極板および捲回型電極電池
【課題】極板を捲回して収納する捲回型電極電池において、極板とセパレータを捲回して電極体を構成する際に、凸状タブの根元から極板が破断する現象を抑制すること。
【解決手段】
表面に電極活物質層が形成された帯状の電極部と、表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成されたタブと、を有する極板において、電極部の上辺とタブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび前記電極部に凹部が形成されているように構成することで、極板の破断を抑制する。
【解決手段】
表面に電極活物質層が形成された帯状の電極部と、表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成されたタブと、を有する極板において、電極部の上辺とタブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび前記電極部に凹部が形成されているように構成することで、極板の破断を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池内に捲回して収納される帯状の極板、および、帯状の正極板および負極板をセパレータを介して捲回して偏平形状に形成された電極体を有する捲回型電極電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やクリーンエネルギーへの関心が高まりつつある中で、電気自動車およびハイブリッド電気自動車に搭載される電池や、蓄電池の開発が進められている。このような電池には、大電流での放電を行える能力が求められている。
【０００３】
このような能力を発揮する電池として、捲回型電極体を有する電池が知られている。当該電池では、通常、外ケースの中に電解液とともに捲回型電極体が封入されており、捲回型電極体からの電力の取り出しは、正極板および負極板に接続されたリードを通して行われる。
【０００４】
このような捲回型電極電池として、特許文献１では、正極板および負極板が、電極活物質層が形成された帯状の電極部と、電極活物質層が形成されずに、正極板および負極板の長手方向に沿って間隔を置いて並んだ複数の凸状のタブと、を有し、正極板および負極板を重ねて捲回することにより、正極板の複数の凸状のタブが互いに積層され正極タブを形成し、負極板の複数の凸状のタブが互いに積層されて負極タブを形成している捲回型電極電池が開示されている。積層された正極タブおよび負極タブはそれぞれが正極リードおよび負極リードと接続され、大電流での放電を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２６６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記構成を有する捲回型電極電池では、極板に凸状のタブが多数形成されているため、ローラに極板およびセパレータを捲回して電極体を構成する時や、打ち抜き加工により極板にタブを形成する時等に、タブがローラに折れ込むことや、極板の取り扱い時にタブを引っ掛けてしまうことが生じやすく、凸状のタブの根元から極板が破断するまたは亀裂が生じるという現象が発生していた。そのため、捲回型電極電池の加工良品率が低いという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、以上に鑑み、捲回による電極体構成時または打ち抜き加工によるタブ形成時等に、凸状のタブの根元からの極板の破断または亀裂を防止できる極板および捲回型電極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】
【０００８】
本発明は、電池内に捲回して収納される帯状の極板であって、表面に電極活物質層が形成された帯状の電極部と、表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成されたタブと、を有し、前記電極部の上辺と前記タブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび／または前記電極部に凹部が形成されている、極板である。当該極板は正極板および負極板のいずれであってもよい。
【０００９】
また本発明は、それぞれ電極活物質層が形成された帯状の正極板および負極板とを、帯状のセパレータを介して捲回して偏平形状に形成された捲回型の電極体と、
正極リードおよび負極リードが設けられ、前記電極体および電解液を内部に収納したケースと、を備え、
前記正極板および負極板は、前記セパレータに当接する電極活物質層が表面に形成された帯状の電極部と、表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成され、互いに間隔を置いて配置された複数の凸部であるタブと、を有し、
前記電極部の上辺と前記タブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび／または前記電極部に凹部が形成されており、
前記正極板および負極板を重ねて捲回することにより、前記正極板の複数の凸部が互いに積層されて正極タブを形成し、前記負極板の複数の凸部が互いに積層されて負極タブを形成している、捲回型電極電池でもある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ローラに極板およびセパレータを捲回して電極体を構成する時や、打ち抜き加工により極板にタブを形成する時等に、タブがローラに折れ込むことや、極板の取り扱い時にタブを引っ掛けてしまうことでタブの曲げやねじれが生じた際に凸状のタブの根元に応力が集中し、そのために極板の破断または亀裂が発生するのを防止することができる。すなわち、電極部とタブの接続部分に、曲線から構成された凹部を形成することで、前記タブの曲げやねじれが生じた際に前記タブの根元における応力を分散させて、亀裂の発生またはその進行による極板破断の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態に係る捲回型電極電池の断面図
【図２】一実施形態に係る捲回型電極電池に含まれる電極体の斜視図
【図３】前記電極体を構成する正極板および負極板を展開して示す平面図
【図４】曲線状凹部１１と電極部およびタブとの位置関係を示す図
【図５】サンプル１０におけるタブ周辺を示す平面図
【図６】サンプル１におけるタブ周辺を示す平面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。ただし、本発明はこれに限定されない。
【００１３】
図１は、捲回型電極電池の断面図、図２は、電極体の斜視図である。図１に示すように、捲回型電極電池は、偏平なパウチ型ケース１０と、ケース内に電解液１２とともに収納された偏平状の捲回型電極体１４と、を備えている。図２に示すように、捲回型電極体１４は、その軸方向に沿って同一方向に突出した正極タブ１６および負極タブ１８を有している。正極タブ１６および負極タブ１８はそれぞれ、複数のタブが積層して形成されている。正極タブ１６および負極タブ１８の側辺（電極部の長手方向端部と垂直または傾斜して交わる端部）と電極部の上辺（タブとタブとの間にある電極部の長手方向端部）がつながる領域には曲線状凹部１１が形成されている。
【００１４】
正極タブ１６には樹脂フィルム２３を有した正極リード２０が接合され、負極タブ１８には樹脂フィルム２３を有した負極リード２２が接合されている。それぞれの樹脂フィルム２３はパウチ型ケース１０に熱融着されている。これにより、正極リード２０および負極リード２２は、ケース１０を気密に貫通して外部に突出しており、ケース１０とは電気的に絶縁されている。電極体１４に生じた電力は、正極タブ１６、負極タブ１８、正極リード２０および負極リード２２を介して取り出される。
【００１５】
捲回型電極体１４は、図３に示すような帯状の正極板３０および帯状の負極板３２と両極板間に介在するセパレータ（図示せず）とが積層されて捲回された状態で偏平形状に形成されている。正極タブ１６は、正極板３０の電極部から突出した複数の凸部（タブ）を積層することにより、また、負極タブ１８は、負極板３２の電極部から突出した複数の凸部（タブ）を積層することにより形成される。ここで、電極部は、電極活物質層が表面に形成された帯状の各極板の本体であり、凸部（タブ）は、前記電極部の上辺から突出するように形成され、表面に電極活物質層が形成されていない。
【００１６】
従来の電極部では、電極部およびタブは直線で囲まれた外形を有しており、電極部の上辺およびタブの側辺は直線と直線が交わることでつながっている（図６）。しかし、本発明における電極部では、電極部の上辺とタブの側辺は曲線により接続しており、当該曲線により凹部１１が形成されている（図５）。好ましい形態では、電極部の上辺が直線と曲線から構成され、タブの側辺も直線と曲線から構成され、電極部上辺の曲線とタブ側辺の曲線が曲線状を保持したまま連続することで、電極部の上辺とタブの側辺が曲線により連続している。そして、その曲線により連続している領域において、タブおよび電極部に凹部が形成されている。なお、複数の凸部（タブ）の根元において同一形状の曲線状凹部１１を有している。
【００１７】
タブの側辺と電極部の上辺との接続部に曲線で囲まれた凹部が存在することにより、タブと電極部の接続部の特定箇所に応力が集中することを回避して、極板の破断を防止することができる。凹部とは、直線で構成されるタブの側辺、および／または、直線で構成される電極部の上辺から凹むようにして形成された、タブおよび／または電極部の欠失部分をいう。好ましい凹部は、タブと電極部双方にまたがるようにして形成されたものである。凹部の形状は曲線により包囲されている形状であれば特に限定されないが、円又は楕円の一部または全部であることが好ましい。
【００１８】
曲線状凹部の位置は、タブの側辺と電極部の上辺との接続部が直線と直線の交点により構成されることを回避できる位置であれば、特に限定されない。図４は、凹部の形状が円の一部または全部である場合について、凹部の位置を変更したものを示す。これらの図では、タブの側辺が電極部の上辺と垂直の関係にあるが、これに限定されない。タブの側辺は電極部の上辺に対し傾斜していてもよい。図４（ａ）は、円の中心が、タブの側辺の延長線と電極部の上辺の延長線の交点に位置するように凹部を配置したものである。
【００１９】
図４（ｂ）は、図４（ａ）と比較して、円の中心を、円の半径の２分の１の距離だけ、極板の長手方向で左側に移動したもの、図４（ｃ）は、円の中心を、円の半径の距離だけ、左側に移動したものである。これ以上左側に移動すると、タブの側辺と電極部の上辺の接続部が直線と直線の交点により構成されることになるので、本発明の範囲外となる。
【００２０】
図４（ｄ）および（ｅ）は、円の中心を極板の長手方向で右側に移動したものであり、移動距離はそれぞれ、円の半径の２分の１の距離、円の半径の距離である。円の中心が図４（ｅ）より右側に移動すると、本発明の範囲外となる。なお、図４（ｅ）では円の左側でタブと電極部は連続していない。
【００２１】
図４（ｆ）は、図４（ａ）と比較して、円の半径の２分の１の距離だけ、極板の垂直方向で下方に移動したもの、図４（ｇ）は、円の中心を、円の半径の距離だけ、下方に移動したものである。円の中心が図４（ｇ）より下方に移動すると、本発明の範囲外となる。なお、図４（ｇ）では円の上方でタブと電極部は連続していない。
【００２２】
図４（ｈ）および（ｉ）は、円の中心を極板の垂直方向で上方に移動したものであり、移動距離はそれぞれ、円の半径の２分の１の距離、円の半径の距離である。円の中心が図４（ｉ）より上方に移動すると、本発明の範囲外となる。
【００２３】
本発明における円の中心は、以上の形態に限定されず、各形態の組合せであっても良い。すなわち、円の中心は、タブの側辺の延長線と電極部の上辺の延長線の交点を中心とした同径の円により囲まれる領域の内側に位置していることが好ましい。
【００２４】
以上の形態のうち、極板の強度の観点からは図４（ａ）の形態が好ましく、極板の破断を最も確実に防止できる。また、電極部表面の電極活物質層の減少を抑制することができる観点からは、図４（ｈ）および図４（ｉ）に示すような形態（すなわち、円の中心が電極部の上辺より上に位置する形態）が好ましい。
【００２５】
凹部を構成する円の直径は本発明の効果を達成できる限り特に限定されないが、本発明の効果を十分に達成できる観点から１ｍｍ以上６ｍｍ以下が好ましい。しかし、電極部表面の電極活物質層の減少を抑制する観点から、円の直径は上記範囲内でできるだけ小さいほうが好ましい。また、凹部を構成する円の直径は、タブの高さとの関係で相対的に決定することもできる。
【００２６】
図３は、正極板３０および負極板３２を展開して示す平面図である。
【００２７】
正極板３０は、導電性の金属箔、例えば、幅１５０ｍｍ、長さ４ｍの帯状のアルミニウムシートで形成され、この正極板の両面に正極活物質層４０が形成されている。正極活物質層４０は、正極板の全長に渡り帯状に形成されている。正極板の幅方向の一端部（上辺）には、互いに間隔を置いて配置された、複数（例えば３０個）の台形状の凸部（タブ）５０が形成されている。凸部が台形であると、極板の取り扱い時にタブが引っ掛かりにくくなり、さらに、捲回時に用いるローラにもタブが折れ込みにくくなるため、タブの根元から生じる極板の破断または亀裂の発生をより効果的に防止することができる。しかし、凸部の形状は長方形であってもよい。凸部が長方形であると、正極タブと負極タブが接触して電池が短絡することを確実に回避できる利点がある。凸部５０は、正極板３０の上辺からの高さが例えば１５ｍｍである。複数の凸部５０は、正極板３０の長手方向に間隔を置いて、つまり切欠き部分を間に挟んで配置されている。その間隔は一定であるが、凸部の長さは、正極板の長手方向に、徐々に長くなっている。また、複数の凸部５０の根元には曲線状凹部１１が形成されている。
【００２８】
負極板３２は、導電性の金属箔、例えば、幅１５０ｍｍ、長さ４ｍの帯状の銅シートで形成され、この負極板の両面に負極活物質層４２が形成されている。負極活物質層４２は、負極板の全長に渡って帯状に形成されている。負極板の幅方向の一端部（上辺）には、互いに間隔を置いて配置された、複数（例えば３０個）の台形状の凸部（タブ）５２が形成されている。凸部の形状は長方形であってもよい。凸部５２は、負極板３２の上辺からの高さが例えば１５ｍｍである。複数の凸部５２は、負極板３２の長手方向に間隔を置いて、つまり切欠き部分を間に挟んで配置されている。その間隔は一定であるが、凸部の長さは、負極板の長手方向に、徐々に長くなっている。また、複数の凸部５２の根元には曲線状凹部１１が形成されている。
【００２９】
セパレータ（図示せず）は、幅１５５ｍｍ、長さ４．４ｍの帯状の部材であり、正極板３０および負極板３２の電極活物質層に当接した状態で、これらの間に配置されている。正極板３０および負極板３２は、その凸部５０、５２がセパレータの上辺から同一方向に突出するように重ね合わされ、更に、正極板３０の凸部５０と負極板３２の凸部５２とが、両極板の長手方向に沿って交互に位置するように重ね合わされている。
【００３０】
そして、これらの正極板３０、セパレータ、負極板３２、およびセパレータを各凸部５０、５２の中央部で折り返すように捲回することにより、偏平状の電極体１４が形成されるとともに、正極板３０の複数の凸部５０が電極体の径方向に互いに積層され電極体１４と一体の正極タブ１６が形成され、更に、負極板３２の複数の凸部５２が電極体の径方向に互いに積層され電極体１４と一体の負極タブ１８が形成される。
【００３１】
電極体１４は、その外周形状が幅方向に広がった偏平形状を有している。また、電極体１４は、電極板の最内周面に区画された偏平形状の中空部を有している。電極体１４は、正極板３０および負極板３２をセパレータを介して偏平形状に捲回させた電極体であってもよいし、正極板および負極板をセパレータを介して捲回した後に偏平形状に変形させた電極体であってもよい。
【００３２】
図１に示すように、電極体１４は、ケース１０内に収納され、正極タブ１６には樹脂フィルム２３を有した正極リード２０が接合され、負極タブ１８には樹脂フィルム２３を有した負極リード２２が接合されている。接合は、例えば、溶接により行う。それぞれの樹脂フィルム２３はパウチ型ケース１０に熱融着されている。これにより、正極リード２０および負極リード２２は、ケース１０を気密に貫通して外部に突出しており、ケース１０とは電気的に絶縁されている。ケース１０は、アルミニウム、鉄、ステンレス等により形成され内部を封止することができる槽状容器であってもよい。
【００３３】
次に、本実施形態の捲回型電極電池の各構成要素を説明する。
【００３４】
<<パウチ型ケース>>
ケース１０はパウチ型ケースで、アルミラミネートシートから構成される。アルミラミネートシートは、アルミニウム箔表面に樹脂層がラミネートされているものである。樹脂層を構成する樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン等が挙げられる。これらの樹脂層は１層のみであってもよいし、２層以上を積層したものであってもよい。具体的な構成としては、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリプロピレン、およびアルミニウムを重ねて構成されたものが挙げられる。
【００３５】
<<正極板>>
正極板３０は、正極集電体と、正極集電体の片面または両面に設けられた正極活物質層とを有する。正極活物質層は、例えば、正極活物質、結着剤および導電助剤より構成されている。
【００３６】
正極集電体は、導電性を有するシート状の部材であり、典型的には金属箔で構成されている。正極集電体を構成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。正極タブは正極集電体が伸長して形成されたものであるので、正極集電体と同材料である。
【００３７】
正極活物質としては、二酸化マンガン（ＭｎＯ2）、リチウムマンガン複合酸化物（例えばＬｉxＭｎ2Ｏ4またはＬｉxＭｎＯ2）、リチウムニッケル複合酸化物（例えばＬｉxＮｉＯ2）、リチウムコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＣｏＯ2）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（例えばＬｉＮｉ1-yＣｏyＯ2）、リチウムマンガンコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＭｎyＣｏ1-yＯ2）、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物（ＬｉxＭｎ2-yＮｉyＯ4）、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物（ＬｉxＦｅＰＯ4）等の酸化物を使用できる。上記化学式の「ｘ」および「ｙ」は、それぞれ、０〜１の範囲の値でありうる。 好ましい正極活物質として、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、リチウムリン酸鉄が挙げられる。これらは、金属リチウムの電位に対して例えば３．０Ｖ以上５．０Ｖ以下の充放電電位を有する。
【００３８】
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、フッ素ゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の樹脂材料を使用できる。
【００３９】
導電剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の炭素材料を使用できる。
【００４０】
<<負極板>>
負極板３２は、負極集電体と、負極集電体の片面または両面に設けられた負極活物質層とを有する。負極活物質層は、例えば、負極活物質、結着剤および導電助剤より構成される。
【００４１】
負極集電体も導電性を有するシート状の部材であり、典型的には金属箔で構成されている。負極集電体を構成する材料としては、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。負極タブは負極集電体が伸長して形成されたものであるので、負極集電体と同材料である。
【００４２】
負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、リチウムチタン複合酸化物（例えばＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12）、リチウムイオンを吸蔵および放出できる炭素材料、リチウムと合金を形成しうる材料（いわゆる合金系活物質）等を使用できる。炭素材料としては、グラファイトが代表的である。合金系活物質としては、スズ、スズ合金、シリコンおよびシリコン合金が挙げられる。充放電効率およびサイクル寿命の観点から、炭素材料またはリチウムチタン複合酸化物を好適に使用できる。
【００４３】
結着剤および導電助剤としては、正極板におけるそれらに関して使用可能な物質を同様に使用できる。
【００４４】
負極活物質層が、金属リチウムの電位に対して１．０Ｖ以上貴な電位を有する負極活物質を含む場合、負極集電体を構成する材料は、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金である。
【００４５】
<<セパレータ>>
セパレータとしては、多孔質フィルム、不織布等を使用できる。多孔質フィルムとしては、ポリエチレンまたはポリプロピレンから形成された多孔質フィルムを例示できる。不織布としては、セルロースまたはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）から形成された不織布を例示できる。
【００４６】
<<非水電解質>>
正極板３０、負極板３２およびセパレータからなる電極体１４には、電解液が含浸されている。電解液としては、電解質と有機溶媒とを含む液状の非水電解質が挙げられる。
【００４７】
電解質としては、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）等のリチウム塩が挙げられる。化学的安定性と高誘電率化の観点から、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を主たる電解質として用いることが好ましい。「主たる電解質」とは、モル比にて最も多く含まれる電解質を意味する。電解質は、有機溶媒に対して、例えば０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解して電解液を構成することができる。
【００４８】
有機溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）等の環状カーボネートを使用できる。また、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等の鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２メチルテトラヒドロフラン（２ＭｅＴＨＦ）等の環状エーテル、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）等の鎖状エーテル、アセトニトリル（ＡＮ）、スルホラン（ＳＬ）等も使用できる。これらの有機溶媒は、単独または２種以上の混合物の形態で使用できる。
【００４９】
<<リード>>
リード２０および２２は、電池内部の空間または密閉面からケースの外部まで伸長している部材であり、タブと電気的に接続され、電池内部から電流を外部に引き出すための端子である。リードとタブとの接続は、タブの一面にリードを重ね合わせ、両者を溶接等により連結することで行なわれる。リードがケースの密閉面に挟まれる部分には、リードの外面を覆い包む電極用絶縁シール部２３が配置されている。リードを構成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、ステンレス等の金属を使用でき、絶縁シールを構成する材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等の樹脂を使用できる。
【００５０】
<<製造方法>>
次に、本発明の捲回形電極電池の製造方法について説明する。
【００５１】
本発明の捲回形電極電池は、まず、正極板３０および負極板３２を製造した後、正極板３０および負極板３２をセパレータを介して捲回させた捲回型の電極体１４を形成し、この電極体１４の正極タブ１６および負極タブ１８に正極リード２０および負極リード２２を溶接した後、ケース１０内に電解液１２とともに封口することで捲回形電極電池を製造することができる。
【００５２】
まず、帯状のアルミニウムシートの両面に正極活物質層４０を形成することで正極板３０を製造する。この正極活物質層４０の形成は、正極活物質を含むペースト状の合剤を帯状のアルミニウムシートの表面に塗布し、乾燥した後に、プレスにより圧着させることによる。また、帯状の銅シートの両面に負極活物質層４２を有する負極板３２も、正極板と同様の手法により製造する。
【００５３】
続いて、正極板３０および負極板３２の幅方向の一方側の端部（上端部）近傍から活物質層を除去して、導電性シートを露出させることにより、電極活物質層が表面に形成されていない側縁部を形成する。その後、捲回装置を用いて正極板３０をリールに巻きつけてロール状とし、同様に負極板３２を別のリールに巻きつけてロール状とする。セパレータはロール状のものを用いる。
【００５４】
次に、リールに巻きつけてロール状とした正極板３０から引き出された正極板３０の側縁部をトムソン刃でプレスにより間欠的に切除し、所定の間隔で並んだ複数の凸部５０を形成する。使用するトムソン刃は凸部根元に曲線状凹部を形成する形状とする。これにより、曲線状凹部１１を形成する。引き出し量が測定できるようにリールにデジカラーを設置しているため、所定の間隔を設定することができる。同様に負極板３２の側縁部においても所定の間隔で並んだ複数の凸部５２を形成する。正極板３０と負極板３２ともに順次トムソン刃でプレスにより切除した後、それぞれ、別のリールに巻きつけてロール状にする。
【００５５】
次いで、それぞれ正極板３０、負極板３２、セパレータを引き出し、これらを重ねて、巻き取り芯に巻き付ける。その際、巻き取り芯を回転させることにより、正極板３０および負極板３２は、その凸部５０、５２がセパレータから同一方向に突出するように重ね合わされ、更に、正極板３０の凸部５０と負極板３２の凸部５２とが、両極板の長手方向に沿って交互に位置するように重ね合わされた状態で、巻き取り芯に巻き取る。巻き取りは、正極板３０、セパレータ、負極板３２、およびセパレータを各凸部５０、５２の中央部で折り返すように捲回する。所定長さを捲回して電極体１４を形成した後、正極板３０、負極板３２、セパレータを切断する。続いて、捲回体を巻取り芯から抜き出し、この捲回体をプレスして扁平形状に成形する。これにより、正極タブ１６および負極タブ１８を一体に有する電極体１４が得られる。
【００５６】
その後、電極体１４の軸方向一端側に突出した正極タブ１６および負極タブ１８に、正極リード２０および負極リード２２を超音波接合する。この電極リードとタブとの接合方法としては、スポット溶接およびシーム溶接等の電気溶接や、超音波溶接等の溶接方法を用いることができる。次いで、正極リード２０および負極リード２２が接合された電極体１４をパウチケース１０に納め、一辺を残して熱シールした後、熱シールしなかった一辺からケース１０内に電解液１２を注入する。そして、減圧と大気圧を繰り返した後で、残りの一辺を熱シールすることで電極電池が製造される。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例を掲げて本発明をより具体的に説明する。ただし、下記の実施例は、本発明を例示するためのもので、本発明の範囲を限定するためのものではない。
【００５８】
まず、正極活物質としてコバルト酸リチウムを１００重量部、導電剤としてアセチレンブラックを２重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを２重量部とを固形分濃度が５０％程度になるように適量のＮ−メチル−２−ピロリドンを加え、双腕式練合機にて撹拌し混練することで、正極合剤塗料を作製した。
【００５９】
次いで上述の正極合剤塗料を、厚みが１５μｍのアルミニウム箔よりなる正極集電体に塗布し、乾燥した後にプレスすることで、片面側の正極合剤層の厚みが７０μｍとなる正極板を作製した。その後、幅１５０ｍｍ×４０００ｍｍサイズに切断加工して帯状の正極板を得た。
【００６０】
次に、帯状の正極板の長手方向に幅１５ｍｍで適量のＮ−メチル−２−ピロリドンを塗布し、ベンコット（旭化成せんい株式会社製）を用いて正極合剤層を剥離して、正極合剤層が形成されていない集電領域を形成した。
【００６１】
次いで、正極合剤層が形成されていない集電領域をトムソン刃（森機工商会）により長手方向に所定の間隔を空けて打ち抜くことで、帯状正極板の長手方向に高さ１５ｍｍの凸部（タブ）を作製した。その際、所定の間隔とは、後に捲回によって正極と負極の凸部が接触しないように、捲回電極体の回転方向に対して垂直方向に凸部が重なり、正極タブまたは負極タブが形成できるように、事前にＣＡＤ（設計支援ツール）により求めた。打ち抜き形状はタブの根元に曲線状凹部を形成した台形または長方形とした。前記曲線状凹部を形成するための円の直径は１ｍｍから６ｍｍ、タブ側辺の傾斜角は３０度、４５度、または９０度とした。これらはトムソン刃の形状によるものとした。台形の上底の長さまたは長方形の長辺の長さが上述のトムソン刃で打ち抜く際の所定の間隔となる。円の中心がタブの側辺と正極板の上辺との交点に位置するようにした。代表例として円の直径が３ｍｍ、台形の側辺の傾斜角が４５度のものを図５に示す（サンプル１０）。
【００６２】
一方、負極活物質としてリチウムチタン複合酸化物（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12）を１００重量部、導電剤としてＶＧＣＦを４重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを５重量部とを固形分濃度が５０％程度になるように適量のＮ−メチル−２−ピロリドンを加え、双腕式練合機にて撹拌し混練することで、負極合剤塗料を作製した。
【００６３】
次いで上述の負極合剤塗料を、厚みが１５μｍのアルミニウム箔よりなる負極集電体に両面塗布し、乾燥した後にプレスすることで片面側の負極合剤層の厚みが１００μｍとなる負極板を作製した。その後、正極板と同様に加工して、帯状の負極板の長手方向に高さ１５ｍｍの凸部（タブ）を作製した。その凸部の形状は、タブの根元に曲線状凹部を形成した台形または長方形である。前記曲線状凹部を形成するための円の直径は１ｍｍから６ｍｍ、タブの側辺の傾斜角は３０度または４５度とした。
【００６４】
セパレータは、ニッポン高度紙工業株式会社製のセルロースを、幅１５５ｍｍ、長さ４１００ｍｍ、厚み２５μｍに加工して用いた。
【００６５】
以上のようにして作製した正極板３０および負極板３２を、セパレータを介して重ね合わせて巻き取り、電極体１４を構成した。
【００６６】
リードとしては、幅４０ｍｍ、厚み０．５ｍｍのアルミ製金属リードに幅４５ｍｍ、長さ６ｍｍでリードの外面を覆い包む電極用絶縁シールが配置されたリード（昭和電工パッケージング（株）製）を用いた。
【００６７】
このリードを、正極板の、正極集電体が露出したタブと、負極板の、負極集電体が露出したタブに、それぞれ超音波溶接（日本エマソン株式会社ブランソン事業本部製メタルウェルダ２０００ｅａ型 条件：ウェルドタイム０．５秒、振幅８０％）によって接続した。
【００６８】
アルミラミネートシート（大日本印刷（株））から熱シールによりパウチを作製し、そのパウチに、リードを接続した電極体を挿入した後、電解液を入れて、アルミラミネートシートで電極用絶縁シール部を挟みこむようにして注液減圧封口装置（タクミ技研製）を用いて熱シールにより熱融着した。
【００６９】
正極板においてタブの側辺の傾斜角と、タブ根元に曲線状凹部を形成する円の直径を変更したサンプル１から１８において、発明の効果を確認した。なお、サンプル１、７、および１３では、タブ根元に曲線状凹部を形成していない。そのためこれらのサンプルは比較例である。図６はサンプル１のタブ周辺を示す平面図である。
【００７０】
上記各サンプルを用いて、極板およびセパレータを捲回して電極体を構成する実験を複数回行った。その実験後、ローラへのタブの折れ込みやタブの根元からの極板破断について発生率を算出した。電極はそれぞれ長さ８ｍのものを使用し、タブは電極一本に３０個形成した。結果を表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１から、タブの根元に曲線状凹部を形成することで極板破断を抑制できることが分かる。これは、捲回時のタブの曲げやねじれによってタブの根元に応力が集中することで極板の破断や亀裂が発生するところ、タブの根元に曲線状凹部を形成することで前記応力を分散させることができ、それにより、亀裂の発生またはその進行による極板破断の発生を抑制できるものと考えられる。以上により、タブの根元に曲線状凹部を有しない従来品と比較して、本発明は、高い加工良品率で捲回型電極電池を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、エネルギー分野向けの二次電池、例えば、一般家庭用の二次電池に有利に適用できる。
【符号の説明】
【００７４】
１０ パウチ型ケース
１１ 曲線状凹部
１２ 電解液
１４ 捲回型電極体
１６ 正極タブ
１８ 負極タブ
２０ 正極リード
２２ 負極リード
２３ 樹脂フィルム
３０ 正極板
３２ 負極板
４０ 正極活物質層
４２ 負極活物質層
５０ 正極タブ
５２ 負極タブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池内に捲回して収納される帯状の極板、および、帯状の正極板および負極板をセパレータを介して捲回して偏平形状に形成された電極体を有する捲回型電極電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やクリーンエネルギーへの関心が高まりつつある中で、電気自動車およびハイブリッド電気自動車に搭載される電池や、蓄電池の開発が進められている。このような電池には、大電流での放電を行える能力が求められている。
【０００３】
このような能力を発揮する電池として、捲回型電極体を有する電池が知られている。当該電池では、通常、外ケースの中に電解液とともに捲回型電極体が封入されており、捲回型電極体からの電力の取り出しは、正極板および負極板に接続されたリードを通して行われる。
【０００４】
このような捲回型電極電池として、特許文献１では、正極板および負極板が、電極活物質層が形成された帯状の電極部と、電極活物質層が形成されずに、正極板および負極板の長手方向に沿って間隔を置いて並んだ複数の凸状のタブと、を有し、正極板および負極板を重ねて捲回することにより、正極板の複数の凸状のタブが互いに積層され正極タブを形成し、負極板の複数の凸状のタブが互いに積層されて負極タブを形成している捲回型電極電池が開示されている。積層された正極タブおよび負極タブはそれぞれが正極リードおよび負極リードと接続され、大電流での放電を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２６６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記構成を有する捲回型電極電池では、極板に凸状のタブが多数形成されているため、ローラに極板およびセパレータを捲回して電極体を構成する時や、打ち抜き加工により極板にタブを形成する時等に、タブがローラに折れ込むことや、極板の取り扱い時にタブを引っ掛けてしまうことが生じやすく、凸状のタブの根元から極板が破断するまたは亀裂が生じるという現象が発生していた。そのため、捲回型電極電池の加工良品率が低いという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、以上に鑑み、捲回による電極体構成時または打ち抜き加工によるタブ形成時等に、凸状のタブの根元からの極板の破断または亀裂を防止できる極板および捲回型電極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】
【０００８】
本発明は、電池内に捲回して収納される帯状の極板であって、表面に電極活物質層が形成された帯状の電極部と、表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成されたタブと、を有し、前記電極部の上辺と前記タブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび／または前記電極部に凹部が形成されている、極板である。当該極板は正極板および負極板のいずれであってもよい。
【０００９】
また本発明は、それぞれ電極活物質層が形成された帯状の正極板および負極板とを、帯状のセパレータを介して捲回して偏平形状に形成された捲回型の電極体と、
正極リードおよび負極リードが設けられ、前記電極体および電解液を内部に収納したケースと、を備え、
前記正極板および負極板は、前記セパレータに当接する電極活物質層が表面に形成された帯状の電極部と、表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成され、互いに間隔を置いて配置された複数の凸部であるタブと、を有し、
前記電極部の上辺と前記タブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび／または前記電極部に凹部が形成されており、
前記正極板および負極板を重ねて捲回することにより、前記正極板の複数の凸部が互いに積層されて正極タブを形成し、前記負極板の複数の凸部が互いに積層されて負極タブを形成している、捲回型電極電池でもある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ローラに極板およびセパレータを捲回して電極体を構成する時や、打ち抜き加工により極板にタブを形成する時等に、タブがローラに折れ込むことや、極板の取り扱い時にタブを引っ掛けてしまうことでタブの曲げやねじれが生じた際に凸状のタブの根元に応力が集中し、そのために極板の破断または亀裂が発生するのを防止することができる。すなわち、電極部とタブの接続部分に、曲線から構成された凹部を形成することで、前記タブの曲げやねじれが生じた際に前記タブの根元における応力を分散させて、亀裂の発生またはその進行による極板破断の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態に係る捲回型電極電池の断面図
【図２】一実施形態に係る捲回型電極電池に含まれる電極体の斜視図
【図３】前記電極体を構成する正極板および負極板を展開して示す平面図
【図４】曲線状凹部１１と電極部およびタブとの位置関係を示す図
【図５】サンプル１０におけるタブ周辺を示す平面図
【図６】サンプル１におけるタブ周辺を示す平面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。ただし、本発明はこれに限定されない。
【００１３】
図１は、捲回型電極電池の断面図、図２は、電極体の斜視図である。図１に示すように、捲回型電極電池は、偏平なパウチ型ケース１０と、ケース内に電解液１２とともに収納された偏平状の捲回型電極体１４と、を備えている。図２に示すように、捲回型電極体１４は、その軸方向に沿って同一方向に突出した正極タブ１６および負極タブ１８を有している。正極タブ１６および負極タブ１８はそれぞれ、複数のタブが積層して形成されている。正極タブ１６および負極タブ１８の側辺（電極部の長手方向端部と垂直または傾斜して交わる端部）と電極部の上辺（タブとタブとの間にある電極部の長手方向端部）がつながる領域には曲線状凹部１１が形成されている。
【００１４】
正極タブ１６には樹脂フィルム２３を有した正極リード２０が接合され、負極タブ１８には樹脂フィルム２３を有した負極リード２２が接合されている。それぞれの樹脂フィルム２３はパウチ型ケース１０に熱融着されている。これにより、正極リード２０および負極リード２２は、ケース１０を気密に貫通して外部に突出しており、ケース１０とは電気的に絶縁されている。電極体１４に生じた電力は、正極タブ１６、負極タブ１８、正極リード２０および負極リード２２を介して取り出される。
【００１５】
捲回型電極体１４は、図３に示すような帯状の正極板３０および帯状の負極板３２と両極板間に介在するセパレータ（図示せず）とが積層されて捲回された状態で偏平形状に形成されている。正極タブ１６は、正極板３０の電極部から突出した複数の凸部（タブ）を積層することにより、また、負極タブ１８は、負極板３２の電極部から突出した複数の凸部（タブ）を積層することにより形成される。ここで、電極部は、電極活物質層が表面に形成された帯状の各極板の本体であり、凸部（タブ）は、前記電極部の上辺から突出するように形成され、表面に電極活物質層が形成されていない。
【００１６】
従来の電極部では、電極部およびタブは直線で囲まれた外形を有しており、電極部の上辺およびタブの側辺は直線と直線が交わることでつながっている（図６）。しかし、本発明における電極部では、電極部の上辺とタブの側辺は曲線により接続しており、当該曲線により凹部１１が形成されている（図５）。好ましい形態では、電極部の上辺が直線と曲線から構成され、タブの側辺も直線と曲線から構成され、電極部上辺の曲線とタブ側辺の曲線が曲線状を保持したまま連続することで、電極部の上辺とタブの側辺が曲線により連続している。そして、その曲線により連続している領域において、タブおよび電極部に凹部が形成されている。なお、複数の凸部（タブ）の根元において同一形状の曲線状凹部１１を有している。
【００１７】
タブの側辺と電極部の上辺との接続部に曲線で囲まれた凹部が存在することにより、タブと電極部の接続部の特定箇所に応力が集中することを回避して、極板の破断を防止することができる。凹部とは、直線で構成されるタブの側辺、および／または、直線で構成される電極部の上辺から凹むようにして形成された、タブおよび／または電極部の欠失部分をいう。好ましい凹部は、タブと電極部双方にまたがるようにして形成されたものである。凹部の形状は曲線により包囲されている形状であれば特に限定されないが、円又は楕円の一部または全部であることが好ましい。
【００１８】
曲線状凹部の位置は、タブの側辺と電極部の上辺との接続部が直線と直線の交点により構成されることを回避できる位置であれば、特に限定されない。図４は、凹部の形状が円の一部または全部である場合について、凹部の位置を変更したものを示す。これらの図では、タブの側辺が電極部の上辺と垂直の関係にあるが、これに限定されない。タブの側辺は電極部の上辺に対し傾斜していてもよい。図４（ａ）は、円の中心が、タブの側辺の延長線と電極部の上辺の延長線の交点に位置するように凹部を配置したものである。
【００１９】
図４（ｂ）は、図４（ａ）と比較して、円の中心を、円の半径の２分の１の距離だけ、極板の長手方向で左側に移動したもの、図４（ｃ）は、円の中心を、円の半径の距離だけ、左側に移動したものである。これ以上左側に移動すると、タブの側辺と電極部の上辺の接続部が直線と直線の交点により構成されることになるので、本発明の範囲外となる。
【００２０】
図４（ｄ）および（ｅ）は、円の中心を極板の長手方向で右側に移動したものであり、移動距離はそれぞれ、円の半径の２分の１の距離、円の半径の距離である。円の中心が図４（ｅ）より右側に移動すると、本発明の範囲外となる。なお、図４（ｅ）では円の左側でタブと電極部は連続していない。
【００２１】
図４（ｆ）は、図４（ａ）と比較して、円の半径の２分の１の距離だけ、極板の垂直方向で下方に移動したもの、図４（ｇ）は、円の中心を、円の半径の距離だけ、下方に移動したものである。円の中心が図４（ｇ）より下方に移動すると、本発明の範囲外となる。なお、図４（ｇ）では円の上方でタブと電極部は連続していない。
【００２２】
図４（ｈ）および（ｉ）は、円の中心を極板の垂直方向で上方に移動したものであり、移動距離はそれぞれ、円の半径の２分の１の距離、円の半径の距離である。円の中心が図４（ｉ）より上方に移動すると、本発明の範囲外となる。
【００２３】
本発明における円の中心は、以上の形態に限定されず、各形態の組合せであっても良い。すなわち、円の中心は、タブの側辺の延長線と電極部の上辺の延長線の交点を中心とした同径の円により囲まれる領域の内側に位置していることが好ましい。
【００２４】
以上の形態のうち、極板の強度の観点からは図４（ａ）の形態が好ましく、極板の破断を最も確実に防止できる。また、電極部表面の電極活物質層の減少を抑制することができる観点からは、図４（ｈ）および図４（ｉ）に示すような形態（すなわち、円の中心が電極部の上辺より上に位置する形態）が好ましい。
【００２５】
凹部を構成する円の直径は本発明の効果を達成できる限り特に限定されないが、本発明の効果を十分に達成できる観点から１ｍｍ以上６ｍｍ以下が好ましい。しかし、電極部表面の電極活物質層の減少を抑制する観点から、円の直径は上記範囲内でできるだけ小さいほうが好ましい。また、凹部を構成する円の直径は、タブの高さとの関係で相対的に決定することもできる。
【００２６】
図３は、正極板３０および負極板３２を展開して示す平面図である。
【００２７】
正極板３０は、導電性の金属箔、例えば、幅１５０ｍｍ、長さ４ｍの帯状のアルミニウムシートで形成され、この正極板の両面に正極活物質層４０が形成されている。正極活物質層４０は、正極板の全長に渡り帯状に形成されている。正極板の幅方向の一端部（上辺）には、互いに間隔を置いて配置された、複数（例えば３０個）の台形状の凸部（タブ）５０が形成されている。凸部が台形であると、極板の取り扱い時にタブが引っ掛かりにくくなり、さらに、捲回時に用いるローラにもタブが折れ込みにくくなるため、タブの根元から生じる極板の破断または亀裂の発生をより効果的に防止することができる。しかし、凸部の形状は長方形であってもよい。凸部が長方形であると、正極タブと負極タブが接触して電池が短絡することを確実に回避できる利点がある。凸部５０は、正極板３０の上辺からの高さが例えば１５ｍｍである。複数の凸部５０は、正極板３０の長手方向に間隔を置いて、つまり切欠き部分を間に挟んで配置されている。その間隔は一定であるが、凸部の長さは、正極板の長手方向に、徐々に長くなっている。また、複数の凸部５０の根元には曲線状凹部１１が形成されている。
【００２８】
負極板３２は、導電性の金属箔、例えば、幅１５０ｍｍ、長さ４ｍの帯状の銅シートで形成され、この負極板の両面に負極活物質層４２が形成されている。負極活物質層４２は、負極板の全長に渡って帯状に形成されている。負極板の幅方向の一端部（上辺）には、互いに間隔を置いて配置された、複数（例えば３０個）の台形状の凸部（タブ）５２が形成されている。凸部の形状は長方形であってもよい。凸部５２は、負極板３２の上辺からの高さが例えば１５ｍｍである。複数の凸部５２は、負極板３２の長手方向に間隔を置いて、つまり切欠き部分を間に挟んで配置されている。その間隔は一定であるが、凸部の長さは、負極板の長手方向に、徐々に長くなっている。また、複数の凸部５２の根元には曲線状凹部１１が形成されている。
【００２９】
セパレータ（図示せず）は、幅１５５ｍｍ、長さ４．４ｍの帯状の部材であり、正極板３０および負極板３２の電極活物質層に当接した状態で、これらの間に配置されている。正極板３０および負極板３２は、その凸部５０、５２がセパレータの上辺から同一方向に突出するように重ね合わされ、更に、正極板３０の凸部５０と負極板３２の凸部５２とが、両極板の長手方向に沿って交互に位置するように重ね合わされている。
【００３０】
そして、これらの正極板３０、セパレータ、負極板３２、およびセパレータを各凸部５０、５２の中央部で折り返すように捲回することにより、偏平状の電極体１４が形成されるとともに、正極板３０の複数の凸部５０が電極体の径方向に互いに積層され電極体１４と一体の正極タブ１６が形成され、更に、負極板３２の複数の凸部５２が電極体の径方向に互いに積層され電極体１４と一体の負極タブ１８が形成される。
【００３１】
電極体１４は、その外周形状が幅方向に広がった偏平形状を有している。また、電極体１４は、電極板の最内周面に区画された偏平形状の中空部を有している。電極体１４は、正極板３０および負極板３２をセパレータを介して偏平形状に捲回させた電極体であってもよいし、正極板および負極板をセパレータを介して捲回した後に偏平形状に変形させた電極体であってもよい。
【００３２】
図１に示すように、電極体１４は、ケース１０内に収納され、正極タブ１６には樹脂フィルム２３を有した正極リード２０が接合され、負極タブ１８には樹脂フィルム２３を有した負極リード２２が接合されている。接合は、例えば、溶接により行う。それぞれの樹脂フィルム２３はパウチ型ケース１０に熱融着されている。これにより、正極リード２０および負極リード２２は、ケース１０を気密に貫通して外部に突出しており、ケース１０とは電気的に絶縁されている。ケース１０は、アルミニウム、鉄、ステンレス等により形成され内部を封止することができる槽状容器であってもよい。
【００３３】
次に、本実施形態の捲回型電極電池の各構成要素を説明する。
【００３４】
<<パウチ型ケース>>
ケース１０はパウチ型ケースで、アルミラミネートシートから構成される。アルミラミネートシートは、アルミニウム箔表面に樹脂層がラミネートされているものである。樹脂層を構成する樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン等が挙げられる。これらの樹脂層は１層のみであってもよいし、２層以上を積層したものであってもよい。具体的な構成としては、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリプロピレン、およびアルミニウムを重ねて構成されたものが挙げられる。
【００３５】
<<正極板>>
正極板３０は、正極集電体と、正極集電体の片面または両面に設けられた正極活物質層とを有する。正極活物質層は、例えば、正極活物質、結着剤および導電助剤より構成されている。
【００３６】
正極集電体は、導電性を有するシート状の部材であり、典型的には金属箔で構成されている。正極集電体を構成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。正極タブは正極集電体が伸長して形成されたものであるので、正極集電体と同材料である。
【００３７】
正極活物質としては、二酸化マンガン（ＭｎＯ2）、リチウムマンガン複合酸化物（例えばＬｉxＭｎ2Ｏ4またはＬｉxＭｎＯ2）、リチウムニッケル複合酸化物（例えばＬｉxＮｉＯ2）、リチウムコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＣｏＯ2）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（例えばＬｉＮｉ1-yＣｏyＯ2）、リチウムマンガンコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＭｎyＣｏ1-yＯ2）、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物（ＬｉxＭｎ2-yＮｉyＯ4）、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物（ＬｉxＦｅＰＯ4）等の酸化物を使用できる。上記化学式の「ｘ」および「ｙ」は、それぞれ、０〜１の範囲の値でありうる。 好ましい正極活物質として、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、リチウムリン酸鉄が挙げられる。これらは、金属リチウムの電位に対して例えば３．０Ｖ以上５．０Ｖ以下の充放電電位を有する。
【００３８】
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、フッ素ゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の樹脂材料を使用できる。
【００３９】
導電剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の炭素材料を使用できる。
【００４０】
<<負極板>>
負極板３２は、負極集電体と、負極集電体の片面または両面に設けられた負極活物質層とを有する。負極活物質層は、例えば、負極活物質、結着剤および導電助剤より構成される。
【００４１】
負極集電体も導電性を有するシート状の部材であり、典型的には金属箔で構成されている。負極集電体を構成する材料としては、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。負極タブは負極集電体が伸長して形成されたものであるので、負極集電体と同材料である。
【００４２】
負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、リチウムチタン複合酸化物（例えばＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12）、リチウムイオンを吸蔵および放出できる炭素材料、リチウムと合金を形成しうる材料（いわゆる合金系活物質）等を使用できる。炭素材料としては、グラファイトが代表的である。合金系活物質としては、スズ、スズ合金、シリコンおよびシリコン合金が挙げられる。充放電効率およびサイクル寿命の観点から、炭素材料またはリチウムチタン複合酸化物を好適に使用できる。
【００４３】
結着剤および導電助剤としては、正極板におけるそれらに関して使用可能な物質を同様に使用できる。
【００４４】
負極活物質層が、金属リチウムの電位に対して１．０Ｖ以上貴な電位を有する負極活物質を含む場合、負極集電体を構成する材料は、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金である。
【００４５】
<<セパレータ>>
セパレータとしては、多孔質フィルム、不織布等を使用できる。多孔質フィルムとしては、ポリエチレンまたはポリプロピレンから形成された多孔質フィルムを例示できる。不織布としては、セルロースまたはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）から形成された不織布を例示できる。
【００４６】
<<非水電解質>>
正極板３０、負極板３２およびセパレータからなる電極体１４には、電解液が含浸されている。電解液としては、電解質と有機溶媒とを含む液状の非水電解質が挙げられる。
【００４７】
電解質としては、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）等のリチウム塩が挙げられる。化学的安定性と高誘電率化の観点から、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を主たる電解質として用いることが好ましい。「主たる電解質」とは、モル比にて最も多く含まれる電解質を意味する。電解質は、有機溶媒に対して、例えば０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解して電解液を構成することができる。
【００４８】
有機溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）等の環状カーボネートを使用できる。また、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等の鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２メチルテトラヒドロフラン（２ＭｅＴＨＦ）等の環状エーテル、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）等の鎖状エーテル、アセトニトリル（ＡＮ）、スルホラン（ＳＬ）等も使用できる。これらの有機溶媒は、単独または２種以上の混合物の形態で使用できる。
【００４９】
<<リード>>
リード２０および２２は、電池内部の空間または密閉面からケースの外部まで伸長している部材であり、タブと電気的に接続され、電池内部から電流を外部に引き出すための端子である。リードとタブとの接続は、タブの一面にリードを重ね合わせ、両者を溶接等により連結することで行なわれる。リードがケースの密閉面に挟まれる部分には、リードの外面を覆い包む電極用絶縁シール部２３が配置されている。リードを構成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、ステンレス等の金属を使用でき、絶縁シールを構成する材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等の樹脂を使用できる。
【００５０】
<<製造方法>>
次に、本発明の捲回形電極電池の製造方法について説明する。
【００５１】
本発明の捲回形電極電池は、まず、正極板３０および負極板３２を製造した後、正極板３０および負極板３２をセパレータを介して捲回させた捲回型の電極体１４を形成し、この電極体１４の正極タブ１６および負極タブ１８に正極リード２０および負極リード２２を溶接した後、ケース１０内に電解液１２とともに封口することで捲回形電極電池を製造することができる。
【００５２】
まず、帯状のアルミニウムシートの両面に正極活物質層４０を形成することで正極板３０を製造する。この正極活物質層４０の形成は、正極活物質を含むペースト状の合剤を帯状のアルミニウムシートの表面に塗布し、乾燥した後に、プレスにより圧着させることによる。また、帯状の銅シートの両面に負極活物質層４２を有する負極板３２も、正極板と同様の手法により製造する。
【００５３】
続いて、正極板３０および負極板３２の幅方向の一方側の端部（上端部）近傍から活物質層を除去して、導電性シートを露出させることにより、電極活物質層が表面に形成されていない側縁部を形成する。その後、捲回装置を用いて正極板３０をリールに巻きつけてロール状とし、同様に負極板３２を別のリールに巻きつけてロール状とする。セパレータはロール状のものを用いる。
【００５４】
次に、リールに巻きつけてロール状とした正極板３０から引き出された正極板３０の側縁部をトムソン刃でプレスにより間欠的に切除し、所定の間隔で並んだ複数の凸部５０を形成する。使用するトムソン刃は凸部根元に曲線状凹部を形成する形状とする。これにより、曲線状凹部１１を形成する。引き出し量が測定できるようにリールにデジカラーを設置しているため、所定の間隔を設定することができる。同様に負極板３２の側縁部においても所定の間隔で並んだ複数の凸部５２を形成する。正極板３０と負極板３２ともに順次トムソン刃でプレスにより切除した後、それぞれ、別のリールに巻きつけてロール状にする。
【００５５】
次いで、それぞれ正極板３０、負極板３２、セパレータを引き出し、これらを重ねて、巻き取り芯に巻き付ける。その際、巻き取り芯を回転させることにより、正極板３０および負極板３２は、その凸部５０、５２がセパレータから同一方向に突出するように重ね合わされ、更に、正極板３０の凸部５０と負極板３２の凸部５２とが、両極板の長手方向に沿って交互に位置するように重ね合わされた状態で、巻き取り芯に巻き取る。巻き取りは、正極板３０、セパレータ、負極板３２、およびセパレータを各凸部５０、５２の中央部で折り返すように捲回する。所定長さを捲回して電極体１４を形成した後、正極板３０、負極板３２、セパレータを切断する。続いて、捲回体を巻取り芯から抜き出し、この捲回体をプレスして扁平形状に成形する。これにより、正極タブ１６および負極タブ１８を一体に有する電極体１４が得られる。
【００５６】
その後、電極体１４の軸方向一端側に突出した正極タブ１６および負極タブ１８に、正極リード２０および負極リード２２を超音波接合する。この電極リードとタブとの接合方法としては、スポット溶接およびシーム溶接等の電気溶接や、超音波溶接等の溶接方法を用いることができる。次いで、正極リード２０および負極リード２２が接合された電極体１４をパウチケース１０に納め、一辺を残して熱シールした後、熱シールしなかった一辺からケース１０内に電解液１２を注入する。そして、減圧と大気圧を繰り返した後で、残りの一辺を熱シールすることで電極電池が製造される。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例を掲げて本発明をより具体的に説明する。ただし、下記の実施例は、本発明を例示するためのもので、本発明の範囲を限定するためのものではない。
【００５８】
まず、正極活物質としてコバルト酸リチウムを１００重量部、導電剤としてアセチレンブラックを２重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを２重量部とを固形分濃度が５０％程度になるように適量のＮ−メチル−２−ピロリドンを加え、双腕式練合機にて撹拌し混練することで、正極合剤塗料を作製した。
【００５９】
次いで上述の正極合剤塗料を、厚みが１５μｍのアルミニウム箔よりなる正極集電体に塗布し、乾燥した後にプレスすることで、片面側の正極合剤層の厚みが７０μｍとなる正極板を作製した。その後、幅１５０ｍｍ×４０００ｍｍサイズに切断加工して帯状の正極板を得た。
【００６０】
次に、帯状の正極板の長手方向に幅１５ｍｍで適量のＮ−メチル−２−ピロリドンを塗布し、ベンコット（旭化成せんい株式会社製）を用いて正極合剤層を剥離して、正極合剤層が形成されていない集電領域を形成した。
【００６１】
次いで、正極合剤層が形成されていない集電領域をトムソン刃（森機工商会）により長手方向に所定の間隔を空けて打ち抜くことで、帯状正極板の長手方向に高さ１５ｍｍの凸部（タブ）を作製した。その際、所定の間隔とは、後に捲回によって正極と負極の凸部が接触しないように、捲回電極体の回転方向に対して垂直方向に凸部が重なり、正極タブまたは負極タブが形成できるように、事前にＣＡＤ（設計支援ツール）により求めた。打ち抜き形状はタブの根元に曲線状凹部を形成した台形または長方形とした。前記曲線状凹部を形成するための円の直径は１ｍｍから６ｍｍ、タブ側辺の傾斜角は３０度、４５度、または９０度とした。これらはトムソン刃の形状によるものとした。台形の上底の長さまたは長方形の長辺の長さが上述のトムソン刃で打ち抜く際の所定の間隔となる。円の中心がタブの側辺と正極板の上辺との交点に位置するようにした。代表例として円の直径が３ｍｍ、台形の側辺の傾斜角が４５度のものを図５に示す（サンプル１０）。
【００６２】
一方、負極活物質としてリチウムチタン複合酸化物（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12）を１００重量部、導電剤としてＶＧＣＦを４重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを５重量部とを固形分濃度が５０％程度になるように適量のＮ−メチル−２−ピロリドンを加え、双腕式練合機にて撹拌し混練することで、負極合剤塗料を作製した。
【００６３】
次いで上述の負極合剤塗料を、厚みが１５μｍのアルミニウム箔よりなる負極集電体に両面塗布し、乾燥した後にプレスすることで片面側の負極合剤層の厚みが１００μｍとなる負極板を作製した。その後、正極板と同様に加工して、帯状の負極板の長手方向に高さ１５ｍｍの凸部（タブ）を作製した。その凸部の形状は、タブの根元に曲線状凹部を形成した台形または長方形である。前記曲線状凹部を形成するための円の直径は１ｍｍから６ｍｍ、タブの側辺の傾斜角は３０度または４５度とした。
【００６４】
セパレータは、ニッポン高度紙工業株式会社製のセルロースを、幅１５５ｍｍ、長さ４１００ｍｍ、厚み２５μｍに加工して用いた。
【００６５】
以上のようにして作製した正極板３０および負極板３２を、セパレータを介して重ね合わせて巻き取り、電極体１４を構成した。
【００６６】
リードとしては、幅４０ｍｍ、厚み０．５ｍｍのアルミ製金属リードに幅４５ｍｍ、長さ６ｍｍでリードの外面を覆い包む電極用絶縁シールが配置されたリード（昭和電工パッケージング（株）製）を用いた。
【００６７】
このリードを、正極板の、正極集電体が露出したタブと、負極板の、負極集電体が露出したタブに、それぞれ超音波溶接（日本エマソン株式会社ブランソン事業本部製メタルウェルダ２０００ｅａ型 条件：ウェルドタイム０．５秒、振幅８０％）によって接続した。
【００６８】
アルミラミネートシート（大日本印刷（株））から熱シールによりパウチを作製し、そのパウチに、リードを接続した電極体を挿入した後、電解液を入れて、アルミラミネートシートで電極用絶縁シール部を挟みこむようにして注液減圧封口装置（タクミ技研製）を用いて熱シールにより熱融着した。
【００６９】
正極板においてタブの側辺の傾斜角と、タブ根元に曲線状凹部を形成する円の直径を変更したサンプル１から１８において、発明の効果を確認した。なお、サンプル１、７、および１３では、タブ根元に曲線状凹部を形成していない。そのためこれらのサンプルは比較例である。図６はサンプル１のタブ周辺を示す平面図である。
【００７０】
上記各サンプルを用いて、極板およびセパレータを捲回して電極体を構成する実験を複数回行った。その実験後、ローラへのタブの折れ込みやタブの根元からの極板破断について発生率を算出した。電極はそれぞれ長さ８ｍのものを使用し、タブは電極一本に３０個形成した。結果を表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１から、タブの根元に曲線状凹部を形成することで極板破断を抑制できることが分かる。これは、捲回時のタブの曲げやねじれによってタブの根元に応力が集中することで極板の破断や亀裂が発生するところ、タブの根元に曲線状凹部を形成することで前記応力を分散させることができ、それにより、亀裂の発生またはその進行による極板破断の発生を抑制できるものと考えられる。以上により、タブの根元に曲線状凹部を有しない従来品と比較して、本発明は、高い加工良品率で捲回型電極電池を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、エネルギー分野向けの二次電池、例えば、一般家庭用の二次電池に有利に適用できる。
【符号の説明】
【００７４】
１０ パウチ型ケース
１１ 曲線状凹部
１２ 電解液
１４ 捲回型電極体
１６ 正極タブ
１８ 負極タブ
２０ 正極リード
２２ 負極リード
２３ 樹脂フィルム
３０ 正極板
３２ 負極板
４０ 正極活物質層
４２ 負極活物質層
５０ 正極タブ
５２ 負極タブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池内に捲回して収納される帯状の極板であって、
表面に電極活物質層が形成された帯状の電極部と、
表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成されたタブと、を有し、
前記電極部の上辺と前記タブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび／または前記電極部に凹部が形成されている、極板。
【請求項２】
前記凹部の形状は、直径が１ｍｍ〜６ｍｍの円の一部または全部である、請求項１に記載の極板。
【請求項３】
それぞれ電極活物質層が形成された帯状の正極板および負極板とを、帯状のセパレータを介して捲回して偏平形状に形成された捲回型の電極体と、
正極リードおよび負極リードが設けられ、前記電極体および電解液を内部に収納したケースと、を備え、
前記正極板および負極板は、前記セパレータに当接する電極活物質層が表面に形成された帯状の電極部と、表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成され、互いに間隔を置いて配置された複数の凸部であるタブと、を有し、
前記電極部の上辺と前記タブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび／または前記電極部に凹部が形成されており、
前記正極板および負極板を重ねて捲回することにより、前記正極板の複数の凸部が互いに積層されて正極タブを形成し、前記負極板の複数の凸部が互いに積層されて負極タブを形成している、捲回型電極電池。
【請求項４】
前記複数の凸部は、前記電極体の径方向に積層されて前記正極タブまたは前記負極タブを構成し、前記電極部から前記電極体の軸方向に沿って同一方向に突出している、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【請求項５】
前記正極板および負極板は、前記正極板の複数の凸部と、前記負極板の複数の凸部とが、前記正極板および前記負極板の長手方向に沿って交互に並んで位置するように重ねられて捲回されている、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【請求項６】
前記凹部の形状は、直径が１ｍｍ〜６ｍｍの円の一部または全部である、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【請求項７】
曲線部分を除く前記タブの側辺が、曲線部分を除く前記電極部の上辺に対して垂直である、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【請求項８】
曲線部分を除く前記タブの側辺が、曲線部分を除く前記電極部の上辺に対して傾斜しており、その傾斜角度が３０度以上９０度未満である、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【請求項１】
電池内に捲回して収納される帯状の極板であって、
表面に電極活物質層が形成された帯状の電極部と、
表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成されたタブと、を有し、
前記電極部の上辺と前記タブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび／または前記電極部に凹部が形成されている、極板。
【請求項２】
前記凹部の形状は、直径が１ｍｍ〜６ｍｍの円の一部または全部である、請求項１に記載の極板。
【請求項３】
それぞれ電極活物質層が形成された帯状の正極板および負極板とを、帯状のセパレータを介して捲回して偏平形状に形成された捲回型の電極体と、
正極リードおよび負極リードが設けられ、前記電極体および電解液を内部に収納したケースと、を備え、
前記正極板および負極板は、前記セパレータに当接する電極活物質層が表面に形成された帯状の電極部と、表面に電極活物質層が形成されておらず、前記電極部の上辺から突出するように形成され、互いに間隔を置いて配置された複数の凸部であるタブと、を有し、
前記電極部の上辺と前記タブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線により前記タブおよび／または前記電極部に凹部が形成されており、
前記正極板および負極板を重ねて捲回することにより、前記正極板の複数の凸部が互いに積層されて正極タブを形成し、前記負極板の複数の凸部が互いに積層されて負極タブを形成している、捲回型電極電池。
【請求項４】
前記複数の凸部は、前記電極体の径方向に積層されて前記正極タブまたは前記負極タブを構成し、前記電極部から前記電極体の軸方向に沿って同一方向に突出している、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【請求項５】
前記正極板および負極板は、前記正極板の複数の凸部と、前記負極板の複数の凸部とが、前記正極板および前記負極板の長手方向に沿って交互に並んで位置するように重ねられて捲回されている、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【請求項６】
前記凹部の形状は、直径が１ｍｍ〜６ｍｍの円の一部または全部である、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【請求項７】
曲線部分を除く前記タブの側辺が、曲線部分を除く前記電極部の上辺に対して垂直である、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【請求項８】
曲線部分を除く前記タブの側辺が、曲線部分を除く前記電極部の上辺に対して傾斜しており、その傾斜角度が３０度以上９０度未満である、請求項３に記載の捲回型電極電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７３７５７（Ｐ２０１３−７３７５７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１１２２５（Ｐ２０１１−２１１２２５）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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