JP5954068B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電装置に関する。
従来より、一方の電極及びこの電極を収容するセパレータ袋を有する電極ユニットと、他方の電極とを備えた蓄電装置が知られている。セパレータ袋は、二枚のセパレータの端部同士を溶着することなどにより形成される。
特開2008−91100号公報 特開平9−213377号公報 特開平7−302616号公報
蓄電装置では、一対のセパレータ袋の間に他方の電極が配置される。他方の電極が一対のセパレータ袋の一対の溶着部間に挟まれると、この部分において、他方の電極の破損や活物質層の剥がれが生ずる場合があることが判明した。これは、セパレータ袋の溶着部には、溶着の際にバリが発生することがあること、及び、溶着部が非溶着部に比べて硬いことが1つの原因と考えられる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、活物質層の剥がれ等の電極の破損を抑制できる蓄電装置を提供することを目的とする。
本発明にかかる蓄電装置は、第一電極板、及び前記第一電極板を収容するセパレータ袋を有する一対の電極ユニットと、前記一対の電極ユニット間に配置された第二電極板と、を備える。各前記セパレータ袋は、前記第一電極板の両主面を覆うように配置された一対のセパレータと、前記一対のセパレータの端部同士を固定する固定部をそれぞれ有する。前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とがずれている。
本発明によれば、1つの第二電極板の両側に当接する固定部が第二電極板の主面に沿った方向に互いにずれているので、第二電極板へのダメージを抑制できる。
ここで、前記蓄電装置は、前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とが重ならないことが好ましい。この場合、前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とは、0.1mm以上離れていることが好ましい。
また、前記固定部は、前記セパレータの端部同士の溶着部であることが好ましい。
また、前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とは、前記セパレータの端部に沿う方向に互いにずれていることが好ましい。
また、蓄電装置はリチウムイオン二次電池であることが好ましい。
本発明によれば、活物質層の剥がれを抑制できる蓄電装置が提供される。
図1は、第一実施形態にかかるリチウムイオン二次電池の概略断面図である。 図2は、図1の電極組立体の分解斜視図である。 図3(a)は図1の電極組立体の正極ユニット10Aの斜視図、図3(b)は図1の電極組立体の正極ユニット10Bの斜視図である。 図4は、図1の電極組立体をZ方向から見た図である。なお、負極板40は省略されている。 図5(a)は第二実施形態にかかるリチウムイオン二次電池における正極ユニット10Aの斜視図、図5(b)はは第二実施形態にかかるリチウムイオン二次電池における正極ユニット10Bの斜視図である。 図6は、第三実施形態にかかるリチウムイオン二次電池の電極組立体をZ方向から見た図である。なお、負極板40は省略されている。 図7は、第四実施形態にかかるリチウムイオン二次電池の概略断面図である。
本発明の実施形態にかかるリチウムイオン二次電池について図面を参照して説明する。
(第一実施形態)
図1は、第一実施形態にかかるリチウムイオン二次電池100の概略断面図である。図2は、図1の電極組立体の分解斜視図である。このリチウムイオン二次電池100は、電極組立体50、リード7、8、電解液、ケース11を主として有する。
(電極組立体50)
電極組立体50は、負極板(第二電極板)40、正極ユニット(電極ユニット)10A、負極板(第二電極板)40、正極ユニット(電極ユニット)10B、負極板(第二電極板)、正極ユニット(電極ユニット)10A、及び、負極板(第二電極板)40を有し、これらがこの順に積層されている。
(正極ユニット(電極ユニット)10A、10B)
正極ユニット10Aは、図3に示すように、正極板20、及び、正極板20を収容するセパレータ袋32を有する。
(正極板(第一電極板)20)
正極板20は、正極金属箔22、及び、正極金属箔22の両面にそれぞれ形成された正極活物質層24を有する。正極金属箔22の材料の例は、アルミニウムなどの金属である。正極金属箔22の厚みは特に限定されないが、例えば、5〜25μmとすることができる。
正極活物質層24は、正極活物質、バインダを含み、必用に応じて導電助剤を含むことができる。正極活物質層24の厚みは特に限定されないが、例えば、40〜100μmとすることができる。
正極活物質は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質であれば特に限定されない。正極活物質の例は、リチウム化合物である。例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物などのリチウム金属複合酸化物などを用いることが出来る。また正極活物質として他の金属化合物あるいは高分子材料を用いることも出来る。他の金属化合物としては、例えば酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物、または硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物が挙げられる。高分子材料としては例えばポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子が挙げられる。
特に正極活物質は、一般式:LiCoNiMn(p+q+r=1、0<p≦1、0≦q<1、0≦r<1)で表されるリチウム金属複合酸化物を含むことが好ましい。
上記複合金属酸化物として、例えばLiCo1/3Ni1/3Mn1/3、LiNi0.6Co0.2Mn0.2、LiNi0.5CO0.2Mn0.3、LiCoO、LiNi0.8Co0.2、LiCoMnOを用いることができる。中でもLiCo1/3Ni1/3Mn1/3は、熱安定性の点で好ましい。
また、正極活物質は、一般式:LiCoNiMn(p+q+r=1、0<p≦1、0≦q<1、0≦r<1、0<s<1)で表されるリチウム金属複合酸化物を含むことも好ましい。Dは、Al,Mg,Ti,Sn,Zn,W,Zr,Mo,Fe,Naから成る群から選択される少なくとも1つの元素である。
バインダの例は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂である。バインダの量は、活物質100質量部に対して、1〜30質量部とすることができる。
導電助剤の例は、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック(AB) 、ケッチェンブラック(登録商標)(KB) 、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber : VGCF) 等の炭素系粒子である。これらは、単独で、または二種以上組み合わせて添加することができる。導電助剤の使用量については、特に限定されないが、例えば、100質量部の活物質に対して、1〜30質量部とすることができる。
正極金属箔22は、正極活物質層24が形成されていない未塗布部22aを有する。未塗布部22aは、セパレータ袋32の外部に突出している。
(セパレータ袋)
セパレータ袋32は、正極板20の両主面を覆うように配置された一対の矩形形状のセパレータ30、30と、セパレータ30、30の端部同士が溶着した複数の溶着部(固定部)31aとを有する。
セパレータ30の例は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンなどの熱可塑性樹脂製の多孔質膜である。セパレータ30の厚みは特に限定されないが、例えば、10〜50μmとすることができる。
本実施形態では、各溶着部31aは、矩形形状を有する。また、溶着部31aは、セパレータ30の端部において、正極板20の周りを取り囲むように複数設けられている。隣接する2つの溶着部31aは、Z方向から見て、セパレータ30の端面に沿う方向に互いに離間して設けられている。
溶着部31aの形成方法は特に限定されないが、例えば、正極板20をセパレータ30.30間に挟み、セパレータ30、30の端部同士を、溶着部31aの形状に対応する加熱部材で挟めば良い。このとき、加熱部材の温度を、セパレータの融点以上とすることが好ましい。なお、熱溶着でなくても、超音波溶着、高周波溶着などを行っても良い。
正極ユニット10Bが、正極ユニット10Aと異なる点は、溶着部31bの位置である。正極ユニット10Bの各溶着部31bも、溶着部31aと同様に矩形形状を有する。そして、溶着部31bは、正極板20の周りを取り囲むように、セパレータ30の端面に沿う方向に互いに離間して複数設けられている。しかしながら、正極ユニット10Bの溶着部31bは、図4に示すように、正極ユニット10Aと正極ユニット10Bとが重ねられた状態で、正極板20(又は負極板40)の主面に対して垂直なZ方向から見て、正極ユニット10Aの溶着部31aと重ならない位置にそれぞれ配置されている。溶着部31aと溶着部31bとは、セパレータ30の最寄の端部に沿う方向に互いに離間している。
Z方向から見て、溶着部31aと溶着部31bとの間の最短距離Dは、0.1mm以上であることが好ましい。尚、第二電極板の活物質層へのダメージの抑制効果は減少するが、溶着部31aと溶着部31bとが離間せず、セパレータ30の端面に沿う方向に互いにずれている(Z方向から見て、溶着部31aと溶着部31bとが一部重なる)形態でも許容される。その場合は、Z方向から見て、溶着部31aと溶着部31bとのずれが、0.5mm以上であることが好ましく、1mmより大きいことがより好ましい。また、本発明でいう「一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とがずれている」とは、一方の第二電極板と他方の第二電極板がXY平面に沿った方向にずれる、いわゆる積層ずれに伴って必然的に生じる固定部のずれを除外する。
(負極板40)
図2に戻って、負極板40は、負極金属箔42、及び、負極金属箔42の両面にそれぞれ形成された負極活物質層44を有する。
Z方向から見た負極板40の負極活物質層44の外形寸法は、Z方向から見た正極板20の活物質塗布領域の外形寸法よりも大きく、セパレータ袋32のZ方向から見た外形寸法とほぼ同一である。
負極金属箔42は導電材料からなる。負極金属箔42の材料の例は、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム、銅などの金属材料または導電性樹脂である。特に、負極金属箔42の材料として、銅が好適である。負極金属箔42の厚みは特に限定されないが、例えば、5〜25μmとすることができる。また、負極活物質層44の厚みも特に限定されないが、例えば、40〜100μmとすることができる。
負極活物質層44は、負極活物質、バインダを含み、必用に応じて導電助剤を含むことができる。
負極活物質の例は、リチウムを吸蔵、放出可能な炭素系材料、リチウムと合金化可能な元素、リチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物、あるいは高分子材料である。
炭素系材料の例は、難黒鉛化性炭素、人造黒鉛、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭あるいはカーボンブラック類である。ここで、有機高分子化合物焼成体とは、フェノール類やフラン類などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。
リチウムと合金化可能な元素の例は、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ti、Ag、Zn、Cd、Al、Ga、1n、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Biである。中でも、リチウムと合金化可能な元素は、珪素(Si)または錫(Sn)であるとよい。
リチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物の例は、ZnLiAl、AlSb、SiB、SiB、MgSi、MgSn、NiSi、TiSi、MoSi、CoSi、NiSi、CaSi、CrSi、CuSi、FeSi、MnSi、NbSi、TaSi、VSi、WSi、ZnSi、SiC、Si、SiO、SiO(0<v≦2)、SnO(0<w≦2)、SnSiO、LiSiOあるいはLiSnOである。リチウムと合金化反応可能な元素を有する元素化合物の例は、珪素化合物または錫化合物であることがよい。珪素化合物は、SiO(0.5≦x≦1.5)であることがよい。錫化合物は、例えば、スズ合金(Cu−Sn合金、Co−Sn合金等)などが使用できる。
高分子材料の例は、ポリアセチレン、ポリピロールである。
導電助剤やバインダの材料や配合量は、正極と同様とすることができる。
図2に示すように、負極金属箔42は、負極活物質層44が形成されていない未塗布部42aを有する。
(ケース11)
図1に戻って、ケース11は、電極組立体50、及び電解液(図示略)を収容する。ケース11の材料や形態は特に限定されず、樹脂、金属などを公知の種々の物を使用できる。
電解液は、電解質と、この電解質を溶解する溶媒とを含む。電解質は、電極組立体50内に含浸されている。
電解質の例は、LiBF、LiPF、LiClO、LiAsF、LiCFSO、LiN(CFSO等のリチウム塩である。
溶媒の例は、環状エステル類、鎖状エステル類、エーテル類である。これらの溶媒を2種以上混合することもできる。環状エステル類の例は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマプチロラクトン、ガンマバレロラクトンである。鎖状エステル類の例は、メチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステルである。エーテル類の例は、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンである。
電解液における電解質の濃度は、例えば、0.5〜1.7mol/Lとすることができる。電解液は、ゲル化剤を含んでいても良い。
(リード)
リード7は正極金属箔22の未塗布部22aに接続され、リード8は負極金属箔42の未塗布部42aに接続されている。リード7、8の端部は、ケース11の外部に出ている。
本実施形態にかかるリチウムイオン二次電池100によれば、Z方向から見て、溶着部31a、31bが重ならない。したがって、溶着部31a,31bにバリが形成されても、負極板40が両側からバリに挟まれることが抑制される。片側からのバリの接触であれば、負極板が反対方向に変形することができ、負極活物質層の剥がれ等の不具合が生じにくい。
(第二実施形態)
続いて、図5を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態にかかるリチウムイオン二次電池が、第一実施形態のリチウムイオン二次電池と異なる点は、正極ユニット10A,10Bのセパレータ袋32である。第一実施形態では、予め2つに分離されたセパレータ30、30からセパレータ袋32が形成されていたが、本実施形態では、一枚のセパレータ用シートを半分に折ることに得られた、一体化されたセパレータ30、30を使用している。セパレータ30、30における折られた部分bは溶着する必要がないので、この折られた部分bには溶着部31a,31bを形成しなくても良い。本実施形態でも、第一実施形態と同様の作用を奏することができる。
(第三実施形態)
続いて、図6を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態にかかるリチウムイオン二次電池が、第一実施形態のリチウムイオン二次電池と異なる点は、正極ユニット10A,10Bにおける溶着部31a,31bの配置のみである。第一実施形態では、Z方向から見て、セパレータ30の端部に沿う方向に、溶着部31aと溶着部31bとが離間していたが、第三実施形態では、セパレータ30の端部と交差する方向に、溶着部31aと溶着部31bとが離間している。本実施形態でも、第一実施形態と同様の作用を奏することができる。
(第四実施形態)
続いて、図7を参照して、本発明の第四実施形態について説明する。第四実施形態にかかるリチウムイオン二次電池が、第一実施形態のリチウムイオン二次電池と異なる点は、正極ユニット10A,10Bのセパレータ袋32のセパレータ30の端部同士が、それ自身の溶着部ではなくステープル36a,36bによりそれぞれ固定されている点である。ステープル36a,36bの材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂が好ましい。ステープル36a、36bの位置は、溶着部31a,31bと同様である。
本実施形態では、ステープル36a,36bが、負極板40と接触することがあるが、ステープル36a,36bが、第一実施形態と同様に、Z方向から見て互いに重ならない位置に配置されているため、負極板40が両側からステープルに挟まれることが抑制される。
本発明は上記実施形態に限定されず、様々な変形体用が可能である。
固定部の位置は、Z方向から見たときに、互いに重ならないのであれば、どのように配置されていても良い。例えば、上記実施形態では、セパレータ30の4辺それぞれに固定部があるが、3辺のみや、2辺のみに固定部があっても良い。また、第一実施形態では、正極ユニット10A,10Bがそれぞれ破線状に分断された溶着部を備えるが、溶着部が直線上に1つにつながっていても良い。溶着部の形状も任意である。
また、上記実施形態では、電極組立体50が、正極ユニットを全部で3つ有するが、2つでも良く、4つ以上あっても良い。この場合、隣接する正極ユニット間のそれぞれにおいて、固定部が重ならないようにすることが好ましい。
また、上記実施形態では、正極板20がセパレータ袋32に収容され、負極板40がセパレータ袋32に収容されていないが、負極板40がセパレータ袋32に収容され、正極板21がセパレータ袋に収容されていない態様とすることも可能である。また、上記実施形態では、負極板40が電極組立体の最外層となっているが、正極板20又は正極ユニット10A,10Bが最外層となっていても良く、正極と負極とが最外層となっていてもよい。
また、上述の蓄電装置は、リチウムイオン二次電池であるが、これ以外の蓄電装置、例えば、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなどに適用することも可能である。
10A,10B…正極ユニット(電極ユニット)、20…正極板(第一電極板)、31a,31b…溶着部(固定部)、32…セパレータ袋、36a,36b…ステープル(固定部)、40…負極板(第二電極板)、100…リチウムイオン二次電池(蓄電装置)。

Claims (5)

  1. 第一電極板、及び前記第一電極板を収容するセパレータ袋をそれぞれ有する一対の電極ユニットと、
    前記一対の電極ユニットの間に配置された第二電極板と、を備え、
    各前記セパレータ袋は、前記第一電極板の両主面を覆うように配置された一対のセパレータと、前記一対のセパレータの端部同士を固定する固定部をそれぞれ有し、
    前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とが重ならない、蓄電装置。
  2. 前記固定部は、前記セパレータの端部同士の溶着部である請求項1記載の蓄電装置。
  3. 前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とは、0.1mm以上離れている請求項1又は2記載の蓄電装置。
  4. 前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とは、前記セパレータの端部に沿う方向に互いにずれている請求項1〜のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  5. リチウムイオン二次電池である、請求項1〜のいずれか一項に記載の蓄電装置。
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