JP2019207746A - 積層型電池用電極及び積層型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】接合時の電極端子部の接触不良を低減する積層型電池の電極を得ること。【解決手段】本発明の積層型電池１０の電極１０１、２０１は、電極集電箔１０４、２０４と、電極集電箔上に形成された電極合材層１０５、２０５と、電極合材層の上に形成されたセパレータ１０６、２０６と、を有しており、電極は、電極積層部と、電極積層部から突出する電極端子部１０３、２０３を有し、電極端子部を電極の積層方向から見たときに電極合材層が露出していることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、積層型電池用電極及び積層型電池に関する。

電池自動車等に用いられる二次電池の形状として、捲回円筒型、捲回角型、積層型等があげられる。例えば、特許文献１には、以下のような積層型二次電池が開示されている。非水電解質二次電池の電極体１４は、セパレータ２２を挟んで重ね合わされた正極１８および負極２０を有し、負極は、外縁を有する負極集電体２０ａと、負極集電体の外縁から突出し負極集電体と一体に形成された負極タブ２０ｃと、負極集電体の全幅に亘って、かつ負極タブの基端部上に担持されたチタン酸リチウムを含む負極活物質層２０ｂと、を有している。負極２０は、負極活物質層２０ｂが負極タブに形成された部分を除いて、正極活物質層１８ｂの外縁の内側に位置した状態で正極１８と重ね合わされ、負極タブの基端部に形成された部分を含む負極活物質層の幅Ｈ１、負極タブ以外の部分における負極活物質層および負極集電体の幅Ｈ２、正極集電体１８ａおよび正極活物質層の幅Ｈ３は、Ｈ２＜Ｈ３、かつ、（Ｈ１−Ｈ２）≧（Ｈ３−Ｈ２)÷２である。

特開２０１０−８６８１３号公報

特許文献１では、負極タブの基端部上に負極活物質層が担持されており、セパレータは、負極よりも大きく形成され、その外周は、負極の外側で、かつ、正極タブおよび負極タブを超えない範囲に形成されている。二次電池の外部端子として複数の電極タブを接合する際、セパレータ等の電子電導パスがない材料が電極タブ間に介在していると、電極タブの接合不良を起こす可能性がある。電池のエネルギー密度を向上させるために、電極タブの長さを小さくした場合、特許文献１の構造では、セパレータの存在により、電極タブの接触不良を起こす可能性がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、接合時の電極タブの接触不良を低減させる積層型電池用電極及び積層型電池を得ることである。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
電極集電箔と、前記電極集電箔の上に形成された電極合材層と、前記電極合材層の上に形成されたセパレータと、を有する積層型電池の電極であって、前記電極は、電極積層部と、前記電極積層部から突出する電極端子部を有し、前記電極端子部を前記電極の積層方向から見たときに前記電極合材層が露出していることを特徴とする積層型電池の電極。

本発明によれば、接合時の電極端子部の接触不良を低減できる。本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る積層型電池の一例を示す平面模式図。 図１のＡ−Ａ’線断面矢視図。 正極端子部の平面拡大図。 負極端子部の平面拡大図。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本実施形態では、主にリチウムイオン二次電池の構造について説明するが、本発明は、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛電池、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池等の二次電池や一次電池においても固体電解質を用いた積層型電池であれば適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る積層型電池の一例を示す平面模式図である。図中のＸ方向とＹ方向を含む面に沿った方向を面内方向と定義し、面内方向に垂直なＺ方向を積層方向と定義する。

積層型電池１０は、電極として正極１０１と負極２０１を有する。正極１０１と負極２０１は、不図示の電池容器もしくは絶縁樹脂で被覆されている。正極１０１は、正極積層部１０２と正極端子部（電極タブ）１０３を有し、負極２０１は、負極積層部２０２と、負極端子部（電極タブ）２０３を有する。正極積層部１０２と負極積層部２０２は、平面視略矩形のシート形状を有しており、交互に重なり合うように積層されている。正極端子部１０３と負極端子部２０３は、正極積層部１０２と負極積層部２０２を積層した状態で正極積層部１０２と負極積層部２０２の互いに隣接する一辺からそれぞれ突出する舌片形状を有しており、Ｙ方向一方側と他方側に離れて配置されている。

図１に示す例では、積層型電池１０の面内方向において、負極積層部２０２を正極積層部１０２に対して大きくしているが、同じにしてもよく、また、小さくしてもよい。負極積層部２０２を正極積層部１０２に対して大きくすることにより、正極１０１中の正極活物質からのリチウム析出を抑制できる。

図２は、図１のＡ−Ａ’線断面矢視図であり、本発明の一実施形態に係る積層型電池の一例を示す断面模式図である。積層型電池１０の積層方向を図２のように定義する。

積層型電池１０は、正極１０１と負極２０１が積層されている。図２では、説明の便宜上、正極１０１と負極２０１の間を空間的に離して図示しているが、実際の電池では各々の間には空間はほぼなく、面内で接触している。正極１０１は、正極集電箔１０４と、正極合材層１０５と、正極セパレータ１０６を有する。負極２０１は、負極集電箔２０４と、負極合材層２０５と、負極セパレータ２０６を有する。図２では、積層型電池１０の積層方向において、正極１０１、負極２０１の順に２組積層されているが１組でもよいし、３組以上でもよい。

正極１０１は、積層方向の最下部を除く正極集電箔１０４の両面に正極合材層１０５と、正極セパレータ１０６が形成されている。正極合材層１０５は、正極集電箔１０４の上に塗工され、正極セパレータ１０６は、正極合材層１０５の上に塗工されている。正極合材層１０５と正極セパレータ１０６は、正極積層部１０２の全面に亘って形成されている。

負極２０１は、積層方向の最上部を除く負極集電箔２０４の両面に負極合材層２０５と、負極セパレータ２０６が形成されている。負極合材層２０５は、負極集電箔２０４の上に塗工され、負極セパレータ２０６は、負極合材層２０５の上に塗工されている。負極合材層２０５と負極セパレータ２０６は、負極積層部２０２の全面に亘って形成されている。

図２に示す例では、積層方向の最下部の正極１０１は、正極集電箔１０４の片面（負極２０１が配置されている方の面）にのみ正極合材層１０５と、正極セパレータ１０６が形成されている。積層方向の最上部の負極２０１は、負極集電箔２０４の片面（正極１０１が配置されているの面）にのみ負極合材層２０５と、負極セパレータ２０６が形成されている。

単位セル２０は、積層方向に対し、正極集電箔１０４と、正極合材層１０５と、正極セパレータ１０６と、負極セパレータ２０６と、負極合材層２０５と、負極集電箔２０４で構成されている。また、単位セル２０は、積層方向に対し、鏡像反転を繰り返しながら配置されている。本実施例では３組の単位セルで構成している。

＜正極集電箔１０４＞
正極集電箔１０４には、アルミニウム箔や孔径０．１〜１０ｍｍのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などが用いられる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用できる。正極集電箔１０４の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。二次電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜正極合材層１０５＞
正極合材層１０５には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。正極活物質としては、ＬｉＣｏ系酸化物、ＬｉＮｉ系複合酸化物、ＬｉＭｎ系複合酸化物、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｍｎ複合酸化物、ＬｉＦｅＰ系酸化物などが拳げられる。正極合材層１０５中に、正極合材層１０５内の電子伝導性を担う導電材や、正極合材層１０５内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには正極合材層１０５内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

正極合材層１０５を作製する方法として、正極合材層１０５に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを正極集電箔１０４上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の正極合材層１０５を正極集電箔１０４に積層してもよい。その後、溶媒を除去するための乾燥、正極合材層１０５内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、正極合材層１０５が形成される。

正極合材層１０５の厚さは全固体電池のエネルギー密度、レート特性、入出力特性に応じて設計するが、一般的には数μｍ〜数百μｍのサイズとなる。正極合材層１０５に含まれる正極活物質等の材料の粒径は、正極合材層１０５の厚さ以下になるように規定される。正極活物質粉末中に正極合材層１０５の厚さ以上の粒径を有する粗粒がある場合、ふるい分級、風流分級などにより粗粒を予め除去し、正極合材層１０５の厚さ以下の粒子を用意する。

＜負極集電箔２０４＞
負極集電箔２０４には、銅箔や孔径０．１〜１０ｍｍの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられ、材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用できる。負極集電箔２０４の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。全固体電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜負極合材層２０５＞
負極合材層２０５には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な負極活物質が含まれている。負極活物質としては、天然黒鉛、ソフトカーボン、非晶質炭素などの炭素系材料、Ｓｉ金属やＳｉ合金、チタン酸リチウム、リチウム金属などが拳げられる。負極合材層２０５中に、負極合材層２０５内の電子伝導性を担う導電材や、負極合材層２０５内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには負極合材層２０５内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。
負極合材層２０５を作製する方法は正極の場合と同様なので省略する。

負極合材層２０５の厚さは全固体電池のエネルギー密度、レート特性、入出力特性に応じて設計するが、一般的には数μｍ〜数百μｍのサイズとなる。負極合材層２０５に含まれる負極活物質等の材料の粒径は、負極合材層２０５の厚さ以下になるように規定される。負極活物質粉末中に負極合材層２０５の厚さ以上の粒径を有する粗粒がある場合、ふるい分級、風流分級などにより粗粒を予め除去し、負極合材層２０５の厚さ以下の粒子を用意する。

＜正極セパレータ１０６、負極セパレータ２０６＞
正極セパレータ１０６と、負極セパレータ２０６には、それぞれ固体電解質が含まれる。固体電解質として、Ｌｉ_１０Ｇｅ_２ＰＳ_１２、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５などの硫化物系の材料や、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏなどの酸化物系の材料、あるいは、イオン液体や常温溶融塩などを有機高分子や無機粒子などに担持させたポリマー型や、半固体電解質等、二次電池の動作温度範囲内で流動性を示さない材料が挙げられる。固体電解質層は、粉体の圧縮、結着材との混合、スラリー化した固体電解質層の離型材への塗布や担持体への含浸などにより形成する。固体電解質層の厚さは二次電池のエネルギー密度、電子絶縁性の確保等の観点から数ｎｍ〜数ｍｍのサイズとなる。

＜補助線６００＞
正極集電箔１０４及び負極集電箔２０４は、それぞれ電気的接続を示す補助線に従い、物理的な接触、あるいは、金属材料を介した接合により、正極集電箔１０４同士及び負極集電箔２０４同士が電気的に接続されている。これにより、積層型電池１０内では、正極１０１と負極２０１がそれぞれ並列に電気接続されている。

＜補助線８００＞
正極集電箔１０４と、正極合材層１０５と、負極集電箔２０４と、負極合材層２０５は、積層方向の各材料の位置関係を示す補助線８００に倣うようにサイズが規定されている。

図２のように、積層型電池１０の面内方向において、正極集電箔１０４は正極合材層１０５よりも大きく、正極合材層１０５は正極セパレータ１０６よりも大きく配置されている。

図３は、正極端子部の平面拡大図、図４は、負極端子部の平面拡大図である。
正極１０１の正極積層部１０２と正極端子部１０３は、境界部分Ｘａで互いに連続している。正極端子部１０３には、正極集電箔１０４が露出している。そして、正極端子部１０３の基端部には、正極積層部１０２から連続して正極合材層１０５と正極セパレータ１０６が形成されている。積層方向から正極端子部１０３を見たときに、正極合材層１０５が露出している。正極合材層１０５と正極セパレータ１０６は、正極端子部１０３において、正極合材層１０５の方が正極セパレータ１０６よりも突出しており、正極集電箔１０４の上に露出した状態となっている。

同様に、負極２０１の負極積層部２０２と負極端子部２０３は、境界部分Ｘｂで互いに連続している。負極端子部２０３には、負極集電箔２０４が露出している。そして、負極端子部２０３の基端部には、負極積層部２０２から連続して負極合材層２０５と負極セパレータ２０６が形成されている。積層方向から負極端子部２０３を見たときに、負極合材層２０５が露出している。負極合材層２０５と負極セパレータ２０６は、負極端子部２０３において、負極合材層２０５の方が負極セパレータ２０６よりも突出しており、負極集電箔２０４の上に露出した状態となっている。

これにより、電子伝導性を持たない正極セパレータ１０６及び負極セパレータ２０６が端子部１０３、２０３にかかる領域を最小にでき、電子伝導性が要求される端子部１０３、２０３の接触不良を低減させることが可能となる。一方で、正極合材層１０５と、負極合材層２０５は電子伝導性を有するため、端子部１０３、２０３を物理的に接触、あるいは電子伝導性を有する材料で結合した場合に、その部分に重畳していても接触不良を発生させることはない。

本実施例によれば、正極セパレータ１０６が境界部分Ｘａを越えて正極端子部１０３の基端部にも配置されており、かつ、負極セパレータ２０６が境界部分Ｘｂを越えて負極端子部２０３の基端部にも配置されているので、正極端子部１０３及び負極端子部２０３における短絡を効果的に防ぐことができる。

そして、正極端子部１０３では、正極合材層１０５が境界部分Ｘａを越えて正極端子部１０３の基端部にも配置されて露出しているので、正極端子部１０３を、隣接する正極端子部１０３に束ね合わせた場合、あるいは、不図示の導電性部材と接合した場合に、正極合材層１０５の露出部分を接触させて電子伝導パスを作ることができ、接触不良の発生を防ぐことができる。

同様に、負極端子部２０３では、負極合材層２０５が境界部分Ｘｂを越えて負極端子部２０３の基端部にも配置されて露出しているので、負極端子部２０３を、隣接する負極端子部２０３に束ね合わせた場合、あるいは、不図示の導電性部材と接合した場合に、負極合材層２０５の露出部分を接触させて電子伝導パスを作ることができ、接触不良の発生を防ぐことができる。

したがって、正極積層部１０２から突出する正極端子部１０３の長さと、負極積層部２０２から負極端子部２０３が突出する長さをそれぞれ小さくしても、短絡と接触不良の発生を防ぐことができる。したがって、正極端子部１０３と負極端子部２０３を小さくした分だけ、正極積層部１０２と負極積層部２０２を大型化でき、電池のエネルギー密度の増大を図ることができる。そして、本実施例では、正極積層部１０２の全面に亘って正極合材層１０５が形成されており、また、負極積層部２０２の全面に亘って負極合材層２０５が形成されているので、エネルギー密度をより高くすることができる。

また、正極合材層１０５と負極合材層２０５の露出によって、正極端子部１０３と負極端子部２０３における導電性を有する部分の面積を広く確保することができ、正極端子部１０３と負極端子部２０３の電気抵抗も低減できる。

なお、正極端子部１０３と負極端子部２０３に形成された正極セパレータ１０６と負極セパレータ２０６を剥離することによって端子部の接触不良を低減することも可能であるが、工程増加につながるおそれがあるため、剥離工程を含まない本発明により、接触不良を低減することがより好ましい。また、上記実施例では、正極１０１と負極２０１の両方において、端子部に合材層とセパレータを有する場合を例に説明したが、正極１０１と負極２０１のいずれか一方に設けることも可能である。また、セパレータを正極１０１と負極２０１のいずれか一方に設ける構成としてもよい。

上記において、各構成部材の大きさに差をつける度合いは、電子・イオンの絶縁性、積層型電池１０のエネルギー密度、製造時の製造公差、各構成部材を積層する際の寸法公差等に基づき、正極積層部１０２と負極積層部２０２の大きさに鑑みて定められる。具体的には、数十μｍ〜数ｃｍのサイズで大きくするとよく、数ｍｍ大きくすることがより好ましい。

上記において、端子部のサイズは電子・イオンの絶縁性、積層型電池１０のエネルギー密度、製造時の製造公差、各構成部材を積層する際の寸法公差等に基づき、電池の目標とするエネルギー密度に鑑みて定められる。具体的には数ｃｍ〜数μｍのサイズとすると良く、数ｍｍ以下とすることがより好ましい。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０…積層型電池
２０…単位セル
１０１…正極（電極）
１０２…正極積層部（電極積層部）
１０３…正極端子部（電極端子部）
１０４…正極集電箔（電極集電箔）
１０５…正極合材層（電極合材層）
１０６…正極セパレータ（セパレータ）
２０１…負極（電極）
２０２…負極積層部（電極積層部）
２０３…負極端子部（電極端子部）
２０４…負極集電箔（電極集電箔）
２０５…負極合材層（電極合材層）
２０６…負極セパレータ（セパレータ）

Claims (5)

1. 電極集電箔と、前記電極集電箔の上に形成された電極合材層と、前記電極合材層の上に形成されたセパレータと、を有する積層型電池の電極であって、
   前記電極は、
   電極積層部と、前記電極積層部から突出する電極端子部を有し、
   前記電極端子部を前記電極の積層方向から見たときに前記電極合材層が露出していることを特徴とする積層型電池の電極。
2. 前記電極積層部の全面に前記電極合材層と前記セパレータが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型電池の電極。
3. 前記電極は、正極または負極であり、
   前記正極と前記負極の少なくとも一方に前記セパレータが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型電池の電極。
4. 前記電極端子部の一部において、積層方向から見たとき、前記電極集電箔が露出していることを特徴とする請求項１に記載の積層型電池の電極。
5. 請求項１に記載の積層型電池の電極を有する積層型電池。

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