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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】
(24)【登録日】2022-06-29
(45)【発行日】2022-07-07
(54)【発明の名称】蓄電素子、及び蓄電素子の製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/0585 20100101AFI20220630BHJP
   H01M 10/052 20100101ALI20220630BHJP
   H01M 50/533 20210101ALI20220630BHJP
   H01G 11/74 20130101ALI20220630BHJP
   H01G 11/06 20130101ALI20220630BHJP
   H01G 11/84 20130101ALI20220630BHJP
【FI】
H01M10/0585
H01M10/052
H01M50/533
H01G11/74
H01G11/06
H01G11/84
【請求項の数】 6
(21)【出願番号】P 2017204473
(22)【出願日】2017-10-23
(65)【公開番号】P2019079645
(43)【公開日】2019-05-23
【審査請求日】2020-08-25
(73)【特許権者】
【識別番号】507151526
【氏名又は名称】株式会社GSユアサ
(74)【代理人】
【識別番号】100074332
【弁理士】
【氏名又は名称】藤本 昇
(74)【代理人】
【識別番号】100114432
【弁理士】
【氏名又は名称】中谷 寛昭
(72)【発明者】
【氏名】森 澄男
(72)【発明者】
【氏名】加古 智典
(72)【発明者】
【氏名】中井 健太
(72)【発明者】
【氏名】大山 純
(72)【発明者】
【氏名】山福 太郎
【審査官】上野 文城
(56)【参考文献】
【文献】特開2008-192540(JP,A)
【文献】特開平08-102333(JP,A)
【文献】特開2010-161244(JP,A)
【文献】特開2017-107839(JP,A)
【文献】特開2015-088605(JP,A)
【文献】特開2008-098361(JP,A)
【文献】国際公開第2014/041622(WO,A1)
【文献】中国特許出願公開第105098189(CN,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/0585
H01M 10/052
H01M 50/531 - 541
H01G 11/74
H01G 11/06
H01G 11/84
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
交互に積層されている負極及び正極、並びに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含むイオン供給部材、を有する電極体と、
電解液と、
前記電極体及び前記電解液を収容するケースと、を備え、
前記電極体は、前記イオン供給部材を前記負極に導通させる導通部を有し、
前記導通部は、積層状態の負極端縁及び正極端縁に前記イオン供給部材が対向するように曲がっており、前記負極端縁から延びる一対の負極延出片と、前記一対の負極延出片に接続され且つ前記イオン供給部材が取り付けられる導電片と、有し、
前記イオン供給部材の表面は、水分透過抑制剤による層で覆われており、
前記一対の負極延出片が曲がっていることで、前記イオン供給部材が前記積層状態の負極端縁及び正極端縁と対向している、蓄電素子。
【請求項2】
交互に積層されている負極及び正極、並びに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含むイオン供給部材、を有する電極体と、
電解液と、
前記電極体及び前記電解液を収容するケースと、
一対の外部端子と、を備え、
前記電極体は、前記イオン供給部材を前記負極に導通させる導通部を有し、
前記導通部は、積層状態の負極端縁及び正極端縁に前記イオン供給部材が対向するように曲がっており、
前記負極端縁から延び且つ前記一対の外部端子のうちの一方の外部端子と直接又は間接に接続される負極延出片と、
前記正極端縁の延びる延伸方向に前記負極延出片と間隔をあけて該正極端縁から延び、且つ前記一対の外部端子のうちの他方の外部端子と直接又は間接に接続される正極延出片と、
前記負極延出片と前記正極延出片とに接続され且つ前記イオン供給部材が取り付けられる導電片と、を有し、
前記導電片は、前記イオン供給部材の取付位置より前記延伸方向の一方側に絶縁部を有し、
前記正極延出片は、前記導電片における前記絶縁部又は該絶縁部より前記延伸方向の一方側の部位と接続されると共に、前記負極延出片は、前記イオン供給部材又は前記導電片における前記絶縁部より前記延伸方向の他方側の部位と接続され、
前記イオン供給部材の表面は、水分透過抑制剤による層で覆われている、蓄電素子。
【請求項3】
前記電極体は、前記負極と前記正極との間に配置されるセパレータを有し、
前記セパレータの一部は、前記積層状態の負極端縁及び正極端縁と前記イオン供給部材との間に位置する、請求項1又は2に記載の蓄電素子。
【請求項4】
前記イオン供給部材は、前記積層状態の負極端縁及び正極端縁と反対の側から前記ケースに支持されている、請求項1~3のいずれか1項に記載の蓄電素子。
【請求項5】
交互に積層されている負極及び正極、並びに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含むイオン供給部材、を有する電極体と、
電解液と、
前記電極体及び前記電解液を収容するケースと、を備え、
前記電極体は、前記イオン供給部材を前記負極に導通させる導通部を有し、
前記導通部は、負極端縁から延びる一対の負極延出片と、前記一対の負極延出片に接続され且つ前記イオン供給部材が取り付けられる導電片と、有し、
前記一対の負極延出片が曲がっていることで、前記イオン供給部材が積層状態の前記負極端縁及び正極端縁と対向している、
蓄電素子。
【請求項6】
交互に積層されている負極及び正極、並びに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含むイオン供給部材、を有する電極体と、
電解液と、
前記電極体及び前記電解液を収容するケースと、
一対の外部端子と、を備え、
前記電極体は、前記イオン供給部材を前記負極に導通させる導通部を有し、
前記導通部は、積層状態の負極端縁及び正極端縁に前記イオン供給部材が対向するように曲がっており、
前記負極端縁から延び且つ前記一対の外部端子のうちの一方の外部端子と直接又は間接に接続される負極延出片と、
前記正極端縁の延びる延伸方向に前記負極延出片と間隔をあけて該正極端縁から延び、且つ前記一対の外部端子のうちの他方の外部端子と直接又は間接に接続される正極延出片と、
前記負極延出片と前記正極延出片とに接続され且つ前記イオン供給部材が取り付けられる導電片と、を有し、
前記導電片は、前記イオン供給部材の取付位置より前記延伸方向の一方側に絶縁部を有し、
前記正極延出片は、前記導電片における前記絶縁部又は該絶縁部より前記延伸方向の一方側の部位と接続されると共に、前記負極延出片は、前記イオン供給部材又は前記導電片における前記絶縁部より前記延伸方向の他方側の部位と接続される、蓄電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、正極と負極とを有する電極体を備えた蓄電素子、及び蓄電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、負極電極板及び正極電極板の一方の電極板がつづら折り状に積層されているリチウムイオン二次電池(以下、単に「電池」と称する)が知られている(特許文献1参照)。具体的に、この電池は、図14に示すように、負極電極板501と、正極電極板504と、両電極板501、504間に挿入されたセパレータ507とが、交互に積層されて構成された電極積層体である。
【0003】
負極電極板501は、両面でセパレータ507と密着しており、長手方向に所定間隔で交互に折り畳まれてつづら折り状に積層された長尺の可撓性材料からなる電極板(長尺電極板と称する)である。負極の長尺電極板501は、銅箔502の両面に形成された負極活物質層503をもつ。
【0004】
セパレータ507は、長尺の絶縁膜からなり、その厚さ方向に電荷の移動が可能な電池用セパレータである。このセパレータ507は、負極の長尺電極板501の両面に接して折り畳まれている。具体的に、セパレータ507は、長尺電極板501の銅箔502のうち、負極活物質層503の形成されている部分を両面から包み込んでいる。即ち、長尺電極板501とその両面を包むセパレータ507とは一体化して一体長尺物508を形成している。
【0005】
正極電極板504は、両面でセパレータ507に密着しており、多数の互いに独立した短冊形状の電極板(短冊状電極板と称する)である。正極の各短冊状電極板504は、アルミニウム箔505の両面に形成された正極活物質層506をもつ。
【0006】
そして、長尺電極板501とセパレータ507とからなる一体長尺物508に対し、その両側から多数の短冊状電極板504が交互に積層されて電池500が構成されている。即ち、一枚の一体長尺物508と多数の短冊状電極板504との積層に際し、一体長尺物508はつづら折りに折り畳まれ、その間に短冊状電極板504が両側から挿入されて一体長尺物508に挟持された構造を電池500は持っている。
【0007】
以上の電池500では、初回の充放電が行われたときに、負極電極板501に吸蔵されたリチウムイオンの一部が負極電極板501に残留するため、充電容量に対して放電容量が少なくなり(即ち、電池500において不可逆容量が発生し)、電池500における可逆容量が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開2014-103082号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
そこで、本実施形態は、充放電されたときの不可逆容量の発生が抑えられる蓄電素子、及びこの蓄電素子の製造方法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】
【0010】
本実施形態の蓄電素子は、
交互に積層されている負極及び正極、並びに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含むイオン供給部材、を有する電極体と、
電解液と、
前記電極体及び前記電解液を収容するケースと、を備え、
前記電極体は、前記イオン供給部材を前記負極に導通させる導通部を有し、
前記導通部は、積層状態の負極端縁及び正極端縁に前記イオン供給部材が対向するように曲がっている。
【0011】
このように、イオン供給部材が負極と導通した状態で電解液に接触することでイオン供給部材と負極との間に電位差が生じ、これにより、該イオン供給部材から金属イオンが電解液中に放出される。そして、イオン供給部材が積層状態の負極端縁及び正極端縁に対向しているため、蓄電素子の充放電が行われたときに、イオン供給部材から放出された金属イオンが電極(負極と正極と)の隙間に侵入し易く、これにより、負極と正極とが交互に積層された状態の電極体における負極に金属イオンが効率よく供給され(即ち、イオン供給部材から放出された金属イオンが負極に吸蔵され)、その結果、不可逆容量の発生が抑えられる。
【0012】
また、前記蓄電素子では、
前記電極体は、前記負極と前記正極との間に配置されるセパレータを有し、
前記セパレータの一部は、前記積層状態の負極端縁及び正極端縁と前記イオン供給部材との間に位置してもよい。
【0013】
かかる構成によれば、互いに対向している負極端縁及び正極端縁とイオン供給部材との間にセパレータが位置しているため、正極とイオン供給部材(即ち、負極と導通している部材)とが確実に絶縁される。
【0014】
前記蓄電素子では、
前記導通部は、前記負極端縁から延びる一対の負極延出片と、前記一対の負極延出片に接続され且つ前記イオン供給部材が取り付けられる導電片と、有し、
前記一対の負極延出片が曲がっていることで、前記イオン供給部材が前記積層状態の負極端縁及び正極端縁と対向してもよい。
【0015】
このように、導電片が一対の負極延出片に接続されることで、一つの負極延出片のみに接続される場合に比べ、イオン供給部材の位置が安定し(即ち、負極との距離が一定し)、これにより、金属イオンが負極により安定して供給される。
【0016】
また、前記蓄電素子は、
一対の外部端子を備え、
前記導通部は、
前記負極端縁から延び且つ前記一対の外部端子のうちの一方の外部端子と直接又は間接に接続される負極延出片と、
前記正極端縁の延びる延伸方向に前記負極延出片と間隔をあけて該正極端縁から延び、且つ前記一対の外部端子のうちの他方の外部端子と直接又は間接に接続される正極延出片と、
前記負極延出片と前記正極延出片とに接続され且つ前記イオン供給部材が取り付けられる導電片と、を有し、
前記導電片は、前記イオン供給部材の取付位置より前記延伸方向の一方側に絶縁部を有し、
前記正極延出片は、前記導電片における前記絶縁部又は該絶縁部より前記延伸方向の一方側の部位と接続されると共に、前記負極延出片は、前記イオン供給部材又は前記導電片における前記絶縁部より前記延伸方向の他方側の部位と接続されてもよい。
【0017】
このように、イオン供給部材と負極との導通を維持しつつ、導電片に接続された負極延出片と正極延出片との間の絶縁を図ることで、負極及び正極における外部端子に接続される部位(負極延出片及び正極延出片)を利用して導電片(イオン供給部材)を支持させることができる。
【0018】
また、前記蓄電素子では、
前記イオン供給部材は、前記積層状態の負極端縁及び正極端縁と反対の側から前記ケースに支持されてもよい。
【0019】
このように、イオン供給部材がケースに支持されることで、イオン供給部材の位置がより安定し(即ち、負極との距離がより一定し)、これにより、金属イオンが負極により安定して供給される。
【0020】
他の実施形態の蓄電素子の製造方法では、
交互に積層されている負極及び正極、並びに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含むイオン供給部材、を有する電極体における前記イオン供給部材を前記負極に導通させる導通部を、積層状態の負極端縁及び正極端縁に前記イオン供給部材が対向するように曲げた状態で、該電極体をケースに収容することと、
前記ケース内に電解液を注入することと、を備える。
【0021】
かかる構成によれば、製造された蓄電素子において、イオン供給部材が負極と導通した状態で電解液に接触することでイオン供給部材と負極との間に電位差が生じ、これにより、該イオン供給部材から金属イオンが電解液中に放出される。そして、イオン供給部材が積層状態の負極端縁及び正極端縁に対向しているため、蓄電素子の充放電が行われたときに、イオン供給部材から放出された金属イオンが電極(負極と正極と)の隙間に侵入し易く、これにより、負極と正極とが交互に積層された状態の電極体における負極に金属イオンが効率よく供給され(即ち、イオン供給部材から放出された金属イオンが負極に吸蔵され)、その結果、不可逆容量の発生が抑えられる。
【発明の効果】
【0022】
以上より、本実施形態によれば、充放電されたときの不可逆容量の発生が抑えられる蓄電素子、及び蓄電素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
図1図1は、本実施形態に係る蓄電素子の斜視図である。
図2図2は、前記蓄電素子の分解斜視図である。
図3図3は、図1のIII-III位置の断面図である。
図4図4は、図1のIV-IV位置の断面図である。
図5図5は、前記蓄電素子の電極体を説明するための図である。
図6図6は、イオン供給部材と導電片とを説明するための断面図である。
図7図7は、他実施形態に係る電極体を説明するための図である。
図8図8は、他実施形態に係る電極体を説明するための図である。
図9図9は、他実施形態に係る電極体を説明するための図である。
図10図10は、前記電極体がケース本体に収容された状態を示す図である。
図11図11は、他実施形態に係る電極体を説明するための図である。
図12図12は、他実施形態に係る電極体を説明するための図である。
図13図13は、本実施形態に係る蓄電素子を備える蓄電装置の模式図である。
図14図14は、従来の電池の積層構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本発明に係る蓄電素子の一実施形態について、図1図6を参照しつつ説明する。蓄電素子には、一次電池、二次電池、キャパシタ等がある。本実施形態では、蓄電素子の一例として、充放電可能な二次電池について説明する。尚、本実施形態の各構成部材(各構成要素)の名称は、本実施形態におけるものであり、背景技術における各構成部材(各構成要素)の名称と異なる場合がある。
【0025】
本実施形態の蓄電素子は、非水電解質二次電池である。より詳しくは、蓄電素子は、リチウムイオンの移動に伴って生じる電子移動を利用したリチウムイオン二次電池である。この種の蓄電素子は、電気エネルギーを供給する。蓄電素子は、単一又は複数で使用される。具体的に、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧が小さいときには、単一で使用される。一方、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧の少なくとも一方が大きいときには、他の蓄電素子と組み合わされて蓄電装置に用いられる。前記蓄電装置では、該蓄電装置に用いられる蓄電素子が電気エネルギーを供給する。
【0026】
蓄電素子は、図1図5に示すように、交互に積層されている負極21及び正極22とアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含むイオン供給部材26とを有する電極体2と、電解液と、電極体2及び電解液を収容するケース3と、を備える。また、蓄電素子1は、少なくとも一部が外部に露出した状態でケース3に取り付けられる一対の外部端子4を備える。また、蓄電素子1は、電極体2と外部端子4とを接続する集電体5と、電極体2とケース3との間に配置される絶縁部材6と、を備える。尚、各図においては、構造を示すために、電極体2を構成する電極(負極、正極)等の厚さを誇張して表す等、電極体2の構成を模式的に表している。また、図2及び図5に示す電極体2は、集電体5に接続される前の状態(負極タブ214及び正極タブ224が真っ直ぐに延びた状態)である。
【0027】
本実施形態の電極体2は、複数の負極21と、複数の正極22と、を有する。これら複数の負極21及び複数の正極22は、セパレータ25を介して交互に積層されている。即ち、電極体2は、セパレータ25も有する。この電極体2は、イオン供給部材26を負極21に導通させる導通部20を有する。この導通部20は、積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223A(換言すると、負極21と正極22との積層方向に交互に並ぶ負極端縁213Aと正極端縁223A)にイオン供給部材26が対向するように曲がっている。本実施形態の導通部20は、負極21の一部(後述する負極タブ)214Aと、正極22の一部(後述する正極タブ)224Aと、負極21の一部214Aと正極22の一部224Aとに接続される導電片27と、を有する。
【0028】
以下では、負極21と正極22との積層方向を直交座標系におけるX軸とし、導電片27が接続される負極タブ214Aと正極タブ224Aとが並ぶ方向を直交座標系におけるY軸とする。
【0029】
複数の負極21のそれぞれは、金属箔211と、金属箔211に重ねられる負極活物質層212と、を有する(図5参照)。本実施形態の負極活物質層212は、金属箔211の両面のそれぞれに重ねられる。即ち、この負極21は、一つの金属箔211と一対の負極活物質層212とを有する。本実施形態の金属箔211は、例えば、銅箔である。
【0030】
負極活物質層212は、負極活物質と、バインダーと、を有する。
【0031】
負極活物質は、例えば、グラファイト、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、及び易黒鉛化炭素などの炭素材、又は、ケイ素(Si)及び錫(Sn)などのリチウムイオンと合金化反応を生じる材料である。本実施形態の負極活物質は、非晶質炭素、好ましくは、難黒鉛化炭素である。
【0032】
負極活物質層212に用いられるバインダーは、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、エチレンとビニルアルコールとの共重合体、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレンブタジエンゴム(SBR)である。本実施形態のバインダーは、ポリフッ化ビニリデンである。
【0033】
負極活物質層212は、ケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、黒鉛等の導電助剤をさらに有してもよい。本実施形態の負極活物質層212は、導電助剤を有していない。
【0034】
具体的に、複数の負極21のそれぞれは、枚葉状の負極本体213と、負極本体213の周縁から延びる負極タブ(負極延出片)214と、を有する。詳しくは、負極21は、矩形状の負極本体213と、負極本体213の矩形状の輪郭を構成する一辺から突出する(本実施形態の例では、Z軸方向の端縁(負極端縁)213AからZ軸方向に延びる)負極タブ214と、を有する。本実施形態の負極本体213は、Y軸方向に長い矩形状である。負極本体213では、金属箔211の両面全域が負極活物質層212に覆われている。また、負極タブ214では、金属箔211が露出している。即ち、負極タブ214は、負極活物質層212を有しない。
【0035】
電極体2において、各負極21の負極タブ214は、X軸方向から見て重なっている。本実施形態の各負極21では、負極タブ214は、負極本体213のZ軸方向の一方(図5における上側)の端縁213AにおけるY軸方向の一方(図5における左側)の端部からZ軸方向に延びている。この複数の負極本体213のそれぞれから延びている負極タブ214は、束ねられ、外部端子4と集電体5を介して接続されている。この束ねられた負極タブ214のうちの最も外側(図2及び図5における最も後方側)の負極タブ214Aは、導通部20を構成する。即ち、上述の導電片27に接続される負極21の一部は、この最も外側の負極タブ214Aである。本実施形態の負極タブ214の束は、溶接によって集電体5と接続されている(図3参照)。この負極タブ214の束が集電体5に接続された状態では、最も外側の負極タブ214A(詳しくは、負極タブ214Aの基部側の部位)は、負極タブ214の束において該負極タブ214Aとは反対側の最も外側(図2及び図5における最も前方側)の負極タブ214Bに向かって折れ曲がっている(図3参照)。
【0036】
複数の正極22のそれぞれは、金属箔221と、金属箔221に重ねられる正極活物質層222と、を有する(図5参照)。本実施形態の正極活物質層222は、金属箔221の両面のそれぞれに重ねられる。即ち、この正極22は、一つの金属箔221と一対の正極活物質層222とを有する。本実施形態の金属箔221は、例えば、アルミニウム箔である。
【0037】
正極活物質層222は、正極活物質と、バインダーと、を有する。
【0038】
本実施形態の正極活物質は、例えば、リチウム金属酸化物である。具体的に、正極活物質は、例えば、LiaMebOc(Meは、1又は2以上の遷移金属を表す)によって表される複合酸化物(LiaCoyO、LiaNixO、LiaMnzO、LiaNixCoyMnzO等)、LiaMeb(XOc)d(Meは、1又は2以上の遷移金属を表し、Xは例えばP、Si、B、Vを表す)によって表されるポリアニオン化合物(LiaFebPO、LiaMnbPO、LiaMnbSiO、LiaCobPOF等)である。本実施形態の正極活物質は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3である。
【0039】
正極活物質層222に用いられるバインダーは、負極活物質層212に用いられたバインダーと同様のものである。本実施形態のバインダーは、ポリフッ化ビニリデンである。
【0040】
正極活物質層222は、ケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、黒鉛等の導電助剤をさらに有してもよい。本実施形態の正極活物質層222は、導電助剤としてアセチレンブラックを有する。
【0041】
具体的に、複数の正極22のそれぞれは、枚葉状の正極本体223と、正極本体223の周縁から延びる正極タブ(正極延出片)224と、を有する。詳しくは、正極22は、矩形状の正極本体223と、正極本体223の矩形状の輪郭を構成する一辺から突出する(本実施形態の例では、Z軸方向の端縁(正極端縁)223AからZ軸方向に延びる)正極タブ224と、を有する。本実施形態の正極本体223は、Y軸方向に長い矩形状であり、負極本体213より僅かに小さい。正極本体223では、金属箔221の両面全域が正極活物質層222に覆われている。また、正極タブ224では、金属箔221が露出している。即ち、正極タブ224は、正極活物質層222を有しない。
【0042】
正極本体223における正極活物質層222は、X軸方向に対向する(詳しくは、セパレータ25を介して対向する)負極21の負極活物質層212より小さい。即ち、正極活物質層222の全域が負極活物質層212と対向し、負極活物質層212は、周縁部を除いて正極活物質層222と対向する。
【0043】
電極体2において、各正極22の正極タブ224は、X軸方向から見て重なっている。本実施形態の各正極22では、正極タブ224は、正極本体223のZ軸方向の一方(図5における上側)の端縁223AにおけるY軸方向の他方(負極タブ214の位置とは反対側:図5における右側)の端部からZ軸方向に延びている。この複数の正極本体223のそれぞれから延びている正極タブ224は、束ねられ、外部端子4と集電体5を介して接続されている。この束ねられた正極タブ224のうちの最も外側(図2及び図5における最も後方側)の正極タブ224Aには、上述の導電片27が接続される。本実施形態の正極タブ224の束は、負極タブ214の束と同様に、溶接によって集電体5と接続されている(図3参照)。この正極タブ224の束が集電体5に接続された状態では、最も外側の正極タブ224A(詳しくは、正極タブ224Aの基部側の部位)は、最も外側の負極タブ214Aと同様に、正極タブ224の束において該正極タブ224Aとは反対側の最も外側(図2及び図5における最も前方側)の正極タブ224Bに向かって折れ曲がっている。
【0044】
セパレータ25は、絶縁性を有する部材であり、負極21と正極22との間に配置される。これにより、電極体2において、負極21と正極22とが互いに絶縁される。また、セパレータ25は、ケース3内において、電解液を保持する。これにより、蓄電素子1の充放電時において、セパレータ25を挟んで対向する負極21と正極22との間を、リチウムイオンが移動可能となる。
【0045】
このセパレータ25は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、ポリアミドなどの多孔質膜によって構成される。本実施形態のセパレータ25は、例えば、ポリエチレンによって形成され、SiO粒子、Al粒子、ベーマイト(アルミナ水和物)等の無機粒子(耐熱部材)を含む。セパレータ25が耐熱部材を含むことで、セパレータ25の強度が向上する。また、イオン供給部材26から金属イオンが放出されるときの熱によってセパレータ25が収縮等することが抑えられ、これにより、前記収縮等に起因する短絡が抑えられる。
【0046】
以上のセパレータ25は、負極21と正極22との間のそれぞれに配置される。即ち、電極体2は、複数のセパレータ25を有する。具体的に、複数のセパレータ25のそれぞれは、負極本体213及び正極本体223より大きな矩形状であり、負極21及び正極22のZ軸方向の一方側(負極タブ214、正極タブ224が延びている側)の端縁213A、223Aより外側に延びている。このセパレータ25における負極端縁213A及び正極端縁223Aより外側に延びている部位(延出部位)250の寸法は、イオン供給部材26及び導電片27が正極端縁223Aに接触しないように、各セパレータ25の延出部位250によって、積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aが覆われる大きさである(図4参照)。詳しくは、一つのセパレータ25の延出部位250が各端縁213A、223Aに沿って折れ曲がることで、積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aの全てが覆われてもよく、複数の延出部位250のそれぞれが各端縁213A、223Aに沿って折れ曲がることで、積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aの全てが覆われてもよい。
【0047】
イオン供給部材26は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含み且つ導電片27に取り付けられている。具体的に、イオン供給部材26は、図6にも示すように、導電片27に導通可能に重ねられる金属箔又は金属層である。本実施形態のイオン供給部材26は、リチウム箔である。尚、イオン供給部材26の素材は、リチウムに限定されず、蓄電素子1が充放電したときに、負極21に金属イオンとして吸蔵されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属であればよい。負極活物質に、グラファイト、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、及び易黒鉛化炭素などの炭素材が用いられる場合、イオン供給部材26には、通常、リチウム、ナトリウム、及び、マグネシウムの少なくともいずれか一つの金属イオンを放出できるものが使用される。
【0048】
このイオン供給部材26は、蓄電素子1の製造時(完成時)には導電片27に重ねられた状態であるが、蓄電素子1の充放電の際に金属イオンを放出することで体積を減少させる。このように体積を減少させることで、最終的に、イオン供給部材26が導電片27上からなくなる場合もある。
【0049】
導電片27は、負極タブ214Aと正極タブ224Aとに接続され且つイオン供給部材26が取り付けられる。この導電片27は、イオン供給部材26の取付位置よりY軸方向の他方側(正極タブ224A側:図2の右側)に絶縁部272を有する。本実施形態の導電片27は、Y軸方向に延びる矩形状の部材である。この導電片27は、イオン供給部材26が取り付けられ且つ導電性を有する導電片本体271と、正極タブ224Aとイオン供給部材26及び負極タブ214Aとの間を絶縁する絶縁部272と、を有する。導電片本体271及び絶縁部272のそれぞれは、矩形状であり、導電片本体271と絶縁部272とは、Y軸方向に連接されている。例えば、導電片本体271は、銅又は銅合金等の銅系金属材料、ステンレス鋼等の鉄系金属材料、ニッケル又はニッケル合金等のニッケル系金属材料のいずれかによって構成され、絶縁部272は、ポリエチレン又はポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂製の樹脂テープ又は樹脂フィルムによって構成される。
【0050】
以上のように構成される導電片27では、導電片本体271におけるY軸方向の一方側の端部(絶縁部272と連接している側と反対側の端部)が負極タブ214Aに接続され、絶縁部272におけるY軸方向の他方側の端部(導電片本体271と連接している側と反対側の端部)が正極タブ224Aに接続されている。
【0051】
これら負極タブ214A及び正極タブ224Aにおける該導電片27が接続されている部位は、積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aに沿うように折り曲げられている。これにより、イオン供給部材26は、各セパレータ25の延出部位250を介して、積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aと対向する。即ち、イオン供給部材26と、積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aと、の間に、複数のセパレータ25の延出部位250が挟まれている。
【0052】
図1図4に戻り、ケース3は、開口を有するケース本体31と、ケース本体31の開口を塞ぐ(閉じる)蓋板32と、を有する。このケース3では、ケース本体31と蓋板32とによって内部空間が画定される。ケース3は、この内部空間に、電極体2と共に電解液を収容する。
【0053】
この電解液は、非水溶液系電解液である。この電解液は、有機溶媒に電解質塩を溶解させることによって得られる。有機溶媒は、例えば、プロピレンカーボネート及びエチレンカーボネートなどの環状炭酸エステル類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート類である。電解質塩は、LiClO、LiBF、及びLiPF等である。本実施形態の電解液は、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートを、プロピレンカーボネート:ジメチルカーボネート:エチルメチルカーボネート=3:2:5の割合で調整した混合溶媒に、1mol/LのLiPFを溶解させたものである。
【0054】
ケース3は、上記の電解液に耐性を有する金属によって形成される。本実施形態のケース3は、例えば、アルミニウム、又は、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料によって形成される。
【0055】
ケース本体31は、板状の閉塞部311と、閉塞部311の周縁に接続される筒状の胴部(周壁)312と、を備える。
【0056】
閉塞部311は、ケース本体31が開口を上に向けた姿勢で配置されたときにケース本体31の下端に位置する(即ち、前記開口が上を向いたときのケース本体31の底壁部となる)部位である。本実施形態の閉塞部311は、矩形状である。
【0057】
胴部312は、角筒形状、より詳しくは、偏平な角筒形状を有する。胴部312は、閉塞部311の周縁における長辺から延びる一対の長壁部313と、閉塞部311の周縁における短辺から延びる一対の短壁部314とを有する。短壁部314が一対の長壁部313の対応(詳しくは、X軸方向に対向)する端部同士をそれぞれ接続することによって、角筒状の胴部312が形成される。
【0058】
以上のように、ケース本体31は、開口方向(Z軸方向)における一方の端部が塞がれた角筒形状(即ち、有底角筒形状)を有する。
【0059】
蓋板32は、ケース本体31の開口を塞ぐ部材である。この蓋板32の輪郭形状は、ケース本体31の開口周縁部310(図2参照)に対応した形状である。即ち、蓋板32は、Y軸方向に長い矩形状の板材である。
【0060】
以上のように構成されるケース3には、積層される複数の負極21及び複数の正極22のそれぞれが長壁部313と平行(略平行)となるように、絶縁部材6に覆われた状態の電極体2が収容される(図2図4参照)。このとき、ケース3は、電極体2の全体をX軸方向に圧迫(押圧)した状態で該電極体2を収容する。
【0061】
外部端子4は、他の蓄電素子の外部端子又は外部機器等と電気的に接続される部位である。このため、外部端子4は、導電性を有する部材によって形成される。また、外部端子4は、溶接性の高い金属材料によって形成される。例えば、正極の外部端子4は、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料によって形成され、負極の外部端子4は、銅又は銅合金等の銅系金属材料によって形成される。本実施形態の外部端子4は、少なくとも一部がケース3の外部に露出した状態で蓋板32に取り付けられる。
【0062】
絶縁部材6は、絶縁性を有する樹脂によって形成されている。具体的に、絶縁部材6は、図2に示すように、所定の形状に裁断された絶縁性を有するシート状の部材を折り曲げることによって袋状に形成されている。本実施形態の絶縁部材6は、ケース3に沿った形の袋状である。
【0063】
次に、蓄電素子1の製造方法について、図1図6を参照しつつ説明する。
【0064】
先ず、外部端子4と集電体5とが蓋板32に組付けられる。続いて、電極体2の電極タブ(負極タブ214Aの束及び正極タブ224Aの束)が、蓋板32に組付けられた状態の集電体5に接合される。このとき、電極体2の負極タブ214A及び正極タブ224Aには、イオン供給部材26が取り付けられており、イオン供給部材26の表面は、無機塩、溶解性樹脂、膨潤性樹脂、負極性樹脂等の水分透過抑制剤による層(膜)で覆われている。これは、イオン供給部材26に含まれるリチウムが空気中の水分と反応し易いため、前記水分透過抑制剤の層によってイオン供給部材26を覆うことで、イオン供給部材26と前記空気中の水分との接触を防ぎ、これにより、イオン供給部材26と前記水分との反応を抑制することができるからである。
【0065】
尚、イオン供給部材26が前記水分透過抑制剤によって覆われた状態であっても、イオン供給部材26がケース3内で電解液に浸かった状態で負極21との間に電位差が生じていれば、金属イオンが水分透過抑制剤の層を透過して負極21に向けて放出される。また、空気中に水分の少ない雰囲気下で蓄電素子1が製造される場合や、空気中の水分と反応し難いイオン供給部材26(アルカリ金属又はアルカリ土類金属)の場合には、水分透過抑制剤の層は、なくてもよい。
【0066】
電極体2、集電体5、及び外部端子4等が蓋板32に組付けられると、蓋板32がケース本体31の開口周縁部310に当接するまで、該蓋板32に組付けられた状態の電極体2がケース本体31に挿入される。このとき、積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aにイオン供給部材26が対向するように、負極タブ214A及び正極タブ224A(導通部20)が曲げられた状態で、電極体2がケース本体31に挿入(収容)される。また、電極体2は、袋状の絶縁部材6に収容された(覆われた)状態でケース本体31に挿入される。
【0067】
続いて、蓋板32とケース本体31の開口周縁部34との境界部が溶接(レーザ溶接等)される。その後、電解液がケース3に設けられた注液孔から注入(注液)され、注液後に前記注液孔が封止されることで、蓄電素子1が完成する。
【0068】
以上の蓄電素子1のように、イオン供給部材26が負極21と導通した状態で電解液に接触(本実施形態の例では浸かる)ことでイオン供給部材26と負極21との間に電位差が生じ、これにより、該イオン供給部材26から金属イオンが電解液中に放出される。積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aにイオン供給部材26が対向しているため、蓄電素子1の充放電が行われたときに、イオン供給部材26から放出された金属イオンが電極(負極21と正極22と)の隙間に侵入し易い。これにより、負極21と正極22とが交互に積層された状態の電極体2における負極21に効率よく金属イオンが供給される(即ち、イオン供給部材26から放出された金属イオンが負極21に吸蔵される)。その結果、蓄電素子1における不可逆容量の発生が抑えられ、クーロン効率の低下も抑制される。
【0069】
しかも、本実施形態の負極21のように、負極活物質に、非晶質炭素、好ましくは、難黒鉛化炭素が用いられることで、負極21に吸蔵された金属イオンの負極活物質層212内での拡散性が向上する。
【0070】
また、本実施形態の蓄電素子1では、絶縁性を有するセパレータ25の一部(延出部位)250が、積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aとイオン供給部材26との間に位置している。このため、正極22とイオン供給部材26(即ち、負極21と導通している部材)とが確実に絶縁される。
【0071】
また、本実施形態の蓄電素子1では、導電片27が、イオン供給部材26の取付位置より正極タブ224A側に絶縁部272を有している。このように、イオン供給部材26と負極21との導通を維持しつつ、導電片27に接続された負極タブ214Aと正極タブ224Aとの間の絶縁が図られることで、負極21及び正極22における外部端子4に接続される部位(負極タブ214A及び正極タブ224A)を利用して導電片27(イオン供給部材26)を支持させることができる。即ち、電極体2において、イオン供給部材26を支持させるための部位又は部材を別途設ける必要がない。
【0072】
本実施形態の電極体2では、導電片27の両端部が支持されている。このように、導電片27の両端部が負極タブ214Aと正極タブ224Aとに支持(接続)されることで、導電片27が一つの負極タブ214Aのみに接続される場合に比べ、イオン供給部材26の位置が安定する(即ち、負極21との距離が一定する)。これにより、蓄電素子1では、金属イオンが負極21へより安定して供給される。
【0073】
また、本実施形態の蓄電素子1では、導電片27が負極タブ214Aと一緒に折り曲げられている。このような構成により、該蓄電素子1の製造工程において、導電片27を折り曲げる際の余分な工程が発生することを抑えられる。
【0074】
また、本実施形態の蓄電素子1では、セパレータ25が負極端縁213A及び正極端縁223Aに沿って折れ曲がった状態で、セパレータ25の一部が積層状態の負極端縁213A及び正極端縁223Aとイオン供給部材26及び導電片27との間に位置している。このような構成により、イオン供給部材26及び導電片27が正極端縁223Aに接触することを抑えられる。
【0075】
また、本実施形態の蓄電素子1では、セパレータ25には、耐熱部材である無機粒子が含まれている。このような構成により、イオン供給部材26又は導電片27がセパレータ25と接触することによるセパレータ25の損傷を抑えられる。この場合、セパレータ25において、無機粒子を含む層が多孔質膜の表面に沿って形成されているとよい。
【0076】
尚、本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。
【0077】
イオン供給部材26を負極21に導通させる導通部20の具体的な構成は、限定されない。上記実施形態の導通部20は、負極21の一部(上記実施形態の例では負極タブ)214Aと導電片27との複数の部材や部位によって構成されているが、例えば図7に示すように、負極21の負極タブ214Cのみ(即ち、負極21のみ等の単一の部材又は部位)によって構成されていてもよい。この負極タブ214Cは、幅(負極端縁213Aの延びる方向(延伸方向)の寸法)を他の負極タブ214より大きくしたものである。
【0078】
また、導通部20は、外部端子4と接続される部材(又は部位)以外の部材(又は部位)を含み、又は該部材(又は部位)によって構成されてもよい。例えば、図8及び図9に示すように、導通部20は、負極本体213から延びる導電タブ(負極タブ214以外のタブ)215を含んでもよく、又は導電タブ215のみによって構成されてもよい。尚、この導電タブ215は、矩形状の負極本体213の四つの辺(端縁)のいずれの辺から延びていてもよい。また、導電片27は、導電タブ215のみに接続されてもよく、負極タブ214Aと導電タブ215とに接続されてもよい。
【0079】
例えば具体的に、導電片27は、負極タブ214Aと、該負極タブ214Aに対して負極端縁213Aの延びる延伸方向に間隔をあけた導電タブ215とに接続されてもよい(図8参照)。また、導電片27は、間隔をあけて配置された一対の導電タブ215に接続されてもよい(図9参照)。
【0080】
上記実施形態のイオン供給部材26は、積層状態の負極本体213及び正極本体223と反対の側から他の部材等によって支持等されていないが、この構成に限定されない。例えば図10に示すように、イオン供給部材26が、積層状態の負極本体213及び正極本体223と反対の側からケース3(図10に示す例ではケース本体31の閉塞部311)に直接又は間接に支持されてもよい。このように、イオン供給部材26がケース3に支持されることで、イオン供給部材26の位置がより安定する(即ち、負極21との距離が一定する)。これにより、イオン供給部材26から放出される金属イオンが負極21により安定して供給される。尚、図10に示す例では、イオン供給部材26は、絶縁部材6を介してケース3に支持されている。
【0081】
上記実施形態の導通部20では、導電片27の両端部が支持されている(即ち、複数個所で支持されている)が、この構成に限定されない。図11に示すように、導電片27の一つの端部のみが支持される(即ち、一箇所のみで支持される)構成でもよい。
【0082】
上記実施形態の蓄電素子1では、イオン供給部材26が、矩形状の負極本体213及び正極本体223の四辺のうちの一辺(負極端縁213A、正極端縁223A)に沿って配置されているが、この構成に限定されない。イオン供給部材26は、負極本体213及び正極本体223の複数の辺のうちの少なくとも一辺に沿って配置されていればよい。即ち、イオン供給部材26は、負極本体213及び正極本体223の複数の辺に沿って配置されてもよい。
【0083】
上記実施形態の電極体2は、枚葉状の電極(負極21、正極22)が積層された、いわゆるスタック型であるが、この構成に限定されない。電極体2Aは、例えば図12に示すように、長尺な負極と長尺な正極とが重ねられた状態で捲回された、いわゆる捲回型であってもよい。この場合、電極体2Aの捲回軸C方向の端部において、交互に積層される負極の端縁及び正極の端縁と、イオン供給部材26と、が対向するように、導通部20が曲がっていればよい。
【0084】
また、電極体は、長尺な第一の電極が長尺方向に交互に折り畳まれることで複数の折り返し部が形成され、短冊状の第二の電極(第一の電極と極性の異なる電極)が第一の電極の各折り返し部の内側に配置された、いわゆるつづら折り型であってもよい。この場合であっても、積層された第一の電極の端縁及び第二の電極の端縁と、イオン供給部材と、が対向するように、導通部が曲がっていればよい。
【0085】
また、イオン供給部材26の具体的な構成は限定されない。例えば、上記実施形態のイオン供給部材26は、矩形状のリチウム箔であるが、矩形状でなくてもよく、厚みが大きくてもよい。即ち、イオン供給部材26の形状は、種々選択可能である。
【0086】
また、上記実施形態においては、蓄電素子が充放電可能な非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)として用いられる場合について説明したが、蓄電素子の種類や大きさ(容量)は任意である。また、上記実施形態において、蓄電素子の一例として、リチウムイオン二次電池について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタの蓄電素子にも適用可能である。
【0087】
蓄電素子(例えば電池)1は、図13に示すような蓄電装置(蓄電素子が電池の場合は電池モジュール)11に用いられてもよい。蓄電装置11は、少なくとも二つの蓄電素子1と、二つの(異なる)蓄電素子1同士を電気的に接続するバスバ部材12と、を有する。この場合、本発明の技術が少なくとも一つの蓄電素子1に適用されていればよい。
【符号の説明】
【0088】
1…蓄電素子、2、2A、2B…電極体、20…導通部、21…負極、211…金属箔、212…負極活物質層、213…負極本体、213A…負極本体の端縁(負極端縁)、214、214A、214B、214C…負極タブ(負極延出片)、215…導電タブ(負極延出片)、22…正極、221…金属箔、222…正極活物質層、223…正極本体、223A…正極本体の端縁(正極端縁)、224、224A…正極タブ(正極延出片)、25…セパレータ、250…延出部位、26…イオン供給部材、27…導電片、271…導電片本体、272…絶縁部、3…ケース、31…ケース本体、310…開口周縁部、311…閉塞部、312…胴部、313…長壁部、314…短壁部、32…蓋板、34…開口周縁部、4…外部端子、5…集電体、6…絶縁部材、11…蓄電装置、12…バスバ部材、500…電池、501…負極電極板(長尺電極板)、502…銅箔、503…負極活物質層、504…正極電極板(短冊状電極板)、505…アルミニウム箔、506…正極活物質層、507…セパレータ、508…一体長尺物、C…捲回軸
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14