JP2003257471A - 蓄電素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極シートのシワ等に起因する活物質の部分
劣化が起こりにくい蓄電素子およびその製造方法を提供
すること。 【解決手段】 電極体１０は、正極シート１２、負極シ
ート１４およびセパレータ１６ａ，１６ｂを偏平状に巻
回してなる。それらの電極シート１２，１４は、それぞ
れ集電シート１２２，１２４および集電シートの表面に
設けられた活物質層１２４，１４４を有する。それらの
活物質層は区切領域１２ａ，１４ａを隔てて集電シート
の長手方向に間欠的に設けられている。電極体１０の周
方向の少なくとも一箇所には、区切領域１２ａ，１４ａ
が巻き重なった無活物質領域Ｒが形成されている。この
無活物質領域Ｒで電極体１０の膨張収縮を吸収すること
により、活物質層１２４，１４４が形成された部分の電
極シート１２，１４にシワが生じることを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、蓄電素子および
その製造方法に関する。なお、本明細書中において「蓄
電素子」とは、電池（リチウムイオン電池、ニッケル水
素電池等）およびキャパシタ（電気二重層キャパシタ
等）の双方を包含する概念である。

【０００２】

【従来の技術】 正極シートと第１セパレータと負極シ
ートと第２セパレータが巻回された電極体を、電解液と
ともに容器に収容した蓄電素子が知られている。このよ
うな蓄電素子の多くのものでは、長尺状の集電シートの
表面に、ほぼ一定幅の活物質層が長手方向に連続的に設
けられた電極シートを用いて電極体を構成している。な
お、ここでは正極シートと負極シートを総称するときに
電極シートという。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 通常、電極体を構成
する活物質は充放電に伴って膨張収縮する。この膨張収
縮により電極シートにシワが生じることがある。また、
蓄電素子の組立時に電極体に電解液を含浸させると、電
極体が膨れ、これにより電極シートにシワが生じること
もある。電極シートにシワが生じると、このシワ付近で
活物質の反応にムラが生じたり、シワの部分に電流が集
中したりしやすくなる。このため、シワ付近にある活物
質が他の部分よりも顕著に高電位となり、部分的に激し
く劣化する場合がある。その結果、蓄電素子の容量低
下、内部抵抗増大等の性能劣化が促進される。また、例
えばリチウムイオン二次電池では、シワが生じた部分
（電流が集中する部分）に金属リチウムが析出しやすく
なる等の不具合が生じることがある。

【０００４】そこで本発明は、電極シートのシワ等に起
因する活物質の部分劣化が起こりにくい蓄電素子を提供
することを目的とする。本発明の他の目的は、このよう
な蓄電素子の製造方法を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段と作用と効果】 本発明者
は、電極シートの長手方向の一部に活物質層が設けられ
ていない部分を設けることによって、電極シートのうち
活物質層が形成されている部分にシワが生じることを抑
制し、これにより上記課題を解決できることを見出して
本発明を完成した。

【０００６】本発明は、正極シートと第１セパレータと
負極シートと第２セパレータが巻回された電極体を備え
る蓄電素子に関する。正極シートと負極シートのそれぞ
れは、集電シートおよびその集電シートの表面に設けら
れた活物質層を有する。本発明の蓄電素子を構成する電
極シートでは、その活物質層が、活物質層の設けられて
いない区切領域を隔てて長手方向に間欠的に設けられて
いる。そして、電極体の周方向の少なくとも一箇所に
は、その区切領域が巻き重なった無活物質領域が形成さ
れている。電極シートのうち活物質層の設けられた領域
（活物質層形成領域）に比べて、区切領域（活物質層形
成領域の間にあって活物質層の形成されていない部分）
は柔軟性が高い。このため、電極体（特に活物質）の膨
張収縮等により生じた変形力を区切領域に集中させるこ
とができる。すなわち、この区切領域の電極シートを変
形させることによって、活物質層形成領域の変形（シワ
の発生等）を抑制することができる。この区切領域は巻
き重なって無活物質領域を構成しているので、変形して
も活物質層形成領域との緩衝が起こりにくい。

【０００７】本発明の蓄電素子の好ましい例では、巻回
されたシート群が、前記無活物質領域において前記電極
体の内周側または外周側に曲がっている。このようにシ
ートが予め曲がっている（撓んでいる）構成によると、
電極体の膨張収縮を吸収する効果（活物質層形成領域の
変形を抑制する効果）がさらに高まる。

【０００８】本発明は、偏平状に巻回された電極体を備
える蓄電素子に対して好ましく適用される。かかる電極
体では、円柱状に巻回された電極体等に比べて、電極体
の膨張収縮によって電極シートにシワが発生しやすい傾
向にある。したがって、本発明を適用することによる効
果がよく発揮される。偏平状電極体の平面部分には特に
シワが生じやすいので、この平面部分に無活物質領域が
形成された構成が好ましい。平面部分のうち中央部に無
活物質領域が形成されていることが特に好ましい。

【０００９】本発明により提供される蓄電素子の製造方
法は、集電シートの長手方向に活物質層が区切領域を隔
てて間欠的に設けられた正極シートおよび負極シートを
用意する工程を備える。また、それらの電極シートを、
区切領域が巻き重なるように、セパレータを介して長手
方向に巻回する工程を備える。この方法により好ましく
製造される蓄電素子としては、本発明のいずれかの蓄電
素子が例示される。

【００１０】かかる製造方法に用いられる電極シート
は、例えば、集電シートの長手方向に区切領域を隔てて
活物質層形成用ペーストを間欠的に塗布することにより
好適に作製することができる。

【００１１】本発明の製造方法は、区切領域が重なって
巻かれた部分を電極体の内周側に凹ませる工程をさらに
包含することができる。この方法は、巻回されたシート
群が無活物質領域において電極体の内周側に曲がってい
る蓄電素子の製造に好ましく適用される。

【００１２】本発明の蓄電素子または本発明の製造方法
は、巻回型電極を備える各種の蓄電素子に適用すること
ができる。例えば、電池およびキャパシタのいずれにも
適用可能であり、電解液の種類は水系および非水系のい
ずれでもよく、その組成も問わない。本発明が特に好ま
しく適用される蓄電素子の種類としては、リチウムイオ
ン二次電池および電気二重層キャパシタ（パワーキャパ
シタ）が例示される。

【００１３】また、本発明の適用が特に有効な蓄電素子
としては、(1).正負いずれかの電極シートを構成する集
電シートが比較的薄い（例えば、集電シートの厚さが５
０μm以下（典型的には５〜５０μm）、好ましくは３０
μm以下（典型的には１０〜３０μm））、(2).電極シー
トの巻回数が比較的多い（例えば、巻回数が１５以上
（典型的には１５〜１２０））、好ましくは２０以上
（典型的には２０〜１００））、の少なくとも一方（好
ましくは両方）を満たす電極体を備えた蓄電素子が挙げ
られる。このような蓄電素子では、充放電や電解液の含
浸に伴う電極体の膨張収縮により電極シートにシワが発
生しやすい。このため、本発明を適用することによって
大きな効果を得ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】 この発明はまた、下記の形態で
実施することができる。 （形態１）無活物質領域を構成する電極シートは電極体
の内周側に曲げられている。かかる構成によると、電極
シートが電極体の外周側に曲げられた構成等に比べて蓄
電素子の体格を小型化しやすい。また、無活物質領域を
外周側から押さえつけることにより電極シートを容易に
曲げることができるので生産性がよい。

【００１５】（形態２）無活物質領域は、電極体の周方
向の二箇所に、ほぼ半周毎に設けられている。このよう
に、無活物質領域をほぼ周対称に配置することにより、
本発明の効果を電極体の周方向に対してより均一に発揮
させることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明をリチウムイオン二次電池に適
用した一実施例につき図面を用いて説明する。

【００１７】図１は、本実施例の二次電池を示す側面図
である。図示するように、この二次電池１は、偏平状の
電極体１０と、電極体１０を収容する角型（平型）の容
器２０を備える。電極体１０の軸方向両端には正極端子
２６および負極端子２８がそれぞれ接続されている。容
器２０は、上端が開口したケース２２と、その開口部を
塞ぐ蓋体２４とを含んで構成されている。正極端子２６
および負極端子２８は、この蓋体２４を貫通して容器２
０の外部に突出している。容器２０には図示しない電解
液が収容されており、電極体１０に含浸されている。

【００１８】図２は、電極体１０を軸に垂直な平面で切
断した断面を示す模式図であり、図３はそのIII部分の
拡大図である。電極体１０は、図３に示すように、正極
シート１２、第１セパレータ１６ａ、負極シート１４お
よび第２セパレータ１６ｂを、図２に示すように偏平状
に巻回した構成を有する。図３に示すように、正極シー
ト１２は、正極集電シート１２２と、その両面に設けら
れた正極活物質層１２４とを備える。正極活物質層１２
４は、正極集電シート１２２の各面において、区切領域
１２ａを隔てて電極体の周方向（正極シート１２の長手
方向；図３では左右方向）に分割されている。この区切
領域１２ａでは、正極シート１２の表裏いずれの面にも
正極活物質層１２４が設けられていない。また、負極シ
ート１４は、負極集電シート１４２と、その両面に設け
られた負極活物質層１４４とを備える。負極活物質層１
４４は、負極集電シート１４２の各面において、区切領
域１４ａを隔てて周方向に分割されている。この区切領
域１４ａでは、負極シート１４の表裏いずれの面にも負
極活物質層１４４が設けられていない。

【００１９】正極シート１２および負極シート１４は、
区切領域１２ａ，１４ａが巻き重なるようにして偏平状
に巻回されている。これにより無活物質領域Ｒが形成さ
れている。図２に示すように、本実施例では、偏平状電
極体１０の両平面部分のほぼ中央部に無活物質領域Ｒが
形成されている。これら二つの無活物質領域Ｒが形成さ
れた部分の電極体１０には、その内周側に凹んだ凹溝１
０ａが形成されている。これにより、図３によく示され
るように、無活物質領域Ｒを構成する電極シート１２，
１４およびセパレータ１６ａ，１６ｂは電極体１０の内
周側（図３では下側）に曲げられている。

【００２０】このような電極体１０は、例えば次のよう
にして作製することができる。電極体１０を構成する正
極シート１２の巻回前の状態を図４および図５に示す。
長尺状のアルミニウム箔からなる正極集電シート１２２
の両面に、正極活物質を含有するペースト（正極活物質
層形成用ペースト）を間欠的に塗布する。これにより区
切領域１２ａによって長手方向に隔てられた正極活物質
層１２４を形成する。ここで、区切領域１２ａは、正極
シート１２を巻回するとき区切領域１２ａを巻き重ねる
ことができるような間隔で設けられている。なお、正極
シート１２のうち正極活物質層１２４が設けられた部分
を（正極）活物質層形成領域ともいう。また、正極シー
ト１２の一方の長辺には、その長手方向の全体に亘っ
て、正極集電シートのいずれの面にも活物質層が設けら
れていない正極端子接続部１２ｃが形成されている。

【００２１】負極シート１４の構造は正極シート１２と
同様であるので、この負極シート１４についても図４お
よび図５を用いて説明する。図４，５において括弧内に
記された符号は負極シート１４に対応するものである。
長尺状の銅箔からなる負極集電シート１４２の両面に、
負極活物質を含有するペースト（負極活物質形成用ペー
スト）を間欠的に塗布することにより、区切領域１４ａ
によって長手方向に隔てられた負極活物質層１４２を形
成する。この区切領域１４ａは、正極シート１２に設け
られた区切領域１２ａとほぼ同位置に設けられている。
負極シート１４のうち負極活物質層１４２が設けられた
部分を（負極）活物質層形成領域ともいう。負極シート
１４の一方の長辺には、その長手方向の全体に亘って、
負極集電シート１４２のいずれの面にも活物質層が設け
られていない負極端子接続部１４ｃが形成されている。

【００２２】なお、正極集電シートおよび負極集電シー
トを構成する材料としては、本実施例で用いたアルミニ
ウムおよび銅の他、ニッケル等の導電性金属を用いるこ
とができる。また、正極活物質層を構成する正極活物質
としては、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₃等
の、従来のリチウムイオン二次電池に用いられる正極活
物質の一種または二種以上を特に限定なく使用すること
ができる。負極活物質層を構成する負極活物質として
は、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン等
の、従来のリチウムイオン二次電池に用いられる負極活
物質の一種または二種以上を特に限定なく使用すること
ができる。このような活物質を含有するペーストを調製
するにあたっては、従来公知の結着剤、溶媒、導電化剤
等を適宜使用することができる。これらペーストの集電
シートへの塗布は、コンマコーター、ダイコーター等を
用いて行うことができる。

【００２３】セパレータとしては二枚の多孔質ポリプロ
ピレン樹脂シートを使用した。このセパレータ１６ａ，
１６ｂ（図３参照）の平面形状は、図４に示す正極シー
ト１２から端子接続部１２ｃを除いた領域とほぼ同形状
である。両電極シート１２，１４および二枚のセパレー
タ１６ａ，１６ｂを、第１セパレータ１６ａ、正極シー
ト１２、第２セパレータ１６ｂ、負極シート１４の順に
重ね合わせる。このとき、セパレータ１６ａ，１６ｂの
一方の長辺および他方の長辺から正極端子接続部１２ｃ
および負極端子接続部１４ｃがそれぞれはみ出すよう
に、また正極シート１２に設けられた各区切領域１２ａ
の位置と負極シート１４に設けられた各区切領域１４ａ
の位置とがほぼ一致するようにして電極シート１２，１
４を配置する。

【００２４】重ね合わせた電極シート１２，１４および
セパレータ１６ａ，１６ｂを長辺方向に巻回する。典型
的には、巻回機に備えられた巻芯の周囲に電極シート１
２，１４およびセパレータ１６ａ，１６ｂの積層体を巻
きつける。このとき、電極シート１２，１４に設けられ
た区切領域１２ａ，１４ａが周方向の二箇所で（半周毎
に）巻き重ねられ、この部分に無活物質領域Ｒが形成さ
れる。その後に巻芯を除去すると、図６に示すように、
巻芯のあった部分（巻回内周部）に空間が形成された筒
状電極体１０’が得られる。この筒状電極体１０’を二
つの圧縮治具３０の間に配置する。これらの圧縮治具３
０の全体形状は平板状であり、その中央部には筒状電極
体１０’の軸方向に延びる凸畝３２が設けられている。
無活物質領域Ｒの形成された箇所に凸畝３２が位置する
ようにして、これらの圧縮治具３０により筒状電極体１
０’を径方向に圧縮する。このことによって筒状電極体
１０’を偏平状に成形する。また、凸畝３２によって偏
平状電極体１０の平面部分の中央部（無活物質領域Ｒ）
に凹溝１０ａを形成する。これにより、巻回された電極
シート，１４およびセパレータ１６ａ，１６ｂ（シート
群）が無活物質領域Ｒにおいて電極体の内側に曲げられ
る。このようにして電極体１０（図２参照）を作製する
ことができる。

【００２５】なお、正極シート１２を巻回するときに巻
き重ねられるような区切領域１２ａの間隔は、正極シー
ト１２の巻き始め端（図４および図５では左端）からの
距離、電極体１０を構成する正極シート１２、負極シー
ト１４およびセパレータ１６ａ，１６ｂの厚さ、巻回後
に形成される電極体１０の寸法等に基づいて適宜定める
ことができる。例えば、本実施例のように周方向の二箇
所に（半周毎に）無活物質領域Ｒが形成された電極体１
０を作製する場合には、図６に示す筒状電極体１０’の
状態における巻回中心Ｏから正極シート１２までの距離
（半径）をｒ_vとして、区切領域１２ａをほぼｒ_vπの間
隔（図４参照）で設ければよい。

【００２６】各区切領域１２ａの幅ｄ（図４参照）は、
電極体１０の寸法、巻回数、凹溝１０ａの形状、二次電
池１の容量等に基づいて適宜定めることができる。区切
領域１２ａの幅ｄが小さすぎると本発明の効果（主とし
て、活物質層の形成された部分にシワが発生することを
防止する効果）が少なくなる場合がある。一方、区切領
域１２ａは電池反応には関与しないため、この幅ｄが大
きすぎると二次電池１の単位容積当たりの容量が小さく
なる。そのため、特に限定するものではないが、通常は
区切領域１２ａの幅ｄを１〜２０mm（より好ましくは２
〜１０mm）の範囲とすることが適当である。

【００２７】この区切領域１２ａは、典型的には、図４
に示すように、正極集電シート１２２の長手方向に対し
て正極活物質層１２４を完全に分断するように設けられ
る。また、図７に示すように、正極活物質層１２４の幅
方向の一部長さで正極活物質層の一部と他部とを長手方
向に隔てるように区切領域１２ａを設けてもよい。さら
に、図４および図７では正極シート１２の幅方向に延び
るように区切領域１２ａを設けているが、正極シート１
２の幅方向に対して斜めに延びるように区切領域１２ａ
を設けてもよい。以上、正極シート１２の変形例につい
て説明したが、負極シート１４についても同様である。

【００２８】また、無活物質領域Ｒにおいて電極シート
１２，１４は図３に示すように内周側に曲げられている
ことが好ましいが、図８に示すように特に曲げられてい
なくてもよい。あるいは、この部分が外周側に曲げられ
ていてもよい。さらに、無活物質領域Ｒの一部では内周
側に曲げられ、他の一部では外周側に曲げられていても
よい。また、区切領域１２ａ，１４ａは、図８に示すよ
うに電極体１０の径方向（周方向と概ね直交する方向を
いう。）とほぼ一致する方向に巻き重なっていることが
好ましいが、図９に示すように若干ズレて巻き重なって
いてもよい。

【００２９】このような電極体１０の軸方向両端では、
正極端子接続部１２ｃおよび負極端子接続部１４ｃがそ
れぞれセパレータ１６ａ，１６ｂからはみだして巻回さ
れている。図１に示すように、このはみだした部分に正
極端子２６および負極端子２８の一端を、例えば溶接に
より接続する。正極端子２６および負極端子２８の接続
された電極体１０を、アルミニウム製のケース２２の開
口部からその内部に横倒しに収容する。次いでこのケー
ス２２の開口部をアルミニウム製の蓋体２４により封止
（封缶）する。そして、蓋体２４に設けられた電解液注
入口（図示せず）から容器２０の内部に電解液を注入
し、電極体１０に含浸させる。この電解液としては、従
来のリチウムイオン二次電池に用いられる電解液等を特
に限定なく用いることができる。ここではジエチルカー
ボネートとエチレンカーボネートとの７：３（重量比）
混合溶媒に１mol/リットルのＬｉＰＦ₆を溶解させたも
のを用いた。このようにして二次電池１を製造すること
ができる。

【００３０】本実施例によると、電極体１０に電解液を
含浸させた際に起こる電極体１０の膨張や、この二次電
池１の充放電に伴う電極体１０（特に活物質）の膨張収
縮が起こった場合、無活物質領域Ｒの変形によってその
膨張等を吸収することができる。これにより、無活物質
領域Ｒ以外の部分（活物質層形成領域）の電極シートに
シワが発生することが防止される。したがって、電極シ
ートのシワに起因する活物質の部分劣化、これによる電
池容量の低下、内部抵抗の増大等の性能劣化を抑制する
ことができる。また、このように区切領域１２ａ，１４
ａを設けることにより、図３に示すように、電極体１０
の積層構造の間に微小な隙間Ｓが形成され得る。この隙
間Ｓを利用して、電池の初期充電時や過充電時等に発生
するガス（典型的には電解液の分解により生じたガス）
を電極シート１２，１４間に滞留させることなく、電極
体１０の外部へとスムーズに放出させることができる。

【００３１】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。例えば、上記実施例ではリチウムイオン二次電池お
よびその製造方法につき説明したが、本発明は、ニッケ
ル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の他の種類の電
池（一次電池でも二次電池でもよい）、電気二重層キャ
パシタ等のキャパシタその他の蓄電素子にも適用するこ
とができる。正極および負極の活物質、集電シート、セ
パレータ、正極および負極の端子、容器等の材質や電解
液の組成等は、蓄電素子の種類に応じて適当に選択され
る。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、
単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性
を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせ
に限定されるものではない。また、本明細書または図面
に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであ
り、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的
有用性を持つものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施例に係る二次電池を示す側面図であ
る。

【図２】 本実施例に係る二次電池に備えられる電極体
を示す断面図である。

【図３】 図２のIII部分を拡大した断面図である。

【図４】 電極体を構成する正極シートを示す平面図で
ある。

【図５】 図４のＶ−Ｖ線断面図である。

【図６】 筒状に巻回された電極体を示す断面図であ
る。

【図７】 電極体を構成する正極シートの他の例を示す
平面図である。

【図８】 二次電池に備えられる電極体の他の例を示す
断面図である。

【図９】 二次電池に備えられる電極体の他の例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１ ：二次電池（蓄電素子） １０ ：電極体 １０ａ：凹溝 １２ ：正極シート（電極シート） １２ａ：区切領域 １２ｃ：正極端子接続部 １２２ ：正極集電シート １２４ ：正極活物質層 １４ ：負極シート（電極シート） １４ａ：区切領域 １４ｃ：負極端子接続部 １４２ ：負極集電シート １４４ ：負極活物質層 １６ａ：第１セパレータ １６ｂ：第２セパレータ ３０ ：圧縮治具 Ｒ ：無活物質領域

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正極シートと第１セパレータと負極シー
   トと第２セパレータが巻回された電極体を備え、 正極シートと負極シートのそれぞれは集電シートおよび
   その集電シートの表面に設けられた活物質層を有し、そ
   の活物質層は活物質層が設けられていない区切領域を隔
   てて長手方向に間欠的に設けられており、 その電極体の周方向の少なくとも一箇所に、その区切領
   域が巻き重なった無活物質領域が形成されている蓄電素
   子。
2. 【請求項２】 巻回されたシート群が前記無活物質領域
   において前記電極体の内周側または外周側に曲がってい
   る請求項１に記載の蓄電素子。
3. 【請求項３】 前記電極体は偏平状に巻回されており、
   前記無活物質領域はその偏平状電極体の平面部分に形成
   されている請求項１または２に記載の蓄電素子。
4. 【請求項４】 集電シートの長手方向に区切領域を隔て
   て活物質層が間欠的に設けられた正極シートおよび負極
   シートを用意する工程と、それらの電極シートを、区切
   領域が巻き重なるように、セパレータを介して長手方向
   に巻回する工程とを包含する蓄電素子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記正極シートと前記負極シートは、前
   記集電シートの長手方向に区切領域を隔てて活物質層形
   成用ペーストを間欠的に塗布して作製されたものである
   請求項４に記載の蓄電素子の製造方法。
6. 【請求項６】 前記区切領域が重なって巻かれた部分を
   電極体の内周側に凹ませる工程をさらに包含する請求項
   ４または５に記載の蓄電素子の製造方法。