(57)【要約】【課題】  歩留まりを向上し、かつ、性能の低下を防止できる電池を提供する。【解決手段】  実施形態によれば、電池は、正極と、負極と、セパレータと、充填部を備える。前記正極は、正極用集電体と、前記正極用集電体上に設けられる正極用活物質層を備える。前記負極は、負極用集電体と、前記負極用集電体上に設けられる負極用活物質層を備える。前記セパレータは、前記正極と前記負極の間に設けられ、電子を通さず、かつ、イオンを通す。前記充填部は、前記正極用活物質層、または、前記負極用活物質層に設けられる凹みに充填されて前記凹みを埋める、電子を通さず、かつ、イオンを通す。【選択図】図１
2015176850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極用集電体と、前記正極用集電体上に設けられる正極用活物質層を具備する正極と、
負極用集電体と、前記負極用集電体上に設けられる負極用活物質層を具備する負極と、
前記正極と前記負極の間に設けられ、電子を通さず、かつ、イオンを通すセパレータと、
前記正極用活物質層、または、前記負極用活物質層に設けられる凹みに充填されて前記凹みを埋める、電子を通さず、かつ、イオンを通す充填部と
を具備することを特徴とする電池。
【請求項２】
前記セパレータと前記充填部は、一体に形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記充填部は、有機多孔質、無機多孔質、有機繊維、無機粒子の内の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電池。
【請求項４】
前記有機多孔質又は有機繊維を構成する有機物は、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、セルロース、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリケトン、ポリスルホン、ポリプロピレン及びポリビニルアルコールから成る群の内の少なくもと１種を含むことを特徴とする請求項３記載の電池。
【請求項５】
前記無機粒子は、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリアの内の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項３記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えば、正極と負極の間にセパレータが設けられ、これら一体物が巻回された状態で容器に収容される電池に関する。
【０００２】
に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えばリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、正極と負極の間に設けられて、正極と負極との接触を回避するセパレータを有している。これら、正極と、負極と、セパレータは、互いに重ねられて巻回されることによって電極群を形成し、容器内に収容されている。
【０００４】
セパレータは、電子を通過させず、かつ、イオンを通過可能な機能を有している。セパレータが多孔質の材料で形成される場合には、容器内に電解液が収容される。または、セパレータが電解質で形成される場合は、容器内に電解液は収容されない。このため、正極と負極間では、セパレータを介してイオンのやり取りが可能となる。
【０００５】
正極と負極は、各々、アルミニウムなどの金属材料を主材料として形成される集電体と、この集電体上に積層される活物質層を有している。活物質層は、活物質層を形成する活物質を、例えばノズル等の塗布手段によって集電体上に塗布することによって、形成されている。
【０００６】
活物質層の形成中に、活物質層の表面の一部に凹みが形成されることによって、活物質層の表面が平坦にならない場合がある。
【０００７】
凹みによって活物質層が薄くなることに起因して、集電体において凹みに対向する部分とそれ以外の部分で、正極または負極に対する電位差に差が生じ、それゆえ、電界集中が発生する。また、凹みにセパレータが入り込むことによって、セパレータと活物質層との距離が近くなることにより、電界集中が発生する。このため、凹みが形成される正極、または、負極は、廃棄されており、それゆえ、歩留まりが悪くなる。
【０００８】
このため、凹みを、活物質及び導電助剤有さない修正ペーストで埋めることによって、活物質層の表面を平坦にする技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−１０９０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、凹み、または、未塗布部を修正ペーストで埋めることによって、凹みではイオンの移動が生じず、電池の性能が低下する。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、歩留まりを向上し、かつ、性能の低下を防止できる電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態によれば、電池は、正極と、負極と、セパレータと、充填部を備える。前記正極は、正極用集電体と、前記正極用集電体上に設けられる正極用活物質層を備える。前記負極は、負極用集電体と、前記負極用集電体上に設けられる負極用活物質層を備える。前記セパレータは、前記正極と前記負極の間に設けられ、電子を通さず、かつ、イオンを通す。前記充填部は、前記正極用活物質層、または、前記負極用活物質層に設けられる凹みに充填されて前記凹みを埋める、電子を通さず、かつ、イオンを通す。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る電池を示す斜視図。
【図２】図１のＦ１−Ｆ１線に沿って示す同電池の断面図。
【図３】図２のＦ３−Ｆ３線に沿って示す電極群の断面図。
【図４】被充填凹部の他の例を示す同電池の断面図。
【図５】第２の実施形態係る電池を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の実施形態に係る電池を、図１，２，３を用いて説明する。電池１０は、本実施形態では、一例として二次電池である。図１は、電池１０を示す斜視図である。図２は、図１に示すＦ２−Ｆ２線に沿って示す電池１０の断面図である。図１，２に示すように、電池１０は、容器２０と、容器２０内に収容される電極群３０と、電解液Ｌを有している。
【００１５】
容器２０は、一端に開口部２１を有する有底形状の容器本体２２と、容器本体２２の開口部２１を塞ぐ封口板２３を有している。封口板２３の上面には、正極端子２４と、負極端子２５が設けられている。
【００１６】
図３は、図２のＦ３−Ｆ３線に沿って示す電極群３０の断面図である。図３に示すように、電極群３０は、は、正極４０と、負極５０と、正極４０と負極５０の間に設けられるセパレータ６０と、充填部７０（凹み）を有している。図２，３に示すように、電極群３０は、正極４０と負極５０とセパレータ６０が互いに積層された一体物が、その長手方向に巻回されることによって形成されている。なお、図３は、この一体物を、一体物の長手方向に垂直に切断した状態を示している。
【００１７】
正極４０は、例えばアルミニウムを主材料として形成される正極用集電体４１と、正極用集電体４１上に設けられる正極用活物質層４２を有している。正極用集電体４１は、板形状であり、可撓性を有している。正極用活物質層４２は、正極用集電体４１の幅方向Ｗの一端部４３を除いた部分に形成されている。幅方向Ｗは、正極４０の長手方向に垂直な方向である。正極用活物質層４２は、可撓性を有している。正極用集電体４１において正極用活物質層４２が形成されていない一端部４３は、正極用集電体４１が露出している。
【００１８】
負極５０は、例えばアルミニウムを主材料として形成される負極用集電体５１と、負極用集電体５１上に設けられる負極用活物質層５２を有している。負極用集電体５１は、板形状であり、可撓性を有している。負極用活物質層５２は、負極用集電体５１の幅方向Ｗの一端部５３を除いた部分に形成されている。負極用活物質層５２は、可撓性を有している。負極用集電体５１において負極用活物質層５２が形成されていない一端部５３は、負極用集電体５１が露出している。
【００１９】
正極４０と負極５０は、正極用活物質層４２と負極用活物質層５２が互いに対向し、かつ、集電体４１，５１が露出する端部４３，４５を幅方向Ｗに互いに反対側にする姿勢で、配置されている。
【００２０】
セパレータ６０は、正極用活物質層４２と負極用活物質層５２の間に設けられている。具体的には、セパレータ６０は、正極用活物質層４２上に積層されている。負極用活物質層５２は、セパレータ６０上に積層されている。セパレータ６０は、例えば多孔質である樹脂材料で形成されている。セパレータ６０は、多孔質であることによって、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有している。セパレータ６０は、可撓性を有している。
【００２１】
充填部７０は、正極用活物質層４２の表面４５、または、負極用活物質層５２の表面５５に形成される、被充填凹部７１に充填されており、被充填凹部７１とセパレータ６０の間に規定される隙間を埋めることが可能に形成されている。
【００２２】
充填部７０を形成する充填材７４は、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有する材料で形成されている。それゆえ、充填部７０は、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有する。なお、充填材７４が電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有していなくても、充填部７０が形成されたときに充填部７０が、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有していればよい。本実施形態では、充填材７４は、例えば、セパレータ６０と同じ材料である。
【００２３】
例えば、充填材７４としては、有機多孔質、無機多孔質、有機繊維、無機粒子の内の少なくとも１種を含めるようにすることができる。
【００２４】
有機多孔質又は有機繊維を構成する有機物としては、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、セルロース、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリケトン、ポリスルホン、ポリプロピレン及びポリビニルアルコールから成る群の内の少なくもと１種を含めるようにすることができる。
【００２５】
また、無機粒子としては、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリアの内の少なくとも１種を含めるようにすることができる。
【００２６】
本実施形態では、一例として、図３に示すように正極用活物質層４２の一部に被充填凹部７１が形成されている。ここで、被充填凹部７１について、正極４０に設けられる場合を一例に説明する。被充填凹部７１は、図３に示すように、正極用活物質層４２の表面４５から正極用集電体４１まで貫通する形状、または、図４に示すように、正極用活物質層４２の表面４５から正極用集電体４１に到達しない位置まで凹む形状がある。図４は、電極群３０を、図３と同様に切断して示す断面図である。なお、正極４０を用いて被充填凹部７１について説明したが、負極５０においても同様である。
【００２７】
なお、正極用活物質層４２の表面４５と負極用活物質層５２の表面５５には、電池１０の製造過程で、大きさの異なる凹みが複数形成される場合がある。本実施形態では、被充填凹部７１は、これら凹みのうち、少なくとも、電池１０の品質に対して問題となる影響を有する大きさ以上のものである。
【００２８】
例えば、凹みの開口部分の幅方向Ｗの大きさ、または、長手方向の大きさが、活物質層４２，５２を形成する活物質の粒径、導電剤の粒径、バインダの粒径のうち、最も大きいもの以上の大きいものを、被充填凹部７１として設定してもよい。
【００２９】
または、凹みの開口部分の幅方向の大きさ、または、長手方向の大きさが、活物質と、導電剤と、バインダのうち、活物質層に最も高い割合で含まれているものの粒径よりも大きいものを被充填凹部７１として設定してもよい。
【００３０】
または、集電体４１，５１の厚みに基づいて設定されてもよい。この場合、例えば、凹みの深さが集電体４１，５１の厚みの２０パーセント以上の大きさのものを被充填凹部７１として設定してもよい。
【００３１】
または、凹みの長手方向の長さが予め設定されている所定長さよりも長いものを、被充填凹部７１として設定してもよい。または、不織布を用いてセパレータ６０を形成する場合では、凹みの開口部の幅方向Ｗの大きさが、この繊維の径よりも大きいものを、被充填凹部７１として設定してもよい。または、凹みのうち、上述した条件のいくつかを満たすものを被充填凹部７１として設定してよい。
【００３２】
なお、本実施形態では、作業員が目視で確認できる凹みを被充填凹部７１として設定している。この条件は、目視で確認できない大きさの凹みは、本実施形態の電池１０に対して求められる品質に影響しないということに基づいている。この条件は、本実施形態に用いられる一例である。例えば、所望の品質においては、目視で確認できない大きさの凹みを、被充填凹部として設定してもよい。この場合、凹みを、例えば顕微鏡などの検査装置を用いることによって、確認することができる。
【００３３】
次に、電池１０の製造方法について、その一例を説明する。まず、正極用集電体４１上に、活物質を塗布することによって、正極用活物質層４２を形成する。正極４０が形成されると、次に、目視によって、被充填凹部７１が形成されているか否かを確認する。被充填凹部７１が形成されていない場合は、次に、負極５０を形成する。
【００３４】
被充填凹部７１が形成されている場合は、被充填凹部７１に充填材７４を充填して充填部７０を形成する。充填材７４は、充填部７０の表面７５が、正極用活物質層４２の表面４５と面一となる量が充填される。
【００３５】
被充填凹部７１内に充填材７４を充填する方法としては、例えば、作業者による手作業であってもよい。または、エレクトロスピニング法によって、充填材７４としての不織布を充填してもよい。エレクトロスピニング法によって不織布を充填する場合は、被充填凹部７１の位置の電位を調整することによって、不織布を形成する材料を吐出するノズルから当該材料を吐出することによって、自動的に被充填凹部７１内に充填材７４を充填することができる。
【００３６】
または、インクジェット法によって、被充填凹部７１内に充填材７４を充填してもよい。または、ジェットディスペンサ法によって、被充填凹部７１内に充填材７４を充填してもよい。このように、被充填凹部７１内への充填材の充填方法は限定されない。充填部７０が形成されることによって被充填凹部７１が埋められるので、正極用活物質層４２の表面４５は、平坦になる。
【００３７】
充填部７０が形成されると、次に、負極５０を形成する。なお、被充填凹部７１が形成されていない場合は、正極４９が形成された後に、負極５０を形成する。負極５０は、正極４０と同様に形成されるので、説明を省略する。なお、正極４０と負極５０を形成する順番は、限定されるものではない。
【００３８】
次に、正極４０上にセパレータ６０を形成する。セパレータ６０が形成されると、図３，４に示すように、セパレータ６０上に負極用活物質層５２が積層されるように、負極５０をセパレータ６０上に積層する。
【００３９】
次に、正極４０とセパレータ６０と負極５０の一体物を巻回することによって、電極群３０を形成する。次に、電極群３０を容器本体２２内に収容する。次に、容器本体２２の開口部２１を封口板２３で塞ぐ。このとき、正極４０において正極用集電体４１が露出する一端部４３と正極端子２４を、例えば接続線などの接続構造によって電気的に接続する。また、負極５０において負極用集電体５１が露出する一端部５３と負極端子２５を、例えば接続線などの接続構造によって電気的に接続する。
【００４０】
このように構成される電池１０は、被充填凹部７１が充填部７０によって埋められることによって、電界集中の発生が防止される。この点について、具体的に説明する。被充填凹部７１が形成されることによって、正極用集電体４１において被充填凹部７１に対向する部分とそれ以外の部分で、負極５０に対する電位差に、差が生じる。しかしながら、被充填凹部７１が充填部７０で埋められることによって、正極用集電体４１において被充填凹部７１に対向する部分とそれ以外の部分での、負極５０に対する電位差の差を減少することができる。このため、電解集中の発生を防止できる。これは、負極５０に被充填凹部７１が形成される場合であっても同様である。
【００４１】
このように、充填部７０を形成することによって電解集中の発生を防止できる。このため、被充填凹部７１が形成された正極４０または負極５０を廃棄することなく用いることができるので、材料の歩留まりを向上することができる。
【００４２】
また、充填部７０が、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有することによって、被充填凹部７１を通して、正極４０と負極５０の間でイオンのやりとりを行うことができる。このため、電池の性能の低下を防止することができる。
【００４３】
このように、本実施形態の電池によれば、歩留まりを向上し、かつ、性能の低下を防止することができる。
【００４４】
また、充填部７０が設けられることによって、本実施形態のように正極４０とセパレータ６０と負極５０の一体物が巻回されることによって構成される電極群３０を備える電池１０では、製造効率の低下を防止できる。この点について、具体的に説明する。
【００４５】
被充填凹部７１が充填部７０によって埋められていない場合、正極４０とセパレータ６０と負極５０が互いに重ねられると、被充填凹部７１とセパレータ６０の間に隙間が形成される。この状態で、この一体物が巻回されると、巻回時にセパレータ６０がこの隙間に入り込むことによって、集電体４１，５１において被充填凹部７１に対向する部分が、当該入り込んだセパレータ６０に押圧されることによって、外側に突出して突出部を形成する。
【００４６】
この突出部は、正極４０とセパレータ６０と負極５０の一体物の巻回数に応じて大きくなる傾向にある。突出部が大きくなることによって、電極群３０を容器２０内に収容しにくくなる。
【００４７】
しかしながら、本実施形態では、被充填凹部７１が充填部７０によって埋められることによって、正極４０とセパレータ６０と負極５０の一体物を巻回する際に、上記の突出部が形成されることが防止される。このため、電極群３０を容器２０内に収容しにくくなることがないので、電池１０の製造効率が低下することを防止できる。
【００４８】
なお、第１の実施形態では、充填材７４は、一例として、セパレータ６０を形成する材料と同じである。他の例では、充填部７０は、セパレータ６０を形成する材料とは異なる材料で形成されてもよい。充填部７０は、電子を通過させず、かつ、イオンを通過可能な機能を有すればよい。
【００４９】
次に、第２の実施形態に係る電池を、図５を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する構成は、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態では、セパレータ６０と充填部７０の構造が、第１の実施形態と異なる。他の構造は、第１の実施形態と同じである。上記異なる点について、具体的に説明する。
【００５０】
図５は、本実施形態の電極群３０を、図３，４と同様に示す断面図である。図５に示すように、本実施形態では、充填部７０は、セパレータ６０と一体に形成されている。
【００５１】
本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、充填部７０とセパレータ６０を一体に形成できるので、電池１０をより効率よく形成することができる。
【００５２】
例えば、正極４０を形成した後、充填部７０を形成することなく被充填凹部７１が露出している状態でエレクトロスピニング法によってセパレータ６０を形成すると、活物質層４２において被充填凹部７１と被充填凹部７１以外の部分の電位差によって、被充填凹部７１内にエレクトロスピニング法によって形成される繊維が選択的に充填されるようになる。そして、被充填凹部７１内に充填部７０が形成されると、正極用活物質層４２上全体に不織布が塗布されてセパレータ６０が形成される。このように、エレクトロスピニング法を用いると、自動的に、セパレータ６０と充填部７０を一体に形成することができる。
【００５３】
なお、第１，２の実施形態では、電池１０は、電解液Ｌを有している。他の例では、セパレータ６０と充填部７０が、それぞれ、電界質で形成されてもよい。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省力、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１０…電池、２０…容器、３０…電極群、４０…正極、４１…正極用集電体、４２…正極用活物質層、５０…負極、５１…負極用集電体、５２…負極用活物質層、６０…セパレータ、７０…充填部、７１…被充填凹部。
【図１】
2015176850.tif 000003
【図２】
2015176850.tif 000004
【図３】
2015176850.tif 000005
【図４】
2015176850.tif 000006
【図５】
2015176850.tif 000007