JP6135628B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

この発明は、蓄電装置に関する。
ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。例えば、特許文献１に記載の二次電池は、正極金属箔に正極活物質を塗工した正極活物質層を有する正極電極と、負極金属箔に負極活物質を塗工した負極活物質層を有する負極電極とが、セパレータを介在させて積層した電極組立体を有する。
特開平０９−１２０８３６号公報
ところで、こうした二次電池では、電極の金属箔に活物質を塗工して活物質層を形成する際に、活物質の塗工むらや活物質の凝集体であるダマにより、活物質層の表面に凸部が生じるおそれがある。なお、こうした凸部が生じた電極のうち、凸部によって規格外の厚みとなってしまった電極は、活物質の塗工後に行う検査によって排除することができる。しかしながら、規格内に収まった凸部を含む電極が排除されなかったり、検査精度が低かったりする場合には、凸部が生じた電極を排除することは困難であり、凸部を有する電極が残存してしまうことがある。
活物質層の表面に凸部を有する電極が積層された二次電池では、電極及びセパレータの積層や二次電池の使用中の膨張に伴い、凸部によってセパレータに荷重が作用するようになる。その場合、凸部によってセパレータに破損が生じ、正極電極と負極電極とが短絡するおそれがある。
この発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、活物質層の表面に凸部があっても、セパレータに破損が生じることを抑制することができる蓄電装置を提供することにある。
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する蓄電装置は、異なる極性の電極をセパレータで絶縁した状態で積層した電極組立体を有し、前記異なる極性の電極が、それぞれ、長方形状の金属箔に活物質が配置された活物質層を有するとともに、前記金属箔の長手方向に延びる一辺の一部から突出したタブを有する蓄電装置であって、前記電極の長手方向の一端と前記活物質層の長手方向の一端とが一致しており、かつ、前記電極の長手方向の他端と前記活物質層の長手方向の他端とが一致しており、前記活物質は、一定の塗工方向を有しており、前記セパレータは、該セパレータの伸び率がその他の方向より高くなった方向を有しており、少なくとも一方の前記電極における前記活物質の塗工方向は、前記タブの突出方向に沿う方向であり、前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、少なくとも一方の前記電極における前記活物質の塗工方向と直交している。
上記構成によれば、電極の活物質層の表面に、活物質の塗工方向へ長手方向が延びる凸部が生じる場合がある。この場合、電極組立体が積層方向に拘束された状態や、積層方向への膨張に伴い、セパレータに凸部が食い込み、セパレータが凸部の長手方向、及び長手方向に交差する方向に沿って引っ張られる。セパレータは、その面に沿った全方向のうち、凸部の長手方向に交差した方向に関しては、凸部の長手方向よりも大きく引っ張られる。このとき、セパレータの伸び率の高い方向が、活物質の塗工方向に直交する方向に沿っている。よって、凸部によってセパレータが大きく引っ張られても、セパレータは柔軟に延伸する。その結果、凸部が生じても、セパレータに破損が生じることを抑制することができる。
これによれば、凸部の長手方向に交差する方向のうち、交差角度が直角に近い方向ほど、セパレータは大きく引っ張られることになる。よって、伸び率の高い方向を、活物質の塗工方向と直交させることで、凸部によってセパレータが引っ張られても、セパレータに破損が生じることをより適切に抑制することができる。
また、蓄電装置について、前記異なる極性の活物質層では、一方の活物質層が他方の活物質層よりも硬く、前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、硬い方の活物質層を有する電極における活物質の塗工方向と直交しているのが好ましい。
これによれば、異なる極性の活物質層のうち、相対的に柔らかい活物質層で凸部が形成された場合、電極組立体が積層方向に拘束されたり、膨張した場合、セパレータに凸部が接触すると凸部は凹み、セパレータの引っ張りも抑えられる。しかし、相対的に硬い活物質では、上記のように凸部が凹みにくく、セパレータも大きく引っ張られやすい。このような場合であっても、大きく引っ張られる方向に沿って、セパレータの伸び率を高くすることで、セパレータを柔軟に延伸させ、セパレータに破損が生じることを抑制することができる。
上記課題を解決する蓄電装置は、異なる極性の電極をセパレータで絶縁した状態で積層した電極組立体を有し、前記異なる極性の電極が、それぞれ、長方形状の金属箔に活物質が配置された活物質層を有するとともに、前記金属箔の長手方向に延びる一辺の一部から突出したタブを有する蓄電装置であって、前記電極の長手方向の一端と前記活物質層の長手方向の一端とが一致しており、かつ、前記電極の長手方向の他端と前記活物質層の長手方向の他端とが一致しており、前記活物質は、一定の塗工方向を有しており、前記セパレータは、該セパレータの伸び率がその他の方向より高くなった方向を有しており、少なくとも一方の前記電極における前記活物質の塗工方向は、前記タブの突出方向に沿う方向であり、前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、少なくとも一方の前記電極における前記活物質の塗工方向と交差しており、前記電極組立体を構成する複数の前記セパレータは、前記伸び率の高い方向が一致するように積層されている。
上記構成によれば、電極の活物質層の表面に、活物質の塗工方向へ長手方向が延びる凸部が生じる場合がある。この場合、電極組立体が積層方向に拘束された状態や、積層方向への膨張に伴い、セパレータに凸部が食い込み、セパレータが凸部の長手方向、及び長手方向に交差する方向に沿って引っ張られる。セパレータは、その面に沿った全方向のうち、凸部の長手方向に交差した方向に関しては、凸部の長手方向よりも大きく引っ張られる。このとき、セパレータの伸び率の高い方向が、活物質の塗工方向に交差する方向に沿っている。よって、凸部によってセパレータが大きく引っ張られても、セパレータは柔軟に延伸する。その結果、凸部が生じても、セパレータに破損が生じることを抑制することができる。
また、蓄電装置について、前記異なる極性の活物質層では、一方の活物質層が他方の活物質層よりも硬く、前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、硬い方の活物質層を有する電極における活物質の塗工方向と交差しているのが好ましい。
これによれば、異なる極性の活物質層のうち、相対的に柔らかい活物質層で凸部が形成された場合、電極組立体が積層方向に拘束されたり、膨張した場合、セパレータに凸部が接触すると凸部は凹み、セパレータの引っ張りも抑えられる。しかし、相対的に硬い活物質では、上記のように凸部が凹みにくく、セパレータも大きく引っ張られやすい。このような場合であっても、大きく引っ張られる方向に沿って、セパレータの伸び率を高くすることで、セパレータを柔軟に延伸させ、セパレータに破損が生じることを抑制することができる。
また、蓄電装置について、前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、前記活物質の塗工方向と直交しているのが好ましい。
これによれば、凸部の長手方向に交差する方向のうち、交差角度が直角に近い方向ほど、セパレータは大きく引っ張られることになる。よって、伸び率の高い方向を、活物質の塗工方向と直交させることで、凸部によってセパレータが引っ張られても、セパレータに破損が生じることをより適切に抑制することができる。
また、蓄電装置について、前記セパレータは、セパレータ材料を直交方向の両方向に延伸させる二軸延伸されたものであり、二軸のうちの一方の伸び率が他方の伸び率よりも高くなっているものでもよい。
上記蓄電装置において、前記蓄電装置の好適な例としては、二次電池を挙げることができる。
本発明によれば、活物質層の表面に凸部があっても、セパレータに破損が生じることを抑制することができる。
二次電池の分解斜視図。 二次電池の外観を示す斜視図。 電極組立体の構成要素を示す分解斜視図。 電極組立体の断面図。
以下、蓄電装置を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１及び図２に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１１内に電極組立体１２を備える。また、ケース１１には、電極組立体１２とともに電解液も収容されている。ケース１１は、有底筒状のケース本体１３と、ケース本体１３に電極組立体１２を挿入する開口部１３ａを閉塞する平板状の蓋体１４とから構成されている。ケース本体１３と蓋体１４とは、何れも金属製（例えば、ステンレス製やアルミニウム製）である。また、この実施形態では、ケース本体１３が有底四角筒状であり、蓋体１４が長方形平板状であることから、二次電池１０は外観が角型をなす角型電池である。また、この実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池である。
図３に示すように、電極組立体１２は、電極としての複数の正極電極２１と、電極としての複数の負極電極２５とが、セパレータ２９を間に挟んだ状態で交互に積層されて構成されている。本実施形態では、正極電極２１、負極電極２５、及びセパレータ２９が何れも長方形状に形成されている。
正極電極２１は、金属箔としての長方形状の正極金属箔（例えばアルミニウム箔）２２と、正極金属箔２２の両面に正極活物質が設けられた活物質層としての正極活物質層２３とから構成されている。正極活物質層２３は、正極活物質、導電剤、バインダ、及び溶媒を含む正極活物質合剤を正極金属箔２２に塗布した後、乾燥、プレス、ベークして形成されている。本実施形態の正極電極２１では、図３に矢印ＣＤとして示している方向が正極活物質層２３における正極活物質合剤の塗工方向（以下、正極電極２１のＣＤ方向と称する）であり、この正極電極２１のＣＤ方向が正極電極２１の短手方向に沿うように正極活物質層２３が形成されている。また、正極電極２１は、正極電極２１の長手方向に延びる一辺２１ｃの一部から突出した形状の正極金属箔２２からなる正極タブ２４を有する。
負極電極２５は、金属箔としての長方形状の負極金属箔（例えば銅箔）２６と、負極金属箔２６の両面に負極活物質が設けられた活物質層としての負極活物質層２７とから構成されている。負極活物質層２７は、負極活物質、導電剤、バインダ、及び溶媒を含む負極活物質合剤を負極金属箔２６に塗布した後、乾燥、プレス、ベークして形成されている。本実施形態の負極電極２５では、図３に矢印ＣＤとして示している方向が負極活物質層２７における負極活物質合剤の塗工方向（以下、負極電極２５のＣＤ方向と称する）であり、この負極電極２５のＣＤ方向が負極電極２５の短手方向に沿うように負極活物質層２７が形成されている。
また、本実施形態では、負極電極２５の負極活物質層２７と比較して、正極電極２１の正極活物質層２３はプレス時のプレス圧が高く、密度が高くなっている。このため、正極活物質層２３の方が負極活物質層２７より硬い。また、負極電極２５は、負極電極２５の長手方向に延びる一辺２５ｃの一部から突出した形状の負極金属箔２６からなる負極タブ２８を有する。
セパレータ２９は、絶縁性を有する樹脂製（例えばポリエチレン製）である。また、セパレータ２９は、長尺の矩形シート状のセパレータ原反を所望の大きさに裁断して製造される。本実施形態では、セパレータ材料を一方向に延伸させる一軸延伸によってセパレータ原反が製造されている。このため、セパレータ２９は、製造時の機械方向、すなわちＭＤ方向に繊維が配向している。セパレータ２９において、ＭＤ方向に直交する方向をＴＤ方向とする。セパレータ２９は、その伸び率がＴＤ方向よりも高くなった方向（ＭＤ方向）を有する。また、本実施形態のセパレータ２９は、ＭＤ方向が長手方向として形成され、ＴＤ方向が短手方向として形成されている。
電極組立体１２では、正極電極２１、負極電極２５、及びセパレータ２９が、これらの長手方向を一致させて積層される。これにより、電極組立体１２では、電極組立体１２の積層方向Ｌから見たときに、正極電極２１のＣＤ方向及び負極電極２５のＣＤ方向とセパレータ２９のＭＤ方向とが直交するように、電極２１，２５及びセパレータ２９がそれぞれ配置されている。また、電極組立体１２の各電極２１，２５は、各タブ２４，２８の同一極性同士が積層方向Ｌに列状に配置される一方、異なる極性同士が積層方向Ｌに重ならないように積層されている。
図１に示すように、二次電池１０では、電極組立体１２の積層方向Ｌに直交する方向に位置する４つの端部のうちの１つの端部である上端１２ｃから正極タブ２４と負極タブ２８とがそれぞれ突出するように、正極電極２１及び負極電極２５が積層されている。各正極タブ２４は、電極組立体１２における積層方向Ｌの一端から他端までの範囲内で集められた状態で折り曲げられている。そして、その各正極タブ２４が重なっている箇所を溶接することによって、各正極タブ２４が互いに電気的に接続されている。また、負極タブ２８も同様に、集められた状態で折り曲げられ、その重なった箇所が溶接されることにより互いに電気的に接続されている。
二次電池１０は、各正極タブ２４に電気的に接続された正極端子１５と、各負極タブ２８に電気的に接続された負極端子１６とを備えている。各端子１５，１６は、蓋体１４に形成された貫通孔を介してその一部がケース１１外に露出している。
以下、本実施形態の二次電池１０の作用を説明する。
図３に示すように、二次電池１０では、電極２１，２５の金属箔２２，２６に活物質合剤を塗工して活物質層２３，２７を形成する際に、活物質合剤の塗工むらや活物質の凝集体であるダマにより、活物質層２３，２７の表面に凸部４０が生じるおそれがある。
なお、図３及び図４では、正極電極２１の正極活物質層２３の表面に凸部４０が生じた場合を例示しており、以下では正極電極２１の正極活物質層２３の表面に凸部４０が生じた場合における作用を説明する。このため、以下において、正極電極２１を負極電極２５、正極活物質層２３を負極活物質層２７、正極電極２１のＣＤ方向を負極電極２５のＣＤ方向として、それぞれ読み替えれば、以下説明は負極電極２５の負極活物質層２７の表面に凸部４０が生じた場合における作用の説明として読み替えることができる。
図４に示すように、正極活物質層２３の表面に凸部４０を有する正極電極２１が積層され、かつ積層方向Ｌに拘束された電極組立体１２では、凸部４０がセパレータ２９に食い込み、セパレータ２９は凸部４０の長手方向、及び長手方向に交差した全ての方向に沿って引っ張られる。セパレータ２９は、凸部４０の長手方向に交差した方向のうち、直交した方向（凸部４０の短手方向）に最も強く引っ張られる。このとき、セパレータ２９の伸び率の高くなったＭＤ方向は、凸部４０の短手方向に沿っている。このため、セパレータ２９は、凸部４０によって短手方向に引っ張られても延伸し、その引っ張りに柔軟に追従する。
したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）セパレータ２９における伸び率の高いＭＤ方向が、正極電極２１のＣＤ方向及び負極電極２５のＣＤ方向と交差している。このため、各電極のＣＤ方向に沿って凸部４０が形成されても、その凸部４０の長手方向に交差する方向にセパレータ２９のＭＤ方向が延びることとなる。その結果として、凸部４０がセパレータ２９に食い込み、凸部４０の長手方向に交差する方向へ、セパレータ２９が大きく引っ張られても、セパレータ２９は柔軟に延伸し、セパレータ２９に亀裂等の破損が生じることを抑制することができる。
（２）正極電極２１のＣＤ方向及び負極電極２５のＣＤ方向と、セパレータ２９のＭＤ方向とが直交している。凸部４０の長手方向に交差する角度が直角に近付くほど、セパレータ２９は凸部４０によって大きく引っ張られるようになる。このとき、凸部４０の長手方向に直交した短手方向に沿って、セパレータ２９のＭＤ方向が延びていると、セパレータ２９が大きく引っ張られても柔軟に延伸する。このため、セパレータ２９に亀裂等の破損が生じることをより適切に抑制することができる。
（３）正極活物質層２３及び負極活物質層２７のうち、相対的に柔らかい方の活物質層に生じた凸部４０は、積層方向への拘束等により荷重が作用すると凹み易い。これに対し、相対的に硬い方の活物質層に生じた凸部４０は、凹みにくく、セパレータ２９に食い込んだときにセパレータ２９を引っ張る量も多くなる。このような相対的に硬い正極活物質層２３を有する正極電極２１のＣＤ方向とセパレータ２９のＭＤ方向とを交差させた。このため、凸部４０によってセパレータ２９が大きく引っ張られても、セパレータ２９は柔軟に延伸し、セパレータ２９の破損を抑制することができる。
（４）凸部４０によるセパレータ２９の破損を抑制できるため、電極２１，２５への活物質合剤の塗工後に行う検査において、検査基準を緩和させることができる。したがって、電極２１，２５への活物質合剤の塗工後に行う検査にかかる工数を削減することができる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
○ 正極電極２１のＣＤ方向、又は負極電極２５のＣＤ方向と、セパレータ２９のＭＤ方向とを交差させてもよい。なお、正極活物質層２３の方が負極活物質層２７よりも硬い場合には、正極電極２１のＣＤ方向とセパレータ２９のＭＤ方向とを交差させることが望ましい。また、負極活物質層２７の方が正極活物質層２３よりも硬い場合には、負極電極２５のＣＤ方向とセパレータ２９のＭＤ方向とを交差させることが望ましい。
○ 正極活物質層２３と負極活物質層２７とで硬さに差異がない場合でも、セパレータ２９のＭＤ方向を、正極電極２１のＣＤ方向及び負極電極２５のＣＤ方向と交差させればよい。
○ セパレータ２９のＭＤ方向は、正極電極２１のＣＤ方向及び負極電極２５のＣＤ方向と直交していなくともよい。例えば、セパレータ２９におけるＭＤ方向に延びる直線と、電極２１，２５のＣＤ方向に延びる直線とが交差して形成される交差角度が６０度、４５度、３０度等であってもよく、さらには、５度未満であってもよい。
○ 正極電極２１や負極電極２５のＣＤ方向は、それら電極２１，２５の短手方向以外の方向に沿っていてもよい。例えば、正極電極２１や負極電極２５のＣＤ方向は、それら電極２１，２５の長手方向に沿っていてもよい。この場合、セパレータ２９のＭＤ方向は、セパレータ２９の長手方向以外の方向に沿っており、例えば、セパレータ２９のＭＤ方向は、セパレータ２９の短手方向に沿っている。
○ 電極２１，２５及びセパレータ２９は長方形状以外の形状であってもよい。例えば、正方形状等でもよい。
○ セパレータ２９は、正極電極２１及び負極電極２５のいずれか一方を内部に収容する電極収納セパレータであってもよい。この場合、電極収納セパレータのＭＤ方向が、収納された電極のＣＤ方向と交差する。
○ セパレータ２９は、セパレータ材料を直交方向の両方向に延伸させる二軸延伸によってセパレータ原反が製造されるものであってもよい。この形態においても、セパレータ２９は、二軸のうち伸び率の高い一方の軸方向が、正極電極２１及び負極電極２５の少なくとも一方のＣＤ方向と交差する状態に配置される。
○ 正極電極２１の片面のみが正極活物質層２３を有していてもよい。
○ 負極電極２５の片面のみが負極活物質層２７を有していてもよい。
○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であってもよい。要するに、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。
○ ケース１１の形状を変更してもよい。例えば、ケース１１は円筒型でもよい。
○ 電極組立体１２として、帯状の正極電極と帯状の負極電極とが捲回されてなる捲回体を採用することも可能である。この形態では、例えば、正極電極２１のＣＤ方向及び負極電極２５のＣＤ方向の少なくとも一方が電極２１，２５及びセパレータ２９の捲回方向に沿うように、電極２１，２５を捲回する。セパレータ２９は、伸び率の高い方向が電極２１，２５の捲回方向と交差するように配置する。こうした捲回体の電極組立体１２を有する二次電池１０によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
○ 本発明を、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置に具体化してもよい。
１０…蓄電装置としての二次電池、１２…電極組立体、２１…電極としての正極電極、２２…金属箔としての正極金属箔、２３…活物質層としての正極活物質層、２５…電極としての負極電極、２６…金属箔としての負極金属箔、２７…活物質層としての負極活物質層、２９…セパレータ。

Claims (7)

  1. 異なる極性の電極をセパレータで絶縁した状態で積層した電極組立体を有し、前記異なる極性の電極が、それぞれ、長方形状の金属箔に活物質が配置された活物質層を有するとともに、前記金属箔の長手方向に延びる一辺の一部から突出したタブを有する蓄電装置であって、
    前記電極の長手方向の一端と前記活物質層の長手方向の一端とが一致しており、かつ、前記電極の長手方向の他端と前記活物質層の長手方向の他端とが一致しており、
    前記活物質は、一定の塗工方向を有しており、
    前記セパレータは、該セパレータの伸び率がその他の方向より高くなった方向を有しており、
    少なくとも一方の前記電極における前記活物質の塗工方向は、前記タブの突出方向に沿う方向であり、
    前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、少なくとも一方の前記電極における前記活物質の塗工方向と直交していることを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記異なる極性の活物質層では、一方の活物質層が他方の活物質層よりも硬く、
    前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、硬い方の活物質層を有する電極における活物質の塗工方向と直交している請求項１に記載の蓄電装置。
  3. 異なる極性の電極をセパレータで絶縁した状態で積層した電極組立体を有し、前記異なる極性の電極が、それぞれ、長方形状の金属箔に活物質が配置された活物質層を有するとともに、前記金属箔の長手方向に延びる一辺の一部から突出したタブを有する蓄電装置であって、
    前記電極の長手方向の一端と前記活物質層の長手方向の一端とが一致しており、かつ、前記電極の長手方向の他端と前記活物質層の長手方向の他端とが一致しており、
    前記活物質は、一定の塗工方向を有しており、
    前記セパレータは、該セパレータの伸び率がその他の方向より高くなった方向を有しており、
    少なくとも一方の前記電極における前記活物質の塗工方向は、前記タブの突出方向に沿う方向であり、
    前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、少なくとも一方の前記電極における前記活物質の塗工方向と交差しており、
    前記電極組立体を構成する複数の前記セパレータは、前記伸び率の高い方向が一致するように積層されていることを特徴とする蓄電装置。
  4. 前記異なる極性の活物質層では、一方の活物質層が他方の活物質層よりも硬く、
    前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、硬い方の活物質層を有する電極における活物質の塗工方向と交差している請求項３に記載の蓄電装置。
  5. 前記セパレータにおける前記伸び率の高い方向が、前記活物質の塗工方向と直交している請求項３又は請求項４に記載の蓄電装置。
  6. 前記セパレータは、セパレータ材料を直交方向の両方向に延伸させる二軸延伸されたものであり、二軸のうちの一方の伸び率が他方の伸び率よりも高くなっている請求項１〜請求項５のうち何れか一項に記載の蓄電装置。
  7. 前記蓄電装置は、二次電池である請求項１〜請求項６のうち何れか一項に記載の蓄電装置。
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