特許 7600557 巻回型二次電池

(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】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】巻回型二次電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20241210BHJP

   H01M 10/0587 20100101ALI20241210BHJP

   H01M 50/533 20210101ALI20241210BHJP

   H01M 4/66 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

H01M10/04 W

H01M10/0587

H01M50/533

H01M4/66 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020128218

(22)【出願日】2020-07-29

(65)【公開番号】P2022025413

(43)【公開日】2022-02-10

【審査請求日】2023-06-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】ＴＯＰＰＡＮホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100116012

【弁理士】

【氏名又は名称】宮坂 徹

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 丈太郎

【審査官】松嶋 秀忠

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－０９３５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０１６１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０６９８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１００３９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／０４－３９

Ｈ０１Ｍ ４／６４－８４

Ｈ０１Ｍ ５０／５０－５９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

正極および負極がセパレータを介して積層された電極積層体が巻回された構造の巻回型二次電池において、電極積層体が螺旋状に巻回されており、
前記電極積層体の両端の、活物質層が形成されていない余白に、円錐面状の集電体が接触して通電および熱の拡散が行われ、
前記電極積層体の両端の、前記活物質層が形成されていない余白の幅をａとした場合に、前記電極積層体は、巻芯に１回巻くあたり幅ａ分ずらして螺旋状に巻回されていることを特徴とする巻回型二次電池。

【請求項2】

前記活物質層が形成されていない余白では、前記電極積層体の基材である金属箔が露出しており、
前記集電体は、前記金属箔と接触していることを特徴とする請求項１に記載の巻回型二次電池。

【請求項3】

前記金属箔は、金、銀、ステンレス、チタン、及び白金の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項２に記載の巻回型二次電池。

【請求項4】

前記電極積層体が螺旋状に巻回された状態において、前記集電体が接触する前記電極積層体の両端は、巻き軸に対して互いに同じ方向に傾斜して傾斜面を形成していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の巻回型二次電池。

【請求項5】

前記電極積層体が螺旋状に巻回された状態において、前記集電体が接触する前記電極積層体の正極側の端部と、前記集電体が接触する前記電極積層体の負極側の端部とは、巻き軸に対して互いに同じ方向に傾斜して傾斜面を形成していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の巻回型二次電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、正極積層体と負極積層体を、セパレータを介して巻回した巻回型の二次電池に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電気の有効利用の観点から、多くの場面でリチウムイオン電池などの二次電池の活用がされるようになった。そのため、急速放充電や、大電流、大容量、高寿命などの性能向上が必要となっている。二次電池の構造は、正極と負極とセパレータからなる帯状の電極材をロール状にして電解液と共に電池ケース内に格納する巻回型が一般的に適用されている（例えば、特許文献１）。

【0003】

しかし、正極と負極とセパレータからなる帯状の電極材を巻回した二次電池は、巻回した電極内部で熱がこもりやすく、発生した熱により、電池性能が劣化するため、発生した熱を効率的に排出して温度を下げる必要があり、課題となっている。そこで、集電体の面積を拡大させ、熱伝導性の良い金属性の軸芯などから効率的に電極の熱を排出する電池構造が考案されている（例えば、特許文献２）。

【0004】

しかしながら、特許文献２に開示されている様な構造の二次電池では、金属製の軸芯の周辺の熱は放出できるが、それ以外の部分からの熱の放熱には効果的ではないという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平１０－３２１２２０号公報

【文献】特開平１０－０９２４６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、巻回型二次電池の放熱性を向上させ、熱のこもりによる性能低下を低減させることができる巻回型二次電池を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明の第一の側面は、正極および負極がセパレータを介して積層された電極積層体が巻回された構造の巻回型二次電池において、電極積層体が螺旋状に巻回されていることを特徴とする巻回型二次電池である。

【0008】

上記巻回型二次電池において、前記電極積層体の両端の、活物質層が形成されていない余白に、円錐面状の集電体が接触して通電および熱の拡散が行われるものであって良い。

【発明の効果】

【0009】

本発明の巻回型二次電池によれば、帯状の電極積層体をずらしながら螺旋状に巻回する構造なため、帯状の電極積層体の両端の、活物質層が形成されておらず金属箔が露出した部分の面積が増大して放熱面積を増大させることができ、放熱性の向上により温度上昇による電池性能の劣化を抑制することができる二次電池が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】巻回型二次電池の層構成の説明図。

【図2】巻き出しコアと巻芯の関係の模式図。

【図3】電極積層体の巻回の形状を上と横から見た断面模式図。

【図4】第１の実施形態の電極積層体の１巻き目と２巻き目の断面図。

【図5】従来の電極積層体の１巻き目と２巻き目の断面図。

【図6】ずらして巻回した電極積層体と集電部の断面図。

【図7】電池形状を示す外形略図。

【図8】第２の実施形態の層構成の説明図。

【図9】第２の実施形態の電極積層体の１巻き目と２巻き目の断面図。

【図10】第２の実施形態の電極積層体と集電部の断面図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また以下に示す実施形態では、発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定は本発明の必須要件ではない。また、同等の部材等には同一の符号を付して説明を省略することがある。

【0012】

図１は、巻回型二次電池の層構成の説明図である。図１ａは本発明の巻回型二次電池の一実施形態の層構成、図１ｂは従来の巻回型二次電池の層構成の説明図である。基本的な層構成を図１ａで説明する。基材である金属箔５の両面に正極活物質層６、または負極活物質層７を形成し、それぞれ帯状の正極１、負極２とする。

【0013】

金属箔５は、例えばアルミニウム、金、銀、銅、ニッケル、ステンレス、チタン、及び白金の複数の金属のうちの一つからなる金属箔単体、若しくは前記複数の金属のうちの２種以上の金属の合金からなるが、これらに限定されない。

【0014】

正極活物質層６は、正極活物質、導電補助剤、バインダー樹脂、分散剤などを含むことができ、正極活物質としてはリチウムイオンを吸蔵および放出可能な化合物であれば特に限定されない。正極活物質を構成する無機化合物としては、組成式Ｌｉ_ｘＭＯ_２、またはＬｉ_ｙＭ_２Ｏ_４（但し、Ｍは遷移金属、０≦ｘ≦１、１≦ｙ≦２）で表記される複合酸化物、トンネル状の空孔を有する酸化物、層状構造の金属カルコゲン化物、リチウムイオン含有のカルコゲン化合物などを例示できるが、これらに限定されない。

【0015】

負極活物質層７は、負極活物質、導電補助剤、バインダー樹脂、分散剤などを含むことができ、例えばカーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンウィスカー、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノ粒子及びナノチューブ、酸化チタン、酸化ルテニウム、アルミニウムおよびニッケルなどが例示できるが、これらに限定されない。

【0016】

各活物質層を形成する方法としては、スクリーン印刷法、金属溶射法、メッキ法、蒸着法、インクジェット法、スプレー法、グラビア印刷法、熱転写法、凸版印刷法、凹版印刷法、オフセット印刷法、スパッタ法、イオンプレーティング法またはプラズマ化学気相被着法など、公知の方法をいずれも好適に適用できる。

【0017】

活物質を塗布する領域は、正極１と負極２で反対側にそれぞれ余白を設け、余白の部分で金属箔５を露出する。余白の幅をａとする。セパレータ３、セパレータ（短）４は、正極１と負極２の活物質層上に設ける。電気的なショートのリスクを低減するため、巻回の位置制御の精度に応じてセパレータ３、セパレータ（短）４は活物質層の領域よりも若干大きくすることが望ましい。この正極１／セパレータ３／負極２／セパレータ（短）４の構造を、電極積層体８とする。従来の巻回型二次電池においても基本的には同様の層構成である。なお図１ａの本発明の巻回型二次電池と図１ｂの従来の巻回型二次電池で、帯状の部材全体の幅（図では上下方向）は同等とする。

【0018】

（第１の実施形態）
本発明の一実施形態の巻回型二次電池の正極と負極とセパレータの位置関係を図ｌａに示す。本実施形態の巻回型二次電池の電極積層体８を巻回する際、１巻きごとに余白の幅ａの分だけ幅方向（図では下方向）にずらし、正極１の外側の正極活物質層６の層にその外側に巻回される負極２の外側の負極活物質層７およびセパレータ（短）４がちょうど重なる様に巻回してゆくことで、１巻きごとに幅ａだけずれた螺旋状に巻回される。言葉のあいまいさを防ぐために付記すれば、ここで言う「螺旋」とは、回転しながら回転面に垂直な方向へ移動（上昇または下降）する三次元曲線であり、単なる渦巻ではない。

【0019】

これに対して従来一般的な、帯状の電極の端に幅ａで余白があり、ずらさずに巻回する電極の位置関係を図ｌｂに示す。電極積層体９は、正極１´／セパレータ３´／負極２´／セパレータ３´をずらさずに積層した構造であり、これを図１ｂの様に巻回すると、基材の余白部分がないため基材から放熱する部分は端面のみになる。

【0020】

図１ａに示した各層の位置関係を維持したまま、セパレータ（短）４側を内側にして、巻芯１０の負極２の余白がある側に、巻芯に１回巻くあたり幅ａ分ずらして螺旋状に巻回するには、正極１、セパレータ３、負極２、セパレータ（短）４のそれぞれの相対位置がずれないように、巻き出しコア１１の位置を制御する。巻き取りの巻芯１０の位置と合わせて制御して巻き取ることで、１回巻くあたり幅ａ分ずらして螺旋状に巻回することができる。巻き出しコア１１と巻芯１０の関係の模式図を図２に示す。

【0021】

ずらして巻回した電極積層体８とずらさずに巻回した電極積層体９との巻回の形状を上と横から見た断面模式図を、それぞれを図３ａ、図３ｂに示す。ずらして巻回すると、その外形は円筒形の上下が円錐面状の斜面となった形状になるが、ずらさない場合の単純な円筒形と比べて体積は変わらない。ずらして巻回した電極積層体８の１巻き目と２巻き目の断面を図４に示す。ずらさない通常の電極積層体９の１巻き目と２巻き目の断面を図５に示す。図５では省略しているが、一般的に集電のため電極積層体に周期的に通電タブが設置される。ずらして巻回した場合は、巻くことによって電極積層体８の位置が徐々にずれ、１巻きごとに幅ａ分ずれるが、余白が幅ａ分あるため、電極位置がずれていっても正極１と負極２の活物質層の表面は、常に全面を対向させて巻回することができる。

【0022】

螺旋状に巻回した電極積層体の正極１と負極２それぞれの余白に、集電のための円錐面状の集電体１２、１３を接触させる。図６に螺旋状にずらして２．５巻き分巻回した帯状の電極積層体と集電部１２、１３の断面図を示す。ここでは正極１が集電部１２に、負極２が集電部１３に接触している。より詳しくは、集電体１２は正極１の余白の部分で露出した金属箔５ａと、集電体１３は負極２の余白の部分で露出した金属箔５ｂと、それぞれ接触する。この円錐面部分で集電を行うとともに、電極積層体からの熱を放熱する。集電体１２、１３は導電性のある材質からなり、典型的には金属である。

【0023】

集電体１２、１３の円錐面の傾きは、電極積層体、余白の幅ａに応じて、集電体１２、１３が余白のエッジなどの部分に接触する角度にする。この時、螺旋状にずらして巻回しているので、円錐面状の集電体の中心軸と巻芯の中心軸は一致せず、わずかにずれるが、幅ａが小さい場合は、ほとんど無視できる。一例として電極積層体の厚みを０．３ｍｍ、余白を０．２ｍｍ、基材の金属箔の厚みを０．０２ｍｍとし、電極積層体の帯の長さを１００ｍ、巻芯の直径を１０ｍｍとした場合の二次電池の巻径は１９６ｍｍになる。

【0024】

上記の例で金属箔５の余白部分と側面を放熱面積とした場合、螺旋状にずらして巻回した場合とずらさずに巻回した場合の放熱面積の比較を表１に示す。螺旋状にずらして巻回することで、放熱面積は余白の分として１００ｍ×０．２ｍｍ×２（正・負）＝４０，０００ｍｍ^２だけ増え、８，０００ｍｍ^２から４８，０００ｍｍ^２と約６倍に増大している。また、上面の円形部分は、螺旋状にずらして巻回することで円錐面状になり、表面積が約１．２倍に増大している。

【0025】

【表1】

【0026】

螺旋状にずらした場合の電池形状を図７（ａ）に、ずらさないで巻回した場合の電池形状を図７（ｂ）に示す。いずれも電池を直列に３個並べたときの形状である。螺旋状にずらした場合の電池を連結させた場合、先頭以外の電池が占めるスペースは、ずらさないで巻回した場合と比べて違いはない。電池１個の体積に違いはないので、円錐面状の形状により生じた空間は別に有効に活用することができ、体積のロスは大きなものとはならない。

【0027】

電極積層体、集電体などは金属缶あるいはフレキシブルなフィルムなどの容器に封入し、容器内部を電解液で満たし、パッケージすることで二次電池の構造となる。容器は公知のものを適宜採用して適用すればよい。このとき電解液は固体電解質、またはゲル電解質でもよい。電極の活物質の材料、形成方法は上記に例示したものに限定されない。すなわち本発明は、電極が螺旋状に巻回されている構造、および円推面状の集電部の形状に特徴があり、それ以外の構成要素に関しては、本実施形態で示した例に限定されるものではない。

【0028】

（第２の実施形態）
第２の実施形態として、前述の第１の実施形態の電極積層体の基材である金属箔５のみを大きくして余白部分を拡大し、両面に活物質層がない余白部分を幅ｂで設けた電極積層体を使用した例を示す。ただし、短絡を防ぐため、セパレータ３、セパレータ（短）４は第１の実施形態よりも大きくしてある。このときの電極積層体を構成する正極１、負極２、セパレータ３、セパレータ（短）４の位置関係を図８に示す。

【0029】

余白部分は、両面に活物質層がない部分の幅をｂとし、図８に示した位置関係を維持したまま、セパレータ（短）４側を内側にして、前述の実施形態と同様に図の下側に巻芯に１回巻くあたり幅ａ分ずらして螺旋状に巻回する。

【0030】

この電極積層体８をずらして巻回した電極の１巻き目と２巻き目の断面図を図９に示す。円錐面状の集電体１２、１３を上下から金属箔５の余白に接触させた状態の断面図を図１０に示す。両面に活物質層がない余白の幅ｂの部分は、余白の裏に空間があるので、円錐面状の集電体１２、１３を金属箔５に押し当てることにより円錐面の角度に沿って金属箔５の余白の部分が折れ、余白の部分が集電体１２、１３の表面と面接触することができる。接触面積が増えることにより基材である金属箔５からの熱を集電体１２、１３にさらに効率的に排出することができる。また、延長した余白の部分は折れ曲がるため、電池の体積が増大することもない。

【0031】

本発明の電池構造では、帯状の電極積層体をずらしながら螺旋状に巻回する構造なため、帯の両端の露出した面積を増大させることで放熱面積を増大させることができ、放熱性の向上により温度上昇による電池性能の劣化を抑制することができる。また、集電体を円錐面状にすることで、電極の余白部分と集電体を接触することができ、集電体を通して、通電および排熱を行うことができる。

【符号の説明】

【0032】

１・・・正極
２・・・負極
３・・・セパレータ
４・・・セパレータ（短）
５・・・金属箔（基材）
６・・・正極活物質層
７・・・負極活物質層
８、９・・・電極積層体
１０・・・巻芯
１１・・・巻き出しコア
１２、１３・・・集電体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】