JP2010146759A - ２次電池およびその組電池および２次電池を搭載する車両および電池搭載機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電極体への荷重が十分に掛かるようにして，電池性能を向上させた２次電池およびその組電池，その２次電池を搭載する車両または電池搭載機器を提供すること。
【解決手段】本発明の２次電池は，平巻きの電極捲回体１と，それを収納する偏平形のハードケース３と，それらの間に挟み込まれたフィルム部材２とを有している。フィルム部材２には，厚み部５が形成されている。厚み部５は，電極捲回体１の表面のうちの平面部と曲面部との境界部分に位置する。これにより，２次電池を拘束したときの荷重が，電極捲回体１のほぼ全体に広く掛かる。かくして，発電性能が十分に発揮される。本発明の２次電池は，組電池として，車両に搭載する電池として，電池搭載機器に搭載する電池としても使用できる。
【選択図】図６

Description

本発明は，２次電池およびその組電池に関する。さらに詳細には，扁平型の２次電池であって，電極体への拘束荷重が適切に掛かるようにして電池性能を向上させた２次電池，およびその組電池，その２次電池を搭載する車両または電池搭載機器に関するものである。

従来から，例えばリチウムイオン電池のような，充電可能な２次電池が使用されている。その用途には例えば，車両の車載機器への電力供給，電池搭載機器における電力源等がある。２次電池は一般的に，正負の電極シートおよびセパレータシートを重ね合わせて捲回し，電解液を含浸させた電極捲回体を発電要素として使用する。そして２次電池は通常，上記の電極捲回体をケースに封入した構造となっている。電極捲回体の巻き方には，平巻きや円柱巻き等があり，巻き方に応じてケースの形状も異なっている。平巻きの場合のケースは，偏平型である。

２次電池は，電力供給先が必要とする電力の内容に合わせるため，複数個を組み合わせた組電池として使用される場合がある。偏平型の２次電池を組電池とする場合には，複数個の２次電池を厚み方向に配置して，全体を適切な拘束部材で拘束して一体化する。この拘束状態では，個々の２次電池が厚さ方向に押圧された状態にある。この押圧の荷重が電極捲回体にきちんと掛かっていることが，２次電池の発電性能上も重要であることが知られている。このような２次電池の先行例としては例えば，特許文献１に開示されているものが挙げられる。
特開２００４−２２７７８８号公報

しかしながら，前記した従来の２次電池には，次のような問題点があった。すなわち，実際には電極捲回体に荷重がうまく掛からないのである。このため，電池性能が十分には発揮されていない場合があった。これにより，電池を搭載する車両や電池搭載機器の性能も十分には発揮されない場合があった。このようなことになる原因としては，拘束荷重によるケースの変形が挙げられる。

厚さ方向に荷重が掛かっている状態での２次電池の断面図を図１４に示す。図１４に示されるように，２次電池のケース５０の両面の平面部分を，押圧部材５１，５１で押圧している。これにより，ケース５０が図１４中上下方向にわずかながらつぶれるように変形し，電極捲回体５２に荷重を掛けている。ここで，ケース５０のつぶれ具合は均等ではない。すなわち，幅方向（図１４中左右方向）の中央ではある程度つぶれているが，両端付近ではほとんどつぶれていない形状となっているのである。両端付近では，ケース５０の蓋部分や底部分の存在のために剛性が中央より高いからである。

このため，図１５に拡大して示すように，ケース５０（またはスペーサ５３）と電極捲回体５２との間にわずかながら隙間がある領域５４ができてしまうのである。この領域５４は，図１４中の左右方向の両端付近の上下両面に存在する。電極捲回体５２のうち領域５４内の部分には当然，荷重が掛からない。このためその分，電極捲回体５２への荷重が不十分なのである。なお，図１５では，ケース５０の変形の程度を実際よりかなり大げさに描いている。

上記の領域５４が生じるために，電極捲回体５２への荷重分布は，図１６のグラフに示されるものとなる。図１６のグラフにおける横軸は，図１４中の左右方向における位置を示している。また，図１６中に「５５」で示す範囲は，電極捲回体５２に荷重を掛ける必要がある範囲であり，図１４中の押圧部材５１が存在する範囲とほぼ一致する。図１６の荷重分布では，荷重を必要とする範囲５５の両端に，荷重不足の範囲５６，５６が存在している。範囲５６，５６は当然，上記の領域５４に対応する。このように範囲５６ができてしまうため，荷重を必要とする範囲５５の全体として受ける荷重が不足するのである。

余談であるが，図１６のグラフ中では，範囲５５の内部においても位置により荷重にむらが見られる。このむらは，押圧部材５１の構造に基づく。すなわち，図１４では簡単に描いているが，実際の押圧部材５１は，通気による冷却性のため櫛歯構造になっている。そのために図１６に見られるような荷重のむらが生じるのである。この程度のむらは，電池性能上問題となるものではない。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，電極体への荷重が十分に掛かるようにして，電池性能を向上させた２次電池およびその組電池，その２次電池を搭載する車両または電池搭載機器を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の２次電池は，電極体と，それを収納する偏平形ケースとを有するものであってさらに，偏平形ケースの内面と電極体との間に位置し，電極体の表面の一部を圧迫する圧迫部材を有している。圧迫部材は，電極体とも偏平形ケースとも別の第３の部材であっても良いし，偏平形ケースの内面と一体のものであっても良い。この圧迫部材の存在により，電極体における広い範囲に荷重が掛かり，電池性能が十分に発揮されることになる。

本発明の２次電池においてはさらに，偏平形ケースの内面と電極体との間に挟み込まれたフィルム部材を有し，フィルム部材の一部に，他の部分より厚い厚み部が形成されていることが望ましい。この場合には，厚み部が圧迫部材としての役割を果たすことになる。

さらに，電極体の表面に，平面部と曲面部とがあり，圧迫部材または厚み部は，電極体の表面のうちの平面部と曲面部との境界部分に配置されていることが望ましい。電極体の曲面部の中でも電極体の平面部に隣接する部分では，偏平形ケースの内面と電極体の曲面部との間の距離が小さい。このため，圧迫部材または厚み部の存在による電極体への押圧が確実に掛かるからである。これにより，電極体の平面部のみならず曲面部の少なくとも一部にも，押圧荷重が確実に掛かることになる。

本発明ではさらに，電極体が，平巻きに捲回された電極捲回体であることが望ましい。平巻きの電極捲回体を用いる電池では特に，圧迫部材により荷重を広い範囲に掛けることの意義が大きい。

本発明はまた，複数個の前述の２次電池と，２次電池を外部から押圧する押圧部材とを有し，複数個の２次電池が組み合わせられており，押圧部材が，複数個の２次電池の組み合わせを，電極体の厚さ方向に押圧している２次電池の組電池にも及ぶ。

本発明はまた，２次電池を搭載する車両であって，その２次電池が，電極体と，電極体を収納する偏平形ケースとを有し，さらに，偏平形ケースの内面と電極体との間に位置し，電極体の表面の一部を圧迫する圧迫部材を有するものにも及ぶ。

本発明はまた，２次電池を搭載する電池搭載機器であって，その２次電池が，電極体と，電極体を収納する偏平形ケースとを有し，さらに，偏平形ケースの内面と電極体との間に位置し，電極体の表面の一部を圧迫する圧迫部材を有するものにも及ぶ。

本発明によれば，電極体への荷重が十分に掛かるので，電池性能が向上した２次電池およびその組電池が提供されている。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態に係る２次電池は基本的には，図１に示すように電極捲回体１を，金属製または硬質樹脂製のハードケース３に封入したリチウムイオン２次電池である。

電極捲回体１は，正負の電極シートおよびセパレータシートを重ね合わせて平巻き状に捲回したものである。電極捲回体１は，厚み調整のためのフィルム部材２が巻き付けられた上でハードケース３に挿入される。ハードケース３は，２次電池の外形をなす偏平形状のケースである。フィルム部材２は，ハードケース３の内面と電極捲回体１との間に挟み込まれることとなる。フィルム部材２は，ハードケース３が金属製である場合には，電極捲回体１とハードケース３との間の絶縁の役割も果たす。また，電極捲回体１には，電解液が含浸される。ハードケース３に電極捲回体１およびフィルム部材２を挿入した後で，端子の取り付けやハードケース３の開口部４の封止が行われる。

フィルム部材２には，４箇所の厚み部５が設けられている。厚み部５は，フィルム部材２における厚み部５以外の箇所（厚さ１００μｍ程度）よりも厚く形成されている筋状の箇所である。厚み部５の断面形状を図２に示す。図２に見るように厚み部５は，フィルム部材２の一方の面が畝状に盛り上げられた断面形状の箇所である。より詳細には，厚み部５における盛り上がり側の面には，斜面６と垂直面７とが形成されている。

厚み部５の盛り上がりの高さＨは，厚み部５以外の箇所の厚さＴの０．５〜１．５倍の範囲内が適切である。これが小さすぎると厚み部５としての効果が小さい。逆に大きすぎると，厚み部５で電極捲回体１に過度に大きな荷重が掛かってしまい，平面部分への荷重がむしろ小さくなってしまう。また，厚み部５の幅Ｗは，５ｍｍ程度がよい。

フィルム部材２における厚み部５の盛り上がり面（図２中の上側の面）は，２次電池に組み付けられた際，電極捲回体１ではなくハードケース３の内面に対面する面である。ただしこれは逆向きでも良い。また，厚み部５の断面形状は，図２に示したものに限らず，図３あるいは図４に示す形状であっても良い。さらには，表裏両面に盛り上がった形状であっても良い。

フィルム部材２の厚み部５は，２次電池に組み込まれる際には，図５に示すように，電極捲回体１の外形のうちの平面部１１と曲面部１２との境界部分に位置する。図５では，厚み部５が，平面部１１のうち，平面部１１と曲面部１２との境界に隣接する箇所に位置している。しかしこれに限らず，厚み部５が，曲面部１２のうち，平面部１１と曲面部１２との境界に隣接する箇所に位置してもよい。あるいは，厚み部５が，平面部１１と曲面部１２との境界を跨いでいてもよい。

上記のフィルム部材２を用いた２次電池における，拘束部材による拘束荷重が掛かったときの状況を図６に示す。図６は，従来技術の説明における図１５に相当する図である。そこで図６と図１５とを対比して見ると，次のような違いがある。すなわち，厚み部５を持たない図１５では前述のように，電極捲回体５２に荷重が掛からない隙間領域５４が生じている。

しかし厚み部５を持つ図６では，図１５の領域５４に相当する箇所８においても，電極捲回体１にきちんと荷重が掛かる。ハードケース３が押圧により変形している状況でも，電極捲回体１とフィルム部材２とが密着しており，かつ，フィルム部材２（特にその厚み部５）とハードケース３の内面とが密着しているからである。つまり，厚み部５の存在により，電極捲回体１のうち，従来の２次電池であれば隙間領域５４となっていた箇所が良好に圧迫されているのである。

図７に，本形態の２次電池における電極捲回体１への荷重分布のグラフを示す。図１６に示した従来の２次電池における荷重分布と比較して，荷重を必要とする範囲５５の両端の，荷重不足の範囲５６，５６がほとんどなくなっていることが理解できる。つまり，荷重を必要とする範囲５５のほぼ全体に，必要な荷重が掛かっているのである。むろんこれは，厚み部５の存在自体による効果である。このため，本形態の２次電池では，電極捲回体１の本来の発電性能が十分に発揮される。隙間領域の存在による荷重不足という事態がないからである。

なお，図６に示した荷重状態での厚み部５は，荷重により少しつぶれている。すなわち，図６中の厚み部５の高さＨ’は，図２に示した本来の高さＨよりやや小さくなっている。同様のことが，厚み部５として図３あるいは図４の断面形状のものを用いた場合にも言える。これらの場合における荷重状態の断面図を図８，図９に示す。図８，図９における厚み部５の高さも，図３，図４と比較してやや小さくなっている。

本形態の２次電池は，図１０に示すようなものであっても良い。図１０の２次電池は，図１のものに対し，ハードケース３に挿入される電極捲回体１の向きを変更したものである。これに伴い，フィルム部材９における厚み部１０の位置も変更されている。ただし，厚み部１０が，２次電池に組み込まれる際に，電極捲回体１の外形のうちの平面部１１と曲面部１２との境界部分に位置することには変わりない。

本形態の２次電池は，図１１に示すような組電池として使用することができる。図１１の組電池は，複数個の本形態の２次電池１３を，押圧部材５１，５１で挟み付け，ボルト１１１とナット１１２で締め付けたものである。この締め付けにより，各２次電池１３に拘束荷重が掛かっている。押圧部材５１，５１は実際には櫛歯状である。各２次電池１３は通常，直列に接続される。この組電池の各２次電池１３においても，フィルム部材の厚み部により，上記のように電極捲回体への荷重が良好に掛かる。これにより，組電池全体としての本来の発電性能が十分に発揮される。

なお，図１１では押圧部材５１，５１が両端にのみ配置されているが，各２次電池１３の間にも押圧部材５１を配置したものであっても良い。また，図１１に示す組電池においては，そのすべての２次電池のフィルム部材に厚み部が設けられていることが最良である。しかしそれに限らず，一部の２次電池においてのみフィルム部材に厚み部が設けられているものであっても，その分の効果は得られる。

本形態の２次電池またはその組電池は，図１２に示すような車両２００における電力源として使用することができる。車両２００は，エンジン２４０，フロントモータ２２０およびリアモータ２３０を併用して駆動源とするハイブリッド自動車である。この車両２００は，車体２９０，エンジン２４０，フロントモータ２２０，リアモータ２３０，ケーブル２５０，インバータ２６０，電池パック１００を有している。電池パック１００には，図１１に示したような組電池が内蔵されている。その組電池は本形態の２次電池により構成されている。このような車両２００においても，各２次電池におけるフィルム部材の厚み部の存在により，電池パック１００の本来の発電性能が十分に発揮される。

なお，車両としては，その駆動動力源の全部あるいは一部に電池による電気エネルギーを使用する車両であればよい。車輪の数は問わない。例えば，電気自動車，ハイブリッド自動車，プラグインハイブリッド自動車，ハイブリッド鉄道車両，フォークリフト，電動車椅子，電動アシスト自転車，電動スクータ等が挙げられる。また，車載の電気機器の電源としてのみ電池による電気エネルギーを使用する車両であってもよい。組電池としない単体の２次電池を用いるものであっても良い。

また，本形態の２次電池またはその組電池は，図１３に示すような電池搭載機器における電力源として使用することができる。図１３に示すのは，電池パック１００を搭載するハンマードリル３００である。ハンマードリル３００は，本体３２０と電池パック１００とを有する電池搭載機器である。ハンマードリル３００において電池パック１００は，本体３２０の底部３２１に着脱可能に搭載されている。このようなハンマードリル３００においても，各２次電池におけるフィルム部材の厚み部の存在により，電池パック１００の本来の発電性能が十分に発揮される。

なお，電池搭載機器としては，電池を搭載しこれをエネルギー源の少なくとも１つとして利用する機器であればよい。例えば，パーソナルコンピュータ，携帯電話，電池駆動の電動工具，無停電電源装置，電池駆動の各種家電製品，オフィス機器，産業機器などが挙げられる。また，組電池としない単体の２次電池を用いるものであっても良い。

以上詳細に説明したように本形態の２次電池またはその組電池によれば，フィルム部材２に厚み部５を設けている。そしてその厚み部５が，電極捲回体１の外形のうちの平面部１１と曲面部１２との境界部分に位置するようにしている。これにより，電極捲回体への荷重が良好に掛かり，本来の発電性能が十分に発揮される２次電池が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，厚み部を有するフィルム部材に替えて，厚み部のみの単独部材と厚み部のない平坦なフィルム部材とを用いても良い。その場合，ハードケースの少なくとも内面が絶縁性のものならフィルム部材は不可欠ではない。また，リチウムイオン２次電池以外の２次電池にも適用できる。

また，本実施の形態では，電極体として，電極シート等を平巻き状に捲回した電極捲回体１を示したが，電極体はこれに限らない。楕円形あるいは長円形断面の電極体でもよいし，捲回型でなく積層型の電極体でもよい。これらの場合には，拘束による荷重の電極体上での分布をあらかじめ調べ，必要な箇所に必要なサイズの圧迫部材を配置すればよい。

実施の形態に係る２次電池の構成を示す分解斜視図である。 フィルム部材における厚み部の形状を示す拡大断面図である。 厚み部の形状の別の例を示す拡大断面図である。 厚み部の形状のさらに別の例を示す拡大断面図である。 ２次電池における電極捲回体の外形と厚み部の位置との関係を示す断面図である。 実施の形態に係る２次電池における，荷重が掛かった状況での厚み部付近の状態を示す拡大断面図である。 実施の形態に係る２次電池における電極捲回体への荷重分布を示すグラフである。 厚み部の形状の別の例（図３）における荷重が掛かった状況を示す部分拡大断面図である。 厚み部の形状のさらに別の例（図４）における荷重が掛かった状況を示す部分拡大断面図である。 実施の形態に係る２次電池の別の構成例を示す分解斜視図である。 実施の形態に係る２次電池を組電池にした構成例を示す図である。 実施の形態に係る２次電池の組電池を搭載する自動車を示す透視斜視図である。 実施の形態に係る２次電池またはその組電池を搭載するハンマードリルを示す透視斜視図である。 ２次電池に荷重が掛かる状況を示す断面図である。 ケースの変形により電極捲回体に荷重が掛からない領域ができることを説明する拡大断面図である。 従来の２次電池における電極捲回体への荷重分布を示すグラフである。

符号の説明

１ 電極捲回体
２ フィルム部材
３ ハードケース
５ 厚み部（圧迫部材）
９ フィルム部材
１０ 厚み部（圧迫部材）
１１ 平面部
１２ 曲面部
１３ ２次電池
５１ 押圧部材
２００ 車両
３００ ハンマードリル

Claims (7)

1. 電極体と，前記電極体を収納する偏平形ケースとを有する２次電池において，
   前記偏平形ケースの内面と前記電極体との間に位置し，前記電極体の表面の一部を圧迫する圧迫部材を有することを特徴とする２次電池。
2. 請求項１に記載の２次電池において，
   前記偏平形ケースの内面と前記電極体との間に挟み込まれたフィルム部材を有し，
   前記フィルム部材の一部に，他の部分より厚い厚み部が形成されており，
   前記厚み部が前記圧迫部材であることを特徴とする２次電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の２次電池において，
   前記電極体の表面に，平面部と曲面部とがあり，
   前記圧迫部材は，前記電極体の表面のうちの平面部と曲面部との境界部分に配置されていることを特徴とする２次電池。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の２次電池において，前記電極体は，
   平巻きに捲回された電極捲回体であることを特徴とする２次電池。
5. 電極体と，前記電極体を収納する偏平形ケースとを有する２次電池と，前記２次電池を外部から押圧する押圧部材とを有し，複数個の前記２次電池が組み合わせられており，前記押圧部材が，前記複数個の２次電池の組み合わせを，前記電極体の厚さ方向に押圧している２次電池の組電池において，
   少なくとも１つの前記２次電池が，前記偏平形ケースの内面と前記電極体との間に位置し，前記電極体の表面の一部を圧迫する圧迫部材を有することを特徴とする２次電池の組電池。
6. ２次電池を搭載する車両において，前記２次電池は，
   電極体と，前記電極体を収納する偏平形ケースとを有し，さらに，
   前記偏平形ケースの内面と前記電極体との間に位置し，前記電極体の表面の一部を圧迫する圧迫部材を有することを特徴とする車両。
7. ２次電池を搭載する電池搭載機器において，前記２次電池は，
   電極体と，前記電極体を収納する偏平形ケースとを有し，さらに，
   前記偏平形ケースの内面と前記電極体との間に位置し，前記電極体の表面の一部を圧迫する圧迫部材を有することを特徴とする電池搭載機器。

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