JP6415959B2 - 電極群、電池、及び電池の製造方法 - Google Patents
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Description
非水電解液二次電池(リチウムイオン二次電池)はエネルギー密度が高く、上述の大型、大容量電源として注目され、その利用が進んできている。
このような偏平型電極群では、電気エネルギーを取り出す際に、電極群の厚さ方向における特定の位置に集電タブを集約して集約部を形成し、集約部にリード等を接合する。しかしながら、帯状電極の幅方向における集電タブの延出長さが、帯状電極の長手方向の全長に渡り一定である場合、集電タブを集約すると、隣接する集電タブ同士の接触面積が一定にならない。そのため、積層方向の少なくとも一方の端部では、集電タブとリードとの接触面積が小さくなり、電気抵抗が大きくなる。
また、リードと集約部が全面において接触するような位置にリードを接合すると、集約部の一部がリードからはみ出してしまう。その場合、リードからはみ出す集約部の長さを考慮して、活物質層の幅を狭くする必要がある。そのため、活物質層を十分に拡大できず、蓄電容量の増加に限界がある。
なお、実施形態では、電極の積層方向をX方向、集電タブの延出方向(捲回軸方向)をZ方向、XZ方向と直交する方向をY方向として説明する。
図1に示すように、電池1は、容器本体2a及び蓋体2bから構成される容器2と、容器2内に収容される電極群3とを有する。電池1としては、例えば、リチウムイオン電池などの密閉型の缶型非水電解質二次電池が挙げられる。
正極端子4は、蓋体2bを貫通しており、蓋体2bの両面に露出している。
なお、容器本体2aの内面には、容器本体2aと、正極リード6との絶縁のために絶縁シートなどの絶縁層が設けられる。
帯状の正極11とセパレータ13と負極12とが偏平形状に捲回されることで、正極11の複数の電極領域と負極12の複数の電極領域とが積層された状態になり、電極がX方向に複数積層された積層体が形成される。電極群3はこの電極が積層された積層体を構成することにより、発電要素として機能する。
電極群3は、図4(a)に示す帯状の正極11を偏平形状に捲回して(折り畳んで)形成する。電極群3のY方向長さをWとしたとき、最初に、正極11の一方端部からY方向に長さWだけ離れた第1折り返し部F1で、正極11を折り返す。続いて、第1折り返し部F1からY方向に長さWだけ離れた第2折り返し部F2で、正極11を折り返す。このように、Y方向に長さWごとに配置される折り返し部で正極11を折り返す工程を繰り返すことで、正極11が折り畳まれて電極群3が形成される。そのため、正極11の一方の端部から第1折り返し部F1までの電極領域が、捲回された帯状電極の中心に配置される第1電極領域C1となる。
本実施形態の電極群3は、図4(c)に示すように、集約部15をX方向の中央部に配置する。そのため、図4(a)において、捲回中心に配置される第1電極領域C1の集電タブ3a(3b)の延出長さよりも、第2電極領域C2の集電タブ3a(3b)、及び第3電極領域C3の集電タブ3a(3b)の延出長さの方が、所定長さだけ長くなっている。ここで、第2電極領域C2は、第1折り返し部F1と第2折り返し部F2との間の領域であり、第3電極領域C3は、第2折り返し部F2と第3折り返し部F3との間の領域である。さらに第4電極領域C4以降の電極領域においても、第1電極領域C1から離れるにしたがって、2つの電極領域毎に集電タブ3a(3b)の延出長さが所定長さだけ長くなっている。
最後まで捲回された電極群3の集電タブ3a(3b)は、図4(b)に示すように配置される。図4(b)において、集約部15が形成されるX方向の中央部からの距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さが長くなっている。
式(1):A’=A+(H/N)×N’
上述の式(1)を満たすことにより、図3(a)に示すように集電タブ3a(3b)が集約された状態では、集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積をより大きくすることができる。また、リードからはみ出す集約部の長さをより短くすることができる。したがって、電極群の電気抵抗をより小さくし、また蓄電容量をより大きくすることができる。
集電タブ3a(3b)を切断してから接合することで、折り返し部及びその近傍の厚さを薄くすることができる。それにより、接合の作業性を向上し、生産性を上げることができる。
なお、集電タブ3a、3bの切断は捲回後に限定されず、予め集電タブが切断された電極を捲回してもよい。
しかしながら、以下の方法を用いてもよい。
まず、集電タブの延出長さが一定である電極を用いて電極群3を作製する。このとき、集電タブの延出長さは、実施形態において最長となる集電タブの延出長さに一致させる。そして図6(a)及び図6(b)に示すようにリード6,7とバックリード9,10との間に電極群3の集電タブ3a,3b(集約部15)を接合する。このとき、リードと集約部とが全面において接触するような位置にリードを接合する。その後、図6(c)に示すようにリード6,7及びバックリード9,10の端部からはみ出した集電タブ3a,3b(集約部15)を集電タブカット位置3a1、3b1にて切断する。
このようにリード6,7とバックリード9,10との間に集約部15を接合した後に、集電タブ3a,3bを切断することで、集電タブのはみ出しを除去しかつ集約部のZ方向の端面を面一にすることができる。
したがって、簡単な工程のみで電極群の電気抵抗が小さく、また蓄電容量が大きい電極群3を作製することができる。
その結果、従来の電極群に比べて実施形態の電極群では、活物質層の幅が2%増加し、それにより電極群の蓄電容量が2%増加した。また、電極群の電気抵抗は1%減少した。
図7は第1変形例の電極群3Aの説明図であり、(a)は電極群3Aの正極11(負極12)の展開図である。(b)及び(c)は、図7(a)の電極群3Aを捲回した場合の、図1のM−M線に相当する部分における断面の部分拡大図であって、(b)は集電タブが集約されていない状態であり、(c)は図7(b)の集電タブが集約されて集約部15が形成された状態を示す。
第1変形例の電極群3Aでは、図7(c)に示すように、集約部15がX方向の一端部に配置される。そのため、図7(a)において、捲回中心に配置される第1電極領域C1を一番目として、奇数番目の電極領域の集電タブ3a(3b)の延出長さは、第1電極領域C1から離れるにしたがって長くなっている。一方、偶数番目の電極領域の集電タブ3a(3b)の延出長さは、第1電極領域C1から離れるにしたがって短くなっている。
最後まで捲回された電極群3Aの集電タブ3a(3b)は、図7(b)に示すように配置される。図7(b)において、集約部15が形成されるX方向の一端部からのX方向の距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さは長くなっている。
そして、図7(b)の集電タブ3a(3b)をX方向の一端部に集約すると、図7(c)に示すように、集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができ、またリードからはみ出す集約部の長さを短くすることができる。
したがって、この変形例についても上記実施形態と同様の効果が得られる。
図8は第2変形例の電極群3Bの説明図であり、(a)は電極群3Bの正極11(負極12)の展開図である。(b)及び(c)は、図8(a)の電極群3Bを捲回した場合の、図1のM−M線に相当する部分における断面の部分拡大図であって、(b)は集電タブが集約されていない状態であり、(c)は図8(b)の集電タブが集約されて集約部15が形成された状態を示す。
電極群3Bは、図8(c)に示すように集約部15がX方向の中央部と一端部との間に配置されている。そのため、図8(a)において、集電タブ3a(3b)の延出長さは、第1電極領域C1を一番目として奇数番目の電極領域の集電タブ3a(3b)の延出長さは第1電極領域C1から離れた電極領域ほど所定長さだけ長くなっている。一方、第1電極領域C1から偶数番目の電極領域の集電タブの延出長さは途中の電極領域Cnまでは第1電極領域C1から離れた電極領域ほど短くなっている。そして電極領域Cn以降は第1電極領域C1から離れた電極領域ほど長くなっている。
最後まで捲回された電極群3Bの集電タブ3a(3b)は図8(b)に示すように積層される。図8(b)において、集約部15が形成される位置からの距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さは長くなっている。
そして、図8(b)の集電タブ3a(3b)を集約部15がX方向の中央部と一端部との間に集約すると、図8(c)に示すように、集約部15における集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができ、かつリードと接合後にリードからはみ出す長さを短くすることができる。
したがって、この変形例についても上記実施形態と同様の効果が得られる。
図9は第3変形例の電極群3Cの説明図であり、(a)は電極群3Cの正極11(負極12)の展開図である。(b)及び(c)は、図9(a)の電極群3Cを捲回した場合の、図1のM−M線に相当する部分における断面の部分拡大図であって、(b)は集電タブが集約されていない状態であり、(c)は図9(b)の集電タブが集約されて集約部15A、15Bが形成された状態を示す。
第3変形例の電極群3Cでは、集約部が複数設けられる。すなわち、図9(c)に示すように、第1集約部15Aが電極群3CのX方向における中央部と一端部との中間位置に形成され、第2集約部15BがX方向における中央部と他端部との中間位置に形成される。そのため、集電タブ3a(3b)の延出長さは、図9(a)に示すように正極11(負極12)のY方向の中央部までは第1電極領域C1から離れるにしたがって2つの電極領域毎に所定長さだけ短くなっている。また正極11(負極12)のY方向の中央部以降は、第1電極領域C1から離れるにしたがって2つの電極領域毎に所定長さだけ長くなっている。
そして、図9(b)の集電タブ3a(3b)を上述の2か所に集約すると、図9(c)に示すように、集約部15A及び15Bの両方における集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができ、かつリードと接合後にリードからはみ出す長さを短くすることができる。
したがって、この変形例についても上記実施形態と同様の効果が得られる。
式(2):a’=a+(h/n)×n’
第2の積層体3C2についても同様である。
上述の式(2)を満たすことにより、図9(c)に示すように集電タブ3a(3b)が集約された状態では、それぞれの集約部15A、15Bにおいて集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができ、かつリードと接合後にリードからはみ出す長さを短くできる。したがって、電極群の電気抵抗をより小さくし、また蓄電容量をより大きくすることができる。
また、さらに、集約部15A、15Bの両方の端部が同一平面内に配置されていれば、リードを接続しやすいためさらに好ましい。
図10は第4変形例の電極群3Dの説明図であり、(a)は電極群3Dの正極11(負極12)の展開図である。(b)及び(c)は、図10(a)の電極群3Dを捲回した場合の、図1のM−M線に相当する部分における断面の部分拡大図であって、(b)は集電タブが集約されていない状態であり、(c)は図10(b)の集電タブが集約されて集約部15A、15Bが形成された状態を示す。
電極群3Dは、図10(c)に示すように2つの集約部が設けられる。集約部15A,15BはX方向における電極群3Dの両端に配置されている。そのため、図10(a)において、集電タブ3a(3b)の延出長さは、第1電極領域C1から離れるにしたがって2つの電極領域毎に所定長さだけ短くなっている。
最後まで捲回された電極群3Dの集電タブ3a(3b)は図10(b)に示すように積層される。図10(b)において、第1電極領域C1より一端部側においては集約部15Aが形成される位置からの距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さは長くなっている。第1電極領域C1より他端側においては集約部15Bが形成される位置からの距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さは長くなっている。
そして、図10(b)の集電タブ3a(3b)を上述の2か所に集約に集約すると、図10(c)に示すように、集約部15A及び15Bの両方における集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができ、かつリードと接合後にリードからはみ出す長さを短くすることができる。
したがって、この変形例についても上記実施形態と同様の効果が得られる。
図11は第5変形例の電極群3Eの説明図であり、(a)は電極群3Eの正極11(負極12)の展開図である。(b)及び(c)は、図11(a)の電極群3Eを捲回した場合の、図1のM−M線に相当する部分における断面の部分拡大図であって、(b)は集電タブが集約されていない状態であり、(c)は図11(b)の集電タブが集約されて集約部15A、15Bが形成された状態を示す。
電極群3Eでは、図11(c)に示すように2つの集約部が設けられる。集約部15AはX方向における電極群3Eの一端部からX方向の中央部寄りの位置に配置されている。
また集約部15BはX方向における電極群3Eの他端部から少しX方向の中央部寄りの位置に配置されている。そのため、図11(a)において、集電タブ3a(3b)の延出長さは、Y方向の終端近傍までは第1電極領域C1から離れるにしたがって2つの電極領域毎に短くなっている。またY方向の終端近傍以降は第1電極領域C1から離れるにしたがって2つの電極領域毎に長くなっている。
最後まで捲回された電極群3Eの集電タブ3a(3b)は図11(b)に示すように積層される。図11(b)において、X方向の中央部より一端側においては集約部15Aが形成される位置からの距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さは長くなっている。X方向の中央部より他端側においては集約部15Bが形成される位置からの距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さは長くなっている。
そして、図11(b)の集電タブ3a(3b)を上述の2か所に集約すると、図11(c)に示すように、集約部15A及び15Bの両方における集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができ、かつリードと接合後にリードからはみ出す長さを短くすることができる。
したがって、この変形例についても上記実施形態と同様の効果が得られる。
なお、第3〜5変形例では、電極群に集約部が複数形成される例として2つの場合が示されているが、集約部の数は限定されない。必要に応じて電極群に3つ以上の集約部が形成されていてもよい。
図12は第6変形例の電極群3Fの説明図であり、(a)はシート状の正極とセパレータと負極とを複数積層することで構成される電極群3Fの正極シート11A(負極シート12A)の展開図である。(b)は、図12(a)の正極シート11A(負極シート12A)を、積層後X方向の一端に配置されるシートD1から他端に配置されるシートD2に向かって、順番に積層して集電タブを集約した場合の側面の部分拡大図である。
電極群3Fは、図12(b)に示すように集約部15がX方向の一端部に配置される。
そのため、図12(a)において、集電タブ3a(3b)の延出長さは、シートD1からシートD2に向かうほど短くなっている。つまり、図12(a)において、集約部15が形成される位置からの距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さは長くなっている。
そして、集電タブ3a(3b)をX方向の一端部に集約すると、図12(b)に示すように、集約部15における集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができ、かつリードと接合後にリードからはみ出す長さを短くすることができる。
したがって、この変形例についても上記実施形態と同様の効果が得られる。
図13は第7変形例の電極群3Gの説明図であり、(a)はシート状の正極とセパレータと負極とを複数積層することで構成される電極群3Gの正極シート11A(負極シート12A)の展開図である。(b)は、図13(a)の正極シート11A(負極シート12A)を、積層後X方向の一端に配置されるシートD1から他端に配置されるシートD2に向かって、順番に積層して集電タブを集約した場合の側面の部分拡大図である。
電極群3Gは、図13(b)に示すように集約部15がX方向の中央部に配置される。
そのため、図13(a)において、集電タブ3a(3b)の延出長さは、中央のシートに近づくほど短くなっている。つまり、図13(a)において、集約部15が形成される位置からの距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さは長くなっている。
そして、集電タブ3a(3b)をX方向の中央部に集約すると、図13(b)に示すように、集約部15における集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができ、かつリードと接合後にリードからはみ出す長さを短くすることができる。
したがって、この変形例についても上記実施形態と同様の効果が得られる。
図14は第8変形例の電極群3Hの説明図であり、(a)はシート状の正極とセパレータと負極とを複数積層することで構成される電極群3Hの正極シート11A(負極シート12A)の展開図である。(b)は、図14(a)の正極シート11A(負極シート12A)を、積層後X方向の一端に配置されるシートD1から他端に配置されるシートD2に向かって、順番に積層して集電タブを集約した場合の側面の部分拡大図である。
電極群3Hは、図14(b)に示すように集約部15がX方向の中央部と一端部との間に配置される。そのため、図14(a)において、集電タブ3a(3b)の延出長さは、中央になるシートとシートシートD2との間のシートが最も短くなっている。つまり、図14(a)において、集約部15が形成される位置からの距離が長いほど、集電タブ3a(3b)の延出長さは長くなっている。
そして、集電タブ3a(3b)をX方向の中央部と一端部との間に集約すると、図14(b)に示すように、集約部15における集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができ、かつリードと接合後にリードからはみ出す長さを短くすることができる。
したがって、この変形例についても上記実施形態と同様の効果が得られる。
本実施形態は上記構成を有することで、集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を大きくすることができるため電気抵抗が小さくなる。さらに、リードと接合後にリードからはみ出す集電タブ3a(3b)の長さが短くなるため、その分活物質層の幅を拡大することができる。したがって、電極群3では、より多くの活物質を電池内に詰め込むことで容量を向上させることができる。以上により、電気抵抗が小さく、また蓄電容量が大きい電極群を提供できる。
式(1):A’=A+(H/N)×N’
本実施形態では、上記構成を有することで、集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積をさらに大きくすることができる。さらに、リードと接合後にリードからはみ出す集電タブ3a(3b)の長さをさらに短くすることができる。したがって、電極群の電気抵抗をより小さくし、また蓄電容量をより大きくすることができる。
本実施形態では、上記構成を有することで、集約部が一つの場合に比べてリード6(7)と集約部との接触面積を増やすことができる。従って、より抵抗を下げることができる。
式(2):a’=a+(h/n)×n’
本実施形態では、上記構成を有することで、複数の集約部のそれぞれにおいて集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積をさらに大きくすることができる。さらに、複数の集約部のそれぞれにおいてリードと接合後にリードからはみ出す集電タブ3a(3b)の長さをさらに短くすることができる。したがって、電極群の電気抵抗をより小さくし、また蓄電容量をより大きくすることができる。
本実施形態では、上記構成を有することで、集電タブ3a(3b)とリードとの接触面積を最大化することができる。また、リードから集約部がはみ出すこともなくなる。したがって、電極群の電気抵抗をさらに小さくし、また蓄電容量をさらに大きくすることができる。
本実施形態では、上記構成を有することで、帯状などの単純な構成の電極11(12)から複数積層された電極群3を形成することができる。
本実施形態では、上記構成を有することで、折り返し部3a1(3b1)の厚さを抑えることができる。それにより、リード6の接合時などにおいて作業性を向上し、生産性を上げることができる。
本実施形態では、上述の電極群3を用いて電池1を構成することで、電気抵抗が小さく、また蓄電容量が大きい電池1を得ることができる。
本実施形態では上記構成を有することで、リード6(7)とバックリード9(10)とで挟むことで集電タブ3a(3b)を保護し、集電タブ3a(3b)が損傷することを防ぐことができる。
本実施形態では上記構成を有することで、簡単な工程のみで集約部の延出方向(Z)の端面を面一にすることができる。したがって、簡単な工程のみで電極群の電気抵抗を小さくし、また蓄電容量を大きくすることができる。
Claims (10)
- 活物質層と、前記活物質層から延出された集電タブと、を備えた電極が帯状に連なる帯状電極と、
前記帯状電極が折り畳まれて形成され、前記電極が第1方向に複数積層されることで構成された積層体と、
複数積層された前記電極の前記集電タブを前記第1方向に集約した集約部と、を備え、
前記積層体は、第1の前記電極と、前記第1方向における前記集約部からの距離が前記第1の電極よりも長い第2の前記電極と、を含み、
前記第1の電極における前記集電タブの延出長さは、前記第2の電極における前記集電タブの延出長さより、短く、
前記帯状電極に含まれる前記電極の前記集電タブの延出長さは、前記帯状電極の長手方向の第1端部から第2端部にかけて長くなる、
電極群。 - 前記帯状電極に含まれる前記電極の前記集電タブの延出長さは、2つの前記電極毎に長くなる、
請求項1に記載の電極群。 - 前記積層体は、前記第1方向において前記集約部に位置する第3の前記電極と、第4の前記電極と、を含み、
前記積層体における前記電極の積層数をN、前記第3の電極から前記第4の電極までの積層数をN’、前記積層体の厚さをH、前記第3の電極の前記集電タブの延出長さをAとした場合、前記第4の電極の前記集電タブの延出長さA’が下記式(1)を満たす、請求項1または2に記載の電極群。
式(1):A’=A+(H/N)×N’ - 前記第1方向に前記集約部が複数設けられる請求項1または2に記載の電極群。
- 前記積層体に含まれる第1の積層体の前記集電タブを前記第1方向に集約して第1の集約部が形成され、
前記第1の集約部は、前記第1方向において前記第1の集約部に位置する第5の前記電極の前記集電タブと、第6の前記電極の前記集電タブと、を含み、
前記第1の積層体における前記電極の積層数をn、前記第5の電極から前記第6の電極までの積層数をn’、前記第1の積層体の厚さをh、前記第5の電極の前記集電タブの延出長さをaとした場合、前記第6の電極の前記集電タブの延出長さa’が下記式(2)を満たす、請求項4に記載の電極群。
式(2):a’=a+(h/n)×n’ - 前記集約部において、前記集電タブの延出方向の先端部は、前記集電タブの延出方向に直交する同一の平面内に配置されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の電極群。
- 前記帯状電極の折り返し部において前記集電タブが切断されている請求項6に記載の電極群。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の電極群と、
一端開口の筐体である容器本体と、前記容器本体の開口を塞ぐ蓋体とで構成され、前記電極群を収容する容器と、
前記蓋体に設けられる出力端子と、
前記集約部と前記出力端子とを電気的に接続するリードと、
を備える電池。 - 前記集約部と電気的に接続されたバックリードをさらに備え、
前記集約部が前記リードと前記バックリードとの間に接合されている請求項8に記載の電池。 - 請求項9に記載の電池の製造方法であって、
前記集約部を前記リードと前記バックリードとの間に接合した後、前記リードと前記バックリードとの端面からはみ出した前記集電タブを切断する、電池の製造方法。
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