JP2021009814A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の二次電池では、捲回体の最内周のシートにたわみが発生する問題があった。【解決手段】本発明の二次電池は、正極活物質が塗工された正極シートと、負極活物質が塗工された負極シートと、２枚のシートがそれぞれ正極シートと負極シートの間に挟まれるセパレータシート対と、を有し、捲回体は、正極シート、負極シート及びセパレータシート対を構成する２枚のシートのそれぞれが交互に積層された状態で３回以上捲回され、横断面が扁平形状とされ、セパレータシート対の折り返し点のうち捲回体の最内周側から数えて１つめの折り返し点となる第１の折り返し点Ａ１から２つめの折り返し点となる第２の折り返し点Ａ２までの第１の距離Ａが、セパレータシート対を構成するシートのうち内周側となるシートの３つめの折り返し点となる第３の折り返し点Ｂ１から４つめの折り返し点となる第４の折り返し点Ｂ２までの第２の距離Ｂよりも短く形成される。【選択図】図２

Description

本発明は二次電池に関し、例えば、正極活物質が塗工された正極シートと負極活物質が塗工された負極シートとがセパレータシート対を構成する２枚のセパレータシートを介して重ね合わされた積層シートが３周以上捲回されて横断面が扁平形状とされた捲回体を有する二次電池に関する。

近年、二次電池の利用が広がっているが、特に、リチウム電池を自動車用途に利用する例が増加している。自動車用途のリチウム電池は、正極活物質が塗工された正極シートと、負極活物質が塗工された負極シートと、がセパレータシート対を構成する２枚のセパレータシートを介して重ね合わされた積層シートが３周以上捲回されて横断面が扁平形状とされた捲回体に発電部を形成する。このような、リチウム電池に関する技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されたリチウム電池（例えば、扁平型非水系二次電池）は、正極活物質を備えた正極板と、負極活物質を備えた負極板と、正極板と負極板との間に配置される多孔質絶縁体と、を備え、多孔質絶縁体を介在させて重ねられた正極板及び負極板からなる積層電極隊は、３周囲上捲回されて横断面が扁平な形状の電極群を形成しており、電極群は、平板形上のストレート部と湾曲した一対のコーナー部とからなっており、電極群は、固定部材によって緩まないように固定されており、コーナー部において積層電極値の隣り合う周の間のうち、少なくとも２つには隙間が存しており、隣り合う少なくとも２つの隙間において、内周側の隙間の大きさは外周側の隙間の大きさよりも大きい関係を有し、最も内周側に存する隙間の大きさが全ての隙間の大きさのなかで最も大きい。

国際公開第２０１２／０１４４２２号

しかしながら、発電体を捲回体として形成する二次電池では、製造工程において、捲回体の再内周のセパレータシートにたわみが生じることがある。このセパレータシートのたわみは、極板シート間の間隔の大きさの均一性を損ねる原因となる。このような、極板シート間の間隔の大きさの不均一性の高まりは、二次電池の容量等の電池特性に悪影響を及ぼす問題を生じさせる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、二次電池の電池特性を向上させることを目的とするものである。

本発明の二次電池の一態様は、発電体を含む捲回体が本体ケース内に収納される二次電池であって、正極活物質が塗工された正極シートと、負極活物質が塗工された負極シートと、２枚のシートがそれぞれ前記正極シートと前記負極シートの間に挟まれるセパレータシート対と、を有し、前記捲回体は、前記正極シート、前記負極シート及び前記セパレータシート対を構成する２枚のシートのそれぞれが交互に積層された状態で３回以上捲回され、横断面が扁平形状とされ、前記セパレータシート対の折り返し点のうち前記捲回体の最内周側から数えて１つめの折り返し点となる第１の折り返し点から２つめの折り返し点となる第２の折り返し点までの第１の距離が、前記セパレータシート対を構成するシートのうち内周側となるシートの３つめの折り返し点となる第３の折り返し点から４つめの折り返し点となる第４の折り返し点までの第２の距離よりも短く形成される。

本発明にかかる二次電池は、再内周に存在するセパレータシートのたわみを防止する。

本発明の二次電池によれば、二次電池の電池特性を向上させることができる。

実施の形態１にかかる二次電池の構造の概略図である。 実施の形態１にかかる二次電池の捲回体の横断面の構造を説明する断面図である。 実施の形態１にかかる二次電池の捲回体を形成する工程で用いられる巻き芯の構造を説明する図である。 実施の形態１にかかる二次電池の捲回体の最内周セパレータシートの長さを決定する巻き芯の構造を説明する図である。 実施の形態１にかかる二次電池の捲回体の製造工程を説明する図である。 実施の形態１にかかる二次電池の捲回体と、比較例にかかる捲回体との違いを説明する捲回体の断面図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、図１に実施の形態１にかかる二次電池１の構造の概略図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる二次電池１は、捲回体１０、ケース２０、集電部品２１、２３、蓋２５を有する。

捲回体１０は、正極シートと負極シートとセパレータシートが積層された状態で３周以上捲回され、かつ、横断面が扁平形状に形成されたものである。捲回体１０は、発電体１１、第１の集電部１２、第２の集電部１３を有する。発電体１１は、正極シートのうち正極活物質が塗工された領域と、負極シートのうち負極活物質が塗工された領域と、セパレータシートと、が積層された領域である。発電体１１は、二次電池の電気エネルギーを蓄積する機能を有する。第１の集電部１２は、捲回体に含まれるシートのうち正極シートと負極シートの一方のシートが捲回された部分である。第２の集電部１３は、捲回体に含まれるシートのうち正極シートと負極シートの他方のシートが捲回された部分である。第１の集電部１２又は第２の集電部１３として設けられるシートには活物質は塗工されない。

ここで、正極シート及び負極シートに塗工される活物質について説明する。正極シートには、活物質として、例えば、LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiNiO₂等が塗工される。また、負極シートには、活物質として、例えば、黒鉛（LiC₆）、チタネイト（Li₄Ti₅O1₂）等が塗工される。そして、積層体では、正極シートにおいて活物質が塗工される活物質領域と、負極シートのうち活物質が塗工される活物質領域と、が重ね合わされるように積層され、セパレータシートはこの正負の活物質領域に挟まれるように設けられる。なお、以下の説明では、正極シートと負極シートとを含む語として電極シートを用いる。

ケース２０には、集電部品２１及び集電部品２３が捲回体１０に取り付けられ状態で捲回体１０、集電部品２１及び集電部品２３が収納される。そして、捲回体１０、集電部品２１及び集電部品２３がケース２０に収納された状態で蓋２５とケース２０が接合される。

ここで、第１の集電部１２には、集電部品２１が溶接技術等を用いて接合される。第２の集電部１３には、集電部品２３が溶接技術等を用いて接合される。そして、集電部品２１には、極柱２２が蓋２５側に突出するように設けられる。集電部品２３には、極柱２４が蓋２５側に突出するように設けられる。そして、ケース２０に蓋２５が被せられた状態で、極柱２２及び極柱２４は、ケース２０に設けられた貫通穴を介して、蓋２５から突出する状態となる。

実施の形態１にかかる二次電池１では、捲回体１０の捲回体構造に特徴の１つを有する。そこで、図２に実施の形態１にかかる二次電池の捲回体の横断面の構造を説明する断面図を示す。図２に示した断面図は、図１においてＩＩ−ＩＩ線に沿った捲回体１０の断面を表すものである。

図２に示すように、捲回体１０は、負極シートと正極シートがセパレータシートを介在させて積層されるように、セパレータシート、正極シート及び負極シートが捲回された状態とされる。捲回体１０は、横断面形状が筒状の捲回体を扁平させることで形成される。また、捲回体１０は、セパレータシートとして２枚のシートを対にして用いる。以下の説明では、２枚組のセパレータシートをセパレータシート対と称す。また、図２では、２枚組のセパレータシートの一方を第１のセパレータシート、他方を第２のセパレータシートとして示した。

そして、捲回体１０では、捲回されるセパレータシートのうち最内周に位置する一定の部分には、セパレータシートの間に正極シートと負極シートのいずれも挟まれない。このセパレータシートのみが重ね合わされる部分は、正極シートと負極シートとセパレータシート対とを重ね合わせた状態で捲回する捲回体巻き工程において必要な部分である。

ここで、セパレータシート対の折り返し点のうち捲回体の最内周側から数えて１つめの折り返し点となる第１の折り返し点Ａ１から２つめの折り返し点となる第２の折り返し点Ａ２までの第１の距離（例えば、長さＡ）とする。また、セパレータシート対を構成するシートのうち内周側となるシートの３つめの折り返し点となる第３の折り返し点Ｂ１から４つめの折り返し点となる第４の折り返し点Ｂ２までの第２の距離（例えば、長さＢ）とする。この長さＡと長さＢの差は、意図的に設けられるものであり、セパレータシートの厚みと捲回の回数に起因して決定される長さの差よりも大きい。なお、セパレータシートのみが重ね合わされる部分は第１の折り返し点Ａ１から第２の折り返し点Ａ２の間に設けられる。

そして、捲回体１０では、長さＡを長さＢよりも短く設定する。そして、これにより、第１の折り返し点Ａ１と第３の折り返し点Ｂ１との間に隙間を設ける。また、第２の折り返し点Ａ２と第４の折り返し点Ｂ２との間にも隙間を設ける。この隙間は、０．２ｍｍ〜１．５ｍｍ程度に設定される。この程度の隙間の大きさだと電池容量等の電池性能への影響が少ない。

ここで、この最内周のセパレータシートに意図的な隙間を設ける捲回体の製造方法について説明する。まず、捲回体１０の製造工程で用いられる巻き芯３０について説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかる二次電池の捲回体を形成する工程で用いられる巻き芯の構造を説明する図を示す。

図３に示す例は、巻き芯３０に捲回体１０となる正極シート、負極シート及びセパレータシート対が積層された積層シートが巻き付けられた状態を示した。また、図３では、巻き芯３０から捲回体１０を引き抜く際に積層シートを把持するチャックを示した。チャックは、爪と押え板とにより構成される。

図３に示すように、巻き芯３０は、円筒形の棒である。そして、巻き芯３０には、チャック溝３１、３２、割り溝３３が設けられる。チャック溝３１は、チャックの爪４０ａを差し込む溝である。チャック溝３２は、チャックの爪４１ａを差し込む溝である。割り溝３３は、セパレータシート対を差し込む溝であり、巻き芯３０の回転中心を通る巻き芯３０の対角線に沿って設けられる。

そして、爪４０ａが積層シートと接する点を指示点Ｃ１、爪４１ａが積層シートと接する点を指示点Ｃ２とする。積層シートを捲回する捲回体巻き工程では、まず、指示点Ｃ１側から割り溝３３を通って指示点Ｃ２に至るようにセパレータシート対を設置する。そして、指示点Ｃ２より先の部分のセパレータシート対を構成するセパレータシートの間に正極シートと負極シートを挟み込む。その後に巻き芯３０を回転させることで、捲回体１０が形成される。

ここで、捲回体１０では、チャック溝３１からチャック溝３２を結ぶ線と割り溝３３の中心線との間の角度を調整することで長さＡと長さＢの差の大きさを調節する。そこで、図４に実施の形態１にかかる二次電池の捲回体の最内周セパレータシートの長さを決定する巻き芯の構造を説明する図を示す。

図５に示すように、最内周セパレータの長さＡは、指示点Ｃ１から指示点Ｃ２の間のセパレータシート対の長さによって決定される。一方、捲回体１０が扁平形状とされた際の長さＢは、巻き芯３０となる円筒の外周長の半分の長さとなる。そして、長さＡは、指示点Ｃ１、Ｃ２及び巻き芯３０の回転中心を結ぶ把持基準線Ｌ１と、割り溝３３の中心線となる溝中心線との傾きθを調節することで変更することができる。例えば、傾きθを大きくすることで長さＡを長く設定し、傾きθを小さくすることで長さＡを短く設定することができる。

なお、図４では、巻き芯３０を真円としたが、巻き芯３０を楕円形状とすることで長さＢを、真円形状の巻き芯３０を利用する場合に比べて長く設定することもできる。

続いて、捲回体１０を製造する製造工程の流れについて説明する。そこで、図５に実施の形態１にかかる二次電池の捲回体１０の製造工程を説明する図を示す。図５に示す例では、捲回体１０の製造工程として４つの工程を示した。また、図５では、最内周セパレータシートであって、長さが長さＡに設定される部分を破線で示した。

第１の工程となる捲回体巻き工程では、巻き芯３０に正極シート、負極シート及びセパレータシートを積層した積層シートを巻き付ける。続いて、第２の工程となる巻き芯引き抜き工程では、捲回体１０を２つのチャック（爪４０ａと押え板４０ｂ、及び、爪４１ａと押え板４１ｂ）で把持した状態で、巻き芯３０を捲回体１０から引き抜く。

第３の工程となる仮潰し工程では、捲回体１０を把持するチャックを図面左右方向に広げるとともに、図面上下方向に設けた抑え板５０、５１を用いて捲回体１０を図面上下方向で押しつぶす。第４の工程となる捲回体プレス工程では、プレス板６０、６１を用いて捲回体１０を強く押しつぶす。これにより、捲回体１０は、扁平形状となる。

続いて、実施の形態１にかかる二次電池１の捲回体１０と、長さＡと長さＢを実施の形態１にかかる捲回体１０とは異なる条件とした比較例にかかる捲回体と、の比較を通して、実施の形態１にかかる捲回体１０の特徴について詳細に説明する。

図６に実施の形態１にかかる二次電池１の捲回体１０と、比較例にかかる捲回体との違いを説明する捲回体の断面図を示す。図６に示す第１の比較例は、折り返し点Ｂ１から折り返し点Ｂ２までの長さＢと、折り返し点Ａ１１から折り返し点Ａ１２までの長さＡとがほぼ同じ、もしくは、長さＡがセパレータシートの厚み程度長さＢより短い例である。この場合、折り返し点Ａ１１から折り返し点Ａ１２に至る部分の最内周セパレータシートにたわみは発生しない。

図６に示す第２の比較例は、折り返し点Ｂ１から折り返し点Ｂ２までの長さＢが、折り返し点Ａ１１から折り返し点Ａ１２までの長さＡよりも短い例である。この場合、折り返し点Ａ１１から折り返し点Ａ１２に至る部分の最内周セパレータシートにたわみが発生する。

図６に示す実施の形態１は、折り返し点Ｂ１から折り返し点Ｂ２までの長さＢが、折り返し点Ａ１１から折り返し点Ａ１２までの長さＡよりも十分に長い例である。この場合、折り返し点Ａ１１から折り返し点Ａ１２に至る部分の最内周セパレータシートにたわみは発生しない。

図６に示した３つの例を比較すると、第２の比較例では最内周セパレータシートに明らかにたわみが生じる。このたわみは、電極シート間の距離の不均一性をもたらし、電極シート間のイオンの浸透性の悪化を招き、電池容量が減少する問題を引き起こす。また、第１の例では、最内周セパレータシートにたわみは発生しないものの、製造誤差によるたわみの発生の可能性が実施の形態１に比べて高くなる問題がある。

上記説明より、実施の形態１にかかる捲回体１０では、第１の折り返し点Ａ１から第２の折り返し点Ａ２の距離を示す長さＡを、第３の折り返し点Ｂ１から第２の折り返し点Ｂ２の距離を示す長さＢよりも明確に短くする。これにより、第１の折り返し点Ａ１と第３の折り返し点Ｂ１との間と、第２の折り返し点Ａ２と第４の折り返し点Ｂ２との間と、のいずれにも隙間ができる。そして、この隙間により、最内周セパレータシートのたわみが防止される。

最内周セパレータシートにたわみが生じた場合、最内周セパレータシートを挟んで対向する電極シートの間の距離の不均一性が高まるため浸透性が悪化して電池容量が減少する問題が発生する。しかしながら、実施の形態１にかかる捲回体１０では、最内周セパレータシートにたわみは生じないため、このような電池容量の減少は発生せず電池容量を増加させることができる。

また、実施の形態１にかかる捲回体１０では、最内周セパレータシートの頂点部と最内周セパレータシートの１周外側に位置するセパレータシートの頂点部との間に意図的な隙間を設けることで、製造工程の誤差、ばらつきにより最内周セパレータシートにたわみが発生する可能性を限りなくゼロに近づけることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 二次電池
１０ 捲回体
１１ 発電体
１２ 第１の集電部
１３ 第２の集電部
２０ ケース
２１ 集電部品
２２ 極柱
２３ 集電部品
２４ 極柱
２５ 蓋
３０ 巻き芯
３１ チャック溝
３２ チャック溝
３３ 割り溝
４０ａ 爪
４０ｂ 押え板
４１ａ 爪
４１ｂ 押え板
Ｌ１ 把持基準線

Claims (4)

1. 発電体を含む捲回体が本体ケース内に収納される二次電池であって、
   正極活物質が塗工された正極シートと、
   負極活物質が塗工された負極シートと、
   ２枚のシートがそれぞれ前記正極シートと前記負極シートの間に挟まれるセパレータシート対と、を有し、
   前記捲回体は、
   前記正極シート、前記負極シート及び前記セパレータシート対を構成する２枚のシートのそれぞれが交互に積層された状態で３回以上捲回され、
   横断面が扁平形状とされ、
   前記セパレータシート対の折り返し点のうち前記捲回体の最内周側から数えて１つめの折り返し点となる第１の折り返し点から２つめの折り返し点となる第２の折り返し点までの第１の距離が、前記セパレータシート対を構成するシートのうち内周側となるシートの３つめの折り返し点となる第３の折り返し点から４つめの折り返し点となる第４の折り返し点までの第２の距離よりも短く形成される二次電池。
2. 前記第１の折り返し点から前記第２の折り返し点の間の前記セパレータシート対を構成する２枚のシートの間には、前記正極シートと前記負極シートのいずれも挟まれない請求項１に記載の二次電池。
3. 前記第１の距離と前記第２の距離との差は、前記セパレータシート対を構成するセパレータシートの厚みと捲回の回数に起因して決定される長さの差よりも大きい請求項１又は２に記載の二次電池。
4. 前記第１の折り返し点と前記第３の折り返し点との隙間、及び、前記第２の折り返し点と前記第４の折り返し点との隙間は、いずれも０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの長さに設定される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池。