JP5030379B2

JP5030379B2 - 電極群からなる捲回形電気化学素子および電池

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Publication number: JP5030379B2
Application number: JP2004369844A
Authority: JP
Inventors: 直人荒井; 靖平川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: JP2005209638A

Description

本発明は、捲回形の電気化学素子、例えば電池や電気二重層コンデンサに関し、詳しくは、集電板と接続される集電体端部の改良に関する。

電池、電気二重層コンデンサ等としては、捲回形の電気化学素子が広く用いられている。通常、これらの素子は、帯状の集電体に活物質が担持（塗着）された正極板と、帯状の集電体に活物質が担持（塗着）された負極板とを、帯状のセパレータを間に配して渦巻き状に捲回した電極群を備えている。電極群は、電解質とともに金属容器内に収容される。電極群の上下両端面もしくは一端面からは、正負何れかの極板の集電体が突出しており、突出部の先端に集電板が溶接されている。

従来の構成においては、集電体の端部に金属薄板が溶接され、厚みの増した集電部が形成されていた。その集電部には、切り込みが入れられ、切り込みが入れられた集電部に集電板が溶接されていた。

集電体の端部に金属薄板を溶接した集電部は、金属薄板を溶接しない集電部に比べて、集電板を溶接する際に集電板で強く押されても、潰れず、セパレータを突き破る（穴をあける）程には座屈しない。そのため、内部短絡の可能性を軽減でき、かつ集電部と集電板との電気的な接続が安定化される（特許文献１）。
特開２０００−７７０５４号公報

しかし、特許文献１が提案する集電構造は、金属薄板が溶接された集電体の端部に等間隔の切り込みを入れたものである。よって、渦巻き状に捲回された電極群の場合、曲率半径が最も小さくなる最内周部では、集電部がきれいな円弧にならず、屈曲して鋭利な角部が形成される。このような鋭角部はセパレータを突き破り、内部短絡を引き起こす可能性がある。

本発明は、このような技術課題を解決するもので、集電部と集電板との電気的な接続が確実で安定になり、しかも、内部短絡も防止できる捲回形電気化学素子および電池を提供することを目的とする。

本発明の目的は、電極群からなる捲回形電気化学素子およびそれを含む電池において、
信頼性があり安定な集電部と集電板との電気的接続を実現し、電極群における内部短絡を防止することである。

前記目的を実現するために、本発明の電極群からなる捲回形電気化学素子は、電極群が、第１電極板、第２電極板およびセパレータからなり、前記セパレータは、前記第１電極板と、前記第２電極板との間に位置し、前記第１電極板、前記第２電極板および前記セパレータは、長さ方向にロール状に捲回されており、前記第１電極板は、第１集電体と、前記第１集電体の表面に担持された活物質とを含み、前記第２電極板は、第２集電体と、前記第２集電体の表面に担持された活物質とを含み、前記第１集電体の幅方向における２つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない第１露出部が前記第１集電体の全長に亘って形成され、前記第１露出部が第１集電部を形成しており、前記第２集電体の幅方向における２つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない第２露出部が前記第２集電体の全長に亘って形成され、前記第２露出部が第２集電部を形成している捲回形電気化学素子であって、前記第１集電部および前記第２集電部のうちの少なくとも一方が、少なくとも前記電極群の最内周部に、鋭角部の形成を妨げる構造を有しており、前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記集電部の少なくとも最内周部に形成された、縁側から始まる少なくとも４つの幅方向の切り込みである。

本発明によれば、電極群の少なくとも最内周部において、切り込み又は切り欠きによる、鋭角部の形成を妨げる構造が、前記第１集電部および前記第２集電部のうちの少なくとも一方に形成されていることから、捲回用芯棒（巻芯）の周囲に捲回し始めたときの巻き始め部における抵抗が少なく、捲回が容易であり、集電部に形成される鋭角部による内部短絡は防がれる。

第１集電部は、第１露出部が幅方向に沿って折り畳まれることにより形成されており、第２集電部は、第２露出部が幅方向に沿って折り畳まれることにより形成されていることが好ましい。折り畳みの回数は１回以上であればよく、複数回でもよい。

本発明の参考態様（態様Ａ）においては、鋭角部の形成を妨げる構造が、集電部の少なくとも最内周部を切り取ることにより形成されている。
態様Ａにおいて、集電部の最外周部が、さらに切り取られていてもよい。
態様Ａにおいて、集電部の切り取られていない残部には、波形のうねりを形成したり、縁側から始まる複数の幅方向の切り込みを形成したりすることが好ましい。
態様Ａにおいて、集電部の切り取られていない残部に縁側から始まる複数の幅方向の切り込みを形成する場合、前記残部の少なくとも最内周側に位置する隣接する２つの切り込みの間隔は、前記残部の他の部分に位置する隣接する２つの切り込みの間隔よりも小さくなっていることが好ましい。また、隣接する２つの切り込みの間隔は、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくしてもよい。
なお、切り込みは、折り畳まれた集電体露出部のうち、最表面の一層だけに入れてもよく、内部の一部の層に入れてもよく、最表面から内部の層に跨って入れてもよく、全ての層に入れてもよい。以下の態様Ｂ〜Ｄにおいても同様である。

本発明の一態様（態様Ｂ）においては、上述のとおり、鋭角部の形成を妨げる構造が、集電部の少なくとも最内周部に、縁側から始まる少なくとも４つの幅方向の切り込みを形成することにより形成されている。
態様Ｂにおいて、切り込みのない部分には、波形のうねりを形成してもよい。
態様Ｂにおいて、集電部の最外周部が、切り取られていてもよい。
態様Ｂにおいて、隣接する２つの切り込みの間隔は、内周側から外周側に向かって、対
数的に次第に大きくなっていることが好ましい。

本発明の別の参考態様（態様Ｃ）においては、鋭角部の形成を妨げる構造が、前記集電部の少なくとも最内周部に、少なくとも１つの切り欠き部と、少なくとも１つのストリップ状の集電細片を形成することにより形成されている。
態様Ｃにおいて、集電部の最外周部が、切り取られていてもよい。
態様Ｃにおいて、集電部の切り取られていない残部に縁側から始まる複数の幅方向の切り込みを形成してもよい。その場合、前記残部の少なくとも最内周側に位置する隣接する２つの切り込みの間隔は、前記残部の他の部分に位置する隣接する２つの切り込みの間隔よりも小さくなっていることが好ましい。また、隣接する２つの切り込みの間隔は、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくしてもよい。
態様Ｃにおいて、切り欠きや切り込みのない部分には、波形のうねりを形成してもよい。

本発明の別の一態様（態様Ｄ）においては、第１集電部は、第１露出部が幅方向に沿って折り畳まれることにより形成されており、第２集電部は、第２露出部が幅方向に沿って折り畳まれることにより形成されており、鋭角部の形成を妨げる構造が、集電部の少なくとも最内周部に、集電部を形成する層の少なくとも１つに少なくとも４つの切り込みを形成することにより形成されている。
態様Ｄにおいて、集電部の最外周部が、切り取られていてもよい。
態様Ｄにおいて、切り欠きや切り込みのない部分には、波形のうねりを形成してもよい。
態様Ｄにおいて、最内周側に位置する隣接する２つの切り込みの間隔は、他の部分に位置する隣接する２つの切り込みの間隔よりも小さくなっていることが好ましい。また、隣接する２つの切り込みの間隔は、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくしてもよい。

以上のように、本発明の参考態様の電極群または電池において、鋭角部の形成を妨げる構造は、集電部の少なくとも最内周部を切除することにより形成される。
この構造によれば、電極群の最内周部には集電部がないため、すなわち集電部の抵抗が除かれているため、集電部における鋭角部の形成が起こらず、捲回が容易になり、内部短絡が防止される。

本発明の電極群または電池において、鋭角部の形成を妨げる構造は、前記集電部の少なくとも最内周部に、縁側から始まる少なくとも４つの幅方向の切り込みを形成することにより形成されている。
この構造によれば、捲回されたときに最内周部に鋭角部が形成されず、集電部に形成される鋭角部による内部短絡は防止される。

本発明の参考態様の電極群または電池において、鋭角部の形成を妨げる構造は、集電部の少なくとも最内周部に、少なくとも１つの切り欠き部と、少なくとも１つのストリップ状の集電細片を形成することにより形成されている。
この構造によれば、捲回されたときに最内周部に鋭角部が形成されず、集電部に形成される鋭角部による内部短絡は防止される。

本発明の電極群または電池において、鋭角部の形成を妨げる構造は、集電部の少なくとも最内周部に、集電部を形成する層の少なくとも１つに少なくとも４つの切り込みを形成することにより形成されている。
この構造によれば、捲回されたときに最内周部に鋭角部が形成されず、集電部に形成される鋭角部による内部短絡は防止される。

本発明の電池は上記の電極群を含む。すなわち、本発明の電池は、電極群を含み、前記電極群は、正極板、負極板およびセパレータからなり、前記セパレータは、前記正極板と、前記負極板との間に位置し、前記正極板、前記負極板および前記セパレータは、長さ方向にロール状に捲回されており、前記正極板は、正極集電体と、前記正極集電体の表面に担持された活物質とを含み、前記負極板は、負極集電体と、前記負極集電体の表面に担持された活物質とを含み、前記正極集電体の幅方向における２つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない露出部が前記正極集電体の全長に亘って形成され、前記露出部が正極集電部を形成しており、前記負極集電体の幅方向における２つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない露出部が前記負極集電体の全長に亘って形成され、前記露出部が負極集電部を形成しており、前記正極集電部には、正極集電板が電気的に接続されており、前記負極集電部には、負極集電板が電気的に接続されている電池であって、前記第１集電部および前記第２集電部のうちの少なくとも一方が、少なくとも前記電極群の最内周部に、鋭角部の形成を妨げる構造を有しており、前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記正極集電部および／または前記負極集電部の少なくとも最内周部に形成された、縁側から始まる少なくとも４つの幅方向の切り込みである。

本発明によれば、電極群の少なくとも最内周部において、鋭角部の形成を妨げる構造が、前記第１集電部および前記第２集電部のうちの少なくとも一方に形成されていることから、捲回用芯棒の周囲に捲回し始めたときの巻き始め部における抵抗が少なく、捲回が容易であり、集電部に形成される鋭角部による内部短絡は防がれる。

すなわち、本発明の捲回形電気化学素子は、集電部と集電板との電気的接続が確実で安定であり、信頼性が高く、高品質であり、電極群における内部短絡も防止することができる。

なお、本明細書において、「最内周部」とは、捲回された電極群の最内周を構成する円の１周を意味する。また、本明細書において、「集電部」とは、特定した場合を除き、第１集電部、第２集電部もしくはこれらの両方、または正極集電部、負極集電部もしくはこれらの両方を含む総称である。さらに、本明細書において、「切り込み」とは、単に集電部に切り目が入れられた状態であり、実質上、幅もしくは離隔を有さない。また、「切り欠き」とは、集電部が部分的に切除された状態であり、所定の幅を有する。

図１に、本発明の実施形態の一例として、円筒形１８６５０（直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍ）サイズのリチウムイオン二次電池の縦断面模式図を示す。
図１において、帯状の正極集電体１ａおよびこれに担持された活物質１ｂからなる正極板１と、帯状の負極集電体２ａおよびこれに担持された活物質２ｂからなる負極板２とが、微多孔ポリエチレンフィルムからなるセパレータ３を間に配して互いに対向された状態で渦巻き状に巻かれており、電極群４を構成している。電極群４は、電解液とともに電池容器５内に収納されている。

電池容器５は負極端子となる円筒容器状の電池缶６と、正極端子となる電池蓋７とから構成されている。電池缶６の上端開口部を、絶縁パッキング８を介して電池蓋７の外周にかしめつけることで電池容器５は密閉されている。なお、電極群４の最外周と電池缶６の内周面との間にもセパレータ３が配置されている。

正極板１および負極板２は、以下に具体的に説明するように構成されている。正極板１は、アルミニウム箔製集電体１ａの両面に正極活物質１ｂを塗布して構成されるとともに、正極集電体１ａの一端部（図示例では上側部）が正極活物質１ｂの塗布部より上方に突出している。図１に示す正極集電部９は、この突出した正極集電体１ａを折り畳んで形成されている。負極板２も、銅箔製集電体２ａの一端部（図示例では下側部）が負極活物質２ｂの塗布部より下方に突出している以外は、正極板１と同様に構成されている。
セパレータ３は、正極板１および負極板２の活物質塗布部の両端縁よりも上下の外側に端部が突出している。

正極集電板１０は、正極集電体１ａと溶接され、負極集電板１１は、負極集電体２ａと溶接されており、これら正極集電板１０および負極集電板１１は、それぞれ電池蓋７裏面と電池缶６内底部に溶接されている。正極集電板１０に設けた正極接続片１０ａは、正極集電板１０を電池蓋７裏面に接続するためのリード片である。負極接続片１１ａは、負極集電板１１を電池缶６の内底面に接続するために、集電板中央部に設けられている。

電解液は、例えば、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチルカーボネイト（ＤＥＣ）とを体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を１ｍｏｌ／ｄｍ³の濃度に溶解したものである。

次に、極板の製造方法の一例をより具体的に示す。
正極板１は、電解二酸化マンガン（ＭｎＯ₂）と炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）とをＬｉ／Ｍｎ＝１／２となるように混合し、８００℃で２０時間大気中で焼成して製造されるＬｉＭｎ₂Ｏ₄と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で９２：３：５の割合で混合したものを正極活物質１ｂとする。なお、正極活物質１ｂをペースト状に混練するため、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンは溶媒であるＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解した液を用いる。上記混合比率は固形分としての割合である。

この正極活物質１ｂのペーストを、厚み１５μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体１ａの両面に、一側縁部に幅約５ｍｍの非塗布部を残した状態で塗布し、正極活物質１ｂ層を形成する。正極活物質１ｂ層の両面の膜厚みは、実質上同じで、塗布、乾燥後の両面の膜厚みの総和は約２８０μｍとする。その後、正極板１の厚みが約２００μｍになるように圧縮成形する。

負極板２は、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを重量比９７：３の割合で混合したものを負極活物質２ｂとする。なお、負極活物質２ｂをペースト状に混練するため、結着剤としてのスチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いる。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極活物質２ｂのペーストを、厚み１４μｍの銅箔から成る負極集電体２ａの両面に、一側縁部に幅５ｍｍの非塗布部を残した状態で塗布し、負極活物質２ｂ層を形成する。その後、負極板２の厚みが約１７０μｍになるように圧縮成形する。

リチウムイオン二次電池の製造に当たっては、上記のようにして作製した正極板１と負極板２をセパレータ３を介して対向させ、正極集電部９および負極集電部１５を突出させた状態で渦巻き状に捲回して電極群４を形成する。セパレータ３の端部よりも両側に突出している正極集電部９および負極集電部１５の突出部の長さは両方とも約０．５ｍｍとする。

次いで、電極群４の正極側において、正極集電部９に正極集電板１０を押し付けるように配置して両者を圧接させた状態で、正極集電部９と正極集電板１０を超音波溶接する。その後、正極集電板１０に幅約５ｍｍ、厚み約０．１５ｍｍ、長さ約７０ｍｍの正極接続片１０ａを超音波溶接する。

また、電極群４の負極側において、負極集電部１５に負極集電板１１を押し付けるように配置して両者を圧接させた状態で、抵抗溶接する。
この正極集電板１０と負極集電板１１を接合させた電極群４を、電池缶６内に収容して、負極集電板１１と電池缶６の底部を抵抗溶接する。また、正極接続片１０ａを電池蓋７に押し当てて、接触させた状態でレーザ溶接した後に、電極群４の入った電池缶６内に電解液を注入して真空含浸させ、その後、電池蓋７で密閉する。

次に、正極板１、負極板２の詳細について説明する。両極板は同様の構成であっても、互いに異なる構成であってもよいが、図２以降の図面においては、わかり易くするために、極板の厚み方向を拡大して示している。

（実施形態１）
図２に、実施形態１に係る正極板１の製造工程図を示す。
まず、図２（ａ）に示すように、帯状の正極板１は、帯状のアルミニウム箔製正極集電体１ａの両面に正極活物質１ｂが塗布されて形成されており、その長手方向に沿って、活物質端部と集電体との間に境界線１２が形成されている。なお、図２（ａ）において、Ｘ方向は、長手方向であり、Ｙ方向は短手方向（幅方向）である。

そして、境界線１２より上方に突出した所定幅を有する集電体の露出部は、境界線と平行な直線１３にそって、図２（ｂ）に示すように折り曲げられ、更に、図２（ｃ）に示す通り、重なるように１回折り畳まれて正極集電部９が構成される。

なお、図２では正極集電体１ａの突出端部を１回折り畳んだ構成を示しているが、捲回した時に隣接する集電部同士が接触しない範囲で、複数回折り畳んでもよい。このことは、以下の実施形態においても同様である。更に、図２（ｄ）に示すように、正極集電部９のうち、捲回時に電極群４の最内周部に位置する部分（図中、矢印Ａで指し示す部分）には、正極集電部９が設けられていないようにする。具体的には、図２（ａ）〜（ｃ）のようにして、正極集電部９を形成した後に、最内周部の正極集電部９を切除するか、予め、正極集電体１ａの最内周部に相当する部分を除去しておくようにすればよい。

正極板１は、およそ幅５５ｍｍ、長さ５７０ｍｍの寸法となるように作製される。正極集電部９は、正極板１の正極集電体１ａを前述した方法で１回折り畳むことにより、幅約２．５ｍｍになるように形成される。

電極群４の最内周部の正極集電部９の除去は、最内周部に位置することになる正極集電部９の最端を始点として、正極活物質１ｂの塗布部と正極集電体１ａとの境界線１２に沿って、始点から約１００ｍｍ切り進んだ点を終点とし、それらの間の部分を除去する。

また、帯状の負極板２についても、前述した帯状の正極板１と同様に作製することができる。
負極板２は、およそ幅６１ｍｍ、長さ６００ｍｍの寸法となるように作製される。負極集電部１５は、負極板２の負極集電体２ａを、図２（ｃ）で説明した方法で１回折り畳むことにより、幅約２．５ｍｍになるように形成される。
電極群４の最内周部の負極集電部１５の除去は、正極板１と同様に切断して除去される。

上述の極板を用いてリチウムイオン二次電池を構成することによって、集電体の端部には１回折り畳まれた集電部が形成されているので、溶接時に集電板へ加圧力が加えられても集電部は潰れず、セパレータを突き破る程に座屈しないため、内部短絡の可能性を軽減することができる。また、集電部が大きく座屈することも無いため、集電板との電気的な接続も確実で安定したものにできる。

更に、渦巻き状に捲回する際、曲率半径が小さい電極群の最内周部には、集電部を設けていないので、捲回時に巻き始め部分の抵抗は少なく、捲回用芯棒に沿って渦巻き状に速やかに巻くことができるため、集電部に形成される鋭角部の発生に起因した内部短絡も防止できる。

（実施形態２）
図３に、実施形態２に係る正極板１の平面図を示す。
本実施形態では、正極板１の正極集電部９において、正極集電部９の縁側（端縁）から帯状の正極板１の短手方向（幅方向）に向けて、切り込み１４が複数形成され、捲回された時の電極群４の内周部の円の１周が少なくとも４つの切り込みを有し、かつ、隣接する２つの切り込み１４の間隔が、他の部分の切り込み１４の間隔より小さくなるように設けられている。内周部には、最内周部が含まれ、鋭角部を形成する可能性のある最内周部に隣接するいくつかの円も含まれる。具体的には、正極集電部９の縁側から帯状の正極板１の短手方向に向け、つまり、正極活物質１ｂの塗布部と正極集電体１ａとの境界線１２に向かって、切断刃で切り込みを入れる。切り込み１４の間隔は、電極群４の内周部の正極集電部９では約５ｍｍ間隔、その他の正極集電部９では約１５ｍｍ間隔とする。

また、帯状の負極板２についても、帯状の正極板１と同様に作製することができる。
上述の極板を用いてリチウムイオン二次電池を構成することによって、集電体の端部には１回折り畳まれた集電部が形成されているので、溶接時に集電板へ加圧力が加えられても集電部は潰れず、セパレータを突き破る程に座屈することが無いため、内部短絡の可能性を軽減することができる。また、集電部が大きく座屈しないため、集電板との電気的な接続も確実で安定したものにできる。

更に、集電部の切り込みの間隔が、他の部分よりも小さい電極群内周部では、捲回時に巻き始め部分の抵抗が低減されて容易に渦巻き状に捲回できるため、集電部に形成される折り目等の鋭角部（crimping）の発生に起因した内部短絡も防止できる。

（実施形態３）
図４に、実施形態３に係る正極板１の平面図を示す。
本実施形態では、正極集電部９のうち、捲回時に電極群４の最内周部に位置する部分には、正極集電部９が設けられていないようにする。具体的には、正極集電部９を形成した後に、最内周部の正極集電部９を切除するか、予め最内周部に相当する正極集電体１ａの部分を除去しておくようにすればよい。そして、正極集電部９の縁側から帯状の正極板１の短手方向に向けて、切り込み１４が複数設けられている。
また、帯状の負極板２についても、これと同様に作製することができる。

更に、渦巻き状に捲回される際に、曲率半径が最も小さくなる電極群の最内周部には集電部を設けず、かつ集電部に複数の切り込みを設けているため、捲回時に巻き始め部分の抵抗は少なく、捲回用芯棒に沿って渦巻き状に速やかに巻くことができ、集電部に形成される鋭角部の発生に起因した内部短絡の防止効果も高まる。

（実施形態４）
図５に、実施形態４の正極板１の平面図を示す。
本実施形態では、捲回された時の電極群４の内周部の切り込み１４の間隔が、他の部分の切り込み１４の間隔よりも、小さくなるように設けられている。一方、正極集電部９のうち、捲回時に電極群４の最内周部に位置する部分には、正極集電部９が設けられていないようにする。具体的には、正極集電部９を形成した後に、最内周部の正極集電部９を切除するか、予め最内周部に相当する正極集電体１ａの部分を除去しておくとよい。
また、帯状の負極板２についても、これと同様に作製することができる。

上述の極板を用いてリチウムイオン二次電池を構成することによって、渦巻き状に捲回される際に、曲率半径が最も小さくなる電極群の最内周部には集電部を設けておらず、かつ渦巻き状に存在する集電部に設けた切り込みの間隔が、他の部分よりも小さい電極群の内周部では、捲回時に巻き始め部分の抵抗が極めて少ない状態に低減されており、容易に渦巻き状に捲回できるため、集電部に形成される鋭角部の発生に起因した内部短絡も防止できる。

（実施形態５）
図６に、実施形態５に係る正極板１の斜視図を示す。
本実施形態では、正極板１の正極集電部９に、その長手方向と直交する波状のうねりを形成している。具体的には、波形の金型で正極集電部９を挟んでプレスすることにより、波状のうねりを設けることができる。
また、帯状の負極板２についても、これと同様に作製することができる。

上述の極板を用いてリチウムイオン二次電池を構成することによって、波状のうねりで、集電部の機械的強度を更に増し、集電部の座屈による内部短絡の発生を防止する効果を高めることができる。

（実施形態６）
図７（ａ）〜（ｄ）に、実施形態６に係る各種正極板１の平面図をそれぞれ示す。
本実施形態では、図２（ｄ）、図３、図４もしくは図５に示すような正極集電部９のうち、捲回時に電極群４の最外周部に位置する部分（図中、矢印Ｂで指し示す部分）には、正極集電部９が設けられていないようにしたものである。具体的には、図２（ａ）〜（ｃ）のようにして、正極集電部９を形成した後に、最外周部の正極集電部９を切除するか、予め最外周部に相当する正極集電体１ａの部分を除去して、図７（ａ）〜（ｄ）に示すような構成を得ることができる。

電極群４の最外周部の正極集電部９の除去は、最外周部に配置されることになる正極集電部９の最端を始点として、正極活物質１ｂの塗布部と正極集電体１ａとの境界線１２に沿って、始点から約７０ｍｍ切り進んだ点を終点とし、それらの間の部分を除去する。
また、帯状の負極板２についても、これと同様に作製することができる。

上述の極板を用いてリチウムイオン二次電池を構成することによって、電極群の最外周部には集電部が設けられていないので、渦巻き状に巻かれた電極群を容器に挿入する際に、電極群最外周の集電部が容器の開口部に引っ掛かること無く、電極群を容器内に容易に挿入でき、生産性の向上と品質の向上を図ることができる。

（実施形態７）
図８に、実施形態７に係る正極板１の平面図を示す。
本実施形態では、正極板１の正極集電部９において、正極集電部９の縁側から帯状の正極板１の短手方向（幅方向）に向けて、切り込み１４が複数形成され、隣接する２つの切り込みの間隔が、捲回された時の電極群４の内周部から外周部に向かって、対数的に次第に大きくなるように設けられている。

具体的には、正極集電部９の縁側から帯状の正極板１の短手方向に向かって、つまり、正極活物質１ｂの塗布部と正極集電体１ａとの境界線１２に向かって、切断刃で切り込み１４を入れる。正極集電部９における切り込み１４の間隔は、まず電極群４の最内周部に５ｍｍ間隔で１０回切り込みを入れ、次に７ｍｍ間隔で１０回切り込みを入れ、次に１０ｍｍ間隔で１０回切り込みを入れ、次に１５ｍｍ間隔で１０回切り込みを入れ、最後に、電極群４の最外周部に２５ｍｍ間隔で８回切り込みを入れた。
また、帯状の負極板２についても、これと同様に作製することができる。

集電部に切り込みを入れる際に、切り込みの間隔が、電極群の内周部から外周部に向かって、対数的に大きくなるように形成されているため、捲回時に巻き始め部分の抵抗は少なく、捲回用芯棒に沿って渦巻き状に速やかに巻くことができるため、集電部に形成される鋭角部の発生に起因した内部短絡も防止できる。

（実施形態８）
図９に、実施形態８に係る正極板１の平面図を示す。
本実施形態では、正極板１の正極集電部９において、正極集電部９の縁側から帯状の正極板１の短手方向（幅方向）に向けて、最内周部の最端から約５ｍｍのところから幅約１５ｍｍに亘って、切り欠き１６が形成されている。切り欠き１６よりも内周側の幅約５ｍｍの領域は、ストリップ状の集電細片１７を形成している。

具体的には、正極集電部９の縁側から帯状の正極板１の短手方向に向かって、つまり、正極活物質１ｂの塗布部と正極集電体１ａとの境界線１２に向かって、切断刃で切り込みを入れ、切り取った。
本実施形態では、最内周部に幅の広い切り欠き１６を１つ設けたが、複数の切り欠き１６を設けてもよい。この場合、最内周部以外の切り欠きは、切り込みであってもよく、切り欠きと切り込みとを併用してもよい。
また、帯状の負極板２についても、これと同様に作製することができる。

《実施例１》
以上のような構成を有する電池のうち、実施形態１の電池を１００個用意した。

《比較例１》
比較例１に用いたリチウムイオン二次電池においては、正極板１および負極板２において、電極群の最内周部から最外周部の全体に渡って、集電体の端部に金属薄板を溶接し、厚みが増した正極集電部９および負極集電部１５を形成し、両集電部には等間隔に切り込み１４を設けた。このような正極板１と負極板２を用い、正極集電板１０および負極集電板１１に、それぞれ正極集電部９および負極集電部１５を溶接した。その後の製造工程は、実施例１の製造方法と同様にして、１００個の電池を用意した。

《比較例２》
比較例２に用いたリチウムイオン二次電池においては、正極板１および負極板２において、電極群の最内周部から最外周部の全体に渡って、正極集電部９および負極集電部１５を形成し、各集電部には切り込み１４も設けなかった。このような正極板１と負極板２を用い、正極集電板１０および負極集電板１１に、それぞれ正極集電部９および負極集電部１５を溶接した。その後の製造工程は、実施例１の製造方法と同様にして、１００個の電池を用意した。

〈電池の評価〉
実施例１および比較例１、２の各々１００個ずつの電池について、落下衝撃試験を行った。落下位置の高さ７５ｃｍとした。落下時の電池の状態が、正立状態、倒立状態および側立状態となるように、それぞれ一回ずつ落下させることを１サイクルとした。

１サイクル毎に、電池の開回路電圧値を測定し、正極集電部もしくは負極集電部に形成される鋭角部がセパレータを突き破り、対極側と内部短絡したか否かを判断した。電池の開回路電圧値が降下した時を、内部短絡したものと見なし、電池の開回路電圧値が降下した時のサイクル数を比較評価した。また、電池の開回路電圧値が降下した電池については、分解解析することにより、内部短絡個所を確認し、正極集電部もしくは負極集電部の座屈により、セパレータを突き破り、対極側と内部短絡した電池のみ数をカウントした。
その結果を表１に示す。

表１が示すように、実施例１の電池は、７０サイクルで初めて電池の開回路電圧値が降下したのに対し、比較例１の電池では、４０サイクル、比較例２の電池では３０サイクルで、電池の開回路電圧値が降下が観察された。これは、正極集電部もしくは負極集電部の内部短絡の抑制に関して、実施例の構造の電池の方が比較例よりも優れているためと考えられる。

また、電池の開回路電圧値が降下した電池を分解解析した結果を比較すると、実施例の電池は、電極群の最内周部の集電部での内部短絡は観察されなかったが、比較例の電池の内部短絡個所は、全て電極群の最内周部の集電部であった。

このことから、比較例の電池は、捲回された電極群の曲率半径が最も小さい最内周部の集電部において、集電部がきれいな円弧にならずに屈曲し、鋭利な角部が形成されるため、この角部でセパレータが突き破られ、内部短絡を引き起こしたと考えられる。一方、実施例１の電池は、捲回された電極群の曲率半径が最も小さい最内周部には集電部を設けていないため、内部短絡の発生を抑えることができたと考えられる。

次に、実施形態２〜８の電池をそれぞれ１００個用意し、上記と同様の評価を行ったところ、いずれの電池においても、実施形態１の電池と同様の結果が得られた。

なお、上述の実施形態では、集電体の端部を１回折り畳むことにより形成された集電部について説明したが、集電体の端部を折り畳む回数は、集電部の厚みが極板の厚みより薄い範囲であれば、複数回折り畳んでもよい。集電体自体の厚みにもよるが、好ましい折り畳み回数は１回から５回である。このようにして、集電体の端部を複数回折り畳むことにより形成された集電部についても、効果が得られる。実施例の場合については、アルミニウム箔製正極集電体では３回折り畳み、銅箔製負極集電体では２回折り畳むことが好ましい。

また、上述の実施形態では、正極集電板および負極集電板の両方が、鋭角部の形成を妨げる集電部を有する場合について説明したが、どちらか一方だけがそのような集電部を有する場合でも効果が得られる。

更に、上述の実施形態では、液状電解質を用いる場合について説明したが、液状以外の電解質、例えばポリマー電解質を用いても同様の効果が得られる。

また、上述の実施形態では、円筒形１８６５０（直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍ）サイズのリチウムイオン二次電池について説明したが、本発明は、電池の形状やサイズに規制されず、同様の効果が得られる。

また、上述の実施形態では、電気化学素子として、リチウムイオン二次電池について説明したが、リチウムイオン二次電池以外の電池や電気二重層コンデンサなどの電気化学素子においても、同様の効果が得られる。

本発明は、正極板と負極板をセパレータを介して捲回し、集電体を集電板に接合した電池や電気二重層コンデンサのような捲回形電気化学素子に適用することができる。本発明は、集電板と接続される集電体端部を改良することにより、高品質の捲回形電気化学素子を提供するものである。

本発明の実施形態の一例におけるリチウムイオン二次電池の縦断面模式図である。本発明の実施形態１に係る正極板の製造工程図である。集電部に縁側から始まる複数の幅方向の切り込みが形成されている本発明の実施形態２に係る正極板の平面図である。電極群の最内周部に集電部が設けられておらず、かつ集電部に縁側から始まる複数の幅方向の切り込みが形成されている本発明の実施形態３に係る正極板の平面図である。集電部に縁側から始まる複数の幅方向の切り込みが形成されており、内周部に位置する隣接する２つの切り込みの間隔が、他の部分に位置する隣接する２つの切り込みの間隔よりも小さくなっている本発明の実施形態４に係る正極板の平面図である。集電部にその長手方向と直交する波状のうねりが形成された本発明の実施形態５に係る正極板の斜視図である。最外周部に集電部が設けられていない本発明の実施形態６に係る正極板の平面図である。集電部に縁側から始まる複数の幅方向の切り込みが形成されており、隣接する２つの切り込みの間隔が、最内周部から最外周部に向かって、対数的に次第に大きくなっている本発明の実施形態７に係る正極板の平面図である。集電部の少なくとも最内周部に、少なくとも１つの切り欠き部と、少なくとも１つのストリップ状の集電細片が設けられた本発明の実施形態８に係る正極板の平面図である。

符号の説明

１正極板
１ａ正極集電体
１ｂ正極活物質
２負極板
２ａ負極集電体
２ｂ負極活物質
３セパレータ
４電極群
５電池容器
６電池缶
７電池蓋
８絶縁パッキング
９正極集電部
１０正極集電板
１０ａ正極接続片
１１負極集電板
１１ａ負極接続片
１２活物質端部と集電体との間の境界線
１３折り曲げ位置を示す直線
１４切り込み
１５負極集電部
１６切り欠き
１７ストリップ状の集電細片

Claims

電極群からなり、
前記電極群が、第１電極板、第２電極板およびセパレータからなり、
前記セパレータは、前記第１電極板と、前記第２電極板との間に位置し、
前記第１電極板、前記第２電極板および前記セパレータは、長さ方向にロール状に捲回されており、
前記第１電極板は、第１集電体と、前記第１集電体の表面に担持された活物質とを含み、
前記第２電極板は、第２集電体と、前記第２集電体の表面に担持された活物質とを含み、
前記第１集電体の幅方向における２つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない第１露出部が前記第１集電体の全長に亘って形成され、前記第１露出部が第１集電部を形成しており、
前記第２集電体の幅方向における２つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない第２露出部が前記第２集電体の全長に亘って形成され、前記第２露出部が第２集電部を形成している捲回形電気化学素子であって、
前記第１集電部および前記第２集電部のうちの少なくとも一方が、少なくとも前記電極群の最内周部に、鋭角部の形成を妨げる構造を有しており、
前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記集電部の少なくとも最内周部に形成された、縁側から始まる少なくとも４つの幅方向の切り込みである電気化学素子。
前記第１集電部が、前記第１露出部が幅方向に沿って折り畳まれることにより形成されており、前記第２集電部が、前記第２露出部が幅方向に沿って折り畳まれることにより形成されている請求項１記載の電気化学素子。
前記集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項１記載の電気化学素子。
前記切り込みが前記集電部の最内周部以外の部分にも形成されており、隣接する２つの切り込みの間隔が、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくなっているか、もしくは、少なくとも最内周部に位置する隣接する２つの切り込みの間隔が、他の部分に位置する隣接する２つの切り込みの間隔よりも小さくなっている請求項１記載の電気化学素子。
電極群を含み、
前記電極群が、正極板、負極板およびセパレータからなり、
前記セパレータは、前記正極板と、前記負極板との間に位置し、
前記正極板、前記負極板および前記セパレータは、長さ方向にロール状に捲回されており、
前記正極板は、正極集電体と、前記正極集電体の表面に担持された活物質とを含み、
前記負極板は、負極集電体と、前記負極集電体の表面に担持された活物質とを含み、
前記正極集電体の幅方向における２つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない露出部が前記正極集電体の全長に亘って形成され、前記露出部が正極集電部を形成しており、
前記負極集電体の幅方向における２つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない露出部が前記負極集電体の全長に亘って形成され、前記露出部が負極集電部を形成しており、
前記正極集電部には、正極集電板が電気的に接続されており、
前記負極集電部には、負極集電板が電気的に接続されている電池であって、
前記第１集電部および前記第２集電部のうちの少なくとも一方が、少なくとも前記電極群の最内周部に、鋭角部の形成を妨げる構造を有しており、
前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記正極集電部および／または前記負極集電部の少なくとも最内周部に形成された、縁側から始まる少なくとも４つの幅方向の切り込みである電池。
前記正極集電部および／または前記負極集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項５記載の電池。
前記切り込みが前記集電部の最内周部以外の部分にも形成されており、隣接する２つの切り込みの間隔が、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくなっているか、もしくは、少なくとも最内周部に位置する隣接する２つの切り込みの間隔が、他の部分に位置する隣接する２つの切り込みの間隔よりも小さくなっている請求項５記載の電池。