JP6627552B2 - 電極組立体及び蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電極組立体及び蓄電装置に関する。

例えば特許文献１には、複数の電極が所定の積層方向に沿って積層された積層体と、積層体に巻き付けられた熱収縮性フィルム（包装部材）と、を備えた電極組立体が記載されている。この電極組立体では、熱収縮させられた包装部材によって積層体に対して積層方向に拘束力が付加されている。

特開２０００−３１１７１７号公報

上述したような電極組立体では、包装部材の拘束力が積層体に対して積層方向以外の方向にも作用する。そのため、電極組立体の中央付近において電極間の乖離が生じ、電極組立体の品質が低下してしまうおそれがある。

本発明は、電極間の乖離を抑制できる電極組立体及び蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る電極組立体は、本体部及びタブを有する複数の電極が積層されてなり、タブが本体部から所定方向の一方側に突出する積層体と、熱収縮性を有し、積層体を包んで積層体に拘束力を付加する包装部材と、本体部に対して所定方向の一方側と他方側とに配置され、積層体と共に包装部材によって包まれた一対の部材と、を備え、一対の部材は、所定方向から見て、少なくとも積層体における所定方向と電極の積層方向とに直交する幅方向の両側面間にわたって延在している。

この電極組立体では、積層体の本体部に対して、タブの突出方向に沿う所定方向の一方側と他方側とに一対の部材が配置され、当該一対の部材が積層体と共に包装部材によって包まれている。また、一対の部材は、所定方向から見て、少なくとも積層体における幅方向の両側面間にわたって延在している。これにより、幅方向における包装部材の拘束力が一対の部材によって受けられるので、包装部材から積層体に付加される幅方向の拘束力が低減される。よって、この電極組立体によれば、電極間の乖離を抑制することができる。

一対の部材における積層方向の両側面は、積層体における積層方向の両側面間に位置していてもよい。これにより、積層方向においては、包装部材によって積層体に十分に拘束力を付加することができる。

一対の部材の少なくとも一方には、所定方向に延在する貫通孔が設けられていてもよい。これにより、電解液を注入する際の抵抗を低減することができる。

包装部材は、帯状の熱収縮性フィルムが熱収縮させられてなってもよいし、包装部材は、袋状の熱収縮性フィルムが熱収縮させられてなってもよい。これにより、電極組立体を容易に製造することができる。

一対の部材の積層方向における長さは、積層体の積層方向における長さよりも小さくてもよい。これにより、積層体の厚さにばらつきが生じても、積層体に対して積層方向に確実に拘束力を作用させることができる。

本発明の一側面に係る蓄電装置は、上記電極組立体と、電極組立体を収容するケースと、を備える。

この蓄電装置では、積層体の本体部に対して、タブの突出方向に沿う所定方向の一方側と他方側とに一対の部材が配置され、当該一対の部材が積層体と共に包装部材によって包まれている。また、一対の部材は、所定方向から見て、少なくとも積層体における幅方向の両側面間にわたって延在している。これにより、幅方向における包装部材の拘束力が一対の部材によって受けられるので、包装部材から積層体に付加される幅方向の拘束力が低減される。よって、この蓄電装置によれば、電極間の乖離を抑制することができる。

本発明によれば、電極間の乖離を抑制できる電極組立体及び蓄電装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る蓄電装置の断面図である。 図１の積層体及び板部材の上面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１に示される蓄電装置１は、例えばリチウムイオン二次電池として構成されている。蓄電装置１は、例えば略直方体状の中空のケース２と、ケース２内に収容された電極組立体３と、を備えている。

ケース２は、例えばアルミニウム等の金属により構成されている。ケース２の内部には、例えば非水系（有機溶媒系）の電解液が注液されている。電解液は、後述する正極１１の正極活物質層、負極１２の負極活物質層、及びセパレータのそれぞれの空孔内に含浸されている。ケース２の上面には、正極端子５と負極端子６とが互いに離間して配置されている。正極端子５は、絶縁リング７を介してケース２に固定されている。負極端子６は、絶縁リング８を介してケース２に固定されている。

電極組立体３は、積層体２１と、包装部材２２と、一対の板部材２３，２４と、を備えている。積層体２１は、正極１１と負極１２とがセパレータを介して交互に積層された積層体である。セパレータは、例えば袋状を呈し、内部に正極１１を収容している。セパレータを構成する材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）又はポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、又はメチルセルロース等からなる織布又は不織布等が挙げられる。

正極１１は、集電体である正極金属箔、例えばアルミニウム箔と正極活物質層とにより構成されている。正極１１は、矩形状の本体部１３と、矩形状のタブ１４と、を有している。本体部１３における正極金属箔の両面に、正極活物質層が設けられている。正極活物質層は、正極活物質とバインダとを含む多孔質の層である。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、及び硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト、及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとが含まれる。タブ１４は、本体部１３の上縁において、正極端子５に対応する位置に設けられている。タブ１４は、本体部１３の上縁から上側（上下方向Ｄ１（所定方向）の一方側）に突出している。タブ１４は、セパレータよりも上側に突出している。タブ１４の先端部は、導電部材９を介して正極端子５に電気的に接続されている。タブ１４には、正極活物質層が設けられていない。

負極１２は、集電体である負極金属箔、例えば銅箔と負極活物質層とにより構成されている。負極１２は、矩形状の本体部１５と、矩形状のタブ１６と、を有している。本体部１５における負極活物質層の両面に、負極活物質層が設けられている。負極活物質層は、負極活物質とバインダとを含む多孔質の層である。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、又はホウ素添加炭素等が挙げられる。タブ１６は、本体部１５の上縁において、負極端子６に対応する位置に設けられている。タブ１６は、本体部１５の上縁から上側に突出している。タブ１６は、セパレータよりも上側に突出している。タブ１６の先端部は、導電部材１０を介して負極端子６に電気的に接続されている。タブ１６には、負極活物質層が設けられていない。

負極１２の本体部１５の上下方向Ｄ１の長さは、正極１１の本体部１３の上下方向Ｄ１の長さよりも大きい。本体部１５の幅方向Ｄ２の長さは、本体部１３の幅方向Ｄ２の長さよりも大きい。ここで、幅方向Ｄ２とは、上下方向Ｄ１と正極１１及び負極１２の積層方向Ｄ３（図２）とに直交する方向である。リチウムの析出を抑制するために、積層方向Ｄ３から見て、本体部１３の全体が本体部１５によって覆われている。本実施形態では、積層体２１の幅方向Ｄ２の側面２１ａ（図２）は、負極１２の本体部１５の側縁（側面）により構成されている。

包装部材２２は、熱収縮性フィルムにより構成され、絶縁性を有している。包装部材２２は、積層体２１を包んでいる。包装部材２２は、本体部１３，１５の全体及びタブ１４，１６の基端側の一部を覆っている。すなわち、タブ１４，１６は、包装部材２２よりも上側に突出している。包装部材２２は、熱収縮させられており、積層体２１に拘束力を付加している。包装部材２２は、帯状の熱収縮性フィルムが熱収縮させられた部材である。熱収縮性フィルムには、一方向の熱収縮率が大きい一方向収縮タイプと、二方向に略均等に収縮する二方向収縮タイプとがある。包装部材２２の熱収縮性フィルムでは、熱収縮前の状態において、その表面に沿う一の方向（長手方向）における熱収縮率は、当該一の方向と直交する方向（短手方向）における熱収縮率よりも大きい。すなわち、この熱収縮フィルムは、一方向収縮タイプの熱収縮性フィルムである。この熱収縮性フィルムが、長手方向とタブ１４，１６とが直交するように配置されて積層体２１を包んだ状態で熱収縮性させられることにより、包装部材２２が得られる。したがって、包装部材２２により生じる幅方向Ｄ２及び積層方向Ｄ３の単位面積当たりの拘束力は、包装部材２２により生じる上下方向Ｄ１の単位面積当たりの拘束力よりも大きい。

一対の板部材２３，２４は、例えば樹脂により構成された略矩形状の平板であり、絶縁性を有している。図１に示されるように、一対の板部材２３，２４は、積層体２１の本体部１５に対して上側と下側（上下方向Ｄ１の他方側）とに配置され、積層体２１と共に包装部材２２によって包まれている。上側の板部材２３は、本体部１３，１５の上縁に沿って配置されている。下側の板部材２４は、本体部１３，１５の下縁に沿って配置されている。一対の板部材２３，２４は、上下方向Ｄ１から見て互いに重なるように配置されている。図２に示されるように、板部材２３においてタブ１４，１６に対応する位置には、上下方向Ｄ１に貫通した一対の開口部１８が設けられている。開口部１８は、上下方向Ｄ１から見て、タブ１４，１６を挿通可能な矩形状を呈している。開口部１８は、板部材２３の積層方向Ｄ３の一方面にも開口している。一対の開口部１８の一方にはタブ１４が配置され、他方にはタブ１６が配置される。タブ１４，１６は、板部材２３よりも上側に突出する。板部材２３の全面には、上下方向Ｄ１に延在する複数の貫通孔１９が設けられている。これにより、板部材２３は、メッシュ状を呈している。貫通孔１９は、板部材２３と同様に、板部材２４の全面にも設けられている。

図２を参照して、上側の板部材２３と積層体２１との位置関係を説明する。下側の板部材２４と積層体２１との位置関係については、上側の板部材２３と積層体２１との位置関係と同様であるので説明を省略する。図２では、包装部材２２は省略されている。

板部材２３の幅方向Ｄ２の長さＬ１は、積層体２１の幅方向Ｄ２の長さと等しい。板部材２３は、上下方向Ｄ１から見て、積層体２１における幅方向Ｄ２の両側面２１ａ，２１ａ間にわたって延在している。板部材２３における幅方向Ｄ２の一方側の側面２３ａは、積層体２１における幅方向Ｄ２の一方側の側面２１ａと面一となっており、板部材２３における幅方向Ｄ２の他方側の側面２３ａは、積層体２１における幅方向Ｄ２の他方側の側面２１ａと面一となっている。

板部材２３の積層方向Ｄ３の長さＬ２は、積層体２１の積層方向Ｄ３の長さＬ３よりも小さい。板部材２３における積層方向Ｄ３の両側面２３ｂ，２３ｂは、積層体２１における積層方向Ｄ３の両側面２１ｂ，２１ｂ間に位置している。換言すれば、板部材２３における積層方向Ｄ３の一方側の側面２３ｂは、積層体２１における積層方向Ｄ３の一方側の側面２１ｂよりも積層方向Ｄ３の他方側に位置し、板部材２３における積層方向Ｄ３の他方側の側面２３ｂは、積層体２１における積層方向Ｄ３の他方側の側面２１ｂよりも積層方向Ｄ３の一方側に位置している。

積層体２１に対して包装部材２２から付加される拘束力の大きさについて説明する。当該拘束力の大きさは、一対の板部材２３，２４と積層体２１との寸法差と、包装部材２２を構成する熱収縮性フィルムの熱収縮率の大きさとにより調整される。具体的には、例えば、板部材２３の積層方向Ｄ３の長さＬ２と積層体２１の積層方向Ｄ３の長さＬ３との差分と、包装部材２２を構成する熱収縮性フィルムの長手方向及び短手方向の熱収縮率の大きさとを決定することにより、当該拘束力の大きさを所定の大きさに調整することができる。

蓄電装置１の製造方法を説明する。この製造方法の一部又は全部は、機械設備によって行われてもよいし、作業者によって行われてもよい。まず、正極１１と負極１２とをセパレータを介して交互に積層し、積層体２１を得る。このとき、正極１１と負極１２とは、互いに固定されていない。続いて、電極組立体３を収容可能な矩形箱状の治具を用意する。この治具は、一面が開口している。続いて、十分な幅と長さを有する帯状の熱収縮性フィルムの一端側を、治具の内面に沿って配置する。続いて、治具の内面に沿って配置された熱収縮性フィルムに包まれるように積層体２１及び一対の板部材２３，２４を治具内に配置し、熱収縮性フィルムの他端側を折り返すことで、積層体２１及び一対の板部材２３，２４を熱収縮性フィルムによって包む。この配置の際には、一対の板部材２３，２４が積層体２１に対してタブ１４，１６の突出方向の一方側と他方側とに配置される。続いて、積層体２１及び一対の板部材２３，２４の外縁に沿って熱収縮性フィルムを溶着する。続いて、熱収縮性フィルム全体を加熱して熱収縮させることにより、電極組立体３が得られる。続いて、電極組立体３をケース２内に収容する。続いて、ケース２の内部に電解液を注入することにより、蓄電装置１が得られる。

以上説明した電極組立体３では、積層体２１の本体部１５に対して、タブ１４，１６の突出方向に沿う上下方向Ｄ１の上側と下側とに一対の板部材２３，２４が配置され、一対の板部材２３，２４が積層体２１と共に包装部材２２によって包まれている。また、一対の板部材２３，２４は、上下方向Ｄ１から見て、積層体２１における幅方向Ｄ２の両側面２１ａ，２１ａ間にわたって延在している。これにより、幅方向Ｄ２における包装部材２２の拘束力が一対の板部材２３，２４によって受けられ、包装部材２２から積層体２１に付加される幅方向Ｄ２の拘束力が低減（緩和）される。その結果、包装部材２２から積層体２１に対して幅方向Ｄ２の拘束力が作用して積層体２１の幅方向Ｄ２における中央付近が膨らむことで、正極１１及び負極１２間が積層方向Ｄ３に乖離してしまう事態が抑制される。よって、電極組立体３によれば、正極１１と負極１２との間の乖離を抑制することができる。

電極組立体３では、一対の板部材２３，２４における積層方向Ｄ３の両側面２３ａ，２３ａは、積層体２１における積層方向Ｄ３の両側面２１ａ，２１ａ間に位置している。これにより、積層方向Ｄ３においては、包装部材２２によって積層体２１に十分に拘束力を付加することができる。

電極組立体３では、一対の板部材２３，２４には、上下方向Ｄ１に延在する貫通孔１９が設けられている。これにより、電解液を注入する際の抵抗を低減することができる。すなわち、貫通孔１９が設けられていない場合と比較して、電解液がケース２の内部の全体に行き渡り易い。また、貫通孔１９が設けられていない場合と比較して、電解液の注入の際にケース２の内部を減圧して真空引きする場合に、一対の板部材２３，２４が当該減圧を妨げ難い。

電極組立体３では、包装部材２２は、帯状の熱収縮性フィルムが熱収縮させられてなる。これにより、電極組立体３を容易に製造することができる。

蓄電装置１では、絶縁性を有する包装部材２２によって積層体２１における本体部１３，１５の全体及びタブ１４，１６の基端側の一部、すなわち少なくとも本体部１３，１５の全体が覆われている。これにより、ケース２の内面に電極組立体３との絶縁性を確保するための絶縁フィルム又は絶縁膜等を設ける必要がない。したがって、蓄電装置１の製造の容易化、及び低コスト化を図ることができる。すなわち、蓄電装置１では、包装部材２２を設けることによって、積層体２１への拘束力の付加と、積層体２１とケース２との間の絶縁性の確保とが実現されている。

電極組立体３では、一対の板部材２３，２４の積層方向Ｄ３の長さＬ２は、積層体２１の積層方向Ｄ３の長さＬ３よりも小さい。正極１１の正極活物質層、及び負極１２の負極活物質層は、例えば塗工により形成されるので、その目付け量にはばらつきが生じる。また、その後、数十枚を重ねて積層体２１とした後、互いに密着させるために加圧を行う。そのため、積層体２１の厚さにはある程度のばらつきが生じる。一対の板部材２３，２４の積層方向Ｄ３の長さＬ２が積層体２１の積層方向Ｄ３の長さＬ３よりも小さいことで、積層体２１の厚さにばらつきが生じても、積層体２１に対して積層方向Ｄ３に確実に拘束力を作用させることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、包装部材２２は、上側に開口した袋状の熱収縮性フィルムが熱収縮させられた部材であってもよい。この熱収縮性フィルムでは、熱収縮前の形状において、その表面に沿う一の方向（左右方向）における熱収縮率は、当該一の方向と直交する方向（上下方向）における熱収縮率よりも大きい。この熱収縮性フィルムが、積層体２１及び一対の板部材２３，２４を包んだ状態で熱収縮性させられることにより、包装部材２２が得られる。このとき、積層体２１は、熱収縮性フィルムの開口からタブ１４，１６が突出するように配置される。したがって、包装部材２２により生じる幅方向Ｄ２及び積層方向Ｄ３の単位面積当たりの拘束力は、包装部材２２により生じる上下方向Ｄ１の単位面積当たりの拘束力よりも大きい。蓄電装置１の製造時には、例えばロボット等によって積層体２１及び一対の板部材２３，２４を袋状の熱収縮性フィルム内に配置し、その状態で熱収縮性フィルムを加熱して熱収縮させることにより、電極組立体３が得られる。このような変形例によっても、包装部材２２から積層体２１に付加される幅方向Ｄ２の拘束力が低減されるので、上記実施形態と同様に、正極１１と負極１２との間の乖離を抑制することができる。また、製造容易性の向上を図ることができる。

包装部材２２は、上側に加え、下側にも開口した幅広のテープ状をなしていてもよい。この場合、包装部材２２の上下方向Ｄ１方向の幅（長さ）は、包装部材２２によって積層体２１の側面が覆われる程度の長さであればよい。この場合、積層体２１とケース２の底面との絶縁は、板部材２４が担う。

板部材２３の幅方向Ｄ２の長さＬ１は、積層体２１の幅方向Ｄ２の長さよりも大きくてもよい。この場合、板部材２３の幅方向Ｄ２の両側面２３ａ，２３ａ間に、積層体２１の幅方向Ｄ２の両側面２１ａ，２１ａが位置する。このような変形例によっても、幅方向Ｄ２における包装部材２２の拘束力が一対の板部材２３，２４によって受けられ、包装部材２２から積層体２１に付加される幅方向Ｄ２の拘束力が低減される。これにより、上記実施形態と同様に、正極１１と負極１２との間の乖離を抑制することができる。つまり、板部材２３は、上下方向Ｄ１から見て、少なくとも積層体２１における幅方向Ｄ２の両側面２１ａ，２１ａ間にわたって延在していればよい。

積層方向Ｄ３の両側において、一対の板部材２３，２４の側面２３ｂは、積層体２１の側面２１ｂと面一となっていてもよく、積層体２１の側面２１ｂよりも積層方向Ｄ３の内側に位置していてもよい。包装部材２２を構成する熱収縮性フィルムの熱収縮前の形状は、帯状又は袋状に限られない。開口部１８は、板部材２３の積層方向Ｄ３の一方面に開口していなくてもよい。一対の板部材２３，２４には、上下方向Ｄ１と交差する方向（例えば、幅方向Ｄ２又は積層方向Ｄ３）に延在する貫通孔が設けられていてもよい。この貫通孔と貫通孔１９とは、接続されていてもよい。一対の板部材２３，２４の少なくとも一方に貫通孔１９が設けられていればよく、板部材２３，２４の一方に貫通孔１９が設けられ、他方に貫通孔１９が設けられていなくてもよい。ただし、板部材２３，２４の両方に貫通孔１９が設けられている方が、電解液を注入する際の抵抗を低減することができる。また、板部材２３に貫通孔１９が設けられると共に板部材２４に貫通孔１９が設けられていない場合の方が、板部材２４に貫通孔１９が設けられると共に板部材２３に貫通孔１９が設けられていない場合と比べて、電解液を注入する際の抵抗を低減することができる。一対の板部材２３，２４の両方に貫通孔１９が設けられていなくてもよい。

蓄電装置１は、電気二重キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ等であってもよい。セパレータは、袋状に限られず、シート状であってもよい。例えば、セパレータ付き正極として、正極１１の両面にシート状のセパレータが接合され、ユニット化された正極が用いられてもよい。正極１１の本体部１３と負極１２の本体部１５とは同一形状であってもよい。この場合、積層体２１の幅方向Ｄ２の側面２１ａは、本体部１３，１５の側縁（側面）により構成される。側面２１ａは、セパレータにより構成されてもよい。包装部材２２を構成する熱収縮フィルムは、二方向収縮タイプの熱収縮性フィルムであってもよい。

１…蓄電装置、２…ケース、３…電極組立体、１１…正極（電極）、１２…負極（電極）、１３…本体部、１４…タブ、１５…本体部、１６…タブ、１９…貫通孔、２１…積層体、２１ａ，２１ｂ…側面、２２…包装部材、２３，２４…板部材、２３ａ，２３ｂ…側面、Ｄ１…上下方向（所定方向）、Ｄ２…幅方向、Ｄ３…積層方向。

Claims (7)

1. 本体部及びタブを有する複数の電極が積層されてなり、前記タブが前記本体部から所定方向の一方側に突出する積層体と、
   熱収縮性を有し、前記積層体を包んで前記積層体に拘束力を付加する包装部材と、
   前記本体部に対して前記所定方向の一方側と他方側とに配置され、前記積層体と共に前記包装部材によって包まれた一対の部材と、を備え、
   前記一対の部材は、前記所定方向から見て、少なくとも前記積層体における前記所定方向と前記電極の積層方向とに直交する幅方向の両側面間にわたって延在している、電極組立体。
2. 前記一対の部材における前記積層方向の両側面は、前記積層体における前記積層方向の両側面間に位置している、請求項１記載の電極組立体。
3. 前記一対の部材の少なくとも一方には、前記所定方向に延在する貫通孔が設けられている、請求項１又は２記載の電極組立体。
4. 前記包装部材は、帯状の熱収縮性フィルムが熱収縮させられてなる、請求項１〜３のいずれか一項記載の電極組立体。
5. 前記包装部材は、袋状の熱収縮性フィルムが熱収縮させられてなる、請求項１〜３のいずれか一項記載の電極組立体。
6. 前記一対の部材の前記積層方向における長さは、前記積層体の前記積層方向における長さよりも小さい、請求項１〜５のいずれか一項記載の電極組立体。
7. 請求項１〜６のいずれか一項記載の電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、を備える蓄電装置。

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