JP7202338B2

JP7202338B2 - 電池

Info

Publication number: JP7202338B2
Application number: JP2020177173A
Authority: JP
Inventors: 修治小川; 貴史塚越; 一哉池下; 和樹平松
Original assignee: プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2023-01-11
Anticipated expiration: 2040-10-22
Also published as: EP3989321A1; US11936003B2; JP2022068475A; CN114388984A; US20220131197A1

Description

本開示は電池に関する。

特開２０１１－０９０９１７号公報（特許文献１）は巻回電極体を開示している。

特開２０１１－０９０９１７号公報

電極板およびセパレータが巻芯に巻き取られることにより、筒状の巻回電極体が形成される。巻回電極体から巻芯が引き抜かれた後、巻回電極体は扁平状に成形される。電池の仕様に応じて、巻回電極体は各種のサイズ、寸法を有し得る。例えば、巻径が小さい巻回電極体も求められている。巻径が小さい巻回電極体が扁平状に成形されることにより、高さ寸法が小さい巻回電極体が形成され得る。巻径は、巻芯の径によって調整され得る。巻芯の径が小さくなることにより、巻径が小さくなる。

本開示の目的は、小さい巻径に好適な巻回電極体を提供することである。

以下、本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし、本開示の作用メカニズムは、推定を含んでいる。作用メカニズムの正否は、特許請求の範囲を限定しない。

〔１〕電池は巻回電極体を含む。巻回電極体は扁平状の外形を有する。巻回電極体は、第１セパレータと正極板と第２セパレータと負極板とを含む。第１セパレータと正極板と第２セパレータと負極板とは、この順に積層され、さらに渦巻状に巻回されている。巻回電極体の巻回軸と直交する断面において、第１セパレータは、巻回電極体の最内周に、第１巻き始め端部を有する。第２セパレータは、巻回電極体の最内周に、第２巻き始め端部を有する。第１巻き始め端部は、巻回軸を挟んで、第２巻き始め端部と向かい合っている。第１巻き始め端部は、第２巻き始め端部から離れている。

図１は、巻回電極体の製造過程を示す第１概略図である。
巻回電極体には２枚のセパレータが使用される。すなわち、第１セパレータ１３１と第２セパレータ１３２とが使用される。以下、本明細書においては、第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２が「セパレータ」と総称される場合がある。

巻芯１７０は棒状の部材である。巻芯１７０は、紙面と垂直方向（ｘ軸方向）に延びている。巻芯１７０は、中心部に隙間を有する。セパレータが巻芯１７０の隙間に挟まれることにより、セパレータが固定される。セパレータの固定後、巻芯１７０が回転することにより、セパレータが巻き取られる。巻芯１７０の回転中、所定のタイミングで正極板（不図示）と負極板（不図示）とが、それぞれ第１セパレータ１３１と第２セパレータ１３２との間に挿入され、巻芯１７０に巻き取られる。

一般に、第１セパレータ１３１と第２セパレータ１３２とは、同一方向から巻芯１７０に挿入される。この場合、巻回電極体の最内周において、第１セパレータ１３１の先端が第２セパレータ１３２の先端と重なることになる。

図２は、巻回電極体の製造過程を示す第２概略図である。
本開示の巻き取り方法においては、第１セパレータ１３１の挿入方向が、第２セパレータ１３２の挿入方向と反対である。本開示の巻き取り方法によれば、巻回電極体の最内周において、第１セパレータ１３１の先端が第２セパレータ１３２の先端と重ならない構造が可能となる。

図３は、巻回電極体の製造過程を示す第３概略図である。
巻き取り後、巻回電極体１５０から巻芯１７０が引き抜かれる。さらにプレス加工により巻回電極体１５０が扁平状に成形される。巻回電極体１５０の最内周において、第１セパレータ１３１の先端と、第２セパレータ１３２の先端とが向かい合っている。そのためプレス加工時に、第１セパレータ１３１の先端と、第２セパレータ１３２の先端とが接触する可能性がある。その結果、第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２の少なくとも一方の先端に、折れ重なった部分が生じる可能性がある。最内周においてセパレータが折れ重なることにより、例えば、巻回電極体１５０の厚さ寸法（図３中のｚ軸方向の寸法）が過大になる可能性がある。

巻回電極体１５０の巻径が小さくなる程、第１セパレータ１３１の先端が第２セパレータ１３２の先端と近接する。そのためプレス加工時に、第１セパレータ１３１の先端が第２セパレータ１３２の先端と接触しやすくなる傾向がある。

本開示においては、第１セパレータ１３１の先端が第２セパレータ１３２の先端と接触しないように、プレス加工が実施される。その結果、成形後の巻回電極体１５０の最内周においては、第１セパレータ１３１の先端（第１巻き始め端部）が、第２セパレータ１３２の先端（第２巻き始め端部）から離れた状態になる。これにより、最内周におけるセパレータの折れ重なりが回避され、小さい巻径の巻回電極体１５０が安定して製造され得る。

〔２〕第１セパレータおよび第２セパレータの各々は、例えば、２０μｍ以下の厚さと、１８ｍｍ以上の剛性指数とを有していてもよい。剛性指数は、３０ｃｍの長さを有するセパレータが、折り目がつかないように折り返され、かつ両端を合わせて台に置かれた時の、台の表面からの高さを示す。

２０μｍ以下の厚さを有するセパレータは、剛性が低い傾向がある。セパレータの剛性が低い時、図３において、上側のセパレータ（第１セパレータ１３１）が下方に垂れ下がりやすくなり、第１セパレータ１３１が第２セパレータ１３２と接触しやすくなる。薄いセパレータであっても、一定以上の剛性があれば、セパレータの垂れ下がりが抑えられる傾向がある。すなわち、剛性指数が１８ｍｍ以上であることにより、セパレータの垂れ下がりが抑えられる傾向がある。

〔３〕第１巻き始め端部から第２巻き始め端部までの距離は、例えば１０ｍｍから４４ｍｍであってもよい。

〔４〕本開示の巻回電極体の構造は、例えば次のように特定されてもよい。
すなわち、巻回軸と直交する断面において、巻回電極体が長手方向に４等分されることにより、第１領域と第２領域と第３領域と第４領域とに区分される。長手方向において、第１領域と第２領域と第３領域と第４領域とは、この順に並んでいる。第１セパレータは、第２領域内で巻き始まり、かつ第３領域内で巻き終わっている。第２セパレータは、第３領域内で巻き始まり、かつ第３領域内で巻き終わっている。正極板は、第２領域内で巻き始まり、かつ第２領域内で巻き終わっている。負極板は、第３領域内で巻き始まり、かつ第２領域内で巻き終わっている。

〔５〕巻回軸と直交する断面において、巻回電極体の輪郭線上の最も離れた２点間の距離は、例えば５９ｍｍ以下であってもよい。

本開示において、当該寸法は「高さ寸法」とも記される。なお本開示において、高さ寸法を規定する直線と直交する方向において、巻回電極体の輪郭線上の最も離れた２点間の距離は「厚さ寸法」とも記される。

図１は、巻回電極体の製造過程を示す第１概略図である。図２は、巻回電極体の製造過程を示す第２概略図である。図３は、巻回電極体の製造過程を示す第３概略図である。図４は、本実施形態における電池の構成の一例を示す概略図である。図５は、本実施形態における巻回電極体を示す概略図である。図６は、本実施形態における巻回電極体を示す概略断面図である。図７は、セパレータの厚さと、剛性指数との関係の一例を示すグラフである。図８は、剛性指数の測定方法を示す概略断面図である。

以下、本開示の実施形態（以下「本実施形態」とも記される。）が説明される。ただし、以下の説明は、特許請求の範囲を限定しない。

本明細書における幾何学的な用語（例えば「直交」等）は、厳密な意味に解されるべきではない。例えば「直交」は、厳密な意味での「直交」から多少ずれていてもよい。本明細書における幾何学的な用語は、例えば、設計上、作業上、製造上等の公差、誤差等を含み得る。

各図中の寸法関係は、実際の寸法関係と一致しない場合がある。本開示の理解を助けるために、各図中の寸法関係（長さ、幅、厚さ等）が変更されている場合がある。

本明細書において、例えば「１０ｍｍから４４ｍｍ」等の数値範囲は、特に断りのない限り、上限値および下限値を含む。例えば「１０ｍｍから４４ｍｍ」は、「１０ｍｍ以上４４ｍｍ以下」の数値範囲を示す。また、数値範囲内から任意に選択された数値が、新たな上限値および下限値とされてもよい。例えば、数値範囲内の数値と、本明細書中の別の部分に記載された数値とが任意に組み合わされることにより、新たな数値範囲が設定されてもよい。

＜電池＞
図４は、本実施形態における電池の構成の一例を示す概略図である。
電池１００は、任意の電池であり得る。電池１００は、例えばリチウムイオン電池等であってもよい。電池１００は、任意の用途で使用され得る。電池１００は、例えば、電動車両において、主電源または動力アシスト用電源として使用されてもよい。複数個の電池１００（単電池）が連結されることにより、電池モジュールまたは組電池が形成されてもよい。

電池１００は外装体１９０を含む。外装体１９０は金属製の容器である。外装体１９０は角形（扁平直方体）である。ただし外装体１９０は任意の形態を有し得る。外装体１９０は、例えばアルミラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。

外装体１９０は、巻回電極体１５０および電解質（不図示）を収納している。巻回電極体１５０は、正極集電部材１８１によって正極端子１９１に接続されている。巻回電極体１５０は、負極集電部材１８２によって負極端子１９２に接続されている。電解質は、例えば、液体電解質（電解液、イオン液体）であってもよいし、ゲル電解質であってもよい。

《巻回電極体》
図５は、本実施形態における巻回電極体を示す概略図である。
巻回電極体１５０は、扁平状の外形を有する。巻回電極体１５０は、第１セパレータ１３１と正極板１１０と第２セパレータ１３２と負極板１２０とを含む。第１セパレータ１３１と正極板１１０と第２セパレータ１３２と負極板１２０とは、いずれも帯状のシートである。第１セパレータ１３１と正極板１１０と第２セパレータ１３２と負極板１２０とは、この順に積層されている。第１セパレータ１３１と正極板１１０と第２セパレータ１３２と負極板１２０とからなる積層体は、巻回軸１０の周りに渦巻状に巻回されている。

正極板１１０は、例えば、金属箔の表面に正極活物質が配置されることにより形成され得る。正極板１１０は、例えば５０μｍから１００μｍの厚さを有していてもよい。負極板１２０は、例えば、金属箔の表面に負極活物質が配置されることにより形成され得る。負極板１２０は、例えば５０μｍから１００μｍの厚さを有していてもよい。なお本明細書においては、正極板および負極板が「電極板」と総称される場合がある。セパレータの材質等については後述される。

図６は、本実施形態における巻回電極体を示す概略断面図である。
図６には、巻回軸１０と直交する断面が示されている。巻回軸１０は紙面と垂直方向（ｘ軸方向）に延びている。第１セパレータ１３１は、巻回電極体１５０の最内周に第１巻き始め端部Ｓ１を有する。第２セパレータ１３２は、巻回電極体１５０の最内周に第２巻き始め端部Ｓ２を有する。第１巻き始め端部Ｓ１は、巻回軸１０を挟んで、第２巻き始め端部Ｓ２と向かい合っている。第１巻き始め端部Ｓ１は第２巻き始め端部Ｓ２から離れている。本実施形態においては、第１巻き始め端部Ｓ１および第２巻き始め端部Ｓ２において、セパレータの折れ重なりが発生し難いことが期待される。

なお図６においては、作図の便宜上、ｙ軸方向における、第１巻き始め端部Ｓ１の位置が、第２巻き始め端部Ｓ２の位置と異なっている。実際上、ｙ軸方向における、第１巻き始め端部Ｓ１の位置は、第２巻き始め端部Ｓ２の位置と実質的に同一になり得る。また図６においては、作図および説明の便宜上、電極板およびセパレータの一部が省略されている。図６中の巻回数は一例である。巻回電極体１５０は、任意の巻回数を有し得る。

《離間距離》
本実施形態において、第１巻き始め端部Ｓ１から第２巻き始め端部Ｓ２までの距離は、「離間距離ｄ」とも記される。離間距離ｄが大きい程、最内周におけるセパレータの折れ重なりが発生し難いと考えられる。本実施形態において、離間距離ｄは０ｍｍ超である。離間距離ｄは、例えば５ｍｍ以上であってもよい。離間距離ｄは、例えば１０ｍｍ以上であってもよい。離間距離ｄが過大になると、例えば、巻回電極体１５０の成形性、厚さ寸法ｔ等に影響が出る可能性がある。離間距離ｄは、例えば４４ｍｍ以下であってもよい。

離間距離ｄは、次の手順により測定され得る。すなわち、巻回電極体１５０が樹脂に包埋される。樹脂は、例えばエポキシ樹脂等であってもよい。樹脂に包埋された巻回電極体１５０が切断されることにより、断面試料が準備される。断面試料は、巻回軸１０と直交する断面（図６）を含む。光学顕微鏡により、巻回電極体１５０の最内周において離間距離ｄが測定される。

《各部材の巻き始め位置、および巻き終わり位置》
図６の巻回電極体１５０は、第１領域１５１と第２領域１５２と第３領域１５３と第４領域１５４とを含む。第１領域１５１と第２領域１５２と第３領域１５３と第４領域１５４とは、長手方向（図６のｚ軸方向）に、巻回電極体１５０が４等分されることにより区分される。長手方向において、第１領域１５１と第２領域１５２と第３領域１５３と第４領域１５４とは、この順に並んでいる。

第１領域１５１と第２領域１５２と第３領域１５３と第４領域１５４とは、連続している。第１領域１５１および第４領域１５４の各々は、長手方向の両端に位置する。第１領域１５１および第４領域１５４の各々は、湾曲部（Ｒ部、コーナー部）を含む。湾曲部においては、電極板およびセパレータが湾曲面を有している。第２領域１５２と第３領域１５３との境界に巻回軸１０が位置する。第２領域１５２および第３領域１５３は、平坦部を含む。平坦部においては、電極板およびセパレータが平坦面を有している。

第１セパレータ１３１は、第２領域１５２内で巻き始まり、かつ第３領域１５３内で巻き終わっている。すなわち第１セパレータ１３１は、第２領域１５２内に第１巻き始め端部Ｓ１を有する。第１セパレータ１３１は、第３領域１５３内に第１巻き終わり端部Ｅ１を有する。

第２セパレータ１３２は、第３領域１５３内で巻き始まり、かつ第３領域１５３内で巻き終わっている。すなわち第２セパレータ１３２は、第３領域１５３内に第２巻き始め端部Ｓ２を有する。第２セパレータ１３２は、第３領域１５３内に第２巻き終わり端部Ｅ２を有する。第２巻き終わり端部Ｅ２は、例えば粘着テープ１４０により固定されていてもよい。

正極板１１０は、第２領域１５２内で巻き始まり、かつ第２領域１５２内で巻き終わっている。すなわち正極板１１０は、第２領域１５２内に第３巻き始め端部Ｓ３を有する。正極板１１０は、第２領域１５２内に第３巻き終わり端部Ｅ３を有する。

負極板１２０は、第３領域１５３内で巻き始まり、かつ第２領域１５２内で巻き終わっている。すなわち負極板１２０は、第３領域１５３内に第４巻き始め端部Ｓ４を有する。負極板１２０は、第２領域１５２内に第４巻き終わり端部Ｅ４を有する。

《高さ寸法》
巻回電極体１５０は、例えば５９ｍｍ以下の高さ寸法ｈを有していてもよい。巻回電極体１５０は、例えば５６ｍｍから５９ｍｍの高さ寸法ｈを有していてもよい。図６中、高さ寸法ｈは、巻回電極体１５０の輪郭線上の最も離れた２点間の距離を示す。

高さ寸法ｈを規定する直線と直交する方向において、巻回電極体１５０の輪郭線上の最も離れた２点間の距離が「厚さ寸法ｔ」である。巻回電極体１５０の最内周においてセパレータの折れ重なりが発生すると、厚さ寸法ｔが過大になる可能性がある。

《セパレータ》
第１セパレータ１３１と第２セパレータ１３２とは、実質的に同一の「材質、寸法、物性」を有していてもよい。第１セパレータ１３１と第２セパレータ１３２とは、互いに異なる「材質、寸法、物性」を有していてもよい。

セパレータは、例えば、ポリオレフィン製であってもよい。セパレータは、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）製であってもよいし、ポリプロピレン（ＰＰ）製であってもよい。セパレータは単層構造を有していてもよい。セパレータは、例えば、ＰＥ層からなっていてもよい。セパレータは多層構造を有していてもよい。セパレータは、例えば、ＰＰ層とＰＥ層とＰＰ層とを含んでいてもよい。ＰＰ層とＰＥ層とＰＰ層とはこの順に積層されていてもよい。

セパレータは、例えば、２０μｍ以下の厚さを有していてもよいし、１８μｍ以下の厚さを有していてもよいし、１６μｍ以下の厚さを有していてもよい。セパレータは、例えば、１６μｍから２０μｍの厚さを有していてもよい。すなわち、第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２の各々は、２０μｍ以下の厚さを有していてもよい。

例えば、出力および容量の向上を目的として、薄いセパレータの使用が求められることもある。セパレータが薄くなる程、剛性が低くなる傾向がある。セパレータの剛性が低くなると、巻回電極体１５０から巻芯１７０が引き抜かれた時、セパレータが垂れ下がりやすい傾向がある。セパレータが垂れ下がると、プレス加工時にセパレータの折れ重なりが発生しやすくなる傾向がある。

図７は、セパレータの厚さと、剛性指数との関係の一例を示すグラフである。
図７中、セパレータが薄くなる程、剛性指数が小さくなる傾向がみられる。剛性指数は、セパレータの剛性の指標である。剛性指数が大きい程、セパレータの剛性が高いと評価される。セパレータは、例えば９ｍｍから２５ｍｍの剛性指数を有していてもよい。セパレータは、例えば１７．２ｍｍから１９．２ｍｍの剛性指数を有していてもよい。セパレータの剛性指数が１８ｍｍ以上である時、セパレータが垂れ下がり難い傾向がある。第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２の各々は、１８ｍｍ以上の剛性指数を有していてもよい。第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２の各々は、例えば１８ｍｍから２１ｍｍの剛性指数を有していてもよい。第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２の各々は、例えば１８ｍｍから１９．２ｍｍの剛性指数を有していてもよい。剛性指数は次の手順により測定される。

図８は、剛性指数の測定方法を示す概略断面図である。
セパレータが切断されることにより、試料片１が準備される。試料片１は３個以上準備される。試料片１は矩形状の平面形状を有する。試料片１は３０ｃｍの長さ寸法を有する。長さ寸法を規定する直線と直交する方向の寸法は、例えば１００ｍｍから１３０ｍｍであってもよい。所定の台２が準備される。台２は平坦な表面を有する。試料片１が台２の表面に置かれる。試料片１に折り目がつかないように、試料片１が１８０度折り返される。試料片１の長さ方向の両端が合わされる。試料片１が折り返された部分において、台２の表面からの高さが測定される。該高さが剛性指数である。３個以上の試料片１において、剛性指数がそれぞれ測定される。３個以上の剛性指数の算術平均が、対象セパレータの剛性指数とみなされる。剛性指数（単位ｍｍ）は、小数第１位まで有効である。小数第２位以下は四捨五入される。

《巻き取り試験》
下記表１に示されるＮｏ．１からＮｏ．７の巻回電極体１５０が製造される。本試験においては、下記表１に示されるように「セパレータの厚さ」、「セパレータの剛性指数」、「離間距離ｄ」が、最内周におけるセパレータの折れ重なりに及ぼす影響が確認される。本試験において、第１セパレータ１３１は、第２セパレータ１３２と同一の厚さおよび剛性指数を有する。

Ｎｏ．１からＮｏ．３において、離間距離ｄが小さい時、セパレータが薄く、剛性指数が小さくなると、セパレータの折れ重なりが発生しやすい傾向がみられる。

Ｎｏ．４からＮｏ．７において、離間距離ｄが大きい時、セパレータの剛性指数が小さくても、セパレータの折れ重なりが発生し難い傾向がみられる。

本実施形態は全ての点で例示である。本実施形態は制限的なものではない。例えば、本実施形態から、任意の構成が抽出され、それらが任意に組み合わされることも、当初から予定されている。

特許請求の範囲の記載に基づいて定められる技術的範囲は、特許請求の範囲の記載と均等の意味における全ての変更を包含する。さらに、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる技術的範囲は、特許請求の範囲の記載と均等の範囲内における全ての変更も包含する。

１試料片、２台、１０巻回軸、１００電池、１１０正極板、１２０負極板、１３１第１セパレータ、１３２第２セパレータ、１４０粘着テープ、１５０巻回電極体、１５１第１領域、１５２第２領域、１５３第３領域、１５４第４領域、１７０巻芯、１８１正極集電部材、１８２負極集電部材、１９０外装体、１９１正極端子、１９２負極端子、Ｓ１第１巻き始め端部、Ｓ２第２巻き始め端部、Ｅ１第１巻き終わり端部、Ｅ２第２巻き終わり端部、Ｅ３第３巻き終わり端部、Ｅ４第４巻き終わり端部、ｄ離間距離、ｈ高さ寸法、ｔ厚さ寸法。

Claims

巻回電極体を含み、
前記巻回電極体は、扁平状の外形を有し、
前記巻回電極体は、第１セパレータと正極板と第２セパレータと負極板とを含み、
前記第１セパレータと前記正極板と前記第２セパレータと前記負極板とは、この順に積層され、さらに渦巻状に巻回されており、
前記巻回電極体の巻回軸と直交する断面において、
前記第１セパレータは、前記巻回電極体の最内周に、第１巻き始め端部を有し、
前記第２セパレータは、前記巻回電極体の前記最内周に、第２巻き始め端部を有し、
前記第１巻き始め端部は、前記巻回軸を挟んで、前記第２巻き始め端部と向かい合っており、
前記第１巻き始め端部は、前記第２巻き始め端部から離れており、
前記第１セパレータおよび前記第２セパレータの各々は、
２０μｍ以下の厚さと、
１８ｍｍ以上の剛性指数と
を有し、
前記剛性指数は、３０ｃｍの長さを有するセパレータが、折り目がつかないように折り返され、かつ両端を合わせて台に置かれた時の、前記台の表面からの高さを示す、
電池。
前記第１巻き始め端部から前記第２巻き始め端部までの距離は、１０ｍｍから４４ｍｍである、
請求項１に記載の電池。
前記巻回軸と直交する前記断面において、
前記巻回電極体が長手方向に４等分されることにより、第１領域と第２領域と第３領域と第４領域とに区分され、
前記長手方向において、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域と前記第４領域とは、この順に並んでおり、
前記第１セパレータは、前記第２領域内で巻き始まり、かつ前記第３領域内で巻き終わっており、
前記第２セパレータは、前記第３領域内で巻き始まり、かつ前記第３領域内で巻き終わっており、
前記正極板は、前記第２領域内で巻き始まり、かつ前記第２領域内で巻き終わっており、
前記負極板は、前記第３領域内で巻き始まり、かつ前記第２領域内で巻き終わっている、
請求項１または請求項２に記載の電池。
前記巻回軸と直交する前記断面において、
前記巻回電極体の輪郭線上の最も離れた２点間の距離は５９ｍｍ以下である、
請求項３記載の電池。