(57)【要約】【課題】極板及びセパレータ間の隙間の発生を抑制できる蓄電素子の提供を目的とする。【解決手段】本発明の蓄電素子は、芯材と、極板とセパレータとを有する電極体と、を備え、前記電極体は前記芯材に巻回され、前記芯材は、前記電極体の巻回軸と平行な第一方向と、前記第一方向と垂直な第二方向とに延び、前記芯材は、前記電極体が巻回された領域の、前記第一方向における中央部の前記第二方向の寸法が、前記第一方向における両端部の前記第二方向の寸法よりも大きい。【選択図】図１
2018055918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材と、
極板とセパレータとを有する電極体と、
を備え、
前記電極体は前記芯材に巻回され、
前記芯材は、前記電極体の巻回軸と平行な第一方向と、前記第一方向と垂直な第二方向とに延び、
前記芯材は、前記電極体が巻回された領域の、前記第一方向における中央部の前記第二方向の寸法が、前記第一方向における両端部の前記第二方向の寸法よりも大きい、
蓄電素子。
【請求項２】
前記芯材は、前記第一方向及び前記第二方向と直交する第三方向から見て、前記第一方向に延びる辺が円弧状に突出している請求項１に記載の蓄電素子。
【請求項３】
前記芯材は、前記電極体が巻回された領域の、前記第一方向における両端部の前記第二方向の寸法に対する、前記第一方向における中央部の前記第二方向の寸法の比が、１．０２以上１．２０以下である請求項１又は請求項２に記載の蓄電素子。
【請求項４】
前記芯材と前記電極体とを収容する外装体と、
前記外装体と前記電極体との間に介在するスペーサと、
をさらに備える請求項１、請求項２又は請求項３に記載の蓄電素子。
【請求項５】
前記スペーサが弾性体である請求項４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、蓄電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池に代表される二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。
【０００３】
前記二次電池として、例えば、特許文献１には、負極板と正極板（以下、「極板」いうことがある）とをセパレータを介して巻回した電極体を外装体内に収容した非水電解質二次電池が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０６６２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記電極体は、充放電により極板（具体的には、極板に含まれる活物質）が膨張及び収縮するため、部分的に極板間の距離が大きくなることがある。極板間の距離（隙間）が部分的に大きくなると局所的に分極が増大し、リチウムの電析や容量低下を引き起こす。その結果、二次電池のサイクル寿命が小さくなるという不都合がある。また、前記電極体は、負極板と正極板とがセパレータを介して扁平状に巻回されている。すなわち、前記電極体は、極板及びセパレータが折り返された一対の対向する湾曲部を有する。本願の発明者らは、鋭意検討の結果、湾曲部における電極体の巻回軸方向中央部で、極板間の隙間が特に生じやすいことを見出した。本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、極板及びセパレータ間の隙間の発生を抑制できる蓄電素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するためになされた発明は、芯材と、極板とセパレータとを有する電極体と、を備え、前記電極体は前記芯材に巻回され、前記芯材は、前記電極体の巻回軸と平行な第一方向と、前記第一方向と垂直な第二方向とに延び、前記芯材は、前記電極体が巻回された領域の、前記第一方向における中央部の前記第二方向の寸法が、前記第一方向における両端部の前記第二方向の寸法よりも大きい、蓄電素子である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の蓄電素子は、極板及びセパレータ間の隙間の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態における蓄電素子を第三方向から見た模式的断面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線での模式的断面図である。
【図３】図３は、図１とは異なる実施形態における蓄電素子を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る蓄電素子について図面を参照しつつ詳説する。
【００１０】
［第一実施形態］
図１は、本発明の一実施形態の蓄電素子１０を示すものである。本実施形態に係る蓄電素子１０は、充放電可能な二次電池である。例えば、蓄電素子１０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。しかしながら、蓄電素子１０は、非水電解質二次電池に限定されず、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く、非水電解質二次電池以外の二次電池であってもよく、またキャパシタであってもよい。
【００１１】
＜電極体＞
電極体２は、図１に示すように、極板（正極板３ａ及び負極板３ｂ）とセパレータ４とを有する。具体的には、電極体２は、正極板３ａと負極板３ｂとが間にセパレータを介した状態で、芯材１に巻回されて構成される。
【００１２】
＜極板＞
正極板３ａは、アルミニウム合金箔等からなる正極集電基材と、正極集電基材の表面に積層され、正極活物質を含有する正極合剤層とを含む。正極活物質は、特に限定されるものではなく、種々の正極活物質を用いることができる。例えば、正極活物質としては、容量が高いという点から、ＬｉｘＮｉ１−ｙＭ’ｙＯ２−ｚＸｚ（Ｍ’は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ及びそれらの合金から選択される少なくとも１つの金属であり、Ｘは、Ｏ、Ｆ、Ｓ及びＰから選択される元素であり、０．９≦ｘ≦１．１、０≦ｙ≦０．５及び０≦ｚ≦２）が好ましい。また、正極の充電上限電位を４．３Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以上で使用する方が高容量を得られるため好ましい。高容量の正極活物質は、膨張収縮の程度が比較的大きいので、極板間の距離が大きくなりやすいため、本発明の効果が顕著に奏される。正極合剤層は、必要に応じてバインダー、導電助剤や増粘剤等を含んでいてもよい。
【００１３】
負極板３ｂは、銅合金箔等からなる負極集電基材と、負極集電基材の表面に積層され、負極活物質を含有する負極合剤層とを含む。負極活物質は、特に限定されるものではなく、種々の負極活物質を用いることができる。高容量という観点から、負極活物質として、グラファイト、ケイ素又は錫を含む合金を含むことが好ましい。高容量の負極活物質は、膨張収縮の程度が相対的に大きいので、極板間の距離が大きくなりやすいため、本発明の効果が顕著に奏される。負極合剤層は、必要に応じてバインダー、導電助剤や増粘剤等を含んでいてもよい。
【００１４】
負極集電基材及び正極集電基材の平均厚さは、特に限られないが、例えば、５μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。また、正極合剤層及び負極合剤層の平均厚さも特に限られないが、例えば、４０μｍ以上１５０μｍであってもよい。両面塗工の正極板３ａ及び負極板３ｂの平均厚さ（すなわち、集電箔と合剤の合計の平均厚さ）としては、例えば８５μｍ以上３３０μｍ以下とできる。
【００１５】
電極体２の巻回軸方向を第一方向（図１におけるＸ方向）とした場合、正極板３ａ及び負極板３ｂの第一方向（Ｘ方向）の端部にはそれぞれ活物質が形成されない集電基材が露出した領域が形成され、この領域にそれぞれ正極集電体及び負極集電体（図示省略）がクリップによる挟持や溶接等によって電気的に接続される。さらに、これらの正極集電体及び負極集電体はそれぞれ正極端子及び負極端子（図示省略）に接続される。
【００１６】
＜セパレータ＞
セパレータ４としては、例えば織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が用いられる。これらの中でも多孔質樹脂フィルムが好ましい。多孔質樹脂フィルムの主成分としては、強度の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましい。
【００１７】
セパレータ４として、片面又は両面に多孔質の絶縁層が積層された多孔質樹脂フィルムを用いてもよい。前記絶縁層としては、例えば無機酸化物を含有する多孔質層、樹脂ビーズを含有する多孔質層、アラミド樹脂等の耐熱性樹脂を含有する多孔質層等を採用することができる。これらの中でも、無機酸化物を含有する多孔質層が好ましい。絶縁層は、必要に応じてバインダーや増粘剤等を含んでいてもよい。絶縁層に含有されるバインダーや増粘剤としては、それぞれ特に制限されず、例えば正極又は負極の活物質層に用いられるものと同様のものを用いることができる。
【００１８】
セパレータ４の平均厚さとしては、例えば６μｍ以上５０μｍ以下とできる。電極体２は、扁平な形状を有する。より具体的には、図２で示すように、電極体２は、第一方向視（Ｘ方向視）において、対向する一対の湾曲部と、対抗する一対の平坦部とを有する。すなわち、電極体２の一対の平坦部は、一対の湾曲部によって接続されている。
【００１９】
＜芯材＞
芯材１は、外面に電極体２が巻回されており、電極体２の巻回軸と平行な第一方向（図中Ｘ方向）と、前記第一方向と垂直な第二方向（図中Ｙ方向）とに延びる板状体である。芯材１は、第一方向及び第二方向と直交する第三方向（図中Ｚ方向）から見て、第一方向及び第二方向に線対称な形状を有する。
【００２０】
芯材１は、電極体２が巻回された領域の、第一方向における中央部の第二方向の寸法Ｄ１が、第一方向における両端部の第二方向の寸法Ｄ２よりも大きい。芯材１がこのような形状を有することで、電極体２の第一方向（巻回軸方向）における中央部が芯材１により内面側から押圧されるため、極板とセパレータとに第一方向へのテンションが加わり、極板間の隙間の発生を抑制できる。なお、電極体２が巻回された領域の第一方向における中央部とは、具体的には、電極体２の第一方向における中央を起点として、電極体２のそれぞれの端部に向かって、電極体２の長さ（第一方向の寸法）の４分の１の領域をいう。すなわち、中央部は、電極体２の２分の１の長さを有する。
【００２１】
また、芯材１は、第二方向の寸法（幅）が第一方向の両端から中央に向かって漸増している。具体的には、芯材１は、第三方向から見て、第一方向に延びる辺が第二方向に円弧状に突出している。このように第一方向に延びる辺が第二方向に円弧状に突出することで、端部から中央部に向けてこの辺の芯材１の外面が滑らかに連続するので、電極体２の積層方向における隙間の発生を効果的に抑えることができると共に、電極体２を巻回し易い。なお、芯材１の第二方向へ突出する部分は、前記第一方向に延びる辺全体であってもよいし、前記第一方向に延びる辺の一部だけでもよいが、第一方向に延びる辺全体が突出することが好ましい。
【００２２】
芯材１において、前記寸法Ｄ２に対する前記寸法Ｄ１の比Ｄ１／Ｄ２の下限としては、１．０２が好ましく、１．０３がより好ましく、１．０５がさらに好ましい。一方、前記比Ｄ１／Ｄ２の上限としては、１．２０が好ましく、１．１８がより好ましく、１．１５がさらに好ましい。前記比Ｄ１／Ｄ２を前記範囲とすることで、極板とセパレータとの隙間の発生を効果的に抑制できる。
【００２３】
なお、芯材１は、第一方向における中央部の第二方向の寸法Ｄ１が第一方向における両端部の第二方向の寸法Ｄ２よりも大きければ、前記寸法Ｄ１が第二方向の最大寸法でなくてもよい。つまり、第一方向における中央部以外に最も第二方向の寸法（幅）が大きい部分があってもよい。ただし、前記中央部での極板とセパレータとの間の隙間の発生を抑制する観点からは、前記寸法Ｄ１が第二方向の最大寸法であること、つまり前記中央部で第二方向の寸法が最大になっていることが好ましい。
【００２４】
芯材１の材質としては、絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、弾性体が好ましい。芯材１が弾性体であることで、極板の厚さ方向の膨張が吸収され、隙間発生の低減効果を促進することができる。具体的な芯材１の材質としては、例えば、樹脂が挙げられる。樹脂としては、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂（ＡＢＳ）、メタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等を挙げることができる。
【００２５】
芯材１の弾性率の下限としては、１８０ＭＰａが好ましく、１０００ＭＰａがより好ましく、１１００ＭＰａがさらに好ましい。一方、芯材１の弾性率の上限としては、４２００ＭＰａが好ましく、３０００ＭＰａがより好ましく、１６００ＭＰａがさらに好ましい。芯材１の弾性率を前記範囲とすることで、強度と膨張吸収効果とをバランスよく発揮させることができる。なお、弾性率とは、ＪＩＳ−Ｋ−７１６１−１（２０１４年）に準拠して測定される値である。
【００２６】
なお、芯材１の内部構造は、特に限定されない。芯材１は、中実構造であってもよく、中空構造であってもよい。蓄電素子の軽量化の観点からは、中空構造が好ましい。
【００２７】
電極体２の内周面は、芯材１の外面に密接していることが好ましいが、部分的に隙間があってもよい。
【００２８】
電極体２の中央部での第二方向の寸法（厚さ）ｄ１に対する第一方向における両端部での第二方向の寸法（厚さ）ｄ２の比ｄ２／ｄ１の下限としては、０．９５がより好ましく、０．９８がより好ましく、０．９９がさらに好ましい。
【００２９】
なお、電極体２の中央部に極板及びセパレータ４を厚み方向（巻回体の半径方向）に挟持する部材を取り付けてもよい。このような部材としては例えばクリップが好適に使用でき、クリップによって電極体２の中央部を厚み方向に押圧することで、中央部の膨張による隙間の発生を抑制することができる。
【００３０】
当該蓄電素子１０は、芯材１が電極体２の巻回軸と平行な第一方向と、第一方向と垂直な第二方向とに延び、さらに電極体２が巻回された領域の第一方向における中央部の第二方向の寸法が、第一方向における両端部の第二方向の寸法よりも大きいため、第一方向中央部での電極体２における巻回体の半径方向（厚み方向）の隙間の発生を低減できる。
【００３１】
［第二実施形態］
図３は、本発明の別の実施形態の蓄電素子２０を示すものであり、前記第一実施形態の電極体２を外装体に収容したものである。当該蓄電素子２０は、図３に示すように芯材１と、極板（正極板３ａ及び負極板３ｂ）とセパレータ４とを有する電極体２と、芯材１と電極体２とを収容する外装体５と、外装体５と電極体２との間に介在するスペーサ６とを備える。芯材１、極板及びセパレータ４は、図１の蓄電素子１０と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
＜外装体＞
外装体５は、芯材１と電極体２とを収容する直方体状の筐体である。外装体５は、後述する電解液に耐性を有する材料によって形成される。具体的には、外装体５は、例えば、アルミニウム、又はアルミニウム合金で形成される。また、外装体５は、少なくとも１層の絶縁層を含む材料から構成されることとしてもよい。この材料としては、樹脂フィルムと金属箔とを接着した金属樹脂複合フィルムが好適に使用できる。また、外装体５には、外部と通電する端子（図示省略）等が設けられている。
【００３３】
当該蓄電素子２０を非水電解質二次電池に用いる場合、外装体５内には、非水電解質（電解液）が充填される。電解質は特に限定されず、公知ものを用いることができる。
【００３４】
＜スペーサ＞
スペーサ６は、外装体５と電極体２の湾曲部との間に介在する。スペーサ６は、電極体２の湾曲部の第一方向全体を覆うように配置されてもよいが、少なくとも電極体２の湾曲部の第一方向中央部と外装体５との第二方向における間に配置されることが好ましい。このスペーサ６により、電極体２の湾曲部の厚さ方向の膨張がさらに抑制され、隙間の発生がより一層低減できる。
【００３５】
スペーサ６の材質としては、絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、弾性体が好ましい。スペーサ６が弾性体であることで、極板の厚さ方向の膨張が吸収され、隙間発生の低減効果を促進することができる。具体的なスペーサ６の材質としては、例えば、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂（ＡＢＳ）、メタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等を挙げることができる。
【００３６】
スペーサ６の弾性率の下限としては、１８０ＭＰａが好ましく、１０００ＭＰａがより好ましく、１１００ＭＰａがさらに好ましい。一方、スペーサ６の弾性率の上限としては、４２００ＭＰａが好ましく、３０００ＭＰａがより好ましく、１６００ＭＰａがさらに好ましい。スペーサ６の弾性率を前記範囲とすることで、膨張吸収効果を効果的に発揮させることができる。
【００３７】
［蓄電素子の製造方法］
第一実施形態の蓄電素子は、例えば電極体を芯材に巻回する工程を備える製造方法により得ることができる。また、前記巻回工程に加え、芯材、芯材に巻回した電極体及びスペーサを外装体に組み付ける工程と、組み付け後の外装体内に電解液を充填する工程と、電解液充填後の外装体を密閉する工程とをさらに備える製造方法によって、第二実施形態の蓄電素子を得ることができる。
【００３８】
［用途］
当該蓄電素子は、非水電解質二次電池等の蓄電池を構成する素子として好適に用いることができる。また、本発明の蓄電素子を用いた蓄電池（セル）を単数又は複数個用いることにより組電池を構成することができ、さらにこの組電池を用いて蓄電装置を構成することができる。このような蓄電装置は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）等の自動車用電源として用いることができる。
【００３９】
［その他の実施形態］
本発明の蓄電素子は、前記実施形態に限定されるものではない。前記実施形態では、第一方向及び第二方向と直交する第三方向から見て、第一方向に延びる辺が円弧状に突出しているとしたが、芯材の第一方向における中央部の第二方向の寸法が第一方向における両端部の第二方向の寸法よりも大きくなれば、前記辺は円弧状以外の形状で突出していてもよい。円弧状以外の形状の具体例としては、階段状、三角形状、台形状等が挙げられる。ただし、電極体の保護という観点から、円弧形状が好ましい。また、前記実施形態では、芯材の第二方向の両端の辺が突出していたが、第二方向の一端の辺のみが突出していてもよい。また、突出する部分は、一つの辺に対して一つではなく、複数であってもよい。
【００４０】
また、外装体を備える蓄電素子において、スペーサは省略が可能である。この場合、外装体の内面と電極体とは当接していてもよいし、空間が形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明に係る蓄電素子は、極板及びセパレータ間の隙間の発生を抑制できるため、例えばＨＥＶ用のリチウムイオン二次電池として好適に用いられる。
【符号の説明】
【００４２】
１  芯材
２  電極体
３ａ  正極板
３ｂ  負極板
４  セパレータ
５  外装体
６  スペーサ
１０、２０  蓄電素子
【図１】
2018055918.tif 000003
【図２】
2018055918.tif 000004
【図３】
2018055918.tif 000005