JP7236036B2

JP7236036B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP7236036B2
Application number: JP2019219876A
Authority: JP
Inventors: 和幸草間; 文彦石黒
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2023-03-09
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: JP2021089857A

Description

本発明は、二次電池に関する。詳しくは、正極および負極がセパレータを介在させつつ積層された積層構造を有する電極体を備える二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池（リチウム二次電池）、ナトリウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、既存の電池に比べて軽量且つエネルギー密度が高いことから、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電池として用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両の駆動用高出力電源としても好ましく用いられている。

この種の二次電池の一形態としては、シート状の正極（以下、「正極シート」という場合がある。）および負極（以下、「負極シート」という場合がある。）が、セパレータを介在させつつ相互に複数回重なり合った正負極積層構造を有する電極体（以下、「積層構造電極体」という場合がある。）を備えるものが挙げられる。例えば、長尺な正極シートと同じく長尺な負極シートをセパレータを間に介在させつつ重ね合わせて長尺方向に捲回し、扁平に成形したいわゆる捲回型電極体は、かかる正負極積層構造を有する電極体の典型例である。あるいは、矩形状の正負極シートをセパレータを介在させつつ複正負交互に所定の枚数を重ね合わせて形成したいわゆる積層電極体もこの種の正負極積層構造を有する電極体である。
ここで、正極シートは、正極集電箔の一部に正極活物質層を塗布することで形成されたものであり、負極シートは、負極集電箔の一部に負極活物質層を塗布することで形成されたものである。また、正極シートにおける正極活物質層非形成部分（以下、「正極集電箔露出部分」ともいう。）と負極シートにおける負極活物質層形成部分とが対向する領域において内部短絡が生じることがないように、該正極シートの該領域に絶縁部材を設けることがある（特許文献１を参照）。

そして、かかる積層構造電極体には、所定の一の幅方向において、該電極体の本体部分（即ち、正負極の積層構造部分、換言すれば正負極活物質層形成部分が対向しつつ積層された部分をいう。）の一方の端部には、積層された正極シートそれぞれにおける正極集電箔露出部分が積層方向に複数重なり合うようにして存在しており、同様に、該本体部分の上記幅方向における他方の端部には、積層された負極シートそれぞれにおける負極活物質層非形成部分（以下、「負極集電箔露出部分」ともいう。）が積層方向に複数重なり合うようにして存在している。そして、かかる集電箔露出部分を束ね（以下、「集箔」ともいう。）、対応する極の集電端子の一部を配置し、超音波溶接等の溶接手段により接合することで正負極それぞれの集電構造が形成されている。

特開２０１９－００３７８９号公報

ところで、二次電池の大容量化等を想定して活物質層が厚く形成された正負極シートを有する積層構造電極体（即ち、比較的厚く積層された正負極積層構造を構成する複数の正極シートのうち最外部に存在する正極シートの集箔角度が大きい電極体）を集箔する場合、該積層構造の最外部付近に存在する正極シートには、該積層構造の積層方向中央部（即ち、集箔位置に近い部分）に存在する正極シートよりも大きなテンションがかかり得る。そして、上記正極シートにより押圧されたセパレータが近接する負極の端部と大きく干渉することで該セパレータが損傷し得るため、上記電極体の正負極間で内部短絡が生じる虞があり、好ましくない。例えば、図６は、従来の正極集電箔積層部の集箔の態様を示す模式図であり、捲回電極体の捲回軸方向の正極集電箔１３２を集箔する側（以後、「集箔方向」ともいう。）において、正極シート１３０の正極集電箔露出部分１３６が負極シート１４０およびセパレータ１５０からはみ出た状態で積層された正極集電箔積層部１３５が存在する。そして、負極シート１４０の負極活物質層形成部分との内部短絡を防止するために、上記集箔方向において、正極シート１３０の正極集電箔露出部分１３６に絶縁層１１０が薄く形成されており、且つ、該絶縁層１１０の形成部位が近接する負極シート１４０の外方に至るまで伸びている。かかる絶縁層１１０を有する正極集電箔積層部１３５を積層方向のいずれかの部分に存在する集箔位置において集箔し、該正極集電箔積層部１３５と正極集電端子１３７とを超音波溶接装置のホーン１２０およびアンビル１２１で挟み込み、該ホーン１２０から該アンビル１２１方向に押し込み荷重をかけながら溶接を行うことで、正極集電構造が形成される。しかしながら、上記正極集電箔積層部１３５の集箔に際しては、該集電箔積層部１３５の最外部付近に存在する正極シート１３０ａに対して、該集電箔積層部１３５の積層方向中央部（即ち、集箔位置に近い部分）に存在する正極シートと比較して大きなテンションがかかり得るため、該正極シート１３０ａに押圧されたセパレータ１５０ａが近接する負極１４０ａの端部と大きく干渉する虞がある。これにより、上記セパレータ１５０ａが損傷することで電極体の正負極間で内部短絡が生じ得るため、好ましくない。なお、上述したように、特許文献１には、正極シートにおける上記領域に絶縁部材を設ける技術が開示されているが、かかる絶縁部材を最外部の集箔角度が大きい電極体の作製に活用する内容の開示はない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次電池の大容量化等を想定して活物質層が厚く形成された正負極シートを含む電極体を備えた二次電池を、安定的に供給することである。

上記目的を実現するべく、本発明は、正極集電箔上に正極活物質層が形成されたシート状正極と、負極集電箔上に負極活物質層が形成されたシート状負極とが、セパレータを介在させつつ複数重なり合って構成された正負極積層構造を有する電極体を備える二次電池を提供する。ここで開示される二次電池の上記電極体における所定の一の幅方向の両端部のうちの一方の端部には、上記正極活物質層が形成されていない正極集電箔露出部分が負極からはみ出た状態で積層された正極集電箔積層部が存在し、且つ、該両端部のうちの他方の端部には、上記負極活物質層が形成されていない負極集電箔露出部分が正極からはみ出た状態で積層された負極集電箔積層部が存在し、上記正負極集電箔積層部のうち少なくとも正極集電箔積層部において、積層方向のいずれかの部分に各集電箔露出部分が集箔される集箔位置が存在し、該集箔位置において集箔された該集電箔露出部分は対応する正極集電端子と接合されており、上記正極集電箔積層部のうち上記集箔位置から最も遠い位置にある正極シートの集電箔露出部分が集箔される際の集箔角度が３０°以上であり、上記幅方向における上記正極集電箔積層部が集箔される側において、上記正極シートの集電箔露出部分に絶縁層が形成されており、且つ、該絶縁層の形成部位は近接する上記負極の外方に至るまで上記幅方向に延びており、ここで、上記絶縁層は少なくとも上記最も遠い位置にある正極シートの集電箔露出部分が集箔された状態において、該絶縁層の端部と該端部に近接するセパレータおよび別の正極シートとの間に隙間が無くなるように形成されることを特徴とする。

かかる構成の二次電池においては、正極集電箔積層部のうち集箔位置から最も遠い位置に存在する正極シートの集電箔露出部分が集箔される際の集箔角度が緩和され得るため、該正極シートに対して（該集箔位置に近い部分に存在する正極シートと比較して）大きなテンションがかかりにくくなる。これにより、上記正極シートにより押圧されたセパレータと近接する負極の端部との干渉が弱くなることで、該セパレータが損傷する可能性が低減されるため、電極体の正負極間での内部短絡が生じにくくなる。

本実施形態に係る角型形状のリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。図１におけるII－II線断面図である。本実施形態に係る捲回電極体の構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態に係る正極集電箔積層部の集箔の態様を示す模式図である。図４における正極シートの集電箔露出部分に形成される絶縁層を示す模式図である。従来の正極集電箔積層部の集箔の態様を示す模式図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態ついて説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない電池の一般的な製造プロセス等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位に同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。

また、以下の実施形態においては、二次電池として捲回電極体を備えるリチウムイオン二次電池を例にして詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。例えば、正極シートと負極シートとがセパレータを介在させつつ相互に複数重なり合った積層構造を有する積層電極体等も好適に使用され得る。

図１は、本実施形態に係る角型形状のリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１中のII－II線断面図である。また、図３は、本実施形態に係る捲回電極体の構成を模式的に示す斜視図である。なお、これ以降に記載の「幅方向」とは、特に断りのない限り、捲回電極体の捲回軸方向を示すものとする。
図１および図２に示されるように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、直方体形状の角型の電池ケース１０と、該ケース１０の開口部１２を塞ぐ蓋体１４とを備える。また、電池ケース１０の内部には、上記開口部１２より収容された扁平形状の捲回電極体２０および電解質が配置されている。そして、上記蓋体１４には、外部接続用の外部正極集電端子３８と外部負極集電端子４８とが設けられており、外部集電端子３８、４８の一部はケース内部で正極集電端子３７または負極集電端子４７にそれぞれ接続されている。

次に、図２および図３を参照しながら、本実施形態に係る捲回電極体２０について説明する。図２に示されるように、捲回電極体２０は、長尺状の正極集電箔３２の表面に正極活物質層３４を有する正極シート３０、長尺シート状のセパレータ５０、長尺状の負極集電箔４２の表面に負極活物質層４４を有する負極シート４０から構成される。そして、図３に示されるように、捲回軸方向の方向での断面視において、正極シート３０及び負極シート４０は２枚のセパレータ５０を介して積層されており、正極シート３０、セパレータ５０、負極シート４０、セパレータ５０の順に積層されている。かかる積層物は、軸芯（図示しない）の周囲に筒状に捲回され、得られた捲回電極体２０を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。

また、図３に示されるように、本実施形態に係る捲回電極体２０は、その捲回軸方向の中心部に、正極集電箔３２の表面上に形成された正極活物質層３４と、負極集電箔４２の表面上に形成された負極活物質層４４とが重なり合って密に積層された部分を有する。また、上記捲回軸方向の一方の端部においては、正極活物質層３４が形成されずに正極集電箔３２が露出した部分（正極集電箔露出部分３６）がセパレータ５０および負極シート４０（あるいは、正極活物質層３４と負極活物質層４４との密な積層部分）からはみ出た状態で積層されている。即ち、上記電極体２０の端部には、正極集電箔露出部分３６が積層することで形成される正極集電箔積層部３５が存在する。また、電極体２０の他方の端部も同様に、負極集電箔露出部分４６が積層することで形成される負極集電箔積層部４５が存在する。なお、ここで開示される技術が好適に適用され得る対象となる電極体は、正極集電箔積層部における集箔位置から最も遠い位置に存在する正極シートの集電箔露出部分が集箔される際の集箔角度が３０°以上のものである。また、上記集箔角度は、４０°以上、５０°以上であり得る。なお、本実施形態に係る正負極の電極活物質、セパレータ、電解質、非水電解液等の構成は特に限定されず、従来公知のリチウムイオン二次電池に使用し得るものを好適に使用し得る。本発明は、正極集電箔積層部の集箔に関するものであるため、詳細の説明は割愛する。

続いて、図４および図５を参照しながら、本実施形態に係る正極集電箔積層部の集箔の態様について説明する。なお、図４および図５における絶縁層としては、絶縁性と、好ましくは耐熱性を有するものがよく、例えば、シリカやアルミナ等の無機フィラーが好適に使用され得る。

図４は、本実施形態に係る正極集電箔積層部の集箔の態様を示す模式図であり、図５は、図４における正極シートの集電箔露出部分に形成される絶縁層を示す模式図である。なお、以後の説明においては、幅方向のうち正極集電箔積層部３５が集箔される側のことを「集箔方向」と表記する。
図４に示されるように、集箔方向において正極シート３０の正極集電箔露出部分３６が負極シート４０およびセパレータ５０からはみ出た状態で積層された正極集電箔積層部３５が存在する。そして、負極シート４０の負極活物質層形成部分との内部短絡を防止するために、上記集箔方向において、正極シート３０の正極集電箔露出部分３６に絶縁層２１０が厚く形成されており、且つ、該絶縁層２１０の形成部位が近接する負極シート４０の外方に至るまで伸びている。かかる絶縁層２１０を有する正極集電箔積層部３５を積層方向のいずれかの部分に存在する集箔位置において集箔し、該正極集電箔積層部３５と正極集電端子３７とを超音波溶接装置のホーン２２０およびアンビル２２１で挟み込み、該ホーン２２０から該アンビル２２１方向に押し込み荷重をかけながら溶接を行うことで、正極集電構造が形成される。ここで、本実施形態に係る絶縁層２１０ａは、少なくとも正極シート３０ａの集電箔露出部分３６ａが集箔された状態では、図４中の線部Ｑにおいて、該絶縁層２１０ａの端部と該端部に近接するセパレータ５０ａ，５０ｂおよび別の正極シート３０ｂの間に隙間が無くなるように形成されることを特徴とする（前述した図６に示す正極集電箔積層部の集箔では、図６中の線部Ｐにおいて、絶縁層１１０ａの端部と該端部に近接するセパレータ１５０ａ，１５０ｂおよび別の正極シート１３０ｂとの間に隙間が生じていた）。この場合、上記正極集電箔積層部３５の集箔に際して、該正極集電箔積層部３５のうち集箔位置から最も遠い位置に存在する正極シート３０ａの正極集電箔露出部分３６ａが集箔される際の集箔角度が緩和され得るため、該正極シート３０ａに対して（上記集箔位置に近い部分に存在する正極シートと比較して）大きなテンションがかかりにくくなる。これにより、上記正極シート３０ａにより押圧されたセパレータ５０ａと近接する負極４０ａの端部との干渉が弱くなることで、該セパレータ５０ａが損傷する可能性が低減され得るため、電極体２０の正負極間で内部短絡が生じにくくなり、信頼性の高い二次電池を得ることが可能になる。

以上、本発明の好適な実施形態について図面を参照しつつ説明したが、より好適な絶縁層２１０としては、該絶縁層２１０の厚みが例えば２０μｍ以下（５～１８μｍ）であり、また、図５に示されるように、上記幅方向（即ち、捲回軸方向）において、正極シート３０の正極集電箔露出部分３６と負極シート４０の負極活物質層形成部分とが対向する部分の長さをＡ１、絶縁層２１０の長さをＡ２とすると、Ａ２／Ａ１≧１．３であるものが好ましく使用され得る。

以上、本発明をいくつかの好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、電池の種類は上述したリチウムイオン二次電池に限られず、電極体構成材料や電解質が異なる種々の内容の電池、例えばニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、或いは電気二重層キャパシタのようないわゆる物理電池であってもよい。また、電解質の種類も、上述した非水電解液に限定されず、水系電解液や、固体又はゲル状の電解質等であってもよい。

ここに開示される電池によると、上述のとおり、信頼性の高い電池（例えばリチウムイオン二次電池）を提供することができる。したがって、ここに開示される電池は、例えば、自動車等の車両に搭載される駆動用電源として好適に用いることができる。特にプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、等の駆動用電源として好適である。また、本発明によれば、ここに開示される電池（例えばリチウムイオン二次電池）を、好ましくは動力源（典型的には複数個の二次電池が相互に電気的に接続されてなる組電池）として備えた車両が提供される。

１０電池ケース
１２開口部
１４蓋体
２０捲回電極体
３０，３０ａ，３０ｂ正極シート（正極）
３２正極集電箔
３４正極活物質層
３５正極集電箔積層部
３６，３６ａ正極集電箔露出部分
３７正極集電端子
３８外部正極集電端子
４０，４０ａ負極シート（負極）
４２負極集電箔
４４負極活物質層
４５負極集電箔積層部
４６負極集電箔露出部分
４７負極集電端子
４８外部負極集電端子
５０，５０ａ，５０ｂセパレータ
１００リチウムイオン二次電池
１１０，１１０ａ絶縁層
１２０ホーン
１２１アンビル
１３０，１３０ａ，１３０ｂ正極シート（正極）
１３２正極集電箔
１３５正極集電箔積層部
１３６正極集電箔露出部分
１３７正極集電端子
１４０，１４０ａ負極シート（負極）
１５０，１５０ａ，１５０ｂセパレータ
２１０，２１０ａ絶縁層
２２０ホーン
２２１アンビル
Ｐ，Ｑ線部

Claims

正極集電箔上に正極活物質層が形成されたシート状正極と、負極集電箔上に負極活物質層が形成されたシート状負極とが、セパレータを介在させつつ複数重なり合って構成された正負極積層構造を有する電極体を備える二次電池であって、
前記電極体における所定の一の幅方向の両端部のうちの一方の端部には、前記正極活物質層が形成されていない正極集電箔露出部分が負極からはみ出た状態で積層された正極集電箔積層部が存在し、且つ、該両端部のうちの他方の端部には、前記負極活物質層が形成されていない負極集電箔露出部分が正極からはみ出た状態で積層された負極集電箔積層部が存在し、
前記正負極集電箔積層部のうち少なくとも正極集電箔積層部において、積層方向のいずれかの部分に各集電箔露出部分が集箔される集箔位置が存在し、該集箔位置において集箔された該集電箔露出部分は対応する正極集電端子と接合されており、
前記正極集電箔積層部のうちで前記集箔位置から最も遠い位置にある正極シートの集電箔露出部分が集箔される際の集箔角度が３０°以上であり、
前記幅方向における前記正極集電箔積層部が集箔される側において、前記正極シートの集電箔露出部分に絶縁層が形成されており、且つ、該絶縁層の形成部位は近接する前記負極の外方に至るまで前記幅方向に延びており、
ここで、前記絶縁層は少なくとも前記最も遠い位置にある正極シートの集電箔露出部分が集箔された状態において、該絶縁層の端部と該端部に近接するセパレータおよび別の正極シートとの間に隙間が無くなるように形成されている、二次電池。