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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】2022-10-11
(45)【発行日】2022-10-19
(54)【発明の名称】蓄電素子
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/04 20060101AFI20221012BHJP
   H01M 50/46 20210101ALI20221012BHJP
   H01M 50/531 20210101ALI20221012BHJP
   H01G 11/70 20130101ALI20221012BHJP
   H01G 11/72 20130101ALI20221012BHJP
   H01M 10/0585 20100101ALN20221012BHJP
【FI】
H01M10/04 Z
H01M50/46
H01M50/531
H01G11/70
H01G11/72
H01M10/0585
【請求項の数】 7
(21)【出願番号】P 2018194564
(22)【出願日】2018-10-15
(65)【公開番号】P2020064723
(43)【公開日】2020-04-23
【審査請求日】2021-07-01
(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】100153224
【弁理士】
【氏名又は名称】中原 正樹
(72)【発明者】
【氏名】前田 晃希
(72)【発明者】
【氏名】川上 悟
(72)【発明者】
【氏名】須貝 友和
【審査官】松嶋 秀忠
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2018/043419(WO,A1)
【文献】国際公開第2015/146562(WO,A1)
【文献】特開2007-134060(JP,A)
【文献】国際公開第2018/155211(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/04-62
H01M 6/02-18
H01M 50/40-598
H01G 11/70
H01G 11/72
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極板と負極板とセパレータとが積層されて形成された電極体を備える蓄電素子であって、
前記正極板及び前記負極板の一方である第一極板は、第一本体部と、前記第一本体部から突出する第一タブと、を有し、
前記正極板及び前記負極板の他方である第二極板は、第二本体部と、前記第二本体部から突出する第二タブと、を有し、
前記第一本体部は、前記セパレータの第一方向側の端縁である第一セパレータ端縁から突出しない位置に配置され、
前記第二本体部は、前記第一セパレータ端縁から突出して配置される突出部を有し、
前記第一極板を挟んで対向する2つの前記セパレータは、前記第一方向側の端部同士が接合されることなく配置され、
前記第一本体部の前記第一方向側の端縁と前記第一セパレータ端縁との間の距離は、前記突出部の前記第一方向側の端縁と前記第一セパレータ端縁との間の距離よりも大きい
蓄電素子。
【請求項2】
前記第一タブは、前記セパレータの前記第一方向とは異なる第二方向側の端縁である第二セパレータ端縁から突出して配置され、
前記第二本体部は、前記第二セパレータ端縁から突出しない位置に配置されている
請求項1に記載の蓄電素子。
【請求項3】
前記突出部は、前記第一セパレータ端縁に沿って延設されて配置されている
請求項1または2に記載の蓄電素子。
【請求項4】
さらに、
前記突出部に取り付けられて、前記第二本体部の移動を規制する規制部材を備える
請求項1~のいずれか1項に記載の蓄電素子。
【請求項5】
前記規制部材は、前記突出部と前記セパレータの前記第一方向側の端部とに跨って取り付けられる
請求項に記載の蓄電素子。
【請求項6】
前記突出部は、前記第二タブの突出方向とは反対方向に突出して配置されている
請求項またはに記載の蓄電素子。
【請求項7】
前記規制部材は、前記第一方向に対して傾斜した状態で、前記突出部に取り付けられる
請求項のいずれか1項に記載の蓄電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、正極板と負極板とセパレータとが積層されて形成された電極体を備える蓄電素子に関する。
【背景技術】
【0002】
正極板と負極板とセパレータとが積層されて形成された電極体を備える蓄電素子が広く知られている。例えば、特許文献1には、正極板と負極板とセパレータとを積み重ねまたは巻き重ねてなる電極積層体(電極体)を有し、セパレータの第1端部が負極板よりも突出し、セパレータの第2端部が正極板よりも突出した二次電池(蓄電素子)が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2012-43752号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記従来の蓄電素子においては、セパレータの端部が極板よりも突出するように電極体が形成されている。このため、上記従来の蓄電素子では、電極体内における極板の大きさが制限された構成となっているが、蓄電素子においては、電極体内に占める極板の割合を大きくして、エネルギー密度の向上を図ることが望まれている。
【0005】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、エネルギー密度の向上を図ることができる蓄電素子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】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、正極板と負極板とセパレータとが積層されて形成された電極体を備える蓄電素子であって、前記正極板及び前記負極板の一方である第一極板は、第一本体部と、前記第一本体部から突出する第一タブと、を有し、前記正極板及び前記負極板の他方である第二極板は、第二本体部と、前記第二本体部から突出する第二タブと、を有し、前記第一本体部は、前記セパレータの第一方向側の端縁である第一セパレータ端縁から突出しない位置に配置され、前記第二本体部は、前記第一セパレータ端縁から突出して配置される突出部を有する。
【0007】
これによれば、蓄電素子において、電極体の正極板及び負極板の一方である第一極板の第一本体部は、第一方向側の第一セパレータ端縁から突出せず、正極板及び負極板の他方である第二極板の第二本体部は、第一セパレータ端縁から突出する突出部を有している。このように、第二極板の第二本体部を第一セパレータ端縁から突出させることで、第二極板のサイズを大きくすることができる。これにより、電極体内に占める極板の割合を大きくすることができるため、蓄電素子のエネルギー密度の向上を図ることができる。
【0008】
また、前記第一タブは、前記セパレータの前記第一方向とは異なる第二方向側の端縁である第二セパレータ端縁から突出して配置され、前記第二本体部は、前記第二セパレータ端縁から突出しない位置に配置されていることにしてもよい。
【0009】
これによれば、電極体において、第一極板の第一タブは、第一方向とは異なる第二方向側の第二セパレータ端縁から突出して配置され、第二極板の第二本体部は、第二セパレータ端縁から突出しない位置に配置されている。このように、第二本体部を、セパレータの第一タブ側の端縁である第二セパレータ端縁から突出させないことで、第二本体部が第一タブと当接して第一極板と第二極板との短絡が発生するのを抑制することができる。これにより、電極体における極板の短絡の発生を抑制しつつ、蓄電素子のエネルギー密度の向上を図ることができる。
【0010】
また、前記突出部は、前記第一セパレータ端縁に沿って延設されて配置されていることにしてもよい。
【0011】
これによれば、電極体において、第二極板の第二本体部の突出部は、第一セパレータ端縁に沿って延設されて配置されている。このように、第二極板の突出部を、第一セパレータ端縁に沿って延設して配置することで、第二極板のサイズを大きくすることができるため、蓄電素子のエネルギー密度の向上を図ることができる。
【0012】
また、前記第一本体部の前記第一方向側の端縁と前記第一セパレータ端縁との間の距離は、前記突出部の前記第一方向側の端縁と前記第一セパレータ端縁との間の距離よりも大きいことにしてもよい。
【0013】
これによれば、電極体において、第一極板の第一本体部の第一方向側の端縁と第一セパレータ端縁との間の距離が、第二極板の突出部の第一方向側の端縁と第一セパレータ端縁との間の距離よりも大きく形成されている。ここで、セパレータが収縮したり、第一極板が膨張したりすることで、第一極板の第一本体部が第一セパレータ端縁からはみ出すと、第一本体部と第二極板の突出部とが接触し、短絡が発生するおそれがある。このため、第一本体部の端縁と第一セパレータ端縁との間の距離を、当該突出部の端縁と第一セパレータ端縁との間の距離よりも大きく形成する。これにより、第一本体部が第一セパレータ端縁からはみ出すのを抑制することができるため、第一本体部と当該突出部とが接触して第一極板と第二極板との短絡が発生するのを抑制することができる。
【0014】
また、さらに、前記突出部に取り付けられて、前記第二本体部の移動を規制する規制部材を備えることにしてもよい。
【0015】
これによれば、電極体の第二極板の突出部に取り付けられて、第二極板の第二本体部の移動を規制する規制部材が設けられている。このように、規制部材が、突出部に取り付けられて第二本体部の移動を規制することで、第二極板がずれるのを抑制することができる。これにより、第一極板と第二極板とが接触して短絡が発生するのを抑制することができる。
【0016】
また、前記規制部材は、前記突出部と前記セパレータの前記第一方向側の端部とに跨って取り付けられることにしてもよい。
【0017】
これによれば、規制部材は、電極体の第二極板の突出部とセパレータの第一方向側の端部とに跨って取り付けられている。これにより、セパレータに対する第二極板の移動を規制して、第二極板がずれるのを抑制することができるため、第一極板と第二極板とが接触して短絡が発生するのを抑制することができる。
【0018】
また、前記突出部は、前記第二タブの突出方向とは反対方向に突出して配置されていることにしてもよい。
【0019】
これによれば、電極体の第二極板の突出部は、第二極板の第二タブの突出方向とは反対方向に突出して配置されている。ここで、電極体において、第二タブ同士を束ねて接合する際に第二タブを寄せ集めることで第二タブが引っ張られたり、第二タブを集電体に接合する際に第二タブが引っ張られたりする場合がある。この場合、第二本体部は、第二タブ側に引っ張られるため、第二タブ側に移動しやすい。このため、第二極板において、規制部材が取り付けられる突出部を、第二タブとは反対側に配置する。これにより、規制部材が突出部の移動を規制することで、第二本体部が第二タブ側に移動するのを効果的に規制することができるため、第二極板がずれるのをより抑制することができる。
【0020】
また、前記規制部材は、前記第一方向に対して傾斜した状態で、前記突出部に取り付けられることにしてもよい。
【0021】
これによれば、規制部材は、第二極板の突出部の突出方向に対して傾斜した状態で、突出部に取り付けられている。これにより、規制部材と突出部との接触面積を大きくすることができるため、第二極板の移動をより強固に規制することができ、第二極板がずれるのをより抑制することができる。
【0022】
なお、本発明は、このような蓄電素子として実現することができるだけでなく、当該蓄電素子が備える電極体または規制部材としても実現することができる。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、エネルギー密度の向上を図ることができる蓄電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
図1】実施の形態に係る蓄電素子の外観を示す斜視図である。
図2】実施の形態に係る蓄電素子を分解して各構成要素を示す分解斜視図である。
図3】実施の形態に係る電極体が有する正極板、負極板及びセパレータを分解して示す分解斜視図である。
図4】実施の形態に係る正極板、負極板及びセパレータの構成を示す平面図である。
図5】実施の形態に係る正極板、負極板及びセパレータの位置関係を示す断面図である。
図6】実施の形態の変形例1に係る電極体及び規制部材の構成を示す平面図である。
図7】実施の形態の変形例1に係る電極体及び規制部材の構成を示す断面図である。
図8】実施の形態の変形例2に係る電極体及び規制部材の構成を示す平面図である。
図9】実施の形態の変形例2に係る電極体及び規制部材の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態(及びその変形例)に係る蓄電素子について説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造工程、製造工程の順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図において、寸法等は厳密に図示したものではない。
【0026】
また、以下の説明及び図面中において、蓄電素子が有する一対(正極側及び負極側)の電極端子の並び方向、一対の集電体の並び方向、電極体が有する一対のタブ束の並び方向、または、容器の短側面の対向方向をX軸方向と定義する。また、容器の長側面の対向方向、容器の短側面の短手方向、容器の厚さ方向、または、電極体の極板の積層方向をY軸方向と定義する。また、電極端子と集電体と電極体との並び方向、蓄電素子の容器本体と蓋との並び方向、容器の短側面の長手方向、または、上下方向をZ軸方向と定義する。これらX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、互いに交差(本実施の形態では直交)する方向である。なお、使用態様によってはZ軸方向が上下方向にならない場合も考えられるが、以下では説明の便宜のため、Z軸方向を上下方向として説明する。また、以下の説明において、例えば、X軸プラス方向とは、X軸の矢印方向を示し、X軸マイナス方向とは、X軸プラス方向とは反対方向を示す。Y軸方向及びZ軸方向についても同様である。
【0027】
(実施の形態)
[1 蓄電素子10の全般的な説明]
まず、本実施の形態における蓄電素子10の全般的な説明を行う。図1は、本実施の形態に係る蓄電素子10の外観を示す斜視図である。図2は、本実施の形態に係る蓄電素子10を分解して各構成要素を示す分解斜視図である。
【0028】
蓄電素子10は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる二次電池であり、具体的には、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。蓄電素子10は、例えば、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)若しくはプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)等の自動車、自動二輪車、ウォータークラフト、スノーモービル、農業機械、建設機械、または、電車、モノレール若しくはリニアモーターカー等の電気鉄道用の鉄道車両等の移動体の駆動用またはエンジン始動用のバッテリ等として用いられる。
【0029】
なお、蓄電素子10は、非水電解質二次電池には限定されず、非水電解質二次電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよい。また、蓄電素子10は、二次電池ではなく、使用者が充電をしなくても蓄えられている電気を使用できる一次電池であってもよい。また、本実施の形態では、直方体形状(角形)の蓄電素子10を図示しているが、蓄電素子10の形状は、直方体形状には限定されず、直方体形状以外の多角柱形状、長円柱形状等であってもよいし、蓄電素子10をラミネート型の蓄電素子とすることもできる。
【0030】
図1に示すように、蓄電素子10は、容器100と、一対(正極側及び負極側)の電極端子200と、一対(正極側及び負極側)の上部ガスケット300と、を備えている。また、図2に示すように、容器100の内方には、一対(正極側及び負極側)の下部ガスケット400と、一対(正極側及び負極側)の集電体500と、電極体600と、が収容されている。また、容器100の内部には、電解液(非水電解質)が封入されているが、省略して図示している。当該電解液としては、蓄電素子10の性能を損なうものでなければその種類に特に制限はなく、様々なものを選択することができる。また、上記の構成要素の他、電極体600の側方に配置されるスペーサ、及び、電極体600を包み込む絶縁フィルム等が配置されていてもよい。
【0031】
容器100は、開口が形成された容器本体110と、容器本体110の当該開口を閉塞する蓋体120とを有する直方体形状(箱形)のケースである。容器本体110は、容器100の本体部を構成する矩形筒状で底を備える部材である。蓋体120は、容器100の蓋部を構成する矩形状の板状部材である。また、蓋体120には、容器100の内圧が上昇したときに容器100内部のガスを排出するガス排出弁121等が配置されている。このような構成により、容器100は、電極体600等を容器本体110の内部に収容後、容器本体110と蓋体120とが溶接等されることにより、内部を密封することができる構造となっている。なお、容器本体110及び蓋体120の材質は特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、メッキ鋼板など溶接可能な金属であるのが好ましい。また、容器100には、内部に電解液を注入するための注液部が形成されていてもよい。
【0032】
電極体600は、正極板(後述の正極板610)と負極板(後述の負極板620)とセパレータ(後述のセパレータ630)とを備え、電気を蓄えることができる蓄電要素(発電要素)である。具体的には、電極体600は、正極板610と負極板620との間にセパレータ630が挟み込まれるように層状に配置されて形成されている。これにより、電極体600において、正極板610の正極タブ612が積層され、負極板620の負極タブ622が積層される。電極体600の構成の詳細な説明については、後述する。
【0033】
また、電極体600には、正極板610、負極板620及びセパレータ630を互いに固定して、それぞれの移動を規制する規制部材640が取り付けられている。本実施の形態では、規制部材640は、電極体600のX軸方向両側に2箇所ずつ配置されており、積層された正極板610と負極板620とセパレータ630とを、これらの積層方向(Y軸方向)で挟んで固定する。具体的には、規制部材640は、電極体600のX軸方向のそれぞれの端部を囲うように当該端部にU字状に巻き付けられた絶縁テープである。
【0034】
なお、規制部材640は、電極体600のX軸方向両側に1箇所ずつ、または、電極体600のX軸方向両側に3箇所以上の複数箇所ずつ配置されていてもよい。また、規制部材640に用いられる絶縁テープは、絶縁性を有するテープであれば、材質は特に限定されない。また、規制部材640は、絶縁テープには限定されず、絶縁シート等によって正極板610と負極板620との絶縁性を確保できるのであれば、導電性のテープを用いてもよい。また、規制部材640は、テープではなく、例えば剛性のある板状部材等を用いてもよい。
【0035】
電極端子200は、集電体500を介して、電極体600に電気的に接続される電極端子である。電極端子200は、かしめ等によって、集電体500に接続され、かつ、蓋体120に取り付けられている。具体的には、電極端子200は、下方(Z軸マイナス方向)に延びる軸部(リベット部)を有しており、この軸部が、上部ガスケット300、蓋体120、下部ガスケット400及び集電体500の貫通孔に挿入されて、かしめられる。これにより、電極端子200は、上部ガスケット300、下部ガスケット400及び集電体500とともに、蓋体120に固定される。なお、電極端子200は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または銅合金等の金属等の導電部材で形成されている。
【0036】
集電体500は、電極体600と蓋体120との間に配置され、電極体600と電極端子200とを電気的に接続する矩形状かつ平板状の部材である。具体的には、正極側の集電体500は、電極体600の積層された複数の正極タブ612と溶接等により接合されるとともに、上述の通り、正極側の電極端子200とかしめ等により接合される。負極側についても同様である。集電体500は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または銅合金等の金属等の導電部材で形成されている。なお、集電体500と電極端子200とを接続(接合)する手法は、かしめ接合には限定されず、超音波接合、レーザ溶接、抵抗溶接等の溶接、または、ねじ締結等のかしめ以外の機械的接合等が用いられてもよい。また、集電体500と正極タブ612、負極タブ622とを接続(接合)する手法は、超音波接合、レーザ溶接、抵抗溶接等、どのような溶接が用いられてもよいし、かしめ接合やねじ締結等の機械的接合等が用いられてもよい。
【0037】
上部ガスケット300は、容器100の蓋体120と電極端子200との間に配置された、平板状の絶縁性の封止部材である。下部ガスケット400は、蓋体120と集電体500との間に配置された、平板状の絶縁性の封止部材である。なお、上部ガスケット300及び下部ガスケット400は、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、または、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)等の絶縁性を有する素材によって形成されている。
【0038】
[2 電極体600の構成の説明]
次に、電極体600の構成について、詳細に説明する。図3は、本実施の形態に係る電極体600が有する正極板610、負極板620及びセパレータ630を分解して示す分解斜視図である。図4は、本実施の形態に係る正極板610、負極板620及びセパレータ630の構成を示す平面図である。具体的には、図4の(a)は、セパレータ630に正極板610を重ねて配置した状態を示す平面図であり、図4の(b)は、セパレータ630に負極板620を重ねて配置した状態を示す平面図である。図5は、本実施の形態に係る正極板610、負極板620及びセパレータ630の位置関係を示す断面図である。具体的には、図5は、図2に示した電極体600のZ軸マイナス方向側の端部をYZ平面に平行な面で切断した場合の構成を示す断面図である。
【0039】
[2.1 正極板610、負極板620及びセパレータ630の構成の説明]
図3に示すように、電極体600は、正極板610と負極板620とが、セパレータ630を挟みながら交互に積層されて形成されている。つまり、電極体600は、Y軸方向両端部にセパレータ630が配置され、その内側に負極板620が配置されるように、正極板610、セパレータ630、負極板620、セパレータ630の順で繰り返し順次積層されて、形成されている。
【0040】
このように、複数の正極板610と複数の負極板620とが積層されることにより、複数の正極タブ612が積層され、かつ、複数の負極タブ622が積層される。その結果、図2に示すように、電極体600には、複数の正極タブ612からなる正極側のタブ束と、複数の負極タブ622からなる負極側のタブ束とが形成される。この正極側のタブ束及び負極側のタブ束は、正極側及び負極側の集電体500と溶接等により接合されて、正極側及び負極側の電極端子200と電気的に接続される。以下に、これら正極板610、負極板620及びセパレータ630の構成について、さらに詳細に説明する。
【0041】
図4の(a)及び図5に示すように、正極板610は、正極本体部611と正極タブ612とを有している。正極本体部611は、正極板610の本体部を構成する矩形状かつ平板状でX軸方向に長い部位であり、正極基材614aと正極合材層614bとを有している。正極タブ612は、正極本体部611のX軸マイナス方向側かつZ軸プラス方向側の部位からZ軸プラス方向に突出する矩形状のタブであり、正極基材614aと一体に形成されている。つまり、正極基材614a及び正極タブ612は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる集電箔であり、正極基材614aの表面(両面)に、正極合材層614bが配置されている。正極板610は、第一極板の一例であり、正極本体部611は、第一本体部の一例であり、正極タブ612は、第一タブの一例である。
【0042】
なお、正極基材614a及び正極タブ612を構成する集電箔として、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金など、適宜公知の材料を用いることもできる。また、正極合材層614bは、正極活物質と、導電助剤と、バインダとを含んでいる。この正極合材層614bに用いられる正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、正極活物質として、LiMPO、LiMSiO、LiMBO(MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種または2種以上の遷移金属元素)等のポリアニオン化合物、チタン酸リチウム、LiMnやLiMn1.5Ni0.5等のスピネル型リチウムマンガン酸化物、LiMO(MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種または2種以上の遷移金属元素)等のリチウム遷移金属酸化物等を用いることができる。正極合材層614bに用いられる導電助剤の種類は特に制限されず、金属であっても非金属であってもよい。正極合材層614bに用いられるバインダとしては、電極製造時に使用する溶媒や電解液に対して安定であり、また、充放電時の酸化還元反応に対して安定な材料であれば特にその種類は制限されない。
【0043】
また、図4の(b)及び図5に示すように、負極板620は、負極本体部621と負極タブ622とを有している。負極本体部621は、負極板620の本体部を構成する矩形状かつ平板状でX軸方向に長い部位であり、負極基材624aと負極合材層624bとを有している。負極タブ622は、負極本体部621のX軸プラス方向側かつZ軸プラス方向側の部位からZ軸プラス方向に突出する矩形状のタブであり、負極基材624aと一体に形成されている。つまり、負極基材624a及び負極タブ622は、銅または銅合金などからなる集電箔であり、負極基材624aの表面(両面)に、負極合材層624bが配置されている。負極板620は、第二極板の一例であり、負極本体部621は、第二本体部の一例であり、負極タブ622は、第二タブの一例である。
【0044】
なお、負極基材624a及び負極タブ622を構成する集電箔としては、正極基材614a及び正極タブ612を構成する集電箔と同様の材料を用いることもできる。また、負極合材層624bは、負極活物質と、導電助剤と、バインダとを含んでいる。この負極合材層624bに用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、負極活物質として、リチウム金属、リチウム合金(リチウム-ケイ素、リチウム-アルミニウム、リチウム-鉛、リチウム-錫、リチウム-アルミニウム-錫、リチウム-ガリウム、及びウッド合金等のリチウム金属含有合金)の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えば黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)、ケイ素酸化物、金属酸化物、リチウム金属酸化物(LiTi12等)、ポリリン酸化合物、あるいは、一般にコンバージョン負極と呼ばれる、CoやFeP等の、遷移金属と第14族乃至第16族元素との化合物などが挙げられる。負極合材層624bに用いられる導電助剤及びバインダとしては、正極合材層614bに用いられる導電助剤及びバインダと同様であるため、詳細な説明は省略する。
【0045】
セパレータ630は、X軸方向に長い平板状かつ矩形状の、例えば樹脂からなる微多孔性のシートである。なお、セパレータ630の素材としては、蓄電素子10の性能を損なうものでなければ、適宜公知の材料を使用できる。例えば、セパレータ630として、有機溶剤に不溶な織布、不織布、ポリエチレンなどのポリオレフィン樹脂からなる合成樹脂微多孔膜などを用いることができる。セパレータ630は、材料、重量平均分子量や空孔率の異なる複数の微多孔膜が積層してなるものや、これらの微多孔膜に各種の可塑剤、酸化防止剤、難燃剤などの添加剤を適量含有しているものや、これらの微多孔膜の片面または両面にシリカなどの無機酸化物を塗布したものであってもよい。特に、セパレータ630としては、合成樹脂微多孔膜を好適に用いることができ、中でもポリエチレン及びポリプロピレン製微多孔膜、アラミドやポリイミドと複合化させたポリエチレン及びポリプロピレン製微多孔膜、または、これらを複合した微多孔膜などのポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗などの面で好適に用いられる。
【0046】
[2.2 正極板610、負極板620及びセパレータ630の位置関係の説明]
ここで、正極本体部611において、Z軸マイナス方向側の端縁を第一正極端縁611aとし、Z軸プラス方向側の端縁を第二正極端縁611bとし、X軸マイナス方向側の端縁を第三正極端縁611cとし、X軸プラス方向側の端縁を第四正極端縁611dとする。また、負極本体部621において、Z軸マイナス方向側の端縁を第一負極端縁621aとし、Z軸プラス方向側の端縁を第二負極端縁621bとし、X軸マイナス方向側の端縁を第三負極端縁621cとし、X軸プラス方向側の端縁を第四負極端縁621dとする。さらに、セパレータ630において、Z軸マイナス方向側の端縁を第一セパレータ端縁630aとし、Z軸プラス方向側の端縁を第二セパレータ端縁630bとし、X軸マイナス方向側の端縁を第三セパレータ端縁630cとし、X軸プラス方向側の端縁を第四セパレータ端縁630dとする。なお、Z軸マイナス方向は、第一方向の一例であり、Z軸プラス方向は、第一方向とは異なる第二方向の一例である。
【0047】
このような構成において、第一正極端縁611aは、第一セパレータ端縁630aよりもZ軸プラス方向側に配置されている。つまり、正極本体部611は、セパレータ630のZ軸マイナス方向(第一方向)側の端縁である第一セパレータ端縁630aから突出しない位置に配置されている。また、第一負極端縁621aは、第一セパレータ端縁630aよりもZ軸マイナス方向側に配置されている。つまり、負極本体部621は、第一セパレータ端縁630aから突出して配置されている。これにより、負極本体部621は、第一セパレータ端縁630aからZ軸マイナス方向側に突出した突出部623を有している。
【0048】
具体的には、突出部623は、第一セパレータ端縁630aに沿って延設されて配置されている。つまり、突出部623は、負極本体部621のZ軸マイナス方向側の端部であって、X軸方向に延びる長尺状の部位である。言い換えれば、突出部623は、負極タブ622の突出方向とは反対方向に突出して配置されている。
【0049】
ここで、第一正極端縁611aと第一セパレータ端縁630aとの間の距離Aは、第一負極端縁621aと第一セパレータ端縁630aとの間の距離Bよりも大きく形成されている。つまり、正極本体部611のZ軸マイナス方向側の端縁と第一セパレータ端縁630aとの間の距離(距離A)は、突出部623のZ軸マイナス方向側の端縁と第一セパレータ端縁630aとの間の距離(距離B)よりも大きい。
【0050】
なお、図5に示すように、第一正極端縁611aは、正極基材614aのZ軸マイナス方向側の端縁である正極基材端縁615aと、正極合材層614bのZ軸マイナス方向側の端縁である正極合材端縁615bと、で構成されている。また、第一負極端縁621aは、負極基材624aのZ軸マイナス方向側の端縁である負極基材端縁625aと、負極合材層624bのZ軸マイナス方向側の端縁である負極合材端縁625bと、で構成されている。
【0051】
ただし、正極基材端縁615a及び正極合材端縁615bがY軸方向に平行ではなく、Z軸マイナス方向側に突出した形状を有している場合には、最もZ軸マイナス方向側の箇所(Z軸方向において第一セパレータ端縁630aと最も近い箇所)を第一正極端縁611aと定義する。例えば、正極基材端縁615aと正極合材端縁615bとがZ軸方向において異なる位置に配置されている場合には、Z軸マイナス方向側の端縁を第一正極端縁611aと定義する。また、当該Z軸マイナス方向側の端縁がY軸方向から傾斜または湾曲している場合には、当該Z軸マイナス方向側の端縁のうちの最もZ軸マイナス方向側の箇所を第一正極端縁611aと定義する。
【0052】
同様に、負極基材端縁625a及び負極合材端縁625bがY軸方向に平行ではなく、Z軸マイナス方向側に突出した形状を有している場合には、最もZ軸マイナス方向側の箇所(Z軸方向において第一セパレータ端縁630aから最も遠い箇所)を第一負極端縁621aと定義する。例えば、負極基材端縁625aと負極合材端縁625bとがZ軸方向において異なる位置に配置されている場合には、Z軸マイナス方向側の端縁を第一負極端縁621aと定義する。また、当該Z軸マイナス方向側の端縁がY軸方向から傾斜または湾曲している場合には、当該Z軸マイナス方向側の端縁のうちの最もZ軸マイナス方向側の箇所を第一負極端縁621aと定義する。
【0053】
また、第二正極端縁611bは、第二セパレータ端縁630bよりもZ軸マイナス方向側に配置されている。つまり、正極本体部611は、セパレータ630のZ軸プラス方向(第二方向)側の端縁である第二セパレータ端縁630bから突出しない位置に配置されている。また、第二負極端縁621bは、第二セパレータ端縁630bよりもZ軸マイナス方向側に配置され、かつ、第二正極端縁611bよりもZ軸プラス方向側に配置されている。つまり、負極本体部621は、第二セパレータ端縁630bから突出しない位置、かつ、第二正極端縁611bから突出する位置に配置されている。
【0054】
さらに、正極タブ612は、第二正極端縁611bから突出して、セパレータ630を横切り、第二セパレータ端縁630bから突出して配置されている。また、負極タブ622は、第二負極端縁621bから突出して、セパレータ630を横切り、第二セパレータ端縁630bから突出して配置されている。
【0055】
また、第三正極端縁611cは、第三セパレータ端縁630cよりもX軸プラス方向側に配置されている。つまり、正極本体部611は、セパレータ630のX軸マイナス方向側の端縁である第三セパレータ端縁630cから突出しない位置に配置されている。また、第三負極端縁621cは、第三セパレータ端縁630cよりもX軸プラス方向側に配置され、かつ、第三正極端縁611cよりもX軸マイナス方向側に配置されている。つまり、負極本体部621は、第三セパレータ端縁630cから突出しない位置、かつ、第三正極端縁611cから突出する位置に配置されている。第四正極端縁611d、第四負極端縁621d及び第四セパレータ端縁630dの位置関係についても、同様である。
【0056】
[3 効果の説明]
以上のように、本発明の実施の形態に係る蓄電素子10によれば、電極体600の正極板610(第一極板)の正極本体部611(第一本体部)は、Z軸マイナス方向(第一方向)側の第一セパレータ端縁630aから突出せず、負極板620(第二極板)の負極本体部621(第二本体部)は、第一セパレータ端縁630aから突出する突出部623を有している。このように、負極板620の負極本体部621を第一セパレータ端縁630aから突出させることで、負極板620のサイズを大きくすることができる。これにより、電極体600内に占める極板の割合を大きくすることができるため、蓄電素子10のエネルギー密度の向上を図ることができる。
【0057】
また、電極体600において、正極板610の正極タブ612(第一タブ)は、Z軸プラス方向(第一方向とは異なる第二方向)側の第二セパレータ端縁630bから突出して配置され、負極板620の負極本体部621は、第二セパレータ端縁630bから突出しない位置に配置されている。このように、負極本体部621を、セパレータ630の正極タブ612側の端縁である第二セパレータ端縁630bから突出させないことで、負極本体部621が正極タブ612と当接して正極板610と負極板620との短絡が発生するのを抑制することができる。これにより、電極体600における極板の短絡の発生を抑制しつつ、蓄電素子10のエネルギー密度の向上を図ることができる。
【0058】
また、電極体600において、負極板620の負極本体部621の突出部623は、第一セパレータ端縁630aに沿って延設されて配置されている。このように、負極板620の突出部623を、第一セパレータ端縁630aに沿って延設して配置することで、負極板620のサイズを大きくすることができるため、蓄電素子10のエネルギー密度の向上を図ることができる。
【0059】
また、電極体600において、正極板610の正極本体部611のZ軸マイナス方向側の端縁と第一セパレータ端縁630aとの間の距離が、負極板620の突出部623のZ軸マイナス方向側の端縁と第一セパレータ端縁630aとの間の距離よりも大きく形成されている。ここで、セパレータ630が収縮したり、正極板610が膨張したりすることで、正極板610の正極本体部611が第一セパレータ端縁630aからはみ出すと、正極本体部611と負極板620の突出部623とが接触し、短絡が発生するおそれがある。このため、正極本体部611の端縁と第一セパレータ端縁630aとの間の距離を、突出部623の端縁と第一セパレータ端縁630aとの間の距離よりも大きく形成する。これにより、正極本体部611が第一セパレータ端縁630aからはみ出すのを抑制することができるため、正極本体部611と突出部623とが接触して正極板610と負極板620との短絡が発生するのを抑制することができる。
【0060】
[4 変形例の説明]
(変形例1)
次に、上記実施の形態の変形例1について、説明する。図6は、本実施の形態の変形例1に係る電極体600及び規制部材641の構成を示す平面図である。具体的には、図6は、電極体600に規制部材641が取り付けられた状態をY軸マイナス方向側から見た場合の構成を示す正面図である。図7は、本実施の形態の変形例1に係る電極体600及び規制部材641の構成を示す断面図である。具体的には、図7は、図6に示した電極体600及び規制部材641を、VII-VII断面で切断した場合の構成を示す断面図であり、図5に対応する図である。
【0061】
図6及び図7に示すように、本変形例における電極体600には、上記実施の形態における規制部材640に代えて、規制部材641が取り付けられている。その他の構成については、上記実施の形態と同様である。
【0062】
規制部材641は、負極板620の負極本体部621の突出部623に取り付けられて、負極本体部621の移動を規制する部材である。つまり、負極タブ622の突出方向とは反対方向に突出して配置された突出部623に、規制部材641が取り付けられている。具体的には、規制部材641は、突出部623とセパレータ630のZ軸マイナス方向側の端部とに跨って取り付けられている。
【0063】
さらに具体的には、規制部材641は、電極体600のZ軸マイナス方向側の端部において、X軸方向に延設され、かつ、当該端部を囲うように当該端部にX軸方向から見てU字状に巻き付けられて配置されている。つまり、規制部材641は、X軸方向に亘って、Y軸方向両端部のセパレータ630のZ軸マイナス方向側の端部同士を繋ぐように、正極板610及び負極板620に跨って、配置されている。
【0064】
ここで、規制部材641は、上記実施の形態における規制部材640と同様に、絶縁テープ等である。つまり、規制部材641は、Y軸方向両端部における負極板620の突出部623とセパレータ630の端部とに跨って貼り付けられるとともに、Y軸方向に並ぶ複数の負極板620の第一負極端縁621aに貼り付けられている。なお、負極板620の突出部623の突出量が異なる等により、規制部材641は、全ての負極板620の第一負極端縁621aには貼り付けられていなくてもよい。また、規制部材641は、Y軸方向両端部のうちの一方の端部においては、突出部623とセパレータ630の端部とに跨って貼り付けられていないことにしてもよい。
【0065】
以上のように、本変形例に係る蓄電素子によれば、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。特に、本変形例では、電極体600の負極板620の突出部623に取り付けられて、負極板620の負極本体部621の移動を規制する規制部材641が設けられている。このように、規制部材641が、突出部623に取り付けられて負極本体部621の移動を規制することで、負極板620がずれるのを抑制することができる。これにより、正極板610と負極板620とが接触して短絡が発生するのを抑制することができる。
【0066】
また、規制部材641は、電極体600の負極板620の突出部623とセパレータ630のZ軸マイナス方向側の端部とに跨って取り付けられている。これにより、セパレータ630に対する負極板620の移動を規制して、負極板620がずれるのを抑制することができるため、正極板610と負極板620とが接触して短絡が発生するのを抑制することができる。
【0067】
また、電極体600の負極板620の突出部623は、負極板620の負極タブ622(第二タブ)の突出方向とは反対方向に突出して配置されている。ここで、電極体600において、負極タブ622同士を束ねて接合する際に負極タブ622を寄せ集めることで負極タブ622が引っ張られたり、負極タブ622を集電体500に接合する際に負極タブ622が引っ張られたりする場合がある。この場合、負極本体部621は、負極タブ622側に引っ張られるため、負極タブ622側に移動しやすい。このため、負極板620において、規制部材641が取り付けられる突出部623を、負極タブ622とは反対側に配置する。これにより、規制部材641が突出部623の移動を規制することで、負極本体部621が負極タブ622側に移動するのを効果的に規制することができるため、負極板620がずれるのをより抑制することができる。
【0068】
(変形例2)
次に、上記実施の形態の変形例2について、説明する。図8及び図9は、本実施の形態の変形例2に係る電極体600及び規制部材642~645の構成を示す平面図である。具体的には、図8及び図6は、図6に対応する図である。
【0069】
図8及び図9に示すように、本変形例における電極体600には、上記変形例1における規制部材641に代えて、規制部材642~645が取り付けられている。その他の構成については、上記実施の形態または変形例1と同様である。つまり、本変形例は、電極体600への規制部材の取り付け方を変更した種々の形態を示している。なお、規制部材642~645は、上記実施の形態及び変形例1における規制部材640、641と同様に、絶縁テープ等である。
【0070】
図8に示すように、規制部材642は、電極体600のZ軸マイナス方向側の端部の一部において、当該一部を囲うように当該一部にX軸方向から見てU字状に巻き付けられて配置されている。つまり、規制部材642は、変形例1における規制部材641をX軸方向に短くした形状を有している。
【0071】
また、規制部材643及び644は、Z軸マイナス方向(第一方向)に対して傾斜した状態で、突出部623に取り付けられている。つまり、規制部材643は、電極体600のZ軸マイナス方向側の端部において、当該端部を囲うように斜めに巻き付けられて配置されている。また、規制部材644は、電極体600のZ軸マイナス方向側及びX軸プラス方向側の端部において、当該端部を囲うように斜めに巻き付けられて配置されている。つまり、規制部材644は、電極体600の角部に巻き付けられて、電極体600の角部をY軸方向に押圧(圧迫)している。
【0072】
これにより、規制部材642~644は、Y軸方向両端部における負極板620の突出部623とセパレータ630の端部とに跨って貼り付けられるとともに、Y軸方向に並ぶ複数の負極板620の第一負極端縁621aに貼り付けられている。なお、規制部材642~644は、変形例1と同様に、全ての負極板620の第一負極端縁621aには貼り付けられていなくてもよい。また、規制部材642~644は、Y軸方向両端部のうちの一方の端部においては、突出部623とセパレータ630の端部とに跨って貼り付けられていなくてもよい。
【0073】
なお、図8は、電極体600に貼り付けることができる規制部材の種々の形態を示したものであって、電極体600には、規制部材642~644がどのような組み合わせで貼り付けられていてもよい。つまり、電極体600には、規制部材642~644のいずれかが貼り付けられていればよいし、貼り付けられる位置も特に限定されない。また、電極体600には、規制部材642~644のいずれかが複数貼り付けられていてもよい。
【0074】
また、図9に示すように、規制部材645は、電極体600の全面を囲うように、電極体600の周囲に巻き付けられて配置されている。本変形例では、規制部材645は、X軸方向に向けて(Z軸まわりに)電極体600に1周巻き付けられて、電極体600をY軸方向に押圧(圧迫)している。なお、規制部材645は、電極体600に何周巻き付けられていてもよいし、Z軸方向に向けて(X軸まわりに)電極体600に巻き付けられていてもよい。
【0075】
以上のように、本変形例に係る蓄電素子によれば、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。特に、規制部材643、644は、負極板620の突出部623の突出方向に対して傾斜した状態で、突出部623に取り付けられている。これにより、規制部材643、644と突出部623との接触面積を大きくすることができるため、負極板620の移動をより強固に規制することができ、負極板620がずれるのをより抑制することができる。また、規制部材644は、電極体600の角部に巻き付けられて当該角部を押圧(圧迫)し、規制部材645は、電極体600の全周に巻き付けられて、電極体600の全体を押圧(圧迫)している。このため、規制部材644、645によれば、負極板620がずれるのを抑制しつつ、電極体600がY軸方向に広がる(膨張する)のを効果的に抑制することができる。
【0076】
(その他の変形例)
以上、本発明の実施の形態及びその変形例に係る蓄電素子について説明したが、本発明は、この実施の形態及びその変形例に限定されない。つまり、今回開示された実施の形態及びその変形例は全ての点で例示であり、本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれる。
【0077】
例えば、上記実施の形態及びその変形例では、電極体600の正極板610を第一極板の一例とし、負極板620を第二極板の一例とした。しかし、正極板610を第二極板の一例とし、負極板620を第一極板の一例としてもよい。この場合、正極本体部611が第二本体部の一例、かつ、正極タブ612が第二タブの一例となり、負極本体部621が第一本体部の一例、かつ、負極タブ622が第一タブの一例となる。
【0078】
また、上記実施の形態及びその変形例では、Z軸マイナス方向を第一方向の一例とし、Z軸プラス方向を第二方向の一例とした。しかし、第一方向及び第二方向は、互いに異なる方向であれば、どのような方向の組み合わせであってもよい。例えば、第一方向がZ軸マイナス方向の場合には、第二方向は、X軸プラス方向でもよいし、X軸マイナス方向でもよい。また、第二方向がZ軸プラス方向の場合には、第一方向は、X軸プラス方向でもよいし、X軸マイナス方向でもよい。つまり、例えば、正極タブ612または負極タブ622は、X軸プラス方向側に突出していてもよいし、X軸マイナス方向側に突出していてもよい。また、負極板620の突出部623は、X軸プラス方向側に突出していてもよいし、X軸マイナス方向側に突出していてもよい。つまり、突出部623は、Z軸マイナス方向側に代えて、または、Z軸マイナス方向側に加えて、X軸プラス方向側及びX軸マイナス方向側の少なくとも一方に突出して配置されていてもよい。さらに、正極板610及び負極板620の短絡対策がなされている場合には、第一方向及び第二方向は、同じ方向であってもよい。つまり、突出部623は、正極タブ612の突出方向または負極タブ622の突出方向と同じ方向に突出して配置されていてもよい。
【0079】
また、上記実施の形態及びその変形例では、全ての負極板620が、第一セパレータ端縁630aから突出する突出部623を有していることとした。しかし、いずれかの負極板620については、第一セパレータ端縁630aから突出しておらず、突出部623を有していないことにしてもよい。
【0080】
また、上記実施の形態及びその変形例では、負極板620のZ軸マイナス方向側の端部の全部が第一セパレータ端縁630aから突出して、第一セパレータ端縁630aに沿って延設された突出部623が形成されていることとした。しかし、負極板620のZ軸マイナス方向側の端部の一部しか第一セパレータ端縁630aから突出しておらず、突出部623は、第一セパレータ端縁630aに沿って延設されていないことにしてもよい。
【0081】
また、上記実施の形態及びその変形例では、第一正極端縁611aと第一セパレータ端縁630aとの間の距離Aは、第一負極端縁621aと第一セパレータ端縁630aとの間の距離Bよりも大きいこととした。しかし、距離Aは、距離Bと同じであることにしてもよいし、距離Bよりも小さいことにしてもよい。
【0082】
また、上記実施の形態及びその変形例では、全ての負極板620が、負極基材624aの両面に負極合材層624bを有していることとした。しかし、負極板620のうち、最外層の負極板620(Y軸方向端部の負極板620)は、負極基材624aの外側の面に、負極合材層624bを有していなくてもよい。つまり、最もY軸プラス方向側の負極板620は、負極基材624aのY軸プラス方向側の面に、負極合材層624bを有していなくてもよく、最もY軸マイナス方向側の負極板620は、負極基材624aのY軸マイナス方向側の面に、負極合材層624bを有していなくてもよい。
【0083】
また、上記実施の形態及びその変形例では、電極体600は、最外層の極板は、負極板620であることとしたが、正極板610が最外層の極板であることにしてもよい。
【0084】
また、上記実施の形態及びその変形例では、正極板610及び負極板620は、X軸方向に長い長方形状を有していることとした。しかし、正極板610及び負極板620は、Z軸方向に長い長方形状やその他の多角形状、楕円形状、長円形状、円形状などでもよく、その形状は特に限定されない。
【0085】
また、上記実施の形態及びその変形例では、正極板610及び負極板620は、矩形状の正極タブ612及び負極タブ622を有していることとした。しかし、正極タブ612及び負極タブ622の形状は特に限定されず、矩形状以外の多角形状や、半円形状、半長円形状、半楕円形状など、どのような形状でもかまわない。また、正極タブ612及び負極タブ622は、極板の一部が突出したタブではなく、極板の全体が突出したタブであってもよい。
【0086】
また、上記変形例では、規制部材641~645は、突出部623とセパレータ630の端部とに跨って取り付けられていることとした。しかし、規制部材641~645は、セパレータ630には取り付けられることなく、突出部623に取り付けられていることにしてもよい。
【0087】
また、上記実施の形態及びその変形例では、電極体600は、正極板610と負極板620とセパレータ630とが積層されて形成されたスタック型の電極体であることとした。しかし、電極体600は、極板を蛇腹状に折り畳んだ蛇腹型の電極体、または、極板が巻回されて形成された巻回型電極体等であることにしてもよい。
【0088】
なお、上記実施の形態及び上記変形例を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【0089】
また、本発明は、このような蓄電素子として実現することができるだけでなく、当該蓄電素子が備える電極体600または規制部材641~645としても実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【0090】
本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子等に適用できる。
【符号の説明】
【0091】
10 蓄電素子
600 電極体
610 正極板
611 正極本体部
611a 第一正極端縁
611b 第二正極端縁
612 正極タブ
620 負極板
621 負極本体部
621a 第一負極端縁
621b 第二負極端縁
622 負極タブ
623 突出部
630 セパレータ
630a 第一セパレータ端縁
630b 第二セパレータ端縁
640、641、642、643、644、645 規制部材
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9