(57)【要約】【課題】セパレータの熱収縮を抑制できる電極体を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の一態様に係る電極体は、正極板と、上記正極板と対向するように配設される負極板と、上記正極板及び上記負極板間に配設され、上記正極板及び上記負極板を電気的に隔離するセパレータとを備え、上記正極板と上記負極板とを上記セパレータを介して交互に積層する積層構造を有し、上記正極板が、板状の正極集電体とこの正極集電体の両面に積層される正極合材層とを有し、上記負極板が、板状の負極集電体とこの負極集電体の両面に積層される負極合材層とを有し、上記正極集電体及び上記負極集電体の少なくとも一方の集電体が、両面に合材層の積層されていない延出部を有し、上記積層構造において、上記集電体の上記延出部へこの集電体に対向する上記セパレータを押し当てる押圧機構を有する。【選択図】図１
2019102139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板と、
上記正極板と対向するように配設される負極板と、
上記正極板及び上記負極板間に配設され、上記正極板及び上記負極板を電気的に隔離するセパレータと
を備え、
上記正極板と上記負極板とを上記セパレータを介して交互に積層する積層構造を有し、
上記正極板が、
板状の正極集電体とこの正極集電体の両面に積層される正極合材層とを有し、
上記負極板が、
板状の負極集電体とこの負極集電体の両面に積層される負極合材層とを有し、
上記正極集電体及び上記負極集電体の少なくとも一方の集電体が、
両面に合材層の積層されていない延出部を有し、
上記積層構造において、上記集電体の上記延出部へこの集電体に対向する上記セパレータを押し当てる押圧機構を有する電極体。
【請求項２】
上記押圧機構が、
上記集電体及びこの集電体に対向する２つの上記セパレータを上記集電体の厚さ方向に挟んだ状態で押圧する固定部材を有する請求項１に記載の電極体。
【請求項３】
上記押圧機構が、
複数の上記集電体及び複数の上記セパレータを上記集電体の厚さ方向に挟んだ状態でまとめて押圧する固定部材を有する請求項１に記載の電極体。
【請求項４】
上記押圧機構が、
上記集電体の上記延出部とこの延出部に対向する上記セパレータとの間の隙間を埋めるスペーサ部材を有する請求項１に記載の電極体。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電極体と、
上記電極体を収容するケースと
を備える蓄電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極体及び蓄電素子に関する。
【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、例えばノート型コンピュータ、携帯電話等の小型電子機器、自動車等の車両に挙げられる様々な分野で利用されている。このような二次電池の蓄電素子には、より一層の大容量化、小型化及び安全性が求められている。
【０００３】
蓄電素子の電極体としては、積層型電極体及び巻回型電極体が知られており、電極体は、正極及び負極が短絡しないように設計される。このような電極体として、例えば、複数の正極極板と複数の負極極板とをセパレータを介して交互に積層した積層型電極体（特許文献１）や、セパレータを間に挟んで正極及び負極を交互に積層した構造を有する捲回型のコア（特許文献２）が提案されている。
【０００４】
特許文献１の積層型電極体は、正極極板の両面側に位置するセパレータにおいて正極集電リードと対向する領域から正極集電リードにかけて絶縁性粘着テープが貼り付けられるものであり、セパレータの捲れによる正極集電リードと負極極板との短絡を防止する。
【０００５】
また、特許文献２の捲回型のコアは、正極活物質の縁から離れた位置とセパレータの外周縁との間に絶縁部が形成され、この絶縁部で押し曲げられたセパレータが負極の端部を被うものであり、導電性の異物の付着による正極リードと負極との短絡を防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−８０５６３号公報
【特許文献２】特開２０１５−６０７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の積層型電極体は、絶縁性粘着テープによりセパレータの捲れを防止するが、積層型電極体の製造時に正極集電リードと対向する領域から正極集電リードまでの広い範囲に絶縁性粘着テープを貼り付ける必要がある。また、絶縁性粘着テープがセパレータの端部を覆うため、セパレータへの非水電解質の浸透が阻害されるおそれがある。また、特許文献２の捲回型のコアは、絶縁部及びこの絶縁部で押し曲げられたセパレータにより負極への異物の付着を防止するが、コアの製造時にセパレータを押し曲げるように絶縁部を形成する必要がある。特許文献１及び特許文献２は、電極体の正極及び負極の短絡の防止を目的としているが、電極体の製造が容易ではない。
【０００８】
ところで、熱により溶解するシャットダウン機能を有するセパレータが電極体に用いられる場合、蓄電素子の異常発熱時にセパレータの一部が熱収縮する。セパレータが大きく熱収縮すると、電極体の正極及び負極間に配設されるセパレータが失われることにより、正極及び負極が短絡するおそれがある。したがって、電極体の正極及び負極の短絡を防止するためには、セパレータの熱収縮の抑制について検討する必要がある。
【０００９】
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、セパレータの熱収縮を抑制できる電極体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】
【００１０】
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係る電極体は、正極板と、上記正極板と対向するように配設される負極板と、上記正極板及び上記負極板間に配設され、上記正極板及び上記負極板を電気的に隔離するセパレータとを備え、上記正極板と上記負極板とを上記セパレータを介して交互に積層する積層構造を有し、上記正極板が、板状の正極集電体とこの正極集電体の両面に積層される正極合材層とを有し、上記負極板が、板状の負極集電体とこの負極集電体の両面に積層される負極合材層とを有し、上記正極集電体及び上記負極集電体の少なくとも一方の集電体が、両面に合材層の積層されていない延出部を有し、上記積層構造において、上記集電体の上記延出部へこの集電体に対向する上記セパレータを押し当てる押圧機構を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電極体は、セパレータの熱収縮を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る電極体の一部を示す模式的断面図である。
【図２】図１の電極体とは異なる実施形態に係る電極体の一部を示す模式的断面図である。
【図３】図１及び図２の電極体とは異なる実施形態に係る電極体の一部を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る蓄電素子を複数個集合して構成した蓄電装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
【００１４】
本発明の一態様に係る電極体は、正極板と、上記正極板と対向するように配設される負極板と、上記正極板及び上記負極板間に配設され、上記正極板及び上記負極板を電気的に隔離するセパレータとを備え、上記正極板と上記負極板とを上記セパレータを介して交互に積層する積層構造を有し、上記正極板が、板状の正極集電体とこの正極集電体の両面に積層される正極合材層とを有し、上記負極板が、板状の負極集電体とこの負極集電体の両面に積層される負極合材層とを有し、上記正極集電体及び上記負極集電体の少なくとも一方の集電体が、両面に合材層の積層されていない延出部を有し、上記積層構造において、上記集電体の上記延出部へこの集電体に対向する上記セパレータを押し当てる押圧機構を有する。
【００１５】
本発明者らは、セパレータの正極合材層又は負極合材層に接している部分の熱収縮は小さく、セパレータの正極合材層又は負極合材層に接していない部分の熱収縮は大きいことを知得している。そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、セパレータの正極合材層又は負極合材層に接していない部分を押圧状態で保持することにより、セパレータの熱収縮を抑制できることを見出した。当該電極体は、正極板と負極板とをセパレータを介して交互に積層する積層構造において、両面に合材層の積層されていない集電体の延出部へこの集電体に対向するセパレータを押し当てる押圧機構を有しているので、セパレータの正極合材層又は負極合材層に接していない部分の熱収縮を抑制できる。
【００１６】
上記押圧機構が、上記集電体及びこの集電体に対向する２つの上記セパレータを上記集電体の厚さ方向に挟んだ状態で押圧する固定部材を有するとよい。集電体とこの集電体に対向する２つのセパレータとが固定部材により挟まれた状態で押圧されると、これらのセパレータの熱収縮が抑制される。
【００１７】
上記押圧機構が、複数の上記集電体及び複数の上記セパレータを上記集電体の厚さ方向に挟んだ状態でまとめて押圧する固定部材を有するとよい。積層構造における複数の集電体及び複数のセパレータが固定部材により挟まれた状態でまとめて押圧されると、これらのセパレータの熱収縮が抑制される。
【００１８】
上記押圧機構が、上記集電体の上記延出部とこの延出部に対向する上記セパレータとの間の隙間を埋めるスペーサ部材を有するとよい。押圧機構が、集電体とこの集電体に対向するセパレータとの間の隙間を埋めるスペーサ部材を有することで、当該電極体は、集電体及びセパレータを大きく変形させることなくセパレータの熱収縮を抑制できる。
【００１９】
本発明の他の一態様に係る蓄電素子は、上記電極体と、上記電極体を収容するケースとを備える。
【００２０】
当該蓄電素子の電極体は、セパレータの熱収縮を抑制できる。
【００２１】
［本発明の実施形態の詳細］
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る電極体及び蓄電素子を説明する。
【００２２】
［第一実施形態］
図１の電極体１は、正極板２と、正極板２と対向するように配設される負極板３と、正極板２及び負極板３間に配設され、正極板２及び負極板３を電気的に隔離するセパレータ４とを備えている。電極体１は、特に限定されないが、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池用の蓄電素子の電極体として構成される。
【００２３】
電極体１は、正極板２と負極板３とをセパレータ４を介して交互に積層する積層構造を有している。電極体１は、正極板２、セパレータ４、負極板３及びセパレータ４をこの順に積層した長尺帯状の積層体を扁平に巻回した巻回型電極体であってもよいし、正極板２、セパレータ４、負極板３及びセパレータ４をこの順に複数積層した積層型電極体であってもよい。なお、図１では、電極体１の積層構造を明確に示すために、正極板２及びセパレータ４間、並びに負極板３及びセパレータ４間に隙間が設けられているが、実際には隙間は設けられておらず、これらは互いに接触している。
【００２４】
＜正極板＞
正極板２は、板状の正極集電体２ａとこの正極集電体２ａの両面に積層される正極合材層２ｂとを有している。具体的には、正極板２は、アルミニウム合金等からなる板状の正極集電体２ａと、この正極集電体２ａの両面に積層され、正極活物質を含有する多孔性の正極合材層２ｂとを有している。正極活物質としては、例えばＬｉｘＮｉ１−ｙＭｙＯ２−ｚＸｚが用いられるとよいが、特に限定されない。ここで、Ｍは、Ｃｏ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ又はこれらの合金から選択される１以上の金属であり、Ｘは、Ｏ、Ｆ、Ｓ又はＰから選択される元素であり、ｘ、ｙ、ｚは、０．９≦ｘ≦１．１、０≦ｙ≦０．５、０≦ｚ≦２を満たす。正極合材層２ｂは、必要に応じて導電助剤、バインダー、増粘剤等を含んでいてもよい。
【００２５】
正極板２の正極集電体２ａは、両面に正極合材層２ｂの積層されていない延出部２０を有している。この延出部２０は、正極板２のリード部を構成するものであり、積層構造の積層方向に対して略垂直方向に延出している。つまり、電極体１の積層構造において、積層構造を構成する正極板２から複数の延出部２０が略平行に延出している。
【００２６】
＜負極板＞
負極板３は、板状の負極集電体３ａとこの負極集電体３ａの両面に積層される負極合材層３ｂとを有している。具体的には、負極板３は、銅合金等からなる板状の負極集電体３ａと、この負極集電体３ａの両面に積層され、負極活物質を含有する多孔性の負極合材層３ｂとを有している。負極活物質としては、例えばグラファイト、ケイ素又は錫を含む合金が用いられるとよいが、特に限定されない。負極合材層３ｂは、必要に応じて導電助剤、バインダー、増粘剤等を含んでいてもよい。なお、図１の電極体１では、負極板３が積層構造の積層方向に対して略垂直方向に正極板２より長く形成されている。
【００２７】
＜セパレータ＞
セパレータ４は、正極板２及び負極板３を電気的に隔離し、リチウムイオン等の荷電粒子を透過させる絶縁性のシート材である。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。セパレータ４として多孔質樹脂フィルムが用いられる場合は、多孔質樹脂フィルムが、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系の多孔質フィルムであると強度等の観点から好ましい。また、セパレータの表面の摩擦係数を大きくするという観点から、無機粒子を含む無機層を表面に積層した無機コートセパレータが用いられると好ましい。無機粒子の主成分としては、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄等の酸化物、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物、シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリンクレイ、カオリナイト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ベーマイト、水酸化マグネシウム等が挙げられる。ここで、主成分とは、最も含有量の多い成分を示し、通常５０質量％以上の成分を示す。
【００２８】
セパレータ４は、正極板２及び負極板３間に積層されており、これらの極板のリード部の先端を除く領域を仕切ることが可能な表面積を有している。具体的には、セパレータ４は、積層構造の積層方向に、正極集電体２ａのリード部の先端を除く領域及び負極集電体３ａのリード部の先端を除く領域と重畳する表面積を有している。したがって、セパレータ４は、正極集電体２ａの延出部２０の先端を除く領域と対向するように、延出部２０と略平行に延出している。
【００２９】
＜押圧機構＞
電極体１は、積層構造において、正極集電体２ａの延出部２０へ正極集電体２ａに対向するセパレータ４を押し当てる押圧機構を有している。具体的には、電極体１の押圧機構は、正極集電体２ａ及び正極集電体２ａに対向する２つのセパレータ４を正極集電体２ａの厚さ方向に挟んだ状態で押圧する固定部材５を有している。固定部材５は、棒状の芯体と、この芯体の両端に固定される２つの押圧体とを備えるピンであり、正極集電体２ａ及び２つのセパレータ４を貫通する孔に芯体が配置され、この芯体の両端に押圧体が装着されることにより、正極集電体２ａ及び２つのセパレータ４が押圧状態で固定される。なお、固定部材５は、上述のピンに限定されず、例えばステープラーの針（ステープル）であってもよい。また、固定部材５は、金属製であってもよいし、樹脂製であってもよい。
【００３０】
（利点）
当該電極体１は、正極板２と負極板３とをセパレータ４を介して交互に積層する積層構造において、両面に正極合材層２ｂの積層されていない正極集電体２ａの延出部２０へこの正極集電体２ａに対向するセパレータ４を押し当てる押圧機構を有している。このため、当該電極体１は、正極合材層２ｂ及び負極合材層３ｂ間に配設されていないセパレータ４の熱収縮を抑制できる。
【００３１】
また、当該電極体１の押圧機構は、正極集電体２ａ及び正極集電体２ａに対向する２つのセパレータ４を正極集電体２ａの厚さ方向に挟んだ状態で押圧する固定部材５を有しているため、固定部材５で押圧されるセパレータ４の熱収縮が抑制される。
【００３２】
［第二実施形態］
図２の電極体１０は、第一実施形態の電極体１と同様の構成であるが、押圧機構が異なる。以下、第一実施形態の電極体１の押圧機構とは異なる押圧機構について説明する。
【００３３】
＜押圧機構＞
電極体１０の押圧機構は、複数の正極集電体２ａ及び複数のセパレータ４を正極集電体２ａの厚さ方向に挟んだ状態でまとめて押圧する固定部材５０を有している。固定部材５０は、両端が接近するように付勢されたＵ字型のクリップであり、このクリップの両端間に複数の正極集電体２ａ及び複数のセパレータ４が配置されることで、クリップの両端間の付勢力により正極集電体２ａ及びセパレータ４が押圧状態で固定される。なお、固定部材５０は、上述のクリップに限定されず、例えば針金を細長い渦巻き状に曲げたクリップであってもよい。また、固定部材５０は、金属製であってもよいし、樹脂製であってもよい。
【００３４】
（利点）
当該電極体１０の押圧機構は、複数の正極集電体２ａ及び複数のセパレータ４を正極集電体２ａの厚さ方向に挟んだ状態でまとめて押圧する固定部材５０を有しているため、固定部材５０で押圧されるセパレータ４の熱収縮が抑制される。また、当該電極体１０は、固定部材５０で複数の正極集電体２ａ及び複数のセパレータ４をまとめて押圧するため、電極体の製造手順の簡略化が可能である。
【００３５】
［第三実施形態］
図３の電極体１００は、第一実施形態の電極体１及び第二実施形態の電極体１０と同様の構成であるが、押圧機構が異なる。以下、これらの電極体の押圧機構とは異なる押圧機構について説明する。
【００３６】
＜押圧機構＞
電極体１００の押圧機構は、正極集電体２ａの延出部２０と延出部２０に対向するセパレータ４との間の隙間を埋めるスペーサ部材６を有している。また、電極体１００の押圧機構は、２つのセパレータ４間の隙間を埋める補助スペーサ部材７をさらに有している。スペーサ部材６は、延出部２０と延出部２０に対向するセパレータ４との間の距離に略一致する厚みを有する略直方体形状の充填材であり、補助スペーサ部材７は、２つのセパレータ４間の距離に略一致する厚みを有する略直方体形状の充填材である。スペーサ部材６は、補助スペーサ部材７とともに、延出部２０に対向するセパレータ４を挟み込むように配設されることで、セパレータ４を正極集電体２ａの延出部２０に間接的に押し当てる。なお、押圧機構は、補助スペーサ部材７を有していなくてもよく、この場合は、例えば第一実施形態の電極体１の固定部材５又は第二実施形態の電極体１０の固定部材５０で、正極集電体２ａ、２つのスペーサ部材６及び２つのセパレータ４が押圧状態で固定されるとよい。また、スペーサ部材６及び補助スペーサ部材７は、金属製であってもよいし、樹脂製であってもよい。
【００３７】
（利点）
当該電極体１００の押圧機構は、正極集電体２ａの延出部２０と延出部２０に対向するセパレータ４との間の隙間を埋めるスペーサ部材６を有している。このため、当該電極体１００は、正極集電体２ａ及びセパレータ４を大きく変形させることなくセパレータ４の熱収縮を抑制できる。
【００３８】
［他の実施形態］
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００３９】
上記実施形態では、正極板２の正極集電体２ａが、両面に正極合材層２ｂの積層されていない延出部２０を有しているものについて説明したが、負極板３の負極集電体３ａが、両面に負極合材層３ｂの積層されていない延出部を有していてもよい。つまり、電極体１、電極体１０又は電極体１００は、正極集電体２ａ及び負極集電体３ａの少なくとも一方の集電体が、両面に合材層の積層されていない延出部を有する構成であってもよい。
【００４０】
また、負極板３の負極集電体３ａが、両面に負極合材層３ｂの積層されていない延出部を有している場合は、負極集電体３ａの延出部へ負極集電体３ａに対向するセパレータ４を押し当てる押圧機構を有していてもよい。つまり、電極体１、電極体１０又は電極体１００は、積層構造において、正極集電体２ａ又は負極集電体３ａの少なくとも一方の集電体の延出部へこの集電体に対向するセパレータ４を押し当てる押圧機構を有していてもよい。
【００４１】
上記実施形態では、負極板３が積層構造の積層方向に対して略垂直方向に正極板２より長く形成されているものについて説明したが、正極板２が積層構造の積層方向に対して略垂直方向に負極板３より長く形成されていてもよい。また、正極板２又は負極板３のいずれが短い場合であっても、押圧機構が、短く形成された極板の集電体の延出部へこの集電体に対向するセパレータ４を押し当てる構成であると、電極体の小型化を図ることができる点で好適である。
【００４２】
上記第一実施形態及び第二実施形態では、押圧機構が、固定部材５又は固定部材５０を有するものについて説明したが、押圧機構は固定部材を有するものに限定されない。例えば、押圧機構は、矢尻型に切られた集電体及びセパレータを切れ目に差し込むことにより集電体へセパレータを押し当てる構成であってもよいし、集電体及びセパレータを圧着することにより集電体へセパレータを押し当てる構成であってもよい。
【００４３】
上記第一実施形態では、固定部材５が、正極集電体２ａ及び正極集電体２ａに対向する２つのセパレータ４を正極集電体２ａの厚さ方向に挟んだ状態で押圧するものについて説明したが、集電体の両面にセパレータが対向していない場合は、集電体の一方の面に対向する１つのセパレータが集電体へ押圧されてもよい。つまり、固定部材５は、正極集電体２ａ又は負極集電体３ａの少なくとも一方の集電体に対向する１つのセパレータ４を集電体の厚さ方向に挟んだ状態で押圧するものであってもよい。
【００４４】
電極体１、電極体１０又は電極体１００は、電極体を収容するケースを備える蓄電素子に設けられていてもよい。すなわち、蓄電素子が、電極体１、電極体１０又は電極体１００と、これらの内の１つ以上の電極体を収容するケースとを備える構成であってもよい。
【００４５】
また、複数の上記蓄電素子を備える蓄電装置が実現されてもよい。このような蓄電装置の一実施形態を図４に示す。図４において、蓄電装置１０００は、複数の蓄電ユニット２０００を備えている。それぞれの蓄電ユニット２０００は、複数の非水電解質蓄電素子３０００を備えている。蓄電装置１０００は、例えば電気自動車（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。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の電極体は、セパレータの熱収縮を抑制できる。したがって、本発明の電極体は、正極及び負極の短絡を防止できる。
【符号の説明】
【００４７】
１，１０，１００  電極体
２  正極板
２ａ  正極集電体
２ｂ  正極合材層
３  負極板
３ａ  負極集電体
３ｂ  負極合材層
４  セパレータ
５，５０  固定部材
６  スペーサ部材
７  補助スペーサ部材
２０  延出部
１０００  蓄電装置
２０００  蓄電ユニット
３０００  非水電解質蓄電素子
【図１】
2019102139.tif 000003
【図２】
2019102139.tif 000004
【図３】
2019102139.tif 000005
【図４】
2019102139.tif 000006