JP6520429B2 - 電極組立体及び蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電極組立体及び蓄電装置に関する。

例えば、特許文献１には、負極及び正極が一対の帯状のセパレータの間に交互に配置されてなる電極体を備えた電極組立体が記載されている。この電極組立体では、一対のセパレータ同士は、負極及び正極それぞれの周囲を囲むように形成された溶着部分によって互いに結合されている。そして、電極体は、負極と正極との間の領域の中心を通る折り返しラインにおいて一対のセパレータが折り返されることで、負極と正極とが交互に積層されたつづら折り形状をなしている。

特開平７−３３５２４４号公報

上記のような電極組立体は、例えばケースに収容されて蓄電装置を構成する。蓄電装置においては、電池容量を確保するために、所定のケース幅の中で、充放電に寄与する部分の面積、すなわち負極と正極との対向部分の面積を可能な限り大きくすることが好ましい。この点、上記特許文献１に記載された電極組立体では、充放電に寄与しない部分が存在しており、電池容量の向上の観点において改良の余地があった。

そこで、本発明は、電池容量の向上を図ることができる電極組立体及び蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る電極組立体は、負極及び正極が一対の帯状のセパレータの間に交互に配置されてなる電極体を備え、一対のセパレータ同士は、隣り合う負極及び正極を区切るように負極及び正極の周囲に形成された溶着部分によって互いに結合され、電極体は、負極と溶着部分との境界に沿う折り返しラインにおいて一対のセパレータが折り返されることによって、負極と正極とが交互に積層されたつづら折り形状をなしている。

この電極組立体では、負極と溶着部分との境界に沿う折り返しラインにおいて一対のセパレータが折り返されている。これにより、折り返しライン間の長さと負極の長さとが略同一となっており、充放電に寄与しない部分である溶着部分が、負極と折り返しラインとの間には配置されず、正極と折り返しラインとの間のみに配置されている。その結果、所定のケース幅の中で負極の長さを最大限に大きくすることができ、電池容量の向上を図ることができる。

溶着部分は、折り返しライン上で非連続となっていてもよい。この場合、折り返しライン上に溶着部分が形成されていないことから、一対のセパレータを折り返し易くすることができ、電極組立体の製造作業の作業性を向上することができる。

負極は、矩形状の本体部を有し、負極における本体部の一縁部は、一対のセパレータにおける幅方向の一縁部と重なるように位置し、一対のセパレータにおける幅方向の一縁部において、負極における本体部の一縁部に重なる部分は、溶着部分が形成されずに開放されていてもよい。この場合、負極における本体部の一縁部が一対のセパレータにおける幅方向の一縁部と重なっていることから、一対のセパレータにおける幅方向の一縁部側に負極の長さを最大限に大きくすることができ、電池容量の更なる向上を図ることができる。

正極は、矩形状の本体部を有し、正極における本体部の一縁部は、一対のセパレータにおける幅方向の一縁部よりも内側に位置し、一対のセパレータにおける幅方向の一縁部において、正極における本体部の一縁部に沿う部分には、溶着部分が形成されていてもよい。電極組立体が蓄電装置に組み込まれて用いられる場合、金属成分の析出を抑制するために、積層方向から見て正極が負極の内側に位置していることが好ましい。この点、この電極組立体では、正極における本体部の一縁部が一対のセパレータにおける幅方向の一縁部（負極における本体部の一縁部）よりも内側に位置し、積層方向から見て正極が負極の内側に位置していることから、金属成分の析出を抑制することができる。

負極における本体部の他縁部は、正極における本体部の他縁部よりも一対のセパレータにおける幅方向の他縁部側に位置していてもよい。この場合、一対のセパレータにおける幅方向の他縁部側に負極の長さを大きくすることができ、電池容量の更なる向上を図ることができる。また、正極における本体部の他縁部が負極における本体部の他縁部よりも内側に位置し、積層方向から見て正極が負極の内側に位置していることから、金属成分の析出を抑制することができる。

本発明の一側面に係る蓄電装置は、上記電極組立体がケースに収容されてなる。

この蓄電装置では、負極と溶着部分との境界に沿う折り返しラインにおいて一対のセパレータが折り返されている。これにより、折り返しライン間の長さと負極の長さとが略同一となっており、充放電に寄与しない部分である溶着部分が、負極と折り返しラインとの間には配置されず、正極と折り返しラインとの間のみに配置されている。その結果、所定の製品幅の中で負極の長さを最大限に大きくすることができ、電池容量の向上を図ることができる。

本発明によれば、電池容量の向上を図ることができる電極組立体及び蓄電装置を提供することができる。

実施形態に係る蓄電装置の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における電極組立体の断面図である。 折り畳まれる前の電極体の平面図である。 折り畳まれる前の参考例に係る電極体の平面図である。 折り畳まれた後の参考例に係る電極体の平面図である。 折り畳まれた後の電極体の平面図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、蓄電装置１は、ケース１０と、電極組立体２０と、を備えている。蓄電装置１は、非水電解質二次電池であり、本実施形態では、リチウムイオン二次電池である。ケース１０は、例えば、矩形箱状の筐体である。ケース１０は、一方側に開口した本体部１２と、本体部１２の開口を塞ぐ蓋部１４と、を有している。

電極組立体２０は、ケース１０内に収容されている。図２に示されるように、電極組立体２０は、負極３０及び正極４０が一対の帯状のセパレータ５０の間に交互に配置されてなる電極体２１を備えている。電極体２１は、一対のセパレータ５０が所定の間隔で折り返されることによって折り畳まれ、負極３０と正極４０とが交互に積層されたつづら折り形状をなしている。つづら折り形状とは、山折りと谷折りが交互に繰り返されるように長尺の帯状体を一定の間隔で折り畳んでなる形状をいう。電極体２１は、つづら折り形状とされた後、積層方向に加圧されることで、各面同士が密着した状態とされる。電極体２１は、各面において例えばテープにより複数箇所で貼り合わされることで、その状態で固定される。

図１に示されるように、負極３０は、例えば長方形状の本体部３１と、本体部３１と一体に形成され、本体部３１の一縁部３４から一方側に突出する長方形状のタブ部３２と、を有している。負極３０は、例えば銅箔によって形成されている。本体部３１の両面の全面には、負極活物質層が設けられている。タブ部３２は、一対のセパレータ５０から突出しており、突出部分において導電部材６１に電気的に接続されている。導電部材６１は、ケース１０の蓋部１４を貫通するように配置された負極端子６２に電気的に接続されている。蓋部１４と負極端子６２の間は、絶縁部材６３及び絶縁部材６４によって絶縁されている。

正極４０は、例えば長方形状の本体部４１と、本体部４１と一体に形成され、本体部４１から一方側に突出する長方形状のタブ部４２と、を有している。正極４０は、例えばアルミニウム箔によって形成されている。本体部４１の両面の全面には、正極活物質層が設けられている。タブ部４２は、一対のセパレータ５０から突出しており、突出部分において導電部材６６に電気的に接続されている。導電部材６１は、ケース１０の蓋部１４を貫通するように配置された正極端子６７に電気的に接続されている。蓋部１４と正極端子６７の間は、絶縁部材６３及び絶縁部材６４によって絶縁されている。正極４０の本体部４１は、負極３０の本体部３１と比較して、縦横（長辺及び短辺）のいずれも短くなっており、面積が小さくなっている。この正極４０及び負極３０の大きさに関する設定は、リチウムイオン二次電池において、リチウム析出を抑制するための技術である。

一対のセパレータ５０の長手方向Ｄ１において、負極３０の本体部３１の長さＬ１は、電極体２１の幅（一対のセパレータ５０が折り返される間隔）と略同一となっており、正極４０の本体部４１の長さＬ２よりも大きくなっている。また、一対のセパレータ５０の幅方向Ｄ２において、本体部３１の長さＬ３は、一対のセパレータ５０の幅よりも小さくなっており、本体部４１の長さＬ４よりも大きくなっている。

一対のセパレータ５０は、例えば樹脂製の微多孔膜であり、一対のセパレータ５０には電解液が含浸されている。電解液は、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液であり、負極活物質層及び正極活物質層にも含浸されている。

図３を参照して、折り畳まれる前の電極体２１について説明する。図３に示されるように、折り畳まれる前の電極体２１において、負極３０及び正極４０は、一対のセパレータ５０の長手方向Ｄ１に、所定の間隔を空けて交互に配置されている。負極３０における本体部３１の一縁部３４は、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１と略重なるように位置している。負極３０における本体部３１の他縁部３５は、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の他縁部５２（負極３０における本体部３１の一縁部３４）よりも内側に位置している。負極３０のタブ部３２は、他縁部３５より延びている。正極４０における本体部４１の一縁部４４は、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１よりも内側に位置している。正極４０における本体部４１の他縁部４５は、負極３０における本体部３１の他縁部３５よりも内側に位置している。正極４０のタブ部４２は、他縁部３５より延びている。

一対のセパレータ５０同士は、溶着部分７０によって互いに結合されている。溶着部分７０は、隣り合う負極３０及び正極４０を区切るように、負極３０及び正極４０の周囲に形成されている。これにより、負極３０及び正極４０のそれぞれが一対のセパレータ５０によって保持されている。この例では、溶着部分７０は、一対のセパレータ５０において、負極３０及び正極４０が位置する領域以外の領域全体にわたって形成されている。

一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１において、正極４０における本体部４１の一縁部４４に沿う部分には、溶着部分７０が形成されて閉じられている。一方、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１において、負極３０における本体部３１の一縁部３４に重なる部分は、溶着部分７０が形成されずに開放されている。

溶着部分７０は、例えば、本実施形態では、熱溶着による点状の溶着部が所定の配置で多数形成された領域として形成されている。このような溶着部分７０は、溶着機として、多数の突起を有するヒータ（加熱ヘッド）を備えた装置を使用することで、形成することができる。この例では、溶着部分７０と、負極３０における本体部３１及びタブ部３２、並びに正極４０における本体部４１及びタブ部４２との間には、隙間Ｓが形成されている。隙間Ｓは、例えば溶着前に一対のセパレータ５０の間に載置される負極３０及び正極４０の位置等の誤差を考慮して設けられているものである。なお、負極３０及び正極４０は、その本体部の両面に活物質層が設けられているため、前述の如く電極体２１が積層方向に加圧され密着した状態では、一対のセパレータ５０に対して滑り難く、これにより、負極３０及び正極４０の一対のセパレータ５０に対する位置ずれが抑制されている。

電極体２１は、負極３０と溶着部分７０との境界に沿う折り返しライン８０において一対のセパレータ５０が折り返されることによって折り畳まれる。折り返しライン８０は、一対のセパレータ５０の折り返し位置として設定された仮想的な直線である。折り返しライン８０は、一対のセパレータ５０の幅方向Ｄ２と略平行に設定されている。折り返しライン８０は、この例では、負極３０と溶着部分７０との間に形成された隙間Ｓを通っている。溶着部分７０は、折り返しライン８０上において非連続となっている。すなわち、溶着部分７０は、折り返しライン８０上以外の領域に形成されている。

次に、図４を参照して、実施形態に係る電極体２１と対比される参考例に係る電極体２１Ａについて説明する。図４は、折り畳まれる前の電極体２１Ａの平面図である。図４に示されるように、電極体２１Ａでは、一対のセパレータ５０の長手方向Ｄ１における負極３０Ａと正極４０Ａとの間隔は、実施形態に係る電極体２１の場合よりも広くなっている。

電極体２１Ａでは、負極３０Ａにおける本体部３１Ａの一縁部３４Ａは、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１よりも内側に位置している。そして、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１において、負極３０Ａにおける本体部３１Ａの一縁部３４Ａに沿う部分には、溶着部分７０Ａが形成されている。

電極体２１Ａにおいても、実施形態に係る電極体２１と同様に、負極３０Ａにおける本体部３１Ａの他縁部３５Ａは、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の他縁部５２よりも内側に位置している。また、正極４０Ａにおける本体部４１Ａの一縁部４４Ａは、負極３０Ａにおける本体部３１Ａの一縁部３４Ａよりも内側に位置している。また、正極４０Ａにおける本体部４１Ａの他縁部４５Ａは、負極３０Ａにおける本体部３１Ａの他縁部３５Ａよりも内側に位置している。

電極体２１Ａでは、負極３０Ａと正極４０Ａとの間に形成された溶着部分７０Ａを通る位置に折り返しライン８０Ａが設定されている。より具体的には、折り返しライン８０Ａは、負極３０Ａと正極４０Ａとの間の中心よりもやや負極３０Ａ寄りの位置を通っている。また、電極体２１では、溶着部分７０Ａは、後述する折り返しライン８０Ａ上で連続している。すなわち、溶着部分７０Ａは、折り返しライン８０上を含む領域に形成されている。

図５及び図６を参照して、参考例に係る電極体２１Ａと実施形態に係る電極体２１の折り畳まれた後の状態を対比して説明する。図５及び図６では、溶着部分７０Ａ,７０の一部を省略して示している。

参考例に係る電極体２１Ａでは、負極３０Ａと正極４０Ａとの間に形成された溶着部分７０Ａを通る折り返しライン８０Ａにおいて一対のセパレータ５０が折り返されている。これにより、図５に示されるように、一対のセパレータ５０の長手方向Ｄ１において、折り返しライン８０Ａ間の長さよりも負極３０Ａの長さが小さくなっている。折り返しライン８０Ａと負極３０Ａとの間の領域には、溶着部分７０Ａが配置されており、当該領域は、充放電に寄与しない部分となっている。

一方、実施形態に係る電極体２１では、負極３０と溶着部分７０との境界に沿う折り返しライン８０において一対のセパレータ５０が折り返されている。これにより、図６に示されるように、折り返しライン８０間の長さと負極３０の長さとが略同一となっており、溶着部分７０は、負極３０と折り返しライン８０との間には配置されず、正極４０と折り返しライン８０との間のみに配置されている。その結果、充放電に寄与する部分である負極３０と正極４０との対向部分の面積（この例では、正極４０における本体部３１の面積）が、参考例に係る電極体２１Ａの場合よりも大きくなっている。このように、実施形態に係る電極体２１では、所定の製品幅の中で負極３０の長さが最大限に大きくなっており、電池容量の向上が図られている。

また、参考例に係る電極体２１Ａでは、折り返しライン８０Ａ上に溶着部分７０Ａが形成されている。このため、一対のセパレータ５０が折り返し難く、また、折り返しライン８０Ａ上にて精度よく折り返すことが難しい。折り返しを容易にする方法としては、溶着部の中間に、折り返しライン８０Ａに沿って、未溶着領域を設けることも考えられる。しかし、その場合は、溶着部の幅を広くする必要がある。対して、実施形態に係る電極体２１では、折り返しライン８０上に溶着部分７０が形成されていない。新たに未溶着の領域を設定したのではなく、製造誤差等の抑制のために設定される隙間Ｓを利用しているので、溶着部を拡げる必要もない。これにより、一対のセパレータ５０が折り返し易くなっている。その結果、電極体２１の折り畳み作業の作業性が向上され、ひいては電極組立体２０の製造作業の作業性が向上されている。

また、参考例に係る電極体２１Ａでは、図５に示されるように、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１において、負極３０Ａにおける本体部３１Ａの一縁部３４Ａに沿う部分には、溶着部分７０Ａが形成されている。この溶着部分７０Ａが形成された領域は、充放電に寄与しない部分となっている。

一方、実施形態に係る電極体２１では、図６に示されるように、負極３０における本体部３１の一縁部３４が一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部３４と重なっており、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１において、負極３０における本体部３１の一縁部３４に重なる部分は、溶着部分７０が形成されずに開放されている。これにより、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１側に負極３０の長さが最大限に大きくなっており、電池容量の更なる向上が図られている。また、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１において、負極３０における本体部３１の一縁部３４に重なる部分については、溶着部分７０の形成を省略することができる。その結果、溶着設備の劣化を抑制することや、溶着作業における消費電力を低減することが可能となる。

また、実施形態に係る電極体２１では、図６に示されるように、負極３０における本体部３１の他縁部３５は、正極４０における本体部４１の他縁部４５よりも一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の他縁部５２側に位置している。これにより、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の他縁部５２側に負極３０の長さが大きくなっており、電池容量の更なる向上が図られている。この点は、参考例に係る電極体２１Ａにおいても同様である。

また、実施形態に係る電極体２１では、図６に示されるように、負極３０及び正極４０の積層方向から見て、正極４０の本体部４１が負極３０の本体部３１の内側に位置している。より具体的には、正極４０における本体部４１の一縁部４４が負極３０における本体部３１の一縁部３４よりも内側に位置すると共に、正極４０における本体部４１の他縁部４５が負極３０における本体部３１の他縁部３５よりも内側に位置している。また、本体部４１における一対のセパレータ５０の長手方向Ｄ１の縁部４６は、本体部３１における一対のセパレータ５０の長手方向Ｄ１の縁部３６よりも内側に位置している。これにより、電解液中のリチウム（金属成分）が析出してしまうことが抑制されている。この点は、参考例に係る電極体２１Ａにおいても同様である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記実施形態では、溶着部分７０は、折り返しライン８０上で非連続となっていたが、折り返しライン８０上で連続していてもよい。また、負極３０における本体部３１の一縁部３４は、一対のセパレータ５０における幅方向Ｄ２の一縁部５１よりも内側に位置していてもよい。この場合、一対のセパレータ５０における長手方向Ｄ１の一縁部５１において、負極３０における本体部３１の一縁部３４に重なる部分には、溶着部分７０が形成されてもよい。

また、正極４０における本体部４１の一縁部４４に沿う部分は、溶着部分７０が形成されずに開放されていてもよい。ただし、上記実施形態のように正極４０における本体部４１の一縁部４４に沿う部分に溶着部分７０が形成されている方が、例えば製造途中等における電極体２１が積層方向に加圧され密着する前の状態において、正極４０の位置ずれを抑制できる観点から好ましい。

また、折り返しライン８０は、電池容量の向上の観点から、負極３０の本体部３１における縁部４６に近いことが好ましく、理想的には負極３０の本体部３１における縁部４６に一致させることが好ましい。一対のセパレータ５０を縁部４６上において折り返すことが難しい場合には、縁部４６に可能な限り近い位置において折り返すようにすればよい。

１…蓄電装置、１０…ケース、２０…電極組立体、２１…電極体、３０…負極、３１…本体部、３４…一縁部、３５…他縁部、４０…正極、４１…本体部、４４…一縁部、４５…他縁部、５０…一対のセパレータ、５１…一縁部、５２…他縁部、７０…溶着部分、８０…折り返しライン。

Claims (6)

1. 負極及び正極が一対の帯状のセパレータの間に交互に配置されてなる電極体を備え、
   前記一対のセパレータ同士は、隣り合う前記負極及び前記正極を区切るように前記負極及び前記正極の周囲に形成された溶着部分によって互いに結合され、
   前記電極体は、前記負極と前記溶着部分との境界に沿う折り返しラインにおいて前記一対のセパレータが折り返されることによって、前記負極と前記正極とが交互に積層されたつづら折り形状をなしている、電極組立体。
2. 前記溶着部分は、前記折り返しライン上で非連続となっている、請求項１記載の電極組立体。
3. 前記負極は、矩形状の本体部を有し、
   前記負極における前記本体部の一縁部は、前記一対のセパレータにおける幅方向の一縁部と重なるように位置し、
   前記一対のセパレータにおける幅方向の一縁部において、前記負極における前記本体部の一縁部に重なる部分は、前記溶着部分が形成されずに開放されている、請求項１又は２記載の電極組立体。
4. 前記正極は、矩形状の本体部を有し、
   前記正極における前記本体部の一縁部は、前記一対のセパレータにおける幅方向の一縁部よりも内側に位置し、
   前記一対のセパレータにおける幅方向の一縁部において、前記正極における前記本体部の一縁部に沿う部分には、前記溶着部分が形成されている、請求項３記載の電極組立体。
5. 前記負極における前記本体部の他縁部は、前記正極における前記本体部の他縁部よりも前記一対のセパレータにおける幅方向の他縁部側に位置している、請求項３又は４記載の電極組立体。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の電極組立体がケースに収容されてなる蓄電装置。

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