(57)【要約】【課題】蓄電容量を低下させることなく、電流の局所的な集中を防止することによって、局所的な発熱や活物質の局所的な劣化を防止する。【解決手段】正極タブ２３を含む正極２０と、負極タブ３３とを含む負極３０と、正極２０と負極３０の間に配置されたセパレータ４０とを備える。セパレータ４０は、正極タブ２３及び負極タブ３３の近傍に位置する失活領域４２を有している。失活領域４２においてはイオンの通過が阻害されるため、充放電時における電流分布が分散される。これにより、局所的な発熱やこれに伴う活物質の局所的な劣化が防止されると共に電流が極板全体及び活物質に均等に流れることから、製品寿命を延ばすことが可能となる。しかも、正極及び負極にスリットを設ける必要がないことから、蓄電容量の低下が生じることもない。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体と、前記正極集電体の表面に形成された正極活物質と、前記正極集電体の正極端部から突出する正極タブとを含む正極と、
負極集電体と、前記負極集電体の表面に形成された負極活物質と、前記負極集電体の負極端部から突出する負極タブとを含む負極と、
前記正極と前記負極の間に配置され、前記正極と前記負極を分離するとともにイオンを通過させるセパレータと、を備え、
前記正極タブ及び前記負極タブの近傍において、前記セパレータを介した前記イオンの通過が阻害されていることを特徴とする蓄電池。
【請求項２】
前記正極タブ及び前記負極タブの近傍において、前記セパレータが失活されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池。
【請求項３】
前記セパレータは、前記正極端部及び前記負極端部から一定幅に亘って失活されていることを特徴とする請求項２に記載の蓄電池。
【請求項４】
前記失活された領域は、前記正極タブ及び前記負極タブに近いほど前記正極端部及び前記負極端部からの幅が広いことを特徴とする請求項２に記載の蓄電池。
【請求項５】
前記正極タブ及び前記負極タブの近傍において、前記セパレータを覆うイオン遮蔽膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池。
【請求項６】
前記イオン遮蔽膜は、前記正極端部及び前記負極端部からの幅が一定であることを特徴とする請求項５に記載の蓄電池。
【請求項７】
前記イオン遮蔽膜は、前記正極と前記セパレータの間に設けられた第１のイオン遮蔽膜と、前記負極と前記セパレータの間に設けられた第２のイオン遮蔽膜を含むことを特徴とする請求項５に記載の蓄電池。
【請求項８】
前記第１のイオン遮蔽膜は、前記正極タブに近いほど前記正極端部からの幅が広く、
前記第２のイオン遮蔽膜は、前記負極タブに近いほど前記負極端部からの幅が広いことを特徴とする請求項７に記載の蓄電池。
【請求項９】
前記正極タブ及び前記負極タブは周期的に複数個設けられており、前記イオン遮蔽膜は周期的に配置されていることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか一項に記載の蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄電池に関し、特に、セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられる電源として、リチウムイオン電池などの蓄電池が広く用いられている（特許文献１及び２参照）。リチウムイオン電池は、セパレータを介して対向する正極及び負極を有しており、電解液に含まれるリチウムイオンがセパレータを介して正極から負極へ、或いは、負極から正極に移動することにより充放電が実現される。外部の負荷又は発電機は、正極集電体に設けられた正極タブ及び負極集電体に設けられた負極タブに接続され、これら正極タブ及び負極タブを介して電子の授受が行われる。
【０００３】
特許文献１及び２に記載された蓄電池は、正極及び負極にスリットが設けられており、これによって特性の改善などが図られている。特に、特許文献１では、正極タブと負極タブが平面視で、つまり、積層方向から見て異なる位置に配置され、これによって電流分布の分散が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１７４９５９号公報
【特許文献２】特開２０１３−１５７５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び２に記載された蓄電池は、正極及び負極にスリットが設けられていることから、スリットがない場合と比べて蓄電容量が低下するという問題があった。また、正極タブと負極タブを平面視で異なる位置に配置するだけでは、電流の局所的な集中を十分に防止することはできず、局所的な発熱やこれに伴う活物質の局所的な劣化が生じるという問題もあった。
【０００６】
したがって、本発明は、蓄電容量を低下させることなく、電流の局所的な集中をより効果的に防止することによって、局所的な発熱や活物質の局所的な劣化を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による蓄電池は、正極集電体と、前記正極集電体の表面に形成された正極活物質と、前記正極集電体の正極端部から突出する正極タブとを含む正極と、負極集電体と、前記負極集電体の表面に形成された負極活物質と、前記負極集電体の負極端部から突出する負極タブとを含む負極と、前記正極と前記負極の間に配置され、前記正極と前記負極を分離するとともにイオンを通過させるセパレータと、を備え、前記正極タブ及び前記負極タブの近傍において、前記セパレータを介した前記イオンの通過が阻害されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、正極タブ及び負極タブの近傍においてイオンの通過が阻害されていることから、従来の蓄電池と比べて、充放電時における電流分布を分散することができる。これにより、局所的な発熱やこれに伴う活物質の局所的な劣化が防止されると共に電流が極板全体及び活物質に均等に流れることから、製品寿命を延ばすことが可能となる。しかも、正極及び負極にスリットを設ける必要がないことから、蓄電容量の低下が生じることもない。
【０００９】
本発明においては、前記正極タブ及び前記負極タブの近傍において前記セパレータが失活されていても構わない。これによれば、別部材を追加することなく、正極タブ及び負極タブの近傍におけるイオンの通過を阻害することができる。
【００１０】
この場合、前記セパレータは、前記正極端部及び前記負極端部から一定幅に亘って失活されていても構わない。或いは、前記失活された領域は、前記正極タブ及び前記負極タブに近いほど前記正極端部及び前記負極端部からの幅が広くても構わない。
【００１１】
本発明による蓄電池は、前記正極タブ及び前記負極タブの近傍において、前記セパレータを覆うイオン遮蔽膜をさらに備えていても構わない。これによれば、セパレータを加工することなく、正極タブ及び負極タブの近傍におけるイオンの通過を阻害することができる。
【００１２】
この場合、前記イオン遮蔽膜は、前記正極端部及び前記負極端部からの幅が一定であっても構わない。また、前記イオン遮蔽膜は、前記正極と前記セパレータの間に設けられた第１のイオン遮蔽膜と、前記負極と前記セパレータの間に設けられた第２のイオン遮蔽膜を含んでいても構わない。この場合、前記第１のイオン遮蔽膜は、前記正極タブに近いほど前記正極端部からの幅が広く、前記第２のイオン遮蔽膜は、前記負極タブに近いほど前記負極端部からの幅が広くても構わない。また、前記正極タブ及び前記負極タブが周期的に複数個設けられている場合、前記イオン遮蔽膜を周期的に配置しても構わない。
【発明の効果】
【００１３】
このように、本発明による蓄電池は、充放電時における電流がより分散されることから、蓄電容量を減少させることなく、局所的な発熱やこれに伴う活物質の局所的な劣化を防止すると共に電流を極板全体及び活物質に均等に流すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による蓄電池１０の主要部の構造を説明するための分解斜視図である。
【図２】図２（ａ）は正極２０の断面図であり、図２（ｂ）は負極３０の断面図である。
【図３】図３（ａ）は正極集電体２１の平面図であり、図３（ｂ）は負極集電体３１の平面図である。
【図４】図４は、セパレータ４０の平面図である。
【図５】図５は、正極２０、負極３０及びセパレータ４０の位置関係を説明するための模式図である。
【図６】図６は、セパレータ４０に失活領域４２が設けられていない場合における電流Ｉの流れを説明するための模式図である。
【図７】図７は、変形例によるセパレータ４０の平面図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態による蓄電池の部分断面図である。
【図９】図９は、イオン遮蔽膜５１の形状の一例を示す平面図である。
【図１０】図１０は、イオン遮蔽膜５１の形状の他の例を示す平面図である。
【図１１】図１１は、イオン遮蔽膜５１の形状のさらに他の例を示す平面図である。
【図１２】図１２は、イオン遮蔽膜５１の形状のさらに他の例を示す平面図である。
【図１３】図１３は、イオン遮蔽膜５１とイオン遮蔽膜５２の両方を用いた例を説明するための部分断面図である。
【図１４】図１４は、複数のイオン遮蔽膜５１又は５２を正極タブ２３及び負極タブ３３の近傍に周期的に配置した例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による蓄電池１０の主要部の構造を説明するための分解斜視図である。
【００１７】
本実施形態による蓄電池１０はリチウムイオン電池であり、図１に示すように、外装ケース１１に収容された正極２０、負極３０及びセパレータ４０を備える。正極２０、負極３０及びセパレータ４０はいずれもシート状であり、重ねた状態で巻回することによって、セパレータ４０を介して正極２０と負極３０が交互に積層された構造が実現される。図示しないが、外装ケース１１内は電解液で満たされている。
【００１８】
正極２０には複数の正極タブ２３が設けられており、負極３０には複数の負極タブ３３が設けられている。複数の正極タブ２３の積層方向における位置は互いに一致しており、これらは図示しない正極端子に共通に接続される。同様に、複数の負極タブ３３の積層方向における位置も互いに一致しており、これらは図示しない負極端子に共通に接続される。このように、本実施形態においては、正極２０及び負極３０にそれぞれ複数のタブ２３，３３が設けられていることから、それぞれ単一のタブを使用する場合と比べ、充放電時における電流分布をより分散させることが可能となる。
【００１９】
図２（ａ）は正極２０の断面図であり、図２（ｂ）は負極３０の断面図である。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、正極２０は、正極集電体２１と、正極集電体２１の表面に形成された正極活物質２２とを備える。正極集電体２１は例えばアルミニウム（Ａｌ）からなり、正極活物質２２は例えばＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２など、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる。一方、図２（ｂ）に示すように、負極３０は、負極集電体３１と、負極集電体３１の表面に形成された負極活物質３２とを備える。負極集電体３１は例えば銅（Ｃｕ）からなり、負極活物質３２は例えば活性炭からなる。
【００２１】
図３（ａ）は正極集電体２１の平面図であり、図３（ｂ）は負極集電体３１の平面図である。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、正極集電体２１には、正極タブ２３が第１の方向であるｘ方向に周期的に設けられている。正極タブ２３は、正極集電体２１のｘ方向に延在する正極端部２１ａから第２の方向であるｙ方向に突出した電極であり、正極集電体２１の一部であっても構わないし、正極集電体２１に接続された別の金属体であっても構わない。図３（ａ）に示す符号Ａは巻回時に折り曲げられる折り目部分であり、２つの折り目部分Ａに挟まれた領域ごとに、正極タブ２３が設けられている。
【００２３】
図３（ｂ）に示すように、負極集電体３１には、負極タブ３３がｘ方向に周期的に設けられている。負極タブ３３は、負極集電体３１のｘ方向に延在する負極端部３１ａからｙ方向に突出した電極であり、負極集電体３１の一部であっても構わないし、負極集電体３１に接続された別の金属体であっても構わない。図３（ｂ）に示す符号Ｂは巻回時に折り曲げられる折り目部分であり、２つの折り目部分Ｂに挟まれた領域ごとに、負極タブ３３が設けられている。
【００２４】
図４は、セパレータ４０の平面図である。
【００２５】
図４に示すように、セパレータ４０は、活性領域４１と失活領域４２を有している。活性領域４１はセパレータ４０の大部分を占める領域であり、リチウムイオンが通過可能な領域である。一方、失活領域４２はリチウムイオンの通過が阻害される領域である。失活領域４２は、セパレータ４０に存在する微少な孔を閉塞することによって形成することができる。微少な孔の閉塞は、セパレータ４０を局所的に加熱することによって実現することができる。
【００２６】
図４には、正極２０及び負極３０とセパレータ４０を重ねた場合における正極タブ２３及び負極タブ３３の位置も示されている。図４に示すように、セパレータ４０の失活領域４２は、セパレータ４０のｙ方向における端部であって、正極タブ２３及び負極タブ３３の近傍に位置していおる。正極タブ２３及び負極タブ３３から離れた領域は全て活性領域４１である。図４に示す例では、失活領域４２のｙ方向における幅は、正極端部２１ａ及び負極端部３１ａから一定幅とされている。失活領域４２を一定幅とすれば、セパレータ４０の製造工程を簡素化することができる。
【００２７】
図５は、正極２０、負極３０及びセパレータ４０の位置関係を説明するための模式図である。
【００２８】
図５には、正極２０のうち２つの折り目部分Ａに挟まれた領域と、負極３０のうち２つの折り目部分Ｂに挟まれた領域と、これらの間に位置するセパレータ４０が示されている。図５に示すように、正極２０、負極３０及びセパレータ４０をｚ方向に重ねると、正極タブ２３はｘ方向における中心からみて一方向側（図５においては左側）に位置し、負極タブ３３はｘ方向における中心からみて逆方向側（図５においては右側）に位置する。そして、正極２０と負極３０はセパレータ４０によって分離されているとともに、セパレータ４０には、正極タブ２３及び負極タブ３３の近傍において失活領域４２が設けられている。
【００２９】
かかる構成により、図５に示すリチウムイオンＬが例えば負極３０から正極２０に移動すると、正極集電体２１には符号Ｉで示す電流が流れる。この時、リチウムイオンＬは、失活領域４２を通過することができず、正極タブ２３及び負極タブ３３からより離れた活性領域４１を通過する必要がある。これにより、電流Ｉは、活性領域４１と重なる部分まで迂回することから、特定の部分に電流が集中することがなく、電流分布が均一化される。その結果、局所的な発熱やこれに伴う活物質の局所的な劣化が防止される。
【００３０】
図６は、セパレータ４０に失活領域４２が設けられていない場合における電流Ｉの流れを説明するための模式図である。図６に示すように、セパレータ４０に失活領域４２が設けられていない場合、正極タブ２３と負極タブ３３の近傍に電流Ｉが集中し、この部分において局所的に発熱する。その結果、正極タブ２３と負極タブ３３の近傍において活物質が劣化してしまう。
【００３１】
これに対し、本実施形態による蓄電池１０は、上述の通り、セパレータ４０に失活領域４２が設けられていることから、電流分布をより均一化することができる。これにより、局所的な発熱やこれに伴う活物質の局所的な劣化が防止されることから、製品寿命を延ばすことが可能となる。
【００３２】
尚、本発明において、失活領域４２の幅が一定である必要はなく、図７に示すように、正極タブ２３及び負極タブ３３に近いほど正極端部２１ａ及び負極端部３１ａからの幅が広い形状を有していても構わない。これによれば、電流分布をより均一化することが可能となる。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態による蓄電池の部分断面図である。
【００３４】
図８に示すように、本実施形態による蓄電池は、セパレータ４０を覆うイオン遮蔽膜５１をさらに備えている。イオン遮蔽膜５１は、リチウムイオンの通過を阻害するフィルムであり、正極タブ２３及び負極タブ３３の近傍に設けられる。つまり、第１の実施形態における失活領域４２に対応する部分にイオン遮蔽膜５１が配置される。これに伴い、セパレータ４０には失活領域４２が設けられず、全体が活性領域４１によって構成される。その他の構成は第１の実施形態と同様であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３５】
イオン遮蔽膜５１は、セパレータ４０と正極２０との間、或いは、セパレータ４０と負極３０との間のいずれに設けても構わない。また、イオン遮蔽膜５１のｙ方向における幅は、失活領域４２と同様、正極端部２１ａ及び負極端部３１ａからの幅が一定であっても構わない。
【００３６】
一方、イオン遮蔽膜５１をセパレータ４０と正極２０との間に配置する場合には、図９又は図１０に示すように、正極タブ２３に近いほど正極端部２１ａからの幅が広い形状とすれば、電流分布をより均一化することが可能となる。同様に、イオン遮蔽膜５１をセパレータ４０と負極３０との間に配置する場合には、図１１又は図１２に示すように、負極タブ３３に近いほど負極端部３１ａからの幅が広い形状とすれば、電流分布をより均一化することが可能となる。
【００３７】
さらに、図１３に示すように、セパレータ４０と正極２０との間にイオン遮蔽膜５１を配置するとともに、セパレータ４０と負極３０との間にイオン遮蔽膜５２を配置しても構わない。この場合、イオン遮蔽膜５１，５２のｙ方向における幅が一定であっても構わないが、イオン遮蔽膜５１については、図９又は図１０に示すように正極タブ２３に近いほど正極端部２１ａからの幅が広い形状とし、イオン遮蔽膜５２については、図１１又は図１２に示すように負極タブ３３に近いほど負極端部３１ａからの幅が広い形状としても構わない。これによれば、電流分布をよりいっそう均一化することが可能となる。
【００３８】
また、図１４に示すように、正極タブ２３と負極タブ３３の距離が近い場合には、イオン遮蔽膜５１，５２の一方又は両方を正極タブ２３及び負極タブ３３の近傍にのみ配置しても構わない。つまり、正極タブ２３と負極タブ３３のｘ方向における中間位置をＣＬとし、中間位置ＣＬから正極タブ２３及び負極タブ３３の中心までのｘ方向における距離をａ、折り目部分Ａ，Ｂから正極タブ２３及び負極タブ３３の中心までのｘ方向における距離をｂとした場合、ａ＜ｂである場合には、イオン遮蔽膜５１，５２を必ずしもｘ方向に帯状に延在させる必要はなく、図１４に示すように、複数のイオン遮蔽膜５１又は５２を正極タブ２３及び負極タブ３３の近傍に周期的に配置しても構わない。これによれば、イオン遮蔽膜５１，５２によって覆われるセパレータ４０の面積を最小限に抑えることが可能となる。さらに、図１４に示す例と同様にして、図４に示す失活領域４２を正極タブ２３及び負極タブ３３の近傍に周期的に配置しても構わない。
【００３９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００４０】
例えば、上記実施形態では、本発明をリチウムイオン電池に適用した場合を例に説明したが、本発明の対象がリチウムイオン電池に限定されるものではなく、他の種類の蓄電池に適用することも可能である。
【００４１】
また、上記実施形態では、正極２０と負極３０を巻回したタイプの蓄電池を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、セパレータ４０を介して複数の正極２０と複数の負極３０を交互に積層したラミネートセル型の蓄電池に本発明を適用することも可能である。
【００４２】
さらに、第１の実施形態にて説明した失活領域４２は、イオンの通過を完全に遮蔽するものである必要はなく、活性領域４１に比べてイオンが通過しにくい性質を有していれば足りる。同様に、第２の実施形態にて説明したイオン遮蔽膜５１，５２は、イオンの通過を完全に遮蔽するものである必要はなく、イオン遮蔽膜５１，５２が存在しない場合と比べてイオンが通過しにくい性質を有していれば足りる。
【符号の説明】
【００４３】
１０    蓄電池
１１    外装ケース
２０    正極
２１    正極集電体
２１ａ    正極端部
２２    正極活物質
２３    正極タブ
３０    負極
３１    負極集電体
３１ａ    負極端部
３２    負極活物質
３３    負極タブ
４０    セパレータ
４１    活性領域
４２    失活領域
５１，５２    イオン遮蔽膜
Ａ，Ｂ    折り目部分
Ｉ    電流
Ｌ    リチウムイオン
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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