CN114041214A - 二次电池、电池包、电子设备、电动工具、电动航空器及电动车辆 - Google Patents

二次电池、电池包、电子设备、电动工具、电动航空器及电动车辆 Download PDF

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Abstract

一种二次电池，正极在带状的正极箔上具有由正极活性物质层被覆的被覆部和正极活性物质非被覆部，负极在带状的负极箔上具有由负极活性物质层被覆的被覆部和负极活性物质非被覆部，正极活性物质非被覆部在电极卷绕体的端面的一方与正极集电板接合，负极活性物质非被覆部在电极卷绕体的端面的另一方与负极集电板接合，正极活性物质非被覆部与负极活性物质非被覆部的任一方或者双方具有通过朝卷绕的构造的中心轴折弯并重叠而形成的表面，表面具有从电极卷绕体的内周部朝外周部延伸的槽，内周部的槽的深度小于外周部的槽的深度。

Description

二次电池、电池包、电子设备、电动工具、电动航空器及电动 车辆
技术领域
本发明涉及二次电池、电池包、电子设备、电动工具、电动航空器及电动车辆。
背景技术
锂离子电池面向电动工具、汽车之类的需要高输出的用途而被开发。作为进行高输出的一种方法，可举出从电池流过比较大的电流的高倍率放电。在高倍率放电中，由于流过大电流，所以电池的内部电阻成为问题。
例如，专利文献1记载有针对圆筒形的锂离子二次电池相比于现有技术降低内部电阻且使高倍率放电特性优异的电池的构造和制法。在专利文献1记载的技术中，在带状电极的集电体涂布有活性物质的正极板与负极板隔着隔膜卷绕而成的漩涡电极体的端面具备没涂布活性物质的集电体露出部，通过预先在端面设置8个放射状的弯折辅助槽，能够抑制在撞击工序中产生皱褶，可靠地进行集电体露出部与集电板的焊接。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-166030号公报。
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1中，针对辅助槽的详细形状没有任何记载，由于记载有从外侧朝中心形成槽，所以认为作成一定深度的辅助槽。然而，存在如下问题：在一定深度的辅助槽中，在端面产生皱褶、凹凸，集电体彼此没有紧贴而产生间隙，由于穿孔而产生焊接不良。
因此，本发明的目的之一在于提供具备不会产生焊接不良那样的槽的形状的电池。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明是二次电池，其隔着隔膜而层叠有带状的正极和带状的负极，且是将具有卷绕的构造的电极卷绕体和正极集电板以及负极集电板收容于外装罐而获得的，在上述二次电池中，正极在带状的正极箔上具有由正极活性物质层被覆的被覆部和正极活性物质非被覆部，负极在带状的负极箔上具有由负极活性物质层被覆的被覆部和负极活性物质非被覆部，正极活性物质非被覆部在电极卷绕体的端面的一方与正极集电板接合，负极活性物质非被覆部在电极卷绕体的端面的另一方与负极集电板接合，正极活性物质非被覆部与负极活性物质非被覆部的任一方或者双方具有通过朝卷绕的构造的中心轴折弯并相互重叠而形成的表面，表面具有从电极卷绕体的内周部朝外周部延伸的槽，内周部的槽的深度小于外周部的槽的深度。
另外，本发明是一种电池包，具有：上述的二次电池；控制部，控制二次电池；以及外装体，所述外装体内包二次电池。
本发明是一种电子设备，具有上述的二次电池或者上述的电池包。
本发明是一种电动工具，具有上述的电池包，并将电池包用作电源。
本发明是一种电动航空器，具备：上述的电池包；多个旋转叶片；马达，分别使旋转叶片旋转；支承轴，分别支承旋转叶片以及马达；马达控制部，控制马达的旋转；以及电力供给线，对马达供给电力，其中电池包与电力供给线连接。
本发明是一种电动车辆，具有上述的二次电池，并具有：转换装置，从二次电池接受电力的供给并转换为车辆的驱动力；以及控制装置，基于与二次电池相关的信息进行与车辆控制相关的信息处理。
发明的效果
根据本发明的至少实施方式，能够可靠地进行箔与集电板的焊接，能够使电池的内部电阻降低，或者能够实现高输出的电池。需要说明的是，不应通过本说明书中例示的效果来限制解释本发明的内容。
附图说明
图1是一个实施方式所涉及的电池的剖视图。
图2是对电极卷绕体的正极、负极与隔膜的配置关系的一个例子进行说明的图。
图3A是正极集电板的俯视图，图3B是负极集电板的俯视图。
图4A～图4F是对一个实施方式所涉及的电池的组装工序进行说明的图。
图5是表示实施例1的图。
图6A是表示电极卷绕体的端面的附图，图6B以及图6C是沿着图6A的线AA’的正极侧、负极侧的剖视图，是具体地示出槽的深度的定义的图。
图7是表示实施例2的图。
图8是表示比较例1的图。
图9是表示比较例2的图。
图10是表示比较例1的激光焊接的结果的图。
图11是表示比较例2的激光焊接的结果的图。
图12是本发明的应用例的电池包的说明所使用的连接图。
图13是本发明的应用例的电动工具的说明所使用的连接图。
图14是本发明的应用例的无人航空器的说明所使用的连接图。
图15是本发明的应用例的电动车辆的说明所使用的连接图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式等进行说明。需要说明的是，说明按以下的顺序进行。
＜1.一个实施方式＞
＜2.变形例＞
＜3.应用例＞
以下说明的实施方式等是本发明优选的具体例，本发明的内容不限制于这些实施方式等。
在本发明的实施方式中，作为二次电池，以圆筒形状的锂离子电池作为例子进行说明。
＜1.一个实施方式＞
首先，关于锂离子电池的整体结构进行说明。图1是锂离子电池1的概略剖视图。例如，如图1所示，锂离子电池1是在外装罐11的内部收纳有电极卷绕体20的圆筒型的锂离子电池1。
具体而言，锂离子电池1例如在圆筒状的外装罐11的内部具备一对绝缘板12、13和电极卷绕体20。但是，也可以是，锂离子电池1例如在外装罐11的内部还具备热敏电阻(PTC)元件以及加强构件等中的任一种或者两种以上。
[外装罐]
外装罐11主要是收纳电极卷绕体20的构件。该外装罐11例如是一端面开放并且另一端面封闭的圆筒状的容器。即，外装罐11具有开放的一端面(开放端面11N)。该外装罐11例如包含铁、铝以及它们的合金等金属材料中的任一种或者两种以上。但是，也可以是，在外装罐11的表面镀敷有例如镍等金属材料中的任一种或者两种以上。
[绝缘板]
绝缘板12、13是具有相对于电极卷绕体20的卷绕轴(图1的Z轴)大致垂直的面的盘状的板。另外，绝缘板12、13例如配置为相互夹着电极卷绕体20。
[铆接构造]
在外装罐11的开放端面11N经由垫圈15而铆接有电池盖14以及安全阀机构30，形成铆接构造11R(卷曲构造)。由此，在外装罐11的内部收纳有电极卷绕体20等的状态下，将该外装罐11密闭。
[电池盖]
电池盖14是主要在外装罐11的内部收纳有电极卷绕体20等的状态下将该外装罐11的开放端面11N封闭的构件。该电池盖14例如包括与外装罐11的形成材料相同的材料。电池盖14中的中央区域例如向+Z方向突出。由此，电池盖14中的除中央区域以外的区域(周边区域)例如与安全阀机构30接触。
[垫圈]
垫圈15主要是通过夹设于外装罐11(弯折部11P)与电池盖14之间而对该弯折部11P与电池盖14之间的间隙进行密封的构件。但是，也可以在垫圈15的表面例如涂覆有沥青等。
该垫圈15例如包含绝缘性材料中的任一种或者两种以上。绝缘性材料的种类没有特别限制，但例如是聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)以及聚丙烯(PP)等高分子材料。其中，优选绝缘性材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯。这是因为可将外装罐11与电池盖14相互电分离，并且充分地密封弯折部11P与电池盖14之间的间隙。
[安全阀机构]
安全阀机构30主要在外装罐11的内部的压力(内压)上升时，根据需要而解除外装罐11的密闭状态，从而开放其内压。外装罐11的内压上升的原因例如是因为在充放电时电解液的分解反应而产生的气体等。
[电极卷绕体]
在圆筒形状的锂离子电池中，带状的正极21和带状的负极22隔着隔膜23并以漩涡状卷绕，并在含浸有电解液的状态下纳入外装罐11。正极21是在正极箔21A的单面或者双面形成正极活性物质层21B的结构，正极箔21A的材料例如是由铝、铝合金形成的金属箔。负极22是在负极箔22A的单面或者双面形成负极活性物质层22B的结构，负极箔22A的材料例如是由镍、镍合金、铜、铜合金形成的金属箔。隔膜23是多孔质且具有绝缘性的膜，能够使正极21与负极22电绝缘，并且使离子、电解液等物质移动。
正极活性物质层21B和负极活性物质层22B分别覆盖正极箔21A和负极箔22A的许多部分，但均故意地没有被覆处于带的短轴方向的一方的端部周边。以下将没有被覆有该活性物质层21B、22B的部分适当地称为活性物质非被覆部。对于圆筒形状的电池而言，电极卷绕体20使正极的活性物质非被覆部21C与负极的活性物质非被覆部22C朝相反方向并隔着隔膜23重叠而卷绕。
图2示出将正极21、负极22和隔膜23层叠的卷绕之前的构造的一个例子。正极的活性物质非被覆部21C(图2的上侧的斜线部分)的宽度是A，负极的活性物质非被覆部22C(图2的下侧的斜线部分)的宽度是B。在一个实施方式中，优选A＞B，例如A＝7(mm)，B＝4(mm)。正极的活性物质非被覆部21C从隔膜23的宽度方向的一端突出的部分的长度是C，负极的活性物质非被覆部22C从隔膜23的宽度方向的另一端突出的部分的长度是D。在一个实施方式中优选C＞D，例如为C＝4.5(mm)，D＝3(mm)。
正极的活性物质非被覆部21C例如由铝等构成，负极的活性物质非被覆部22C例如由铜等构成，因此，通常正极的活性物质非被覆部21C比负极的活性物质非被覆部22C柔软(杨氏模量低)。因此，在一个实施方式中，更优选A＞B并且C＞D，在这种情况下，在从两极侧同时以相同的压力使正极的活性物质非被覆部21C和负极的活性物质非被覆部22C弯折时，从弯折的部分的隔膜23的前端测量出的高度在正极21和负极22中有时大致相同。此时，活性物质非被覆部21C、22C弯折并适度地相互重叠，因此，能够容易地进行活性物质非被覆部21C、22C与集电板24、25的基于激光焊接的接合。一个实施方式的接合是指通过激光焊接而接在一起，但接合方法不限制于激光焊接。
对于正极21而言，包括活性物质非被覆部21C与活性物质被覆部21B的边界的、宽度3mm的区间由绝缘层101(图2的灰色的区域部分)被覆。而且，隔着隔膜而与负极的活性物质被覆部22B相对的正极的活性物质非被覆部21C的所有区域由绝缘层101覆盖。在负极的活性物质被覆部22B与正极的活性物质非被覆部21C之间侵入了异物时，绝缘层101具有可靠地防止电池1的内部短路的效果。另外，绝缘层101在对电池1施加了冲击时，吸收该冲击，具有可靠地防止正极的活性物质非被覆部21C折弯、与负极22的短路的效果。
在电极卷绕体20的中心轴开设有贯通孔26。贯通孔26是用于插入电极卷绕体20的组装用的卷芯和焊接用的电极棒的孔。电极卷绕体20由于正极的活性物质非被覆部21C与负极的活性物质非被覆部22C朝相反方向而重叠卷绕，所以在电极卷绕体的端面的一方(端面41)汇集有正极的活性物质非被覆部21C，在电极卷绕体20的端面的另一方(端面42)汇集有负极的活性物质非被覆部22C。为了使与用于取出电流的集电板24、25的接触良好，活性物质非被覆部21C、22C折弯，端面41、42成为平坦面。折弯的方向成为从端面41、42的外缘部27、28朝贯通孔26的方向，在卷绕的状态下邻接的周围的活性物质非被覆部彼此重叠而折弯。。需要说明的是，在本说明书中“平坦面”不仅包括完全平坦的面，还包括以活性物质非被覆部与集电板能够接合的程度具有少许凹凸、表面粗糙度的表面。
活性物质非被覆部21C、22C分别重叠而折弯，从而乍一看可能认为端面41、42为平坦面，但若在折弯之前没有任何加工，则在折弯时在端面41、42产生皱褶、空隙(间隙、空间)，端面41、42不成为平坦面。此处，“皱褶”、“空隙”是指在折弯的活性物质非被覆部21C、22C产生偏倚，端面41、42没有成为平坦面的部分。为了防止产生该皱褶、空隙，从贯通孔26向放射方向预先形成有槽43(例如参照图4B)。槽43从端面41、42的外缘部27、28延伸至存在于贯通孔26。在电极卷绕体20的中心存在贯通孔26，贯通孔26在锂离子电池1的组装工序中用作插入焊接器具的孔。在处于贯通孔26的附近的正极21与负极22的卷绕起点的活性物质非被覆部21C、22C存在缺口。这是为了防止在朝贯通孔26折弯时闭塞贯通孔26。槽43在折弯了活性物质非被覆部21C、22C之后还残留于平坦面内，不存在槽43的部分与正极集电板24或者负极集电板25接合(焊接等)。需要说明的是，也可以是，不仅平坦面，槽43也与集电板24、25的一部分接合。
关于电极卷绕体20的详细结构即正极21、负极22、隔膜23以及电解液各自的详细结构将后述。
[集电板]
在通常的锂离子电池中例如，在正极和负极的各一处焊接有电流取出用的引脚，但这样由于电池的内部电阻大，放电时锂离子电池发热而成为高温，所以不适合于高倍率放电。此处，在一个实施方式的锂离子电池中，在端面41、42配置正极集电板24和负极集电板25，并以多点与存在于端面41、42的正极、负极的活性物质非被覆部21C、22C焊接，从而将电池的内部电阻抑制得较低。即便端面41、42折弯而成为平坦面也有助于低电阻化。
图3A以及图3B示出集电板的一个例子。图3A是正极集电板24，图3B是负极集电板25。正极集电板24的材料例如是由铝、铝合金的单体或者复合材料构成的金属板，负极集电板25的材料是例如由镍、镍合金、铜、铜合金的单体或者复合材料构成的金属板。如图3A所示，正极集电板24的形状成为在平坦的扇形的扇状部31附设有矩形的带状部32的形状。在扇状部31的中央附近存在孔35，孔35的位置是与贯通孔26对应的位置。
图3A的斜线所示的部分是在带状部32粘贴有绝缘胶带或者涂覆有绝缘材料的绝缘部32A，比附图的斜线部靠下侧的部分是向兼作外部端子的封口板连接的连接部32B。需要说明的是，在贯通孔26不具备金属制的中心销(未图示)的电池构造的情况下带状部32与负极电位的部位接触的可能性低，因此，也可以不存在绝缘部32A。在该情况下，能够使正极21和负极22的宽度以相当于绝缘部32A的厚度的量变大而增大充放电容量。
负极集电板25的形状是与正极集电板24几乎相同的形状，但带状部不同。图3B的负极集电板的带状部34比正极集电板的带状部32短，不存在相当于绝缘部32A的部分。在带状部34存在由多个圆圈表示的圆形的突起部(凸块)37。在电阻焊接时，电流集中于突起部，突起部熔化而将带状部34焊接于外装罐11的底部。与正极集电板24相同，在负极集电板25且在扇状部33的中央附近开设有孔36，孔36的位置是与贯通孔26对应的位置。正极集电板24的扇状部31和负极集电板25的扇状部33成为扇形的形状，因此，覆盖端面41、42的一部分。没有覆盖全部的理由是为了在组装电池时使电解液顺利地向电极卷绕体浸透，或者为了使在电池成为异常的高温状态、过充电状态时产生的气体容易向电池外放出。
[正极]
正极活性物质层21B包括能够吸留以及放出锂的正极材料中的任一种或者两种以上作为正极活性物质。但是，正极活性物质层21B也可以进一步包括正极粘结剂以及正极导电剂等其他材料中的任一种或者两种以上。正极材料优选为含锂化合物，更具体而言，优选含锂复合氧化物以及含锂磷酸化合物等。
含锂复合氧化物是包括锂和一种或者两种以上的其他元素(除锂以外的元素)作为构成元素的氧化物，具有例如层状岩盐型以及尖晶石型等中的任一种结晶构造。含锂磷酸化合物是包含锂和一种或者两种以上的其他元素作为构成元素的磷酸化合物，例如具有橄榄石型等结晶构造。
正极粘结剂例如包含合成橡胶以及高分子化合物等中的任一种或者两种以上。合成橡胶例如是苯乙烯丁二烯类橡胶、氟类橡胶以及三元乙丙橡胶等。高分子化合物例如是聚偏氟乙烯以及聚酰亚胺等。
正极导电剂例如包含碳材料等中的任一种或者两种以上。该碳材料例如是石墨、炭黑、乙炔黑以及科琴黑等。但是，正极导电剂只要是具有导电性的材料，则也可以是金属材料以及导电性高分子等。
[负极]
优选负极箔22A的表面被粗糙化。由于所谓的锚固效应，负极活性物质层22B相对于负极箔22A的紧贴性提高。此时，至少在与负极活性物质层22B相对的区域中，负极箔22A的表面被粗糙化即可。粗糙化的方法例如是利用电解处理而形成微粒的方法等。在电解处理中，在电解槽中通过电解法在负极箔22A的表面形成有微粒，因此，在该负极箔22A的表面设置有凹凸。通常将通过电解法制作的铜箔称为电解铜箔。
负极活性物质层22B包含能够吸留以及放出锂的负极材料中的任一种或者两种以上作为负极活性物质。但是，负极活性物质层22B也可以进一步包含负极粘结剂以及负极导电剂等其他材料中的任一种或者两种以上。
负极材料例如是碳材料。这是因为在锂吸留放出时的结晶构造的变化非常少，因此，可稳定地得到较高的能量密度。另外，是由于碳材料也作为负极导电剂发挥功能，所以负极活性物质层22B的导电性提高。
碳材料例如是易石墨化性碳、难石墨化性碳以及石墨等。但是，优选难石墨化性碳的(002)面的面间隔为0.37nm以上，并且优选石墨的(002)面的面间隔为0.34nm以下。更具体而言，碳材料例如包含热分解碳类、焦炭类、玻璃状碳纤维、有机高分子化合物烧制体、活性炭以及炭黑类等。该焦炭类包括沥青焦炭、针状焦炭以及石油焦炭等。有机高分子化合物烧制体由酚醛树脂以及呋喃树脂等高分子化合物以适当的温度烧制(碳化)而成。此外，碳材料可以是在约1000℃以下的温度被热处理后的低结晶性碳，也可以是非晶碳。需要说明的是，碳材料的形状也可以是纤维状、球状、粒状以及鳞片状中的任一种。
在锂离子电池1中，若完全充电时的开路电压(即电池电压)为4.25V以上，则与该完全充电时的开路电压为4.20V的情况相比，即便使用相同的正极活性物质，每单位质量的锂的放出量也变多，因此，与此对应地调整正极活性物质和负极活性物质的量。由此，得到较高的能量密度。
[隔膜]
隔膜23夹设于正极21与负极22之间，防止因正极21与负极22的接触引起的电流的短路并且使锂离子通过。隔膜23例如是合成树脂以及陶瓷等多孔质膜中的任一种或者两种以上，也可以是两种以上的多孔质膜的层叠膜。合成树脂例如是聚四氟乙烯、聚丙烯以及聚乙烯等。
特别是，隔膜23例如也可以包含上述的多孔质膜(基材层)和设置于该基材层的单面或者双面的高分子化合物层。这是由于，因为隔膜23分别相对于正极21以及负极22的紧贴性提高，所以抑制电极卷绕体20的形变。由此，抑制电解液的分解反应，并且也抑制含浸于基材层的电解液的漏液，因此，即便反复充放电，电阻也不易上升，并且抑制电池膨胀。
高分子化合物层例如包含聚偏氟乙烯等高分子化合物。这是因为该材料物理强度优异，并且电化学性稳定。但是，高分子化合物也可以是除聚偏氟乙烯以外的材料。在形成该高分子化合物层的情况下，例如，在将在有机溶剂等溶解有高分子化合物的溶液涂覆于基材层之后，使该基材层干燥。需要说明的是，也可以是，使基材层浸渍于溶液中之后，使该基材层干燥。该高分子化合物层例如也可以包含无机粒子等绝缘性粒子中的任一种或者两种以上。无机粒子的种类例如为氧化铝以及氮化铝等。
[电解液]
电解液包含溶剂以及电解质盐。但是，电解液也可以进一步包含添加剂等其他材料中的任一种或者两种以上。
溶剂包含有机溶剂等非水溶剂中的任一种或者两种以上。包含非水溶剂的电解液是所谓的非水电解液。
非水溶剂例如是环状碳酸酯、链状碳酸酯、内酯、链状羧酸酯以及腈(单腈)等。
电解质盐例如包含锂盐等盐中的任一种或者两种以上。但是，电解质盐例如也可以包含除锂盐以外的盐。该除锂以外的盐例如也可以是除锂以外的轻金属的盐等。
锂盐例如是六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、四苯基硼酸锂(LiB(C6H5)4)、甲磺酸锂(LiCH3SO3)、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、四氯铝酸锂(LiAlCl4)、六氟硅酸二锂(Li2SF6)、氯化锂(LiCl)以及溴化锂(LiBr)等。
其中，优选六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂以及六氟砷酸锂中的任一种或者两种以上，更优选六氟磷酸锂。
电解质盐的含量没有特别限制，但其中，优选相对于溶剂为0.3mol/kg～3mol/kg。
[锂离子电池的制作方法]
参照图4A～图4F，对一个实施方式的锂离子电池1的制作方法进行叙述。首先，使正极活性物质涂布于带状的正极箔21A的表面，并将其作为正极21的被覆部，使负极活性物质涂布于带状的负极箔22A的表面，并将其作为负极22的被覆部。此时，制作出在正极21的短边方向的一端和负极22的短边方向的一端没有涂布有正极活性物质和负极活性物质的活性物质非被覆部21C、22C。在活性物质非被覆部21C、22C的一部分且与卷绕时的卷绕起点对应的部分制作出缺口。对正极21和负极22实施干燥等工序。而且，正极的活性物质非被覆部21C与负极的活性物质非被覆部22C成为相反方向而隔着隔膜23重叠，以漩涡状卷绕而使得在中心轴形成贯通孔26且制作出的缺口配置于中心轴附近，从而制作出图4A那样的电极卷绕体20。
接下来，如图4B那样，通过将薄平板(例如厚度0.5mm)等的端部垂直地按压于端面41、42，从而将端面41、42局部折弯而制作出槽43。通过该方法制作出从贯通孔26以放射方向朝中心轴延伸的槽43。图4B所示的槽43的数量、配置毕竟只是一个例子。而且，如图4C那样，从两极侧同时将相同的压力相对于端面41、42大致向垂直方向施加，使正极的活性物质非被覆部21C和负极的活性物质非被覆部22C折弯，形成为端面41、42成为平坦面。此时，通过平板的板面等施加了载荷，以使得处于端面41、42的活性物质非被覆部朝贯通孔26侧而重叠折弯。其后，将正极集电板24的扇状部31激光焊接于端面41，将负极集电板25的扇状部33激光焊接于端面42。
其后，如图4D那样，使集电板24、25的带状部32、34弯折，并在正极集电板24和负极集电板25粘贴绝缘板12、13(或者绝缘胶带)，在图4E所示的外装罐11内插入如上述那样进行了组装的电极卷绕体20，进行了外装罐11的底部的焊接。在将电解液注入外装罐11内之后，如图4F那样，通过垫圈15以及电池盖14进行了密封。
实施例
以下，基于使用如上述那样制作的锂离子电池1比较了焊接不良率的不同的实施例对本发明具体地进行说明。需要说明的是，本发明不限制于以下说明的实施例。
在以下的所有实施例以及比较例中，将电池尺寸设为21700，将正极活性物质层21B的宽度设为59(mm)，将负极活性物质层22B的宽度设为62(mm)，将隔膜23的宽度设为64(mm)。将隔膜23覆盖正极活性物质层21B和负极活性物质层22B的所有范围而重叠，将正极的活性物质非被覆部的宽度设为7(mm)，将负极的活性物质非被覆部的宽度设为4(mm)。配置为使槽43(或者槽61、62、63)的数量为4，并成为大致等角间隔。使槽43(或者槽61、62、63)的宽度成为1(mm)～～2(mm)。使正极箔的材质为Al，使负极箔的材质为Cu。
[实施例1]
如图5所示那样，在端面41、42形成斜坡状的槽61。如图6A那样在端面形成8个槽。使内周部的槽61的深度小于外周部的槽61的深度。具体而言，如图6B那样，在将电极卷绕体的半径设为R时，在端面41(正极侧)，将从电极卷绕体的中心轴起离开了0.2R的位置处的距表面的深度(d1)设为0.25(mm)，将从电极卷绕体的中心轴离开了0.7R的位置处的距表面的深度(d2)设为0.50(mm)，如图6C那样，在端面42(负极侧)，将从电极卷绕体的中心轴离开了0.2R的位置处的距表面的深度(d3)设为0.35(mm)，将从电极卷绕体的中心轴起离开了0.7R的位置处的距表面的深度(d4)设为0.90(mm)。
需要说明的是，此处，作为内周部的槽的深度，定义了从电极卷绕体的中心轴离开了0.2R的位置处的距表面的深度(d1)。这是由于在电极卷绕体的比贯通孔26的附近的活性物质非被覆部重叠而密集的部位稍靠外侧容易测定深度尺寸。作为外周部的槽的深度，定义了从电极卷绕体的中心轴离开了0.7R的位置处的距表面的深度(d1)。这是由于在电极卷绕体的比外缘部27、28的附近稍靠中心轴侧容易测定深度尺寸。
[实施例2]
如图7所示那样，在端面41、42形成台阶状的槽62。使内周部的槽62的深度小于外周部的槽62的深度。具体而言，d1＝0.25(mm)，d2＝0.50(mm)，d3＝0.35(mm)，d4＝0.90(mm)。d1至d4的位置成为与图6B和图6C所示的位置相同的位置。除此以外，以与实施例1相同的条件制作出电极卷绕体。
[实施例3]
如图5所示那样，在端面41、42形成了斜坡状的槽61。使内周部的槽61的深度小于外周部的槽61的深度。具体而言，d1＝0.10(mm)，d2＝0.35(mm)，d3＝0.15(mm)，d4＝0.70(mm)。d1至d4的位置成为与图6B和图6C所示的位置相同的位置。除此以外，以与实施例1相同的条件制作出电极卷绕体20。
[比较例1]
如图8所示那样，在端面41、42形成倒斜坡状的槽63。使内周部的槽63的深度大于外周部的槽63的深度。具体而言，d1＝0.50(mm)，d2＝0.25(mm)，d3＝0.90(mm)，d4＝0.35(mm)。d1至d4的位置成为与图6B和图6C所示的位置相同的位置。除此以外，以与实施例1相同的条件制作出电极卷绕体20。
[比较例2]
如图9所示那样，在端面41、42形成了笔直状的槽43。使内周部的槽43的深度与外周部的槽43的深度相同。具体而言，d1＝d2＝0.50(mm)，d3＝d4＝0.90(mm)。d1至d4的位置成为与图6B和图6C所示的位置相同的位置。除此以外，以与实施例1相同的条件制作出电极卷绕体。
[比较例3]
在图5那样的端面41、42形成了斜坡状的槽61。使槽61的深度比实施例1大。具体而言，d1＝0.40(mm)，d2＝0.65(mm)，d3＝0.50(mm)，d4＝1.10(mm)。d1至d4的位置成为与图6B和图6C所示的位置相同的位置。除此以外，以与实施例1相同的条件制作出电极卷绕体。
[比较例4]
在图5那样的端面41、42形成了斜坡状的槽61。使槽的深度比实施例3小。具体而言，d1＝0.08(mm)，d2＝0.32(mm)，d3＝0.12(mm)，d4＝0.60(mm)。d1至d4的位置成为与图6B和图6C所示的位置相同的位置。除此以外，以与实施例1相同的条件制作出电极卷绕体。
[比较例5]
除了没有在端面41、42形成槽61以外，以与实施例1相同的条件制作出电极卷绕体20。除此以外，以与实施例1相同的条件制作出电极卷绕体20。
[评价]
针对上述的电池，各制作出100个并进行了评价。在端面(正极侧)41重叠正极集电板24而进行激光焊接，在端面(负极侧)42重叠负极集电板25而进行激光焊接，在焊接后通过目视观察对集电板24、25产生了穿孔、溅射等焊接不良的数量进行计数，并将其比例作为焊接不良率(％)。
[表1]
Figure BDA0003451130250000161
在实施例1、实施例2和实施例3中，焊接不良率为0％，激光焊接成功(未图示)，相对于此，在比较例1至比较例3中，焊接不良率不是0％，存在激光焊接失败的地方。图10示出比较例1的激光焊接的结果，图11示出比较例2的激光焊接的结果。在图10和图11中，图中的黑圈是激光焊接成功的部位，图中的白圈是激光焊接失败的部位。在实施例1的斜坡状的槽61和实施例2的台阶状的槽62中，内周部的槽的深度小，因此，认为在端面41、42的槽61、62形成时，活性物质非被覆部几乎没有被拖入槽中，容易形成平坦面，但在比较例1的笔直状的槽43和比较例2的逆斜坡状的槽63中，由于内周部的槽的深度大，所以认为在端面41、42的槽43、63形成时，活性物质非被覆部被拖入槽中，无法形成平坦面，在集电体露出部与集电板之间形成间隙。在实施例1、实施例2和实施例3中，认为在内周部焊接容易成功，在比较例1和比较例2中，在内周部焊接容易失败。根据表1，可以说在内周部的槽的深度小于外周部的槽的深度时，没有产生焊接不良或者难以产生焊接不良。
即便为斜坡形状的槽61，若如比较例3那样内周侧的槽的深度比较大，则导致产生焊接不良。这是由于，因为内周部的槽的深度大，所以在端面41、42的槽63形成时，活性物质非被覆部被拖入槽中，无法形成平坦面，在集电体露出部与集电板之间形成间隙。如比较例4那样，若在内周部的槽的深度比较小，则产生了焊接不良。另外，如比较例5那样，在没有形成槽的情况下得到比较高的焊接不良率的值。这是由于，因为没有槽而在端面产生皱褶、空隙(间隙、空间)，端面41、42没有成为平坦面。因此，如表1所示那样，可以说在0.10≤d1≤0.25(mm)、0.15≤d3≤0.35(mm)时，没有产生焊接不良。
＜2.变形例＞
以上，对本发明的一个实施方式具体地进行了说明，但本发明的内容不限制于上述的实施方式，能够基于本发明的技术思想进行各种变形。
在实施例以及比较例中，将槽43的数量设为4，但也可以是除此以外的数量。将电池尺寸设为21700，但也可以是18650、这些以外的尺寸。
正极集电板24和负极集电板25具备成为扇形的形状的扇状部31、33，但也可以是除此以外的形状。
只要不脱离本发明的主旨，则本发明还能够适用于除锂离子电池以外的其他电池、除圆筒形状以外的电池(例如层压型电池、方型电池、硬币型电池、按钮型电池)。在这种情况下，“电极卷绕体的端面”的形状不仅可采用圆筒形状，还可采用椭圆形状、扁平形状等。
＜3.应用例＞
“电池包的例子”
图12是表示将本发明的一个实施方式所涉及的电池(以下，适当地称为二次电池)用于电池包330的情况下的电路结构例的框图。电池包300具备：组电池301；外装；具备充电控制开关302a和放电控制开关303a的开关部304；电流检测电阻307；温度检测元件308；以及控制部310。
另外，电池包300具备正极端子321以及负极端子322，在充电时，正极端子321以及负极端子322分别与充电器的正极端子、负极端子连接，进行充电。另外，在电子设备使用时，正极端子321以及负极端子322分别与电子设备的正极端子、负极端子连接，进行放电。
组电池301将多个二次电池301a串联以及/或者并联连接而成。该二次电池301a是本发明的二次电池。需要说明的是，在图12中，将6个二次电池301a被连接成2并列3串联(2P3S)的情况作为例子而示出，但此外，也可以是如u并列v串联(u、v是整数)那样任何的连接方法。
开关部304具备充电控制开关302a以及二极管302b和放电控制开关303a以及二极管303b，并由控制部310控制。二极管302b相对于从正极端子321向组电池301的方向流动的充电电流具有反向的极性，相对于从负极端子322向组电池301的方向流动的放电电流具有正向的极性。二极管303b相对于充电电流具有正向的极性，相对于放电电流具有反向的极性。此外，在例示中，在+侧设置开关部304，但也可以设置于-侧。
充电控制开关302a由充放电控制部控制，以使得在电池电压成为过充电检测电压的情况下断开，不在组电池301的电流路径流动有充电电流。充电控制开关302a断开之后仅能够经由二极管302b放电。另外，由控制部310控制，以使得在充电时流过大电流的情况下断开，将在组电池301的电流路径流动的充电电流切断。
放电控制开关303a由控制部310控制，以使得在电池电压成为过放电检测电压的情况下断开，不在组电池301的电流路径流动有放电电流。在放电控制开关303a断开之后，仅能够经由二极管303b充电。另外，由控制部310控制，以使得在放电时流过大电流的情况下断开，将在组电池301的电流路径流动的放电电流切断。
温度检测元件308例如是热敏电阻，设置于组电池301的附近，测定组电池301的温度并将测定温度向控制部310供给。电压检测部311对组电池301以及构成它的各二次电池301a的电压进行测定，并对该测定电压进行A/D转换，并向控制部310供给。电流测定部313使用电流检测电阻307来测定电流，并将该测定电流向控制部310供给。
开关控制部314以从电压检测部311以及电流测定部313输入的电压以及电流为基础控制开关部304的充电控制开关302a以及放电控制开关303a。开关控制部314在二次电池301a的任一个的电压成为过充电检测电压或者过放电检测电压以下时，并且在急剧地流过大电流时，向开关部304发送控制信号，由此防止过充电以及过放电、过电流充放电。
此处，例如在二次电池为锂离子二次电池的情况下，将过充电检测电压例如决定为4.20V±0.05V，将过放电检测电压例如决定为2.4V±0.1V。
充放电开关能够使用例如MOSFET等半导体开关。在这种情况下，MOSFET的寄生二极管作为二极管302b以及303b发挥功能。在使用P沟道型FET作为充放电开关的情况下，开关控制部314相对于充电控制开关302a以及放电控制开关303a各自的栅极，分别供给控制信号DO以及CO。在充电控制开关302a以及放电控制开关303a为P沟道型的情况下，通过比源极电位低预定值以上的栅极电位而接通。即，在通常的充电以及放电动作中，使控制信号CO以及DO为低电平，使充电控制开关302a以及放电控制开关303a成为接通状态。
而且，例如在过充电或者过放电时，使控制信号CO以及DO成为高电平，使充电控制开关302a以及放电控制开关303a成为断开状态。
存储器317由RAM、ROM构成，由例如作为非易失性存储器的EPROM(ErasableProgrammable Read Only Memory)等构成。对于存储器317而言，预先存储有由控制部310运算出的数值、制造工序的阶段中测定出的各二次电池301a的初始状态的电池的内部电阻值等，而且也能够适当地改写。另外，通过存储二次电池301a的满充电容量，能够与控制部310一起计算例如剩余容量。
对于温度检测部318而言，使用温度检测元件308来测定温度，并在异常发热时进行充放电控制，或者进行剩余容量的计算的校正。
“蓄电系统等的例子”
上述的本发明的一个实施方式所涉及的电池能够搭载于例如电子设备、电动车辆、电动航空器、蓄电装置等设备或者为了对它们供给电力而使用。
作为电子设备，例如可举出笔记本电脑、智能手机、平板终端、PDA(便携信息终端)、移动电话、可穿戴终端、无绳电话子机、视频电影机、数码相机、电子书、电子词典、音乐播放器、收音机、耳机、游戏机、导航系统、存储卡、起搏器、助听器、电动工具、电动剃须刀、冰箱、空调、电视机、立体声音响、热水器、微波炉、洗碗机、洗衣机、烘干机、照明设备、玩具、医疗设备、机器人、负载调节器、信号器等。
另外，作为电动车辆，可举出铁路车辆、高尔夫球车、电动推车、电动汽车(包括混合动力汽车)等，并用作它们的驱动用电源或者辅助用电源。作为蓄电装置，可举出以住宅为代表的建筑物用或者发电设备用的电力储藏用电源等。
以下，对上述的应用例中的使用应用了上述的本发明的电池的蓄电装置的蓄电系统的具体例进行说明。
“电动工具的一个例子”
参照图13，对能够应用本发明的电动工具例如电动螺丝刀的一个例子概略地进行说明。电动螺丝刀431在主体内收纳有DC马达等马达433。马达433的旋转向轴434传递，并通过轴434而在被对象物钉入螺钉。在电动螺丝刀431设置有供用户操作的触发开关432。
在电动螺丝刀431的把手的下部壳体内收纳有电池包430以及马达控制部435。作为电池包430，能够使用电池包300。马达控制部435控制马达433。也可以是，除马达433以外的电动螺丝刀431的各部分由马达控制部435控制。虽未图示，但电池包430与电动螺丝刀431通过设置于各自的卡合构件而卡合。如后述那样，电池包430以及马达控制部435分别具备微型计算机。从电池包430相对于马达控制部435供给电池电源，并且在两者的微型计算机之间通信电池包430的信息。
电池包430例如相对于电动螺丝刀431可自由拆装。电池包430也可以内置于电动螺丝刀431。电池包430在充电时装配于充电装置。需要说明的是，也可以是，在将电池包430装配于电动螺丝刀431时，电池包430的一部分在电动螺丝刀431的外部露出，用户能够视认露出部分。例如，也可以是，在电池包430的露出部分设置有LED，用户能够确认LED的发光以及熄灭。
马达控制部435例如控制马达433的旋转/停止和旋转方向。进一步，在过放电时切断向负荷的电源供给。触发开关432例如插入马达433与马达控制部435之间，若用户压入触发开关432，则对马达433供给电源，马达433旋转。若用户使触发开关432返回，则马达433的旋转停止。
“无人驾驶航空器”
参照图14对将本发明用于电动航空器用的电源的例子进行说明。本发明能够相对于无人驾驶航空器(所谓无人机)的电源应用。图14是无人驾驶航空器的俯视图。由作为中心部的圆筒状或者方筒状的躯干部和固定于躯干部的上部的支承轴442a～442f构成机体。作为一个例子，躯干部成为六棱柱状，6个支承轴442a～442f从躯干部的中心以等角间隔以放射状延伸。躯干部以及支承轴442a～442f由轻型且强度高的材料构成。
在支承轴442a～442f的前端部分别安装有作为旋转叶片的驱动源的马达443a～443f。在马达443a～443f的旋转轴安装有旋转叶片444a～444f。包括用于控制各马达的马达控制电路的电路单元445安装于支承轴442a～442f所相交的中心部(躯干部的上部)。
进一步，在躯干部的下侧的位置配置有作为动力源的电池部。电池部具有三个电池包，以相对于具有180度的相对间隔的马达以及旋转叶片对而供给电力。各电池包例如具有锂离子二次电池和控制充放电的电池控制电路。作为电池包，能够使用电池包300。马达443a以及旋转叶片444a和马达443d以及旋转叶片444d构成对。同样，(马达443b、旋转叶片444b)和(马达443e、旋转叶片444e)构成对，(马达443c、旋转叶片444c)和(马达443f、旋转叶片444f)构成对。上述对与电池包成为相等的数量。
“车辆用蓄电系统”
参照图15对将本发明适用于电动车辆用的蓄电系统的例子进行说明。图15概略地示出采用适用本发明的串联混合动力系统的混合动力车辆的结构的一个例子。串联混合动力系统是使用通过由发动机驱动的发电机而产生的电力或者将其暂时储存于电池的电力而通过电力驱动力转换装置而行驶的车。
在该混合动力车辆600搭载有发动机601、发电机602、电力驱动力转换装置603、驱动轮604a、驱动轮604b、车轮605a、车轮605b、电池608、车辆控制装置609、各种传感器610、充电口611。相对于电池608，适用上述的本发明的电池包300。
混合动力车辆600以电力驱动力转换装置603作为动力源而行驶。电力驱动力转换装置603的一个例子是马达。通过电池608的电力使电力驱动力转换装置603工作，该电力驱动力转换装置603的旋转力传递至驱动轮604a、604b。需要说明的是，通过在所需要的部位利用直流-交流(DC-AC)或者逆转换(AC-DC转换)，电力驱动力转换装置603能够适用于交流马达也能够应用于直流马达。各种传感器610经由车辆控制装置609控制发动机转速，或者控制未图示的节流阀的开度(节流阀开度)。各种传感器610包括速度传感器、加速度传感器、发动机转速传感器等。
发动机601的旋转力能够传递至发电机602，能够将通过该旋转力而由发电机602生成的电力蓄积于电池608。
若通过未图示的制动机构而使混合动力车辆600减速，则该减速时的阻力作为旋转力而施加于电力驱动力转换装置603，将通过该旋转力而由电力驱动力转换装置603生成的再生电力蓄积于电池608。
电池608也能够通过与混合动力车辆600的外部的电源连接，从而将从该外部电源以充电口611作为输入口而接受电力供给，也能够蓄积接受到的电力。
虽未图示，但也可以具备基于与二次电池相关的信息而进行与车辆控制相关的信息处理的信息处理装置。作为这样的信息处理装置，例如存在基于与电池的余量相关的信息来进行电池余量显示的信息处理装置等。
需要说明的是，以上，将使用通过由发动机驱动的发电机而产生的电力或者将其暂时储存于电池的电力而利用马达行驶的串联混合动力车作为例子进行了说明。然而，本发明相对于并联混合动力车也能够有效地适用，上述并联混合动力车将发动机和马达的输出均作为驱动源，适当地切换仅利用发动机行驶、仅利用马达行驶、发动机和马达行驶这三种方式而使用。进一步，本发明相对于不使用发动机而通过仅基于驱动马达的驱动而行驶的所谓的电动车辆也能够有效地适用。
符号说明
1、锂离子电池；12、绝缘板；21、正极；21A、正极箔；21B、正极活性物质层；21C、正极的活性物质非被覆部；22、负极；22A、负极箔；22B、负极活性物质层；22C、负极的活性物质非被覆部；23、隔膜；24、正极集电板；25、负极集电板；26、贯通孔；27、28、外缘部；41、42、端面；43、槽；61、斜坡状的槽；62、台阶状的槽；63、逆斜坡状的槽。

Claims (16)

1.一种二次电池，隔着隔膜而层叠有带状的正极和带状的负极，且是将具有卷绕的构造的电极卷绕体和正极集电板及负极集电板收容于外装罐而获得的，所述二次电池的特征在于，
所述正极在带状的正极箔上具有由正极活性物质层被覆的被覆部和正极活性物质非被覆部，
所述负极在带状的负极箔上具有由负极活性物质层被覆的被覆部和负极活性物质非被覆部，
所述正极活性物质非被覆部在所述电极卷绕体的端面的一方与所述正极集电板接合，
所述负极活性物质非被覆部在所述电极卷绕体的端面的另一方与所述负极集电板接合，
所述正极活性物质非被覆部与所述负极活性物质非被覆部的任一方或者双方具有通过朝所述卷绕的构造的中心轴折弯并相互重叠而形成的表面，
所述表面具有从所述电极卷绕体的内周部朝外周部延伸的槽，
所述内周部的所述槽的深度小于所述外周部的所述槽的深度。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，
至少所述正极活性物质非被覆部具有：通过朝所述卷绕的构造的中心轴折弯并重叠而形成的正极侧的表面；和形成于该正极侧的表面的槽，
在将所述电极卷绕体的半径设为R，将在所述正极侧的表面从所述中心轴离开了0.2R的位置处的所述槽的深度设为d1mm时，
0.10mm≤d1≤0.25mm。
3.根据权利要求1或2所述的二次电池，其特征在于，
至少所述负极活性物质非被覆部具有：通过朝所述卷绕的构造的中心轴折弯并重叠而形成的负极侧的表面；和形成于该负极侧的表面的槽，
在将所述电极卷绕体的半径设为R，将在所述负极侧的表面从所述中心轴离开了0.2R的位置处的所述槽的深度设为d3mm时，
0.15mm≤d3≤0.35mm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的二次电池，其特征在于，
所述槽的形状为斜坡状或者台阶状。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的二次电池，其特征在于，
所述正极集电板的材质为铝或者铝合金。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的二次电池，其特征在于，
所述负极集电板的材质为镍、镍合金、铜或者铜合金的单体或者复合材料。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的二次电池，其特征在于，
所述正极活性物质非被覆部的宽度大于所述负极活性物质非被覆部的宽度，
所述正极活性物质非被覆部的端面以及所述负极活性物质非被覆部的端面分别比所述隔膜向外侧突出，
所述正极活性物质非被覆部从所述隔膜的宽度方向的一端突出的部分的长度大于所述负极活性物质非被覆部从所述隔膜的宽度方向的另一端突出的部分的长度。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的二次电池，其特征在于，
在所述正极活性物质非被覆部中的隔着所述隔膜而与所述负极相对的部分具有绝缘层。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的二次电池，其特征在于，
所述外装罐具有开放端面，
所述开放端面由兼作外部端子的封口板密闭。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的二次电池，其特征在于，
所述表面中的不存在所述槽的部分通过焊接而与所述正极集电板或者所述负极集电板接合。
11.一种电池包，其特征在于，具有：
权利要求1所述的二次电池；
控制部，控制所述二次电池；以及
外装体，所述外装体内包所述二次电池。
12.一种电子设备，其特征在于，
具有权利要求1～10中任一项所述的二次电池或者权利要求11所述的电池包。
13.一种电动工具，其特征在于，
具有权利要求11所述的电池包，并将所述电池包用作电源。
14.一种电动航空器，其特征在于，具备：
权利要求11所述的电池包；
多个旋转叶片；
马达，分别使所述旋转叶片旋转；
支承轴，分别支承所述旋转叶片以及马达；
马达控制部，控制所述马达的旋转；以及
电力供给线，对所述马达供给电力，
所述电池包与所述电力供给线连接。
15.根据权利要求14所述的电动航空器，其特征在于，
具有多个相对的所述旋转叶片的对，
具有多个所述电池包，
所述旋转叶片的多个对与多个所述电池包成为相等的数量。
16.一种电动车辆，其特征在于，
具有权利要求1～10中任一项所述的二次电池，
并具有：
转换装置，从所述二次电池接受电力的供给并转换为车辆的驱动力；以及
控制装置，基于与所述二次电池相关的信息进行与车辆控制相关的信息处理。
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