれが無視できなくなるおそれがある。
つづら折り状の電極を複数積層する場合、1つ下の電極を周回するように次の電極を折り込むので、周回する際の回り込み誤差、つづら折りする際の折り曲げ部分の誤差、積層位置決めの誤差などが累積され、電極毎の対面位置ずれの誤差が大きくなる。
したがって、従来の電気化学セルにおいては、電極の積層位置(対面位置)がずれることを抑制する上で改善の余地があった。
つづら折り状に複数重ね合わせた正極本体と負極本体からなる重ね合わせユニットを複数積層し、重ね合わせユニット単位で生じる正極本体の位置ずれ量を少なくしておくことにより、積層構造全体とした場合の正極本体の対面位置ずれを抑制できる。正極本体の対面位置ずれを抑制することで、電気化学セルの容量低下を防止できる。また、複数の重ね合わせユニットを並列接続することで高容量の電気化学セルを提供できる。
電気化学セル全体として必要な正極本体の数を1つの重ね合わせユニットではなく、複数の重ね合わせユニットに分けて個々につづら折りとするので、1つの重ね合わせユニットに必要な折り畳み数を削減できる。その分、1つの重ね合わせユニットにおける正極本体の対面位置ずれ量を小さくできる。
つづら折り状に複数重ね合わせた正極本体と負極本体からなる重ね合わせユニットを複数積層する電気化学セルとすることで、重ね合わせユニット単位で生じる位置ずれ量を少なくしておくことで積層構造全体の位置ずれ量を抑制できる。
[電池]
図1に示すように、本実施形態の電池1は、平面視円形をなしている。図2を併せて参照し、電池1は、第1の重ね合わせユニット2Aと第2の重ね合わせユニット2Bからなる積層体2と、積層体2に含浸される不図示の電解質溶液と、積層体2を収容する外装体10と、を備えている。
図3(A)に示すように、第1の重ね合わせユニット2Aは、つづら折り形状に折り畳まれた負極電極3と、負極電極3と互い違いに積層するように負極電極3と交差する方向につづら折り形状に折り畳まれた正極構造体4を備えている。正極構造体4のみの構成について図4に概要を示す。
また、第2の重ね合わせユニット2Bも、図5(A)に示すようにつづら折り形状に折り畳まれた負極電極3と、負極電極3と互い違いに積層するように負極電極3と交差する方向につづら折り形状に折り畳まれた正極構造体4を備えている。そして、第1の重ね合わせユニット2Aと第2の重ね合わせユニット2Bが積み重ねられ、並列接続されて図2に示す積層体2が構成されている。
負極電極3は、帯状をなしている。負極電極3は、後述する正極電極5と同様、複数の電極接続部3aと、複数の張出し部(負極本体)3bと、を備えている。
図4に示すように、正極構造体4は、正極電極5と、正極電極5を覆うセパレータ6と、を備えている。正極構造体4は、正極電極5とセパレータ6とを一体化したものである。正極構造体4の外形は、負極電極3の外形と実質的に同じ大きさである。
正極電極5は、帯状をなしている。具体的に、正極電極5は、複数の電極接続部5aと、複数の正極本体5bを備えている。以下、正極電極5の長手方向と直交する方向を「正極電極5の幅方向」という。電極接続部5aは、正極電極5の幅方向内側に窪んでいる。
図6に示すように正極電極5を展開した状態において、正極本体5bは、正極電極5の長手方向で電極接続部5aと隣り合う位置に配置されている。正極本体5bは、正極電極5の幅方向で電極接続部5aよりも外側に円弧状に張り出している。この実施形態で正極本体5bは、円板状をなし、電極接続部5aを介し6個直線状に接続されている。
図4または図6に示すように、セパレータ6は、展開状態で帯状をなしている。セパレータ6は、上述した正極電極5と同様、複数の電極接続部6aと、6つの張出し部6bを備えている。セパレータ6における電極接続部6a及び張出し部6bの外形は、負極電極3における電極接続部3a及び負極本体3bと実質的に同じ大きさである。
本実施形態の重ね合わせユニット2Aは、図6に示す構成のセパレータ6を備えた正極構造体4と、セパレータ6の平面視外形と相似外形の負極電極3をそれぞれ交互に重なるようにつづら折りして積層することで構成されている。重ね合わせユニット2Aを図3(B)に示すように積層方向に沿って平面視した場合、セパレータ6の張出し部6bの円形状の外周輪郭の内側に正極本体5bの円形状の外周輪郭が配置されている。
このため、図では略しているが、重ね合わせユニット2Aと重ね合わせユニット2Bにおいて、つづら折りして重ね合わせた層ごとに厳密には正極本体5bに位置ずれを生じている。
このように重ね合わせユニット2A、2Bにおいて位置ずれを小さくできるのは、重ね合わせユニット2A、2Bの正極本体積層数が6つ程度であるためである。この理由については後に詳述する。
図1及び図2を併せて参照し、外装体10は、正極缶体11と、負極缶体12と、正極缶体11と負極缶体12との間を電気的に絶縁するガスケット13を備えている。
正極缶体11及び負極缶体12は、偏平型の有底円筒状をなしている。正極缶体11の内径は、負極缶体12の外径よりも若干大きい。負極缶体12の筒状部が正極缶体11に挿入された状態で、積層体2は、負極缶体12の底面と正極缶体11の底面との間に挟まれている。
本実施形態の構造にあっては、一例として、重ね合わせユニット2Aが6つの正極本体5bと6つの負極本体3bの重ね合わせ構造となるので、セパレータ6を除くと正極本体と負極本体のみで合計12層構造とされている。重ね合わせユニット2Bにおいても同様の積層構造である。
なお、本実施形態の電池1では、積層体2において重ね合わせユニット2A、2Bを並列接続しているので、重ね合わせユニットが1つの電池に対比し、容量を2倍にできる効果がある。
また、第1実施形態の構造においては、積層体2を2つの重ね合わせユニットに分割したが、分化数も任意で良い。例えば、3つまた4つ、あるいはそれ以上の数の重ね合わせユニットから積層体2を構成しても良い。
例えば、重ね合わせユニット2Aから引き出した正極電極端子31と重ね合わせユニット2Bから引き出した正極電極端子31を重ね合わせた上で、重ね合わせユニット2Aから引き出した正極電極端子31を延長して延長部31aを形成し、この延長部31aを積層体2の底面側に配置することができる。
また、重ね合わせユニット2Aから引き出した負極電極端子21と重ね合わせユニット2Bから引き出した負極電極端子21を重ね合わせた上で、重ね合わせユニット2Bから引き出した負極電極端子21を延長して延長部21aを形成し、この延長部31aを積層体2の上面側に配置することができる。
また、図11に示すように重ね合わせユニット2A、2Bから引き出した正極電極端子31と負極電極端子21の一方を短くして重ね合わせ部分を少なくしておくならば、積層体2の側面側外方に対する端子部分の張り出し量を少なくすることができる。
また、正極電極端子31と負極電極端子21の一方を短くすることにより、両方を長くした構造に比べ、端子2枚分の厚さを減らすことができる効果がある。このため、電池の構造を薄型化できる効果を有するか、厚さが同じ電池とするならば、電極の量を増やすことができる効果がある。
これらの構造を採用することにより、積層数に応じて積層体の厚さが増加しても、常に同じ位置に正極本体5bを配置することが可能となる。このため、大量生産時などにおいて大量の電池1を製造する場合であっても、電極接続部3a、5aの長さの管理が可能である場合は、上述の構造を採用しても良い。
ラミネートフィルムからなるラミネートパックである場合、正極缶体11および負極缶体12とガスケット13からなる缶体構造よりも封止性に優れているので、電池としての長期信頼性に優れる特徴を有する。
次に、上述した電池1の製造方法の一例について説明する。
図12に示すように、電池1の製造方法は、正極電極5を所定形状に加工する電極加工工程S1と、正極電極5をセパレータ6で覆う電極被覆工程S2と、被覆した正極電極5を別途所定形状に加工した負極電極3と組み合わせる電極組み合わせ工程S3と、正極構造体4と負極電極3とをセパレータ6を介した状態に交互に重ねてつづら折り形状に折り畳むつづら折り工程S4を含む。
そして、正極集電体30の両面に正極用スラリーを塗布する。その後、正極用スラリーを乾燥させる。これにより、正極集電体30の両面に正極活物質層32を形成して正極用シートを得る。そして、正極用シートをスリッター等で上述した帯状に切り出して正極電極5を得る(電極加工工程S1、S11)。
なお、電極加工工程S1では(すなわち、電極被覆工程S2、S12の前)、正極電極5の外形を、負極電極3の外形よりも小さくする。
重ね合わせユニット2Aは、例えば、図9(A)に示す重ね合わせからのつづら折り構造を採用し、重ね合わせユニット2Bは、例えば、図9(B)に示す重ね合わせからのつづら折り構造を採用する。
図9(A)、(B)において、正極構造体4の折り曲げ部を符号T1〜T5(鎖線)、負極電極3の折り曲げ部を符号U1〜U5(鎖線)で示す。
この状態から、正極構造体4の正極本体(すなわち、セパレータ6の張出し部6b)と負極電極3の負極本体3bとが順次交互に重なるようにつづら折りして重ね合わせユニット2Aを形成する。
この状態から、負極本体3bと正極本体(すなわち、セパレータ6の張出し部6b)とが順次交互に重なるようにつづら折りして重ね合わせユニット2Bを形成する。
重ね合わせユニット2A、2Bを積層する場合、重ね合わせユニット2Aの底部側に正極構造体4の正極電極端子31を配置し、重ね合わせユニット2Bの上部側に負極電極3の負極電極端子21を配置する。
重ね合わせユニット2Aは最上面に負極電極3の負極本体3bが配置されているので、負極缶体12側に配置され、重ね合わせユニット2Bは最下面に正極構造体4のセパレータ6の張出し部6bが配置されているので、正極缶体11側に配置される。
以上説明の如く構成された電池1においては、上下に対向配置された重ね合わせユニット2Aと重ね合わせユニット2Bの近接した位置から導出させた正極電極端子31どうしを接続して正極缶体11に接続できる。
これらの接続構造において、重ね合わせユニット2A、2Bの重ね合わせ部分に近い位置から導出させた正極電極端子31、31と負極電極端子21、21であるならば、正極缶体11に正極電極端子31を接続するにしても、負極缶体12に負極電極端子21を接続するにしても同等距離で接続ができる。例えば、図11の接続構造であれば、正極側と負極側において同等距離で端子接続ができる。
Claims (11)
- 並んで配置された複数の正極本体と、隣り合う2つの前記正極本体を接続する電極接続部を有する帯状の正極電極と、
並んで配置された複数の負極本体と、隣り合う2つの前記負極本体を接続する電極接続部を有する帯状の負極電極と、
前記正極電極と前記負極電極との間に配置されるセパレータを備え、
前記正極本体と前記負極本体を前記セパレータを介し、互い違いにつづら折り状に重ね合わせた重ね合わせユニットが構成され、この重ね合わせユニットが複数積層され、相互に並列接続されたことを特徴とする電気化学セル。 - 前記1つの重ね合わせユニットにおいて重ね合わせ方向に沿って見た前記負極本体の外周輪郭の内側に前記正極本体の外周輪郭が配置されたことを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記正極電極における前記複数の電極接続部の長さが同一とされ、前記負極電極における前記複数の電極接続部の長さが同一とされるとともに、
前記1つの重ね合わせユニットにおいて重ね合わせ方向に沿って見た前記正極本体の外周輪郭が重ね合わせ層ごとに位置ずれされ、該位置ずれ量が最大の層において前記正極本体の外周輪郭が前記負極本体の外周輪郭の内側に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。 - 前記帯状の正極電極と前記帯状の負極電極において重ね合わせの始端側より終端側において、前記正極本体と前記負極本体の重ね合わせ方向に沿って見た個々の外周輪郭の位置ずれ量が大きくされたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の電気化学セル。
- 前記積層された隣接する重ね合わせユニットにおいて、一方の重ね合わせユニットと他方の重ね合わせユニットの最近接正極電極どうしから正極側接続電極端子が導出され、これらの正極側接続電極端子どうしが接続され、一方の重ね合わせユニットと他方の重ね合わせユニットの最近接負極電極どうしから負極側接続電極端子が導出され、これらの負極側接続電極端子どうしが接続されたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の電気化学セル。
- 前記正極電極と負極電極の少なくとも一方において、重ね合わせの始端側の接続部の長さより重ね合わせの終端側の接続部の長さが長くされたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の電気化学セル。
- 並んで配置された複数の正極本体および隣り合う2つの前記正極本体を接続する電極接続部を有する帯状の正極電極と、
並んで配置された複数の負極本体および隣り合う2つの前記負極本体を接続する電極接続部を有する帯状の負極電極とを、
前記正極本体と前記負極本体の間にセパレータを介し、互い違いにつづら折り状に重ね合わせて重ね合わせユニットを構成し、この重ね合わせユニットを複数積層し、相互に並列接続することを特徴とする電気化学セルの製造方法。 - 前記1つの重ね合わせユニットにおいて重ね合わせ方向に沿って見た前記負極本体の外周輪郭の内側に前記正極本体の外周輪郭が入るように重ね合わせることを特徴とする請求項7に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記複数の電極接続部の長さが同一の正極電極と、前記複数の電極接続部の長さが同一の負極電極を用い、
前記1つの重ね合わせユニットにおいて重ね合わせ方向に沿って見た前記正極本体の外周輪郭が重ね合わせ層ごとに位置ずれするように、該位置ずれ量が最大の層において前記正極本体の外周輪郭が前記負極本体の外周輪郭の内側に入るように重ね合わせることを特徴とする請求項7に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記帯状の正極電極と前記帯状の負極電極において重ね合わせの始端側より終端側において、前記正極本体と前記負極本体の重ね合わせ方向に沿って見た個々の外周輪郭の位置ずれ量が大きくなるように重ね合わせることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか一項に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記重ね合わせユニットを積層する際、一方の重ね合わせユニットと他方の重ね合わせユニットの最近接正極電極どうしから正極側接続電極端子を導出し、これらの正極側接続電極端子どうしを接続するとともに、一方の重ね合わせユニットと他方の重ね合わせユニットの最近接負極電極どうしから負極側接続電極端子を導出し、これらの負極側接続電極端子どうしを接続することを特徴とする請求項7〜請求項10のいずれか一項に記載の電気化学セルの製造方法。
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