JP2021163556A

JP2021163556A - 二次電池及び二次電池の製造方法

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Publication number: JP2021163556A
Application number: JP2020061782A
Authority: JP
Inventors: 貴昭泉本; Takaaki Izumimoto
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-10-11
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: JP7354044B2

Abstract

【課題】電極シートの活物質層に加わる積層方向の力を均等にすることが可能な二次電池及び二次電池の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の一実施形態に係る二次電池１０は、正極シート３０及び負極シート４０を備える。正極シート３０は、正極集電体３１と、その両面に形成された正極活物質層３２とを備える。正極活物質層３２は、積層方向の幅が正極集電側に向かって減少するように、正極集電体３１に対して傾斜した傾斜面を有する。負極シート４０は、負極集電体４１と、その両面に形成された負極活物質層４２とを備える。負極活物質層４２は、積層方向の幅が負極集電側に向かって減少するように、負極集電体４１に対して傾斜した傾斜面を有する。正極シート３０及び負極シート４０は、対向する正極活物質層３２の傾斜面及び負極活物質層４２の傾斜面が平行になるように配置された状態で捲回されている。【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池及び二次電池の製造方法に関する。

現在、電気自動車やハイブリッド車、プラグインハイブリッド車等では、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池が採用されている。このような二次電池の一例として、特許文献１は、活物質や電解質の局所的な劣化を防ぐために、電極シートの活物質層の厚さが、集電用タブに近づくに従って増大するように構成された二次電池を開示する。

特許第５３４７４２８号公報

二次電池の集電側では、複数の集電体が束ねられるため、電極シートの活物質層の端部には、積層方向の外側から内側へ力が加わる。しかしながら、特許文献１が開示する二次電池では、活物質層の集電側端部が厚くなっているため、集電側端部には、他の部分よりも大きな力が加わる。そのため、活物質層に加わる積層方向の力が均等にならないという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、電極シートの活物質層に加わる積層方向の力を均等にすることが可能な二次電池及び二次電池の製造方法を提供すること目的とする。

本発明の一実施形態に係る正極シート及び負極シートを備えた二次電池では、正極シートは、正極集電体と、正極集電体の両面に形成された正極活物質層とを備え、正極活物質層は、積層方向の幅が正極集電側に向かって減少するように、正極集電体に対して傾斜した傾斜面を有しており、負極シートは、負極集電体と、負極集電体の両面に形成された負極活物質層とを備え、負極活物質層は、積層方向の幅が負極集電側に向かって減少するように、負極集電体に対して傾斜した傾斜面を有しており、正極シート及び負極シートは、対向する正極活物質層の傾斜面及び負極活物質層の傾斜面が平行になるように配置された状態で捲回されている。

また、正極活物質層の傾斜面には、第１の傾斜面及び第２の傾斜面が含まれており、第１の傾斜面は、第２の傾斜面よりも正極集電側に位置しており、第１の傾斜面の傾斜角は、第２の傾斜面の傾斜角よりも大きいことが好ましい。

さらに、負極活物質層の傾斜面には、第１の傾斜面及び第２の傾斜面が含まれており、負極活物質層の第１の傾斜面は、負極活物質層の第２の傾斜面よりも負極集電側に位置しており、負極活物質層の第１の傾斜面の傾斜角は、負極活物質層の第２の傾斜面の傾斜角よりも大きいことが好ましい。

本発明の一実施形態に係る正極シート及び負極シートを備えた二次電池の製造方法は、正極シートの正極集電体の両面に正極活物質を塗布して正極活物質層を形成する工程と、正極活物質層の積層方向の幅が正極集電側に向かって減少するように、正極活物質層を整形して、正極集電体に対して傾斜した傾斜面を形成する工程と、負極シートの負極集電体の両面に負極活物質を塗布して負極活物質層を形成する工程と、負極活物質層の積層方向の幅が負極集電側に向かって減少するように、負極活物質層を整形して、負極集電体に対して傾斜した傾斜面を形成する工程と、対向する正極活物質層の傾斜面と負極活物質層の傾斜面が平行になるように、正極シート及び負極シートを配置する工程と、配置された正極シート及び負極シートを捲回する工程とを含む。

また、正極活物質層の傾斜面には、第１の傾斜面及び第２の傾斜面が含まれており、正極活物質層の傾斜面を形成する工程は、第１の傾斜面が、第２の傾斜面よりも正極集電側に位置し、第１の傾斜面の傾斜角が、第２の傾斜面の傾斜角よりも大きくなるように、第１の傾斜面及び第２の傾斜面を形成する工程を含むことが好ましい。

さらに、負極活物質層の傾斜面には、第１の傾斜面及び第２の傾斜面が含まれており、負極活物質層の傾斜面を形成する工程は、負極活物質層の第１の傾斜面が、負極活物質層の第２の傾斜面よりも負極集電側に位置し、負極活物質層の第１の傾斜面の傾斜角が、負極活物質層の第２の傾斜面の傾斜角よりも大きくなるように、負極活物質層の第１の傾斜面及び第２の傾斜面を形成する工程を含むことが好ましい。

本発明により、電極シートの活物質層に加わる積層方向の力を均等にすることが可能な二次電池及び二次電池の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る二次電池を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る電極体を示す概略図である。図２に示すＩ−Ｉ断面線に沿った電極体の断面の一部を示す水平断面図である。本発明の一実施形態に係る二次電池の正極シートの詳細を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る二次電池の負極シートの詳細を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る捲回型の二次電池の急速充電による直流抵抗変化率と、従来の捲回型の二次電池の急速充電による直流抵抗変化率を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池１０を示す概略図である。二次電池１０は、図２に示すような捲回型の電極体２０を備える。捲回型の電極体２０は、正極シート３０及び負極シート４０を備えており、正極シート３０及び負極シート４０に蓄電された電気は、それぞれ正極集電側及び負極集電側で集電され、正極端子１１及び負極端子１２から出力される。以下の説明では、正極シート３０及び負極シート４０が捲回されて積層した方向を積層方向とし、積層方向に垂直な方向を幅方向とする。

図３は、図２に示すＩ−Ｉ断面線に沿った電極体２０の水平断面図である。電極体２０では、正極シート３０及び負極シート４０が、絶縁体であるセパレータ５０を挟んで交互に配置される。

正極シート３０は、図４に示すように、正極集電体３１（例えば、アルミニウム箔等）と、正極集電体３１の両面に形成された正極活物質層３２とを備える。正極活物質層３２は、正極活物質（例えば、コバルト酸リチウム等）や導電剤、バインダを含む正極合剤スラリーで構成される。

本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法では、正極合剤スラリーを正極集電体３１に塗布し、乾燥焼入れすることによって正極活物質層３２を形成することができる。次いで、所定の形状を有する型を用いて、正極活物質層３２を整形することができる。なお、正極活物質層３２の表面を削ることによって正極活物質層３２を整形してもよい。

正極活物質層３２は、積層方向の幅が正極集電側に向かって減少するように、正極集電体３１に対して傾斜した傾斜面を有する。より詳細には、正極活物質層３２は、正極集電体３１に対して傾斜した第１の傾斜面３２１及び第２の傾斜面３２２を有する。第１の傾斜面３２１は、第２の傾斜面３２２よりも正極集電側に位置する。第１の傾斜面３２１の傾斜角は、第２の傾斜面３２２の傾斜角よりも大きいことが好ましい。例えば、第１の傾斜面３２１の傾斜角は、１０°以上とすることができる。また、正極集電体３１に平行な面３２３と第２の傾斜面３２２によって画定された正極活物質層３２の厚みは、例えば、１．０μｍ以上とすることができる。なお、これらの値は、単なる例示に過ぎないことに留意すべきである。

負極シート４０は、図５に示すように、負極集電体４１（例えば、銅箔等）と、負極集電体４１の両面に形成された負極活物質層４２とを備える。負極活物質層４２は、負極活物質（例えば、グラファイト等）や導電剤、バインダを含む負極合剤スラリーで構成される。

本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法では、負極合剤スラリーを負極集電体４１に塗布し、乾燥焼入れすることによって負極活物質層４２を形成することができる。次いで、所定の形状を有する型を用いて、負極活物質層４２を整形することができる。なお、負極活物質層４２の表面を削ることによって負極活物質層４２を整形してもよい。

負極活物質層４２は、積層方向の幅が負極集電側に向かって減少するように、負極集電体４１に対して傾斜した傾斜面を有する。より詳細には、負極活物質層４２は、負極集電体４１に対して傾斜した第１の傾斜面４２１及び第２の傾斜面４２２を有する。第１の傾斜面４２１は、第２の傾斜面４２２よりも負極集電側に位置する。第１の傾斜面４２１の傾斜角は、第２の傾斜面４２２の傾斜角よりも大きいことが好ましい。例えば、第１の傾斜面４２１の傾斜角は、１０°以上とすることができる。負極活物質層４２の第２の傾斜面４２２の傾斜角は、正極活物質層３２の第２の傾斜面４２２の傾斜角と実質的に同一である。なお、負極活物質層４２の第１の傾斜面４２１の傾斜角は、正極活物質層３２の第１の傾斜面４２１の傾斜角と同一でもよく、また、異なっていてもよい。

また、負極集電体４１に平行な面４２３と第２の傾斜面４２２によって画定された負極活物質層４２の厚みは、例えば、１．０μｍ以上とすることができる。なお、これらの値は、単なる例示に過ぎないことに留意すべきである。

次いで、図３に示すように、正極シート３０の第２の傾斜面３２２と負極シート４０の第２の傾斜面４２２が平行になるように、正極シート３０及び負極シート４０を配置する。その結果、正極シート３０及び負極シート４０は、対向する正極活物質層３２の傾斜面及び負極活物質層４２の傾斜面が平行になる。そして、このように配置された正極シート３０及び負極シート４０を捲回することにより、捲回型の電極体２０が形成される。その結果、正極シート３０及び負極シート４０は、隣接する負極シート４０及び正極シート３０から積層方向の内側へ力を受ける。

また、図３に示すように、正極シート３０の未塗工部は突出しており、束ねられた状態で集電端子によってかしめられる。その結果、正極シート３０の正極活物質層３２の正極集電側端部には、積層方向の内側へ力が加わる。同様に、負極シート４０の未塗工部は突出しており、束ねられた状態で集電端子によってかしめられる。その結果、負極シート４０の負極活物質層４２の負極集電側端部には、積層方向の内側へ力が加わる。

なお、図３に示すように、正極活物質層３２の端部は、負極活物質層４２の端部よりも幅方向内側に配置される。換言すると、負極活物質層４２の端部は、正極活物質層３２の端部よりも幅方向外側に配置される。

上述した実施形態では、正極シート３０の正極活物質層３２は、積層方向の幅が正極集電側に向かって減少するように、正極集電体３１に対して傾斜した傾斜面を有する。また、負極シート４０の負極活物質層４２は、積層方向の幅が負極集電側に向かって減少するように、負極集電体４１に対して傾斜した傾斜面を有する。そして、正極シート３０及び負極シート４０は、対向する正極活物質層３２の傾斜面及び負極活物質層４２の傾斜面が平行になるように配置された状態で捲回される。

このように、第２の傾斜面３２２，４２２の傾斜角が同一である正極活物質層３２及び負極活物質層４２の対向する傾斜面が平行に配置されるため、正極活物質層３２及び負極活物質層４２が存在する範囲において、正極集電体３１と負極集電体４１との間の距離が一定になる。これにより、電極シートを捲回することによって正極活物質層３２の第２の傾斜面３２２と負極活物質層４２の第２の傾斜面４２２が互いに及ぼす力が均等になる。このため、正極活物質層３２及び負極活物質層４２に加わる積層方向の力を均等にすることができる。

また、正極活物質層３２の第１の傾斜面３２１は、第２の傾斜面３２２よりも正極集電側に位置しており、第１の傾斜面３２１の傾斜角は、第２の傾斜面３２２の傾斜角よりも大きい。このため、正極集電側において複数の正極集電体３１が束ねられた場合でも、正極活物質層３２の正極集電側端部が、セパレータ５０を介して負極活物質層４２と接触することがない。これにより、正極活物質層３２の正極集電側端部が、負極活物質層４２から力を受けることがないため、正極活物質層３２に加わる積層方向の力を均等にすることができる。

さらに、負極活物質層４２の第１の傾斜面４２１は、第２の傾斜面４２２よりも負極集電側に位置しており、第１の傾斜面４２１の傾斜角は、第２の傾斜面４２２の傾斜角よりも大きい。このため、負極集電側において複数の負極集電体４１が束ねられた場合でも、負極活物質層４２の負極集電側端部が、セパレータ５０を介して、隣接する負極集電側端部と接触することがない。これにより、負極集電側端部が、隣接する負極集電側端部から力を受けることがないため、負極活物質層４２に加わる積層方向の力を均等にすることができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る捲回型の二次電池１０の急速充電による直流抵抗変化率と、従来の捲回型の二次電池の急速充電による直流抵抗変化率を示す図である。図６に示すように、二次電池１０の直流抵抗変化率は、従来の捲回型の二次電池の直流抵抗変化率よりも有意に低いことが判明した。この結果は、二次電池１０の正極活物質層３２及び負極活物質層４２に加わる力が均等であるため、急速充電による電極体２０の劣化が抑制されたことを示している。

なお、本発明は上記実施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。

１０二次電池
１１正極端子
１２負極端子
２０電極体
３０正極シート
３１正極集電体
３２正極活物質層
３２１第１の傾斜面
３２２第２の傾斜面
４０負極シート
４１負極集電体
４２負極活物質層
４２１第１の傾斜面
４２２第２の傾斜面
５０セパレータ

Claims

正極シート及び負極シートを備えた二次電池であって、
前記正極シートは、
正極集電体と、
前記正極集電体の両面に形成された正極活物質層とを備え、
前記正極活物質層は、積層方向の幅が正極集電側に向かって減少するように、前記正極集電体に対して傾斜した傾斜面を有しており、
前記負極シートは、
負極集電体と、
前記負極集電体の両面に形成された負極活物質層とを備え、
前記負極活物質層は、積層方向の幅が負極集電側に向かって減少するように、前記負極集電体に対して傾斜した傾斜面を有しており、
前記正極シート及び前記負極シートは、対向する前記正極活物質層の前記傾斜面及び前記負極活物質層の前記傾斜面が平行になるように配置された状態で捲回されている、
二次電池。
前記正極活物質層の前記傾斜面には、第１の傾斜面及び第２の傾斜面が含まれており、
前記第１の傾斜面は、前記第２の傾斜面よりも正極集電側に位置しており、
前記第１の傾斜面の傾斜角は、前記第２の傾斜面の傾斜角よりも大きい、請求項１に記載の二次電池。
前記負極活物質層の前記傾斜面には、第１の傾斜面及び第２の傾斜面が含まれており、
前記負極活物質層の前記第１の傾斜面は、前記負極活物質層の前記第２の傾斜面よりも負極集電側に位置しており、
前記負極活物質層の前記第１の傾斜面の傾斜角は、前記負極活物質層の前記第２の傾斜面の傾斜角よりも大きい、請求項１又は２に記載の二次電池。
正極シート及び負極シートを備えた二次電池の製造方法であって、
前記正極シートの正極集電体の両面に正極活物質を塗布して正極活物質層を形成する工程と、
前記正極活物質層の積層方向の幅が正極集電側に向かって減少するように、前記正極活物質層を整形して、前記正極集電体に対して傾斜した傾斜面を形成する工程と、
前記負極シートの負極集電体の両面に負極活物質を塗布して負極活物質層を形成する工程と、
前記負極活物質層の積層方向の幅が負極集電側に向かって減少するように、前記負極活物質層を整形して、前記負極集電体に対して傾斜した傾斜面を形成する工程と、
対向する前記正極活物質層の前記傾斜面と前記負極活物質層の前記傾斜面が平行になるように、前記正極シート及び前記負極シートを配置する工程と、
配置された前記正極シート及び前記負極シートを捲回する工程とを含む、
二次電池の製造方法。
前記正極活物質層の前記傾斜面には、第１の傾斜面及び第２の傾斜面が含まれており、
前記正極活物質層の傾斜面を形成する工程は、
前記第１の傾斜面が、前記第２の傾斜面よりも正極集電側に位置し、前記第１の傾斜面の傾斜角が、前記第２の傾斜面の傾斜角よりも大きくなるように、前記第１の傾斜面及び第２の傾斜面を形成する工程を含む、請求項４に記載の二次電池の製造方法。
前記負極活物質層の前記傾斜面には、第１の傾斜面及び第２の傾斜面が含まれており、
前記負極活物質層の傾斜面を形成する工程は、
前記負極活物質層の前記第１の傾斜面が、前記負極活物質層の前記第２の傾斜面よりも負極集電側に位置し、前記負極活物質層の前記第１の傾斜面の傾斜角が、前記負極活物質層の前記第２の傾斜面の傾斜角よりも大きくなるように、前記負極活物質層の前記第１の傾斜面及び第２の傾斜面を形成する工程を含む、請求項４又は５に記載の二次電池の製造方法。