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JP6510573B2 - 蓄電素子 - Google Patents

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JP6510573B2 JP2017022917A JP2017022917A JP6510573B2 JP 6510573 B2 JP6510573 B2 JP 6510573B2 JP 2017022917 A JP2017022917 A JP 2017022917A JP 2017022917 A JP2017022917 A JP 2017022917A JP 6510573 B2 JP6510573 B2 JP 6510573B2
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Description

本発明は、集電体及び活物質層を含む蓄電素子に関する。
電気化学デバイスの代表例としてリチウムイオンキャパシタがある。リチウムイオンキャパシタの中には、正極、負極、正極と負極とを絶縁するセパレータが捲回された蓄電素子が筒状の収容ケースに収容されたものがある。正極及び負極には、それぞれ電極端子が接続されている。負極端子は、電解液中のリチウムイオンに触れないようにイオン透過性の低い保護テープで覆われている（例えば、特許文献１参照）。これにより、負極端子上の金属リチウム析出が抑制される。
特開２０１２−１１４１６１号公報
しかし、負極端子を覆う保護テープは、負極端子付近の負極も覆う。保護テープにより覆われた負極は、例えば、充電時にリチウムイオンを吸収しにくくなる。これにより、充電の速度によっては、負極端子が付設された負極部以外の負極部分に負荷がかかり、負極全体において均一にリチウムイオンが吸収されず、特定の負極の箇所から金属リチウム析出が起きるおそれがある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、負極においてより均一にリチウムイオンが吸収され、信頼性を向上させた蓄電素子を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る蓄電素子は、捲回構造体と、負極端子と、正極端子と、第１保護テープとを具備する。
上記捲回構造体は、負極集電体と上記負極集電体の主面に設けられた負極活物質層とを有する負極と、正極集電体と上記正極集電体の主面に設けられた正極活物質層とを有する正極と、上記負極と上記正極を絶縁するセパレータと、を有する。上記負極、上記正極及び上記セパレータは積層されて捲回され、上記負極と上記正極とが上記セパレータにより隔てられている。
上記負極端子は、上記負極集電体に電気的に接続され、上記捲回構造体の捲回中心軸に沿って上記捲回構造体内を延伸し、上記捲回構造体から突出する。
上記正極端子は、上記正極集電体に電気的に接続され、上記捲回中心軸に沿って上記捲回構造体内を延伸し、上記捲回構造体から突出する。
上記第１保護テープは、上記負極端子を被覆し、上記セパレータよりもイオン透過性が低い。
上記正極は、上記セパレータを介して上記第１保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第１領域を有している。
このような蓄電素子によれば、上記負極端子が上記セパレータよりもイオン透過性の低い第１保護テープによって被覆されたとしても、上記正極には、上記セパレータを介して上記第１保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第１領域が設けられている。これにより、充電時に負極端子が付設された負極部以外の負極部分に負荷がかかったとしても、上記負極部分には金属リチウムが析出しにくくなり、充電時には、負極全体においてより均一にリチウムイオンが吸収される。この結果、蓄電素子の信頼性が向上する。
上記蓄電素子においては、上記第１領域において、上記正極活物質層は、上記セパレータよりもイオン透過性の低い第２保護テープによって覆われてもよい。
これにより、上記正極の上記第１領域は、上記第２保護テープによって覆われ、上記第１領域においてリチウムイオンの放出が抑制される。
上記蓄電素子においては、上記第１領域における上記正極活物質層の厚さは、上記第１領域外における上記正極活物質層の厚さより薄いか、または、上記第１領域には、上記正極活物質層が設けられていなくてもよい。
これにより、上記正極の上記第１領域においては、上記正極活物質層の厚さが上記第１領域外における上記正極活物質層の厚さより薄く構成され、または、上記第１領域には、上記正極活物質層が設けられていないので、上記第１領域においてリチウムイオンの放出が抑制される。
上記蓄電素子においては、上記捲回構造体の捲回方向において、上記第１領域の幅は、上記第１保護テープの幅以下であってもよい。
これにより、上記第１領域の幅が上記第１保護テープの幅以下に構成されているので、上記蓄電素子の充放電において上記捲回中心軸から上記捲回構造体の外周に向かう方向または上記捲回構造体の外周から上記捲回中心軸に向かう方向にリチウムイオンがより均一に拡散する。
上記蓄電素子においては、上記負極端子を上記第１保護テープとは反対側から覆う第３保護テープをさらに具備し、上記第３保護テープは、上記セパレータよりも低いイオン透過性を有してもよい。
これにより、上記負極端子が上記第１保護テープとは反対側から上記第３保護テープによって被覆され、上記負極端子への金属リチウム析出がより抑制される。
上記蓄電素子においては、上記正極は、上記セパレータを介して上記第３保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第２領域をさらに有し、上記第１領域と上記第２領域との間に、上記負極端子が位置してもよい。
これにより、上記正極には、上記セパレータを介して上記第３保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第２領域が設けられ、負極端子が付設された負極部以外の負極部分に金属リチウムが析出しにくくなり、充電時には、負極全体においてより均一にリチウムイオンが吸収される。
上記蓄電素子においては、上記第２領域において、上記正極活物質層は、上記セパレータよりもイオン透過性の低い第４保護テープによって覆われてもよい。
これにより、上記正極の上記第２領域は、上記第４保護テープによって覆われ、上記第２領域においてリチウムイオンの放出が抑制される。
上記蓄電素子においては、上記第２領域における上記正極活物質層の厚さは、上記第１領域外及び上記第２領域外における上記正極活物質層の厚さより薄いか、または、上記第２領域には、上記正極活物質層が設けられていなくてもよい。
これにより、上記正極の上記第２領域においては、上記正極活物質層の厚さが上記第１領域及び上記第２領域外における上記正極活物質層の厚さより薄く構成され、または、上記第２領域には、上記正極活物質層が設けられていないので、上記第１領域においてリチウムイオンの放出が抑制される。
上記蓄電素子においては、上記捲回構造体の捲回方向において、上記第２領域の幅は、上記第３保護テープの幅以上であってもよい。
これにより、上記第２領域の幅が上記第３保護テープの幅以上に構成されているので、上記蓄電素子の充放電において上記捲回中心軸から上記捲回構造体の外周に向かう方向または上記捲回構造体の外周から上記捲回中心軸に向かう方向にリチウムイオンがより均一に拡散する。
また、上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る蓄電素子は、捲回構造体と、負極端子と、正極端子と、保護テープとを具備する。
上記捲回構造体は、負極集電体と上記負極集電体の主面に設けられた負極活物質層とを有する負極と、正極集電体と上記正極集電体の主面に設けられた正極活物質層とを有する正極と、上記負極と上記正極を絶縁するセパレータと、を有する。上記負極、上記正極及び上記セパレータは積層されて捲回され、上記負極と上記正極とが上記セパレータにより隔てられている。
上記負極端子は、上記負極集電体に電気的に接続され、上記捲回構造体の捲回中心軸に沿って上記捲回構造体内を延伸し、上記捲回構造体から突出する。
上記正極端子は、上記正極集電体に電気的に接続され、上記捲回中心軸に沿って上記捲回構造体内を延伸し、上記捲回構造体から突出する。
上記保護テープは、上記負極端子を被覆し、上記セパレータよりもイオン透過性が低い。
上記負極は、上記セパレータ及び上記正極を介して上記保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの吸収を抑制することが可能な第３領域を有している。
このような蓄電素子によれば、上記負極端子が上記セパレータよりもイオン透過性の低い第１保護テープによって被覆されたとしても、上記負極には、上記セパレータ及び上記正極を介して上記保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの吸収を抑制することが可能な第３領域が設けられている。これにより、充電時に負極端子が付設された負極部以外の負極部分に負荷がかかったとしても、上記負極部分には金属リチウムが析出しにくくなり、充電時には、負極全体においてより均一にリチウムイオンが吸収される。この結果、蓄電素子の信頼性が向上する。
上記蓄電素子においては、上記負極端子を上記保護テープとは反対側から覆う別の保護テープをさらに具備し、上記別の保護テープは、上記セパレータよりも低いイオン透過性を有してもよい。
これにより、上記負極端子が上記第１保護テープとは反対側から上記第３保護テープによって被覆され、上記負極端子への金属リチウム析出がより抑制される。
上記蓄電素子においては、上記負極は、上記セパレータ及び上記正極を介して上記別の保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第４領域をさらに有し、上記第３領域と上記第４領域との間に、上記負極端子が位置してもよい。
これにより、上記正極には、上記セパレータを介して上記第３保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第４領域が設けられ、負極端子が付設された負極部以外の負極部分に金属リチウムが析出しにくくなり、充電時には、負極全体においてより均一にリチウムイオンが吸収される。
以上述べたように、本発明によれば、負極においてより均一にリチウムイオンが吸収され、信頼性を向上させた蓄電素子が提供される。
第１実施形態に係る電気化学デバイス１００の外観を示す模式的斜視図である。 第１実施形態に係る蓄電素子１１０Ａを示す模式的斜視図である。 第１実施形態に係る蓄電素子１１０ＡのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。 図（ａ）は、図３におけるＡ１−Ａ２線付近のＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。図（ｂ）は、図３における負極端子１３１付近のＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。 図（ａ）は、比較例に係る蓄電素子５１０の作用を示す模式的断面図である。図（ｂ）は、第１実施形態に係る蓄電素子１１０Ａの作用を示す模式的断面図である。 第２実施形態に係る蓄電素子１１０ＢのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。 第３実施形態に係る蓄電素子１１０ＣのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。 第４実施形態に係る蓄電素子１１０ＤのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。 第５実施形態に係る蓄電素子１１０ＥのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。
［第１実施形態］
［電気化学デバイスの概要］
本実施形態に係る電気化学デバイス１００の概要を以下に説明する。本実施形態で例示される電気化学デバイスは、リチウムイオンキャパシタである。電気化学デバイス１００に含まれる蓄電素子１１０Ａの詳細については、後述する。
図１は、第１実施形態に係る電気化学デバイス１００の外観を示す模式的斜視図である。図１に示す電気化学デバイス１００においては、蓄電素子１１０Ａが収容ケース１２０に収容されている。収容ケース１２０内には、蓄電素子１１０Ａと共に電解液が充填されている。蓄電素子１１０Ａは、電解液に浸漬されている。蓄電素子１１０Ａの上には、蓋（不図示）が設けられ、電解液は、収容ケース１２０及び蓋により封止される。
蓄電素子１１０Ａが電解液に浸漬された電気化学デバイス１００ではリチウムイオンのプレドープが終了している。電解液に浸漬される前の蓄電素子１１０Ａは、リチウムイオン供給源を具備する。蓄電素子１１０Ａが電解液に浸漬されると、リチウムイオン供給源から電解液にリチウムイオンが溶け、リチウムイオンが蓄電素子１１０Ａの負極にドープされる。
［蓄電素子の構成］
図２は、第１実施形態に係る蓄電素子１１０Ａを示す模式的斜視図である。
図２に示すように、蓄電素子１１０Ａは、負極１３０、正極１４０、負極端子１３１、正極端子１４１、捲回芯１１２、セパレータ１５０及びリチウム極１８０を具備する。図２に例示された蓄電素子１１０Ａは、プレドープ前の蓄電素子である。負極１３０は、リチウムイオンが吸蔵と放出とが可能な電極である。正極１４０は、分極性電極である。このような蓄電素子では、プレドープ後、リチウムイオンがより均一に負極にドープされることが望ましい。
本実施形態では、捲回芯１１２が延伸する方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向に垂直な方向である。Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に垂直な方向である。捲回芯１１２が延伸する方向（捲回中心軸に平行な方向）は、負極端子１３１及び正極端子１４１が延伸する方向でもある。また、蓄電素子１１０Ａにおいては、捲回中心軸１１３から蓄電素子１１０Ａの外周に向かう方向を外側方向、その逆方向を内側方向とする。本実施形態において、蓄電素子１１０Ａが捲回芯１１２を設けない構造も含まれる。
負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０は、捲回芯１１２から外側に向かって積層されている。セパレータ１５０は、負極１３０と正極１４０との間に配置されている。セパレータ１５０によって、正極１４０と負極１３０とは隔てられる。セパレータ１５０は、負極１３０と正極１４０とを絶縁する。負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０は、捲回芯１１２の回りに捲回されている。本実施形態では、負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０を含む構造体を捲回構造体１１１とする。また、捲回中心軸１１３の周りに、負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０が捲回される方向を捲回方向Ｄｒとする。
負極端子１３１は、負極１３０に電気的に接続されている。負極端子１３１は、捲回構造体１１１の捲回中心軸１１３に沿って捲回構造体１１１内を延伸する。負極端子１３１は、捲回構造体１１１から突出している。正極端子１４１は、正極１４０に電気的に接続される。正極端子１４１は、正極１４０に電気的に接続されている。正極端子１４１は、捲回中心軸１１３に沿って捲回構造体１１１内を延伸する。正極端子１４１は、捲回構造体１１１から突出する。図２の例では、正極端子１４１は、負極端子１３１と同じ向きに捲回構造体１１１から突出している。
保護テープ１６１（第１保護テープ）は、負極端子１３１を被覆する。また、負極端子１３１は、保護テープ１６１とは反対側から保護テープ１６３（第３保護テープ）によって覆われている。保護テープ１６３は、保護テープ１６１に対向する。保護テープ１６１は、保護テープ１６３と捲回中心軸１１３との間に位置している。保護テープ１６１は、捲回方向Ｄｒにおいて幅１６１ｗを有する。保護テープ１６３は、捲回方向Ｄｒにおいて幅１６３ｗを有する。保護テープ１６３の幅１６３ｗは、例えば、保護テープ１６１の幅１６１ｗと同じである。保護テープ１６１、１６３におけるイオン透過率は、セパレータ１５０のイオン透過率よりも低い。例えば、保護テープ１６１、１６３は、イオンを実質的に透過しない樹脂フィルムである。
リチウム極１８０は、負極１３０に電気的に接続されている。リチウム極１８０は、負極端子１３１及び正極端子１４１の外側に配置されている。図２の例では、リチウム極１８０によって捲回構造体１１１が囲まれている。リチウム極１８０は、例えば、金属箔と、金属リチウム層とを有する。金属リチウム層は、金属箔の内側に設けられている。図２の例では、リチウム極１８０がセパレータ１５０から露出されているが、リチウム極１８０がセパレータ１５０によって囲まれてもよい。
蓄電素子１１０Ａにおいては、正極１４０は、セパレータ１５０を介して保護テープ１６１に対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第１領域１４５を有している。捲回方向Ｄｒにおいて、第１領域１４５の幅１４５ｗは、保護テープ１６１の幅１６１ｗ以下になっている。
さらに、蓄電素子１１０Ａにおいては、正極１４０は、セパレータ１５０を介して保護テープ１６３に対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第２領域１４６を有してもよい。捲回方向Ｄｒにおいて、第２領域１４６の幅１４６ｗは、保護テープ１６３の幅１６３ｗ以上になっている。負極端子１３１は、第１領域１４５と第２領域１４６との間に位置している。
蓄電素子１１０Ａの構造をさらに詳細に説明する。
図３は、第１実施形態に係る蓄電素子１１０ＡのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。図４（ａ）は、図３におけるＡ１−Ａ２線付近のＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。図４（ｂ）は、図３における負極端子１３１付近のＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。
蓄電素子１１０Ａにおいて、負極１３０は、負極集電体１３２と、負極活物質層１３３とを有する。負極活物質層１３３は、負極集電体１３２の主面１３２ａ（内側の主面）に設けられた負極活物質層１３３ａと、負極集電体１３２の主面１３２ｂ（外側の主面）に設けられた負極活物質層１３３ｂとを有する。本実施形態においては、負極活物質層１３３ａを内側負極活物質層、負極活物質層１３３ｂを外側負極活物質層と称してもよい。負極集電体１３２には、負極端子１３１が電気的に接続されている。例えば、負極集電体１３２の主面１３２ａの一部には負極活物質層１３３ａが設けられてなく、この負極活物質層１３３ａが設けられていない部分の負極集電体１３２に負極端子１３１が接続されている。
蓄電素子１１０Ａにおいて、負極端子１３１、負極集電体１３２が露出した部分及び負極端子１３１付近の負極活物質層１３３は、保護テープ１６１により被覆されている。
保護テープ１６１は、負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０を介して捲回芯１１２に対向する。プレドープの際に負極端子１３１が保護テープ１６１で被覆されていないと、金属リチウムが負極端子１３１上に優先的に析出する場合がある。このため、負極端子１３１は、電解液から遮断されるように保護テープ１６１により被覆されている。
また、負極端子１３１は、保護テープ１６１とは反対側から別の保護テープ１６３で覆われている。保護テープ１６３は、負極端子１３１と負極集電体１３２とを介して保護テープ１６１に対向している。例えば、負極端子１３１が負極集電体１３２に針かしめによって接続された場合、負極端子加工部が負極集電体１３２及び負極集電体１３２の外側に設けられた負極活物質層１３３ｂを突き抜ける。この突き抜けた部分の負極端子加工部を保護テープ１６３によって被覆することにより、突き抜けた負極端子加工部への金属リチウム析出が抑えられる。さらに、保護テープ１６１、１６３は、負極端子１３１及び負極端子加工部が隣り合う負極活物質層１３３に直接接触することを避けるための干渉材としても機能する。
また、蓄電素子１１０Ａにおいて、正極１４０は、正極集電体１４２と、正極活物質層１４３とを有する。正極活物質層１４３は、正極集電体１４２の主面１４２ａ（内側の主面）に設けられた正極活物質層１４３ａと、正極集電体１４２の主面１４２ｂ（外側の主面）に設けられた正極活物質層１４３ｂとを有する。本実施形態では、正極活物質層１４３ａを内側正極活物質層、正極活物質層１４３ｂを外側正極活物質層と称してもよい。正極集電体１４２には、正極端子１４１が電気的に接続されている。例えば、正極集電体１４２の主面１４２ａの一部には、正極活物質層１４３ａが設けられてなく、この正極活物質層１４３ａが設けられていない部分の正極集電体１４２に正極端子１４１が接続されている。正極端子１４１及び正極端子１４１付近の正極活物質層１４３及び正極端子１４１を正極集電体１４２に接続する正極端子加工部は、保護テープにより被覆してもよい。
正極１４０は、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第１領域１４５を有する。第１領域１４５は、保護テープ１６２（第２保護テープ）と、保護テープ１６２によって覆われた正極活物質層１４３及び正極集電体１４２とを有する。例えば、第１領域１４５においては、保護テープ１６２によって正極活物質層１４３ａが覆われている。保護テープ１６２は、セパレータ１５０ａを介して負極１３０（負極活物質層１３３ｂ）に対向している。保護テープ１６２のイオン透過率は、セパレータ１５０のイオン透過率よりも低い。例えば、保護テープ１６２は、イオンを実質的に透過しない樹脂フィルムである。
また、正極１４０は、第１領域１４５とは別に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第２領域１４６をさらに有する。第２領域１４６は、保護テープ１６４（第４保護テープ）と、保護テープ１６４によって覆われた正極活物質層１４３ｂ及び正極集電体１４２とを有する。例えば、第２領域１４６において、保護テープ１６４によって正極活物質層１４３ｂが覆われている。保護テープ１６４のイオン透過率は、セパレータ１５０のイオン透過率よりも低い。例えば、保護テープ１６４は、イオンを実質的に透過しない樹脂フィルムである。
このように、保護テープ１６１、１６３は、第１領域１４５と第２領域１４６との間に位置している。
セパレータ１５０は、セパレータ１５０ａ及びセパレータ１５０ｂを有する。セパレータ１５０ａ及びセパレータ１５０ｂは、負極１３０と正極１４０とを絶縁する。セパレータ１５０ａとセパレータ１５０ｂは、負極１３０と正極１４０を隔て、電解液中に含まれるイオンを透過する。本実施形態では、セパレータ１５０ａ及びセパレータ１５０ｂを総括的にセパレータ１５０とする。また、セパレータ１５０ａ及びセパレータ１５０ｂは、連続した一体のセパレータであってもよい。
リチウム極１８０は、負極端子１３１及び正極端子１４１の外側に配置されている。リチウム極１８０は、金属箔１８１と、金属リチウム層１８３とを有する。図３の例では、捲回構造体１１１において最も捲回外側（最外周）の電極が負極１３０となり、この最も捲回外側の負極集電体１３２にリチウム極１８０が接続されている。リチウム極１８０は、例えば、捲回構造体１１１を囲むように配置されている。金属箔１８１は、例えば、銅箔である。金属リチウム層１８３は、金属箔１８１に選択的に設けられている。金属リチウム層１８３は、例えば、金属リチウム箔である。金属リチウム層１８３の量は、リチウムイオンのプレドープにおいて負極活物質層１３３にドープ可能な程度に調整される。
金属箔１８１は、負極集電体１３２に電気的に接続されている。例えば、金属箔１８１は、負極集電体１３２に針かしめ、溶接等により接合されている。金属箔１８１は、捲回構造体１１１の外側において、捲回構造体１１１を一周りするように配置されている。金属箔１８１においては、その主面１８１ａが捲回内側の面になり、主面１８１ｂが捲回外側の面になっている。金属箔１８１のＺ軸方向における幅は、例えば、負極集電体１３２のＺ軸方向における幅と同じである。
金属リチウム層１８３は、負極活物質層１３３にリチウムイオンをプレドープする際のリチウムイオン供給源として機能する。このため、金属リチウム層１８３は、捲回外側の主面１８１ｂに設けられるよりも、捲回内側の主面１８１ａに設けられたほうが好ましい。これにより、プレドープの際、リチウムイオンが金属箔１８１によって遮られることなく、金属箔１８１の主面１８１ａから電解液を通じて捲回構造体１１１内に拡散する。なお、金属リチウム層１８３を主面１８１ｂに設ける場合は、リチウムイオンが金属箔１８１を貫通するように金属箔１８１に複数の貫通孔を形成してもよい。
リチウム極１８０と正極１４０との間には、セパレータ１５０ａが配置されている。これにより、リチウム極１８０は、正極１４０から絶縁されている。また、本実施形態においては、リチウム極１８０が必ずしも捲回構造体１１１を囲むように配置されている必要はない。例えば、リチウム極１８０は、負極端子１３１及び正極端子１４１の外側であれば、捲回構造体１１１中に配置されてもよい。但し、リチウム極１８０は、負極１３０に電気的に接続されている。
Ｚ軸方向において、正極１４０の幅は、２４ｍｍ、負極１３０の幅は、２７ｍｍ、セパレータ１５０の幅は、３０ｍｍである。また、捲回構造体１１１の径は、１１ｍｍ、Ｚ軸方向における長さは、３０ｍｍである。正極端子１４１と負極端子１３１との間の距離は、５ｍｍである。保護テープ１６１における幅１６１ｗ及び保護テープ１６３における幅１６３ｗは、１０ｍｍ、保護テープ１６１、１６３におけるＺ軸方向の長さは、２０ｍｍである。但し、これらの寸法は、一例であり、上記の値に限らない。
蓄電素子１１０Ａの材料について説明する。
負極端子１３１の材料としては、銅、鉄、ステンレスが使用できる。正極端子１４１は、例えば、アルミニウム、チタン等の少なくとも１つを含む。負極端子１３１は、例えば、銅端子である。正極端子１４１は、例えば、アルミニウム端子である。
負極集電体１３２は、例えば、金属箔である。金属箔には、複数の貫通孔が設けられてもよい。負極集電体１３２は、例えば、銅箔等でもよい。負極活物質層１３３に含まれる負極活物質は、電解液中のリチウムイオンを吸蔵と放出とが可能な材料であり、例えば難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、グラファイトやソフトカーボン等の炭素系材料でもよい。負極活物質層１３３は、負極活物質がバインダ樹脂と混合されたものでもよく、さらに導電助剤を含んでもよい。例えば、負極活物質層１３３は、上記の活物質、導電助剤及び合成樹脂のスラリー状の混合物を塗布してシート状に形成し、それを裁断したものである。
バインダ樹脂は、負極活物質を接合する合成樹脂でよい。バインダ樹脂は、例えばカルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、芳香族ポリアミド、フッ素系ゴム、ポリビニリデンフルオライド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム及びエチレンプロピレン系ゴム等を用いてもよい。
導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、負極活物質の間での導電性を向上させるものでよい。導電助剤は、例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電助剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。
正極集電体１４２の材料は、例えば、アルミニウム等である。正極活物質層１４３に含まれる正極活物質は、例えば、活性炭、ＰＡＳ（Polyacenic Semiconductor：ポリアセン系有機半導体）等の活物質の少なくともいずれかを含む。正極活物質層１４３は、上記の活物質、導電助剤（例えば、カーボンブラック）及び合成樹脂（例えば、ＰＴＦＥ等）のスラリー状の混合物を塗布してシート状に形成し、それを裁断したものである。
セパレータ１５０は、イオンを透過させ、負極１３０と正極１４０とを絶縁するシート材でもよい。セパレータ１５０は、織布、不織布、合成樹脂微多孔膜等でもよい。セパレータ１５０は、ガラス繊維、セルロース繊維、プラスチック繊維等からなる多孔質シートでもよい。
電解液は、任意に選択することが可能である。例えば、電解液において、カチオンとしては、リチウムイオンを少なくとも含む。アニオンとしてはＢＦ４ −（四フッ化ホウ酸イオン）、ＰＦ６ −（六フッ化リン酸イオン）、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−（ＴＦＳＡイオン）等のアニオンを含み、溶媒としてはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、スルホラン、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、エチルイソプロピルスルホン等を含むものとすることができる。具体的には、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）または、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）のプロピレンカーボネート溶液等でもよい。
保護テープ１６１、１６２、１６３、１６４の材料は、耐熱性かつ電解液に対して耐性を有するものが適用される。例えば、保護テープ１６１、１６２、１６３、１６４は、ポリイミド、ポリプロピレン及びポリフェニレンサルファイド等のいずれかを含んでもよい。
［蓄電素子の作用］
図５（ａ）は、比較例に係る蓄電素子５１０の作用を示す模式的断面図である。図５（ｂ）は、第１実施形態に係る蓄電素子１１０Ａの作用を示す模式的断面図である。
本実施形態に係る蓄電素子１１０Ａの作用を説明する前に、図５（ａ）に示す比較例に係る蓄電素子５１０の作用を説明する。比較例に係る蓄電素子５１０においては、第１領域１４５及び第２領域１４６が設けられていない。
プレドープ後の蓄電素子５１０においては、充電時に正極１４０からリチウムイオンが放出されて、負極１３０にリチウムイオンがドープされることにより蓄電される。
ここで、負極端子１３１近傍の負極１３０（枠Ｃ３で示す負極１３０）が保護テープ１６１、１６３で覆われていると、充電時に枠Ｃ３で示す負極１３０の部分がリチウムイオンを吸収しにくくなる。これにより、充電時には、枠Ｃ３で示す負極１３０が正極１４０を介して対向する負極１３０の部分（枠Ｃ１内の負極活物質層１３３ｂ及び枠Ｃ２内の負極活物質層１３３ａ）が枠Ｃ３で示す負極１３０の部分の機能を請け負って機能する。この結果、充電時には、枠Ｃ１、Ｃ２で示す負極１３０の部分が枠Ｃ１、Ｃ２で示す負極１３０以外の負極よりも優先的にリチウムイオンを取り込もうとする。これにより、特に充電速度が早くなるほど、枠Ｃ１、Ｃ２で示す負極１３０の部分に局所的に金属リチウム（Ｌｉ）が析出される可能性がある。
このような現象が繰り返されると、枠Ｃ１、Ｃ２で示す負極１３０の部分に局所的に金属リチウム（Ｌｉ）が析出する。そして、この部分における金属リチウムの成長が続くと、金属リチウムがセパレータ１５０を突き破り、対向する正極１４０と接触する場合がある。この場合、負極１３０と正極１４０とが短絡する。
これに対して、本実施形態に係る蓄電素子１１０Ａでは、上記の不具合が解消される。例えば、図５（ｂ）に示す本実施形態に係る蓄電素子１１０Ａにおいては、枠Ｃ１で示す正極１４０（正極活物質層１４３ａ）に第１領域１４５（保護テープ１６２）が設けられ、枠Ｃ２で示す正極１４０（正極活物質層１４３ｂ）に第２領域１４６（保護テープ１６４）が設けられている。
これにより、充電時に、枠Ｃ３で示す負極１３０以外の負極部分（枠Ｃ１、Ｃ２で示す負極１３０の部分）に充電の負荷がかかったとしても、枠Ｃ１、Ｃ２で示す負極１３０と正極１４０との間では、保護テープ１６２、１６４の存在によって、リチウムイオンの移動が起きにくくなる。これにより、枠Ｃ１、Ｃ２で示す負極１３０の部分に金属リチウムが析出しにくくなる。すなわち、蓄電素子１１０Ａにおいては、充電速度が早くなっても、負極１３０における局所的な金属リチウム析出が抑制され、負極１３０全体においてより均一にリチウムイオンが吸収される。これにより、蓄電素子１１０Ａの信頼性が高くなる。
また、蓄電素子１１０Ａの充放電では、リチウムイオンが負極１３０と正極１４０との間で放射状に移動したり、その逆方向にリチウムイオンが移動したりする。この場合、第１領域１４５の幅１４５ｗが保護テープ１６１の幅１６１ｗより大きく、第２領域１４６の幅１４６ｗが保護テープ１６３の幅１６３ｗより小さくなると、リチウムイオンの移動が捲回構造体１１１内において第１領域１４５及び第２領域１４６によって遮られる。
蓄電素子１１０Ａにおいては、第１領域１４５の幅１４５ｗが保護テープ１６１の幅１６１ｗ以下に構成され、第２領域１４６の幅１４６ｗが保護テープ１６３の幅１６３ｗ以上に構成されている。これにより、充放電時には、負極１３０と正極１４０との間でリチウムイオンが第１領域１４５及び第２領域１４６によって遮られにくくなり、負極１３０と正極１４０との間でリチウムイオンがより均一に拡散する。
例えば、複数の蓄電素子１１０Ａと、複数の蓄電素子５１０を準備し、複数の蓄電素子１１０Ａと、複数の蓄電素子５１０のそれぞれにおいて、充放電電流が１００Ｃ相当で、１００００サイクルを試みても異常は見られなかった。しかし、充放電電流が２００Ｃ相当で、１００００サイクルを試みたところ、複数の蓄電素子５１０の中、約８０％の素子が試験後に電圧低下が確認された。
［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係る蓄電素子１１０ＢのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。図６には、蓄電素子１１０Ｂの負極端子１３１付近のＸ−Ｙ平面における模式的断面が示されている。
蓄電素子１１０Ｂにおいては、第１領域１４５における正極活物質層１４３ａの厚さは、第１領域１４５外における正極活物質層１４３ａ、１４３ｂの厚さより薄いか、または、第１領域１４５には、正極活物質層１４３ａが設けられていない。また、蓄電素子１１０Ｂにおいては、第２領域１４６における正極活物質層１４３ｂの厚さは、第１領域１４５外及び第２領域１４６外における正極活物質層１４３ａ、１４３ｂの厚さより薄いか、または、第２領域１４６には、正極活物質層１４３ｂが設けられていない。図６では、第１領域１４５に正極活物質層１４３ａが設けられてなく、正極集電体１４２の主面１４２ａが露出した例が示されている。さらに、図６では、第２領域１４６において、正極活物質層１４３ｂが設けられてなく、正極集電体１４２の主面１４２ｂが露出した例が示されている。
正極活物質層１４３ａが設けられていない第１領域１４５は、例えば、第１領域１４５において正極活物質層１４３ａを正極集電体１４２から選択的に除去する方法、または、第１領域１４５において正極集電体１４２にマスク部材を形成し、第１領域１４５への正極活物質層１４３ａのマスキングを行う方法で形成される。第２領域１４６は、第１領域１４５と同様の方法で形成される。
このような構成であっても、第１領域１４５または第２領域１４６においてリチウムイオンの放出が抑制される。これにより、負極１３０における局所的な金属リチウム析出が抑制され、負極１３０全体においてより均一にリチウムイオンが吸収される。
［第３実施形態］
図７は、第３実施形態に係る蓄電素子１１０ＣのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。
蓄電素子１１０Ｃにおいては、正極１４０における第２領域１４６が捲回方向Ｄｒにおいて少なくとも一周している。例えば、蓄電素子１１０Ｃでは、第２領域１４６で保護テープ１６５が正極活物質層１４３ｂを少なくとも一周覆っている。保護テープ１６５の材料は、保護テープ１６４の材料と同じである。
このような構成であっても、第１領域１４５または第２領域１４６においてリチウムイオンの放出が抑制される。特に、第２領域１４６におけるリチウムイオンの放出がより抑制される。これにより、負極１３０における局所的な金属リチウム析出が抑制され、負極１３０全体においてより均一にリチウムイオンが吸収される。
［第４実施形態］
図８は、第４実施形態に係る蓄電素子１１０ＤのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。
蓄電素子１１０Ｄにおいては、正極１４０における第２領域１４６が捲回方向Ｄｒにおいて少なくとも一周している。例えば、蓄電素子１１０Ｄでは、第２領域１４６で正極活物質層１４３ｂが少なくとも一周設けられていない。
このような構成であっても、第１領域１４５または第２領域１４６においてリチウムイオンの放出が抑制される。特に、第２領域１４６におけるリチウムイオンの放出がより抑制される。これにより、負極１３０における局所的な金属リチウム析出が抑制され、負極１３０全体においてより均一にリチウムイオンが吸収される。
［第５実施形態］
図９は、第５実施形態に係る蓄電素子１１０ＥのＸ−Ｙ平面における模式的断面図である。図９には、蓄電素子１１０Ｅの負極端子１３１付近のＸ−Ｙ平面における模式的断面図が示されている。
蓄電素子１１０Ｅは、捲回構造体１１１、負極端子１３１、正極端子１４１及び保護テープ１６１、１６２、１６３、１６４を具備する。蓄電素子１１０Ｅにおいては、負極１３０がセパレータ１５０ｂ及び正極１４０を介して保護テープ１６１に対向する部分に、リチウムイオンの吸収を抑制することが可能な第３領域１３５を有している。
第３領域１３５においては、負極活物質層１３３ｂは、保護テープ１６２によって覆われている。第３領域１３５においては、負極活物質層１３３ｂが設けられてなく、負極集電体１３２の主面１３２ｂが露出した構造であってもよい。また、捲回方向Ｄｒにおいて、第３領域１３５の幅は、保護テープ１６１の幅よりも狭い。
さらに、蓄電素子１１０Ｅにおいては、負極１３０がセパレータ１５０及び正極１４０を介して保護テープ１６３に対向する部分に、リチウムイオンの吸収を抑制することが可能な第４領域１３６を有してもよい。この場合、負極端子１３１は、第３領域１３５と第４領域１３６との間に位置する。
第４領域１３６においては、負極活物質層１３３ａは、保護テープ１６４によって覆われている。第４領域１３６においては、負極活物質層１３３ａが設けられてなく、負極集電体１３２の主面１３２ａが露出した構造であってもよい。また、捲回方向Ｄｒにおいて、第４領域１３６の幅は、保護テープ１６３の幅よりも広い。
このような構成であっても、第３領域１３５または第４領域１３６においてリチウムイオンの吸収が抑制される。これにより、負極１３０における局所的な金属リチウム析出が抑制され、負極１３０全体においてより均一にリチウムイオンが吸収される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、図６に例示された構成では、負極端子１３１の内側では、正極活物質層１４３ａに第１領域１４５が設けられ、負極端子１３１の外側では、正極活物質層１４３ｂに第２領域１４６が設けられている。本実施形態では、負極端子１３１の内側で、正極活物質層１４３ｂに第１領域１４５が設けられ、負極端子１３１の外側で、正極活物質層１４３ａに第２領域１４６が設けられてもよい。
１００…電気化学デバイス
１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅ、５１０…蓄電素子
１１１…捲回構造体
１１２…捲回芯
１１３…捲回中心軸
１２０…収容ケース
１３０…負極
１３１…負極端子
１３２…負極集電体
１３２ａ、１３２ｂ…主面
１３３、１３３ａ、１３３ｂ…負極活物質層
１３５…第３領域
１３６…第４領域
１４０…正極
１４１…正極端子
１４２…正極集電体
１４２ａ、１４２ｂ…主面
１４３、１４３ａ、１４３ｂ…正極活物質層
１４５…第１領域
１４５ｗ…幅
１４６…第２領域
１４６ｗ…幅
１５０、１５０ａ、１５０ｂ…セパレータ
１６１、１６２、１６３、１６４、１６５…保護テープ
１６１ｗ、１６３ｗ…幅
１８０…リチウム極
１８１ａ、１８１ｂ…主面
１８１…金属箔
１８３…金属リチウム層

Claims (8)

  1. 負極集電体と前記負極集電体の主面に設けられた負極活物質層とを有する負極と、正極集電体と前記正極集電体の主面に設けられた正極活物質層とを有する正極と、前記負極と前記正極を絶縁するセパレータと、を有し、前記負極、前記正極及び前記セパレータは積層されて捲回され、前記負極と前記正極とが前記セパレータにより隔てられた捲回構造体と、
    前記負極集電体に電気的に接続され、前記捲回構造体の捲回中心軸に沿って前記捲回構造体内を延伸し、前記捲回構造体から突出する負極端子と、
    前記正極集電体に電気的に接続され、前記捲回中心軸に沿って前記捲回構造体内を延伸し、前記捲回構造体から突出する正極端子と、
    前記負極端子を被覆し、前記セパレータよりもイオン透過性の低い第１保護テープと
    前記負極端子を前記第１保護テープとは反対側から覆い、前記セパレータよりも低いイオン透過性を有する第３保護テープと
    を具備し、
    前記正極は、前記セパレータを介して前記第１保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第１領域を有し、
    前記正極は、前記セパレータを介して前記第３保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの放出を抑制することが可能な第２領域をさらに有し、
    前記第１領域と前記第２領域との間に、前記負極端子が位置し、
    前記第２領域において、前記正極活物質層は、前記セパレータよりもイオン透過性の低い第４保護テープによって覆われている
    蓄電素子。
  2. 請求項１に記載の蓄電素子であって、
    前記第１領域において、前記正極活物質層は、前記セパレータよりもイオン透過性の低い第２保護テープによって覆われている
    蓄電素子。
  3. 請求項１に記載の蓄電素子であって、
    前記第１領域における前記正極活物質層の厚さは、前記第１領域外における前記正極活物質層の厚さより薄いか、または、前記第１領域には、前記正極活物質層が設けられていない
    蓄電素子。
  4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の蓄電素子であって、
    前記捲回構造体の捲回方向において、前記第１領域の幅は、前記第１保護テープの幅以下である
    蓄電素子。
  5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の蓄電素子であって、
    前記第２領域における前記正極活物質層の厚さは、前記第１領域外及び前記第２領域外における前記正極活物質層の厚さより薄いか、または、前記第２領域には、前記正極活物質層が設けられていない
    蓄電素子。
  6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の蓄電素子であって、
    前記捲回構造体の捲回方向において、前記第２領域の幅は、前記第３保護テープの幅以上である
    蓄電素子。
  7. 負極集電体と前記負極集電体の主面に設けられた負極活物質層とを有する負極と、正極集電体と前記正極集電体の主面に設けられた正極活物質層とを有する正極と、前記負極と前記正極を絶縁するセパレータと、を有し、前記負極、前記正極及び前記セパレータは積層されて捲回され、前記負極と前記正極とが前記セパレータにより隔てられた捲回構造体と、
    前記負極集電体に電気的に接続され、前記捲回構造体の捲回中心軸に沿って前記捲回構造体内を延伸し、前記捲回構造体から突出する負極端子と、
    前記正極集電体に電気的に接続され、前記捲回中心軸に沿って前記捲回構造体内を延伸し、前記捲回構造体から突出する正極端子と、
    前記負極端子を被覆し、前記セパレータよりもイオン透過性の低い保護テープと
    前記負極端子を前記保護テープとは反対側から覆い、前記セパレータよりも低いイオン透過性を有する別の保護テープと
    を具備し、
    前記負極は、前記セパレータ及び前記正極を介して前記保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの吸収を抑制することが可能な第３領域を有している
    蓄電素子。
  8. 請求項７に記載の蓄電素子であって、
    前記負極は、前記セパレータ及び前記正極を介して前記別の保護テープに対向する部分に、リチウムイオンの吸収を抑制することが可能な第４領域をさらに有し、
    前記第３領域と前記第４領域との間に、前記負極端子が位置している
    蓄電素子。
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