(57)【要約】【課題】想定される異物による内部短絡を抑制できる蓄電装置を提供する。【解決手段】  蓄電装置１は、金属箔１１の少なくとも一面に設けられた正極活物質層１２を有する正極１０と、金属箔２１の少なくとも一面に設けられた負極活物質層２２と、負極活物質層２２上に設けられた保護層２３とを有する負極２０と、正極１０と負極２０との間に配置されたセパレータ３０とを備える。保護層２３の硬さは正極活物質層１２の硬さよりも硬い。正極活物質層１２の厚みと負極活物質層２２の厚みのうちの厚いほうの厚みをＰとし、正極活物質層１２の硬さをｘとし、保護層２３の硬さをｙとし、保護層２３の厚みをＴとし、セパレータ３０の厚みをＤとした場合、ｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）＜Ｔ及びＰ＞Ｄを満たす。【選択図】図２
2015216046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１集電箔の少なくとも一面に設けられた第１活物質層を有する第１電極と、
第２集電箔の少なくとも一面に設けられた第２活物質層と、前記第２活物質層上に設けられ前記第１活物質層に対向配置された保護層とを有する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたセパレータと、
を備え、
前記第１電極及び前記第２電極の一方が正極であり、
前記第１電極及び前記第２電極の他方が負極であり、
前記保護層の硬さは前記第１活物質層の硬さよりも硬く、
前記第１活物質層の厚みと前記第２活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みをＰとし、前記第１活物質層の硬さをｘとし、前記保護層の硬さをｙとし、前記保護層の厚みをＴとし、前記セパレータの厚みをＤとした場合、下記の式（１）及び式（２）を満たす、蓄電装置。
【数１】
2015216046.tif 000005
【請求項２】
前記第１活物質層の硬さは前記第２活物質層の硬さよりも硬い、請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記第１活物質層の厚みをｔとした場合、下記の式（３）を満たす、請求項１又は２に記載の蓄電装置。
【数２】
2015216046.tif 000006
【請求項４】
前記第１活物質層の厚みと前記第２活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みは、負極活物質層の厚みである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記第１活物質層は正極活物質層である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
正極と、負極と、正極と負極との間に介在するセパレータと、電極（正極又は負極）の表面に接着された多孔質絶縁膜とを含む非水電解液二次電池が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４８４７８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非水電解液二次電池等の蓄電装置を製造中に、異物（例えば、活物質層から落ちた活物質）がセパレータと電極（正極又は負極）との間に入る場合がある。異物が入った場合、異物によって、まずセパレータが破断し、その後、電極表面の保護層（多孔質絶縁膜）が破断する可能性がある。セパレータ及び保護層の両方が破断すると、正極と負極とが直接又は異物を介して内部短絡する可能性がある。
【０００５】
セパレータと電極（正極又は負極）との間に入る最大の異物としては、電極製造工程の打抜き等のときに活物質層から落ちる活物質又は活物質層の一部等が考えられる。よって、保護層の厚み方向における異物の最大サイズは、正極活物質層の厚みと負極活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みと同じであると想定される。
【０００６】
そこで、本発明の一側面は、想定される異物による内部短絡を抑制できる蓄電装置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】
本発明の一側面に係る蓄電装置は、第１集電箔の少なくとも一面に設けられた第１活物質層を有する第１電極と、第２集電箔の少なくとも一面に設けられた第２活物質層と、前記第２活物質層上に設けられ前記第１活物質層に対向配置された保護層とを有する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたセパレータと、を備え、前記第１電極及び前記第２電極の一方が正極であり、前記第１電極及び前記第２電極の他方が負極であり、前記保護層の硬さは前記第１活物質層の硬さよりも硬く、前記第１活物質層の厚みと前記第２活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みをＰとし、前記第１活物質層の硬さをｘとし、前記保護層の硬さをｙとし、前記保護層の厚みをＴとし、前記セパレータの厚みをＤとした場合、下記の式（１）及び式（２）を満たす。
【数１】
2015216046.tif 000003
【０００８】
本明細書において、「硬さ」は、例えば、ビッカース硬さ試験で測定されたビッカース硬さ［ＨＶ］である。
【０００９】
セパレータと第１電極又は第２電極との間には、異物が入る可能性がある。そのような異物としては、電極製造工程の打抜き等のときに第１活物質層又は第２活物質層から落ちる活物質（粒子）又は活物質層の一部（バリ）等が考えられる。よって、保護層の厚み方向における異物の最大サイズは、第１活物質層の厚みと第２活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みＰと同じであると想定される。最大サイズＰの異物がセパレータと第１電極又は第２電極との間に入った場合、上記の式（２）のように、最大サイズＰはセパレータの厚みＤよりも大きいので、異物はセパレータを貫通する。異物がセパレータからはみ出す距離は（Ｐ−Ｄ）となる。はみ出た異物は、ｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）だけ第１活物質層内に入り込み、ｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）だけ保護層内に入り込む。したがって、保護層の凹み量はｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）となる。保護層の厚みＴはｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）よりも大きい（上記の式（１）を満たす）ので、保護層の破断が抑制される。その結果、異物による内部短絡が抑制される。よって、上記の式（１）及び（２）を満たす蓄電装置では、セパレータと第１電極又は第２電極との間に異物が入っても、異物による内部短絡を抑制できる。したがって、この蓄電装置では、想定される異物による内部短絡を抑制できる。
【００１０】
一実施形態において、前記第１活物質層の硬さは前記第２活物質層の硬さよりも硬くてもよい。
【００１１】
この場合、第１活物質層の凹み量ｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）が小さくなるので、保護層の凹み量ｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）が大きくなる。そのような場合であっても、保護層の厚みＴはｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）よりも大きい（上記の式（１）を満たす）ので、保護層の破断が抑制される。
【００１２】
一実施形態において、前記第１活物質層の厚みをｔとした場合、下記の式（３）を満たしてもよい。
【数２】
2015216046.tif 000004
【００１３】
セパレータからはみ出た異物は、ｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）だけ第１活物質層内に入り込む。したがって、第１活物質層の凹み量はｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）となる。第１活物質層の厚みｔがｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）よりも大きいと（上記の式（３）を満たすと）、異物が第１集電箔に到達しないので、第１活物質層の破断が抑制される。
【００１４】
一実施形態において、前記第１活物質層の厚みと前記第２活物質層の厚みのうちの厚いほうの厚みは、負極活物質層の厚みであってもよい。
【００１５】
この場合、想定される異物の最大サイズＰは負極活物質層の厚みと同じになる。通常、正極活物質層に含まれるバインダと負極活物質層に含まれるバインダとの違いによって、正極活物質層の活物質等に比べて負極活物質層の活物質等は落ち易い。よって、最大の異物は、主として負極活物質層の活物質等であると想定される。
【００１６】
一実施形態において、前記第１活物質層は正極活物質層であってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一側面によれば、想定される異物による内部短絡を抑制できる蓄電装置が提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。
【図２】第１電極と第２電極との間に異物が入った場合の蓄電装置の一部を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。図１に示される蓄電装置１は、例えば二次電池又は電気二重層キャパシタ等である。二次電池としては、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が挙げられる。
【００２１】
蓄電装置１は、電極組立体２と、電極組立体２を収容するケース４とを備える。ケース４内には電解液３が収容される。電極組立体２は、第１電極としての正極１０と、第２電極としての負極２０と、正極１０と負極２０との間に配置されたセパレータ３０とを備える。複数の正極１０及び複数の負極２０が、セパレータ３０を介して交互に積層されている。電解液３は、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液等である。ケース４は導電性を有し、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等の金属からなる。ケース４の形状は例えば直方体状である。
【００２２】
正極１０は、第１集電箔としての金属箔１１と、金属箔１１の少なくとも一面に設けられた第１活物質層としての正極活物質層１２とを有する。本実施形態では、金属箔１１の両面にそれぞれ正極活物質層１２が設けられている。正極１０は、金属箔１１の端部において、正極活物質層１２が設けられていないタブ部を有してもよい。タブ部は、正極１０の上縁部に延び、導電部材を介して正極端子に接続される。
【００２３】
金属箔１１は、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔である。正極活物質層１２は、正極活物質及びバインダを含む。正極活物質層１２は、導電助剤を含んでもよい。正極活物質は、例えば、複合酸化物、金属リチウム、硫黄である。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。バインダは、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂等である。導電助剤は、例えば、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）である。
【００２４】
負極２０は、第２集電箔としての金属箔２１と、金属箔２１の少なくとも一面に設けられた第２活物質層としての負極活物質層２２と、負極活物質層２２上に設けられ正極活物質層１２に対向配置された保護層２３とを有する。保護層２３は、負極活物質層２２の表面全体を覆ってもよい。本実施形態では、金属箔２１の両面にそれぞれ負極活物質層２２が設けられている。負極２０は、金属箔２１の端部において、負極活物質層２２が設けられていないタブ部を有してもよい。タブ部は、負極２０の上縁部に延び、導電部材を介して負極端子に接続される。
【００２５】
金属箔２１は、例えば、銅箔、銅合金箔である。負極活物質層２２は、負極活物質及びバインダを含む。負極活物質層２２は、導電助剤を含んでもよい。負極活物質は、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素である。バインダ及び導電助剤としては、例えば、正極１０に用いられるバインダ及び導電助剤と同じものが挙げられる。バインダとしては、さらに、例えばカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、アルコキシシリル基含有樹脂等が挙げられる。保護層２３は、例えば多孔質絶縁層である。保護層２３は、例えばセラミック等の絶縁材料と、バインダとを含む。セラミックは、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２等である。バインダとしては、例えば、正極１０に用いられるバインダと同じものが挙げられる。
【００２６】
セパレータ３０は、正極１０と負極２０とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させる。セパレータ３０の一方の面が保護層２３に密着し、セパレータ３０の他方の面が正極活物質層１２に密着してもよい。セパレータ３０は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布である。
【００２７】
図２は、第１電極と第２電極との間に異物が入った場合の蓄電装置の一部を模式的に示す断面図である。図２では、蓄電装置１の正極１０と負極２０との間に異物Ａが入っている。
【００２８】
本実施形態では、正極活物質層１２の硬さが負極活物質層２２の硬さよりも硬い。保護層２３の硬さは正極活物質層１２の硬さよりも硬い。負極活物質層２２の硬さは、セパレータ３０の硬さよりも硬い。
【００２９】
正極活物質層１２の硬さ及び負極活物質層２２の硬さは、活物質層の密度によって決まり、密度が高いほど硬い。したがって、活物質層の密度を所望の密度（予め設定された値）にすることによって、活物質層の硬さを調整することができる。密度は、例えば、活物質層を形成するための電極ペーストの固形分率、金属箔１１，２１に電極ペーストを塗布して乾燥させた後のプレス工程におけるプレス圧等を調整することによって調整され得る。
【００３０】
保護層２３の硬さは、保護層２３に用いる素材の選択、保護層２３の密度によって決まり、密度が高いほど硬い。したがって、保護層２３の密度を所望の密度（予め設定された値）にすることによって、保護層２３の硬さを調整することができる。密度は、例えば、保護層２３を形成するためのペーストの固形分率、ペーストを塗布して乾燥させた後のプレス工程におけるプレス圧等を調整することによって調整され得る。
【００３１】
セパレータ３０の硬さは、セパレータ３０に用いる素材の選択、気孔率又は気孔径の調整等によって調整され得る。
【００３２】
本実施形態では、負極活物質層２２が正極活物質層１２よりも厚い。正極活物質層１２及び負極活物質層２２はセパレータ３０よりも厚い。保護層２３は正極活物質層１２、負極活物質層２２及びセパレータ３０よりも薄い。保護層２３は、蓄電装置１の容量に寄与しないので、蓄電装置１の小型化のためには薄い方が好ましい。負極活物質層２２の厚み、正極活物質層１２の厚み及び保護層２３の厚みは、例えば、ペーストの塗布量、プレス工程におけるプレスロール間隔の調整等によって調整され得る。セパレータ３０の厚みは、例えば素材を引っ張って薄くする際の力等によって調整され得る。
【００３３】
正極活物質層１２の厚みと負極活物質層２２の厚みのうち厚いほうである負極活物質層２２の厚みをＰとし、正極活物質層１２の硬さをｘとし、保護層２３の硬さをｙとし、保護層２３の厚みをＴとし、セパレータ３０の厚みをＤとした場合、下記の式（１）及び式（２）を満たす。
ｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）＜Ｔ…（１）
Ｐ＞Ｄ…（２）
【００３４】
正極活物質層１２の厚みをｔとした場合、下記の式（３）を満たしてもよい。
ｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）＜ｔ…（３）
【００３５】
セパレータ３０と正極１０又は負極２０との間には、異物Ａが入る可能性がある。そのような異物Ａとしては、電極製造工程の打抜き等のときに正極活物質層１２又は負極活物質層２２から落ちる活物質（粒子）又は活物質層の一部（バリ）等が考えられる。よって、保護層２３の厚み方向における異物Ａの最大サイズは、正極活物質層１２の厚みと負極活物質層２２の厚みのうちの厚いほうである負極活物質層２２の厚みＰと同じであると想定される。最大サイズＰの異物Ａがセパレータ３０と正極１０又は負極２０との間に入った場合、上記の式（２）のように、最大サイズＰはセパレータ３０の厚みＤよりも大きいので、異物Ａはセパレータ３０を貫通する。異物Ａがセパレータ３０からはみ出す距離は（Ｐ−Ｄ）となる。はみ出た異物Ａは、ｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）だけ正極活物質層１２内に入り込み、ｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）だけ保護層２３内に入り込む。したがって、保護層２３の凹み量はｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）となる。保護層２３の厚みＴはｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）よりも大きい（上記の式（１）を満たす）ので、保護層２３の破断が抑制される。その結果、異物Ａによる内部短絡が抑制される。よって、上記の式（１）及び（２）を満たす蓄電装置１では、セパレータ３０と正極１０又は負極２０との間に最大サイズＰの異物Ａが入っても、異物Ａによる内部短絡を抑制できる。したがって、蓄電装置１では、想定される異物Ａによる内部短絡を抑制できる。
【００３６】
セパレータ３０からはみ出た異物Ａは、ｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）だけ正極活物質層１２内に入り込む。したがって、正極活物質層１２の凹み量はｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）となる。正極活物質層１２の厚みｔがｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）よりも大きいと（上記の式（３）を満たすと）、異物Ａが金属箔１１に到達しないので、正極活物質層１２の破断が抑制される。
【００３７】
本実施形態では、正極活物質層１２の硬さが負極活物質層２２の硬さよりも硬い。よって、正極活物質層１２の凹み量ｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）が小さくなるので、保護層２３の凹み量ｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）が大きくなる。そのような場合であっても、保護層２３の厚みＴがｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）よりも大きい（上記の式（１）を満たす）ので、保護層２３の破断が抑制される。
【００３８】
本実施形態では、保護層２３の厚み方向における異物Ａの最大サイズＰは負極活物質層２２の厚みＰと同じである。通常、正極活物質層１２に含まれるバインダと負極活物質層２２に含まれるバインダとの違いによって、正極活物質層１２の活物質等に比べて負極活物質層２２の活物質等は落ち易い。よって、最大の異物Ａは、主として負極活物質層２２の活物質等であると想定される。
【００３９】
蓄電装置１を製造する際に、負極活物質層２２の厚みをＰとし、正極活物質層１２の硬さをｘとし、保護層２３の硬さをｙとし、保護層２３の厚みをＴとし、セパレータ３０の厚みをＤとした場合、上記の式（１）及び式（２）を満たすように、負極活物質層２２の厚み、正極活物質層１２の硬さ、保護層２３の硬さ、保護層２３の厚み、及びセパレータ３０の厚みを決定してもよい。また、正極活物質層１２の厚みをｔとした場合、上記の式（３）を満たすように、正極活物質層１２の厚みを決定してもよい。
【００４０】
各層の厚み及び硬さは例えば以下のように決定される。まず、電極組立体２のサイズ、正極１０及び負極２０の積層数等を考慮して、正極活物質層１２の厚みｔ、負極活物質層２２の厚みＰ、保護層２３の厚みＴ、セパレータ３０の厚みＤを決定する。次に、上記の式（１）〜式（３）を満たすように、正極活物質層１２の硬さｘ及び保護層２３の硬さｙを決定する。次に、決められた厚み及び硬さに従って、電極組立体２を作製する。
【００４１】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。
【００４２】
例えば、正極活物質層１２の硬さが負極活物質層２２の硬さと同じであってもよい。また、負極活物質層２２が正極活物質層１２よりも硬くてもよい。この場合、正極活物質層１２の硬さｘが小さくなる。すなわち、正極活物質層１２が軟らかくなる。よって、正極活物質層１２の凹み量ｙ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）が大きくなり、保護層２３の凹み量ｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）が小さくなる。
【００４３】
また、正極活物質層１２の厚みが負極活物質層２２の厚みと同じであってもよい。さらに、正極活物質層１２が負極活物質層２２よりも厚くてもよい。この場合、上記の式（１）〜式（３）において、負極活物質層２２の厚みではなく、正極活物質層１２の厚みをＰとする。正極活物質層１２の厚みが異物Ａの最大サイズＰと同じになる。
【００４４】
また、負極２０が保護層２３を有しておらず、正極１０が保護層２３を有してもよい。この場合、負極２０が第１電極に相当し、正極１０が第２電極に相当する。負極活物質層２２が第１活物質層に相当し、正極活物質層１２が第２活物質層に相当する。負極活物質層２２の硬さが第１活物質層の硬さに相当する。よって、上記の式（１）及び式（３）において、正極活物質層１２の硬さではなく、負極活物質層２２の硬さがｘとなり、正極活物質層１２の厚さではなく、負極活物質層２２の厚さがｔとなる。この場合であっても、保護層２３の厚みＴがｘ／（ｘ＋ｙ）×（Ｐ−Ｄ）よりも大きい（上記の式（１）を満たす）ので、保護層２３の破断が抑制される。
【符号の説明】
【００４５】
１…蓄電装置、２…電極組立体、３…電解液、４…ケース、１０…正極（第１電極）、１１…金属箔（第１集電箔）、１２…正極活物質層（第１活物質層）、２０…負極（第２電極）、２１…金属箔（第２集電箔）、２２…負極活物質層（第２活物質層）、２３…保護層、３０…セパレータ。
【図１】
2015216046.tif 000007
【図２】
2015216046.tif 000008