(57)【要約】【課題】電極体の内部と外側との間のＳＯＣズレを抑制して、サイクル特性に優れた電池を提供する。【解決手段】電池１００は、正極１１および負極１４がセパレータ１７を介して交互に複数積層された電極体１０と、電極体１０を収納する外装体としての外装缶２０とを備える。正極１１は、金属箔からなる正極集電体１２と、正極集電体１２に配置された正極活物質１３とを有し、負極１４は、金属箔からなる負極集電体１５と、負極集電体１５に配置された負極活物質１６とを有する。電極体１０の積層方向における最も外側に位置する２つの電極のうちの少なくとも１つの電極の金属箔の抵抗は、最も外側に位置する２つの電極よりも積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗に比べて大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極および負極がセパレータを介して交互に複数積層された電極体と、
前記電極体を収納する外装体と、
を備え、
前記正極および前記負極はそれぞれ、金属箔と、前記金属箔に配置された活物質とを有し、
前記電極体の積層方向における最も外側に位置する２つの電極のうちの少なくとも１つの電極の金属箔の抵抗は、前記最も外側に位置する２つの電極よりも積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗に比べて大きい、
ことを特徴とする電池。
【請求項２】
前記最も外側に位置する２つの電極の金属箔の抵抗は、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗に比べて大きい、
ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記積層方向内側に位置する電極の金属箔に比べて抵抗が大きい前記金属箔の厚さは、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔の厚さよりも薄い、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電池。
【請求項４】
前記積層方向内側に位置する電極の金属箔に比べて抵抗が大きい前記金属箔は、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔よりも比抵抗が大きい材料により形成されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電池。
【請求項５】
前記積層方向内側に位置する電極の金属箔に比べて抵抗が大きい前記金属箔はＳＵＳを含み、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔は、ＡｌおよびＣｕのうちの少なくとも一方を含む、
ことを特徴とする請求項４に記載の電池。
【請求項６】
前記最も外側に位置する２つの電極のうちの少なくとも１つの電極の金属箔の抵抗は、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗の２倍である、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極および負極がセパレータを介して交互に複数積層された電極体を備えた電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
正極および負極がセパレータを介して交互に複数積層された電極体を備えた電池が知られている。
【０００３】
特許文献１には、正極集電体に正極活物質を塗工してなる正極と、負極集電体に負極活物質を塗工してなる負極とを、セパレータを介して交互に複数積層して形成された電極体を備えた電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１６２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の電池では、電極体の内部に配置されている電極は、その両側において隣接する電極との間で充放電が行われるが、電極体の最も外側に配置されている電極は、積層方向の内側においてのみ、隣接する電極との間で充放電が行われるため、電極体の内部に配置されている電極と比べると、最も外側に配置されている電極の電流密度が高くなる。これにより、電極体の内部と外側との間で充電率ＳＯＣ（State of Charge）が相違する、いわゆるＳＯＣズレが生じ、電池のサイクル特性が劣化する。
【０００６】
本発明は、電極体の内部と外側との間のＳＯＣズレを抑制して、サイクル特性に優れた電池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】
本発明の電池は、正極および負極がセパレータを介して交互に複数積層された電極体と、前記電極体を収納する外装体と、を備え、前記正極および前記負極はそれぞれ、金属箔と、前記金属箔に配置された活物質とを有し、前記電極体の積層方向における最も外側に位置する２つの電極のうちの少なくとも１つの電極の金属箔の抵抗は、前記最も外側に位置する２つの電極よりも積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗に比べて大きい、ことを特徴とする。
【０００８】
前記最も外側に位置する２つの電極の金属箔の抵抗が前記積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗に比べて大きい構成としてもよい。
【０００９】
前記積層方向内側に位置する電極の金属箔に比べて抵抗が大きい金属箔の厚さは、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔の厚さよりも薄い構成としてもよい。
【００１０】
また、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔に比べて抵抗が大きい金属箔は、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔よりも抵抗が大きい材料により形成されている構成としてもよい。
【００１１】
前記積層方向内側に位置する電極の金属箔に比べて抵抗が大きい金属箔はＳＵＳを含み、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔は、ＡｌおよびＣｕのうちの少なくとも一方を含むようにしてもよい。
【００１２】
前記最も外側に位置する２つの電極のうちの少なくとも１つの電極の金属箔の抵抗は、前記積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗の２倍としてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電極体の積層方向における最も外側に位置する２つの電極のうちの少なくとも１つの電極の金属箔の抵抗は、積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗に比べて大きいので、最も外側に位置し、抵抗の大きい金属箔を有する電極と、内側に位置する電極との間の電流密度の差を小さくして、ＳＯＣズレを抑制することができる。これにより、サイクル特性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるリチウムイオン電池の構造を示す断面図である。
【図２Ａ】第１の実施形態におけるリチウムイオン電池において、電極体の最上層に位置する負極、電極体の上から２層目に位置する負極、および、電極体の最下層に位置する負極の電流密度分布を示す図である。
【図２Ｂ】従来のリチウムイオン電池において、電極体の最上層に位置する負極、電極体の上から２層目に位置する負極、および、電極体の最下層に位置する負極の電流密度分布を示す図である。
【図３】第２の実施形態におけるリチウムイオン電池の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに具体的に説明する。以下では、本発明の電池として、リチウムイオン電池を例に挙げて説明する。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態におけるリチウムイオン電池１００の構造を示す断面図である。リチウムイオン電池１００は、電極体１０と、電極体１０を収納する外装体である外装缶２０とを備える。
【００１７】
外装缶２０は、例えばステンレス、アルミニウム、ニッケル、鉄などの金属からなり、正極端子および負極端子のうちのいずれか一方の端子としての機能を有する。外装缶２０には、自身と極性が異なる端子３０が設けられている。この実施形態では、外装缶２０が負極端子であり、端子３０は正極端子であるものとして説明する。負極端子である外装缶２０と、正極端子である端子３０との間は、電気的に絶縁されている。
【００１８】
外装缶２０の内部には、電極体１０以外に、非水電解液（不図示）も封入されている。非水電解液は、溶質と溶媒を含む。溶質には、例えば、ＬｉＰＦ6やＬｉＢＦ4などのＬｉ塩が好ましく用いられる。溶媒には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）などの有機溶媒が好ましく用いられる。電解質は液体でもよいし、ポリマー状のものを用いてもよい。
【００１９】
電極体１０は、図１に示すように、正極１１と負極１４とがセパレータ１７を介して交互に複数積層されることによって構成された積層電極体である。本明細書では、正極１１および負極１４が積層されている方向を積層方向と呼ぶ。
【００２０】
正極１１は、アルミニウムなどの金属箔からなる正極集電体１２の両面に、正極活物質１３が配置されている。正極活物質１３としては、例えばコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、または、それらの遷移金属の一部を別の金属で置き換えたものが用いられている。正極活物質１３は、上記材料のうちの一種類を単独で用いてもよいし、二種類以上を組み合わせて用いてもよい。このような正極活物質１３を結着剤および溶剤等と混合して正極集電体１１に塗工し、乾燥した後、加圧することにより、正極集電体１１の表面に正極活物質１３を配置させている。
【００２１】
負極１４は、銅などの金属箔からなる負極集電体１５の両面に、負極活物質１６が配置されている。負極活物質１６としては、例えば黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛）、ハードカーボン、ソフトカーボンなどの炭素材料、酸化シリコン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛および酸化リチウムなどの酸化物、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｈｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｌａなどの金属とリチウムとの２元、３元またはそれ以上の合金が用いられている。負極活物質１６は、上記材料のうちの一種類を単独で用いてもよいし、二種類以上を組み合わせて用いてもよい。このような負極活物質１６を結着剤および溶剤等と混合して負極集電体１５に塗工し、乾燥した後、加圧することにより、負極集電体１５の表面に負極活物質１６を配置させている。
【００２２】
この実施形態では、電極体１０の最も外側に配置されている電極と外装缶２０との間の短絡を防ぐために、電極体１０の最も外側には、外装缶２０と同じ極性を有する負極１４ｘが配置されている。負極１４ｘは、負極集電体１５ｘの片面にのみ負極活物質１６が配置されている。具体的には、負極集電体１５ｘの両面のうち、隣接する正極１１側の面にのみ負極活物質１６が配置されている。負極集電体１５ｘは、その他の負極集電体１５と同じ材質の金属箔からなる。
【００２３】
全ての正極集電体１２は、リード線１８を介して、正極端子である端子３０と接続されている。また、全ての負極集電体１５および１５ｘは、リード線１９を介して、負極端子である外装缶２０と接続されている。ただし、最も外側に配置されている負極集電体１５ｘは、外装缶２０と直接接触しているため、リード線１９を介して外装缶２０と接続されている必要はない。
【００２４】
セパレータ１７としては、シート状のものが用いられており、例えば、絶縁性に優れたポリプロピレン製の微多孔性薄膜によって構成されている。セパレータ１７が微多孔性薄膜によって構成されていることにより、セパレータ１７は、リチウムイオンを透過する。
【００２５】
なお、セパレータ１７は、シート状のものに限定されることはなく、正極１１または負極１４を個別に収容可能な袋状の形態であってもよいし、九十九折りの形態であってもよいし、巻回の形態であってもよい。セパレータ１７の表面は、セラミックコート層や接着層等により覆われていてもよい。また、セパレータ１７の表面が接着性を有していてもよい。セパレータ１７は１種類の材料からなる単層膜であってもよいし、１種類または２種類以上の材料からなる複合膜または多層膜であってもよい。
【００２６】
電極体１０の最も外側に配置されている電極である負極１４ｘの負極集電体１５ｘの抵抗は、負極１４ｘよりも内側に配置されている負極１４の負極集電体１５の抵抗よりも大きい。
【００２７】
この実施形態では、負極集電体１５ｘの積層方向の厚さは、負極集電体１５ｘよりも内側に配置されている負極集電体１５の積層方向の厚さの１／２である。集電体の抵抗は、厚さに反比例するため、最も外側に配置されている負極集電体１５ｘの抵抗は、内側に配置されている負極集電体１５の抵抗の２倍である。
【００２８】
電極体１０の内側に配置されている負極１４は、その両側において、隣接する正極１１との間でリチウムイオンが移動して充放電が行われるが、電極体の最も外側に配置されている負極１４ｘは、積層方向の内側においてのみ、隣接する正極１１との間でリチウムイオンが移動して充放電が行われる。従って、仮に、最も外側に配置されている負極集電体１５ｘの抵抗が内側に配置されている負極集電体１５の抵抗と同じである場合には、電池の充放電時に、内側に配置されている負極１４の電流密度と比べて、最も外側に配置されている負極１４ｘの電流密度が高くなる。
【００２９】
しかしながら、この実施の形態におけるリチウムイオン電池１００では、最も外側に配置されている負極集電体１５ｘの厚さを、内側に配置されている負極集電体１５の厚さの１／２として、負極集電体１５ｘの抵抗を負極集電体１５の抵抗の２倍としている。これにより、電極体１０の最も外側に配置されている負極１４ｘの電流密度と、電極体１０の内部に配置されている負極１４の電流密度とを均一にしている。
【００３０】
図２Ａは、この実施形態におけるリチウムイオン電池１００において、電極体１０の最上層に位置する負極１４ｘ、電極体１０の上から２層目に位置する負極１４、および、電極体１０の最下層に位置する負極１４ｘの電流密度分布を示す図である。
【００３１】
また、図２Ｂは、従来のリチウムイオン電池において、電極体の最上層に位置する負極、電極体の上から２層目に位置する負極、および、電極体の最下層に位置する負極の電流密度分布を示す図である。従来のリチウムイオン電池は、最も外側に配置されている負極の負極集電体の抵抗が内側に配置されている負極の負極集電体の抵抗と同じである。
【００３２】
従来のリチウムイオン電池では、図２Ｂに示すように、最上層に位置する負極および最下層に位置する負極の電流密度は、電極体の内部に位置する負極の電流密度よりも高い。これにより、電極体の内部と最外層との間でＳＯＣズレが生じる。このため、最外層の負極集電体に塗布されている負極活物質と、その負極活物質とセパレータを介して対向する正極活物質との間で、充放電による利用率が高くなるために、電池のサイクル特性が劣化する。
【００３３】
一方、この実施形態におけるリチウムイオン電池１００では、図２Ａに示すように、電極体１０の最上層および最下層に位置する負極１４ｘの電流密度と、負極１４ｘよりも積層方向内側に位置する負極１４の電流密度は、略同じである。したがって、電極体１０の内部と最外層との間におけるＳＯＣズレを抑制することができ、サイクル特性が向上する。
【００３４】
［第２の実施形態］
第１の実施形態におけるリチウムイオン電池１００では、最も外側に位置する負極１４ｘの負極集電体１５ｘの厚さを、積層方向内側に位置する負極１４の負極集電体１５の厚さよりも薄くすることによって、負極集電体１５ｘの抵抗を、負極集電体１５の抵抗よりも大きくした。第２の実施形態におけるリチウムイオン電池１００Ａでは、最も外側に位置する負極１４ｘの負極集電体１５ｙを、積層方向内側に位置する負極１４の負極集電体１５よりも比抵抗が大きい材料により構成した。
【００３５】
図３は、第２の実施形態におけるリチウムイオン電池１００Ａの構造を示す断面図である。図３に示すリチウムイオン電池１００Ａの構成のうち、図１に示すリチウムイオン電池１００の構成と同じ構成部分については、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
【００３６】
この実施形態では、最も外側に配置されている負極１４ｘの負極集電体１５ｙの厚さは、積層方向内側に配置されている負極集電体１５の厚さと同じである。ただし、最も外側に配置されている負極集電体１５ｙは、積層方向内側に配置されている負極集電体１５よりも比抵抗が大きい材料により構成されている。例えば、積層方向内側に配置されている負極集電体１５は、ＡｌおよびＣｕのうちの少なくとも一方を含む材料により構成されており、負極集電体１５ｙは、ＳＵＳを含む材料により構成されている。なお、負極集電体１５と負極集電体１５ｙの両方にＡｌおよびＣｕのうちの少なくとも一方を含む材料を用いることも可能である。この場合、負極集電体１５のＡｌおよびＣｕの含有比率に比べて負極集電体１５ｙのＡｌおよびＣｕの含有比率を低くすることで抵抗を大きくすることが可能である。特に、負極集電体１５ｙの抵抗が積層方向内側に配置されている負極集電体１５の抵抗の２倍となるように、負極集電体１５ｙおよび負極集電体１５の構成材料を選択する。
【００３７】
なお、負極集電体１５に含まれる材料がＡｌまたはＣｕに限定されることはないし、負極集電体１５ｙに含まれる材料がＳＵＳに限定されることもない。また、負極集電体１５ｙの厚さは、積層方向内側に配置されている負極集電体１５の厚さと同じとしたが、異なっていてもよい。
【００３８】
ここで、上述した実施形態では、電極体１０の積層方向における最も外側の電極が負極であるものとして説明したが、最も外側の電極が正極であってもよい。ただし、外層缶２０が負極端子であり、電極体１０の積層方向における最も外側の電極を正極とする場合には、最も外側の正極と外層缶２０との間に絶縁シートなどを配置して、最も外側の正極と外層缶２０との間の短絡を防ぐ必要がある。この絶縁シートとして、例えば樹脂などの絶縁性の板や多孔質膜、ポリイミド、ポリプロピレン、アクリル等の樹脂テープ、アルミ箔、銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等の金属箔の表面を絶縁層によりコーティングしたもの、アルミナなどの無機粒子と結着剤により構成された膜などが挙げられる。絶縁シートは外装缶２０や電極体１０の表面に接合していてもよい。絶縁シートとして、セパレータ１７と同じものが用いられてもよい。
【００３９】
また、上述した実施形態では、外装缶２０が負極端子であり、端子３０は正極端子としたが、外装缶２０が正極端子であり、端子３０が負極端子であってもよい。外層缶２０が正極端子であり、電極体１０の積層方向における最も外側の電極が負極である場合には、最も外側の負極と外層缶２０との間に、上述したような絶縁シートなどを配置して、最も外側の負極と外層缶２０との間の短絡を防ぐ必要がある。
【００４０】
上述した実施形態では、電極体１０の積層方向における最も外側に位置する２つの電極の集電体の抵抗は、積層方向内側に位置する電極の集電体の抵抗よりも大きいものとした。しかし、電極体１０の積層方向における最も外側に位置する２つの電極のうちの１つの電極の集電体の抵抗を、積層方向内側に位置する電極の集電体の抵抗よりも大きくしてもよい。その場合でも、全ての電極の抵抗が同じである従来の電池と比べると、抵抗が大きい集電体を有する電極の電流密度と、内部に配置されている電極の電流密度とが略均一になり、ＳＯＣズレを抑制することができる。これにより、電池のサイクル特性が向上する。
【００４１】
上述した実施形態では、電極体１０の最も外側に配置されている負極１４ｘの負極集電体１５ｘ（１５ｙ）の片面にのみ負極活物質１６が配置されていたが、両面に負極活物質１６が配置されていてもよい。ただし、その場合でも、積層方向外側に配置されている負極活物質１６は、電池の充放電には寄与しないため、最も外側に配置されている負極１４ｘの負極集電体１５ｘ（１５ｙ）の抵抗を、内側に配置されている負極１４の負極集電体１５の抵抗より高くすることにより、ＳＯＣズレを抑制することができ、サイクル特性が向上する。
【００４２】
上述した実施形態では、最も外側に配置されている負極集電体１５ｘ（１５ｙ）の抵抗を、内側に配置されている負極集電体１５の抵抗の２倍としたが、負極集電体１５の抵抗の２倍に限定されることはない。最も外側に配置されている負極集電体１５ｘ（１５ｙ）の抵抗を、内側に配置されている負極集電体１５の抵抗より大きくすることにより、最も外側に配置されている負極１４ｘの電流密度と、電極体１０の内部に配置されている負極１４の電流密度との差を小さくして、ＳＯＣズレを抑制することができ、サイクル特性を向上させることができる。
【００４３】
上述した実施形態では、電極体１０が外層缶２０に収納された構成であったが、電極体１０が外層缶以外の外装体に収納される構成であってもよい。外装缶以外の外装体とは、例えばラミネートフィルムである。電極体１０をラミネートフィルムに収納した構成とした場合、正極と電気的に接続された正極端子および負極と電気的に接続された負極端子がラミネートフィルムの所定の位置から外部に引き出された構造とすることができる。
【００４４】
上述した実施形態では、リチウムイオン電池を例に挙げて説明したが、リチウムイオン電池以外の電池であってもよい。
【００４５】
本発明による電池によれば、電極体の積層方向における最も外側に位置する２つの電極のうちの少なくとも１つの電極の金属箔の抵抗は、積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗よりも大きいので、最も外側に位置し、抵抗の大きい金属箔を有する電極と、内側に位置する電極との間の電流密度の差を小さくして、ＳＯＣズレを抑制することができる。これにより、サイクル特性が向上する。
【００４６】
特に、最も外側に位置する２つの電極の金属箔の抵抗が積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗よりも大きい構成とすることにより、積層方向の両外側に位置する電極と内側に位置する電極との間の電流密度の差を小さくして、ＳＯＣズレを抑制し、サイクル特性を向上させることができる。
【００４７】
また、積層方向内側に位置する電極の金属箔よりも抵抗を大きくすべき最も外側に位置する電極の金属箔の厚さを、積層方向内側に位置する電極の金属箔の厚さよりも薄い構成とすることにより、同じ材質の金属箔を用いて抵抗を調整することができる。
【００４８】
また、積層方向内側に位置する電極の金属箔よりも抵抗が大きくすべき最も外側に位置する電極の金属箔を、積層方向内側に位置する電極の金属箔よりも比抵抗が大きい材料により形成された構成とすることにより、所望の比抵抗を有する材料により形成された金属箔を用いて、ＳＯＣズレを抑制し、サイクル特性を向上させることができる。この場合、積層方向内側に位置する電極の金属箔よりも抵抗を大きくすべき金属箔はＳＵＳを含み、積層方向内側に位置する電極の金属箔は、ＡｌおよびＣｕのうちの少なくとも一方を含む構成とすることができる。
【００４９】
また、積層方向内側に位置する電極の金属箔よりも抵抗を大きくすべき金属箔と、積層方向内側に位置する電極の金属箔の両方にＡｌおよびＣｕのうちの少なくとも一方を含む材料を用いることも可能である。この場合、積層方向内側に位置する電極の金属箔のＡｌおよびＣｕの含有比率に比べて、積層方向内側に位置する電極の金属箔よりも抵抗を大きくすべき金属箔のＡｌおよびＣｕの含有比率を低くすることで抵抗を大きくすることができる。
【００５０】
特に、最も外側に位置する２つの電極のうちの少なくとも１つの電極の金属箔の抵抗を、積層方向内側に位置する電極の金属箔の抵抗の２倍とすることにより、最も外側に位置し、抵抗の大きい金属箔を有する電極と、内側に位置する電極との間の電流密度を均一化して、ＳＯＣズレを効果的に抑制することができる。これにより、サイクル特性を効果的に向上させることができる。
【００５１】
本発明は、さらにその他の点においても上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０    電極体
１１    正極
１２    正極集電体
１３    正極活物質
１４    負極
１４ｘ  最も外側に配置されている負極
１５，１５ｘ，１５ｙ  負極集電体
１６    負極活物質
１７    セパレータ
２０    外装缶
３０    端子
１００，１００Ａ  リチウムイオン電池
【図１】
2017216104.tif 000003
【図２Ａ】
2017216104.tif 000004
【図２Ｂ】
2017216104.tif 000005
【図３】
2017216104.tif 000006