JP6721059B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は二次電池に関する。特に、電極構成層の積層から成る電極組立体が外装体で包まれて構成された二次電池に関する。

二次電池は、正極、負極およびそれらの間のセパレータから少なくとも構成されている。正極は正極材層および正極集電体から構成され、負極は負極材層および負極集電体から構成されている。二次電池は、セパレータを挟み込んだ正極および負極から成る電極構成層が互いに積み重なった積層構造を有しており、かかる積層構造の電極組立体が電解質と共に外装体内に封入されている。

このような二次電池は、いわゆる“蓄電池”ゆえ充電・放電の繰り返しが可能であり、様々な用途に用いられている。例えば、携帯電話、スマートフォンおよびノートパソコンなどのモバイル機器に二次電池が用いられている。

モバイル機器などを含め種々の用途では、二次電池は一般に筐体内に収められて使用される。つまり、筐体の内部空間を部分的に占めるように二次電池が配置されて使用される。

特表２０１５−５３６０３６号公報

本願発明者は、従前の二次電池では克服すべき課題があることに気付き、そのための対策を取る必要性を見出した。具体的には以下の課題があることを本願発明者は見出した。

筐体内において二次電池の設置スペースは回路基板および各種部品などの他の機器要素との兼ね合いを考慮する必要がある。特に、近年のニーズの多様化に伴って、筐体およびその内部に収める種々の要素によって二次電池の設置スペースがより制限を受ける傾向があり、従前の二次電池の形状では十分に対応できなくなってきている。

特に、二次電池は、筐体内において基板（例えば、プリント基板および保護回路基板などに代表される電子回路基板）と共に使用されることが多い。かかる基板と二次電池との併用設置には、設置スペースの有効活用の観点から二次電池の形状を凹凸状にすることが考えられるが、単に凹凸状にしただけでは、必ずしも効率的な併用設置とならないことを本願発明者は見出した。

本発明はかかる課題に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の主たる目的は、基板との併用設置に特に好適な二次電池を提供することである。

本願発明者は、従来技術の延長線上で対応するのではなく、新たな方向で対処することによって上記課題の解決を試みた。その結果、上記主たる目的が達成された二次電池の発明に至った。

本発明に係る二次電池は、
正極、負極および当該正極と負極との間のセパレータを含む電極構成層が積層した電極組立体、ならびに、電極組立体を包み込む外装体を有して成る二次電池であって、
電極組立体が相対的に低いレベルの組立体低面と相対的に高いレベルの組立体高面とから構成された組立体段差を有すると共に、二次電池が相対的に低いレベルの電池低面と相対的に高いレベルの電池高面とから構成された電池段差を有し、
電池低面が、組立体段差と電池段差との位置ずれをマージンとした基板配置面となっていることを特徴とする。

本発明に係る二次電池は、基板との併用設置に特に好適な電池となっている。より具体的には、本発明の二次電池は、段差に起因した電池低面が基板配置面としてより有効に利用可能になった電池となっている。

電極構成層を模式的に示した断面図（図１（Ａ）：非巻回状部、図１（Ｂ）：巻回状部） 本発明の一実施形態に係る二次電池（切欠き無しの三次元外形）の特徴を模式的に示した斜視図および断面視・平面視図 本発明の一実施形態に係る二次電池（切欠き有りの三次元外形）の特徴を模式的に示した斜視図および断面視・平面視図 本発明の一実施形態として電極組立体の段差と電池段差との位置ずれに起因した基板配置面の有効面積を説明するための模式図 本発明の一実施形態として三次元的外形に切欠部が含まれる二次電池を説明するための模式図 本発明の一実施形態として「電極組立体の輪郭形状における最大位置ずれ方向寸法と最小位置ずれ方向寸法との差よりも組立体高面の位置ずれ方向寸法が小さくなった寸法関係」を説明するための模式図 本発明の一実施形態に係る二次電池に関する製造方法のプロセス態様を模式的に示した平面図 本発明の一実施形態として小片形と大片形とから電極組立体を作製することを説明するための模式図 従前の製造方法におけるプロセス態様を模式的に示した平面図（従来技術）

以下では、本発明の一実施形態に係る二次電池をより詳細に説明する。必要に応じて図面を参照して説明を行うものの、図面における各種の要素は、本発明の理解のために模式的かつ例示的に示したにすぎず、外観や寸法比などは実物と異なり得る。

本明細書で直接的または間接的に説明される“厚み”の方向は、二次電池を構成する電極材の積層方向に基づいており、即ち、“厚み”は正極と負極との積層方向における寸法に相当する。本明細書で用いる「平面視」とは、かかる厚みの方向に沿って対象物をみた場合の見取図に基づいている。

また、本明細書で直接的または間接的に用いる“上下方向”および“左右方向”は、それぞれ図中における上下方向および左右方向に相当する。特記しない限り、同じ符号または記号は、同じ部材または同じ意味内容を示すものとする。ある好適な態様では、鉛直方向下向き（すなわち、重力が働く方向）が「下方向」に相当し、その逆向きが「上方向」に相当すると捉えることができる。

［本発明の二次電池の構成］
本発明では二次電池が提供される。本明細書でいう「二次電池」とは、充電・放電の繰り返しが可能な電池のことを指している。従って、本発明の二次電池は、その名称に過度に拘泥されるものでなく、例えば“蓄電デバイス”なども対象に含まれ得る。

（電池の基本構成）
本発明に係る二次電池は、正極、負極及びセパレータを含む電極構成層が積層した電極組立体を有して成る。図１（Ａ）および１（Ｂ）には電極組立体１００’を例示している。図示されるように、正極１と負極２とはセパレータ３を介して積み重なって電極構成層５を成しており、かかる電極構成層５が少なくとも１つ以上積層して電極組立体１００’が構成されている。図１（Ａ）では、電極構成層５が巻回されずに平面状に積層した平面積層構造を有している。一方、図１（Ｂ）では、電極構成層５が巻回状に巻かれた巻回積層構造を有している。二次電池ではこのような電極組立体１００’が電解質（例えば非水電解質）と共に外装体に封入されている。

正極は、少なくとも正極材層および正極集電体から構成されている。正極では正極集電体の少なくとも片面に正極材層が設けられており、正極材層には電極活物質として正極活物質が含まれている。例えば、電極組立体における複数の正極は、それぞれ、正極集電体の両面に正極材層が設けられていてよいし、あるいは、正極集電体の片面にのみ正極材層が設けられていてよい。二次電池のさらなる高容量化の観点でいえば正極は正極集電体の両面に正極材層が設けられていることが好ましい。

負極は、少なくとも負極材層および負極集電体から構成されている。負極では負極集電体の少なくとも片面に負極材層が設けられており、負極材層には電極活物質として負極活物質が含まれている。例えば、電極組立体における複数の負極は、それぞれ、負極集電体の両面に負極材層が設けられていてよいし、あるいは、負極集電体の片面にのみ負極材層が設けられていてよい。二次電池のさらなる高容量化の観点でいえば負極は負極集電体の両面に負極材層が設けられていることが好ましい。

正極および負極に含まれる電極活物質、即ち、正極活物質および負極活物質は、二次電池において電子の受け渡しに直接関与する物質であり、充放電、すなわち電池反応を担う正負極の主物質である。より具体的には、「正極材層に含まれる正極活物質」および「負極材層に含まれる負極活物質」に起因して電解質にイオンがもたらされ、かかるイオンが正極と負極との間で移動して電子の受け渡しが行われて充放電がなされる。正極材層および負極材層は特にリチウムイオンを吸蔵放出可能な層であることが好ましい。つまり、非水電解質を介してリチウムイオンが正極と負極との間で移動して電池の充放電が行われる非水電解質二次電池となっていることが好ましい。充放電にリチウムイオンが関与する場合、本発明の二次電池は、いわゆる“リチウムイオン電池”に相当し、正極および負極がリチウムイオンを吸蔵放出可能な層を有している。

正極材層の正極活物質は例えば粒状体から成るところ、粒子同士のより十分な接触と形状保持のためにバインダーが正極材層に含まれていることが好ましい。更には、電池反応を推進する電子の伝達を円滑にするために導電助剤が正極材層に含まれていてもよい。同様にして、負極材層の負極活物質もまた例えば粒状体から成るところ、粒子同士のより十分な接触と形状保持のためにバインダーが含まれることが好ましく、電池反応を推進する電子の伝達を円滑にするために導電助剤が負極材層に含まれていてもよい。このように、複数の成分が含有されて成る形態ゆえ、正極材層および負極材層はそれぞれ“正極合材層”および“負極合材層”などと称すこともできる。

正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵放出に資する物質であることが好ましい。かかる観点でいえば、正極活物質は例えばリチウム含有複合酸化物であることが好ましい。より具体的には、正極活物質は、リチウムと、コバルト、ニッケル、マンガンおよび鉄から成る群から選択される少なくとも１種の遷移金属とを含むリチウム遷移金属複合酸化物であることが好ましい。つまり、本発明の二次電池の正極材層においては、そのようなリチウム遷移金属複合酸化物が正極活物質として好ましくは含まれている。例えば、正極活物質はコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、または、それらの遷移金属の一部を別の金属で置き換えたものであってよい。このような正極活物質は、単独種として含まれてよいものの、二種以上が組み合わされて含まれていてもよい。あくまでも例示にすぎないが、本発明の二次電池では、正極材層に含まれる正極活物質がコバルト酸リチウムとなっていてよい。

正極材層に含まれる得るバインダーとしては、特に制限されるわけではないが、ポリフッ化ビリニデン、ビリニデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビリニデンフルオライド−テトラフルオロチレン共重合体およびポリテトラフルオロチレンなどから成る群から選択される少なくとも１種を挙げることができる。正極材層に含まれる得る導電助剤としては、特に制限されるわけではないが、サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラックおよびアセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブや気相成長炭素繊維等の炭素繊維、銅、ニッケル、アルミニウムおよび銀等の金属粉末、ならびに、ポリフェニレン誘導体などから選択される少なくとも１種を挙げることができる。例えば、正極材層のバインダーはポリフッ化ビニリデンであってよく、また、正極材層の導電助剤はカーボンブラックであってよい。あくまでも例示にすぎないが、正極材層のバインダーおよび導電助剤は、ポリフッ化ビニリデンとカーボンブラックとの組合せとなっていてよい。

負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵放出に資する物質であることが好ましい。かかる観点でいえば、負極活物質は例えば各種の炭素材料、酸化物、または、リチウム合金などであることが好ましい。

負極活物質の各種の炭素材料としては、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛）、ハードカーボン、ソフトカーボン、ダイヤモンド状炭素などを挙げることができる。特に、黒鉛は電子伝導性が高く、負極集電体との接着性が優れる点などで好ましい。負極活物質の酸化物としては、酸化シリコン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛および酸化リチウムなどから成る群から選択される少なくとも１種を挙げることができる。負極活物質のリチウム合金は、リチウムと合金形成され得る金属であればよく、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｈｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｌａなどの金属とリチウムとの２元、３元またはそれ以上の合金であってよい。このような酸化物は、その構造形態としてアモルファスとなっていることが好ましい。結晶粒界または欠陥といった不均一性に起因する劣化が引き起こされにくくなるからである。あくまでも例示にすぎないが、本発明の二次電池では、負極材層の負極活物質が人造黒鉛となっていてよい。

負極材層に含まれる得るバインダーとしては、特に制限されるわけではないが、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド系樹脂およびポリアミドイミド系樹脂から成る群から選択される少なくとも１種を挙げることができる。例えば、負極材層に含まれるバインダーはスチレンブタジエンゴムとなっていてよい。負極材層に含まれる得る導電助剤としては、特に制限されるわけではないが、サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラックおよびアセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブや気相成長炭素繊維等の炭素繊維、銅、ニッケル、アルミニウムおよび銀等の金属粉末、ならびに、ポリフェニレン誘導体などから選択される少なくとも１種を挙げることができる。なお、負極材層には、電池製造時に使用された増粘剤成分（例えばカルボキシルメチルセルロース）に起因する成分が含まれていてもよい。

あくまでも例示にすぎないが、負極材層における負極活物質およびバインダーは人造黒鉛とスチレンブタジエンゴムとの組合せになっていてよい。

正極および負極に用いられる正極集電体および負極集電体は電池反応に起因して活物質で発生した電子を集めたり供給したりするのに資する部材である。このような集電体は、シート状の金属部材であってよく、多孔または穿孔の形態を有していてよい。例えば、集電体は金属箔、パンチングメタル、網またはエキスパンドメタル等であってよい。正極に用いられる正極集電体は、アルミニウム、ステンレスおよびニッケル等から成る群から選択される少なくとも１種を含んだ金属箔から成るものが好ましく、例えばアルミニウム箔であってよい。一方、負極に用いられる負極集電体は、銅、ステンレスおよびニッケル等から成る群から選択される少なくとも１種を含んだ金属箔から成るものが好ましく、例えば銅箔であってよい。

正極および負極に用いられるセパレータは、正負極の接触による短絡防止および電解質保持などの観点から設けられる部材である。換言すれば、セパレータは、正極と負極と間の電子的接触を防止しつつイオンを通過させる部材であるといえる。好ましくは、セパレータは多孔性または微多孔性の絶縁性部材であり、その小さい厚みに起因して膜形態を有している。あくまでも例示にすぎないが、ポリオレフィン製の微多孔膜がセパレータとして用いられてよい。この点、セパレータとして用いられる微多孔膜は、例えば、ポリオレフィンとしてポリエチレン（ＰＥ）のみ又はポリプロピレン（ＰＰ）のみを含んだものであってよい。更にいえば、セパレータは、“ＰＥ製の微多孔膜”と“ＰＰ製の微多孔膜”とから構成される積層体であってもよい。セパレータの表面が無機粒子コート層や接着層等により覆われていてもよい。セパレータの表面が接着性を有していてもよい。なお、本発明において、セパレータは、その名称によって特に拘泥されるべきでなく、同様の機能を有する固体電解質、ゲル状電解質、絶縁性の無機粒子などであってもよい。

本発明の二次電池では、正極、負極およびセパレータを含む電極構成層から成る電極組立体が電解質と共に外装に封入されている。正極および負極がリチウムイオンを吸蔵放出可能な層を有する場合、電解質は有機電解質・有機溶媒などの“非水系”の電解質であることが好ましい（すなわち、電解質が非水電解質となっていることが好ましい）。電解質では電極（正極・負極）から放出された金属イオンが存在することになり、それゆえ、電解質は電池反応における金属イオンの移動を助力することになる。

非水電解質は、溶媒と溶質とを含む電解質である。具体的な非水電解質の溶媒としては、少なくともカーボネートを含んで成るものが好ましい。かかるカーボネートは、環状カーボネート類および／または鎖状カーボネート類であってもよい。特に制限されるわけではないが、環状カーボネート類としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）およびビニレンカーボネート（ＶＣ）から成る群から選択される少なくとも１種を挙げることができる。鎖状カーボネート類としては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）およびジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）から成る群から選択される少なくも１種を挙げることができる。あくまでも例示にすぎないが、非水電解質として環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組合せが用いられてよく、例えばエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物が用いられる。また、具体的な非水電解質の溶質としては、例えば、ＬｉＰＦ_６および／またはＬｉＢＦ_４などのＬｉ塩が好ましく用いられる。

二次電池の外装体は、正極、負極及びセパレータを含む電極構成層が積層した電極組立体を包み込むものであるが、ハードケースの形態を有していてよく、あるいは、ソフトケースの形態を有していてもよい。具体的には、外装体は、いわゆる“金属缶”に相当するハードケース型であってよく、あるいは、いわゆるラミネートフィルムから成る“パウチ”に相当するソフトケース型であってもよい。

（基本的な電池製造）
本発明の二次電池に係る基本的な電池製法について説明する。二次電池の製法では、正極、負極、電解液およびセパレータをそれぞれに作製・調製した後（必要に応じて市販品から調達してもよい）、それらを一体化して組み合わせることで二次電池を得ることができる。

正極の作製では、まず、正極材スラリーを調製する。正極材スラリーは、正極活物質およびバインダーを少なくとも含む電極材層原料である。かかる正極材スラリーを正極集電体として用いられる金属シート材（例えば、アルミニウム箔）に塗布し、ロールプレス機で圧延に付す。これにより、正極前駆体、すなわち、電極前駆体が得られる。特に、金属シート材は、帯状に長い形状を有していることが好ましく、そのような長尺状の金属シートに対して正極材スラリーを塗布する。塗布するエリアは、長尺状の金属シートの全領域ではなく、金属シート材の両幅方向の周縁部分（より具体的には、切出しが逐次行われる方向に直交する方向における端部分）などには塗布しないことが好ましい。ある１つの好適な態様では、長尺状の金属シート材よりもひとまわり小さくなるように正極材スラリーを同様の長尺状に塗布することが好ましい。得られる正極前駆体（特に帯状に長い正極前駆体）は、次工程に供されるまで、必要に応じてロール状に巻かれるなどして保管されたり、適宜運搬などに付されたりする。そして、次工程では、正極前駆体から複数の正極を得るべく切り出しが行われる（ロール状に巻かれていた場合では展開して切り出しが行われる）。例えば、正極前駆体を機械的な切断に付すことによって正極前駆体（特に「正極材スラリーが塗布された部分」）から正極の切出しを行う。あくまでも例示にすぎないが、いわゆる“打ち抜き操作”を行ってよい。以上のような操作を経ることによって、所望の正極を複数得ることができる。

負極の作製は、正極の作製と同様である。負極の作製では、まず、負極材スラリーを調製する。負極材スラリーは、負極活物質およびバインダーを少なくとも含む電極材層原料である。かかる負極材スラリーを負極集電体として用いられる金属シート材（例えば銅箔）に塗布し、ロールプレス機で圧延する。これにより、負極前駆体、すなわち、電極前駆体が得られる。特に、金属シート材は、帯状に長い形状を有していることが好ましく、そのような長尺状の金属シート材に対して負極材スラリーを塗布する。塗布するエリアは、長尺状の金属シート材の全領域ではなく、金属シート材の両幅方向の周縁部分（より具体的には、切出しが逐次行われる方向に直交する方向における端部分）などには塗布しないことが好ましい。ある１つの好適な態様では、長尺状の金属シート材よりもひとまわり小さくなるように負極材スラリーを同様の長尺状に塗布することが好ましい。得られる負極前駆体（特に帯状に長い負極前駆体）は、次工程に供されるまで、必要に応じてロール状に丸められるなどして保管されたり、適宜運搬などに付されたりする。そして、次工程では、負極前駆体から複数の負極を得るべく切り出しが行われる（ロール状に巻かれていた場合では展開して切り出しが行われる）。例えば、負極前駆体を機械的な切断に付すことによって負極前駆体（特に「負極材スラリーが塗布された部分」）から負極の切出しを行う。あくまでも例示にすぎないが、いわゆる“打ち抜き操作”を行ってよい。以上のような操作を経ることによって、所望の負極を複数得ることができる。

電池使用時にて正極・負極間のイオン移動を担うことになる電解質を調製する。リチウムイオン電池の場合、特に非水電解質を調製する。よって、電解質となる原料を混合して所望の電解質を調製する。なお、電解質は常套の二次電池に使用される常套的な電解質であってよく、それゆえ、その原料も二次電池の製造に常套的に使用されるものを用いてよい。

正極と負極との間に介在させるセパレータは常套的なものであってよく、それゆえ、二次電池として常套的に使用されるものを用いてよい。

二次電池は、以上のように作製・調製された正極、負極、電解液およびセパレータを一体的に組み合わせることによって得ることができる。特に、正極と負極とはセパレータを介して複数積み重ねて電極組立体を形成し、かかる電極組立体を電解質と共に外装体に封入することによって二次電池を得ることができる。なお、セパレータは枚葉にカットしたものを積層してよいし、あるいは、九十九状に積層して余剰分をカットしたものでもよい。更には電極をセパレータで個装したものを積層してもよい。

［本発明の二次電池の特徴］
本発明の二次電池は、その凹凸の外形設計に特徴を有している。特に、本発明は、電極組立体とそれを外装体で包み込んで得られる二次電池とで凹凸段差の位置設計が好適に図られた特徴を有している。つまり、正極、負極およびそれらの間のセパレータを含む電極構成層が積層した電極組立体と、かかる電極組立体を包み込む外装体を有して成る二次電池との間において段差位置の設計がより好適になされている。

図２および図３に示すように、本発明の二次電池１００は、電極組立体１００’が相対的に低いレベルの組立体低面１６０’と相対的に高いレベルの組立体高面１８０’とから成る組立体段差１９０’を有すると共に、二次電池１００が相対的に低いレベルの電池低面１６０と相対的に高いレベルの電池高面１８０とから成る電池段差１９０を有しており、電池低面１６０が、組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれをマージンとした基板配置面となっている。

“段差”に関連して用いる「レベル」とは、電極組立体または二次電池といった対象物の高さレベルを指しており、特に電極組立体または二次電池のそれぞれの一方の主面（特に底面ないしは下面に相当する面）を基準とした高さレベルを指している。

本発明の二次電池においては「基板との併用設置に用いられる相対的に低い低レベルの基板配置面」が組立体段差１９０’と電池段差１９０との設置位置のずれを考慮したものとなっている。換言すれば、本発明では、電極組立体１００’において基板配置面として利用でき得る面（組立体低面１６０’）が最終的な二次電池の基板配置面としてより好適なものとなるように設計されている。

本明細書でいう「基板配置面」とは、広義には、電池の外面のうち基板を据え置くことができる面を意味しており、狭義には、段差に起因して電池の三次元外形が相対的に低く（好ましくは局所的に低く）なることでもたらされた電池低面であって、電池と共に筐体内に設置される基板（例えば、後述する電子回路基板）との間でデットスペースを減じるように据え置くことができる電池低面を意味している。したがって、本発明では、二次電池は基板と共に好適に用いられる電池組合体としても供され得る。

ここで、本発明の二次電池において組立体段差と電池段差との位置ずれは、電極組立体・二次電池の厚み方向に直交する面における位置ずれであるところ、本発明にいう「位置ずれをマージンとした」とは、そのような“位置ずれ”を余裕代あるいはデット寸法として予め含めて基板配置面を設けることを意味している。つまり、本発明の二次電池では、単に二次電池の三次元外形の段差位置だけでなく、電極組立体の三次元外形の段差位置までも考慮して基板配置面となる電池低面を設けている。

本願発明者は、特に二次電池の外装体が基板配置面に有意に影響を及ぼすことになることを見出した。図２および図３に示されるように、電極組立体１００’は、最終的には外装体に包まれて二次電池１００とされるところ、外装体に起因して組立体段差１９０’と電池段差１９０との間では位置ずれが生じ得る。このような“位置ずれ”は、そもそも当業者に特に意識されていたものでなく、段差に起因する二次電池の電池低面を基板配置面として設計するに際して初めて本願発明者によって着目されたものである。

特に本発明では、基板配置面としての有効面積が過度に減じられないように、電池低面１６０が組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれをマージンとした基板配置面となっている。基板配置面としての有効面積が過度に減じられる態様を図４を例に挙げて説明する。図４（Ａ）には電池低面が組立体段差と電池段差との位置ずれをマージンとして考慮せずに設計した一例を示す。一方、図４（Ｂ）には電池低面１６０が組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれをマージンとして考慮して好適に設計した一例を示す。図４（Ａ）では“位置ずれ”に起因して電極組立体において基板配置面として利用でき得る面が二次電池とした場合に外装体の存在で過度に減じられている一方、図４（Ｂ）では“位置ずれ”に起因して電極組立体において基板配置面として利用でき得る面が二次電池とした場合でも外装体の存在で過度に減じられていない。つまり、図４（Ｂ）に示す如く、電池低面１６０が組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれをマージンとして考慮して好適に設計された二次電池においては、外装体が存在したとしても基板配置面としての電池低面１６０が過度に制限されず、段差に起因した電池低面１６０を基板配置面としてより広く供すことができる。

図３、図４（Ａ）および図４（Ｂ）を参照して分かるように、「電池低面１６０が、組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれをマージンとした基板配置面となっている二次電池」においては、平面視における電池低面１６０の面形状は、組立体低面１６０’の面形状の位置ずれ方向寸法が僅かに減じられた形状に相当し、好ましくは電池低面１６０の面形状が矩形となっている。換言すれば、基板を据え置くことができる基板配置面が矩形状または正方形状などの幾何学的形状（好ましくは対称的な幾何学的形状）を有している。

本発明の二次電池は、組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれが特に外装体に起因する。より具体的には、“位置ずれ”は電極組立体を包み込んでいる外装体に起因しており、特にその外装体の中でも組立体段差に隣接して位置付けられる“外装体屈曲部分”に起因している。

図２および図３の括弧内の断面視に示す如く、かかる“外装体屈曲部分”は、組立体段差の輪郭形状に沿うように延在するものの、段差頂部および段差最下部では外装体が僅かな膨らみを有し得、それが、外装体の厚みと共に“位置ずれ”を構成し得る。また、電極構成層が平面状に積層した平面積層構造の電極組立体ではセパレータなどの構成要素が側面から突出した形態を有する場合があり、それも外装体の厚みと共に“位置ずれ”を構成し得る。それゆえ、本発明の二次電池では、そのような“外装体屈曲部分”および／または“組立体構成要素の側方突出”などを考慮して「組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれをマージンとした基板配置面」として電池低面１６０が好ましく設けられている。

より具体的にいえば、本発明の二次電池において「組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれの寸法（平面視における位置ずれ寸法）」は、好ましくは外装体の厚みの１．５倍以上５０倍以下、より好ましくは１．５倍以上３０倍以下、より好ましくは１．５倍以上２０倍以下（例えば、１．５倍以上１０倍以下）であってよい。これにより、組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれがマージンとして好適に含まれた電池低面１６０が基板配置面として供される。

本発明の二次電池に用いられる外装体は、いわゆるラミネートフィルムから成るものであってよい。つまり、外装体は“パウチ”に相当するソフトケース型であってもよい。あるいは、本発明の二次電池に用いられる外装体は、いわゆる“金属缶”に相当するハードケース型であってもよい。典型的にはソフトケース態様の外装体の厚みはハードケース態様の外装体の厚みよりも小さいので、その点に鑑みれば本発明の二次電池において「組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれの寸法」は、外装体がソフトケース態様の場合がハードケース態様と比べて相対的に小さくなり得る一方、ハードケース態様がソフトケース態様と比べて相対的に大きくなり得る。

ソフトケース態様の外装体についていえば、その厚み寸法および／または軟質特性は、本発明の二次電池において「組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれの寸法」の低減につながり得る。より具体的には、ソフトケース態様の外装体は、好ましくは軟質シートから構成されるフレキシブルパウチ（軟質袋体）である。軟質シートは、折り曲げ易く、好ましくは可塑性シートである。かかる可塑性シートは、外力を付与した後に除力すると、外力による変形が維持され得るシートである。例えば、いわゆるラミネートフィルムがフレキシブルパウチに利用され得る。ラミネートフィルムから成るフレキシブルパウチは、例えば２枚のラミネートフィルムを重ね合わせ、その周縁部を加熱処理することにより得られる。ラミネートフィルムとして金属箔とポリマーフィルムとを積層したフィルムを用いることができ、例えば外側層ポリマーフィルム／金属箔／内側層ポリマーフィルムから成る３層構成のラミネートフィルムを用いることができる。外側層ポリマーフィルムは水分などの透過および接触などによる金属箔の損傷を防止に資するところ、ポリアミドおよびポリエステルなどのポリマーから形成されていてよい。金属箔は水分およびガスの透過を防止するためのものであり、銅、アルミニウムおよびステンレスなどから成る箔であることが好ましい。そして、内側層ポリマーフィルムは、二次電池において電解質から金属箔を保護するとともに、ヒートシール時の溶融封止に寄与し得、ポリオレフィンまたは酸変性ポリオレフィンから形成されていよい。ソフトケース態様の外装体厚さは１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲であり得、例えば４０μｍ以上１００μｍ以下である。これに対して、ハードケース態様の外装体についていえば、例えば、常套の二次電池のハードケース外装体として常套的に採用されているものを用いてよい。ハードケース態様の外装体の厚さは、例えば６０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲であり得、あくまでも１つの例示にすぎないが８０μｍ以上８００μｍ以下であり得る。

本発明と共に用いられ得る基板、すなわち、基板配置面に据え置くことができる基板は、特に電子回路基板が好ましい。つまり、基板配置面に据え置くことができる基板は、いわゆるフレキシブル基板の範疇に入るものであってもよいし、あるいは、いわゆるリジット基板の範疇に入るものであってもよい。また、別の切り口でいえば、そのような基板は、プリント基板、保護回路基板、半導体基板、ガラス基板などであってよい。ある好適な態様では、本発明の二次電池は、その電池の過充填、過放電および／または過電流を防止するための保護回路基板とともに用いられ、それゆえ、“基板配置面”は、かかる保護回路基板のための面となっている。好ましくは、そのような基板の主面形状（例えば底面形状）と二次電池の基板配置面の平面視形状とは略同じになっており、本発明の二次電池と基板とから構成される電池組合体では基板を二次電池からはみ出さずに（積層方向と直交する方向にはみ出さずに）設けることができる。

本発明は、三次元的外形に切欠部が含まれる二次電池の場合に特に効果を理解し易い。以下これについて詳述する。

「三次元的外形に切欠部が含まれる二次電池」の典型的な外観態様は図３に示されている。図示されるように、かかる二次電池１００は、その全体外形に切欠部が含まれており、それゆえ、電極組立体１００’としても同様に切欠部が含まれている。ここでいう「切欠部が含まれている」とは、図５（特に下側括弧内）に示すように、平面視の二次電池・電極組立体の形状がある形状をベースにつつ、それから部分的に一部切欠いた形状となっていることを意味している。例えば、図示するように、二次電池・電極組立体の平面視形状が正方形・長方形をベースにしつつも、それから部分的に一部切欠いた形状（特に、そのベースの正方形・長方形のコーナー部分が切欠かれた形状）となっていることを意味している。

このような態様の二次電池の場合（すなわち「二次電池の全体外形に切欠部が含まれる態様」の場合）、平面視にて切欠部の周縁ラインと組立体段差との差が“位置ずれ”に相当していることが好ましい。つまり、図３の下側括弧内に示すように、平面視において組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれが、切欠部の周縁ラインと組立体段差との差に相当することが好ましい。ここでいう「切欠部の周縁ライン」とは、図３および図５から分かるように、平面視において二次電池・電極組立体との輪郭のうち切欠部に相当する部分の輪郭線（特に、段差の延在方向と略平行する側の輪郭線）又はその輪郭線を延長をした仮想線を意味している。

平面視において切欠部の周縁ラインと組立体段差との差が“位置ずれ”に相当すると、外装体が最終的に存在したとしても基板配置面としての電池低面が過度に制限されなくなり、段差に起因した電池低面を基板配置面としてより広く供すことができる。これは図４（Ａ）と図４（Ｂ）とを比べると良く理解することができる。図４（Ｂ）は「平面視において切欠部の周縁ライン（切欠周縁ライン）と組立体段差との差が“位置ずれ”に相当する態様」となっており、図４（Ａ）は、そのような条件にない態様である。図４（Ａ）では、電極組立体において基板配置面としてより広く利用でき得る面が「組立体段差と電池段差との位置ずれ」に起因してより制限されているのに対して、図４（Ｂ）では、そのように基板配置面としてより広く利用でき得る面が「組立体段差と電池段差との位置ずれ」によっては制限されていない。つまり、平面視の二次電池・電極組立体の形状における幅広領域に“位置ずれ”が存在せず、それゆえ、基板配置面としてより広く利用できる面（幅広領域の面）が制限されていない。図４（Ｂ）に示すように、かかる基板配置面の平面視輪郭部は実質的に全て直線状（より具体的には、輪郭を構成する全ての辺が直線状、例えば輪郭を構成する４つ辺が直線状）となっている。

図３〜図５に示す典型的な態様について、平面視において切欠部の形状は矩形状である一方、電極組立体または二次電池の輪郭形状（平面視における輪郭形状）は非矩形状であることが好ましい。ここでいう「矩形状」とは、平面視における上記の切出し形状（即ち、ベース形状から切り取られる形状）が正方形および長方形といった矩形状の概念に通常含まれる形状を意味している。従って、「矩形状」は、厚み方向にて上側から見た平面視の仮想的な切取り形状が略正方形または略長方形に相当することを指している。一方、ここでいう「非矩形状」とは、平面視における形状が正方形および長方形といった矩形状の概念に通常含まれるものでない形状を指しており、特にそのような正方形・長方形から部分的に一部欠いた形状のことを指している。従って、広義には、「非矩形状」は、厚み方向にて上側から見た平面視の形状が正方形・長方形でない形状を指しており、狭義には、平面視の形状が正方形・長方形をベースにしつつも、それから部分的に一部切欠いた形状（好ましくはベースの正方形・長方形のコーナー部分が切欠かれた形状）となっていることを指している（図５参照）。例示すると、「非矩形状」は、平面視における電極組立体または二次電池の輪郭形状が正方形・長方形をベースとし、かかるベース形状よりも小さい平面視サイズの正方形、長方形、半円形、半楕円形、円形・楕円形の一部またはそれらの組合せ形状を当該ベース形状から切り欠いて得られる形状（特にベース形状のコーナー部分から切り欠いて得られる形状）となっていてよい。

このように切欠部の平面視形状が矩形状である一方、電極組立体または二次電池の平面視の輪郭形状が非矩形状であることは、図３〜図５に示す態様から分かるように、段差に起因する電池低面がより広く基板配置面として供されることに寄与し得る。

図３、図４（Ｂ）および図５に示される電極組立体・二次電池では、上述のごとく段差に起因する電池低面がより広く基板配置面として設けられているものであるが（すなわち、電池低面が組立体段差と電池段差との位置ずれをマージンとした基板配置面となっているが）、それがゆえの特徴を有している。例えば、平面視において“位置ずれ”を成す方向の寸法を位置ずれ方向寸法とすると、電極組立体の輪郭形状における最大位置ずれ方向寸法と最小位置ずれ方向寸法との差よりも組立体高面の位置ずれ方向寸法が小さくなっている（図６参照）。より具体的には、図６の下側に示すように「電極組立体１００’の平面視の輪郭形状において“位置ずれ”を成す方向に沿ってみた場合に最大となる寸法Ｌ_最大と最小となる寸法Ｌ_最小との差」と「同様に“位置ずれ”を成す方向に沿ってみた場合に組立体高面１８０’の寸法ｌ_高面」とを比べた場合、後者が前者よりも小さくなっている。つまり、（Ｌ_最大−Ｌ_最小）＞ｌ_高面となっている。換言すれば、そのような寸法関係を有しているからこそ、段差に起因する電池低面がより広く基板配置面として供され得るといえる。

また、図３、図４（Ｂ）および図５に示される電極組立体・二次電池では、平面視において組立体高面の面積が切欠部の面積よりも小さくなっていることが好ましい。より具体的には、図５に示す如く組立体高面１８０’の平面視面積を「Ｓ_１」とし、切欠部の平面視面積を「Ｓ_２」とすると、Ｓ_１＜Ｓ_２となっていることが好ましい。かかる特徴は、特に二次電池の製造方法に関係し得る。

以下では、図３、図４（Ｂ）および図５に示される電極組立体・二次電池を得るための典型的な製造方法について詳述する。

かかる製造方法は、電極の作製法に特徴を有しており、特に、正極および負極の少なくとも一方の電極の作製時における複数の電極の切出しに特徴を有している。具体的には、正極および負極の少なくとも一方の電極の作製が、図７に示すように、電極集電体となる金属シート材１０に電極材層２０を形成して電極前駆体３０を得ること、および、電極前駆体３０から複数個の切出しを行って電極を形成することを含んで成り、かかる複数個の切出しの形状として、相対的に小さい小片形４２と相対的に大きい大片形４７とから成る対形状を含む。

ここでいう「対形状」とは、広義には、平面視における隣接する２つの形状の組合せのことを意味しており、狭義には、厚み方向にて上側から見た平面視において互いに隣接する相対的に小さい形状（“小片形”）と相対的に大きい形状（“大片形”）との組合せ（“対”）を意味している。よって、図７に示すような平面視における複数の切出し形状のうちで互いに横並びに位置付けられる大・小の２つの形状の組合せが「対形状」に相当する。

大・小の２つの形状から成る対形状を含むように複数個の電極切出しを行うと、切出し後の残余分をより効果的に減じることができる。これは、二次電池製造に最終的に使用されない“無駄部分”を少なくできる（特に、最終的に電池構成要素にならない電極活物質の廃棄を少なくできる）ことを意味しており、二次電池の製造効率がより高くなる。また、“無駄部分”の低減は二次電池の低コスト製造にもつながる（従前のプロセス態様を示した図９を参照すると、“高い製造効率”/“低コスト製造”をより容易に理解されよう）。

特に、本発明の二次電池についていえば「相対的に小さい小片形」と「相対的に大きい大片形」とから少なくとも成る対形状を少なくとも１つ含むように複数個の電極切出しを行う。ここでいう「相対的に大きい大片形」とは、平面視における上記対形状のうちで面積が相対的に大きな切り出し形状のことを意味している。同様にして「相対的に小さい小片形」とは、平面視における上記対形状のうちで面積が相対的に小さい切り出し形状のことを意味している。あくまでも例示にすぎないが、平面視における小片形の面積が大片形の面積の３／４以下であってよく、例えば半分以下であってもよい。

図７に示すように、対形状を成す「相対的に小さい小片形４２」と「相対的に大きい大片形４７」とは相補的形状を有することが好ましい。つまり、好ましくは平面視において小片形４２と大片形４７とが互いに補うような平面形状を有している。図７を参照すると分かるように、ここでいう「相補的形状を有する」とは、平面視における小片形の輪郭と大片形の輪郭において相互に向かい合う部分が略重なり合う形状を有することを意味している。より具体的にいえば、“略重なり合う形状”とは、平面視の相互に向かい合う輪郭部について大片形の輪郭部分に小片形の輪郭が実質含まれ得ることを意味している。

正極の作製の場合、複数の正極の切出し形状について対を成す小片形４２と大片形４７とが互いに相補的となるように正極前駆体から切り出すことが好ましい。同様にして、負極の作製の場合、複数の負極の切出し形状について対を成す小片形４２と大片形４７とが互いに相補的となるように負極前駆体から切り出すことが好ましい。双方の場合とも、電極前駆体３０の長手方向（すなわち、金属シート材１０の長手方向）において相補的な関係が連続する態様となることが好ましい。このように相補的な関係性を維持して複数個の電極切出しを行うと、切出し後の残余分をより効果的に減じることができる。

特に好ましくは、図７に示すように、対形状を成す「相対的に小さい小片形４２」が矩形状である一方、「相対的に大きい大片形４７」とが非矩形状となっている。ここでいう「矩形状」とは、平面視における切出し形状（即ち、電極前駆体から電極として切り出される形状）が正方形および長方形といった矩形状の概念に通常含まれる形状を意味している。従って、「矩形状」は、厚み方向にて上側から見た平面視の切出し形状（電極形状）が略正方形または略長方形を指している。一方、ここでいう「非矩形状」とは、平面視における切出し形状（即ち、電極前駆体から電極として切り出される形状）が正方形および長方形といった矩形状の概念に通常含まれるものでない形状を指しており、特にそのような正方形・長方形から部分的に一部欠いた形状のことを指している。従って、広義には、「非矩形状」は、厚み方向にて上側から見た平面視の切出し形状（電極形状）が正方形・長方形でない形状を指しており、狭義には、平面視の電極形状が正方形・長方形をベースにしつつも、それから部分的に一部切欠いた形状（好ましくはベースの正方形・長方形のコーナー部分が切欠かれた形状）となっていることを指している。例示すると、「非矩形状」は、平面視における電極形状が正方形・長方形をベースとし、かかるベース形状よりも小さい平面視サイズの正方形、長方形、半円形、半楕円形、円形・楕円形の一部またはそれらの組合せ形状を当該ベース形状から少なくとも１つ切り欠いて得られる形状（特にベース形状のコーナー部分から切り欠いて得られる形状）であってよい。

このように矩形・非矩形の関係を有するように複数個の電極切出しを行うと、切出し後の残余分をより効果的に減じることができる。

得られた小片形４２と大片形４７は同一電池製造に用いると、図３、図４（Ｂ）および図５に示される電極組立体を得ることができ、ひいては二次電池を得ることができる。具体的には、図８に示すように大片形４７から構成される大片積層体４７’の上に小片形４２から構成される小片積層体４２’を位置付けると、相対的に低いレベルの組立体低面１６０’と相対的に高いレベルの組立体高面１８０’とから構成された組立体段差を有する電極組立体１００’を得ることができ、次いで、それを電解質と共に外装体で封入すると、同様に相対的に低いレベルの電池低面と相対的に高いレベルの電池高面とから構成された電池段差を備えた二次電池を得ることができる。

以上の如く説明した製造方法に基づくと、図３、図４（Ｂ）および図５に示される電極組立体・二次電池では、平面視にて組立体高面の面積が切欠部の面積よりも小さくなる。つまり、「組立体高面の面積」は、上記の製造方法においては小片形４２の面積に相当し、「切欠部」は、図７の電極前駆体３０において、かかる小片形４２が切り出されるための領域に相当するので、前者（組立体高面の面積）は後者（切欠部の面積）よりも小さくなる。

また、同様に上記説明した製造方法に基づくと、図３、図４（Ｂ）および図５に示される電極組立体・二次電池では、電極組立体１００’の底面（すなわち、最下面）と組立体低面１６０’とのレベル差が、組立体段差１９０’の段差寸法に相当する。これは、対を成す小片形４２および大片形４７をそれぞれ用いて電極組立体１００’を構成することに起因し得る。つまり、図８に示すように大片形４７から構成される大片積層体４７’と小片形４２から構成される小片積層体４２’とから電極組立体１００’を作製するところ、使用される小片形４２と大片形４７とは“対”に起因して同数または略同数にすることができる。これは、図８に示される電極組立体１００’において大片積層体４７’の厚みと小片積層体４２’の厚みとが略同じになり得ることを意味しており、それゆえ、電極組立体１００’の底面と組立体低面１６０’とのレベル差が、組立体段差１９０’の段差寸法に相当し得る。なお、ここでいう「レベル差が段差寸法に相当する」とは、レベル差と段差寸法との間に関して一方が他方の±１０％以内の範囲に入ることを意味している。なお、また、大片積層体４７’の“基板配置面”となる露出する電極についていえば、いわゆる“両面正極”（正極集電体の両面に正極材層が設けられた正極）が位置付けられないことが望まれる。

更にいえば、同様に上記説明した製造方法に基づくと、図３、図４（Ｂ）および図５に示される電極組立体・二次電池において、“位置ずれの寸法”は、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下となり得る。つまり、あくまでも例示にすぎないが、二次電池において「組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれの寸法（平面視における位置ずれ寸法）」は０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲となり得る。これは、電池低面１６０が組立体段差１９０’と電池段差１９０との位置ずれ寸法となる０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲をマージンとして考慮して好適に設計された二次電池が本発明で供されることを意味している。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、あくまでも典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の態様が考えられることを当業者は容易に理解されよう。

本発明の二次電池は、蓄電が想定される様々な分野に利用することができる。あくまでも例示にすぎないが、二次電池は、モバイル機器などが使用される電気・情報・通信分野（例えば、携帯電話、スマートフォン、ノートパソコン、デジタルカメラ、活動量計、アームコンピューターおよび電子ペーパーなどのモバイル機器分野）、家庭・小型産業用途（例えば、電動工具、ゴルフカート、家庭用・介護用・産業用ロボットの分野）、大型産業用途（例えば、フォークリフト、エレベーター、湾港クレーンの分野）、交通システム分野（例えば、ハイブリッド車、電気自動車、バス、電車、電動アシスト自転車、電動二輪車などの分野）、電力系統用途（例えば、各種発電、ロードコンディショナー、スマートグリッド、一般家庭設置型蓄電システムなどの分野）、ＩｏＴ分野、宇宙・深海用途（例えば、宇宙探査機、潜水調査船などの分野）などに利用することができる。

１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
５ 電極構成層
１０ 金属シート材
２０ 電極材層
３０ 電極前駆体
４２ 小片形
４２’ 小片積層体
４７ 大片形
４７’ 大片積層体
１００ 二次電池
１６０ 電池低面
１８０ 電池高面
１９０ 電池段差
１００’ 電極組立体
１６０’ 組立体低面
１８０’ 組立体高面
１９０’ 組立体段差

Claims (12)

1. 正極、負極および該正極と該負極との間のセパレータを含む電極構成層が積層した電極組立体、ならびに、該電極組立体を包み込む外装体を有して成る二次電池であって、
   前記電極組立体が相対的に低いレベルの組立体低面と相対的に高いレベルの組立体高面とから構成された組立体段差を有すると共に、前記二次電池が相対的に低いレベルの電池低面と相対的に高いレベルの電池高面とから構成された電池段差を有し、
   前記電池低面が、前記組立体段差と前記電池段差との位置ずれをマージンとした基板配置面となっており、
   前記二次電池の全体外形に切欠部が含まれ、平面視にて該切欠部の周縁ラインと前記組立体段差との差が、前記位置ずれに相当する、二次電池。
2. 前記位置ずれが前記外装体に起因する、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記位置ずれの寸法が、前記外装体の厚みの１．５倍以上５０倍以下となっている、請求項１または２に記載の二次電池。
4. 平面視において前記切欠部の形状が矩形状である一方、前記電極組立体または前記二次電池の輪郭形状が非矩形状である、請求項１に記載の二次電池。
5. 平面視において前記組立体高面の面積が前記切欠部の面積よりも小さい、請求項１に記載の二次電池。
6. 平面視において前記位置ずれを成す方向の寸法を位置ずれ方向寸法とすると、前記電極組立体の輪郭形状における最大位置ずれ方向寸法と最小位置ずれ方向寸法との差よりも前記組立体高面の位置ずれ方向寸法が小さくなっている、請求項１に記載の二次電池。
7. 前記電極組立体の底面と前記組立体低面とのレベル差が、前記組立体段差の段差寸法に相当する、請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池。
8. 前記位置ずれの寸法が０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池。
9. 前記基板配置面に配置される基板がリジッド基板またはフレキシブル基板である、請求項１〜８のいずれかに記載の二次電池。
10. 前記基板配置面に配置される基板が保護回路基板である、請求項１〜９のいずれかに記載の二次電池。
11. 前記正極、前記負極および前記セパレータが平面状に積層した平面積層構造を有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の二次電池。
12. 前記正極および前記負極が、リチウムイオンを吸蔵放出可能な層を有する、請求項１〜１１のいずれかに記載の二次電池。

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