JP7008272B2

JP7008272B2 - 蓄電素子

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Publication number: JP7008272B2
Application number: JP2017175029A
Authority: JP
Inventors: 丈佐々木
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: JP2019053820A

Description

本発明は、折り返された第一の電極の間に第二の電極が配置された電極体を備える蓄電素子に関する。

従来から、負極電極板及び正極電極板の一方の電極板がつづら折り状に積層されているリチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」と称する）が知られている（特許文献１参照）。具体的に、この電池は、図１９に示すように、負極電極板１０１と、正極電極板１０４と、両電極板１０１、１０４間に挿入されたセパレータ１０７とが、交互に積層されて構成された電極積層体である。

負極電極板１０１は、両面でセパレータ１０７と密着しており、長手方向に所定間隔で交互に折り畳まれてつづら折り状に積層された長尺の可撓性材料からなる電極板（長尺電極板と称する）である。負極の長尺電極板１０１は、銅箔１０２の両面に形成された負極活物質層１０３をもつ。

セパレータ１０７は、長尺の絶縁膜からなり、その厚さ方向に電荷の移動が可能な電池用セパレータである。このセパレータ１０７は、負極の長尺電極板１０１の両面に接して折り畳まれている。具体的に、セパレータ１０７は、長尺電極板１０１の銅箔１０２のうち、負極活物質層１０３の形成されている部分を両面から包み込んでいる。即ち、長尺電極板１０１とその両面を包むセパレータ１０７とは一体化して一体長尺物１０８を形成している。

正極電極板１０４は、両面でセパレータ１０７に密着しており、多数の互いに独立した短冊形状の電極板（短冊状電極板と称する）である。正極の各短冊状電極板１０４は、アルミニウム箔１０５の両面に形成された正極活物質層１０６をもつ。

そして、長尺電極板１０１とセパレータ１０７とからなる一体長尺物１０８に対し、その両側から多数の短冊状電極板１０４が交互に積層されて電池１００が構成されている。即ち、一枚の一体長尺物１０８と多数の短冊状電極板１０４との積層に際し、一体長尺物１０８はつづら折りに折り畳まれ、その間に短冊状電極板１０４が両側から挿入されて一体長尺物１０８に挟持された構造を電池１００は持っている。

以上の電池１００では、つづら折りに折り畳まれた一体長尺物１０８のターン部において、応力が生じ易い。具体的には、活物質の膨張等に伴って長尺電極板１０１の体積が大きくなるが、ターン部においては、この体積が大きくなった長尺電極板１０１の逃げ代が少ないため、応力が生じやすい。特に、一体長尺物１０８の厚みが大きい程、ターン部に生じる応力の大きさが顕著となる。

特開２０１４－１０３０８２号公報

そこで、本実施形態は、第一の電極を含む第一の部材の折り返し部におけるターン部に生じる応力を抑えることができる蓄電素子を提供することを目的とする。

本実施形態の蓄電素子は、
第一の電極を含む長尺な第一の部材と、前記第一の電極と極性が異なる第二の電極を含む第二の部材と、を有する電極体を備え、
前記第一の部材は、第一の面及び該第一の面と反対側の第二の面をそれぞれ有し且つ前記第一の面同士を対向させた一対の平坦部と、前記一対の平坦部の端部同士を接続するターン部と、を含む折り返し部を少なくとも一つ有し、
前記第二の部材は、前記一対の平坦部の間に配置され、
前記ターン部は、前記折り返し部の内側の面の一部が他の部位より外側の面に向けて凹んでいる薄肉の部位を有し、
該ターン部と前記第二の部材との間に隙間が形成されている。

かかる構成によれば、第一の部材において、折り返し部のターン部が薄肉の部位を有することで、ターン部において生じる応力が抑えられる。

前記蓄電素子では、
前記第二の部材のターン部側の端縁は、前記一対の平坦部が並ぶ方向から見て、前記薄肉の部位と重なる位置にあってもよい。

このように、薄肉の部位と厚肉の部位（薄肉の部位以外の部位）とが形成された折り返し部の間において、一対の平坦部が並ぶ方向から見て第二の部材の端縁が薄肉の部位と重なる位置にあることで（例えば、図１１参照）、第二の部材において、厚肉の部位に圧迫（挟持）されている部位の端部位置、即ち、折り返し部の厚肉の部位と薄肉の部位との境界位置に僅かな段差が生じ、これにより、折り返し部の間での第二の部材の位置ずれが効果的に抑えられる。

また、前記蓄電素子は、
前記電極体を収容するケースを備え、
前記電極体は、前記一対の平坦部が並ぶ方向から見て、前記薄肉の部位の端部位置と重なる領域が、前記一対の平坦部が並ぶ方向の両側から押圧された状態で前記ケースに収容されてもよい。

かかる構成によれば、第二の部材において、折り返し部の厚肉の部位によって圧迫（挟持）されている部位の端部位置（即ち、薄肉の部位の端部位置）により大きな力が加わるため、折り返し部の間での第二の部材の位置ずれがより確実に抑えられる。

前記蓄電素子では、
前記第一の電極は、前記薄肉の部位に相当する領域に、金属箔と、該金属箔における内側の面に重ねられる活物質層と、を有してもよい。

薄肉の部位において第二の部材に対向するように金属箔が露出していると、金属箔において電流集中に伴うデンドライトの発生及びその成長等が生じ易い。しかし、上記構成によれば、薄肉の部位に相当する領域において金属箔の内側を向いた面が活物質層で覆われているため、該部位における前記電流集中が防がれ、これにより、金属箔での前記デンドライトの発生及びその成長等を抑えることができる。

また、ターン部と第二の部材との間に隙間があるため、第二の部材に含まれる第二の電極の充放電に伴う膨張収縮によって第二の部材がターン部の奥に向けて伸びたり移動したりする可能性がある。薄肉の部位に相当する領域において金属箔の第二の部材側を向いた面を活物質層で覆うことで、前記電流集中を抑制することができる。

また、前記蓄電素子では、
電解液と、
前記電解液及び前記電極体を収容するケースと、を備え、
前記第一の電極は、前記折り返し部において長尺方向の全域に配置される前記金属箔と、該金属箔の前記折り返し部の内側を向いた面の前記長尺方向の全域に重ねられる前記活物質層と、を有し、
前記長尺方向において、前記活物質層の前記薄肉の部位に相当する部位の密度は、他の部位の密度より高くてもよい。

このように、ターン部に活物質層が配置されると、蓄電素子の充放電に伴って該活物質層が膨張収縮することで該膨張収縮に伴う応力がターン部において発生するが、ターン部の薄肉の部位の活物質層の密度を高くして電解液の液浸透性を低下させることで前記充放電に伴う活物質層の膨張収縮量を抑え、これにより、ターン部での前記膨張収縮に伴う応力の発生を抑えることができる。

以上より、本実施形態によれば、第一の電極を含む第一の部材の折り返し部におけるターン部に生じる応力を抑えることができる蓄電素子を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る蓄電素子の斜視図である。図２は、前記蓄電素子の分解斜視図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ位置の断面図である。図４は、図１のＩＶ－ＩＶ位置の断面図である。図５は、電極体を説明するための斜視図である。図６は、図５のＶＩ－ＶＩ位置における断面模式図である。図７は、負極の構成を説明するための図である。図８は、負極の構成を説明するための図である。図９は、つづら折り状態の負極の構成を説明するための斜視図である。図１０は、折り返し部を説明するための斜視図である。図１１は、電極体のターン部及びその周辺の拡大断面図である。図１２は、正極及びセパレータを含む第二の部材の構成を説明するための図である。図１３は、正極及びセパレータを含む第二の部材の構成を説明するための図である。図１４は、電極体において圧迫され易い領域を説明するための模式図である。図１５は、他実施形態に係る電極体における平坦部とターン部との境界部を示す図である。図１６は、他実施形態に係る電極体における平坦部とターン部との境界部を示す図である。図１７は、前記蓄電素子を備える蓄電装置の斜視図である。図１８は、前記蓄電装置の分解斜視図である。図１９は、従来の電池の積層構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明に係る蓄電素子の一実施形態について、図１～図１４を参照しつつ説明する。蓄電素子には、一次電池、二次電池、キャパシタ等がある。本実施形態では、蓄電素子の一例として、充放電可能な二次電池について説明する。尚、本実施形態の各構成部材（各構成要素）の名称は、本実施形態におけるものであり、背景技術における各構成部材（各構成要素）の名称と異なる場合がある。

本実施形態の蓄電素子は、非水電解質二次電池である。より詳しくは、蓄電素子は、リチウムイオンの移動に伴って生じる電子移動を利用したリチウムイオン二次電池である。この種の蓄電素子は、電気エネルギーを供給する。蓄電素子は、単一又は複数で使用される。具体的に、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧が小さいときには、単一で使用される。一方、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧の少なくとも一方が大きいときには、他の蓄電素子と組み合わされて蓄電装置に用いられる。前記蓄電装置では、該蓄電装置に用いられる蓄電素子が電気エネルギーを供給する。

蓄電素子は、図１～図４に示すように、電極体２を備える。また、蓄電素子１は、電極体２を収容するケース３と、少なくとも一部が外部に露出した状態でケース３に取り付けられる外部端子４と、電極体２と外部端子４とを接続する集電体５と、を備える。また、蓄電素子１は、電極体２とケース３との間に配置される絶縁部材６等も備える。尚、各図においては、構造を示すために、電極体２を構成する電極等の厚さを誇張して表す等、電極体２の構成を模式的に表している。

電極体２は、図５及び図６にも示すように、第一の電極２１を含む長尺な第一の部材と、第一の電極２１と極性が異なる第二の電極２２を含む第二の部材２６と、を有する。本実施形態の電極体２では、第一の電極２１は、負極であり、第二の電極２２は、正極である。また、第一の部材は、負極２１のみを含み、第二の部材２６は、正極２２とセパレータ２５とを含む。

負極２１は、図７及び図８にも示すように、金属箔２１１と、金属箔２１１の両面のそれぞれに重ねられる負極活物質層２１２と、を有する。即ち、負極２１は、一つの金属箔２１１と一対の負極活物質層２１２とを有する。本実施形態の金属箔２１１は、例えば、銅箔である。この負極２１は、図９にも示すように、長尺な帯状であり、ターン部２３４で折り返されている少なくとも一つの折り返し部２３を有する。具体的には、以下の通りである。

負極活物質層２１２は、負極活物質と、バインダーと、を有する。

負極活物質は、例えば、グラファイト、難黒鉛化炭素、及び易黒鉛化炭素などの炭素材、又は、ケイ素（Ｓｉ）及び錫（Ｓｎ）などのリチウムイオンと合金化反応を生じる材料である。本実施形態の負極活物質は、グラファイトである。

負極活物質層２１２に用いられるバインダーは、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンとビニルアルコールとの共重合体、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）である。本実施形態のバインダーは、ポリフッ化ビニリデンである。

負極活物質層２１２は、ケッチェンブラック（登録商標）、アセチレンブラック、黒鉛等の導電助剤をさらに有してもよい。本実施形態の負極活物質層２１２は、導電助剤を有していない。

折り返し部２３は、図１０に示すように、谷折り側の面である第一の面２３１及び山折り側の面（即ち、第一の面２３１と反対側の面）である第二の面２３２をそれぞれ有し且つ第一の面２３１同士を対向させた一対の平坦部２３３と、一対の平坦部２３３の端部同士を接続するターン部２３４と、を含む。本実施形態の負極２１は、ターン部２３４を反対に向けた状態で隣り合う折り返し部２３同士がその一部（平坦部２３３）を共通させた状態で連続するつづら折り状態（蛇腹状）である。

換言すると、負極２１は、所定方向（図９の左右方向）の一方側が開放されるように折り返された折り返し部（第一の折り返し部）２３Ａと、前記所定方向の他方側が開放されるように折り返された折り返し部（第二の折り返し部）２３Ｂとが交互に配置されたつづら折り状態である。そして、一つの折り返し部（第一折り返し部）２３Ａに着目したときに、第一折り返し部２３Ａと、その隣（図９における後ろ側）の折り返し部（第二折り返し部）２３Ｂとでは、第一折り返し部２３Ａのターン部２３４Ａと、第二折り返し部２３Ｂのターン部２３４Ｂとの間の平坦部２３３Ａ、２３３Ｂを共通させている。

この場合、図９に示すように、第一折り返し部２３Ａに着目したときの平坦部２３３Ａでは、第一折り返し部２３Ａにおける谷折り面側の面が第一の面２３１Ａであり、その反対側の面（山折り側の面）が第二の面２３２Ａである。一方、第二折り返し部２３Ｂに着目したときの平坦部２３３Ｂ（第一折り返し部２３Ａの平坦部２３３Ａと共通させた平坦部２３３Ｂ）では、第二折り返し部２３Ｂにおける谷折り面側の面が第一の面２３１Ｂであり、その反対側の面（山折り側の面）が第二の面２３２Ｂである。即ち、第一折り返し部２３Ａと第二折り返し部２３Ｂとで共通させている平坦部２３３Ａ、２３３Ｂでは、第一折り返し部２３Ａに着目したときと、第二折り返し部２３Ｂに着目したときとで、第一の面（折り返し部２３において向かい合う面）２３１と第二の面（折り返し部において反対方向を向く面）２３２とが逆になる。

具体的には、図９に示すように、負極２１では、帯状の負極２１が長尺方向において所定間隔で交互に折り返されることによって、平坦部２３３とターン部２３４とが交互に形成されている。即ち、長尺な負極２１が、図７に示す長手方向に所定間隔で交互に設定された山折り線２１Ａの位置と谷折り線２１Ｂの位置とで山折りと谷折りとが交互に繰り返されることによって、つづら折り状態となる。これにより、負極２１は、複数の平坦部２３３と複数のターン部２３４とを有し、複数の平坦部２３３のそれぞれは、平行若しくは略平行に並び、複数のターン部２３４のそれぞれは、隣り合う平坦部２３３の前記長尺方向の一端側の端部同士と他端側の端部同士とを交互に接続している。

また、この帯状の負極２１では、図７及び図８に示すように、山折り線２１Ａを含む領域（折り返されたときにターン部２３４となる領域）２１０と谷折り線２１Ｂを含む領域（折り返されたときにターン部となる領域）２１０とにおいて、折り返されたときに内側となる面側の負極活物質層２１２には、負極２１の短手方向に延びる溝が形成されている。即ち、折り返し部２３のターン部２３４は、折り返し部２３の内側の面の一部（領域２１０）が他の部位より外側の面に向けて凹んでいる薄肉の部位を有する。本実施形態の負極２１では、ターン部２３４の全体が薄肉の部位である。

また、本実施形態の負極２１では、領域２１０において、負極２１の両面（即ち、金属箔２１１の両面に重ねられた負極活物質層２１２のそれぞれ）に、前記溝が形成されている（図７及び図８参照）。この溝は、金属箔２１１に負極活物質が塗布されて一定の厚さの負極活物質層２１２が形成された後、負極活物質層２１２の領域２１０を厚さ方向に圧縮することによって形成されている。即ち、負極活物質層２１２において、ターン部（薄肉の部位）２３４に相当する部位（即ち、領域２１０）の密度は、他の部位（平坦部２３３に相当する部位）の密度より高くなっている。そして、負極２１の領域２１０に設けられた溝に第二の部材２６の端縁部を当接させた状態で負極２１を該溝の位置で折り返すことで、折り返し部２３が形成される。このとき、第二の部材２６のターン部２３４側の端縁は、図１１に示すように、ターン部２３４の内側に位置する。そして、ターン部２３４と第二の部材２６の端部との間には、隙間γが形成される。

以下では、平坦部２３３が並ぶ方向を直交座標系におけるＸ軸方向とし、平坦部２３３に対してターン部２３４が配置されている方向（図９における左右方向）を直交座標系におけるＹ軸方向とし、ターン部２３４の旋回軸Ｓの延びる方向（図９参照）を直交座標系のＺ軸方向とする。

複数の平坦部２３３のそれぞれは、図７、図９、及び図１０に示すように、矩形状の平坦部本体２３３１と、平坦部本体２３３１の矩形状の輪郭を構成する一辺から突出する（本実施形態の例では、Ｚ軸方向の端縁からＺ軸方向に延びる）負極タブ２３３２と、を有する。本実施形態の平坦部本体２３３１は、Ｙ軸方向に長い矩形状である。平坦部本体２３３１では、金属箔２１１の両面が負極タブ２３３２側の端部を残して負極活物質層２１２に覆われ、負極タブ２３３２では、金属箔２１１が露出している。即ち、負極タブ２３３２は、負極活物質層２１２を有しない。

つづら折り状態の負極２１において、各平坦部２３３の負極タブ２３３２は、Ｘ軸方向から見て重なっている。本実施形態の負極２１では、各負極タブ２３３２は、平坦部本体２３３１のＺ軸方向の一方（図９における上側）の端縁におけるＹ軸方向の一方（図９における右側）の端部からＺ軸方向に延びている。この複数の平坦部本体２３３１のそれぞれから延びている負極タブ２３３２は、束ねられ、外部端子４と集電体５を介して接続されている（図３参照）。本実施形態の負極タブ２３３２の束は、溶接によって集電体５に接続されている。

複数のターン部２３４のそれぞれは、つづら折り状態の負極２１において、Ｚ軸方向に延びる軸を旋回軸Ｓ（図９参照）として帯状の負極２１が旋回（方向転換）している（換言すると、旋回軸Ｓ周りに湾曲している）部位である。ターン部２３４においても、金属箔２１１の両面が負極活物質層２１２に覆われている。即ち、ターン部２３４において、金属箔２１１のターン部２３４の内側（第二の部材２６側）を向いた面に、負極活物質層２１２が重ねられている。また、金属箔２１１のターン部２３４の外側を向いた面にも、負極活物質層２１２が重ねられている。

このターン部２３４は、平坦部２３３より薄い（厚み寸法が小さい）。即ち、ターン部２３４は、負極２１（折り返し部２３）における薄肉の部位であり、平坦部２３３は、負極２１（折り返し部２３）における厚肉の部位である（図８参照）。

正極２２は、図５、図６、図１２、及び図１３にも示すように、金属箔２２１と、金属箔２２１の両面のそれぞれに重ねられる正極活物質層２２２と、を有する。即ち、正極２２は、一つの金属箔２２１と一対の正極活物質層２２２とを有する。本実施形態の金属箔２２１は、例えば、アルミニウム箔である。この正極２２は、つづら折り状態の負極２１において、Ｘ軸方向に隣り合う平坦部２３３間のそれぞれに配置されている。このため、本実施形態の電極体２は、複数の正極２２を有している。

正極活物質層２２２は、正極活物質と、バインダーと、を有する。

本実施形態の正極活物質は、例えば、リチウム金属酸化物である。具体的に、正極活物質は、例えば、ＬｉａＭｅｂＯｃ（Ｍｅは、１又は２以上の遷移金属を表す）によって表される複合酸化物（ＬｉａＣｏｙＯ_２、ＬｉａＮｉｘＯ_２、ＬｉａＭｎｚＯ_４、ＬｉａＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ_２等）、ＬｉａＭｅｂ（ＸＯｃ）ｄ（Ｍｅは、１又は２以上の遷移金属を表し、Ｘは例えばＰ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖを表す）によって表されるポリアニオン化合物（ＬｉａＦｅｂＰＯ_４、ＬｉａＭｎｂＰＯ_４、ＬｉａＭｎｂＳｉＯ_４、ＬｉａＣｏｂＰＯ_４Ｆ等）である。本実施形態の正極活物質は、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２である。

正極活物質層２２２に用いられるバインダーは、負極活物質層２１２に用いられたバインダーと同様のものである。本実施形態のバインダーは、ポリフッ化ビニリデンである。

正極活物質層２２２は、ケッチェンブラック（登録商標）、アセチレンブラック、黒鉛等の導電助剤をさらに有してもよい。本実施形態の正極活物質層２２２は、導電助剤としてアセチレンブラックを有する。

具体的に、複数の正極２２のそれぞれは、正極本体（電極本体）２２３と、正極本体２２３の周縁から延びる正極タブ（延出片）２２４と、を有する。詳しくは、複数の正極２２のそれぞれは、矩形状の正極本体（電極本体）２２３と、正極本体２２３の矩形状の輪郭を構成する一辺から突出する（本実施形態の例では、Ｚ軸方向の端縁からＺ軸方向に延びる）正極タブ２２４と、を有する。本実施形態の正極本体２２３は、Ｙ軸方向に長い矩形状である。正極本体２２３では、金属箔２２１の両面の全域が正極活物質層２２２に覆われ、正極タブ２２４では、金属箔２２１が露出している。即ち、正極タブ２２４は、正極活物質層２２２を有しない。

正極本体２２３における正極活物質層２２２は、Ｘ軸方向に対向する（詳しくは、セパレータ２５を介して対向する）平坦部２３３の負極活物質層２１２よりＺ軸方向において小さい。

電極体２において、各正極２２の正極タブ２２４は、Ｘ軸方向から見て重なっている。本実施形態の正極２２では、各正極タブ２２４は、正極本体２２３のＺ軸方向の一方（図５における上側）の端縁におけるＹ軸方向の他方（平坦部本体２３３１に対する負極タブ２３３２の位置とは反対側：図５における左側）の端部からＺ軸方向に延びている。この複数の正極本体２２３のそれぞれから延びている正極タブ２２４は、束ねられ、外部端子４と集電体５を介して接続されている。本実施形態の正極タブ２２４の束は、負極タブ２３３２の束と同様に、溶接によって集電体５と接続されている（図３参照）。

セパレータ２５は、絶縁性を有する部材であり、負極２１と正極２２との間に配置される。これにより、電極体２において、負極２１と正極２２とが互いに絶縁される。また、セパレータ２５は、ケース３内において、電解液を保持する。これにより、蓄電素子１の充放電時において、セパレータ２５を挟んで対向する負極２１と正極２２との間を、リチウムイオンが移動可能となる。

このセパレータ２５は、帯状であり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、ポリアミドなどの多孔質膜によって構成される。本実施形態のセパレータ２５は、ＳｉＯ_２粒子、Ａｌ_２Ｏ_３粒子、ベーマイト（アルミナ水和物）等の無機粒子を含んだ無機層を、多孔質膜によって形成された基材の上に設けることで形成されている。本実施形態のセパレータ２５の基材は、例えば、ポリエチレンによって形成される。

本実施形態のセパレータ２５は、正極２２を覆っている。具体的に、セパレータ２５は、正極本体２２３全体をＸ軸方向に挟み込むように覆っている。このセパレータ２５は、図５、図１２及び図１３に示すように、矩形状のものを、間に正極２２を挟み込むようにして長尺方向の中央部で折り返し、ターン部を除いた三辺（各縁部）を接合（接着、溶着等）されている。このとき、正極タブ２２４は、折り返されたセパレータ２５から突出し（図５参照）、前記接合は、正極タブ２２４を避けて行われている。

この正極２２を挟み込んだ状態のセパレータ２５は、Ｘ軸方向から見て矩形状であり、Ｚ軸方向の寸法は、負極２１の平坦部２３３の寸法より大きく、Ｙ軸方向の寸法も、平坦部２３３の寸法より大きい。上述のように、本実施形態の電極体２では、正極２２と、この正極２２を挟み込んだ状態のセパレータ２５とが、第二の部材２６を構成している。

複数の第二の部材２６のそれぞれは、上述のように、Ｙ軸方向の一方の端縁（ターン部２３４側の端縁）がターン部（薄肉の部位）２３４の内側（Ｙ軸方向の奥）に位置するように、各折り返し部２３の間に配置されている。換言すると、各第二の部材２６のターン部２３４側の端縁は、Ｘ軸方向（第二の部材２６が折り返し部２３に挟まれている方向）から見て、薄肉の部位（本実施形態の例では、ターン部２３４）と重なる位置にある。

図１～図４に戻り、ケース３は、開口を有するケース本体３１と、ケース本体３１の開口を塞ぐ（閉じる）蓋板３２と、を有する。このケース３では、ケース本体３１と蓋板３２とによって内部空間が画定される。ケース３は、この内部空間に、電極体２と共に電解液を収容する。

この電解液は、非水溶液系電解液である。この電解液は、有機溶媒に電解質塩を溶解させることによって得られる。有機溶媒は、例えば、プロピレンカーボネート及びエチレンカーボネートなどの環状炭酸エステル類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート類である。電解質塩は、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、及びＬｉＰＦ_６等である。本実施形態の電解液は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートを、エチレンカーボネート：ジメチルカーボネート：エチルメチルカーボネート＝３：２：５の割合で調整した混合溶媒に、１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ_６を溶解させたものである。

ケース３は、上記の電解液に耐性を有する金属によって形成される。本実施形態のケース３は、例えば、アルミニウム、又は、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料によって形成される。

ケース本体３１は、板状の閉塞部３１１と、閉塞部３１１の周縁に接続される筒状の胴部（周壁）３１２と、を備える。

閉塞部３１１は、ケース本体３１が開口を上に向けた姿勢で配置されたときにケース本体３１の下端に位置する（即ち、前記開口が上を向いたときのケース本体３１の底壁部となる）部位である。本実施形態の閉塞部３１１は、矩形状である。

胴部３１２は、角筒形状、より詳しくは、偏平な角筒形状を有する。胴部３１２は、閉塞部３１１の周縁における長辺から延びる一対の長壁部３１３と、閉塞部３１１の周縁における短辺から延びる一対の短壁部３１４とを有する。短壁部３１４が一対の長壁部３１３の対応（詳しくは、Ｘ軸方向に対向）する端部同士をそれぞれ接続することによって、角筒状の胴部３１２が形成される。

以上のように、ケース本体３１は、開口方向（Ｚ軸方向）における一方の端部が塞がれた角筒形状（即ち、有底角筒形状）を有する。

蓋板３２は、ケース本体３１の開口を塞ぐ部材である。この蓋板３２の輪郭形状は、ケース本体３１の開口周縁部３１０（図２参照）に対応した形状である。即ち、蓋板３２は、Ｙ軸方向に長い矩形状の板材である。

以上のように構成されるケース３には、負極２１の各平坦部２３３が長壁部３１３と平行（略平行）となる（即ち、各ターン部２３４が短壁部３１４と対向する）ように、絶縁部材６に覆われた状態の電極体２が収容される（図２～図４参照）。このとき、ケース３は、電極体２の全体をＸ軸方向に圧迫（押圧）した状態で該電極体２を収容する。

つづら折り状態の負極２１の各折り返し部２３では、ターン部２３４及びその近傍のＸ軸方向の厚さ寸法が、一対の平坦部２３３のＸ軸方向の厚さ寸法より若干大きくなっている。このため、電極体２がケース３に収容されることで該ケース３（一対の長壁部３１３）からＸ軸方向に圧迫（押圧）されると、各折り返し部２３の間において、第二の部材２６のＹ軸方向の両端部（即ち、各折り返し部２３のターン部２３４に近い部位、及びターン部２３４がＸ軸方向に隣り合う部位：図１４の領域α参照）がＸ軸方向に圧迫される。即ち、電極体２は、Ｘ軸方向から見て、負極２１の長尺方向におけるターン部２３４の端部位置（詳しくは、負極２１の長尺方向において（即ち、長尺な負極２１に沿った方向において）折り返し部２３の厚さ寸法が小さくなり始める位置）と重なる領域αがＸ軸方向の両側から押圧された状態でケース３に収容される。

外部端子４は、他の蓄電素子の外部端子又は外部機器等と電気的に接続される部位である。このため、外部端子４は、導電性を有する部材によって形成される。また、外部端子４は、溶接性の高い金属材料によって形成される。例えば、正極の外部端子４は、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料によって形成され、負極の外部端子４は、銅又は銅合金等の銅系金属材料によって形成される。本実施形態の外部端子４は、少なくとも一部がケース３の外部に露出した状態で蓋板３２に取り付けられる。

絶縁部材６は、絶縁性を有する樹脂によって形成されている。具体的に、絶縁部材６は、図２～図４に示すように、所定の形状に裁断された絶縁性を有するシート状の部材を折り曲げることによって袋状に形成されている。本実施形態の絶縁部材６は、ケース３に沿った形の袋状である。

以上の蓄電素子１によれば、負極２１（第一の部材）において、折り返し部２３のターン部２３４が薄肉の部位を有することで、ターン部２３４において生じる応力が抑えられる。しかも、ターン部（薄肉の部位）２３４の内側の負極活物質層２１２が平坦部２３３の負極活物質層２１２より薄いことで、ターン部２３４において負極２１と第二の部材２６との間に隙間γが形成される（図１１参照）。これにより、充放電時に生じたガスが該隙間γを通って外部に抜け易く、且つ、電解液が該隙間γを通ってターン部２３４の内側に位置する第二の部材２６の部位や、ターン部２３４の負極活物質層２１２に供給され易くなる。

また、本実施形態の蓄電素子１では、薄肉の部位（ターン部２３４）と厚肉の部位（他の部位（本実施形態の例では、平坦部２３３））とが形成された折り返し部２３の間において、Ｘ軸方向から見て第二の部材２６の端縁がターン部（薄肉の部位）２３４と重なる位置にあることで（例えば、図１１参照）、第二の部材２６において、厚肉の部位（平坦部２３３）に圧迫（挟持）されている部位の端部位置、即ち、折り返し部２３の厚肉の部位（平坦部２３３）と薄肉の部位（ターン部２３４）との境界位置に僅かな段差が生じる（図１１の符号β参照）。これにより、折り返し部２３の間での第二の部材２６の位置ずれが効果的に抑えられる。尚、図１１の部分拡大図は、境界位置の段差を強調して模式的に表している。

この場合、Ｘ軸方向から見て、第二の部材２６のうち薄肉の部位（本実施形態の例ではターン部２３４）と重なる位置にある部位の厚みＴ１は、第二の部材２６のうち厚肉の部位（本実施形態の例では平坦部２３３）に圧迫されている部位の厚みＴ２よりも大きいとよい。これにより、折り返し部２３の間での第二の部材２６の位置ずれがより効果的に抑えられる。

また、本実施形態の蓄電素子１では、電極体２は、Ｘ軸方向（第二の部材２６の法線方向）から見て、負極２１の長尺方向におけるターン部２３４の端部位置（即ち、本実施形態の例では、薄肉の部位の端部位置）と重なる領域α（図１４参照）がＸ軸方向の両側から押圧された状態でケース３に収容されている。このため、第二の部材２６において、折り返し部２３の厚肉の部位（平坦部２３３）によって圧迫（挟持）されている部位の端部位置により大きな力が加わり、その結果、折り返し部２３の間での第二の部材２６の位置ずれがより確実に抑えられる。

ターン部２３４において第二の部材２６に対向するように金属箔２１１が露出していると、金属箔２１１において電流集中に伴うデンドライトの発生及びその成長等が生じ易い。そこで、本実施形態の蓄電素子１では、負極２１が、ターン部２３４に相当する領域に、金属箔２１１と、該金属箔２１１における第二の部材２５側（折り返し部２３の内側）を向いた面に重ねられる負極活物質層２１２と、を有している、即ち、金属箔２１１の第二の部材２６側を向いた面を負極活物質層２１２で覆うことで、前記電流集中を抑制し、これにより、金属箔２１１での前記デンドライトの発生及びその成長等を抑えている。

より詳細には、本実施形態の蓄電素子１では、ターン部２３４と第二の部材２６との間に隙間γがあるため（図１１参照）、第二の部材２６に含まれる正極２２の充放電に伴う膨張収縮によって第二の部材２６がターン部２３４の奥に向けて（図１１における上側に向けて）伸びたり移動したりする可能性がある。このため、第二の部材２６がターン部２３４の金属箔２１１に近づき、電流集中に伴うデンドライトの発生及びその成長等の新たな課題が発生し得る。しかし、本実施形態のターン部２３４のように、金属箔２１１の第二の部材２６側を向いた面を負極活物質層２１２で覆うことで、前記電流集中を抑制し、これにより、金属箔２１１での前記デンドライトの発生及びその成長を抑えている。さらには、本実施形態のターン部２３４において、金属箔２１１に重ねられる負極活物質層２１２によって隙間γを小さくすることで、第二の部材２６の伸びや移動をも抑えられる。

本実施形態の負極２１のように、ターン部２３４に負極活物質層２１２が配置されると、蓄電素子１の充放電に伴って該負極活物質層２１２が膨張収縮することで該膨張収縮に伴う応力がターン部２３４において発生する。そこで、本実施形態の蓄電素子１では、負極２１の長尺方向（長尺な負極２１に沿った方向）において、負極活物質層２１２のターン部（薄肉の部位）２３４に相当する部位の密度を、他の部位（本実施形態の例では、平坦部２３３）の密度より高くしている。このように、ターン部２３４の負極活物質層２１２の密度を高くして電解液の液浸透性を低下させることで前記充放電に伴う負極活物質層２１２の膨張収縮量を抑えることができる。これにより、本実施形態の蓄電素子１では、ターン部２３４での前記膨張収縮に伴う応力の発生を抑えることができる。

また、上記のように、ターン部２３４の負極活物質層２１２の密度を平坦部２３３の負極活物質層２１２の密度より高くする場合、本実施形態の蓄電素子１のように、負極活物質層２１２におけるバインダーをポリフッ化ビニリデンとすることが好ましい。これは、バインダーにポリフッ化ビニリデンを用いることで、負極活物質層２１２と金属箔２１１との結着力が高まり、これにより、負極活物質層２１２の剥がれが防がれ、その結果、電極体２において負極活物資層２１２の剥がれに起因する電流集中が生じ難くなるからである。

尚、ターン部２３４の負極活物質層２１２の密度を平坦部２３３の負極活物質層２１２の密度より高くしない場合には、負極活物質層２１２のバインダーに、カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＳＢＲ）－スチレンブタジエンコポリマー（ＣＭＣ）を用いることが好ましい。これは、バインダーをＳＢＲ－ＣＭＣとすることで、ターン部２３４の負極活物質層２１２の密度を平坦部２３３の負極活物質層２１２の密度より高くしなくても、負極活物質層２１２と金属箔２１１との結着力の低下が生じず、これにより、負極活物質層２１２の剥がれに起因する電流集中が生じ難いからである。

また、本実施形態の蓄電素子１において、ターン部２３４では、金属箔２１１の内側の負極活物質層２１２がＺ軸方向の全域に配置され、ケース３内には、電解液（余剰電解液：セパレータ２５が保持しきれずにケース３の下部に溜まっている電解液）が貯留されている。このため、ターン部２３４が重力方向に延びる姿勢で蓄電素子１が配置される、即ち、蓄電素子１が外部端子４を上方に向けた状態で配置されると、ターン部２３４の下端で負極活物質層２１２に接触して電解液(余剰電解液)が該負極活物質層２１２によって吸い上げられる。これにより、電解液が浸透し難いターン部２３４の内周側の負極活物質層２１２に対して電解液が好適に供給される。

尚、本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。

上記実施形態の折り返し部２３では、薄肉の部位（折り返し部２３の内側の面の一部が他の部位より外側の面に向けて凹んでいる部位）が負極２１の長尺方向においてターン部２３４の全域に設けられているが、この構成に限定されない。薄肉の部位は、負極２１の長尺方向においてターン部２３４の一部に設けられていてもよい。かかる構成によれば、ターン部２３４において生じる応力が抑えられる。

また、上記実施形態のターン部２３４では、金属箔２１１の両面の負極活物質層２１２が、平坦部２３３の負極活物質層２１２より薄いが、この構成に限定されない。例えば、ターン部２３４において、金属箔２１１より内側の負極活物質層２１２のみが、平坦部２３３の負極活物質層２１２より薄くてもよい。

かかる構成によっても、負極２１（第一の部材）において、折り返し部２３のターン部２３４が、他の部位（平坦部２３３）より薄肉となる、即ち、金属箔２１１の両面の負極活物質層２１２が平坦部２３３の負極活物質層２１２と同じ厚さ寸法である場合に比べて薄肉となるため、ターン部２３４において生じる応力が抑えられる。

また、かかる構成によっても、ターン部２３４の内側の負極活物質層２１２が平坦部２３３の負極活物質層２１２より薄いため、ターン部２３４において負極２１と第二の部材２６との間に隙間γが形成される。これにより、充放電時に生じたガスが該隙間を通って外部に抜け易く、且つ、電解液が該隙間を通ってターン部２３４の内側に位置する第二の部材２６の部位や、ターン部２３４の負極活物質層２１２に供給され易くなる。

上記実施形態の電極体２では、第二の部材２６のターン部２３４側の端縁がターン部２３４の内側面に当接しているが、この構成に限定されない。第二の部材２６のターン部２３４側の端縁は、ターン部２３４の内側面と接触していなくてもよい。

上記実施形態の負極２１（折り返し部２３）では、平坦部２３３とターン部２３４との境界が段差形状であるが、この構成に限定されない。例えば、図１５や図１６に示すように、ターン部２３４は、平坦部２３３とターン部２３４との境界から厚さ寸法が漸減する構成であってもよい。この場合、負極２１の長尺方向において、折り返し部２３の厚さ寸法が小さくなり始める位置（薄肉端部位置）が平坦部２３３とターン部２３４との境界位置である。

上記実施形態の蓄電素子１では、ケース３は、電極体２の全体をＸ軸方向に圧迫するが、この構成に限定されない。電極体２は、ケース３の内部において、少なくとも、Ｘ軸方向から見てターン部２３４の端部位置と重なる領域αがＸ軸方向の両側から押圧されていればよい（図１４参照）。この圧迫は、ケース３によって行われてもよく、ケース３の内部に配置される部材によって行われてもよい。

例えば、ケース３にエンボス加工が施される等により、ケース３の内面から電極体２に向かって突出する凸部が形成され、当該凸部により電極体２を圧迫してもよい。また、ケース３に収容される絶縁部材６のうち、電極体２を圧迫したい部分に対応する領域の厚みを大きくすることにより、電極体２を圧迫してもよい。さらに、電極体２の外周に絶縁テープを貼りつけることにより電極体２を圧迫してもよい。この場合、電極体２の外周寸法が、絶縁テープを貼りつける前よりも絶縁テープを貼りつけた後のほうが小さくなるように絶縁テープを貼りつけるとよい。

また、上記実施形態においては、蓄電素子が充放電可能な非水電解質二次電池（例えばリチウムイオン二次電池）として用いられる場合について説明したが、蓄電素子の種類や大きさ（容量）は任意である。また、上記実施形態において、蓄電素子の一例として、リチウムイオン二次電池について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタの蓄電素子にも適用可能である。

上記実施形態の蓄電素子（例えば電池）１は、例えば図１７及び図１８に示すような蓄電装置（蓄電素子が電池の場合は電池モジュール）１１に用いられてもよい。この蓄電装置１１は、複数の蓄電素子１と、蓄電素子１と隣接する複数の隣接部材１２と、複数の蓄電素子１及び複数の隣接部材１２をひとまとめに保持する保持部材１３と、異なる蓄電素子１の外部端子４同士を導通可能に接続するバスバ１４と、を備える。また、この蓄電装置１１は、複数の蓄電素子１と保持部材１３との間に配置されるインシュレータ１５等も備える。この蓄電装置１１では、本発明の技術が少なくとも一つの蓄電素子１に適用されていればよい。

保持部材１３は、Ｘ軸方向に隣接部材１２を介して並ぶ複数の蓄電素子１をＸ軸方向の両側から挟み込む一対の終端部材１３１と、一対の終端部材１３１を連結する連結部材１３２と、を有する。この保持部材１３は、各蓄電素子１において少なくとも電極体２の所定領域がＸ軸方向の両側からケース３を介して押圧（圧迫）されるように複数の蓄電素子１を保持する。ここで、電極体２の所定領域とは、Ｘ軸方向から見て、各折り返し部２３の薄肉の部位（上記実施形態の例ではターン部２３４）の端部を含む領域（詳しくは、負極２１の長尺方向において折り返し部２３の厚さ寸法が小さくなり始める位置と重なる領域、換言すると、ターン部（薄肉の部位）２３４と厚肉の部位（折り返し部２３における薄肉の部位以外の部位）との境界を含む領域）αである（図１４参照）。

この電極体２への押圧（圧迫）は、保持部材１３によって複数の蓄電素子１が保持されることで加えられる構成でもよく、隣接部材１２が蓄電素子１間に配置された状態で蓄電素子１と隣接部材１２とが一緒に保持部材１３に保持されることで加えられる構成でもよい。

かかる構成によっても、複数の蓄電素子１のそれぞれの負極２１の各折り返し部２３の間に挟まれる第二の部材２６において、厚肉の部位に圧迫（挟持）されている部位の端部位置、即ち、折り返し部２３の厚肉の部位と薄肉の部位との境界位置に僅かな段差が生じ、これにより、各折り返し部２３の間での第二の部材２６の位置ずれが効果的に抑えられる。

１…蓄電素子、２…電極体、２１…負極（電極）、２１Ａ…山折り線、２１Ｂ…谷折り線、２１０…折り返されたときにターン部となる領域、２１１…金属箔、２１２…負極活物質層、２２…正極（電極）、２２１…金属箔、２２２…正極活物質層、２２３…正極本体、２２４…正極タブ、２３…折り返し部、２３Ａ…第一折り返し部、２３Ｂ…第二折り返し部、２３１、２３１Ａ、２３１Ｂ…第一の面、２３２、２３２Ａ、２３２Ｂ…第二の面、２３３、２３３Ａ、２３３Ｂ…平坦部、２３３１…平坦部本体、２３３２…負極タブ、２３４、２３４Ａ、２３４Ｂ…ターン部、２５…セパレータ、２６…第二の部材、３…ケース、３１…ケース本体、３１０…開口周縁部、３１１…閉塞部、３１２…胴部、３１３…長壁部、３１４…短壁部、３２…蓋板、４…外部端子、５…集電体、６…絶縁部材、１１…蓄電装置、１２…隣接部材、１３…保持部材、１３１…終端部材、１３２…連結部材、１４…バスバ、１５…インシュレータ、１００…電池、１０１…負極電極板（長尺電極板）、１０２…銅箔、１０３…負極活物質層、１０４…正極電極板（短冊状電極板）、１０５…アルミニウム箔、１０６…正極活物質層、１０７…セパレータ、１０８…一体長尺物、Ｓ…旋回軸、α…ターン部の端部位置と重なる領域、β…セパレータの段差、γ…隙間

Claims

第一の電極を含む長尺な第一の部材と、前記第一の電極と極性が異なる第二の電極を含む第二の部材と、を有する電極体を備え、
前記第一の部材は、第一の面及び該第一の面と反対側の第二の面をそれぞれ有し且つ前記第一の面同士を対向させた一対の平坦部と、前記一対の平坦部の端部同士を接続するターン部と、を含む折り返し部を少なくとも一つ有し、
前記第二の部材は、前記一対の平坦部の間に配置され、
前記ターン部は、前記折り返し部の内側の面の一部が他の部位より外側の面に向けて凹むとともに、該折り返し部の外側の面の一部が他の部位より内側に向けて凹んでいる薄肉の部位を有し、
該ターン部と前記第二の部材との間に隙間が形成され、
前記第一の電極は、前記折り返し部に相当する領域において、金属箔と、該金属箔における内側の面及び外側の面のそれぞれに重ねられる活物質層と、を有し、
前記第一の電極における前記金属箔の前記内側の面に重ねられる活物質層において、前記薄肉の部位に相当する領域の活物質層が、前記薄肉の部位以外の部位に相当する領域の活物質層より薄く、且つ、前記第一の電極における前記金属箔の前記外側の面に重ねられる活物質層において、前記薄肉の部位に相当する領域の活物質層が、前記薄肉の部位以外の部位に相当する領域の活物質層より薄い、蓄電素子。
第一の電極を含む長尺な第一の部材と、前記第一の電極と極性が異なる第二の電極を含む第二の部材と、を有する電極体と、該電極体を収容するケースと、を備え、
前記第一の部材は、第一の面及び該第一の面と反対側の第二の面をそれぞれ有し且つ前記第一の面同士を対向させた一対の平坦部と、前記一対の平坦部の端部同士を接続するターン部と、を含む折り返し部を少なくとも一つ有し、
前記第二の部材は、前記一対の平坦部の間に配置され、
前記ターン部は、前記折り返し部の内側の面の一部が他の部位より外側の面に向けて凹んでいる薄肉の部位を有し、
該ターン部と前記第二の部材との間に隙間が形成され、
前記電極体は、前記ケースに収容されることで該ケースによって前記一対の平坦部が並ぶ方向の両側から押圧され、
前記第二の部材は、該第二の部材のうち前記一対の平坦部が並ぶ方向から見て前記薄肉の部位と重なる位置にある部位と、前記平坦部に挟持される部位と、を有し、
前記第二の部材のうち前記薄肉の部位と重なる位置にある部位の前記一対の平坦部が並ぶ方向における厚みは、前記第二の部材のうち前記平坦部に挟持されている部位の前記一対の平坦部が並ぶ方向における厚みよりも大きい、蓄電素子。
前記第二の部材のターン部側の端縁は、前記一対の平坦部が並ぶ方向から見て、前記薄肉の部位と重なる位置にある、請求項１又は２に記載の蓄電素子。
前記電極体を収容するケースを備え、
前記電極体は、前記一対の平坦部が並ぶ方向から見て、前記薄肉の部位の端部位置と重なる領域が、前記一対の平坦部が並ぶ方向の両側から押圧された状態で前記ケースに収容されている、請求項１又は２に記載の蓄電素子。
前記第一の電極は、前記薄肉の部位に相当する領域に、金属箔と、該金属箔における内側の面に重ねられる活物質層と、を有する、請求項２～４のいずれか１項に記載の蓄電素子。
電解液と、
前記電解液及び前記電極体を収容するケースと、を備え、
前記第一の電極は、前記折り返し部において長尺方向の全域に配置される前記金属箔と、該金属箔の前記折り返し部の内側を向いた面の前記長尺方向の全域に重ねられる前記活物質層と、を有し、
前記長尺方向において、前記活物質層の前記薄肉の部位に相当する部位の密度は、他の部位の密度より高い、請求項５に記載の蓄電素子。