(57)【要約】【課題】活物質層が集電体から剥がれることを抑制することができる蓄電装置を提供すること。【解決手段】二次電池は、複数の電極１４を有し、電極１４は、シート状の金属箔１５の両面に活物質層１６を備えるとともに、活物質層１６が塗布されず、電極１４の一辺に沿って金属箔１５の露出した活物質未塗工部１８を備える。また、電極１４は、金属箔１５に対し積層状態で接合されたシート状の拘束層２０を備え、拘束層２０は、線膨張率が金属箔１５より小さく、かつ活物質層１６と接触している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が、シート状の集電体の少なくとも片面に活物質層を備えるとともに、前記活物質層が塗布されず、前記電極の一辺に沿って前記集電体の露出した活物質未塗工部を備える蓄電装置であって、
前記電極は、前記集電体に対し積層状態で接合されたシート状の拘束層を備え、
前記拘束層は、線膨張率が前記集電体より小さく、かつ前記活物質層と接触していることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記拘束層は、多孔質状である請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記拘束層は、該拘束層の孔内に前記集電体が入り込んだ状態で前記集電体に接合されている請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記拘束層は、抵抗シーム溶接によって前記集電体に接合されている請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記拘束層は前記電極の一辺の延びる第１方向全体に亘って設けられるとともに、前記活物質層と前記活物質未塗工部との境界を含めて前記活物質層と前記活物質未塗工部に掛け渡っている請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項６】
前記拘束層において前記第１方向に延びる縁部は、前記電極の一辺に沿った前記活物質未塗工部の一辺よりも、該活物質未塗工部の面に沿う方向に沿って前記活物質層に向けて退いた位置にある請求項５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、電極が、シート状の集電体の少なくとも片面に活物質層を備えるとともに、活物質層が塗布されず、電極の一辺に沿って集電体の露出した活物質未塗工部を備える蓄電装置に関する。
【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。二次電池は、正極及び負極の電極がセパレータを間に挟んだ状態で積層された電極組立体を備える。電極は、集電体である金属箔の両面に活物質層を備えるとともに、活物質層が設けられず金属箔の露出した活物質未塗工部を備える。
【０００３】
このような二次電池においては、充放電の繰り返しによって活物質層が膨張及び収縮を繰り返す。このとき、電極においては、活物質層と金属箔との線膨張率の差を原因として金属箔から活物質層が剥がれてしまう虞がある。そこで、金属箔から活物質層が剥がれることを抑制するため、例えば、特許文献１では、活物質層を被膜で覆い、活物質層の膨張及び収縮を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３０１８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１のように、被膜によって活物質層の膨張及び収縮を抑制したとしても、金属箔の膨張及び収縮によって活物質層が金属箔から剥がれてしまう虞がある。
本発明は、活物質層が集電体から剥がれることを抑制することが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】
【０００６】
上記問題点を解決するための蓄電装置は、電極が、シート状の集電体の少なくとも片面に活物質層を備えるとともに、前記活物質層が塗布されず、前記電極の一辺に沿って前記集電体の露出した活物質未塗工部を備える蓄電装置であって、前記電極は、前記集電体に対し積層状態で接合されたシート状の拘束層を備え、前記拘束層は、線膨張率が前記集電体より小さく、かつ前記活物質層と接触していることを要旨とする。
【０００７】
これによれば、拘束層の線膨張率が集電体の線膨張率より小さいため、充放電の繰り返しによって活物質層が発熱し、集電体が熱を持っても、集電体において拘束層の接合された部分では、拘束層によって集電体が拘束され、集電体の面に沿う方向への線膨張が抑制される。このため、活物質層自体は線膨張率が小さく、その面に沿う方向への線膨張も少ないことから、集電体と活物質層との線膨張の差が小さく抑えられ、活物質層が集電体から剥がれることが抑制される。
【０００８】
また、蓄電装置について、前記拘束層は、多孔質状であるのが好ましい。
これによれば、同じ外形形状の拘束層において、多孔質状の場合と、非多孔質の板状である場合とでは、多孔質状の拘束層の方が集電体と活物質層とが直接接触した部分が多くなる。このため、拘束層が非多孔質の板状の場合と比べて集電効果が高くなる。
【０００９】
また、蓄電装置について、前記拘束層は、該拘束層の孔内に前記集電体が入り込んだ状態で接合されている。
これによれば、孔内に集電体が入り込むことで、孔内で、その集電体の線膨張を抑えることができる。
【００１０】
また、蓄電装置について、前記拘束層は、抵抗シーム溶接によって前記集電体に接合されているのが好ましい。
これによれば、溶接電極を回転させながら抵抗溶接を行うことができ、拘束層の延びる方向へ溶接電極を回転させることで、拘束層を、その延びる方向に連続して集電体に接合することができる。
【００１１】
また、蓄電装置について、前記拘束層は前記電極の一辺の延びる第１方向全体に亘って設けられるとともに、前記活物質層と前記活物質未塗工部との境界を含めて前記活物質層と前記活物質未塗工部に掛け渡っているのが好ましい。
【００１２】
これによれば、活物質層と活物質未塗工部の境界付近では、両者の線膨張の差の影響を受けやすいが、境界を含めて拘束層が活物質層と活物質未塗工部に掛け渡されることで、境界付近が拘束層で拘束され、活物質層が集電体から剥がれることを抑制することができる。
【００１３】
また、蓄電装置について、前記拘束層において前記第１方向に延びる端縁は、前記電極の一辺である前記活物質未塗工部の端縁よりも、該活物質未塗工部の面に沿う方向に沿って前記活物質層に向けて退いた位置にあるのが好ましい。
【００１４】
これによれば、電極が、活物質未塗工部の端縁から突出する集電タブを備えた場合、集電タブは折り曲げて使用されることがある。しかし、拘束層が集電タブからも離れた位置に配置されるため、拘束層が集電タブの折り曲げの妨げにならずに済む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、活物質層が集電体から剥がれることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電極を示す斜視図。
【図２】電極における拘束層付近を拡大して示す部分断面図。
【図３】電極を示す縦断面図。
【図４】金属箔と拘束層を示す分解斜視図。
【図５】二次電池を示す斜視図。
【図６】抵抗シーム溶接によって金属箔に拘束層を接合する状態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。
図５に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、外観が角型をなす角型電池であり、リチウムイオン電池である。二次電池１０は、ケース１１内に電極組立体３１を備える。電極組立体３１は、複数の正極の電極と、複数の負極の電極とが、両者の間を絶縁した状態で交互に積層されて構成されている。電極組立体３１には、正極端子３２と負極端子３３が電気的に接続され、正極端子３２と負極端子３３はケース１１外に露出している。
【００１８】
図１に示すように、正極及び負極の電極１４は矩形シート状である。また、電極１４は、集電体としての矩形シート状の金属箔１５（正極はアルミニウム箔、負極は銅箔）の両面に活物質層１６を備える。電極１４は、その一辺に沿って活物質層１６が設けられず、かつ金属箔１５の露出した活物質未塗工部１８を有する。また、電極１４は、活物質未塗工部１８の一辺の一部から突出した金属箔１５によって形成された集電タブ１７を有する。
【００１９】
なお、金属箔１５において、集電タブ１７の突出する一辺を第１長辺１５ａとし、第１長辺１５ａの対辺を第２長辺１５ｂとする。また、金属箔１５において、第１長辺１５ａと第２長辺１５ｂの両端を繋ぐ一対の辺を短辺１５ｃとする。そして、第１長辺１５ａ及び第２長辺１５ｂの延びる方向を金属箔１５の第１方向とするとともに、短辺１５ｃの延びる方向を金属箔１５の第２方向とする。
【００２０】
図２に示すように、金属箔１５の厚み方向の両面のうち一方を第１面Ｍ１とし、他方を第２面Ｍ２とすると、金属箔１５の第１面Ｍ１及び第２面Ｍ２に活物質層１６が保持されている。また、電極１４は、金属箔１５の第１面Ｍ１に積層状態で接合された平面視矩形状の拘束層２０を備える。拘束層２０は、不変鋼（３６重量％のＮｉを含有するＦｅ−Ｎｉ系合金）で形成されるとともに、線膨張率が１．２×１０−６／Ｋである。拘束層２０の線膨張率は、金属箔１５の線膨張率（正極であればアルミニウムの２３．６×１０−６／Ｋ、負極の銅であれば１６．８×１０−６／Ｋ）より小さく、活物質層１６の線膨張率より大きい。
【００２１】
図３及び図４に示すように、拘束層２０は、板状の不変鋼をエキスパンド加工したエキスパンドメタルであり、多孔質状であるとともに、孔として複数の網目２０ａを有する。拘束層２０は外形が矩形状である。拘束層２０において、拘束層２０の長手方向に延びる一対の縁部を第１縁部２０ｂとし、拘束層２０の短手方向に延び、かつ第１縁部２０ｂに直交する一対の縁部を第２縁部２０ｃとする。なお、第１縁部２０ｂ及び第２縁部２０ｃとは、エキスパンド加工によって形成された不変鋼の一つの端部のことではなく、それら端部が拘束層２０の長手方向又は短手方向に延びる外形線上で並ぶことで形成された部位のことである。
【００２２】
拘束層２０の長手方向に沿った第１縁部２０ｂの長さと、金属箔１５の第１方向に沿った第１長辺１５ａ及び第２長辺１５ｂの長さは同じであり、拘束層２０は金属箔１５の第１方向全体に亘って設けられている。また、拘束層２０の短手方向に沿った第２縁部２０ｃの長さは、金属箔１５の第２方向に沿った短辺１５ｃの長さより短く、拘束層２０は金属箔１５の短辺１５ｃの一部に沿って設けられている。
【００２３】
さらに、拘束層２０は、一対の第１縁部２０ｂが、それぞれ金属箔１５の第２長辺１５ｂよりも第１長辺１５ａに近い位置となるように金属箔１５に接合されている。したがって、拘束層２０は、金属箔１５の第２方向の中央よりも第１長辺１５ａ寄り、すなわち活物質未塗工部１８寄りに配置されている。また、拘束層２０の一方の第１縁部２０ｂは、金属箔１５の第１長辺１５ａよりも活物質層１６に向けて退いた位置に位置している。
【００２４】
また、図２及び図３に示すように、拘束層２０の厚みは、金属箔１５の厚みより薄い。そして、拘束層２０は、その表面が金属箔１５の第１面Ｍ１と面一になる状態で金属箔１５の厚み内に埋め込まれ、第２面Ｍ２には達していない。よって、拘束層２０の複数の網目２０ａには、金属箔１５の金属が入り込んでいるとともに、拘束層２０は金属箔１５に食い込んでいる。また、電極１４において、拘束層２０が接合された部位は、電極１４と金属箔１５の２層構造である。
【００２５】
図１及び図２に示すように、活物質層１６において、金属箔１５の第１長辺１５ａに沿って延びる端縁を活物質層縁部１６ａとする。この活物質層縁部１６ａは、活物質層１６と活物質未塗工部１８の境界線となる。活物質層縁部１６ａは、拘束層２０の一対の第１縁部２０ｂに平行であり、拘束層２０の面上において、拘束層２０の短手方向に対向する一対の第１縁部２０ｂに挟まれた位置にある。よって、拘束層２０は、活物質層１６における活物質未塗工部１８寄りの部分から活物質層縁部１６ａを含んで活物質未塗工部１８にまで掛け渡されている。
【００２６】
次に、電極１４の作用を記載する。
二次電池において、充放電の繰り返しにより、電極１４の活物質層１６が発熱するとともに、金属箔１５も発熱する。このとき、拘束層２０は、その線膨張率の小ささから熱膨張が小さく、その拘束層２０によって金属箔１５の金属が拘束される結果、金属箔１５の熱膨張が抑制される。
【００２７】
次に、電極１４の製造方法について説明する。
図６に抵抗シーム溶接を用いた製造方法を示す。電極１４は、まず、金属箔１５の第１面Ｍ１上に拘束層２０を積層する。次に、金属箔１５及び拘束層２０を、円板状の溶接電極３０で挟み込む。溶接電極３０の厚みは、拘束層２０の短手方向への長さより若干長く、拘束層２０の短手方向全体を加圧可能である。
【００２８】
そして、拘束層２０及び金属箔１５を挟み込んだ一対の溶接電極３０を拘束層２０の長手方向に移動させ、溶接電極３０により、拘束層２０を加圧しつつ、拘束層２０及び金属箔１５に溶接電流を流す。すると、拘束層２０及び金属箔１５は、溶接電流による接触抵抗熱により溶接されるとともに、拘束層２０の網目２０ａに金属箔１５を構成する金属が入り込み、金属箔１５に拘束層２０が接合される。
【００２９】
次に、ペースト状の活物質合剤を、金属箔１５の第１面Ｍ１において、拘束層２０の一部を覆う状態で塗工するとともに、第２面Ｍ２にも塗工し、その後、活物質合剤の層（塗工部）をプレスし、乾燥させると電極１４が製造される。
【００３０】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電極１４は、金属箔１５に接合された不変鋼製の拘束層２０を備え、拘束層２０の線膨張率は金属箔１５より小さい。このため、電極１４における活物質層１６の充放電の繰り返しにより、金属箔１５が発熱しても、金属箔１５に接合された拘束層２０によって金属箔１５の熱膨張を抑制することができる。活物質層１６は線膨張率が小さいため、活物質層１６と金属箔１５の線膨張の差が小さくなり、活物質層１６が金属箔１５から剥がれることが抑制できる。
【００３１】
（２）拘束層２０はエキスパンド加工して形成され、複数の網目２０ａを有する。拘束層２０を多孔質状とすることで、金属箔１５と活物質層１６とが直接接触した部分が、拘束層２０を板状とした場合よりも多くなり、金属箔１５の集電効果が低下しにくくなる。
【００３２】
（３）拘束層２０は、不変鋼をエキスパンド加工して形成され、複数の網目２０ａを有する。このため、拘束層２０は、網目２０ａに金属箔１５の金属が入り込んだ状態で接合され、金属箔１５と拘束層２０を強固に接合することができる。同時に、拘束層２０によって網目２０ａに入り込んだ金属の線膨張を抑制することができ、金属箔１５の線膨張を抑制することができる。
【００３３】
（４）拘束層２０は抵抗シーム溶接によって金属箔１５に接合されている。このため、拘束層２０を加圧して金属箔１５に食い込ませながら抵抗溶接することができ、拘束層２０を金属箔１５に対し強固に接合することができる。また、溶接電極３０を回転させながら抵抗溶接を行うことができ、矩形状の拘束層２０を連続して金属箔１５に接合することができる。
【００３４】
（５）電極１４において、活物質層１６は膨張しにくい一方で、金属箔１５は膨張しやすく、金属箔１５と活物質層１６の境界である活物質層縁部１６ａの近くが両者の線膨張の差による影響を受けやすい。拘束層２０を活物質層縁部１６ａを含めて活物質未塗工部１８と活物質層１６に掛け渡した。このため、活物質未塗工部１８と活物質層１６との境界付近で生じる金属箔１５と活物質層１６との線膨張を抑え、活物質層１６が金属箔１５から剥がれることを抑制できる。
【００３５】
（６）電極１４を積層して電極組立体とした後、集電タブ１７は寄せ集めた状態で第１長辺１５ａ付近から折り曲げられるが、拘束層２０が第１長辺１５ａから退いていることから、金属箔１５の第１長辺１５ａ付近は拘束層２０によって硬くならず、拘束層２０が集電タブ１７の折り曲げの妨げにならずに済む。
【００３６】
（７）電極１４の製造工程では、金属箔１５に活物質合剤を塗工した後、活物質合剤の層はプレスされる。このとき、活物質合剤の層は延びるが、活物質未塗工部１８は活物質合剤と比べて延びず、両者の延びの違いから、金属箔１５と活物質合剤の層との境界付近に皺が発生してしまう。しかし、活物質合剤の層と金属箔１５との境界を含んで拘束層２０が設けられ、剛性が高くなっているため、プレス時に、境界付近に皺が生じることを抑制することができる。
【００３７】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  拘束層２０は、第１縁部２０ｂが金属箔１５の第１長辺１５ａに沿って延びるように活物質未塗工部１８全体を覆う状態で接合されていてもよい。
【００３８】
○  拘束層２０は、活物質層縁部１６ａ寄りの第１縁部２０ｂが、その活物質層縁部１６ａと同一直線上で接触しており、拘束層２０は活物質層１６に重なっていなくてもよい。
【００３９】
○  拘束層２０は、金属箔１５の第１面Ｍ１全面を覆う状態に接合されていてもよい。
○  拘束層２０は抵抗シーム溶接以外の方法で金属箔１５に接合されていてもよく、例えば、抵抗スポット溶接、抵抗プロジェクション溶接、アプセット溶接、拡散接合、爆発圧接で接合されていてもよい。
【００４０】
○  拘束層２０はエキスパンド加工によって形成されず、パンチング加工によって形成されていてもよく、複数の孔を有していれば、拘束層２０の加工方法は適宜変更してもよい。
【００４１】
○  拘束層２０は、金属箔１５の第１面Ｍ１だけでなく第２面Ｍ２にも設けられていてもよい。
○  拘束層２０は、その表面が金属箔１５の表面と面一でなく、金属箔１５の表面から若干突出していたり、凹んでいてもよい。
【００４２】
○  拘束層２０は網目の無いシート状であり、金属箔１５と拘束層２０との接合部はグラッド材の態様を取っていてもよい。
○  拘束層２０は、金属箔１５よりも線膨張率が小さければ、不変鋼製でなく、その他の材料で形成されていてもよい。
【００４３】
○  電極１４は、金属箔１５において拘束層２０が設けられた片面だけに活物質層１６を備える構成であってもよい。
○  集電体は、活物質層１６が保持でき、かつ拘束層２０が接合できるものであれば、金属箔１５に限定されるものではなく、例えば、織物状や網状であってもよい。
【００４４】
○  蓄電装置は、二次電池１０に限らず、例えば、電気二重層コンデンサ等の蓄電装置に具体化してもよい。
○  電極組立体３１を構成する正極及び負極の電極１４の枚数は適宜変更してもよい。
【００４５】
○  二次電池はリチウムイオン電池であったが、これに限られず、ニッケル水素等の他の二次電池であってもよい。要は、正極の活物質層１６と負極の活物質層１６との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０…蓄電装置としての二次電池、１４…電極、１５…集電体としての金属箔、１６…活物質層、１８…活物質未塗工部、２０…拘束層。
【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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