JP6340925B2 - 蓄電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、正極と負極とがセパレータを介して配置された蓄電装置に関する。
蓄電装置は、正極と負極とがセパレータを介して配置された電極組立体及び電解液等がケースに収容されて構成される。正極は、金属箔の少なくとも一面に正極活物質層が形成されている。負極は、金属箔の少なくとも一面に負極活物質層が形成されている。活物質層は、密度に応じて硬さが変わり、密度が高くなるほど硬い。正極と負極との活物質層の硬さが異なっていると、セパレータと電極（正極、負極）との間に異物が入った場合にセパレータの変形が大きくなって破断し、内部短絡する可能性がある。
例えば、図３を参照して、正極１０１のほうが負極１０２よりも活物質層が硬い蓄電装置において、正極１０１又は負極１０２とセパレータ１０３との間に異物Ｓが入った場合について説明する。図３は、異物Ｓが入った箇所の断面図であり、正極１０１、負極１０２は活物質層のみを示しており、変形している状態をそれぞれ判り易くするために正極１０１、負極１０２とセパレータ１０３との間をそれぞれ離して描いているが、実際にはそれぞれ接している。図３（ａ）に示すように、正極１０１とセパレータ１０３との間に異物Ｓが入った場合、正極１０１は負極１０２よりも活物質層が硬いので、異物Ｓによって正極１０１側が殆ど変形せず（殆ど凹まず）、セパレータ１０３を介して負極１０２側が大きく変形する（大きく凹む）。この負極１０２側の大きな変形により、異物Ｓと負極１０２との間のセパレータ１０３も大きく変形し（伸び）、セパレータ１０３が破断する可能性がある。セパレータ１０３が破断すると、正極１０１と負極１０２とが直接又は異物Ｓを介して内部短絡する。また、図３（ｂ）に示すように、負極１０２とセパレータ１０３との間に異物Ｓが入った場合、負極１０２は正極１０１よりも活物質層が軟らかいので、異物Ｓによって負極１０２側が大きく変形し、セパレータ１０３を介して正極１０１側が殆ど変形しない。そのため、このセパレータ１０３が殆ど変形せず、セパレータ１０３が破断する可能性が低い。
内部短絡を防止するためには、電極（特に、活物質層が硬いほうの電極）とセパレータとの間に異物が入らないようにする必要がある。例えば、特許文献１には、正極板、負極板及びその間に多孔質絶縁層が配置されて形成された電極群とその露出端に接続された集電板とを備える二次電池において、集電板は電極群が接続される主面と主面の周縁に設けられた突起とを有しているので、溶接時にスパッタが発生した場合でもこの集電板の構造によって電極群の内部へのスパッタの侵入を抑制できることが開示されている。
蓄電装置には、高温になった場合にセパレータが収縮して絶縁できなくなるのを防止等するために、セパレータで一方の電極（例えば、正極）を包む構成としたものがある。セパレータで電極を包む場合、例えば、２枚のセパレータの端部を溶着することによって袋状にして電極を収容し、集電のためのタブだけを袋状のセパレータから出しておく。この場合、タブの部分は溶着できないので、この非溶着部分から異物が入る可能があり、この非溶着部分から異物が入らないようにする必要がある。特許文献１の構成の場合、電極群の上部全体を集電板で覆っているので、大きな集電板が必要となり、その大きな集電板を配置させる大きなスペースも必要となる。
そこで、本技術分野においては、簡単な構造によってセパレータで包まれる電極とセパレータとの間に異物が入らないようにする蓄電装置が要請されている。
本発明の一側面に係る蓄電装置は、正極と負極とがセパレータを介して配置された蓄電装置であって、セパレータは、正極と負極のうちの一方の電極のタブ以外の部分を包んでおり、セパレータで包まれる電極のタブには、積層方向に曲げが形成されている。
この蓄電装置は、電極としての正極と負極を備えており、正極と負極との間にセパレータが配置されている。セパレータは、正極と負極のうちの一方の電極のタブ以外の部分を包んでいる。そのため、セパレータで包まれていないタブの部分からは、異物が入る可能性がある。そこで、このタブには、積層方向における少なくとも一方向に曲げが形成されている。この積層方向に曲がっているタブによって、セパレータで包まれていない部分を覆うことができる。このように、この蓄電装置は、セパレータで包まれる電極のタブに積層方向に曲げを形成することにより、簡単な構造によってセパレータで包まれる電極とセパレータとの間に異物が入らないようにすることができる。その結果、異物によってセパレータが破断するのを防止できるので、異物による内部短絡を防止でき、安全性を向上させることができる。また、タブに曲げを形成するだけなので、別途の部材や大きなスペースを必要としない。
一実施形態の蓄電装置では、セパレータで包まれる電極は、正極と負極のうちの活物質層の硬い電極である。
活物質層の柔らかほうの電極とセパレータとの間に異物が入った場合よりも活物質層の硬いほうの電極とセパレータとの間に異物が入った場合のほうが、セパレータが破断する可能性が高い。そこで、活物質層が硬いほうの電極をセパレータで包み、その電極のタブに積層方向に曲げを形成することにより、活物質層が硬いほうの電極とセパレータとの間に異物が入らないようにすることができる。このように、この蓄電装置は、セパレータが正極と負極のうちの活物質層が硬いほうの電極を包み、その電極のタブに積層方向に曲げを形成することにより、その電極とセパレータとの間に異物が入らないようにすることができ、異物による内部短絡を防止することができる。
一実施形態の蓄電装置では、セパレータで包まれる電極（活物質層の硬いほうの電極）は、正極である。したがって、セパレータが活物質層の硬いほうの正極を包み、正極のタブに積層方向に曲げを形成することにより、活物質層の硬いほうの正極とセパレータとの間に異物が入らないようにすることができる。
一実施形態の蓄電装置では、セパレータで包まれる電極のタブには、複数の折り返しが形成されている。このようにタブが複数回折り返されることにより、複数回折り返しによってセパレータで包まれていない部分を確実に覆うことができ、セパレータで包まれていない部分から異物が入らないようにすることができる。
本発明によれば、簡単な構造によってセパレータで包まれる電極とセパレータとの間に異物が入らないようにすることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る蓄電装置を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
一実施形態に係る蓄電装置は、正極のほうが負極よりも活物質層が硬い蓄電装置であり、この活物質層が硬いほうの正極がセパレータで包まれる。一実施形態に係る蓄電装置は、二次電池又は電気二重層キャパシタ等の蓄電装置である。二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。本実施の形態では、蓄電装置としてリチウムイオン二次電池に適用した場合とする。
図１を参照して、一実施形態に係る蓄電装置（特に、電極組立体の構成）について説明する。図１は、一実施形態に係る蓄電装置の電極組立体を模式的に示す分解斜視図である。なお、図１では正極のタブに曲げが形成されていないものを描いているが、正極のタブには図２に示すような曲げが形成される。
この実施形態に係る蓄電装置は、正極１と負極２とがセパレータ３を介して積層された電極組立体１０及び電解液（図示せず）等がケース（図示せず）に収容されて構成されている。特に、蓄電装置は、電極組立体１０での内部短絡を防止するために、セパレータ３で包まれかつ活物質層が硬い正極１とセパレータ３との間に異物が入らない構造を有している。この蓄電装置における電極組立体１０以外の構成要素については周知のものを適宜適用してよく、詳細な説明を省略する。
正極１は、金属箔と、金属箔の少なくとも一面に形成された正極活物質層からなる。正極１は、金属箔の端部に正極活物質層が形成されていないタブ１ａを有する。タブ１ａは、正極１の上縁部に延び、導電部材（図示せず）を介して正極端子（図示せず）に接続される。正極１は、正極活物質層が形成されている部分が略矩形状であり、この略矩形状の上端からタブ１ａが突出した形状である。金属箔は、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔である。正極活物質層は、正極活物質、バインダを含んでいる。正極活物質層は、導電助剤を含んでいてもよい。正極活物質は、例えば、複合酸化物、金属リチウム、硫黄である。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。バインダは、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂などである。導電助剤は、例えば、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）である。
負極２は、金属箔と、金属箔の少なくとも一面に形成された負極活物質層からなる。負極２は、金属箔の端部に負極活物質層が形成されていないタブ２ａを有する。タブ２ａは、負極２の上縁部に延び、導電部材（図示せず）を介して負極端子（図示せず）に接続される。負極２は、負極活物質層が形成されている部分が略矩形状であり、この略矩形状の上端からタブ２ａが突出した形状である。金属箔は、例えば、銅箔、銅合金箔である。負極活物質層は、負極活物質、バインダを含んでいる。負極活物質層は、導電助剤を含んでいてもよい。負極活物質は、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素である。バインダ、導電助剤は、例えば、正極１で例示した同様のバインダ、導電助剤の中のものを適用できる。なお、バインダは正極１での例示に加え、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、アルコキシシリル基含有樹脂なども適用できる。
正極１と負極２とは、活物質層が異なる硬さ（硬度）であり、正極１のほうが負極２よりも活物質層が硬い。活物質層の硬さ（例えば、ビッカース硬さ試験で測定されたビッカース硬さ［ＨＶ］）は、活物質層の密度によって決まり、密度が高いほど硬い。したがって、金属箔に電極ペーストを塗布して乾燥させた後のプレス工程においてプレス圧を調整して活物質層の密度を所望の密度（予め設定された設計値）にすることによって、活物質層の硬さを所望の硬さにすることができる。このように、この実施形態に係る蓄電装置では、正極１の正極活物質層の密度を負極２の負極活物質層の密度よりも高くして、正極１の正極活物質層を負極２の負極活物質層よりも硬くしている。
セパレータ３は、正極１と負極２とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。特に、２枚のシート状のセパレータ３，３によって正極１のタブ１ａ以外の部分を包み込むために、２枚のシート状のセパレータ３，３の端部におけるタブ１ａ以外の部分が溶着部４で接合された袋状のセパレータとなっている。セパレータ３は、略矩形状である。セパレータ３は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布である。
図１を参照して、正極１、負極２、セパレータ３からなる電極組立体１０の積層工程について説明する。まず、２枚のセパレータ３，３の間に正極１が挟み込まれ、正極１のタブ１ａ以外の矩形状の部分がセパレータ３の中央部に配置される。正極１のタブ１ａ以外の矩形状の部分の大きさは、矩形状のセパレータ３の大きさよりも小さい。したがって、正極１のタブ１ａ以外の部分は、セパレータ３，３によって全て覆われている。次に、２枚のセパレータ３．３の端部（２枚のセパレータ３，３が接して重ねられている部分）においてタブ１ａ以外の部分が熱溶着され、溶着部４となる。これによって、正極１は、袋状となったセパレータ３，３によってタブ１ａ以外の部分が包まれる。したがって、この袋状のセパレータ３，３では、タブ１ａの部分が非溶着部分となっており、この部分だけが空いている。なお、正極１の矩形状の部分をセパレータ３よりどの程度小さくするかは、熱溶着されないように、溶着部４となる領域を考慮して小さくするとよい。
次に、正極１を包み込んだ袋状のセパレータ３，３の両側に負極２がそれぞれ配置され、積層される。負極２のタブ２ａ以外の矩形状の部分の大きさは、矩形状のセパレータ３の大きさと略同じ大きさである。したがって、負極２のタブ２ａ以外の矩形状の部分の大きさは、正極１のタブ１ａ以外の矩形状の部分の大きさよりも大きい。このように、多数の正極１を包み込んだ袋状のセパレータ３，３の両側に負極２，２がそれぞれ積層されて、電極組立体１０が構成される。
なお、この積層されている多数の正極１のタブ１ａが溶接されて導電部材に接続されるとともに、多数の負極２のタブ２ａが溶接されて導電部材に接続される。このタブ溶接のときに、スパッタが発生し、溶接時にスパッタが飛び散ったりあるいはスパッタが溶接された部分やタブに付着している場合がある。
この電極組立体１０では、正極１の正極活物質層が負極２の負極活物質層よりも硬い。そのため、負極２とセパレータ３との間に異物（例えば、スパッタ）が入った場合、負極２側が大きく変形してセパレータ３を介した正極１側が殆ど変形しない。そのため、セパレータ３の変形量（伸び量）が小さく、セパレータ３が破断し難い。一方、正極１とセパレータ３との間に異物が入った場合、正極１側が殆ど変形せずに、セパレータ３を介した負極２側が大きく変形する。そのため、セパレータ３の変形量が大きくなり、この変形量がセパレータ３の引張伸びの許容量を超えると、セパレータ３が破断する。したがって、正極１とセパレータ３との間に異物が入らないようにする必要がある。
正極１は溶着部４で２枚のセパレータ３，３を溶着した袋状のセパレータで包まれているが、タブ１ａの部分で溶着が途切れ、非溶着部分５となっている。そのため、この非溶着部分５から異物が入る可能性がある。そこで、この非溶着部分５から異物が入らないようにするために、袋状のセパレータ３，３で包まれた正極１のタブ１ａに積層方向に曲げを形成し、この曲げられたタブ１ａによって非溶着部分５を覆うようにしている。
図２を参照して、正極１のタブ１ａの曲げの形態を説明する。ここでは、３つの曲げの形態を示す。図２は、袋状セパレータ３，３に包まれた正極１のタブ１ａの構造を模式的に示す側断面図である。この図２では、タブ１ａで溶着できない非溶着部分５での側断面を示している。この例では、金属箔１ｂの両面に正極活物質層１ｃ，１ｄが形成され、その外側に袋状の各セパレータ３，３がそれぞれ配置されている。
図２（ａ）を参照して、正極１Ａのタブ１ａＡの曲げの形態ついて説明する。タブ１ａＡには、折り目１ｅでの積層方向の一方側への折り曲げ、折り目１ｆでの他方側への折り返し、折り目１ｇでの一方側への折り返し、折り目１ｈでの上方への折り曲げが形成される。このタブ１ａＡの複数の折り返しにより、非溶着部分５（特に、金属箔１ｂの一方の面側の正極活物質層１ｃとセパレータ３との間及び他方の面側の正極活物質層１ｄとセパレータ３との間）を覆うことができる。
図２（ｂ）を参照して、正極１Ｂのタブ１ａＢの曲げの形態ついて説明する。タブ１ａＢには、折り目１ｉでの積層方向の一方側への折り曲げが形成される。このタブ１ａＢの一方向への折り曲げにより、非溶着部分５における一方側（特に、金属箔１ｂの一方の面側の正極活物質層１ｃとセパレータ３との間）を覆うことができる。非溶着部分５における他方側（特に、金属箔１ｂの他方の面側の正極活物質層１ｄとセパレータ３との間）について、その他方側において負極２及びセパレータ３を介して積層されている正極１Ｂのタブ１ａＢも同じ方向に折り曲げられているので、その隣のタブ１ａＢの同じ方向の折り曲げにより、覆うことができる。
図２（ｃ）を参照して、正極１Ｃのタブ１ａＣの曲げの形態ついて説明する。タブ１ａＣは、積層方向の一方側への湾曲の曲げが形成される。このタブ１ａＣの一方向への曲げにより、非溶着部分５の一方側（特に、金属箔１ｂの一方の面側の正極活物質層１ｃとセパレータ３との間）を覆うことができる。非溶着部分５の他方側（特に、金属箔１ｂの他方の面側の正極活物質層１ｄとセパレータ３との間）について、その他方側において負極２及びセパレータ３を介して積層されている正極１Ｃのタブ１ａＣも同じ方向に曲げられているので、その隣のタブ１ａＣの曲げにより、覆うことができる。
タブ１ａＡのような積層方向の両方向の曲げ（折り返し）を形成する場合、積層工程前に正極１毎に曲げを形成するとよい。また、タブ１ａＢやタブ１ａＣのように積層方向の一方向のみの曲げを形成する場合、積層工程前に正極１毎に曲げを形成してもよいし、あるいは、積層工程後に全ての正極１のタブ１ａを束ねて曲げを形成してもよい（この場合、タブ溶接工程の前でもよいし、後でもよい）。
上記したようなタブ１ａの積層方向の各形態の曲げにより袋状のセパレータ３，３の非溶着部分５を覆うことができるので、非溶着部分５から異物が入ることを防止でき、正極１（正極活物質層１ｃ，１ｄ）とセパレータ３との間に異物が入らない。異物としては、例えば、上記したタブ溶接で発生したスパッタが考えられる。溶接中にスパッタが飛び散ったりあるいは溶接後に電極組立体１０のタブ１ａ側が上側になったときに付着していたスパッタが落ちてきたりしても、そのスパッタが曲げが形成されているタブ１ａによって遮られて、袋状のセパレータ３，３の非溶着部分５まで到達しない。
正極１（正極活物質層１ｃ，１ｄ）とセパレータ３との間に異物が入らないので、異物によってセパレータ３が破断するようなこともない。そのため、セパレータ３が正常に機能し、正極１と負極２とが内部短絡するようなこともない。
この実施形態に係る蓄電装置によれば、袋状のセパレータ３，３で包まれる正極１（活物質層が硬いほうの電極）のタブ１ａに積層方向に曲げを形成することにより、簡単な構造によってセパレータ３，３で包まれる正極１とセパレータ３との間に異物が入らないようにすることができる。その結果、異物によってセパレータ３が破断するのを防止できるので、異物による内部短絡を防止でき、安全性を向上させることができる。また、タブ１ａに曲げを形成するだけなので、別途の部材や大きなスペースを必要としない。
タブ１ａの曲げとして積層方向の両方向への複数の折り返しとすることにより、袋状のセパレータ３，３の非溶着部分５を確実に覆うことができる。また、タブ１ａの曲げとして積層方向の一方向の曲げとすることにより、積層される全ての正極１のタブ１ａを束ねて曲げを形成することも可能となり、曲げを形成するための作業工数を低減できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、上記実施形態では正極ほうが負極よりも活物質層が硬い蓄電装置に適用し、セパレータで正極を包む構成としたが、負極ほうが正極よりも活物質層が硬い蓄電装置にも適用でき、その場合にはセパレータで負極を包む構成とする。この場合、負極のタブに積層方向に曲げを形成する。
また、本実施の形態ではセパレータの接合方法として熱溶着としたが、接着剤による接着等の他の接合方法でもよい。また、タブ以外の部分を全て熱溶着で接合したが、セパレータを半分に折り曲げ、残りの部分を接合すようなものでもよい。
また、上記実施形態では正極のタブの積層方向の曲げの３つの形態を示したが、袋状のセパレータの非溶着部分を覆い、異物が入らないようにできるのであれば、他の形態の積層方向の曲げとしてもよい。
１（１Ａ〜１Ｃ）…正極、１ａ（１ａＡ〜１ａＣ）…タブ、１ｂ…金属箔、１ｃ，１ｄ…正極活物質層、１ｅ〜１ｉ…折り目、２…負極、２ａ…タブ、３…セパレータ、４…溶着部、５…非溶着部分、１０…電極組立体。
Claims (6)
- 正極と負極とが袋状のセパレータを介して積層された蓄電装置であって、
前記セパレータは、少なくとも前記正極と前記負極のうちの一方の電極の活物質層が形成された部分を包むと共に、前記電極のタブが突出する開口を有し、
前記タブは、前記セパレータ内に位置する第１の部分及び前記セパレータから突出する第２の部分を有し、
前記セパレータに包まれた前記電極の全てにおいて、
前記第１の部分は、折り返しを有さず、
前記第２の部分は、積層方向の両方向に折り返しを有し、
それぞれの前記折り返しにおける折り目の先端は、前記積層方向において前記セパレータの端部より外側に位置する、蓄電装置。 - 前記セパレータで包まれる前記電極は、前記正極と前記負極のうちの活物質層の硬い電極である、請求項１に記載の蓄電装置。
- 前記セパレータで包まれる前記電極は、前記正極である、請求項２に記載の蓄電装置。
- 正極と負極とが袋状のセパレータを介して積層された蓄電装置の製造方法であって、
前記セパレータは、少なくとも、前記正極と前記負極のうち一方の電極の活物質層が形成された部分を包むと共に、前記電極のタブが突出する開口を有し、
前記タブは、前記セパレータ内に位置する第１の部分及び前記セパレータから突出する第２の部分を有し、
前記セパレータで包まれた前記一方の電極と他方の電極とを積層する積層工程と、
前記タブの前記第２の部分において、前記電極の積層方向の両方向に折り返しを形成する折り返し形成工程と、
前記一方の電極の前記タブを導電部材に溶接し、前記他方の電極の前記タブを他の導電部材に溶接する溶接工程と、を備え、
前記折り返し形成工程では、それぞれの前記折り返しの折り目の先端が、前記積層方向において前記セパレータの端部より外側に位置するように前記タブを折り曲げ、
前記折り返し形成工程は、前記積層工程と前記溶接工程との間に行われる、蓄電装置の製造方法。 - 前記セパレータで包まれる前記電極は、前記正極と前記負極とのうち、活物質層が硬い方の電極である、請求項４に記載の蓄電装置の製造方法。
- 前記セパレータで包まれる前記電極は、前記正極である、請求項５に記載の蓄電装置の製造方法。
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