2024-157720 電極体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024157720

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】電極体

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20241031BHJP

   H01M 50/466 20210101ALI20241031BHJP

   H01M 50/463 20210101ALI20241031BHJP

   H01M 50/491 20210101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

H01M10/04 Z

H01M50/466

H01M50/463 Z

H01M50/491

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023072246

(22)【出願日】2023-04-26

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉原 敦史

(72)【発明者】

【氏名】柿下 健一

(72)【発明者】

【氏名】和泉 潤

(72)【発明者】

【氏名】三村 哲矢

(72)【発明者】

【氏名】大畑 耕太

(72)【発明者】

【氏名】倉下 那奈

(72)【発明者】

【氏名】高橋 祐希

【テーマコード（参考）】

5H021

5H028

【Ｆターム（参考）】

5H021BB17

5H021CC05

5H021CC08

5H021CC19

5H021HH02

5H028AA06

5H028CC10

5H028HH00

(57)【要約】

【課題】幅方向における電極の中央部での電解液の不足を抑制することが可能な電極体を提供すること。
【解決手段】電極体は、一方向に並ぶように配置された複数の電極と、複数の電極の各々の間を絶縁するセパレータ１３０と、を備える。セパレータ１３０は、前記一方向及び上下方向の双方と直交する幅方向における中央に位置する中央領域Ｒ１と、前記幅方向における前記中央領域の外側に位置する外側領域Ｒ２と、を有する。前記中央領域Ｒ１における空隙率は、前記外側領域Ｒ２における空隙率よりも大きい。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方向に並ぶように配置された複数の電極と、
前記複数の電極の各々の間を絶縁するセパレータと、を備え、
前記セパレータは、
前記一方向及び上下方向の双方と直交する幅方向における中央に位置する中央領域と、
前記幅方向における前記中央領域の外側に位置する外側領域と、を有し、
前記中央領域における空隙率は、前記外側領域における空隙率よりも大きい、電極体。

【請求項2】

前記幅方向における前記複数の電極及び前記セパレータの長さは、上下方向における前記複数の電極及び前記セパレータの長さよりも長い、請求項１に記載の電極体。

【請求項3】

前記外側領域には、電解液をはじく性質を有し、前記セパレータの空隙を埋める空隙充填材が設けられている、請求項１に記載の電極体。

【請求項4】

前記中央領域には、それぞれが上下方向に延び、かつ、前記幅方向に間隔を置いて並ぶ複数のスリットが設けられている、請求項１から３のいずれかに記載の電極体。

【請求項5】

前記セパレータは、つづら折り状に形成されている、請求項１に記載の電極体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電極体に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０２２－１００８１３号公報には、複数の正極電極及び複数の負極電極を、セパレータ介在させつつ交互に積層したいわゆる積層型電極体が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１００８１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特開２０２２－１００８１３号公報に記載される電極体では、充放電時等に電極から電解液が放出されることにより、電解液が幅方向における端部に移動する。これにより、幅方向における電極の中央部において電解液が不足する懸念がある。このことは、ハイレート充放電時に特に顕著となる。

【0005】

本開示の目的は、幅方向における電極の中央部での電解液の不足を抑制することが可能な電極体を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一局面に従った電極体は、一方向に並ぶように配置された複数の電極と、前記複数の電極の各々の間を絶縁するセパレータと、を備え、前記セパレータは、前記一方向及び上下方向の双方と直交する幅方向における中央に位置する中央領域と、前記幅方向における前記中央領域の外側に位置する外側領域と、を有し、前記中央領域における空隙率は、前記外側領域における空隙率よりも大きい。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、幅方向における電極の中央部での電解液の不足を抑制することが可能な電極体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の一実施形態における蓄電セルを概略的に示す斜視図である。

【図2】図１に示される蓄電セルの断面図である。

【図3】電極体の断面図である。

【図4】つづら折り状に形成される前の状態におけるセパレータの平面図である。

【図5】電極タブと集電タブとの接続工程を概略的に示す斜視図である。

【図6】つづら折り状に形成される前の状態におけるセパレータの変形例を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

【0010】

図１は、本開示の一実施形態における蓄電セルを概略的に示す斜視図である。図２は、図１に示される蓄電セルの断面図である。

【0011】

図１及び図２に示されるように、蓄電セル１は、電極体１００と、セルケース２００と、一対の外部端子３００と、一対の連結部材４００と、絶縁部材５００と、を備えている。

【0012】

図３は、電極体の断面図である。図３に示されるように、電極体１００は、複数の電極１１０，１２０と、セパレータ１３０と、を備えている。

【0013】

図３に示されるように、複数の電極１１０，１２０は、一方向（図３における左右方向）に並ぶように配置されている。複数の電極１１０，１２０は、複数の正極電極１１０と、複数の負極電極１２０と、を有している。

【0014】

各正極電極１１０は、幅方向（一方向及び上下方向の双方と直交する方向）に長い長方形形状に形成されている。各正極電極１１０は、正極集電箔１１２と、正極集電箔１１２の両面に設けられた正極活物質層１１４と、を有している。図２及び図５等に示されるように、正極集電箔１１２は、正極活物質層１１４が設けられていない正極タブ１１２ｐを有している。正極タブ１１２ｐは、幅方向（図３において紙面と直交する方向）における一方側に向かって突出している。

【0015】

各負極電極１２０は、幅方向に長い長方形形状に形成されている。各負極電極１２０は、負極集電箔１２２と、負極集電箔１２２の両面に設けられた負極活物質層１２４と、を有している。図２及び図５等に示されるように、負極集電箔１２２は、負極活物質層１２４が設けられていない負極タブ１２２ｎを有している。負極タブ１２２ｎは、幅方向における他方側に向かって突出している。

【0016】

セパレータ１３０は、正極電極１１０及び負極電極１２０間を絶縁している。セパレータ１３０は、絶縁材料からなり、イオンの透過を許容する微小な空隙を有している。図３に示されるように、セパレータ１３０は、つづら折り状に形成されている。

【0017】

図４は、つづら折り状に形成される前の状態におけるセパレータの平面図である。図４に示されるように、セパレータ１３０は、つづら折り状に形成される前の状態では長方形形状を呈している。セパレータ１３０は、各電極１１０，１２０間につづら折り状に形成されながら配置される。セパレータ１３０は、複数の介在部１３２ａと、複数の上折返し部１３２ｂと、複数の下折返し部１３２ｃと、最外被覆部１３２ｄと、を有している。なお、図４では、つづら折り状に形成された際に各折返し部１３２ｂ，１３２ｃとなる部位が斜線で示されている。

【0018】

各介在部１３２ａは、一方向に互いに隣接する一対の電極１１０，１２０間に介在している。つまり、各介在部１３２ａは、正極電極１１０及び負極電極１２０間を絶縁する機能を有している。各介在部１３２ａは、矩形状の領域で構成されている。

【0019】

各上折返し部１３２ｂは、複数の介在部１３２ａのうちの一の介在部１３２ａの上端部と、複数の介在部１３２ａのうち一方向における一方側に前記一の介在部１３２ａに隣接する介在部１３２ａの上端部と、を互いに連結している。本実施形態では、上折返し部１３２ｂは、正極電極１１０の上方に配置されている。

【0020】

各下折返し部１３２ｃは、複数の介在部１３２ａのうちの前記一の介在部の下端部と、複数の介在部１３２ａのうち一方向における他方側に前記一の介在部に隣接する介在部１３２ａの下端部と、を互いに連結している。本実施形態では、下折返し部１３２ｃは、負極電極１２０の下方に配置されている。換言すれば、負極電極１２０は、下折返し部１３２ｃ上に配置されている。

【0021】

最外被覆部１３２ｄは、各上折返し部１３２ｂ及び各下折返し部１３２ｃをまとめて被覆している。より詳細には、最外被覆部１３２ｄは、全ての電極１１０，１２０、全ての介在部１３２ａ、全ての上折返し部１３２ｂ及び全ての下折返し部１３２ｃを、幅方向と平行な中心軸まわりに巻回しながらまとめて被覆している。最外被覆部１３２ｄの終端１３２ｅ（図３及び図４を参照）は、一方向に正極活物質層１１４及び負極活物質層１２４と重ならない範囲に設定されている。本実施形態では、最外被覆部１３２ｄの終端１３２ｅは、各電極１１０，１２０の下方に設けられている。

【0022】

図４に示されるように、セパレータ１３０は、中央領域Ｒ１と、外側領域Ｒ２と、を有している。

【0023】

中央領域Ｒ１は、幅方向（図４における左右方向）における中央に位置している。外側領域Ｒ２は、幅方向における中央領域Ｒ１の外側に位置している。幅方向におけるセパレータ１３０長さＷに対する幅方向における中央領域Ｒ１の長さＷ１の割合は、例えば４０％～７０％程度に設定される。

【0024】

中央領域Ｒ１における空隙率は、外側領域Ｒ２における空隙率よりも大きい。例えば、中央領域Ｒ１における空隙率は、５０％以上７０％以下であり、外側領域Ｒ２における空隙率は、３０％以上５０％未満である。なお、空隙率は、例えば、水銀圧入法によって測定される。

【0025】

本実施形態では、外側領域Ｒ２には、電解液をはじく性質（撥液性）を有し、セパレータ１３０の空隙を埋める空隙充填材１３６が設けられている。空隙充填材１３６として、例えば、ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）、ポリイミドが挙げられる。なお、図４では、空隙充填材１３６にドット模様が付されている。

【0026】

セルケース２００は、電極体１００を収容している。セルケース２００には、図示略の電解液が収容されている。セルケース２００は、密封されている。セルケース２００は、ケース本体２１０と、蓋２２０と、を有している。

【0027】

ケース本体２１０は、上向きに開口する開口部を有している。ケース本体２１０は、アルミニウム等の金属からなる。図２に示されるように、ケース本体２１０は、底壁２１２と、周壁２１４と、を有している。底壁２１２は、矩形かつ平板状に形成されている。周壁２１４は、底壁２１２から起立している。周壁２１４は、四角筒状に形成されている。幅方向における周壁２１４の長さは、厚さ方向における周壁２１４の長さよりも長い。高さ方向における周壁２１４の長さは、厚さ方向における周壁２１４の長さよりも長い。

【0028】

蓋２２０は、ケース本体２１０の開口部を閉塞している。蓋２２０は、溶接等によって開口部に接続されている。蓋２２０は、平板状に形成されている。蓋２２０は、アルミニウム等の金属からなる。蓋２２０は、圧力解放弁２２２と、封止部材２２４と、を有している。

【0029】

圧力解放弁２２２は、蓋２２０の中央部に形成されている。圧力解放弁２２２は、セルケース２００の内圧が所定圧以上となると破断するように形成されている。圧力解放弁２２２が破断することで、セルケース２００内のガスが当該圧力解放弁２２２を通じてセルケース２００外に放出されるため、セルケース２００の内圧が低下する。

【0030】

封止部材２２４は、蓋２２０に形成された注液口ｈを封止している。注液口ｈは、蓄電セル１の製造過程において、セルケース２００内に電解液を注入するための貫通孔である。注液口ｈは、当該注液口ｈを通じてケース本体２１０に電解液が注入された後、封止部材２２４によって封止される。

【0031】

一対の外部端子３００は、セルケース２００上に固定されている。一対の外部端子３００の一方は、正極の外部端子であり、他方は、負極の外部端子である。各外部端子３００は、後述の上絶縁部５１０を介して蓋２２０の上面に固定されている。各外部端子３００は、アルミニウム等の金属からなる。各外部端子３００は、例えば、直方体形状に形成される。各外部端子３００には、図示略のバスバーが溶接等によって接続される。

【0032】

一対の連結部材４００（図２を参照）は、複数の電極タブ１１２ｐ，１２２ｎと外部端子３００とを連結している。一方の連結部材４００は、複数の正極タブ１１２ｐと正極の外部端子３００とを連結しており、他方の連結部材４００は、複数の負極タブ１２２ｎと負極の外部端子３００とを連結している。一対の連結部材４００の各々は、実質的に互いに同じ構造を有しているため、以下では一方の連結部材４００について説明する。

【0033】

連結部材４００は、集電タブ４１０と、サブタブ４２０と、連結ピン４３０と、を有している。

【0034】

集電タブ４１０は、側方部４１２と、上方部４１４と、を有している。側方部４１２は、幅方向における電極体１００の側方に位置している。上方部４１４は、電極体１００の上方に位置している。上方部４１４は、側方部４１２の上端から幅方向における内側に向かって延びている。

【0035】

サブタブ４２０は、複数の正極タブ１１２ｐを集電タブ４１０に接続している。サブタブ４２０の一端部４２２は、溶接等によって複数の正極タブ１１２ｐに接続されており、サブタブ４２０の他端部４２４は、溶接等によって集電タブ４１０の側方部４１２に接続されている。

【0036】

連結ピン４３０は、集電タブ４１０と外部端子３００とを連結している。連結ピン４３０は、上方部４１４と外部端子３００とを連結している。具体的に、連結ピン４３０の下端部は、上方部４１４設けられた貫通孔に挿入された状態で上方部４１４に溶接等によって接続されており、連結ピン４３０の上端部は、外部端子３００に設けられた貫通孔に挿入された状態で溶接やカシメ等によって外部端子３００に接続されている。

【0037】

絶縁部材５００は、セルケース２００と連結部材４００との間を絶縁している。絶縁部材５００は、上絶縁部５１０と、下絶縁部５２０と、インシュレータ５３０と、絶縁板５４０と、を有している。

【0038】

上絶縁部５１０は、蓋２２０の上面に固定されている。上絶縁部５１０は、蓋２２０と外部端子３００との間に配置されている。上絶縁部５１０には、連結ピン４３０を挿通させる挿通孔が設けられている。

【0039】

下絶縁部５２０は、蓋２２０の下面に固定されている。下絶縁部５２０は、蓋２２０と、上方部４１４及び連結ピン４３０の下部と、の間に配置されている。下絶縁部５２０には、連結ピン４３０を挿通させる挿通孔が設けられている。

【0040】

インシュレータ５３０は、連結ピン４３０と蓋２２０との間に配置されている。インシュレータ５３０は、筒状に形成されており、連結ピン４３０を包囲している。

【0041】

絶縁板５４０は、上方部４１４の下面に固定されている。絶縁板５４０は、電極体１００の上方に配置されている。絶縁板５４０のうち圧力解放弁２２２の下方に位置する部位、及び、注液口ｈの下方に位置する部位には、貫通孔が設けられている。

【0042】

次に、図５等を参照しながら、蓄電セル１の製造工程について説明する。

【0043】

まず、ローラ（図示略）を用いて、外側領域Ｒ２に空隙充填材１３６を設けたセパレータ１３０をつづら折り状に形成しながら、一対の介在部１３２ａ間に各電極１１０，１２０を交互に配置する。ローラは、クラウン状に形成されている。すなわち、ローラは、当該ローラの回転軸方向における端部から中央部に向かうにしたがって拡径する形状に形成されている。このようにすれば、セパレータ１３０のつづら折り時に、幅方向（ローラの回転軸と平行な方向）におけるセパレータ１３０の中央部にシワが形成されることが抑制される。

【0044】

そして、セパレータ１３０の最外被覆部１３２ｄを巻回した後、終端１３２ｅを適宜手段により最外被覆部１３２ｄに接続する。

【0045】

次に、図５に示されるように、サブタブ４２０の一端部４２２を複数の電極タブ１１２ｐ，１２２ｎに溶接等によって接続する。その後、サブタブ４２０の一端部４２２が集電タブ４１０の側方部４１２に接するように、一端部４２２及び複数の電極タブ１１２ｐ，１２２ｎを折り曲げる。

【0046】

続いて、複数の電極１１０，１２０及びセパレータ１３０の周面と底面とをまとめて絶縁フィルム（図示略）で被覆した後、電極体１００をケース本体２１０に挿入する。そして、蓋２２０の周縁部をケース本体２１０の開口部に溶接等によって接続する。

【0047】

その後、注液口ｈを通じてセルケース２００内に電解液を供給し、注液口ｈを封止部材２２４で封止する。

【0048】

以上に説明したように、本実施形態における電極体１００では、セパレータ１３０の中央領域Ｒ１における空隙率が外側領域Ｒ２における空隙率よりも大きいため、電解液が中央領域Ｒ１に有効に保持される。よって、幅方向における電極１１０，１２０の中央部での電解液の不足が抑制される。

【0049】

なお、図６に示されるように、セパレータ１３０の中央領域Ｒ１には、それぞれが上下方向に延び、かつ、幅方向に間隔を置いて並ぶ複数のスリットＳが設けられてもよい。各スリットＳは、例えば、レーザの照射等によって形成される。幅方向に互いに隣接する一対のスリットＳ間の寸法や各スリットＳの長さは、中央領域Ｒ１における空隙率が５０％～７０％程度となるように設定される。本実施形態における電極体１００は、直方体形状、すなわち、矩形状の中央領域Ｒ１が一方向に並ぶように配置される構造であるため、円筒状に形成された電極体（巻回体）に比べて、各スリットＳのピッチ等の設計が容易である。なお、スリットＳは、互いに隣接する電極１１０，１２０間の絶縁が確保できる大きさに設定される。セパレータ１３０の中央領域Ｒ１に複数のスリットＳが設けられる場合において、上記実施形態のように、セパレータ１３０の外側領域Ｒ２に空隙充填材１３６が設けられてもよい。

【0050】

また、電極体１００は、電解液を保持可能な液保持部材（図示略）をさらに備えていてもよい。液保持部材は、例えば多孔材からなる。液保持部材は、幅方向における複数の電極１１０，１２０及びセパレータ１３０の端部（電極タブ１１２ｐ，１２２ｎの下方）に設けられる。

【0051】

上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

【0052】

［態様１］
一方向に並ぶように配置された複数の電極と、
前記複数の電極の各々の間を絶縁するセパレータと、を備え、
前記セパレータは、
前記一方向及び上下方向の双方と直交する幅方向における中央に位置する中央領域と、
前記幅方向における前記中央領域の外側に位置する外側領域と、を有し、
前記中央領域における空隙率は、前記外側領域における空隙率よりも大きい、電極体。

【0053】

この電極体では、セパレータの中央領域における空隙率が外側領域における空隙率よりも大きいため、電解液が中央領域に有効に保持される。よって、幅方向における電極の中央部での電解液の不足が抑制される。

【0054】

［態様２］
前記幅方向における前記複数の電極及び前記セパレータの長さは、上下方向における前記複数の電極及び前記セパレータの長さよりも長い、態様１に記載の電極体。

【0055】

この態様では、幅方向における中央部に有効に保液される。

【0056】

［態様３］
前記外側領域には、電解液をはじく性質を有し、前記セパレータの空隙を埋める空隙充填材が設けられている、態様１又は２に記載の電極体。

【0057】

この態様では、幅方向における中央領域から外側領域への電解液の移動が抑制されるため、幅方向における電極の中央部での電解液の不足がより確実に抑制される。

【0058】

［態様４］
前記中央領域には、それぞれが上下方向に延び、かつ、前記幅方向に間隔を置いて並ぶ複数のスリットが設けられている、態様１から３のいずれかに記載の電極体。

【0059】

この態様では、中央領域に設けられた各スリットに電解液が有効に保持されるため、幅方向における電極の中央部での電解液の不足がより確実に抑制される。

【0060】

［態様５］
前記セパレータは、つづら折り状に形成されている、態様１から４のいずれかに記載の電極体。

【0061】

［態様６］
態様１から５のいずれかに記載の電極体と、
前記電極体を収容するセルケースと、
前記セルケース内に充填された電解液と、を備える、蓄電セル。

【0062】

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

【符号の説明】

【0063】

１ 蓄電セル、１００ 電極体、１１０ 正極電極、１１２ 正極集電箔、１１２ｐ 正極タブ、１１４ 正極活物質層、１２０ 負極電極、１２２ 負極集電箔、１２２ｎ 負極タブ、１３０ セパレータ、１３２ａ 介在部、１３２ｂ 上折返し部、１３２ｃ 下折返し部、１３２ｄ 最外被覆部、１３６ 空隙充填材、２００ セルケース、２１０ ケース本体、２２０ 蓋、３００ 外部端子、４００ 連結部材、４１０ 集電タブ、４２０ サブタブ、４３０ 連結ピン、５００ 絶縁部材、５１０ 上絶縁部、５２０ 下絶縁部、５３０ インシュレータ、５４０ 絶縁板、Ｒ１ 中央領域、Ｒ２ 外側領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】