JP7116905B2 - 蓄電素子 - Google Patents

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Description

本発明は、電極とセパレータとを含む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11に示すように、負極電極板501と、正極電極板504と、両電極板501、504間に挿入されたセパレータ507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501は、両面でセパレータ507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501は、銅箔502の両面に形成された負極活物質層503をもち、つづら折りの折り目の延伸方向に沿った両方向のうち一方へ突出した一方端子部たる負極端子部をもつ。負極端子部は、銅箔502だけであり、そのいずれの面にも負極活物質層503は形成されていない。
セパレータ507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507は、負極の長尺電極板501の両面に接して折り畳まれている。具体的に、セパレータ507は、長尺電極板501の銅箔502のうち、負極活物質層503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501とその両面を包むセパレータ507とは長尺物508を形成している。
正極電極板504は、両面でセパレータ507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504は、アルミニウム箔505の両面に形成された正極活物質層506をもち、前記折り目の延伸方向に沿った両方向のうち他方へ突出した他方端子部たる正極端子部をもつ。正極端子部は、アルミニウム箔505からなり、そのいずれの面にも正極活物質層506は形成されていない。
そして、長尺電極板501とセパレータ507とからなる長尺物508に対し、その両側から多数の短冊状電極板504が交互に積層されて電池500が構成されている。即ち、一枚の長尺物508と多数の短冊状電極板504との積層に際し、長尺物508はつづら折りに折り畳まれ、その間に短冊状電極板504が両側から挿入されて長尺物508に挟持された構造を電池500は持っている。
以上の電池500では、短冊状電極板504は、つづら折りに折り畳まれた長尺物508に挟まれているだけであるため、電池500に振動等が加わったときに、正極端子部が長尺物508の内側(つづら折りに折り畳まれた部位の内側)に入り込む方向にずれる場合がある。このとき、セパレータ507も短冊状電極板504と共にずれると、正極端子部(アルミニウム箔505)と負極活物質層503とが接触して短絡する。
特開2014-103082号公報
そこで、本実施形態は、電極体においてセパレータを介して隣り合う電極の一方の電極の活物質層非形成部と他方の電極の活物質層形成部との短絡が抑えられ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、
金属箔及び活物質層が重ねられる活物質層形成部と金属箔に活物質層が重ねられない活物質層非形成部とが第一方向に並ぶ電極と、
前記第一方向の寸法が前記活物質層形成部より大きなセパレータと、を有する電極体を備え、
前記電極と前記セパレータとは、前記活物質層非形成部が前記セパレータにおける前記第一方向の端縁から突出するように積層され、
前記活物質層非形成部は、該活物質層非形成部における前記セパレータの前記第一方向の端縁から突出している部位から延び且つ前記第一方向から見て前記端縁と重なる部位を有する延出部を備える。
かかる構成によれば、活物質層非形成部がセパレータ側に向かう向きに電極が移動し又は移動しようとしたときに、延出部がセパレータの第一方向の端縁に当接し又は当接していることで、それ以上の前記方向への電極の移動が規制され、これにより、セパレータを介して隣り合う電極の一方の電極の活物質層形成部と他方の電極の活物質層非形成部とが対向し難くなる。その結果、前記隣り合う電極の間に配置されたセパレータがずれ又は損傷等しても、前記一方の電極の活物質層非形成部と前記他方の電極の活物質層形成部との間での短絡の発生が抑えられる。
前記蓄電素子では、
前記活物質層非形成部は、前記突出している部位と前記延出部との境界位置で曲がっている当該活物質層非形成部の端縁の前記境界位置を含む領域において前記金属箔に重ねられたコート層を有してもよい。
このように、活物質層非形成部においてセパレータから突出している部位と延出部との境界位置で曲がっている端縁の前記境界位置を含む領域にコート層が重ねられているため、延出部がセパレータの端縁に当接した状態で電極がセパレータ側に移動しようとしたときに応力が集中し易い部位(端縁の曲がっている部位)からの裂けが抑えられる。
前記蓄電素子では、
前記セパレータは、平行若しくは略平行な一対の平坦部と、前記第一方向に延びるターン軸周りで方向転換するように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有し、
前記電極は、前記一対の平坦部の間に配置され、
前記延出部は、前記ターン部における前記第一方向の一方側の端縁より一方側に配置されてもよい。
ターン部ではターン軸方向(第一方向)からの力に対する強度が向上しているため、該ターン部にターン軸方向から延出部を当接させることで、延出部がセパレータ(ターン部)の端縁に当接した状態で電極がセパレータ側へ移動しようとしたときの該セパレータの変形が抑えられ、これにより、電極のセパレータ側への移動がより確実に抑えられる。
また、前記蓄電素子では、
前記折り返し部は、前記第一方向と直交する第二方向の一方側が開放された第一の折り返し部と、前記第二方向の他方側が開放された第二の折り返し部と、を含み、
前記セパレータは、前記第一の折り返し部と前記第二の折り返し部とが交互に配置されたつづら折り状態であり、
前記電極は、前記第一の折り返し部の内側と前記第二の折り返し部の内側とのそれぞれに配置されてもよい。
かかる構成によれば、第二方向の一方側の端部と他方側の端部とにターン部が配置されるため、ターン軸方向からの力に対する電極体の強度が向上する。しかも、第一の折り返し部の内側と第二の折り返し部の内側とに配置された各電極のセパレータ側への移動(セパレータの第一方向の端縁から突出している部位の折り返し部内側への入り込み)も確実に抑えられる。
この場合、前記蓄電素子では、
前記電極は、正極であり、
前記電極体は、前記セパレータに重ねられ且つ該セパレータと共につづら折り状態である負極を有し、
前記負極では、金属箔及び負極活物質層が重ねられる負極活物質層形成部と金属箔に負極活物質層が重ねられない負極活物質層非形成部とが第一方向に並び、
前記負極活物質層形成部は、前記セパレータと重なっていてもよい。
かかる構成によれば、正極の活物質層非形成部が各折り返し部の内側へ入り込むのが抑えられ(即ち、正極の活物質層非形成部と負極の負極活物質層形成部とがセパレータを介して対向することが防がれ)、これにより、セパレータの位置ずれや損傷等による正極の活物質層非形成部と負極の負極活物質層形成部との短絡が抑えられる。
以上より、本実施形態によれば、電極体においてセパレータを介して隣り合う電極の一方の電極の活物質層非形成部と他方の電極の活物質層形成部との短絡が抑えられ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、前記蓄電素子が備える電極体を説明するための図である。 図4は、前記電極体が有する第一部材の構成を説明するための図である。 図5は、つづら折り状態の前記第一部材の構成を説明するための斜視図である。 図6は、折り返し部を説明するための斜視図である。 図7は、正極を説明するための図である。 図8は、前記正極の製造方法を説明するための図である。 図9は、他実施形態に係る電極体の構成を説明するための図である。 図10は、前記蓄電素子を備える蓄電装置の模式図である。 図11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8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2に示すように、電極体2を備える。また、蓄電素子1は、図1にも示すように、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7等も備える。本実施形態の蓄電素子1は、電極体2と集電体5との間に配置されるクリップ部材6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3にも示すように、少なくともセパレータ215を含む第一部材21と、第二の電極220を含む第二部材22と、を有する。本実施形態の第一部材21は、第二の電極220と極性の異なる第一の電極210も含む。即ち、本実施形態の第一部材21は、第一の電極210とセパレータ215とを含む。この第一部材21は、長尺であり、つづら折り状態に折り畳まれている。また、本実施形態の第二部材22は、第二の電極220のみを含む。また、本実施形態の電極体2では、第一の電極210は、負極であり、第二の電極220は、正極である。
第一部材21は、図4にも示すように、長尺な負極210と、負極210に重ねられるセパレータ215と、を有する。本実施形態の第一部材21では、一対の長尺なセパレータ215が負極210を両面側から挟み込んでいる。即ち、第一部材21は、一つの負極210と、この負極210を挟み込む一対のセパレータ215と、を有する。本実施形態の一対のセパレータ215は、互いに接合されていないが、負極210を挟み込んだ状態で互いに接合されていてもよい。
負極210は、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210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210は、長尺な帯状である。
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。
この負極活物質層212を有する負極210は、長尺帯状の負極本体(負極活物質層形成部(活物質層形成部))213と、負極本体213から延びる負極タブ(負極活物質層非形成部(活物質層非形成部))214と、を有する。これら負極本体213と負極タブ214とは、所定の方向(第一方向)に並んでいる。本実施形態の負極210は、負極本体213の長手方向に間隔をあけて配置される複数の負極タブ214を有する。
負極本体213では、金属箔211と負極活物質層212とが重ねられている。具体的に、負極本体213は、長手方向の各位置において短手方向(幅方向)の寸法が一定の帯状の金属箔211と、金属箔211の両面の全域に重ねられる負極活物質層212と、を有する。
複数の負極タブ214のそれぞれは、負極本体213の一方の長辺(幅方向の一方の端縁)213Aから該負極本体213と離れる方向(幅方向)に延びている。複数の負極タブ214のそれぞれは、金属箔211を露出させている。即ち、各負極タブ214は、金属箔211のみによって構成されており、負極活物質層212を重ねられていない。複数の負極タブ214のそれぞれは、第一部材21において、セパレータ215から幅方向に突出している。即ち、複数の負極タブ214のそれぞれは、セパレータ215の幅方向の一方の端縁から該幅方向に突出している。これら複数の負極タブ214のそれぞれは、第一部材21(負極本体213)が折り畳まれた状態(つづら折り状態)において重なる位置に配置されている(図2参照)。
一対のセパレータ215のそれぞれは、絶縁性を有する部材であり、負極210と正極220との間に配置される。これにより、電極体2において、負極210と正極220とが互いに絶縁される。また、一対のセパレータ215のそれぞれは、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215を挟んで対向する負極210と正極220との間を、リチウムイオンが移動可能となる。
一対のセパレータ215のそれぞれは、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215は、SiO粒子、Al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215の基材は、例えば、ポリエチレンによって形成される。
これら一対のセパレータ215のそれぞれは、負極210と同様に、長尺な帯状である。具体的に、各セパレータ215において、短手方向の寸法(幅寸法)は、負極本体213の幅寸法より大きく且つ負極210における負極タブ214が設けられた部位(負極本体213と負極タブ214とを合わせた部位)の幅寸法より小さい。このため、一対のセパレータ215が負極210を挟み込むと、セパレータ215の幅方向の一方の長辺(端縁)から各負極タブ214が突出した状態となる。尚、以下では、一対のセパレータ215と、これら一対のセパレータ215に挟まれた負極210の部位とを、第一部材本体210Aと称し、一対のセパレータ215の幅方向の一方の端縁から突出している負極タブ214の部位を第一部材タブ210Bと称することもある(図3参照)。
以上の負極210と一対のセパレータ215とを有する第一部材21(第一部材本体210A)は、図5及び図6にも示すように、略平板状の平坦部231と、第一部材21の幅方向に延びるターン軸S周りに湾曲(方向転換)しているターン部232とが交互に配置されることによってつづら折り状態となっている。この第一部材21は、平行又は略平行な一対の平坦部231と、一対の平坦部231の端部同士を接続するターン部232と、を含む折り返し部23を有している。詳しくは、以下の通りである。尚、図5及び図6は、折り返し部23やつづら折り状態を説明するために、模式的に表されている。
折り返し部23は、谷折り側の面である第一の面231A及び山折り側の面(即ち、第一の面231Aと反対側の面)である第二の面231Bをそれぞれ有し且つ第一の面231A同士を対向させた一対の平坦部231と、一対の平坦部231の端部同士を接続するターン部232と、を含む。本実施形態の第一部材21は、ターン部232を反対に向けた状態で隣り合う折り返し部23(後述する第一の折り返し部23Aと第二の折り返し部23B)同士がその一部(平坦部231)を共通させた状態で連続するつづら折り状態(蛇行状態)である。
換言すると、第一部材21は、所定の方向(第二方向:図5の上下方向)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、所定の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(第一の折り返し部)23Aに着目したときに、第一の折り返し部23Aと、その隣(図5における後ろ側)の折り返し部(第二の折り返し部)23Bとでは、第一の折り返し部23Aのターン部である第一ターン部232Aと、第二の折り返し部23Bのターン部である第二ターン部232Bとの間の平坦部231を共通させている。
この場合、図5に示すように、第一の折り返し部23Aに着目したときの平坦部231では、第一の折り返し部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231Bである。一方、第二の折り返し部23Bに着目したときの平坦部231(第一の折り返し部23Aの平坦部231と共通させた平坦部)では、第二の折り返し部23B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231Bである。即ち、第一の折り返し部23Aと第二の折り返し部23Bとで共通させている平坦部231では、第一の折り返し部23Aに着目したときと、第二の折り返し部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)231Aと第二の面(折り返し部23において反対方向を向く面)231Bとが逆になる。
具体的には、図5に示すように、負極210において、帯状の第一部材本体210A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231とターン部232とが交互に形成されている。即ち、長尺帯状の第一部材本体210Aが、図4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、第一部材21(第一部材本体210A)は、複数の平坦部231と複数のターン部232とを有し、複数の平坦部231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232(第一ターン部232A、第二ターン部232B)のそれぞれは、隣り合う平坦部231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。本実施形態の平坦部231は、Y軸方向に長い矩形状である。
以下では、平坦部231が並ぶ方向を直交座標系におけるX軸方向とし、ターン部232のターン軸Sの延びる方向(第一方向:図5参照)を直交座標系のY軸方向とし、平坦部231に対してターン部232が配置されている方向(第二方向:図5における上下方向)を直交座標系におけるZ軸方向とする。
第一部材21において、各平坦部231から延びる第一部材タブ210B(負極タブ214におけるセパレータ215から突出している部位)は、X軸方向から見て重なっている。この複数の平坦部231のそれぞれから延びている第一部材タブ210Bは、束ねられた状態でクリップ部材6に挟み込まれる。このクリップ部材6が集電体5に接続されることで、第一部材タブ210Bの束は、クリップ部材6及び集電体5を介して外部端子4と接続される。
複数のターン部232のそれぞれは、つづら折り状態の第一部材21において、Y軸方向に延びる軸をターン軸S(図5及び図6参照)として帯状の第一部材本体210Aが旋回(方向転換)している(換言すると、ターン軸S周りに湾曲している)部位である。
以上のように構成される第一部材21では、第一部材21を構成する負極210と一対のセパレータ215とのそれぞれも、互いに重ねられた状態でつづら折り状態に折り畳まれている。具体的には、以下の通りである。
長尺な負極210において、第一部材21の第一の折り返し部23Aと対応する部位が負極210の第一の折り返し部であり、第一部材21の第二の折り返し部23Bと対応する部位が負極210の第二の折り返し部である。また、負極210の各折り返し部において、第一部材21の平坦部231に対応する部位が負極210の平坦部であり、第一部材21のターン部232に対応する部位が負極210のターン部である。
同様に、長尺な各セパレータ215において、第一部材21の第一の折り返し部23Aと対応する部位がセパレータ215の第一の折り返し部であり、第一部材21の第二の折り返し部23Bと対応する部位がセパレータ215の第二の折り返し部である。また、セパレータ215の各折り返し部において、第一部材21の平坦部231に対応する部位がセパレータ215の平坦部であり、第一部材21のターン部232に対応する部位がセパレータ215のターン部である。
これら負極210の各平坦部とセパレータ215の各平坦部とは、それぞれ平行又は略平行であり、負極210の各ターン部又はセパレータ215の各ターン部は、それぞれターン軸S周りで方向転換するように負極210の平坦部同士を接続し又はセパレータ215の平坦部同士を接続している。
第二部材22(本実施形態の例では正極220)は、図3に示すように、少なくとも一部をY軸方向に突出させた状態で、折り返し部23の内側(詳しくは、折り返し部23を構成する一対の平坦部231の間)に配置される。
複数の正極220(第二部材22)のそれぞれは、第一部材21のY軸方向の他方側(図3における右側)の端縁から突出している部位から延び且つY軸方向から見て前記端縁(セパレータ215の端縁)と重なる部位を有する延出部226を有する。具体的に、複数の正極220のそれぞれは、一対の平坦部231の間に配置されると共に、Y軸方向における折り返し部23の他方側の端縁より他方側においてターン部232よりZ軸方向の外側に突出するように延びる延出部226を有する。詳しくは、以下の通りである。
正極220は、図3及び図7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220は、一つの金属箔221と一対の正極活物質層222とを有する。また、正極220は、金属箔221に重ねられるコート層229も有する。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220は、つづら折り状態の第一部材21において、各折り返し部23の一対の平坦部231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(第一部材21の折り返し部23の数に対応する数)の正極220(第二部材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、LiaNixO、LiaMnzO、LiaNixCoyMnzO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、LiaMnbPO、LiaMnbSiO、LiaCobPOF等)である。本実施形態の正極活物質は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3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220のそれぞれは、矩形状の正極本体(正極活物質層形成部(活物質層形成部))223と、正極本体223の矩形状の輪郭を構成する一辺と連接する(本実施形態の例では、Y軸方向の端縁からY軸方向に延びる)正極タブ(正極活物質層非形成部(活物質層非形成部))224と、を有する。これら正極本体223と正極タブ224とは、Y軸方向(第一方向)に並んでいる。また、複数の正極220のそれぞれは、少なくとも正極タブ224に重ねられるコート層229も有する。
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。この正極本体223では、金属箔221と正極活物質層222とが重ねられている。具体的に、正極本体223は、矩形の金属箔221と、金属箔221の両面の全域に重ねられる正極活物質層222と、を有する。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215を介して対向する)平坦部231の負極活物質層212よりY-Z面(Y軸とZ軸とを含む面)方向において小さい。これにより、正極本体223の正極活物質層222は、全域において平坦部231の負極活物質層212と対向している。
正極タブ224は、正極本体223から延びるタブ本体225と、タブ本体225からZ軸方向へ延びる延出部226と、を有する。この正極タブ224は、金属箔221と、金属箔221に重ねられるコート層229と、によって形成されている。即ち、正極タブ224は、正極活物質層222を重ねられていない。
タブ本体225は、正極本体223のY軸方向の他方側(図7の右側)の端縁からY軸方向に延びる部位である。このタブ本体225における延出部226の設けられたZ軸方向の端部と反対側の端部に、延出部226に対応する形状の切り欠き2251が形成されている。本実施形態の切り欠き2251は、Y軸方向に長尺な矩形である。
延出部226は、タブ本体225のZ軸方向の端部(切り欠き2251の設けられる端部と反対側の端部)からZ軸方向に延びている(突出している)。この延出部226におけるY軸方向の正極本体223側の端縁226Aは、タブ本体225のZ軸方向の端縁における所定位置(正極本体223とタブ本体225との境界位置b1からY軸方向に間隔をあけた位置)からZ軸方向に延びている。これにより、正極タブ224の端縁は、タブ本体225のZ軸方向の端縁225Aと延出部226の端縁226Aとの境界位置b2において、曲がっている。本実施形態の前記境界位置b2での正極タブ224の端縁は、90°となるように屈曲している。本実施形態の延出部226は、Y軸方向に長尺な矩形である。
本実施形態の電極体2では、第一の折り返し部23Aの内側に配置される正極220の延出部226は、第一ターン部232AからZ軸方向の他方側(第一の折り返し部23Aが開放されている側と反対側:図3における下側)に突出し、第二の折り返し部23Bの内側に配置される正極220の延出部226は、第二ターン部232BからZ軸方向の一方側(第二の折り返し部23Bが開放されている側と反対側:図3における上側)に突出する。
コート層229は、絶縁性を有する。このコート層229は、例えば、絶縁性粒子とバインダーとを含む層、テープ、フィルムによって形成されている。コート層229は、バインダーのみからなる層であってもよい。絶縁性粒子には、例えば、アルミナ、シリカ、アルミノケイ酸塩が用いられる。バインダーには、例えば、負極活物質層212に用いられたバインダーと同様のものが用いられる。テープ又はフィルムは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド製のものが用いられる。コート層229は、正極タブ224におけるタブ本体225の端縁225Aと延出部226の端縁226Aとの境界位置b2(正極タブ224の端縁における屈曲している位置)を含む領域において金属箔221に重ねられている。具体的に、コート層229は、Y軸方向において、正極本体223と正極タブ224との境界位置b1から、延出部226の端縁226Aを越えた位置まで、正極タブ224を覆っている。本実施形態のコート層229は、正極タブ224の両面のそれぞれに配置されている。即ち、正極220は、一対のコート層229を有する。
電極体2において、各正極220の正極タブ224は、X軸方向から見て重なっている。詳しくは、各第一の折り返し部23Aの内側に配置される正極220の正極タブ224のそれぞれは、X軸方向から見て一致又は略一致するように重なり、各第二の折り返し部23Bの内側に配置される正極220の正極タブ224のそれぞれは、X軸方向から見て一致又は略一致するように重なる。そして、第一の折り返し部23Aの内側に配置される正極220の正極タブ224と、第二の折り返し部23Bの内側に配置される正極220の正極タブ224とでは、タブ本体225の延出部226側の端部と延出部226とを除いた部位(タブ本体225のZ軸方向の一部)がX軸方向から見て重なっている。この複数の正極220のそれぞれの正極タブ224は、束ねられ、クリップ部材6に挟み込まれる。このクリップ部材6が集電体5に接続されることで、正極タブ224の束は、クリップ部材6及び集電体5を介して外部端子4と接続される。
以上の正極220は、次のように製造される。長尺帯状の金属箔221の両面に、幅方向(短手方向)の一方側(図8の例では上側)の端部を残して正極活物質層222とコート層229とが重ねられる。そして、この金属箔221の両面に正極活物質層222とコート層229とが重ねられた帯状の部材が、長手方向に等間隔となるように設定された所定の切断予定線αに沿って切断される。これにより、正極220が形成される。
この切断予定線αは、幅方向の一方側(図8の下側)の端縁からコート層229の中央部まで幅方向に真っ直ぐ延びる第一部位α1と、第一部位α1の先端から長手方向に延びる第二部位α2と、第二部位α2の先端から幅方向の他方側(図8の上側)の端縁に向けて幅方向に延びる第三部位α3と、によって構成されている。第二部位α2の長さは、延出部226の突出方向の長さに相当する。
図1及び図2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、LiBF、及びLiPF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、各第一部材21の平坦部231のそれぞれが長壁部313と平行(略平行)となり、各ターン部232が閉塞部311又は蓋板32と対向するように、絶縁部材7に覆われた状態の電極体2が収容される。このとき、各折り返し部23の内側には正極220が配置され、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。
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。
集電体5は、導電性を有する部材によって形成され、電極体2と外部端子4とを通電させる。具体的に、集電体5は、外部端子4に接続される第一接続部51と、電極体2に接続される第二接続部52と、を有する。本実施形態の第二接続部52は、クリップ部材6を介して電極体2に接続される。
第一接続部51は、外部端子4から蓋板32に沿って短壁部314に向けて延びる板状の部位である。第二接続部52は、第一接続部51の短壁部314側の端部(詳しくは、該端部のX軸方向の両側)から、長壁部313に沿い且つ閉塞部311に向けて延びる板状の部位である。この第二接続部52は、例えば、超音波接合によって、電極体2(詳しくは、クリップ部材6に挟み込まれた状態の第一部材タブ210B又は正極タブ224の束)に接合される。
以上のように構成される集電体5は、蓄電素子1の正極と負極とにそれぞれ配置される(図2参照)。本実施形態の蓄電素子1では、ケース3内において、電極体2の第一部材タブ210Bの束と、正極タブ224の束とに対応する位置にそれぞれ配置される。正極の集電体5と負極の集電体5とは、異なる素材によって形成される。具体的に、正極の集電体5は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金によって形成され、負極の集電体5は、例えば、銅又は銅合金によって形成される。
クリップ部材6は、導電性を有し、電極体2のY軸方向の端部(具体的には、第一部材タブ210Bの束、又は正極タブ224の束)を挟み込む。本実施形態のクリップ部材6は、第一部材タブ210Bの束、又は正極タブ224の束を挟み込んだ状態で、超音波接合によって集電体5(詳しくは、第二接続部52)に接続される。このクリップ部材6は、板状の金属部材が曲げ加工されることによって形成される。
絶縁部材7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7は、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(図2参照)。本実施形態の絶縁部材7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、正極タブ(活物質層非形成部)224がセパレータ215側(正極本体223側:図3における左側)に向かう向きに正極220が移動し又は移動しようとしたときに、延出部226がセパレータ215のY軸方向の端縁に当接し又は当接していることで、それ以上のセパレータ215側への正極220の移動が規制される。これにより、セパレータ215を介して隣り合う電極(負極210と正極220と)の一方の電極210、220の活物質層形成部213、223(活物質層のある部位)と他方の電極220、210の活物質層非形成部224、214(活物質層のない部位)とが対向し難くなる。その結果、前記隣り合う電極210、220の間に配置されたセパレータ215がずれ又は損傷等しても、前記一方の電極210、220の活物質層非形成部214、224と前記他方の電極220、210の活物質層形成部223、213との間での短絡の発生が抑えられる。
本実施形態の正極220では、正極タブ224が、タブ本体225の端縁225Aと延出部226の端縁226Aとの境界位置(正極タブ224の端縁における屈曲している位置)b2を含む領域において金属箔221に重ねられたコート層229を有している。これにより、正極タブ224において、延出部226がセパレータ215の端縁に当接した状態で正極220がセパレータ215側に移動しようとしたときに応力が集中し易い部位(正極タブ224の端縁において屈曲している部位)からの裂けが抑えられる。
しかも、コート層229が絶縁性を有しているため、セパレータ215がずれてコート層229と負極210とが接触しても短絡しない。即ち、セパレータ215のずれによる負極210と正極220との短絡がより生じ難くなる。
本実施形態の電極体2では、延出部226が、第一部材21のターン部232におけるY軸方向の端縁より外側に配置されている。ここで、ターン部232は、第一部材21が折り返されている部位であり、該ターン部232では、平坦部321に比べ、ターン軸S方向(Y軸方向)からの力に対する強度(例えば、座屈強度等)が向上している。このため、ターン部232にターン軸S方向から延出部226を当接させることで、延出部226がセパレータ215(ターン部232)の端縁に当接した状態で正極220がセパレータ215側へ移動しようとしたときの該セパレータ215の変形が抑えられる。これにより、正極220のセパレータ215側への移動がより確実に抑えられる。
また、本実施形態の電極体2では、第一部材21が第一の折り返し部23Aと第二の折り返し部23Bとが交互に配置されたつづら折り状態であり、正極220が、各折り返し部23A、23Bの内側に配置されている。このように、電極体2においてZ軸方向の一方側の端部と他方側の端部とにターン部232が配置されるため、ターン軸S方向(Y軸方向)からの力に対する電極体2の強度が向上する。しかも、第一の折り返し部23Aの内側と第二の折り返し部23Bの内側とに配置された各正極220のセパレータ215側への移動(セパレータ215のY軸方向の端縁から突出している部位の折り返し部23A、23B内側への入り込み)も抑えられる。
また、本実施形態の電極体2では、負極本体(負極活物質層形成部)213を覆うように負極210にセパレータ215が重ねられている第一部材21がつづら折り状態であり、各折り返し部23の内側に正極220が配置されている。
かかる構成によれば、正極220の正極タブ(活物質層非形成部)224が各折り返し部23の内側へ入り込むのが抑えられる(即ち、正極220の正極タブ(活物質層非形成部)224と負極210の負極本体(活物質層形成部)213とがセパレータ215を介して対向することが防がれる)。これにより、セパレータ215の位置ずれや損傷等による正極220の正極タブ(活物質層非形成部)224と負極210の負極本体(活物質層形成部)213との短絡が抑えられる。即ち、本実施形態のようなリチウムイオン二次電池(蓄電素子)1においては、正極220の正極タブ(活物質層非形成部)224と負極210の負極本体213(負極活物質層212)との接触を最も避けなければならないが、本実施形態の蓄電素子1では、正極220が負極210に対して移動することで生じるセパレータ215を介した正極タブ224と負極本体213との対向を防ぎ、これにより、万一、セパレータ215がずれたり損傷したりしたとしても、正極タブ224と負極本体213とが接触(短絡)することを防いでいる。
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。
延出部226の具体的な形状は限定されない。延出部226は、Y軸方向から見てその一部が正極220(該延出部226を含む正極220)と隣接するセパレータ215の端縁と重なる部位を有していればよい。このように延出部226がY軸方向から見てセパレータ215の端縁と重なる部位を有していれば、正極220がY軸方向のセパレータ215側に移動し又は移動しようとしたときに、延出部226の前記部位が前記セパレータ215の端縁に当接し、又は当接していることで、該延出部226が前記セパレータ215の端縁に当接する位置よりも、正極220の前記セパレータ215側への移動が抑制又は規制される。
上記実施形態の負極210では、複数の負極タブ214が長尺方向に間隔をあけて配置されているが、この構成に限定されない。例えば、負極タブ214は、負極本体213の長手方向の全域において連続していてもよい。
上記実施形態の正極タブ224には、切り欠き2251が設けられているが、この構成に限定されない。正極タブ224は、切り欠き2251の無い構成でもよい。
上記実施形態の第一部材21は、負極210とセパレータ215とを含んでいるが、この構成に限定されない。第一部材21は、セパレータ215のみを含む構成でもよい。この場合、例えば図9に示すように、各第一の折り返し部23Aに枚葉状の負極(第二部材)210が配置され、各第二の折り返し部23Bに枚葉状の正極(第二部材)220が配置される。このとき、負極210は、上記実施形態の正極220と同様の構成(延出部226を有する構成)であってもよい。即ち、負極210と正極220のそれぞれが、延出部226を有していてもよい。
また、上記実施形態の電極体2では、第一部材21(負極210及びセパレータ215)がつづら折り状態であるが、この構成に限定されない。負極210、正極220、及びセパレータ215がそれぞれ短冊状(枚葉状)であり、電極体2が、セパレータ215を介して負極210と正極220とが交互に積層されているいわゆるスタック型であってもよい。この場合、負極210及び正極220の少なくとも一方の活物質層非形成部(負極タブ214、正極タブ224)がセパレータ215の端縁から突出し、この活物質層非形成部214、224のセパレータ215から突出している部位から延出部226が延びている。そして、この延出部226は、活物質層非形成部214、224の突出方向から見てセパレータ215の前記端縁と重なる部位を有している。
上記実施形態の正極220(第二部材22)では、延出部226は、Y軸方向における折り返し部23の一方側のみに配置されているが、この構成に限定されない。正極220において、延出部226は、Y軸方向における折り返し部23の他方側にも配置されてもよい。即ち、正極220において、延出部226は、Y軸方向における折り返し部23の一方側と他方側との両側に配置されてもよい。かかる構成によれば、正極220(第二部材22)のY軸方向の一方側と他方側とへの移動が規制される。
上記実施形態の正極220は、コート層229を有しているが、この構成に限定されない。正極220は、コート層の無い構成でもよい。
また、上記実施形態においては、蓄電素子1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1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。
蓄電素子(例えば電池)1は、図10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。蓄電装置11は、少なくとも二つの蓄電素子1と、二つの(異なる)蓄電素子1同士を電気的に接続するバスバ部材12と、を有する。この場合、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。
1…蓄電素子、2…電極体、21…第一部材、21A…山折り線、21B…谷折り線、210…負極(電極)、210A…第一部材本体、210B…第一部材タブ、211…金属箔、212…負極活物質層、213…負極本体(活物質層形成部、負極活物質層形成部)、213A…負極本体の長辺、214…負極タブ(活物質層非形成部、負極活物質層非形成部)、215…セパレータ、22…第二部材、220…正極(電極)、221…金属箔、222…正極活物質層、223…正極本体(活物質層形成部、正極活物質層形成部)、224…正極タブ(活物質層非形成部、正極活物質層非形成部)、225…タブ本体、225A…タブ本体の端縁、2251…タブ本体、226…延出部、226A…端縁、229…コート層、23…折り返し部、23A…第一の折り返し部、23B…第二の折り返し部、231…平坦部、231A…第一の面、231B…第二の面、232…ターン部、232A…第一ターン部、232B…第二ターン部、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、51…第一接続部、52…第二接続部、6…クリップ部材、7…絶縁部材、11…蓄電装置、12…バスバ部材、500…電池、501…負極電極板(長尺電極板)、502…銅箔、503…負極活物質層、504…正極電極板(短冊状電極板)、505…アルミニウム箔、506…正極活物質層、507…セパレータ、508…長尺物、b1…正極本体とタブ本体との境界位置、b2…タブ本体の端縁と延出部の端縁との境界位置、S…ターン軸、α…切断予定線、α1…第一部位、α2…第二部位、α3…第三部位

Claims (4)

  1. 金属箔及び活物質層が重ねられる活物質層形成部と金属箔に活物質層が重ねられない活物質層非形成部とが第一方向に並び且つ枚葉状の電極と、
    前記第一方向の寸法が前記活物質層形成部より大きなセパレータと、を有する電極体を備え、
    前記電極と前記セパレータとは、前記活物質層非形成部が前記セパレータにおける前記第一方向の端縁から突出するように積層され、
    前記活物質層非形成部は、該活物質層非形成部における前記セパレータの前記第一方向の端縁から突出している部位から該部位の広がる方向で且つ前記第一方向と直交する方向である第二方向に延びると共に、前記第一方向から見て前記端縁と重なる部位を有する延出部を備え
    前記活物質層非形成部の端縁は、前記突出している部位と前記延出部との境界位置で曲がっており、
    前記延出部における前記第一方向から見て前記セパレータの前記第一方向の端縁と重なる部位の前記セパレータ側の端縁は、前記曲がっている端縁において、前記突出している部位と前記延出部との境界位置に対して延出部側で隣接する部位である 、蓄電素子。
  2. 金属箔及び活物質層が重ねられる活物質層形成部と金属箔に活物質層が重ねられない活物質層非形成部とが第一方向に並ぶ電極と、
    前記第一方向の寸法が前記活物質層形成部より大きなセパレータと、を有する電極体を備え、
    前記電極と前記セパレータとは、前記活物質層非形成部が前記セパレータにおける前記第一方向の端縁から突出するように積層され、
    前記活物質層非形成部は、該活物質層非形成部における前記セパレータの前記第一方向の端縁から突出している部位から該部位の広がる方向で且つ前記第一方向と直交する方向である第二方向に延びると共に、前記第一方向から見て前記端縁と重なる部位を有する延出部を備え
    前記活物質層非形成部は、前記突出している部位と前記延出部との境界位置で曲がっている当該活物質層非形成部の端縁の前記境界位置を含む領域において前記金属箔に重ねられたコート層を有す る、蓄電素子。
  3. 金属箔及び活物質層が重ねられる活物質層形成部と金属箔に活物質層が重ねられない活物質層非形成部とが第一方向に並ぶ電極と、
    前記第一方向の寸法が前記活物質層形成部より大きなセパレータと、を有する電極体を備え、
    前記電極と前記セパレータとは、前記活物質層非形成部が前記セパレータにおける前記第一方向の端縁から突出するように積層され、
    前記活物質層非形成部は、該活物質層非形成部における前記セパレータの前記第一方向の端縁から突出している部位から該部位の広がる方向で且つ前記第一方向と直交する方向である第二方向に延びると共に、前記第一方向から見て前記端縁と重なる部位を有する延出部を備え
    前記セパレータは、平行若しくは略平行な一対の平坦部と、前記第一方向に延びるターン軸周りで方向転換するように前記一対の平坦部の端部同士を接続するターン部と、を含む折り返し部であって、前記第一方向と直交する前記第二方向の一方側が開放された第一の折り返し部と、前記第二方向の他方側が開放された第二の折り返し部と、を含む折り返し部を有すると共に、前記第一の折り返し部と前記第二の折り返し部とが交互に配置されたつづら折り状態であり、
    前記電極は、前記一対の平坦部の間に配置されると共に前記第一の折り返し部の内側と前記第二の折り返し部の内側とのそれぞれに配置され、
    前記延出部は、前記ターン部における前記第一方向の一方側の端縁より一方側に配置されてる、蓄電素子。
  4. 前記電極は、正極であり、
    前記電極体は、前記セパレータに重ねられ且つ該セパレータと共につづら折り状態である負極を有し、
    前記負極では、金属箔及び負極活物質層が重ねられる負極活物質層形成部と金属箔に負極活物質層が重ねられない負極活物質層非形成部とが前記第一方向に並び、
    前記負極活物質層形成部は、前記セパレータと重なっている、請求項に記載の蓄電素子。
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