JP2018014169A - 電気化学セルおよび電気化学セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い信頼性を確保しつつ小型化が可能な電気化学セルを提供する。【解決手段】電池は、正極集電体を有する正極体１２と、負極集電体を有する負極体１３と、がセパレータ１４を介して積層された状態で、捲回軸Ｐ回りに捲回された電極体１０を備える。セパレータ１４は、正極体１２および負極体１３よりも捲回軸Ｐの軸方向に突出する突出部１４ａを備える。電極体１０は、捲回軸Ｐに直交する方向に重なる突出部１４ａ同士が互いに溶着された溶着部２５を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、電気化学セルおよび電気化学セルの製造方法に関するものである。

非水電解質二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、外装容器の内部に電極体を備えた構成となっている。電極体は、正極体および負極体をセパレータを介して交互に積層することで形成されている。例えば、特許文献１に記載の電気化学セルは、正極板（正極体）および負極板（負極体）がその間にセパレータを介して対向配置され、その状態をもって捲回されてなる電極体を備えている。このような捲回されてなる電極体では、その外周部における正極板や負極板、セパレータの端縁をテープで固定することにより、捲回された状態にある電極体が巻崩れすることを防止する場合がある。

特開２００５−２４３５２４号公報

ところで、近年の電気化学セルに対する小型化の要求に伴い、電極体も小型に形成する必要がある。しかしながら、捲回されてなる電極体を小型に形成すると、その外周部の面積が減少し、巻崩れ防止用のテープを貼り付けることが困難となる。したがって、従来の電気化学セルにあっては、捲回された電極体の巻崩れを抑制して高い信頼性を確保しつつ小型化するという点で課題がある。

そこで本発明は、高い信頼性を確保しつつ小型化が可能な電気化学セルおよび電気化学セルの製造方法を提供するものである。

本発明の電気化学セルは、正極集電体を有する正極体と、負極集電体を有する負極体と、がセパレータを介して積層された状態で、所定軸回りに捲回された電極体を備え、前記セパレータは、前記正極体および前記負極体よりも前記所定軸の軸方向に突出する突出部を備え、前記電極体は、前記所定軸に直交する方向に重なる前記突出部同士が互いに溶着された溶着部を備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、正極体および負極体とともに捲回されたセパレータのうち、正極体および負極体よりも捲回軸の軸方向に突出し、軸方向に直交する方向に重なる突出部同士が互いに溶着されているので、正極体、負極体およびセパレータが捲回された状態を維持することができる。よって、電極体が小型化した場合であっても電極体の巻崩れを容易に防止できる。したがって、高い信頼性を確保しつつ小型化が可能な電気化学セルを提供できる。

上記の電気化学セルにおいて、前記溶着部は、前記電極体の前記軸方向の両端部に設けられている、ことが望ましい。

本発明によれば、電極体の軸方向の両端部それぞれにおいて突出部同士が互いに溶着されているので、正極体、負極体およびセパレータが捲回された状態をより強固に維持することができる。

上記の電気化学セルにおいて、前記正極体の最外周部の端縁から、前記軸方向に直交する方向に沿うように延出する正極タブと、前記負極体の最外周部の端縁から、前記軸方向に直交する方向に沿うように延出する負極タブと、を備えることが望ましい。

本発明によれば、正極体の最外周部における正極集電体の端縁と、負極体の最外周部における負極集電体の端縁と、の相対位置が、捲回時のテンションの変化や電極長の公差により軸方向に直交する方向における所望の相対位置からずれた場合であっても、正極タブおよび負極タブの軸方向における相対位置がずれることを防止できる。これにより、正極タブおよび負極タブの間隔が設計値から外れることを防止できる。
そして、この電気化学セルにおいて電極体を小型化すると、正極タブと負極タブとが近接して配置されるので、正極体や負極体の端縁に正極タブおよび負極タブを避けて巻崩れ防止用のテープを貼り付けることが困難となるが、本発明によれば、上述したように電極体の巻崩れを容易に防止できる。
したがって、正極タブおよび負極タブの位置ずれを防止できる電気化学セルにおいて、高い信頼性を確保しつつ小型化することができる。

上記の電気化学セルにおいて、前記正極タブは、前記正極集電体と一体形成され、前記負極タブは、前記負極集電体と一体形成されている、ことが望ましい。

本発明によれば、集電体とは別部材のタブを用いる必要がなくなるので、集電体とタブとを接続する工程を削減できるとともに、部品点数を削減することができる。

本発明の電気化学セルの製造方法は、上記の電気化学セルの製造方法であって、前記セパレータを介して前記正極体および前記負極体を積層した状態で、前記正極体、前記負極体および前記セパレータを前記所定軸回りに捲回する捲回工程と、前記セパレータの前記軸方向の端部を溶着する溶着工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、溶着工程においてセパレータの軸方向の端部を溶着するので、正極体および負極体よりも軸方向に突出し所定軸に直交する方向に重なるセパレータ同士を互いに溶着して溶着部を形成することができる。したがって、上述した電気化学セルを容易に製造できる。

上記の電気化学セルの製造方法において、前記電気化学セルは、リチウムイオン二次電池であって、金属箔をレーザーにより切断して前記負極集電体を形成する、ことが望ましい。

本発明によれば、負極集電体の端面をレーザーによる切断時の加熱により不働態化することができる。これにより、負極集電体の端面にリチウムのデンドライトが生成することを抑制することができるので、デンドライトがセパレータを貫通して正極体と負極体とがショートすることを抑制できる。したがって、信頼性の高い電気化学セルを製造できる。

本発明によれば、正極体および負極体とともに捲回されたセパレータのうち、正極体および負極体よりも捲回軸の軸方向に突出し、軸方向に直交する方向に重なる突出部同士が互いに溶着されているので、正極体、負極体およびセパレータが捲回された状態を維持することができる。よって、電極体が小型化した場合であっても電極体の巻崩れを容易に防止できる。したがって、高い信頼性を確保しつつ小型化が可能な電気化学セルを提供できる。

実施形態の電池の斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における部分断面図である。 実施形態の電極体の斜視図である。 実施形態の電極体の展開状態における平面図である。 実施形態の電極体の分解斜視図である。 実施形態の負極体の製造方法の説明図である。 実施形態の電極体の製造方法の説明図であって、捲回軸に直交する方向から見た側面図である。 実施形態の電極体の製造方法の説明図であって、捲回軸に直交する方向から見た側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、電気化学セルとして、非水電解質二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」という。）を例に挙げて説明する。

図１は、実施形態の電池の斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における部分断面図である。
図１および図２に示すように、電池１は、外装容器２と、電解液等の非水電解質とともに外装容器２に収容された電極体１０と、を備えている。

外装容器２は、凹状に形成されたセラミック製のベース３と、ベース３の開口端面上に設けられたシールリング４と、シールリング４上に重ねられ、ベース３の内側を気密封止するリッド５と、を備えている。ベース３の内側における底面には、後述する正極タブ２１および負極タブ２２の位置に合せて一対の集電パッド６が並設されている。各集電パッド６は、ベース３の底部を貫通する貫通孔内に充填された一対の接続電極７それぞれを介して、ベース３の外面上に形成された一対の外部電極８それぞれに接続している。

図３は、実施形態の電極体の斜視図である。図４は、実施形態の電極体の展開状態における平面図である。図５は、実施形態の電極体の分解斜視図である。なお、図３では、わかりやすくするために後述する溶着部２５にハッチングを付している。
図３から図５に示すように、電極体１０は、円柱状に形成されている。電極体１０は、電極体本体部１１と、正極タブ２１と、負極タブ２２と、を備えている。電極体本体部１１は、正極体１２と、負極体１３と、一対のセパレータ１４と、を備えている。電極体本体部１１は、正極体１２と負極体１３とがセパレータ１４を介して積層された状態で捲回軸Ｐ（所定軸）回りに捲回されている。これにより、電極体本体部１１は、捲回軸Ｐと直交する径方向（以下、単に「径方向」という。）に正極体１２と負極体１３とがセパレータ１４を介して交互に積層された状態となっている。本実施形態では、電極体本体部１１の最外周にはセパレータ１４が配置されている。

図５に示すように、正極体１２は、シート状の正極集電体１５と、正極集電体１５の両面に塗工された正極１６と、を有する。
正極集電体１５は、金属箔により矩形状に形成されている。正極集電体１５を形成する材料としては、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等を用いることができる。正極集電体１５は、その短手方向が捲回軸Ｐ（図３参照）の軸方向（以下、単に「軸方向」という。）と一致するように配置されている。

正極１６は、正極活物質、導電助剤および結着材により形成されている。正極活物質は、例えばコバルト酸リチウムやチタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のように、リチウムと遷移金属とを含む複合酸化物である。正極１６は、正極集電体１５の両面における略全面に塗工されている。

負極体１３は、シート状の負極集電体１８と、負極集電体１８の両面に塗工された負極１９と、を有する。
負極集電体１８は、金属箔により矩形状に形成されている。負極集電体１８を形成する材料としては、例えば銅や銅合金、ニッケル、ステンレス等を用いることができる。負極集電体１８の端面は、後述するようにレーザーで金属箔をスリットすることにより形成されているので、酸化して不働態化している。負極集電体１８は、長さおよび幅ともに、正極集電体１５よりも大きく形成されている。負極集電体１８は、その短手方向が軸方向と一致するように配置されている。

負極１９は、負極活物質、導電助剤および結着材により形成されている。負極活物質は、例えば、シリコン酸化物やグラファイト、ハードカーボン、チタン酸リチウム、ＬｉＡｌ等である。負極１９は、負極集電体１８の両面における略全面に塗工されている。

セパレータ１４は、負極集電体１８よりも大きい矩形のシート状に形成されている。セパレータ１４は、リチウムイオンを通す特性を有し、例えば、ポリオレフィン製の樹脂ポーラスフィルムや樹脂製不織布等により形成されている。

図４に示すように、負極体１３は、電極体１０の展開状態における平面視で、負極集電体１８が各セパレータ１４の略中央に位置するように配置されている。また、正極体１２は、電極体１０の展開状態における平面視で、正極集電体１５が負極集電体１８の略中央に位置するように配置されている。このように配置されて積層された正極体１２、負極体１３および一対のセパレータ１４を捲回軸Ｐ回りに捲回することで、図３に示すように、各セパレータ１４は、正極体１２および負極体１３よりも軸方向に突出した突出部１４ａを軸方向両端部に備えている。突出部１４ａは、電極体１０の軸方向両端部において径方向に重なっている。

図３および図５に示すように、正極タブ２１は、正極集電体１５と一体形成されている。正極タブ２１は、捲回された正極体１２の最外周部における正極集電体１５の端縁１５ａのうち、軸方向の一端部から、軸方向に直交する方向に沿って延出している。正極タブ２１は、外装容器２の一方の集電パッド６に、超音波溶着等により接続されている（図２参照）。

負極タブ２２は、負極集電体１８と一体形成されている。負極タブ２２は、捲回された負極体１３の最外周部における負極集電体１８の端縁１８ａのうち、軸方向の他端部から、軸方向に直交する方向に沿って延出している。負極タブ２２は、正極タブ２１と同等の大きさに形成されている。図４に示すように、負極タブ２２は、正極タブ２１に対して軸方向で離間している。負極タブ２２は、外装容器２の他方の集電パッド６に、超音波溶着等により接続されている（図２参照）。

図３に示すように、電極体１０は、軸方向両端部に溶着部２５を備えている。溶着部２５は、径方向に重なるセパレータ１４の突出部１４ａ同士が互いに溶着されることにより形成されている。本実施形態では、各溶着部２５は、軸方向から見てそれぞれ突出部１４ａの全体が一体化するように溶着されることにより形成されている。

以下、電池１の製造方法について説明する。なお、以下の説明における電池１の各構成部品の符号については、図１から図５を参照されたい。
最初に、負極体１３の製造方法について説明する。
図６は、実施形態の負極体の製造方法の説明図である。なお、図６では、わかりやすくするために負極１９にハッチングを付している。
図６に示すように、負極体１３は、負極用シート部材３０を切断することにより形成される。負極用シート部材３０は、上述した負極１９が塗工された負極塗工領域Ｒ１、および負極１９が塗工されていない負極未塗工領域Ｒ２を有する金属箔３１により形成されている。負極１９は、例えばスクリーン印刷等により金属箔３１の両面に塗工されている。負極用シート部材３０を形成する金属箔は、負極集電体１８の基材であって、例えば銅や銅合金、ニッケル、ステンレス等により形成されている。

負極用シート部材３０は、例えば図６中の２点鎖線で示す切断線に沿って、レーザーにより切断することで、負極塗工領域Ｒ１および負極未塗工領域Ｒ２を一体的に切り出す。これにより、切断後の負極塗工領域Ｒ１が負極体１３となるとともに、負極未塗工領域Ｒ２が負極タブ２２となる。この際、負極集電体１８の端面は、負極用シート部材３０の金属箔３１をレーザーにより切断することで形成されるので、レーザー光により加熱されて不働態化（酸化）する。

次に、電極体１０の製造方法について説明する。
図７および図８は、実施形態の電極体の製造方法の説明図であって、捲回軸に直交する方向から見た側面図である。なお、図８では、わかりやすくするために溶着部２５にハッチングを付している。
電極体１０の製造方法は、捲回工程と、溶着工程と、切断工程と、を備えている。

まず、捲回工程を行う。捲回工程では、セパレータ１４を介して正極体１２および負極体１３を積層した状態で、正極体１２、負極体１３およびセパレータ１４を捲回軸Ｐ回りに捲回する。具体的に、図４に示す状態と同様に、正極体１２、セパレータ１４、負極体１３、セパレータ１４を交互に積層する。このとき、正極体１２における正極タブ２１が接続されていない端部、および負極体１３における負極タブ２２が接続されていない端部が捲回中心となるように、正極体１２および負極体１３を配置して捲回する。これにより、図７に示すように、正極体１２、負極体１３およびセパレータ１４が捲回軸Ｐ回りに捲回された状態となる。なお、捲回工程では、完成品の電極体１０におけるセパレータ１４よりも軸方向の寸法が大きくなるように形成されたセパレータ１４が用いられる。セパレータ１４には、正極体１２および負極体１３よりも軸方向に突出し、径方向に互いに重なる部分が軸方向両端部に形成される。

続いて、溶着工程を行う。溶着工程では、捲回されたセパレータ１４の軸方向の両端部における正極体１２および負極体１３よりも軸方向に突出した部分を溶着する。セパレータ１４の端部の溶着方法としては、加熱されたヒータ等によりセパレータ１４の端部を径方向両側から挟み込むようにして溶着してもよいし、加熱されたヒータ等をセパレータ１４の端部に軸方向から接触させて溶着してもよい。これにより、図８に示すように、セパレータ１４の軸方向両端部それぞれにおいて、正極体１２および負極体１３よりも軸方向に突出し径方向に重なる部分同士が互いに溶着されて、溶着部２５が形成される。

続いて、切断工程を行う。切断工程では、溶着工程において形成された溶着部２５における軸方向の端部を、例えば図８中の２点鎖線で示す切断線に沿って切断し、電極体１０の軸方向の寸法を調整する。
以上により、電極体１０の製造が完了する。

なお、電極体１０の製造において、切断工程を必ずしも行う必要はなく、捲回工程で用いるセパレータ１４として、完成品の電極体１０におけるセパレータ１４と同じ大きさの部材を用いることで、切断工程を省略することができる。
ただし、捲回工程で用いるセパレータ１４を、完成品の電極体１０におけるセパレータ１４よりも大きく形成しておくことで、捲回されたセパレータ１４における正極体１２および負極体１３よりも軸方向に突出した部分が大きくなる。これにより、溶着工程を容易に行うことが可能となる。

このように、本実施形態によれば、正極体１２および負極体１３とともに捲回されたセパレータ１４のうち、正極体１２および負極体１３よりも軸方向に突出し、径方向に重なる突出部１４ａ同士が互いに溶着されているので、正極体１２、負極体１３およびセパレータ１４が捲回された状態を維持することができる。よって、電極体１０が小型化した場合であっても電極体１０の巻崩れを容易に防止できる。したがって、高い信頼性を確保しつつ小型化が可能な電池１を提供できる。

また、溶着部２５は、電極体１０の軸方向の両端部に設けられているので、電極体１０の軸方向の両端部それぞれにおいて突出部１４ａ同士が互いに溶着される。これにより、正極体１２、負極体１３およびセパレータ１４が捲回された状態をより強固に維持することができる。

また、電池１は、正極体１２の最外周部の端縁から、軸方向に直交する方向に沿うように延出する正極タブ２１と、負極体１３の最外周部の端縁から、軸方向に直交する方向に沿うように延出する負極タブ２２と、を備える。これにより、正極体１２の最外周部における正極集電体１５の端縁１５ａと、負極体１３の最外周部における負極集電体１８の端縁１８ａと、の相対位置が、捲回時のテンションの変化や電極長の公差により軸方向に直交する方向における所望の相対位置からずれた場合であっても、正極タブ２１および負極タブ２２の軸方向における相対位置がずれることを防止できる。これにより、正極タブ２１および負極タブ２２の間隔が設計値から外れることを防止できる。

そして、この電池１において電極体１０を小型化すると、正極タブ２１と負極タブ２２とが近接して配置されるので、正極体１２や負極体１３の端縁に正極タブ２１および負極タブ２２を避けて巻崩れ防止用のテープを貼り付けることが困難となるが、本実施形態によれば、上述したように電極体１０の巻崩れを容易に防止できる。
したがって、正極タブ２１および負極タブ２２の位置ずれを防止できる電池１において、高い信頼性を確保しつつ小型化することができる。

また、正極タブ２１は、正極集電体１５と一体形成され、負極タブ２２は、負極集電体１８と一体形成されているので、集電体とは別部材のタブを用いる必要がなくなる。これにより、集電体とタブとを接続する工程を削減できるとともに、部品点数を削減することができる。

また、本実施形態の電池１の製造方法は、セパレータ１４の軸方向の端部を溶着する溶着工程を備えるので、正極体１２および負極体１３よりも軸方向に突出し径方向に重なるセパレータ１４同士を互いに溶着して溶着部２５を形成することができる。したがって、上述した電池１を容易に製造できる。

また、電池１は、リチウムイオン二次電池であって、金属箔３１をレーザーにより切断して負極集電体１８を形成するので、負極集電体１８の端面をレーザーによる切断時の加熱により不働態化することができる。これにより、負極集電体１８の端面にリチウムのデンドライトが生成することを抑制することができるので、デンドライトがセパレータ１４を貫通して正極体１２と負極体１３とがショートすることを抑制できる。したがって、信頼性の高い電池１を製造できる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態においては、電気化学セルの一例として、非水電解質二次電池であるリチウムイオン二次電池を例に挙げて説明したが、これに限定されず、他の非水電解質二次電池や電気二重層キャパシタ、一次電池等に上述した構成を適用することができる。

また、上記実施形態では、正極タブ２１および負極タブ２２が電極体本体部１１の最外周部から軸方向に直交する方向に沿って延出しているが、これに限定されるものではない。例えば、正極タブおよび負極タブは、電極体本体部の軸方向の端部から軸方向に沿って延出していてもよい。この場合、正極タブおよび負極タブが電極体本体部の軸方向の一端部から延出していてもよいし、正極タブが電極体本体部の軸方向の一端部から延出し負極タブが電極体本体部の軸方向の他端部から延出していてもよい。これらの構成の場合、溶着部は、セパレータの突出部が正極タブや負極タブを挟んだ状態で形成されていてもよいし、正極タブや負極タブを避けた位置に形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、溶着部２５が電極体１０の軸方向の両端部に形成されているが、これに限定されず、電極体の軸方向の一端部のみに形成されていても上述した作用効果を奏することができる。

また、上記実施形態では、溶着部２５は、軸方向から見て突出部１４ａの全体が一体化するように溶着されることにより形成されているが、これに限定されず、溶着部は、突出部１４ａの一部が互いに溶着されることにより形成されていてもよい。なお、この場合には、溶着部は、捲回されたセパレータ１４のうち径方向の最も外側に位置する突出部１４ａを含むように形成されることが望ましい。これにより、電極体の最外周部においてセパレータ１４の捲れを防止して、正極体１２、負極体１３およびセパレータ１４が捲回された状態を維持することができるので、電極体全体の巻崩れを防止できる。

また、上記実施形態では、突出部１４ａは、セパレータ１４の軸方向の端部全体に亘って形成されているが、これに限定されるものではない。突出部は、セパレータが捲回された状態で径方向に重なるように、セパレータにおける軸方向の端部の一部に形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、セパレータ１４が一対設けられているが、これに限定されず、正極体１２または負極体１３を挟み込むように折り返された１枚のセパレータを設けてもよい。

また、上記実施形態では、溶着部２５の形成方法として、加熱されたヒータを用いた熱溶着を適用しているが、これに限定されず、超音波溶着やレーザー溶着を適用することもできる。

また、上記実施形態では、切断工程において溶着部２５が切断されることにより電極体１０の軸方向の寸法が調整されているが、これに限定されず、溶着部２５を折り曲げて電極体１０の軸方向の寸法を調整してもよい。

また、上記実施形態においては、電極体１０が円柱状に形成されているが、これに限定されず、軸方向から見た断面形状が長円状または矩形状となるように扁平捲回されていてもよい。
また、上記実施形態においては、電極体１０がセラミック製の外装容器２に収容されているが、これに限定されず、例えばラミネートフィルムにより形成された外装容器、または、金属缶ケースに収容されていてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１…電池（電気化学セル） １０…電極体 １２…正極体 １３…負極体 １４…セパレータ １４ａ…突出部 １５…正極集電体 １５ａ…正極体の最外周部の端縁 １８…負極集電体 １８ａ…負極体の最外周部の端縁 ２１…正極タブ ２２…負極タブ ２５…溶着部 ３１…金属箔 Ｐ…捲回軸（所定軸）

Claims (6)

1. 正極集電体を有する正極体と、負極集電体を有する負極体と、がセパレータを介して積層された状態で、所定軸回りに捲回された電極体を備え、
   前記セパレータは、前記正極体および前記負極体よりも前記所定軸の軸方向に突出する突出部を備え、
   前記電極体は、前記所定軸に直交する方向に重なる前記突出部同士が互いに溶着された溶着部を備える、
   ことを特徴とする電気化学セル。
2. 前記溶着部は、前記電極体の前記軸方向の両端部に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
3. 前記正極体の最外周部の端縁から、前記軸方向に直交する方向に沿うように延出する正極タブと、
   前記負極体の最外周部の端縁から、前記軸方向に直交する方向に沿うように延出する負極タブと、
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学セル。
4. 前記正極タブは、前記正極集電体と一体形成され、
   前記負極タブは、前記負極集電体と一体形成されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電気化学セル。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学セルの製造方法であって、
   前記セパレータを介して前記正極体および前記負極体を積層した状態で、前記正極体、前記負極体および前記セパレータを前記所定軸回りに捲回する捲回工程と、
   前記セパレータの前記軸方向の端部を溶着する溶着工程と、
   を備えることを特徴とする電気化学セルの製造方法。
6. 前記電気化学セルは、リチウムイオン二次電池であって、
   金属箔をレーザーにより切断して前記負極集電体を形成する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電気化学セルの製造方法。

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