JP2021044085A

JP2021044085A - 蓄電素子

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Publication number: JP2021044085A
Application number: JP2019163298A
Authority: JP
Inventors: 健太中井; Kenta Nakai; 健太上平; Kenta Kamihira; 智典加古; Tomonori Kako; 右京針長; Ukyo Harinaga; 真行高崎; Masayuki Takasaki
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: JP7352857B2

Abstract

【課題】複数の巻回型の電極体を有する蓄電素子であって、エネルギー密度を向上させた蓄電素子を提供する。【解決手段】導電層２１１、２３１１、２４１１と該導電層に重ねられる活物質層２３２，２４２とを有する電極２０が巻回された複数の電極体と、複数の電極体を並んだ状態で且つ隣り合う電極体同士を密接させた状態で収容しているケースと、を備え、隣り合う電極体のうちの少なくとも一方の電極体における電極の最外周部位は、導電層の外側面上に活物質層のない外側未形成部２１３を有し、外側未形成部は、少なくとも隣の電極体と密接する領域に配置されている蓄電素子。【選択図】図６

Description

本発明は、巻回型の複数の電極体を備える蓄電素子に関する。

従来から、巻回型の複数の電極組立体を備えた二次電池が知られている（特許文献１参照）。具体的に、この二次電池は、複数の電極組立体、ケース、及びキャップ組立体を含む。

各電極組立体は、図１４に示すような薄い板型或いは膜型に形成された第一電極板５１０、セパレータ５３０及び第二電極板５２０を積層して巻回することで形成できる。

第一電極板５１０は、箔状の第一電極集電体５１１と、第一電極集電体５１１の両面にコーティングされた第一電極活物質層５１２とからなる。さらに、第一電極集電体５１１には、第一電極活物質層がコーティングされていない第一電極無地部５１１ａが形成される。また、第二電極板５２０は、箔状の第二電極集電体５２１と、第二電極集電体５２１の両面にコーティングされた第二電極活物質層５２２とからなる。さらに、第二電極集電体５２１には、第二電極活物質層がコーティングされていない第二電極無地部５２１ａが形成される。また、セパレータ５３０は、第一電極板５１０と第二電極板５２０の間に介在し、ショートを防止し、リチウムイオンの移動のみを可能にするフィルムからなる。

第一電極組立体５４１は、図１５及び図１６にも示すように、該第一電極組立体５４１の一側及び一側の反対方向である他側の外に第一電極無地部５１１ａ及び第二電極無地部５２１ａが突出するように、第一電極板５１０、セパレータ５３０及び第二電極板５２０を配置して、巻回することで形成される。第二電極組立体５４２及び第三電極組立体５４３は、第一電極組立体５４１と同じ構成である。

これら第一電極組立体５４１、第二電極組立体５４２及び第三電極組立体５４３は、一方向に、即ち並列に隣接して配置され、固定テープによって一つに固定される。

ケース５５０は、電解液、複数の電極組立体５４１〜５４３が収納されるように、底部５５１と、底部５５１から延長された側壁部５５２とを含んで形成される。そして、ケース５５０の上部は、複数の電極組立体５４１〜５４３が通過するよう解放される。

複数の電極組立体５４１〜５４３が、ケース５５０の解放された上部を通過してケース５５０の内部に挿入され、電解液などがケース５５０の内部に注入された後、ケース５５０の解放された上部がキャップ組立体５６０で覆われて密封されることで、二次電池５００が形成される。

以上のような巻回型の複数の電極組立体５４１〜５４３を備えた二次電池においても、近年、ケース５５０内のエネルギー密度の向上が望まれている。

特開２０１１−７７０２６号公報

そこで、本実施形態は、複数の巻回型の電極体を有する蓄電素子であって、エネルギー密度を向上させた蓄電素子を提供することを目的とする。

本実施形態の蓄電素子は、
導電層と該導電層に重ねられる活物質層とを有する電極が巻回された複数の電極体と、
前記複数の電極体を並んだ状態で且つ隣り合う電極体同士を密接させた状態で収容しているケースと、を備え、
隣り合う電極体のうちの少なくとも一方の電極体における前記電極の最外周部位は、前記導電層の外側面上に前記活物質層のない外側未形成部を有し、
前記外側未形成部は、少なくとも隣の電極体と密接する領域に配置されている。

かかる構成によれば、隣の電極体と密接する領域に導電層の外側面上に活物質層のない外側未形成部が配置されているため、前記外側面上に活物質層（充放電に寄与しない活物質層）がある場合に比べ、該活物質層の分だけ電極体を詰めて並べることができ、これにより、ケース内のエネルギー密度を向上させることができる。

前記蓄電素子は、
前記ケースに取り付けられる又は前記ケースの少なくとも一部によって構成される外部端子を備え、
前記隣り合う電極体のそれぞれの前記電極は、前記導電層から前記外部端子まで延び且つ導電性を有する少なくとも一つの接続片を有し、
前記隣り合う電極体のそれぞれの前記少なくとも一つの接続片は、互いに導通するように束ねられ、
前記隣り合う電極体は、前記導電層の外側面が露出する前記外側未形成部をそれぞれ有し、該導電層の外側面同士を直接密接させてもよい。

かかる構成によれば、隣り合う電極体同士が導通した状態で、各電極体の電極と外部端子とを導通させる接続片も互いに導通するように束ねられているため、各電極体のエネルギーのバランスが図られると共に、外部端子と巻回されている電極（詳しくは、電極体における接続片を除いた電極の巻回部分）との間の抵抗が抑えられる。

また、前記蓄電素子では、
前記電極体は、
該電極体の巻回中心を挟んで対向する一対の平坦部と、
前記一対の平坦部の端部同士を接続し且つ前記巻回中心を挟んで対向する一対の湾曲部と、を有し、
前記電極の最内周部位は、前記導電層の内側面に活物質層のない内側未形成部を有し、
前記内側未形成部は、前記湾曲部に配置されてもよい。

かかる構成によれば、湾曲部での曲率が最も大きくなる最内周の電極の内側面上に活物質層がないため、電極体における活物質層の割れを好適に防ぐことができる。

また、前記蓄電素子では、
前記電極は、正極と負極とを含み、
前記活物質層は、正極活物質層と負極活物質層とを含み、
前記正極では、前記導電層の両面に前記正極活物質層が重ねられ、
前記負極では、前記導電層の両面に前記負極活物質層が重ねられ、
少なくとも前記正極の最内周部位に、前記内側未形成部が配置されてもよい。

かかる構成によれば、巻回型の電極体において活物質層が最も割れやすい領域（即ち、正極において湾曲部での曲率が最も大きくなる最内周部位の導電層の内側面上）に活物質層を配置しないことで、電極体における活物質層の割れを効果的に防ぐことができる。

前記蓄電素子において、
前記正極において前記湾曲部に含まれる正極湾曲部位では、前記導電層の外側面上に前記正極活物質層があると共に、前記導電層の内側面上に前記正極活物質層がなくてもよい。

湾曲部において、正極の導電層の外側面上に重ねられる正極活物質層は、その外側に配置される負極の導電層の内側面上に重ねられる負極活物質層より小さくなる（周方向の長さ寸法が小さくなる）が、正極の導電層の内側面上に重ねられる正極活物質層は、その内側に配置される負極の導電層の外側面上に重ねられる負極活物質層より大きくなる（周方向の長さ寸法が大きくなる）。このため、かかる構成のように、湾曲部において、正極の導電層の内側面上に正極活物質層がないことで正極活物質層が負極活物質層より大きくなることに起因する電析の発生が抑えられる。

以上より、本実施形態によれば、複数の巻回型の電極体を有する蓄電素子であって、エネルギー密度を向上させた蓄電素子を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る蓄電素子の斜視図である。図２は、前記蓄電素子の分解斜視図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ位置における断面図である。図４は、電極体の斜視図である。図５は、前記電極体の構成を説明するための図である。図６は、正極、負極、及びセパレータを説明するための図である。図７は、前記正極、前記負極、及び前記セパレータを説明するための断面模式図である。図８は、他実施形態に係る電極体を説明するための図である。図９は、他実施形態に係る電極体を説明するための模式図である。図１０は、他実施形態に係る電極体を説明するための模式図である。図１１は、他実施形態に係る電極体を説明するための模式図である。図１２は、他実施形態に係る電極体を説明するための模式図である。図１３は、前記蓄電素子を備えた蓄電装置の模式図である。図１４は、従来の電極組立体を構成する第一電極板、セパレータ、及び第二電極板の積層状態を示す図である。図１５は、複数の前記電極組立体が並んだ状態を示す斜視図である。図１６は、従来の二次電池の断面図である。

以下、本発明に係る蓄電素子の一実施形態について、図１〜図７を参照しつつ説明する。蓄電素子には、一次電池、二次電池、キャパシタ等がある。本実施形態では、蓄電素子の一例として、充放電可能な二次電池について説明する。尚、本実施形態の各構成部材（各構成要素）の名称は、本実施形態におけるものであり、背景技術における各構成部材（各構成要素）の名称と異なる場合がある。

本実施形態の蓄電素子は、非水電解質二次電池である。より詳しくは、蓄電素子は、リチウムイオンの移動に伴って生じる電子移動を利用したリチウムイオン二次電池である。この種の蓄電素子は、電気エネルギーを供給する。蓄電素子は、単一又は複数で使用される。具体的に、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧が小さいときには、単一で使用される。一方、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧の少なくとも一方が大きいときには、他の蓄電素子と組み合わされて蓄電装置に用いられる。前記蓄電装置では、該蓄電装置に用いられる蓄電素子が電気エネルギーを供給する。

蓄電素子は、図１〜図３に示すように、電極が巻回された複数（本実施形態の例では五つ）の電極体２と、複数の電極体２を並んだ状態で且つ隣り合う電極体２同士を密接（接触）させた状態で収容するケース３と、を備える。また、蓄電素子１は、少なくとも一部を露出させた状態でケース３に取り付けられる又はケース３の少なくとも一部によって構成される外部端子４と、電極体２と外部端子４とを接続する集電体５と、複数の電極体２とケース３との間に配置される絶縁部材６等も、備える。本実施形態の外部端子４は、ケース３に取り付けられている。

複数の電極体２のそれぞれは、図４及び図５に示すように、導電層２１１と該導電層２１１に重ねられる活物質層２１２とを有する電極２０が巻回されることによって構成されている。本実施形態の各電極体２では、電極２０が扁平な巻回体となるように巻回されている。即ち、各電極体２は、電極体２の巻回中心Ｃを挟んで対向する一対の平坦部２Ｆと、一対の平坦部２Ｆの端部同士を接続し且つ巻回中心Ｃを挟んで対向する一対の湾曲部２Ｃと、を有する。以下では、巻回中心Ｃの延びる方向を直交座標系のＸ軸とし、一対の平坦部２Ｆが対向する方向を直交座標系のＹ軸とし、一対の湾曲部２Ｃが対向する方向を直交座標系のＺ軸とする。

本実施形態の電極体２では、Ｘ軸方向の寸法が６０〜９０ｍｍであり、Ｙ軸方向の寸法が３〜７ｍｍであり、Ｚ軸方向の寸法が１００〜１５０ｍｍである。

これら複数の電極体２において、隣り合う電極体２のうちの少なくとも一方の電極体２における電極２０の最外周部位α_０（図６及び図７参照）は、導電層２１１の外側面上に活物質層２１２の無い外側未形成部２１３を有する。本実施形態の蓄電素子１では、各電極体２の電極２０が、最外周部位α_０に外側未形成部２１３を有する。この外側未形成部２１３は、電極２０の最外周部位α_０における少なくとも隣の電極体２と密接する領域に配置されている。本実施形態の外側未形成部２１３は、最外周部位α_０の全域に設けられている。

電極２０は、導電層２１１から外部端子４まで延び且つ導電性を有する少なくとも一つの接続片２２を有する。具体的に、電極２０は、帯状の電極本体２１と、電極本体２１の長尺方向の一方の端部から延びる接続片２２と、を有する。この電極２０は、正極２３と負極２４とを含む。これら正極２３と負極２４との間をリチウムイオンが移動することにより、蓄電素子１が充放電する。正極２３及び負極２４の具体的な構成は、以下の通りである。

正極２３は、金属箔２３１と、金属箔２３１に重ねられる正極活物質層２３２と、を有する。金属箔２３１は、正極２３の導電層２１１である帯状の箔本体２３１１と、箔本体２３１１の長尺方向の一端から延びる矩形の正極接続片２３１２と、を有する。本実施形態の正極接続片２３１２は、箔本体２３１１の長尺方向の一端において、幅方向の一方側の端部から延びている。本実施形態の金属箔２３１は、例えば、アルミニウム箔である。

この正極２３では、正極活物質層２３２が箔本体２３１１の両面に重ねられ、これら箔本体２３１１と、箔本体２３１１の両面に重ねられた二つの正極活物質層２３２と、が正極２３の正極本体２３０（電極本体２１）を構成している（図６参照）。

詳しくは、正極本体２３０において、箔本体２３１１における巻回状態で外側を向く面（即ち、電極体２において巻回中心Ｃ側とは反対側を向く面：外側面）２３１１Ａ上では、最外周部位α_１を除いた全域に正極活物質層２３２が重ねられている。また、正極本体２３０において、箔本体２３１１における巻回された状態で内側を向く面（即ち、電極体２において巻回中心Ｃ側を向く面：内側面）２３１１Ｂ上では、電極体２の平坦部２Ｆに相当する部位のそれぞれに正極活物質層２３２が重ねられ、且つ、湾曲部２Ｃに相当する部位（正極湾曲部位）のそれぞれには正極活物質層２３２がない。即ち、箔本体２３１１の内側面２３１１Ｂ上では、正極活物質層２３２が長手方向において間欠塗工されている（図７参照）。

本実施形態の正極活物質層２３２は、リチウムコバルトオキサイドやニッケルコバルトマンガン三元系活物質などのリチウムイオンを吸蔵放出可能な化合物によって構成されている。また、正極本体２３０の長さ（長尺方向の寸法）が、１０００〜３０００ｍｍであり、幅（短尺方向の寸法）が、１００〜１４０ｍｍであり、厚さが０．１〜０．３ｍｍである。

また、正極本体２３０は、最外周部位α_１に、正極本体２３０の外側面２３１１Ａ上に正極活物質層２３２の無い外側未形成部２３０１を有する（図４及び図７参照）。本実施形態の電極体２では、最外周に正極２３が位置するため、正極２３の外側未形成部２３０１が、電極体２の外側未形成部２１３を構成している。即ち、本実施形態の電極体２では、正極２３の外側未形成部２３０１が、正極２３の最外周部位α_１の全域に設けられている。

以上の正極２３では、電極２０の電極本体２１に相当する部位が正極本体２３０であり、電極２０の接続片２２に相当する部位が正極接続片２３１２である。

負極２４は、金属箔２４１と、金属箔２４１に重ねられる負極活物質層２４２と、を有する。金属箔２４１は、負極２４の導電層である帯状の箔本体２４１１と、箔本体２４１１の長尺方向の一端から延びる矩形の負極接続片２４１２と、を有する。本実施形態の負極接続片２４１２は、箔本体２４１１の長尺方向の一端において、幅方向の他方側の端部（正極接続片２３１２が延びている部位とは反対側の端部）から延びている。本実施形態の金属箔２４１は、例えば、銅箔である。

この負極２４では、負極活物質層２４２が箔本体２４１１の両面に重ねられ、これら箔本体２４１１と、箔本体２４１１の両面に重ねられた二つの負極活物質層２４２と、が負極２４の負極本体２４０（電極本体２１）を構成している（図６参照）。

本実施形態の負極活物質層２４２は、黒鉛や非晶質炭素などリチウムイオンを吸蔵放出可能な化合物によって構成されている。また、負極本体２４０の長さ（長尺方向の寸法）が、１０００〜３０００ｍｍであり、幅（短尺方向の寸法）が、１００〜１５０ｍｍであり、厚さが０．１〜０．３ｍｍである。

本実施形態の電極体２では、正極２３の最内周部位β_１より負極２４の最内周部位β_２の方が内側に配置されている。即ち、本実施形態の電極体２では、電極体２を構成する電極２０の最内周部位β_０が負極２４の最内周部位β_２によって構成されている。

本実施形態の各電極体２では、以上のように構成される正極２３と負極２４とがセパレータ２５によって絶縁された状態で巻回される。即ち、本実施形態の各電極体２では、正極２３、負極２４、及びセパレータ２５が積層状態で巻回されている。尚、各電極体２の最外周には、セパレータ２５は、配置されていない。

セパレータ２５は、絶縁性を有する部材であり、正極２３と負極２４との間に配置される。これにより、電極体２において、正極２３と負極２４とが互いに絶縁される。また、セパレータ２５は、ケース３内において、電解液を保持する。これにより、蓄電素子１の充放電時において、セパレータ２５を挟んで交互に積層される正極２３と負極２４との間を、リチウムイオンが移動可能となる。また、セパレータ２５の幅方向（短手方向）の寸法は、正極２３及び負極２４の幅方向の寸法より大きい。

このセパレータ２５は、帯状であり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、ポリアミドなどの多孔質膜によって構成される。本実施形態のセパレータ２５は、ＳｉＯ_２粒子、Ａｌ_２Ｏ_３粒子、ベーマイト（アルミナ水和物）等の無機粒子を含んだ無機層を、多孔質膜によって形成された基材の上に設けることで形成されている。本実施形態のセパレータ２５の基材は、例えば、ポリエチレンによって形成される。

それぞれが以上のように構成される複数の電極体２は、図２及び図３に示すように、平坦部２Ｆ同士が対向するようにＹ軸方向に並ぶ。このとき、隣り合う電極体２同士は、外側未形成部２１３（２３０１）同士を密接（当接）させている。即ち、隣り合う電極体２同士は、正極２３の金属箔２３１（詳しくは、箔本体２３１１）同士を当接させている。これにより、隣り合う電極体２の正極２３同士が導通する。

各電極体２における正極接続片２３１２のＸ軸方向の位置は同じである。また、各電極体２における負極接続片２４１２のＸ軸方向の位置は同じである。このため、平坦部２Ｆ同士が対向するように複数の電極体２がＹ軸方向に並んだ状態では、各電極体２の正極接続片２３１２同士がＹ軸方向に並び、負極接続片２４１２同士もＹ軸方向に並ぶ。そして、これら複数の電極体２の各正極接続片２３１２は、互いに導通するように束ねられ、外部端子４と集電体５を介して接続されている。また、複数の電極体２の各負極接続片２４１２も、互いに導通するように束ねられ、外部端子４と集電体５を介して接続されている（図３参照）。本実施形態の正極接続片２３１２の束と負極接続片２４１２の束とは、溶接によって集電体５に接続されている。

ケース３は、図１〜図３に示すように、開口を有するケース本体３１と、ケース本体３１の開口を塞ぐ（閉じる）蓋板３２と、を有する。このケース３は、電解液に耐性を有する金属によって形成される。本実施形態のケース３は、例えば、アルミニウム、又は、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料によって形成される。

電解液は、非水溶液系電解液である。電解液は、有機溶媒に電解質塩を溶解させることによって得られる。有機溶媒は、例えば、プロピレンカーボネート及びエチレンカーボネートなどの環状炭酸エステル類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート類である。電解質塩は、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、及びＬｉＰＦ_６等である。本実施形態の電解液は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートを、エチレンカーボネート：ジメチルカーボネート：エチルメチルカーボネート＝３：２：５の割合で調整した混合溶媒に、１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ_６を溶解させたものである。

ケース本体３１は、板状の閉塞部３１１と、閉塞部３１１の周縁に接続される筒状の胴部（周壁）３１２と、を備える。

閉塞部３１１は、ケース本体３１が開口を上に向けた姿勢で配置されたときにケース本体３１の下端に位置する（即ち、前記開口が上を向いたときのケース本体３１の底壁となる）部位である。閉塞部３１１は、該閉塞部３１１の法線方向から見て、矩形状である。

胴部３１２は、角筒形状、より詳しくは、偏平な角筒形状である。胴部３１２は、閉塞部３１１の周縁における長辺から延びる一対の長壁部３１３と、閉塞部３１１の周縁における短辺から延びる一対の短壁部３１４とを有する。即ち、一対の長壁部３１３は、Ｙ軸方向に間隔（詳しくは、閉塞部３１１の周縁における短辺に相当する間隔）を空けて対向し、一対の短壁部３１４は、Ｘ軸方向に間隔（詳しくは、閉塞部３１１の周縁における長辺に相当する間隔）を空けて対向する。短壁部３１４が一対の長壁部３１３の対応（詳しくは、Ｙ軸方向に対向）する端部同士をそれぞれ接続することによって、角筒状の胴部３１２が形成される。

以上のように、ケース本体３１は、開口方向（Ｚ軸方向）における一方の端部が塞がれた角筒形状（即ち、有底角筒形状）を有する。

本実施形態のケース３では、Ｘ軸方向の内寸が１２０〜１５０ｍｍであり、Ｙ軸方向の内寸が２０〜２５ｍｍであり、Ｚ軸方向の内寸が８０〜９０ｍｍである。

このように構成されるケース３には、複数の電極体２が、各電極体２の平坦部２Ｆのそれぞれが長壁部３１３と平行（略平行）となり、且つ、各電極体２の一対の湾曲部２Ｃが閉塞部３１１及び蓋板３２と対向するように、絶縁部材６に覆われた状態で収容される（図２及び図３参照）。このとき、ケース３は、複数の電極体２の全体をＹ軸方向に圧迫（押圧）した状態で複数の電極体２を収容する。

蓋板３２は、ケース本体３１の開口を塞ぐ板状の部材である。本実施形態の蓋板３２は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸方向に長い矩形状の板材である。この蓋板３２は、ケース本体３１の開口を塞ぐように、蓋板３２の周縁部がケース本体３１の開口周縁部３４に重ねられる。開口周縁部３４と蓋板３２とが重ねられた状態で、蓋板３２とケース本体３１との境界部が溶接され、これにより、ケース３が形成される。

外部端子４は、他の蓄電素子の外部端子又は外部機器等と電気的に接続される部位である。このため、外部端子４は、導電性を有する部材によって形成される。例えば、外部端子４は、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料、銅又は銅合金等の銅系金属材料等の溶接性の高い金属材料によって形成される。

絶縁部材６は、ケース３（詳しくはケース本体３１）と複数の電極体２との間に配置される。この絶縁部材６は、所定の形状に裁断された絶縁性を有するシート状の部材を折り曲げることによって図２に示すような袋状に形成されている。

以上の蓄電素子１によれば、隣の電極体２と密接する領域に導電層２１１の外側面上に活物質層２１２のない外側未形成部２１３（本実施形態の例では、箔本体２３１１の外側面２３１１Ａ上に正極活物質層２３２の無い外側未形成部２３０１）が配置されているため（図４参照）、前記外側面上に活物質層（充放電に寄与しない活物質層）２０２がある場合に比べ、該活物質層２１２の分だけ複数の電極体２を詰めて並べることができる。これにより、ケース３内のエネルギー密度を向上させることができる。

また、本実施形態の蓄電素子１では、巻回数の少ない巻回型の電極体２を五つケース３に収容することで、ケース３内におけるエネルギー密度を向上させている。具体的には、以下の通りである。

長尺方向の端部から接続片が延びている電極が巻回されることによって構成される巻回型の電極体では、電極の長尺方向の端部（接続片）からしか集電できないため、抵抗の問題から、巻回数の大きな電極体の実用化は困難であった。即ち、長尺方向の端部から接続片が延びる電極を巻回することによって構成される巻回型の電極体を備えた大型の蓄電素子（例えば、９０ｍｍ×１５０ｍｍ×２５ｍｍ程度の大きさの角型の蓄電素子）の実用化は、困難であった。

しかし、本実施形態の蓄電素子１のように、巻回数の小さな電極体２（例えば、巻回数が１０回程度）を複数ケース３内に配置することで、各電極体２における集電の際の抵抗を抑え、これにより、蓄電素子１の大型化を可能にした。

また、長尺方向の端部から接続片が延びている電極が巻回されることによって構成される巻回型の電極体を備えた蓄電素子において、エネルギー密度（理論値）が最大になる電極体の数（極大値）は、計算によって求めることが可能である。本実施形態の蓄電素子１では、五つの電極体２がケース３に収容される場合がケース３内におけるエネルギー密度が最大となる。

また、本実施形態の蓄電素子１では、隣り合う電極体２のそれぞれの接続片２２（正極接続片２３１２、負極接続片２４１２）は、互いに導通するように束ねられ、且つ、隣り合う電極体２が外側未形成部２１３の導電層２１１の外側面同士（本実施形態の例では、外側未形成部２３０１の箔本体２３１１の外側面２３１１Ａ同士）を直接密接させている。このように、本実施形態の蓄電素子１では、隣り合う電極体２（詳しくは、隣り合う電極体２の正極２３）同士が導通した状態で、各電極体２において電極本体２３０、２４０と外部端子４とを導通させる接続片２３１２、２４１２も互いに導通するように束ねられているため、各電極体２のエネルギーバランスが図られると共に、外部端子４と電極本体２３０、２４０との間の抵抗が抑えられる。

一般に、蓄電素子１において、電極２０を湾曲させたときに負極活物質層２４２よりも正極活物質層２３２の方が割れ易い。このため、本実施形態の正極２３では、正極２３の最内周部位β_１の湾曲部２Ｃに相当する領域に内側未形成部２３１３が配置されている。このように、巻回型の電極体２において正極活物質層２３２が最も割れやすい領域（即ち、正極２３において湾曲部２Ｃでの曲率が最も大きくなる最内周部位β_１の導電層２１１（箔本体２３１１）の内側面２３１１Ｂ上）に正極活物質層２３２を配置しないことで、電極体２における活物質層２１２（正極活物質層２３２及び負極活物質層２４２）の割れが効果的に防がれる。

巻回型の電極体２では、湾曲部２Ｃにおいて、正極２３の導電層２１１（箔本体２３１１）の外側面２３１１Ａ上に重ねられる正極活物質層２３２は、その外側に配置される負極２４の導電層２１１（箔本体２４１１）の内側面上に重ねられる負極活物質層２４２より小さくなる（周方向の長さ寸法が小さくなる）。一方、正極２３の導電層２１１（箔本体２３１１）の内側面２３１１Ｂ上に重ねられる正極活物質層２３２は、その内側に配置される負極２４の導電層２１１（箔本体２４１１）の外側面上に重ねられる負極活物質層２４２より大きくなる（周方向の長さ寸法が大きくなる）。このため、本実施形態の電極体２では、湾曲部２Ｃに相当する部位（正極湾曲部位）のそれぞれにおいて箔本体２３１１の内側面２３１１Ｂ上に正極活物質層２３２が配置されない構成とすることで、正極活物質層２３２が負極活物質層２４２より大きくなることに起因する電析の発生が抑えられる。

尚、本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。

上記実施形態の電極体２では、電極体２における電極２０の最外周部位α_０を正極２３の最外周部位α_１が構成し、電極体２における電極２０の最内周部位β_０を負極２４の最内周部位β_２が構成している（図７参照）が、この構成に限定されない。例えば、電極体２における電極２０の最外周部位α_０を負極２４の最外周部位α_２が構成してもよい。また、電極体２における電極２０の最内周部位β_０を正極２３の最内周部位β_１が構成してもよい。

上記実施形態の電極体２は、最内周部位β_０（負極２４の最内周部位β_２）に導電層２１１（箔本体２４１１）の内側面上に活物質層２１２（負極活物質層２４２）を有している（即ち、導電層２１１の内側面上に活物質層２１２の無い内側未形成部を有していない）が、この構成に限定されない。電極体２は、最内周部位β_０に前記内側未形成部を有していてもよい。この場合、前記内側未形成部は、最内周部位β_０において少なくとも湾曲部２Ｃに相当する領域に設けられるのが好ましい。かかる構成によれば、電極体２において湾曲部２Ｃでの曲率が最も大きくなる最内周の電極２０の内側面上に活物質層２１２がないため、電極体２における活物質層２１２の割れが好適に防がれる。

上記実施形態の蓄電素子１では、各電極体２は、巻回中心ＣがＸ軸方向（ケース３において短壁部３１４が対向する向き）に沿う姿勢でケース３に収容されているが、この構成に限定されない。例えば図８に示すように、各電極体２Ａは、巻回中心ＣがＺ軸方向（ケース３において閉塞部３１１と蓋板３２とが対向する向き）に沿う姿勢でケース３に収容されてもよい。

この図８に示す複数の電極体２Ａでは、正極接続片２３１２が正極本体２３０（箔本体２３１１）の長辺（幅方向の端部）からＺ軸方向（幅方向）に延び、負極接続片２４１２が負極本体２４０（箔本体２４１１）の長辺（幅方向の端部）からＺ軸方向（幅方向）に延びる。この場合、一つの正極本体２３０から複数の正極接続片２３１２が延び、これら複数の正極接続片２３１２は、Ｙ軸方向に並んでいる。また、一つの負極本体２４０から複数の負極接続片２４１２が延び、これら複数の負極接続片２４１２は、Ｙ軸方向に並んでいる。即ち、上記実施形態の各電極体２では、一つの電極２０から一つの接続片２２が延びているが、この構成に限定されず、図８に示す例のように、一つの電極２０から複数の接続片２２が延びてもよい。

また、上記実施の電極体２と図８に示す電極体とが混在した状態でケース３内に収容されてもよい。即ち、複数の電極体の巻回中心Ｃが全て同じ方向を向いてなくてもよい。

また、上記実施形態の蓄電素子１では、電極体２の最外周にはセパレータ２５が配置されていないが、この構成に限定されない。電極体２の最外周にセパレータ２５が配置されていてもよい。この場合、蓄電素子１において、図９に示すように、各電極体２の最外周の全周に亘ってセパレータ２５が配置される構成でもよく、図１０に示すように、最外周にセパレータ２５の配置された電極体２と、最外周にセパレータ２５が配置されていない電極体２（上記実施形態の電極体２）とが混在していてもよい。

また、電極体２の最外周に配置されるセパレータ２５は、図１１に示すように、電極体２の最外周の一部（図１１に示す例では、周方向の半分の領域）に配置されていてもよい。この場合、隣り合う電極体２同士が接する領域に少なくとも一方の電極体２のセパレータ２５が位置する構成が好ましい。かかる構成とすることで、隣り合う電極体２がケース３内で互いに位置ずれしたときの金属箔２３１、２４１等の破れを防ぐことができる。

また、電極体２において、セパレータ２５が電極２０を挟み込むように配置され、電極２０（電極本体２１）の外周側端部２０Ａより該電極２０の両側のセパレータ２５がそれぞれ延び、該セパレータ２５における電極２０の外周側端部２０Ａより延びている部位（図１２においてスモークで示す部位）同士が接続されていてもよい。これにより、セパレータ２５が熱等によって長手方向（周方向）に収縮しても、電極２０の外周側端部２０Ａが露出しない（即ち、セパレータ２５によって覆われている）ため、該電極２０の外周側端部２０Ａが他の部位に接触することによる短絡を確実に防ぐことができる。尚、セパレータ２５の前記延びている部位同士は、接着や溶着等の周知の方法によって接続されていればよい。

また、上記実施形態においては、蓄電素子が充放電可能な非水電解質二次電池（例えばリチウムイオン二次電池）として用いられる場合について説明したが、蓄電素子の種類や大きさ（容量）は任意である。また、上記実施形態において、蓄電素子の一例として、リチウムイオン二次電池について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタの蓄電素子にも適用可能である。

蓄電素子（例えば電池）１は、図１３に示すような蓄電装置（蓄電素子が電池の場合は電池モジュール）１１に用いられてもよい。蓄電装置１１は、少なくとも二つの蓄電素子１と、二つの（異なる）蓄電素子１同士を電気的に接続するバスバ部材１２と、を有する。この場合、本発明の技術が少なくとも一つの蓄電素子１に適用されていればよい。

１…蓄電素子、２、２Ａ…電極体、２Ｃ…湾曲部、２Ｆ…平坦部、２０…電極、２０Ａ…電極の外周側端部、２１…電極本体、２１１…導電層、２１２…活物質層、２１３…外側未形成部、２２…接続片、２３…正極（電極）、２３０…正極本体、２３０１…外側未形成部、２３１…金属箔、２３１１…箔本体（導電層）、２３１１Ａ…外側面、２３１１Ｂ…内側面、２３１２…正極接続片、２３１３…内側未形成部、２３２…正極活物質層（活物質層）、２４…負極（電極）、２４０…負極本体、２４１…金属箔、２４１１…箔本体（導電層）、２４１２…負極接続片、２４２…負極活物質層（活物質層）、２５…セパレータ、３…ケース、３０…筐体部、３１…ケース本体、３１１…閉塞部、３１２…胴部、３１３…長壁部、３１４…短壁部、３２…蓋板、３４…開口周縁部、４…外部端子、４１…面、５…集電体、６…絶縁部材、１１…蓄電装置、１２…バスバ部材、５００…二次電池、５１０…第一電極板、５１１…第一電極集電体、５１１ａ…第一電極無地部、５１２…第一電極活物質層、５２０…第二電極板、５２１…第二電極集電体、５２１ａ…第二電極無地部、５２２…第二電極活物質層、５３０…セパレータ、５４１…第一電極組立体、５４２…第二電極組立体、５４３…第三電極組立体、５５０…ケース、５５１…底部、５５２…側壁部、５６０…キャップ組立体、Ｃ…巻回中心、α_０、α_１、α_２…最外周部位、β_０、β_１、β_２…最内周部位

Claims

導電層と該導電層に重ねられる活物質層とを有する電極が巻回された複数の電極体と、
前記複数の電極体を並んだ状態で且つ隣り合う電極体同士を密接させた状態で収容しているケースと、を備え、
隣り合う電極体のうちの少なくとも一方の電極体における前記電極の最外周部位は、前記導電層の外側面上に前記活物質層のない外側未形成部を有し、
前記外側未形成部は、少なくとも隣の電極体と密接する領域に配置されている、蓄電素子。
前記ケースに取り付けられる又は前記ケースの少なくとも一部によって構成される外部端子を備え、
前記隣り合う電極体のそれぞれの前記電極は、前記導電層から前記外部端子まで延び且つ導電性を有する少なくとも一つの接続片を有し、
前記隣り合う電極体のそれぞれの前記少なくとも一つの接続片は、互いに導通するように束ねられ、
前記隣り合う電極体は、前記導電層の外側面が露出する前記外側未形成部をそれぞれ有し、該導電層の外側面同士を直接密接させている、請求項１に記載の蓄電素子。
前記電極体は、
該電極体の巻回中心を挟んで対向する一対の平坦部と、
前記一対の平坦部の端部同士を接続し且つ前記巻回中心を挟んで対向する一対の湾曲部と、を有し、
前記電極の最内周部位は、前記導電層の内側面に活物質層のない内側未形成部を有し、
前記内側未形成部は、前記湾曲部に配置されている、請求項１又は２に記載の蓄電素子。
前記電極は、正極と負極とを含み、
前記活物質層は、正極活物質層と負極活物質層とを含み、
前記正極では、前記導電層の両面に前記正極活物質層が重ねられ、
前記負極では、前記導電層の両面に前記負極活物質層が重ねられ、
少なくとも前記正極の最内周部位に、前記内側未形成部が配置されている、請求項３に記載の蓄電素子。
前記正極において前記湾曲部に含まれる正極湾曲部位では、前記導電層の外側面上に前記正極活物質層があると共に、前記導電層の内側面上に前記正極活物質層がない、請求項４に記載の蓄電素子。