JP6065139B2 - 蓄電素子、電極体及び芯材 - Google Patents

Description

本発明は、正極と負極とセパレータとが捲回されて形成される電極体を備える蓄電素子、電極体、及び、電極体の最内周に配置される芯材に関する。

世界的な環境問題への取り組みとして、ガソリン自動車から電気自動車への転換が重要になってきている。このため、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子を動力源に用いた電気自動車の開発が進められている。

ここで、従来の蓄電素子においては、正極と負極とセパレータとを巻軸まわりに捲回して電極体を形成する捲回型の蓄電素子が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。このような捲回型の蓄電素子においては、電極体を形成した後に巻軸を抜き取り、当該電極体を容器に挿入することで、製造される。

特開２０００−１５６２４１号公報

しかしながら、上記従来の捲回型の蓄電素子では、電極体を容器に挿入した場合に、電極体が容器から受ける応力が電極体の位置によって不均一になるため、蓄電素子の性能が低下するという問題がある。

図９は、従来の捲回型の蓄電素子の問題点を説明するための図である。同図の（ａ）に示すように、巻軸が抜き取られた電極体には、中心部分に巻軸が配置されていた空間が形成される。そして、この電極体を容器に挿入した場合に、電極体が同図の（ｂ）に示すように、電極体の端部の幅Ａの方が中央部の幅Ｂよりも大きくなるように変形する。

このため、電極体を容器に挿入した場合の挿入係数（電極体の外寸／ケース内寸）が電極体の位置によって不均一になる。これにより、電極体が容器から受ける応力が電極体の位置によって不均一になるため、電極体の耐久性（サイクルの耐久特性）が低下し、蓄電素子の性能が低下する。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電極体が容器から受ける応力の均一性を向上させることができる蓄電素子、電極体、及び、電極体の最内周に配置される芯材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、正極と負極とセパレータとが捲回軸周りに捲回されて形成される電極体を備える蓄電素子であって、前記電極体は、捲回された前記正極と前記負極と前記セパレータとの最内周内方に配置される芯材を備え、前記芯材は、前記捲回軸に垂直の断面における長手方向の端部の方が中央部よりも剛性が低い材質で形成されている。

これによれば、蓄電素子は、電極体の最内周に、捲回軸に垂直の断面における長手方向の端部の方が中央部よりも剛性が低い芯材を備える。つまり、電極体の最内周には、外側から応力が加わった際に端部の方が中央部よりも変形しやすい芯材が備わっているため、図９の（ｂ）に示した電極体の端部の幅Ａが中央部の幅Ｂの長さに近づくように電極体が変形する。このため、電極体を容器に挿入した場合の挿入係数の均一性を向上させることができ、電極体が容器から受ける応力の均一性を向上させることができる。これにより、電極体の耐久性を向上させることができるため、蓄電素子の性能を向上させることができる。

また、本発明は、このような蓄電素子として実現することができるだけでなく、当該蓄電素子が備える電極体、または当該電極体が備える芯材として実現することもできる。

本発明によると、電極体が容器から受ける応力の均一性を向上させ、蓄電素子の性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る蓄電素子の外観斜視図である。 本発明の実施の形態に係る電極体の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る芯材の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る巻軸の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る電極体の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る電極体が容器内方に収容された状態を示す図である。 本発明の実施の形態の変形例１に係る芯材の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の変形例２に係る芯材の構成を示す斜視図である。 従来の捲回型の蓄電素子の問題点を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る蓄電素子、電極体、電極体の最内周に配置される芯材及び巻軸について説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

まず、蓄電素子１０の構成について、説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子１０の外観斜視図である。なお、同図は、容器内部を透視した図となっている。

蓄電素子１０は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる二次電池であり、より具体的には、リチウムイオン二次電池などの非水電解質電池である。

同図に示すように、蓄電素子１０は、容器１００と、正極端子２００と、負極端子３００とを備え、容器１００は、上壁であるふた板１１０を備えている。また、容器１００内方には、電極体４００と、正極集電体１２０と、負極集電体１３０とが配置されている。

なお、蓄電素子１０の容器１００の内部には電解液などの液体が封入されているが、当該液体の図示は省略する。また、蓄電素子１０は、非水電解質電池には限定されず、非水電解質電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよい。

容器１００は、金属からなる矩形筒状で底を備える筐体本体と、当該筐体本体の開口を閉塞する金属製のふた板１１０とで構成されている。また、容器１００は、電極体４００等を内部に収容後、ふた板１１０と筐体本体とが溶接等されることにより、内部を密封することができるものとなっている。

電極体４００は、正極と負極とセパレータとを備え、電気を蓄えることができる部材である。具体的には、電極体４００は、負極と正極との間にセパレータが挟み込まれるように層状に配置されたものを全体が長円形状となるように捲回されて形成されている。電極体４００の詳細な構成については、後述する。

正極端子２００は、電極体４００の正極に電気的に接続された電極端子であり、負極端子３００は、電極体４００の負極に電気的に接続された電極端子である。つまり、正極端子２００及び負極端子３００は、電極体４００に蓄えられている電気を蓄電素子１０の外部空間に導出し、また、電極体４００に電気を蓄えるために蓄電素子１０の内部空間に電気を導入するための金属製の電極端子である。また、正極端子２００及び負極端子３００は、電極体４００の上方に配置されたふた板１１０に取り付けられている。

正極集電体１２０は、電極体４００の正極と容器１００の側壁との間に配置され、正極端子２００と電極体４００の正極とに電気的に接続される導電性と剛性とを備えた部材である。なお、正極集電体１２０は、電極体４００の正極と同様、アルミニウムで形成されている。

負極集電体１３０は、電極体４００の負極と容器１００の側壁との間に配置され、負極端子３００と電極体４００の負極とに電気的に接続される導電性と剛性とを備えた部材である。なお、負極集電体１３０は、電極体４００の負極と同様、銅で形成されている。

次に、電極体４００の詳細な構成について、説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る電極体４００の構成を示す図である。具体的には、同図は、図１に示された電極体４００をＹＺ平面で切断した場合の断面図である。

同図に示すように、電極体４００は、芯材４１０と、芯材４１０の周りに配置される電極部４２０とを備えている。

具体的には、電極部４２０は、正極と負極とセパレータとを備えており、当該正極と負極とセパレータとが捲回軸周りに捲回されて形成されている。つまり、電極体４００は、捲回型の電極体である。ここで、捲回軸とは、正極と負極とセパレータとが捲回される際の中心軸である。

正極は、アルミニウム箔からなる長尺帯状の正極基材の表面に、正極活物質層が形成されたものである。なお、本発明に係る蓄電素子１０に用いられる正極は、特に従来用いられてきたものと異なるところはなく、通常用いられているものが使用できる。

例えば、正極活物質としては、ＬｉＭＰＯ_４、ＬｉＭＳｉＯ_４、ＬｉＭＢＯ_３（ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等から選択される１種または２種以上の遷移金属元素）等のポリアニオン化合物、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のスピネル化合物、ＬｉＭＯ_２（ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等から選択される１種または２種以上の遷移金属元素）等のリチウム遷移金属酸化物等を用いることができる。

負極は、銅箔からなる長尺帯状の負極基材の表面に、負極活物質層が形成されたものである。なお、本発明に係る蓄電素子１０に用いられる負極は、特に従来用いられてきたものと異なるところはなく、通常用いられているものが使用できる。

例えば、負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金（リチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−錫、リチウム−アルミニウム−錫、リチウム−ガリウム、及びウッド合金等のリチウム金属含有合金）の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料（例えば黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温焼成炭素、非晶質カーボン等）、金属酸化物、リチウム金属酸化物（Ｌｉ_４Ｔｉ_６Ｏ_１２等）、ポリリン酸化合物などが挙げられる。

芯材４１０は、電極部４２０の最内周内方に配置された絶縁性の部材である。具体的には、芯材４１０は、捲回された正極と負極とセパレータとの最内周内方に配置された、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどの樹脂製の巻芯である。つまり、芯材４１０の周りに正極と負極とセパレータとが捲回されることで、電極体４００が形成される。

なお、芯材４１０は、樹脂シートを巻くことにより形成される巻シート輪であってもよいし、成形された部材であってもよい。また、芯材４１０は、一体に形成された部材であってもよいし、複数の部材から形成されていてもよい。また、芯材４１０の材料は特に限定されない。例えば、電極体４００のうち、最も芯材に近い位置にセパレータを配置する場合や、正極または負極のいずれか一方の電位を芯材４１０に落とす場合は、導電性の材料を用いても良い。

ここで、芯材４１０は、中央位置に中央部４１１と、中央部４１１の両端に端部４１２とを備えている。以下、芯材４１０の構成について、詳細に説明する。

図３は、本発明の実施の形態に係る芯材４１０の構成を示す斜視図である。なお、以下では、電極部４２０が捲回される際の捲回軸（同図のＸ軸方向の軸）に垂直の断面（同図のＹＺ平面で切断した場合の断面）における長手方向（同図のＺ軸方向）を、芯材４１０の長手方向という。また、電極部４２０が捲回される際の捲回軸（同図のＸ軸方向の軸）に垂直の断面（同図のＹＺ平面で切断した場合の断面）における短手方向（同図のＹ軸方向）を、芯材４１０の短手方向という。

同図に示すように、芯材４１０は、Ｘ軸方向に延びる中空の平板状部材であり、長手方向（Ｚ軸方向）の中央部分に中央部４１１を備え、長手方向（Ｚ軸方向）の両端部に端部４１２を備えている。

中央部４１１は、外周及び内周が平面で形成される部位である。具体的には、中央部４１１は、Ｙ軸方向に空間を隔てて並ぶ２つの板状の部材からなる。また、端部４１２は、外周及び内周が曲面で形成される板状の部位である。具体的には、端部４１２は、ＹＺ平面での断面形状において、円弧形状の外形を有し、内部には楕円形状の空間が形成されている。このように、芯材４１０は、板状の部材から成り、当該板状の部材を１周巻いたような形状である。

そして、芯材４１０の当該板状の部材は、端部４１２の方が中央部４１１よりも、短手方向（Ｙ軸方向）の厚みが薄くなるように形成されている。例えば、中央部４１１の２つの板状の部材の厚みは０．１〜２ｍｍであり、端部４１２の厚みは０．０５〜０．５ｍｍである。なお、中央部４１１及び端部４１２の厚みは、上記数値には限定されない。

また、芯材４１０には、端部４１２の方が中央部４１１よりも短手方向の幅が大きい空間が形成されている。なお、同図では、中央部４１１は、ＹＺ平面での断面が長方形状の空間を有し、端部４１２は、ＹＺ平面での断面が楕円形状の空間を有しているが、空間の形状はこれには限定されない。例えば、端部４１２に形成された空間は、ＹＺ平面での断面が円形状や長方形状などの多角形状であってもよい。

上記の構成により、芯材４１０は、正極と負極とセパレータとが捲回されていない状態で、端部４１２の方が中央部４１１よりも空間占有率が小さくなるように形成されている。ここで、空間占有率とは、短手方向（Ｙ軸方向）において、芯材４１０の幅に対して芯材４１０が占める長さの割合を示している。

このように、芯材４１０は、端部４１２の方が中央部４１１よりも剛性が低くなるように形成されている。

次に、芯材４１０の周りに正極と負極とセパレータとを捲回して電極体４００を形成する際に、芯材４１０に挿入される巻軸について、説明する。

図４は、本発明の実施の形態に係る巻軸２０の構成を示す斜視図である。なお、以下では、芯材４１０と同様に、電極部４２０が捲回される際の捲回軸（同図のＸ軸方向の軸）に垂直の断面（同図のＹＺ平面で切断した場合の断面）における長手方向（同図のＺ軸方向）を、巻軸２０の長手方向という。また、電極部４２０が捲回される際の捲回軸（同図のＸ軸方向の軸）に垂直の断面（同図のＹＺ平面で切断した場合の断面）における短手方向（同図のＹ軸方向）を、巻軸２０の短手方向という。

巻軸２０は、芯材４１０に挿入され、正極と負極とセパレータとを捲回軸（Ｘ軸方向の軸）周りに捲回して電極体４００を形成するための軸体である。同図に示すように、巻軸２０は、Ｘ軸方向に延びる板状部材であり、長手方向（Ｚ軸方向）の中央部分に中央部２１を備え、長手方向（Ｚ軸方向）の両端部に端部２２を備えている。

中央部２１は、外周が平面で形成される平板状の部位であり、外面形状が芯材４１０の中央部４１１の内面形状に対応している。また、端部２２は、外周が曲面で形成される部位であり、外面形状が芯材４１０の端部４１２の内面形状に対応している。具体的には、端部４１２は、ＹＺ平面での断面形状において、楕円形状の外形を有する。なお、中央部２１及び端部４１２の形状は、芯材４１０の中央部４１１及び端部４１２の内面形状に対応していれば、どのような形状であっても構わない。また、巻軸２０全体が芯材４１０の内面形状に対応する必要はなく、一部隙間を有している箇所があっても良い。さらに、Ｘ軸方向において、芯材４１０と巻軸２０との長さが異なっていても良い。例えば、巻軸２０を巻回装置などに取り付ける場合、芯材４１０から外側へ突出した部分は、内面形状に対応させるよりも、長方形や円形などの単純な形状にするのが好ましい。

このように、巻軸２０は、端部２２の方が中央部２１よりも、短手方向（Ｙ軸方向）の幅が大きくなるように形成されている。なお、巻軸２０の材質は特に限定されず、樹脂製であっても金属製であってもよい。

次に、電極体４００の製造方法について説明する。

図５は、本発明の実施の形態に係る電極体４００の製造方法を説明するための図である。

同図の（ａ）及び（ｂ）に示すように、巻軸２０が芯材４１０内方の空間に挿入される。そして、同図の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、巻軸２０が回転することで、芯材４１０の周りに正極と負極とセパレータとが捲回され、電極体４００が形成される。そして、電極体４００が形成された後、巻軸２０が引き抜かれる。

このようにして、形成された電極体４００は、容器１００内方に収容される。

図６は、本発明の実施の形態に係る電極体４００が容器１００内方に収容された状態を示す図である。

同図に示すように、芯材４１０は、端部４１２の方が中央部４１１よりも剛性が低くなるように形成されているため、端部４１２が変形して、容器１００から受ける応力Ｆ１が低減する。これにより、容器１００から受ける応力Ｆ１を、応力Ｆ２に近けることができ、あるいは応力Ｆ１を応力Ｆ２よりも小さくすることができる。

以上のように、本発明の実施の形態に係る蓄電素子１０によれば、電極体４００の最内周に、捲回軸に垂直の断面における長手方向の端部の方が中央部よりも剛性が低い芯材４１０を備える。つまり、芯材４１０は、捲回前の状態で、長手方向の端部の方が中央部よりも空間占有率が小さいように形成されている。また、芯材４１０は板状の部材から成り、当該板状の部材は、長手方向の端部の方が中央部よりも厚みが薄いように形成されている。また、芯材４１０は、長手方向の端部の方が中央部よりも幅が大きい空間が形成されている。このため、図９の（ｂ）に示した電極体の端部の幅Ａが中央部の幅Ｂの長さに近づくように電極体が変形するため、電極体４００を容器１００に挿入した場合の挿入係数の均一性を向上させることができ、電極体４００が容器１００から受ける応力の均一性を向上させることができる。これにより、電極体４００の耐久性を向上させることができるため、蓄電素子１０の性能を向上させることができる。

また、同様に、本発明の実施の形態に係る巻軸２０によれば、捲回軸に垂直の断面における長手方向の端部の方が中央部よりも、捲回軸に垂直の断面における短手方向の幅が大きいように形成されている。つまり、巻軸２０の端部の方が中央部よりも幅が大きいことで、電極体４００の最内周において端部の方が中央部よりも幅が大きい空間が形成されることになる。これにより、図９の（ｂ）に示した電極体の端部の幅Ａが中央部の幅Ｂの長さに近づくように変形する電極体を形成することができる。このため、電極体４００を容器１００に挿入した場合の挿入係数の均一性を向上させることができ、電極体４００が容器１００から受ける応力の均一性を向上させることができる。

（変形例１）
次に、本実施の形態の変形例１について説明する。図７は、本発明の実施の形態の変形例１に係る芯材４１０ａの構成を示す斜視図である。

同図に示すように、芯材４１０ａは、長手方向（Ｚ軸方向）の中央部分に中央部４１１ａを備え、長手方向（Ｚ軸方向）の両端部に端部４１２ａを備えている。ここで、本変形例１においては、中央部４１１ａの外周が外方に突出した曲面で形成されているところが上記実施の形態の芯材４１０と異なる。なお、その他の構成については、上記実施の形態における構成と同様であるため、説明は省略する。

このように、本変形例１に係る芯材４１０ａは、中央部４１１ａの方が端部４１２ａよりもさらに厚みが厚いように形成されているため、端部４１２ａの方が中央部４１１ａよりもさらに剛性が低くなる。このため、電極体を容器に挿入した場合の挿入係数の均一性をさらに向上させることができ、電極体が容器から受ける応力の均一性をさらに向上させることができる。

（変形例２）
次に、本実施の形態の変形例２について説明する。図８は、本発明の実施の形態の変形例２に係る芯材４１０ｂの構成を示す斜視図である。

同図に示すように、芯材４１０ｂは、長手方向（Ｚ軸方向）の中央部分に中央部４１１ｂを備え、長手方向（Ｚ軸方向）の両端部に端部４１２ｂを備えている。ここで、本変形例２においては、中央部４１１ａと端部４１２ｂとは厚みが同等であるが、端部４１２ａの方が中央部４１１ａよりも剛性が低い材質で成形されている。なお、その他の構成については、上記実施の形態における構成と同様であるため、説明は省略する。

このように、本変形例２に係る芯材４１０ｂは、端部４１２ａの方が中央部４１１ａよりも剛性が低い材質で成形されているため、端部４１２ａの方が中央部４１１ａよりもさらに剛性が低くなる。このため、電極体を容器に挿入した場合の挿入係数の均一性を向上させることができ、電極体が容器から受ける応力の均一性を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態及びその変形例に係る蓄電素子及び巻軸について説明したが、本発明は、この実施の形態及びその変形例に限定されるものではない。

つまり、今回開示された実施の形態及びその変形例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

また、上記実施の形態及び上記変形例を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。例えば、上記変形例１における芯材４１０ａに形成されている空間は、上記変形例２における芯材４１０ｂに形成されている空間と同じ形状であってもよい。また、上記変形例２における芯材４１０ｂの中央部４１１ｂは、上記変形例１における芯材４１０ａの中央部４１１ａと同様の形状であってもよい。

また、本発明は、このような蓄電素子１０として実現することができるだけでなく、蓄電素子１０が備える電極体４００、または電極体４００が備える芯材４１０として実現することもできる。

本発明は、電極体が容器から受ける応力の均一性を向上させることができる蓄電素子等に適用できる。

１０ 蓄電素子
２０ 巻軸
２１ 中央部
２２ 端部
１００ 容器
１１０ ふた板
１２０ 正極集電体
１３０ 負極集電体
２００ 正極端子
３００ 負極端子
４００ 電極体
４１０、４１０ａ、４１０ｂ 芯材
４１１、４１１ａ、４１１ｂ 中央部
４１２、４１２ａ、４１２ｂ 端部
４２０ 電極部

Claims (4)

1. 正極と負極とセパレータとが捲回軸周りに捲回されて形成される電極体を備える蓄電素子であって、
   前記電極体は、捲回された前記正極と前記負極と前記セパレータとの最内周内方に配置される芯材を備え、
   前記芯材は、前記捲回軸に垂直の断面における長手方向の端部の方が中央部よりも剛性が低い材質で形成されている
   蓄電素子。
2. 前記芯材は、前記捲回軸に垂直の断面における形状が直線形状の前記中央部と円弧形状を含む前記端部とが一体に形成されている
   請求項１に記載の蓄電素子。
3. 蓄電素子に備えられ、正極と負極とセパレータとが捲回軸周りに捲回されて形成される電極体であって、
   捲回された前記正極と前記負極と前記セパレータとの最内周内方に配置される芯材を備え、
   前記芯材は、前記捲回軸に垂直の断面における長手方向の端部の方が中央部よりも剛性が低い材質で形成されている
   電極体。
4. 正極と負極とセパレータとが捲回軸周りに捲回されて形成される電極体の、捲回された前記正極と前記負極と前記セパレータとの最内周内方に配置される芯材であって、
   前記芯材は、前記捲回軸に垂直の断面における長手方向の端部の方が中央部よりも剛性が低い材質で形成されている
   芯材。

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