JP2011253763A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を増やすことなく，電池性能の低下を抑制する二次電池を提供すること。
【解決手段】二次電池１００は，ケース５０に発電要素を収容している。そして，ケース本体１０の第１面５１にはパターン溝１１が形成され，第１面５１の裏面である第２面５２にはパターン溝１２が形成されている。二次電池１００は，各パターン溝１１，１２がケース５０内の発電要素を押圧し，ケース５０自身が発電要素を対向方向の両側から押さえ込む。また，二次電池１００は，パターン溝１１とパターン溝１２とが，同一模様であって，第１面５１と第２面５２とが対向する方向に直交する面方向に位置をずらした配置となっている。
【選択図】 図３

Description

本発明は，角型ケースに発電要素を収容する二次電池に関する。さらに詳細には，二次電池のケース構造に関するものである。

近年，リチウムイオン電池等の非水電解液型の二次電池は，携帯型ＰＣや携帯電話を始めとする電子機器のみならず，ハイブリッド車や電気自動車の電源として注目されている。このような二次電池は，発電要素を金属製のケースに収容し，例えばケースの内側に絶縁フィルムを貼付してケースと発電要素とを絶縁している。

二次電池のケースの形状としては，円筒状，矩形状と様々な形状のものが実用化されている。このうち，矩形状の角型ケースは，他の形状のケースよりもスペース効率が高く，小型化の要請に応えるものとして広く利用されている。

発電要素は，正極と負極とがセパレータを介して積層あるいは巻回され，各要素間を電解液で充填する構成を有している。二次電池の発電要素は，例えば初期充電時の正極の膨張や運転環境下での振動によって，電極間の距離が変動し易い。電極間の距離が変動すると，電解液中に気泡等が入り易くなり，電池性能を劣化させる傾向にある。

発電要素の電極間を一定に保つ技術としては，例えば図１０に示すような電池パックがある。この電池パックでは，単セル９０のケースを外側から押圧する押し当て部材９１を単セル９０，９０間に挟み込み，全単セルを拘束バンド７０に組み付けて一定荷重をかけている。この電池パックでは，押し当て部材９１によってケース全体あるいは一部を弾性変形させ，発電要素をケースごと押さえ込むことで，ケース内の発電要素のぐらつきを抑制する。

また，例えば特許文献１には，発電要素をケース内に収容後，そのケースの一部を押圧してケースの外側から見て凹形状（ケースの内側から見て凸形状）の部位を形成する二次電池の製造方法が開示されている。このケースに形成した凹形状の部位によって，正極の膨張を抑制できるとしている。

特開２０００−２９９０８９号公報

しかしながら，前記したような従来の二次電池には，次のような問題があった。すなわち，図１０に示したように単セル９０，９０間に押し当て部材９１を配置する場合，部品点数が増える。そのため，低コスト化やコンパクト化に不向きである。

また，ケースに凹形状の部位を形成する場合，発電要素にかかる圧力が強すぎるとセパレータの細孔が潰れてしまい，内部抵抗の増大を招くことがある。特に，特許文献１に示された二次電池のように，向かい合う扁平面の両面に凹形状（ケースの内側から見て凸形状）の部位が形成され，それら凹形状の部位が対向するように配置されている（特許文献１の図２参照）と，その対向箇所での圧力が大きくなり，電池性能を低下させるおそれがある。

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，部品点数を増やすことなく，電池性能の低下を抑制する二次電池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二次電池は，角型ケースに発電要素を収容する二次電池であって，角型ケースの一方の偏平面である第１面に位置し，角型ケースの外側から見て凹形状でかつ角型ケースの内側から見て凸形状のパターン溝であり，発電要素を押圧する第１パターン部と，角型ケースの第１面と対向する偏平面である第２面に位置し，角型ケースの外側から見て凹形状でかつ角型ケースの内側から見て凸形状のパターン溝であり，発電要素を押圧する第２パターン部とを備え，第１パターン部は，第１面と第２面とが対向する対向方向から見て，第２パターン部とは重ならない部位を有することを特徴としている。

本発明の二次電池は，ケースの第１面と第２面とにそれぞれパターン溝（第１パターン部，第２パターン部）を形成している。そして，各パターン溝が発電要素を押圧し，ケース自身が発電要素を対向方向の両側から押さえ込むことで，電極間の距離の変動を抑制している。すなわち，二次電池単体で発電要素を保持することができており，別に発電要素を保持する部材を設けなくてもよい。

また，本発明の二次電池の第１パターン部は，対向方向から見て，第２パターン部とは重ならない部位を有している。すなわち，第１パターン部と第２パターン部とが，対向方向から見て同じ位置となる箇所では，発電要素にかかる圧力が大きくなる。そこで，第１パターン部の少なくとも一部が第２パターン部と重ならないように配置することで，パターン溝から受ける圧力が大きくなる箇所を低減する。これにより，発電要素全体としてパターン溝から受ける圧力の均一化が期待でき，結果として内部抵抗の上昇が抑えられる。

例えば，本発明の二次電池は，第１パターン部と第２パターン部とが，同一模様のパターン溝であって，互いに面方向に位置をずらした配置とするとよい。このような配置としては，例えば，平行線模様のパターン溝であれば，線と直交する方向にずらした配置にするとよい。また，例えば，同心環模様のパターン溝であれば，円の中心の位置をずらした配置にするとよい。これにより，発電要素にとって対向方向の両側から押圧される箇所が少なくなり，発電要素全体としてパターン溝から受ける圧力の均一化がより期待できる。

また，上記の二次電池は，第１パターン部および第２パターン部が，格子模様のパターン溝であり，第１パターン部のパターン溝の交差箇所は，対向方向から見て，第２パターン部のパターン溝と重ならないとよい。格子模様のパターン溝において，このような配置にすると，格子模様の縦方向および横方向ともにずれた状態となり，第１パターン部と第２パターン部とが対向方向から見て重なる箇所が少なくなる。

また，例えば，本発明の二次電池は，第１パターン部と第２パターン部とが，同一模様のパターン溝であり，第１パターン部は，対向方向から見て，第２パターン部と重ならないように配置するとよい。例えば，放射状のドット模様のパターン溝であれば，放射中心から各ドットまでの距離を，第１パターン部と第２パターン部とで異なるようにする。これにより，発電要素にとって対向方向の両側から押圧される箇所がなくなり，発電要素全体としてパターン溝から受ける圧力の均一化がより期待できる。

また，上記の二次電池は，第１パターン部および第２パターン部が，環状模様のパターン溝であり，第１パターン部と第２パターン部とは環中心からの距離が異なるようにするとよい。環中心からの距離を互いに変えることで，第１パターン部と第２パターン部とが完全に重ならないような配置を簡単に構成できる。

また，例えば，本発明の二次電池は，第１パターン部と第２パターン部とが，互いに異なる模様のパターン溝であるとよい。両パターン溝の構成が異なることから，対向方向から見て，第１パターン部と第２パターン部とが重なる部分が少なくなることが期待できる。そのため，発電要素全体としてパターン溝から受ける圧力の均一化が期待でき，結果として内部抵抗の上昇が抑えられる。

また，上記の二次電池は，第１パターン部は，対向方向から見て，第２パターン部と重ならないとよい。第１パターン部と第２パターン部とが，対向方向から見て完全に重ならないように配置することで，発電要素にとって対向方向の両側から押圧される箇所がなくなり，発電要素全体としてパターン溝から受ける圧力の均一化がより期待できる。

また，本発明の二次電池は，第１パターン部は，複数のパターン溝によって構成されており，第２パターン部は，対向方向から見て，隣り合う第１パターン部間の中間に位置するとよい。対向方向から見て，第２パターン部が第１パターン間の中間に位置するように配置することで，パターン溝から受ける圧力の均一化がより期待できる。

また，本発明の二次電池は，リチウムイオン二次電池に好適である。すなわち，リチウムイオン二次電池は，正極ないし負極が薄板で変形し易く，電極間の距離が変動し易い。そのため，本発明の恩恵を受け易い。

本発明によれば，部品点数を増やすことなく，電池性能の低下を抑制する二次電池が実現される。

第１の形態にかかるリチウムイオン電池の外観を示す斜視図である。 図１に示したリチウムイオン電池について，他方の面から見た外観を示す斜視図である。 図１に示したリチウムイオン電池の，パターン溝の配置を示す正面透視図である。 図１に示したリチウムイオン電池の，ケース内の構成を示す断面図である。 パターン溝の寸法概要を示す図である。 発電要素が受ける圧力と内部抵抗との関係を示す図である。 図１に示したリチウムイオン電池を組み合わせてなる電池パックの構成を示す図である。 第２の形態にかかるリチウムイオン電池の，パターン溝の構成を示す図である。 第３の形態にかかるリチウムイオン電池の，パターン溝の構成を示す図である。 従来の形態にかかる電池パックの構成を示す図である。

以下，本発明にかかる二次電池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。なお，以下の形態では，ハイブリッド自動車に車載されるリチウムイオン電池に本発明を適用する。

［第１の形態］
［リチウムイオン電池の構成］
本形態のリチウムイオン電池１００は，図１に示すように，リチウムイオン電池１００の外殻を形成する角型のケース５０に発電要素が収容された密閉角型の二次電池である。図１は，リチウムイオン電池１００を，ケース５０の一方の偏平面（以下，「第１面５１」とする）から見た状態を示している。図２は，リチウムイオン電池１００を，ケース５０の第１面５１と反対側の偏平面（以下，「第２面５２」とする）から見た状態を示している。

ケース５０は，容器となるケース本体１０と，ケース本体１０の開口部を封止する封口蓋２０とを有している。ケース本体１０は，アルミニウム，アルミニウム合金，めっき鋼板，ステンレス鋼板等の金属材からなる。封口蓋２０は，アルミニウム，めっき鋼板，ステンレス鋼板等の金属材からなる。電池ケース１０や封口蓋２０に利用する金属材は，成形が容易であって，剛性があるものであればよい。ケース５０の内側全面には，不図示の絶縁フィルムが貼付されている。

封口蓋２０には，封口蓋２０を貫通し，封口蓋２０からケース５０の外側に向けて突出する正極端子３１及び負極端子３２が取り付けられている。正極端子３１の封口蓋２０への取り付け箇所には，樹脂製の絶縁部材３３が介在し，正極端子３１と封口蓋２０とを絶縁している。同様に，負極端子３２の封口蓋２０への取り付け箇所には，樹脂製の絶縁部材３４が介在し，負極端子３２と封口蓋２０とを絶縁している。また，封口蓋２０には，矩形板状の安全弁２３も溶接されている。安全弁２３は，封口蓋２０を貫通する注液孔を封止しており，その注液孔から電解液が注入される。

ケース本体１０は，有底矩形の箱体，すなわち上面が開口した直方体をなしている。ケース本体１０は，発電要素を収納しており，矩形板状の封口蓋２０にてその開口部を塞ぐことによって発電要素を密封をしている。具体的に，ケース５０は，ケース本体１０と封口蓋２０とがレーザ溶接によって一体となっている。

また，ケース本体１０の第１面５１には，図１に示したように，横方向に形成された複数のパターン溝と，縦方向に形成された複数のパターン溝とが交差するように格子状に形成されたパターン溝１１が設けられている。パターン溝１１は，ケース本体１０の外側からの押圧加工によって第１面５１の一部が塑性変形したものであり，ケースの外側から見て凹形状になっている。換言すると，パターン溝１１は，ケースの内側から見ると凸形状になっている。この押圧加工は，ケース本体１０内に発電要素が収容された状態で行う。

一方，ケース本体１０の第２面５２にも，図２に示したように，横方向に形成された複数のパターン溝と，縦方向に形成された複数のパターン溝とが交差するように格子状に形成されたパターン溝１２が設けられている。パターン溝１２も，パターン溝１１と同様に，ケース本体１０の外側からの押圧加工によって第２面５２の一部が塑性変形したものであり，ケースの外側から見て凹形状になっている。換言すると，パターン溝１２も，ケースの内側から見ると凸形状になっている。この押圧加工も，ケース本体１０内に発電要素が収容された状態で行う。パターン溝１２を形成する押圧加工は，パターン溝１１を形成する押圧加工と同時に行ってもよいし，別々に行ってもよい。

ケース本体１０に形成されたパターン溝１１，１２は，図３に示すように，第１面５１と第２面５２とが対向する対向方向に直交する面方向において，互いにずらした位置に配置されている。

具体的に，本形態では，対向方向から見て，パターン溝１１のうち縦方向に隣り合う横長のパターン溝間の中間に，パターン溝１２のうちの横長のパターン溝が配置される。また，パターン溝１１のうち横方向に隣り合う縦長のパターン溝の中間に，パターン溝１２のうちの縦長のパターン溝が配置される。このように第１面５１のパターン溝１１と第２面５２のパターン溝１２とを互いに面方向にずらすことで，少なくともパターン溝１１のうち，横長のパターン溝と縦長のパターン溝とが交差する交差箇所が，対向方向から見てパターン溝１２と重ならない。同様に，少なくともパターン溝１２のうち，横長のパターン溝と縦長のパターン溝とが交差する交差箇所が，対向方向から見てパターン溝１１と重ならない。

また，ケース本体１０は，図４に示すように，発電要素６０を収容している。発電要素６０は，帯状の正極板６１と負極板６２とをポリエチレン不織布からなるセパレータ６３を挟んで積層し，扁平状にしたものである。正極板６１は正極端子３１と接続し，負極板６２は負極端子３２と接続しており，発電要素６０全体として封口蓋２０に固定されている。

発電要素６０のうち，正極板６１は，帯状のアルミ箔の両面に不図示の正極活物質層を担持している。この正極活物質層には，例えば，正極活物質のニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂ ），導電剤のアセチレンブラック，および結着剤のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）が含まれる。また，負極板６２は，帯状の銅箔の両面に不図示の負極活物質層を担持している。この負極活物質層には，例えば，グラファイトおよび結着剤が含まれる。また，不図示の電解液は，エチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とを，体積比でＥＣ：ＥＭＣ＝３：７に調整した混合有機溶媒に，溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆ ）を添加し，リチウムイオンを１ｍｏｌ／ｌの濃度とした有機電解液である。正極板６１，正極活物質層，負極板６２，負極活物質層，電解液に利用される物質は，一例であり，一般的にリチウムイオン電池に利用されるものを適宜選択すればよい。

また，ケース本体１０に形成されたパターン溝１１，１２は，図４に示したように，ケース本体１０の内側から見ると突起している。そして，これら突起部（パターン溝１１，１２）が，対向方向において発電要素６０の一部を押圧する。これにより，発電要素６０のぐらつきが抑制され，電極間に隙間が生じることを回避している。

本形態では，パターン溝１１，１２の突起量を，次のように定義している。すなわち，図５に示すように，第１面５１と第２面５２とが対向する対向方向において，ケース本体１０の第１面５１側の内壁と第２面５２側の内壁との間隔ｔ１と，パターン溝１１の先端部とパターン溝１２の先端部との間隔ｔ２との関係が，次の式（１）を満たすように設計する。
ｔ１−ｔ２≧０．１ｍｍ （１）
具体的に，本形態では，ｔ１を１２．１ｍｍ，ｔ２を１１．９ｍｍ，パターン溝１１，１２のケース本体１０からの突起量をそれぞれ０．１ｍｍとした。

なお，この突起量は，発電要素６０が受ける圧力に対する内部抵抗の値によって決まる。一般的に，発電要素６０が受ける圧力と内部抵抗との関係は，図６に示すグラフに表される。すなわち，発電要素６０が受ける圧力が弱くなると，発電要素６０を保持する力が弱くなり，電極間の距離が変動し易くなる。そのため，気泡等が入りやすくなり，内部抵抗が上昇する傾向にある。一方，発電要素６０が受ける圧力が強くなると，セパレータを押圧する力が強くなり，セパレータを構成する細孔が潰れ易くなる。そのため，内部抵抗が上昇する傾向にある。そこで，内部抵抗が所定の値よりも小さくなるように目標値を設定し，発電要素６０が受ける圧力が目標値となるように突起量を設計する。

図７は，本形態のリチウムイオン電池１００（単セル１００）を複数組み合わせた電池パック２００を示している。本形態のリチウムイオン電池１００は，ケース本体１０のパターン溝１１，１２によってリチウムイオン電池１００自身が発電要素６０を保持している。そのため，電池パック２００とする際，単セル１００間に押し当て部材を配置する必要がなく，単セル同士が直接接触し，拘束バンド７０によって拘束されている。そのため，本形態の電池パック２００は，従来の形態（図１０参照）のように押し当て部材９１を挟み込むものと比較してコンパクトである。

第１の形態では，パターン溝１１とパターン溝１２とが同一模様であり，パターン溝１１とパターン溝１２とを面方向に互いにずらした位置に形成している。これにより，対向方向から見て，パターン溝１１とパターン溝１２とが重なる箇所が少ない。そのため，パターン溝１１とパターン溝１２とを同じパターンとし，対向方向から見て一致するものと比較して，発電要素にかかる圧力が高くなる箇所が少ない。そのため，発電要素６０の面内において圧力のばらつきが少なく，内部抵抗の上昇が抑制される。

［第２の形態］
続いて，第２の形態として，パターン溝の模様が第１の形態とは異なる二次電池について説明する。本形態のリチウムイオン電池には，図８に示すように，同心環状模様のパターン溝１１，１２が形成されている。

本形態のリチウムイオン電池は，パターン溝１１とパターン溝１２とでともに同心環状であるが，環中心からパターン溝までの距離が異なる。また，対向方向から見て，パターン溝１１のうち隣り合う環状のパターン溝間の中間に，環状のパターン溝１２が配置される。

第２の形態のように，同心環状のパターンであって，対向方向から見て，パターン溝１１とパターン溝１２とで環中心の位置を同じとし，環中心からの距離を異なるようにすることで，パターン溝１１とパターン溝１２とを対向方向から見て重ならないように配置できる。これにより，発電要素６０内で，パターン溝１１，１２に対向方向の両側から挟まれる箇所がなくなり，発電要素６０全体として各パターン溝から受ける圧力の均一化がより期待できる。

［第３の形態］
続いて，第３の形態として，パターン溝の模様が第１の形態および第２の形態とは異なる二次電池について説明する。本形態のリチウムイオン電池には，図９に示すように，第１面と第２面とで異なる模様のパターン溝１１，１２が形成されている。

本形態のリチウムイオン電池は，第１面に破線状のパターン溝１１を有し，第２面に格子状のパターン溝１２を有している。さらに，パターン溝１１は，対向方向から見て，パターン溝１２を跨がないようにパターン溝１２の格子目の中に形成される。

第３の形態のように，パターン溝１１とパターン溝１２とで，異なる模様のパターンとすることで，対向方向から見て，パターン溝１１とパターン溝１２とが重なる箇所を少なくすることが期待できる。これにより，発電要素６０内で，パターン溝１１，１２に対向方向の両側から挟まれる箇所が少なくなり，発電要素６０全体として各パターン溝から受ける圧力の均一化がより期待できる。また，パターン溝１１とパターン溝１２とが異なる模様のパターンで形成していることから，パターン溝１１，１２の設計自由度が大きく，対向方向から見て，パターン溝１１とパターン溝１２とが全く重ならない配置も容易に設計できる。

以上詳細に説明したように実施の形態の各二次電池は，ケース本体１０の第１面５１と第２面５２とにそれぞれパターン溝１１，１２が形成されている。そして，各パターン溝１１，１２が発電要素６０を押圧し，ケース５０自身が発電要素を対向方向の両側から押さえ込んでいる。そのため，電池単体で発電要素を保持することができており，別途に発電要素を保持する部材を設けなくてもよい。

また，実施の形態の各二次電池は，パターン溝１１，１２が，対向方向から見て少なくとも一部が重ならない配置になっている。例えば，第１の形態では，パターン溝１１，１２が，同一模様であって，面方向に位置をずらした配置となっている。また，第２の形態では，パターン溝１１，１２が，同一模様であって，対向方向から見て重ならない配置となっている。また，第３の形態では，パターン溝１１，１２を非同一模様としている。このように，対向方向から見て，両パターン溝１１，１２が重なる箇所を減らすことで，発電要素６０全体として両パターン溝１１，１２から受ける圧力の均一化が期待でき，結果として内部抵抗の上昇が抑えられる。

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，リチウムイオン電池は，車載用に限らず，家電製品やパソコンに利用されるものであってもよい。また，電池はリチウムイオン電池に限るものではない。すなわち，ニッケル水素電池やニッカド電池等の二次電池でも本発明を適用できる。

また，実施の形態では，パターン溝の模様として，格子模様，同心環模様，格子模様と破線模様との組合せを例示しているが，これに限るものではない。例えば，放射模様，梯子模様，平行直線模様，平行波線模様，渦巻き模様，あるいはそれらの組合せが適用可能である。また，これらの模様に限定するものではないことは言うまでもない。

１０ ケース本体
１１ パターン溝（第１パターン部）
１２ パターン溝（第２パターン部）
２０ 封口蓋
３１ 正極端子
３２ 負極端子
５０ ケース
６０ 発電要素
１００ リチウムイオン電池（二次電池）

Claims (9)

1. 角型ケースに発電要素を収容する二次電池において，
   前記角型ケースの一方の偏平面である第１面に位置し，前記角型ケースの外側から見て凹形状でかつ前記角型ケースの内側から見て凸形状のパターン溝であり，前記発電要素を押圧する第１パターン部と，
   前記角型ケースの前記第１面と対向する偏平面である第２面に位置し，前記角型ケースの外側から見て凹形状でかつ前記角型ケースの内側から見て凸形状のパターン溝であり，前記発電要素を押圧する第２パターン部とを備え，
   前記第１パターン部は，前記第１面と前記第２面とが対向する対向方向から見て，前記第２パターン部とは重ならない部位を有することを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載する二次電池において，
   前記第１パターン部と前記第２パターン部とは，同一模様のパターン溝であり，前記対向方向に直交する面方向に位置をずらした配置であることを特徴とする二次電池。
3. 請求項２に記載する二次電池において，
   前記第１パターン部および前記第２パターン部は，格子模様のパターン溝であり，
   前記第１パターン部のパターン溝の交差箇所は，前記対向方向から見て，前記第２パターン部のパターン溝と重ならないことを特徴とする二次電池。
4. 請求項１に記載する二次電池において，
   前記第１パターン部と前記第２パターン部とは，同一模様のパターン溝であり，前記第１パターン部は，前記対向方向から見て，前記第２パターン部と重ならないことを特徴とする二次電池。
5. 請求項４に記載する二次電池において，
   前記第１パターン部および前記第２パターン部は，同心環模様のパターン溝であり，
   前記第１パターン部と前記第２パターン部とは環中心からの距離が異なることを特徴とする二次電池。
6. 請求項１に記載する二次電池において，
   前記第１パターン部と前記第２パターン部とは，互いに異なる模様のパターン溝であることを特徴とする二次電池。
7. 請求項６に記載する二次電池において，
   前記第１パターン部は，前記対向方向から見て，前記第２パターン部と重ならないことを特徴とする二次電池。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１つに記載する二次電池において，
   前記第１パターン部は，複数のパターン溝によって構成されており，
   前記第２パターン部は，前記対向方向から見て，隣り合う前記第１パターン部間の中間に位置することを特徴とする二次電池。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１つに記載する二次電池において，
   前記二次電池は，リチウムイオン二次電池であることを特徴とする二次電池。

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