JPWO2017010046A1 - 捲回型電池 - Google Patents

Abstract

捲回型電池は、発電要素と、発電要素を収容する電池ケースと、を具備し、発電要素は、第１電極と、第１電極とは極性が異なる第２電極と、第１電極と第２電極との間に介在するセパレータと、電解質と、を具備し、第１電極と第２電極とがセパレータを介して捲回されて、第１端面およびその反対側の第２端面を有する電極群を形成しており、第１電極は、第１集電体シートと、第１集電体シートの表面に形成された第１活物質層と、を具備し、第１電極には、第１集電リードが接続されており、第２電極は、第２集電体シートと、第２集電体シートの表面に形成された第２活物質層と、を具備し、第２電極には、第２集電リードが接続されており、第１電極の第１端面に配される端部および／または第１電極の第２端面に配される端部のうち、少なくとも電極群の最外周に配置される捲き終わり部分が切り欠かれている。

Description

本発明は、捲回型電池に関し、特に外径の小さな円筒型の金属缶を具備する捲回型電池に関する。

近年、ポータブル機器の高性能化が目覚しく進展している。このようなポータブル機器の電源は、小型かつ高容量であることが望まれる。一方、高容量電池の製造は、電池が小型化するほど困難になる。

特許文献１は、小型円筒型の金属缶と、その開口部を密閉する封口部材とを備える電池を教示している。金属缶には、捲回型の電極群が収容されている。電極群は、第一および第二電極を含み、電極間にはセパレータが介在している。電極群の端面には、セパレータが突出しており、極性の異なる電極と電池缶との接触や、一方の電極の端部と他方の電極の端部との短絡を防止している。

国際公開公報第２０１２／１１１０６１号パンフレット

直径の小さな電極群の場合、電極群の最外周に配置される電極であっても、曲率半径が非常に小さくなる。そのため、電極群の最外周に配置される電極および／またはセパレータの捲き終わり部分では、内周と外周の曲率差により、想定外の位置ずれが発生することがある。また、電極群の最外周では、捲回軸方向への位置ずれや、セパレータの折れ曲がりも生じやすい。そのため、電極群の端面近傍では、内部短絡が発生する確率が高くなる。

上記に鑑み、本開示の一局面は、発電要素と、発電要素を収容する電池ケースと、を具備し、発電要素は、第１電極と、第１電極とは極性が異なる第２電極と、第１電極と第２電極との間に介在するセパレータと、電解質と、を具備する。第１電極と第２電極とがセパレータを介して捲回されて、第１端面およびその反対側の第２端面を有する電極群を形成しており、第１電極は、第１集電体シートと、第１集電体シートの表面に形成された第１活物質層と、を具備する。第１電極には、第１集電リードが接続されており、第２電極は、第２集電体シートと、第２集電体シートの表面に形成された第２活物質層と、を具備し、第２電極には、第２集電リードが接続されており、第１電極の第１端面に配される端部および第１電極の第２端面に配される端部の少なくとも一方は、電極群の最外周に配置される捲き終わり部分が、切り欠かれている、捲回型電池に関する。

本開示によれば、小型かつ内部短絡が発生しにくい捲回型電池を得ることができる。

図１は、第１未塗工部に第１集電リードが接続された第１電極を概略的に示す図であり、（ａ）は第１未塗工部に第１集電リードが接続された第１電極を概略的に示す平面図、（ｂ）はそのIb−Ib線断面図である。 図２は、セパレータが折れ曲がった場合の第１電極の端部の捲き終わり部分とセパレータとの位置関係を示す図である。 図３は、第１電極に形成された切り欠きの寸法の説明図である。 図４は、切り欠きの形状のバリエーションを示す図である。 図５は、第１未塗工部に第１集電リードが接続され、第１未塗工部が絶縁層で覆われた第１電極を概略的に示す図であり、（ａ）は第１未塗工部に第１集電リードが接続され、第１未塗工部が絶縁層で覆われた第１電極を概略的に示す平面図、（ｂ）はそのIIb−IIb線断面図である。 図６は、電極群の第１端面側から見た第１電極の捲き終わり部分で、外周側の絶縁層が電極群の中心側に引っ張られている状態を示す図である。 図７は、第２未塗工部に第２集電リードが接続された第２電極を概略的に示す図であり、（ａ）は第２未塗工部に第２集電リードが接続された第２電極を概略的に示す平面図、（ｂ）はそのIIIb−IIIb線断面図である。 図８は、捲回前の電極群の構成を概略的に示す平面図である。 図９は、捲回前の電極群の別の構成を概略的に示す平面図である。 図１０は、本発明の一実施形態に係る円筒型電池の縦断面図である。

本開示に係る捲回型電池は、発電要素と、発電要素を収容する電池ケースと、を具備し、発電要素は、第１電極と、第１電極とは極性が異なる第２電極と、第１電極と第２電極との間に介在するセパレータと、電解質と、を具備する。第１電極と第２電極は、セパレータを介して捲回されて、第１端面およびその反対側の第２端面を有する電極群を形成している。

第１電極は、第１集電体シートと、第１集電体シートの表面に形成された第１活物質層とを具備する。第１電極には、第１集電リードが接続されている。第２電極は、第２集電体シートと、第２集電体シートの表面に形成された第２活物質層とを具備する。第２電極には、第２集電リードが接続されている。

第１電極の第１端面に配される端部および第１電極の第２端面に配される端部の少なくとも一方のうち、少なくとも電極群の最外周に配置される捲き終わり部分には、切り欠きが形成されている。電極群の最外周に配置される一方の電極に、このような切り欠きが形成されることで、電極および／またはセパレータの捲き終わり部分で内周と外周の曲率差に起因する位置ずれ、捲回軸方向の捲きずれ、セパレータの折曲がりなどが発生した場合でも、電極群の端面の近傍では、両電極の間にセパレータが介在する確率が高くなり、内部短絡が抑制される。

電池ケースは、例えば、有底筒状の金属缶と、金属缶の開口を塞ぐ封口部材と、を具備する。この場合、第１集電リードおよび第２集電リードのうち、一方は、封口部材に電気的に接続され、他方は、金属缶の内面に電気的に接続される。電気的な接続としては溶接が望ましい。ただし、第１電極に形成される切り欠きの重要性は、第１集電リードが封口部材に電気的に接続され、第２集電リードが金属ケースの内面に電気的に接続されている場合に、特に大きくなる。この場合、第１電極は、金属缶とは異なる極性を有するため、金属缶の内面と、第１電極の端部との接触を防止することが重要となる。電極群の端面に配される第１電極の端部のうち、電極群の最外周に配置される捲き終わり部分を切り欠くことで、捲き終わり部分が金属缶の内面に接触しにくくなる。

電極群の端面側から見た切り欠きの長さは、特に限定されない。電極の製造の容易さと短絡防止効果との兼ね合いから、例えば、第１電極の最外周に配置される部分の長さの１％以上であればよく、１００％以下であればよい。短絡防止の十分な効果を得る観点からは、切り欠きの長さは、第１電極の最外周に配置される部分の長さの３％以上が好ましく、５％以上が更に好ましい。また、切り欠きを形成するための金型の製造の容易さを考慮すると、５０％以下が好ましく、３０％以下が更に好ましい。

切り欠きの形状は、特に限定されないが、切り欠きを形成するプロセスの容易さを考慮すると、矩形であることが望ましい。

電極群の第１端面が、金属缶の開口側に配置される場合、第１集電リードは、第１端面から開口側に向かって延在させればよい。これにより、第１集電リードを封口部材に電気的に接続しやすくなる。

このとき、第１集電体シートは、電極群の第１端面に配される端部に、両方の表面に第１活物質層を有さない第１未塗工部を有することが好ましい。第１集電リードは、第１未塗工部に接続される。これにより、第１集電体シートの捲回軸方向に対して垂直な方向における端部に、第１集電リードを接続するための未塗工部を設ける必要がなくなり、電極群の直径の不要な増大を避けることができる。この場合、少なくとも第１未塗工部の捲き終わり部分が、切り欠かれる。第１未塗工部では、第１集電体シートが露出しているため、位置ずれによる短絡を抑制する重要性が大きいからである。

第１未塗工部には、第１未塗工部のエッジ面を覆うとともに、切り欠きを内包するように、第１未塗工部の両側の表面を覆う絶縁層が形成されることが望ましい。絶縁層が存在することで、位置ずれによる短絡の発生が更に抑制される。

絶縁層は、絶縁シートと、絶縁シートの一方の面に設けられた粘着層とを有する絶縁テープであることが好ましい。このような絶縁テープを用いると、第１未塗工部を絶縁層で被覆する作業が容易となり、製造コストを低減できる。絶縁テープを用いる場合、第１未塗工部のエッジ面が覆われるように、第１未塗工部を絶縁テープで裏表両側から挟み込めばよい。

絶縁層は、第１未塗工部のエッジ面から張り出していることが望ましい。これにより、内部短絡の発生確率が更に低減するとともに、第１集電リードの根本（第１未塗工部の端面近傍部分）が絶縁層で固定され、第１集電リードの動きが抑制される。これにより、第１集電リードが真っ直ぐ上方に向くように拘束され、第１集電リードによる内部短絡のリスクが低減する。絶縁層は、第１端面に配される第１電極の全長に沿って、第１未塗工部のエッジ面から張り出していることが望ましい。

電極群の第１端面においては、セパレータの端部が、第１未塗工部のエッジ面よりも突出していることが好ましい。これにより、内部短絡のリスクを更に低減することができる。また、第１未塗工部の端部は、第２集電体シートの端部よりも突出していることが好ましい。これにより、第１未塗工部と第１集電リードとの強固な接続が可能となる。

第１端面において、絶縁層が第１未塗工部のエッジ面から張り出している場合には、セパレータの端部は、第１未塗工部のエッジ面より第１端面側に突出している必要はない。ただし、セパレータの端部は、切り欠きの捲き終わり側の最端部よりも、第１端面側に突出していることが望ましい。切り欠きの捲き終わり側の最端部は、最も位置ずれの影響を受けやすく、内部短絡の原因になりやすいからである。

第１集電リードの根本を固定する観点からは、必ずしも第１未塗工部の全体を絶縁層で被覆する必要はない。ただし、少なくとも第１集電リードと第１未塗工部との重複部分は絶縁層で被覆されていることが好ましい。また、第１未塗工部の９０％以上が絶縁層で被覆されていることが好ましい。第１未塗工部の両面の合計面積の９０％以上が絶縁層で被覆されていることで、内部短絡のリスクを低減する効果が更に大きくなる。

なお、絶縁層で第１未塗工部を覆う場合でも、曲率差によって外周側の絶縁層が電極群の中心側に引っ張られる。よって、第１未塗工部の捲き終わり部分に切り欠きが存在しない場合には、第１未塗工部の捲き終わり部分の最端部が露出することがある。一方、第１未塗工部の捲き終わり部分に切り欠きが存在することで、絶縁層による短絡防止効果が確実に担保される。

電極群の捲回軸に対して垂直な方向における第２集電体シートの一端部には、少なくとも一方の表面に第２活物質層を有さない第２未塗工部が形成されていることが好ましい。この場合、第２未塗工部に、第２集電リードが接続される。これにより、第２集電リードの接続箇所を確保でき、かつ第２集電リードを、第１端面から開口側に向かって延在させやすくなる。よって、外径の小さな円筒型の金属缶を用いる場合には、金属缶の開口付近で、第２集電リードを金属缶の内面に電気的に接続する作業を行うことができる。

第２未塗工部は、当該一端部に沿って帯状に設けられていることが好ましい。これにより、溶接により、第２未塗工部に、第２集電リードを強固に接続することができる。なお、捲回軸に対して垂直な方向における第２集電体シートの他端部は、第２活物質層の端部と一致していてもよく、第２集電体シートが露出している未塗工部が設けられていてもよい。このような未塗工部も、当該他端部に沿って帯状に設けられていることが好ましい。

第２集電体シートの電極群の捲回軸方向における両端部（すなわち金属缶の底部側および開口側に配置される両端部）は、第２活物質層の同方向における両端部と一致していることが好ましい。すなわち、捲回軸方向における両端部の両面には、第２活物質層が形成されていることが好ましい。これにより、第２活物質層と第１活物質層との対向面積を十分に大きくすることができる。また、第２集電体シートと第１未塗工部との接触による内部短絡のリスクを大きく低減できる。

このとき、第２集電体シートの捲回軸方向における両端部のエッジ面までが第２活物質層で覆われる必要はない。また、各端部は、その全長に亘って第二活物質層で覆われる必要はない。例えば、各端部の全長の５０％以上が第２活物質層で覆われていればよい。

第１集電体シートの捲回軸方向に対して垂直な方向における両端部と、第１活物質層の同方向における両端部とは一致していることが好ましい。すなわち、捲回軸方向に対して垂直な方向における両端部の両面には、第１活物質層が形成されていることが好ましい。これにより、第１活物質層と第２活物質層との対向面積を十分に大きくすることができる。ここでも、各端部のエッジ面まで第１活物質層で覆われる必要はない。また、各端部の全長の５０％以上が第１活物質層で覆われていればよい。

上記切り欠きを第１電極に形成することの重要性は、電池ケースが、例えば、外径１０ｍｍ以下、更には６ｍｍ以下、特には４．５ｍｍ以下の円筒型である場合に、特に大きくなる。電池ケースの外径（例えば、金属缶の軸方向に対して垂直な断面の外径）が小さいほど、内周と外周の曲率差に起因する位置ずれ、捲回軸方向の捲きずれ、セパレータの折曲がりなどが発生しやすいためである。

金属缶は、強度確保の観点から、ステンレス鋼により形成されていることが好ましく、缶壁は０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さを有することが好ましい。これにより、小型かつ高容量で、高強度の捲回型電池を実現することができる。なお、円筒型の金属缶の外径を１ｍｍより小さくすることは困難であり、外径は１ｍｍ以上であることが好ましい。

以下、第１電極が正極であり、第２電極が負極である場合を例にとって、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

なお、電極群の捲回軸方向を「第１方向」、捲回軸方向に対して垂直な方向を「第２方向」とも称する。

（正極）
図１に示すように、正極４は、第１集電体シートである正極集電体シート４０と、正極集電体シート４０の両面に形成された正極活物質層４１とを具備する。正極集電体シート４０は矩形であり、本実施形態の場合、長辺方向（図１のＹ方向）が捲回軸方向（第１方向）に一致する。第１方向おける一端部（以下、第１端部）には、正極集電体シート４０が露出している第１未塗工部４０ａが設けられている。第１端部は、電極群の第１端面側に配される。第１未塗工部４０ａは、第１端部に沿って帯状に設けられる。第１未塗工部４０ａには、短冊状の正極集電リード２４の一端部が溶接により接続されている。

図１（ａ）に表示する矢印Ａａの右側（Ｏｕｔ）が電極群の最外周に配される捲き終わり側である。矢印Ａａの左側（Ｉｎ）は、電極群の中心側（捲き始め側）である。本実施形態の場合、第１未塗工部４０ａの捲き終わり部分７０および捲き始め部分８０に、それぞれ矩形の第１切り欠き７０ａおよび第２切り欠き８０ａが形成されている。

捲き終わり部分７０に第１切り欠き７０ａを形成することで、例えば、図２に示すように、セパレータ６の隅が折れ曲がった場合に、第１電極の端部の捲き終わり部分７０がセパレータからはみ出す確率が小さくなる。なお、電極群の中心では、セパレータの折れ曲がりや捲きずれを生じにくいため、必ずしも第２切り欠き８０ａを形成する必要はない。

次に、図３を参照しながら、切り欠きの寸法について説明する。

電極群の端面側から見た第１切り欠き７０ａの長さＷ1は、第１電極４の最外周に配置される部分の長さＷ2の１％〜１００％であればよく、３％〜５０％が好ましく、５％〜３０％が更に好ましい。具体的な長さＷ1は、例えば、０．１ｍｍ〜５ｍｍであればよく、１ｍｍ〜３ｍｍであることが好ましい。長さＷ2は、金属缶の外径または電池容量に応じて選択すればよいが、例えば５ｍｍ〜１５ｍｍであり、電池の小型化およびスリム化の観点からは７ｍｍ〜１１ｍｍであることが好ましい。第１切り欠き７０ａの捲回軸方向における最大長さ（高さ）Ｗ3は、特に限定されないが、第１未塗工部４０ａの幅Ｗ11の１０〜１００％であることが好ましい。

なお、電極群の端面側から見た第２切り欠き８０ａの長さは、特に限定されないが、例えばＷ1の１％〜２５０％、または１０％〜２５０％であればよい。また、第２切り欠き８０ａの捲回軸方向における最大長さ（高さ）は、高さＷ3の９５〜１０５％であることが好ましく、高さＷ3と同じであることが更に好ましい。

切り欠きの形状は、矩形に限られず、どのような形状でもよい。例えば、図４（ａ）に示すようなテーパー状（楔型）の切り欠き７０ｂ、図４（ｂ）に示すような円弧状の切り欠き７０ｃ、図４（ｃ）に示すようなＲ形状の切り欠き７０ｄなどでもよい。

正極４の第１方向おける他端部（以下、第２端部）には、正極集電体シートが露出しておらず、第２端部のエッジ面４０ｂを除き、両面の全面に正極活物質層４１が形成されている。また、正極集電体シート４０の第２方向（図１のＸ方向）における両端部も、それらのエッジ面および第１未塗工部に対応する部分を除き、両方の全面が正極活物質層４１で覆われている。このような構造の正極は、大判の正極集電体シート４０の原料シートに正極活物質層４１の原料混合物をストライプ状に塗工して極板原反を形成し、その後、極板原反を所定形状に裁断することにより、容易に製造できる。

なお、「エッジ面」とは、集電体シートを裁断するときに形成される厚さ方向の断面に対応する。

正極集電体シート４０の第１方向における幅Ｗ10は、金属缶の長さまたは電池容量に応じて選択すればよい。第１未塗工部４０ａの幅Ｗ11は、２ｍｍ〜４ｍｍであることが好ましい。幅Ｗ11が上記範囲であれば、正極集電体シート４０の表面に占める正極活物質層４１の形成面積を十分に大きく確保でき、かつ正極集電リード２４との接合部の強度も確保しやすい。

図５は、正極集電体シート４０の第１未塗工部４０ａが絶縁層５で裏表両面から覆われた状態を概略的に示している。絶縁層５は、第１端部のエッジ面４０ｃが覆われるように、第１端部に沿って帯状に設けられる。このとき、絶縁層５は、第１未塗工部４０ａのエッジ面４０ｃを覆うとともに、第１切り欠き７０ａおよび第２切り欠き８０ａを内包するように、第１未塗工部４０ａの両側の表面を覆うことが望ましい。

第１端部のエッジ面４０ｃが絶縁層５で覆われることで、絶縁層５は第１端部のエッジ面４０ｃから、僅かに張り出すことになる。これにより、第１未塗工部４０ａの存在による内部短絡のリスクが低減する。また、正極集電リード２４と第１未塗工部４０ａとの重複部分が絶縁層５で被覆され、正極集電リード２４の根本が絶縁層５で固定されることになる。よって、正極集電リード２４の動きが抑制され、正極集電リード２４が原因となる内部短絡のリスクも低減する。

ここで、図６に、電極群の第１端面側から見た第１電極４の捲き終わり部分７０を概念的に示す。電極群の最外周では、曲率差によって外周側の絶縁層５が電極群の中心側に引っ張られる。そのため、第１未塗工部４０ａの捲き終わり部分の最端部が露出しやすい。一方、第１未塗工部４０ａの捲き終わり部分７０に切り欠き７０ａが存在する場合、露出するはずの最端部が切除されているため、第１未塗工部４０ａの露出は抑制される。

絶縁層５の第１端部のエッジ面４０ｃからの張り出し幅Ｗ12は、０．１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．４ｍｍ〜０．６ｍｍであることが更に好ましい。これにより、正極集電リード２４の根本を絶縁層５で固定する効果が大きくなり、かつ電極群の第１方向の長さの不要な増大を避けることができる。

図５においては、第１未塗工部４０ａが完全に絶縁層５で被覆されていない状態を示しているが、第１未塗工部４０ａの両面の合計面積の９０％以上が絶縁層５で被覆されることが好ましく、第１未塗工部４０ａが完全に絶縁層５で被覆されることが更に好ましい。

絶縁層５は、絶縁材料により形成すればよい。絶縁材料としては、絶縁性の樹脂成分を含む粘着剤が好ましく、例えばゴム系粘着剤、アクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤、ウレタン系粘着剤などを用いることができる。粘着剤は、樹脂成分の他に、必要に応じて、粘着付与剤、架橋剤、軟化剤、老化防止剤などを含む。ゴム系粘着剤は、天然ゴム、ブチルゴム、イソプレンゴムなどのゴム成分を含む。アクリル系粘着剤は、アクリロニトリル、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸エステルなどのアクリルモノマーの重合体を含む。シリコーン系粘着剤は、ポリシロキサンもしくはシリコーンゴムを含む。

絶縁層５として、絶縁テープを用いてもよい。絶縁テープを用いると、第１未塗工部４０ａを絶縁層で被覆する作業が容易となる。絶縁テープは、絶縁シート（基材フィルム）と、絶縁シートの一方の面に設けられた粘着層とを有する。粘着層は、上記の粘着剤を含む。

絶縁シートには、ポリプロピレンフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリイミドフィルム、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルムなど、ポリオレフィンやエンジニアリングプラスチックのフィルムを用いることができる。中でも、電極群への歪の影響が小さいことから、厚さ２０μｍ〜６０μｍのポリプロピレン製フィルムを用いることが好ましい。

絶縁層５の厚さは、正極活物質層の厚さ以下であることが好ましく、正極活物質層の厚さの２０％〜５０％であることが更に好ましい。このような厚さの絶縁層５を第一未塗工部に設けることで、直径の小さな電極群を形成する場合でも、絶縁層５による歪の影響を受けにくく、電極群の内圧の局所的な変化が抑制される。

正極集電体シート４０は、多孔性または無孔の導電性基板である。円筒型電池がリチウムイオン電池である場合、正極集電体シート４０の材料は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金などの金属箔が好ましく使用される。正極集電体シートの厚さは、特に限定されないが、１０μｍ〜２０μｍが好ましい。

正極活物質層４１は、必須成分として正極活物質を含み、任意成分として結着剤、導電剤などを含む。リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、リチウム含有複合酸化物が好ましく、例えばＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4などが用いられる。リチウムイオン一次電池の正極活物質としては、二酸化マンガン、フッ化黒鉛などが用いられる。正極活物質層４１を形成する際には、正極活物質を含む正極合剤を液状成分と混合して正極スラリーを調製する。次に、正極スラリーを正極集電体シートの表面に塗工して塗膜を乾燥させる。次に、乾燥した塗膜を正極集電体シートとともに圧延することで、所定厚さを有する正極活物質層が形成される。正極活物質層の厚さは、特に限定されないが、７０μｍ〜１３０μｍが好ましい。

リチウムイオン電池の正極集電リード２４の材料には、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、ステンレス鋼などが好ましく用いられる。正極集電リード２４の厚さは１０μｍ〜１２０μｍが好ましく、２０μｍ〜８０μｍが更に好ましい。正極集電リード２４の形状は、特に限定されないが、金属缶が直径１０ｍｍ以下の円筒型である場合、例えば幅０．５ｍｍ〜３ｍｍ、長さ３ｍｍ〜１０ｍｍの短冊状である。

（負極）
図７に示すように、負極２は、第２集電体シートである負極集電体シート２０と、負極集電体シート２０の両面に形成された負極活物質層２１とを具備する。矢印Ａｂの右側（Ｏｕｔ）が電極群の最外周に配される捲き終わり側である。矢印Ａｂの左側（Ｉｎ）は、電極群の中心側（捲き始め側）である。負極集電体シート２０は、第２方向の長さが正極集電体シート４０よりも大きく設定された矩形である。負極集電体シート２０の第２方向（図７のＸ方向）における一端部（以下、第１端部）には、負極集電体シートが露出している第２未塗工部（Ａ）２０ａが比較的幅広に設けられている。第２未塗工部（Ａ）２０ａは、当該第１端部に沿って帯状に設けられる。第２未塗工部（Ａ）２０ａには、短冊状の負極集電リード２２の一端部が溶接により接続されている。

負極集電体シート２０の第２方向における他端部（以下、第２端部）にも、負極集電体シート２０が露出している第２未塗工部（Ｂ）２０ｂが帯状に設けられている。このような負極集電体シート２０の露出部は、負極活物質層の剥離を抑制するために設けられる。

負極集電体シート２０第１方向（図７のＹ方向）における両端部は、各端部のエッジ面２０ｃ、２０ｄおよび第２未塗工部２０ａ、２０ｂに対応する部分を除き、負極活物質層２１で覆われている。これにより、正極活物質層４１と負極活物質層２１との対向面積を十分に大きくすることができるとともに、第１未塗工部４０ａと負極集電体シート２０との接触による内部短絡のリスクを大きく低減できる。

第２未塗工部（Ａ）２０ａの幅Ｗ21は、負極集電体シート２０の第２方向における幅Ｗ20の１０％〜５０％であることが好ましい。幅Ｗ21が上記範囲であれば、負極集電体シート２０の表面に占める負極活物質層２１の形成面積を十分に大きく確保でき、かつ負極集電リード２２との接合部の強度も確保しやすい。一方、第２未塗工部（Ｂ）２０ｂの幅Ｗ22は、幅Ｗ20の１％〜１０％であればよい。また、第２未塗工部（Ｂ）２０ｂは存在しなくてもよい。第２未塗工部２０ａ、２０ｂの裏面には、その少なくとも一部に負極活物質層が形成されていてもよい。あるいは、第２未塗工部２０ａ、２０ｂの裏面は、表面と同様に、負極集電体シートが露出する未塗工部であってもよい。

負極集電体シート２０は、多孔性または無孔の導電性基板である。円筒型電池がリチウムイオン電池である場合、負極集電体シートの材料としては、例えばステンレス鋼、ニッケル、銅、銅合金、アルミニウムなどの金属箔が好ましく使用される。負極集電体シートの厚さは、特に限定されないが、５μｍ〜２０μｍが好ましい。

負極活物質層２１は、必須成分として負極活物質を含み、任意成分として結着剤、導電剤などを含む。リチウムイオン電池の負極活物質としては、金属リチウム、合金（珪素合金、錫合金など）、炭素材料（黒鉛、ハードカーボンなど）、珪素化合物、錫化合物、チタン酸リチウム化合物などが用いられる。負極活物質層２１を形成する際には、負極活物質を含む負極合剤を液状成分と混合して負極スラリーを調製する。次に、負極スラリーを負極集電体シートの表面に塗工して塗膜を乾燥させる。次に、乾燥した塗膜を負極集電体シートとともに圧延することで、所定厚さを有する負極活物質層が形成される。負極活物質層の厚さは、特に限定されないが、７０μｍ〜１５０μｍが好ましい。なお、負極活物質が合金または化合物である場合、真空プロセスにより活物質層を形成してもよい。

リチウムイオン電池の負極集電リード２２の材料には、例えばニッケル、ニッケル合金、鉄、ステンレス鋼、銅、銅合金などが好ましく用いられる。負極集電リード２２の厚さは１０μｍ〜１２０μｍが好ましく、２０μｍ〜８０μｍが更に好ましい。負極集電リード２２の形状は、特に限定されないが、金属缶が直径１０ｍｍ以下の円筒型である場合、例えば幅０．５ｍｍ〜３ｍｍ、長さ９ｍｍ〜１５ｍｍの短冊状である。

正極活物質層および／または負極活物質層に用い得る結着剤としては、例えばフッ素樹脂（ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンなど）、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル酸、スチレンブタジエンゴムなどが挙げられる。また、正極活物質層および／または負極活物質層に用い得る導電剤としては、例えば黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維などが挙げられる。

図７は、第２未塗工部（Ａ）２０ａに負極集電リード２２が接続され、固定用絶縁テープ５４が貼り付けられた状態を概略的に示している。固定用絶縁テープ５４は、捲回後の電極群の最外周を固定するものであるが、負極集電リード２２と第二未塗工部（Ａ）２０ａとの重複部分も部分的に被覆している。これにより、負極集電リード２２と負極集電体シート２０との接続部分の強度を確保しやすくなる。

図８は、捲回前の電極群の構成を概略的に示す平面図である。

図示例では、セパレータ６を中心に、セパレータ６の左側かつ背面側に正極４が配置され、セパレータ６の右側かつ表面側に負極２が配置されている。正極活物質層４１の捲回軸方向（第１方向）における幅Ｗ13は、負極活物質層２１の第１方向における幅Ｗ23より僅かに小さく、正極活物質層４１が完全に負極活物質層２１と重複するように正極４と負極２とが積層される。このような正極４、セパレータ６および負極２の積層体が、巻芯５０を中心として捲回され、電極群が構成される。

セパレータ６の第１方向における両端部は、正極４および負極２の対応する端部よりも突出している。これにより、内部短絡のリスクが更に低減する。また、第１未塗工部４０ａのエッジ面４０ｃは、負極集電体シート２０のエッジ面２０ｃよりも突出している。これにより、第１未塗工部４０ａと正極集電リード２４との接続領域を確保でき、強固な接続が可能となる。また、上記位置関係では、負極集電体シートのエッジ面の位置が、第１未塗工部４０ａを被覆する絶縁層５と対向することとなり、負極集電体シートのエッジ面による内部短絡のリスクが大きく低減する。

負極２の第２方向における一端部（第２未塗工部（Ａ）２０ａ）は、セパレータ６から張り出している。張り出した部分は、金属缶の側壁の内面と対向することになる。

なお、図８では、セパレータ６の第１方向における両端部が、正極４および負極２の対応する端部よりも突出しているが、位置関係はこれに限定されるものではない。絶縁層５が第１未塗工部４０ａのエッジ面４０ｃから張り出している場合には、図９に示すように、セパレータ６の端部は、切り欠き７０ａおよび８０ａの捲き終わり側の最端部よりも、第１端面側に突出していればよい。

図１０は、本発明の一実施形態に係る円筒型電池の縦断面図である。

円筒型電池の発電要素は、第１電極である正極４と、第２電極である負極２と、第１電極と第２電極との間に介在するセパレータ６と、電解質（図示せず）とで構成されている。正極４と負極２は、セパレータ６を介して捲回されて捲回型の電極群を形成している。電池ケースは、有底円筒型の金属缶８と、金属缶８の開口を封口する封口部材１２とを具備している。電極群の捲回軸は、金属缶８の中心軸に一致しており、捲回軸の近傍は発電要素が存在しない中空部分１８（直径Ｒ）である。

巻き始め部分の曲率半径が小さすぎると、集電体シートから活物質層が剥離するおそれがある。よって、巻芯５０の径は小さすぎないことが必要である。一方、巻芯５０の径が大きすぎると、電池容量が小さくなる。巻芯５０は、電極群の中空部分の直径が３ｍｍ以下、好ましくは１．５ｍｍ未満となるように選択することが好ましい。なお、巻芯は抜き取らずに電池内に残してもよい。

積層体を捲回して電極群が形成された後、巻芯５０は抜き取られる。よって、電極群の中心には直径Ｒの中空が形成される。その後、電極群は金属缶８に収納される。このとき、負極集電リード２２および正極集電リード２４が突出する第１端面が、金属缶８の開口側に配置される。

負極集電リード２２の一端部は、負極２の負極集電体シートの露出部（第２未塗工部（Ａ）２０ａ）に電気的に接続されている。負極集電リード２２の他端部は、金属缶８の開口付近の側壁の内面の接続位置（溶接点）２６に接続されている。金属缶８は負極端子１０を兼ねている。負極集電リード２２と接続位置２６との接続は、例えば、スポット溶接により行われる。

次に、絶縁性のリング状の中間部材２８を電極群の上に配置し、正極集電リード２４の一端を、導電性を有する封口部材１２の下面に溶接により接合する。封口部材１２は正極端子１４を兼ねている。

その後、減圧方式により、金属缶８の内部に電解質を注液する。最後に、金属缶８の開口端部を、絶縁部材（ガスケット）１６を介して封口部材１２に加締めることにより、円筒型電池が得られる。金属缶８から外部に露出する封口部材１２の周縁には、絶縁性のリング部材３０が配置され、金属缶８と封口部材１２との絶縁が担保されている。

正極集電リード２４との接続部を十分に確保する観点から、正極集電体シート４０の第１未塗工部４０ａのエッジ面は、負極集電体シート２０のエッジ面よりも金属缶８の開口側に突出している。ただし、正極集電体シート４０の第１未塗工部４０ａは、そのエッジ面を含むほぼ全面が絶縁層５により被覆されている。よって、第１未塗工部４０ａと、例えば負極集電リード２２との接触は抑制される。また、セパレータ６のエッジ面を、第１未塗工部４０ａのエッジ面よりも金属缶８の開口側に突出させることで、内部短絡の確率は更に低減される。

（セパレータ）
正極４と負極２との間に介在されるセパレータ６としては、絶縁性の微多孔薄膜、織布または不織布が用いられる。リチウムイオン電池のセパレータの材料としては、例えばポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンを用いることが好ましい。ポリオレフィンは耐久性に優れ、かつシャットダウン機能を有するためである。セパレータ６の厚さは、例えば１０μｍ〜３００μｍであり、１０μｍ〜４０μｍが好ましく、１０μｍ〜２５μｍがより好ましい。微多孔薄膜は、単層膜でもよく、多層膜でもよい。セパレータの空孔率は、３０％〜７０％が好ましく、３５％〜６０％が更に好ましい。

（非水電解質）
非水電解質は、液体、ゲルまたは固体のいずれの状態でもよい。リチウムイオン電池に用いる液体の非水電解質は、通常、リチウム塩と、リチウム塩を溶解させる非水溶媒とで構成される。非水溶媒としては、特に限定されないが、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステルなどが用いられる。環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどが挙げられる。鎖状炭酸エステルとしては、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネートなどが挙げられる。環状カルボン酸エステルとしては、γ−ブチ口ラクトン、γ−バレロラクトンなどが挙げられる。リチウム塩としては、例えばＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4などが用いられる。

なお、上記実施形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明は、上記実施形態に限定されない。本発明は、リチウムイオン電池に代表される種々の捲回型の非水電解質電池に好ましく適用される。電池は一次電池でも二次電池でもよい。電池の形状は、筒状であればよく、円筒型でも楕円柱状でもよい。電池の大きさも限定されない。ただし、本発明を適用する技術的意義は、金属缶が直径１０ｍｍ以下、更には６ｍｍ以下、特に４．５ｍｍ以下の円筒型である場合に大きくなる。

本発明は、捲回型電池に適用可能であり、特に、小型かつ高容量な円筒型電池を得る上で有用である。

２ 負極（第２電極）
４ 正極（第1電極）
５ 絶縁層
６ セパレータ
８ 金属缶
１０ 負極端子
１２ 封口部材
１４ 正極端子
１６ 絶縁部材
１８ 中空部分
２０ 負極集電体シート
２０ａ 第２未塗工部（Ａ）
２０ｂ 第２未塗工部（Ｂ）
２１ 負極活物質層
２２ 負極集電リード
２４ 正極集電リード
２６ 接続位置
２８ 中間部材
３０ リング部材
４０ 正極集電体シート
４１ 正極活物質層
４０ａ 第１未塗工部
５０ 巻芯
５４ 固定用絶縁テープ
７０ 捲き終わり部分
７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ 切り欠き（第１切り欠き）
８０ 捲き始め部分
８０ａ 切り欠き（第２切り欠き）

Claims (11)

1. 発電要素と、
   前記発電要素を収容する電池ケースと、を具備し、
   前記発電要素は、第１電極と、前記第１電極とは極性が異なる第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在するセパレータと、電解質と、を具備し、前記第１電極と前記第２電極とが前記セパレータを介して捲回されて、第１端面およびその反対側の第２端面を有する電極群を形成しており、
   前記第１電極は、第１集電体シートと、前記第１集電体シートの表面に形成された第１活物質層と、を具備し、前記第１電極には、第１集電リードが接続されており、
   前記第２電極は、第２集電体シートと、前記第２集電体シートの表面に形成された第２活物質層と、を具備し、前記第２電極には、第２集電リードが接続されており、
   前記第１電極の前記第１端面に配される端部および前記第１電極の前記第２端面に配される端部の少なくとも一方は、前記電極群の最外周に配置される捲き終わり部分が切り欠かれている、捲回型電池。
2. 前記電池ケースは、
   有底筒状の金属缶と、
   前記金属缶の開口を塞ぐ封口部材と、を具備し、
   前記第１集電リードは、前記封口部材に電気的に接続されており、
   前記第２集電リードは、前記金属ケースの内面に電気的に接続されている、請求項１に記載の捲回型電池。
3. 前記端面側から見た前記切り欠きの長さが、前記第１電極の前記最外周に配置される部分の長さの１％以上、１００％以下である、請求項１または２に記載の捲回型電池。
4. 前記切り欠きの形状が、矩形である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の捲回型電池。
5. 前記第１端面は、前記開口側に配置されており、
   前記第１集電リードは、前記第１端面から前記開口側に向かって延在している、請求項２〜４のいずれか１項に記載の捲回型電池。
6. 前記第１集電体シートは、前記電極群の前記第１端面に配される端部に、両方の表面に前記第１活物質層を有さない第１未塗工部を有し、
   前記第１集電リードは、前記第１未塗工部に接続されており、
   前記第１未塗工部の前記捲き終わり部分が、切り欠かれている、請求項５に記載の捲回型電池。
7. 前記第１未塗工部のエッジ面を覆うとともに、前記切り欠きを内包するように、前記第１未塗工部の両側の表面を覆う絶縁層が形成されている、請求項６に記載の捲回型電池。
8. 前記絶縁層が、前記第１未塗工部の前記エッジ面から張り出している、請求項７に記載の捲回型電池。
9. 前記第１端面において、前記セパレータの端部が、前記切り欠きの前記捲き終わり側の最端部よりも前記端面側に突出している、請求項８に記載の捲回型電池。
10. 前記電極群の捲回軸に対して垂直な方向における前記第２集電体シートの一端部に、少なくとも一方の表面に前記第２活物質層を有さない第２未塗工部を有し、
    前記第２未塗工部に、前記第２集電リードが接続されており、
    前記第２集電リードは、前記第１端面から前記開口側に向かって延在している、請求項５〜９のいずれか１項に記載の捲回型電池。
11. 前記電池ケースは、外径１０ｍｍ以下の円筒型である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の捲回型電池。

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