JP6843940B1 - 電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】様々な形状の外装体に対応し、容量の確保、および信頼性の低下の抑制が図られた電気化学セルを提供する。【解決手段】電池は、互いに重ね合わされて扁平に捲回された負極体５０および正極体６０を備える。負極体５０は、展開状態で隣り合う一対の負極本体５１を接続し、表面に負極活物質が配置され、一対の負極本体５１が互いに重なり合うように折り返された複数の負極接続部５２を有する。正極体６０は、展開状態で隣り合う一対の正極本体６１を接続し、表面に正極活物質が配置され、複数の負極接続部５２に対向する複数の正極接続部６２を有する。ｉを３以上、複数の負極接続部５２の個数以下の少なくとも１つの整数とすると、第ｉ負極接続部の負極最小幅は、第（ｉ−２）負極接続部の負極最小幅よりも小さい。第（ｉ−１）正極接続部の正極最小幅は、第ｉ負極接続部の負極最小幅、および第（ｉ−２）負極接続部の負極最小幅よりも小さい。【選択図】図１０

Description

本発明は、電気化学セルに関するものである。

従来、スマートフォンやウエアラブル機器、補聴器などの小型機器の電源として、リチウムイオン二次電池や電気化学キャパシタ等の電気化学セルが広く活用されている。
このような電気化学セルにおいては、電池容量並びに充電電流および放電電流を大きくする観点から、電気化学セル内で対向している電極同士の面積を大きくすることが必要である。電気化学セルの構造としては、一対の帯状の電極を帯状のセパレータを介して対向させた状態で捲回して捲回体を形成し、その捲回体を外装体に収め、電解液を電極およびセパレータに含浸させた構造が知られている。帯状の電極が一定の幅を有する場合には、捲回体は円柱状に形成される。このため、外装体の形状によっては、円柱状に捲回された捲回体を扁平状に変形させる必要がある。

しかしながら、捲回体を扁平状に変形させる場合、変形後の捲回体の形状が直方体状等の比較的単純な形状に限定される。このため、外装体の形状によっては外装体に電極体を高密度で配置することが困難である。

捲回体が平面視で非矩形状に形成された構成が下記特許文献１に開示されている。特許文献１には、正極板および負極板がそれぞれ複数の積層面を連結片で連結した帯状に形成され、正極板の積層面と負極板の積層面とがセパレータを介して交互に積層されるように、正極板および負極板を連結片で折り曲げて扁平形状に捲回して極板群を形成した電池が開示されている。この電池によれば、正極板および負極板それぞれの積層面の形状を適宜設定することで、捲回体が直方体状に形成された構成と比較して、外装体が直方体以外の形状を有する場合に外装体に極板群を高密度で配置できる。

国際公開第０２／１３３０５号

しかしながら、帯状の電極を連結片で折り曲げて扁平形状に捲回する場合、捲回体の平面視形状は連結片が突出した形状となり得る。例えば、特許文献１に開示された構成では、正極板の複数の連結片がそれぞれ同じ幅で延びているとともに、負極板の複数の連結片がそれぞれ同じ幅で延びているので、平面視で連結片が角張るように積層面から突出する。このため、外装体内で捲回体における連結片により形成された突出部の周囲に隙間ができやすい。よって、非矩形状の外装体に扁平形状の捲回体を隙間なく配置することが困難である。

さらに、捲回体を非矩形状に扁平捲回する場合には、帯状の電極が展開状態で複雑な形状となり得るが、この場合であっても一対の電極間の短絡を抑制しなければならない。したがって、従来技術にあっては、非矩形状の外装体を有する電気化学セルにおいて、電極を高密度で配置して容量を確保しつつ、電極間の短絡を抑制して信頼性の低下を抑制するという点で改善の余地がある。

そこで本発明は、様々な形状の外装体に対応し、容量の確保、および信頼性の低下の抑制が図られた電気化学セルを提供するものである。

本発明の電気化学セルは、互いに重ね合わされて扁平に捲回された負極体および正極体を備え、前記負極体は、展開状態で第１方向に一列に並んで配置された複数の負極本体と、前記複数の負極本体のうち展開状態で隣り合う一対の負極本体を接続し、表面に負極活物質が配置され、前記一対の負極本体が互いに重なり合うように折り返された複数の負極接続部と、を有し、前記正極体は、展開状態で第２方向に一列に並んで配置され、前記負極本体に重なる複数の正極本体と、前記複数の正極本体のうち展開状態で隣り合う一対の正極本体を接続し、表面に正極活物質が配置され、前記複数の負極接続部に対向する複数の正極接続部と、を有し、Ｎを自然数とし、前記複数の負極接続部のうち最内周に配置される負極接続部から外周側に向けてＮ番目に位置する負極接続部を第Ｎ負極接続部として定義し、前記複数の正極接続部のうち最内周に配置される正極接続部から外周側に向けてＮ番目に位置する正極接続部を第Ｎ正極接続部として定義し、前記複数の負極接続部それぞれにおいて、前記第１方向に直交する方向の最小幅を負極最小幅と定義し、前記複数の正極接続部それぞれにおいて、前記第２方向に直交する方向の最小幅を正極最小幅と定義した場合、前記負極体は、前記複数の負極本体のうち第１負極接続部に接続する一対の負極本体によって前記正極体の内周側の端部を挟むように捲回され、前記正極体は、前記複数の正極本体のうち第１正極接続部に接続する一対の正極本体によって前記負極体の内周側の端部を挟むように捲回され、ｉを３以上、前記複数の負極接続部の個数以下の少なくとも１つの整数とすると、第ｉ負極接続部の前記負極最小幅は、第（ｉ−２）負極接続部の前記負極最小幅よりも小さく、第（ｉ−１）正極接続部の前記正極最小幅は、第ｉ負極接続部の前記負極最小幅、および第（ｉ−２）負極接続部の前記負極最小幅よりも小さい、ことを特徴とする。

この構成によれば、負極接続部の表面には負極活物質が配置され、負極接続部に対向する正極接続部には正極活物質が配置されているので、負極本体および正極本体のみならず、負極接続部および正極接続部においても放電（二次電池の場合は充放電）を行うことができる。よって、負極接続部および正極接続部の表面に活物質が配置されていない構成と比較して、電気化学セルの容量の向上を図ることができる。
また、上記構成では、負極体は、複数の負極本体が互いに重なり合うように負極接続部が折り返されて捲回される。このため、展開状態で第１負極接続部から外周側に向けて奇数番目に位置する負極接続部は、複数の負極本体が積層される方向から見て負極本体に対する捲回軸方向に直交する方向の一方側に配置される。また、展開状態で第１負極接続部から外周側に向けて偶数番目に位置する負極接続部は、複数の負極本体が積層される方向から見て負極本体に対する前記捲回軸方向に直交する方向の他方側に配置される。上記構成によれば、捲回状態で隣り合う第ｉ負極接続部および第（ｉ−２）負極接続部について、複数の負極本体が積層される方向から見て、外層側の第ｉ負極接続部の幅は、内層側の第（ｉ−２）負極接続部の幅よりも狭くなる。これにより、複数の負極本体が積層される方向から見て、第ｉ負極接続部および第（ｉ−２）負極接続部が負極本体から離れるに従い段階的に幅を狭めるように配置される。よって、複数の負極本体が積層される方向から見て負極体を凹凸の小さい所望の扁平形状に捲回でき、負極体および正極体を外装体内に隙間なく配置することが可能となる。したがって、様々な形状の外装体に対応し、容量の確保が図られた電気化学セルを提供できる。
さらに、上記構成では、捲回状態で隣り合う第ｉ負極接続部および第（ｉ−２）負極接続部との間に第（ｉ−１）正極接続部が配置される。上記構成によれば、第（ｉ−１）正極接続部の正極最小幅は、第ｉ負極接続部の負極最小幅、および第（ｉ−２）負極接続部の負極最小幅よりも小さいので、第（ｉ−１）正極接続部の全体が第ｉ負極接続部および第（ｉ−２）負極接続部それぞれの主面に対向する。これにより、充電時において、第ｉ負極接続部および第（ｉ−２）負極接続部それぞれの外縁で電界集中が生じることを抑制できる。第ｉ負極接続部および第（ｉ−２）負極接続部それぞれの表面には負極活物質が配置されているので、電気化学セルに適用されるイオンを構成する金属を負極活物質に吸収させることができ、電界集中に起因して金属が析出することを抑制できる。よって、負極体および正極体の短絡を抑制して、電気化学セルの信頼性を向上させることができる。

上記の電気化学セルにおいて、ｊを２以上、前記複数の負極接続部の個数未満の全ての整数とすると、第ｊ正極接続部の前記正極最小幅は、第（ｊ＋１）負極接続部の前記負極最小幅、および第（ｊ−１）負極接続部の前記負極最小幅よりも小さくてもよい。

この構成によれば、複数の正極接続部のうち捲回状態で一対の負極接続部の間に配置される全ての正極接続部の全体が負極接続部の主面に対向する。これにより、充電時において、全ての負極接続部それぞれの外縁における電界集中に起因する金属の析出を抑制できる。よって、負極体および正極体の短絡を抑制して、電気化学セルの信頼性を向上させることができる。

上記の電気化学セルにおいて、ｋを前記複数の負極接続部の個数とすると、第ｋ正極接続部の前記正極最小幅は、第（ｋ−１）負極接続部の前記負極最小幅よりも小さくてもよい。

この構成によれば、複数の正極接続部のうち捲回状態で外層側から負極接続部に重なる全ての正極接続部の全体が負極接続部の主面に対向する。これにより、充電時において、全ての負極接続部それぞれの外縁における電界集中に起因する金属の析出をより確実に抑制できる。よって、負極体および正極体の短絡を抑制して、電気化学セルの信頼性を向上させることができる。

上記の電気化学セルにおいて、第１正極接続部の前記正極最小幅は、第２負極接続部の前記負極最小幅よりも小さくてもよい。

この構成によれば、複数の正極接続部のうち捲回状態で内層側から負極接続部に重なる全ての正極接続部の全体が負極接続部の主面に対向する。これにより、充電時において、全ての負極接続部それぞれの外縁における電界集中に起因する金属の析出をより確実に抑制できる。よって、負極体および正極体の短絡を抑制して、電気化学セルの信頼性を向上させることができる。

上記の電気化学セルにおいて、前記複数の負極接続部は、前記複数の負極本体における前記第１方向に直交する方向の両端部よりも内側に配置されていてもよい。

上述したように、複数の負極接続部は、複数の負極本体が積層される方向から見て負極本体に対する捲回軸方向に直交する方向に配置される。上記構成によれば、複数の負極接続部は、複数の負極本体における第１方向に直交する方向の両端部よりも内側に配置されることで、複数の負極本体が積層される方向から見て負極本体から捲回軸方向に直交する方向に突出するように配置される。ここで、複数の負極接続部が一定の幅で負極本体から突出している構成では、複数の負極本体が積層される方向から見た負極体の外形において負極本体と負極接続部との結合部に凹部が形成され、外装体との間に隙間が形成されやすい。そこで、上述したように複数の負極本体が積層される方向から見て、第ｉ負極接続部および第（ｉ−２）負極接続部が負極本体から離れるに従い段階的に幅を狭めるように配置されることで、負極接続部よって上述した凹部を埋めることができる。したがって、外装体内に隙間のできにくい電気化学セルとすることができる。

上記の電気化学セルにおいて、前記正極活物質は、リチウム化合物を含んでいてもよい。

この構成によれば、リチウムイオンを負極体の負極活物質に吸収させることができる。よって、負極体から針状のリチウムが析出することを抑制できる。したがって、負極体および正極体の短絡を抑制して、電気化学セルの信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、様々な形状の外装体に対応し、容量の確保、および信頼性の低下の抑制が図られた電気化学セルを提供できる。

実施形態の電池の斜視図である。 実施形態の電池の断面図である。 実施形態の電極構造体の平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 実施形態の負極体の捲回前における展開図である。 実施形態の正極体の捲回前における展開図である。 実施形態の負極体および正極体の捲回方法を示す図である。 負極体および正極体の平面図であって、第１負極本体と第２正極本体との位置関係を維持した状態で電極構造体を展開した図である。 負極体および正極体の平面図であって、第２負極本体と第１正極本体との位置関係を維持した状態で電極構造体を展開した図である。 負極体および正極体それぞれの一部を示す平面図であって、第９負極接続部と第８正極接続部との位置関係を維持した状態で電極構造体を展開した図である。 負極体および正極体それぞれの一部を示す平面図であって、第７負極接続部と第８正極接続部との位置関係を維持した状態で電極構造体を展開した図である。 収容部に収容された負極体を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。また以下の説明では、電気化学セルとして、非水電解質二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」という。）を例に挙げて説明する。

図１は、実施形態の電池の斜視図である。図２は、実施形態の電池の断面図である。
図１および図２に示すように、電池１は、平面視円形状のいわゆるボタン形の電池である。電池１は、正極活物質および負極活物質を有する発電要素の電極構造体４０と、電極構造体４０に含浸される電解液（図示せず）と、電極構造体４０を収容する外装体１０と、を備える。

外装体１０は、電池１の外郭を形成している。外装体１０は、電極構造体４０が収容される収容部１１と、収容部１１の外周１１ａに沿って折り曲げられた封止部１２と、を備える。封止部１２は、例えば絞り成形によって、収容部１１の外周１１ａに沿って折り曲げられている。

また、外装体１０は、電極構造体４０を間に挟む第１容器２０および第２容器３０を備える。第１容器２０および第２容器３０は、それぞれラミネートフィルムにより形成されている。ラミネートフィルムは、金属層（金属箔）と、重ね合わせ面（内側面）に設けられ金属層を被覆する樹脂製の融着層と、外側面に設けられ金属層を被覆する樹脂製の保護層と、を有する。金属層は、例えばステンレスやアルミニウム等の外気や水蒸気を遮断する金属材料を用いて形成されている。重ね合わせ面の融着層は、例えば、ポリオレフィンのポリエチレンやポリプロピレン等の熱可塑性樹脂を用いて形成されている。外側面の保護層は、例えば、上述のポリオレフィンや、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ナイロン等を用いて形成されている。

第１容器２０は、円形状の第１底壁部２１と、第１底壁部２１の外周から筒状に延びる第１周壁部２２と、第１周壁部２２の開口縁から拡径して筒状に延びる第１鍔部２３と、を備える。第１底壁部２１には、第１貫通孔２４が形成されている。例えば、第１貫通孔２４は、第１底壁部２１の中心に形成されている。

第１底壁部２１の内面には、第１シーラントリング２５を介して銅プレート２６が熱融着されている。第１シーラントリング２５は、シーラントフィルムをリング状にしたものである。シーラントフィルムは、ポリオレフィンのポリエチレンやポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂を用いて形成されている。

銅プレート２６の内面は、後述する負極リード２（図３参照）に接続されている。銅プレート２６の外面の中央には、ニッケルプレート２７が溶接されている。ニッケルプレート２７は、第１貫通孔２４を貫通して外部に露出され、電池１の負極端子として機能する。また、銅プレート２６に代えて、ニッケル製のプレート材を用いることもできる。この場合、ニッケルプレート２７を設けなくてもよい。

第１周壁部２２は、収容部１１の外周１１ａの一部を形成する。第１鍔部２３は、第１周壁部２２の開口縁から径方向外方に突出し、さらに略一定の径で第１底壁部２１から離れる側に延びている。

第２容器３０は、円形状の第２底壁部３１と、第２底壁部３１の外周から筒状に延びる第２周壁部３２と、第２周壁部３２の開口縁から拡径して筒状に延びる第２鍔部３３と、を備える。

第２底壁部３１は、電極構造体４０を挟んで第１容器２０の第１底壁部２１とは反対側に配置されている。第２底壁部３１は、第１容器２０の第１底壁部２１と略同径に形成されている。第２底壁部３１には、第２貫通孔３４が形成されている。例えば、第２貫通孔３４は、第２底壁部３１の中心に形成されている。

第２底壁部３１の内面には、第２シーラントリング３５を介してステンレスプレート３６が熱融着されている。第２シーラントリング３５は、第１シーラントリング２５と同様に、熱可塑性樹脂により形成されている。

ステンレスプレート３６の内面は、後述する正極リード３（図３参照）に接続されている。ステンレスプレート３６の外面の中央には、ニッケルプレート３７が溶接されている。ニッケルプレート３７は、第２貫通孔３４を貫通して外部に露出され、電池１の正極端子として機能する。なお、例えば、ステンレスプレート３６に代えて、アルミニウム製のプレート材を用いることもできる。

第２周壁部３２は、第２底壁部３１の外周から第１容器２０の第１底壁部２１に向けて延びている。第２周壁部３２は、第１周壁部２２とともに、収容部１１の外周１１ａを形成する。第２鍔部３３は、第２周壁部３２の開口縁から径方向外方に突出し、さらに略一定の径で第２周壁部３２に沿って第２底壁部３１側に延びている。第２鍔部３３は、第２周壁部３２に対して外側に間隔をおいて配置されている。

第２周壁部３２は、第１鍔部２３の内側で、かつ、第２鍔部３３の内側に配置されている。また、第２鍔部３３は、第１鍔部２３の内側に配置されている。第２鍔部３３の融着層は、第１鍔部２３の融着層に熱融着されている。

収容部１１は、第１容器２０と第２容器３０との間で電極構造体４０を収容する。具体的に、収容部１１は、第１底壁部２１、第１周壁部２２、第２底壁部３１、および第２周壁部３２により形成され、平面視で円形状に形成されている。封止部１２は、平面視で収容部１１の周囲の全周で第１容器２０と第２容器３０とが重なり合って形成されている。具体的に、封止部１２は、第１容器２０の第１鍔部２３の融着層と、第２容器３０の第２鍔部３３の融着層と、が熱融着されることにより形成されている。これにより、第１容器２０および第２容器３０が重ね合わされて外装体１０が形成される。封止部１２は、外装体１０の第１容器２０と第２容器３０との重ね合わせ方向で、収容部１１の中間部から突出している。

図３は、実施形態の電極構造体の平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。
図３および図４に示すように、電極構造体４０は、シート状の負極体５０、正極体６０およびセパレータ７０を備える。電極構造体４０は、負極体５０および正極体６０を互い違いに積層するように折り畳まれた積層タイプの電極体である。具体的に、電極構造体４０は、セパレータ７０を介して負極体５０と正極体６０とを重ね合わせて扁平に捲回されることにより形成されている。負極体５０および正極体６０は、セパレータ７０とともに所定の捲回軸線Ｏを中心として捲回されている。セパレータ７０は、負極体５０および正極体６０の層間の全体に配置され、負極体５０と正極体６０とを絶縁している。

負極体５０は、金属材料により形成された負極集電箔と、負極集電箔に塗工された負極活物質と、を備えた１枚のシート状の部材である。負極集電箔は、例えば銅やステンレス等の金属箔により形成されている。負極活物質は、例えば、シリコン酸化物やグラファイト、ハードカーボン、チタン酸リチウム、ＬｉＡｌ等である。

正極体６０は、金属材料により形成された正極集電箔と、正極集電箔に塗工された正極活物質と、を備えた１枚のシート状の部材である。正極集電箔は、例えばアルミニウムやステンレス等の金属箔により形成されている。正極活物質は、例えば、コバルト酸リチウムやチタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のように、リチウムと遷移金属とを含む複合酸化物である。

セパレータ７０は、リチウムイオンを通す特性を有する部材である。セパレータ７０は、例えばポリオレフィン製の樹脂ポーラスフィルムやガラス製不織布、樹脂製不織布、セルロース繊維の積層体等により形成されている。

電極構造体４０は、電極構造体４０の厚さ方向から見た平面視で非矩形状に形成されている。具体的に、電極構造体４０は、収容部１１内の密封空間の形状に対応し、平面視で円形状に形成されている。なお、以下の説明では、電極構造体４０の厚さ方向を単に厚さ方向といい、捲回軸線Ｏに沿う方向を軸方向といい、厚さ方向および軸方向に直交する方向を軸直方向という。厚さ方向は、外装体１０の第１容器２０と第２容器３０との重ね合わせ方向に一致している。

ここで、電極構造体４０の展開状態における負極体５０の形状について説明する。
図５は、実施形態の負極体の捲回前における展開図である。
図５に示すように、負極体５０は、捲回される前の展開状態で、全体として帯状に形成されている。負極体５０は、一列に並んで配置された複数（図示の例では１０個）の負極本体５１と、隣り合う一対の負極本体５１を接続する複数（図示の例では９個）の負極接続部５２と、を有する。負極本体５１は、電極構造体４０において積層方向の垂直面に沿って平坦に延びる部分である（図４参照）。負極接続部５２は、複数の負極本体５１が互いに重なるように、電極構造体４０の側部において折り返される部分である（図４参照）。各負極本体５１は、平面視で負極体５０の幅が極大となる部分を１つずつ含む。各負極接続部５２は、平面視で負極体５０の幅が極小となる部分を１つずつ含む。

以下、複数の負極本体５１が並ぶ方向を負極長手方向（第１方向）と称し、負極長手方向に直交する方向を負極短手方向と称する。また、負極長手方向において、複数の負極本体５１のうち電極構造体４０の最も捲回中心側に配置される負極本体５１に対し、電極構造体４０の外周側に配置される負極本体５１側を「外周側」と定義し、その反対方向を「内周側」と定義する。また、以下では、複数の負極本体５１について、最内周の負極本体５１から外周側に順に序数を付して説明する。換言すると、Ｎを自然数とし、最内周の負極本体５１から外周側に向けてＮ番目に位置する負極本体を第Ｎ負極本体と定義する。複数の負極接続部５２についても同様である。さらに、複数の負極接続部５２は、第１負極接続部５２Ａから外周側に向けて奇数番目に位置する全ての負極接続部５２が属する第１群５３と、第１負極接続部５２Ａから外周側に向けて偶数番目に位置する全ての負極接続部５２が属する第２群５４と、を備える。

負極体５０は、平面視で負極連結方向に沿う中心線を対称軸として線対称に形成されている。複数の負極本体５１は、展開状態で、負極短手方向におけるそれぞれの中心が負極長手方向に沿う同一直線上に位置するように配置されている。各負極本体５１は、所定の径の円に対し、負極長手方向における両端部を切り欠いた形状に形成されている。複数の負極接続部５２は、負極長手方向で隣り合う一対の負極本体５１の間に設けられている。各負極接続部５２は、その負極接続部５２に接続された一対の負極本体５１のそれぞれにおける負極短手方向の両端部よりも内側に配置されている。

負極体５０の外周側の端部には、負極リード２が接続されている。負極リード２は、上述した銅プレート２６に接続される部分である。負極リード２は、最外周に配置される負極本体５１から負極長手方向に沿って延出している。負極リード２は、負極体５０の負極集電箔と同一部材により一体的に形成されている。

ここで、各負極接続部５２において、負極短手方向の最小幅を負極最小幅（図５の符号Ｗ１参照）と定義する。第１群５３に属する負極接続部５２のうち少なくとも一部の負極接続部５２は、展開状態で内周側から外周側に向けて負極最小幅が順次小さくなるように負極連結方向に連続して並んでいる。本実施形態では、第１群５３に属する全ての負極接続部５２は、展開状態で内周側から外周側に向けて負極最小幅が順次小さくなるように負極連結方向に並んでいる。第２群５４に属する負極接続部５２のうち少なくとも一部の負極接続部５２は、展開状態で内周側から外周側に向けて負極最小幅が順次小さくなるように負極連結方向に連続して並んでいる。本実施形態では、第２群５４に属する負極接続部５２のうち最外周の第８負極接続部５２Ｈ以外の負極接続部５２は、展開状態で内周側から外周側に向けて負極最小幅が順次大きくなるように負極連結方向に並んでいる。以上により、ｉを３以上、複数の負極接続部５２の個数（すなわち９）以下の少なくとも１つの整数（本実施形態ではｉは３から７、および９）とすると、第ｉ負極接続部５２の負極最小幅は、第（ｉ−２）負極接続部５２の負極最小幅よりも小さくなっている。

さらに、複数の負極接続部５２のうち少なくとも一部の負極接続部５２は、展開状態で内周側から外周側に向けて負極最小幅が順次小さくなるように負極連結方向に連続して並んでいる。本実施形態では、第１負極接続部５２Ａから第７負極接続部５２Ｇは、展開状態で内周側から外周側に向けて負極最小幅が順次小さくなる、または等しくなるように並んでいる。つまり、ｍを２以上の連続する複数の整数（本実施形態ではｍは２から７）とすると、第ｍ負極接続部５２の負極最小幅は、第（ｍ−１）負極接続部５２の負極最小幅以下となっている。なお、第８負極接続部５２Ｈおよび第９負極接続部５２Ｉそれぞれの負極最小幅は互いに等しく、かつ第７負極接続部５２Ｇの負極最小幅よりも大きい。

次に、電極構造体４０の展開状態における正極体６０の形状について説明する。
図６は、実施形態の正極体の捲回前における展開図である。
図６に示すように、正極体６０は、捲回される前の展開状態で、全体として帯状に形成されている。正極体６０は、一列に並んで配置された複数（図示の例では１０個）の正極本体６１と、隣り合う一対の正極本体６１を接続する少なくとも１つ（図示の例では９個）の正極接続部６２と、を有する。正極本体６１は、電極構造体４０において積層方向の垂直面に沿って平坦に延びる部分である（図３参照）。正極接続部６２は、複数の正極本体６１が負極本体５１に重なるように、電極構造体４０の側部において折り返される部分である（図３参照）。各正極本体６１は、平面視で正極体６０の幅が極大となる部分を１つずつ含む。各正極接続部６２は、平面視で正極体６０の幅が極小となる部分を１つずつ含む。

以下、複数の正極本体６１が並ぶ方向を正極長手方向（第２方向）と称し、正極長手方向に直交する方向を正極短手方向と称する。また、正極長手方向において、複数の正極本体６１のうち電極構造体の最も捲回中心側に配置される正極本体６１に対し、電極構造体４０の外周側に配置される正極本体６１側を「外周側」と定義し、その反対方向を「内周側」と定義する。また、以下では、複数の正極本体６１および複数の正極接続部６２について、負極本体５１および負極接続部５２と同様に序数を付して説明する。

正極体６０は、平面視で正極連結方向に沿う中心線を対称軸として線対称に形成されている。複数の正極本体６１は、負極本体５１と同数設けられている。複数の正極本体６１は、展開状態で、正極短手方向におけるそれぞれの中心が正極長手方向に沿う同一直線上に位置するように配置されている。各正極本体６１は、負極本体５１よりも小径の円に対し、正極長手方向における両端部を切り欠いた形状に形成されている。これにより、各正極本体６１の正極短手方向の寸法は、負極本体５１の負極短手方向の寸法よりも小さい。複数の正極接続部６２は、正極長手方向で隣り合う一対の正極本体６１の間に設けられている。

正極体６０の外周側の端部には、正極リード３が接続されている。正極リード３は、上述したステンレスプレート３６に接続される部分である。正極リード３は、最外周に配置される正極本体６１から正極長手方向に沿って延出している。正極リード３は、正極体６０の正極集電箔と同一部材により一体的に形成されている。

ここで、各正極接続部６２において、正極短手方向の最小幅を正極最小幅（図６の符号Ｗ２参照）と定義する。ｊを２以上、複数の負極接続部５２の個数（すなわち９）未満の全ての整数とすると、第ｊ正極接続部６２の正極最小幅は、第（ｊ＋１）負極接続部５２の負極最小幅、および第（ｊ−１）負極接続部５２の負極最小幅よりも小さくなっている。よって、上述した整数ｉを用いると、第（ｉ−１）正極接続部６２の正極最小幅は、第ｉ負極接続部５２の負極最小幅、および第（ｉ−２）負極接続部５２の負極最小幅よりも小さい。なお、第１正極接続部６２Ａの正極最小幅は、第２負極接続部５２Ｂ（図５参照）の負極最小幅よりも小さくなっている。また、第９正極接続部６２Ｉの正極最小幅は、第８負極接続部５２Ｈ（図５参照）の負極最小幅よりも小さくなっている。

次に、負極体５０および正極体６０の捲回構造について説明する。
負極体５０および正極体６０は、それぞれの展開状態における短手方向の中心が互いに重なるように配置された状態で捲回されている。負極体５０は、各負極本体５１を平坦にしたまま各負極接続部５２を折り返すことにより捲回されている。各負極接続部５２は、その負極接続部５２に接続する一対の負極本体５１が厚さ方向から見て互いに重なり合うように折り返されている。正極体６０は、各正極本体６１を平坦にしたまま各正極接続部６２を折り返すことにより捲回されている。各正極接続部６２は、その正極接続部６２に接続する一対の正極本体６１が厚さ方向から見て互いに重なり合うように折り返されている。複数の負極本体５１および複数の正極本体６１は、厚さ方向に交互に積層されている。複数の負極本体５１および複数の正極本体６１は、平面視でそれぞれの中心点が捲回軸線Ｏ上で互いに一致するように配置されている。複数の負極接続部５２および複数の正極接続部６２のそれぞれは、電極構造体４０における軸直方向の端部に配置されている。

図７は、実施形態の負極体および正極体の捲回方法を示す図である。なお、図７ではセパレータの図示を省略している（以下の図でも同様）。
図７に示すように、最初に、負極体５０の第１負極本体５１Ａと正極体６０の第１正極本体６１Ａとを互いに重ねる。この際、第１負極本体５１Ａと第１正極本体６１Ａとの間に巻き芯を介在させてもよい。続いて、負極体５０および正極体６０を第１負極本体５１Ａおよび第１正極本体６１Ａの周囲に捲回する。

具体的に、負極体５０および正極体６０を以下の手順で捲回する。負極体５０の第１負極接続部５２Ａを折り返し、第１負極本体５１Ａとは反対側で第１正極本体６１Ａに第２負極本体５１Ｂを重ねる。この際、第１負極本体５１Ａおよび第２負極本体５１Ｂは、第１負極本体５１Ａと第１正極本体６１Ａとの重ね合わせ方向から見てそれぞれの中心点が互いに重なるように配置される。また、正極体６０の第１正極接続部６２Ａを折り返し、第１正極本体６１Ａとは反対側で第１負極本体５１Ａに第２正極本体６１Ｂを重ねる。この際、第１正極本体６１Ａおよび第２正極本体６１Ｂは、第１負極本体５１Ａと第１正極本体６１Ａとの重ね合わせ方向から見てそれぞれの中心点が互いに重なるように配置される。その後も、各負極本体５１が互いに重なるように各負極接続部５２を折り返すとともに、各正極本体６１が互いに重なるように各正極接続部６２を折り返す。これにより、負極体５０は、第１負極本体５１Ａおよび第２負極本体５１Ｂによって第１正極本体６１Ａを挟むように捲回される。正極体６０は、第１正極本体６１Ａおよび第２正極本体６１Ｂによって第１負極本体５１Ａを挟むように捲回される。このように負極接続部５２および正極接続部６２を順に折り返すことにより負極体５０および正極体６０が捲回される。

次に、負極体５０と正極体６０との位置関係について説明する。
図４に示すように、複数の正極本体６１は、セパレータ７０を介して負極本体５１に対向している。第１０正極本体６１Ｊは、セパレータ７０を介して１つの負極本体５１に対向している。複数の正極本体６１のうち第１０正極本体６１Ｊ以外の正極本体６１は、セパレータ７０を介して一対の負極本体５１に対向している。例えば、第１正極本体６１Ａは、セパレータ７０を介して第１負極本体５１Ａおよび第２負極本体５１Ｂに対向している。

複数の正極接続部６２は、セパレータ７０を介して負極接続部５２に対向している。第１正極接続部６２Ａおよび第９正極接続部６２Ｉは、セパレータ７０を介して１つの負極接続部５２に対向している。複数の正極接続部６２のうち第１正極接続部６２Ａおよび第９正極接続部６２Ｉを除く第Ｎ正極接続部６２は、セパレータ７０を介して第（Ｎ＋１）負極接続部５２および第（Ｎ−１）負極接続部５２に対向している。

図８は、負極体および正極体の平面図であって、第１負極本体と第２正極本体との位置関係を維持した状態で電極構造体を展開した図である。図９は、負極体および正極体の平面図であって、第２負極本体と第１正極本体との位置関係を維持した状態で電極構造体を展開した図である。
図８および図９に示すように、各正極本体６１の正極短手方向の寸法が負極本体５１の負極短手方向の寸法よりも小さいことで、第１正極本体６１Ａの全体は、対向する第２負極本体５１Ｂの外縁よりも厚さ方向から見て内側に位置している。また、第２正極本体６１Ｂの全体は、対向する第１負極本体５１Ａの外縁よりも厚さ方向から見て内側に位置している。このように、各正極本体６１の全体は、対向する１つまたは一対の負極本体５１の外縁よりも厚さ方向から見て内側に位置し、セパレータ７０を介して負極本体５１の主面に対向している。

図１０は、負極体および正極体それぞれの一部を示す平面図であって、第９負極接続部と第８正極接続部との位置関係を維持した状態で電極構造体を展開した図である。図１１は、負極体および正極体それぞれの一部を示す平面図であって、第７負極接続部と第８正極接続部との位置関係を維持した状態で電極構造体を展開した図である。
図１０に示すように、第８正極接続部６２Ｈの正極最小幅が第９負極接続部５２Ｉの負極最小幅よりも小さいことで、第８正極接続部６２Ｈの全体は、第９負極接続部５２Ｉと第８正極接続部６２Ｈとが重なり合う方向から見て第９負極接続部５２Ｉの外縁よりも内側に位置している。また、図１１に示すように、第８正極接続部６２Ｈの正極最小幅が第７負極接続部５２Ｇの負極最小幅よりも小さいことで、第８正極接続部６２Ｈの全体は、第７負極接続部５２Ｇと第８正極接続部６２Ｈとが重なり合う方向から見て第７負極接続部５２Ｇの外縁よりも内側に位置している。

このように、上述した整数ｊを用いると、第ｊ正極接続部６２の正極最小幅が第（ｊ＋１）負極接続部５２の負極最小幅よりも小さいことで、第ｊ正極接続部６２の全体は、第（ｊ＋１）負極接続部５２と第ｊ正極接続部６２とが重なり合う方向から見て第（ｊ＋１）負極接続部５２の外縁よりも内側に位置している。また、第ｊ正極接続部６２の正極最小幅が第（ｊ−１）負極接続部５２の負極最小幅よりも小さいことで、第ｊ正極接続部６２の全体は、第（ｊ−１）負極接続部５２と第ｊ正極接続部６２とが重なり合う方向から見て第（ｊ−１）負極接続部５２の外縁よりも内側に位置している。

なお、図示しないが、第１正極接続部６２Ａの正極最小幅が第２負極接続部５２Ｂの負極最小幅よりも小さいことで、第１正極接続部６２Ａの全体は、第２負極接続部５２Ｂと第１正極接続部６２Ａとが重なり合う方向から見て第２負極接続部５２Ｂの外縁よりも内側に位置している。また、第９正極接続部６２Ｉの正極最小幅が第８負極接続部５２Ｈの負極最小幅よりも小さいことで、第９正極接続部６２Ｉの全体は、第８負極接続部５２Ｈと第９正極接続部６２Ｉとが重なり合う方向から見て第８負極接続部５２Ｈの外縁よりも内側に位置している。以上により、各正極接続部６２の全体は、セパレータ７０を介して負極接続部５２の主面に対向している。

以上に説明したように、本実施形態の電池１では、負極体５０は、展開状態で一列に並んで配置された複数の負極本体５１と、表面に負極活物質が配置され、一対の負極本体５１が互いに重なり合うように折り返された複数の負極接続部５２と、を有し、正極体６０は、負極本体５１に重なる複数の正極本体６１と、表面に正極活物質が配置され、複数の負極接続部５２に対向する複数の正極接続部６２と、を有する。この構成によれば、負極接続部５２の表面には負極活物質が配置され、負極接続部５２に対向する正極接続部６２には正極活物質が配置されているので、負極本体５１および正極本体６１のみならず、負極接続部５２および正極接続部６２においても充放電を行うことができる。よって、負極接続部５２および正極接続部６２の表面に活物質が配置されていない構成と比較して、電池１の容量の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、負極体５０は、複数の負極本体５１が互いに重なり合うように負極接続部５２が折り返されて捲回される。このため、展開状態で第１負極接続部５２Ａから外周側に向けて奇数番目に位置する負極接続部５２は、厚さ方向から見て負極本体５１に対する軸直方向の一方側に配置される。また、展開状態で第１負極接続部５２Ａから外周側に向けて偶数番目に位置する負極接続部５２は、厚さ方向から見て負極本体５１に対する軸直方向の他方側に配置される。

図１２は、収容部に収容された負極体を示す平面図である。
図１２に示すように、本実施形態によれば、ｉを３以上、複数の負極接続部５２の個数以下の少なくとも１つの整数とすると、捲回状態で隣り合う第ｉ負極接続部５２および第（ｉ−２）負極接続部５２について、厚さ方向から見て、外層側の第ｉ負極接続部５２の幅は、内層側の第（ｉ−２）負極接続部５２の幅よりも狭くなる。これにより、複数の負極本体５１は、厚さ方向から見て、第ｉ負極接続部５２および第（ｉ−２）負極接続部５２が負極本体５１から離れるに従い段階的に幅を狭めるように配置される。よって、厚さ方向から見て負極体５０を凹凸の小さい所望の扁平形状に捲回でき、負極体５０および正極体６０を外装体１０内に隙間なく配置することが可能となる。したがって、様々な形状の外装体に対応し、容量の確保が図られた電池１とすることができる。

さらに、本実施形態では、負極体５０は、第１負極本体５１Ａおよび第２負極本体５１Ｂによって第１正極本体６１Ａを挟むように捲回され、正極体６０は、第１正極本体６１Ａおよび第２正極本体６１Ｂによって第１負極本体５１Ａを挟むように捲回されている。このため、捲回状態で隣り合う第ｉ負極接続部５２および第（ｉ−２）負極接続部５２との間に第（ｉ−１）正極接続部６２が配置される。本実施形態によれば、第（ｉ−１）正極接続部６２の正極最小幅は、第ｉ負極接続部５２の負極最小幅、および第（ｉ−２）負極接続部５２の負極最小幅よりも小さいので、第（ｉ−１）正極接続部６２の全体が第ｉ負極接続部５２および第（ｉ−２）負極接続部５２それぞれの主面に対向する。これにより、充電時において、第ｉ負極接続部５２および第（ｉ−２）負極接続部５２それぞれの外縁で電界集中が生じることを抑制できる。第ｉ負極接続部５２および第（ｉ−２）負極接続部５２それぞれの表面には負極活物質が配置されているので、リチウムイオンを負極活物質に吸収させることができ、電界集中に起因して負極体５０から針状のリチウムが析出することを抑制できる。よって、負極体５０および正極体６０の短絡を抑制して、電池１の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態では、ｊを２以上、複数の負極接続部５２の個数未満の全ての整数とすると、第ｊ正極接続部６２の正極最小幅は、第（ｊ＋１）負極接続部５２の負極最小幅、および第（ｊ−１）負極接続部５２の負極最小幅よりも小さい。この構成によれば、複数の正極接続部６２のうち捲回状態で一対の負極接続部５２の間に配置される全ての正極接続部６２の全体が負極接続部５２の主面に対向する。これにより、充電時において、全ての負極接続部５２それぞれの外縁における電界集中に起因するリチウムの析出を抑制できる。よって、負極体５０および正極体６０の短絡を抑制して、電池１の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態では、第９正極接続部６２Ｉの正極最小幅は、第８負極接続部５２Ｈの負極最小幅よりも小さい。この構成によれば、複数の正極接続部６２のうち捲回状態で外層側から負極接続部５２に重なる全ての正極接続部６２の全体が負極接続部５２の主面に対向する。これにより、充電時において、全ての負極接続部５２それぞれの外縁における電界集中に起因するリチウムの析出をより確実に抑制できる。よって、負極体５０および正極体６０の短絡を抑制して、電池１の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態では、第１正極接続部６２Ａの正極最小幅は、第２負極接続部５２Ｂの負極最小幅よりも小さい。この構成によれば、複数の正極接続部６２のうち捲回状態で内層側から負極接続部５２に重なる全ての正極接続部６２の全体が負極接続部５２の主面に対向する。これにより、充電時において、全ての負極接続部５２それぞれの外縁における電界集中に起因するリチウムの析出をより確実に抑制できる。よって、負極体５０および正極体６０の短絡を抑制して、電池１の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態では、複数の負極接続部５２は、複数の負極本体５１における負極短手方向両端部よりも内側に配置されている。上述したように、複数の負極接続部５２は、厚さ方向から見て負極本体５１に対する軸直方向に配置される。本実施形態によれば、複数の負極接続部５２は、厚さ方向から見て負極本体５１から軸直方向に突出するように配置される。ここで、複数の負極接続部が一定の幅で負極本体から突出している構成では、厚さ方向から見た負極体の外形において負極本体と負極接続部との結合部に凹部が形成され、外装体との間に隙間が形成されやすい。そこで、上述したように厚さ方向から見て、第ｉ負極接続部５２および第（ｉ−２）負極接続部５２が負極本体５１から離れるに従い段階的に幅を狭めるように配置されることで、負極接続部５２よって上述した凹部を埋めることができる。したがって、外装体１０内に隙間のできにくい電池１とすることができる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態では、電気化学セルの一例として、二次電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、電気二重層キャパシタおよび一次電池等に上述した構成を適用してもよい。また、電池としてリチウムイオン二次電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、金属リチウム二次電池等のリチウムイオン二次電池以外の二次電池であってもよい。
なお、電気二重層キャパシタに上述した構成を適用する場合、電気二重層キャパシタは機能上正負の区別がない一対の電極を備えるが、一方の電極を上記負極体と同様に構成し、他方の電極を上記正極体と同様に構成すればよい。

また、上記実施形態では、複数の負極本体５１および複数の正極本体６１が互いに同数設けられているが、これに限定されない。負極本体および正極本体の一方は、他方よりも１つ多く設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、電極構造体４０が平面視で円形状に形成されているが、これに限定されない。例えば、電極構造体は、長軸または短軸が軸方向に沿う長円形状や、対角線が軸方向に沿う菱形状等に形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、外装体１０の第１容器２０および第２容器３０の両方がラミネートフィルムにより形成されている。しかしながらこれに限定されず、第１容器および第２容器の一方が、ステンレスやアルミニウム等からなる金属缶により形成されていてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１…電池（電気化学セル） ５０…負極体 ５１…負極本体 ５２…負極接続部 ５２Ｂ…第２負極接続部 ６０…正極体 ６１…正極本体 ６２…正極接続部 ６２Ａ…第１正極接続部 Ｗ１…負極最小幅 Ｗ２…正極最小幅

Claims (6)

1. 互いに重ね合わされて扁平に捲回された負極体および正極体を備え、
   前記負極体は、
   展開状態で第１方向に一列に並んで配置された複数の負極本体と、
   前記複数の負極本体のうち展開状態で隣り合う一対の負極本体を接続し、表面に負極活物質が配置され、前記一対の負極本体が互いに重なり合うように折り返された複数の負極接続部と、
   を有し、
   前記正極体は、
   展開状態で第２方向に一列に並んで配置され、前記負極本体に重なる複数の正極本体と、
   前記複数の正極本体のうち展開状態で隣り合う一対の正極本体を接続し、表面に正極活物質が配置され、前記複数の負極接続部に対向する複数の正極接続部と、
   を有し、
   Ｎを自然数とし、
   前記複数の負極接続部のうち最内周に配置される負極接続部から外周側に向けてＮ番目に位置する負極接続部を第Ｎ負極接続部として定義し、
   前記複数の正極接続部のうち最内周に配置される正極接続部から外周側に向けてＮ番目に位置する正極接続部を第Ｎ正極接続部として定義し、
   前記複数の負極接続部それぞれにおいて、前記第１方向に直交する方向の最小幅を負極最小幅と定義し、
   前記複数の正極接続部それぞれにおいて、前記第２方向に直交する方向の最小幅を正極最小幅と定義した場合、
   前記負極体は、前記複数の負極本体のうち第１負極接続部に接続する一対の負極本体によって前記正極体の内周側の端部を挟むように捲回され、
   前記正極体は、前記複数の正極本体のうち第１正極接続部に接続する一対の正極本体によって前記負極体の内周側の端部を挟むように捲回され、
   ｉを３以上、前記複数の負極接続部の個数以下の少なくとも１つの整数とすると、
   第ｉ負極接続部の前記負極最小幅は、第（ｉ−２）負極接続部の前記負極最小幅よりも小さく、
   第（ｉ−１）正極接続部の前記正極最小幅は、第ｉ負極接続部の前記負極最小幅、および第（ｉ−２）負極接続部の前記負極最小幅よりも小さい、
   ことを特徴とする電気化学セル。
2. ｊを２以上、前記複数の負極接続部の個数未満の全ての整数とすると、
   第ｊ正極接続部の前記正極最小幅は、第（ｊ＋１）負極接続部の前記負極最小幅、および第（ｊ−１）負極接続部の前記負極最小幅よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
3. ｋを前記複数の負極接続部の個数とすると、
   第ｋ正極接続部の前記正極最小幅は、第（ｋ−１）負極接続部の前記負極最小幅よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気化学セル。
4. 第１正極接続部の前記正極最小幅は、第２負極接続部の前記負極最小幅よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電気化学セル。
5. 前記複数の負極接続部は、前記複数の負極本体における前記第１方向に直交する方向の両端部よりも内側に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気化学セル。
6. 前記正極活物質は、リチウム化合物を含む、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気化学セル。

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