JP2023079669A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】正極と負極との容量比が良好かつ注液性が向上した非水電解質二次電池の提供。【解決手段】非水電解質二次電池100は、正極22、負極24、及びセパレータ26を含む電極体20aを備え、正極22は、正極芯体22cの両面に形成された正極活物質層22aを含み、負極24は、負極芯体24cの両面に形成された負極活物質層24aを含む。負極活物質層24aは、幅方向において、端辺24eと、端辺24eから5mmの間に第1領域24rを有し、正極22の端部22eは、第1領域24rの少なくとも一部と対向している。正極活物質層22aの厚みにおいて、正極22の中央部の厚みT1と、正極22の端部22eの厚みT2とが、0.95<T2/T1<1.05を具備し、負極活物質層24aにおいて、負極24の中央部の目付M1と、第1領域24rの正極活物質層22aと対向する領域24r1の目付M2とが0.95<M2/M1<1を満たす。【選択図】図8

Description

本発明は、非水電解質二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池等の電池は、一般に、負極と正極とがセパレータを介して積層された電極体を備えている。電極体の構成の一例としては、電極体に集電用の正極タブおよび負極タブが設けられ、これらのタブと集電部材とが電気的に接続される構成が知られている。例えば、特許文献1には、電極体の一方の端部に正極タブが設けられ、他方の端部に負極タブが設けられた構成が開示されている。
国際公開第2021-060010号
ところで、電池の製造において、電極体に電解液を注液する時間の短縮が望まれている。例えば、高容量化のために、電極に含まれる活物質層の密度を高くすると、電極体内部に電解液が浸透し難くなり、注液性が悪化してしまう。
また、正極と負極の容量を比較したとき、負極の容量が十分でない場合に、電荷担体(例えばリチウムイオン)が析出し、電池性能を悪化させる虞がある。このような析出は、所定の領域において、対向する負極と正極との容量比(対向容量比)のバランスが崩れることでも生じ得る。そのため、いずれの領域においても、負極の容量が対向する正極の容量を下回らないよう、対向容量比のバランスが調整されていることが望ましい。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、主な目的は、対向する正極と負極との容量比のバランスが良く、注液性が向上した非水電解質二次電池を提供することにある。
本開示により、正極、負極、及び上記正極と上記負極の間に配置されたセパレータを含む電極体を備えた非水電解質二次電池が提供される。ここで開示される非水電解質二次電池は、上記正極は、正極芯体と、上記正極芯体の両面に形成された正極活物質層とを含み、上記負極は、負極芯体と、上記負極芯体の両面に形成された負極活物質層とを含み、上記負極の幅方向の一方の端辺には、上記負極芯体の一部により構成され、該端辺から突出した負極タブが設けられている。上記負極活物質層は、上記負極の幅方向において、上記端辺と、上記端辺から5mmの間に第1領域を有し、上記正極の端部が、上記セパレータを介して、上記第1領域の少なくとも一部と対向している。上記正極の中央部における上記正極活物質層の厚みT1と、上記正極の端部における上記正極活物質層の厚みT2との関係は、0.95<T2/T1<1.05であり、上記負極の中央部の上記負極活物質層の目付(単位面積当たりの当該負極活物質層の質量)M1と、上記第1領域において、上記正極活物質層と対向する領域の上記負極活物質層の目付(単位面積当たりの当該負極活物質層の質量)M2とが以下の条件:
0.95<M2/M1<1
を満たす。
かかる構成によれば、上記第1領域における正極活物質層と対向する領域の負極活物質層の目付M2が、負極の中央部の負極活物質層の目付M1よりも小さくなっている。これにより、上記第1領域側から電極体内部に非水電解液が浸透し易くなるため、注液性が向上する。また、上記第1領域において正極活物質層と対向する領域の負極活物質層の目付M2が、上記条件を満たすことで、かかる領域のおいても、負極活物質層が対向する正極活物質層からの電荷担体(例えば、リチウムイオン)を十分に吸蔵することができる(即ち、容量比のバランスが良い)ため、電荷担体の析出を抑制することができる。
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記第1領域において、上記負極活物質層は、上記負極活物質層の厚みが上記端辺に向かって徐々に小さくなるように形成されている。これにより、上記第1領域に傾斜部が形成されるため、負極活物質層とセパレータとの間に隙間が生じ、注液性がより向上する。
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記正極が、上記正極芯体の一部により構成される正極タブを有し、上記電極体が、一方の端部に複数の上記負極タブを有し、他方の端部に複数の上記正極タブを有していてもよい。
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記電極体が、帯状の上記正極と、帯状の上記負極とが、帯状の上記セパレータを介して巻回された巻回電極体であってよい。また、ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記巻回電極体の巻回軸方向における、上記負極活物質層の幅は20cm以上であってよい。
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、複数の上記負極タブが積層されて構成される負極タブ群と、当該負極タブに電気的に接続された負極集電部材とを含み、上記負極タブ群が折り曲げられて上記負極集電部材と接続されていてもよい。
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記セパレータが、両表面に接着層を有する。接着層を有するセパレータを使用すると、電極体製造時の電極板のズレを抑制することができるが、その一方で注液性が悪くなる。しかしながら、ここで開示される非水電解質二次電池の構成によれば、負極活物質層の端部付近(第1領域)の目付が比較的少ないため、かかる端部付近では接着層の負極活物質層への接着が弱くなる。特に、負極活物質層の端部に傾斜部が形成されている場合には、接着層が傾斜部へより接着し難くなり、接着がより弱くなる又は接着しなくなるため、非水電解液が負極活物質層へ侵入し易くなり、注液性が向上する。
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記負極活物質層が、上記セパレータの端部から、上記負極タブの突出方向に突出して上記負極タブ上に形成されていてもよい。
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記第1領域が、上記正極活物質層と対向しない領域を有し、上記負極の幅方向において、上記第1領域における上記正極と対向する領域の幅が、上記第1領域における上記正極と対向しない領域の幅よりも大きくなるよう構成されていてもよい。
一実施形態に係る非水電解質二次電池を模式的に示す斜視図である。 図1のII-II線に沿う模式的な縦断面図である。 図1のIII-III線に沿う模式的な縦断面図である。 図1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群を模式的に示す斜視図である。 正極第2集電部および負極第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。 電極体の構成を示す模式図である。 一実施形態に係る電極体における負極の負極タブを有する端辺付近の構造を示す断面図である。 一実施形態に係る電極体における負極の負極タブ付近の構造を示す断面図である。 他の実施形態に係る電極体における負極の負極タブを有する端辺付近の構造を示す断面図である。
以下、図面を参照しながら、ここで開示される技術のいくつかの好適な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本技術の実施に必要な事柄(例えば、本技術を特徴付けない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。本技術は、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「非水電解質二次電池」とは、電荷担体として非水電解質を用い、正負極間の電荷担体の移動に伴って繰り返し充放電が可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池(化学電池)と、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ(物理電池)と、を包含する概念である。
図1は、非水電解質二次電池100の斜視図である。図2は、図1のII-II線に沿う模式的な縦断面図である。図3は、図1のIII-III線に沿う模式的な縦断面図である。図4は、図1のIV-IV線に沿う模式的な横断面図である。なお、以下の説明において、図面中の符号L、R、F、Rr、U、Dは、左、右、前、後、上、下を表し、図面中の符号X、Y、Zは、非水電解質二次電池100の短辺方向、短辺方向と直交する長辺方向、上下方向を、それぞれ表すものとする。長辺方向Yは、ここに開示される第1方向の一例であり、短辺方向は、ここに開示される第2方向の一例である。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、非水電解質二次電池100の設置形態を何ら限定するものではない。
図2に示すように、非水電解質二次電池100は、電池ケース10と、電極体群20と、正極端子30と、負極端子40と、正極集電部50と、負極集電部60とを備えている。図示は省略するが、非水電解質二次電池100は、ここではさらに非水電解液を備えている。非水電解質二次電池100は、ここではリチウムイオン二次電池である。
電池ケース10は、電極体群20を収容する筐体である。電池ケース10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10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10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10は、開口12hを有する外装体12と、開口12hを塞ぐ封口板(蓋体)14と、を備えている。
外装体12は、図1に示すように、底壁12aと、底壁12aから延び相互に対向する一対の長側壁12bと、底壁12aから延び相互に対向する一対の短側壁12cと、を備えている。底壁12aは、略矩形状である。底壁12aは、開口12hと対向している。短側壁12cの面積は、長側壁12bの面積よりも小さい。長側壁12bおよび短側壁12cは、ここに開示される第1側壁および第2側壁の一例である。封口板14は、外装体12の開口12hを塞ぐように外装体12に取り付けられている。封口板14は、外装体12の底壁12aと対向している。封口板14は、平面視において略矩形状である。電池ケース10は、外装体12の開口12hの周縁に封口板14が接合(例えば溶接接合)されることによって、一体化されている。電池ケース10は、気密に封止(密閉)されている。
図2に示すように、封口板14には、注液孔15と、ガス排出弁17と、2つの端子引出孔18、19と、が設けられている。注液孔15は、外装体12に封口板14を組み付けた後に電解液を注液するためのものである。注液孔15は、封止部材16により封止されている。ガス排出弁17は、電池ケース10内の圧力が所定値以上になったときに破断して、電池ケース10内のガスを外部に排出するように構成されている。端子引出孔18、19は、封口板14の長辺方向Yの両端部にそれぞれ形成されている。端子引出孔18、19は、封口板14を上下方向Zに貫通している。端子引出孔18、19は、それぞれ、封口板14に取り付けられる前の(かしめ加工前の)の正極端子30および負極端子40を挿通可能な大きさの内径を有する。
正極端子30および負極端子40は、それぞれ封口板14に固定されている。正極端子30は、封口板14の長辺方向Yの一方側(図1、図2の左側)に配置されている。負極端子40は、封口板14の長辺方向Yの他方側(図1、図2の右側)に配置されている。図1に示すように、正極端子30および負極端子40は、封口板14の外側の表面に露出している。図2に示すように、正極端子30および負極端子40は、端子引出孔18、19を挿通して封口板14の内部から外部へと延びている。正極端子30および負極端子40は、ここでは、かしめ加工により、封口板14の端子引出孔18、19を囲む周縁部分に、かしめられている。正極端子30および負極端子40の外装体12の側の端部(図2の下端部)には、かしめ部が形成されている。
図2に示すように、正極端子30は、外装体12の内部で、正極集電部50を介して電極体群20の正極と電気的に接続されている。負極端子40は、外装体12の内部で、負極集電部60を介して電極体群20の負極と電気的に接続されている。正極端子30および負極端子40は、ここに開示される端子の一例である。
正極端子30は、金属製であることが好ましく、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることがより好ましい。負極端子40は、金属製であることが好ましく、例えば銅または銅合金からなることがより好ましい。負極端子40は、2つの導電部材が接合され一体化されて構成されていてもよい。例えば、負極集電部60と接続される部分が銅または銅合金からなり、封口板14の外側の表面に露出する部分がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなっていてもよい。
図1に示すように、封口板14の外側の面には、板状の正極外部導電部材32および負極外部導電部材42が取り付けられている。正極外部導電部材32は、正極端子30と電気的に接続されている。負極外部導電部材42は、負極端子40と電気的に接続されている。正極外部導電部材32および負極外部導電部材42は、複数の非水電解質二次電池100を相互に電気的に接続する際に、バスバーが付設される部材である。正極外部導電部材32および負極外部導電部材42は、金属製であることが好ましく、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることがより好ましい。正極外部導電部材32および負極外部導電部材42は、外部絶縁部材92によって封口板14と絶縁されている。ただし、正極外部導電部材32および負極外部導電部材42は必須ではなく、他の実施形態において省略することもできる。
図5は、封口板14に取り付けられた電極体群20を模式的に示す斜視図である。図6は、電極体20aを模式的に示す斜視図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池100では、電池ケース10に内部に複数の電極体20a、20b、20cを有する電極体群20が収容されている。ただし、1つの外装体12の内部に配置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。詳しい構造は後述するが、電極体20a、20b、20cは、それぞれ複数の正極タブ22tで構成される正極タブ群23と、複数の負極タブ24tで構成される負極タブ群25とを有する。正極集電部50は、正極タブ群23と、正極端子30と、を電気的に接続する導通経路を構成している。また、負極集電部60は、負極タブ群25と、負極端子40と、を電気的に接続する導通経路を構成している。ここでは、電極体20aの一方の端部に正極タブ群23を有し、他方の端部に負極タブ群25を有している。
図2、5、6に示すように、正極集電部50は、封口板14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51と、上下方向Zに沿って延びた板状の導電部材である正極第2集電部52とを備えている。正極端子30の下端部は、封口板14の端子引出孔18を通って電池ケース10の内部に向かって延び、正極第1集電部51と接続される。一方で、図2、4~6に示すように、正極第2集電部52は、一端が正極第1集電部51と接続され、他端が電極体群20の正極タブ群23に接続され、接続部Jが形成されている。ここでは、電極体群20の正極タブ群23は、正極第2集電部52と電極体20a、20b、20cの正極タブ群23を有する側面とが対向するように折り曲げられている。これにより、正極タブ群23の長辺方向Yにおける幅を小さくすることができる。その結果、後述する電極体群20が有する正極活物質層22aおよび負極活物質層24aの長辺方向Yにおける塗工幅を増やすことができるため、非水電解質二次電池100の高容量化を実現することができる。なお、正極第1集電部51および正極第2集電部52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、ニッケル、ステンレス鋼等で構成され得る。
図2、5、6に示すように、負極集電部60は、封口板14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61と、上下方向Zに沿って延びた板状の導電部材である負極第2集電部62とを備えている。負極端子40の下端部は、封口板14の端子引出孔18を通って電池ケース10の内部に向かって延び、負極第1集電部61と接続される。一方で、図2、4~6に示すように、負極第2集電部62は、一端が負極第1集電部61と接続され、他端が電極体群20の負極タブ群25に接続され、接続部Jを形成している。ここでは、電極体群20の負極タブ群25は、負極第2集電部62と電極体20a、20b、20cの負極タブ群25を有する側面とが対向するように折り曲げられている。これにより、上述した正極タブ群23が折り曲げられた構成と同様、非水電解質二次電池100の高容量化を実現することができる。なお、負極第1集電部61および負極第2集電部62は、金属製であることが好ましく、例えば銅、銅合金、ニッケル、ステンレス鋼等で構成され得る。
本実施形態に係る非水電解質二次電池100では、電池ケース10と電極体群20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32(又は負極外部導電部材42)と封口板14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32や負極外部導電部材42が封口板14と導通することを防止できる。また、封口板14の端子引出孔18、19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、端子引出孔18、19に挿通された正極端子30(又は負極端子40)が封口板14と導通することを防止できる。また、正極第1集電部51(又は負極第1集電部61)と封口板14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51(又は負極第1集電部61)と封口板14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51や負極第1集電部61が封口板14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14の内側面から電極体群20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における電極体群20の移動を規制し、電極体群20と封口板14が直接接触することを防止できる。加えて、電極体群20は、絶縁性の樹脂シートからなる電極体ホルダ29(図3参照)に覆われた状態で電池ケース10の内部に収容される。これによって、電極体群20と外装体12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。
非水電解液は従来と同様でよく、特に制限はない。非水電解液は、例えば、非水系溶媒と支持塩とを含有している。非水系溶媒は、例えば、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類を含んでいる。支持塩は、例えば、LiPF等のフッ素含有リチウム塩である。ただし、非水電解液は固体状(固体電解質)で、電極体群20と一体化されていてもよい。
図7は、電極体20aの構成を示す模式図である。また、図8は、一実施形態に係る電極体20aにおける負極24の負極タブ24tを有する端辺24e付近の構造を示す断面図である。なお、以下では電極体20aを例として詳しく説明するが、電極体20b、20cについても同様の構成とすることができる。図7に示すように、電極体20aは、正極22および負極24を有する。電極体20aは、ここでは、帯状の正極22と帯状の負極24とが帯状のセパレータ26を介して積層され、巻回軸WLを中心として巻回されてなる扁平形状の巻回電極体である。正極22および負極24は、ここに開示される第1電極および第2電極の一例である。
電極体20aは、巻回軸WLが長辺方向Yと平行になる向きで、外装体12の内部に配置されている。換言すれば、電極体20aは、巻回軸WLが底壁12aと平行になり、短側壁12cと直交する向きで、外装体12の内部に配置されている。電極体20aの端面(言い換えれば、正極22と負極24とセパレータ26とが積層された積層面、図7の長辺方向Yの端面)は、短側壁12cと対向している。
図3に示すように、電極体20aは、外装体12の底壁12aおよび封口板14と対向する一対の湾曲部20rと、一対の湾曲部20rを連結し、外装体12の長側壁12bに対向する平坦部20fと、を有する。ただし、電極体20aは、複数枚の方形状(典型的には矩形状)の正極と、複数枚の方形状(典型的には矩形状)の負極とが、絶縁された状態で積み重ねられてなる積層電極体であってもよい。
セパレータ26は、正極22の正極活物質層22aと、負極24の負極活物質層24aと、を絶縁する部材である。セパレータ26としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔性の樹脂シートが好適である。また、セパレータ26は、上記樹脂シートの表面に、無機フィラーを含む耐熱層(Heat Resistance Layer:HRL)が設けられていてもよい。無機フィラーとしては、例えば、アルミナ、ベーマイト、水酸化アルミニウム、チタニア等を使用し得る。また、セパレータ26の片側又は両側の表面に、接着層が設けられていることが好ましい。接着層は、接触する正極活物質層又は負極活物質層との接着性を向上させる。接着層は、接着成分として、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含有する。また、接着層は、アルミナ、ベーマイト等の無機粒子を含み得る。接着層は、上記樹脂シートの表面に設けられてもよく、HRLの表面に設けられてもよい。
正極22は、図7に示すように、正極芯体22cと、正極芯体22cの少なくとも一方の表面上(ここでは両面)に形成された正極活物質層22aおよび正極保護層22pと、を有する。ただし、正極保護層22pは必須ではなく、他の実施形態において省略することもできる。正極芯体22cは、帯状である。正極芯体22cは、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性金属からなっている。正極芯体22cは、ここでは金属箔、具体的にはアルミニウム箔である。
正極芯体22cの幅方向(図中、長辺方向Y。即ち、正極芯体22cの表面で長手方向と直交する方向)の一方の端辺(図7の左端部)には、複数の正極タブ22tが設けられている。複数の正極タブ22tは、それぞれ幅方向の一方側(図7の左側)に向かって突出している。複数の正極タブ22tは、セパレータ26よりも長辺方向Yに突出している。複数の正極タブ22tは、正極22の長手方向に沿って間隔を置いて(間欠的に)設けられている。複数の正極タブ22tは、それぞれ台形状である。正極タブ22tは、ここでは正極芯体22cの一部であり、金属箔(ここではアルミニウム箔)からなっている。正極タブ22tは、正極芯体22cの正極活物質層22aおよび正極保護層22pが形成されていない部分(芯体露出部)を有する。ただし、正極タブ22tは、正極芯体22cとは別の部材であってもよい。また、正極タブ22tは、幅方向の他方の端部(図7の右端部)に設けられていてもよいし、幅方向の両端部にそれぞれ設けられていてもよい。
図4に示すように、複数の正極タブ22tは幅方向(長辺方向Y)の一方の端部(図4の左端部)で積層され、正極タブ群23を構成している複数の正極タブ22tのサイズ(長辺方向Yの長さおよび長辺方向Yに直交する幅、図7参照)は、正極集電部50に接続される状態を考慮し、例えばその形成位置等によって、適宜調整することができる。複数の正極タブ22tは、ここでは湾曲させたときに外方側の端が揃うように相互にサイズが異なっている。正極タブ群23は、ここに開示される電極タブ群の一例である。
正極活物質層22aは、図7に示すように、帯状の正極芯体22cの長手方向に沿って、帯状に設けられている。正極活物質層22aは、電荷担体を可逆的に吸蔵および放出可能な正極活物質を含んでいる。正極活物質としては、少なくともNi、Co、Mnのうち少なくとも一種を含むことが好ましく、例えば、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物が使用され得る。正極活物質層22aの固形分全体を100質量%としたときに、正極活物質は、概ね80質量%以上、典型的には90質量%以上、例えば95質量%以上を占めていてもよい。正極活物質層22aは、正極活物質以外の任意成分、例えば、導電材、バインダ、各種添加成分等を含んでいてもよい。導電材としては、例えばカーボンブラック(例えばアセチレンブラック(AB))等の炭素材料を使用し得る。バインダとしては、例えばPVdF等を使用し得る。
正極保護層22pは、図7に示すように、幅方向(長辺方向Y)において正極芯体22cと正極活物質層22aとの境界部分に設けられている。正極保護層22pは、ここでは正極芯体22cの幅方向(長辺方向Y)の一方の端部(図7の左端部)に設けられている。正極保護層22pは、正極活物質層22aに沿って、帯状に設けられている。正極保護層22pは、無機フィラー(例えば、アルミナ)を含んでいる。正極保護層22pの固形分全体を100質量%としたときに、無機フィラーは、概ね50質量%以上、典型的には70質量%以上、例えば80質量%以上を占めていてもよい。正極保護層22pは、無機フィラー以外の任意成分、例えば、導電材、バインダ、各種添加成分等を含んでいてもよい。導電材およびバインダは、正極活物質層22aに含み得るとして例示したものと同じであってもよい。
正極22は、幅方向(長辺方向Y)において、正極22の中央部における正極活物質層22aの厚みをT1とし、後述する負極活物質層24aの第1領域24rと対向する端部22e(図7、8の右端部)における正極活物質層22aの厚みをT2としたとき、厚みの比(T2/T1)が0.95<T2/T1<1.05となるように構成されており、好ましくは0.97<T2/T1<1.03となるように構成される。換言すれば、正極活物質層22aの厚みは、中央部から、後述する負極活物質層24aの第1領域24rと対向する端部まで、実質的に厚みに変化がないように構成されている。なお、図8では、正極22の中央部における正極活物質層22aの厚みと、図8中の正極活物質層22aの左端部の厚みとが同じ(即ち、厚みT1)になるように形成されている。
なお、本明細書において、正極22の中央部とは、図7に示すように、電極体20aの幅方向(長辺方向Y)における中央を通過し、長手方向に延びる直線CL1と、正極タブ22tの長手方向に延びる幅の中央を通過し、正極タブ22tの突出方向(長辺方向Y)に延びる直線CL2との交点を中心とした、一辺2cmの正方形の領域のことをいう。そのため、正極22の中央部における正極活物質層22aの厚みT1は、かかる領域における正極活物質層22aの平均厚みのことをいう。また、正極活物質層22aの厚みT2は、負極活物質層24aの第1領域24rと対向する幅方向(長辺方向Y)の長さを短辺とし、且つ、上記直線CL2を中央とした長手方向の2cmの長さを長辺とした長方形の範囲における平均厚みのことをいう。
正極活物質層22aの目付(単位面積当たりの正極活物質層22aの質量)は、高容量化の観点から、例えば300g/m以上、好ましくは400g/m以上であるとよい。また、電極体20aの厚みの低減の観点から、かかる目付は、例えば、700g/m以下、好ましくは600g/m以下であるとよい。また、正極22の中央部における正極活物質層22aの目付m1は、正極22の端部22eにおける正極活物質層22aの目付m2と同程度であることが好ましく、例えば、0.95<m2/m1<1.05であるとよく、0.97<m2/m1<1.03が好ましい。なお、目付m1の測定領域は、上記厚みT1と同じ領域であり、目付m2の測定領域は、上記厚みT2と同じ領域である。
正極活物質層22aの幅方向(巻回軸WL方向)における長さは、特に限定されるものではないが、例えば、20cm以上、25cm以上であり得る。これにより、非水電解質二次電池100を高容量にすることができる。また、電極体20aの反応ムラ解消の観点から、正極活物質層22aの幅方向における長さは、例えば、50cm以下、40cm以下であり得る。
正極活物質層22aのセパレータ26と接する表面の表面粗さ(Ra)は、例えば、0.2μm~0.6μmであり得る。なお、本明細書において「表面粗さ」とは、JIS B 0601:2001年に基づく算術平均粗さをいう。
負極24は、図7に示すように、負極芯体24cと、負極芯体24cの少なくとも一方の表面上(ここでは両面)に形成された負極活物質層24aと、を有する。負極芯体24cは、帯状である。負極芯体24cは、例えば銅、銅合金、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性金属からなっている。負極芯体24cは、ここでは金属箔、具体的には銅箔である。
負極芯体24cの幅方向(長辺方向Y)の一方の端辺24e(図7の右端部)には、複数の負極タブ24tが設けられている。複数の負極タブ24tは、長辺方向Yの一方側(図7の右側)に向かって突出している。複数の負極タブ24tは、セパレータ26よりも長辺方向Yに突出している。複数の負極タブ24tは、負極24の長手方向に沿って間隔を置いて(間欠的に)設けられている。複数の負極タブ24tは、それぞれ台形状である。負極タブ24tは、ここでは負極芯体24cの一部であり、金属箔(ここでは銅箔)からなっている。負極タブ24tは、ここでは、負極芯体24cの負極活物質層24aが形成されていない部分(芯体露出部)を有する。ただし、負極タブ24tは、負極芯体24cとは別の部材であってもよい。また、負極タブ24tは、長辺方向Yの他方の端部(図7の左端部)に設けられていてもよいし、長辺方向Yの両端部にそれぞれ設けられていてもよい。
図4に示すように、複数の負極タブ24tは幅方向(長辺方向Y)の一方の端辺24e(図6の右端部)で積層され、負極タブ群25を構成している。複数の負極タブ24tのサイズ(長辺方向Yの長さおよび長辺方向Yに直交する幅、図7参照)は、負極集電部60に接続される状態を考慮し、例えばその形成位置等によって、適宜調整することができる。複数の負極タブ24tは、ここでは湾曲させたときに外方側の端が揃うように相互にサイズが異なっている。負極タブ群25は、ここに開示される電極タブ群の一例である。
負極活物質層24aは、帯状の負極芯体24cの長手方向に沿って、帯状に設けられている。負極活物質層24aは、電荷担体を可逆的に吸蔵および放出可能な負極活物質(例えば、黒鉛等の炭素材料、Si、SiO等のケイ素系材料)を含んでいる。負極活物質層24aの固形分全体を100質量%としたときに、負極活物質は、概ね80質量%以上、典型的には90質量%以上、例えば95質量%以上を占めていてもよい。負極活物質層24aは、負極活物質以外の任意成分、例えば、バインダ、分散剤、各種添加成分等を含んでいてもよい。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム類を使用し得る。分散剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等のセルロール類を使用し得る。
負極活物質層24aの幅方向(巻回軸WL方向)における長さは、特に限定されるものではないが、例えば、20cm以上、25cm以上であり得る。これにより、非水電解質二次電池100を高容量にすることができる。また、電極体20aの反応ムラ解消の観点から、負極活物質層24aの幅方向における長さは、例えば、50cm以下、40cm以下であり得る。
図8は、一実施形態に電極体20aにおける負極24の負極タブ24tを有する端辺24e付近の構造を示す断面図である。負極活物質層24aは、負極24の幅方向(長辺方向Y)において、端辺24eと、端辺24eから5mmの間(図中、W1の範囲)に第1領域24rを有している。正極22の幅方向(長辺方向Y)における一方の端部22eは、セパレータ26を介して、第1領域24rの少なくとも一部と対向するように配置されている。本実施形態では、幅方向において、正極22の端部22eは、第1領域の一部と対向するように配置されており、第1領域24rは、正極22の端部22eと対向する領域24r1と、正極22の端部22eと対向しない領域24r2とを有している。なお、負極24の端辺24eは、セパレータ26の端部26eの端辺よりも内側になるように配置されている。
第1領域24rにおける負極活物質層24aは、負極24の中央部における負極活物質層24aよりも低密度になるように構成されている。具体的には、負極24の中央部の負極活物質層24aの目付(単位面積あたりの負極活物質層24aの質量)をM1とし、第1領域24rにおいて、正極22の端部22eと対向する領域24r1の負極活物質層24aの目付(単位面積あたりの負極活物質層24aの質量)をM2としたとき、負極24は、条件:0.95<M2/M1<1を満たすように構成されている。また、好ましくは、負極24は、条件:0.95<M2/M1<0.99を満たすように構成されている。第1領域24rにおける負極活物質層24aが比較的低密度となるように構成することで(即ちM2/M1<1、好ましくはM2/M1<0.99)、非水電解液が負極活物質層24a中に浸透し易くなるため、注液性を向上させることができる。一方で、M2/M1の値が小さすぎる場合、正極22の端部と対向する領域24r1における負極活物質層24aに含まれる負極活物質の量が少なくなる。これにより、対向する正極活物質層22aから供給されるリチウムイオンを吸蔵しきれなくなるため、リチウム析出が生じ易くなる虞がある。そのため、0.95<M2/M1とすることで、リチウムイオンの吸蔵能が確保されるため、リチウム析出を抑制することができる。
なお、本明細書において、負極24の中央部とは、図7に示すように、電極体20aの幅方向(長辺方向Y)における中央を通過し、長手方向に延びる直線CL1と、正極タブ22tの長手方向に延びる幅の中央を通過し、負極タブ24tの突出方向(長辺方向Y)に延びる直線CL3との交点を中心とした、一辺2cmの正方形の領域のことをいう。
また、目付M2は、上記直線CL3を中央とした負極芯体24cの長手方向の2cmの範囲における第1領域24rの正極22の端部22eと対向する領域24r1の負極活物質層24aの目付のことをいう。目付は、例えば、かかる範囲の負極24を切断した試験片を用意し、当該試験片の片面に形成された負極活物質層24aを負極芯体24cから剥がし、剥がした負極活物質層の質量を測定することができる。
負極活物質層24aの目付は、高容量化の観点から、例えば200g/m以上であるとよく、好ましくは220g/m以上である。また、電極体20aの厚みの低減の観点から、かかる目付は、例えば、400g/m以下、好ましくは350g/m以下であるとよい。なお、上記目付は、負極活物質層24a全体における目付のことをいう。
負極24の幅方向(長辺方向Y)において、第1領域24rにおける正極22の端部22eと対向する領域24r1の幅(長さ)W2は、正極22の端部22eと対向しない領域24r2の幅(長さ)W3よりも大きいことが好ましい(即ち、W2>W3)。例えば、第1領域24rの幅W1を100%としたとき、正極22の端部22eと対向する領域24r1の幅W2が51%以上であることが好ましく、55%以上であることがより好ましい。これにより、正極22と対向する負極24の領域が広くなるため、より高容量の非水電解質二次電池を実現できる。また、特に限定されるものではないが、第1領域24rが正極22の端部22eと対向しない領域24r2を有することで、充電時に正極22の端部22eから拡散し得るリチウムイオンを好適に吸蔵することができる。そのため、第1領域24rの幅W1において、正極22の端部22eと対向する領域24r1の幅W2は、例えば95%以下(即ち、正極の端部と対向しない領域24r2の幅W3が5%以上)であるとよく、90%以下(W3が10%以上)、85%以下(W3が15%以上)であり得る。
正極22の端部と対向しない領域24r2の幅(長さ)W3は、典型的には0.25mm以上であって、例えば0.5mm以上、1mm以上であり得る。また、正極22の端部と対向しない領域24r2の幅(長さ)W3は、典型的には3.5mm未満であって、例えば3mm以下であり得る。
図8に示すように、本実施形態では、第1領域24rにおいて、負極活物質層24aの厚みが端辺24eに向かって徐々に小さくなるような傾斜部24sが設けられている。傾斜部24sが設けられていることで、負極活物質層24aとセパレータ26との間に隙間が生じる。これにより、非水電解液がかかる隙間に入り込めるようになるため、電極体20aの注液性が向上する。なお、本実施形態では、傾斜部24sが第1領域24r全体に設けられているが、これに限定されるものではなく、例えば、第1領域24rの少なくとも一部が傾斜部24sを有していてもよい。
負極24の中央部における負極活物質層24aの厚みT3と、第1領域24rにおける正極22の端辺と対向する位置における負極活物質層24aの厚みT4とにおいて、T4/T3は、好ましくは0.9以上1.0未満であって、より好ましくは0.95以上1.0未満である。これにより、注液性の向上と、負極活物質のリチウムイオン吸蔵能の確保とが好適に実現される。また、好ましくは、上述した正極活物質層22aの厚みの比(T2/T1)と、負極活物質層24aの上記厚みの比(T4/T3)とが、T2/T1>T4/T3である。なお、図8では、負極24の中央部における負極活物質層24aの厚みと、図8中の負極活物質層24aの左端部の厚みとが同じ(即ち厚みT3)となるように形成されている。厚みT3は負極24の中央部における負極活物質層24aの平均厚みのことをいう。また、厚みT4は、直線CL3を中央とした負極芯体24cの長手方向の2cmの範囲における、第1領域24rにおける正極22の端辺と対向する負極活物質層24aの平均厚みのことをいう。
図9は、一実施形態に係る電極体20aにおける負極24の負極タブ24t付近の構造を示す断面図である。図9に示すように、本実施形態では、負極活物質層24aがセパレータ26の端部26eから、負極タブ24tの突出方向(図9中、右方向)に突出して、負極タブ24t上にも形成されている。これにより、負極芯体24cを切断して負極タブ24tを形成した際に、負極芯体24cの当該切断部にバリが生じた場合であっても、バリとセパレータ26との間に負極活物質層24aを介することができるため、バリによるセパレータ26の損傷を防止することができる。
負極活物質層24aの傾斜部24sの幅方向の長さW4は、注液性向上の観点から、例えば、5mm以上が好ましく、8mm以上がより好ましい。また、対向容量比確保の観点から、長さW4は、例えば、20mm以下が好ましく、18mm以下がより好ましい。
また、負極活物質層24aの傾斜部24sの正極活物質層22aと対向する領域の幅方向の長さW5は、注液性向上の観点から、3mm以上が好ましく、4mm以上がより好ましい。また、高容量化の観点から、長さW5は、例えば10mm以下であって、好ましくは8mm以下である。
負極活物質層24aの傾斜部24sの正極活物質層22aと対向する領域の幅方向の長さW5と、幅方向における負極タブ24t上の負極活物質層24aの端辺から負極活物質層24aが正極22の端辺と対向する位置までの長さW6とにおいて、長さの比(W5/W6)は0.6以上が好ましく、0.8以上がより好ましく、1以上がさらに好ましい。かかる割合であれば、注液性をより向上させることができる。また、負極活物質層24aをセパレータ26の端部26eから負極タブ24tの突出方向へ突出させるために、例えば、かかる長さの比(W5/W6)は、3以下であるとよく、例えば2以下であり得る。
幅方向における負極タブ24t上の負極活物質層24aの端辺から負極24の端辺24eまでの長さW7(即ち、負極タブ24t上の負極活物質層24aの幅(長さ))は、負極タブ24t形成時に生じ得るバリによってセパレータ26が損傷するのを防止する観点から、例えば、1.2mm以上であって、好ましくは2mm以上である。また、負極タブ24tと負極第2集電部62とを接合するための負極芯体24cの露出部の面積を確保する観点から、長さW7は、例えば、5mm以下が好ましく、4mm以下がより好ましい
幅方向における負極タブ24t上の負極活物質層24aの幅(長さ)W7と、第1領域24rにおける正極22の端部22eと対向しない領域24r2の幅(長さ)W3とにおいて、長さの比(W7/W3)は1以上であることが好ましく、1.2以上がより好まししい。また、かかる長さの比(W7/W3)は、例えば15以下であって、10以下、5以下、2以下であり得る。
負極活物質層24aのセパレータ26と接する表面の表面粗さRaは、例えば0.4μm~0.8μmであるとよい。また、負極活物質層24aのセパレータ26と接する表面の表面粗さは、正極活物質層22aのセパレータ26と接する表面の表面粗さよりも大きいことが好ましい。これにより、負極活物質層24aとセパレータ26との間に隙間が生じやすくなり、注液性が向上する。
以下、電極体20aの製造方法の一例について説明する。電極体20aの製造方法は、例えば、負極前駆体準備工程と、負極前駆体切断工程と、電極体構築工程とを含む。なお、ここに開示される製造方法は、任意の段階でさらに他の工程を含んでもよい。
負極前駆体準備工程では、帯状の負極芯体24cの両面に負極活物質層形成用ペーストを塗布し、乾燥させることで負極活物質層24aを形成する。このとき、負極芯体24cの幅方向の端部では、塗布されたペーストにいわゆるダレが生じるため、形成された負極活物質層の端部の厚みは、端辺に向かって徐々に小さくなっている。そのため、ダレが生じた部分では、負極活物質層の目付が比較的少なくなる。これにより、ダレが生じた部分では、負極活物質層のリチウムイオン吸蔵能が比較的低下するため、かかる部分を正極と対向させるとリチウム析出が生じやすくなってしまう。
そこで、次の負極前駆体切断工程では、上記ダレが生じた部分を除去するように、負極前駆体の端部を切断する。このとき、ダレが生じた部分を全て切断して除去するのではなく、あえてダレが少し残るように切断することで、負極24の中央部の負極活物質層24aの目付M1と、第1領域24rにおいて、正極22の端部22eと対向する領域24r1の負極活物質層24aの目付M2とが、条件:0.95<M2/M1<1を満たす負極24を実現できる。なお、このときの切断部が、負極24の端辺24eである。また、負極前駆体切断工程で、負極タブ24tが形成されるように、負極前駆体の端部を加工してもよい。負極前駆体の切断方法は特に限定されないが、例えばレーザカットを好適に採用することができる。
電極体構築工程では、正極22と、負極24とをセパレータ26を介して積層し、積層方向からプレスすることにより電極体20aを構築する。プレス方法は、従来公知の方法に従って実施することができる。上述した電極体20aは、巻回電極体であるため、プレス前に巻回軸を中心として巻回する。電極体構築工程では、正極22の端部22eが、負極24の第1領域24rの少なくとも一部と対向するような位置関係となるように調整する。かかる位置関係のズレを抑制する観点から、セパレータ26は両表面に接着層を有しているものが好適に使用される。一般に、接着層を有するセパレータ26を使用すると、セパレータ26と正極活物質層22aおよび負極活物質層24aとの間に隙間が生じ難くなり、注液性が悪化する傾向がある。しかしながら、上記製造した負極24は、負極活物質層24aの端部(ダレが生じた部分)の目付が比較的少ないため、かかる端部付近では接着層の負極活物質層24aへの接着を弱くすることができる。特に、負極活物質層24aの端部にダレ(傾斜部)が残っていることで、プレスを行った場合でも接着層がかかる傾斜部へ接着し難くなり、接着がより弱くなる又は接着しなくなる。これにより、接着層を有するセパレータ26を使用した場合でも、非水電解液が負極活物質層へ侵入し易くなり、注液性を向上させることができる。
非水電解質二次電池100は各種用途に利用可能であるが、例えば、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、ハイブリッド自動車(HEV)、電気自動車(BEV)等の駆動用電源として好ましく採用される。非水電解質二次電池100は、複数の非水電解質二次電池100を所定の配列方向に複数個並べて、配列方向から拘束機構で荷重を加えてなる組電池としても好適に用いることができる。
なお、一例として、角形の電池ケース10を有する非水電解質二次電池100について説明したが、これに特に限定されない。例えば、角形の電池ケース10の代わりに、円筒形の電池ケースを用いた円筒形非水電解質二次電池や、電池ケース10の代わりに、ラミネートフィルムを用いたラミネート型非水電解質二次電池等であり得る。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は一例に過ぎない。本発明は、他にも種々の形態にて実施することができる。本発明は、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。請求の範囲に記載の技術には、上記に例示した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、上記した実施形態の一部を他の変形態様に置き換えることも可能であり、上記した実施形態に他の変形態様を追加することも可能である。また、その技術的特徴が必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することも可能である。
例えば、上記した実施形態では、負極活物質層24aは、傾斜部24sを備えていた。しかし、これには限定されない。例えば、図10に示す電極体120aように、負極活物質層24aの第1領域24rに傾斜部が形成されていなくてもよい。この場合でも、負極24の中央部の負極活物質層24aの目付M1と、第1領域24rにおいて、正極22の端部22eと対向する領域24r1の負極活物質層24aの目付M2とが、条件:0.95<M2/M1<1を満たしていることで、電解液が負極活物質層24aに浸透し易くなるため、注液性を向上させることができる。
10 電池ケース
12 外装体
14 封口板
20 電極体群
20a、20b、20c 電極体
22 正極
22a 正極活物質層
22c 正極芯体
22t 正極タブ
24 負極
24a 負極活物質層
24c 負極芯体
24t 負極タブ
24r 第1領域
24s 傾斜部
26 セパレータ
30 正極端子
40 負極端子
50 正極集電部
60 負極集電部
100 非水電解質二次電池
120a 電極体

Claims (9)

  1. 正極、負極、及び前記正極と前記負極の間に配置されたセパレータを含む電極体を備えた非水電解質二次電池であって、
    前記正極は、正極芯体と、前記正極芯体の両面に形成された正極活物質層とを含み、
    前記負極は、負極芯体と、前記負極芯体の両面に形成された負極活物質層とを含み、
    前記負極の幅方向の一方の端辺には、前記負極芯体の一部により構成され、該端辺から突出した負極タブが設けられており、
    前記負極活物質層は、前記負極の幅方向において、前記端辺と、前記端辺から5mmの間に第1領域を有し、
    前記正極の端部が、前記セパレータを介して、前記第1領域の少なくとも一部と対向し、
    前記正極の中央部における前記正極活物質層の厚みT1と、前記正極の端部における前記正極活物質層の厚みT2との関係は、0.95<T2/T1<1.05であり、
    前記負極の中央部の前記負極活物質層の目付(単位面積当たりの当該負極活物質層の質量)M1と、前記第1領域において、前記正極活物質層と対向する領域の前記負極活物質層の目付(単位面積当たりの当該負極活物質層の質量)M2とが以下の条件:
    0.95<M2/M1<1
    を満たす、非水電解質二次電池。
  2. 前記第1領域において、前記負極活物質層は、前記負極活物質層の厚みが前記端辺に向かって徐々に小さくなるように形成されている、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
  3. 前記正極が、前記正極芯体の一部により構成される正極タブを有し、
    前記電極体が、一方の端部に複数の前記負極タブを有し、他方の端部に複数の前記正極タブを有する、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
  4. 前記電極体が、帯状の前記正極と、帯状の前記負極とが、帯状の前記セパレータを介して巻回された巻回電極体である、請求項1~3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
  5. 前記巻回電極体の巻回軸方向における、前記負極活物質層の幅は20cm以上である、請求項4に記載の非水電解質二次電池。
  6. 複数の前記負極タブが積層されて構成される負極タブ群と、当該負極タブに電気的に接続された負極集電部材とを含み、前記負極タブ群が折り曲げられて前記負極集電部材と接続されている、請求項1~5のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
  7. 前記セパレータが、両表面に接着層を有する、請求項1~6のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
  8. 前記負極活物質層が、前記セパレータの端部から、前記負極タブの突出方向に突出して前記負極タブ上に形成されている、請求項1~7のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
  9. 前記第1領域が、前記正極活物質層と対向しない領域を有し、
    前記負極の幅方向において、前記第1領域における前記正極と対向する領域の幅が、前記第1領域における前記正極と対向しない領域の幅よりも大きい、請求項1~8のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
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