JP6436027B2

JP6436027B2 - リチウムイオン電池

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Publication number: JP6436027B2
Application number: JP2015182831A
Authority: JP
Inventors: 文徳大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2035-09-16
Also published as: JP2017059395A

Description

本発明は、正極板と負極板とセパレータが重ね合されて捲回された捲回電極体を有するリチウムイオン電池に関するものである。

特許文献１には、内周面のみに耐熱層が形成された第１セパレータを第２セパレータよりも長く捲回し、第１セパレータの巻き終わり端部の外周面を第１セパレータの外周面に接着テープで接着したリチウムイオン電池が開示されている。

特開２０１３−００４１９５号公報

特許文献１に開示されるようなリチウムイオン電池において、捲回電極体の最外周部分に配置される第１セパレータと第２セパレータがめくれると、負極板が外部に露出し、負極板の活物質が脱落するおそれがある。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、捲回電極体の負極板が露出し難くなるリチウムイオン電池を提供すること、を課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、負極板、第２セパレータ、正極板及び第１セパレータの順で、これらを内周側から外周側に重ね合わせて捲回した捲回電極体を有するリチウムイオン電池において、前記第１セパレータは、内周面のみに耐熱層を備え、前記第２セパレータは、外周面のみに耐熱層を備え、前記第１セパレータの最外周部分と前記第１セパレータの最外周部分よりも内周側の位置に配置される前記第２セパレータの最外周部分とにより、前記負極板の巻き終わり端部が外周側から覆われ、前記第１セパレータの巻き終わり端部と前記第１セパレータの最外周部分における巻き始め側の端部とが接着テープでとめられ、前記捲回電極体の周方向について、前記第１セパレータの巻き終わり端部は、前記第２セパレータの巻き終わり端部と同じ位置に配置されていること、を特徴とする。

この態様によれば、仮に第１セパレータの最外周部分が外周側にめくれても、第２セパレータの最外周部分は外周側にめくれ難いので、負極板は、第２セパレータの最外周部分により外周側から覆われた状態に維持され易い。そのため、負極板が露出し難くなる。したがって、負極板の活物質が脱落するおそれが低減されるので、リチウムイオン電池の性能が維持される。

また、接着テープの力が第１セパレータと第２セパレータの両方に作用するので、第１セパレータの最外周部分と第２セパレータの最外周部分が外周側にめくれ難くなる。そのため、さらに効果的に、負極板が露出し難くなる。

本発明のリチウムイオン電池によれば、捲回電極体の負極板が露出し難くなる。

本実施形態のリチウムイオン電池の斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図２のＢ部の拡大図である。第１セパレータが曲がる様子を示す図である。本実施形態にて第１セパレータがめくれたときの捲回電極体の一部の断面図である。本実施形態にて第１セパレータがめくれたときの捲回電極体の全体斜視図である。捲回装置の概略構成図である。捲回電極体の形成方法を示す図である。巻き芯の直径と正極板の捲回完了時の積層体の厚みを示す図である。積層体の模式図である。変形例におけるリチウムイオン電池の断面図である。比較例にて第１セパレータがめくれたときの捲回電極体の一部の断面図である。比較例にて第１セパレータがめくれたときの捲回電極体の全体斜視図である。

まず、本実施形態のリチウムイオン電池１の構成について説明する。なお、以下の説明において、「内周」とは捲回電極体１０の内周のことであり、「外周」とは捲回電極体１０の外周のことである。

図１に示すように、リチウムイオン電池１は、捲回電極体１０と正極集電部材１１と負極集電部材１２と電池容器１３と、蓋１４などを有している。そして、捲回電極体１０と正極集電部材１１と負極集電部材１２と電解液１５が電池容器１３の内部に収容され、また、電池容器１３の内部は蓋１４により密閉されている。

図２に示すように、捲回電極体１０は、正極板２０と負極板３０と第１セパレータ４０と第２セパレータ５０を有している。そして、捲回電極体１０は、正極板２０と第１セパレータ４０と負極板３０と第２セパレータ５０とが順次重ね合わされて、複数周回にわたって捲回されることにより形成されている。本実施形態では、捲回電極体１０の最外周面は、第１セパレータ４０により形成されている。

図３に示すように、正極板２０は、正極芯材であるアルミ箔２１にリチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極活物質と導電助材とバインダを含む合材を塗布して、両面に正極活物質層２２と正極活物質層２３を形成したものである。正極活物質は、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）等のリチウム複合酸化物である。

本実施形態では、正極板２０は、アルミ箔２１の内周面に正極活物質層２２が形成され、アルミ箔２１の外周面に正極活物質層２３が形成されている。なお、アルミ箔２１は、正極集電部材１１と接続している（図１参照）。

図３に示すように、負極板３０は、負極芯材である銅箔３１にリチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質と導電助材とバインダを含む合材を塗布して、両面に負極活物質層３２と負極活物質層３３を形成したものである。負極活物質は、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、黒鉛等の炭素系物質である。

本実施形態では、負極板３０は、銅箔３１の内周面に負極活物質層３２が形成され、銅箔３１の外周面に負極活物質層３３が形成されている。なお、銅箔３１は、負極集電部材１２と接続している（図１参照）。

第１セパレータ４０と第２セパレータ５０は、正極板２０と負極板３０との間に配置され、正極板２０と負極板３０とを隔離している。

図３に示すように、第１セパレータ４０は、樹脂層４１と耐熱層４２を備えている。樹脂層４１は、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等の多孔性フィルムである。耐熱層４２は、例えば、金属酸化物等からなる粉状の層である。なお、耐熱層４２は、ＨＲＬ(Heat Resistance Layer)と呼ばれ、電池の過熱を防ぐ効果を有する。

本実施形態では、耐熱層４２は、第１セパレータ４０の内周面のみに、すなわち、樹脂層４１の内周面のみに形成されている。

図３に示すように、第２セパレータ５０は、樹脂層５１と耐熱層５２を備えている。樹脂層５１は、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等の多孔性フィルムである。耐熱層５２は、例えば、金属酸化物等からなる粉状の層である。なお、耐熱層５２は、ＨＲＬ(Heat Resistance Layer)と呼ばれ、電池の過熱を防ぐ効果を有する。

本実施形態では、耐熱層５２は、第２セパレータ５０の外周面のみに、すなわち、樹脂層５１の外周面のみに形成されている。

本実施形態では、図２と図３に示すように、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂは、第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂよりも外周側の位置に配置されている。すなわち、第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂは、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂよりも内周側の位置に配置されている。なお、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂと第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂとの間には電極体が配置されておらず、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂと第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂとは接触している。

第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂは、第１セパレータ４０において最も外周側の位置に配置されている部分、すなわち、第１セパレータ４０において捲回電極体１０の外周面を形成している部分である。また、第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂは、第２セパレータ５０において最も外周側に配置されている部分、すなわち、第２セパレータ５０において第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂよりも１層分内周側の位置に配置されている部分である。

本実施形態では、図３に示すように、負極板３０の終端部３０ａ（巻き終わり端部）は、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂと第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂとから形成される一対のセパレータにより、外周側から覆われている。すなわち、負極板３０の終端部３０ａは、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂと第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂよりも内周側の位置に配置されている。

そして、第１セパレータ４０の終端部４０ａ（巻き終わり端部）と第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂにおける巻き始め側の端部４０ｂａとが、接着テープ６０でとめられている。具体的には、終端部４０ａにおける樹脂層４１の外周面に接着テープ６０の一端部の接着面６０ａが接着されている一方で、最外周部分４０ｂの端部４０ｂａにおける樹脂層４１の外周面に接着テープ６０の一端部の接着面６０ａが接着されている。なお、接着テープ６０は、第１セパレータ４０の幅方向（図２の紙面奥行方向、図６の左右方向）の凡そ中央部の一部にのみ接着されている（図６参照）。

ここで、第１セパレータ４０の内部には、残留応力が存在しうる。その理由として、例えば、第１セパレータ４０の製造過程において、樹脂層４１に張力を加えながら樹脂層４１に耐熱層４２を塗布して乾燥させるので、その後、樹脂層４１から張力を抜くと、樹脂層４１と耐熱層４２の熱収縮率の違いにより、図４に示すような残留応力が発生し易いからである。具体的には、図４に示すように、樹脂層４１内において互いに向かい合う残留応力σ１が発生し易く、耐熱層４２において互いに離れ合う残留応力σ２が発生し易い。そして、このように第１セパレータ４０の内部に残留応力σ１と残留応力σ２が発生すると、図４の矢印ＡＲに示すように、樹脂層４１側に曲がり易い。なお、第２セパレータ５０においても、第１セパレータ４０と同様に、第２セパレータ５０の内部に残留応力が発生しうる。

そこで、例えば、比較例として、負極板３０の終端部３０ａが第１セパレータ４０のみで外周側から覆われている捲回電極体１００を考える。すると、第１セパレータ４０は、外周側に樹脂層４１を備えているので、前記の残留応力の影響により外周側に曲がり易い。そのため、図１２や図１３に示すように、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂが外周側にめくれて、負極板３０が露出するおそれがある。したがって、負極板３０の負極活物質層３２や負極活物質層３３に含まれる負極活物質が脱落するおそれがある。

これに対し、本実施形態では、図２と図３に示すように、負極板３０の終端部３０ａは、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂと第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂとから形成される一対のセパレータにより、外周側から覆われている。そして、第２セパレータ５０は、内周側に樹脂層５１を備えているので、前記の残留応力の影響により内周側に曲がり易いが、外周側には曲がり難い。そのため、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂが外周側にめくれても、第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂは外周側にめくれ難い。したがって、図５と図６に示すように、負極板３０の終端部３０ａは、第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂにより覆われたままとなるので、露出し難い。

ゆえに、例えば、リチウムイオン電池１の製造時において、捲回電極体１０を形成する工程を行った後、捲回電極体１０を電池容器１３の内部に収容させるまでの間に、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂが外周側にめくれても、負極板３０の終端部３０ａは露出し難くなる。

また、本実施形態では、図２に示すように、捲回電極体１０の周方向について、第１セパレータ４０の終端部４０ａは、第２セパレータ５０の終端部５０ａ（巻き終わり端部）と同じ位置に配置されている。

また、本実施形態では、図３に示すように、負極板３０の最外周部分３０ｂは、正極板２０の最外周部分２０ｂよりも外周側の位置に配置されている。

次に、リチウムイオン電池１の製造方法について説明する。

リチウムイオン電池１の製造方法においては、正極板２０と第１セパレータ４０と負極板３０と第２セパレータ５０とを順次重ね合わせた積層体７０を円筒状に捲回して捲回電極体１０を形成する工程を行った後、捲回電極体１０を電池容器１３の内部に収容させてリチウムイオン電池１を組み立てる工程を行う。

そこで、ここでは、捲回電極体１０を形成する工程について説明する。本実施形態では、捲回電極体１０を形成する工程において、例えば、図７に示すような捲回装置８０が使用される。図７においては、捲回装置８０の構成部品が実線で描かれている。

捲回装置８０は、負極板用カッター８１と、正極板用カッター８２と、セパレータ用カッター８３と、押圧ローラ８４、巻き芯８５などを有する。

このような構成の捲回装置８０は、負極板３０、第２セパレータ５０、正極板２０、第１セパレータ４０の順で、押圧ローラ８４により押圧しながら重ね合わせて積層体７０を形成し、図８に示すように積層体７０を円筒状の巻き芯８５により捲回することにより捲回電極体１０を形成する。なお、正極板２０と負極板３０は、各々、負極板用カッター８１と正極板用カッター８２により、適切な箇所にて切断される。また、第１セパレータ４０と第２セパレータ５０は、セパレータ用カッター８３により、適切な箇所にて切断される。

このような捲回電極体１０を形成する工程において、本実施形態では、負極板３０が正極板２０よりも長く、かつ、正極板２０の終端部２０ａ（巻き終わり端部）と負極板３０の終端部３０ａとの距離ΔＬ（図８参照）が以下の数式で規定されるように正極板２０と負極板３０が配置される積層体７０が形成される。そして、このようにして、距離ΔＬは、負極板３０の１周回（１ターン）以上の長さに規定されている。なお、図９に示すように、Ｄは巻き芯８５の直径であり、ｔは正極板２０の捲回完了時（例えば、４層分の捲回完了時）の積層体７０の厚みである。
［数１］
ΔＬ≧π×（Ｄ＋２×ｔ）

ここで、具体的な実施例の一例として、積層体７０の模式図を図１０に示す。図１０に示すように、この実施例では、距離ΔＬは、負極板３０の１周回の長さとしている。

このようにして距離ΔＬが規定されることにより、正極板２０の最外周部分２０ｂは、負極板３０の最外周部分３０ｂにより外周側から覆われる。すなわち、正極板２０の最外周部分２０ｂは、負極板３０の最外周部分３０ｂよりも内周側の位置に配置される。これにより、リチウム析出による短絡の防止が図られるので、リチウムイオン電池１の性能が維持される。

具体例として、図１０に示すように、負極板３０の長さは３１周回（３１ターン）分の長さに規定される一方で、第１セパレータ４０と第２セパレータ５０の長さは３２周回（３２ターン）分の長さに規定されている。すなわち、第１セパレータ４０と第２セパレータ５０は、負極板３０よりも１周回分長く形成されている。そして、第１セパレータ４０の終端部４０ａと第２セパレータ５０の終端部５０ａは、負極板３０の終端部３０ａよりも巻き終わり側の位置に配置されている。これにより、捲回電極体１０において、負極板３０の終端部３０ａは、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂと第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂとから形成される一対のセパレータにより、外周側から覆われる。

なお、図１０に示す例では、正極板２０の長さは３０周回（３０ターン）分の長さに規定されており、距離ΔＬは１周回分の大きさに規定されている。また、距離ΔＬが１周回分の大きさよりも大きく規定された場合には、捲回電極体１０は、前記の図２のようになり、より確実に、正極板２０の最外周部分２０ｂは、負極板３０の最外周部分３０ｂにより外周側から覆われる。

以上のように、本実施形態のリチウムイオン電池１は、捲回電極体１０において、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂと第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂよりも内周側の位置に配置される第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂとにより、負極板３０の終端部３０ａが外周側から覆われている。そして、第１セパレータ４０の終端部４０ａと第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂにおける巻き始め側の端部４０ｂａとが、接着テープ６０でとめられている。

これにより、仮に第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂが外周側にめくれても、第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂは外周側にめくれ難いので、負極板３０の終端部３０ａは、第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂにより外周側から覆われた状態に維持され易い。そのため、負極板３０が露出し難くなる。したがって、負極板３０の活物質が脱落するおそれが低減されるので、リチウムイオン電池１の性能が維持される。

また、捲回電極体１０の周方向について、第１セパレータ４０の終端部４０ａは、第２セパレータ５０の終端部５０ａと同じ位置に配置されている。これにより、接着テープ６０の力が第１セパレータ４０の終端部４０ａと第２セパレータ５０の終端部５０ａの両方に作用するので、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂと第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂが外周側にめくれ難くなる。そのため、さらに効果的に、負極板３０が露出し難くなる。

また、負極板３０の最外周部分３０ｂは、正極板２０の最外周部分２０ｂよりも外周側の位置に配置されている。すなわち、正極板２０の最外周部分２０ｂは、負極板３０の最外周部分３０ｂよりも内周側の位置に配置される。これにより、リチウム析出による短絡の防止が図られるので、リチウムイオン電池１の性能が維持される。

なお、図１１に示すように、変形例として、捲回電極体１０の周方向について、第１セパレータ４０の終端部４０ａは、第２セパレータ５０の終端部５０ａよりも巻き終わり側の位置に配置されていてもよい。これにより、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂがめくれたとしても、負極板３０の終端部３０ａが配置される位置まで第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂがめくれ難くなる。そのため、さらに効果的に、負極板３０が露出し難くなる。

また、本実施形態のリチウムイオン電池１の製造方法では、捲回電極体１０を形成する工程にて、第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂと第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂよりも内周側の位置に配置される第２セパレータ５０の最外周部分５０ｂとにより、負極板３０の終端部３０ａを外周側から覆う。そして、第１セパレータ４０の終端部４０ａと第１セパレータ４０の最外周部分４０ｂにおける巻き始め側の端部４０ｂａとを接着テープ６０でとめる。

また、捲回電極体１０を形成する工程にて、捲回電極体１０の周方向について、第１セパレータ４０の終端部４０ａを、第２セパレータ５０の終端部５０ａと同じ位置に配置させる。

これにより、第１セパレータ４０と第２セパレータ５０をセパレータ用カッター８３により１回で切断できる。そのため、工数が削減される。

また、捲回電極体１０を形成する工程にて、正極板２０と負極板３０と第１セパレータ４０と第２セパレータ５０が重ね合された積層体７０を円筒状の巻き芯８５に捲回することにより捲回電極体１０を形成する。そして、積層体７０を形成するときには、正極板２０の終端部２０ａと負極板３０の終端部３０ａとの距離をΔＬとし、巻き芯８５の直径をＤとし、正極板２０の捲回完了時における積層体７０の厚みをｔとするときに、ΔＬ≧π×（Ｄ＋２×ｔ）の数式が成立するように、正極板２０と負極板３０を配置する。

これにより、正極板２０の最外周部分２０ｂは、負極板３０の最外周部分３０ｂよりも内周側の位置に配置される。そのため、リチウム析出による短絡の防止が図られるので、リチウムイオン電池１の性能が維持される。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

１リチウムイオン電池
１０捲回電極体
２０正極板
２０ａ終端部
２０ｂ最外周部分
２１アルミ箔
２２正極活物質層
２３正極活物質層
３０負極板
３０ａ終端部
３０ｂ最外周部分
３１銅箔
３２負極活物質層
３３負極活物質層
４０第１セパレータ
４０ａ終端部
４０ｂ最外周部分
４０ｂａ巻き始め側の端部
４１樹脂層
４２耐熱層
５０第２セパレータ
５０ａ終端部
５０ｂ最外周部分
５１樹脂層
５２耐熱層
６０接着テープ
７０積層体
８０捲回装置
８５巻き芯
ΔＬ距離
Ｄ直径
ｔ厚み

Claims

負極板、第２セパレータ、正極板及び第１セパレータの順で、これらを内周側から外周側に重ね合わせて捲回した捲回電極体を有するリチウムイオン電池において、
前記第１セパレータは、内周面のみに耐熱層を備え、
前記第２セパレータは、外周面のみに耐熱層を備え、
前記第１セパレータの最外周部分と前記第１セパレータの最外周部分よりも内周側の位置に配置される前記第２セパレータの最外周部分とにより、前記負極板の巻き終わり端部が外周側から覆われ、
前記第１セパレータの巻き終わり端部と前記第１セパレータの最外周部分における巻き始め側の端部とが接着テープでとめられ、
前記捲回電極体の周方向について、前記第１セパレータの巻き終わり端部は、前記第２セパレータの巻き終わり端部と同じ位置に配置されていること、
を特徴とするリチウムイオン電池。