JP6701627B2

JP6701627B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP6701627B2
Application number: JP2015104796A
Authority: JP
Inventors: 厚志南形; 小森　隆史; 隆史小森; 元章奥田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: JP2016219327A

Description

本発明は、蓄電装置に係り、詳しくは正極と負極との間にセパレータが存在する電極組立体を有する蓄電装置に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。二次電池として、正極シート及び負極シートが、間にセパレータが介在する状態で積層された積層型の電極組立体を備えたものがある。また、帯状の正極及び帯状の負極が、間に帯状のセパレータが存在する状態で巻回された巻回型の電極組立体を備えたものもある。

電極をスリッターや金型等で切断した場合、必ず金属箔の微小なバリが発生する。バリは鋭利な形状であるため、正極と負極とを絶縁保護するセパレータに突き刺さってしまう。そのため、例えば、図６に示すように、正極５１及び負極５２の間に設けられるセパレータ５３の厚みを、バリ５４の最大寸法よりも大きくして、バリ５４がセパレータ５３に突き刺さった場合でも短絡しないようにしなければならない。しかし、蓄電装置のケースの電極組立体の収容部の容積が同じ場合、セパレータ５３を厚くすると、電極の体積をその分、減少する必要があり、電池のエネルギー密度が低下してしまう。また、バリ５４がセパレータ５３を突き抜けなくても、バリ５４がセパレータ５３に突き当たることにより、セパレータ５３が裂ける場合がある。

ところで、電池の高容量化を達成するため、可能な限り大きな電極組立体をケースに収容する方法がとられている。しかし、組み立て時において、大きな電極組立体をケースに挿入すると、ケースの開口部と電極組立体の外周部が触れて挿入困難になったり、電極とセパレータとの位置ずれが発生したり、電極組立体の外周面が損傷したりする虞がある。この問題を回避するため、押し込みガイド板で電極組立体（電極体）の少なくとも一部を包み込んだ状態でケース（外装缶）に挿入後、押し込みガイド板を抜き取る二次電池の製造方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開平９−１２０８３６号公報

ところが、特許文献１には、バリの問題に関しては、何ら記載はない。また、押し込みガイド板を抜き取る際に、電極組立体の外周面が傷つく虞がある。
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、セパレータを薄くしても、バリによってセパレータが裂けることを防止することができ、電極組立体を構成する正極、セパレータ、負極が位置決めされた状態で電極組立体をケース内に挿入することができ、しかもエネルギー密度を増加させることができる蓄電装置を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置は、金属箔の少なくとも一面に活物質層を有する正極及び負極がセパレータを挟んだ状態で層をなす電極組立体を有する蓄電装置であって、少なくとも前記正極を構成する金属箔はレーザーカットにより前記セパレータより小さく形成され、レーザーカットされた金属箔の端部には、当該金属箔と前記活物質層とを合わせた厚みよりも厚いドロスが形成されており、前記ドロスのうち、前記活物質層の面よりも前記セパレータに向かって突出している部分の厚みは、当該セパレータより薄く形成されており、前記セパレータは、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の平均が１５０％以上、かつＭＤ方向及びＴＤ方向の伸び率が１００％以上である。

金属箔をレーザーカット（レーザー照射切断）すると、切断端部にドロスと呼ばれる溶融金属の酸化生成物が付着する。ドロスは、金属箔をスリッターや金型等で切断した場合に発生するバリと異なり、鋭利な形状ではなく表面が曲面状である。そのため、ドロスがセパレータに突き刺さることはなく、セパレータが裂け易くなければ、金属箔に形成されたドロスがセパレータに当たってセパレータを押圧しても、セパレータは裂けず、正極と負極とが短絡しない。

この発明では、正極を構成する金属箔のレーザーカットの際に、金属箔の端部に生じたドロスにより、セパレータを押圧することにより正極とセパレータとの位置ずれが防止される。また、セパレータは、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の平均が１５０％以上、かつＭＤ方向及びＴＤ方向の伸び率が１００％以上であるためＴＤ方向及びＭＤ方向に伸び易く、セパレータを従来のものより薄くしても、ドロスがセパレータを押圧した際にセパレータが裂けることが防止される。また、セパレータが薄いため、ドロスで押圧されたセパレータの部分が負極を押圧することにより、セパレータと負極との位置ずれも防止される。そして、セパレータを薄くすることにより、ケースの電極組立体の収容部の容積が同じ場合、電極の体積を増加させることができ、蓄電装置のネルギー密度を増加させることができる。したがって、セパレータを薄くしても、バリによってセパレータが裂けることを防止することができ、電極組立体を構成する正極、セパレータ、負極が位置決めされた状態で電極組立体をケース内に挿入することができ、しかもエネルギー密度を大きくすることができる。

前記セパレータは、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率が共に１５０％以上であることが好ましい。この構成によれば、セパレータは、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の差が小さくなり、セパレータをより薄くすることが可能になり、蓄電装置のエネルギー密度をより増加することが可能になって、前述の効果をより大きくすることができる。

前記セパレータは、ポリエチレンの単層フィルムで形成されていることが好ましい。セパレータはポリエチレンの単層フィルムに限らず、ポリエチレン以外の樹脂製のフィルム、例えば、ポリプロピレンの単層フィルムやポリエチレンとポリプロピレンの複層フィルムであってもよい。しかし、ポリエチレンの単層フィルムの場合が、目的とする性能のセパレータを作製し易い。

本発明によれば、セパレータを薄くしても、バリによってセパレータが裂けることを防止することができ、電極組立体を構成する正極、セパレータ、負極が位置決めされた状態で電極組立体をケース内に挿入することができる。

二次電池の断面図。（ａ）は電極組立体の正極、負極及びセパレータの関係を示す概略斜視図、（ｂ）、（ｃ）は部分拡大図。電極組立体の部分模式断面図。１軸延伸及び２軸延伸で製造されたセパレータのＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の違いを示すグラフ。別の実施形態の電極組立体の部分模式断面図。バリがセパレータに突き刺さった状態を示す模式断面図。

以下、本発明を積層型の電極組立体を備えた二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、有底箱状のケース本体１１ａ及びその開口部を覆う蓋体１１ｂとで構成された四角箱状のケース１１内に、積層型の電極組立体１２及び電解液（図示せず）が収容されている。

図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、電極組立体１２は、金属箔１３の両面に活物質層１４ａを有する複数の矩形シート状の正極１４と、金属箔１３の両面に活物質層１５ａを有する複数の矩形シート状の負極１５とが、両者の間にセパレータ１６が介在する状態で積層されている。

正極１４は、金属箔１３の一辺から延出された正極タブ１４ｂを有する。正極タブ１４ｂは、電極組立体１２の一端面（図１において上端面）の左側寄りとなる位置に突設されている。負極１５は、金属箔１３の一辺から延出された負極タブ１５ｂを有する。負極タブ１５ｂは、電極組立体１２の一端面（図１において上端面）の右側寄りとなる位置に突設されている。二次電池１０がリチウムイオン二次電池の場合、正極１４用の金属箔１３はアルミニウム箔が好ましく、負極１５用の金属箔１３は銅箔が好ましい。

図１に示すように、電極組立体１２はケース１１に収納された状態において、電極組立体１２と電気を授受する正極端子２１及び負極端子２２が蓋体１１ｂから突出する状態に形成されている。正極端子２１及び負極端子２２は、蓋体１１ｂに形成された孔１１ｃに取り付けられたリング状の絶縁部材２３を貫通する状態で設けられている。正極端子２１は正極導電部材２４を介して正極タブ１４ｂに電気的に接続され、負極端子２２は負極導電部材２５を介して負極タブ１５ｂに電気的に接続されている。なお、ケース本体１１ａの内面及び蓋体１１ｂの内面には、絶縁シート１１ｄが取着されている。

図２（ａ）では、正極１４及び負極１５の正極タブ１４ｂ及び負極タブ１５ｂを除いた矩形部の大きさを矩形状のセパレータ１６と同じ大きさに図示している。しかし、実際は、図３に示すように、セパレータ１６は、正極１４と負極１５との間の電気的絶縁性を確保するため、正極タブ１４ｂ及び負極タブ１５ｂを除いた正極１４及び負極１５の矩形部より大きな矩形状に形成されている。また、負極１５の金属箔１３は、正極１４の金属箔１３より大きく形成され、負極１５の活物質層１５ａの面積は正極１４の活物質層１４ａの面積より大きい。

正極１４及び負極１５は、帯状の金属箔１３に活物質層を形成した後、レーザーカットにより所定の大きさ、所定の形状に形成されている。そのため、金属箔１３の切断端部にドロスが生じる。

図３に示すように、ドロス１７は、金属箔１３の端部において金属箔１３の厚さより厚く、表面が曲面の擬似球形状である。そのため、正極１４及び負極１５が間にセパレータ１６が存在する状態で複数層に積層された状態では、ドロス１７がセパレータ１６を押圧する状態になる。

セパレータ１６は、ポリエチレンの単層フィルムで形成されている。セパレータ１６は、湿式２軸延伸法により作製されている。セパレータ１６は、例えば、厚さが２０〜３０μｍで、空孔率が４０〜５０％である。セパレータ１６は、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の平均が１５０％以上、かつＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率が１００％以上である。セパレータ１６は、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率が共に１５０％以上である方が好ましい。

図４に、湿式１軸延伸法及び湿式２軸延伸法により作製したポリエチレンの単層フィルム製のセパレータ１６についてＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率を調べた結果を示す。また、表１に湿式１軸延伸法により作製したポリエチレンの単層フィルム製のセパレータ１６についてＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率を調べた結果を、表２に湿式２軸延伸法により作製したポリエチレンの単層フィルム製のセパレータ１６についてＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率を調べた結果をそれぞれ示す。

図４及び表１に示すように、湿式１軸延伸法により作製した場合は、各試料ともＴＤ方向の伸び率は１００％以上であるが、ＭＤ方向の伸び率はいずれも８０％未満であった。そして、ＴＤ方向の伸び率の平均が１７１％で、ＭＤ方向の伸び率の平均が４３％であった。また、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の平均は１０７％であった。そのため、ＴＤ方向の伸び率は、セパレータ１６として必要な伸び率を有する場合もあるが、ＭＤ方向の伸び率は、セパレータ１６として必要な伸び率を有さない。

図４及び表２に示すように、湿式２軸延伸法により作製した場合は、各試料ともＴＤ方向の伸び率は１３０％以上であり、ＭＤ方向の伸び率はいずれも１５０％以上であった。そして、ＴＤ方向の伸び率の平均が１８８％で、ＭＤ方向の伸び率の平均が１９１％であった。また、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の平均は１８９％であった。そのため、ＴＤ方向の伸び率及びＭＤ方向の伸び率とも、セパレータ１６として必要な伸び率を有する。

次に前記のように構成された電極組立体１２の製造方法を説明する。
帯状の金属箔１３に活物質層１４ａ，１５ａが塗布された帯状の電極シートからレーザーカットにより所定の形状の正極１４及び負極１５が形成される。正極１４及び負極１５は、それぞれ正極積載収容部及び負極積載収容部に積載される。また、セパレータ１６もセパレータ収容部に積載された状態で一時的に収容される。

正極積載収容部、負極積載収容部及びセパレータ収容部に収容された正極１４、負極１５及びセパレータ１６は、吸引部を備えた積載装置により、順次一枚ずつ吸引された状態で所定位置まで移載され、所定位置に順に積層状態で載置される。そして、所定位置に電極組立体１２を構成する所定枚数の正極１４、負極１５及びセパレータ１６が積載されて電極組立体１２が形成される。

正極タブ１４ｂは導電部材を介して正極端子に溶接され、負極タブ１５ｂは、導電部材を介して負極端子に溶接される。電極組立体１２は、片側面にシート状の厚み調整用のスペーサが複数枚配置されて、テープで相互に固定される。そして、スペーサ及び電極組立体１２は、後工程にて、ケース本体１１ａ内に挿入される。

正極１４及び負極１５は、端部にドロス１７が存在するため、セパレータ１６が間に存在する状態で積層された際に、ドロス１７がセパレータ１６を押圧する状態となる。その結果、正極１４とセパレータ１６あるいは負極１５とセパレータ１６とのずれが防止される。

ドロス１７は、バリと異なり表面が曲面のため、ドロス１７がセパレータ１６に突き刺さることがない。そのため、セパレータ１６の厚さを、突き刺さったバリがセパレータ１６を貫通しない厚さに厚くする必要がなく、セパレータ１６の厚さを、従来に比べて薄くすることが可能になる。

単純にセパレータ１６の厚さを薄くした場合は、ドロス１７がセパレータ１６を押圧した場合にセパレータ１６が裂けて、ドロス１７を介して正極１４と負極１５とが短絡する虞がある。しかし、この実施形態のセパレータ１６は、ドロス１７がセパレータ１６を押圧した際に、押圧力によって裂けることが防止される伸び率を有するように形成されているため、ドロス１７がセパレータ１６を押圧しても、セパレータ１６が裂けることが防止される。

二次電池１０の使用時に、電極組立体１２は発熱する。電極組立体１２が発熱した際に、正極１４及び負極１５に比べてセパレータ１６の熱膨張率が大きいため、ドロス１７が存在しない場合は、膨張率の差によって正極１４とセパレータ１６との間、負極１５とセパレータ１６との間にずれが発生する場合がある。しかし、正極１４及び負極１５は、ドロス１７を有し、ドロス１７がセパレータ１６を押圧した状態にあるため、正極１４とセパレータ１６との間、負極１５とセパレータ１６との間のずれの発生が防止される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）二次電池（蓄電装置）１０は、正極１４及び負極１５がセパレータ１６を挟んだ状態で層をなす電極組立体１２を有し、正極１４及び負極１５を構成する金属箔１３はレーザーカットによりセパレータ１６より小さく形成されている。そのため、金属箔１３のレーザーカットの際に、金属箔１３の端部に生じたドロス１７が、セパレータ１６を押圧することにより正極１４及び負極１５とセパレータ１６との位置ずれが防止される。セパレータ１６は、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の平均が１５０％以上、かつＭＤ方向及びＴＤ方向の伸び率が１００％以上であるため、ＴＤ方向及びＭＤ方向に伸び易く、セパレータ１６を従来のものより薄くしても、ドロス１７がセパレータ１６を押圧した際にセパレータ１６が裂けることが防止される。また、セパレータ１６が薄いため、ドロス１７で押圧されたセパレータ１６の部分が負極１５を押圧することにより、セパレータ１６と負極１５との位置ずれも防止される。そして、セパレータ１６を薄くすることにより、ケースの電極組立体の収容部の容積が同じ場合、電極の体積を増加させることができ、二次電池１０のネルギー密度を増加させることができる。したがって、セパレータ１６を薄くしても、バリによってセパレータ１６が裂けることを防止することができ、電極組立体１２を構成する正極１４、セパレータ１６、負極１５が位置決めされた状態で電極組立体１２をケース内に挿入することができ、しかもエネルギー密度を大きくすることができる。

（２）セパレータ１６は、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率が共に１５０％以上である。この構成によれば、セパレータ１６は、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の差が小さくなり、セパレータ１６をより薄くすることが可能になり、二次電池１０のエネルギー密度をより増加することが可能になって、前述の効果をより大きくすることができる。

（３）セパレータ１６は、湿式２軸延伸法により作製されている。セパレータ１６は、湿式２軸延伸法に限らず、湿式１軸延伸法や乾式法によっても作製することはできるが、湿式２軸延伸法により作製する方が、目的とする性能のセパレータ１６を作製し易い。

（４）セパレータ１６は、ポリエチレンの単層フィルムで形成されている。セパレータ１６はポリエチレンの単層フィルムに限らず、ポリエチレン以外の樹脂製のフィルム、例えば、ポリプロピレンの単層フィルムやポリエチレンとポリプロピレンの複層フィルムであってもよい。しかし、ポリエチレンの単層フィルムの場合が、目的とする性能のセパレータ１６を作製し易い。

（５）電極組立体１２は、複数の正極１４及び複数の負極１５がセパレータ１６を挟んだ状態で層をなす積層型の電極組立体である。積層型の電極組立体は、巻回型の電極組立体１２に比べて、正極１４の端部と負極１５の端部とが対向する箇所が多くなる。したがって、ドロス１７による位置ずれ防止効果が発揮されやすい。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 図５に示すように、正極１４の端部にのみドロス１７が存在する構成、即ち負極１５はレーザーカットではなくスリッターや金型で切断されて形成されてもよい。

○ セパレータ１６は、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の平均が１５０％以上、かつＭＤ方向及びＴＤ方向の伸び率が１００％以上であればよく、ポリエチレンの単層フィルムに限らず、例えば、他の樹脂製の単層フィルムや、２種類の樹脂フィルムからなる複層のフィルム、例えば、ポリエチレンフム及びポリプロピレンフィルムが交互に積層された３層フィルムであってもよい。

○ 電極組立体１２は積層型の電極組立体に限らず、帯状の正極及び負極がセパレータを間に挟んだ状態で巻回された巻回型の電極組立体であってもよい。
○ 正極タブ１４ｂ及び負極タブ１５ｂは、電極組立体１２の同じ側の端面から突出する構成に限らず、異なる端面から突出してもよい。

○ 電極、即ち正極１４及び負極１５は、金属箔１３の少なくとも片面に活物質層１４ａ，１５ａを有していればよく、両面ではなく片面に活物質層１４ａ，１５ａ有する構成であってもよい。

○ 積層型の電極組立体１２において、正極１４及び負極１５の間にセパレータ１６が存在する構成として、シート状のセパレータ１６を使用せずに、例えば、正極１４及び負極１５の一方を袋状のセパレータに収容して、そのセパレータと袋状のセパレータに収容されていない電極とを交互に積層してもよい。

○ セパレータ１６は、必ずしも湿式２軸延伸法に限らず、乾式法により作製されたものであってもよいが、湿式２軸延伸法により作製する方が、目的とする性能のセパレータを作製し易い。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池、マグネシウム二次電池等の他の二次電池であってもよい。
○ 蓄電装置は、二次電池１０に限らず、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のようなキャパシタであってもよい。

１０…蓄電装置としての二次電池、１２…電極組立体、１３…金属箔、１４…正極、１５…負極、１６…セパレータ。

Claims

金属箔の少なくとも一面に活物質層を有する正極及び負極がセパレータを挟んだ状態で層をなす電極組立体を有する蓄電装置であって、
少なくとも前記正極を構成する金属箔はレーザーカットにより前記セパレータより小さく形成され、
レーザーカットされた金属箔の端部には、当該金属箔と前記活物質層とを合わせた厚みよりも厚いドロスが形成されており、
前記ドロスのうち、前記活物質層の面よりも前記セパレータに向かって突出している部分の厚みは、当該セパレータより薄く形成されており、
前記セパレータは、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率の平均が１５０％以上、かつＭＤ方向及びＴＤ方向の伸び率が１００％以上であることを特徴とする蓄電装置。
前記セパレータは、ＴＤ方向及びＭＤ方向の伸び率が共に１５０％以上である請求項１に記載の蓄電装置。
前記セパレータは、ポリエチレンの単層フィルムで形成されている請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。