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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5954068
(24)【登録日】2016年6月24日
(45)【発行日】2016年7月20日
(54)【発明の名称】蓄電装置
(51)【国際特許分類】
H01M 10/04 20060101AFI20160707BHJP
H01M 10/0525 20100101ALI20160707BHJP
H01M 10/0585 20100101ALI20160707BHJP
H01M 2/18 20060101ALI20160707BHJP
【ＦＩ】
H01M10/04 Z
H01M10/0525
H01M10/0585
H01M2/18 Z
【請求項の数】5
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2012-200880(P2012-200880)
(22)【出願日】2012年9月12日
(65)【公開番号】特開2014-56715(P2014-56715A)
(43)【公開日】2014年3月27日
【審査請求日】2014年12月11日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003218
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100124062
【弁理士】
【氏名又は名称】三上 敬史
(72)【発明者】
【氏名】筒井 孝
【審査官】
赤樫 祐樹
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１２−００９２１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１１／０９９２２４（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｍ １０／０４−１０／０５８７
Ｈ０１Ｍ ２／１４− ２／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一電極板、及び前記第一電極板を収容するセパレータ袋をそれぞれ有する一対の電極ユニットと、
前記一対の電極ユニットの間に配置された第二電極板と、を備え、
各前記セパレータ袋は、前記第一電極板の両主面を覆うように配置された一対のセパレータと、前記一対のセパレータの端部同士を固定する固定部をそれぞれ有し、
前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とが重ならない、蓄電装置。
前記一対の電極ユニットの間に配置された第二電極板と、を備え、
各前記セパレータ袋は、前記第一電極板の両主面を覆うように配置された一対のセパレータと、前記一対のセパレータの端部同士を固定する固定部をそれぞれ有し、
前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とが重ならない、蓄電装置。
【請求項2】
前記固定部は、前記セパレータの端部同士の溶着部である請求項１記載の蓄電装置。
【請求項3】
前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とは、０．１ｍｍ以上離れている請求項１又は２記載の蓄電装置。
【請求項4】
前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とは、前記セパレータの端部に沿う方向に互いにずれている請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項5】
リチウムイオン二次電池である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、蓄電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、一方の電極及びこの電極を収容するセパレータ袋を有する電極ユニットと、他方の電極とを備えた蓄電装置が知られている。セパレータ袋は、二枚のセパレータの端部同士を溶着することなどにより形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００８−９１１００号公報
【特許文献2】特開平９−２１３３７７号公報
【特許文献3】特開平７−３０２６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
蓄電装置では、一対のセパレータ袋の間に他方の電極が配置される。他方の電極が一対のセパレータ袋の一対の溶着部間に挟まれると、この部分において、他方の電極の破損や活物質層の剥がれが生ずる場合があることが判明した。これは、セパレータ袋の溶着部には、溶着の際にバリが発生することがあること、及び、溶着部が非溶着部に比べて硬いことが１つの原因と考えられる。
【0005】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、活物質層の剥がれ等の電極の破損を抑制できる蓄電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明にかかる蓄電装置は、第一電極板、及び前記第一電極板を収容するセパレータ袋を有する一対の電極ユニットと、前記一対の電極ユニット間に配置された第二電極板と、を備える。各前記セパレータ袋は、前記第一電極板の両主面を覆うように配置された一対のセパレータと、前記一対のセパレータの端部同士を固定する固定部をそれぞれ有する。前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とがずれている。
【0007】
本発明によれば、１つの第二電極板の両側に当接する固定部が第二電極板の主面に沿った方向に互いにずれているので、第二電極板へのダメージを抑制できる。
【0008】
ここで、前記蓄電装置は、前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とが重ならないことが好ましい。この場合、前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とは、０．１ｍｍ以上離れていることが好ましい。
【0009】
また、前記固定部は、前記セパレータの端部同士の溶着部であることが好ましい。
【0010】
また、前記第二電極板の主面に対して垂直な方向から見て、一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とは、前記セパレータの端部に沿う方向に互いにずれていることが好ましい。
【0011】
また、蓄電装置はリチウムイオン二次電池であることが好ましい。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、活物質層の剥がれを抑制できる蓄電装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明の実施形態にかかるリチウムイオン二次電池について図面を参照して説明する。（第一実施形態）
図１は、第一実施形態にかかるリチウムイオン二次電池１００の概略断面図である。図２は、図１の電極組立体の分解斜視図である。このリチウムイオン二次電池１００は、電極組立体５０、リード７、８、電解液、ケース１１を主として有する。
【0015】
（電極組立体５０）電極組立体５０は、負極板（第二電極板）４０、正極ユニット（電極ユニット）１０Ａ、負極板（第二電極板）４０、正極ユニット（電極ユニット）１０Ｂ、負極板（第二電極板）、正極ユニット（電極ユニット）１０Ａ、及び、負極板（第二電極板）４０を有し、これらがこの順に積層されている。
【0017】
（正極板（第一電極板）２０）正極板２０は、正極金属箔２２、及び、正極金属箔２２の両面にそれぞれ形成された正極活物質層２４を有する。正極金属箔２２の材料の例は、アルミニウムなどの金属である。正極金属箔２２の厚みは特に限定されないが、例えば、５〜２５μｍとすることができる。
【0018】
正極活物質層２４は、正極活物質、バインダを含み、必用に応じて導電助剤を含むことができる。正極活物質層２４の厚みは特に限定されないが、例えば、４０〜１００μｍとすることができる。
【0019】
正極活物質は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質であれば特に限定されない。正極活物質の例は、リチウム化合物である。例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物などのリチウム金属複合酸化物などを用いることが出来る。また正極活物質として他の金属化合物あるいは高分子材料を用いることも出来る。他の金属化合物としては、例えば酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物、または硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物が挙げられる。高分子材料としては例えばポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子が挙げられる。
【0020】
特に正極活物質は、一般式：ＬｉＣｏｐＮｉｑＭｎｒＯ２（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０＜ｐ≦１、０≦ｑ＜１、０≦ｒ＜１）で表されるリチウム金属複合酸化物を含むことが好ましい。上記複合金属酸化物として、例えばＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２、ＬｉＮｉ０．５ＣＯ０．２Ｍｎ０．３Ｏ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．２Ｏ２、ＬｉＣｏＭｎＯ２を用いることができる。中でもＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２は、熱安定性の点で好ましい。
【0021】
また、正極活物質は、一般式：ＬｉＣｏｐＮｉｑＭｎｒＤｓＯ２（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０＜ｐ≦１、０≦ｑ＜１、０≦ｒ＜１、０＜ｓ＜１）で表されるリチウム金属複合酸化物を含むことも好ましい。Ｄは、Ａｌ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｗ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｎａから成る群から選択される少なくとも１つの元素である。
【0022】
バインダの例は、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である。バインダの量は、活物質１００質量部に対して、１〜３０質量部とすることができる。
【0023】
導電助剤の例は、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック(AB) 、ケッチェンブラック(登録商標)(KB) 、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber : VGCF) 等の炭素系粒子である。これらは、単独で、または二種以上組み合わせて添加することができる。導電助剤の使用量については、特に限定されないが、例えば、１００質量部の活物質に対して、１〜３０質量部とすることができる。
【0024】
正極金属箔２２は、正極活物質層２４が形成されていない未塗布部２２ａを有する。未塗布部２２ａは、セパレータ袋３２の外部に突出している。
【0025】
（セパレータ袋）セパレータ袋３２は、正極板２０の両主面を覆うように配置された一対の矩形形状のセパレータ３０、３０と、セパレータ３０、３０の端部同士が溶着した複数の溶着部（固定部）３１ａとを有する。
【0026】
セパレータ３０の例は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンなどの熱可塑性樹脂製の多孔質膜である。セパレータ３０の厚みは特に限定されないが、例えば、１０〜５０μｍとすることができる。
【0027】
本実施形態では、各溶着部３１ａは、矩形形状を有する。また、溶着部３１ａは、セパレータ３０の端部において、正極板２０の周りを取り囲むように複数設けられている。隣接する２つの溶着部３１ａは、Ｚ方向から見て、セパレータ３０の端面に沿う方向に互いに離間して設けられている。
【0028】
溶着部３１ａの形成方法は特に限定されないが、例えば、正極板２０をセパレータ３０．３０間に挟み、セパレータ３０、３０の端部同士を、溶着部３１ａの形状に対応する加熱部材で挟めば良い。このとき、加熱部材の温度を、セパレータの融点以上とすることが好ましい。なお、熱溶着でなくても、超音波溶着、高周波溶着などを行っても良い。
【0029】
正極ユニット１０Ｂが、正極ユニット１０Ａと異なる点は、溶着部３１ｂの位置である。正極ユニット１０Ｂの各溶着部３１ｂも、溶着部３１ａと同様に矩形形状を有する。そして、溶着部３１ｂは、正極板２０の周りを取り囲むように、セパレータ３０の端面に沿う方向に互いに離間して複数設けられている。しかしながら、正極ユニット１０Ｂの溶着部３１ｂは、図４に示すように、正極ユニット１０Ａと正極ユニット１０Ｂとが重ねられた状態で、正極板２０（又は負極板４０）の主面に対して垂直なＺ方向から見て、正極ユニット１０Ａの溶着部３１ａと重ならない位置にそれぞれ配置されている。溶着部３１ａと溶着部３１ｂとは、セパレータ３０の最寄の端部に沿う方向に互いに離間している。
【0030】
Ｚ方向から見て、溶着部３１ａと溶着部３１ｂとの間の最短距離Ｄは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。尚、第二電極板の活物質層へのダメージの抑制効果は減少するが、溶着部３１ａと溶着部３１ｂとが離間せず、セパレータ３０の端面に沿う方向に互いにずれている（Ｚ方向から見て、溶着部３１ａと溶着部３１ｂとが一部重なる）形態でも許容される。その場合は、Ｚ方向から見て、溶着部３１ａと溶着部３１ｂとのずれが、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍより大きいことがより好ましい。また、本発明でいう「一方の前記セパレータ袋の固定部と、他方の前記セパレータ袋の固定部とがずれている」とは、一方の第二電極板と他方の第二電極板がＸＹ平面に沿った方向にずれる、いわゆる積層ずれに伴って必然的に生じる固定部のずれを除外する。
【0032】
Ｚ方向から見た負極板４０の負極活物質層４４の外形寸法は、Ｚ方向から見た正極板２０の活物質塗布領域の外形寸法よりも大きく、セパレータ袋３２のＺ方向から見た外形寸法とほぼ同一である。
【0033】
負極金属箔４２は導電材料からなる。負極金属箔４２の材料の例は、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム、銅などの金属材料または導電性樹脂である。特に、負極金属箔４２の材料として、銅が好適である。負極金属箔４２の厚みは特に限定されないが、例えば、５〜２５μｍとすることができる。また、負極活物質層４４の厚みも特に限定されないが、例えば、４０〜１００μｍとすることができる。
【0034】
負極活物質層４４は、負極活物質、バインダを含み、必用に応じて導電助剤を含むことができる。
【0035】
負極活物質の例は、リチウムを吸蔵、放出可能な炭素系材料、リチウムと合金化可能な元素、リチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物、あるいは高分子材料である。
【0036】
炭素系材料の例は、難黒鉛化性炭素、人造黒鉛、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭あるいはカーボンブラック類である。ここで、有機高分子化合物焼成体とは、フェノール類やフラン類などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。
【0037】
リチウムと合金化可能な元素の例は、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｇａ、１ｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉである。中でも、リチウムと合金化可能な元素は、珪素（Ｓｉ）または錫（Ｓｎ）であるとよい。
【0038】
リチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物の例は、ＺｎＬｉＡｌ、ＡｌＳｂ、ＳｉＢ４、ＳｉＢ６、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｓｎ、Ｎｉ２Ｓｉ、ＴｉＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＣａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、Ｃｕ５Ｓｉ、ＦｅＳｉ２、ＭｎＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＴａＳｉ２、ＶＳｉ２、ＷＳｉ２、ＺｎＳｉ２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ２Ｎ２Ｏ、ＳｉＯｖ（０＜ｖ≦２）、ＳｎＯｗ（０＜ｗ≦２）、ＳｎＳｉＯ３、ＬｉＳｉＯあるいはＬｉＳｎＯである。リチウムと合金化反応可能な元素を有する元素化合物の例は、珪素化合物または錫化合物であることがよい。珪素化合物は、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）であることがよい。錫化合物は、例えば、スズ合金（Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｏ−Ｓｎ合金等）などが使用できる。高分子材料の例は、ポリアセチレン、ポリピロールである。
導電助剤やバインダの材料や配合量は、正極と同様とすることができる。
【0039】
図２に示すように、負極金属箔４２は、負極活物質層４４が形成されていない未塗布部４２ａを有する。
【0041】
電解液は、電解質と、この電解質を溶解する溶媒とを含む。電解質は、電極組立体５０内に含浸されている。
【0042】
電解質の例は、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２等のリチウム塩である。
【0043】
溶媒の例は、環状エステル類、鎖状エステル類、エーテル類である。これらの溶媒を２種以上混合することもできる。環状エステル類の例は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、ビニレンカーボネート、２−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマプチロラクトン、ガンマバレロラクトンである。鎖状エステル類の例は、メチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステルである。エーテル類の例は、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、１，２−ジブトキシエタンである。
【0044】
電解液における電解質の濃度は、例えば、０．５〜１．７ｍｏｌ／Ｌとすることができる。電解液は、ゲル化剤を含んでいても良い。
【0045】
（リード）リード７は正極金属箔２２の未塗布部２２ａに接続され、リード８は負極金属箔４２の未塗布部４２ａに接続されている。リード７、８の端部は、ケース１１の外部に出ている。
【0046】
本実施形態にかかるリチウムイオン二次電池１００によれば、Ｚ方向から見て、溶着部３１ａ、３１ｂが重ならない。したがって、溶着部３１ａ，３１ｂにバリが形成されても、負極板４０が両側からバリに挟まれることが抑制される。片側からのバリの接触であれば、負極板が反対方向に変形することができ、負極活物質層の剥がれ等の不具合が生じにくい。
【0047】
（第二実施形態）続いて、図５を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態にかかるリチウムイオン二次電池が、第一実施形態のリチウムイオン二次電池と異なる点は、正極ユニット１０Ａ，１０Ｂのセパレータ袋３２である。第一実施形態では、予め２つに分離されたセパレータ３０、３０からセパレータ袋３２が形成されていたが、本実施形態では、一枚のセパレータ用シートを半分に折ることに得られた、一体化されたセパレータ３０、３０を使用している。セパレータ３０、３０における折られた部分ｂは溶着する必要がないので、この折られた部分ｂには溶着部３１ａ，３１ｂを形成しなくても良い。本実施形態でも、第一実施形態と同様の作用を奏することができる。
【0048】
（第三実施形態）続いて、図６を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態にかかるリチウムイオン二次電池が、第一実施形態のリチウムイオン二次電池と異なる点は、正極ユニット１０Ａ，１０Ｂにおける溶着部３１ａ，３１ｂの配置のみである。第一実施形態では、Ｚ方向から見て、セパレータ３０の端部に沿う方向に、溶着部３１ａと溶着部３１ｂとが離間していたが、第三実施形態では、セパレータ３０の端部と交差する方向に、溶着部３１ａと溶着部３１ｂとが離間している。本実施形態でも、第一実施形態と同様の作用を奏することができる。
【0049】
（第四実施形態）続いて、図７を参照して、本発明の第四実施形態について説明する。第四実施形態にかかるリチウムイオン二次電池が、第一実施形態のリチウムイオン二次電池と異なる点は、正極ユニット１０Ａ，１０Ｂのセパレータ袋３２のセパレータ３０の端部同士が、それ自身の溶着部ではなくステープル３６ａ，３６ｂによりそれぞれ固定されている点である。ステープル３６ａ，３６ｂの材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂が好ましい。ステープル３６ａ、３６ｂの位置は、溶着部３１ａ，３１ｂと同様である。
【0050】
本実施形態では、ステープル３６ａ，３６ｂが、負極板４０と接触することがあるが、ステープル３６ａ，３６ｂが、第一実施形態と同様に、Ｚ方向から見て互いに重ならない位置に配置されているため、負極板４０が両側からステープルに挟まれることが抑制される。
【0051】
本発明は上記実施形態に限定されず、様々な変形体用が可能である。
【0052】
固定部の位置は、Ｚ方向から見たときに、互いに重ならないのであれば、どのように配置されていても良い。例えば、上記実施形態では、セパレータ３０の４辺それぞれに固定部があるが、３辺のみや、２辺のみに固定部があっても良い。また、第一実施形態では、正極ユニット１０Ａ，１０Ｂがそれぞれ破線状に分断された溶着部を備えるが、溶着部が直線上に１つにつながっていても良い。溶着部の形状も任意である。
【0053】
また、上記実施形態では、電極組立体５０が、正極ユニットを全部で３つ有するが、２つでも良く、４つ以上あっても良い。この場合、隣接する正極ユニット間のそれぞれにおいて、固定部が重ならないようにすることが好ましい。
【0054】
また、上記実施形態では、正極板２０がセパレータ袋３２に収容され、負極板４０がセパレータ袋３２に収容されていないが、負極板４０がセパレータ袋３２に収容され、正極板２１がセパレータ袋に収容されていない態様とすることも可能である。また、上記実施形態では、負極板４０が電極組立体の最外層となっているが、正極板２０又は正極ユニット１０Ａ，１０Ｂが最外層となっていても良く、正極と負極とが最外層となっていてもよい。
【0055】
また、上述の蓄電装置は、リチウムイオン二次電池であるが、これ以外の蓄電装置、例えば、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなどに適用することも可能である。
【符号の説明】
【0056】
１０Ａ，１０Ｂ…正極ユニット（電極ユニット）、２０…正極板（第一電極板）、３１ａ，３１ｂ…溶着部（固定部）、３２…セパレータ袋、３６ａ，３６ｂ…ステープル（固定部）、４０…負極板（第二電極板）、１００…リチウムイオン二次電池（蓄電装置）。