JPWO2020026649A1

JPWO2020026649A1 - 電池用電極、電池、および電池用電極の製造方法

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Publication number: JPWO2020026649A1
Application number: JP2020534110A
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Inventors: 達也津島; 勝也塩崎; 亮介岩田; 遊馬神山
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Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2021-08-05
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Abstract

実施形態の一例である電池用電極は、芯体と、芯体の表面に設けられた活物質層とを備える。芯体は、芯体表面が活物質層に覆われた基部と、基部から突出したタブ部とを有する。芯体には、タブ部の根元から基部にわたって、または基部のタブ部と隣接する部分に切り欠きが形成されている。切り欠きの縁は、第１の円弧からなる第１の曲線と、第１の円弧よりも曲率が小さな第２の円弧からなる第２の曲線または直線とで形成されている。この構成により、芯体のタブ部の根元およびその近傍に亀裂が生じることを十分に抑制できる電池用電極を提供できる。

Description

本開示は、電池用電極、電池、および電池用電極の製造方法に関する。

電池用電極は、一般的に、金属製の芯体と、芯体の表面に設けられた活物質層とを備える。芯体は、例えば、芯体表面が活物質層に覆われた基部と、基部から突出したタブ部とを有する。特許文献１には、芯体のタブ部の根元およびその近傍に切り欠きが形成された電池用電極が開示されている。また、特許文献１には、タブ部の根元およびその近傍に切り欠きを設けた後、活物質層を圧縮することにより、芯体に亀裂が生じることを効果的に抑制できる、と記載されている。

国際公開第２０１７／２０４１８４号

ところで、活物質層を強い力で圧縮して活物質層の充填密度を高くすれば、電池の体積エネルギー密度を向上させることができる。しかし、活物質層を強く圧縮すると、芯体のタブ部の根元およびその近傍に亀裂が生じる場合がある。また、電池の充放電に伴う活物質層の膨張・収縮に起因して、芯体のタブ部の根元およびその近傍に亀裂が生じる可能性もある。特許文献１に開示された電極によれば、かかる亀裂の発生を抑制する効果が期待されるが、本発明者らの検討の結果、未だ改良の余地があることが分かった。

本開示の一態様である電池用電極は、芯体と、前記芯体の表面に設けられた活物質層とを備える電池用電極であって、前記芯体は、芯体表面が前記活物質層に覆われた基部と、前記基部から突出したタブ部とを有する。前記芯体には、前記タブ部の根元から前記基部にわたって、または前記基部の前記タブ部と隣接する部分に切り欠きが形成されている。前記切り欠きの縁は、第１の円弧からなる第１の曲線と、前記第１の円弧よりも曲率が小さな第２の円弧からなる第２の曲線または直線とで形成されている。

本開示の一態様である電池は、上記電池用電極を備える。

本開示の一態様である電池用電極の製造方法は、芯体と、前記芯体の表面に設けられた活物質層とを備え、前記芯体が、芯体表面が前記活物質層に覆われた基部と、前記基部から突出したタブ部とを有する電池用電極の製造方法であって、少なくとも前記基部または前記基部となる部分の表面に前記活物質層を設け、前記タブ部または前記タブ部となる部分の根元から前記基部または前記基部となる部分にわたって、或いは前記基部の前記タブ部と隣接する部分または当該隣接する部分となる部分に切り欠きを形成し、このとき、第１の円弧からなる第１の曲線と、前記第１の円弧よりも曲率が小さな第２の円弧からなる第２の曲線または直線とで前記切り欠きの縁を形成し、前記切り欠きの形成後に、前記活物質層を圧縮する。

本開示の一態様である電池用電極によれば、芯体のタブ部の根元およびその近傍に亀裂が生じることを十分に抑制できる。

実施形態の一例である電池の断面図である。実施形態の一例である電極体の分解斜視図である。実施形態の一例である正極において、正極タブ部およびその近傍を拡大して示す図である。切り欠きの変形例を示す図である。切り欠きの変形例を示す図である。比較例１の切り欠きを示す図である。比較例２の切り欠きを示す図である。

近年、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）等の駆動用電源として、リチウムイオン電池等の二次電池が使用されており、電池の体積エネルギー密度の向上が以前にも増して求められている。上述のように、電池の体積エネルギー密度を増加させる方法として、活物質層を強い力で圧縮して活物質層の充填密度を高くする方法が考えられる。しかし、この場合、芯体のタブ部の根元およびその近傍に亀裂が生じる場合がある。

活物質層を強い力で圧縮した場合、活物質層だけでなく芯体も強く圧縮されるため、芯体が圧延される。このとき、芯体の活物質層が設けられた部分（基部）は圧延されるものの、芯体露出部（タブ部）は、活物質層が設けられた部分と比べて厚みが小さいため、圧縮荷重が加わらず圧延されない。ゆえに、芯体において活物質層が設けられた部分と、活物質層が存在しない芯体露出部とで長さに差が生じ、これが、芯体のタブ部の根元およびその近傍に亀裂が生じる原因となる。また、電池の充放電に伴う活物質層の膨張・収縮に起因して、芯体のタブ部の根元およびその近傍に亀裂が生じる可能性もある。

本発明者らは、かかる亀裂の発生を抑制すべく鋭意検討した結果、タブ部の根元から基部にわたって、または基部のタブ部と隣接する部分に、第１の円弧からなる第１の曲線、および第１の円弧よりも曲率が小さな第２の円弧からなる第２の曲線または直線によって縁取られた切り欠きを有する電極構造を創造するに至った。以下で詳説するように、当該切り欠きによって、上記亀裂の発生が特異的に抑制される。

本開示の実施形態の一例について、以下詳細に説明する。なお、本開示に係る電池用電極、電池、および電池用電極の製造方法は以下で説明する実施形態に限定されない。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであるから、図面に描画された構成要素の寸法比率などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。図１〜図３では、電極体３を構成する電極の積層方向（電極の厚み方向）をｚ方向、正極端子７と負極端子９が並ぶ方向をｘ方向、ｘおよびｚと直交する方向をｙ方向としている。説明の便宜上、ｘ方向を横方向、ｙ方向を上下方向という場合がある。

図１は、実施形態の一例である電池１の断面図である。図１に例示するように、電池１は、有底で開口を有する外装体４と、該開口を塞ぐ封口板５とを備える。外装体４は、角形の有底筒状の容器であり、外装体４には、積層型の電極体３が、電解質（図示せず）と共に収容されている。封口板５は、外装体４の開口を塞ぐ蓋体であり、封口板５には、正極端子７、負極端子９、ガス排出弁１４、電解液を注液するための電解液注液孔１５、電解液注液孔１５を封止する封止栓１６が設けられている。ガス排出弁１４は、電池内部の圧力が所定値以上となったときに破断し、電池内部のガスを電池外部に排出させる機能を有する。

電解質は、水系電解質、非水系電解質のいずれであってもよい。本実施形態では、非水電解質を用いるものとする。電池１は、例えばリチウムイオン電池等の非水電解質二次電池である。非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、およびこれらの２種以上の混合溶媒等を用いてもよい。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有していてもよい。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、固体電解質であってもよい。電解質塩には、例えばＬｉＰＦ_６等のリチウム塩が使用される。

正極端子７は、外部の要素と正極とを電気的に接続させる機能を有する。負極端子９は、外部の要素と負極とを電気的に接続させる機能を有する。正極端子７は、封口板５に設けられた正極端子取り付け孔５ａにおいて、絶縁部材１０，１１により封口板５と電気的に絶縁された状態で封口板５に取り付けられる。また、負極端子９は、封口板５に設けられた負極端子取り付け孔５ｂにおいて、絶縁部材１２，１３により封口板５と電気的に絶縁された状態で封口板５に取り付けられる。

電極体３は、側面および底面が絶縁シート１７に覆われた状態で外装体４に収容されている。絶縁シート１７には、例えば、外装体４の内壁に沿うように箱状に折り曲げられたもの、または電極体３を覆うような袋状のものを用いることができる。本実施形態では、積層型の電極体３が金属製の角形の外装体４に収容されているが、電極体は巻回型であってもよく、また外装体はラミネートフィルムで構成されていてもよい。

電極体３は、封口板５側に正極タブ部２４および負極タブ部３４が延びるように外装体４内に配置されている。正極タブ部２４は、外装体４のｘ方向一端側に配置され、正極端子７とｙ方向に並び、正極集電体６を介して当該端子と電気的に接続されている。負極タブ部３４は、外装体４のｘ方向他端側に配置され、負極端子９とｙ方向に並び、負極集電体８を介して当該端子と電気的に接続されている。正極と正極端子７の間の導電経路または負極と負極端子９の間の導電経路に、電流遮断機構を設けてもよい。電流遮断機構は、電池内部の圧力が所定値以上となったときに作動し、導電経路を切断する機能を有する。

図２は、電極体３の分解斜視図である。図２に例示するように、電極体３は、複数枚の正極２０および複数枚の負極３０を、セパレータ４０を介して１枚ずつ交互に積層してなる積層構造を有する。積層型の電極体３は、正極および負極を巻回してなる巻回型の電極体のように電極が曲げられず、また巻回型の電極体と比較してデッドスペースが小さい。このため、積層型の電極体３では、巻回型の電極体と比べて、活物質層の充填密度を高くでき、電池のエネルギー密度を向上させ易い。

正極２０は、正極芯体２１と、正極芯体２１の表面に設けられた正極活物質層２２とを備える。正極活物質層２２は、正極芯体２１の両面に設けられることが好ましい。正極芯体２１は、芯体表面が正極活物質層２２に覆われた正極基部２３と、正極基部２３から突出した正極タブ部２４とを有する。正極タブ部２４には、正極活物質層２２が設けられず、芯体表面が露出した露出部２４ａが存在する。

負極３０は、負極芯体３１と、負極芯体３１の表面に設けられた負極活物質層３２とを備える。負極活物質層３２は、負極芯体３１の両面に設けられることが好ましい。負極芯体３１は、芯体表面が負極活物質層３２に覆われた負極基部３３と、負極基部３３から突出した負極タブ部３４とを有する。負極タブ部３４には、負極活物質層３２が設けられず、芯体表面が露出した露出部３４ａが存在する。

本実施形態では、正極基部２３の両面の全域に正極活物質層２２が設けられている。一般的には、正極芯体２１となる金属箔等の表面に正極活物質層２２を設けた後、当該金属箔等を電極の形状、サイズに切断して正極２０を製造するため、正極タブ部２４の根元にもわずかに正極活物質層２２が存在する。同様に、負極活物質層３２は、負極基部３３の両面の全域に設けられ、負極タブ部３４の根元にもわずかに存在している。

正極基部２３、正極タブ部２４、負極基部３３、および負極タブ部３４は、例えば、いずれも略四角形状に形成される。図２に示す例では、正極２０を厚み方向（ｚ方向）から見た状態で、正極タブ部２４が正極基部２３の１つの辺（上辺）の一端側から突出している。また、負極タブ部３４が負極基部３３の１つの辺（上辺）の他端側から突出している。換言すると、正極２０および負極３０は、各タブ部が同じ方向（封口板５の方向）に延び、正極タブ部２４と負極タブ部３４が互いにｘ方向反対側に位置するように配置される。なお、リチウムイオン電池の場合、リチウムイオンの析出を防止するために、負極基部３３は正極基部２３より大面積に形成され、正極２０および負極３０は、正極活物質層２２の全体が負極活物質層３２と対向するように配置される。

正極芯体２１には、正極タブ部２４の根元から正極基部２３にわたって切り欠き２５が形成されている。正極２０では、この切り欠き２５によって、正極タブ部２４の根元およびその近傍に生じ易い亀裂が十分に抑制される。本実施形態では、正極芯体２１のみに切り欠き２５が形成されているが、切り欠き２５は負極芯体３１に形成されていてもよい。本開示に係る切り欠きを備えた電池用電極は、正極のみ、または負極のみに適用されてもよく、或いは正極および負極の両方に適用されてもよい。

以下、電極体３を構成する正極２０、負極３０、およびセパレータ４０について、特に切り欠き２５を有する正極２０について詳述する。

［正極］
正極２０は、上述のように、正極芯体２１と、正極芯体２１の両面に設けられた正極活物質層２２とを備える。正極芯体２１には、アルミニウム、アルミニウム合金などの正極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極活物質層２２は、正極活物質、結着材、および導電材を含む。正極２０は、例えば正極芯体２１上に正極活物質、結着材、導電材等を含む正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、乾燥した塗膜である正極活物質層２２をローラーで圧縮することにより製造できる。

正極活物質は、リチウム含有金属複合酸化物を主成分として構成される。リチウム含有金属複合酸化物に含有される金属元素としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｂ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｃａ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｇｅ等が例示できる。好適なリチウム含有金属複合酸化物の一例は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌの少なくとも１種を含有する複合酸化物である。

正極活物質層２２に含まれる導電材としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料が例示できる。正極活物質層２２に含まれる結着材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリオレフィンなどが例示できる。これらの樹脂と、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）またはその塩、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）などが併用されてもよい。

正極活物質層２２の充填密度は、電池１の用途等に応じて適宜変更できるが、正極では、切り欠き２５の機能により充填密度を向上させることが可能である。正極活物質層２２の充填密度は、例えば３．６５ｇ／ｃｍ^３以上であり、３．６５ｇ／ｃｍ^３〜３．８５ｇ／ｃｍ^３の範囲で調整されてもよい。切り欠き２５の効果は、正極活物質層２２の充填密度が高い場合により顕著に表れる。また、正極活物質層２２の厚みは特に限定されないが、一例としては、正極芯体２１の片側で１０μｍ〜１５０μｍ、または３０μｍ〜８０μｍである。

本実施形態では、正極タブ部２４の根元に保護層２８が設けられている。保護層２８は、正極タブ部２４の根元の正極活物質層２２が設けられない部分であって、セパレータ４０を介して負極３０と対向する範囲に設けられる。また、保護層２８は、正極活物質層２２との間に隙間なく、正極活物質層２２と隣接して設けられる。保護層２８を設けることで、例えば正極タブ部２４と負極３０の間に導電性の異物が混入することで発生し得る低抵抗な短絡を抑制でき、また正極タブ部２４の根元が補強されて正極芯体２１の破断が抑制される。保護層２８は、正極タブ部２４の根元において正極タブ部２４の両面に設けられる。保護層２８の厚みは、正極活物質層２２の厚みより薄く、例えば正極芯体２１の片側で１μｍ〜１０μｍである。

保護層２８は、樹脂のみで構成されてもよいが、好ましくは無機物粒子および結着材を含む。無機物粒子を主成分とする保護層２８は、混入した導電性の異物が強く当接しても破断し難い。無機物粒子の具体例としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化チタン（チタニア）、酸化マンガン、および酸化ケイ素（シリカ）から選択される少なくとも１種が挙げられる。中でも、アルミナまたはチタニアを用いることが好ましい。保護層２８に含まれる結着材には、正極活物質層２２に用いられる結着材と同種のものを使用できる。なお、保護層２８には、導電材が添加されていてもよい。

以下、図３を参照しながら、正極タブ部２４の根元およびその近傍に形成された切り欠き２５について詳説する。図３は、正極２０において、正極タブ部２４およびその近傍を拡大して示す図である。

図３に例示するように、正極芯体２１には、正極タブ部２４の根元から正極基部２３にわたって切り欠き２５が形成されている。そして、切り欠き２５の縁は、円弧（第１の円弧）からなる曲線２６（第１の曲線）と、直線２７とで形成されている。即ち、正極タブ部２４の根元およびその近傍には、正極２０を厚み方向（ｚ方向）から見た状態で、曲線２６および直線２７によって縁取られた切り欠き２５が形成されている。なお、直線２７に代えて、第１の円弧よりも曲率が小さな第２の円弧からなる第２の曲線としてもよい。例えば、第２の曲線の曲率は第１の曲線の曲率の５０％未満であり、第２の曲線はわずかに湾曲した直線２７に近い曲線であってもよい。

切り欠き２５は、正極活物質層２２を圧縮する際、また充放電時において、正極タブ部２４の根元およびその近傍に亀裂が生じることを抑制する。切り欠き２５が存在しない場合に活物質層を強く圧縮すると、芯体の活物質層が存在する部分は伸びて、活物質層が存在しない部分は伸びないので、例えば各部分の境界部に大きな応力が作用し、タブ部と基部の角から芯体に亀裂が入る場合がある。正極芯体２１に切り欠き２５を形成することで、正極芯体２１の伸びの差に起因して発生する応力を緩和でき亀裂の発生を抑制できると考えられる。

本発明者らの検討の結果、切り欠き２５の形状によって亀裂の発生確率が大きく変化することが判明した。曲線２６および直線２７によって縁取られた切り欠き２５は、例えば曲線２６のみで縁取られた切り欠きと比べて、亀裂の発生確率を大きく低減させる。正極活物質層２２の充填密度が高くなると亀裂が生じ易くなるので、切り欠き２５の効果は充填密度が高い場合により顕著である。

切り欠き２５は、正極タブ部２４の根元およびその近傍に形成されている。切り欠き２５は、正極基部２３の上端部において、正極タブ部２４と隣接する部分に形成され、正極タブ部２４の側縁を延長した仮想線αを越えて正極芯体２１の横方向端部側に広がっている。ここで、側縁とは、正極タブ部２４が突出する上下方向（ｙ方向）に沿った正極タブ部２４の縁部である。切り欠き２５は、その縁が正極タブ部２４の根元から正極基部２３まで途中で分断されることなく連続し、１つのカット部として形成される。このため、正極芯体２１には、正極タブ部２４と正極基部２３の境界部に尖った角が存在しない。

切り欠き２５は、正極芯体２１の亀裂を抑制しつつ、抵抗上昇等の不具合を生じさせないサイズで形成される。上述のように、正極タブ部２４は略四角形状に形成されているので、正極タブ部２４の幅は、先端より切り欠き２５が形成された根元で細くなっている。切り欠き２５が形成されていない部分における正極タブ部２４の幅Ｗ_１（ｘ方向・横方向長さ）は、例えば１０ｍｍ〜３０ｍｍ、または１５ｍｍ〜２５ｍｍである。切り欠き２５が形成された部分における正極タブ部２４の幅Ｗ_２、即ち正極タブ部２４の最小幅は、例えば５ｍｍ〜２５ｍｍ、または１０ｍｍ〜２０ｍｍである。幅Ｗ_１，Ｗ_２が当該範囲内であると、一般的に抵抗上昇等の不具合がなく、ハイレート充放電時の発熱を抑えつつ、充放電に伴う正極タブ部２４のシワ、撓みの発生を抑制できる。

切り欠き２５は、正極タブ部２４の幅方向両側から正極基部２３にわたってそれぞれ形成されることが好ましい。切り欠き２５は、正極タブ部２４の幅方向片側だけに形成されてもよいが、好ましくは正極タブ部２４の幅方向両側に１つずつ形成される。２つの切り欠き２５は、例えば、正極タブ部２４の幅方向中央を通る仮想線（図示せず）に対して線対称に形成される。即ち、切り欠き２５の幅Ｗ_３（ｘ方向・横方向長さ）、正極タブ部２４の側縁から内側に切り込まれた部分の幅Ｗ_４、および後述の長さＬ_１，Ｌ_２は、２つの切り欠き２５において略同一である。

切り欠き２５の幅Ｗ_３は、例えば正極タブ部２４の幅Ｗ_１の１０％〜６０％、または１５％〜４０％であり、具体例としては３ｍｍ〜１５ｍｍである。切り込まれた幅Ｗ_４は、例えば正極タブ部２４の幅Ｗ_１の１％〜２５％、または５％〜２０％であり、具体例としては１ｍｍ〜１０ｍｍである。幅Ｗ_３，Ｗ_４が当該範囲内であると、正極活物質層２２の減少による容量低下を抑えつつ、正極タブ部２４の根元およびその近傍における亀裂の発生を十分に抑制できる。

切り欠き２５の縁には、正極タブ部２４側の第１端Ｐ_１と、正極基部２３の第２端Ｐ_２とが存在する。第１端Ｐ_１は正極タブ部２４の側縁と切り欠き２５の縁との交点にあり、第２端Ｐ_２は正極基部２３の上縁と切り欠き２５の縁との交点にある。第１端Ｐ_１から切り欠き２５の下端までの上下方向（ｙ方向）に沿った長さＬ_１は、例えば正極タブ部２４の長さの１％〜３０％であり、具体例としては１．５ｍｍ〜７．５ｍｍである。正極基部２３の上縁から切り欠き２５の下端までの上下方向に沿った長さＬ_２は、例えば正極タブ部２４の長さの０．５％〜１５％であり、具体例としては０．５ｍｍ〜３．０ｍｍである。

上記長さＬ_１，Ｌ_２、特に長さＬ_２を長くするほど、正極タブ部２４の根元およびその近傍における亀裂の発生を抑制し易くなる。一方、長さＬ_２を長くすると、正極活物質層２２が切除される面積が大きくなるので、電池容量は低下する。このため、亀裂の抑制と容量を考慮して、切り欠き２５のサイズを決定することが重要である。切り欠き２５の縁の一部を形成する直線２７は、亀裂の抑制だけでなく、容量低下の抑制にも大きく寄与する。長さＬ_１，Ｌ_２が当該範囲内であると、正極活物質層２２の減少による容量低下を抑えつつ、正極タブ部２４の根元およびその近傍における亀裂の発生を十分に抑制できる。

本実施形態では、正極タブ部２４の根元に保護層２８が設けられており、切り欠き２５の一部は正極タブ部２４の保護層２８が設けられた部分に形成されている。保護層２８が設けられた部分に切り欠き２５を形成することで、切り欠き２５の縁から正極芯体２１が破断することを抑制できる。図３に示す例では、切り欠き２５の第１端Ｐ_１が、保護層２８が設けられた部分に位置する。また、正極タブ部２４において、切り欠き２５の全体が、保護層２８が設けられた部分および正極活物質層２２が設けられた部分に形成されている。換言すると、切り欠き２５は、露出部２４ａに形成されていない。

切り欠き２５の縁の一部を構成する直線２７は、正極基部２３側の第２端Ｐ_２から形成されている。また、切り欠き２５の縁の一部を構成する曲線２６は、正極タブ部２４側の第１端Ｐ_１から形成されている。曲線２６は、第１端Ｐ_１から正極基部２３に達する長さで形成され、直線２７とつながっている。曲線２６と直線２７の交点は、例えば切り欠き２５の下端に位置している。ここで、切り欠き２５の下端とは、切り欠き２５の上端である第１端Ｐ_１から上下方向に沿った長さが最長となる位置である。

曲線２６は、第１の円弧の一部からなる。第１の円弧は、真円の円弧であってもよく、楕円の円弧であってもよいが、容量低下を抑えつつ、亀裂の発生を効率良く防止するためには、楕円の円弧であることが好ましい。例えば、当該楕円の長軸は正極２０の横方向（ｘ方向）に沿い、当該楕円の中心は交点Ｑよりも第２端Ｐ_２側に存在する。ここで、交点Ｑとは、仮想線αと正極基部２３の上縁を延長した仮想線βとの交点であって、切り欠き２５が存在しない場合に角が形成される位置である。第１の円弧に対応する真円または楕円は、交点Ｑを中心とする真円または楕円であってもよい。

直線２７は、切り欠き２５の第２端Ｐ_２から正極タブ部２４の側縁を延長した仮想線αを超えない長さで形成されている。換言すると、正極基部２３のうち正極タブ部２４と上下方向に重なる部分には、直線２７は形成されず、曲線２６のみが形成されている。曲線２６は、正極タブ部２４の幅方向中央側に大きく湾曲している。直線２７は、正極基部２３の上縁に対して鈍角で交わり、第２端Ｐ_２から切り欠き２５の下端に向かって斜めに形成されている。正極基部２３の上縁と直線２７とがなす角度は、例えば１００°〜１６０°、または１１０°〜１５０°である。

なお、切り欠き２５の縁には、本開示の目的を損なわない範囲で、曲線２６および直線２７に加えて、他の曲線または直線が存在していてもよい。例えば、切り欠き２５の第１端Ｐ_１から第２の直線が形成されていてもよい。

図４および図５に、実施形態の他の一例である切り欠き２５ｘ，２５ｙを示す。図４に例示する切り欠き２５ｘは、その縁の一部が、正極タブ部２４の根元から正極基部２３にわたり楕円の円弧の一部からなる曲線２６によって形成されている点で、切り欠き２５と共通する。一方、切り欠き２５ｘは、その縁部の残りの一部が、正極基部２３の上縁に対して略垂直に交わる直線２７ｘによって形成されている点で、切り欠き２５と異なる。直線２７ｘは、正極基部２３の上縁から切り欠き２５ｘの下端にわたって形成されており、直線２７ｘと正極基部２３の上縁とがなす角度は約９０°である。この場合、図３に例示する形態よりも、正極活物質層２２の切除面積を減少させることができる。

図５に例示する切り欠き２５ｙは、曲線２６ｙおよび直線２７ｙによって縁取られている点で、切り欠き２５，２５ｘと共通する。一方、切り欠き２５ｙは、正極基部２３の正極タブ部２４と隣接する部分のみに形成され、正極タブ部２４の根元には形成されていない点で、切り欠き２５，２５ｙと異なる。曲線２６ｙは、正極タブ部２４の側縁につながって形成されている。この場合、正極タブ部２４の幅は、先端から根元にわたって一定である。

ここで、上記構成を備えた正極２０の製造方法の一例について詳説する。

正極２０は、少なくとも正極芯体２１の正極基部２３または正極基部２３となる部分の表面に正極活物質層２２を設け、正極タブ部２４または正極タブ部２４となる部分の根元から正極基部２３または正極基部２３となる部分にわたって切り欠き２５を形成し、切り欠き２５の形成後に、正極活物質層２２を圧縮する工程を経て製造される。切り欠き２５を形成する際には、第１の円弧からなる第１の曲線と、第１の円弧よりも曲率が小さな第２の円弧からなる第２の曲線または直線とで切り欠き２５の縁を形成する。正極活物質層２２の圧縮後に切り欠き２５を形成してもよいが、活物質層の圧縮時に生じ得る正極芯体２１の亀裂を抑制するために、好ましくは活物質層の圧縮前に切り欠き２５を形成する。また、切り欠き２５は、生産性等の観点から、正極活物質層２２を設けた後に形成することが好ましい。

正極２０は、後工程で正極芯体２１となる長尺芯体の両面に正極活物質層２２を設けた長尺体（以下、「長尺体Ｚ」とする）を所定の形状、サイズに切断して製造される。正極２０の製造工程の一例は、長尺芯体の両面に正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させて正極活物質層２２を設ける第１工程と、長尺芯体の両面に正極活物質層２２が設けられた長尺体Ｚを切断して正極タブ部２４および切り欠き２５を形成する第２工程と、正極活物質層２２（長尺体Ｚ）を圧縮する第３工程と、長尺体Ｚを所定のサイズに切断して正極２０を得る第４工程とを含む。

第１工程では、長尺芯体の長手方向に沿った帯状の芯体露出部を残して正極合材スラリーを塗布することにより正極活物質層２２を設ける。当該露出部は、長尺芯体の幅方向一端から略一定の幅で形成され、後工程で正極タブ部２４に存在する露出部２４ａとなる。保護層２８を設ける場合は、正極合材スラリーの塗布と同時に、または別工程で、保護層２８用のスラリーを長尺芯体の両面に塗布する。

第２工程では、長尺体Ｚの正極活物質層２２が設けられた部分を露出部に沿って切断すると共に、略一定周期で露出部を切断することにより正極タブ部２４を形成する。切り欠き２５は、正極タブ部２４と同時に形成されてもよく、正極タブ部２４の後に形成されてもよい。長尺体Ｚは、従来公知の方法で切断でき、例えば金型プレス、カッター、レーザー照射等により切断できる。なお、長尺体Ｚは、正極活物質層２２が設けられた部分と露出部の境界位置に沿って切断することも可能であるが、この場合、切断箇所のわずかなズレで正極タブ部２４以外の部分に芯体表面の露出部が形成されるため好ましくない。

また、正極タブ部２４と切り欠き２５は、それぞれ異なる方法で形成されてもよい。例えば、正極タブ部２４をプレス打ち抜き加工で形成し、その後、レーザー等のエネルギー線の照射により切り欠き２５を形成してもよい。レーザーの照射により切り欠き２５を形成した場合、切り欠き２５の縁部が滑らかになるため、亀裂の抑制において有利である。

第２工程では、正極タブ部２４の根元（または正極タブ部２４の根元となる部分）および正極基部２３（または正極基部２３となる部分）に、第１の円弧からなる曲線２６および直線２７を形成して長尺体Ｚの一部を切除することで、切り欠き２５を形成する。本実施形態では、曲線２６が正極タブ部２４の根元の保護層２８が設けられた部分から正極基部２３にわたって形成され、直線２７が正極基部２３の上縁から曲線２６につながるように形成される。曲線２６は、楕円の第１の円弧の一部として形成され、正極タブ部２４の幅方向中央側に大きく湾曲している。直線２７は、正極基部２３の上縁に対して鈍角で交わり、正極基部２３の上縁から曲線２６（切り欠き２５）の下端に向かって斜めに形成される。

第３工程では、ローラーを用いて長尺芯体の両面に設けた正極活物質層２２を圧縮する。正極活物質層２２は、従来公知の方法で圧縮でき、例えば一対のローラーの間に長尺体Ｚを通すことにより圧縮される。正極活物質層２２の充填密度は、正極合材スラリーの組成、塗布量、正極活物質層２２を圧縮する際の圧力などにより調整できる。正極活物質層２２の充填密度は、例えば３．６５ｇ／ｃｍ^３以上に調整されるが、充填密度が高くなると、正極タブ部２４の根元およびその近傍に亀裂が生じ易くなる。

本製造工程では、切り欠き２５を形成した後に、正極活物質層２２を圧縮することにより、第３工程における亀裂の発生確率を大幅に低減できる。上述のように、曲線２６および直線２７で縁取られた切り欠き２５は、第３工程で正極タブ部２４およびその近傍に作用する応力を緩和して亀裂の発生を抑制する。

［負極］
負極３０は、上述のように、負極芯体３１と、負極芯体３１の両面に設けられた負極活物質層３２とを有する。負極芯体３１には、銅、銅合金など、負極３０の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極活物質層３２は、負極活物質および結着材を含む。負極３０は、例えば負極芯体３１上に負極活物質、結着材等を含む負極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、乾燥した塗膜である負極活物質層３２をローラーで圧縮することにより製造できる。

負極活物質には、一般的に、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出する炭素材料が用いられる。好適な炭素材料は、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、塊状人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛などの黒鉛である。負極活物質層３２には、負極活物質として、Ｓｉ含有化合物が含まれていてもよい。また、負極活物質には、Ｓｉ以外のリチウムと合金化する金属、当該金属を含有する合金、当該金属を含有する化合物等が用いられてもよい。

負極活物質層３２に含まれる結着材には、正極２０の場合と同様に、フッ素樹脂、ＰＡＮ、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂等を用いてもよいが、好ましくはスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）またはその変性体を用いる。負極活物質層には、例えばＳＢＲ等に加えて、ＣＭＣまたはその塩、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）またはその塩、ポリビニルアルコールなどが含まれていてもよい。

［セパレータ］
セパレータ４０は、イオン透過性および絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータ４０の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンおよびプロピレンの少なくとも一方を含む共重合体等のオレフィン系樹脂、セルロースなどが好適である。セパレータ４０は、単層構造、積層構造のいずれであってもよい。セパレータ４０の表面には、耐熱層などが形成されていてもよい。

以下、実施例により本開示をさらに説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
正極活物質として、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を用いた。正極活物質と、ＰＶｄＦと、アセチレンブラックとを、９７．５：１：１．５の質量比で混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を適量加えて正極合材スラリーを調製した。厚みが１２μｍのアルミニウム箔からなる長尺芯体の両面に、所定の芯体露出部を残して正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させて、長尺芯体の両面に正極活物質層が設けられた長尺体Ｚを得た。また、芯体露出部の一部の正極活物質層と隣接する部分に、アルミナおよびＰＶｄＦを含む保護層を形成した。

次に、長尺体Ｚの正極活物質層が設けられた部分を芯体露出部に沿って切断すると共に、略一定周期で芯体露出部を切断することにより、幅２０ｍｍ、長さ１９．６ｍｍのタブ部を形成した。その後、タブ部の根元の幅方向両端部から芯体の基部にわたって、曲線と直線とで縁取られた、図３に示す形状の切り欠きを形成した。切り欠きの縁の一部を形成する曲線は、長径８ｍｍ、短径４ｍｍの楕円の円弧の一部からなる。切り欠きの縁の一部を形成する直線は、基部の上縁から３．５ｍｍの長さで形成される。当該直線と基部の上縁とがなす角度は１５０°である。また、切り欠きが形成されたタブ部の根元の幅Ｗ_２は１４．６ｍｍ、切り欠きの幅Ｗ_３は８ｍｍ、幅Ｗ_４は２．７ｍｍ、長さＬ_１は４ｍｍ、長さＬ_２は２ｍｍである。

次に、切り欠きを形成した長尺体Ｚを一対のローラーの間に通すことにより正極活物質層を圧縮した。なお、正極合材スラリーの塗布量および長尺体Ｚの圧縮力を調整することにより、正極活物質層の充填密度を３．７１ｇ／ｃｍ^３とした正極（１）、および正極活物質層の充填密度を３．８ｇ／ｃｍ^３とした正極（２）を作製した。各正極について、タブ部およびその近傍における亀裂の有無を確認し、評価結果を表１に示した。

＜比較例１＞
図３に示す切り欠きの代わりに、図６に示す切り欠き（楕円の円弧の一部からなる曲線のみで縁取られた切り欠き）を形成したこと以外は、実施例１と同様にして正極活物質層の充填密度が異なる２種類の正極を製造し、上記評価を行った。なお、切り欠きが形成されたタブ部の根元の幅Ｗ_２は１４．６ｍｍ、切り欠きの幅Ｗ_３は８ｍｍ、幅Ｗ_４は２．７ｍｍ、長さＬ_１は４ｍｍ、長さＬ_２は２ｍｍである。

＜比較例２＞
図３に示す切り欠きの代わりに、図７に示す切り欠き（真円の円弧の一部からなる曲線のみで縁取られた切り欠き）を形成したこと以外は、実施例１と同様にして正極活物質層の充填密度が異なる２種類の正極を製造し、上記評価を行った。なお、切り欠きが形成されたタブ部の根元の幅Ｗ_２は１４．６ｍｍ、切り欠きの幅Ｗ_３は６ｍｍ、幅Ｗ_４は２．７ｍｍ、長さＬ_１は６ｍｍ、長さＬ_２は３ｍｍである。

表１に示すように、実施例１では、正極（１）について亀裂は確認されず（亀裂発生率０％）、活物質層の充填密度が高い正極（２）についても、亀裂の発生確率は低く抑えられた（３０％）。他方、比較例２では、正極（１）についても亀裂が確認された。比較例１では、正極（１）において亀裂は確認されなかったものの、正極（２）については亀裂の発生確率が高かった（８３％）。この結果から、タブ部の根元およびその近傍における亀裂の発生確率は切り欠きの形状に大きく依存し、曲線および直線で縁取られた実施例１の切り欠きは、かかる亀裂の発生を大幅に抑制することが理解される。さらに、実施例１の正極は、比較例１，２の正極と比べて、容量に対する影響も小さい。

１電池、３電極体、４外装体、５封口板、５ａ正極端子取り付け孔、５ｂ負極端子取り付け孔、６正極集電体、７正極端子、８負極集電体、９負極端子、１０〜１３絶縁部材、１４ガス排出弁、１５電解液注液孔、１６封止栓、１７絶縁シート、２０正極、２１正極芯体、２２正極活物質層、２３正極基部、２４正極タブ部、２４ａ，３４ａ露出部、２５切り欠き、２６曲線、２７直線、２８
保護層、３０負極、３１負極芯体、３２負極活物質層、３３負極基部、３４負極タブ部、４０セパレータ

Claims

芯体と、前記芯体の表面に設けられた活物質層とを備える電池用電極であって、
前記芯体は、芯体表面が前記活物質層に覆われた基部と、前記基部から突出したタブ部とを有し、
前記芯体には、前記タブ部の根元から前記基部にわたって、または前記基部の前記タブ部と隣接する部分に切り欠きが形成され、
前記切り欠きの縁は、第１の円弧からなる第１の曲線と、前記第１の円弧よりも曲率が小さな第２の円弧からなる第２の曲線または直線とで形成されている、電池用電極。
前記切り欠きは、前記タブ部の根元から前記基部にわたって形成され、
前記タブ部の幅は、先端より根元で細くなっている、請求項１に記載の電池用電極。
前記切り欠きは、前記タブ部の根元の幅方向両端部から前記基部にわたって、または前記基部の当該幅方向両端部と隣接する部分にそれぞれ形成されている、請求項１または２に記載の電池用電極。
前記切り欠きの縁には、前記タブ部側の第１端と、前記基部側の第２端とが存在し、
前記第２の曲線または前記直線は、前記第２端から形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池用電極。
前記第２の曲線または前記直線は、前記第２端から前記タブ部の側縁を延長した線を超えない長さで形成されている、請求項４に記載の電池用電極。
前記第１の円弧は、楕円の円弧である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池用電極。
前記活物質層の充填密度は、３．６５ｇ／ｃｍ^３以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池用電極。
前記タブ部の根元に設けられた保護層をさらに備え、
前記切り欠きの一部は、前記保護層が設けられた部分に形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池用電極。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池用電極を備えた、電池。
前記電池用電極は、正極である、請求項９に記載の電池。
芯体と、前記芯体の表面に設けられた活物質層とを備え、前記芯体が、芯体表面が前記活物質層に覆われた基部と、前記基部から突出したタブ部とを有する電池用電極の製造方法であって、
少なくとも前記基部または前記基部となる部分の表面に前記活物質層を設け、
前記タブ部または前記タブ部となる部分の根元から前記基部または前記基部となる部分にわたって、或いは前記基部の前記タブ部と隣接する部分または当該隣接する部分となる部分に切り欠きを形成し、このとき、第１の円弧からなる第１の曲線と、前記第１の円弧よりも曲率が小さな第２の円弧からなる第２の曲線または直線とで前記切り欠きの縁を形成し、
前記切り欠きの形成後に、前記活物質層を圧縮する、電池用電極の製造方法。