蓄電素子
【課題】優れた電解液の吸い上げ性能を発揮することができる蓄電素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る蓄電素子は、それぞれ集電体の一端部を除いた表面に活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素であって、正極及び負極の少なくとも一方の一端部が、活物質層非形成部として、極の異なる電極の側端から突出した発電要素と、該発電要素が一端部の突出方向を横向きにして収容されたケースと、該ケース内に貯留された電解液とを備え、活物質層非形成部は、多孔質である電解液吸い上げ層であって、一端部の突出方向と直交する方向に沿って形成された電解液吸い上げ層を有する。
【解決手段】本発明に係る蓄電素子は、それぞれ集電体の一端部を除いた表面に活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素であって、正極及び負極の少なくとも一方の一端部が、活物質層非形成部として、極の異なる電極の側端から突出した発電要素と、該発電要素が一端部の突出方向を横向きにして収容されたケースと、該ケース内に貯留された電解液とを備え、活物質層非形成部は、多孔質である電解液吸い上げ層であって、一端部の突出方向と直交する方向に沿って形成された電解液吸い上げ層を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれ集電体の表面に活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素を備える蓄電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電池（リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等）やキャパシタ（電気二重層キャパシタ等）といった放充電可能な蓄電素子が採用されている。例えば、この種の電池として、正極集電体の一端部を除いた表面に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体の一端部を除いた表面に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素であって、正極及び負極のそれぞれ一端部が、活物質層非形成部として、極の異なる電極の側端から突出した発電要素を備え、該発電要素が前記一端部の突出方向を横向きにしてケース内に収容された構造の電池が知られている。
【０００３】
ところで、産業機器電源用、無人搬送車用、ＥＶ（electric vehicle：電気自動車）用、ＨＥＶ(hybrid electric vehicle：ハイブリッドカー)用、航空機用、船舶用、鉄道用などの高出力用途に用いられる電池は、抵抗を下げるために、発電要素から外部端子までの距離を短くする必要がある。工数削減や信頼性向上の観点も合わせて考えると、発電要素の活物質層非形成部を束ねて集電部材と溶接する構造が最適である。また、気密不良の防止など信頼性を向上させるためには、ケースの開口部は一箇所に集約されている必要がある。さらに、円筒形電池や積層電池は、発電要素とケースとが密着する構造のため、ケース内に余剰の電解液を貯留するスペースがなく、そのため、長期使用中に液枯れを起こしやすい。
【０００４】
以上のことから、長期使用される高出力用途の電池の構造は、角型で、発電要素の活物質層非形成部を束ねて集電部材と溶接する構造が好ましい。しかしながら、このような構造の電池は、電解液の吸い上げ性能が高くないという問題があった。
【０００５】
そこで、正極の一端部のそれぞれ端部間の間隔及び／又は負極の一端部のそれぞれ端部間の間隔を十分小さくすることにより、ケースの底部に貯留された電解液を毛細管現象で吸い上げて正極及び負極間に供給するようにし、これにより、長期使用に伴う正極及び負極間の電解液の液枯れを防止して電池寿命の向上を図ろうとする考え方の電池が提案された（特許文献１）。
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１記載の電池においては、発電要素の構造上、正極の一端部のそれぞれ端部間の間隔及び／又は負極の一端部のそれぞれ端部間の間隔を狙いの設計値に合わせることが難しい。また、各間隔を均一にすることも難しい。従って、特許文献１記載の電池には、そもそも電解液の吸い上げ性能が高くはないことに加え、電解液の吸い上げ性能が電池毎に異なり、そのため、電池寿命に個体差が生じるという問題がある。
【０００７】
また、仮に、前記間隔を狙いの設計値に合わせること、各間隔を均一にすることが製造時にはできたとしても、発電要素は、振動や衝撃などの外力や活物質の膨張・収縮による内部応力により変形する。従って、特許文献１記載の電池には、前記間隔が経年変化し、電解液の吸い上げ性能が低下するという問題がある。特に、発電要素を集電部材で吊り下げる形態を採る特許文献１記載の電池では、振動や衝撃などの外力が発電要素と集電部材との溶接部に集中する場合がある。かかる場合、前記間隔を一定に保つことは極めて困難である。
【０００８】
さらに、特許文献１記載の電池においては、発電要素の上部と集電部材とが溶接され、溶接部における発電要素は圧縮されている。そのため、前記間隔が発電要素の上部にまで保たれているとは限らない。従って、特許文献１記載の電池には、電解液を発電要素の上部にまで供給することができないおそれがある。
【０００９】
この種の問題は、電池に限られず、キャパシタ（電気二重層キャパシタ等）についても同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−１１３９２０号公報（段落０００９、段落００１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、優れた電解液の吸い上げ性能を発揮することができる蓄電素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る蓄電素子は、
それぞれ集電体の一端部を除いた表面に活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素であって、正極及び負極の少なくとも一方の一端部が、活物質層非形成部として、極の異なる電極の側端から突出した発電要素と、
該発電要素が一端部の突出方向を横向きにして収容されたケースと、
該ケース内に貯留された電解液とを備え、
活物質層非形成部は、多孔質である電解液吸い上げ層であって、一端部の突出方向と直交する方向に沿って形成された電解液吸い上げ層を有する。
【００１３】
かかる構成によれば、ケース内に貯留された電解液は、電解液吸い上げ層によって吸い上げられ、そして、巻回もしくは積層された正極及び負極間に供給される。
【００１４】
ここで、本発明に係る蓄電素子の一態様として、
電解液吸い上げ層のヤング率は、０．０１〜３００ＧＰａである
のが好ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、電解液吸い上げ層が圧縮等の応力で変形しにくい特性を備えることで、電解液吸い上げ層は、振動や衝撃などの外力や活物質の膨張・収縮による内部応力等の環境要因に左右されにくくなる。そのため、蓄電素子の使用に伴う経年変化に関わらず、電解液の吸い上げ性能は安定する。
【００１６】
また、本発明に係る蓄電素子の他態様として、
活物質層非形成部は、活物質層から離間した部位を束ねることにより、当該部位に向かって収束する傾斜部となっており、
電解液吸い上げ層は、該傾斜部に形成される
構成を採用することができる。
【００１７】
かかる構成によれば、傾斜部における隣り合う活物質層非形成部が形成する三角形状空間に電解液吸い上げ層が配置される。そのため、電解液の保持力が高まり、電解液の吸い上げ性能が向上する。
【００１８】
また、本発明に係る蓄電素子の別の態様として、
電解液吸い上げ層は、活物質層やセパレータに接するように形成される
のが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、電解液吸い上げ層が電解液の供給先に直接繋がる。そのため、電解液の供給効率を高めることができる。
【００２０】
また、本発明に係る蓄電素子のさらに別の態様として、
活物質層及び電解液吸い上げ層は、それぞれバインダを含み、
電解液吸い上げ層におけるバインダの質量比率は、活物質層におけるバインダの質量比率よりも高い
ようにすることができる。
この場合、電解液吸い上げ層におけるバインダの質量比率は、２６〜８０質量％である、のが好ましい。
さらには、電解液吸い上げ層におけるバインダの質量比率は、４０〜６０質量％である、のがより好ましい。
バインダの質量比率が高いほど、電解液吸い上げ層が吸い上げる電解液の量が増える。従って、バインダの質量比率が高いほど、電解液の供給効率を高めることができる。
【００２１】
また、本発明に係る蓄電素子の別の態様として、
電解液吸い上げ層の多孔度は、活物質層の多孔度よりも高い
ようにすることができる。
この場合、電解液吸い上げ層の多孔度は、４２〜７３％である、のが好ましい。
電解液吸い上げ層の多孔度が高いほど、電解液吸い上げ層における空隙が多くなる。従って、電解液吸い上げ層の多孔度が高いほど、電解液吸い上げ層に電解液が浸透しやすくなり、浸透速度が向上する。その結果、電解液の供給効率を高めることができる。
【００２２】
本発明に係る蓄電素子の設置方法は、
上記した何れかの蓄電素子を、発電要素の一端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるようにして、設置する。
【００２３】
本発明に係る装置は、
上記した何れかの蓄電素子を、発電要素の一端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるようにして、設置した状態で備える。
【発明の効果】
【００２４】
以上の如く、本発明に係る蓄電素子によれば、多孔質である電解液吸い上げ層により、優れた電解液の吸い上げ性能を発揮することができる。また、電解液吸い上げ層として、圧縮等の応力で変形しにくい材質を選定したとすれば、蓄電素子の使用に伴う経年変化によって電解液の吸い上げ性能が低下するのを好適に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池の斜視図を示す。
【図２】同電池を分解した斜視図を示す。
【図３】同電池をさらに分解した斜視図を示す。
【図４】（ａ）は、発電要素を構成する正極の各要素を説明するための説明図、（ｂ）は、同発電要素を構成する負極の各要素を説明するための説明図、（ｃ）は、正極、負極及びセパレータの幅方向における配置関係を説明するための説明図、を示す。
【図５】（ａ）は、同発電要素の横断面図、（ｂ）は、同発電要素の端部に正極集電部材及び負極集電部材を接合した状態の横断面図、を示す。
【図６】発電要素における電解液の流動状態を説明するための説明図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る蓄電素子の一実施形態である電池について、図面を参酌しつつ説明する。本実施形態に係る電池は、非水電解質二次電池、より詳しくは、リチウムイオン二次電池である。図１〜図３に示す如く、ケース本体２と、該ケース本体２の上端開口部を塞いで密閉する蓋板３とでケース１が構成されている。ケース１内には、発電要素４が収納されている。蓋板３には、発電要素４と電気的に接続された端子構造１０が設けられている。
【００２７】
ケース１は、ケース本体２、蓋板３ともに、アルミニウム又はアルミニウム合金や鋼等の金属部材である。ケース本体２としては、長円筒形状にされた巻回型の発電要素４を収納すべく、幅方向に偏平な有底角筒体が用いられる。蓋板３は、ケース本体２の上端開口部に対応した長方形状の板材が用いられる。蓋板３は、ケース本体２の上端開口部に嵌め込まれてレーザ溶接等により密閉固定される。
【００２８】
発電要素４は、図４（ｃ）に示す如く、正極５及び負極６を、セパレータ７を介在させつつ円筒形に巻回した後、この円筒形の側面を両側から圧迫することにより、長円筒形に押し潰して変形させたものである。より詳しくは、発電要素４は、内側から、セパレータ７、負極６、セパレータ７、正極５の順となるよう、これらを積層したものを円筒形に巻回した後、この円筒形の側面を両側から圧迫することにより、長円筒形に押し潰して変形させたものである。あるいは、発電要素４は、内側から、セパレータ７、負極６、セパレータ７、正極５の順となるよう、これらを積層したものを長円筒形状に巻回したものであってもよい。
【００２９】
正極５は、同図（ａ）に示す如く、帯状のアルミニウム箔からなる正極集電体５０の表面片面に正極活物質塗料を塗工し、乾燥させた後、正極集電体５０の反対面に同じく正極活物質塗料を塗工し、乾燥させる等して、正極集電体５０の表面両面に正極活物質層（正極活物質塗工部）５１を備える。正極活物質塗料は、例えば、ＬｉxＭＯy（Ｍは、少なくとも一種の遷移金属を表す）である複合酸化物（ＬｉxＣｏＯ2、ＬｉxＮｉＯ2、ＬｉxＭｎ2Ｏ4、ＬｉxＭｎＯ3、ＬｉxＮｉyＣｏ(1-y)Ｏ2、ＬｉxＣｏyＮｉzＭｎ(1-x-y)Ｏ2等）あるいはＬｉＭｅＰＯ4（Ｍｅは、例えばＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒ）で表されるオリビン構造の化合物と、カーボンブラック等の導電性物質と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤で分散混練して調製したものが用いられる。
【００３０】
負極６は、同図（ｂ）に示す如く、帯状の銅箔からなる負極集電体６０の表面片面に負極活物質塗料を塗工し、乾燥させた後、負極集電体６０の反対面に同じく負極活物質塗料を塗工し、乾燥させる等して、負極集電体６０の表面両面に負極活物質層（負極活物質塗工部）６１を備える。負極活物質塗料は、例えば、リチウムをドープ及び脱ドープ可能な、熱分解炭素類；ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等のコークス類；グラファイト類；ガラス状炭素類；フェノール樹脂、フラン樹脂等を焼成した有機高分子化合物焼成体；炭素繊維、活性炭等の炭素質材料；ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性高分子材料と、カーボンブラック等の導電性物質と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤とで分散混練して調製したものが用いられる。
【００３１】
より詳しくは、正極５は、正極集電体５０の幅方向における一端部を除いて表面両面に正極活物質塗料を塗工する等して、該一端部を除いた正極集電体５０の表面両面に正極活物質層５１を備える。また、そのため、該一端部は、正極集電体５０（アルミニウム箔）が露出した部分（正極活物質層非形成部（正極活物質未塗工部）５２）となっている。一方、負極６は、負極集電体６０の幅方向における一端部を除いて表面両面に負極活物質塗料を塗工する等して、該一端部を除いた負極集電体６０の表面両面に負極活物質層６１を備える。また、そのため、該一端部は、負極集電体６０（銅箔）が露出した部分（負極活物質層非形成部（負極活物質未塗工部）６２）となっている。
【００３２】
また、正極５は、正極集電体５０の表面に所定幅の多孔質層５３を備える。より詳しくは、正極５は、正極集電体５０の表面両面に所定幅の多孔質層５３を備える。多孔質層５３は、後に詳述するが、ケース本体２の底部に貯留された電解液を吸い上げて、該電解液を巻回された正極５及び負極６間に供給する電解液吸い上げ層として機能するものである。多孔質層５３は、電解液の供給能力を高めるために、正極活物質層５１と接するように形成される。多孔質層５３としては、電池の充放電に関与せず、電気化学的に安定であり、圧縮等の応力で変形しにくい材質が選ばれる。例えば、多孔質層５３は、アルミナ、チタニア、マグネシア等の酸化物又は炭酸リチウムやリン酸リチウム等のリチウム塩と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを含有する多孔質体である。但し、多孔質層５３の材質はこれに限定されるものではない。
【００３３】
より詳しくは、多孔質層５３は、正極集電体５０の表面片面であって、正極活物質層非形成部５２のうち、正極活物質層５１に接する所定幅領域に、アルミナ、チタニア、マグネシア等の酸化物又は炭酸リチウムやリン酸リチウム等のリチウム塩と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを分散混練して調製した塗料を塗工し、乾燥させた後、正極集電体５０の反対面に同じくかかる塗料を塗工し、乾燥させる等して形成したものである。
【００３４】
そして、負極６も同じく、多孔質層６３を備える。多孔質層６３は、電解液の供給能力を高めるために、負極活物質層６１と接するように形成される。多孔質層６３としては、電池の充放電に関与せず、電気化学的に安定であり、圧縮等の応力で変形しにくい材質が選ばれる。例えば、多孔質層６３は、アルミナ、チタニア、マグネシア等の酸化物又は炭酸リチウムやリン酸リチウム等のリチウム塩と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを含有する多孔質体である。但し、多孔質層６３の材質はこれに限定されるものではない。
【００３５】
多孔質層５３，６３において、電池の充放電に関与せず、電気化学的に安定であることはもちろん、圧縮等の応力で変形しにくいことも非常に重要な要素である。上述したとおり、発電要素４は、振動や衝撃などの外力や活物質の膨張・収縮による内部応力により変形するものである。特に、発電要素４を後述の集電部材８，９で吊り下げる形態を採る本実施形態に係る電池では、振動や衝撃などの外力が発電要素４と集電部材８，９との溶接部に集中しやすい。そのため、多孔質層５３，６３は、これら環境要因の影響をできるだけ受けないようにする必要がある。
【００３６】
そこで、多孔質層５３，６３は、ＪＩＳ Ｒ １６０２に基づいて測定されるヤング率（弾性率）が、０．０１ＧＰａ以上、より好ましくは０．１ＧＰａ以上であって、３００ＧＰａ以下、より好ましくは２００ＧＰａ以下の範囲になるよう設定される。電池寿命末期の電池内圧は、下限値の０．０１ＧＰａよりも十分小さいため、電解液の吸い上げ性能を確保することができるのである。尚、多孔質層５３，６３のヤング率は、前記バインダの割合を増やせば下げることができ、前記酸化物又はリチウム塩（無機粒子）の割合を増やせば上げることができる。
【００３７】
その場合、多孔質層５３におけるバインダの質量比率は、正極活物質層５１におけるバインダの質量比率よりも高いのが好ましく、また、多孔質層６３におけるバインダの質量比率は、負極活物質層６１におけるバインダの質量比率よりも高いのが好ましい。例えば、多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率は、２６質量％以上、より好ましくは、４０質量％以上であって、８０質量％以下、より好ましくは６０質量％以下の範囲になるのが好ましい。多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率が高いほど、多孔質層５３，６３が吸い上げる電解液の量が増える。これにより、多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率が高いほど、電解液の供給効率を高めることができる。尚、多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率が上記のとおりであり、多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率が活物質層５１，６１におけるバインダの質量比率よりも高いことを前提として、正極活物質層５１におけるバインダの質量比率は、２〜８質量％が好ましく、負極活物質層６１におけるバインダの質量比率は、２〜８質量％が好ましい。
【００３８】
また、多孔質層５３の多孔度は、正極活物質層５１の多孔度よりも高いのが好ましく、多孔質層６３の多孔度は、負極活物質層６１の多孔度よりも高いのが好ましい。例えば、多孔質層５３，６３の多孔度は、４２％以上であって、７３％以下の範囲になるのが好ましい。多孔質層５３，６３の多孔度が高いほど、多孔質層５３，６３における空隙が多くなる。これにより、多孔質層５３，６３の多孔度が高いほど、多孔質層５３，６３に電解液が浸透しやすくなり、浸透速度が向上する。その結果、電解液の供給効率を高めることができる。多孔度は、以下の式（１）、（２）により求めることができる。
多孔度（％）＝１００−｛（塗布密度／真密度）×１００｝…式（１）
塗布密度（ｇ／ｃｍ3）＝塗布重量（ｇ／ｃｍ2）／活物質層の厚み（ｃｍ）…式（２）
また、水銀ポロシメータを用いた水銀圧入法により測定することもできる。
【００３９】
また、多孔質層５３，６３は、本来、多孔質層５３，６３がなかったとした場合の発電要素４の厚みよりも厚みが増えないようにするために、正極活物質層５１や負極活物質層６１の厚み以下（例えば、数十〜数百μｍ）とする。
【００４０】
セパレータ７は、同図（ｃ）に示す如く、正極５と負極６とを物理的に隔離し、電解液を保持する役割を果たすものである。材質として、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の微多孔質膜が用いられる。
【００４１】
尚、負極６の負極活物質層６１は、デンドライトの析出等を考慮して、正極５の正極活物質層５１よりも幅広に塗工される。また、セパレータ７は、絶縁を担保するため、正極５の正極活物質層５１及び負極６の負極活物質層６１よりも幅広である。但し、セパレータ７は、幅方向に突出した正極５の正極活物質層非形成部５２及び負極６の負極活物質層非形成部６２を覆わないような幅とされる。
【００４２】
正極５及び負極６が幅方向で左右にずらして巻回されることにより、図５（ａ）に示す如く、発電要素４の一端部側では、負極６の側端から正極５の正極活物質層非形成部５２が突出する一方、発電要素４の他端部側では、正極５の側端から負極６の負極活物質層非形成部６２が突出している。
【００４３】
同図（ｂ）に示す如く、発電要素４の一端部側で突出する巻回された正極５の正極活物質層非形成部５２が互いに密接させられ、当該部位と、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなる正極集電部材８とが接合される。また、発電要素４の他端部側で突出する巻回された負極６の負極活物質層非形成部６２が互いに密接させられ、当該部位と、例えば銅又は銅合金からなる負極集電部材９とが接合される。
【００４４】
ここで、発電要素４の一端部側の正極活物質層非形成部５２は、集電部材８との接合にあたって互いに密接させられることにより、正極活物質層５１から、該正極活物質層５１とは（発電要素４の巻回軸長方向に）離間した位置に配置される正極集電部材８に向かって収束し、傾斜部となっている。また、発電要素４の他端部側の負極活物質層非形成部６２は、集電部材９との接合にあたって互いに密接させられることにより、負極活物質層６１から、該負極活物質層６１とは（発電要素４の巻回軸長方向に）離間した位置に配置される負極集電部材９に向かって収束し、同じく傾斜部となっている。そして、これら傾斜部では、隣り合う正極活物質層非形成部５２，５２間に間隙が形成され、隣り合う負極活物質層非形成部６２，６２間に間隙が形成される。
【００４５】
電解液吸い上げ層５３，６３は、かかる間隙に配置されている。そのため、電解液の保持力が高められ、電解液の吸い上げ性能がさらに高められる。これにより、高い電解液の供給能力、安定した電解液の供給能力が期待される。しかも、多孔質層５３，６３は、上述の如く、正極活物質層５１や負極活物質層６１に接するように設けられることに加え、セパレータ７にも接するように設けられる。そのため、電解液の供給能力がさらに高められる。
【００４６】
尚、図５は、巻回の様子を分かりやすくするために、正極５及び負極６の巻回回数を少なく示している。しかし、実際にはさらに多数の回数で巻回される。また、発電要素４の一端部と正極集電部材８との接合及び発電要素４の他端部と負極集電部材９との接合は、超音波接合、抵抗溶接、レーザ溶接、カシメ等様々な手段によって行うことができる。但し、正極活物質層や負極活物質層への熱影響、スパッタ、接合部における通電抵抗、作業性等を総合的に考慮すれば、超音波接合によって行うのが望ましい。
【００４７】
正極集電部材８は、同図（ｂ）及び図３に示す如く、発電要素４の一端部の内部空間に挿入される。正極集電部材８は、該一端部の内周面（即ち、巻回された正極５の正極活物質層非形成部５２の最内周面）のうち、長円筒形の平坦部の一部（本実施形態においては、中央部）に当接する当接部８１を備える本体８０と、巻回された正極活物質層非形成部５２を挟んで本体８０の当接部８１に対向配置される当て板８２とを含む。この当て板８２が本体８０の当接部８１に向けて押圧され、当接部８１と当て板８２との間における正極活物質層非形成部５２が圧縮される。その結果、当該部位と、当接部８１と、当て板８２とが互いに密着して接合される。負極集電部材９についても同じである。
【００４８】
端子構造１０は、蓋板３の左右の端部に形成された貫通孔３ａをそれぞれ内外で挟むようにして配置された、絶縁部材（封止機能も有する場合は、絶縁封止部材）としての樹脂プレート１１及び絶縁封止部材としてのガスケット１２と、該樹脂プレート１１及びガスケット１２を介して貫通孔３ａに挿通され、正極集電部材８や負極集電部材９と電気的に接続されるリベット１３と、ガスケット１２を介して蓋板３の外部に配置された外部端子１４と、該外部端子１４とリベット１２とを電気的に接続する接続板１５とで構成される。これにより、ケース１内の発電要素４と外部端子１４とが電気的に接続される。
【００４９】
以上、本実施形態においては、発電要素４は、その巻回軸がケース本体２の底部と平行あるいは略平行となるように、横向きにしてケース本体２内に収容される。そして、本実施形態に係る電池は、ケース本体２の底部が下、ケース本体２の上端開口部が上となるようにして、装置に設置される。これにより、図６に示す如く、横向きにされた発電要素４の一端部側の正極活物質層非形成部５２と、他端部側の負極活物質層非形成部６２とに、それぞれ下端から上端にかけて連続して電解液吸い上げ層５３，６３が設けられる。そのため、ケース本体２の底部に貯留された電解液Ｘが矢印に沿って吸い上げられ、巻回された正極５，５間及び巻回された負極６，６間に供給される。従って、優れた電解液の吸い上げ性能が発揮される。
【００５０】
そして、発電要素４の一端部側の正極活物質層非形成部５２と正極集電部材８との接合部位及び発電要素４の他端部側の負極活物質層非形成部６２と負極集電部材９との接合部位、即ち、集電部材８，９との接合のために正極活物質層非形成部５２や負極活物質層非形成部６２が束ねられる部位は、横向きにされた発電要素４の下端よりも上方位置、正確には上端と下端の中間位置である。これは、発電要素４の一端部側の正極活物質層非形成部５２、他端部側の負極活物質層非形成部６２のそれぞれ下端部が接合部位から離れていて接合による拘束をほとんど受けていないため、端部が僅かな間隙を有して開放されていることを意味する。そのため、ケース本体２の底部に貯留された電解液Ｘは、横向きにされた発電要素４の下端部において、正極活物質層非形成部５２，５２間の間隙並びに負極活物質層非形成部６２，６２間の間隙に容易に入り込み、浸透する。電解液吸い上げ層５３，６３は、この電解液に常時浸漬される状態となる。従って、この点でも、優れた電解液の吸い上げ性能が発揮される。
【００５１】
さらに、電解液吸い上げ層６３が、負極活物質層非形成部６２の端部を束ねることにより形成される傾斜部における三角形状空間に配置されること、正極活物質層５１や負極活物質層６１と接するように配置されること、あるいは、セパレータ７と接するように配置されることで、電解液の供給効率が高められる。
【００５２】
そして、電解液吸い上げ層５３，６３は、圧縮等の応力で変形しにくい材質が用いられる。そのため、振動や衝撃などの外力や活物質の膨張・収縮による内部応力等の環境要因に左右されにくくなっている。従って、電池の使用に伴う経年変化に関わらず、高い電解液の吸い上げ性能が維持される。
【００５３】
尚、本発明に係る電池は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５４】
例えば、前記実施形態においては、巻回型の電池について言及した。しかしながら、枚葉シート状の正極、セパレータ、負極及びセパレータがこの順で積層されていく積層型の電池も本発明の意図するところである。
【００５５】
また、前記実施形態においては、正極集電体５０の（正極活物質層非形成部５２の）表面両面、負極集電体６０の（負極活物質層非形成部６２の）表面両面に電解液吸い上げ層５３，６３が設けられる。しかしながら、電解液吸い上げ層は、片面にだけ設けられるようにしてもよい。
【００５６】
また、前記実施形態においては、正極５、負極６の長手方向に沿って電解液吸い上げ層５３，６３が設けられる。しかしながら、電解液吸い上げ層は、断続的、局所的、部分的、散点的に設けられるようにしてもよい。要は、電解液吸い上げ層は、電解液の液面に浸る位置から発電要素の上部に至るまでの範囲で形成されていればよい。また、電解液吸い上げ層は、正負極両方に形成されてもよいし、正極のみ又は負極のみに形成されてもよいことは言うまでもない。
【００５７】
また、前記実施形態においては、上述の如く、負極活物質層６１が正極活物質層５１よりも幅広にされている。そのため、正極活物質層非形成部５２は、全てが負極６（負極活物質層６１）の側端から突出するわけではない。そのため、正極５側の電解液吸い上げ層５３は、正極活物質層非形成部５２の端部を束ねることにより形成される傾斜部に位置していない。しかしながら、正極活物質層非形成部５２の全てが負極６（負極活物質層６１）の側端から突出するようにすることで、正極５側の電解液吸い上げ層５３を傾斜部に位置させることは可能である。但し、本発明において、電解液吸い上げ層５３，６３が傾斜部に設けられることは必須ではない。
【００５８】
また、前記実施形態においては、集電部材８，９との接合にあたって巻回された正極活物質層非形成部５２や巻回された負極活物質層非形成部６２が左右それぞれ片側ずつ束ねられるようにした。しかしながら、左右が一緒に束ねられるようにしてもよい。
【００５９】
また、前記実施形態においては、ケース１内に発電要素４が一つだけ収容されるようにしている。しかしながら、発電要素が横並びにして複数収容されるようにしてもよい。
【００６０】
また、前記実施形態においては、集電体５０，６０の表面に活物質を担持させる方法として、塗工が用いられる。しかしながら、これ以外に、例えば吹き付けや浸漬によっても担持させることができる。
【００６１】
また、前記実施形態においては、発電要素４の巻回軸がケース本体２の底部に平行になるように発電要素４をケース本体２に収納した電池において、ケース本体２の底部が下、ケース本体２の上端開口部が上となるようにして、電池が装置に設置されることにより、発電要素４の端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となっている。しかしながら、これに限定されるものではない。発電要素４の巻回軸がケース本体２の底部に垂直になるように発電要素４をケース本体２に収納した場合であっても、発電要素４の端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるように、電池を装置に設置することができる。このように設置することで、電解液の吸い上げ性能を発揮することができる。尚、この場合、端子構造は電池の側面に配置されることになる。
【００６２】
また、上記実施形態においては、リチウムイオン二次電池について説明した。しかしながら、電池の種類や大きさ（容量）は任意である。
【００６３】
また、本発明は、リチウムイオン二次電池に限定されるものではない。本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタにも適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１…ケース、２…ケース本体、３…蓋板、３ａ…貫通孔、４…発電要素、５…正極（電極）、５０…正極集電体（集電体）、５１…正極活物質層（活物質層）、５２…正極活物質層非形成部（活物質層非形成部）、５３…多孔質層、６…負極（電極）、６０…負極集電体（集電体）、６１…負極活物質層（活物質層）、６２…負極活物質層非形成部（活物質層非形成部）、６３…多孔質層、７…セパレータ、８…正極集電部材（集電部材）、８０…本体、８１…当接部、８２…当て板、９…負極集電部材（集電部材）、９０…本体、９１…当接部、９２…当て板、１０…端子構造、１１…樹脂プレート、１２…ガスケット、１３…リベット、１４…外部端子、１５…接続板、Ｘ…電解液
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれ集電体の表面に活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素を備える蓄電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電池（リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等）やキャパシタ（電気二重層キャパシタ等）といった放充電可能な蓄電素子が採用されている。例えば、この種の電池として、正極集電体の一端部を除いた表面に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体の一端部を除いた表面に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素であって、正極及び負極のそれぞれ一端部が、活物質層非形成部として、極の異なる電極の側端から突出した発電要素を備え、該発電要素が前記一端部の突出方向を横向きにしてケース内に収容された構造の電池が知られている。
【０００３】
ところで、産業機器電源用、無人搬送車用、ＥＶ（electric vehicle：電気自動車）用、ＨＥＶ(hybrid electric vehicle：ハイブリッドカー)用、航空機用、船舶用、鉄道用などの高出力用途に用いられる電池は、抵抗を下げるために、発電要素から外部端子までの距離を短くする必要がある。工数削減や信頼性向上の観点も合わせて考えると、発電要素の活物質層非形成部を束ねて集電部材と溶接する構造が最適である。また、気密不良の防止など信頼性を向上させるためには、ケースの開口部は一箇所に集約されている必要がある。さらに、円筒形電池や積層電池は、発電要素とケースとが密着する構造のため、ケース内に余剰の電解液を貯留するスペースがなく、そのため、長期使用中に液枯れを起こしやすい。
【０００４】
以上のことから、長期使用される高出力用途の電池の構造は、角型で、発電要素の活物質層非形成部を束ねて集電部材と溶接する構造が好ましい。しかしながら、このような構造の電池は、電解液の吸い上げ性能が高くないという問題があった。
【０００５】
そこで、正極の一端部のそれぞれ端部間の間隔及び／又は負極の一端部のそれぞれ端部間の間隔を十分小さくすることにより、ケースの底部に貯留された電解液を毛細管現象で吸い上げて正極及び負極間に供給するようにし、これにより、長期使用に伴う正極及び負極間の電解液の液枯れを防止して電池寿命の向上を図ろうとする考え方の電池が提案された（特許文献１）。
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１記載の電池においては、発電要素の構造上、正極の一端部のそれぞれ端部間の間隔及び／又は負極の一端部のそれぞれ端部間の間隔を狙いの設計値に合わせることが難しい。また、各間隔を均一にすることも難しい。従って、特許文献１記載の電池には、そもそも電解液の吸い上げ性能が高くはないことに加え、電解液の吸い上げ性能が電池毎に異なり、そのため、電池寿命に個体差が生じるという問題がある。
【０００７】
また、仮に、前記間隔を狙いの設計値に合わせること、各間隔を均一にすることが製造時にはできたとしても、発電要素は、振動や衝撃などの外力や活物質の膨張・収縮による内部応力により変形する。従って、特許文献１記載の電池には、前記間隔が経年変化し、電解液の吸い上げ性能が低下するという問題がある。特に、発電要素を集電部材で吊り下げる形態を採る特許文献１記載の電池では、振動や衝撃などの外力が発電要素と集電部材との溶接部に集中する場合がある。かかる場合、前記間隔を一定に保つことは極めて困難である。
【０００８】
さらに、特許文献１記載の電池においては、発電要素の上部と集電部材とが溶接され、溶接部における発電要素は圧縮されている。そのため、前記間隔が発電要素の上部にまで保たれているとは限らない。従って、特許文献１記載の電池には、電解液を発電要素の上部にまで供給することができないおそれがある。
【０００９】
この種の問題は、電池に限られず、キャパシタ（電気二重層キャパシタ等）についても同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−１１３９２０号公報（段落０００９、段落００１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、優れた電解液の吸い上げ性能を発揮することができる蓄電素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る蓄電素子は、
それぞれ集電体の一端部を除いた表面に活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素であって、正極及び負極の少なくとも一方の一端部が、活物質層非形成部として、極の異なる電極の側端から突出した発電要素と、
該発電要素が一端部の突出方向を横向きにして収容されたケースと、
該ケース内に貯留された電解液とを備え、
活物質層非形成部は、多孔質である電解液吸い上げ層であって、一端部の突出方向と直交する方向に沿って形成された電解液吸い上げ層を有する。
【００１３】
かかる構成によれば、ケース内に貯留された電解液は、電解液吸い上げ層によって吸い上げられ、そして、巻回もしくは積層された正極及び負極間に供給される。
【００１４】
ここで、本発明に係る蓄電素子の一態様として、
電解液吸い上げ層のヤング率は、０．０１〜３００ＧＰａである
のが好ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、電解液吸い上げ層が圧縮等の応力で変形しにくい特性を備えることで、電解液吸い上げ層は、振動や衝撃などの外力や活物質の膨張・収縮による内部応力等の環境要因に左右されにくくなる。そのため、蓄電素子の使用に伴う経年変化に関わらず、電解液の吸い上げ性能は安定する。
【００１６】
また、本発明に係る蓄電素子の他態様として、
活物質層非形成部は、活物質層から離間した部位を束ねることにより、当該部位に向かって収束する傾斜部となっており、
電解液吸い上げ層は、該傾斜部に形成される
構成を採用することができる。
【００１７】
かかる構成によれば、傾斜部における隣り合う活物質層非形成部が形成する三角形状空間に電解液吸い上げ層が配置される。そのため、電解液の保持力が高まり、電解液の吸い上げ性能が向上する。
【００１８】
また、本発明に係る蓄電素子の別の態様として、
電解液吸い上げ層は、活物質層やセパレータに接するように形成される
のが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、電解液吸い上げ層が電解液の供給先に直接繋がる。そのため、電解液の供給効率を高めることができる。
【００２０】
また、本発明に係る蓄電素子のさらに別の態様として、
活物質層及び電解液吸い上げ層は、それぞれバインダを含み、
電解液吸い上げ層におけるバインダの質量比率は、活物質層におけるバインダの質量比率よりも高い
ようにすることができる。
この場合、電解液吸い上げ層におけるバインダの質量比率は、２６〜８０質量％である、のが好ましい。
さらには、電解液吸い上げ層におけるバインダの質量比率は、４０〜６０質量％である、のがより好ましい。
バインダの質量比率が高いほど、電解液吸い上げ層が吸い上げる電解液の量が増える。従って、バインダの質量比率が高いほど、電解液の供給効率を高めることができる。
【００２１】
また、本発明に係る蓄電素子の別の態様として、
電解液吸い上げ層の多孔度は、活物質層の多孔度よりも高い
ようにすることができる。
この場合、電解液吸い上げ層の多孔度は、４２〜７３％である、のが好ましい。
電解液吸い上げ層の多孔度が高いほど、電解液吸い上げ層における空隙が多くなる。従って、電解液吸い上げ層の多孔度が高いほど、電解液吸い上げ層に電解液が浸透しやすくなり、浸透速度が向上する。その結果、電解液の供給効率を高めることができる。
【００２２】
本発明に係る蓄電素子の設置方法は、
上記した何れかの蓄電素子を、発電要素の一端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるようにして、設置する。
【００２３】
本発明に係る装置は、
上記した何れかの蓄電素子を、発電要素の一端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるようにして、設置した状態で備える。
【発明の効果】
【００２４】
以上の如く、本発明に係る蓄電素子によれば、多孔質である電解液吸い上げ層により、優れた電解液の吸い上げ性能を発揮することができる。また、電解液吸い上げ層として、圧縮等の応力で変形しにくい材質を選定したとすれば、蓄電素子の使用に伴う経年変化によって電解液の吸い上げ性能が低下するのを好適に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池の斜視図を示す。
【図２】同電池を分解した斜視図を示す。
【図３】同電池をさらに分解した斜視図を示す。
【図４】（ａ）は、発電要素を構成する正極の各要素を説明するための説明図、（ｂ）は、同発電要素を構成する負極の各要素を説明するための説明図、（ｃ）は、正極、負極及びセパレータの幅方向における配置関係を説明するための説明図、を示す。
【図５】（ａ）は、同発電要素の横断面図、（ｂ）は、同発電要素の端部に正極集電部材及び負極集電部材を接合した状態の横断面図、を示す。
【図６】発電要素における電解液の流動状態を説明するための説明図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る蓄電素子の一実施形態である電池について、図面を参酌しつつ説明する。本実施形態に係る電池は、非水電解質二次電池、より詳しくは、リチウムイオン二次電池である。図１〜図３に示す如く、ケース本体２と、該ケース本体２の上端開口部を塞いで密閉する蓋板３とでケース１が構成されている。ケース１内には、発電要素４が収納されている。蓋板３には、発電要素４と電気的に接続された端子構造１０が設けられている。
【００２７】
ケース１は、ケース本体２、蓋板３ともに、アルミニウム又はアルミニウム合金や鋼等の金属部材である。ケース本体２としては、長円筒形状にされた巻回型の発電要素４を収納すべく、幅方向に偏平な有底角筒体が用いられる。蓋板３は、ケース本体２の上端開口部に対応した長方形状の板材が用いられる。蓋板３は、ケース本体２の上端開口部に嵌め込まれてレーザ溶接等により密閉固定される。
【００２８】
発電要素４は、図４（ｃ）に示す如く、正極５及び負極６を、セパレータ７を介在させつつ円筒形に巻回した後、この円筒形の側面を両側から圧迫することにより、長円筒形に押し潰して変形させたものである。より詳しくは、発電要素４は、内側から、セパレータ７、負極６、セパレータ７、正極５の順となるよう、これらを積層したものを円筒形に巻回した後、この円筒形の側面を両側から圧迫することにより、長円筒形に押し潰して変形させたものである。あるいは、発電要素４は、内側から、セパレータ７、負極６、セパレータ７、正極５の順となるよう、これらを積層したものを長円筒形状に巻回したものであってもよい。
【００２９】
正極５は、同図（ａ）に示す如く、帯状のアルミニウム箔からなる正極集電体５０の表面片面に正極活物質塗料を塗工し、乾燥させた後、正極集電体５０の反対面に同じく正極活物質塗料を塗工し、乾燥させる等して、正極集電体５０の表面両面に正極活物質層（正極活物質塗工部）５１を備える。正極活物質塗料は、例えば、ＬｉxＭＯy（Ｍは、少なくとも一種の遷移金属を表す）である複合酸化物（ＬｉxＣｏＯ2、ＬｉxＮｉＯ2、ＬｉxＭｎ2Ｏ4、ＬｉxＭｎＯ3、ＬｉxＮｉyＣｏ(1-y)Ｏ2、ＬｉxＣｏyＮｉzＭｎ(1-x-y)Ｏ2等）あるいはＬｉＭｅＰＯ4（Ｍｅは、例えばＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒ）で表されるオリビン構造の化合物と、カーボンブラック等の導電性物質と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤で分散混練して調製したものが用いられる。
【００３０】
負極６は、同図（ｂ）に示す如く、帯状の銅箔からなる負極集電体６０の表面片面に負極活物質塗料を塗工し、乾燥させた後、負極集電体６０の反対面に同じく負極活物質塗料を塗工し、乾燥させる等して、負極集電体６０の表面両面に負極活物質層（負極活物質塗工部）６１を備える。負極活物質塗料は、例えば、リチウムをドープ及び脱ドープ可能な、熱分解炭素類；ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等のコークス類；グラファイト類；ガラス状炭素類；フェノール樹脂、フラン樹脂等を焼成した有機高分子化合物焼成体；炭素繊維、活性炭等の炭素質材料；ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性高分子材料と、カーボンブラック等の導電性物質と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤とで分散混練して調製したものが用いられる。
【００３１】
より詳しくは、正極５は、正極集電体５０の幅方向における一端部を除いて表面両面に正極活物質塗料を塗工する等して、該一端部を除いた正極集電体５０の表面両面に正極活物質層５１を備える。また、そのため、該一端部は、正極集電体５０（アルミニウム箔）が露出した部分（正極活物質層非形成部（正極活物質未塗工部）５２）となっている。一方、負極６は、負極集電体６０の幅方向における一端部を除いて表面両面に負極活物質塗料を塗工する等して、該一端部を除いた負極集電体６０の表面両面に負極活物質層６１を備える。また、そのため、該一端部は、負極集電体６０（銅箔）が露出した部分（負極活物質層非形成部（負極活物質未塗工部）６２）となっている。
【００３２】
また、正極５は、正極集電体５０の表面に所定幅の多孔質層５３を備える。より詳しくは、正極５は、正極集電体５０の表面両面に所定幅の多孔質層５３を備える。多孔質層５３は、後に詳述するが、ケース本体２の底部に貯留された電解液を吸い上げて、該電解液を巻回された正極５及び負極６間に供給する電解液吸い上げ層として機能するものである。多孔質層５３は、電解液の供給能力を高めるために、正極活物質層５１と接するように形成される。多孔質層５３としては、電池の充放電に関与せず、電気化学的に安定であり、圧縮等の応力で変形しにくい材質が選ばれる。例えば、多孔質層５３は、アルミナ、チタニア、マグネシア等の酸化物又は炭酸リチウムやリン酸リチウム等のリチウム塩と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを含有する多孔質体である。但し、多孔質層５３の材質はこれに限定されるものではない。
【００３３】
より詳しくは、多孔質層５３は、正極集電体５０の表面片面であって、正極活物質層非形成部５２のうち、正極活物質層５１に接する所定幅領域に、アルミナ、チタニア、マグネシア等の酸化物又は炭酸リチウムやリン酸リチウム等のリチウム塩と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを分散混練して調製した塗料を塗工し、乾燥させた後、正極集電体５０の反対面に同じくかかる塗料を塗工し、乾燥させる等して形成したものである。
【００３４】
そして、負極６も同じく、多孔質層６３を備える。多孔質層６３は、電解液の供給能力を高めるために、負極活物質層６１と接するように形成される。多孔質層６３としては、電池の充放電に関与せず、電気化学的に安定であり、圧縮等の応力で変形しにくい材質が選ばれる。例えば、多孔質層６３は、アルミナ、チタニア、マグネシア等の酸化物又は炭酸リチウムやリン酸リチウム等のリチウム塩と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤（バインダ）とを含有する多孔質体である。但し、多孔質層６３の材質はこれに限定されるものではない。
【００３５】
多孔質層５３，６３において、電池の充放電に関与せず、電気化学的に安定であることはもちろん、圧縮等の応力で変形しにくいことも非常に重要な要素である。上述したとおり、発電要素４は、振動や衝撃などの外力や活物質の膨張・収縮による内部応力により変形するものである。特に、発電要素４を後述の集電部材８，９で吊り下げる形態を採る本実施形態に係る電池では、振動や衝撃などの外力が発電要素４と集電部材８，９との溶接部に集中しやすい。そのため、多孔質層５３，６３は、これら環境要因の影響をできるだけ受けないようにする必要がある。
【００３６】
そこで、多孔質層５３，６３は、ＪＩＳ Ｒ １６０２に基づいて測定されるヤング率（弾性率）が、０．０１ＧＰａ以上、より好ましくは０．１ＧＰａ以上であって、３００ＧＰａ以下、より好ましくは２００ＧＰａ以下の範囲になるよう設定される。電池寿命末期の電池内圧は、下限値の０．０１ＧＰａよりも十分小さいため、電解液の吸い上げ性能を確保することができるのである。尚、多孔質層５３，６３のヤング率は、前記バインダの割合を増やせば下げることができ、前記酸化物又はリチウム塩（無機粒子）の割合を増やせば上げることができる。
【００３７】
その場合、多孔質層５３におけるバインダの質量比率は、正極活物質層５１におけるバインダの質量比率よりも高いのが好ましく、また、多孔質層６３におけるバインダの質量比率は、負極活物質層６１におけるバインダの質量比率よりも高いのが好ましい。例えば、多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率は、２６質量％以上、より好ましくは、４０質量％以上であって、８０質量％以下、より好ましくは６０質量％以下の範囲になるのが好ましい。多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率が高いほど、多孔質層５３，６３が吸い上げる電解液の量が増える。これにより、多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率が高いほど、電解液の供給効率を高めることができる。尚、多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率が上記のとおりであり、多孔質層５３，６３におけるバインダの質量比率が活物質層５１，６１におけるバインダの質量比率よりも高いことを前提として、正極活物質層５１におけるバインダの質量比率は、２〜８質量％が好ましく、負極活物質層６１におけるバインダの質量比率は、２〜８質量％が好ましい。
【００３８】
また、多孔質層５３の多孔度は、正極活物質層５１の多孔度よりも高いのが好ましく、多孔質層６３の多孔度は、負極活物質層６１の多孔度よりも高いのが好ましい。例えば、多孔質層５３，６３の多孔度は、４２％以上であって、７３％以下の範囲になるのが好ましい。多孔質層５３，６３の多孔度が高いほど、多孔質層５３，６３における空隙が多くなる。これにより、多孔質層５３，６３の多孔度が高いほど、多孔質層５３，６３に電解液が浸透しやすくなり、浸透速度が向上する。その結果、電解液の供給効率を高めることができる。多孔度は、以下の式（１）、（２）により求めることができる。
多孔度（％）＝１００−｛（塗布密度／真密度）×１００｝…式（１）
塗布密度（ｇ／ｃｍ3）＝塗布重量（ｇ／ｃｍ2）／活物質層の厚み（ｃｍ）…式（２）
また、水銀ポロシメータを用いた水銀圧入法により測定することもできる。
【００３９】
また、多孔質層５３，６３は、本来、多孔質層５３，６３がなかったとした場合の発電要素４の厚みよりも厚みが増えないようにするために、正極活物質層５１や負極活物質層６１の厚み以下（例えば、数十〜数百μｍ）とする。
【００４０】
セパレータ７は、同図（ｃ）に示す如く、正極５と負極６とを物理的に隔離し、電解液を保持する役割を果たすものである。材質として、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の微多孔質膜が用いられる。
【００４１】
尚、負極６の負極活物質層６１は、デンドライトの析出等を考慮して、正極５の正極活物質層５１よりも幅広に塗工される。また、セパレータ７は、絶縁を担保するため、正極５の正極活物質層５１及び負極６の負極活物質層６１よりも幅広である。但し、セパレータ７は、幅方向に突出した正極５の正極活物質層非形成部５２及び負極６の負極活物質層非形成部６２を覆わないような幅とされる。
【００４２】
正極５及び負極６が幅方向で左右にずらして巻回されることにより、図５（ａ）に示す如く、発電要素４の一端部側では、負極６の側端から正極５の正極活物質層非形成部５２が突出する一方、発電要素４の他端部側では、正極５の側端から負極６の負極活物質層非形成部６２が突出している。
【００４３】
同図（ｂ）に示す如く、発電要素４の一端部側で突出する巻回された正極５の正極活物質層非形成部５２が互いに密接させられ、当該部位と、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなる正極集電部材８とが接合される。また、発電要素４の他端部側で突出する巻回された負極６の負極活物質層非形成部６２が互いに密接させられ、当該部位と、例えば銅又は銅合金からなる負極集電部材９とが接合される。
【００４４】
ここで、発電要素４の一端部側の正極活物質層非形成部５２は、集電部材８との接合にあたって互いに密接させられることにより、正極活物質層５１から、該正極活物質層５１とは（発電要素４の巻回軸長方向に）離間した位置に配置される正極集電部材８に向かって収束し、傾斜部となっている。また、発電要素４の他端部側の負極活物質層非形成部６２は、集電部材９との接合にあたって互いに密接させられることにより、負極活物質層６１から、該負極活物質層６１とは（発電要素４の巻回軸長方向に）離間した位置に配置される負極集電部材９に向かって収束し、同じく傾斜部となっている。そして、これら傾斜部では、隣り合う正極活物質層非形成部５２，５２間に間隙が形成され、隣り合う負極活物質層非形成部６２，６２間に間隙が形成される。
【００４５】
電解液吸い上げ層５３，６３は、かかる間隙に配置されている。そのため、電解液の保持力が高められ、電解液の吸い上げ性能がさらに高められる。これにより、高い電解液の供給能力、安定した電解液の供給能力が期待される。しかも、多孔質層５３，６３は、上述の如く、正極活物質層５１や負極活物質層６１に接するように設けられることに加え、セパレータ７にも接するように設けられる。そのため、電解液の供給能力がさらに高められる。
【００４６】
尚、図５は、巻回の様子を分かりやすくするために、正極５及び負極６の巻回回数を少なく示している。しかし、実際にはさらに多数の回数で巻回される。また、発電要素４の一端部と正極集電部材８との接合及び発電要素４の他端部と負極集電部材９との接合は、超音波接合、抵抗溶接、レーザ溶接、カシメ等様々な手段によって行うことができる。但し、正極活物質層や負極活物質層への熱影響、スパッタ、接合部における通電抵抗、作業性等を総合的に考慮すれば、超音波接合によって行うのが望ましい。
【００４７】
正極集電部材８は、同図（ｂ）及び図３に示す如く、発電要素４の一端部の内部空間に挿入される。正極集電部材８は、該一端部の内周面（即ち、巻回された正極５の正極活物質層非形成部５２の最内周面）のうち、長円筒形の平坦部の一部（本実施形態においては、中央部）に当接する当接部８１を備える本体８０と、巻回された正極活物質層非形成部５２を挟んで本体８０の当接部８１に対向配置される当て板８２とを含む。この当て板８２が本体８０の当接部８１に向けて押圧され、当接部８１と当て板８２との間における正極活物質層非形成部５２が圧縮される。その結果、当該部位と、当接部８１と、当て板８２とが互いに密着して接合される。負極集電部材９についても同じである。
【００４８】
端子構造１０は、蓋板３の左右の端部に形成された貫通孔３ａをそれぞれ内外で挟むようにして配置された、絶縁部材（封止機能も有する場合は、絶縁封止部材）としての樹脂プレート１１及び絶縁封止部材としてのガスケット１２と、該樹脂プレート１１及びガスケット１２を介して貫通孔３ａに挿通され、正極集電部材８や負極集電部材９と電気的に接続されるリベット１３と、ガスケット１２を介して蓋板３の外部に配置された外部端子１４と、該外部端子１４とリベット１２とを電気的に接続する接続板１５とで構成される。これにより、ケース１内の発電要素４と外部端子１４とが電気的に接続される。
【００４９】
以上、本実施形態においては、発電要素４は、その巻回軸がケース本体２の底部と平行あるいは略平行となるように、横向きにしてケース本体２内に収容される。そして、本実施形態に係る電池は、ケース本体２の底部が下、ケース本体２の上端開口部が上となるようにして、装置に設置される。これにより、図６に示す如く、横向きにされた発電要素４の一端部側の正極活物質層非形成部５２と、他端部側の負極活物質層非形成部６２とに、それぞれ下端から上端にかけて連続して電解液吸い上げ層５３，６３が設けられる。そのため、ケース本体２の底部に貯留された電解液Ｘが矢印に沿って吸い上げられ、巻回された正極５，５間及び巻回された負極６，６間に供給される。従って、優れた電解液の吸い上げ性能が発揮される。
【００５０】
そして、発電要素４の一端部側の正極活物質層非形成部５２と正極集電部材８との接合部位及び発電要素４の他端部側の負極活物質層非形成部６２と負極集電部材９との接合部位、即ち、集電部材８，９との接合のために正極活物質層非形成部５２や負極活物質層非形成部６２が束ねられる部位は、横向きにされた発電要素４の下端よりも上方位置、正確には上端と下端の中間位置である。これは、発電要素４の一端部側の正極活物質層非形成部５２、他端部側の負極活物質層非形成部６２のそれぞれ下端部が接合部位から離れていて接合による拘束をほとんど受けていないため、端部が僅かな間隙を有して開放されていることを意味する。そのため、ケース本体２の底部に貯留された電解液Ｘは、横向きにされた発電要素４の下端部において、正極活物質層非形成部５２，５２間の間隙並びに負極活物質層非形成部６２，６２間の間隙に容易に入り込み、浸透する。電解液吸い上げ層５３，６３は、この電解液に常時浸漬される状態となる。従って、この点でも、優れた電解液の吸い上げ性能が発揮される。
【００５１】
さらに、電解液吸い上げ層６３が、負極活物質層非形成部６２の端部を束ねることにより形成される傾斜部における三角形状空間に配置されること、正極活物質層５１や負極活物質層６１と接するように配置されること、あるいは、セパレータ７と接するように配置されることで、電解液の供給効率が高められる。
【００５２】
そして、電解液吸い上げ層５３，６３は、圧縮等の応力で変形しにくい材質が用いられる。そのため、振動や衝撃などの外力や活物質の膨張・収縮による内部応力等の環境要因に左右されにくくなっている。従って、電池の使用に伴う経年変化に関わらず、高い電解液の吸い上げ性能が維持される。
【００５３】
尚、本発明に係る電池は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５４】
例えば、前記実施形態においては、巻回型の電池について言及した。しかしながら、枚葉シート状の正極、セパレータ、負極及びセパレータがこの順で積層されていく積層型の電池も本発明の意図するところである。
【００５５】
また、前記実施形態においては、正極集電体５０の（正極活物質層非形成部５２の）表面両面、負極集電体６０の（負極活物質層非形成部６２の）表面両面に電解液吸い上げ層５３，６３が設けられる。しかしながら、電解液吸い上げ層は、片面にだけ設けられるようにしてもよい。
【００５６】
また、前記実施形態においては、正極５、負極６の長手方向に沿って電解液吸い上げ層５３，６３が設けられる。しかしながら、電解液吸い上げ層は、断続的、局所的、部分的、散点的に設けられるようにしてもよい。要は、電解液吸い上げ層は、電解液の液面に浸る位置から発電要素の上部に至るまでの範囲で形成されていればよい。また、電解液吸い上げ層は、正負極両方に形成されてもよいし、正極のみ又は負極のみに形成されてもよいことは言うまでもない。
【００５７】
また、前記実施形態においては、上述の如く、負極活物質層６１が正極活物質層５１よりも幅広にされている。そのため、正極活物質層非形成部５２は、全てが負極６（負極活物質層６１）の側端から突出するわけではない。そのため、正極５側の電解液吸い上げ層５３は、正極活物質層非形成部５２の端部を束ねることにより形成される傾斜部に位置していない。しかしながら、正極活物質層非形成部５２の全てが負極６（負極活物質層６１）の側端から突出するようにすることで、正極５側の電解液吸い上げ層５３を傾斜部に位置させることは可能である。但し、本発明において、電解液吸い上げ層５３，６３が傾斜部に設けられることは必須ではない。
【００５８】
また、前記実施形態においては、集電部材８，９との接合にあたって巻回された正極活物質層非形成部５２や巻回された負極活物質層非形成部６２が左右それぞれ片側ずつ束ねられるようにした。しかしながら、左右が一緒に束ねられるようにしてもよい。
【００５９】
また、前記実施形態においては、ケース１内に発電要素４が一つだけ収容されるようにしている。しかしながら、発電要素が横並びにして複数収容されるようにしてもよい。
【００６０】
また、前記実施形態においては、集電体５０，６０の表面に活物質を担持させる方法として、塗工が用いられる。しかしながら、これ以外に、例えば吹き付けや浸漬によっても担持させることができる。
【００６１】
また、前記実施形態においては、発電要素４の巻回軸がケース本体２の底部に平行になるように発電要素４をケース本体２に収納した電池において、ケース本体２の底部が下、ケース本体２の上端開口部が上となるようにして、電池が装置に設置されることにより、発電要素４の端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となっている。しかしながら、これに限定されるものではない。発電要素４の巻回軸がケース本体２の底部に垂直になるように発電要素４をケース本体２に収納した場合であっても、発電要素４の端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるように、電池を装置に設置することができる。このように設置することで、電解液の吸い上げ性能を発揮することができる。尚、この場合、端子構造は電池の側面に配置されることになる。
【００６２】
また、上記実施形態においては、リチウムイオン二次電池について説明した。しかしながら、電池の種類や大きさ（容量）は任意である。
【００６３】
また、本発明は、リチウムイオン二次電池に限定されるものではない。本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタにも適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１…ケース、２…ケース本体、３…蓋板、３ａ…貫通孔、４…発電要素、５…正極（電極）、５０…正極集電体（集電体）、５１…正極活物質層（活物質層）、５２…正極活物質層非形成部（活物質層非形成部）、５３…多孔質層、６…負極（電極）、６０…負極集電体（集電体）、６１…負極活物質層（活物質層）、６２…負極活物質層非形成部（活物質層非形成部）、６３…多孔質層、７…セパレータ、８…正極集電部材（集電部材）、８０…本体、８１…当接部、８２…当て板、９…負極集電部材（集電部材）、９０…本体、９１…当接部、９２…当て板、１０…端子構造、１１…樹脂プレート、１２…ガスケット、１３…リベット、１４…外部端子、１５…接続板、Ｘ…電解液
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ集電体の一端部を除いた表面に活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素であって、正極及び負極の少なくとも一方の一端部が、活物質層非形成部として、極の異なる電極の側端から突出した発電要素と、
該発電要素が前記一端部の突出方向を横向きにして収容されたケースと、
該ケース内に貯留された電解液とを備え、
前記活物質層非形成部は、多孔質である電解液吸い上げ層であって、前記一端部の突出方向と直交する方向に沿って形成された電解液吸い上げ層を有する
蓄電素子。
【請求項２】
前記電解液吸い上げ層のヤング率は、０．０１〜３００ＧＰａである
請求項１に記載の蓄電素子。
【請求項３】
前記活物質層非形成部は、活物質層から離間した部位を束ねることにより、当該部位に向かって収束する傾斜部となっており、
前記電解液吸い上げ層は、該傾斜部に形成される
請求項１又は２に記載の蓄電素子。
【請求項４】
前記電解液吸い上げ層は、活物質層に接するように形成される
請求項１〜３の何れか１項に記載の蓄電素子。
【請求項５】
前記電解液吸い上げ層は、セパレータに接するように形成される
請求項１〜４の何れか１項に記載の蓄電素子。
【請求項６】
前記活物質層及び前記電解液吸い上げ層は、それぞれバインダを含み、
前記電解液吸い上げ層における前記バインダの質量比率は、前記活物質層における前記バインダの質量比率よりも高い
請求項１〜５の何れか１項に記載の蓄電素子。
【請求項７】
前記電解液吸い上げ層における前記バインダの質量比率は、２６〜８０質量％である
請求項６に記載の蓄電素子。
【請求項８】
前記電解液吸い上げ層における前記バインダの質量比率は、４０〜６０質量％である
請求項６に記載の蓄電素子。
【請求項９】
前記電解液吸い上げ層の多孔度は、前記活物質層の多孔度よりも高い
請求項１〜８の何れか１項に記載の蓄電素子。
【請求項１０】
前記電解液吸い上げ層の多孔度は、４２〜７３％である
請求項９に記載の蓄電素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の蓄電素子を、前記発電要素の前記一端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるようにして、設置する
蓄電素子の設置方法。
【請求項１２】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の蓄電素子を、前記発電要素の前記一端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるようにして、設置した状態で備える
装置。
【請求項１】
それぞれ集電体の一端部を除いた表面に活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータを介在させつつ巻回もしくは積層された発電要素であって、正極及び負極の少なくとも一方の一端部が、活物質層非形成部として、極の異なる電極の側端から突出した発電要素と、
該発電要素が前記一端部の突出方向を横向きにして収容されたケースと、
該ケース内に貯留された電解液とを備え、
前記活物質層非形成部は、多孔質である電解液吸い上げ層であって、前記一端部の突出方向と直交する方向に沿って形成された電解液吸い上げ層を有する
蓄電素子。
【請求項２】
前記電解液吸い上げ層のヤング率は、０．０１〜３００ＧＰａである
請求項１に記載の蓄電素子。
【請求項３】
前記活物質層非形成部は、活物質層から離間した部位を束ねることにより、当該部位に向かって収束する傾斜部となっており、
前記電解液吸い上げ層は、該傾斜部に形成される
請求項１又は２に記載の蓄電素子。
【請求項４】
前記電解液吸い上げ層は、活物質層に接するように形成される
請求項１〜３の何れか１項に記載の蓄電素子。
【請求項５】
前記電解液吸い上げ層は、セパレータに接するように形成される
請求項１〜４の何れか１項に記載の蓄電素子。
【請求項６】
前記活物質層及び前記電解液吸い上げ層は、それぞれバインダを含み、
前記電解液吸い上げ層における前記バインダの質量比率は、前記活物質層における前記バインダの質量比率よりも高い
請求項１〜５の何れか１項に記載の蓄電素子。
【請求項７】
前記電解液吸い上げ層における前記バインダの質量比率は、２６〜８０質量％である
請求項６に記載の蓄電素子。
【請求項８】
前記電解液吸い上げ層における前記バインダの質量比率は、４０〜６０質量％である
請求項６に記載の蓄電素子。
【請求項９】
前記電解液吸い上げ層の多孔度は、前記活物質層の多孔度よりも高い
請求項１〜８の何れか１項に記載の蓄電素子。
【請求項１０】
前記電解液吸い上げ層の多孔度は、４２〜７３％である
請求項９に記載の蓄電素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の蓄電素子を、前記発電要素の前記一端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるようにして、設置する
蓄電素子の設置方法。
【請求項１２】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の蓄電素子を、前記発電要素の前記一端部の突出方向が水平方向又は略水平方向となるようにして、設置した状態で備える
装置。
【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２０１２−２０９２５２（Ｐ２０１２−２０９２５２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１７５４（Ｐ２０１２−５１７５４）
【出願日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【出願人】（５０７１５１５２６）株式会社ＧＳユアサ (375)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【出願人】（５０７１５１５２６）株式会社ＧＳユアサ (375)
【Ｆターム（参考）】
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