WO2015045796A1

WO2015045796A1 - 積層型二次電池

Info

Publication number: WO2015045796A1
Application number: PCT/JP2014/073463
Authority: WO
Inventors: 前吉弘隆; 大塚大輔
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-04-02
Also published as: JPWO2015045796A1; US20160276713A1; JP6020737B2

Abstract

　正極あるいは負極の集電タブの位置にばらつきが生じたり、正極と負極の間の距離が大きくなって特性が低下したりすることのない、信頼性の高い積層型二次電池を提供する。　正極部材１と負極部材２とを、セパレータ層１３を介して積層した積層型二次電池５０において、正極部材および負極部材の少なくとも一方は、一対のセパレータ用シート状材料（セパレータ層）を重ねて周縁部の所定の位置を溶着してなるセパレータ部材３の、上記一対のセパレータ用シート状材料１３に挟まれるように配設され、かつ、集電タブ１１がセパレータ部材３の周縁部から外部に引き出されているとともに、正極部材と負極部材の積層方向に互いに隣り合うセパレータ部材についてみた場合に、溶着部２３が、積層方向から見て重なり合わない位置に形成された構成とする。　セパレータ部材３を、セパレータ層１３の周縁部の複数位置が溶着された袋状の構造とする。

Description

積層型二次電池

　本発明は、リチウムイオン二次電池などの電池に関し、詳しくは、正極部材と、負極部材とが、セパレータ層を介して繰り返して積層された積層構造を有する積層型二次電池に関する。

　近年、携帯電話、携帯用パーソナルコンピュータなどの携帯用電子機器の電源としてリチウムイオン二次電池などに代表される電池（二次電池）が広く用いられるに至っている。

　ところで、このような電池として、図１０に示すような構造を有する積層型二次電池が提案されている。
　この積層型二次電池１０１は、複数の第１の電極１０２と、複数の第１の集電タブ１０５ａと、中心軸Ａで第１の部分と第２の部分とに二分可能な複数のセパレータ１０４ａと、中心軸Ｂで二分可能な部分の一方が第１の部分に対向し、他方の部分が第２の部分に対向した複数の第２の電極１０３と、複数の第２の集電タブ１０５ｂとを有している。

　そして、各セパレータ１０４ａにおける第１の部分に、第２の部分と中心軸Ａに関して非対称な第１の非対称部１０７が形成され、各第２の電極１０３における一方の部分に、他方の部分と中心軸Ｂに関して非対称な第２の非対称部１０８が形成されており、全ての第１の非対称部１０７と全ての第２の非対称部１０８とが積層方向で一致するように構成されている。

　そして、セパレータ１０４ａとしては、セパレータ用シート状材料を重ねて、周縁部の所定の位置を融着接合させることにより形成された袋状のセパレータが用いられており、各セパレータ用シート状材料の融着接合位置１１４は、積層方向から見た場合おいて、袋状の各セパレータ１０４ａにおいて同じ位置とされている（特許文献１の図１，図４，図５など参照）。

　上述のように構成された特許文献１の積層型二次電池１０１によれば、第１の電極１０２または第２の電極１０３のいずれかが誤積層されて第１の集電タブ１０５ａと第２の集電タブ１０５ｂとが積層方向で重なったとしても、第１の非対称部１０７と第２の非対称部１０８とが積層方向で一致しなくなるため、電極の誤積層を容易に認識することが可能で、電極の誤積層による不具合を防止することが可能になる。

特開２０１２－５４１９４号公報

　しかしながら、上述の特許文献１の積層型二次電池の場合、セパレータ用シート状材料を重ねて、周縁部の所定の複数位置を融着接合させることにより形成された袋状のセパレータ１０４ａ内に第１の電極１０２または第２の電極１０３が収容されており、セパレータ１０４ａ内に収容された第１の電極１０２または第２の電極１０３が、他方の電極と交互に積層されているとともに、袋状の各セパレータ１０４ａの周縁部の融着接合部１１４の位置は、積層方向から見た場合において、袋状の各セパレータ１０４ａにおいて同じ位置とされている（特許文献１の図１，図４，図５など参照）。

　そのため、融着接合部１１４およびその近傍領域は、融着接合の際のセパレータ用シート状材料の収縮により、厚みが他の領域よりも厚くなり、第１および第２の電極１０２，１０３やセパレータ１０４ａの積層数が増加すると、融着接合部１１４が積み重なって、積層体の厚みが周縁部で厚くなり、各電極やセパレータに反りが生じて、電極やセパレータのずれが引き起こされたり、第１の電極と第２の電極との間の距離が大きくなって、電池特性が低下したりするというような問題点がある。

　　本発明は、上記課題を解決するものであり、積層方向に互いに隣り合うセパレータ部材の、周縁部の溶着部（融着接合部）の厚みが、セパレータ部材の他の領域に比べて厚いことに起因して、各正極および負極の位置や、集電タブの位置などにばらつきが生じたり、正極と負極の間の距離が大きくなって電池特性が低下したりすることのない、信頼性の高い積層型二次電池を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の積層型二次電池は、
　正極部材と、負極部材とが、セパレータ層を介して積層された積層構造体と、電解質とを備えた蓄電要素と、
　前記蓄電要素を収容する外装体と、
　前記正極部材が備える集電タブに接続され、一部が前記外装体から外部に引き出された正極リード端子と、
　前記負極部材が備える集電タブに接続され、一部が前記外装体から外部に引き出された負極リード端子と
　を備えた蓄電デバイスにおいて、
　前記正極部材および前記負極部材の少なくとも一方は、一対のセパレータ用シート状材料を重ねて周縁部の所定の位置を溶着することにより、前記周縁部に溶着部が形成されたセパレータ部材の、前記一対のセパレータ用シート状材料に挟まれるように配設され、かつ、前記集電タブが前記セパレータ部材の周縁部から外部に引き出されているとともに、
　前記正極部材と前記負極部材の積層方向に互いに隣り合う前記セパレータ部材の前記溶着部が、前記積層方向から見て重なり合わない位置に形成されていること
　を特徴としている。

　また、本発明の電池においては、前記セパレータ部材が、重ねた一対の前記セパレータ用シート状材料の周縁部の複数位置を溶着することにより袋状に形成されたものであることが望ましい。

　セパレータ部材として、重ねたセパレータ用シート状材料の周縁部の複数位置を溶着することにより袋状に形成されたものを用いることにより、正極部材および負極部材の少なくとも一方を確実に、袋状のセパレータ部材内に保持させることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。

　ただし、セパレータ部材は、正極部材および負極部材の少なくとも一方を保持し、正極部材と負極部材とがセパレータ層を介して確実に積層することができるような形態であればよく、例えば、一辺の所定の位置を溶着して、該一辺に集電タブを導出させることができるような開口部を設け、正極部材および負極部材のいずれか一方の集電タブを該開口部から導出させた状態で、上記一辺と対向する辺の所定の位置を溶着して、正極部材または負極部材が、セパレータ用シート状材料間に保持されるような形状（例えば略筒状の形状）とすることも可能であり、さらに他の形状とすることも可能である。

　本発明の積層型二次電池は、上述のように構成されており、正極部材および負極部材の少なくとも一方は、一対のセパレータ用シート状材料を重ねて周縁部の所定の位置を溶着することにより、周縁部に溶着部が形成されたセパレータ部材の、一対のセパレータ用シート状材料に挟まれるように配設され、かつ、集電タブがセパレータ部材の周縁部から外部に引き出されているとともに、正極部材と負極部材の積層方向に互いに隣り合うセパレータ部材の溶着部が、積層方向から見て重なり合わない位置に形成されているので、積層方向に互いに隣り合うセパレータ部材の、周縁部の溶着部の厚みが、セパレータ部材の他の領域に比べて厚いことに起因して、各正極部材、負極部材の位置や、集電タブの位置などにばらつきが生じたり、正極部材と負極部材の間の距離が大きくなって電池特性が低下したりすることのない、信頼性の高い積層型二次電池を提供することができる。

本発明の一実施形態（実施形態１）にかかる積層型二次電池（リチウムイオン二次電池）を示す平面図である。本発明の実施形態１にかかる積層型二次電池の要部構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態１にかかる積層型二次電池の、袋状のセパレータ部材およびセパレータ部材に収容された正極部材を示す分解斜視図である。本発明の実施形態１にかかる積層型二次電池の、積層方向に隣り合う一対のセパレータ部材の溶着部の位置関係を示す平面図である。本発明の実施形態１にかかる積層型二次電池の、セパレータ部材の溶着部の位置関係を示す図である。本発明の実施形態１にかかる積層型二次電池を構成する積層構造体の、反りの大きさを測定する方法を説明する図である。本発明の実施形態１にかかる積層型二次電池を構成する集電タブ（正極集電タブ）の位置ずれ量を測定する方法を説明する図である。本発明の他の実施形態（実施形態２）にかかる積層型二次電池の、積層方向に隣り合う３つのセパレータ部材の溶着部の位置関係を示す平面図である。本発明の実施形態２にかかる積層型二次電池の、セパレータ部材の溶着部の位置関係を示す図である。従来の積層型二次電池の構成を示す図である。

　以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

［実施形態１］
　図１は本発明の一実施形態（実施形態１）にかかる積層型二次電池（リチウムイオン二次電池）を示す平面図、図２はその要部構成を示す分解斜視図、図３は袋状のセパレータ部材およびセパレータ部材に収容された正極部材を示す分解斜視図である。
　また、図４は、積層方向に隣り合う一対のセパレータ部材の溶着部の位置関係を示す平面図である。

　この実施形態１の積層型二次電池５０は、図１～４に示すように、正極活物質を含む正極合材を、正極用集電体上に形成してなる正極部材１と、負極活物質を含む負極合材を、負極用集電体上に形成してなる負極部材２とが、セパレータ層１３を介して積層された積層構造体４と、電解質（図示せず）とを備えた蓄電要素５が外層体６に収容された構造を有している。

　さらに、正極部材１が備える集電タブ（正極集電タブ）１１には正極リード端子１１ａが接続され、その先端部が外装体６から外部に導出されているとともに、負極部材２が備える集電タブ（負極集電タブ）１２には負極リード端子１２ａが接続され、その先端部が外装体６から外部に導出されている

　また、この実施形態１にかかる積層型二次電池５０においては、正極部材１が、セパレータ用シート状材料を重ねて、周縁部の所定の複数位置を溶着することにより袋状に形成されたセパレータ部材３内に収容されており、セパレータ部材３を構成するセパレータ層（セパレータ用シート状材料）１３に挟まれた状態で保持されている。また、正極部材１の集電タブ１１は、袋状のセパレータ部材３の開口部から外部に引き出されている。

　そして、上述の積層構造体４は、袋状のセパレータ部材３に収容された状態の正極部材１と、負極部材２とを交互に積層することにより形成されており、正極部材１と負極部材２とに間には、セパレータ部材３を構成するセパレータ層１３が介在するように構成されている。

　なお、この実施形態１では、袋状のセパレータ部材３に収容された状態の正極部材１を６７枚、負極部材２を６８枚、交互に積層することにより積層構造体４が形成されている。　

　また、正極部材１が袋状のセパレータ部材３に収容された構造体を形成するにあたっては、例えば図３に示すように、２枚のセパレータ層（セパレータ用シート状材料）１３の間に正極部材１を位置させ、セパレータ層（セパレータ用シート状材料）１３で正極部材１を挟み込んだ後、周縁部の所定の複数位置を溶着することにより、図２に示すような、正極部材１が袋状のセパレータ部材３に収容された構造体が得られる。

　そして、この実施形態１にかかる積層型二次電池５０においては、図４に示すように、積層方向に互いに隣り合う袋状のセパレータ部材３（３Ａ，３Ｂ）の、周縁部の複数の溶着部（融着接合部）２３の位置が、積層方向から見て重なり合わないように構成されている。なお、この実施形態１では、図４に示すように、セパレータ部材３の４つの辺に形成された溶着部２３の位置が集電タブ１１が積層方向から見て重なり合わないようにしているが、集電タブ１１の引き出された辺と直交する辺に形成された溶着部２３の位置が重ならないようにすることがより重要である。これは、溶着部が重なった場合、その部分が反ってしまい、積層時にずれてしまうことによる。

　図５は、周縁部の複数の溶着部（融着接合部）２３の位置が互いに異なるセパレータ部材３Ａ，３Ｂを、それぞれに正極部材１が収容された状態で、負極部材２を間に介在させながら、交互に積層した状態を模式的に示す図である。
　この実施形態１にかかる積層型二次電池５０においては、図５に示すように、溶着部２３の位置が積層方向に互いに隣り合う袋状のセパレータ部材３Ａ，３Ｂでは異なっているが、セパレータ部材３Ａと３Ｂが交互に積層されていることから、１層おきに溶着部（融着接合部）２３の位置が同じ位置になっている。

　したがって、すべてのセパレータ部材３において溶着部（融着接合部）２３の位置が同じである場合に比べて、この実施形態１の構成の場合、溶着部（融着接合部）２３の重なりの数が１／２に減少する。

　その結果、積層方向に互いに隣り合うセパレータ部材３（図４では、３Ａ，３Ｂ）の、周縁部の溶着部（融着接合部）２３の重なりが多くなることに起因する、正極部材１および負極部材２の反り（すなわち、積層構造体４の反り）を抑制することが可能になる。

　また、各正極部材１、負極部材２の位置や、集電タブ１１，１２の位置などにばらつきが生じたり、正極部材１と負極部材２の間の距離が大きくなって電池特性が低下したりすることを抑制することができる。そして、その結果、信頼性の高い積層型二次電池５０を提供することが可能になる。

　なお、本発明の実施形態１にかかる積層型二次電池５０を構成する積層構造体４の反りと、集電タブ（正極集電タブ１１）の位置ずれ量を、以下に説明する方法で調べた。なお、積層構造体の寸法は、幅Ｗ：１３０ｍｍ、厚みＴ：１０ｍｍ、長さＬ：１３０である。

　（１）積層型二次電池を構成する積層構造体の反り
　図６に示すように、本発明の実施形態１にかかる積層型二次電池５０を構成する積層構造体４をテーブルＴ上に載置し、スケールＳにより、左右の両端部の最も反った部分の寸法Ｘと、中央部分の寸法Ｙを測定し、その差（Ｘ－Ｙ）を反り量とした。なお、図６は、集電タブ（正極集電タブ１１）の引き出し方向から積層構造体４を見た図である。

　また、比較のため、すべてのセパレータ部材３において溶着部（融着接合部）の位置が同じになるようにして作製した積層構造体（比較例）について、上述の方法と同じ方法で反り量を調べた。
　その結果を表１に示す。

　表１に示すように、すべてのセパレータ部材３において溶着部の位置が同じである比較例の積層構造体の場合、反り量が２５ｍｍであったのに対し、本発明の実施形態１にかかる試料（積層構造体）の場合、反り量が２２ｍｍに抑えられることが確認された。

　（２）集電タブ（正極集電タブ）の位置ずれ量
　図７に示すように、複数の集電タブ（正極集電タブ１１）のうち、最も突出した正極集電タブ１１（１１ｘ）の先端位置と、最も後退した位置にある正極集電タブ１１（１１ｙ）の先端位置の、正極集電タブ１１の引き出し方向に沿う方向の位置の差Ｄを正極集電タブの位置ずれ量とした。

　また、比較のため、すべてのセパレータ部材３において溶着部（融着接合部）の位置が同じになるようにして作製した積層構造体（比較例）についても、上述の方法と同じ方法で正極集電タブの位置ずれ量を調べた。
　その結果を表２に示す。

　表２に示すように、すべてのセパレータ部材３において溶着部（融着接合部）の位置が同じである比較例の積層構造体の場合、正極集電タブの位置ずれ量が１．５ｍｍであったのに対し、本発明の実施形態１にかかる試料（積層構造体）の場合、正極集電タブの位置ずれ量が１．０ｍｍに抑えられることが確認された。

［実施形態２］
　図８は本発明の他の実施形態（実施形態２）にかかる積層型二次電池５０の構成を説明する図である。

　実施形態１では、周縁部の複数の溶着部（融着接合部）２３の位置が互いに異なる２種類のセパレータ部３Ａ，３Ｂに正極部材１が収容された状態で、負極部材２を間に介在させながら交互に積層するようにしたが、この実施形態２では、図８に示すように、周縁部の複数の溶着部（融着接合部）２３の位置が互いに異なる３種類のセパレータ部３Ａ，３Ｂ，３Ｃを、それぞれに正極部材１が収容された状態で、負極部材２を間に介在させながら、下から３Ｃ，３Ｂ，３Ａの順に繰り返して積層することにより積層構造体４を形成するようにした（図９参照）。

　なお、図８では、３種類のセパレータ部３Ａ，３Ｂ，３Ｃにおいて、一辺側の溶着部２３の配設態様のみを示し、他の辺においては図示を省略しているが、他の辺においても同様に、互いに異なる位置に溶着部が形成されている。

　なお、図９は、周縁部の複数の溶着部（融着接合部）２３の位置が互いに異なるセパレータ部３Ａ，３Ｂ，３Ｃを、それぞれに正極部材１が収容された状態で、負極部材２を間に介在させながら、３Ｃ，３Ｂ，３Ａの順に繰り返して積層した状態を模式的に示す図である。

　図９に示すように、実施形態２にかかる積層型二次電池５０においては、溶着部２３の位置が、積層方向に互いに隣り合う袋状のセパレータ部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃにおいてそれぞれ異なっており、溶着部２３の位置が異なる３種類のセパレータ部材３Ｃ，３Ｂ，３Ａが順に積層された後、再び３種類のセパレータ部材３Ｃ，３Ｂ，３Ａが順に積層されている。

　したがって、すべてのセパレータ部材３において溶着部（融着接合部）２３の位置が同じである場合に比べて、この実施形態２の構成の場合、溶着部（融着接合部）２３の重なりの数が１／３に減少する。

　その結果、セパレータ部材３（図９では、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）の、周縁部の溶着部（融着接合部）２３の重なりが多くなることに起因する、正極部材１および負極部材２の反り（すなわち、積層構造体４の反り）を抑制することが可能になる。

　なお、本発明の実施形態２にかかる積層型二次電池５０についても、それを構成する積層構造体４の反りと、集電タブ（正極集電タブ１１）の位置ずれ量を、上記実施形態１の場合と同様の方法で調べた。

　積層構造体４の反りの大きさを調べた結果を表３に示す。

　また、集電タブ（正極集電タブ１１）の位置ずれ量を調べた結果を表４に示す。

　表３に示すように、すべてのセパレータ部材３において溶着部（融着接合部）の位置が同じである比較例の積層構造体の場合、反り量が２５ｍｍであったのに対し、本発明の実施形態２にかかる試料（積層構造体）の場合、反り量が２０ｍｍに抑えられることが確認された。

　また、表４に示すように、すべてのセパレータ部材３において溶着部（融着接合部）の位置が同じである比較例の積層構造体の場合、正極集電タブの位置ずれ量が１．５ｍｍであったのに対し、本発明の実施形態にかかる試料（積層構造体）の場合、正極集電タブの位置ずれ量が０．８ｍｍに抑えられることが確認された。

　上記実施形態１，２では、正極部材が袋状のセパレータ部材内に収容されている場合を例にとって説明したが、場合によっては、負極部材を袋状セパレータ部材内に収容した構成とすることも可能である。

　また、上記実施形態１，２では、セパレータ部材が袋状である場合を例にとって説明したが、セパレータ部材は、必ずしも袋状である必要はなく、セパレータ層間に正極部材または負極部材の少なくとも一方を保持することが可能な態様であればよい。

　また、上記実施形態では、２枚のセパレータ層（セパレータ用シート状材料）周縁部の、所定の位置を溶着することにより、正極部材１を形成するようにしているが、１枚のセパレータ層（セパレータ用シート状材料）を２つ折りにして、周縁部の所定の位置を溶着することにより、正極部材１を形成するようにしてもよい。

　本発明は、さらにその他の点においても上記の実施形態に限定されるものではなく、正極部材と負極部材の積層数、集電タブの引き出し方向などに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

　１　　　　　　　　正極部材
　２　　　　　　　　負極部材
　３　　　　　　　　セパレータ部材
　３Ａ，３Ｂ，３Ｃ　溶着部の位置の異なるセパレータ部材
　４　　　　　　　　積層構造体
　５　　　　　　　　蓄電要素
　６　　　　　　　　外装体
　１１　　　　　　　集電タブ（正極集電タブ）
　１１ａ　　　　　　正極リード端子
　１１ｘ　　　　　　最も突出した位置にある正極集電タブ
　１１ｙ　　　　　　最も後退した位置にある正極集電タブ
　１２　　　　　　　集電タブ（負極集電タブ）
　１２ａ　　　　　　負極リード端子
　１３　　　　　　　セパレータ層（セパレータ用シート状材料）
　２３　　　　　　　溶着部（融着接合部）
　５０　　　　　　　積層型二次電池
　Ｄ　　　　　　　　集電タブの位置ずれ量
　Ｓ　　　　　　　　スケール
　Ｔ　　　　　　　　テーブル
　Ｘ　　　　　　　　積層構造体の左右の両端部の最も反った部分の寸法
　Ｙ　　　　　　　　積層構造体の中央部分の寸法

Claims

　正極部材と、負極部材とが、セパレータ層を介して積層された積層構造体と、電解質とを備えた蓄電要素と、
　前記蓄電要素を収容する外装体と、
　前記正極部材が備える集電タブに接続され、一部が前記外装体から外部に引き出された正極リード端子と、
　前記負極部材が備える集電タブに接続され、一部が前記外装体から外部に引き出された負極リード端子と
　を備えた蓄電デバイスにおいて、
　前記正極部材および前記負極部材の少なくとも一方は、一対のセパレータ用シート状材料を重ねて周縁部の所定の位置を溶着することにより、前記周縁部に溶着部が形成されたセパレータ部材の、前記一対のセパレータ用シート状材料に挟まれるように配設され、かつ、前記集電タブが前記セパレータ部材の周縁部から外部に引き出されているとともに、
　前記正極部材と前記負極部材の積層方向に互いに隣り合う前記セパレータ部材の前記溶着部が、前記積層方向から見て重なり合わない位置に形成されていること
　を特徴とする積層型二次電池。
　前記セパレータ部材が、重ねた一対の前記セパレータ用シート状材料の周縁部の複数位置を溶着することにより袋状に形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の積層型二次電池。