(57)【要約】【課題】負極集電体からの負極活物質層の剥離を抑えることのできる蓄電装置を提供する。【解決手段】蓄電装置は、貫通孔３５を有する負極集電体３１と、珪素酸化物を含む負極活物質層３２と、負極集電体３１および負極活物質層３２よりも軟質の基材３４とを有する。負極電極３０は、負極活物質層３２と基材３４との間に負極集電体３１を挟み込む態様で、負極活物質層３２、負極集電体３１、および基材３４が一体に積層されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有する負極集電体と、
リチウムと反応して合金を形成する金属系材料を含む負極活物質層と、
前記負極集電体および前記負極活物質層よりも軟質の基材と、
前記負極活物質層と前記基材との間に前記負極集電体を挟み込む態様で、前記負極活物質層および前記負極集電体および前記基材が一体に積層された負極電極と、を備える蓄電装置。
【請求項２】
前記負極電極は平板形状であり、
前記負極集電体は、前記貫通孔を複数有し、
前記貫通孔は、前記負極集電体の面に沿って延びるいずれの直線であっても一つ以上の前記貫通孔を通過する位置に配置されている請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記貫通孔は、その開口形状が角のない形状である請求項１または請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記基材は、前記負極電極の積層方向に延びるスルーホールを有する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記負極集電体は、第１負極集電体と第２負極集電体とを有し、
前記負極活物質層は、第１負極活物質層と第２負極活物質層とを有し、
前記負極電極は、その積層方向に沿って第１負極活物質層、第１負極集電体、基材、第２負極集電体、第２負極活物質層の順で積層されており、
前記スルーホールは、前記基材を前記積層方向に貫通する孔であり、前記スルーホールの内面に前記第１負極集電体と前記第２負極集電体とを接続する導体を有する請求項４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、リチウムと反応して合金を形成する金属系材料を負極活物質に採用した蓄電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。リチウムイオン電池は、その電極が、活物質を含む活物質層と集電体（例えば金属箔）とが一体に積層された構造になっている（特許文献１参照）。
【０００３】
近年、リチウムイオン電池の負極電極の活物質に、珪素（Ｓｉ）系の材料や錫（Ｓｎ）系の材料などいったリチウムと反応して合金を形成する金属系材料を用いることが提案されている。こうしたリチウムイオン電池では、炭素（Ｃ）系の材料を負極電極の活物質に用いたものと比較して、蓄電容量を大きくすることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１４６７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したリチウムと合金を形成する金属系材料からなる負極活物質は、充電に際してリチウムを吸蔵して大きく膨張する一方、放電に際してリチウムを放出して収縮するといったように、電池の充放電に伴って膨張と収縮とを繰り返す性質がある。その一方で、負極活物質層と一体の負極集電体は、電池の充放電に伴う温度変化に起因して膨張と収縮とを繰り返すものの、その膨張収縮量は負極活物質層の膨張伸縮量と比較して小さい。そのため、上記リチウムイオン電池は、充放電に伴って負極活物質層と集電体との界面に大きな応力が発生し易く、この応力によって負極集電体からの負極活物質層の剥離が生じ易い。
【０００６】
この発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、負極集電体からの負極活物質層の剥離を抑えることのできる蓄電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するための蓄電装置は、貫通孔を有する負極集電体と、リチウムと反応して合金を形成する金属系材料を含む負極活物質層と、前記負極集電体および前記負極活物質層よりも軟質の基材と、前記負極活物質層と前記基材との間に前記負極集電体を挟み込む態様で、前記負極活物質層および前記負極集電体および前記基材が一体に積層された負極電極と、を備える。
【０００８】
上記蓄電装置では、負極集電体が貫通孔を有しているため、同負極集電体が伸縮し易い構造になっている。そのため、蓄電装置の充放電に伴う負極活物質層の膨張収縮に追従するように負極集電体が変形し易くなり、負極集電体と負極活物質層との界面に応力が発生し難くなる。しかも、負極集電体や負極活物質層よりも軟質の基材がそれら負極集電体および負極活物質層に一体に積層されているため、蓄電装置の充放電に伴う負極活物質層の膨張収縮に際して、同負極活物質層の変形に追従するように、上記基材を負極集電体ともども変形させることが可能になる。そのため、このときの負極活物質層と負極集電体との変形量の相異によって同負極活物質層と負極集電体との界面に応力が発生してしまうものの、同応力を基材にも作用させることができる。したがって上記蓄電装置によれば、基材を有していない蓄電装置と比較して、負極活物質層と負極集電体との界面に作用する応力を分散させて小さくすることができ、負極集電体からの負極活物質層の剥離を抑えることができる。
【０００９】
上記蓄電装置において、前記負極電極が平板形状であり、前記負極集電体が前記貫通孔を複数有する場合には、前記貫通孔は、前記負極集電体の面に沿って延びるいずれの直線であっても一つ以上の前記貫通孔を通過する位置に配置されていることが好ましい。
【００１０】
上記蓄電装置によれば、負極電極の面に沿う方向のうち、どのような方向に負極活物質層が伸縮した場合であっても、負極集電体の全ての部分において、同負極集電体が伸縮し易くなるように貫通孔を作用させることができる。そのため、蓄電装置の充放電に伴う負極活物質層の膨張収縮に際して、同負極活物質層の変形に追従するように上記負極集電体を好適に変形させることができる。
【００１１】
上記蓄電装置において、前記貫通孔は、その開口形状が角のない形状であると良い。
上記蓄電装置によれば、負極集電体を、その伸縮に際して応力集中が生じにくい形状にすることができる。
【００１２】
上記蓄電装置において、前記基材は、前記負極電極の積層方向に延びるスルーホールを有することが好ましい。
上記蓄電装置によれば、基材にスルーホールが形成されているために、同基材が変形し易い構造になる。そのため、蓄電装置の充放電に伴う負極活物質層の膨張収縮に際して、同負極活物質層の変形に追従するように上記基材を好適に変形させることができる。
【００１３】
上記蓄電装置において、前記負極集電体が第１負極集電体と第２負極集電体とを有しており、前記負極活物質層が第１負極活物質層と第２負極活物質層とを有している場合には、前記負極電極を、その積層方向に沿って第１負極活物質層、第１負極集電体、基材、第２負極集電体、第２負極活物質層の順で積層させたものにすることができる。こうした蓄電装置では、前記スルーホールは、前記基材を前記積層方向に貫通する孔であり、前記スルーホールの内面に前記第１負極集電体と前記第２負極集電体とを接続する導体を有することが好ましい。
【００１４】
上記蓄電装置によれば、第１負極集電体と第２負極集電体とがスルーホールの導体を介して導通されるため、第１負極集電体と第１負極活物質層とからなる電極と第２負極集電体と第２負極活物質層とからなる電極との電位のばらつきを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、負極集電体からの負極活物質層の剥離を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の二次電池の分解斜視図。
【図２】第１実施形態の二次電池の断面図。
【図３】第１実施形態の電極組立体の分解斜視図。
【図４】第１実施形態の負極電極の断面図。
【図５】第１実施形態の負極集電体の側面図。
【図６】第１実施形態の基材および負極集電体の断面図。
【図７】第２実施形態の負極電極の断面図。
【図８】他の実施形態の負極集電体の側面図。
【図９】他の実施形態の負極集電体の側面図。
【図１０】他の実施形態の負極集電体の側面図。
【図１１】他の実施形態の負極集電体の側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
以下、図１〜図６に従って、蓄電装置の第１実施形態について説明する。
図１および図２に示すように、蓄電装置としての二次電池１０はケース１１を備え、ケース１１には電極組立体１２が収容されている。ケース１１は、四角箱状の本体部材１４と、同本体部材１４の開口部１４ａを閉塞する矩形平板状の蓋部材１５とからなる。
【００１８】
二次電池１０は、正極端子１６および負極端子１７を備えている。正極端子１６および負極端子１７は、絶縁リング１８によって絶縁された状態で、ケース１１の蓋部材１５を貫通している。なお、本実施形態の二次電池１０はリチウムイオン電池であり、ケース１１内にはリチウム塩を含む非水電解液１３（図２）が収容されている。
【００１９】
図３に示すように、電極組立体１２は、正極電極２０と負極電極３０とセパレータ４０とを備えている。それら正極電極２０、負極電極３０、およびセパレータ４０はそれぞれ長方形状のシート状となっている。
【００２０】
正極電極２０は、長方形状の金属箔（本実施形態ではアルミニウム箔）からなる正極集電体２１と、当該正極集電体２１の両面に配置された正極活物質を含む正極活物質層２２とを備えている。正極集電体２１と２枚の正極活物質層２２とは一体に積層されている。正極電極２０は、その一端に正極タブ２３を有する。
【００２１】
負極電極３０は、長方形状の金属箔（本実施形態では銅箔）からなる負極集電体３１と、負極活物質（本実施形態では、珪素酸化物）を含む負極活物質層３２とを備えている。負極電極３０は、その一端に負極タブ３３を有する。なお、負極電極３０の詳しい構造については後に詳述する。
【００２２】
電極組立体１２は、正極電極２０と負極電極３０との間に、両極を絶縁するセパレータ４０を挟んだ状態で交互に重なることで層状となっている。電極組立体１２は、各正極タブ２３が電極組立体１２の積層方向（図中に矢印Ｔで示す方向）の一方から他方までの範囲で集められた正極タブ群２３ａ（図１）を有している。正極タブ群２３ａは、正極端子１６と正極導電部材１６ａを介して電気的に接続される。また、電極組立体１２は、各負極タブ３３が電極組立体１２の積層方向Ｔの一方から他方までの範囲で集められた負極タブ群３３ａを有している。負極端子１７は、負極タブ群３３ａと負極導電部材１７ａを介して電気的に接続される。
【００２３】
以下、負極電極３０の構造について詳しく説明する。
図４に示すように、負極電極３０は、合成樹脂（例えば、ポリイミド）からなる基材３４を備えている。基材３４は内部に多数の気泡３４ａを有している。この気泡３４ａにより、基材３４は負極集電体３１や負極活物質層３２よりも軟質になっており、変形し易い構造になっている。また負極電極３０は、前記負極集電体３１と前記負極活物質層３２とを一つの負極電極３０に対して２層ずつ有している。
【００２４】
そして、二次電池１０では、前記積層方向Ｔにおける一端から他端に向けて、第１負極活物質層３２ａ、第１負極集電体３１ａ、基材３４、第２負極集電体３１ｂ、第２負極活物質層３２ｂの順で、それら第１負極活物質層３２ａ、第１負極集電体３１ａ、基材３４、第２負極集電体３１ｂ、および第２負極活物質層３２ｂが一体に積層されている。
【００２５】
このように二次電池１０では、第１負極活物質層３２ａと基材３４との間に第１負極集電体３１ａを挟み込む態様であり、且つ第２負極活物質層３２ｂと基材３４との間に第２負極集電体３１ｂを挟み込む態様で、２枚の負極活物質層３２、２枚の負極集電体３１、および基材３４が一体に積層されている。
【００２６】
図５に示すように、負極集電体３１は、該負極集電体３１を上記負極電極３０での積層方向Ｔに貫通する複数の貫通孔３５を有している。各貫通孔３５は、２本の直線穴を十字状に交差させた形状であり、十字形状における中央の交差部分３５ａや４つの先端部分３５ｂがそれぞれ円弧形状である。これにより、各貫通孔３５はその開口形状が角のない形状になっている。また各貫通孔３５は、同一形状のものが負極集電体３１の面に沿う方向において等間隔で並ぶように配置されている。さらに各貫通孔３５は、平板形状の負極電極３０において、負極集電体３１の面に沿って延びるいずれの直線（例えば、図中の線Ａ）であっても一つ以上の貫通孔３５を通過する位置に配置されている。
【００２７】
本実施形態では、負極電極３０の形成に際して先ず、基材３４の両面に鍍金加工によって導体（本実施形態では、銅）の膜を形成しておき、フォトエッチング加工法を用いて、フィルム状の基材３４の両面に貫通孔３５を有する負極集電体３１が積層される。詳しくは、図６に示すように、フィルム状の基材３４の両面に、等間隔で並ぶ貫通孔３５を有する負極集電体３１が形成される。その後、図４に示すように、基材３４の両面に負極集電体３１が積層されたものの両面に、基材３４ともども負極集電体３１の表面を覆うように負極活物質層３２が形成される。これにより、基材３４、負極集電体３１、および負極活物質層３２からなる負極電極３０が形成される。
【００２８】
次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態の二次電池１０では、負極集電体３１が貫通孔３５を有しているため、二次電池１０の充放電に伴って負極活物質層３２が膨張収縮するときに、その膨張収縮に追従するように負極集電体３１が変形し易くなる。
【００２９】
しかも、負極集電体３１および負極活物質層３２よりも軟質の基材３４がそれら負極集電体３１および負極活物質層３２に一体に積層されているため、二次電池１０の充放電に伴う負極活物質層３２の膨張収縮に際して、同負極活物質層３２の変形に追従するように、上記基材３４を負極集電体３１ともども変形させることが可能になる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）二次電池１０は、貫通孔３５を有する負極集電体３１と、珪素系酸化物を含む負極活物質層３２と、負極集電体３１および負極活物質層３２よりも軟質の基材３４とを備えている。そして、負極活物質層３２と基材３４との間に負極集電体３１を挟み込む態様で、負極活物質層３２、負極集電体３１および基材３４が一体に積層されている。こうした二次電池１０によれば、負極集電体３１と負極活物質層３２との界面に応力が発生し難くなる。しかも、基材３４を有していない二次電池と比較して、負極活物質層３２と負極集電体３１との界面に作用する応力を分散させて小さくすることができる。したがって、負極集電体３１からの負極活物質層３２の剥離を抑えることができる。
【００３１】
（２）負極電極３０は平板形状であり、負極集電体３１は貫通孔３５を複数有している。各貫通孔３５は、負極集電体３１の面に沿って延びるいずれの直線であっても一つ以上の貫通孔３５を通過する位置に配置されている。そのため、どのような方向に負極活物質層３２が伸縮した場合であっても、負極集電体３１の全ての部分において、同負極集電体３１が伸縮し易くなるように何れかの貫通孔３５を作用させることができる。したがって、二次電池１０の充放電に伴う負極活物質層３２の膨張収縮に際して、同負極活物質層３２の変形に追従するように負極集電体３１を好適に変形させることができる。
【００３２】
（３）貫通孔３５の開口形状を角のない形状にした。そのため、負極集電体３１を、その伸縮に際して応力集中が生じにくい形状にすることができる。
（第２実施形態）
以下、蓄電装置の第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００３３】
本実施形態の二次電池と第１実施形態の二次電池とは、負極電極の基材および負極集電体のみが異なる。以下、本実施形態の二次電池の基材の形状と負極集電体の形状とを詳しく説明する。なお以下では、基材および負極集電体以外の部分については第１実施形態と同一の構成であるため、同一の部分については同一の符号を付して示すとともにその詳細な説明を割愛する。
【００３４】
図７に示すように、負極電極５０は、合成樹脂（例えば、ポリイミド）からなる基材５４を備えている。この基材５４は負極集電体５１や負極活物質層３２よりも軟質になっている。
【００３５】
基材５４は、負極電極５０の積層方向（図中の左右方向）に延びるスルーホール５６を有している。このスルーホール５６は、基材５４の第１負極集電体５１ａ側の面から第２負極集電体５１ｂ側の面に貫通する孔である。スルーホール５６は、その断面形状が上記貫通孔３５の開口形状とほぼ同一の形状であり、第１負極集電体５１ａの貫通孔３５と第２負極集電体５１ｂの貫通孔３５とを連通する形状で延びる。スルーホール５６は、その内面に導体としての金属箔部５７を有している。この金属箔部５７によって、基材５４の一方の面の前記第１負極集電体５１ａと他方の面の第２負極集電体５１ｂとが接続されて（導通）している。
【００３６】
本実施形態では、負極電極３０の積層方向Ｔにおける一端から他端に向けて、第１負極活物質層３２ａ、第１負極集電体５１ａ、基材５４、第２負極集電体５１ｂ、第２負極活物質層３２ｂの順で、それら第１負極活物質層３２ａ、第１負極集電体５１ａ、基材５４、第２負極集電体５１ｂ、および第２負極活物質層３２ｂが一体に積層されている。
【００３７】
本実施形態では、負極電極５０の形成に際して先ず、フィルム状の基材５４に貫通孔を形成するとともに同貫通孔の内面に鍍金加工によって導体（本実施形態では、銅）の膜を形成することによって、内面に金属箔部５７を有するスルーホール５６が基材５４に形成される。詳しくは、スルーホール５６の開口が負極集電体５１の貫通孔となり、等間隔で並ぶ貫通孔を有する負極集電体５１が形成される。その後、基材５４の両面に負極集電体５１が積層されたものの両面に、基材３４ともども負極集電体５１の表面を覆うように負極活物質層３２が形成される。これにより、基材５４、負極集電体５１、および負極活物質層３２からなる負極電極５０が形成される。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、先の（１）〜（３）に記載の効果に準じた効果に加えて、以下の（４）および（５）に記載する効果が得られるようになる。
（４）基材５４にスルーホール５６を形成したため、同基材５４が変形し易い構造になる。したがって、二次電池の充放電に伴う負極活物質層３２の膨張収縮に際して、同負極活物質層３２の変形に追従するように上記基材５４を好適に変形させることができる。
【００３９】
（５）第１負極集電体５１ａと第２負極集電体５１ｂとがスルーホール５６の金属箔部５７を介して導通されている。そのため、第１負極集電体５１ａと第１負極活物質層３２ａとからなる電極と第２負極集電体５１ｂと第２負極活物質層３２ｂとからなる電極との電位のばらつきを抑えることができ、それら電極間における反応のばらつきを抑えることができる。
【００４０】
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
○  第１実施形態では、基材３４を変形し易い構造にするために、基材３４の内部に多数の気泡３４ａを形成するようにしたが、これに代えて、基材３４の形成材料として同基材３４を軟質にするための添加剤を添加したものを用いるようにしてもよい。
【００４１】
○  第１実施形態では、フォトエッチング加工法によって負極集電体３１に貫通孔３５を形成したが、これに代えて、シルク印刷などの他の方法でレジストパターンを形成するエッチング加工法によって負極集電体３１に貫通孔３５を形成してもよい。
【００４２】
○  第２実施形態において、負極電極５０の形成に際して先ず、フィルム状の基材５４の両面に鍍金加工によって導体の膜を形成し、その後に打ち抜き加工などによってスルーホール５６を形成してもよい。この場合にも、スルーホール５６の開口が負極集電体５１の貫通孔となる。
【００４３】
○  第２実施形態において、スルーホール５６の開口に加えて、さらにフォトエッチング加工を行って負極集電体５１に貫通孔を設けてもよい。
○  第２実施形態において、予めスルーホール５６を形成したフィルム状の基材５４に負極集電体５１を貼り合わせてもよい。この場合、負極集電体５１に打ち抜き加工などによって予め貫通孔を形成したり、貼り合わせ後にエッチング加工などによって貫通孔を形成したりすればよい。
【００４４】
○  負極活物質層３２に含まれる負極活物質としては、珪素酸化物などの珪素系の材料の他、珪素系の材料と炭素系の材料との混合物や、錫系の材料（具体的には、錫合金や錫酸化物など）、珪素系の材料と炭素系の材料との混合物を用いることができる。要は、リチウムと反応して合金を形成する金属系材料を含む材料であれば、負極活物質とすることができる。
【００４５】
○  負極集電体３１，５１の貫通孔３５の開口形状を角のある形状にしてもよい。
○  負極集電体３１，５１の面に沿って延びる直線が貫通孔３５を一つも通過しないように貫通孔３５を配置してもよい。
【００４６】
○  負極集電体３１，５１の貫通孔３５の形状は、例えば図８〜図１０に示す形状のように、任意に変更することができる。図８に示す例では、負極集電体６１が、１２０度間隔で延びる３本の直線からなる三又形状の貫通孔６５を有している。図９に示す例では、負極集電体７１に、十字形状の貫通孔７５とＸ字形状の貫通孔７６が交互に並ぶように配置されている。図１０に示す例では、負極集電体８１が、直線状に延びる貫通孔８５を有している。
【００４７】
○  負極集電体の貫通孔の一部もしくは全部を、単なる切れ目としてもよい。図１１に示す例では、負極集電体９１における貫通孔９５の全体が切れ目になっている。こうした二次電池によれば、負極集電体と負極活物質層との接触面積を大きくすることが可能になるため、負極電極における抵抗を小さくすることができ、電池出力の低下を抑えることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、１３…非水電解液、１４…本体部材、１４ａ…開口部、１５…蓋部材、１６…正極端子、１６ａ…正極導電部材、１７…負極端子、１７ａ…負極導電部材、１８…絶縁リング、２０…正極電極、２１…正極集電体、２２…正極活物質層、２３…正極タブ、２３ａ…正極タブ群、３０，５０…負極電極、３１，５１，６１，７１，８１，９１…負極集電体、３１ａ，５１ａ…第１負極集電体、３１ｂ，５１ｂ…第２負極集電体、３２…負極活物質層、３２ａ…第１負極活物質層、３２ｂ…第２負極活物質層、３３…負極タブ、３３ａ…負極タブ群、３４，５４…基材、３４ａ…気泡、３５，６５，７５，７６，８５，９５…貫通孔、３５ａ…交差部分、３５ｂ…先端部分、４０…セパレータ、５６…スルーホール、５７…金属箔部。
【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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