JP2022116967A - 電極板および二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】剥離した金属片による内部短絡を抑制し、より安全性の高い二次電池を得ることができる技術を提供する。【解決手段】ここに開示される電極板(負極板20)は、銅又は銅合金を含む負極芯体22と、負極芯体22の表面に付与された負極活物質層24と、幅方向Yの一方の端辺から外側に突出した負極タブ22tとを備えている。そして、かかる負極板20では、負極タブ22tの外側の端辺22taから幅方向Yの内側に向かって0.01mm~0.2mmの領域に、厚み40nm~200nmの酸化膜を有する第1領域22t1が形成されており、当該第1領域22t1が負極タブ22tの外側の端辺22taに沿って延びている。これによって、負極タブ22tから剥離し得る金属片を予め絶縁化・不活性化することができるため、当該剥離した金属片による内部短絡を抑制を抑制できる。【選択図】図9

Description

本発明は、電極板および二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、一対の電極板を備えている。これらの電極板は、通常、箔状の金属部材である電極芯体と、当該電極芯体の表面に付与された電極活物質層とを備えている。本明細書では、正極側の電極板を「正極板」と称し、負極側の電極板を「負極板」と称する。また、正極側の電極芯体を「正極芯体」と称し、負極側の電極芯体を「負極芯体」と称する。さらに正極側の電極活物質層を「正極活物質層」と称し、負極側の電極活物質層を「負極活物質層」と称する。
上記二次電池の電極板は、例えば、大型の電極芯体の表面に電極活物質層を付与して電極前駆体を作製した後に、当該電極前駆体を所望のサイズに切断するという手順で作製される。例えば、特許文献1には、電極面積よりも大きな金属箔に電極活物質を塗布して電極活物質層を形成した後に、レーザを照射して金属箔を切断するという工程を含んだ積層型二次電池の製造方法が開示されている。また、特許文献2には、集電板に電気的活物質がコーティングされたコーティング部と、電気的活物質がコーティングされていない非コーティング部とを含む電極板を用意し、非コーティング部に連続波レーザビームを照射して切断するという工程を含んだ二次電池の製造方法が開示されている。
特開2010-34009号公報 特開2016-33912号公報
しかしながら、電極前駆体から電極板を切り出す際にレーザ切断を行うと、切断後の電極板の電極芯体から金属片が剥離しやすくなることがある。この剥離した金属片が導電性の異物として正極板と負極板との間に混入すると内部短絡が生じる原因になり得る。また、この金属片が電解液に溶解した後に、再度析出することによって内部短絡が生じる可能性もある。本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであり、上記剥離した金属片による内部短絡を抑制し、より安全性の高い二次電池を得ることができる技術を提供することを目的とする。
上記目的を実現するべく、ここに開示される技術によって以下の構成の電極板が提供される。
ここに開示される電極板は、二次電池に用いられる電極板である。かかる電極板は、導電性の金属材料を含む電極芯体と、電極芯体の表面に付与され、電極活物質を含む電極活物質層と、幅方向の一方の端辺から外側に突出し、電極活物質層が付与されておらず、電極芯体が露出した電極タブと、を備えている。かかる電極板は、少なくとも、電極タブの外側の端辺から幅方向の内側に向かって0.01mm~0.2mmの領域に、厚み40nm~200nmの金属材料の酸化膜を有する第1領域が形成されており、当該第1領域が電極タブの外側の端辺に沿って延びている。
本発明者は、上述の目的を達成するために種々の検討を行い、電極芯体をレーザ切断で切り出した場合、当該電極芯体から剥離した金属片の表面が酸化膜で被覆されることがある点に着目した。かかる酸化膜で被覆された金属片は、絶縁化されているため、正極板と負極板との間に混入しても内部短絡を生じさせない。また、酸化膜で被覆された金属片は、不活性化しているため、電解液に溶解することも抑制できる。ここに開示される電極板は、かかる知見に基づいてなされたものである。具体的には、ここに開示される電極板では、電極タブの外側の端辺から幅方向の内側に向かって0.01mm以上の領域に、厚み40nm以上の酸化膜を有する第1領域が形成されており、当該第1領域が電極タブの外側の端辺に沿って延びている。このように、一定以上の厚みと面積を有する酸化膜を意図的に形成することによって、電極タブから剥離し得る金属片を予め絶縁化・不活性化することができるため、当該剥離した金属片による内部短絡を抑制し、より安全性の高い二次電池を得ることができる。
なお、電極タブの外側の端辺から幅方向の内側に向かう第1領域の長さ(以下、「第1領域の幅」ともいう)が0.2mmを超えると、電極タブの表面における酸化膜の占有面積が広くなりすぎて、他の導電部材(集電部材など)を電極タブに接続した際の電気抵抗が大幅に上昇するおそれがある。このため、ここに開示される電極板では、第1領域の幅が0.2mm以下に限定されている。また、酸化膜の厚みが200nmを超えると、酸化膜のみが先に剥離する可能性がある。このため、ここに開示される技術では、第1領域における酸化膜の厚みを200nm以下としている。
また、ここに開示される電極板の一態様では、幅方向の内側に向かうにつれて金属材料の酸化膜の厚みが漸減する第2領域が、第1領域の幅方向の内側に隣接するように形成されている。これによって、電極タブの未酸化領域に対する酸化膜の定着性をさらに向上し、酸化膜のみが先に剥離することをより好適に防止できる。
また、ここに開示される電極板の一態様では、電極芯体は、金属材料として銅又は銅合金を含む。ここに開示される技術は、銅又は銅合金を含む電極芯体を用いた際に、より好適な効果を発揮できる。
また、ここに開示される電極板は、負極側の電極板(負極板)に特に好適に用いられる。
また、ここに開示される電極板の一態様では、電極タブは、電極板の幅方向の一方の端辺に、電極板の長手方向において所定の間隔を空けて複数形成されており、複数の電極タブの間に位置する端辺に電極活物質層が隣接している。このように電極タブの間に位置する端辺に電極活物質層が隣接させ、電極芯体が露出しないようにすることによって、電極タブ以外の部分から金属片が剥離することを防止できる。
また、上記複数の電極タブの間の端辺に電極活物質層が隣接する態様では、電極活物質層が隣接した端辺における電極芯体の端部に、幅方向の中央領域における電極芯体の厚みよりも厚みの大きい厚肉部が設けられていることが好ましい。これによって、電極活物質層の一部が負極芯体から脱落・剥離することを防止できる。
また、上記電極芯体の端部に厚肉部が形成された態様では、厚肉部の表面に、炭素材料ないし炭素元素を含む化合物を含有する被覆層が付着していることが好ましい。かかる被覆層は、電極芯体(厚肉部)に対する密着性に優れているため、電極芯体から電極活物質層が剥離・脱落することをより好適に防止できる。
さらに、上記電極芯体の端部に厚肉部が形成された態様では、電極活物質層の厚みに対する厚肉部の被覆層の厚みの割合が0.01~0.2であることが好ましい。これによって、厚肉部がセパレータに接触することによるセパレータの破損を好適に防止した上で、電極芯体からの電極活物質層の剥離・脱落をより好適に防止できる。
また、上記電極芯体の端部に厚肉部が形成された態様において、電極芯体の厚肉部は、厚さ方向の両側または片側に突出した笠部と、当該笠部と負極芯体との間に形成された凹部とを備えた鉤爪形状を有していることが好ましい。かかる鉤爪形状の厚肉部は、優れたアンカー効果を発揮して電極活物質層や被覆層を強固に保持するため、これらの脱落・剥離を好適に防止できる。
また、ここに開示される電極板の他の態様では、電極タブは、電極板の幅方向の一方の端辺に、電極板の長手方向において所定の間隔を空けて複数形成されており、複数の電極タブの間に位置する端辺に、電極芯体が露出した芯体露出領域が隣接しており、当該芯体露出領域の外側の端辺に第1領域が形成されており、当該第1領域が芯体露出領域の長手方向に沿って延びている。本態様のように、電極タブの間に位置する端辺において電極芯体が露出している場合には、当該芯体露出領域においても金属材料の酸化膜を含む第1領域が形成されていることが好ましい。これによって、芯体露出領域から剥離した金属片を適切に絶縁化・不活化して内部短絡を抑制できる。
ここに開示される技術の他の側面として二次電池が提供される。かかる二次電池は、正極板と負極板とセパレータとを含む電極体を備え、正極板および負極板の少なくとも一方が上述したいずれかの電極板である。上述した通り、ここに開示される電極板を用いることによって、二次電池の内部短絡を抑制し、安全性を向上することができる。
一実施形態に係る二次電池を模式的に示す斜視図である。 図1中のII-II線に沿う模式的な縦断面図である。 図1中のIII-III線に沿う模式的な縦断面図である。 図1中のIV-IV線に沿う模式的な横断面図である。 封口板に取り付けられた電極体を模式的に示す斜視図である。 正極第2集電部と負極第2集電部が取り付けられた電極体を模式的に示す斜視図である。 一実施形態に係る二次電池の捲回電極体の構成を示す模式図である。 図7の捲回電極体を模式的に示す正面図である。 図8中のIX-IX矢視図である。 図8中のX-X矢視図である。 二次電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図11に示す二次電池の製造方法の一例における正極板の作製を説明する平面図である。 図11に示す二次電池の製造方法の一例における負極板の作製を説明する平面図である。 サンプル1の負極タブの端辺における平面写真である。 サンプル2の負極タブの端辺における平面写真である。 サンプル3の負極タブの端辺における平面写真である。 サンプル4の負極タブの端辺における平面写真である。
以下、図面を参照しながら、ここで開示される技術の実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって、ここで開示される技術の実施に必要な事柄(例えば、電池の一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。ここで開示される技術は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、本明細書において範囲を示す「A~B」の表記は、A以上B以下の意と共に、「好ましくはAより大きい」および「好ましくはBより小さい」の意を包含するものとする。
なお、本明細書において「二次電池」とは、電解質を介して一対の電極(正極と負極)の間で電荷担体が移動することによって充放電反応が生じる蓄電デバイス一般をいう。かかる二次電池は、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池の他に、電気二重層キャパシタ等のキャパシタなども包含する。以下では、上述した二次電池のうち、リチウムイオン二次電池を対象とした場合の実施形態について説明する。
<二次電池>
以下、ここに開示される電極板を使用した二次電池を、ここで開示される技術の一実施形態として説明する。図1は、本実施形態に係る二次電池を模式的に示す斜視図である。図2は、図1中のII-II線に沿う模式的な縦断面図である。図3は、図1中のIII-III線に沿う模式的な縦断面図である。図4は、図1中のIV-IV線に沿う模式的な横断面図である。図5は、封口板に取り付けられた電極体を模式的に示す斜視図である。図6は、正極第2集電部と負極第2集電部が取り付けられた電極体を模式的に示す斜視図である。図7は、本実施形態に係る二次電池の捲回電極体の構成を示す模式図である。図8は、図7の捲回電極体を模式的に示す正面図である。図9は、図8中のIX-IX矢視図である。図10は、図8中のX-X矢視図である。なお、これらの図における符号Xは「奥行方向」を示し、符号Yは「幅方向」を示し、符号Zは「上下方向」を示す。また、奥行方向XにおけるFは「前」を示し、Rrは「後」を示す。幅方向YにおけるLは「左」を示し、Rは「右」を示す。そして、上下方向ZにおけるUは「上」を示し、Dは「下」を示す。但し、これらの方向は説明の便宜上の定めたものであり、二次電池100の設置形態を限定することを意図したものではない。
図2および図7に示すように、本実施形態に係る二次電池100は、一対の電極板(正極板10および負極板20)を有する捲回電極体40を備えている。以下、かかる二次電池100の具体的な構成について説明する。
(電池ケース)
電池ケース50は、捲回電極体40を収容する筐体である。電池ケース50は、ここでは扁平かつ有底の直方体形状(角形)の外形を有する。電池ケース50の材質は、従来から使用されているものと同じでよく、特に制限はない。電池ケース50は、金属製であることが好ましく、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金等からなることがより好ましい。図2に示すように、電池ケース50は、外装体52と、封口板54と、を備えている。
外装体52は、上面に開口52hを有する扁平な有底角型の容器である。図1に示すように、外装体52は、平面略矩形の底壁52aと、底壁52aの長辺から上下方向Zの上方に延びる一対の長側壁52bと、底壁52aの短辺から上下方向Zの上方に延びる一対の短側壁52cとを備えている。一方、封口板54は、外装体52の開口52hを塞ぐ、平面略矩形の板状部材である。そして、封口板54の外周縁部は、外装体52の開口52hの外周縁部と接合(例えば溶接)されている。これによって、内部が気密に封止(密閉)された電池ケース50が作製される。また、封口板54には、注液孔55と、ガス排出弁57とが設けられている。注液孔55は、外装体52と封口板54とを接合した後の電池ケース50の内部に、後述の非水電解液を注液するために設けられている。なお、注液孔55は、非水電解液の注液後に封止部材56によって封止される。また、ガス排出弁57は、電池ケース50内で大量のガスが発生した際に、予め定められた圧力で破断(開口)し、電池ケース50内のガスを排出するように設計された薄肉部である。
(非水電解液)
図示は省略するが、上述した電池ケース50の内部には、捲回電極体40の他に、非水電解液も収容されている。この非水電解液は、非水系溶媒に支持塩を溶解させることによって調製される。非水系溶媒の一例として、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等のカーボネート系溶媒が挙げられる。支持塩の一例として、LiPF等のフッ素含有リチウム塩が挙げられる。
(電極端子)
また、二次電池100の幅方向Yにおける封口板54の一方(図1、図2中の左側)の端部には正極端子60が取り付けられている。かかる正極端子60は、電池ケース50の外側において、板状の正極外部導電部材62と接続されている。一方、二次電池100の幅方向Yにおける封口板54の他方(図1、図2中の右側)の端部には、負極端子65が取り付けられている。かかる負極端子65にも、板状の負極外部導電部材67が取り付けられている。これらの外部導電部材(正極外部導電部材62および負極外部導電部材67)は、外部接続部材(バスバー等)を介して、他の二次電池や外部機器と接続される。なお、外部導電部材は、導電性に優れた金属(アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等)で構成されていることが好ましい。
(電極集電部)
そして、図3~図5に示すように、本実施形態に係る二次電池100では、電池ケース50の内部に複数個(図では3個)の捲回電極体40が収容されている。詳しい構造は後述するが、各々の捲回電極体40には、正極タブ群42と負極タブ群44とが設けられている。正極端子60は、電池ケース50内に収容された正極集電部70を介して、複数の捲回電極体40の各々の正極タブ群42と接続される。具体的には、電池ケース50の内部には、正極端子60と捲回電極体40とを接続する正極集電部70が収容されている。図2および図5に示すように、正極集電部70は、封口板54の内側面に沿って延びた板状の導電部材である正極第1集電部71と、上下方向Zに沿って延びた板状の導電部材である複数の正極第2集電部72とを備えている。そして、正極端子60の下端部60cは、封口板54の端子挿通孔58を通って電池ケース50の内部に向かって延び、正極第1集電部71と接続される(図2参照)。一方で、図4~図6に示すように、正極第2集電部72は、複数の捲回電極体40の各々の正極タブ群42に接続される。そして、図4および図5に示すように、捲回電極体40の正極タブ群42は、正極第2集電部72と捲回電極体40の一方の側面40aとが対向するように折り曲げられている。これによって、正極第2集電部72の上端部と正極第1集電部71とが電気的に接続される。
一方、負極端子65は、電池ケース50内に収容された負極集電部75を介して、複数の捲回電極体40の各々の負極タブ群44と接続される。かかる負極側の接続構造は、上述した正極側の接続構造と略同一である。具体的には、負極集電部75は、封口板54の内側面に沿って延びた板状の導電部材である負極第1集電部76と、上下方向Zに沿って延びた板状の導電部材である複数の負極第2集電部77とを備えている(図2および図5参照)。そして、負極端子65の下端部65cは、端子挿通孔59を通って電池ケース50の内部に延びて負極第1集電部76と接続される(図2参照)。一方、負極第2集電部77は、複数の捲回電極体40の各々の負極タブ群44と接続される(図4~図6参照)。そして、負極タブ群44は、負極第2集電部77と捲回電極体40の他方の側面40bとが対向するように折り曲げられている。これによって、負極第2集電部77の上端部と負極第1集電部76とが電気的に接続される。
(絶縁部材)
また、本実施形態に係る二次電池100では、捲回電極体40と電池ケース50との導通を防止する種々の絶縁部材が取り付けられている。具体的には、正極外部導電部材62(負極外部導電部材67)と封口板54の外側面との間には、外部絶縁部材92が介在している(図1参照)。これによって、正極外部導電部材62や負極外部導電部材67が封口板54と導通することを防止できる。また、封口板54の端子挿通孔58、59の各々にはガスケット90が装着されている(図2参照)。これによって、端子挿通孔58、59に挿通された正極端子60(又は負極端子65)が封口板54と導通することを防止できる。また、正極第1集電部71(又は負極第1集電部76)と封口板54の内側面との間には、内部絶縁部材94が配置されている。この内部絶縁部材94は、正極第1集電部71(又は負極第1集電部76)と封口板54の内側面との間に介在する板状のベース部94aを備えている。これによって、正極第1集電部71や負極第1集電部76が封口板54と導通することを防止できる。さらに、内部絶縁部材94は、封口板54の内側面から捲回電極体40に向かって突出する突出部94bを備えている(図2および図3参照)。これによって、上下方向Zにおける捲回電極体40の移動を規制し、捲回電極体40と封口板54が直接接触することを防止できる。加えて、捲回電極体40は、絶縁性の樹脂シートからなる電極体ホルダ98(図3参照)に覆われた状態で電池ケース50の内部に収容される。これによって、捲回電極体40と外装体52が直接接触することを防止できる。なお、上述した各々の絶縁部材の材料は、所定の絶縁性を有していれば特に限定されない。一例として、ポリオレフィン系樹脂(例、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE))、フッ素系樹脂(例、パーフルオロアルコキシアルカン(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE))等の合成樹脂材料を使用できる。
(捲回電極体)
上述した通り、本実施形態に係る二次電池100は、一対の電極板を有する捲回電極体40を備えている。図7に示すように、上記一対の電極板の一方は正極板10であり、他方は負極板20である。より具体的には、本実施形態における捲回電極体40では、帯状のセパレータ30を介して帯状の正極板10と帯状の負極板20とが捲回されている。なお、本実施形態に係る二次電池100は、捲回電極体40の捲回軸WLと、一対の電極板(正極板10および負極板20)の短手方向Sと、電池ケース50の幅方向Yとが略一致するように構成される。以下、かかる捲回電極体40の構成について具体的に説明する。
(正極板)
まず、図7に示すように、正極板10は、長尺な帯状の部材である。正極板10は、箔状の金属部材である正極芯体12と、正極芯体12の表面に付与された正極活物質層14と、正極板10の端辺10aに隣接するように正極芯体12の表面に付与された保護層16と、を備えている。なお、電池性能の観点から、正極活物質層14と保護層16は、正極芯体12の両面に付与されていることが好ましい。また、保護層16は、その一部が正極活物質層14の端辺を覆うように付与されていてもよい。さらに、この正極板10には、幅方向Y(正極板10の短手方向S)の一方の端辺10aから外側(図7中の左側)に向かって突出する正極タブ12tが設けられている。そして、この正極タブ12tは、正極板10の長手方向Lにおいて所定の間隔を空けて複数形成されている。この正極タブ12tは、正極活物質層14や保護層16が付与されておらず、正極芯体12が露出した領域である。
正極板10を構成する各部材には、一般的な二次電池(例えば、リチウムイオン二次電池)で使用され得る従来公知の材料を特に制限なく使用できる。例えば、正極芯体12には、所定の導電性を有した金属材料を好ましく使用できる。かかる正極芯体12は、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金等から構成されていることが好ましい。また、正極芯体12の厚みは、3μm~30μmが好ましく、3μm~20μmがより好ましく、5μm~15μmがさらに好ましい。
また、正極活物質層14は、正極活物質を含む層である。正極活物質は、電荷担体を可逆的に吸蔵・放出できる材料である。高性能の正極板10を安定的に作製するという観点から、正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物が好適である。上記リチウム遷移金属複合酸化物の中でも、遷移金属として、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)からなる群の少なくとも一種を含むリチウム遷移金属複合酸化物は特に好適である。具体例としては、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物(NCM)、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系複合酸化物(NCA)、リチウム鉄ニッケルマンガン系複合酸化物等が挙げられる。また、ニッケル、コバルトおよびマンガンを含まないリチウム遷移金属複合酸化物の好適例として、リチウムリン酸鉄系複合酸化物(LFP)等が挙げられる。なお、本明細書における「リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物」とは、主要構成元素(Li、Ni、Co、Mn、O)の他に、添加的な元素を含む酸化物を包含する用語である。かかる添加的な元素の例としては、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Si、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Na、Fe、Zn、Sn等の遷移金属元素や典型金属元素等が挙げられる。また、添加的な元素は、B、C、Si、P等の半金属元素や、S、F、Cl、Br、I等の非金属元素であってもよい。このことは、「~系複合酸化物」と記載した他のリチウム遷移金属複合酸化物についても同様である。また、正極活物質層14は、正極活物質以外の添加剤を含んでいてもよい。かかる添加剤の一例として、導電材、バインダ、シリコン系材料等が挙げられる。導電材の具体例としては、アセチレンブラック(AB)等の炭素材料が挙げられる。バインダの具体例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等の樹脂バインダが挙げられる。なお、正極活物質層14の固形分全体を100質量%としたときの正極活物質の含有量は、概ね80質量%以上であり、典型的には90質量%以上である。なお、正極活物質は、正極活物質層14の95質量%以上を占めていてもよい。また、正極活物質層14の厚みは、10μm~500μmが好ましく、30μm~400μmがより好ましく、50μm~300μmがさらに好ましい。
一方、保護層16は、正極活物質層14よりも電気伝導性が低くなるように構成された層である。かかる保護層16を正極板10の端辺10aに隣接するように付与することによって、捲回電極体40のセパレータ30が破損した際に、正極芯体12と負極活物質層24との接触による内部短絡を防止できる。例えば、保護層16として、絶縁性のセラミック粒子を含む層を形成すると好ましい。かかるセラミック粒子としては、アルミナ(Al)、マグネシア(MgO)、シリカ(SiO)、チタニア(TiO2)等の無機酸化物や、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム等の金属水酸化物や、マイカ、タルク、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン等の粘土鉱物や、ガラス繊維などが挙げられる。絶縁性や耐熱性を考慮すると、上述の中でも、アルミナ、ベーマイト、水酸化アルミニウム、シリカおよびチタニアが好適である。また、保護層16は、上記セラミック粒子を正極芯体12の表面に定着させるためのバインダを含有していてもよい。かかるバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等の樹脂バインダが挙げられる。なお、保護層16は、正極活物質層14よりも電気伝導性が低ければよく、上述の構成に限定されない。例えば、保護層16は、セラミック粒子の代わりに、絶縁性樹脂によって構成されていてもよい。また、保護層16は、炭素材料(アセチレンブラック)等の導電材が少量添加されていてもよい。また、保護層16の厚みは、正極活物質層14の厚みよりも薄い方が好ましい。例えば、保護層16の厚みは、1μm~100μmが好ましく、5μm~80μmがより好ましく、8μm~50μmがさらに好ましい。なお、上述した保護層は、正極板の必須の構成要素ではない。すなわち、ここに開示される二次電池では、保護層が形成されていない正極板を使用することもできる。
また、図10に示すように、正極板10の保護層16が隣接した側の端辺10a(図7中の左側の端辺)における正極芯体12の端部には、正極板10の中央領域における正極芯体12の厚みよりも厚みの大きい正極厚肉部12bが形成されていることが好ましい。詳しくは後述するが、正極前駆体10A(図12参照)から正極板10を切り出す際に連続発振レーザを使用すると、この正極芯体12の端部に正極厚肉部12bが形成される。換言すると、この正極厚肉部12bは、連続発振レーザの熱によって一度溶融した正極芯体12が固化することによって形成された断面略球形の領域である。かかる正極厚肉部12bが正極芯体12の端部に形成されることによって、幅方向Yにおける保護層16の移動が規制されるため、保護層16の脱落を防止できる。なお、説明の便宜上、図示は省略するが、図9に示される正極板10の正極タブ12tの外側の端辺12taにも正極厚肉部12bが形成されている。
また、正極厚肉部12bは、保護層16の端面16cから外側(図10中の幅方向Yの左側)に突出していると好ましい。これによって、幅方向Yにおける保護層16の移動をより適切に規制し、保護層16の脱落を好適に防止できる。なお、かかる正極厚肉部12bによる保護層16の保持をより適切に生じさせるという観点から、正極厚肉部12bの厚み(図10中の奥行方向Xにおける寸法)は、15μm~50μmであることが好ましい。なお、本明細書における「正極厚肉部12bの厚み」とは、捲回電極体の厚み方向(図10中の奥行方向X)における正極厚肉部12bの最大寸法を指すものとする。
(負極板)
図7に示すように、本実施形態における負極板20は、長尺な帯状の部材である。かかる負極板20は、箔状の金属部材である負極芯体22と、負極芯体22の表面に付与された負極活物質層24とを備えている。なお、電池性能の観点から、負極活物質層24は、負極芯体22の両面に付与されていることが好ましい。さらに、この負極板20には、幅方向Y(負極板20の短手方向S)の一方の端辺20aから外側(図7中の右側)に向かって突出する負極タブ22tが設けられている。この負極タブ22tは、負極板20の長手方向Lにおいて所定の間隔を空けて複数設けられている。この負極タブ22tは、負極活物質層24が付与されておらず、負極芯体22が露出した領域である。また、複数の負極タブ22tの間に位置する端辺20aには負極活物質層24が隣接している。換言すると、本実施形態では、負極タブ22tを除く領域において負極芯体22が露出しないように、端辺20aと隣接した領域における負極芯体22の表面に負極活物質層24が付与されている。このように、負極芯体22が露出する領域を減らすことによって、負極タブ22t以外の部分から金属片が剥離することを防止できる。
本実施形態に係る二次電池100では、負極芯体22として、銅や銅合金を含む電極芯体(銅製の電極芯体)が用いられている。換言すると、本実施形態における負極芯体22は、銅や銅合金を含む帯状の金属部材である。なお、後述する第1領域22t1に適切な厚みの酸化膜を容易に形成するという観点から、負極芯体22は、銅元素を主成分として含有する金属部材であることが好ましい。ここで、「銅元素を主成分として含有する金属部材」とは、全構成元素に対する銅元素の割合が90%以上(好適には92%以上、より好適には95%以上、特に好適には99%以上)である金属部材のことをいう。また、負極芯体22の厚みは、3μm~30μmが好ましく、3μm~20μmがより好ましく、5μm~15μmがさらに好ましい。
また、負極活物質層24は、負極活物質を含む層である。負極活物質には、上述した正極活物質との関係において電荷担体を可逆的に吸蔵・放出できれば特に限定されず、従来の一般的な二次電池で使用され得る材料を特に制限なく使用できる。かかる負極活物質としては、炭素材料、シリコン系材料などが挙げられる。炭素材料としては、例えば、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、非晶質炭素等を使用し得る。また、黒鉛の表面が非晶質炭素で被覆された非晶質炭素被覆黒鉛などを使用することもできる。一方、シリコン系材料としては、シリコン、シリコン酸化物(シリカ)などが挙げられる。また、シリコン系材料は、他の金属元素(例えばアルカリ土類金属)や、その酸化物を含有していてもよい。また、負極活物質層24は、負極活物質以外の添加剤を含んでいてもよい。かかる添加剤の一例として、バインダ、増粘剤等が挙げられる。バインダの具体例として、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系のバインダが挙げられる。また、増粘剤の具体例としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。なお、負極活物質層24の固形分全体を100質量%としたときの負極活物質の含有量は、概ね30質量%以上であり、典型的には50質量%以上である。なお、負極活物質は、負極活物質層24の80質量%以上を占めていてもよいし、90質量%以上を占めていてもよい。また、負極活物質層24の厚みは、10μm~500μmが好ましく、30μm~400μmがより好ましく、50μm~300μmがさらに好ましい。
図7~図9に示すように、本実施形態に係る二次電池100では、負極板20の電極タブ(負極タブ22t)に、厚み40nm以上の酸化膜を有する第1領域22t1が形成されている。そして、負極タブ22tの外側の端辺22taから幅方向Yの内側に向かう第1領域22t1の長さ(図8中の第1領域22t1の幅w1)は0.01mm以上である。そして、この第1領域22t1は、負極タブ22tの外側の端辺22taに沿って延びるように形成されている。すなわち、本実施形態に係る二次電池100では、一定以上の厚みと面積を有する酸化膜を負極タブ22tの表面に意図的に形成している。これによって、負極タブ22tから剥離し得る金属片を予め絶縁化・不活性化することができるため、当該剥離した金属片による内部短絡を抑制できる。
上述の通り、本実施形態では、金属片を適切に絶縁化・不活性化するために、第1領域22t1の幅w1が0.01mm以上であることが求められる。なお、負極タブ22tの表面における酸化膜(第1領域22t1)の占有面積をより広くし、金属片をさらに好適に絶縁化・不活性化するという観点から、第1領域22t1の幅w1は、0.05mm以上が好ましく、0.1mm以上が特に好ましい。一方で、負極タブ22tの表面における酸化膜の占有面積が広くなりすぎると、負極第2集電部77と負極タブ22tとの接続界面における電気抵抗が大幅に上昇するおそれがある。かかる観点から、本実施形態に係る二次電池100では、第1領域22t1の幅w1の上限値が0.2mm以下に限定されている。
また、本実施形態では、金属片を適切に絶縁化・不活性化するために、第1領域22t1における酸化膜の厚みが40nm以上であることが求められる。但し、金属片をさらに好適に絶縁化・不活性化するという観点から、第1領域22t1における酸化膜の厚みは、50nm以上が好ましく、70nm以上が特に好ましい。一方、酸化膜の剥離の抑制という観点から、第1領域22t1における酸化膜の厚みは、200nm以下に限定される。なお、本明細書における「酸化膜の厚み」は、下記表1に示されるMiley&Evansによる「酸化膜の表面の色と酸化膜の厚みとの関係の定義」に基づいて決定されたものである。
Figure 2022116967000002
さらに、本実施形態における負極タブ22tには、上記第1領域22t1の幅方向Yの内側(図7~図9中の左側)に隣接するように第2領域22t2が設けられている。かかる第2領域22t2は、幅方向Yの内側に向かうにつれて酸化膜の厚みが漸減する領域である。このような第2領域22t2を第1領域22t1に隣接させ、第1領域22t1と未酸化領域との間の明確な境界をなくすことによって、未酸化領域に対する酸化膜の定着性をさらに向上し、酸化膜の剥離をより好適に抑制できる。
また、負極板20の端辺20a(図7参照)における負極芯体22の端部には、図10に示すように、負極板20の中央領域における負極芯体22の厚みよりも厚みの大きい負極厚肉部22bが形成されていることが好ましい。詳しくは後述するが、負極前駆体20A(図13参照)から負極板20を切り出す際にパルスレーザを使用すると、負極芯体22の端部に負極厚肉部22bが形成される。より具体的には、この負極厚肉部22bは、パルスレーザからの熱で一度溶融した負極芯体22が固化することによって形成されたものである。かかる負極厚肉部22bが負極芯体22の端部に形成されることによって、幅方向Yにおける負極活物質層24の移動を規制し、負極活物質層24の好適に防止できる。なお、説明の便宜上、図示は省略するが、図9に示される負極板20の負極タブ22tの端辺22taにも負極厚肉部22bが形成されている。
また、負極厚肉部22bは、負極芯体22の厚さ方向(図10中の奥行方向X)の両側又は片側に突出した笠部22b1と、当該笠部22b1と負極芯体22との間に形成された凹部22b2とを備えた鉤爪形状を有していることが好ましい。上記正極厚肉部12bと異なり、負極厚肉部22bは、パルスレーザからの熱で一度溶融した負極芯体22が固化することによって形成されたものであるため、上述のような鉤爪形状になることがある。かかる鉤爪形状の負極厚肉部22bの凹部22b2の内部には、被覆層24bが入り込んでいる。これによって、優れたアンカー効果を発揮して被覆層24bを強固に保持することができる。この結果、導電性の異物(負極活物質層24、被覆層24b)の脱落・剥離をさらに好適に防止できる。なお、このような鉤爪形状の負極厚肉部22bが負極芯体22に形成されると、当該負極厚肉部22bと接触したセパレータ30が破損する可能性がある。しかし、本実施形態では、被覆層24bによって負極厚肉部22bが被覆されているため、鉤爪形状の負極厚肉部22bによるセパレータ30の破損を好適に防止できる。
なお、上記負極厚肉部22bの笠部22b1の厚みは、1μm以上が好ましく、2.5μm以上がより好ましく、4μm以上がさらに好ましい。これによって、より好適なアンカー効果を発揮させることができる。なお、上記「笠部の厚み」は、芯体表面を基準とした際の笠部22b1の片側の厚み(図10中の短辺方向Xにおける寸法)である。また、セパレータ30の破損をより確実に防止するという観点から、笠部22b1の厚みの上限値は、30μm以下が好ましく、25μm以下がより好ましく、20μm以下がさらに好ましい。一方、笠部22b1の幅(図10中の幅方向Yにおける寸法)は、特に限定されない。例えば、当該笠部22b1の幅は、1μm~30μmでもよく、5μm~25μmでもよく、10μm~20μmでもよい。さらに、負極厚肉部22bの凹部22b2の入口の高さ(図10中の奥行方向Xにおける寸法)は、1μm~10μmが好ましく、2.5μm~7.5μmがより好ましい。一方、負極厚肉部22bの凹部22b2の奥行(図10中の幅方向Yにおける寸法)は、0.1μm~10μmが好ましく、2.5μm~7.5μmがより好ましい。これによって、凹部22b2の内部に適切な量の被覆層24bを保持させ、より好適なアンカー効果を発揮させることができる。また、負極芯体22の表面から笠部22b1が立ち上がる角度は、0°超90°以下が好ましい。
一方、負極活物質層24の厚みに対する負極厚肉部22bの被覆層の厚みの割合は、0.01~0.2であることが好ましい。このように上記負極活物質層24に対する負極厚肉部22bの厚みの割合を0.2以下とすることによって、負極厚肉部22bの被覆層が剥離・脱落することを抑制できる。一方、上記割合を0.01以上とすることによって、負極厚肉部22bがセパレータ30と接触することを防止し、セパレータ30の破損をより好適に防止できる。
さらに、負極活物質層24が隣接した負極板20の端辺20a(図7参照)に形成された負極厚肉部22bの表面には、図10に示すように、被覆層24bが付着していることが好ましい。この被覆層24bは、パルスレーザの熱によって負極活物質層24が変質したものである。具体的には、被覆層24bは、負極活物質層24中の負極活物質や、炭化した添加剤(バインダ等)等の炭素材料(若しくは炭素元素を含む化合物)が緻密化したものである。かかる被覆層24bは、負極芯体22(負極厚肉部22b)の表面に対する密着性に優れているため、負極活物質層24の剥離・脱落による内部短絡の発生を好適に防止できる。
(セパレータ)
本実施形態における捲回電極体40は、上述の正極板10と負極板20との間にセパレータ30が配置されている。このセパレータ30は、正極板10と負極板20との接触を防止すると共に、電荷担体を通過させる機能を有したシート状の部材である。かかるセパレータ30の一例として、電荷担体が通過し得る微細な孔が複数形成された樹脂シートが挙げられる。かかる樹脂シートは、ポリオレフィン樹脂(例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP))からなる樹脂層を含むことが好ましい。また、上記樹脂シートの表面には、アルミナ、ベーマイト、水酸化アルミニウム、チタニア等の無機フィラーを含む耐熱層が形成されていてもよい。
(捲回電極体の構造)
次に、上述した正極板10と、負極板20と、セパレータ30とを備えた捲回電極体40の具体的な構造について説明する。かかる捲回電極体40は、2枚のセパレータ30を介して正極板10と負極板20を積層して捲回することによって作製される。具体的には、まず、セパレータ30、負極板20、セパレータ30、正極板10を、この順序で積層した積層体を作製する(図7参照)。このとき、幅方向Yの一方(図7中の左側)の側縁から正極板10の正極タブ12tのみが突出し、かつ、他方(図7中の右側)の側縁から負極板20の負極タブ22tのみが突出するように、各々のシート状部材の積層位置をずらして積層する。そして、幅方向Yの一方の側縁の同じ位置において複数の正極タブ12tが積層され、かつ、他方の側縁の同じ位置において複数の負極タブ22tが積層されるように積層体を捲回する。このようにして作製された捲回電極体40の最外周には、セパレータ30が配置される(図8参照)。この最外周のセパレータ30の捲回終端30aに巻き止めテープ38を貼り付けることによって、捲回電極体40の形状が保持される。そして、この捲回電極体40では、幅方向Yの一方の端部において、複数の正極タブ12tが積層された正極タブ群42が形成される。また、捲回電極体40の幅方向Yの他方の端部には、複数の負極タブ22tが積層された負極タブ群44が形成される。そして、幅方向Yの中央部には、正極活物質層14と負極活物質層24が対向したコア部46が形成される。かかるコア部46は、充放電反応が生じる主な場となる。
また、本実施形態における捲回電極体40では、負極板20の被覆層24bと負極活物質層24との境界が正極活物質層14の端辺よりも幅方向Yの外方に位置するように、各々のシート状部材の積層位置が定められる。これによって、充放電中の電荷担体の析出による容量低下を防止できる。具体的には、負極板20に形成された被覆層24bは、上述した通り、負極芯体22から剥離・脱落し難いという利点を有している一方で、薄膜化しているため負極活物質層としての機能(電荷担体の吸蔵・放出能力)が低いという欠点を有している。このため、被覆層24bと正極活物質層14とを対向させると、捲回電極体40の反応面(コア部46の扁平面)における充放電反応の分布が不均一になり、電荷担体が析出する可能性がある。このことから、被覆層24bが充放電反応に寄与しないように、被覆層24bと負極活物質層24との境界を正極活物質層14と対向しない領域に配置した方が好ましい。
<二次電池の製造方法>
以上の通り、本実施形態に係る二次電池100では、負極板20の負極タブ22tに、厚み40nm以上の酸化膜を有する第1領域22t1が形成されている。そして、第1領域22t1は、負極タブ22tの外側の端辺22taに沿って延びると共に、その幅w1が0.01mm以上となるように形成される。このように、一定以上の厚みと面積を有する酸化膜を形成することによって、負極タブ22tから剥離し得る金属片を予め絶縁化・不活性化することができるため、当該剥離した金属片による内部短絡を抑制できる。以下、上述した第1領域22t1を負極タブ22tに形成する手順(二次電池の製造方法)の一例について説明する。
図11は、二次電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。図12は、図11に示す二次電池の製造方法の一例における正極板の作製を説明する平面図である。図13は、図11に示す二次電池の製造方法の一例における負極板の作製を説明する平面図である。なお、上記図12および図13中の符号Sは、電極板(正極板および/又は負極板)の短手方向を示し、符号Lは、電極板の長手方向を示している。上述した通り、本実施形態に係る二次電池100は、電極板の短手方向Sと電池ケース50の幅方向Yとが略一致するように構成される。
詳しくは後述するが、図11に示す製造方法では、負極準備工程S30と負極切断工程S40を実施することによって、酸化膜を有する第1領域22t1を負極板20の負極タブ22tに形成する。なお、以下では、説明の便宜上、負極準備工程S30と負極切断工程S40の前後の工程(正極準備工程S10、正極切断工程S20および電極体作製構成S50)もあわせて説明する。
(正極準備工程S10)
図11に示す製造方法では、まず、正極板10の前駆体である正極前駆体10Aを準備する正極準備工程S10を実施する。図12に示すように、この正極前駆体10Aは、帯状の金属箔である正極芯体12を備えている。かかる正極前駆体10Aの正極芯体12の面積は、上述した正極板10の面積よりも広い。そして、この正極芯体12の表面には、正極活物質層14と保護層16が付与されている。具体的には、短手方向Sにおける正極前駆体10Aの中央部には、長手方向Lに沿って延びるように正極活物質層14が付与されている。そして、当該正極活物質層14の端辺14aに隣接した各々の領域には、長手方向Lに沿って延びるように一対の保護層16が付与されている。そして、正極前駆体10Aの両側縁部(短手方向Sにおける保護層16の外側の領域)には、正極活物質層14や保護層16が付与されておらず、正極芯体12が露出した正極露出部12aが形成されている。上記構成の正極前駆体10Aを準備する手段は、特に限定されず、従来公知の種々の手法を特に制限なく採用できる。例えば、帯状の正極芯体12の表面(両面)に、正極活物質層14の前駆物質である正極ペーストと、保護層16の前駆物質である保護ペーストとを塗布し、各々のペーストを乾燥させることによって正極前駆体10Aを作製できる。
(正極切断工程S20)
本工程では、図12に示す構成の正極前駆体10Aから、正極板10(図9参照)を切り出す。例えば、正極切断工程S20では、正極前駆体10Aの保護層16が付与された領域(保護層付与領域)をレーザで切断することが好ましい。このとき、図12中の点線LP1に示すように、正極活物質層14の端辺14aに沿うように、保護層16上にレーザを走査させることが好ましい。これによって、厚みが不均一になりやすい保護層16の端辺16aが切除されるため、保護層16の厚みが均一な正極板10を作製できる。また、本工程におけるレーザは、一定の周期毎に短手方向Sの外側に向かうように走査し、正極露出部12aの一部を切断した後に、再び保護層付与領域を切断するために短手方向Sの内側に向かうように走査する(点線LP1参照)。これによって、正極露出部12aの一部が凸状に切り出され、短手方向Sの外側に突出する複数の正極タブ12tが形成される。さらに、本工程では、図12中の二点鎖線LP2に示すように、短手方向Sにおける正極前駆体10Aの中央部を長手方向Lに沿って裁断する。これによって、短手方向Sの一方の端辺のみに、保護層16と正極タブ12tが形成された正極板10を作製できる。また、本工程では、図12中の二点鎖線LP3に示すように、長さ方向Lにおいて所定の間隔を空けて、正極前駆体10Aを短手方向Sに沿って裁断している。これによって、所望の長さを有した帯状の正極板10が作製される。なお、二点鎖線LP2、LP3に沿った正極前駆体10Aの裁断を実施する手段は特に限定されない。例えば、切断時間の短縮による製造効率の向上という観点から、二点鎖線LP2、LP3に沿った正極前駆体10Aの裁断には、切断刃、金型、カッター等を使用することができる。また、上記点線LP1に沿った切断と同様に、レーザ切断を採用することもできる。
ここで、上記点線LP1に示す保護層付与領域のレーザ切断において、大きな衝撃が保護層16に加わると、当該保護層16が吹き飛ばされて脱落・剥離する可能性がある。このような場合、作製後の正極板10の端辺10aにおいて正極芯体12が露出するため、内部短絡が生じやすくなる。かかる保護層16の脱落・剥離を防止するために、上記点線LP1に沿った保護層付与領域の切断では、連続発振レーザ(CWレーザ:continuous wave laser)を使用することが好ましい。かかる連続発振レーザは、一定の出力のレーザを連続的に発振するため、後述するパルスレーザと比べてピーク出力が相対的に小さくなる。このため、保護層16が吹き飛ばされるような大きな衝撃が保護層16に加わることを抑制し、保護層16の脱落・剥離を防止できる。また、連続発振レーザによって切り出された正極板10では、連続発振レーザの熱によって正極芯体12の端部が一度溶融し、その後に固化する。この結果、上述したように、正極芯体12の端部に、断面略球形の正極厚肉部12bが形成される。
なお、保護層付与領域を切断する連続発振レーザの条件は特に限定されず、正極前駆体10Aの構造(典型的には、保護層16や正極芯体12の厚みや材料)に応じて適宜調節することが好ましい。例えば、連続発振レーザの出力は、500W~2000Wが好ましく、700W~1500Wがより好ましく、例えば1000Wに設定され得る。これによって、保護層16の脱落・剥離を防止しつつ、正極前駆体10Aを容易に切断できる。具体的には、連続発振レーザの出力が大きくなるにつれて、正極前駆体10Aの切断が容易になる傾向がある。一方、連続発振レーザの出力が小さくなるにつれて、保護層16に加わる衝撃が小さくなるため、保護層16の脱落・剥離をさらに好適に防止できる。
また、連続発振レーザの走査速度は、2000mm/sec~10000mm/secが好ましく、4000mm/sec~8000mm/secがより好ましく、例えば6000mm/secに設定され得る。これによって、保護層16の焼失を抑制した上で、正極前駆体10Aを容易に切断できる。具体的には、連続発振レーザの走査速度を速くするにつれて、保護層16に加わる熱が小さくなるため、過剰な熱による保護層16の焼失が生じにくくなる。一方、走査速度を遅くするにつれて、正極前駆体10Aの反対側までレーザが貫通しやすくなるため、正極前駆体10Aの切断が容易になる傾向がある。一方、連続発振レーザのスポット径は、10μm~60μmが好ましく、20μm~50μmがより好ましい。これによって、正極前駆体から正極板を容易に切り出すことができる。
(負極準備工程S30)
次に、図11に示す製造方法では、負極準備工程S30と負極切断工程S40を実施することによって負極板20を作製する。上記負極準備工程S30では、負極板20の前駆体である負極前駆体20Aを準備する。図13に示すように、負極前駆体20Aは、帯状の金属箔である負極芯体22を備えている。この負極前駆体20Aの負極芯体22の面積は、上述した負極板20の面積よりも広い。そして、当該負極芯体22の表面には、負極活物質層24が付与されている。具体的には、短手方向Sにおける負極前駆体20Aの中央部には、長手方向Lに沿って延びるように負極活物質層24が付与されている。そして、この負極前駆体20Aの両側縁部(短手方向Sにおける負極活物質層24の外側の領域)には、負極活物質層24が付与されておらず、負極芯体22が露出した負極露出部22aが形成されている。上記構成の負極前駆体20Aを準備する手段は、特に限定されず、従来公知の種々の手法を特に制限なく採用できる。例えば、上記正極前駆体10Aの作製と同様に、原料ペーストの塗布・乾燥によって、負極芯体22の表面に負極活物質層24が付与された負極前駆体20Aを作製できる。
(負極切断工程S40)
本工程では、図13に示す構成の負極前駆体20Aから負極板20(図9参照)を切り出す。この負極切断工程S40では、負極前駆体20Aの負極活物質層24が付与された領域(負極活物質層付与領域)をレーザで切断する。具体的には、図13中の点線LN1に示すように、負極活物質層24の端辺24aに沿うように、負極活物質層24上にレーザを走査させる。これによって、厚みが不均一になりやすい負極活物質層24の端辺24aを切除し、負極活物質層24の厚みが均一な負極板20を作製できる。また、本工程におけるレーザは、一定の周期毎に短手方向Sの外側に向かうように走査し、負極露出部22aの一部を切断した後に、再び負極活物質層付与領域を切断するために短手方向Sの内側に向かうように走査する(点線LN1参照)。これによって、負極露出部22aの一部が凸状に切り出され、短手方向Sの外側に突出する複数の負極タブ22tが形成される。さらに、本実施形態では、図13中の二点鎖線LN2に示すように、負極前駆体20Aの短手方向Sの中央部を長手方向Lに沿って裁断する。これによって、図7に示すように、短手方向Sの一方の端辺20aのみに負極タブ22tが形成された負極板20を作製できる。また、本工程では、二点鎖線LN3に示すように、長さ方向Lにおいて所定の間隔を空けて、負極前駆体20Aを短手方向Sに沿って裁断している。これによって、所望の長さを有した帯状の負極板20が作製される。なお、上述した正極前駆体10Aの裁断と同様に、二点鎖線LN2、LN3に沿った負極前駆体20Aの裁断には、レーザ切断を使用しなくてもよく、切断刃、金型、カッター等を使用してもよい。
ここで、上記点線LN1に示すように負極活物質層付与領域をレーザで切断すると、レーザの熱で溶融した負極芯体22の一部が負極活物質層24と混ざる可能性がある。そして、負極芯体22由来の金属成分が負極活物質層24内で固化すると、負極活物質層24の密着性が大幅に失われ、僅かな衝撃で負極芯体22から容易に脱落・剥離するおそれがある。これに対しては、負極前駆体20Aから負極板20を切り出す際のレーザとして、パルスレーザを使用することが好ましい。かかるパルスレーザは、短い時間幅で大きなエネルギーを集中して加えることができる(ピーク出力が高い)ため、負極芯体の溶融量を低減して切断することができる。これによって、溶融した負極芯体22の一部が負極活物質層24に混ざることを抑制し、負極活物質層24の脱落・剥離を適切に防止できる。
そして、かかるパルスレーザを用いて負極前駆体20Aの負極露出部22aを切断した場合、当該負極露出部22aから切り出された負極タブ22tの端辺22taに沿うように、酸化膜を有する第1領域22t1が形成される。そして、この第1領域22t1の幅w1が0.01mm以上となり、かつ、第1領域22t1における酸化膜の厚みが40nm以上となるように、パルスレーザの条件を調節することによって、上述の実施形態における負極板20を容易に作製することができる。
なお、このときのパルスレーザの条件は、特定の条件に限定されず、負極前駆体20Aの構造(典型的には、負極芯体22の厚みや材料)に応じて適宜調節することが好ましい。一例として、パルスレーザのピーク出力は、4kW~10kWが好ましく、5kW~8kWがより好ましく、例えば5kWに設定され得る。また、パルスレーザの走査速度は、20mm/sec~5000mm/secが好ましく、150mm/sec~4000mm/secがより好ましい。パルスレーザのスポット径は、10μm~60μmが好ましく、20μm~50μmがより好ましい。これらの条件を適宜調節することによって、適切な厚みと幅の酸化膜を有した第1領域22t1を、負極タブ22tの端辺22taに沿うように形成することができる。
(電極体作製工程S50)
次に、図11に示す製造方法では、正極板10と負極板20とセパレータ30とを含む電極体を作製する電極体作製工程S50を実施する。図7に示すように、この電極体作製工程S50では、帯状のセパレータ30を介して帯状の正極板10と帯状の負極板20が捲回された捲回電極体40を作製する。具体的には、セパレータ30、負極板20、セパレータ30、正極板10を、この順序で積層した積層体を作製する(図7参照)。そして、短手方向Sの一方の側縁の同じ位置において複数の正極タブ12tが積層され、かつ、他方の側縁の同じ位置において複数の負極タブ22tが積層されるように積層体を捲回する。これによって、図7に示すような捲回電極体40が作製される。この捲回電極体40では、一定以上の厚みと幅の酸化膜を有する第1領域22t1が、負極板20の負極タブ22tの端辺22taに沿うように形成される。
そして、上述の工程を経て作製した捲回電極体40を電解液と共に電池ケース50の内部に収容し、捲回電極体40を電極端子(正極端子60および負極端子65)と接続することによって、図1~10に示される構成の二次電池100を製造できる。なお、捲回電極体40を用いて二次電池100を構築する具体的な手順については、従来公知の製造方法を特に制限なく採用することができ、ここに開示される技術を限定するものではないため、詳しい説明を省略する。
以上の通り、ここで説明した製造方法では、負極切断工程S40において、所定の条件に調節されたパルスレーザを使用し、負極前駆体20Aの負極露出部22aを切断している。これにおって、一定以上の厚みと幅の酸化膜を有する第1領域22t1を負極タブ22tの端辺22taに沿うように形成することができる。これによって、電極タブから剥離し得る金属片を予め絶縁化・不活性化することができるため、当該剥離した金属片による内部短絡を抑制できる。すなわち、ここで説明した製造方法によると、安全性の高い二次電池を得ることができる。
また、ここに開示される技術を限定することを意図したものではないが、上述の製造方法によって二次電池100を作製した場合、負極芯体22の負極厚肉部22bの厚みは、正極芯体12の正極厚肉部12bの厚みよりも小さくなり得る。上述の製造方法における負極切断工程S40では、パルスレーザを用いて負極芯体22を気化させている。一方、正極切断工程S20では、連続発振レーザを用いて正極芯体12を徐々に溶融させながら切断する。このように、負極芯体22の負極厚肉部22bは、正極芯体12の正極厚肉部12bよりも少ない金属で形成されるため、当該正極厚肉部12bよりも厚みが小さくなりやすい。
<他の実施形態>
以上、ここに開示される技術の一実施形態について説明した。なお、上述の実施形態は、ここに開示される技術が適用される一例を示したものであり、ここに開示される技術を限定するものではない。
例えば、上述の実施形態では、電極体として捲回電極体40を使用している。しかし、電極体は、正極板と負極板とセパレータとを含むものであればよく、捲回電極体に限定されない。かかる電極体の他の例として、セパレータを介在させながら、複数枚の正極板と負極板とを順次積層させた積層電極体が挙げられる。この種の積層電極体に用いられる正極板を作製するには、図12中の二点鎖線LP3に示すような短手方向Sに沿った裁断を、1つの正極タブ12t毎に実施するとよい。同様に、積層電極体用の負極板を作製するには、図13中の二点鎖線LN3に示すような短手方向Sに沿った裁断を、1つの負極タブ22t毎に実施するとよい。そして、正極板の正極タブ12tが同じ位置に積層され、かつ、負極板の負極タブ22tが同じ位置に積層されるように、セパレータを介在させながら各々の電極板を積層することによって積層電極体を作製できる。そして、かかる積層電極体を有した二次電池の製造工程においても、負極前駆体20Aの負極露出部22aをレーザで切断することがあり得るため、ここに開示される技術を適用できる。
さらに、上述の実施形態では、負極タブ22t以外の部分から金属片が剥離することを抑制するために、長手方向Lにおける負極タブ22tの間に位置する端辺20aに負極活物質層24を付与している。しかし、かかる電極板の端辺の構成は、ここに開示される技術を限定するものではない。例えば、複数の電極タブの間に位置する端辺に、電極芯体が露出した領域(芯体露出領域)が隣接するように形成されていてもよい。このような芯体露出領域を有する電極板は、例えば、図13に示す負極前駆体20Aの負極露出部22aのみを切断して負極板を切り出すことによって作製できる。なお、芯体露出領域を有する電極板を製造する際には、酸化膜を有する第1領域が芯体露出領域にも形成されるようにレーザ切断の条件等を調節することが好ましい。これによって、芯体露出領域から剥離する金属片を絶縁化・不活性化することができるため、二次電池の内部短絡をより好適に防止できる。但し、酸化膜(第1領域)は、少なくとも電極タブの端辺に形成されていればよく、芯体露出領域への酸化膜の形成は、ここに開示される技術を限定するものではない。
加えて、上述の実施形態では、電池ケース50の内部に3個の捲回電極体40が収容された高容量の二次電池100を対象としている。しかし、1つの電池ケース内に収容される電極体の数は、特に限定されず、2つ以上(複数)であってもよいし、1つであってもよい。さらに、上述の実施形態に係る二次電池100は、リチウムイオンが電荷担体であるリチウムイオン二次電池である。しかし、ここに開示される二次電池は、リチウムイオン二次電池に限定されない。他の二次電池(例えばニッケル水素電池など)の製造工程においても、負極前駆体20Aの負極露出部22aをレーザで切断することがあり得るため、ここに開示される技術を適用できる。
また、上述の実施形態に係る二次電池100は、電解質として非水電解液を用いた非水電解液二次電池である。しかし、ここに開示される技術は、非水電解液二次電池以外の電池に適用することもできる。二次電池の構造の他の例として、全固体電池が挙げられる。この全固体電池では、正極板と負極板との間に介在させるセパレータとして、固体電解質をシート状に成形した固体電解質層が用いられる。この全固体電池では、セパレータと電解質とが一体化され、電極体の内部に含まれるため、電解液の漏出などを防止できる。この種の全固体電池の製造工程においても、負極前駆体20Aの負極露出部22aをレーザで切断することがあり得るため、ここに開示される技術を適用できる。
さらに、上述した製造方法は、ここに開示される二次電池を限定することを意図したものではない。例えば、所定の条件のパルスレーザを使用せずに負極前駆体20Aから負極板20を切り出した場合であっても、一定の厚みと幅の酸化膜を有した第1領域22t1を負極タブ22tの端辺22taに沿うように形成することができる。例えば、パルスレーザ以外のレーザやカッターなどで負極板20を切り出した場合には、負極板20の負極タブ22tの短辺22taに熱酸化処理を実施するとよい。これによって、負極板20の負極タブ22tの端辺22taに沿うように、充分な厚みと幅の酸化膜を有する第1領域22t1を形成できる。なお、第1領域22t1を効率良く形成するという点を考慮すると、上述した製造方法のように、所定の条件のパルスレーザを用いて負極露出部22aを切断し、負極タブ22tを形成しながら、所定の厚みと幅の酸化膜を生成した方が好ましい。
また、上述の実施形態では、所定の厚みと幅の酸化膜を有する第1領域が電極タブに形成された電極板を、負極板20に使用している。しかしながら、ここに開示される技術は、種々の電極板に広く適用でき、その適用先は負極板に限定されない。例えば、正極板に使用される正極芯体は、アルミニウムやアルミニウム合金等から構成されていることが好ましい。この種のアルミニウム製の正極芯体の正極タブに、所定の厚みと幅の酸化膜(酸化アルミニウム膜)を有する第1領域を形成することによって、正極芯体から剥離する金属片(アルミニウム片)を適切に絶縁化・不活性化できる。なお、ここに開示される電極板における電極芯体の素材は、上述した銅系材料やアルミニウム系材料に限定されず、所定の導電性を有する金属材料であれば特に制限なく使用できる。
[試験例]
以下、本発明に関する試験例を説明する。なお、以下に記載する試験例の内容は、本発明を限定することを意図したものではない。
1.各サンプルの作製
(1)サンプル1
サンプル1では、まず、厚み8μmの負極芯体(銅箔)の両面に、厚さ80μmの負極活物質層が付与された負極前駆体を準備した。この負極前駆体の負極活物質層には、負極活物質と、増粘剤と、バインダとが98.3:0.7:1.0の割合で含まれている。なお、負極活物質には黒鉛(グラファイト)を使用し、増粘剤にはカルボキシメチルセルロース(CMC)を使用し、バインダにはスチレンブタジエンゴム(SBR)を使用した。また、この負極前駆体の両側縁部には、負極活物質層が付与されておらず、負極芯体が露出した負極露出部を形成した。
次に、負極タブを有した負極板が形成されるように、上述の負極前駆体をレーザ切断した。具体的には、負極前駆体の負極活物質層付与領域をレーザ切断しながら、一定の周期毎に負極露出部の一部を凸状に切り出すことによって、複数の負極タブを有した負極板を作製した(図13中の点線LN1参照)。ここで、サンプル1では、上述のレーザ切断にパルスレーザを使用した。このときのパルスレーザのピーク出力は3kWに設定し、走査速度は333mm/secに設定した。また、パルスレーザのスポット径は30μmに設定した。
(2)サンプル2
サンプル2では、パルスレーザのピーク出力を4kWに変更した点を除いて、サンプル1と同じ条件で負極板を作製した。
(3)サンプル3
サンプル3では、パルスレーザのピーク出力を5kWに変更した点を除いて、サンプル1と同じ条件で負極板を作製した。
(4)サンプル4
サンプル4では、レーザ切断に連続波レーザ(CWレーザ)を使用した点を除いて、サンプル1と同じ条件で負極板を作製した。なお、連続発振レーザの平均出力は1kWに設定した。また、走査速度は6000mm/secに設定し、スポット径は30μmに設定した。
2.評価試験
本試験では、上述の各サンプルにおけるレーザ切断箇所(負極タブの端辺)の表面をマイクロスコープを用いて観察した。観察結果を図14~図16に示す。図14は、サンプル1の負極タブの端辺における平面写真である。図15は、サンプル2の負極タブの端辺における平面写真である。図16は、サンプル3の負極タブの端辺における平面写真である。図17は、サンプル4の負極タブの端辺における平面写真である。
また、本試験では、撮影した写真に基づいて、レーザ切断部位における酸化膜の厚みを測定した。そして、当該酸化膜の厚みが40nm以上であった場合、負極タブの端辺に第1領域が形成されているとみなし、当該第1領域の幅を測定した。各々の測定結果を以下の表2に示す。なお、本試験における酸化膜の厚みは、上述したMiley&Evansによる「酸化膜の表面の色と酸化膜の厚みとの関係の定義」に基づいて決定したものである。
Figure 2022116967000003
まず、図14~図16に示すように、サンプル1~3では、レーザ切断部位である負極タブの端辺(図中の上側の端辺)に沿うように、銅製の負極芯体が変色した領域が形成されていた。かかる変色した領域には、酸化膜が形成されていると解される。一方、図17に示すように、CWレーザを使用したサンプル4では、負極芯体が変色した領域(酸化膜)が全く確認されなかった。そして、図14に示す写真(サンプル1)では、負極タブの端辺が暗褐色に変色していたため、上述したMiley&Evansの定義によると、負極タブの端辺に40nm未満(37nm程度)の厚みの酸化膜が形成されていると解される。しかし、このサンプル1において形成された酸化膜では、負極タブから金属片が剥離した際に、当該金属片を適切に絶縁するには不十分であると解される。
一方、図15に示すSEM写真(サンプル2)では、負極タブの端辺が紫色~青色に変色していた。このことから、サンプル2の負極タブの端辺には、40nm~50nm程度の厚みの酸化膜を有した第1領域が形成されていると解される。また、図16に示す写真(サンプル3)では、負極タブの端辺が銀色に変色していた。このことから、サンプル3の負極タブの端辺には、80nm程度の厚みの酸化膜を有した第1領域が形成されていると解される。そして、これらのサンプル2、3の第1領域の幅は、0.01mm以上であった。これらのサンプル2、3の酸化膜は、負極タブから剥離した金属片を適切に絶縁できる程度の厚みであると解される。以上の点から、厚み40nm以上の酸化膜を有する第1領域が電極タブの端辺に沿うように形成され、かつ、当該第1領域の幅が0.01mm以上である場合、負極タブから剥離した金属片を適切に絶縁し、二次電池の内部短絡を抑制できると予想される。
また、サンプル2、3では、幅方向の内側(図15および図16中の下側)に向かうにつれて紫色から暗褐色に連続的に変色する領域(第2領域)が第1領域に隣接して形成されていた。かかる第2領域では、酸化膜の厚みが40nm~0nmの範囲で漸減していると解される。このような酸化膜の厚みが漸減する第2領域が第1領域に隣接していることによって、第1領域と未酸化領域との間の明確な境界がなくなるため、未酸化領域に対する酸化膜の定着性がさらに向上すると解される。
以上、本発明を詳細に説明したが、上述の説明は例示にすぎない。すなわち、ここで開示される技術には上述した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
10 正極板
10A 正極前駆体
12 正極芯体
14 正極活物質層
16 保護層
20 負極板
20A 負極前駆体
22 負極芯体
22t 負極タブ
22t1 第1領域
22t2 第2領域
22ta 負極タブの端辺
24 負極活物質層
30 セパレータ
40 捲回電極体
50 電池ケース
52 外装体
54 封口板
60 正極端子
65 負極端子
70 正極集電部
75 負極集電部
100 二次電池

Claims (11)

  1. 二次電池の電極に用いられる電極板であって、
    導電性の金属材料を含む電極芯体と、
    前記電極芯体の表面に付与され、電極活物質を含む電極活物質層と、
    幅方向の一方の端辺から外側に突出し、前記電極活物質層が付与されておらず、前記電極芯体が露出した電極タブと、
    を備え、
    少なくとも前記電極タブの外側の端辺から幅方向の内側に向かって0.01mm~0.2mmの領域に、厚み40nm~200nmの前記金属材料の酸化膜を有する第1領域が形成されており、当該第1領域が前記電極タブの外側の端辺に沿って延びている、電極板。
  2. 幅方向の内側に向かうにつれて前記金属材料の酸化膜の厚みが漸減する第2領域が、前記第1領域の幅方向の内側に隣接するように形成されている、請求項1に記載の電極板。
  3. 前記電極芯体は、前記金属材料として銅又は銅合金を含む、請求項1または2に記載の電極板。
  4. 二次電池の負極に用いられる、請求項1~3のいずれか一項に記載の電極板。
  5. 前記電極タブは、前記電極板の幅方向の一方の端辺に、前記電極板の長手方向において所定の間隔を空けて複数形成されており、
    複数の前記電極タブの間に位置する前記端辺に前記電極活物質層が隣接している、請求項4に記載の電極板。
  6. 前記電極活物質層が隣接した端辺における前記電極芯体の端部に、前記幅方向の中央領域における前記電極芯体の厚みよりも厚みの大きい厚肉部が設けられている、請求項5に記載の電極板。
  7. 前記厚肉部の表面に、炭素材料ないし炭素元素を含む化合物を含有する被覆層が付着している、請求項6に記載の電極板。
  8. 前記電極活物質層の厚みに対する前記厚肉部の被覆層の厚みの割合が0.01~0.2である、請求項6または7に記載の電極板。
  9. 前記電極芯体の前記厚肉部は、厚さ方向の両側または片側に突出した笠部と、当該笠部と電極芯体との間に形成された凹部とを備えた鉤爪形状を有している、請求項6~8のいずれか一項に記載の電極板。
  10. 前記電極タブは、前記電極板の幅方向の一方の端辺に、前記電極板の長手方向において所定の間隔を空けて複数形成されており、
    前記複数の電極タブの間に位置する端辺に、前記電極芯体が露出した芯体露出領域が隣接しており、当該芯体露出領域の外側の端辺に前記第1領域が形成されており、当該第1領域が前記芯体露出領域の長手方向に沿って延びている、請求項1に記載の電極板。
  11. 正極板と負極板とセパレータとを含む電極体を備え、
    前記正極板および前記負極板の少なくとも一方が請求項1~10のいずれか一項に記載の電極板である、二次電池。
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