JP6302797B2

JP6302797B2 - 角形二次電池

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Publication number: JP6302797B2
Application number: JP2014174733A
Authority: JP
Inventors: 良介伊藤; 稔之有賀
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP2016051538A

Description

本発明は角形のリチウムイオン二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池は他の二次電池と比較してエネルギー密度が高いため、主にデジタルカメラやノート型パソコン、携帯電話などのポータブル機器に多く使用されている。また近年は環境問題に対応すべく、電気自動車用や電力貯蔵用を目的とする、大型のリチウムイオン二次電池の研究開発が活発に行われている。特に、自動車産業界においては、動力源としてモータを用いる方式の電気自動車や内燃機関とモータとの両方を用いるハイブリッド方式の電気自動車の開発が進められており、その一部はすでに実用化されている。
角形形状のリチウムイオン二次電池においては、主に高出力を必要とする車載用等のリチウムイオン二次電池として、捲回群の捲回軸方向の両端に、正極と負極それぞれの未塗工部を突出させ、前記突出させた未塗工部を電極端子又は集電体に接続することで、簡便な構成を可能にし、かつ電極端子や集電体に至る通電経路を短くし、接続抵抗を小さくして高出力が得られるように工夫したものが種々提案されている。

特許文献１に記載のリチウムイオン二次電池では、リチウムイオン二次電池内に収容される捲回群が捲回群最内周の負極電極の内側に、セパレータを介して正極電極が配置されていない構造として、負極合剤の量を正極合剤の量よりも過剰に多くすることによってデンドライトの発生を抑制した構造が開示されている。

特開２０１１−１００５９１号公報

しかし、特許文献１に記載のリチウムイオン二次電池では、最内周の負極電極内側部が電池反応に寄与しない余剰部となってしまう。そのため、反応に寄与しない負極電極の分、リチウムイオン電池としてエネルギー密度が小さくなってしまうという課題がある。

そこで本発明では、捲回群内周側に配置された反応に寄与しない負極電極を減らすことによって、エネルギー密度を向上させた角形のリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。

上記課題に対し、本発明の角形二次電池では、正極箔３４ａの両面に正極合剤層３４ｂを設けた正極電極３４と、負極箔３２ａの両面に負極合剤層３２ｂを設けた負極電極３２をセパレータ３３、３５を介して扁平形状に捲回した捲回群３を有し、捲回群３の平坦部に配置されていて、かつ捲回群３の最内周に配置されている負極電極３２の内側には対向して正極電極３４が配置されていることを特徴とする。

本発明を用いることで、捲回群内周側に配置された反応に寄与しない負極電極の量を減らすことにより、エネルギー密度を向上させた角形のリチウムイオン二次電池を提供することが出来る。

角形二次電池の外観斜視図角形二次電池の分解斜視図捲回電極群の分解斜視図捲回装置の構成図捲回体巻き始めの構造を示す断面図捲回体巻き始めから巻き芯を半周回転させた後の構造を示す断面図捲回体巻き始めから巻き芯を１周回転させた後の構造を示す断面図捲回体最内周側の構造を示す断面図第二の実施形態の捲回体巻き始めから巻き芯を半周回転させた後の構造を示す断面図第二の実施形態の捲回体最内周側の構造を示す図第一の実施形態の捲回体最内周側拡大図第二の実施形態の変形例の捲回体巻き始めから巻き芯を半周回転させた後の構造を示す断面図第三の実施形態の捲回体最内周側拡大図第三の実施形態の変形例の捲回体最内周側拡大図第三の実施形態の変形例に係る捲回装置の構成図

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。
＜第一の実施形態＞
図１は、角形二次電池の外観斜視図である。

角形二次電池１００は、電池缶１および蓋（電池蓋）６を備える。電池缶１は、相対的に面積の大きい一対の対向する幅広側面１ｂと相対的に面積の小さい一対の対向する幅狭側面１ｃとを有する側面と、底面１ｄを有し、その上方に開口部１aを有する。

電池缶１内には、捲回群３が収納され、電池缶１の開口部１ａが電池蓋６によって封止されている。電池蓋６は略矩形平板状であって、電池缶１の上方開口部１aを塞ぐように溶接されて電池缶１が封止されている。電池蓋６には、正極外部端子１４と、負極外部端子１２が設けられている。電力は正極外部端子１４と負極外部端子１２を介して捲回群３に充電され、また外部負荷に電力が供給される。電池蓋６には、ガス排出弁１０が一体的に設けられ、電池容器内の圧力が上昇すると、ガス排出弁１０が開いて内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。これによって、角形二次電池１００の安全性が確保される。

図２は、角形二次電池の分解斜視図である。

角形二次電池１００の電池缶１は、矩形の底面１ｄと、底面１ｄから連なる角筒状の幅広側面１ｂ、及び幅狭側面１ｃと、幅広側面１ｂ、及び幅狭側面１ｃの上端で上方に向かって開放された開口部１ａとを有している。電池缶１内には、絶縁保護フィルム２を介して捲回群３が収容されている。

捲回群３は、扁平形状に捲回されているため、断面半円形状の互いに対向する一対の湾曲部３ｂと、これら一対の湾曲部の間に連続して形成される平面部３ａとを有している。
捲回群３は、捲回軸方向が電池缶１の幅広側面１ｂに沿うように、一方の湾曲部側から電池缶１内に挿入され、他方の湾曲部側が上部開口側に配置される。

捲回群３の正極箔露出部３４ｃは、正極集電板（集電端子）４４を介して電池蓋６に設けられた正極外部端子１４と電気的に接続されている。また、捲回群３の負極箔露出部３２ｃは、負極集電板（集電端子）２４を介して電池蓋６に設けられた負極外部端子１２と電気的に接続されている。これにより、正極集電板４４および負極集電板２４を介して捲回群３から外部負荷へ電力が供給され、正極集電板４４および負極集電板２４を介して捲回群３へ外部発電電力が供給され充電される。

正極集電板４４と負極集電板２４、及び、正極外部端子１４と負極外部端子１２を、それぞれ電池蓋６から電気的に絶縁するために、ガスケット５および絶縁板７が電池蓋６に設けられている。また、注液口９から電池缶１内に電解液を注入した後、電池蓋６に注液栓１１をレーザ溶接により接合して注液口９を封止し、角形二次電池１００を密閉する。

ここで、正極外部端子１４および正極集電板４４の形成素材としては、例えばアルミニウム合金が挙げられ、負極外部端子１２および負極集電板２４の形成素材としては、例えば銅合金が挙げられる。また、絶縁板７およびガスケット５の形成素材としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材が挙げられる。

また、電池蓋６には、電池容器内に電解液を注入するための注液孔９が穿設されており、この注液孔９は、電解液を電池容器内に注入した後に注液栓１１によって封止される。
ここで、電池容器内に注入される電解液としては、例えばエチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）等のリチウム塩が溶解された非水電解液を適用することができる。

正極外部端子１４、負極外部端子１２は、バスバー等に溶接接合される溶接接合部を有している。溶接接合部は、電池蓋６から上方に突出する直方体のブロック形状を有しており、下面が電池蓋６の表面に対向し、上面が所定高さ位置で電池蓋６と平行になる構成を有している。正極接続部１４a、負極接続部１２aは、正極外部端子１４、負極外部端子１２の下面からそれぞれ突出して先端が電池蓋６の正極側貫通孔４６、負極側貫通孔２６に挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部１４a、負極接続部１２aは、電池蓋６を貫通して正極集電板４４、負極集電板２４の正極集電板基部４１、負極集電板基部２１よりも電池缶１の内部側に突出しており、先端がかしめられて、正極外部端子１４、負極外部端子１２と、正極集電板４４、負極集電板２４を電池蓋６に一体に固定している。正極外部端子１４、負極外部端子１２と電池蓋６との間には、ガスケット５が介在されており、正極集電板４４、負極集電板２４と電池蓋６との間には、絶縁板７が介在されている。

正極集電板４４、負極集電板２４は、電池蓋６の下面に対向して配置される矩形板状の正極集電板基部４１、負極集電板基部２１と、正極集電板基部４１、負極集電板基部２１の側端で折曲されて、電池缶１の幅広面に沿って底面側に向かって延出し、捲回群３の正極箔露出部３４ｃ、負極箔露出部３２ｃに対向して重ね合わされた状態で接続される正極側接続端部４２、負極側接続端部２２を有している。正極集電板基部４１、負極集電板基部２１には、正極接続部１４a、負極接続部１２aが挿通される正極側開口穴４３、負極側開口穴２３がそれぞれ形成されている。

捲回群３の扁平面に沿う方向でかつ捲回群３の捲回軸方向に直交する方向を中心軸方向として前記捲回群３の周囲には絶縁保護フィルム２が巻き付けられている。絶縁保護フィルム２は、例えばＰＰ（ポリプロピレン）などの合成樹脂製の一枚のシートまたは複数のフィルム部材からなり、捲回群３の扁平面と平行な方向でかつ捲回軸方向に直交する方向を巻き付け中心として巻き付けることができる長さを有している。

図３は、捲回群の一部を展開した状態を示す分解斜視図である。

捲回群３は、負極電極３２と正極電極３４を間にセパレータ３３、３５を介して扁平状に捲回することによって構成されている。捲回群３は、最外周の電極が負極電極３２であり、さらにその外側にセパレータ３３、３５が捲回される。セパレータ３３、３５は、正極電極３４と負極電極３２との間を絶縁する役割を有している。

負極電極３２の負極合剤層３２ｂが塗布された部分は、正極電極３４の正極合剤層３４ｂが塗布された部分よりも幅方向に大きく、これにより正極合剤層３４ｂが塗布された部分は、必ず負極合剤層３２ｂが塗布された部分に挟まれるように構成されている。正極箔露出部３４ｃ、負極箔露出部３２ｃは、平面部分で束ねられて溶接等により接続される。
尚、セパレータ３３、３５は幅方向で負極合剤層３２ｂが塗布された部分よりも広いが、正極箔露出部３４ｃ、負極箔露出部３２ｃで端部の金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。

正極電極３４は、正極集電体である正極箔３４ａの両面に正極活物質合剤を有し、正極箔３４ａの幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極箔露出部３４ｃが設けられている。

負極電極３２は、負極集電体である負極箔３２ａの両面に負極活物質合剤を有し、負極箔３２ａの幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極箔露出部３２ｃが設けられている。正極箔露出部３４ｃと負極箔露出部３２ｃは、電極箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の一方側と他方側の位置に配置されるように捲回される。

負極電極３２に関しては、負極活物質として非晶質炭素粉末１００重量部に対して、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）を添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという。）を添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ１０μｍの銅箔（負極電極箔）の両面に溶接部（負極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極電極３２を得た。

尚、本実施形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やＳｉやＳｎなどの化合物（例えば、ＳｉＯ、ＴｉＳｉ２等）、またはそれの複合材料でもよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。

正極電極３４に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ２Ｏ４）１００重量部に対し、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として１０重量部のＰＶＤＦとを添加し、これに分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極電極箔）の両面に溶接部（正極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極電極３１を得た。

また、本実施形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。

また、本実施形態では、正極電極、負極電極における塗工部の結着材としてＰＶＤＦを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる
図４は捲回装置２００の構成例を示す図である。

捲回装置２００は、装置中央にスピンドル１０１が回転可能に支持されており、図示していない回転駆動装置によって時計回りに回転駆動されるようになっている。そして、スピンドル１０１の側方には、正極電極３４、セパレータ３３（第１のセパレータ）、負極電極３２、セパレータ３５（第２のセパレータ）をスピンドル１０１に供給するための供給装置が設けられている。

供給装置は、装置右上から順に負極電極３２、セパレータ３３、正極電極３４、セパレータ３５をロール状に保持しており、外周端部から繰り出してスピンドル１０１に供給するようになっている。また、各々の電極（正極電極３４、負極電極３２）、セパレータ３３、３５を所定位置に供給する送りローラ１６０ａ〜１６０ｄと、所定の長さで切断するカッター１６１ａ〜１６１ｄを備える。

スピンドル１０１には巻き芯１０２が取り付けられており、巻き芯１０２に巻きつけた正極電極３４、セパレータ３３（第１のセパレータ）、負極電極３２、セパレータ３５（第２のセパレータ）がほどけないように保持するための仮押さえ機構１７８を備える。

巻き芯１０２の近傍には、巻き芯１０２を回転させて捲回群３を形成した後に、捲回群３がほどけないように粘着テープ１６３を貼り付ける貼付装置１６７を備えている。貼付装置１６７は図４中の破線で囲まれた部分であり、送り出し機構１６４、カッター１６５、貼付機構１６８を有する。粘着テープ１６３は、送り出し機構１６４によって所定長さだけ繰り出され、カッター１６５で所定長さにカットされて、貼付機構１６８により、捲回群３に貼付される。

続いて本捲回装置２００での製造方法を以下に述べる。本発明の製造方法での特徴は、はじめに正極電極３４を巻き芯１０２に巻きつけ、その後負極電極３２を巻きつける点である。特に本実施形態では、正極電極３４が巻き芯１０２に巻きつけられ、巻き芯１０２を半周回転させた後に負極電極３４を巻きつけて捲回群３を作成している。

以下、図５から図７を用いて捲回群３の製造方法について説明する。

図５は巻き始めを示す図であり、巻き芯１０２に巻きつけたセパレータ３３、３５と正極電極３４の巻き始めの状態の概略図である。はじめにセパレータ３３、セパレータ３５を巻き芯の穴１０２ａに挿入して巻きつけ、正極電極３４をセパレータ３３、セパレータ３５の間に挟み込む。ここで、セパレータ３３、セパレータ３５は、挟み込む正極電極３４よりも長さ方向、幅方向に対して広く巻きつけておく必要がある。この状態から、スピンドル１０１が回転駆動装置によって時計回りに回転駆動して正極電極３４、セパレータ３３とセパレータ３５を捲回する。なお、巻き芯１０２表面に電極が当接すると、巻き芯１０２に剥離した電極合剤層が付着し、その後に続けて行う捲回群３作成の際に電極表面を傷つける危険性がある。このような危険性を回避するために、捲回群３を作成度に巻き芯１０２の表面の清掃を実施することも可能だが、製造工程が複雑化するため量産性が低い。そこで高い信頼性と量産性を両立するために、例えば、巻き芯１０２の表面に保護シート２０２をあらかじめ設置しておくと良い。この保護シート２０２にはＰＰ（ポリプロピレン）などの合成樹脂を用いることができる。また、保護シート２０２には、巻き芯１０２に沿うように設置しやすく、捲回後の捲回群３から取り外す際にセパレータ３３、セパレータ３５、正極電極３４と負極電極３２が幅方向に移動しないように、曲げ剛性の低いフィルム状のものを用いるのが良い。なお、保護シート２０２を用いる場合には、セパレータ３３、３５を巻き芯１０２ａの穴に挿入した後に保護シート２０２を配置することになる。

図６は、図５の状態から巻き芯１０２を半周ほど回転させた後の概略図であり、巻き芯１０２に巻きつけたセパレータ３３、３５、正極電極３４と負極電極３２の巻き始めの状態が分かる図となっている。本工程では、図５で示した巻き芯１０２に巻きつけたセパレータ３３、セパレータ３５と正極電極３４を半周捲回した後に、巻き芯１０２とセパレータ３３の間に負極電極３２を挟み込む。この際、仮押さえ機構１７８（不図示）が巻き芯１０２とセパレータ３３との間に負極電極３２が挟みこまれた状態を保持するように動作する。なお、負極電極３２の巻き始め端部については巻き芯１０２の平坦部に配置しても良いが、本実施形態では図６に示すように巻き芯１０２の端部に揃うように負極電極３２の巻き始め端部を配置している。このように負極電極３２の巻き始め端部を配置することによって、プレスして捲回群３作成した際に、最内周の負極電極３２の内周側半分以上の領域で対向するように正極電極３４が配置され、また同様に最内周の正極電極３４の内周側半分以上の領域で対向するように負極電極３２を配置されることとなる。つまり捲回群３の最内周部において、余分な隙間を作ることなく、最内周に配置された負極電極３２を反応に寄与させることが出来る。そのため、１個の角形二次電池としてよりエネルギー密度を向上させることが出来る。

図７は、図６の状態から巻き芯１０２を半周ほど回転させた後の概略図である。図６で示した、巻き芯１０２に巻きつけたセパレータ３３、セパレータ３５、正極電極３４と負極電極３２をさらに半周捲回すると図７のような状態となる。捲回群３の内周側の構造は、内周側からセパレータ３３、正極電極３４、セパレータ３５、負極電極３２という順番になる。これで正極電極３４、負極電極３２、セパレータ３３、３５が巻き芯１０２に把持された状態となる。この状態からスピンドル１０１が回転駆動装置によって時計回りに回転駆動していき捲回群３が作成される。なお、捲回群３の巻き終わり端部は、正極電極３４の量よりも負極電極３２の量を多くしてデンドライトの発生を抑制するため、最外周の電極は負極電極３２となる。最外周の電極を負極電極３２とするためには、正極電極３４を所定の長さに切断した後に負極電極３２を約１周分、正極電極３４よりも多く捲回する方法で作成する。

また、最外周の負極電極３２の外側はセパレータ３３、及びセパレータ３５で覆われる構造となっている。このような構造にすることによって最外周の負極電極３２を保護している。

セパレータ３３、３５の端部は捲回群３がほどけないように貼付装置１６７により粘着テープ１６３が貼り付けられる。その後、巻き芯１０２から保護シート２０２ごと捲回されたセパレータ３３、３５、負極電極３２、正極電極３４を抜き取る。そして最内周に位置する保護シート２０２を抜き取り、抜き取られた捲回群をプレスすることによって捲回群３を得る。

なお、正極電極３４を所定の長さで切断する際に、正極電極３４よりも長くなるようにセパレータ３５を切断しても良い。この場合は、最外周の負極電極３２の外側はセパレータ３３の１枚のみで覆われた構造となる。このような構造とすることによって、セパレータ３５の使用量を抑制することができる。

図８は上述の製造方法で作成された捲回群３の最内周側のセパレータ３３、セパレータ３５、正極電極３４と負極電極３２の構造を示す断面図である。図８に示すように、最内周の負極電極３４の内側平坦部の一部（半分以上の領域）で正極電極３４が対向する構造となっていることが分かる。

上述した方法で捲回群３を作成することによって、最内周に位置する負極電極３２の内側の一部と対向するように正極電極３４を配置することが出来る。そして最内周に位置する負極電極３２の内側に正極電極３４が配置されることによって、捲回群３の内周側に配置された負極電極であって、正極電極３４が対向して配置されず反応に寄与していなかった負極電極３２の量を減らすことができ、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させることが出来る。
＜第二の実施形態＞
続いて第二の実施形態について説明する。第二の実施形態が第一の実施形態と異なる点は、最内周の負極電極３２の先端に、捲回群３の最内周の湾曲部と対応する長さ程度の微小な折り返し部を設けた点である。なお、第一の実施形態と同様の構成については第一の実施形態で用いた図面番号と同様の図面番号を用いている。

図９は第一の実施形態の図６に対応する図であり、第二の実施形態の捲回群１３０の作成方法を示す図である。なお、図９では説明を分かりやすくするために寸法関係については正確ではなく、特に折り返し部の寸法が誇張して図示されている。

第二の実施形態の捲回群１３０は使用する捲回装置２００は、第一の実施形態で使用したものと同様の装置を用いることができる。第一の実施形態ではセパレータ３３、セパレータ３５と正極電極３４を巻き芯１０２に配置した後に巻き芯１０２を半周捲回し、巻き芯１０２とセパレータ３３の間に負極電極３２を挟み込む方法で捲回群３を作成した。

一方、本実施形態ではセパレータ３３、セパレータ３５と正極電極３４を巻き芯１０２に配置した後に巻き芯１０２を半周未満捲回し、巻き芯１０２とセパレータ３３の間に負極電極３２を挟み込む方法で捲回群１３０を作成した。その後は第一の実施形態と同様の方法で捲回する。このように作成された捲回群を巻き芯から引き抜き、プレスすることによって、最内周に配置されている負極電極３２の先端に折り返し部３２ｄを設けた捲回群１３０を作成することができる。

この折り返し部３２ｄの長さは可能な限り短い程、本効果は期待できる。つまり、折り返し部３２ｄの長さは最内周の湾曲部と対応する長さ程度であることが好ましい。折り返し部３２ｄの長さは巻き芯１０２の端部からの負極電極３２の突出量Ｌ（図９参照）で調整することが可能である。突出量Ｌは２〜５ｍｍであることが好ましい。特に、折り返し部３２ｄでは内側に正極電極３４が配置されず反応に寄与しないため、負極電極３２の無駄を無くすには突出量Ｌは２〜３ｍｍ程度にするのが好ましい。

一方で、確実に折り返し部３２ｄを設けて捲回群１３０の歩留まりを高くするためには３〜５ｍｍとするのが好ましい。突出量Ｌを３〜５ｍｍとすることによって、捲回群を巻き芯１０２から引き抜いた際に折り返し部３２ｄが戻り、第一の実施形態の図８のような折り返し部が設けられない構造になってしまうことを防止出来る。

なお、実際にプレスされて捲回群１３０になると、折り返し部３２ｄの長さは突出量Ｌから巻き芯２０２の厚みの半分分だけ伸びることになる。本実施形態では巻き芯２０２の厚みは６．５ｍｍである。そのため、完成した捲回群１３０の折り返し部３２ｄの長さは５．２５〜８．２５ｍｍとなる。

図１０は捲回群１３０における最内周側の正極電極３４、負極電極３２、折り返し部３２ｄ、セパレータ３３、セパレータ３５の断面を示す概略図である。最内周の負極電極３２は、折り返し部３２ｄを有している。この折り返し部３２ｄは正極電極３４の巻き始めの平坦部から最初の湾曲部内側と対向するように折り返してある。

図１１を用いて本実施例の作用効果について説明する。図１１は第一の実施形態の捲回群３の断面図である。図１１に示すように第一の実施形態の捲回群３では、正極電極３４の巻き始め平坦部から最初の湾曲部の内側と対向するのは負極電極３２の先端部（図１１のＡ部参照）となる。そのため、正極電極３４の最初の湾曲部の内側にはリチウムイオンの授受が出来ない負極箔３２ａが露出した部分が配置されることとなり、デンドライトが発生する恐れがある。

一方で、本実施形態では最内周の負極電極３２の先端に折り返し部３２ｄを設けたため、正極電極３４の最内周の巻き始めから最初の湾曲部においても、セパレータ３３を介して負極電極３２と正極電極３４の対向を実現できる（図１０参照）。そのため、正極電極３４の最内周の巻き始めから最初の湾曲部においてもリチウムイオンの授受が可能な構造となり、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させつつも、デンドライトの発生を抑制することが可能となる。
＜第二の実施形態の変形例＞
続いて第二の実施形態の変形例について説明する。上述した第二の実施形態では特に捲回装置２００側には手を加えなかったが、本変形例ではカッター１６１ａと送りローラ１６０ａとの間に折り返し装置を配置し、予め折り返し部３２ｄを設けた上で捲回群１３０を作成する点が特徴となる。

図１２は第一の実施形態の図６に対応する図であり、第二の実施形態の変形例に対応する捲回群１３０の作成方法を示す図である。第一の実施形態ではセパレータ３３、セパレータ３５と正極電極３４を巻き芯１０２に配置した後に巻き芯１０２を半周捲回し、巻き芯１０２とセパレータ３３の間に負極電極３２を挟み込む方法で捲回群３を作成した。一方、本変形例ではセパレータ３３、セパレータ３５と正極電極３４を巻き芯１０２に配置して巻き芯１０２を半周捲回した後に、カッター１６１ａと送りローラ１６０ａとの間に配置された折り返し装置によって予め作成された負極電極３２の折り返し部３２ｄの折り返し端が巻き芯１０２の端部に揃うように配置される。そして、折り返し部３２ｄが設けられた負極電極３２が巻き芯１０２とセパレータ３３の間に挟み込まれる。この際、仮押さえ機構１７８（不図示）が巻き芯１０２とセパレータ３３の間に折り返し部３２ｄが挟みこまれた状態を保持するように動作する。その後、スピンドル１０１が回転駆動装置によって時計回りに回転駆動していき捲回群１３０が作成される。

なお、本変形形態では予め折り返し部３２ｄを設けているので、プレス後の捲回群１３０で折り返し部３２ｄの長さが突出量Ｌから巻き芯２０２の厚みの半分分だけ伸びることはない。そのため、突出量Ｌは２〜５ｍｍとすることが好ましく、負極電極３２の折り返し部３２ｄの長さは第二の実施形態で説明した通り２〜５ｍｍとなる。なお、負極電極３２の無駄を無くすという観点からは折り返し部３２ｄは２〜３ｍｍ程度にするのが好ましく、折り返し部３２ｄが戻るのを防ぎ歩留まりを高くするためには３〜５ｍｍとするのが好ましい。

本変形例のメリットは、上述した第二の実施形態と異なり捲回時に突出量Ｌを調整する必要が無いので、折り返し部の長さの調節が容易であるという点が挙げられる。
＜第三の実施形態＞
続いて第三の実施形態について説明する。第三の実施形態が第一の実施形態と異なる点は、最内周の負極電極３２の先端に、絶縁層２０１を設けた点である。なお、第一の実施形態と同様の構成については第一の実施形態で用いた図面番号と同様の図面番号を用いている。

図１３は、捲回群最内周の正極箔３４ａ、正極合剤層３４ｂ、負極箔３２ａと負極合剤層３２ｂ、セパレータ３３と絶縁層２０１を示す概略図である。図１３に示すように、本実施形態の捲回群２３０は最内周に配置されている負極電極３２の先端を絶縁層２０１で覆う構成をとる。この絶縁層２０１は、ポリ塩化ビニルやＰＰ（ポリプロピレン）などの合成樹脂で作成されている。また、この絶縁層２０１は負極電極３２を巻き始める前に負極電極３２の先端に塗布されて作成される。

第一の実施形態に記載の捲回群３では、最内周に位置された負極電極３２の先端が絶縁層で覆われていないため、負極電極３２の先端で負極箔３２ａが露出された状態になっており、負極箔３２ａが正極合剤層３４ｂと対向する形となる（図１１のＡ部参照）。そのため、正極合剤層３４ｂから放出されたリチウムイオンを受け取るための負極合剤層３２ｂが存在しない状態となり、負極箔３２ａ近傍でデンドライトが発生してしまう恐れがある。

一方、本実施形態では負極電極３２の最内周の先端部を絶縁層２０１で被覆することによって、負極箔３２ａが露出するのを防ぐことが出来る。従って、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させつつも、負極電極３２の最内周の先端部でデンドライトが発生するのを防ぐことができる。なお、絶縁層２０１は１枚の絶縁テープから構成されていても同様の効果を得ることが出来る。
＜第三の実施形態の変形例＞
続いて本実施形態の変形例について説明する。上述した第三の実施形態では一体の絶縁層で負極電極３２の先端を覆う構成としたが、本変形例では絶縁層２０１の代わりに別体で構成された２枚の絶縁テープ２０３ａ、２０３ｂを張り合わせて絶縁層２０１の代用とした。図１４は本変形例の捲回群２３０を示す図である。最内周に配置された負極電極３２の先端には絶縁テープ２０３ａ、２０３ｂが貼り合わされた構成となっている。本変形例のデンドライト発生を抑制する原理については、上述した第三の実施形態と同様の効果であるが、本変形例は上述した第三の実施形態と比較して容易に作成することが出来る。

本変形例では第一の実施形態で使用した捲回装置２００の一部を変更した捲回装置４００を用いる。図１５に本変形例で用いる捲回装置４００を示す。第一の実施形態の捲回装置４００と異なる点はカッター１６１ａの近傍に絶縁テープ貼付装置１６９が配置されている点である。

本変形例のカッター１６１ａと絶縁テープ貼付装置１６９の位置関係は、カッター１６１ａの方が絶縁テープ貼付装置１６９よりもロールされている負極電極３２に近い位置に配置される構成となっている。捲回群２３０が作成されると、正極電極３４、負極電極３２、セパレータ３３、３５はカッター１６１によってそれぞれカットされる。負極電極３２がカットされた後に絶縁テープ貼付装置１６９が作動し、負極電極３２の先端に絶縁テープ２０３ａ及び２０３ｂが貼り付けられる。なお、このとき絶縁テープ２０３ａ及び２０３ｂはそれぞれの接着面が対向するように絶縁テープ貼付け装置１６９に配置されている。負極電極３２の先端に絶縁テープ２０３ａ、２０３ｂが貼り付けられた後は、第一の実施形態と同様の方法で捲回群２３０が作成される。

本変形例では絶縁テープ貼付装置１６９で負極電極３２を挟みこむだけで簡単に絶縁テープ２０３ａ、２０３ｂを取り付けることができる。そのため絶縁層２０１を塗布したり、負極電極の裏側まで回り込ませる形でテープを貼り付ける必要が無くなり、上述した第三の実施形態と比較して捲回群の作成が簡素化され作業性や歩留まりが向上する。なお、絶縁テープ２０３ａ、２０３ｂには、ポリ塩化ビニルやＰＰ（ポリプロピレン）などの合成樹脂製のテープを用いることが出来る。

以上、本発明についてまとめる。

本発明に記載の角形二次電池では、正極箔３４ａの両面に正極合剤層３４ｂを設けた正極電極３４と、負極箔３２ａの両面に負極合剤層３２ｂを設けた負極電極３２をセパレータ３３、３５を介して扁平形状に捲回した捲回群３を有し、捲回群３の平坦部に配置されていて、かつ捲回群３の最内周に配置されている負極電極３２の内側には対向して正極電極３４が配置されている。このような構成にすることによって、今まで無駄になっていた最内周の負極電極を反応に寄与させることが可能になるため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度が向上する。

また、本発明に記載の角形二次電池では、正極電極３４は最内周に配置されている負極電極３４の内周側の半分以上の領域で対向するように配置されている。このような構成にすることによって、今まで無駄になっていた最内周の負極電極をより反応に寄与させることが可能になるため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度がより向上する。

また、本発明に記載の角形二次電池では、最内周に配置されている負極電極３２の先端には折り返し部３２ｄが設けられていることを特徴とする。このような構成にすることによって、正極電極３４の最内周の巻き始めから最初の湾曲部においてもリチウムイオンの授受が可能な構造となる。そのため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させつつも、デンドライトの発生を抑制することが可能となる。

また、本発明に記載の角形二次電池では、折り返し部３２ｄの長さが２〜５ｍｍである。負極電極３２の無駄を無くすには突出量Ｌは２〜３ｍｍ程度にするのが好ましく、確実に折り返し部３２ｄを設けて捲回群１３０の歩留まりを高くするためには３〜５ｍｍとするのが好ましい。

また、本発明に記載の角形二次電池では、折り返し部３２ｄの長さが２〜５ｍｍに巻き芯の厚みの半分の長さを加えた量に設定されている。このような構成にすることによって、巻き芯２０２を使用して折り返し部３２ｄを作成したとしても、負極電極３２の無駄を無くし、さらには確実に折り返し部３２ｄを設けて捲回群１３０の歩留まりを高くすることが出来る。

また、本発明に記載の角形二次電池は、最内周に配置されている負極電極３２の先端が絶縁層２０１で覆われている。このような構成にすることにより、負極電極３２の最内周の先端部でデンドライトが発生するのをより確実に防ぐことができる。そのため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させつつも、デンドライトの発生を抑制することが可能となる。

また、本発明に記載の角形二次電池では、最内周に配置されている負極電極３２の先端は２枚の絶縁テープ２０３ａ、２０３ｂが貼り合わされて覆われている。このような構成にすることによって、負極電極３２の最内周の先端部でデンドライトが発生するのをより確実に防ぎつつも、簡易に捲回群２３０を作成することが出来る。そのため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させつつも、簡易にデンドライトの発生を抑制することが可能となる。

また、本発明に記載の角形二次電池の製造方法では、正極箔３４ａの両面に正極合剤層３４ｂを設けた正極電極３４と、負極箔３２ａの両面に負極合剤層３２ｂを設けた負極電極３２をセパレータ３３、３５を介して扁平形状に捲回した捲回群３を有し、正極電極３４を巻き芯１０２に半周捲回した後に負極電極３２を捲回する。このようにリチウムイオン二次電池を作成することによって、最内周の負極電極３２の内側に確実に正極電極３４を配置することが可能となる。そのため、今まで無駄になっていた最内周の負極電極をより反応に寄与させることが可能になり、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度が向上する。

また、本発明に記載の角形二次電池の製造方法では、巻き始めの負極電極３２の先端は前記巻き芯の端部に揃うように配置される。このようにリチウムイオン二次電池を作成することによって、確実に最内周に配置されている負極電極３４の内周側の半分以上の領域で正極電極３４を配置させることが可能となる。そのため、今まで無駄になっていた最内周の負極電極をより反応に寄与させることが可能になり、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度がより向上する。

また、本発明に記載の角形二次電池の製造方法では、負極電極３２の先端に折り曲げ部３２ｄが設けられた後に捲回される。このようにリチウムイオン二次電池を作成することによって、折り返し部の長さの調節が容易にできるため、リチウムイオン二次電池の製造ばらつきを少なくすることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１電池缶
１ａ開口部
１ｂ幅広側面
１ｃ幅狭側面
１ｄ底面
２絶縁保護フィルム
３捲回群
４圧迫部材
５ガスケット
６電池蓋
７絶縁板
９注液口
１０ガス排出弁
１１注液栓
１２負極外部端子
１２ａ負極接続部
１４正極外部端子
１４ａ正極接続部
２１負極集電板基部
２２負極側接続端部
２３負極側開口穴
２４負極集電板
２６負極側貫通孔
３２負極電極
３２ａ負極箔
３２ｂ負極合剤層
３２ｃ負極箔露出部
３２ｄ折り返し部
３３セパレータ
３４正極電極
３４ａ正極箔
３４ｂ正極合剤層
３４ｃ正極箔露出部
３５セパレータ
４１正極集電板基部
４２正極側接続端部
４３正極側開口穴
４４正極集電板
４６正極側貫通孔
１００角形二次電池
１０１スピンドル
１０２巻き芯
１０２ａ穴
１３０捲回群
１６０ａ送りローラ
１６０ｂ送りローラ
１６０ｃ送りローラ
１６０ｄ送りローラ
１６１ａカッター
１６１ｂカッター
１６１ｃカッター
１６１ｄカッター
１６１ｅカッター
１６３粘着テープ
１６４送り出し機構
１６５カッター
１６７貼付装置
１６８貼付機構
１６９絶縁テープ貼付装置
１７８仮押さえ機構
２００捲回装置
２０１絶縁層
２０２保護シート
２０３ａ絶縁テープ
２０３ｂ絶縁テープ
２３０捲回群
４００捲回装置

Claims

金属箔の両面に正極合剤層を設けた正極電極と、金属箔の両面に負極合剤層を設けた負極電極をセパレータを介して扁平形状に捲回した捲回群を有する角形二次電池において、
前記捲回群の平坦部に配置されていて、かつ当該捲回群の最内周に配置されている負極電極の内側には対向して前記正極電極が配置されており、
前記最内周に配置されている負極電極の先端には折り返し部が設けられていることを特徴とする角形二次電池。
請求項１に記載の角形二次電池において、
前記正極電極は前記最内周に配置されている負極電極の内周側の半分以上の領域で対向するように配置されていることを特徴とする角形二次電池。
請求項１に記載の角形二次電池において、
前記折り返し部の長さは２〜５ｍｍであることを特徴とする角形二次電池。
請求項１に記載の角形二次電池において、
前記折り返し部の長さは２〜５ｍｍに、前記捲回群を作成するため使用する巻き芯の厚みの半分の量の長さを加えた長さであることを特徴とする角形二次電池。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の角形二次電池において、
前記最内周に配置されている負極電極の先端は絶縁層で覆われていることを特徴とする角形二次電池。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の角形二次電池において、
前記最内周に配置されている負極電極の先端は２枚の絶縁テープが貼り合わされて覆われていることを特徴とする角形二次電池。
金属箔の両面に正極合剤層を設けた正極電極と、金属箔の両面に負極合剤層を設けた負極電極をセパレータを介して扁平形状に捲回した捲回群を有し、前記捲回群の平坦部に配置されていて、かつ当該捲回群の最内周に配置されている負極電極の内側には対向して前記正極電極が配置されており、前記最内周に配置されている負極電極の先端には折り返し部が設けられている角形二次電池の製造方法において、
前記正極電極を巻き芯に半周捲回した後に前記負極電極を捲回することを特徴とする角形二次電池の製造方法。
請求項７に記載の角形二次電池の製造方法において、
前記負極電極の先端には長さは２〜５ｍｍの折り返し部が設けられた後に捲回されることを特徴とする角形二次電池の製造方法。
請求項７または８に記載の角形二次電池の製造方法において、
前記負極電極の先端が絶縁層で覆われた後に捲回されることを特徴とする角形二次電池の製造方法。
請求項７または８に記載の角形二次電池の製造方法において、
前記負極電極の先端が２枚の絶縁テープが貼り合わされて覆われた後に捲回されることを特徴とする角形二次電池の製造方法。