JP6358060B2

JP6358060B2 - 電極体

Info

Publication number: JP6358060B2
Application number: JP2014240371A
Authority: JP
Inventors: 将一梅原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: JP2016103364A

Description

本発明は電極体に関し、特に非水電解質二次電池に用いられる電極体に関する。

非水電解質二次電池の一つにリチウムイオン二次電池がある。リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極および負極の間を、電解質中のリチウムイオンが移動することで充放電可能な二次電池である。

特許文献１には、電極活物質の上に絶縁層が形成された電極板を用いた非水電解質二次電池に関する技術が開示されている。特許文献１に開示されている技術では、絶縁層として樹脂粒子が用いられている。

特開２０１３−０８０６５５号公報

特許文献１に開示されている非水電解質二次電池のように、電極体の絶縁層に樹脂粒子を用いた場合は、樹脂粒子同士の接着強度が弱いために、シート状のセパレータ（絶縁層）を用いた場合よりも絶縁層の強度が弱くなる。このため、絶縁層に樹脂粒子を用いた場合は、正極を切断した際に生じたバリが絶縁層を突き破り、正極と負極とが短絡してしまうおそれがある。

図７は、本発明の課題を説明するための図であり、電極体を捲回する前の正極（以下、正極シートとも記載する）と負極（以下、負極シートとも記載する）の状態を示す上面図である。図８は、図７に示す電極体の切断線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける断面図である。図７に示すように、電極体１０１は、帯状の正極シート１１０と帯状の負極シート１２０とを備える。正極シート１１０および負極シート１２０は厚さ方向において積層されている。

図７、図８に示すように、正極シート１１０は、正極集電体１１１と、当該正極集電体上（つまり、正極集電体１１１の両面）に配置された正極合剤層１１２と、を備える。正極シート１１０の幅方向の一端（つまり、図７に示す正極シート１１０の上側）には、正極集電体１１１が露出している部分（つまり、正極合剤層１１２が配置されていない部分）が設けられている。また、負極シート１２０は、負極集電体１２１と、当該負極集電体上（つまり、負極集電体１２１の両面）に配置された負極合剤層１２２と、当該負極合剤層１２２上に配置された樹脂粒子を含む絶縁層１２３と、を備える。負極シート１２０の幅方向の一端（つまり、図７に示す負極シート１２０の下側）には、負極集電体１２１が露出している部分（つまり、負極合剤層１２２が配置されていない部分）が設けられている。

正極シート１１０は長手方向において負極シート１２０よりも短い。このため、正極シート１１０の長手方向の端部１１５、１１６は、負極シート１２０に形成された絶縁層１２３と接するように配置される（図８参照）。ここで、正極シート１１０の長手方向の端部１１５、１１６は正極シート１１０を切断した部分であるためバリ１３５（金属である正極集電体の破片）が生じる場合がある。このため、図８に示すように、電極体を捲回した際に正極シート１１０のバリ１３５が絶縁層１２３を突き破り、正極と負極とが短絡してしまうおそれがある。

上記課題に鑑み本発明の目的は、絶縁層に樹脂粒子を用いた場合であっても、正極と負極との短絡を抑制することが可能な電極体を提供することである。

本発明にかかる電極体は、正極集電体と、当該正極集電体上に配置された正極合剤層と、を備える帯状の正極と、負極集電体と、当該負極集電体上に配置された負極合剤層と、当該負極合剤層上に配置された熱可塑性の樹脂粒子を含む絶縁層と、を備える帯状の負極と、が積層されて捲回された非水電解質二次電池用の電極体であって、前記帯状の正極の長手方向端部の切断部と対向する位置における前記樹脂粒子が熱溶着していることを特徴としている。

本発明にかかる電極体では、正極の長手方向端部の切断部と対向する位置における樹脂粒子（絶縁層）を熱溶着している。このように樹脂粒子を熱溶着することで樹脂粒子同士の接着強度をあげることができ、正極の長手方向端部の切断部と対向する位置における絶縁層の強度を向上させることができる。よって、正極を切断する際に発生したバリが絶縁層を突き破り、正極と負極とが短絡してしまうことを抑制することができる。

本発明により、絶縁層に樹脂粒子を用いた場合であっても、正極と負極との短絡を抑制することが可能な電極体を提供することができる。

実施の形態にかかる電極体を説明するための上面図である。実施の形態にかかる負極シートを示す上面図である。図１に示す電極体の切断線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。実施の形態にかかる電極体を捲回している状態を示す斜視図である。電極体の製造方法の一例を説明するための断面図である。絶縁層の熱溶着の有無と電極体の短絡の有無との関係を示す図である。本発明の課題を説明するための上面図である。図７に示す電極体の切断線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる電極体１を説明するための上面図である。図１は、電極体１を捲回する前の正極（正極シート）１０と負極（負極シート）２０の状態を示す上面図である。図２は、本実施の形態にかかる負極シート２０を示す上面図である。図３は、図１に示す電極体１の切断線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。図１に示すように、電極体１は、帯状の正極シート１０と帯状の負極シート２０とを備える。正極シート１０および負極シート２０は厚さ方向において積層されている。

図１、図３に示すように、正極シート１０は、正極集電体１１と、当該正極集電体１１上（つまり、正極集電体１１の両面）に配置された正極合剤層１２と、を備える。正極シート１０の幅方向の一端（つまり、図１に示す正極シート１０の上側）には、正極集電体１１が露出している部分（つまり、正極合剤層１２が配置（塗工）されていない部分）が設けられている。

正極集電体１１には、例えばアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用いることができる。正極合剤層１２は、正極活物質を含む。正極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）等を用いることができる。また、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉＯ_２を任意の割合で混合して焼成した材料を用いてもよい。また、正極合剤層１２は、導電材を含んでいてもよい。導電材としては、例えばアセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛（グラファイト）を用いることができる。

正極シート１０を作製する際は、例えば、正極活物質と、導電材と、溶媒と、結着剤（バインダー）とを混練し、混練後の正極合剤を正極集電体１１に塗布して乾燥することによって作製することができる。ここで、溶媒としては、例えばＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）溶液を用いることができる。また、バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、スチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等を用いることができる。

図１〜図３に示すように、負極シート２０は、負極集電体２１と、当該負極集電体２１上（つまり、負極集電体２１の両面）に配置された負極合剤層２２と、当該負極合剤層２２上に配置された樹脂粒子を含む絶縁層２３と、を備える。負極シート２０の幅方向の一端（つまり、図１に示す負極シート２０の下側）には、負極集電体２１が露出している部分（つまり、負極合剤層２２が配置（塗工）されていない部分）が設けられている。

負極集電体２１には、例えば銅やニッケルあるいはそれらの合金を用いることができる。負極合剤層２２は負極活物質を含む。負極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えば、黒鉛（グラファイト）等からなる粉末状の炭素材料を用いることができる。負極シート２０を作製する際は、例えば、負極活物質と、溶媒と、バインダーとを混練し、混練後の負極合剤を負極集電体２１に塗布して乾燥することによって作製することができる（正極シート１０を作製する場合と同様である）。

本実施の形態にかかる負極シート２０は、更に、負極合剤層２２上に配置された絶縁層２３を備える。絶縁層２３は、熱可塑性の樹脂粒子を用いて構成されている。例えば、樹脂粒子にはポリエチレン粒子（融点が１３０℃程度）を用いることができる。負極合剤層２２の上に絶縁層２３を形成する際は、例えばグラビア印刷等の手法を用いることができる。絶縁層２３は、図３に示すように正極シート１０と負極シート２０とを積層した際に、正極シート１０と負極シート２０とが短絡することを防止するセパレータとして働く。

図１、図３に示すように、正極シート１０は長手方向において負極シート２０よりも短い。この場合、正極シート１０の長手方向の端部１５、１６は、負極シート２０に形成された絶縁層２３と接するように配置される（特に図３参照）。ここで、正極シート１０の長手方向の端部１５、１６は正極シート１０を切断した位置（切断部）に対応しており、端部１５、１６には切断時にバリ（金属である正極集電体の破片）が発生する場合がある。本実施の形態のように絶縁層２３を樹脂粒子を用いて構成した場合は、樹脂粒子同士の繋がりが弱いためにバリに対する強度が弱い。このため、バリが絶縁層２３を突き破り、正極と負極とが短絡してしまうおそれがある（図８参照）。

そこで、本実施の形態では、図１〜図３に示すように、絶縁層２３のうち、正極シート１０の長手方向の端部１５、１６と対向する位置２５、２６（つまり、端部１５、１６と接する位置）における絶縁層を熱溶着している（位置２５、２６を溶着領域２５、２６と記載する場合もある）。このように樹脂粒子を熱溶着することで（つまり、樹脂粒子をフィルム状とすることで）樹脂粒子同士の接着強度をあげることができ、正極の長手方向端部と対向する位置２５、２６における絶縁層２３の強度を向上させることができる。よって、正極シート１０を切断する際に発生したバリが絶縁層２３を突き破り、正極１０と負極２０とが短絡してしまうことを抑制することができる。

例えば、溶着領域２５、２６における絶縁層２３を熱溶着する際は、絶縁層２３を構成している樹脂粒子の融点以上に熱した金属を、絶縁層２３に押し付けることで熱溶着させてもよい。また、レーザを用いて絶縁層２３を加熱して、溶着領域２５、２６における絶縁層２３を熱溶着してもよい。絶縁層２３を熱溶着する際の幅（つまり、溶着領域２５、２６の幅）は、所定の幅を備えていることが好ましい。つまり、溶着領域２５、２６の幅を広くするほど、正極シート１０を切断した際に発生したバリが絶縁層２３を突き破ることを確実に抑制することができる。

本実施の形態では、図１に示すように正極シート１０および負極シート２０を配置した後、図４に示すように正極シート１０および負極シート２０を捲回することで捲回電極体を形成することができる。

例えば、本実施の形態では、正極シート１０の長手方向の端部１５、１６と対応する位置２５、２６のうち、電極体１の巻き終わり側における溶着領域２５の幅を電極体１の巻き始め側における溶着領域２６の幅よりも広くしてもよい。電極体１を捲回した場合は、電極体１の巻き終わり側において、正極シート１０と負極シート２０の相対的な位置がずれやすい。この点を考慮して、電極体１の巻き終わり側の溶着領域２５の幅を広くすることで、正極シート１０と負極シート２０の相対的な位置ずれを吸収することができ、正極シート１０の長手方向の端部１５と対応する位置に、溶着領域２５を確実に配置することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。
上記で説明した方法を用いて、正極シート１０および負極シート２０を作製した。正極シート１０および負極シート２０を捲回する際、正極シート１０を切断するために電極シートの巻き取りを一時停止したタイミングで正極シート１０の切断位置を検出し、この検出した位置（つまり、正極シート１０の端部１５、１６と対向する位置）に対応した負極シート２０の絶縁層２３（位置２５、２６）を熱溶着した。負極シート２０の絶縁層２３を熱溶着する際は、図５に示すように、レーザ３１を用いた。レーザ３１にはＣＯ_２レーザを用いた。本実施例では、負極シート２０の絶縁層２３の溶着領域２５、２６を熱溶着したサンプル（実施例）と熱溶着していないサンプル（比較例）を作製した。

そして、正極シート１０および負極シート２０を捲回した後、正極と負極の短絡の有無を調べた。短絡の有無は、電極体の抵抗値、つまり、正極と負極との間の抵抗値を測定して判定した。このときの判定基準値を１ＧΩとした。すなわち、正極と負極との間の抵抗値が１ＧΩ以上の場合は短絡無しと判定し、１ＧΩよりも小さい場合は短絡有りと判定した。

絶縁層（ポリエチレン粒子）の熱溶着の有無と電極体の短絡の有無との関係を図６に示す。図６に示すように、負極シート２０の絶縁層２３を熱溶着していないサンプル（比較例）では、捲回後の電極体の正極と負極が短絡していた。これは、正極シート１０を切断した際に発生したバリが絶縁層（樹脂粒子）を突き破り、これにより正極と負極とが短絡したためであると考えられる。

一方、負極シート２０の絶縁層２３の溶着領域２５、２６を熱溶着したサンプル（実施例）では、捲回後の電極体の正極と負極が短絡していなかった。よって、本発明のように絶縁層２３（樹脂粒子）を熱溶着することで樹脂粒子同士の接着強度をあげることができ、正極シート１０を切断する際に発生したバリが絶縁層２３を突き破ることを抑制することができた。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１電極体
１０正極（正極シート）
１１正極集電体
１２正極合剤層
１５、１６端部（切断部）
２０負極（負極シート）
２１負極集電体
２２負極合剤層
２３絶縁層
２５、２６溶着領域
３１レーザ

Claims

正極集電体と、当該正極集電体上に配置された正極合剤層と、を備える帯状の正極と、
負極集電体と、当該負極集電体上に配置された負極合剤層と、当該負極合剤層上に配置された熱可塑性の樹脂粒子を含む絶縁層と、を備える帯状の負極と、が積層されて捲回された非水電解質二次電池用の電極体であって、
前記帯状の正極の長手方向端部の切断部と対向する位置における前記樹脂粒子が熱溶着していることを特徴とする、
電極体。