JP2010198953A - 二次電池，それを用いた車両および機器 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散による電解質濃度低下の問題と，液涸れの問題とをともに排除した二次電池，およびそれを搭載する車両，機器を提供すること。
【解決手段】電池ケース２０と，電池ケース２０の内部に保持された電極体１０とを有する二次電池において，電池ケース２０の内部に収容されている電解液の量を，電極体１０に含浸されうる最大量である下限量より多い量とし，かつ，電池ケース２０の蓋部材２４が上になるように電池ケース２０を静止させた状態で，電池ケース２０の底面２６との間の隙間の部分に電極体１０に接触しないように収容される最大の量である最大余剰量を下限量に加算した量である上限量より少ない量とした。これにより，電極体１０に含浸されない余剰液３０を有するとともに，通常時には電極体１０と余剰液３０とが接触しないようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は，電池ケース内に電極体を収納してなる二次電池に関する。さらに詳細には，電池ケース内の電解液の液量の最適化を図った二次電池に関する。さらには，その二次電池を搭載する車両，機器に関するものである。

従来から，リチウムイオン二次電池その他の二次電池には，図４に示すように，正負の電極板およびセパレータを積層した電極体１０を電池ケース２０内に収納した構造であって，電解液を電池ケース２０内に注入してなるものがある。このような二次電池に関する従来文献としては例えば，特許文献１などがある。この種の二次電池では通常，電池ケース２０内に注入された電解液のうち，電極体１０に含浸される量より余分な余剰液３０が，電池ケース２０内に存在する。これに対し余剰液を排出するようにした従来文献として，特許文献２がある。

特開２００２−２７０２２５号公報 特開２０００−１２３８６０号公報

しかしながら前記した従来の技術には，以下に述べる問題点があった。まず，図４の二次電池では，電極体１０と余剰液３０とが常時接触している状況にある。このために，電極体１０に含浸されている電解液と余剰液３０との間で，電解質の拡散が起きるのである。すなわち，使用中の二次電池では電極反応により，電極体１０の内部の電解液に電解質濃度の勾配が発生する。具体的には図５のグラフ中にカーブＤ１に示すように，電極体１０の両端の集電部分１１，１２に近いところで電解質濃度が上昇する。反面，電極体１０の中央部分の，集電部分１１，１２から遠いところでは，そのあおりで電解質濃度が低下する。

ここで，電極体１０と余剰液３０とが接触していると，集電部分１１，１２付近に含浸されている高濃度の電解液と，元の濃度Ｄ０のままの余剰液３０との間に濃度差ＤＧが存在することになる。このため，集電部分１１，１２付近の電解液から余剰液３０へと，電解質が拡散により移動してしまう。このため，電極体１０の中の電解質の総量が減少して，発電性能が低下してしまうのである。

特許文献２のように余剰液を排除してしまえばこの問題はないが，別の問題がある。電池ケース２０内の電解液の量が，電極体１０にちょうど含浸される量でしかないと，二次電池の使用状況によっては，液涸れと呼ばれる現象が発生するのである。すなわち，二次電池は使用中にはある程度昇温するので，電極体１０等の熱膨張により，電極体１０が電池ケース２０により圧迫される程度が変化することがある。この圧迫が強くなると，電極体１０に含浸されている電解液の一部が絞り出されて電池ケース２０の底部に溜まってしまう。

もともと余剰液３０が存在しない電池の場合には，この底部に溜まった電解液は，容易なことでは電極体１０に接触しない。このため，電極体１０の圧迫がその後弱くなっても，一端電極体１０から排出された電解液が電極体１０に再度含浸されることはほとんどないのである。このため，電極体１０に含浸されている電解液の総量が適正量と比べて不足気味となり，やはり発電性能が低下する。これが液涸れである。

本発明は，前記した従来の二次電池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，拡散による電解質濃度低下の問題と，液涸れの問題とをともに排除した二次電池，およびそれを搭載する車両，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二次電池は，電池ケースと，電池ケースの内部に保持された電極体とを有し，電池ケースの内部に電解液が収容されている二次電池であって，電池ケースの内部に収容されている電解液の量が，電極体に含浸されない余剰液を生じる量であるとともに，電池ケースが静止している状態では余剰液が電極体に接触しない量であるものである。

本発明の二次電池では，余剰液と電極体とは基本的に接触していない。このため，使用時に電極体の内部の電解液に電解質濃度の不均一が生じても，電極体の内部の電解液と余剰液との間で電解質の拡散が生じない。これにより，電極体における電解質不足が防止されている。一方，電極体の温度上昇により電極体から電解液の一部がしみ出ると，それにより余剰液の量が増加することになる。余剰液の量が増加した状態では，振動等により余剰液と電極体とが接触しうる。その接触の際に余剰液の一部が再び電極体に含浸されるので，電極体における電解液不足も防止されている。

本発明の二次電池は例えば，電池ケースが，容器状のケース本体と，ケース本体を封口する蓋部材とを有しており，電極体は蓋部材に取り付けられており，電極体における蓋部材の反対側の端部とケース本体の底面との間に隙間があり，電解液の量を，電極体に含浸されうる最大量である下限量より多く，蓋部材が上になるように電池ケースを静止させた状態で隙間の部分に電極体に接触しないように収容される最大の量である最大余剰量を下限量に加算した量である上限量より少ない量とすることにより実現される。

本発明は，電力の供給を受けて車輪を回転駆動するモータと，モータに電力を供給する電源部とを有し，電源部に前記の二次電池が含まれている車両にも及ぶ。本発明はまた，電力の供給を受けて動作する動作部と，動作部に電力を供給する電源部とを有し，電源部に前記の二次電池が含まれている機器にも及ぶ。

本発明によれば，拡散による電解質濃度低下の問題と，液涸れの問題とをともに排除した二次電池，およびそれを搭載する車両，機器が提供されている。

実施の形態に係る二次電池を示す透視図である。 実施の形態に係る二次電池を搭載した車両を示す斜視透視図である。 実施の形態に係る二次電池を搭載したハンマードリルを示す斜視透視図である。 従来の二次電池を示す透視図である。 二次電池の使用時における電解質濃度分布を示すグラフである。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，非水電解液型リチウムイオン二次電池において，本発明を具体化したものである。図１に示す本形態の二次電池１は基本的に，正負の電極板およびセパレータを積層した電極体１０を，電池ケース２０内に収納した構造である。そして電池ケース２０内には，電解液が注入されている。電池ケース２０内の電解液の量は，電極体１０にちょうど含浸される量より多い。このために電池ケース２０内には，電極体１０に含浸されない余剰液３０が存在している。ただし余剰液３０は，電極体１０には接触していない。

電極体１０を構成する正負の電極板のうち正極板は，アルミ箔に正極活物質を塗布したものである。正極活物質として，ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂ ），マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ₂），コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）等のリチウム複合酸化物などが用いられる。負極板は，銅箔に負極活物質を塗布したものである。負極活物質として，非晶質炭素，難黒鉛化炭素，易黒鉛化炭素，黒鉛等の炭素系物質が用いられる。集電端子部材２１，２２は，その一方が正極板に，他方が負極板に，それぞれ接続されるものであり，接続される電極板の箔と同じ種類の金属でできている。

また，電解液は，有機溶媒に電解質を溶解させたものである。有機溶媒として例えば，プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ），ジメチルカーボネート（ＤＭＣ），メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等のエステル系溶媒や，エステル系溶媒にγ−ブチラクトン（γ−ＢＬ），ジエトキシエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒等を配合した有機溶媒が挙げられる。また，電解質である塩として，過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄）やホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ₄），六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）などのリチウム塩を用いることができる。

図１の二次電池１についてさらに説明する。二次電池１の電池ケース２０は，容器状のケース本体２３と，ケース本体２３を封口する蓋部材２４とからなっている。電極体１０は，集電端子部材２１，２２を介して蓋部材２４に取り付けられている。蓋部材２４には，図示は省略するが注液口が設けられており，この注液口は，注液後に封鎖されている。蓋部材２４に集電端子部材２１，２２を介して電極体１０を取り付け，電極体１０をケース本体２３に挿入するとともにケース本体２３を蓋部材２４で封口し，注液口を通して電解液を注入し，そして注液口を塞いだものが図１の二次電池１である。

図１の二次電池１において，蓋部材２４の内面２７からケース本体２３の底面２６までの距離，すなわちケース本体２３の深さを「Ｋ」で表している。また，蓋部材２４の内面２７から，電極体１０における底面２６側の端部１３までの距離を「Ｈ」で表している。ここで，「Ｋ」は「Ｈ」より大きい。このため，ケース本体２３の底面２６と電極体１０の端部１３との間には隙間があり，これを溜まり部２５と呼ぶ。溜まり部２５の深さを「Ｍ」で表している。余剰液３０は，溜まり部２５に溜まっている電解液である。

なお図１では，電池ケース２０の内面と電極体１０の外形との間に，上下方向，左右方向ともに若干の余裕がある。しかし図１の紙面と垂直な方向には，両者間に隙間はなく，電極体１０は電池ケース２０の内面によりやや圧迫された状況である。

電池ケース２０内に注入されている電解液の量は，次に述べる下限量Ｌより多く，かつ，上限量Ｕより少ない量である。すなわち，電池ケース２０内の電解液量をＱとすると，次式が成り立つ。
Ｌ ＜ Ｑ ＜ Ｕ

［下限量Ｌ］
まず下限量Ｌについて説明する。下限量Ｌは，電極体１０にちょうど含浸される電解液の量，すなわち，電解液が電極体１０に含浸されうる最大量である。下限量Ｌは，実測により，あるいは電極体１０における電極板の総対向面積等に基づく計算により求められる。

［上限量Ｕ］
上限量Ｕは，下限量Ｌに最大余剰量Ｅを加えた量である。すなわち上限量Ｕは，次式で与えられる。
Ｕ ＝ Ｌ＋Ｅ
最大余剰量Ｅは，電解液が，電極体１０に接触しない範囲内で溜まり部２５に溜まりうる最大の量である。最大余剰量Ｅは，溜まり部２５の内部形状が直方体状であれば，その水平面方向の断面積と深さＭの積として計算される。溜まり部２５の形状が単純な形状でない場合でも，実測により求めることはできる。

本形態の二次電池１では，このように設定された量の電解液が電池ケース２０内に注入されている。このため，電極体１０内には下限量Ｌの電解液が含浸されており，さらに，電極体１０内に含浸されない余分な電解液，すなわち余剰液３０が，溜まり部２５に溜まっている。溜まっている余剰液３０の深さＮは，溜まり部２５の深さＭより小さい。したがって，電極体１０内の電解液と余剰液３０とは，二次電池１が図１に示す姿勢で静止している状態では接触しない。

むろん本形態の二次電池１でも，使用時には電極反応により，図５にカーブＤ１で示した電解質濃度分布が生じる。しかしながら前述のように電極体１０と余剰液３０とが非接触であるため，電極体１０内の電解液から余剰液３０への電解質の拡散が起こらない。このため，電解質の拡散により電極体１０内の電解質の総量が減少してしまうことがない。こうして，拡散による発電性能の低下が防止されている。

また本形態の二次電池１でも，使用時には電極反応により電極体１０がある程度昇温する。このため熱膨張により，電極体１０の受ける圧迫が通常時よりもやや強くなって，電極体１０から電解液が絞り出されてしまうことはある。しかし本形態では，もともと余剰液３０が存在しているので，絞り出された電解液は，余剰液３０と混じり合うことになる。これにより，余剰液３０の量が元々の量よりも増加することになる。

このように余剰液３０の量が増加した状態では，二次電池１が揺すられたとき等には，電極体１０と余剰液３０とが比較的容易に接触する。よって，電極体１０の受ける圧迫が通常時の程度に戻っているときに二次電池１が揺れれば，余剰液３０の一部が電極体１０に再び含浸されることになる。これにより，電極体１０内に含浸されている電解液の量が減少したままになることはない。こうして，液涸れによる発電性能の低下が防止されている。

本形態の二次電池１またはその組電池は，例えば図２に示すように，車両２００に搭載して使用することができる。図２に示す車両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，これに取り付けられたフロントモータ２２０，リアモータ２３０，ケーブル２５０，インバータ２６０，及び，複数の二次電池１を組み合わせた組電池１００を有している。

なお，車両としては，その動力源の全部あるいは一部に電池による電気エネルギを使用している車両であれば良く，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，電気車いす，電動アシスト自転車，電動スクータ等が挙げられる。

本形態の二次電池１またはその組電池はまた，例えば図３に示すように，ハンマードリル３００等の電気機器に搭載して使用することができる。図３に示すハンマードリル３００は，本形態の二次電池１を含むバッテリパック１０１を本体３２０に搭載している。バッテリパック１０１は，ハンマードリル３００の本体３２０のうち底部３２１に取り外し可能に収容されている。

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良く，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，無停電電源装置など，電池で駆動される各種の家電製品，オフィス機器，産業機器が挙げられる。

以上詳細に説明したように本形態では，電池ケース２０内の電解液の量が，電極体１０に含浸されない余剰液３０が存在し，かつ，電極体１０と余剰液３０とが通常の状態では接触しないように設定されている。このため，拡散による電解質濃度低下の問題と，液涸れの問題とをともに排除した二次電池，およびそれを搭載する車両，機器が実現されている。

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，各部の形状や材質は，例示したとおりのものでなくてもよい。また，リチウムイオン二次電池以外の二次電池であっても，電池ケース内に電極体と電解液とを有するものであれば適用可能である。

１ 二次電池
１０ 電極体
１３ 電極体の端部
２０ 電池ケース
２３ ケース本体
２４ 蓋部材
２５ 溜まり部
２６ 底面
３０ 余剰液
１００ 組電池
１０１ バッテリパック
２００ 車両
２２０ フロントモータ
２３０ リアモータ
３００ ハンマードリル

Claims (4)

1. 電池ケースと，前記電池ケースの内部に保持された電極体とを有し，前記電池ケースの内部に電解液が収容されている二次電池において，
   前記電池ケースの内部に収容されている電解液の量が，
   前記電極体に含浸されない余剰液を生じる量であるとともに，
   前記電池ケースが静止している状態では前記余剰液が前記電極体に接触しない量であることを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池において，
   前記電池ケースは，容器状のケース本体と，前記ケース本体を封口する蓋部材とを有しており，
   前記電極体は，前記蓋部材に取り付けられており，
   前記電極体における前記蓋部材の反対側の端部と前記ケース本体の底面との間に隙間があり，
   前記電解液の量が，
   前記電極体に含浸されうる最大量である下限量より多く，
   前記蓋部材が上になるように前記電池ケースを静止させた状態で前記隙間の部分に前記電極体に接触しないように収容される最大の量である最大余剰量を前記下限量に加算した量である上限量より少ないことを特徴とする二次電池。
3. 電力の供給を受けて車輪を回転駆動するモータと，
   前記モータに電力を供給する電源部とを有し，
   前記電源部に，請求項１または請求項２に記載の二次電池が含まれていることを特徴とする車両。
4. 電力の供給を受けて動作する動作部と，
   前記動作部に電力を供給する電源部とを有し，
   前記電源部に，請求項１または請求項２に記載の二次電池が含まれていることを特徴とする機器。

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