(57)【要約】【課題】  活物質層を有する第１極板と、活物質層と、活物質層上に形成されたセパレータ層とを有する第２極板と、を重ねて巻回した場合であっても、第１極板と第２極板との間で短絡が生じることを防止可能な二次電池を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明に係る二次電池は、第１極活物質層と、絶縁層と、を有する第１極板と、第２極活物質層と、活物質層上に形成されたセパレータ層と、を有する第２極板とを互いに重ね合わせて巻回してなる二次電池であって、第１極板は、長手方向両端の側面第１極集電箔露出部を有し、第２極板は、長手方向の側面第２極集電箔露出部を有し、第２極集電箔露出部は、第１極板の絶縁層と重なるよう巻回され、第１極板の長手方向両端は、少なくとも２回内側に折り曲げられた状態で、負極板と巻回されてなる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の第１極集電箔と、前記第１極集電箔の表面上に設けられた第１極活物質層と、を有する第１極板と、
帯状の第２極集電箔と、前記第２極集電箔の表面上に設けられた第２極活物質層と、前記第２極活物質層上に形成されたセパレータ層と、を有する第２極板と、
を、互いに重ね合わせて巻回してなる二次電池であって、
前記第１極板は、
前記第１極集電箔と前記第１極活物質層とを有する第１塗工部と、
前記第１塗工部に対して幅方向の一方側に前記第１極集電箔が突出した、第１極活物質層を有しない、第１非塗工部と、
長手方向両端の側面に第１極集電箔が露出した第１極集電箔露出部と、
を有し、
前記第１非塗工部のうち、前記第１塗工部に隣接する箇所に絶縁層が形成されており、
前記第２極板は、
前記第２極集電箔と前記第２極活物質層と前記セパレータ層とを有する第２塗工部と、
前記第２塗工部に対して幅方向の一方側に前記第２極集電箔が突出した、前記第２極活物質層を有しない、第２非塗工部と、
長手方向に延びる前記第２塗工部側端部の側面に第２極集電箔が露出した第２極集電箔露出部と、
を有し、
前記第２極板は、前記第１極板よりも、長手方向に大きく、
前記第１極板と前記第２極板とは、前記塗工部同士が重なり合い、前記第１非塗工部と前記第２非塗工部とが前記塗工部に対して幅方向の反対側に突出し、かつ、前記第２極集電箔露出部が、前記第１極板の前記絶縁層と重なる位置に配置されるように巻回され、
前記第１極板は長手方向両端に、第１の折り返し部と、前記第１の折り返し部より長手方向内側にて、前記第１の折り返し部と同じ向きに折り返された第２の折り返し部と、を有し、
前記第１極集電箔露出部が前記第２の折り返し部の内側に対面した状態で、第２極板と巻回されている、
ことを特徴とする二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータ層を一方の電極板の活物質層上に一体に設けた電極板を巻回してなる二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池などの電池は、イオンが透過可能なセパレータを正負の電極板同士の間に介在させ、形成される。また、セパレータを、少なくとも一方の電極板上に、一体に形成したセパレータ一体電極板も知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、集電箔上に設けられた活物質層と、活物質層上にイオンが透過可能なセパレータ層が形成されたセパレータ一体の負極板を、正極板と重ね合わせて形成されたリチウムイオン二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−６０６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、セパレータ層を直接活物質層上に一体に形成すると、絶縁部材であるセパレータを別部材として正極板と負極板の間に挟みこむ場合と異なり、セパレータ層は活物質層上に形成される。そのため、セパレータを正極板や負極板よりも大きくすることができない。負極板の長手方向にのびる活物質層が形成された側の端部の側面および正極板の長手方向両端の側面は集電箔が露出しているため、セパレータが正極板や負極板よりも大きくない場合、巻回時に正極板および負極板の側面の集電箔の露出した部位が極近接し、電極板間が短絡する可能性があった。
【０００６】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、活物質層を有する第１極板と、活物質層と、活物質層上に形成されたセパレータ層とを有する第２極板と、を重ねて巻回した場合であっても、第１極板と第２極板との間で、短絡が生じることを防止可能な二次電池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】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の一態様は、帯状の第１極集電箔と、前記第１極集電箔の表面上に設けられた第１極活物質層と、を有する第１極板と、帯状の第２極集電箔と、前記第２極集電箔の表面上に設けられた第２極活物質層と、前記第２極活物質層上に形成されたセパレータ層と、を有する第２極板と、を、互いに重ね合わせて巻回してなる二次電池であって、前記第１極板は、前記第１極集電箔と前記第１極活物質層とを有する第１塗工部と、前記第１塗工部に対して幅方向の一方側に前記第１極集電箔が突出した、第１極  活物質層を有しない、第１非塗工部と、長手方向両端の側面に第１極集電箔が露出した第１極集電箔露出部と、を有し、前記第１非塗工部のうち、前記第１塗工部に隣接する箇所に絶縁層が形成されており、前記第２極板は、前記第２極集電箔と前記第２極活物質層と前記セパレータ層とを有する第２塗工部と、前記第２塗工部に対して幅方向の一方側に前記第２極集電箔が突出した、前記第２極活物質層を有しない、第２非塗工部と、長手方向に延びる前記第２塗工部側端部の側面に第２極集電箔が露出した第２極集電箔露出部と、を有し、前記第２極板は、前記第１極板よりも、長手方向に大きく、前記第１極板と前記第２極板とは、前記塗工部同士が重なり合い、前記第１非塗工部と前記第２非塗工部とが前記塗工部に対して幅方向の反対側に突出し、かつ、前記第２極集電箔露出部が、前記第１極板の前記絶縁層と重なる位置に配置されるように巻回され、前記第１極板は長手方向両端に、第１の折り返し部と、前記第１の折り返し部より長手方向内側にて、前記第１の折り返し部と同じ向きに折り返された第２の折り返し部と、を有し、前記第１極集電箔露出部が前記第２の折り返し部の内側に対面した状態で、第２極板と巻回されている、
二次電池である。
【０００８】
本発明に係る二次電池の第１極板は、長手方向両端は同じ向きに折り返された第１の折り返し部と第２の折り返し部とを有し、第１極集電箔が露出した第１極集電箔露出部が、第２の折り返し部の内側に対面した状態で、第２極板と巻回されている。そのため、長手方向に延びる活物質層が形成された側の側面に第２極集電箔露出部を有する第２極板と重ねて巻回した場合であっても、第１極板の長手方向両端の側面の第１極集電箔露出部と、第２極板の第２極集電箔露出部とが接触することはない。また、第２極集電箔露出部は、第１極板の絶縁層と重なる位置に配置されるように巻回されている。よって、第１極板と第２極板の短絡を防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、活物質層上にセパレータを一体に形成した第２極板と、活物質層を有する第１極板を重ねて巻回しても、第１極板と第２極板との短絡が抑制された二次電地を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係るリチウムイオン二次電池の縦断面図である。
【図２】実施形態に係る正極板と負極板の巻回前の概略図である。
【図３】実施形態に係る正極板と負極板の巻回前の断面図である。
【図４】実施形態に係る長手方向両端の正極板を示す概略図である。
【図５】実施形態に係る正極板の製造工程を説明する説明図である。
【図６】実施形態に係る正極板の切断ラインを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図１に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」ともいう）１の縦断面図を示す。
【００１３】
電池１は、ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、電気自動車等の車両などに搭載される角型で密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池１は、電池ケース１０と、この内部に収容された積層型の電極体２０と、電池ケース１０に支持された正極端子部材５０及び、負極端子部材６０等から構成される（図１参照）。また、電池ケース１０内には、非水電解液（電解液）１９が収容されており、その一部は電極体２０内に含浸されている。
【００１４】
このうち電池ケース１０は、直方体箱状で金属（本実施形態ではアルミニウム）からなる。この電池ケース１０は、上側のみが開口した有底角筒状のケース本体部材１１と、このケース本体部材１１の開口を閉塞する形態で溶接された矩形板状のケース蓋部材１３とから構成される。ケース蓋部材１３には、アルミニウムからなる正極端子部材５０がケース蓋部材１３と絶縁された状態で固設されている。この正極端子部材５０は、電池ケース１０内で積層型の電極体２０のうち、正極板３０の正極集電部３０ｍに接続し導通する一方、ケース蓋部材１３を貫通して電池外部まで延びている。また、ケース蓋部材１３には、銅からなる負極端子部材６０がケース蓋部材１３と絶縁された状態で固設されている。この負極端子部材６０は、電池ケース１０内で電極体２０のうち負極板４０の負極集電部４０ｍに接続し導通する一方、ケース蓋部材１３を貫通して電池外部まで延びている。
【００１５】
次に、電極体２０について説明する。電極体２０は、正極板３０と負極板４０とを重ね合わせた後、巻回されてなる。図２に、本実施形態に係る正極板３０と負極板４０の巻回前の概略図を示す。図３に、図２のＡ−Ａ断面図を示す。
【００１６】
正極板３０は、正極集電箔３１と、絶縁層３３と、正極活物質層３２と、から構成されている。正極板３０は、正極集電箔３１の表面に正極活物質層３２が塗工された正極活物質層塗工部３８と、正極活物質層塗工部３８に対して幅方向の一方側に正極集電箔３１が突出した、正極活物質層３２を有しない、正極活物質層非塗工部３９と、を有している。正極板３０は、図２において左右方向に長いものである。
【００１７】
正極活物質層３２は、本実施形態においては、正極集電箔３１の正極活物質層塗工部３８の両面に形成されている。正極活物質層３２は少なくとも、正極活物質３２ａおよび正極結着材３２ｂを含むものである。正極活物質３２ａは、電池における充放電に寄与するものである。また、正極結着材３２ｂは、正極活物質層３２を構成する材料を、互いに結着させて正極活物質層３２を形成するとともに、その正極活物質層３２を正極集電箔３１に結着させるためのものである。
【００１８】
正極活物質３２ａとしては、例えば、ニッケル、マンガン、コバルトを有する三元系の活物質が用いられる。正極結着材３２ｂとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）が用いられる。正極集電箔３１としては、例えば、アルミニウム箔等の金属箔が用いられる。絶縁層３３としては、例えば、絶縁性金属酸化物が用いられる。
【００１９】
正極板３０には、正極集電箔３１上に、図２において上から、正極活物質層３２、絶縁層３３が順に形成されている。絶縁層３３は、正極活物質層非塗工部３９のうち、正極活物質層塗工部３８に隣接する箇所に形成されている。また、正極板３０の長手方向両端は、後述するように同じ向きに折り曲げられた第１の折り返し部と第２の折り返し部とを有している。
【００２０】
負極板４０は、負極集電箔４１と、負極活物質層４２と、セパレータ層４４と、から構成されている。負極板４０は、負極集電箔４１の表面に負極活物質層４２が塗工され、セパレータ層４４を有する負極活物質層塗工部４８と、負極活物質層塗工部４８に対して幅方向の一方側に負極集電箔４１が突出した、負極活物質層４２を有しない、負極活物質層未塗工部４９と、を有している。負極板４０は、図２において左右方向に長いものである。
【００２１】
負極活物質層４２は、本実施形態においては、負極集電箔４１の負極活物質層塗工部４８の両面に形成されている。負極活物質層４２は少なくとも、負極活物質４２ａおよび負極結着材４２ｂを含むものである。負極活物質４２ａは、電池における充放電に寄与するものである。また、負極結着材４２ｂは、負極活物質層４２を構成する材料を、互いに結着させて負極活物質層４２を形成するとともに、その負極活物質層４２を負極集電箔４１に結着させるためのものである。
【００２２】
負極活物質４２ａとしては、例えば、天然黒鉛粒子が用いられる。負極結着材４２ｂとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）とを混錬したものが用いられる。負極集電箔４１としては、例えば、銅箔等の金属箔が用いられる。セパレータ層４４としては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を主成分とした多孔質膜を相分離法により、成膜したものが用いられる。
【００２３】
負極板４０には、負極集電箔４１上に、負極活物質層４２と、セパレータ層４４と、が形成されている。また、セパレータ層４４は、図３に示すように、負極活物質層塗工部４８の両面に形成された負極活物質層４２を包み込むように、負極活物質層非塗工部４９にわたって形成されている。一方で、負極板４０の長手方向の延びる負極活物質層塗工部４８側端部の側面には、負極活物質層４２およびセパレータ層４４は形成されていない。そのため、負極板４０は長手方向に延びる負極活物質層塗工部４８側端部の側面に負極集電箔４１が露出した負極集電箔露出部４５を有する。
【００２４】
正極活物質層３２は、負極活物質層４２よりも、図３の上下方向に小さく形成されている。また、正極板３０と負極板４０とは、正極活物質層塗工部３８と負極活物質層塗工部４８同士が重なり合い、正極活物質層非塗工部３９と負極活物質層非塗工部４９とが活物質層塗工部３８、４８に対して幅方向の反対側に突出し、負極集電箔露出部４５と正極板３０の絶縁層３３が、重なる位置に配置されている。このように構成することで、正極板３０と負極板４０とを巻回したときに、負極集電箔露出部４５は正極板３０の絶縁層３３と接触するため、正極板３０と負極板４０とが短絡することが防止される。
【００２５】
また、負極板４０は、正極板３０よりも、長手方向に大きい。そのため、負極板４０と正極板３０を重ねて巻回すると、負極板４０の負極集電箔露出部４５と、後述する正極板の第２の折り返し部３７が極近接する。
【００２６】
次に、図４を用いて、正極板３０の長手方向両端の同じ向きに折り曲げられた第１の折り返し部３６と第２の折り返し部３７について説明する。
【００２７】
正極板３０の長手方向両端の側面は、正極活物質層３２および絶縁層３３が形成されていない。そのため、正極板３０は、長手方向両端の側面に、正極集電箔３１が露出した正極集電箔露出部３５を有する。
【００２８】
正極板３０は長手方向の両端に、少なくとも２回、同じ向きに内側に折り曲げられ、第１の折り返し部３６と第２の折り返し部３７とを有している。第２の折り返し部は、第１の折り返し部より、長手方向内側にて第１の折り返し部と同じ向きに折り返されている。正極集電箔露出部３５は第２の折り返し部３７の内側に対面している。よって、正極板３０と負極板４０とを重ねて巻回しても、負極集電箔露出部４５と正極集電箔露出部３５とが極近接し、短絡することを防止することができる。
【００２９】
次に、正極板３０の長手方向両端を折り曲げる工程について説明する。図５に、正極板３０を切断し、正極板３０の長手方向両端の側面を折り曲げる工程の概略図を示す。
【００３０】
正極板３０は、電池１を製造するのに必要な量だけ引き出された後、後述する切断ラインＣＬ１で、Ｕ字型に切断される（図５（ａ））。切断は、例えば、金型またはレーザを用いて行われる。また、正極板３０の必要量は、負極板４０の長手方向の長さよりも短く設定されている。正極板３０と負極板４０の容量比を合わせるためである。
【００３１】
次に、Ｕ字型に切断された正極板３０は左右に分断されるように、切断ラインＣＬ２で切断される（図５（ｂ））。切断は、Ｕ字型の切断と同様に、例えば、金型またはレーザを用いて行われる。
【００３２】
その後、先ほどＵ字型に切断された側の反対側も、同様にＵ字型に切断された後、正極板３０は左右に分断されるように切断される。このようにして、長手方向両端がＬ字型のシート状の正極板３０が得られる。（図５（ｃ））。この時、正極集電箔露出部３５は、正極板３０の長手方向両端の側面に露出している。
【００３３】
次に、正極板３０のＬ字部分は、正極集電箔露出部３５が折り目の内側にくるように、同じ向きに少なくとも２回折り曲げられる（図５（ｄ））。正極集電箔露出部３５は第２の折り返し部３７の内側に対面している。そのため、正極板３０と負極板４０とを重ねて巻回しても、負極集電箔露出部４５と正極集電箔露出部３５とが接触することを防止することができる。
【００３４】
続いて、正極板３０をＵ字型に切断する、切断ラインＣＬ１の正極板３０に対する位置について説明する。図６に、正極板３０の切断ラインＣＬ１の位置を説明する説明図を示す。
【００３５】
Ｕ字型の切断ラインＣＬ１の正極板３０の幅方向の切断位置ＣＷは、絶縁層３３と正極活物質層３２との境界線ＢＬよりも、正極活物質層３２側に設けられている。電極体２０は、正極板３０の絶縁層３３と負極集電箔露出部４５が重なる位置に配置されるように巻回されてなる。絶縁層３３側に切断位置ＣＷがある場合、その切断面に正極集電箔３１が露出する。そのような正極板３０を巻回すると、切断面に露出した正極集電箔３１と、負極集電箔露出部４５とが接触して、短絡を生じる可能性がある。よって、切断位置ＣＷは、絶縁層３３と正極活物質層３２との境界線ＢＬよりも、正極活物質層３２側に設けられる。
【００３６】
好ましくは、切断位置ＣＷは境界線ＢＬ上に設けられている。これは、正極板３０がＬ字型に切り出された部分に、正極活物質層３２が存在すると、正極板３０と負極板４０の容量比を所望の値とすることができなくなるためである。
【００３７】
本実施形態の電池１の電極体２０は、上述のように正極板３０の長手方向両端の側面が、同じ向きに少なくとも２回折り曲げられた状態で、負極板４０と巻回されている。第２の折り返し部３７は、第１の折り返し部３６より長手方向内側にて第１の折り返し部３６と同じ向きに折り返されている。そのため、正極集電箔露出部３５は第２の折り返し部３７の内側に対面している。また、負極集電箔露出部４５は、正極板３０の絶縁層３３と接触するように重ね合わされる。その結果、負極活物質層４２上にセパレータ層４４を一体に設けた負極板４０と、正極板３０を巻回しても、正極板３０と負極板４０の短絡を防止することができる。
【００３８】
また、本発明の発明者は、本発明の効果を確認するため、以下に示す実験を行った。本実験では、上記の実施形態に係る実施例と、上記の実施形態とは異なる比較例とにより、本発明の効果を確認した。表１に、実施例および比較例のそれぞれの条件、および結果を示す。
【００３９】
【表１】
2020149864.tif 000003
【００４０】
表１に示した、「正極板の折り返し」の「あり」、「なし」、とは、実験で用いた正極板の長手方向両端が、実施形態で説明したように正極集電箔露出部が折り目の内側にくるように、同じ向きに少なくとも２回折り曲げられているものが使用されているか、否かを意味する。
【００４１】
表１に示した、境界線からの距離、とは実施形態で説明した、切断位置ＣＷと境界線ＢＬとの距離を意味する。すなわち、境界線からの距離が小さいということは、切断位置ＣＷが境界線ＢＬに近いということを意味する。
【００４２】
短絡不良率については、実施例１，２および比較例の条件で作成された正極板を用いて、複数の巻回体を作成し評価した。負極板についてはいずれも実施形態で説明したものを用いた。具体的には、作成した正極板と負極板とを重ね合わせて巻回し、その全面を５００Ｎで拘束した。拘束した状態で、４００Ｖの電圧を正負極間に印加し、短絡の有無を評価し、短絡不良率を算出した。
【００４３】
容量維持率については、実施例１，２および比較例の条件で作成された正極板と、実施形態で説明した負極板と、を用いて、電池を作成し評価した。具体的には、作成した電池の充放電を３Ｖから４Ｖまで電流レート３Ｃで１００サイクル繰り返し実施した。１サイクル目と１００サイクル目の容量の比率を、容量維持率として算出した。
【００４４】
実施例１，２はいずれも、正極板の長手方向両端が同じ向きに少なくとも２回、内側に折り曲げた正極板を用いている。そのため、正極集電箔露出部は第２の折り目の内側に対面している。また、実施例１のほうが実施例２よりも境界線に近い位置で切断されている。
【００４５】
一方、比較例は長手方向両端を折り曲げていない正極板を用いている。折り曲げる必要がないため、比較例の正極板は、切断ラインＣＬ１で切断されていない。そのため、境界線ＢＬからの距離については表１に記載していない。
【００４６】
短絡不良率については、実施例１、２はともに短絡不良率が０％であった。これは、正極板の長手方向両端が折り曲げられた結果、正極板と負極板とが接触していないことを意味する。一方で、比較例は、短絡不良率が１００％であった。これは、正極板と負極集板とが接触していることを意味する。
【００４７】
容量維持率については、実施例２のほうが、実施例１よりも低かった。これは、実施例２の境界線からの距離が、実施例１よりも長いことに起因する。切断位置ＣＷから境界線ＢＬまでの間には、正極活物質が残っている。そのため、正極と負極の容量比が崩れ、正極過多となる。結果として、充放電を繰り返すことにより、微量のリチウムが負極に析出し、容量維持率が低下したと考えられる。また、比較例については、短絡不良が発生したため、容量維持率の測定は実施しなかった。
【００４８】
これらの結果から、正極板の長手方向両端を折り曲げた電極を用いた実施例１，２のいずれにおいても、正極板と負極板との短絡を防止することできることが確認された。
【００４９】
一方、正極板の長手方向両端を折り曲げていない電極を用いた比較例では、正極板と負極板との短絡を、防止することができないことが確認された。
【００５０】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。例えば、上記の実施形態では、正極板に絶縁層を形成し、負極活物質層上にセパレータ層を一体形成する場合について説明したが、負極板に絶縁層を形成し、正極活物質層上にセパレータ層を形成してもよい。上記の実施形態では、正極板の製造工程で正極集電箔露出部を、少なくとも２回折り曲げる場合について説明したが、正極板の製造工程では、正極板の正極集電箔露出部を丸めるようにしても良い。最終的に、電極体を構成した時に、丸められた部分が押しつぶされて、正極集電箔露出部が少なくとも２回内側に折り曲げられ、第１の折り返し部と第２の折り返し部とが形成されていればよい。上記の実施形態では、正極と負極の容量比を調整するため正極板をＵ字型に切断する場合について説明したが、Ｕ字型に切断することなく、正極板の長手方向両端が少なくとも同じ向きに２回内側に折り曲げられ、第１の折り返し部と第２の折り返し部とが形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  リチウムイオン二次電池
２０  電極体
３０  正極板
３１  正極集電箔
３２  正極活物質層
３３  絶縁層
３５  正極集電箔露出部
３６  第１の折り返し部
３７  第２の折り返し部
３８  正極活物質層塗工部
３９  正極活物質層非塗工部
４０  負極板
４１  負極集電箔
４２  負極活物質層
４４  セパレータ層
４５  負極集電箔露出部
４８  負極活物質層塗工部
４９  負極活物質層非塗工部
【図１】
2020149864.tif 000004
【図２】
2020149864.tif 000005
【図３】
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【図４】
2020149864.tif 000007
【図５】
2020149864.tif 000008
【図６】
2020149864.tif 000009