(57)【要約】【課題】    電極箔上に配置された合剤層と、当該合剤層上に設けられた絶縁層を有する電極を備えた二次電池において、露出しやすくなる電極切断端部についても絶縁層を効率よく形成することができ、より絶縁信頼性を向上させた電池を提供することを課題とする。【解決手段】    本発明に関する二次電池は、電極箔上に配置された合剤層と、合剤層上に設けられた絶縁層を有する電極を備え、電極の一端には活物質から電極集電箔が露出した露出部を有し、電極の他端には電極箔の端部に向かうにつれて合剤層の厚みが減少する傾斜部を有し、傾斜部上には絶縁層が配置されることを特徴とする。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極箔上に配置された合剤層と、当該合剤層上に設けられた絶縁層を有する電極を備えた二次電池において、
前記電極の一端には前記合剤層から前記電極集電箔が露出した露出部を有し、前記電極の他端には前記電極箔の端部に向かうにつれて前記合剤層の厚みが減少する傾斜部を有し、前記傾斜部上には前記絶縁層が配置されることを特徴とする二次電池。
【請求項２】
請求項１に記載の二次電池において、
前記傾斜部上に設けられた絶縁層の厚みは、他の部分に設けられた絶縁層の厚み以上であることを特徴とする二次電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の二次電池において、
前記電極で構成される電極捲回群の電極間に介在するセパレータは前記絶縁層の厚みよりも薄い膜厚のセパレータを備えていることを特徴とする二次電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の二次電池において、
前記合剤層は負極合剤層であることを特徴とする二次電池。
【請求項５】
請求項４に記載の二次電池において、
前記絶縁層はセラミックス粒子により形成されることを特徴とする二次電池。
【請求項６】
電極箔上に配置された合剤層と、当該合剤層上に設けられた絶縁層を有する電極の製造方法において、
前記電極箔上に合剤層が塗布され、かつ当該合剤層が塗布された方向に連続して溝部が形成され、
前記合剤層上に絶縁層が塗布され、
前記溝部上で当該電極が切断されることを特徴とする電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池及び電極の製造方法に関し、特に電気自動車やハイブリッド型電気自動車等の動力用電源に用いる二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド型の電気自動車や純粋な電気自動車等の動力源として大容量（Ｗｈ）の二次電池が開発されており、その中でもエネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）の高い非水溶液系のリチウムイオン二次電池が注目されている。また、排気ガスを抑制し環境性能を重視する観点からも、自動車には電動化による走行が指向されており、大容量の電池が求められている。また、電気モーターを駆動する電源として用いられる電池には大電流を出力できるような特性が求められている。
【０００３】
角形リチウムイオン二次電池の電池容器内には、一般に、扁平な捲回電極群が収容されている。捲回電極群は、捲回されてロール状に積層された正極電極と負極電極とそれらを電気的に絶縁するためのセパレータから構成されている。正極、負極電極が備えるそれぞれの帯状の金属箔の表面には、リチウムイオンを挿入・脱離可能な活物質合剤が塗布されて合剤層が形成されている。捲回電極群は、これらの正極、負極電極を、それぞれセパレータを介して重ねた状態で、軸周りに捲回して扁平に成形することで設けられている。
【０００４】
扁平に成形された捲回電極群は金属缶などの容器に収納される。例えば特許文献１には高容量化を指向するうえで厚みを薄膜化したセパレータを使用しても電極間での短絡を防止するため、電極表面に多孔性絶縁層を有する電極を形成して耐短絡性を向上させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８-２２６５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
角形金属缶などの容器に捲回電極群を収納する二次電池の作製工程では、リチウムイオンを挿入・脱離可能な活物質を含む合剤をスラリー化し、塗布などによって帯状の金属箔の表面に合剤層を形成した、正極および負極の電極を製造する。そして、それらを電気的に絶縁し、かつリチウムイオンおよび電解液が通過することのできる微多孔性樹脂フィルムセパレータを介して扁平状に捲回することにより捲回電極群が形成される。その後、缶に収納される捲回電極群は、外部と電気接続される集電板が捲回電極群に溶接などの方法で接合されて電流を通すことができるように電気的に接続されていることが必要である。
【０００７】
正極、負極集電板は、絶縁材を介して電池容器の電池蓋の内側に固定され、電池蓋の外側に設けられた正極、負極外部端子と電気的に接続されている。電池蓋に集電板を介して固定された捲回電極群は、電池容器の電池缶の上部開口から電池缶内に収容され、電池蓋が電池缶の上部開口に封止溶接されることで、電池容器内に収容される。電池容器は、電池蓋に設けられた注液口から内部に電解液を注入した後、注液口に注液栓を封止溶接することで密閉される。
【０００８】
しかしながら、大容量化するために缶内に備える電極の内容積を増大させることが必要である。即ち、合剤層を厚く形成したり、電極面積を広くするために電極長を伸ばして捲回電極群の巻き数を増やしたりする。また、高出力化に対応するためには同様に電極長を伸ばすか電極幅を広げたりして電極面積を広くすることが有効である。さらには、外部へ大電流を取り出すために溶接箇所の接合面積を増やしたり集電体を厚くしたりする必要があり、電池缶内部には捲回電極群以外の必要部品も備えている。
【０００９】
本発明の動力電源用電池は移動体に搭載されることを想定して極端な外部からの衝撃や圧力に対しても電池缶内部で電極間の短絡が発生しないような部品構成を取っている。
【００１０】
特許文献１には、電極表面上に絶縁層を設けて電極間の短絡の保護する点について記載されている。一方で、電極加工時に生じる切断端部の保護についてまでは記載が無い。
【００１１】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、露出しやすくなる電極切断端部についても絶縁層を効率よく形成することができ、より絶縁信頼性を向上させた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】
【００１２】
本発明に関する二次電池は、電極箔上に配置された合剤層と、合剤層上に設けられた絶縁層を有する電極を備え、電極の一端には活物質から電極集電箔が露出した露出部を有し、電極の他端には電極箔の端部に向かうにつれて合剤層の厚みが減少する傾斜部を有し、傾斜部上には絶縁層が配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明を用いることによって、絶縁信頼性を向上させた二次電池を提供することが可能となる。
【００１４】
本発明によれば、露出しやすくなる電極切断端部についても絶縁層を効率よく形成することができ、より絶縁信頼性を向上させた電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の二次電池の実施形態１に係る角形二次電池の外観斜視図。
【図２】図１に示す角形二次電池の分解斜視図。
【図３】図２に示す角形二次電池の電極捲回群の分解斜視図。
【図４】図３に示す電極捲回群を構成する電極対向部を示す断面摸式図。
【図５】実施形態１を示す電極断面摸式図および電極表面外観図。
【図６】実施形態２を示す電極断面摸式図および電極表面外観図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の二次電池の実施の形態について説明する。
【００１７】
［実施形態１］
図１は、本実施形態の角形二次電池１００の外観斜視図である。電池缶１１は、一対の幅広面１１ｂ、一対の幅狭面１１ｃ、及び底面１１ｄを備える。上面部には開口を有しており、電極群４０を収納する。電池缶１１の上面部は電池蓋１２により覆われている。また、この電池蓋１２には負極が外部端子２１、正極外部端子２２、注液孔１４を塞ぐ注液栓１５、及びガス排出弁１３が設けられている。
【００１８】
続いて図２について説明する。図２は、図１に示す角形二次電池１００から電池缶１１を取り外し、正負の電極を捲回した扁平な電極群４０と、該電極群４０を収容する扁平角形の電池缶１１と、該電池缶１１の開口部１１ａを封止する電池蓋１２と、該電池蓋１２に固定されて電池缶１１に収容される絶縁部材３とを備えた二次電池の分解状態を示す分解斜視図である。負極外部端子２１は、絶縁部材２を介して電池蓋１２上に配置され、電池缶１１の内部で負極集電板３１と接続される。この負極集電板３１は電極群４０の負極集電箔と溶接されて接続される。正極外部端子２２側も同様であり、正極外部端子２２は、絶縁部材２を介して電池蓋１２上に配置され、電池缶１１の内部で正極集電板３２と接続される。この正極集電板３２は電極群４０の正極集電箔と溶接されて接続される。電極群４０は袋状に形成された絶縁シート４に収容された状態で電池缶１１に収容される。このような構成を取ることによって集電板や電極群が電池缶１１に短絡しない構造となっている。なお、絶縁シート４は、側面部４ｃ、底面部４ｂ、開口部４ａから構成されている。
【００１９】
図３は、図２に示す電極群４０の一部を展開した捲回構造を示す分解斜視図である。
【００２０】
負極集電箔４１１に負極合剤層４１２が形成されて成る負極電極４１と、正極集電箔４２１に正極合剤層４２２が形成されて成る正極電極４２は、セパレータ４３，４４を介して対向した配置を保ちながら軸Ａの周りに捲回されて電極が積層されており、電極群４０を構成している。
【００２１】
より詳細には、電極群４０は、セパレータ４３，４４を介在させて積層した正負の電極４１，４２を、捲回軸Ａに平行な軸芯の周りに捲回して扁平形状に成形した電極群４０である。セパレータ４３，４４は、例えば、多孔質のポリエチレン樹脂によって製作され、負極電極４１と正極電極４２との間を絶縁すると共に、最外周に捲回された負極電極４１の外側にもセパレータ４３，４４が捲回されている。
【００２２】
負極電極４１は、集電箔４１１の表面に負極合剤層４１２が設けられており、図３では明示されていないが、負極合剤層４１２を被覆するように絶縁層４１３が設けられている。また、正極電極４２は、集電箔４２１の表面に正極合剤層４２２が設けられている。
【００２３】
続いて図４及び図５を用いて、本発明の特徴となる点について説明する。図４は負極電極４１の切断加工前の図である。
【００２４】
負極集電箔４１１の両面に、負極合剤層４１２が塗布により形成されており、さらに負極合剤層４１２の表面には、絶縁層４１３が形成され負極合剤層４１２を被覆している状態である。図４−ａは断面図で、図４−ｂに負極電極を上面から見た平面図を示すものである。
【００２５】
図４−ｂは切断加工前の電極であり、電極切断端部にかかるＳ−Ｓ’の点線で示す部分が、合剤層平坦部分よりもわずかに厚みが薄くなった溝部４１５が設けられている。
【００２６】
その後、負極合剤層４１２上の全体に絶縁層４１３を塗布し、切断部分にかかる溝部４１５の絶縁層４１３の被覆部分にも合わせて絶縁層４１３を形成する。切断部をＳ−Ｓ’の点線で示す。このような構造にすることによって、切断面の一部の合剤層は露出するが、切断により形成される傾斜部４１５ａについては絶縁層４１３で覆われることとなる。そのため、電極加工成形して切断端部が現れても、負極電極４１の端部で絶縁層４１３の被覆を残すことができ、露出する部分を抑制することが可能となる。
【００２７】
また、単純に切断面が垂直となる構造よりは露出部の面積が少なくなる。そのため、負極電極４１の端部での絶縁信頼性が向上する。
【００２８】
もう一方の合剤層端部４１４部分は、負極集電箔４１１の露出部を形成する側の端部になるため、合剤層の外側まで絶縁層４１３を設けるように形成することにより、合剤層の露出は防止できる。こちら側の合剤層端部は後の工程で、図２で示す外部端子２１と接続した集電板３１と溶着して接合されるため切断されない。
【００２９】
続いて図５の説明をする。図５は図４に記載のＳ部で切断した後の負極電極４１を正極電極４２と対向させた電極対向部を示す断面摸式図である。
【００３０】
図４で、溝部４１５に沿って切断加工される切断部Ｓ−Ｓ´の点線で示す部分は、図５の切断部Ｓ−Ｓ´で示す端面であり、合剤層の傾斜部４１５ａが形成されている。つまり、溝部４１５の絶縁層４１３の厚みは、合剤層平坦部上にある絶縁層４１３の厚みよりも厚くすることができ絶縁性が向上する。このような構造にすることによって、切断により形成される傾斜部４１５ａについては絶縁層４１３で覆われることとなる。従って、従来平坦部の厚みＴ１分だけ合剤層端部が露出していたが、合剤層端部の露出部厚みをＴ２と薄くすることが出来る。そのため、従来のものと比較してＴ２分だけしか合剤層が露出しなくなるので、より絶縁信頼性を向上することが可能となる。
【００３１】
負極集電箔４１１の表面には負極合剤層４１２が設けられていて、さらに負極合剤層４１２表面の上には被覆されるように絶縁層４１３が設けられている。負極電極４１は、図４に示す通り、図４のＳ部で切断加工されて成形されている。
【００３２】
本実施形態では、負極合剤層４１２が切断端面に向かって合剤層の厚みが減少し、傾斜があるように設けられているため、絶縁層４１３は平坦部分から広がり切断端面部近傍まで被覆されていて、合剤層の露出は抑制されている。
【００３３】
負極電極４１はセパレータ４３，４４を介して正極電極４２と対向するように捲回電極群４０が構成されている。正極集電箔４２１の表面には正極合剤層４２２が設けられており負極電極４１と対向するように捲回電極群４０が構成されている。合剤層部分はセパレータ４３，４４を介在して対向するように配置されていて、集電箔部分は電極接合部となるため、セパレータ４３，４４から出るように導出されて配置される。導出された集電箔部分は図２の３１に示される集電板に接合されて外部端子２１に接続される。
【００３４】
図４、図５に示される負極合剤層４１２は、例えば、以下のように製作することができる。まず、負極活物質として黒鉛質炭素粉末１００重量部に対して、増粘調整剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液を添加、混合後に、結着剤として１重量部のＳＢＲを添加し、混練後に粘度調整して負極スラリーを作製する。次に、この負極スラリーを、例えば、厚さ１０μｍの銅箔の両面に箔露出部を残して塗布することで負極合剤層４１２を形成する。絶縁層４１３は負極合剤層４１２を塗布、乾燥後に絶縁層を構成する絶縁性粒子を分散させた分散液を塗布して形成することができる。その後、乾燥、プレス、裁断の各工程を経て、例えば、銅箔を含まない負極活物質塗布部の厚さ（表裏両面の合計）が４０μｍの負極電極４１を得ることができる。なお、負極合剤層を形成する際に図５に示した溝部４１５を作成する必要がある。この溝部４１５は負極合剤層４１２を形成する際に作成しても良いし、負極合剤層４１２と絶縁層４１３を同時に形成する際にはその時塗布方向と同一の方向に溝部４１５が伸びるように作成する必要がある。
【００３５】
絶縁層を構成する絶縁性粒子には多孔質の無機粒子を用いることが好ましく、セラミック粒子がより好ましく用いることができ、ベーマイト粒子を選択することができる。粒子の形状は球状粒子を用いることが安定な分散液を作製するには好ましいが、絶縁層の形成するにあたり、より薄い膜厚で被覆性の良好な絶縁層を設けるには角ばった菱面を有する多面体形状の粒子を用いることがより好ましい。
【００３６】
前記絶縁性粒子を樹脂系またはゴム系の一方または両方の結着剤を含有する溶媒に分散させて絶縁層用分散液を作製する。
【００３７】
正極合剤層４２２は、例えば、以下のように製作することができる。まず、正極活物質として層状ニッケルコバルトマンガン酸リチウム（化学式Ｌｉ（ＮｉxＣｏyＭｎ１-x-y）Ｏ２）１００重量部に対し、導電材として合計７重量部の鱗片状黒鉛やアセチレンブラックと結着剤として３重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという）とを添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという）を添加し、混練して正極スラリーを製作する。次に、この正極スラリーを、例えば、厚さ１５μｍのアルミニウム箔の両面に箔露出部を残して塗布することで正極合剤層４２２を形成する。その後、乾燥、プレス、裁断の各工程を経て、例えば、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部の厚さ（表裏両面の合計）が７０μｍの正極電極４２を得ることができる。
【００３８】
セパレータ４３，４４を介して正極電極４２と負極電極４１を重ねて捲回し、捲回電極群４０を製作するには、まず、図示しない軸芯にセパレータ４３、４４の各先端部を溶着させ、セパレータ４３、４４と、正極、負極電極４２、４１とを交互に重ねて捲回する。このとき、正極電極４２の巻始め側端部が負極電極４１の巻始め側端部よりも捲回後の捲回電極群４０の内側に位置するように、正極電極４２の巻始め側端部を負極電極４１の巻始め側端部よりも軸芯側に配置して捲回する。
【００３９】
図２に示すように捲回電極群４０は絶縁袋４に収容され、電池蓋１２が電池缶１１に接合され、電池蓋１２を電池缶１１の上部開口に封止溶接し、注液口１４から電池缶１１内に非水電解液を注入し、その後、注液口１４に注液栓１５を封止溶接することによって角形電池１００が製作される。注液口１４から注入された非水電解液は、電池缶１１に収納されている捲回電極群４０へ浸潤することになる。非水電解液としては、例えばエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比で１：２の割合で混合した混合溶液中へ六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットルの濃度で溶解したものを用いることができる。
【００４０】
［実施形態２］
実施形態１では負極合剤層を被覆する絶縁層について示したが、上述の絶縁層は、正極合剤層４２２の表面にも、図４に示すのと同様の形態で形成することができる。そのように正極絶縁層４２３を設けた構成にした場合を図６に示す。
【００４１】
図６に示すような電極構成である場合は、絶縁層の総厚みが、正極合剤層上に設けられた絶縁層と負極合剤層上に設けられた絶縁層の厚みの和となり、正極合剤層上か負極合剤層上の何れか一方にのみ設ける場合と比較して絶縁性が向上する。つまり、この構成とした場合にはセパレータ４３、４４を薄くすることが出来る。
【００４２】
また当該構成とした場合、絶縁層の層厚みはセパレータ４３、４４よりも厚くした方がよい。すなわち（Ｔ３−Ｔ４）＞Ｔ４となる。このような構成とした場合、電極間の抵抗を低減するといった効果が得られる。
【００４３】
また、上述した実施の形態では、電極の厚みを一定とする、つまり負極電極４１のＳ−Ｓ'側絶縁層の厚みが他の部分の厚みよりも厚くなっている構成としたが、必ずしもこのような構成を取る必要はない。例えば合剤層の傾斜にあわせて絶縁層にも傾斜をつけるような構造としても良い。
【００４４】
以上、簡単に本発明についてまとめる。本発明に記載の二次電池は、電極箔上に配置された合剤層と、合剤層上に設けられた絶縁層を有する電極を備え、電極の一端には合剤層から電極集電箔が露出した露出部を有し、電極の他端には電極箔の端部に向かうにつれて合剤層の厚みが減少する傾斜部４１５ａを有し、傾斜部４１５ａ上には絶縁層が配置されることを特徴とする。このような構造とすることによって、単純に切断面が垂直となる構造より合剤層露出部の面積が少なくなる。そのため、負極電極４１の端部での絶縁信頼性が向上する。
【００４５】
また、本発明に記載の二次電池は、傾斜部４１５ａ上に設けられた絶縁層の厚みは、他の部分に設けられた絶縁層の厚み以上である。このような構造にすることによって、電極端部の絶縁層の厚みを確保することができ、電極端部の絶縁信頼性が向上する。
【００４６】
また、電極で構成される電極捲回群の電極間に介在するセパレータは前記絶縁層の厚みよりも薄い膜厚のセパレータを備えている。このような構成にした場合、電極間の抵抗を低減するといった効果が得られる。
【００４７】
また、本発明に記載の電極の製造方法は、電極箔上に配置された合剤層と、合剤層上に設けられた絶縁層を有し、電極箔上に合剤層が塗布され、かつ当該合剤層が塗布された方向に連続して溝部が形成され、合剤層上に絶縁層が塗布され、溝部上で当該電極が切断されることを特徴とする。このような製造方法にすることによって、本発明に記載の電極を作成することが出来る。
【００４８】
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４９】
１１…電池缶
１２…電池蓋１４…注液口
１５…注液栓
２１…負極外部端子
２２…正極外部端子
３１…負極集電板
３２…正極集電板
４０…捲回電極群
４１…負極電極  ４１１…負極集電箔  ４１２…負極合剤層  ４１３…絶縁層
４２…正極電極  ４２１…正極集電箔  ４２２…正極合剤層  
４３、４４…セパレータ
１００…角形電池  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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