JP6146232B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、セパレータを挿んで交互に配置される正極板と負極板との端部の間で短絡することを防止する構造を有した二次電池に関する。

リチウムイオン電池などの二次電池は、セパレータを間に挟んで正極板と負極板とを交互に配置したコアを有している。短いシート状の正極板と負極板とをセパレータを介して厚み方向に繰り返し重ねた積層型のコアと、セパレータを挿んで長い帯状の正極板と負極板とを巻き重ねた捲回型のコアとが知られている。正極板は、基材となるアルミニウム箔に正極活物質が塗布された正極活物質合剤層を両面に有し、一方の縁にアルミニウム箔が露出した正極リードを備えている。負極板は、基材となる銅箔に負極活物質が塗布された負極活物質合剤層を両面に有し、他方の縁に銅箔が露出した負極リードを備えている。

正極リードおよび負極リードは、正極板と負極板との間に配置されるセパレータの両縁から互いに反対側に張り出すように配置される。このとき、負極活物質合剤層の塗布領域の幅に比べて正極活物質合剤層の塗布領域の幅のほうが狭いため、負極活物質合剤層と正極リードとが対向する範囲において、短絡しないような配慮が必要である。

電極間が短絡する要因は、製造過程で生じる電極の断片など導電性の異物であると想定される。これらの異物は、電極間に直接触れて短絡させるだけでなく、電解液に溶解してイオン化したのち負極側で還元されて析出してデンドライトを形成することによっても短絡を引き起こす。

特許文献１に記載された角形リチウムイオン二次電池は、捲回型の捲回電極群（コア）を有している。正極板は、正極リードと正極活物質合剤層との境界に絶縁層を有している。この絶縁層は、正極活物質合剤層の側縁に重なるように、かつ正極活物質合剤層と同じ厚みに形成されている。絶縁層とセパレータとで正極リードの基部を覆うことで、負極活物質合剤層と正極リードとが触れないようにしている。

特開２０１１−２１６４０３号公報

ところで、リチウムイオン電池のような二次電池は、製造直後の充放電において、電極の周囲にわずかながらにガスを発生する。これらのガスは、電極の間に残留すると電池の性能を低下させるだけでなく、電池の容器を膨らませるなど変形させる要因となるため、排出されることが望ましい。特許文献１に開示されたリチウムイオン電池の場合、正極活物質合剤層と同じ厚みに絶縁層を形成している。この絶縁層は、セパレータとともに正極リードの基部を周囲から隔絶するように覆い隠している。そのため、発生したガスを絶縁層側へ排出しにくい。

積層型のコアの場合、セパレータの端部を接合して、正極と負極とが互いに接しないようにすることも知られている。しかし、積層するごとにセパレータを接合するためには製造工程が複雑になり、生産効率が低下する。また、積層した後でセパレータを接合しようとすると、正極リードの間の範囲を接合できない。また、捲回型のコアの場合、正極および負極とともにセパレータを捲回すると、周長差によって徐々にずれが生じる。したがって、セパレータを接合してから捲回すると、歪が生じ、接合部が剥れてしまうかもしれない。

そこで、本発明は、電極間が短絡することを簡単な構造で防止し、かつ電極に発生するガスを排出しやすい二次電池を提供する。

本発明に係る一実施形態の二次電池は、セパレータを間に挟んで正極および負極を交互に積層したコアを備える。セパレータは、その外周縁に第１の辺とこの対辺の第２の辺とを有する。正極は、正極集電体と正極活物質と絶縁部とを有する。正極集電体は、セパレータの有する第１の辺よりも突出する正極リードを具備する。正極活物質は、セパレータの外周縁よりも内側の範囲の正極集電体の両面を覆う。絶縁部は、正極活物質の縁から離れて少なくともセパレータの外周縁までの間の正極リードの両面に形成される。負極は、負極集電体と負極活物質とを有する。負極集電体は、セパレータの有する第２の辺よりも突出する負極リードを具備する。負極活物質は、セパレータの外周縁よりも内側で正極活物質が形成された範囲よりも広い範囲の負極集電体の両面を覆う。そして、絶縁部は、コアが形成された状態で、負極の端部を覆うように、積層方向に負極の両側に配置されるセパレータの第１の辺を閉じる。

このとき、絶縁部は、負極活物質が形成された範囲よりも内側から少なくともセパレータの外周縁までの範囲に形成される。また、絶縁部は、電解液が浸透可能な空孔を多数含む部材で形成されるとよい。また、絶縁部は、正極リードを覆って形成され電解液を通さない中実な第１の絶縁層と、第１の絶縁層を覆って形成され電解液が浸透可能な空孔を多数含む第２の絶縁層と、を含む。絶縁部の厚みは、セパレータの外周縁の位置で、正極の片側に形成された正極活物質の厚み、および負極の片側に形成された負極活物質の厚みをそれぞれ足し合わせた厚みに形成され、前記第１の絶縁層は、前記正極活物質の厚みよりも薄くする。

本発明に係る二次電池によれば、正極のリードに絶縁部を有している。セパレータを挿んで正極と負極とを積層したコアを形成することで、セパレータの有する第１の辺に沿う負極の端部は、積層方向に負極の両側に配置されたセパレータの第１の辺によって覆われる。したがって、製造過程において生じる電極の断片など導電性の異物が二次電池に混入していても、異物が正極を負極に短絡させることを防止できる。

また、負極活物質が形成された範囲よりも内側から少なくともセパレータの外周縁までの範囲に絶縁物が形成される発明の二次電池によれば、第１の辺から延びる正極リードの位置が安定する。電解液が浸透可能な空孔を多数含む部材で絶縁部が形成されている発明の二次電池によれば、組み立て時に電解液が浸透しやすく、また直後の充放電によって生じるガスも抜けやすい。

さらに、正極リードを覆って形成され電解液を通さない中実な第１の絶縁層と、第１の絶縁層を覆って形成され電解液が浸透可能な空孔を多数含む第１の絶縁層とを絶縁部が有する発明の二次電池によれば、正極リードからデンドライトが発生しない。また、電解液中の溶存金属が正極リードの近傍で析出した場合でも、析出する金属が第１の絶縁層によって正極リードに達することを阻止される。したがって、正極と負極とを短絡させることを防止できる。

セパレータの外周縁の位置で、絶縁部の厚みが、正極の片側に形成された正極活物質の厚みおよび負極の片側に形成された負極活物質の厚みをそれぞれ足し合わせた厚みに形成され、第１の絶縁層が正極活物質の厚みよりも薄い発明の二次電池によれば、第１の辺側の負極の端部をセパレータで確実に覆うことができるとともに、電解液が絶縁部の第２の絶縁層を透過して正極に供給される。そして、第２の絶縁層を透過した電解液は、セパレータも透過することで、負極にも供給される。また、第２の絶縁層を通して第１の辺側の正極および負極の近傍で発生したガスを排出することができる。

本発明に係る第１の実施形態の二次電池の斜視図。 図１に示した二次電池のコアの分解斜視図。 図２に示したコアの積層部分を拡大する断面図。 本発明に係る第２の実施形態の二次電池のコアの断面図。

本発明に係る第１の実施形態の二次電池について、リチウムイオン電池１に適用した場合を一例に図１から図３を参照して説明する。図１に示すリチウムイオン電池１は、コア１０及び電解液をケース２の中に収納しており、開口部２１に蓋３が取り付けられている。ケース２は、図１に示すような角型の容器である以外に、円筒型であってもよいし、ラミネートフィルムで形成された袋状のものでもよい。正極端子１０１および負極端子１０２は、それぞれ蓋３を貫通して取り付けられている。

コア１０は、セパレータ１３を間に挟んで正極１１および負極１２が交互に積層配置された構造を有している。本実施形態のコア１０は、図２に示すように、帯状に長いセパレータ１３を間に挟んで、同じくそれぞれ帯状に長い正極１１と負極１２とを巻いた捲回型のコア１０である。

本実施形態において、セパレータ１３は、図２に示すように帯状の長手方向に、第１の辺１３１とこの対辺に位置する第２の辺１３２とを有する。セパレータ１３は、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系微多孔膜で作られており、空孔中に電解液を保持する。

正極１１は、図３に示すように正極集電体１１１と正極活物質１１２と絶縁部１４とを有する。正極集電体１１１は、セパレータ１３の有する第１の辺１３１よりも突出する正極リード１１３を具備している。この実施形態において正極集電体１１１は、アルミニウム箔である。正極活物質１１２は、セパレータ１３の外周縁１３Ａよりも内側の範囲の正極集電体１１１の両面を覆うように形成される。正極活物質１１２は、電極材料の粉末を溶媒で溶いてスラリーにし、正極集電体１１１の両側の面に均質に塗工され、乾燥されることによって形成される。正極活物質１１２の一例としてマンガン酸リチウムが採用される。絶縁部１４は、正極活物質１１２の縁１１２Ａから離れた位置から少なくともセパレータ１３の外周縁１３Ａまでの間の正極リードの両面に形成される。本実施形態では、図２に示すように、正極活物質１１２の縁１１２Ａに平行に形成される。絶縁部１４は、正極活物質１１２と同様に、スラリーにして塗工される。絶縁部１４は、正極活物質１１２から離れて形成されるので、正極活物質１１２と同時に塗工されてもよいし、正極活物質１１２の前にまたは後に塗工されてもよい。

負極１２は、負極集電体１２１と負極活物質１２２とを有する。負極集電体１２１は、セパレータ１３の有する第２の辺１３２よりも突出する負極リード１２３を具備している。この実施形態において負極集電体１２１は、銅箔である。負極活物質１２２は、セパレータ１３の外周縁１３Ａよりも内側の範囲で、かつ、正極活物質１１２が形成された範囲よりも広い範囲の負極集電体１２１の両面を覆うように形成される。負極活物質１２２は、正極活物質１１２と同様に、スラリーにして塗工される。負極活物質１２２の一例として黒鉛が採用される。

さらに、本実施形態の場合、図３に示すように、正極１１に設けられる絶縁部１４は、コア１０が形成された状態で、負極１２の端部１２Ａを覆うように、積層方向に負極１２の両側に配置されるセパレータ１３の第１の辺１３１を閉じる。つまり、絶縁部１４は、セパレータ１３の外周縁１３Ａの位置で、正極集電体１１１の片側に形成された正極活物質１１２の厚みＴ１および負極集電体１２１の片側に形成された負極活物質１２２の厚みＴ２をそれぞれ足し合わせた厚みＴ４を有している。厳密には、セパレータ１３の外周部１３Ａの位置における絶縁部１４の厚みＴ４は、さらに負極集電体１２１の半分の厚みを含む。したがって、積層方向に負極１２の両側にセパレータ１３を介して正極１１が配置されることで、セパレータ１３の第１の辺１３１が絶縁部１４によって押し曲げられ、当接される。

このとき、正極活物質１１２に面した絶縁部１４の端部１４Ａは、図３に示すように、負極活物質１２２が形成された範囲よりも内側に位置しており、正極活物質１１２の厚みＴ１と同じ厚みに成形されている。そして、絶縁部１４は、セパレータ１３の外周縁１３Ａに位置する端部１４Ｂにおいて厚みＴ４になるように、端部１４Ｂに向かうにしたがって徐々に分厚くなるように形成されている。したがって、絶縁部１４が負極１２の端部１２Ａに挟まれることによって固定され、正極リード１１３が保持される。

また、絶縁部１４は、電解液が浸透する空孔を多数含む部材、例えばセラミック系の材料で形成さる。したがって、リチウムイオン電池１を組み立てた後、最初の充電または放電の際に正極１１から発生するガスは、絶縁部１４を透過して、コア１０の外へ排出される。また、負極１２から発生するガスは、セパレータ１３またはセパレータ１３を押えている絶縁部１４を透過してコア１０の外へ排出される。また、絶縁部１４が、正極活物質１１２の縁１１２Ａから離れて形成されているので、正極活物質１１２からリチウムイオンを放出できる面積を狭めない。

以上のように構成される図２のコア１０において、正極１１はセパレータ１３に対して第１の辺１３１側へ正極リード１１３を突出させた状態に、負極１２はセパレータ１３に対して第２の辺１３２側へ負極リード１２３を突出させた状態に、それぞれずらして重ね合わされる。図２に示すように、正極１１、セパレータ１３、負極１２、セパレータ１３という順番に、正極１１と負極１２とがセパレータ１３を間に挟んで４枚重ねにされた状態で、捲回されて、コア１０が形成される。第１の辺１３１側に突出した正極リード１１３、および第２の辺１３２側に突出した負極リード１２３は、それぞれ積層方向に束ねて溶接またはろう付けなどによって接合される。束ねられてコア１０から延びる正極リード１１３および負極リード１２３は蓋３に設けられた正極端子１０１および負極端子１０２にそれぞれ接続される。

以上のように構成されたリチウムイオン電池１は、セパレータ１３の第１の辺１３１が絶縁部１４によって閉じられ、負極１２の端部１２Ａが被われている。したがって、製造過程で混入する電極の断片など導電性の異物が第１の辺１３１に付着しても、正極リード１１３を負極１２に短絡させることがない。また、第１の辺１３１においてセパレータ１３は、絶縁部１４によって当接させられているが、接合されていない。つまり、正極１１、負極１２及びセパレータ１３を重ねて捲回する際の周長差が生じてもセパレータ１３が突っ張ったりひずみが生じたりすることがない。

なお、セパレータ１３の第２の辺１３２側において、負極１２は、正極１１の端部よりも外側まで負極活物質１２２が形成されており、さらにその先に負極リード１２３が延びている。したがって、第２の辺１３２側に導電性の異物が入り込んでも、負極リード１２３を正極１１に短絡させる位置まで異物が到達しない。ただし、負極活物質１２２の縁１１２Ａから離れた位置で、第１の辺１３１に対応する位置の負極リード１２３に、絶縁部１４を正極リード１１３と同様に設けてもよい。

本発明に係る第２の実施形態の二次電池について、リチウムイオン電池１に適用した場合を一例に図４を参照して説明する。第２の実施形態のリチウムイオン電池１は、絶縁部１４の構造が第１の実施形態のリチウムイオン電池１と異なっており、そのほかの構成は、第１の実施形態のリチウムイオン電池１と同じである。そこで、第２の実施形態のリチウムイオン電池１において、第１の実施形態のリチウムイオン電池１の構成と同じ機能を有する構成は、以下の説明おいて同じ符号を付し、詳細な説明は、第１の実施形態の記載を参酌することとする。

図４は、セパレータ１３の第１の辺１３１側のコア１０を積層方向に横切る断面を示す。絶縁部１４は、第１の絶縁層１４１と第２の絶縁層１４２とを有している。第１の絶縁層１４１は、電解液を通さない中実な部材であり、正極リード１１３を覆って形成される。第１の絶縁層１４１は、合成樹脂製の材料で形成される。この第１の絶縁層１４１の厚みは、正極活物質１１２の厚みＴ１よりも薄い。第２の絶縁層１４２は、電解液が浸透可能な空孔を多数含む部材であり、第１の絶縁層１４１を覆って形成される。第２の絶縁層１４２の材料として、塗膜を形成するものであれば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系の有機材料や、セラミック系の無機材料を採用することができる。

以上のように構成された第２の実施形態のリチウムイオン電池１によれば、絶縁部１４内にデンドライトが成長しても、絶縁部１４の第１の絶縁層１４１によってデンドライトが正極リード１１３に達することを防ぐことができる。また、第１の絶縁層１４１の厚みが正極活物質１１２の厚みよりも薄いので、電池を組み立てた直後に充電及び放電を行うことで正極リード１１３側の正極１１の周りに発生するガスは、第２の絶縁層１４２を通してコア１０の外へ排出することができる。

なお、本発明に係る二次電池は、捲回型のコア１０を内蔵するリチウムイオン電池１の場合を一例に、第１の実施形態及び第２の実施形態を上述のように説明したが、積層型のコアにも同様の技術を採用することもできる。積層型のコアを内蔵する二次電池に本発明に係る技術を採用した場合、上述の捲回型のコア１０を内蔵する二次電池（リチウムイオン電池１）が得る効果と同様の効果を得られる。

１…リチウムイオン電池（二次電池）、１０…コア、１１…正極、１１１…正極集電体、１１２…正極活物質、１１３…正極リード、１２…負極、１２１…負極集電体、１２２…負極活物質、１２３…負極リード、１３…セパレータ、１３１…第１の辺、１３２…第２の辺、１３Ａ…外周縁、１４…絶縁部、１４１…第１の絶縁層、１４２…第２の絶縁層、Ｔ１…（正極活物質の）厚み、Ｔ２…（負極活物質の）厚み、Ｔ４…（正極活物質の厚みと負極活物質の厚みとを足し合わせた）厚み。

Claims (5)

1. 外周縁に第１の辺とこの対辺の第２の辺とを有するセパレータを間に挟んで正極及び負極を交互に積層したコアを備える二次電池であって、
   前記正極は、前記セパレータの有する前記第１の辺よりも突出する正極リードを具備する正極集電体と、前記セパレータの外周縁よりも内側の範囲の前記正極集電体の両面を覆う正極活物質と、前記正極活物質の縁から離れて少なくとも前記セパレータの外周縁までの間の前記正極リードの両面に形成される絶縁部と、を有し、
   前記負極は、前記セパレータの有する前記第２の辺よりも突出する負極リードを具備する負極集電体と、前記セパレータの外周縁よりも内側で前記正極活物質が形成された範囲よりも広い範囲の前記負極集電体の両面を覆う負極活物質と、を有し、
   前記絶縁部は、前記コアが形成された状態で、前記負極の端部を覆うように、積層方向に前記負極の両側に配置される前記セパレータの前記第１の辺を閉じる
   ことを特徴とする二次電池。
2. 前記絶縁部は、前記負極活物質が形成された範囲よりも内側から少なくとも前記セパレータの前記外周縁までの範囲に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記絶縁部は、電解液が浸透可能な空孔を多数含む部材で形成される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次電池。
4. 前記絶縁部は、前記正極リードを覆って形成され電解液を通さない中実な第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層を覆って形成され電解液が浸透可能な空孔を多数含む第２の絶縁層と、を含む
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の二次電池。
5. 前記絶縁部の厚みは、前記セパレータの外周縁の位置で、前記正極の片側に形成された正極活物質の厚み、及び、前記負極の片側に形成された負極活物質の厚みをそれぞれ足し合わせた厚みに形成され、
   前記第１の絶縁層は、前記正極活物質の厚みよりも薄い
   ことを特徴とする請求項４に記載の二次電池。

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