JP7056560B2 - 蓄電素子及び蓄電素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、極板及びセパレータが巻回されて形成された電極体を備える蓄電素子及び蓄電素子の製造方法に関する。
従来、電気自動車（ＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの動力源として、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子が用いられている。このような蓄電素子は、一般的に、電極体及び電極体に接続された集電体等を備えている。
蓄電素子が備える電極体は、例えば、正極板及び負極板の間にセパレータが挟み込まれるように層状に配置されたものが巻回されて形成されている。このように、正極板と負極板とが対向して配置された構造を有する電極体内に、例えば金属片または金属粉などの導電性の異物（コンタミネーション）が侵入した場合、微短絡等の不具合が生じる可能性があり、微短絡等の不具合が生じると歩留りが悪くなる。
例えば特許文献１に開示された蓄電素子では、端部が熱融着によって接合されたことで袋状になった２枚のセパレータに、正極部材の塗工部を含む部分が収納された状態で、正極部材が、負極部材に積層されている。そのため、負極部材の金属層を集電体に超音波接合する場合などに生ずるコンタミネーションが、２枚のセパレータ間に侵入して、正極部材に接触することを防ぐことができる。
特開２０１４－２０７２０５号公報
上記従来の技術では、例えば、電極体を製造する工程において、２枚のセパレータの端部を熱融着するための各種の作業が必要であり、このことは、電極体の製造効率の向上を阻害する要因ともなる。
本発明は、上記従来の課題を考慮し、極板及びセパレータが巻回されて形成された電極体を備える蓄電素子であって、信頼性の高い蓄電素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、極板及びセパレータが巻回軸周りに巻回されて形成された電極体を備える蓄電素子であって、巻回された前記極板及び前記セパレータの最内周は、前記巻回軸の方向から見た場合、第一方向において対向する一対の湾曲部を有する扁平な形状であり、前記極板の前記最内周側の端縁は、前記一対の湾曲部のうちの一方の湾曲部または当該湾曲部の近傍の位置に配置されている。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子は、極板及びセパレータが巻回軸周りに巻回されて形成された電極体と、前記電極体と接合される集電体とを備える蓄電素子であって、巻回された前記極板及び前記セパレータの最内周は、前記巻回軸の方向から見た場合、第一方向において対向する一対の湾曲部を有する扁平な形状であり、前記電極体は、前記集電体と接合される部分である接合部を有し、前記極板の前記最内周側の端縁は、前記第一方向において、前記接合部と前記一対の湾曲部のうちの一方の湾曲部の頂点との間に配置されている。
本発明によれば、極板及びセパレータが巻回されて形成された電極体を備える蓄電素子であって、信頼性の高い蓄電素子及びその製造方法を提供することができる。
図１は、実施の形態に係る蓄電素子の外観を示す斜視図である。 図２は、実施の形態に係る蓄電素子の容器内に配置されている構成要素を示す斜視図である。 図３は、実施の形態に係る集電体の外観を示す斜視図である。 図４は、実施の形態に係る電極体の構成概要を示す斜視図である。 図５は、実施の形態に係る電極体を巻回軸の方向から見た場合の構成概要を示す図である。 図６は、実施の形態に係る電極体における負極板の巻き始め位置の一例を示す図である。 図７は、実施の形態に係る電極体における芯材の配置位置を示す図である。 図８は、実施の形態に係る電極体と集電体との接合作業の概要を示す図である。 図９は、実施の形態に係る電極体を製造する際の巻回工程の一部を示す図である。 図１０は、電極体における負極板の巻き始め位置の別の一例を示す図である。 図１１は、負極板の巻き始めの端縁と、電極体の接合部との位置関係の一例を示す図である。
本願発明者らは、上記従来の技術に関し、さらに以下の問題が生じ得ると考えた。例えば、２枚のセパレータの端部が接合された場合、２枚のセパレータの一方の端部は、他方の端部に拘束される。このように、２枚のセパレータが互いに拘束し合う状態で、電極体を製造した場合、電極体の形状に歪みが生じる場合がある。その結果、例えば、電極体の端部の、正極板または負極板の活物質未塗工部が積層された部分にずれが生じることがある。このことは、例えば、当該端部と集電体との接合強度または接合精度の低下を招き得る。
本発明は、上記従来の課題を考慮し、極板及びセパレータが巻回されて形成された電極体を備える蓄電素子であって、信頼性の高い蓄電素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、極板及びセパレータが巻回軸周りに巻回されて形成された電極体を備える蓄電素子であって、巻回された前記極板及び前記セパレータの最内周は、前記巻回軸の方向から見た場合、第一方向において対向する一対の湾曲部を有する扁平な形状であり、前記極板の前記最内周側の端縁は、前記一対の湾曲部のうちの一方の湾曲部または当該湾曲部の近傍の位置に配置されている。
この構成によれば、極板の巻き始めの端縁を含む部分（端部）は、その外側のセパレータを外側に押す。そのため、例えば、極板の端部によって、当該端部の外側のセパレータの浮き（皺の発生）が抑制される。つまり、当該端部よりも外側におけるセパレータの浮きが抑制される。その結果、コンタミネーションの、電極体の内部への侵入が抑制される、という効果が得られる。また、この効果は、極板の巻き始めの位置の工夫により得られるため、上記従来の技術のような、隣り合うセパレータ端部の熱融着等の作業は不要である。また、この効果を得るための別部材も不要である。
このように、本態様に係る蓄電素子は、極板及びセパレータが巻回されて形成された電極体を備える蓄電素子であって、信頼性の高い蓄電素子である。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子では、前記第一方向において、前記巻回軸から当該湾曲部の頂点までの距離をＬとした場合、前記極板の前記端縁は、前記第一方向において、前記頂点からＬ／４までの範囲に配置されているとしてもよい。
この構成では、例えば、湾曲部または湾曲部近傍の位置が、湾曲部の頂点からＬ／４までの範囲として規定される。つまり、極板の巻き始めの端縁がこの範囲内にあることで、極板の端部よりも外側におけるセパレータの浮きの抑制効果をより確実に得ることができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子はさらに、脚部を有する集電体を備え、前記電極体は、前記脚部と接合される部分である接合部を有し、前記極板の前記端縁は、前記第一方向において、前記接合部よりも当該湾曲部の頂点に近い位置に配置されているとしてもよい。
この構成によれば、蓄電素子の製造工程において行われる溶接またはかしめ等による接合作業は、例えば極板の端部が治具によって外側に押さえられた状態で行われる。そのため、接合作業においてコンタミネーションが発生した場合であっても、そのコンタミネーションの、電極体の内部への侵入は抑制される。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子において、前記電極体はさらに、前記最内周に接触して配置された扁平な形状の芯材を有するとしてもよい。
この構成によれば、極板の巻き始めの端縁が、最内周の内方に位置する芯材によって外側に押されるため、当該端縁を含む端部よりも外側におけるセパレータの浮きがより確実に抑制される。その結果、コンタミネーションの電極体の内部への侵入の抑制がより確実化される。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子において、前記極板は、負極板であり、前記電極体はさらに、前記負極板及び前記セパレータとともに巻回された正極板を有し、前記第一方向において、前記巻回軸から当該湾曲部の頂点までの距離をＬとした場合、前記負極板の前記端縁は、前記正極板の前記最内周側の端縁よりも、前記第一方向において当該湾曲部の頂点に近い位置に配置され、前記負極板の前記端縁と、前記正極板の前記端縁との距離は、Ｌ／２以上であるとしてもよい。
この構成によれば、負極板の巻き始めの端縁と、正極板の巻き始めの端縁との距離が比較的に長い。そのため、仮に、負極板の端部よりも外側において、セパレータの浮きが生じ、その浮きが生じた部分からコンタミネーションが侵入した場合であっても、コンタミネーションが正極板に到達し難い。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子の製造方法は、極板及びセパレータが巻回軸周りに巻回されて形成された電極体と、前記電極体と接合された集電体とを備える蓄電素子の製造方法であって、前記極板及び前記セパレータを巻回する巻回工程と、巻回された前記極板及び前記セパレータにおける最内周側の、前記極板の端部を、治具によって最内周側から押さえながら、前記電極体と集電体とを接合する接合工程を含む。
この製造方法によれば、溶接またはかしめ等による接合作業は、極板の端部が治具によって外側に押さえられた状態で行われる。つまり、電極体は、極板の端部よりも外側におけるセパレータの浮きが抑制された状態で、集電体と接合される。そのため、接合作業においてコンタミネーションが発生した場合であっても、そのコンタミネーションが電極体の内部に侵入する可能性は低い。従って、本態様に係る蓄電素子の製造方法によれば、極板及びセパレータが巻回されて形成された電極体を備える蓄電素子であって、信頼性の高い蓄電素子を製造することができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子は、極板及びセパレータが巻回軸周りに巻回されて形成された電極体と、前記電極体と接合される集電体とを備える蓄電素子であって、巻回された前記極板及び前記セパレータの最内周は、前記巻回軸の方向から見た場合、第一方向において対向する一対の湾曲部を有する扁平な形状であり、前記電極体は、前記集電体と接合される部分である接合部を有し、前記極板の前記最内周側の端縁は、前記第一方向において、前記接合部と前記一対の湾曲部のうちの一方の湾曲部の頂点との間に配置されている。
この構成によれば、巻回型の電極体における極板の最内周側の端縁の位置が、第一方向において接合部と離間した位置にある。つまり、セパレータの浮きが生じやすい位置である極板の端縁の位置と、コンタミネーションが生じやすい接合部の位置とが、第一方向においてずらされている、その結果、仮に、極板の端縁の付近においてセパレータの浮きが生じた場合であっても、その浮きが生じた部分からコンタミネーションが侵入する可能性が低減される。このように、極板の最内周側の端縁の位置を、接合部の位置との関係で規定することでも、信頼性の高い蓄電素子を得ることができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子はさらに、電極端子を備え、前記集電体は、前記電極端子と接続される端子接続部と、前記端子接続部から延設され、前記電極体の前記接合部と接合される脚部とを有し、前記極板の前記最内周側の端縁は、前記第一方向において、前記接合部と、前記一対の湾曲部のうちの、前記端子接続部側の湾曲部の頂点との間に配置されているとしてもよい。
ここで、蓄電素子は、その製造時及び使用時において、一般に、電極端子が配置された側を上方に向けた姿勢にされる場合が多い。蓄電素子がこの姿勢された場合、上記構成によれば、極板の最内周側の端縁は、接合部よりも上方に位置することとなる。つまり、極板の当該端縁の付近にセパレータの浮きが生じた場合であっても、その位置は、コンタミネーションが生じやすい接合部よりも上方である。従って、本態様の蓄電素子によれば、コンタミネーションの電極体の内部への侵入の可能性をより低減させることができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子において、前記極板の、前記接合部において前記集電体と接合された部分から前記端縁までの距離である突出距離は２ｍｍ以上であるとしてもよい。
この構成によれば、例えば、極板の最内周側の端縁が、接合部から上方に２ｍｍ以上離れた位置に配置される。つまり、極板の巻き始めの端縁がこの範囲内にあることで、当該端縁の付近におけるコンタミネーションの侵入抑制効果をより確実に得ることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る蓄電素子について説明する。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。
また、以下で説明する実施の形態は、本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造工程の順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
まず、図１～図３を用いて、実施の形態に係る蓄電素子１０の全般的な説明を行う。
図１は、実施の形態に係る蓄電素子１０の外観を示す斜視図である。図２は、実施の形態に係る蓄電素子１０の容器１００内に配置されている構成要素を示す斜視図である。具体的には、図２は、蓄電素子１０を、容器１００の蓋体１１０と本体１１１とを分離して示す斜視図である。図３は、実施の形態に係る集電体１２０の外観を示す斜視図である。
蓄電素子１０は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる二次電池であり、より具体的には、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池である。例えば、蓄電素子１０は、ＥＶ、ＨＥＶ、またはＰＨＥＶ等の各種自動車に適用される。なお、蓄電素子１０は、非水電解質二次電池には限定されず、非水電解質二次電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよい。また、蓄電素子１０は、使用者が充電をしなくても蓄えられている電気を使用できる一次電池であってもよい。
図１に示すように、蓄電素子１０は、容器１００と、負極端子２００と、正極端子３００とを備えている。また、図２に示すように、容器１００の内部には、負極側の集電体１２０と、正極側の集電体１３０と、電極体４００とが収容されている。
なお、蓄電素子１０は、上記の構成要素の他、集電体１２０及び１３０の側方に配置されるスペーサ、容器１００内の圧力が上昇したときに当該圧力を開放するためのガス排出弁、または、電極体４００等を包み込む絶縁フィルムなどを備えてもよい。また、蓄電素子１０の容器１００の内部には電解液（非水電解質）などの液体が封入されているが、当該液体の図示は省略する。なお、容器１００に封入される電解液としては、蓄電素子１０の性能を損なうものでなければその種類に特に制限はなく、様々なものを選択することができる。
容器１００は、矩形筒状で底を備える本体１１１と、本体１１１の開口を閉塞する板状部材である蓋体１１０とで構成されている。また、容器１００は、電極体４００等を内部に収容後、蓋体１１０と本体１１１とが溶接等されることにより、内部を密封する構造を有している。なお、蓋体１１０及び本体１１１の材質は、特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウム、またはアルミニウム合金など溶接可能な金属であるのが好ましい。
電極体４００は、正極板と負極板とセパレータとを備え、電気を蓄えることができる部材である。電極体４００の詳細な構成については、図４等を用いて後述する。
負極端子２００は、集電体１２０を介して電極体４００の負極と電気的に接続された電極端子である。正極端子３００は、集電体１３０を介して電極体４００の正極と電気的に接続された電極端子である。負極端子２００及び正極端子３００は、電極体４００の上方に配置された蓋体１１０に、絶縁性を有するガスケット（図示せず）を介して取り付けられている。
集電体１２０は、電極体４００の負極と容器１００の本体１１１の壁面との間に配置され、負極端子２００と電極体４００の負極とに電気的に接続される導電性と剛性とを備えた部材である。
集電体１３０は、電極体４００の正極と容器１００の本体１１１の壁面との間に配置され、正極端子３００と電極体４００の正極とに電気的に接続される導電性と剛性とを備えた部材である。
具体的には、集電体１２０及び１３０は、蓋体１１０に固定されている。また、集電体１２０は、電極体４００の負極側端部に接合され、集電体１３０は、電極体４００の正極側端部に接合されている。電極体４００は、容器１００の内部において、集電体１２０及び１３０により、蓋体１１０から吊り下げられた状態で保持される。
本実施の形態では、集電体１２０及び１３０のそれぞれは、電極体４００と、超音波接合によって接合されている。そのため、図１に示すように、集電体１２０には溶接痕１２０ａが形成され、集電体１３０には溶接痕１３０ａが形成されている。
ここで、本実施の形態では、集電体１２０及び集電体１３０の形状および取り付け構造等は、実質的に同一である。そのため、以下では、主として、負極側の集電体１２０及びその周辺に関する事項について説明し、正極側の集電体１３０側の部材に関する事項についてはその説明を適宜省略する。
本実施の形態における集電体１２０は、図３に示すように、電極体４００と接合される脚部１２２を有している。より具体的には、集電体１２０は、電極体４００の負極側端部を両側から挟むように配置された一対の脚部１２２を有する。一対の脚部１２２は、集電体１２０が有する端子接続部１２１の端部から延設された長尺状の部分である。端子接続部１２１は、負極端子２００と接続される部分である。例えば、負極端子２００に設けられたリベットが、端子接続部１２１の貫通孔１２１ａを貫通した状態でかしめられることで、負極端子２００と集電体１２０とが接続される。また、一対の脚部１２２は、電極体４００の負極側端部と接合される。これにより、集電体１２０は、電極体４００の負極に電気的に接続される。
なお、電極体４００の負極側端部は、電極体４００が有する負極板の露出した金属箔（活物質未塗工部４２１ａ）の層によって形成されている。また、電極体４００は、集電体１２０の脚部１２２と接合された部分である接合部４２５（図２参照）を有している。より詳細には、電極体４００は、集電体１２０の一対の脚部１２２それぞれに対応する位置に、接合部４２５を有している。接合部４２５は、電極体４００の一部であって、例えば、集電体１２０における接合痕（本実施の形態では溶接痕１２０ａ）に対向する部分である。
次に、以上のように構成された蓄電素子１０が備える電極体４００の構成について、図４を用いて説明する。図４は、実施の形態に係る電極体４００の構成概要を示す斜視図である。なお、図４では、積層されて巻回された極板等の要素を一部展開して図示している。また、図４において符号Ｗが付された一点鎖線は、電極体４００の巻回軸を表している。巻回軸Ｗは、極板等を巻回する際の中心軸となる仮想的な軸であり、本実施の形態では、電極体４００の中心を通るＸ軸に平行な直線である。つまり、本実施の形態において、「巻回軸Ｗの方向」は、「Ｘ軸方向」と同義である。
電極体４００は、極板及びセパレータが巻回軸Ｗ周りに巻回されて形成された電極体の一例である。本実施の形態では、図４に示すように、電極体４００は、セパレータ４５０と、負極板４２０と、セパレータ４３０と、正極板４１０とがこの順に積層され、かつ、巻回されることで形成されている。また、図４に示すように、電極体４００は、巻回軸Ｗと直交する方向（本実施の形態ではＺ軸方向）に扁平な形状である。つまり、電極体４００は、巻回軸Ｗの方向から見た場合に、全体として長円形状であり、長円形状の直線部分が平坦な形状となり、長円形状の曲線部分が湾曲した形状となる。このため、電極体４００は、対向する一対の湾曲部（巻回軸Ｗを挟んでＹ軸方向で対向する部分）と、一対の湾曲部の間の部分である一対の中間部（巻回軸Ｗを挟んでＺ軸方向で対向する部分）とを有している。
本実施の形態において、正極板４１０は、アルミニウムからなる長尺帯状の金属箔（正極基材層４１１）の表面に、正極活物質を含む正極合材層４１４が形成されたものである。負極板４２０は、銅からなる長尺帯状の金属箔（負極基材層４２１）の表面に、負極活物質を含む負極合材層４２４が形成されたものである。正極活物質及び負極活物質の例については後述する。
また、本実施の形態では、セパレータ４３０及び４５０は、樹脂からなる微多孔性のシートを基材として有している。
このように構成された電極体４００において、より具体的には、正極板４１０と負極板４２０とは、セパレータ４３０または４５０を介し、巻回軸Ｗの方向に互いにずらして巻回されている。そして、正極板４１０及び負極板４２０は、それぞれのずらされた方向の端部に、基材層の、活物質が塗工されていない部分である活物質未塗工部を有する。
具体的には、正極板４１０は、巻回軸Ｗの方向の一端（図４ではＸ軸方向プラス側の端部）に、正極活物質が塗工されていない活物質未塗工部４１１ａを有している。また、負極板４２０は、巻回軸Ｗの方向の他端（図４ではＸ軸方向マイナス側の端部）に、負極活物質が塗工されていない活物質未塗工部４２１ａを有している。
つまり、正極板４１０の露出した金属箔（活物質未塗工部４１１ａ）の層によって正極側端部が形成され、負極板４２０の露出した金属箔（活物質未塗工部４２１ａ）の層によって負極側端部が形成されている。正極側端部は集電体１３０と接合され、負極側端部は集電体１２０と接合される。本実施の形態では、これら接合の手法として、上述のように、超音波接合が採用されている。なお、電極体４００と集電体１２０及び１３０との接合の手法として、超音波接合以外に、抵抗溶接またはクリンチ接合等の手法が採用されてもよい。
以上のように構成された電極体４００において、極板（本実施の形態では負極板４２０）の巻き始めの端縁が、最内周における湾曲部またはその近傍に位置しており、これにより、電極体４００では、当該端縁を含む端部よりも外側におけるセパレータの浮きが抑制されている。この構造について、以下、図５～図７を用いて説明する。
図５は、実施の形態に係る電極体４００を巻回軸Ｗの方向から見た場合の構成概要を示す図である。図６は、実施の形態に係る電極体４００における負極板４２０の巻き始め位置の一例を示す図である。図７は、実施の形態に係る電極体４００における芯材４８０の配置位置を示す図である。なお、図６では、芯材４８０の図示は省略されている。また、図７では、負極板４２０については、端縁４２０ａを含む巻き始めの一部のみを図示し、セパレータ（４３０、４５０）及び正極板４１０については、図示が省略されている。
図５に示すように、電極体４００は巻回軸Ｗの方向から見た場合にＺ軸方向に扁平な長円形状である。このような形状は、負極板４２０等の、電極体４００を構成する要素（以下、「電極体要素」ともいう。）を巻回した後に、Ｚ軸方向に圧縮されることで形成される。また、本実施の形態では、電極体４００は芯材４８０を有しており、芯材４８０も、Ｚ軸方向に扁平な形状を有している。
芯材４８０は、巻回された電極体要素の最内周４０１の内方に配置された絶縁性の部材である。具体的には、芯材４８０は、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどの樹脂製の巻芯である。つまり、芯材４８０の周りに、電極体要素である、セパレータ４３０、負極板４２０、セパレータ４５０、及び正極板４１０が巻回されることで、電極体４００が形成される。
なお、芯材４８０は、樹脂シートを巻くことにより形成される巻シート輪であってもよいし、扁平な形状に成形された部材であってもよい。また、芯材４８０は、一体に形成された部材であってもよいし、複数の部材から形成されていてもよい。また、芯材４８０の材料は特に限定されない。例えば、最も芯材４８０に近い位置にセパレータを配置する場合、及び、正極または負極のいずれか一方の電位を芯材４８０に落とす場合は、導電性の材料を用いてもよい。また、芯材４８０は、電極体４００に必須の要素ではなく、芯材４８０なしで、セパレータ４３０及び負極板４２０等の電極体要素を巻回することで、電極体４００が形成されてもよい。
このように、芯材４８０を中心として巻回された負極板４２０等の電極体要素の最内周４０１は、電極体４００と同じく、Ｚ軸方向に扁平な形状（例えば、円形をＺ軸方向に圧縮した形状）である。本実施の形態では、電極体４００の最内周４０１は、図６に示すように、１回以上巻かれたセパレータ４３０の内面によって形成されている。
具体的には、巻回された極板（４１０、４２０）及びセパレータ（４３０、４５０）の最内周４０１は、巻回軸Ｗの方向から見た場合、第一方向において対向する一対の湾曲部４０２ａ及び４０２ｂを有する扁平な形状である。なお、本実施の形態では、巻回軸Ｗの方向はＸ軸方向であり、第一方向はＹ軸方向である。
また、負極板４２０の最内周４０１側の端縁４２０ａ、つまり、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａは、湾曲部４０２ａまたは湾曲部４０２ａの近傍の位置に配置されている。言い換えると、負極板４２０の端縁４２０ａは、湾曲部４０２ａ、または、中間部（一対の湾曲部（４０２ａ、４０２ｂ）の間の部分）の長手方向の端部に配置されている。
ここで、最内周４０１における湾曲部（４０２ａ、４０２ｂ）及び湾曲部（４０２ａ、４０２ｂ）の外側に位置する電極体要素は、折り返すように曲げられた部分であり、巻回される際に、巻回軸Ｗから離れる方向に比較的に大きな力がかかる部分である。言い換えると、セパレータ４３０及び負極板４２０等の、隣り合う電極体要素同士が密着しやすい部分である。
そのため、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａが、湾曲部４０２ａまたはその近傍の位置に配置されていることで、例えば、端縁４２０ａを含む部分（負極板４２０の端部）が、当該端部の外側のセパレータ４５０を外側に押す。これにより、負極板４２０の端部の外側におけるセパレータ４５０の浮き（皺の発生）が抑制される。つまり、負極板４２０の端部の外側における、セパレータ４５０とセパレータ４３０との隙間の発生が抑制される。その結果、正極板４１０の端縁４１０ａ付近における隙間の発生が抑制される。これにより、コンタミネーションの電極体４００の内部への侵入が抑制され、その結果、例えば、コンタミネーションが正極板４１０に接触する可能性が低減される。すなわち、コンタミネーションが正極板４１０に接触することによる不具合（内部短絡等）の発生が抑制される。
さらに、電極体４００は、その製造工程において、上述のように、Ｚ軸方向に圧縮され、このときの圧縮力は、最内周４０１における湾曲部（４０２ａ、４０２ｂ）を、外側に移動させるように作用する。この場合、負極板４２０の端部は、当該端部の内側のセパレータ４３０によって外側に押される。このことによっても、負極板４２０の端部よりも外側におけるセパレータ４５０の浮きが抑制され、これにより、コンタミネーションの電極体４００の内部への侵入が抑制される。
ここで、本実施の形態では、上記の、コンタミネーションの電極体４００の内部への侵入抑制効果を、負極板４２０の巻き始めの位置の工夫により得ている。従って、例えば隣り合うセパレータの端縁を溶着することで塞ぐような煩雑な作業は不要である。また、当該効果を得るための別部材も不要である。
このように、本実施の形態に係る蓄電素子１０は、電極体４００を備え、電極体４００は、構造上の工夫により、コンタミネーションの内部への侵入が抑制されている。従って、蓄電素子１０は、信頼性の高い蓄電素子である。
なお、本実施の形態では、Ｙ軸方向において巻回軸Ｗから湾曲部４０２ａの頂点（Ｙ軸方向における、湾曲部４０２ａの、巻回軸Ｗからの最遠点）Ｐまでの距離をＬとした場合、負極板４２０の端縁４２０ａは、Ｙ軸方向において、頂点ＰからＬ／４までの範囲に配置されている。つまり、湾曲部４０２ａの頂点Ｐから負極板４２０の端縁４２０ａまでの距離をＤとした場合、Ｄ≦Ｌ／４である。
このように、本実施の形態では、湾曲部４０２ａまたは湾曲部４０２ａ近傍の位置が、湾曲部４０２ａの頂点ＰからＬ／４までの範囲として規定される。すなわち、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａがこの範囲内にあることで、端縁４２０ａを含む端部よりも外側におけるセパレータ４５０の浮きを抑制する効果をより確実に得ることができる。
具体的には、本願発明者らは、負極板４２０の端縁４２０ａの位置が互いに異なる蓄電素子について、コンタミネーション（銅の小片）の内部への侵入抑制効果を検証するための検証実験を行った。
より詳細には、負極板４２０の端縁４２０ａの位置が、（ａ）Ｙ軸方向において巻回軸Ｗと略一致する場合、（ｂ）Ｙ軸方向において巻回軸Ｗから湾曲部４０２ａの頂点Ｐに近づく方向にＬ１だけ離れた場合、（ｃ）Ｙ軸方向において巻回軸Ｗから湾曲部４０２ａの頂点Ｐに近づく方向にＬ２（＞Ｌ１）だけ離れた場合、の３つの場合について検証実験が行われた。
また、この検証実験では、複数のコンタミネーション（銅の小片）を容器１００内に封入し、かつ、電極体４００の負極側端部が上向きになる姿勢で所定の期間放置した。その後、蓄電素子を解体し、最内周４０１に近い位置において内部に侵入したコンタミネーションの数を計測した。
上記検証実験の結果、計測されたコンタミネーションの数は、（ａ）の場合が最も多く、（ｂ）の場合、（ｃ）の場合の順に少なくなった。これは、上述のように、負極板４２０の端縁４２０ａが、最内周４０１の湾曲部（本実施の形態では、湾曲部４０２ａ）の頂点Ｐに近いほど、端縁４２０ａが外側に押さえられる効果が高いためと考えられる。
本願発明者らは、上記検証実験の結果等に基づいて、負極板４２０の端縁４２０ａが、Ｙ軸方向において頂点ＰからＬ／４までの範囲に配置されていることで、コンタミネーションの電極体４００の内部への侵入抑制効果を実質的に得ることができる、との結論を得た。
なお、負極板４２０の端縁４２０ａの、Ｙ軸方向における位置は、湾曲部４０２ａの頂点ＰからＬ／６までの範囲であることがより好ましい。
また、本実施の形態では、電極体４００が有する芯材４８０が、コンタミネーションの電極体４００の内部への侵入抑制効果の向上に寄与している。
具体的には、本実施の形態において、電極体４００は、例えば図７に示すように、最内周４０１に接触して配置された扁平な形状の芯材４８０を有する。なお、図７では、電極体４００における最内周４０１と、芯材４８０との位置関係を明確にするために、芯材４８０と最内周４０１との間に隙間を設けて図示している。しかし、実際には、芯材４８０は、最内周４０１における湾曲部４０２ａ及び４０２ｂに挟まれた状態で配置されており、外周のほぼ全域において、最内周４０１と接触した状態である。
このように、電極体４００において、最内周４０１の内方に芯材４８０が配置されている場合、芯材４８０は、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａを外側に押す部材としても機能する。この機能は、例えば、電極体４００の形を整えるために、電極体４００がＺ軸方向に圧縮された場合に顕著となる。これにより、端縁４２０ａよりも外側におけるセパレータ４５０の浮きが、より確実に抑制される。その結果、コンタミネーションの電極体４００の内部への侵入の抑制がより確実化される。
なお、例えば、電極体の端部（負極側端部または正極側端部）の開口が閉じられた状態で当該端部と集電体とが接合される場合や、芯材が中実で硬い場合は、極板の最内周側の端縁の近傍におけるセパレータの浮きの問題は生じ難いと言える。従って、本実施の形態に係る電極体４００の構成は、巻回中心に、外部に開口する空洞を有する巻回型の電極体に有用である。
また、本実施の形態に係る電極体４００では、図６に示すように、負極板４２０の端縁４２０ａは、正極板４１０の、最内周４０１側の端縁４１０ａよりも、Ｙ軸方向において湾曲部４０２ａの頂点Ｐに近い位置に配置されている。また、負極板４２０の端縁４２０ａと正極板４１０の端縁４１０ａとの距離Ｓは、Ｌ／２以上である。
この構成によれば、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａと、正極板４１０の巻き始めの端縁４１０ａとの距離が比較的に長い。そのため、仮に、負極板４２０の端部の外側のセパレータ４５０と４３０との間に隙間が生じ、その隙間にコンタミネーションが侵入した場合であっても、コンタミネーションが正極板４１０に到達し難い。すなわち、コンタミネーションが正極板４１０に接触することによる不具合（内部短絡等）の発生が抑制される。
以上の構成を有する電極体４００は、上述のように、集電体１２０及び１３０に接合されるが、この接合作業は、電極体４００の一部を治具で押さえながら行われる。この接合作業に関する事項を、図８を用いて説明する。
図８は、実施の形態に係る電極体４００と集電体１２０との接合作業の概要を示す図である。図８に示すように、本実施の形態に係る蓄電素子１０は、脚部１２２を有する集電体１２０を備え、電極体４００は、脚部１２２と接合される部分である接合部４２５を有する。具体的には、接合部４２５は、図８に示す網掛け部分に含まれる負極板４２０の端部（活物質未塗工部４２１ａの積層部分）により形成される。このように、集電体１２０と接合される電極体４００において、負極板４２０の端縁４２０ａは、Ｙ軸方向において、接合部４２５よりも湾曲部４０２ａの頂点Ｐに近い位置に配置されている。
この構成によれば、本実施の形態において超音波接合である接合作業は、図８に示すように、負極板４２０の端部を治具５００によって外側（図８では下方）に押さえた状態で行うことができる。言い換えると、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａが、湾曲部４０２ａまたはその近傍の位置に配置されていることで、負極板４２０の端縁４２０ａを含む端部を、治具５００で押さえながら、電極体４００と集電体１２０との接合作業を行うことができる。すなわち、本実施の形態に係る蓄電素子１０の製造方法は、例えば以下のように表現される。
本実施の形態に係る蓄電素子１０の製造方法は、極板（４１０、４２０）及びセパレータ（４３０、４５０）が巻回軸Ｗ周りに巻回されて形成された電極体４００と、電極体４００と接合された集電体１２０とを備える蓄電素子１０の製造方法であって、極板（４１０、４２０）及びセパレータ（４３０、４５０）を巻回する巻回工程と、巻回された極板（４１０、４２０）及びセパレータ（４３０、４５０）における最内周４０１側の、負極板４２０の端部を、治具５００によって最内周４０１側から押さえながら、電極体４００と集電体１２０とを接合する接合工程を含む。
この製造方法によれば、電極体４００は、負極板４２０の端部よりも外側におけるセパレータ４５０の浮きが抑制された状態で、集電体１２０と接合される。そのため、例えば、接合作業の際に活物質未塗工部４２１ａの一部がはがれることでコンタミネーションが発生した場合であっても、そのコンタミネーションが、負極板４２０の端部の外側に位置するセパレータ４５０と４３０との隙間に侵入する可能性は低い。従って、本実施の形態に係る蓄電素子１０の製造方法によれば、極板（４１０、４２０）及びセパレータ（４３０、４５０）が巻回されて形成された電極体４００を備える蓄電素子１０であって、信頼性の高い蓄電素子１０を製造することができる。
なお、上記巻回工程では、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａを、湾曲部４０２ａまたはその近傍の位置に配置するため、巻回装置によって巻き取られるセパレータ４３０及び４５０の間の奥に、負極板４２０の端縁４２０ａを挟み込んでいる。
図９は、実施の形態に係る電極体４００を製造する際の巻回工程の一部を示す図である。図９に示すように、本実施の形態に係る巻回工程では、巻回装置６００が用いられる。巻回装置６００では、巻回軸Ｗを中心に回転する回転体６１０によって、セパレータ４３０等の電極体要素が巻き取られる。より詳細には、回転体６１０は、芯材４８０（図９では図示せず）を回転させることで、芯材４８０を中心として、セパレータ４３０等の電極体要素を巻き取る。
このようにして実行される巻回工程において、負極板４２０の回転体６１０による巻き取りを開始する場合、図９に示すように、回転体６１０の長手方向の端部の近傍であって、セパレータ４３０とセパレータ４５０とが接触している箇所に、負極板４２０の端縁４２０ａを位置させる。
具体的には、ガイド装置７００が有するガイド部７１０に、負極板４２０の端縁４２０ａを含む端部を支持させながら、セパレータ４３０とセパレータ４５０とが接触している箇所に、負極板４２０の端縁４２０ａを位置させ、その後、回転体６１０を回転させる。これにより、負極板４２０の端縁４２０ａが、セパレータ４３０とセパレータ４５０との間に挟みこまれ、セパレータ４３０及び４５０とともに巻回される。その結果、電極体４００における負極板４２０の端縁４２０ａの位置は、例えば図６に示すように、湾曲部４０２ａまたは湾曲部４０２ａの近傍の位置となる。
なお、巻回工程において、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａを、図９に示すように、回転体６１０の長手方向の端部（ガイド装置７００から遠い方の端部）の近傍に導く場合、ガイド装置７００が、下方のセパレータ４５０と干渉しやすい状態となる。そのため、例えば、セパレータ４５０と回転体６１０とのなす角度の調整等を行うことで、ガイド装置７００とセパレータ４３０及び４５０との干渉が防止される。
（他の実施の形態）
以上、本発明に係る蓄電素子及びその製造方法について、実施の形態に基づいて説明した。しかしながら、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を上記実施の形態に施したものも、あるいは、上記説明された複数の構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
例えば、電極体４００における負極板４２０の端縁４２０ａの位置は、図６等に示す位置には限定されない。例えば、図１０に示すように、湾曲部４０２ａの頂点Ｐを越えた位置であってもよい。この場合であっても、負極板４２０の端縁４２０ａ含む端部は、構造上、外側のセパレータ４５０を押圧する位置に存在する。そのため、負極板４２０の端縁４２０ａを含む端部よりも外側におけるセパレータ４５０の浮きを抑制する効果を得ることができる。このことは、負極板４２０の端縁４２０ａの位置が、例えば図６における右側の湾曲部４０２ｂまたは湾曲部４０２ｂの近傍の位置に配置された場合、及び、電極体４００が芯材４８０を有しない場合についても同じである。
また、負極板４２０の端縁４２０ａの位置であって、端縁４２０ａの付近からのコンタミネーションの侵入を抑制するための位置を、接合部４２５との位置関係で規定することもできる。
図１１は、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａと、電極体４００の接合部との位置関係の一例を示す図である。なお、図１１に示す電極体４００ａは、上記の電極体４００に換えて蓄電素子１０に備えられる電極体の一例である。
図１１に示す電極体４００ａは、極板（４１０、４２０）及びセパレータ（４３０、４５０）が巻回されて形成されている。電極体４００ａには、集電体１２０が接合されている。巻回された極板（４１０、４２０）及びセパレータ（４３０、４５０）の最内周４０１は、巻回軸Ｗの方向から見た場合、第一方向（Ｙ軸方向）において対向する一対の湾曲部４０２ａ及び４０２ｂを有する扁平な形状である。電極体４００ａは、集電体１２０と接合される部分である接合部４２５を有し、負極板４２０の最内周４０１側の端縁４２０ａは、第一方向（Ｙ軸方向）において、接合部４２５と一対の湾曲部４０２ａ及び４０２ｂのうちの一方の湾曲部（図１１では、湾曲部４０２ａ）の頂点Ｐとの間に配置されている。
このように、図１１に示す電極体４００ａでは、巻回型の電極体４００ａにおける負極板４２０の最内周４０１側の端縁４２０ａの位置が、Ｙ軸方向において接合部４２５と離間した位置にある。
つまり、図１１に示す電極体４００ａでは、セパレータ４５０の浮きが生じやすい位置である、負極板４２０の端縁４２０ａの位置と、コンタミネーションが生じやすい接合部４２５の位置とが、Ｙ軸方向においてずらされている。これにより、仮に、負極板４２０の端縁４２０ａの付近においてセパレータ４５０の浮きが生じた場合であっても、その浮きが生じた部分からコンタミネーションが侵入する可能性が低減される。その結果、コンタミネーションが正極板４１０に接触することによる不具合（内部短絡等）の発生が抑制される。
このように、負極板４２０の最内周４０１側の端縁４２０ａの位置を、接合部４２５の位置との関係で規定することでも、信頼性の高い蓄電素子１０を得ることができる。
より具体的には、集電体１２０は、電極端子と接続される端子接続部１２１と、端子接続部１２１から延設され、電極体４００ａの接合部４２５と接合される脚部１２２とを有している。負極板４２０の最内周４０１側の端縁４２０ａは、第一方向（Ｙ軸方向）において、接合部４２５と、一対の湾曲部４０２ａ及び４０２ｂのうちの、端子接続部１２１側の湾曲部４０２ａの頂点Ｐとの間に配置されている。
ここで、蓄電素子１０は、その製造時及び使用時において、一般に、電極端子（２００、３００）が配置された側を上方に向けた姿勢（例えば図１に示す姿勢）にされる場合が多い。蓄電素子１０がこの姿勢にされた場合、上記構成によれば、負極板４２０の最内周４０１側の端縁４２０ａは、接合部４２５よりも上方に位置することとなる。
より詳細には、負極板４２０の端縁４２０ａは上向きであり、つまり、負極板４２０は、巻き始めの位置において、上から下に向けて（端子接続部１２１から離れる方向に）巻かれている。この場合、端縁４２０ａよりも上の位置にセパレータ４５０の浮きが生じやすい。
そのため、負極板４２０の端縁４２０ａの付近にセパレータ４５０の浮きが生じた場合であっても、その位置は、コンタミネーションが生じやすい接合部４２５よりも上方である。従って、電極体４００ａ備える蓄電素子１０によれば、コンタミネーションの電極体４００ａの内部への侵入の可能性をより低減させることができる。
なお、電極体４００ａの、集電体１２０の脚部１２２と接合された部分がＹ軸方向に分散して複数存在する場合、これら複数の部分全体のＹ軸方向における一端から他端までが、１つの接合部４２５のＹ軸方向における存在領域として規定される。
また、上記の電極体４００ａの構成は、図１１に示すように、負極板４２０の端縁４２０ａが、電極体４００と集電体１２０とを接合する際に用いる治具５００に届かない場合に有用である。つまり、治具５００によって負極板４２０の端縁４２０ａがしっかりと押さえられない場合であっても、負極板４２０の端縁４２０ａをＹ軸方向において接合部４２５から離すことで、コンタミネーションの電極体４００ａの内部への侵入抑制効果を得ることができる。
具体的には、本願発明者らは、負極板４２０の端縁４２０ａと接合部４２５との距離を変えながら、端縁４２０ａの付近におけるコンタミネーションの侵入個数を調べる試験を行った。その結果、当該距離が２ｍｍ以上あれば、コンタミネーションがほぼ侵入しないとの結論を得た。
つまり、負極板４２０の、接合部４２５において集電体１２０と接合された部分から端縁４２０ａまでのＹ軸方向の距離である突出距離Ｍ（図１１参照）は、２ｍｍ以上であることが好ましい。
つまり、負極板４２０の巻き始めの端縁４２０ａがこの範囲内にあることで、負極板４２０の端縁４２０ａの付近におけるコンタミネーションの侵入抑制効果をより確実に得ることができる。
なお、電極体４００ａにおいて、負極板４２０の端縁４２０ａが下向きである場合、つまり、負極板４２０が、巻き始めの位置において下から上に向けて（端子接続部１２１に近づく方向に）巻かれている場合を想定する。この場合、負極板４２０の端縁４２０ａよりも上方に、または、負極板４２０の端縁４２０ａよりも上方にある最内周４０１の湾曲部の頂点を越えた位置に、正極板４１０の巻き始めの端縁が存在することになる。そのため、仮に、負極板４２０の端縁４２０ａの付近からコンタミネーションが侵入したとしても、そのコンタミネーションは正極板４１０に到達し難い。
従って、図１１に示す、負極板４２０の端縁４２０ａの位置をＹ軸方向において接合部４２５と離間させる構成は、電極体４００の、接合部４２５が存在する側において、負極板４２０が、上から下に向けて（端子接続部１２１から離れる方向に）巻かれている場合に有用である。つまり、この場合に、負極板４２０の端縁４２０ａの位置をＹ軸方向において接合部４２５と離間させることで、端縁４２０ａの付近から侵入するコンタミネーションに起因する微短絡等の発生を抑制する効果が得られる。
また、本実施の形態では、蓄電素子１０を、電極体４００を１つのみ備えているが、蓄電素子１０が備える電極体４００の数は２以上であってもよい。例えば、蓄電素子１０が電極体４００を２つ備える場合、集電体１２０は、２つの電極体４００と接合される４つの脚部１２２を有してもよい。
また、集電体１２０が有する脚部１２２の数は２には限定されない。集電体１２０は、電極体４００の負極側端部と接合される少なくとも１つの脚部１２２を有すれよい。
また、上記実施の形態に記載された構成を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
また、本発明は、上記説明された蓄電素子として実現することができるだけでなく、当該蓄電素子が備える電極体４００としても実現することができる。また、本発明は、当該蓄電素子を複数備える蓄電装置としても実現することができる。
本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子等に適用できる。
１０ 蓄電素子
１００ 容器
１１０ 蓋体
１１１ 本体
１２０、１３０ 集電体
１２０ａ、１３０ａ 溶接痕
１２１ 端子接続部
１２１ａ 貫通孔
１２２ 脚部
２００ 負極端子
３００ 正極端子
４００、４００ａ 電極体
４０１ 最内周
４０２ａ、４０２ｂ 湾曲部
４１０ 正極板
４１０ａ、４２０ａ 端縁
４１１ 正極基材層
４１１ａ、４２１ａ 活物質未塗工部
４１４ 正極合材層
４２０ 負極板
４２１ 負極基材層
４２４ 負極合材層
４２５ 接合部
４３０、４５０ セパレータ
４８０ 芯材
５００ 治具
６００ 巻回装置
６１０ 回転体
７００ ガイド装置
７１０ ガイド部

Claims (5)

  1. 極板及びセパレータが巻回軸周りに巻回されて形成された電極体と、前記電極体と接合される集電体とを備える蓄電素子であって、
    巻回された前記極板及び前記セパレータの最内周は、前記巻回軸の方向から見た場合、第一方向において対向する一対の湾曲部を有する扁平な形状であり、
    前記電極体は、前記集電体と接合される部分である接合部を有し、
    前記極板の前記最内周側の端縁は、前記第一方向において、前記接合部と前記一対の湾曲部のうちの一方の湾曲部との間に配置されている
    蓄電素子。
  2. さらに、電極端子を備え、
    前記集電体は、前記電極端子と接続される端子接続部と、前記端子接続部から延設され、前記電極体の前記接合部と接合される脚部とを有し、
    前記極板の前記最内周側の端縁は、前記第一方向において、前記接合部と、前記一対の湾曲部のうちの、前記端子接続部側の湾曲部との間に配置されている
    請求項１記載の蓄電素子。
  3. 前記極板の、前記接合部において前記集電体と接合された部分から前記端縁までの前記第一方向における距離である突出距離は２ｍｍ以上である
    請求項２記載の蓄電素子。
  4. 前記電極体は、前記極板である負極板と、正極板とがセパレータを介して巻回されて形成されており、
    前記正極板の最内周の端縁は、前記第一方向において接合部の範囲内に位置する、
    請求項１～３のいずれか一項に記載の蓄電素子。
  5. 極板及びセパレータが巻回軸周りに巻回されて形成された電極体と、前記電極体と接合された集電体とを備える蓄電素子の製造方法であって、
    前記極板及び前記セパレータを巻回する巻回工程と、
    巻回された前記極板及び前記セパレータにおける最内周側の、前記極板の端部を、治具によって最内周側から押さえながら、前記電極体と集電体とを接合する接合工程を含む
    蓄電素子の製造方法。
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