JP2020095911A

JP2020095911A - 電気化学デバイス

Info

Publication number: JP2020095911A
Application number: JP2018234545A
Authority: JP
Inventors: 東吾遠藤; Togo Endo
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: JP7262041B2

Abstract

【課題】電気化学デバイスにおいて、第１芯材露出部と第１集電部材および／または第２芯材露出部と第２集電部材とを溶接する工程に起因する不具合を低減する。【解決手段】第１電極、第２電極およびセパレータは巻回体を構成しており、第１電極はその長手方向に沿う端部に第１芯材露出部を有し、第１芯材露出部は、巻回体の一方の端面から突出するとともに第１集電部材と溶接され、第１集電部材は、第１内周側面と第１外周側面とを有し、第１芯材露出部は、第１集電部材の第１内周側面と溶接される第１内周溶接部および第１外周側面と溶接される第１外周溶接部の少なくとも一方を有する電気化学デバイス。【選択図】図１６

Description

本発明は、巻回体を具備する電気化学デバイスに関する。

電気化学デバイスの高出力化を達成するには、電気化学デバイスの内部抵抗を低減することが望まれる。例えば、リチウムイオンキャパシタにおいて、円盤形状を有する正極集電部材と負極集電部材を有する巻回体ユニットを用いることが提案されている。各集電部材は、正極集電体および負極集電体の露出部にレーザ溶接されている（特許文献１）。このような構造は、集電抵抗が低く、電気化学デバイスの高出力化に有利である。

国際公開第２０１２／０３６２４９号パンフレット

特許文献１が提案するような円盤形状の集電部材は、集電体の露出部とレーザ溶接する際、巻回体の軸方向からレーザを照射する必要がある。そのため、巻回体に向かって集電部材もしくは集電体の露出部に由来するスパッタが飛散することがある。スパッタがセパレータに付着すると、セパレータが損傷を受け得る。また、スパッタが電極に付着すると、スパッタがデンドライト析出の起点となり得る。

以上に鑑み、本発明の一側面は、第１芯材および前記第１芯材に担持された第１材料層を具備する第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在するセパレータと、電解質と、前記第１芯材と電気的に接続された第１集電部材と、を具備し、前記第１電極、前記第２電極および前記セパレータは、巻回体を構成しており、前記第１芯材の長手方向に沿う端部に第１芯材露出部を有し、前記第１芯材露出部は、前記巻回体の一方の端面から突出するとともに前記第１集電部材と溶接され、前記第１集電部材は、第１内周側面と第１外周側面とを有し、前記第１芯材露出部は、前記第１集電部材の前記第１内周側面と溶接される第１内周溶接部および前記第１外周側面と溶接される第１外周溶接部の少なくとも一方を有する、電気化学デバイスに関する。

電気化学デバイスが具備する巻回体において、第１芯材露出部と第１集電部材とを溶接する工程に起因する不具合を低減できる。

本発明の第１実施形態に係る電気化学デバイスに含まれる巻回体の外観を示す斜視図である。第１実施形態に係る巻回体を構成する第１電極の一例の平面図である。第１実施形態に係る巻回体を構成する第２電極の一例の平面図である。第１実施形態に係る巻回体の第１芯材露出部と第１集電部材とを概念的に示す断面図である。本発明の第２実施形態に係る電気化学デバイスに含まれる巻回体の外観を示す斜視図である。第２実施形態に係る巻回体を構成する第１電極の一例の平面図である。第２実施形態に係る巻回体を構成する第２電極の一例の平面図である。第２実施形態に係る巻回体の第１芯材露出部と第１集電部材とを概念的に示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る電気化学デバイスに含まれる巻回体の外観を示す斜視図である。第３実施形態に係る巻回体を構成する第１電極の一例の平面図である。第３実施形態に係る巻回体を構成する第２電極の一例の平面図である。第３実施形態に係る巻回体の第１芯材露出部と第１集電部材とを概念的に示す断面図である。第１電極の変形例を示す平面図である。第１集電部材の変形例を示す平面図である。第２実施形態に係る電気化学デバイスの構成の一例を示す縦断面図である。第１集電部材に第１集電タブを接続した状態の一例を示す平面図である。

本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスは、第１芯材および第１芯材に担持された第１材料層を具備する第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に介在するセパレータと、電解質と、第１芯材と電気的に接続された第１集電部材とを具備する。第２電極は、第２芯材および第２芯材に担持された第２材料層を具備してもよい。この場合、電気化学デバイスは、更に、第２芯材と電気的に接続された第２集電部材を具備してもよい。第１芯材および第２芯材は、それぞれ電極芯材であり、一方が正極芯材であり、他方が負極芯材である。芯材は、集電体とも称される。第１材料層および第２材料層は、それぞれ電極材料層であり、一方が正極材料層であり、他方が負極材料層である。電極材料層は、活物質層もしくは合材層とも称される。

第１電極および第２電極は、セパレータを介して巻回されて、例えば柱状の巻回体を構成している。第１電極は、第１芯材の長手方向に沿う端部に第１芯材露出部を有する。また、第２電極も第２芯材の長手方向に沿う端部に第２芯材露出部を有してもよい。芯材露出部とは、電極芯材のうち電極材料層を具備しない領域である。

第１芯材露出部は、巻回体の一方の端面から突出するとともに第１集電部材と溶接されている。このとき、第２芯材露出部は、巻回体の他方の端面から突出して第２集電部材と溶接されていてもよい。第１集電部材および第２集電部材の一方は正極集電部材であり、他方は負極集電部材である。

ここで、第１集電部材は、第１内周側面と第１外周側面とを有し、第１芯材露出部は、第１内周側面と溶接される第１内周溶接部および第１外周側面と溶接される第１外周溶接部の少なくとも一方を有する。また、第２集電部材が、第２内周側面と第２外周側面とを有してもよい。このとき、第２芯材露出部は、第２集電部材の第２内周側面と溶接される第２内周溶接部および第２外周側面と溶接される第２外周溶接部の少なくとも一方を有してもよい。

以下、第１集電部材と第２集電部材とを特に区別する必要がない場合には、単に集電部材と称し、それらの第１または第２内周側面および第１または第２外周側面も単に内周側面および外周側面と称することがある。また、第１芯材露出部と第２芯材露出部とを特に区別する必要がない場合には、単に芯材露出部と称し、第１または第２内周溶接部および第１または第２外周溶接部も単に内周溶接部および外周溶接部と称することがある。

例えば、一実施形態においては、第１集電部材が、第１内周側面と第１外周側面とを有し、第１芯材露出部は、第１内周側面と溶接される第１内周溶接部および第１外周側面と溶接される第１外周溶接部の少なくとも一方を有する。

別の実施形態では、第１集電部材が、第１内周側面と第１外周側面とを有し、第１芯材露出部は、第１内周側面と溶接される第１内周溶接部および第１外周側面と溶接される第１外周溶接部の少なくとも一方を有し、かつ第２集電部材も、第２内周側面と第２外周側面とを有し、第２芯材露出部は、第２内周側面と溶接される第２内周溶接部および第２外周側面と溶接される第２外周溶接部の少なくとも一方を有する。

正極芯材は、例えば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金により形成され、負極芯材は、例えば、銅もしくは銅合金により形成されている。

第１集電部材および第２集電部材は、正極芯材と溶接される場合は、例えば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金により形成され、負極芯材と溶接される場合は、例えば、銅もしくは銅合金により形成される。

巻回体の軸方向から集電部材にレーザを照射する場合、溶接スパッタが飛散して巻回体に侵入することがある。特に銅もしくは銅合金を溶接する際には、スパッタが飛散しやすい。一方、上記構成によれば、溶接にレーザを使用する必要がなく、抵抗溶接もしくはスポット溶接が可能であり、溶接スパッタが飛散する懸念がない。

集電部材の内周側面および外周側面の少なくとも一方は、連続的な曲面であってもよい。例えば、集電部材は、リング状であり得る。なお、集電部材は、概ね環状体を形成していればよく、一部が途切れた形状を有してもよい。例えばアルファベットのＣの文字に類似した形状でもよい。

集電部材の内周側面および外周側面の少なくとも一方が、複数の平坦面を有してもよい。例えば、内周側面および外周側面の少なくとも一方を巻回体の軸方向から見たときの形状は、多角形状であり得る。このような形状の場合も、集電部材は、概ね環状体を形成していればよく、一部が途切れた形状を有してもよい。

芯材露出部は、内周溶接部だけを有してもよい。この場合、内周溶接部の外側において、芯材露出部の露出幅は内周溶接部よりも小さくてもよい。

芯材露出部は、外周溶接部だけを有してもよい。この場合、外周溶接部の内側において、芯材露出部の露出幅は外周溶接部よりも小さくてもよい。

芯材露出部は、内周溶接部と外周溶接部とを有してもよい。この場合、内周溶接部より外側かつ外周溶接部より内側において、芯材露出部の露出幅は、内周溶接部および外周溶接部よりも小さくてもよい。

内周溶接部の少なくとも一部および／または外周溶接部の少なくとも一部において、芯材露出部が、巻回体の軸方向に沿う切れ目を少なくとも１つ有してもよい。

芯材露出部は、体積効率と芯材露出部の強度とのバランスを考慮して、できるだけ小さく設定される。芯材露出部の露出幅は、電気化学デバイスの容量、種類等によって相違するが、例えば３〜１０ｍｍの範囲内に設定される。

集電部材の径方向における厚みは、電気化学デバイスの容量、種類等によって相違するが、例えば２〜５ｍｍの範囲内に設定される。集電部材の巻回体の軸方向における厚みは、電気化学デバイスの容量、種類等によって相違するが、例えば２〜５ｍｍの範囲内に設定される。集電部材の中空部は、電解質の通路を確保するのに役立つ。

本発明に係る電気化学デバイスは、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層コンデンサなどの電気化学デバイスを包含するが、特にリチウムイオン二次電池とリチウムイオンキャパシタとの中間的な性質を有する正極材料に導電性高分子を用いた電気化学デバイスとして構成するのに適している。すなわち、正極材料層は、アニオンの可逆的な吸着と脱離により電気化学的な容量を発現する導電性高分子を含んでもよい。アニオンの吸着（ドープ）と脱離（脱ドープ）により充放電を行う正極材料は、反応抵抗が小さく、高出力を達成しやすい。

以下、図面を参照しながら、電気化学デバイスの更に具体的な実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る電気化学デバイスに含まれる巻回体の外観を示す斜視図である。図２、３は、それぞれ本実施形態に係る巻回体を構成する第１電極および第２電極の一例の平面図である。図４は、本実施形態に係る巻回体の第１芯材露出部と第１集電部材とを概念的に示す断面図である。

図１は、第１芯材露出部１１Ａｘおよび第２芯材露出部２１Ａｘに第１集電部材および第２集電部材を接続する前の巻回体１００Ａを示している。巻回体１００Ａは、図２に示すような第１電極１０Ａと、図３に示すような第２電極２０Ａとを、セパレータ３０Ａを介して巻回して柱状に構成されている。巻回の際、第１芯材露出部１１Ａｘが巻回体１００Ａの一方の端面から突出し、第２芯材露出部２１Ａｘが巻回体１００Ａの他方の端面から突出するように位置合わせが成される。巻回体１００Ａの最外周には、セパレータ３０Ａが巻き付けられている。

第１電極１０Ａは、長尺シート状であり、図２に示すように、第１芯材１１Ａおよびこれに担持された第１材料層１２Ａを具備する。第１材料層１２Ａは、第１芯材１１Ａの両面に形成されている。ただし、第１芯材１１Ａの長手方向に沿う一方の端部には、第１材料層１２Ａを有さない第１芯材露出部１１Ａｘが形成されている。第１芯材露出部１１Ａｘの露出幅Ｗｐは、巻回体１００Ａの内周側（すなわち巻回軸側）において大きく、外周側において小さく形成されている。

第２電極２０Ａも長尺シート状であり、図３に示すように、第２芯材２１Ａおよびこれに担持された第２材料層２２Ａを具備する。第２材料層２２Ａは、第２芯材２１Ａの両面に形成されている。ただし、第２芯材２１Ａの長手方向に沿う一方の端部には、第２材料層２２Ａを有さない第２芯材露出部２１Ａｘが形成されている。第２芯材露出部２１Ａｘの露出幅Ｗｎは、巻回体１００Ａの内周側において大きく、外周側において小さく形成されている。

第１芯材露出部１１Ａｘには、図４に示すように、第１集電部材１３Ａが装着される。第１集電部材１３Ａは、第１内周側面１３１Ａおよび第１外周側面１３２Ａを有するリング状であり、第１内周側面１３１Ａおよび第１外周側面１３２Ａはいずれも連続的な曲面からなる円形である。第１内周側面１３１Ａと第１外周側面１３２Ａとを繋ぐ両端面は平坦であり、第１集電部材１３Ａの巻回体１００Ａの軸方向における厚みは一定である。

第１電極１０Ａの形状に対応して、第１芯材露出部１１Ａｘは、第１内周側面１３１Ａと溶接される第１内周溶接部１１１Ａｘだけを有する。第１芯材露出部１１Ａｘの露出幅Ｗｐに応じて、第１内周溶接部１１１Ａｘの外側における第１芯材露出部１１Ａｘの露出幅（すなわち突出幅）は第１内周溶接部１１１Ａｘよりも小さくなっている。そのため、第１内周溶接部１１１Ａｘの外側にはリング状の凹み部があり、凹み部に嵌め込まれるように第１集電部材１３Ａが配置される。第１内周溶接部１１１Ａｘは、第１集電部材１３Ａの中空部に挿入される。

凹み部に第１集電部材１３Ａが配置された後、巻回体１００Ａの中心部に形成されている中空孔１０１Ａから第１内周溶接部１１１Ａｘに一方の溶接用電極が押し当てられ、第１集電部材１３Ａの第１外周側面１３２Ａに他方の溶接用電極が押し当てられ、図４中の矢印が示す方向に圧力を印加しながら、例えば抵抗溶接が行われる。

図示しないが、第２芯材露出部２１Ａｘにも、同様に、第２集電部材が装着され、同様に抵抗溶接等が行われる。本実施形態では、後述の実施形態に比べて集電部材のサイズを大きくでき、集電部材と芯材露出部との接合面積を大きくできるため、集電抵抗の低減に有効である。また、集電部材のサイズに応じて集電構造が頑丈に形成され得る。

［第２実施形態］
図５は、本実施形態に係る電気化学デバイスに含まれる巻回体の外観を示す斜視図である。図６、７は、それぞれ本実施形態に係る巻回体を構成する第１電極および第２電極の一例の平面図である。図８は、本実施形態に係る巻回体の第１芯材露出部と第１集電部材とを概念的に示す断面図である。

図５は、第１芯材露出部１１Ｂｘおよび第２芯材露出部２１Ｂｘに第１集電部材および第２集電部材を接続する前の巻回体１００Ｂを示している。巻回体１００Ｂは、図６に示すような第１電極１０Ｂと、図７に示すような第２電極２０Ｂとを、セパレータ３０Ｂを介して巻回して柱状に構成されている。巻回の際、第１芯材露出部１１Ｂｘが巻回体１００Ｂの一方の端面から突出し、第２芯材露出部２１Ｂｘが巻回体１００Ｂの他方の端面から突出するように位置合わせが成される。巻回体１００Ｂの最外周には、セパレータ３０Ｂが巻き付けられている。

第１電極１０Ｂは、長尺シート状であり、図６に示すように、第１芯材１１Ｂおよびこれに担持された第１材料層１２Ｂを具備する。第１材料層１２Ｂは、第１芯材１１Ｂの両面に形成されている。第１芯材１１Ｂの長手方向に沿う一方の端部には、第１材料層１２Ｂを有さない第１芯材露出部１１Ｂｘが形成されている。第１芯材露出部１１Ｂｘの露出幅Ｗｐは、巻回体１００Ｂの内周側（すなわち巻回軸側）および外周側において大きく、中央領域において小さく形成されている。

第２電極２０Ｂも長尺シート状であり、図７に示すように、第２芯材２１Ｂおよびこれに担持された第２材料層２２Ｂを具備する。第２材料層２２Ｂは、第２芯材２１Ｂの両面に形成されている。ただし、第２芯材２１Ｂの長手方向に沿う一方の端部には、第２材料層２２Ｂを有さない第２芯材露出部２１Ｂｘが形成されている。第２芯材露出部２１Ｂｘの露出幅Ｗｎは、巻回体１００Ｂの内周側（すなわち巻回軸側）および外周側において大きく、中央領域において小さく形成されている。

第１芯材露出部１１Ｂｘには、図８に示すように、第１集電部材１３Ｂが装着される。第１集電部材１３Ｂは、第１内周側面１３１Ｂおよび第１外周側面１３２Ｂを有するリング状であり、第１内周側面１３１Ｂおよび第１外周側面１３２Ｂはいずれも連続的な曲面からなる円形である。第１内周側面１３１Ｂと第１外周側面１３２Ｂとを繋ぐ両端面は平坦であり、第１集電部材１３Ｂの巻回体１００Ｂの軸方向における厚みは一定である。

第１電極１０Ｂの形状に対応して、第１芯材露出部１１Ｂｘは、第１内周側面１３１Ｂと溶接される第１内周溶接部１１１Ｂｘと、第１外周側面１３２Ｂと溶接される第１外周溶接部１１２Ｂｘとを有する。第１芯材露出部１１Ｂｘの露出幅Ｗｐに応じて、第１内周溶接部１１１Ｂｘより外側かつ第１外周溶接部１１２Ｂｘより内側において、第１芯材露出部１１Ｂｘの露出幅（すなわち突出幅）は第１内周溶接部１１１Ｂｘおよび第１外周溶接部１１２Ｂｘよりも小さくなっている。そのため、第１内周溶接部１１１Ｂｘと第１外周溶接部１１２Ｂｘとの間にリング状の凹み部があり、凹み部に嵌め込まれるように第１集電部材１３Ｂが配置される。第１内周溶接部１１１Ｂｘは、第１集電部材１３Ｂの中空部に挿入される。

凹み部に第１集電部材１３Ｂが配置された後、巻回体１００Ｂの中心部に形成されている中空孔１０１Ｂから第１内周溶接部１１１Ｂｘに一方の溶接用電極が押し当てられ、第１外周溶接部１１２Ｂｘに外側から他方の溶接用電極が押し当てられ、図８中の矢印が示す方向に圧力を印加しながら、例えば抵抗溶接が行われる。

図示しないが、第２芯材露出部２１Ｂｘにも、同様に、第２集電部材が装着され、同様に抵抗溶接等が行われる。本実施形態に係る構造は、集電部材と芯材露出部との接合面積をより大きくできるため、集電抵抗の低減に有効である。また、得られる集電構造は、非常に強固であり、耐振動性に優れている。

［第３実施形態］
図９は、本実施形態に係る電気化学デバイスに含まれる巻回体の外観を示す斜視図である。図１０、１１は、それぞれ本実施形態に係る巻回体を構成する第１電極および第２電極の一例の平面図である。図１２は、本実施形態に係る巻回体の第１芯材露出部と第１集電部材とを概念的に示す断面図である。

図９は、第１芯材露出部１１Ｃｘおよび第２芯材露出部２１Ｃｘに第１集電部材および第２集電部材を接続する前の巻回体１００Ｃを示している。巻回体１００Ｃは、図１０に示すような第１電極１０Ｃと、図１１に示すような第２電極２０Ｃとを、セパレータ３０Ｃを介して巻回して柱状に構成されている。巻回の際、第１芯材露出部１１Ｃｘが巻回体１００Ｃの一方の端面から突出し、第２芯材露出部２１Ｃｘが巻回体１００Ｃの他方の端面から突出するように位置合わせが成される。巻回体１００Ｃの最外周には、セパレータ３０Ｃが巻き付けられている。

第１電極１０Ｃは、長尺シート状であり、図１０に示すように、第１芯材１１Ｃおよびこれに担持された第１材料層１２Ｃを具備する。第１材料層１２Ｃは、第１芯材１１Ｃの両面に形成されている。第１芯材１１Ｃの長手方向に沿う一方の端部には、第１材料層１２Ｃを有さない第１芯材露出部１１Ｃｘが形成されている。第１芯材露出部１１Ｃｘの露出幅Ｗｐは、巻回体１００Ｃの外周側において大きく、内周側（すなわち巻回軸側）において小さく形成されている。

第２電極２０Ｃも長尺シート状であり、図１１に示すように、第２芯材２１Ｃおよびこれに担持された第２材料層２２Ｃを具備する。第２材料層２２Ｃは、第２芯材２１Ｃの両面に形成されている。ただし、第２芯材２１Ｃの長手方向に沿う一方の端部には、第２材料層２２Ｃを有さない第２芯材露出部２１Ｃｘが形成されている。第２芯材露出部２１Ｃｘの露出幅Ｗｎは、巻回体１００Ｃの外周側において大きく、内周側において小さく形成されている。

第１芯材露出部１１Ｃｘには、図１２に示すように、第１集電部材１３Ｃが装着される。第１集電部材１３Ｃは、第１内周側面１３１Ｃおよび第１外周側面１３２Ｃを有するリング状であり、第１内周側面１３１Ｃおよび第１外周側面１３２Ｃはいずれも連続的な曲面からなる円形である。第１内周側面１３１Ｃと第１外周側面１３２Ｃとを繋ぐ両端面は平坦であり、第１集電部材１３Ｃの巻回体１００Ｃの軸方向における厚みは一定である。

第１電極１０Ｃの形状に対応して、第１芯材露出部１１Ｃｘは、第１外周側面１３２Ｃと溶接される第１外周溶接部１１２Ｃｘだけを有する。第１芯材露出部１１Ｃｘの露出幅Ｗｐに応じて、第１外周溶接部１１２Ｃｘの内側における第１芯材露出部１１Ｃｘの露出幅（すなわち突出幅）は第１外周溶接部１１２Ｃｘよりも小さくなっている。そのため、第１外周溶接部１１２Ｃｘの内側には円形の凹み部があり、凹み部に嵌め込まれるように第１集電部材１３Ｃが配置される。

凹み部に第１集電部材１３Ｃが配置された後、巻回体１００Ｃの中心部に形成されている中空孔１０１Ｃから第１内周側面１３１Ｃに一方の溶接用電極が押し当てられ、第１外周溶接部１１２Ｃｘに外側から他方の溶接用電極が押し当てられ、図１２中の矢印が示す方向に圧力を印加しながら、例えば抵抗溶接が行われる。

図示しないが、第２芯材露出部２１Ｃｘにも、同様に、第２集電部材が装着され、同様に抵抗溶接等が行われる。本実施形態に係る構造は、芯材露出部の外周溶接部を内側に変形させ、集電部材に押し付けて溶接することで達成されるため、芯材露出部が拡張される箇所がなく、過剰な張力が印加されにくい。よって、芯材露出部の強度維持に有利である。

図１３は、第１電極の変形例を示す平面図である。
第１電極１０Ｄの第１芯材露出部１１Ｄｘは第１内周溶接部１１１Ｄｘおよび第１外周溶接部１１２Ｄｘを有し、第１内周溶接部１１１Ｄｘおよび第１外周溶接部１１２Ｄｘに、それぞれ巻回体の軸方向に沿う複数の切れ目１１３を有する。切れ目は、一定幅を有する切り抜き（すなわちスリット）でもよい。切れ目１１３を有することで、第１集電部材と第１芯材露出部１１Ｄｘの第１内周溶接部１１１Ｄｘおよび第１外周溶接部１１２Ｄｘとを溶接する際に、第１内周溶接部１１１Ｄｘおよび第１外周溶接部１１２Ｄｘを第１集電部材に向けて引き寄せやすくなり、溶接の作業が容易になる。切れ目１１３は第１芯材露出部の各溶接部の少なくとも一部に設ければよい。

切れ目１１３は、第１内周溶接部１１１Ｄｘおよび第１外周溶接部１１２Ｄｘのいずれか一方だけに設けてもよい。第１内周溶接部１１１Ｄｘは、溶接の際に引っ張り応力を受けるため、応力を緩和する観点から、少なくとも第１内周溶接部１１１Ｄｘに切れ目１１３を設けることが望ましい。切れ目１１３は、各溶接部に少なくとも１つ設ければ応力を緩和する相応の効果が得られる。

なお、図１３は、第２実施形態に係る第１電極の変形例であるが、第１実施形態もしくは第３実施形態に係る第１電極にも同様の切れ目を設けてもよい。すなわち、第１電極の第１芯材露出部が第１内周溶接部のみ、もしくは第１外周溶接部のみを有する場合にも、各溶接部の少なくとも一部に切れ目１１３を設けてもよい。また、第１電極だけでなく、各実施形態に係る第２電極にも、同様の切れ目を設けてもよい。

図１４は、集電部材（すなわち中空部材）の変形例を示す平面図である。
図示例の場合、集電部材１３（２３）を巻回体の軸方向から見たときの形状は六角形である。このような多角形の集電部材１３（２３）は、内周側面１３１（２３１）および外周側面１３２（２３２）にそれぞれ複数の平坦面を有する。よって、平坦面を利用して芯材露出部の内側溶接部もしくは外側溶接部と集電部材１３（２３）とを溶接することができるため、溶接の作業が容易になる。

なお、内周側面および外周側面の一方の巻回体の軸方向から見たときの形状だけを多角形状としてもよい。多角形の頂点の数は特に限定されないが、例えば５〜８個の頂点を有する多角形であればよい。

図１５は、第２実施形態に係る電気化学デバイス２００の構成を概略的に示している。電気化学デバイス２００は、巻回体１００Ｂと、電解質（図示せず）と、巻回体１００Ｂおよび電解質を収容する金属製の有底の電池ケース２１０と、電池ケース２１０の開口を封口する封口板２２０とを具備する。封口板２２０の周縁部にはガスケット２２１が配されており、電池ケース２１０の開口端部をガスケット２２１にかしめることで電池ケース２１０の内部が密閉されている。

第１集電部材１３Ｂは、第１内周溶接部１１１Ｂｘと第１外周溶接部１１２Ｂｘとで挟持された状態で第１芯材露出部１１ｘに溶接されている。第１集電部材１３Ｂに一端側が接続された第１タブリード１５の他端側は、封口板２２０の内面に接続されている。よって、封口板２２０は、第１電極１０Ｂの外部端子として機能する。

図１６は、第１集電部材１３Ｂに第１タブリード１５を接続した状態の一例を示す平面図である。図示例では、リング状の第１集電部材１３Ｂの中心を通るように径方向に沿って第１タブリード１５が配置されており、第１集電部材１３Ｂの一方の端面の２箇所で第１タブリード１５が第１集電部材１３Ｂに溶接されている。このように第１タブリード１５と第１集電部材１３Ｂとを接続することで集電効率が高められる。

一方、第２集電部材１４Ｂは、第２内周溶接部２１１Ｂｘと第２外周溶接部２１２Ｂｘとで挟持された状態で第２芯材露出部２１ｘに溶接されている。第２集電部材１４Ｂに一端側が接続された第２タブリード２５の他端側は、電池ケース２１０の内底面に接続されている。よって、電池ケース２１０は、第２電極２０Ｂの外部端子として機能する。

以下、正極材料に導電性高分子を用い、負極材料に炭素材料を用いる電気化学デバイスを例にとって電気化学デバイスの各構成要素について更に詳細に説明する。

（正極芯材）
正極芯材には、シート状の金属材料が用いられる。シート状の金属材料は、金属箔、金属多孔体、エッチングメタルなどであればよい。金属材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、チタンなどを用い得る。正極芯材の引っ張り弾性率は、例えば４０〜６０ＭＰａ程度である。正極芯材の厚みは、例えば１０〜１００μｍである。正極芯材には、カーボン層を形成してもよい。カーボン層は、正極芯材と正極材料層との間に介在して、例えば、正極材料層から正極芯材への集電性を向上させる機能を有する。

（カーボン層）
カーボン層は、例えば、正極芯材の表面に導電性炭素材料を蒸着し、もしくは、導電性炭素材料を含むカーボンペーストの塗膜を形成し、塗膜を乾燥することで形成される。カーボンペーストは、例えば、導電性炭素材料と、高分子材料と、水または有機溶媒とを含む。カーボン層の厚みは、例えば１〜２０μｍであればよい。導電性炭素材料には、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンブラックなどを用い得る。中でも、カーボンブラックは、薄くて導電性に優れたカーボン層を形成し得る。高分子材料には、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）などを用い得る。

（正極材料層）
正極材料層は、導電性高分子を含む。正極材料層は、例えば、カーボン層を備える正極芯材を導電性高分子の原料モノマーを含む反応液に浸漬し、正極芯材の存在下で原料モノマーを電解重合することにより形成される。このとき、正極芯材をアノードとして電解重合を行うことにより、導電性高分子を含む正極材料層がカーボン層を覆うように形成される。正極材料層の厚みは、電解電流密度、重合時間等により制御し得る。正極材料層の厚みは、片面あたり、例えば１０〜３００μｍである。

導電性高分子としては、π共役系高分子が好ましい。π共役系高分子としては、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、ポリチオフェンビニレン、ポリピリジンまたはこれらの誘導体を用い得る。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせてもよい。導電性高分子の重量平均分子量は、例えば１０００〜１０００００である。なお、π共役系高分子の誘導体とは、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、ポリチオフェンビニレン、ポリピリジン等のπ共役系高分子を基本骨格とする高分子を意味する。例えば、ポリチオフェン誘導体には、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）などが含まれる。

正極材料層は、電解重合以外の方法で形成されてもよい。例えば、原料モノマーの化学重合により導電性高分子を含む正極材料層を形成してもよい。また、予め合成された導電性高分子もしくはその分散体（dispersion）を用いて正極材料層を形成してもよい。

電解重合または化学重合で用いられる原料モノマーは、重合により導電性高分子を生成し得る重合性化合物であればよい。原料モノマーは、オリゴマ―を含んでもよい。原料モノマーとしては、例えばアニリン、ピロール、チオフェン、フラン、チオフェンビニレン、ピリジンまたはこれらの誘導体が用いられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせてもよい。中でもアニリンは、電解重合によりカーボン層の表面に成長させやすい。

電解重合または化学重合は、アニオン（ドーパント）を含む反応液を用いて行い得る。π電子共役系高分子にドーパントをドープすることで優れた導電性を発現される。例えば化学重合では、ドーパントと酸化剤と原料モノマーとを含む反応液に正極芯材を浸漬し、その後、反応液から引き揚げて乾燥させればよい。電解重合では、ドーパントと原料モノマーとを含む反応液に正極芯材と対向電極とを浸漬し、正極芯材をアノードとして両者の間に電流を流せばよい。

ドーパントとしては、硫酸イオン、硝酸イオン、燐酸イオン、硼酸イオン、ベンゼンスルホン酸イオン、ナフタレンスルホン酸イオン、トルエンスルホン酸イオン、メタンスルホン酸イオン（ＣＦ₃ＳＯ₃ ⁻）、過塩素酸イオン（ＣｌＯ₄ ⁻）、テトラフルオロ硼酸イオン（ＢＦ₄ ⁻）、ヘキサフルオロ燐酸イオン（ＰＦ₆ ⁻）、フルオロ硫酸イオン（ＦＳＯ₃ ⁻）、ビス（フルオロスルホニル）イミドイオン（Ｎ（ＦＳＯ₂）₂ ⁻）、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドイオン（Ｎ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂ ⁻）などが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせてもよい。

ドーパントは、高分子イオンであってもよい。高分子イオンとしては、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリアクリルスルホン酸、ポリメタクリルスルホン酸、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸）、ポリイソプレンスルホン酸、ポリアクリル酸などのイオンが挙げられる。これらは単独重合体であってもよく、２種以上のモノマーの共重合体であってもよい。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせてもよい。

（正極集電板）
正極集電板は、概ね円盤状の金属板である。正極集電板の中央部には非水電解質の通路となる貫通孔を形成することが好ましい。正極集電板の材質は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、チタン、ステンレス鋼などである。正極集電板の材質は、正極芯材の材質と同じでもよい。

（負極芯材）
負極芯材にもシート状の金属材料が用いられる。シート状の金属材料は、金属箔、金属多孔体、エッチングメタルなどであればよい。金属材料としては、銅、銅合金、ニッケル、ステンレス鋼などを用い得る。負極芯材の引っ張り弾性率は、例えば１８０〜３５０ＭＰａである。負極芯材の厚みは、正極芯材の厚みよりも小さく、例えば１０〜１００μｍである。

負極材料層は、負極活物質として、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出する材料を備える。負極活物質としては、炭素材料、金属化合物、合金、セラミックス材料などが挙げられる。炭素材料としては、黒鉛、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）が好ましく、特に黒鉛やハードカーボンが好ましい。金属化合物としては、ケイ素酸化物、錫酸化物などが挙げられる。合金としては、ケイ素合金、錫合金などが挙げられる。セラミックス材料としては、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウムなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせてもよい。

負極材料層には、負極活物質の他に、導電剤、結着剤などを含ませ得る。導電剤としては、カーボンブラック、炭素繊維などが挙げられる。結着剤としては、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ゴム材料、セルロース誘導体などが挙げられる。

負極材料層は、例えば、負極活物質と、導電剤および結着剤などとを、分散媒とともに混合して負極合剤ペーストを調製し、負極合剤ペーストを負極集電体に塗布した後、乾燥することにより形成される。負極材料層の厚みは、片面あたり、例えば１０〜３００μｍである。

負極材料層には、予めリチウムイオンをプレドープすることが望ましい。これにより、負極の電位が低下するため、正極と負極の電位差（すなわち電圧）が大きくなり、電気化学デバイスのエネルギー密度が向上する。

リチウムイオンの負極材料層へのプレドープは、例えば、金属リチウム膜を負極材料層の表面に形成し、金属リチウム膜を有する負極をリチウムイオン伝導性電解液（例えば、非水電解質）に含浸させることにより進行する。このとき、金属リチウム膜からリチウムイオンが非水電解質中に溶出し、負極材料層に吸蔵される。

（負極集電板）
負極集電板は、概ね円盤状の金属板である。負極集電板の材質は、例えば銅、銅合金、ニッケル、ステンレス鋼などである。負極集電板の材質は、負極芯材の材質と同じでもよい。

（セパレータ）
セパレータとしては、セルロース繊維製の不織布、ガラス繊維製の不織布、ポリオレフィン製の微多孔膜、織布もしくは不織布などを用い得る。セパレータの厚みは、例えば１０〜３００μｍであり、１０〜４０μｍが好ましい。

（非水電解質）
非水電解質は、リチウムイオン伝導性を有し、リチウム塩と、リチウム塩を溶解させる非水溶媒とを含む。リチウム塩のアニオンは、正極へのドープと脱ドープとを可逆的に繰り返すことが可能である。リチウム塩に由来するリチウムイオンは、可逆的に負極に吸蔵および放出される。

リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＡｌＣｌ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＦＳＯ₃、ＬｉＣＦ₃ＣＯ₂、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＢ₁₀Ｃｌ₁₀、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＢＣｌ₄、ＬｉＮ（ＦＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂などが挙げられる。これらは１種を単独で用いても、２種以上を組み合わせてもよい。充電状態（充電率（ＳＯＣ）９０〜１００％）における非水電解質中のリチウム塩の濃度は、例えば０．２〜５ｍｏｌ／Ｌである。

非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなどのラクトン類、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、１，２−ジエトキシエタン（ＤＥＥ）、エトキシメトキシエタン（ＥＭＥ）などの鎖状エーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、トリメトキシメタン、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−プロパンサルトンなどを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせてもよい。

非水電解質に、必要に応じて、種々の添加剤を含ませてもよい。例えば、負極表面にリチウムイオン伝導性の被膜を形成する添加剤として、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネートなどの不飽和カーボネートを添加してもよい。

（電池ケース）
電池ケースの材質は、特に限定されないが、例えば鋼板が用いられる。鋼板にはニッケルめっきを施すことが好ましい。鋼板の具体的種類としては、例えばＪＩＳＧ３１４１に準拠したＳＰＣＣ、ＳＰＣＤ、ＳＰＣＥ等が挙げられる。

本発明に係る電気化学デバイスは、例えば、携帯電子機器の電源、車載用電源等として好適である。

１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ：巻回体
１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ：中空孔
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：第１電極
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ：第１芯材
１１Ａｘ、１１Ｂｘ、１１Ｃｘ：第１芯材露出部
１１１Ａｘ、１１１Ｂｘ：第１内周溶接部
１１２Ｂｘ、１１２Ｃｘ：第１外周溶接部
１１３：切れ目
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ：第１材料層
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ：第１集電部材
１３１、１３１Ａ、１３１Ｂ、１３１Ｃ：第１内周側面、
１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ：第２外周側面
１５：第１タブリード
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ：第２電極
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ：第２芯材
２１Ａｘ、２１Ｂｘ、２１Ｃｘ：第２芯材露出部
２１１Ａｘ、２１１Ｂｘ：第２内周溶接部
２１２Ｂｘ、２１２Ｃｘ：第２外周溶接部
２２：第２材料層
２３Ｂ：第２集電部材
２３１：第２内周側面、
２３２：第２外周側面
２５：第２タブリード
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ：セパレータ
２００：電気化学デバイス
２１０：電池ケース
２２０：封口板
２２１：ガスケット

Claims

第１芯材および前記第１芯材に担持された第１材料層を具備する第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に介在するセパレータと、
電解質と、
前記第１芯材と電気的に接続された第１集電部材と、を具備し、
前記第１電極、前記第２電極および前記セパレータは、巻回体を構成しており、
前記第１芯材の長手方向に沿う端部に第１芯材露出部を有し、
前記第１芯材露出部は、前記巻回体の一方の端面から突出するとともに前記第１集電部材と溶接され、
前記第１集電部材は、第１内周側面と第１外周側面とを有し、
前記第１芯材露出部は、前記第１集電部材の前記第１内周側面と溶接される第１内周溶接部および前記第１外周側面と溶接される第１外周溶接部の少なくとも一方を有する、電気化学デバイス。
前記第１内周側面および前記第１外周側面の少なくとも一方が、連続的な曲面である、請求項１に記載の電気化学デバイス。
前記第１集電部材が、リング状である、請求項２に記載の電気化学デバイス。
前記第１内周側面および前記第１外周側面の少なくとも一方が、複数の平坦面を有する、請求項１に記載の電気化学デバイス。
前記第１内周側面および前記第１外周側面の少なくとも一方を前記巻回体の軸方向から見たときの形状が、多角形状である、請求項４に記載の電気化学デバイス。
前記第１芯材露出部は、前記第１内周溶接部だけを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
前記第１内周溶接部の外側における前記第１芯材露出部の露出幅は、前記第１内周溶接部における前記第１芯材露出部の露出幅よりも小さい、請求項６に記載の電気化学デバイス。
前記第１芯材露出部は、前記第１外周溶接部だけを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
前記外周溶接部第１の内側における前記第１芯材露出部の露出幅は、前記第１外周溶接部における前記第１芯材露出部の露出幅よりも小さい、請求項８に記載の電気化学デバイス。
前記第１芯材露出部は、前記第１内周溶接部と前記第１外周溶接部とを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
前記第１内周溶接部より外側かつ前記第１外周溶接部より内側において、前記第１芯材露出部の露出幅が前記第１内周溶接部および前記第１外周溶接部よりも小さい、請求項１０に記載の電気化学デバイス。
前記第１内周溶接部の少なくとも一部および／または前記第１外周溶接部の少なくとも一部において、前記第１芯材露出部が、前記巻回体の軸方向に沿う切れ目を少なくとも１つ有する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
更に、第２集電部材を具備し、
前記第２電極は、第２芯材および前記第２芯材に担持された第２材料層を具備し、
前記第２芯材の長手方向に沿う端部に第２芯材露出部を有し、
前記第２芯材露出部は、前記巻回体の他方の端面から突出するとともに前記第２集電部材と溶接され、
前記第２集電部材は、第２内周側面と第２外周側面とを有し、
前記第２芯材露出部は、前記第２集電部材の前記第２内周側面と溶接される第２内周溶接部および前記第２外周側面と溶接される第２外周溶接部の少なくとも一方を有する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
前記第２内周側面および前記第２外周側面の少なくとも一方が、連続的な曲面である、請求項１３に記載の電気化学デバイス。
前記第２集電部材が、リング状である、請求項１４に記載の電気化学デバイス。
前記第２内周側面および前記第２外周側面の少なくとも一方が、複数の平坦面を有する、請求項１３に記載の電気化学デバイス。
前記第２内周側面および前記第２外周側面の少なくとも一方を前記巻回体の軸方向から見たときの形状が、多角形状である、請求項１６に記載の電気化学デバイス。
前記第２芯材露出部は、前記第２内周溶接部だけを有する、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
前記第２内周溶接部の外側における前記第２芯材露出部の露出幅は、前記第２内周溶接部における前記第２芯材露出部の露出幅よりも小さい、請求項１８に記載の電気化学デバイス。
前記第２芯材露出部は、前記第２外周溶接部だけを有する、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
前記第２外周溶接部の内側における前記第２芯材露出部の露出幅は、前記第２外周溶接部における前記第２芯材露出部の露出幅よりも小さい、請求項２０に記載の電気化学デバイス。
前記第２芯材露出部は、前記第２内周溶接部と前記第２外周溶接部とを有する、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
前記第２内周溶接部より外側かつ前記第２外周溶接部より内側において、前記第２芯材露出部の露出幅が前記第２内周溶接部および前記第２外周溶接部よりも小さい、請求項２２に記載の電気化学デバイス。
前記第２内周溶接部の少なくとも一部および／または前記第２外周溶接部の少なくとも一部において、前記第２芯材露出部が、前記巻回体の軸方向に沿う切れ目を少なくとも１つ有する、請求項１３〜２３のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。