JP7238971B2 - 二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
正極、負極および該正極と該負極との間に配置されたセパレータが巻回されている巻回型電極組立体および前記巻回の軸P方向の一端に配置される集電タブを含む二次電池であって、
前記巻回型電極組立体は、前記巻回の軸P方向の他端において、前記セパレータが前記正極および前記負極よりも延在しているセパレータ延在部を有し、
前記セパレータは、前記巻回の軸を通る断面視において、前記セパレータ延在部の少なくとも一部で、前記巻回の外周側に凸な屈曲形状を有している、二次電池に関する。
正極、負極および該正極と該負極との間に配置されたセパレータを巻回して得られる巻回型電極組立体において、前記セパレータが前記正極および前記負極よりも延在しているセパレータ延在部に、ヒータブロックを前記巻回の軸方向で接触させる成形工程を含む、二次電池の製造方法に関する。
本発明の二次電池は、当該二次電池内で電極が露出するリスクおよび外装体の構成部材間でセパレータが噛み込まれるリスクがより十分に低減されている。
本発明は二次電池を提供する。本明細書中、「二次電池」という用語は充電・放電の繰り返しが可能な電池のことを指している。「二次電池」は、その名称に過度に拘泥されるものではなく、例えば、「蓄電デバイス」などの電気化学デバイスも包含し得る。
本実施態様の二次電池100Aは、正極1、負極2および当該正極と当該負極との間に配置されているセパレータ3を含み、通常は電解質をさらに含む。本発明の二次電池は通常、正極1、負極2およびセパレータ3から構成されている電極組立体5および電解質(図示せず)が外装体6に封入されて構成されている。
また図2において、負極用集電タブ72は外装体6の内側に電気的に接続されているが、正極用集電タブ71または負極用集電タブ72の一方が外装体の内側に電気的に接続されていてもよい。このとき、外装体6は、その内側と接触する集電タブと同極性の極性を有する。外装体6が非導電性を有する場合には、新たな外部端子構造体を介して、外部に導出されてもよい。
電圧バランスの観点から、正極用集電タブ71が外部端子構造体8に電気的に接続され、負極用集電タブ72が外装体6の内側に電気的に接続されていることが好ましい。
正極1、負極2および該正極と該負極との間に配置されたセパレータ3を巻回し、巻回型電極組立体の前駆体を得る工程(巻回工程);
巻回型電極組立体の前駆体において、セパレータが正極および負極よりも延在しているセパレータ延在部に、ヒータブロックを巻回の軸方向で接触させ、巻回型電極組立体5を得る工程(成形工程);および
巻回型電極組立体5を外装体6に収容させつつ、集電タブを溶着し、外装体6内に電解質を注入する工程(組み立て工程)。
本工程においては、図3および図4に示すように、正極1、負極2および2枚の矩形状を有するセパレータ3を所定の順序で配置して巻回し、図5に示すような電極組立体の前駆体50を得る。巻回時において、セパレータ3に所定のテンションを印加することにより、セパレータ延在部300においてセパレータ3がその先端に向かって巻回軸Pに接近(または集束)する前駆体50が得られる。巻回時にセパレータ3に印加されるテンションは通常、0.1N以上 10N以下であり、集束の観点から好ましくは0.5N以上 3N以下である。電極組立体前駆体50のセパレータ延在部300において、セパレータ3の巻回軸P方向の長さ寸法xは、巻回方向において、巻回軸Pに向かっても、略同等の長さを維持している。図5は、本発明の第1実施態様に係る二次電池を構成する巻回型電極組立体の前駆体を説明するための模式的断面図である。「巻回型電極組立体の前駆体」とは、後述の成形工程においてボトム延在部を成形することにより巻回型電極組立体を得るための中間体または中間構造物を指すものとする。
本工程においては、図6に示すように、前駆体50において、セパレータ3が正極および負極よりも延在しているセパレータ延在部300に、ヒータブロック55を巻回の軸方向で接触させて、セパレータ延在部30を成形し、図7に示すような巻回型電極組立体5を得る。このとき、ヒータブロック55を、セパレータ延在部300が撓むまで、セパレータ延在部300に接触させる。これにより、セパレータ延在部300においてセパレータ3が適度に変形しつつ溶融するため、セパレータ延在部300の柔らかなシェーピング(すなわち、ソフトシェーピング(soft shaping))が可能となる。柔らかなシェーピングとは、柔軟性のある成形体を形造ることをいう。その結果として、セパレータ3が上記のような屈曲形状を有するボトム延在部30を備えた電極組立体5を得ることができる。得られるボトム延在部30は柔軟性のある成形体を含む。例えば、セパレータ延在部においてセパレータ3がその先端に向かって巻回軸Pに接近(または集束)するわけではない前駆体を用いても、セパレータ3が上記のような屈曲形状を有するボトム延在部30を形成することはできず、結果としてボトム延在部30として柔軟性のある成形体は得られない。また例えば、ヒータブロック以外のヒータ(例えば、ファンヒータ、電熱線等)を用いても、セパレータ3が上記のような屈曲形状を有するボトム延在部30を形成することはできず、結果としてボトム延在部30として柔軟性のある成形体は得られない。図6は、本発明の第1実施態様に係る二次電池を構成する巻回型電極組立体の製造方法(特に成形工程)を説明するための模式的断面図である。図7は、本発明の第1実施態様に係る二次電池を構成する巻回型電極組立体を説明するための模式的断面図である。
先の工程において得られた電極組立体5を外装体6に収容させつつ、集電タブ7を溶着し、外装体6内に電解質を注入する。外装体6が、後述のように、2つの部材(例えば蓋部61および本体部62)から構成される場合、例えば、電極組立体5の収容および集電タブ7の溶着を行い、当該2つの部材の溶接を行った後、電解質を注液口(図示せず)から注入し、注入口を封止プラグ(図示せず)で閉塞すればよい。集電タブ7の溶着、外装材6としての2つの部材の溶接、および封止プラグによる閉塞は、二次電池の分野で公知のあらゆる方法によって達成されてもよく、例えば、レーザー溶着法を用いてもよい。二次電池が、図2に示すように、電極組立体5と端子構造体8との絶縁を確保する観点から、スペーサー9を含む場合、電極組立体5の外装体6の収容時に、スペーサー9も収容させればよい。
正極1は少なくとも正極材層12および正極集電体(箔)11から構成されており、正極集電体11の少なくとも片面に正極材層が設けられていればよい。例えば、正極1は、正極集電体11の両面に正極材層12が設けられていてもよいし、または正極集電体11の片面に正極材層12が設けられていてもよい。二次電池のさらなる高容量化の観点から好ましい正極1は正極集電体11の両面に正極材層12が設けられている。正極集電体11は両面または片面の全面に正極材層を有さなければならないというわけではなく、通常は、正極集電体11の巻回軸P方向の両端部および当該巻回軸P方向に垂直な方向(すなわち巻回方向または長手方向)の両端部には、両面に正極材層が設けられていない部分を有する。正極集電体11は、両面に正極材層12が設けられている部分および片面のみに正極材層12が設けられている部分を含んでもよい。正極材層12には正極活物質が含まれている。
具体的な非水電解質の溶質としては、例えば、LiPF6およびLiBF4などのLi塩が好ましく用いられる。
本実施態様の二次電池100Bは、以下の特徴を有すること以外、第1実施態様の二次電池100Aと同様である。
セパレータ3は、図9に示すように、巻回の軸Pを通る断面視において、ボトム延在部30'の全体で、巻回の外周側n1に凸な屈曲形状を有しており、ボトム延在部30'として、柔軟性のある成形体を構成する。
本実施態様の二次電池100B(特に巻回型電極組立体5')においては、セパレータ3'は、上記したように、巻回の軸Pを通る断面視において、ボトム延在部30'の全体で、巻回の外周側n1に凸な屈曲形状を有するため、ボトム延在部30'の衝撃吸収性がより一層、向上する。
セパレータ3'における幅手方向rの長さ寸法が比較的短い端部から巻回を開始する。
図11は、本発明の第2実施態様に係る二次電池を構成する巻回型電極組立体の巻回方法を説明するための模式的斜視図である。
図12は、本発明の第2実施態様に係る二次電池を構成する巻回型電極組立体の前駆体を説明するための模式的断面図である。
2:負極
3:セパレータ
4:絶縁テープ
5:電極組立体
6:外装体
7:集電タブ
8:外部端子構造体
9:スペーサー
11:正極集電体
12:正極材層
21:負極集電体
22:負極材層
30:30':セパレータのボトム延在部
31:セパレータの本体部31
32:セパレータのトップ延在部
61:外装体蓋部
62:外装体本体部
80:導電性リベット部
81:外部ガスケット部
82:内部タブ
83:内部ガスケット部
100:100A:100B:二次電池
Claims (21)
- 正極、負極および該正極と該負極との間に配置されたセパレータが巻回されている巻回型電極組立体および前記巻回の軸P方向の一端に配置される集電タブを含む二次電池であって、
前記巻回型電極組立体は、前記巻回の軸P方向の他端において、前記セパレータが前記正極および前記負極よりも延在しているセパレータ延在部を有し、
前記セパレータは、前記巻回の軸を通る断面視において、前記セパレータ延在部の少なくとも一部で、前記巻回の外周側に凸な屈曲形状を有しており、
前記屈曲形状は、前記セパレータが、前記セパレータ延在部において、その先端に向かって、一旦、前記巻回の外周側に曲がった後、前記巻回の内周側に曲がっている形状である、二次電池。 - 前記屈曲形状は弓状に曲がる湾曲形状である、請求項1に記載の二次電池。
- 前記セパレータは、前記屈曲形状を有する前記セパレータ延在部および前記正極と前記負極との間に配置される本体部を含み、
前記セパレータは、前記軸Pを通る断面視において、前記セパレータ延在部で、内周側に曲がった後、該セパレータにおける前記セパレータ延在部と前記本体部との境界点Rよりも内周側に延びている、請求項1または2に記載の二次電池。 - 前記セパレータは、前記軸Pを通る断面視において、前記境界点Rよりも内周側に延びた後、さらに前記軸Pを通り越して延びている、請求項3に記載の二次電池。
- 前記セパレータは、前記軸Pを通る断面視において、前記セパレータ延在部で、内周側に曲がった後、さらに外周側に曲がっている、請求項1~4のいずれかに記載の二次電池。
- 前記セパレータは、前記屈曲形状を有する前記セパレータ延在部および前記正極と前記負極との間に配置される本体部を含み、
前記軸Pを通る断面視において、前記セパレータがさらに外周側に曲がっている部分は、前記軸Pを基準に、前記セパレータ延在部と前記本体部との境界点Rのある側とは反対側に配置されている、請求項5に記載の二次電池。 - 前記セパレータは、前記屈曲形状を有する前記セパレータ延在部および前記正極と前記負極との間に配置される本体部を含み、
前記セパレータは、前記セパレータ延在部と前記本体部との境界において、前記巻回の外周側に曲がっている、請求項1~6のいずれかに記載の二次電池。 - 前記セパレータにおける前記屈曲形状を有する前記セパレータ延在部は、前記本体部の軸方向長さMに対して2%以上、15%以下の軸方向長さm1を有する、請求項7に記載の二次電池。
- 前記巻回型電極組立体は、前記巻回の軸を通る断面視において、前記セパレータを複数で有し、
該複数のセパレータは、前記セパレータ延在部における前記屈曲形状を有する領域Kで前記巻回型電極組立体の前記軸P方向に相互に重なり合って配置されている、請求項1~8のいずれかに記載の二次電池。 - 前記巻回型電極組立体は、前記屈曲形状を有する前記セパレータ延在部に貼付された絶縁テープを有する、請求項1~9のいずれかに記載の二次電池。
- 前記セパレータは、前記屈曲形状を有する前記セパレータ延在部が衝撃吸収材となっている、請求項1~10のいずれかに記載の二次電池。
- 前記巻回型電極組立体、前記集電タブおよび電解質が外装体に封入されており、
前記外装体はハードケース型外装体である、請求項1~11のいずれかに記載の二次電池。 - 前記外装体は導電性ハードケース型外装体である、請求項12に記載の二次電池。
- 前記集電タブは正極用集電タブおよび負極用集電タブを含み、
前記正極用集電タブまたは前記負極用集電タブの一方は前記外装体の内側と電気的に接続され、
前記外装体は、前記内側と接触する集電タブと同極性の極性を有する、請求項13に記載の二次電池。 - 前記外装体は負極性を有する、請求項14に記載の二次電池。
- 前記電解質は非水電解質である、請求項12~15のいずれかに記載の二次電池。
- 前記正極および前記負極はリチウムイオンを吸蔵放出可能な電極である、請求項1~16のいずれかに記載の二次電池。
- 正極、負極および該正極と該負極との間に配置されたセパレータを巻回して得られる巻回型電極組立体の前駆体において、前記セパレータが前記正極および前記負極よりも延在しているセパレータ延在部に、ヒータブロックを前記巻回の軸方向で接触させる成形工程を含む、二次電池の製造方法。
- 前記ヒータブロックの成形工程において、前記ヒータブロックを、前記セパレータ延在部が撓むまで、前記セパレータ延在部に接触させる、請求項18に記載の二次電池の製造方法。
- 前記ヒータブロックは、前記セパレータを構成するポリマー材料の融点をMp(℃)としたとき、Mp-30℃以上、Mp+30℃以下の表面温度を有する、請求項18または19に記載の二次電池の製造方法。
- 請求項1~17のいずれかに記載の二次電池を製造する、請求項18~20のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
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