JP2022108762A

JP2022108762A - 二次電池及び二次電池の製造方法

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Publication number: JP2022108762A
Application number: JP2021003868A
Authority: JP
Inventors: 昌宏九澤; Masahiro Kuzawa; 永明小岩; Nagaaki Koiwa; 祐輔 ▲高▼士; Yusuke Takashi
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2022-07-27
Anticipated expiration: 2041-01-14
Also published as: JP7303224B2

Abstract

【課題】電極体が膨張した場合にセパレータが破損するのを防ぐ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、捲回された電極体２０を備える。電極体２０が捲回されることによって形成された２つの湾曲部２１，２２の内部には、複数の隙間が存在する。複数の隙間には、電極体の最外周に位置する第１の隙間ＡＸと、電極体の最内周に位置する第２の隙間Ａ１と、第１の隙間ＡＸと第２の隙間Ａ１との間に位置する１以上の第３の隙間ＡＩＮとが含まれる。第１の隙間ＡＸの大きさは、第２の隙間Ａ１よりも大きい。また、第３の隙間ＡＩＮのうちの少なくとも１つの大きさは、第１の隙間ＡＸよりも小さく、かつ、第２の隙間Ａ１よりも大きい。【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し、特に、捲回型の電極体を備える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の電気を利用する車両では、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。二次電池には、電極シートを捲回して形成した捲回型の電極体を備えるものがある。

このような捲回型の電極体の一例として、特許文献１は、正極板と、負極板と、正極板及び負極板の間に配置されたセパレータとを重ねて捲回された捲回型の電極体を開示する。正極板及び負極板は、それぞれ束ねられた状態で集電体に固定されるため、正極板及び負極板には引張力が生じる。特許文献１が開示する捲回型の電極体は、正極金属露出部に絶縁層が形成され、絶縁層の側縁をセパレータの側縁から突出させることにより、引張力によって正極板がセパレータに接触するのを防止する。

特開２０１１－２１６４０３号公報

しかしながら、特許文献１が開示する捲回型の電極体では、正極金属露出部に形成された絶縁層が、隣接するセパレータの側縁よりも内側にずれた状態で捲回された場合、正極板がセパレータに接触する恐れがある。通常、電極体は充放電を繰り返すことによって膨張するため、集電体によって電極体に加わる引張力が増加する。そのため、特許文献１が開示する捲回型の電極体では、電極体が膨張した場合、正極板がセパレータに接触し、正極板がセパレータを負極端部に押し当てることでセパレータが破損する可能性が高くなる。特に、捲回型の電極体の最外周では、引張力が最も高く大きくなるため、最外周のセパレータが破損し易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、電極体が膨張した場合にセパレータが破損するのを防ぐ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二次電池は、捲回された電極体を備え、
電極体が捲回されることによって形成された２つの湾曲部の内部には、複数の隙間が存在しており、
複数の隙間には、電極体の最外周に位置する第１の隙間と、電極体の最内周に位置する第２の隙間と、第１の隙間と第２の隙間との間に位置する１以上の第３の隙間とが含まれており、
第１の隙間の大きさは、第２の隙間よりも大きく、
第３の隙間のうちの少なくとも１つの大きさは、第１の隙間よりも小さく、かつ、第２の隙間よりも大きいことを特徴とする。

第１の隙間の最小値は、最外周に位置する最外周電極体の膨張による湾曲部における伸張の程度に基づいて定まる値とすることができる。

第１の隙間の最小値は、最外周電極体の湾曲中心と膨張後の湾曲部の頂点に位置する最外周電極体との距離と、湾曲中心と膨張前の湾曲部の頂点に位置する最外周電極体との距離との差とすることができる。

第１の隙間の最大値は、インターカレータとして機能するイオンが析出しない範囲の値とすることができる。

また、本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法は、捲回された電極体を備える二次電池の製造方法であって、
正極シート、負極シート及びセパレータを重ね合わせて電極体シートを形成する工程と、
電極体シートを捲回する際に電極体シートに加わる引張力を徐々に小さくして、電極体シートを捲回する工程とを含む。

本発明により、電極体が膨張した場合にセパレータが破損するのを防ぐ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。図１の断面線Ｉ－Ｉに沿った二次電池の電極体を示す垂直断面図である。本発明の一実施形態に係る電極体の湾曲部を示す垂直断面図である。捲回時に電極体シートＳに加わる引張力を示す図である。図１の断面線ＩＩ－ＩＩに沿った電極体の湾曲部を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る電極体の膨張前後の状態と、隙間間隔が均一の電極体の膨張前後の状態を示す模式図である。電極体の温度低下率及び電気抵抗を示す図である。

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、捲回型の電極体（図示せず）と、正極集電部１１と、負極集電部１２とを備える。

捲回型の電極体は、正極シート、負極シート及びセパレータを積層して、捲回軸を中心に捲回した後、扁平にすることで形成される。捲回型の電極体は、図１に示すように、電極体の厚さ方向と二次電池１０の厚さ方向が一致し、かつ、電極体の捲回軸方向と二次電池の幅方向が一致するように、二次電池１０内に収容される。そのため、二次電池１０の上部１３及び下部１４の双方において、捲回型の電極体は、捲回軸を基準とする半径方向外側へ湾曲する湾曲部を有する。

正極集電部１１は、二次電池１０内の正極集電側において正極シートを束ねる集箔部（図示せず）に接続され、正極シートから集箔部を介して集電する。同様に、負極集電部１２は、二次電池１０内の負極集電側において負極シートを束ねる集箔部（図示せず）に接続され、負極シートから集箔部を介して集電する。

図２は、図１の断面線Ｉ－Ｉに沿った垂直断面図であり、二次電池１０が備える電極体２０の垂直断面を示す。電極体２０は、電極体２０が捲回されることによって形成された２つの湾曲部２１，２２を有する。図３は、電極体２０の湾曲部２１を示す垂直断面図である。電極体２０の湾曲部２２も湾曲部２１と同じ構成を有する。

捲回型の電極体２０は、正極シート、負極シート及びセパレータを重ね合わせて電極体シートＳを形成し、電極体シートＳを捲回する際に電極体シートＳに加わる引張力を徐々に小さくして、電極体シートＳを捲回することによって形成される。図４は、捲回時に電極体シートＳに加わる引張力を示す図である。図４に示すように、電極体シートＳに加わる引張力は、捲回開始時が最大であり、捲回開始時から捲回終了時にかけて徐々に減少する。

図３に示すように、捲回型の電極体２０の湾曲部２１の内部には、電極体２０の最外周に位置する隙間Ａ_Ｘと、電極体２０の最内周に位置する隙間Ａ_１と、隙間Ａ_Ｘと隙間Ａ_１との間に位置する１以上の隙間Ａ_ＩＮとが存在する。隙間Ａ_Ｘは、第１の隙間に相当する。隙間Ａ_１は、第２の隙間に相当する。隙間Ａ_ＩＮは、第３の隙間に相当する。

隙間Ａ_Ｘの大きさは、隙間Ａ_１よりも大きい。隙間Ａ_Ｘの大きさは、例えば、１．１μｍ～１．５μｍとすることができる。図５は、図１の断面線ＩＩ－ＩＩに沿った断面図であり、電極体２０の湾曲部２１を示す。符号Ｓ_ｘは、電極体２０の最外周に位置する電極体シートを示す。また、符号４０は集箔部を示す。隙間Ａ_Ｘの最小値は、電極体シートＳ_ｘの膨張による湾曲部２１における伸張の程度に基づいて定まる値とすることができる。電極体シートＳ_ｘは、最外周電極体に相当する。

具体的には、隙間Ａ_Ｘの最小値は、電極体シートＳ_ｘの湾曲中心Ｃと膨張後の湾曲部２１の頂点Ｔ_２に位置する電極体シートＳ_ｘとの距離Ｒ_２と、湾曲中心Ｃと膨張前の湾曲部２１の頂点Ｔ_１に位置する電極体シートＳ_ｘとの距離Ｒ_１との差に基づいて定まる値とすることができる。湾曲中心Ｃは、電極体シートＳ_ｘが湾曲する中心位置である。例えば、図５に示すように電極体シートＳ_ｘの膨張率が０．１％である場合、図５の等式が示す関係が成立する。この場合、距離Ｒ_２と距離Ｒ_１との差は、１．１μｍとなる。

隙間Ａ_Ｘの最大値は、インターカレータとして機能するイオンが析出しない範囲の値とすることが好ましい。例えば、リチウムイオン電池の場合、リチウムイオンが析出しない範囲の値とすることが好ましい。具体的には、インターカレータが析出しない良品電池における個々の隙間の平均値を、隙間Ａ_Ｘの最大値とすることができる。この平均値は、湾曲部２１，２２の一方における隙間の数を、電極体２０の総積層数で除算して求めることができる。なお、隙間Ａ_Ｘの最大値は、当該平均値よりも大きな値としてもよい。

隙間Ａ_ＩＮのうちの少なくとも１つの大きさは、隙間Ａ_Ｘよりも小さく、かつ、隙間Ａ_１よりも大きい。電極体２０が有する隙間は、隙間Ａ_１から隙間Ａ_Ｘに徐々に大きくなるように構成されることが好ましい。

上述した実施形態では、電極体２０が捲回されることによって形成された２つの湾曲部２１，２２の内部には、複数の隙間が存在する。複数の隙間には、電極体２０の最外周に位置する第１の隙間Ａ_Ｘと、電極体２０の最内周に位置する第２の隙間Ａ_１と、第１の隙間Ａ_Ｘと第２の隙間Ａ_１との間に位置する１以上の第３の隙間Ａ_ＩＮとが含まれる。第１の隙間Ａ_Ｘの大きさは、第２の隙間Ａ_１よりも大きい。また、第３の隙間Ａ_ＩＮのうちの少なくとも１つの大きさは、第１の隙間Ａ_Ｘよりも小さく、かつ、第２の隙間Ａ_１よりも大きい。

電極体２０の正極シート及び負極シートは、それぞれ引っ張られた状態で集泊部４０に固定される。また、電極体２０は、充放電を繰り返すことにより膨張する。電極体２０には、上記大小関係を有する隙間Ａ_Ｘ、隙間Ａ_１及び隙間Ａ_ＩＮが形成される。そのため、電極体２０が膨張した場合でも、これらの隙間による余裕代により、電極体２０に生じる引張力の増加を抑制することができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る電極体２０の膨張前後の状態と、隙間間隔が均一である従来の電極体の膨張前後の状態を示す模式図である。図６に示すように、本発明の一実施形態に係る電極体２０は、上述した余裕代が存在するため、隙間間隔が均一の電極体と比較して電極体２０の厚みの増加を抑えることができ、電極体２０に生じる引張力の増加を抑制することができる。その結果、正極シート及び負極シートが隣接するセパレータに与える応力の増加を抑制でき、セパレータが破損するのを防ぐことができる。

また、上述した実施形態では、電極体２０の隙間のサイズが、最内周から最外周にかけて実質的に徐々に大きくなるように構成されるため、全ての隙間間隔を大きくした構成を採用した電極体と比べて、電極体２０のサイズの増加を抑制することができる。

図７は、湾曲部２１，２２における電極体２０の最内周から最外周における温度低下率と電気抵抗を示す図である。温度低下率は、放置前の温度を１００％とした場合における１分後の温度低下率を示す。電気抵抗は、１分間の放置後の最内周の電極体シートの電気抵抗を１００％とした場合の電気抵抗を示す。なお、図７に示す温度低下率及び電気抵抗は、便宜的に連続的に表されているが、実際の温度低下率及び電気抵抗は離散的な値である。

図７に示すように、電極体２０の放熱性は、最内周の電極体シートよりも最外周の電極体シートの方が優れている。電極体２０の電気抵抗は、電極体２０の温度と負の相関を有するため、最外周の電極体シートの電気抵抗は、最内周の電極体シートの電気抵抗よりも高くなる傾向がある。

上述した実施形態では、電極体２０の隙間のサイズが、最内周から最外周にかけて実質的に徐々に大きくなるように構成されるため、隙間Ａ_１～隙間Ａ_Ｘの電解液の保液性は、隙間Ａ_１から隙間Ａ_Ｘにかけて徐々に良化する。そのため、リチウムイオン電池の場合、電解液に含まれるリチウム塩の減少に起因する電気抵抗の増加を抑制することができる。特に、電極体２０の最外周における電気抵抗の増加を一層抑制することができる。その結果、電極体２０内の温度差に起因する電気抵抗差を低減することができる。

本発明は、上述した実施形態に限られたものではなく、本発明の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正極集電部
１２負極集電部
１３上部
１４下部
２０電極体
２１湾曲部
２２湾曲部
４０集泊部
Ｃ湾曲中心
Ｓ電極体シート
Ｓ_ｘ電極体シート

Claims

捲回された電極体を備えた二次電池であって、
前記電極体が捲回されることによって形成された２つの湾曲部の内部には、複数の隙間が存在しており、
前記複数の隙間には、前記電極体の最外周に位置する第１の隙間と、前記電極体の最内周に位置する第２の隙間と、前記第１の隙間と前記第２の隙間との間に位置する１以上の第３の隙間とが含まれており、
前記第１の隙間の大きさは、前記第２の隙間よりも大きく、
前記第３の隙間のうちの少なくとも１つの大きさは、前記第１の隙間よりも小さく、かつ、前記第２の隙間よりも大きいことを特徴とする、二次電池。
前記第１の隙間の最小値は、最外周に位置する最外周電極体の膨張による前記湾曲部における伸張の程度に基づいて定まる値とし得る、請求項１に記載の二次電池。
前記第１の隙間の最小値は、前記最外周電極体の湾曲中心と膨張後の前記湾曲部の頂点に位置する前記最外周電極体との距離と、前記湾曲中心と膨張前の前記湾曲部の頂点に位置する前記最外周電極体との距離との差とし得る、請求項２に記載の二次電池。
前記第１の隙間の最大値は、インターカレータとして機能するイオンが析出しない範囲の値とし得る、請求項１又は２に記載の二次電池。
捲回された電極体を備える二次電池の製造方法であって、
正極シート、負極シート及びセパレータを重ね合わせて電極体シートを形成する工程と、
前記電極体シートを捲回する際に前記電極体シートに加わる引張力を徐々に小さくして、電極体シートを捲回する工程と
を含む、二次電池の製造方法。