JP2019003880A - 蓄電素子及び蓄電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エネルギー密度を大きくできる蓄電素子を提供することを課題とする。【解決手段】蓄電素子は、底壁及び天壁と、それぞれ前記天壁より面積が小さい前壁及び後壁と、それぞれ前記天壁より面積が大きい一対の側壁とを有する、直方体形状のケースと、前記ケース内に収容され、セパレータを介して積層された板状の複数の正極板及び負極板、並びに前記正極板及び前記負極板から前記前壁に向けて延びる正極タブ及び負極タブを有する積層電極体と、前記前壁に設けられ、前記正極タブ又は前記負極タブと電気的に接続される外部端子とを備え、前記底壁が設置面に設置され、前記前壁が前記底壁から立ち上がる。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電素子及び蓄電モジュールに関する。

携帯電話、自動車等の様々な機器に、充放電可能な蓄電素子が使用されている。特開２００５−１９７２７９号公報は、奥行き（短側壁）が、高さ、及び幅（長側壁）に比して小さく、幅が高さよりも大きい直方体状のケースを有しこのケースの中に蓄電要素（正極板及び負極板をセパレータを介して積層して形成される電極体）を収容し、ケースの天壁に一対の外部電極（外部端子）を突設した複数の蓄電素子を、奥行き方向に複数並べて保持した蓄電モジュールを開示している。蓄電モジュールは、複数の蓄電素子の上側に配線部材を備える。

特開２００５−１９７２７９号公報

電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）等の電気エネルギーを動力源とする車両は、大きなエネルギーを必要とするため、複数の蓄電素子を備える大容量の蓄電モジュールを搭載している。

このような車両に用いられる蓄電モジュールは、例えば座席の下部空間等、比較的高さが小さい空間に搭載できることが求められる。蓄電モジュールの容量を大きくするためには、蓄電モジュールの高さを小さくしたまま蓄電モジュールの幅及び／又は奥行きを大きくせざるをえない。このため、車両用蓄電モジュールの外形形状は、幅及び奥行きが高さに比して大きいものとなる。

蓄電モジュールの容量を大きくするための他のアプローチとして、エネルギー密度（単位容積当たりの蓄電量）を大きくする方法がある。具体的には、蓄電素子や蓄電モジュールのデッドスペース（蓄電に寄与しないスペース）を小さくして、相対的に蓄電要素（電極体）の容積を大きくすることにより、蓄電素子や蓄電モジュールのエネルギー密度を大きくすることができる。

特開２００５−１９７２７９号公報に記載される従来の蓄電素子では、外部電極（外部端子）がケースの天壁に配設されるため、ケースの天壁と蓄電要素と間に（すなわち、ケース内部に）、蓄電要素と外部電極とを接続するための構造を配置するために所定高さの空間を確保する必要がある。さらに、このような蓄電素子を並べて配置する蓄電モジュールでは、ケースの上側（すなわち、ケース外部）にも外部電極同士を接続するために所定高さの空間を確保する必要がある。

従って、従来の蓄電モジュールでは、個々の蓄電素子において、天壁を挟んで、蓄電要素と外部電極との接続構造（ケース内部の構造）及び外部電極同士の接続構造（ケース外部の構造）が、高さ方向に所定の空間を占有する。個々の蓄電素子は、幅が高さより大きく、天壁は面積が比較的大きい。その天壁を挟んで、ケース内部及びケース外部において、蓄電要素と外部電極との接続構造及び外部電極同士の接続構造が空間を占有する。比較的面積が大きい天壁の、下側（ケース内部）と上側（ケース外部）に空間が必要なため、従来の蓄電素子及び蓄電モジュールでは、デッドスペースが大きくなりやすく、エネルギー密度の増大が制約されている。

本発明は、エネルギー密度を大きくできる蓄電素子及び蓄電モジュールを提供することを課題とする。

本発明の一態様に係る蓄電素子は、底壁及び天壁と、それぞれ前記天壁より面積が小さい前壁及び後壁と、それぞれ前記天壁より面積が大きい一対の側壁とを有する、直方体形状のケースと、前記ケース内に収容され、セパレータを介して積層された板状の複数の正極板及び負極板、並びに前記正極板及び前記負極板から前記前壁に向けて延びる正極タブ及び負極タブを有する積層電極体と、前記前壁に設けられ、前記正極タブ又は前記負極タブと電気的に接続される外部端子とを備え、前記底壁が設置面に設置され、前記前壁が前記底壁から立ち上がる。

本発明に係る蓄電素子は、エネルギー密度を大きくできると共に、新規な蓄電モジュール設計を実現可能とする。

本発明の一実施形態の蓄電素子を示す模式的斜視図である。 図１の蓄電素子の側壁に平行な面で切断した模式的断面図である。 図１の蓄電素子の底壁に平行な面で切断した模式的断面図である。 図１の蓄電素子を備える蓄電モジュールの模式的正面図である。 本発明の図１とは異なる実施形態の蓄電素子の模式的断面図である。 本発明の図１及び図５とは異なる実施形態の蓄電素子の模式的断面図である。 図６の蓄電素子の積層電極体の模式的平面図である。

本発明の一態様に係る蓄電素子は、底壁及び天壁と、それぞれ前記天壁より面積が小さい前壁及び後壁と、それぞれ前記天壁より面積が大きい一対の側壁とを有する、直方体形状のケースと、前記ケース内に収容され、セパレータを介して積層された板状の複数の正極板及び負極板、並びに前記正極板及び前記負極板から前記前壁に向けて延びる正極タブ及び負極タブを有する積層電極体と、前記前壁に設けられ、前記正極タブ又は前記負極タブと電気的に接続される外部端子とを備え、前記底壁が設置面に設置され、前記前壁が前記底壁から立ち上がる。

蓄電素子において、積層電極体を直方体形状のケースに収容することで、ケース内のデッドスペースを減らすことができる。外部端子を備える前壁は、ケースを形成する壁の中で最も面積が小さい。前壁は、設置面に設置される底壁から立ち上がり、その前壁に設けられた外部端子は、蓄電素子が設置面に設置された状態で蓄電素子の側方に配置される。前壁の面積が小さいため、積層電極体と前壁に設けられた外部端子との間の電気的接続のための構造がケース内で占有するスペースが比較的小さい。これらの特徴を、以下に詳しく述べる。

従来、長尺の単一正極板及び長尺の単一負極板を、長尺のセパレータを介して積層した状態でその積層物を巻回した、いわゆる巻回タイプの電極体が多く用いられている。巻回タイプの電極体は一対の円弧部を有するため、直方体形状のケースに収容したときに、ケース内でそれら円弧部のまわりにデッドスペースが生じる。上述した本発明の一態様に係る蓄電素子は、円弧部を有しない積層タイプの電極体を用いるため、巻回タイプの電極体と比較して、電極体を直方体形状のケースに収容したときにケース内に生じるデッドスペースが小さい。

本発明の一態様に係る蓄電素子は、積層タイプの電極体を用いることに加えて、正極タブと負極タブが、前壁に向けて同じ方向に延びている。これにより、正極タブと負極タブとが反対方向に延びる構造に比べて、ケース内に生じるデッドスペースが小さい。さらに、ケース前壁の面積が小さいため、積層電極体と前壁に設けられた外部端子との間の電気的接続のための構造がケース内で占有するスペースが比較的小さい。積層電極体と、ケース前壁に設けられた外部端子との電気接続のためには、所定の高さのスペースが確保されなければならない。ここで、本発明の一態様に係る蓄電素子は、ケース前壁の面積が小さい。そのため、積層電極体と前壁の外部端子との電気接続のために必要な所定の高さと前壁の面積との積であるケース内のデッドスペースが、ケース天壁に外部端子を設けていた従来の蓄電素子と比較して小さい。

蓄電素子が車両用の蓄電モジュールに適用されて蓄電モジュールの高さが制限される場合、蓄電素子のケース前壁の高さは大きくできない。車両用蓄電モジュール以外の蓄電モジュールの高さが制限される用途に、蓄電素子が適用される場合も同様に、ケース前壁の高さは大きくできない。これらの状況下で個々の蓄電素子の容量を大きくするためには、底壁、天壁及び一対の側壁の長さが大きくされる。ケース前壁の高さは低く維持されるので、積層電極体と外部端子との間の電気的接続のための構造が占有するケース内のスペース容積は大きくならない。従って、当該蓄電素子は、底壁、天壁及び一対の側壁の長さを大きくして容量を大きくするほど電気的接続のための構造がケース内で占有するスペースが相対的に小さくなるため、従来の構造に比してエネルギー密度をより大きくすることができる。

蓄電素子は、前記ケースの前記前壁と対向する後壁に、破裂弁が設けられてもよい。この構成によれば、外部端子が破裂弁に干渉しないため、破裂弁（及びその開口面積）を大きくすることができる。このため、通常予見される使用形態ではない特異な状況（例えば、蓄電素子が搭載された車両のクラッシュ時）において蓄電素子の内圧が所定値以上に上昇した時には破裂弁を開いて速やかに蓄電素子の内圧を下げることができるので、エネルギー密度を大きくしても安全性を保つことができる。

蓄電素子において、前記ケースが、前記底壁、天壁、後壁及び一対の側壁を形成するケース本体と、前記前壁を形成し前記ケース本体の開口を封止する蓋板とを有してもよい。この構成によれば、ケース本体の強度を高くすることが容易であり、特に後壁が変形しにくいため、破裂弁が開放する圧力の変動を抑制することができる。

蓄電素子において、前記外部端子が、前記前壁と略平行に延びる板状の集電部材を介して前記正極タブ又は前記負極タブと接続されてもよい。この構成によれば、積層電極体の本体（正極板、負極板及びセパレータの積層体）と前壁との間隔を比較的小さくして、蓄電素子のエネルギー密度を大きくすることができる。また、前記集電部材を用いることによって、集電部材と前記正極タブ又は前記負極タブとの接続面積を大きくすることが容易であり、前記正極タブ又は前記負極タブと外部端子との間の電気抵抗を小さくすることができる。

蓄電素子において、前記積層電極体は直方体形状を有し、前記ケースの底壁、天壁、前壁及び後壁のそれぞれの内面に対向する、略平面状の底面、天面、前面及び後面を有し、前記前面から延びる前記正極タブ及び前記負極タブが前記前面と前記前壁との間で湾曲又は屈曲していてもよい。記積層電極体の底面、天面及び後面は、絶縁シートを介して前記ケースの底壁、天壁及び後壁のそれぞれの内面に接してもよい。これらの特徴により、ケース内のデッドスペースをより小さくすることができる。絶縁シートは、樹脂フィルムであってもよいし、緩衝性を有する発泡性材料（多孔性材料）からなるクッションシートであってもよい。絶縁シートが、樹脂フィルムとクッションシートとを有してもよい。

蓄電素子において、前記複数の正極板は、前記セパレータから形成されるセパレータ袋にそれぞれ収容され、前記セパレータ袋は、前記底壁に近接する外縁部に固化部を有してもよい。正極板をセパレータ袋に収容することで、負極において電析によって生成される金属析出物（例えばリチウムデンドライト）の生成を抑制でき、正極板と負極板との微小短絡を防止できる。また、セパレータ袋の固化部が正極板を支持するので、ケース内における正極板の位置決めを確実に行える。固化部は、例えば、２枚以上のセパレータの樹脂層が溶融して固化した溶着部であってもよいし、２枚以上のセパレータが接着されて固化した接着固化部であってもよい。

蓄電素子において、前記セパレータは、前記正極板に対向する面に耐熱層又は対酸化層を有してもよい。この構成によれば、正極板と負極板との微小短絡をより確実に防止できる。また、２つの耐熱層又は対酸化層が対向するセパレータ袋の外縁は剛性が高いため、ケース内における正極板の位置決めをより確実に行える。対酸化層は、耐熱層よりも薄いものであってもよい。耐酸化層は、高電圧環境下でセパレータを保護するが、セパレータに十分な耐熱性を与えないものであってもよい。

蓄電素子は、前記前壁より面積が大きい前記底壁に当接する放熱部材をさらに備えてもよい。この構成によれば、放熱部材が蓄電素子からの設置面への放熱を促進するので、蓄電素子の温度上昇を抑制することができる。放熱部材としては、例えば、設置面に対する隙間のない接触を確保するべく、弾性を有する樹脂シート等を用いることができる。

本発明の別の態様に係る蓄電モジュールは、複数の前記蓄電素子と、前記複数の蓄電素子を前記側壁同士が対向するよう並べて保持する保持部材と、前記複数の蓄電素子の、前記前壁より面積が大きい前記底壁に当接する冷却部材とを備える。

当該蓄電モジュールは、ケースの天壁には外部端子が設けられていない。そのため、天壁の上側（蓄電素子の設置面とは反対側）に、複数の蓄電素子同士を電気的に接続する構造を配置するための空間を確保しなくてよい。保持部材が、複数の蓄電素子を最も面積が大きい側壁同士を対向させるよう並べて保持するため、外部端子を設けた前壁が、それぞれの蓄電素子の短手方向に並んで配置される。このため、複数の蓄電素子同士を電気的に接続するための部材が小さくてよい。また、当該蓄電モジュールは、側壁に次いで面積が大きい底壁に当接する冷却部材を備えるため、効率よく蓄電素子を冷却できる。複数の蓄電素子の底壁と冷却部材との間に、空気より熱伝導性の高い、樹脂シート等の伝熱シートが介在してもよい。伝熱シートは、弾性を有してもよい。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。図１乃至図３に、本発明の一実施形態に係る蓄電素子１を示す。

当該蓄電素子１は、直方体形状のケース２と、このケース２内に収容される積層電極体３と、ケース２に設けられる正極外部端子４及び負極外部端子５とを備える。ケース２内には、積層電極体３と共に電解液が封入される。

ケース２は、対向して配設される寸法が略等しい長方形状の底壁６及び天壁７を有する。ケース２はさらに、底壁６及び天壁７の短辺間を接続し、底壁６及び天壁７より面積が小さい長方形状の前壁８及び後壁９と、底壁６及び天壁７の長辺間を接続し、底壁６及び天壁７より面積が大きい長方形状の一対の側壁１０とを有する。

図２に示すように、正極外部端子４及び負極外部端子５は、ケース２の前壁８に設けられる。前壁８に対向する後壁９には、ケース２の内圧が所定の圧力以上となった場合に開口する破裂弁（Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｖａｌｖｅ）１１が設けられている。

ケース２の材質としては、例えばアルミニウムやアルミニウム合金、ステンレス等の金属を用いることができる。

ケース２は、底壁６、天壁７、後壁９及び一対の側壁１０を形成する有底筒状のケース本体と、前壁８を形成しケース本体の開口を封止する蓋板とを有する。有底筒状のケース本体によって底壁６、天壁７、後壁９及び一対の側壁１０を一体に形成することで、ケース２の強度を向上することができる。また、破裂弁１１を有する後壁９が、底壁６、天壁７、及び一対の側壁１０と一体に形成されることで、後壁９の変形が抑制されるため、蓄電素子を大量生産したときの破裂弁１１が開口する圧力のばらつきが小さくなる。

前壁８の長辺の長さは、当該蓄電素子１に許容される高さ以下とされ、例えば７ｃｍ以上１１ｃｍ以下とすることができる。前壁８の短辺の長さは、積層電極体３の仕様に合わせて選択されるが、例えば１．５ｃｍ以上５ｃｍ以下とすることができる。また、底壁６の長辺の長さは、当該蓄電素子１に許容される長さ以下とされ、例えば１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下とすることができる。

前壁８の厚さは、材質や寸法にもよるが、例えば０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。後壁９の厚さは、例えば０．５ｍｍ以上１．８ｍｍ以下とすることができる。底壁６、天壁７、及び一対の側壁１０の厚さは、例えば０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることができる。このように、ケース２は、四角筒状に一体に形成することができる底壁６、天壁７、及び一対の側壁１０の厚さよりも前壁８及び後壁９の厚さを大きくすることが好ましい。また、底壁６、天壁７、及び一対の側壁１０と一体に形成することができる後壁９の厚さよりも最後に接合される前壁８の厚さを大きくすることが好ましい。

後壁９に設けられる破裂弁１１は、板厚を部分的に減じて形成される溝を有し、内圧上昇時にこの溝に沿って破断して、フラップ状（舌片状）の部分を形成し、このフラップ状の部分を外側に跳ね上げることで後壁９に開口を形成する。

破裂弁１１は、後壁９を構成する材料に溝を設けることによって形成してもよく、後壁９に形成した開口に予め別の部材に溝を形成した破裂弁１１を溶接してもよい。破裂弁９は、蓄電素子１の内圧上昇時に速やかに内圧を下げることができるよう、開口面積が大きいことが好ましい。正極外部端子４及び負極外部端子５が設けられる前壁８とは反対側の後壁９に破裂弁９を設けることで、外部端子が破裂弁９に干渉しないため、破裂弁９の大きさ、形状、配置位置について設計自由度が高い。好ましくは、破裂弁９の開口面積は、後壁９の外形（輪郭）の面積の、４％以上１８％以下であり、より好ましくは、１０％以上１６％以下である。

図２及び図３に示すように、積層電極体３は、積層された方形板状の複数の正極板１２、負極板１３及びセパレータ１４、並びに正極板１２及び負極板１３から前壁８に向けて延びる正極タブ１５及び負極タブ１６を有する。より詳しくは、積層電極体３は複数の正極板１２及び負極板１３がセパレータ１４を介して交互に積層されて概略直方体形状に形成される本体と、この本体から延びる正極タブ１５及び負極タブ１６とを有する。積層される正極板１２の枚数は、当該蓄電素子を高容量化するために、例えば４０枚以上６０枚以下とすることができる。負極板１３の枚数も同様である。

積層電極体３は、直方体形状を有し、ケース２の底壁６、天壁７、前壁８、及び後壁９のそれぞれの内面に対向する、略平面状の底面、天面、前面及び後面を有する。積層電極体３の前面から、正極タブ１５及び負極タブ１６が、ケース２の前壁８に向けて延びている。積層電極体３の底面、天面、及び後面は、絶縁シート（図示せず）を介してケース２の底壁６、天壁７、及び後壁９のそれぞれの内面に接している。絶縁シートが樹脂フィルムの場合、その厚みは、好ましくは０．５ｍｍ以下であり、より好ましくは０．１５ｍｍ以下である。

正極板１２は、導電性を有する箔状乃至シート状の正極集電体と、この正極集電体の両面に積層される正極活物質層とを有する。

正極板１２の正極集電体の材質としては、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル等の金属又はそれらの合金が用いられる。これらの中でも、導電性の高さとコストとのバランスからアルミニウム、アルミニウム合金、銅及び銅合金が好ましく、アルミニウム及びアルミニウム合金がより好ましい。また、正極集電体の形状としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、正極集電体としてはアルミニウム箔が好ましい。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金としては、ＪＩＳ−Ｈ４０００（２０１４）に規定されるＡ１０８５Ｐ、Ａ３００３Ｐ等が例示できる。

正極板１２の正極活物質層は、正極活物質を含むいわゆる合材から形成される多孔性の層である。また、正極活物質層を形成する合材は、必要に応じて導電剤、結着剤（バインダ）、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。

前記正極活物質としては、例えばＬｉ_ｘＭＯ_ｙ（Ｍは少なくとも一種の遷移金属を表す）で表される複合酸化物（Ｌｉ_ｘＣｏＯ_２、Ｌｉ_ｘＮｉＯ_２、Ｌｉ_ｘＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_ｘＭｎＯ_３、Ｌｉ_ｘＮｉ_αＣｏ_{（１−α）}Ｏ_２、Ｌｉ_ｘＮｉ_αＭｎ_βＣｏ_{（１−α−β）}Ｏ_２、Ｌｉ_ｘＮｉ_αＭｎ_{（２−α）}Ｏ_４等）、Ｌｉ_ｗＭｅ_ｘ（ＸＯ_ｙ）_ｚ（Ｍｅは少なくとも一種の遷移金属を表し、Ｘは例えばＰ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖ等を表す）で表されるポリアニオン化合物（ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４、ＬｉＮｉＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４、Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、Ｌｉ_２ＭｎＳｉＯ_４、Ｌｉ_２ＣｏＰＯ_４Ｆ等）が挙げられる。これらの化合物中の元素又はポリアニオンは他の元素又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。正極活物質層においては、これら化合物の一種を単独で用いてもよく、二種以上を混合して用いてもよい。また、正極活物質の結晶構造は、層状構造又はスピネル構造であることが好ましい。

負極板１３は、導電性を有する箔状乃至シート状の負極集電体と、この負極集電体の両面に積層される多孔性の負極活物質層とを有する。

負極板１３の負極集電体の材質としては、銅又は銅合金が好ましい。また、負極集電体の形状としては、箔が好ましい。つまり、負極板１３の負極集電体としては銅箔が好ましい。負極集電体として用いられる銅箔としては、例えば圧延銅箔、電解銅箔等が例示される。

負極活物質層は、負極活物質を含むいわゆる合材から形成される多孔性の層である。また、負極活物質層を形成する合材は、必要に応じて導電剤、結着剤（バインダ）、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。

負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材質が好適に用いられる。具体的な負極活物質としては、例えばリチウム、リチウム合金等の金属；金属酸化物；ポリリン酸化合物；黒鉛、非晶質炭素（易黒鉛化炭素又は難黒鉛化性炭素）等の炭素材料などが挙げられる。

前記負極活物質の中でも、正極板１２と負極板１３との単位対向面積当たりの放電容量を好適な範囲とする観点から、Ｓｉ、Ｓｉ酸化物、Ｓｎ、Ｓｎ酸化物又はこれらの組み合わせを用いることが好ましく、Ｓｉ酸化物を用いることが特に好ましい。なお、ＳｉとＳｎとは、酸化物にした際に、黒鉛の３倍程度の放電容量を持つことができる。

セパレータ１４は、電解液が浸潤するシート状乃至フィルム状の材料から形成される。セパレータ１４を形成する材料としては、例えば織布、不織布等を用いることもできるが、典型的には多孔性を有するシート状乃至フィルム状の樹脂が用いられる。このセパレータ１４は、正極板１２と負極板１３とを隔離すると共に、正極板１２と負極板１３との間に電解液を保持する。

このセパレータ１４の主成分としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−メチルアクリレート共重合体、エチレン−エチルアクリレート共重合体、塩素化ポリエチレン等のポリオレフィン誘導体、エチレン−プロピレン共重合体等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレートや共重合ポリエステル等のポリエステルなどを採用することができる。中でも、セパレータ１４の主成分としては、耐電解液性、耐久性及び溶着性に優れるポリエチレン及びポリプロピレンが好適に用いられる。

セパレータ１４は、両面又は片面（好ましくは正極板１２に対向する面）に耐熱層を有することが好ましい。これにより、セパレータ１４の熱による破損を防止して、正極板１２と負極板１３との短絡をより確実に防止することができる。

セパレータ１４の耐熱層は、多数の無機粒子と、この無機粒子間を接続するバインダとを含む構成とすることができる。

無機粒子の主成分としては、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄等の酸化物、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物、シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリンクレイ、カオリナイト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウムなどが挙げられる。中でも、耐熱層の無機粒子の主成分としては、アルミナ、シリカ及びチタニアが特に好ましい。

正極タブ１５及び負極タブ１６は、正極板１２及び負極板１３の正極集電体及び負極集電体を、活物質層が積層されている方形状の領域からそれぞれ帯状に突出するよう延長して形成することができる。

図２に示すように、正極タブ１５と負極タブ１６とは、積層電極体３の本体の一辺から積層方向視で互いに重ならないよう突出する。また、正極タブ１５及び負極タブ１６は、各正極板１２及び負極板１３から延び、それらの先端部付近で１つに束ねられる（図３参照）。

正極外部端子４には正極集電部材１７を介して正極タブ１５が接続され、負極外部端子５には負極集電部材１８を介して負極タブ１６が接続される。

正極外部端子４及び負極外部端子５は、前壁８の外側に配置され、外部のバスバーや配線が接続される板状の端子部と、この端子部から延び、前壁８を貫通する軸部とを有してもよい。

正極外部端子４及び負極外部端子５は、前壁８に電気的に接触せず、かつ電解液を漏出させないよう、絶縁性の外側ガスケット１９を挟んで前壁８に気密に固定される。

この正極外部端子４及び負極外部端子５の材質としては、導電性を有する材料とされる。また、正極外部端子４及び負極外部端子５は、少なくともケース２内に露出する部分の材質が正極集電体、負極集電体と同種の金属とされることが好ましい。

図２に示すように、正極集電部材１７及び負極集電部材１８は、板状に形成されて正極外部端子４及び負極外部端子５の内側の端部に取り付けられ、内側ガスケット２０を介して前壁８と略平行に延びる。この正極集電部材１７及び負極集電部材１８の正極外部端子４及び負極外部端子５への取り付けは、例えば正極集電部材１７及び負極集電部材１８を貫通する正極外部端子４及び負極外部端子５の端部を押し広げるかしめ等によって行うことができる。かしめによって、正極外部端子４及び負極外部端子５の前壁８への固定と、正極集電部材１７及び負極集電部材１８の前壁８への固定とを兼ねることができる。

正極タブ１５は、正極集電部材１７の正極外部端子４への取り付け構造を避けて、正極集電部材１７の前壁８と略平行に延びる部分に接続される。負極タブ１６は、負極集電部材１８の負極外部端子への取り付け構造を避けて、負極集電部材１８の前壁８と略平行に延びる部分に接続される。本実施形態における正極タブ１５及び負極タブ１６は、積層電極体３の、正極外部端子４及び負極外部端子５の内側端部に正対しない領域から延びている。正極タブ１５及び負極タブ１６は、先端部が前壁８と平行になるよう折り曲げられて正極集電部材１７及び負極集電部材１８に接続される。前壁８を貫通する方向に見て（前壁の法線方向視で）、積層電極体３と正極集電部材１７との間に、正極タブ１５の湾曲部が形成され、積層電極体３と負極数電部材１８との間に負極タブ１６の湾曲部が形成される。湾曲部は、屈曲部であってもよい。正極タブ１５及び負極タブ１６は、図３に示す断面図において、前壁８に略平行な第一直線部と、積層電極体３の前壁８と対向する面（前面）に略平行な第二直線部と、第一直線部と第二直線部とを繋ぐ湾曲部又は屈曲部を有してもよい。

正極集電部材１７及び負極集電部材１８に対する正極タブ１５及び負極タブ１６の接続は、例えば超音波溶接、レーザー溶接、かしめ等によって行うことができる。

正極集電部材１７は、正極集電体と同種の金属から形成されることが好ましく、負極集電部材１８は、負極集電体と同種の金属から形成されることが好ましい。

このように、正極タブ１５及び負極タブ１６を正極集電部材１７及び負極集電部材１８介して正極外部端子４及び負極外部端子５に接続することによって、正極タブ１５及び負極タブ１６を接続するための構造と、正極外部端子４及び負極外部端子５を前壁に固定するための構造とが前壁の法線方向視で重複しないようにして、積層電極体３の本体と前壁８との間隔を小さくすることができる。これにより、ケース２の中での積層電極体３の本体の容積を大きくして、当該蓄電素子１のエネルギー密度を大きくすることができる。

また、前壁８と平行に延びる正極集電部材１７及び負極集電部材１８を用いることによって、正極タブ１５及び負極タブ１６との接続面積を大きくすることが容易であり、正極外部端子４及び負極外部端子５と正極タブ１５及び負極タブ１６との間の電気抵抗を小さくすることができる。

積層電極体３と共にケース２に封入される電解液としては、蓄電素子に通常用いられる公知の電解液が使用でき、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）等の環状カーボネート、又はジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等の鎖状カーボネートを含有する溶媒に、リチウムヘキサフルオロホスフェート（ＬｉＰＦ_６）等を溶解した溶液を用いることができる。

以上の構成を有する蓄電素子１は、積層電極体３を直方体形状のケース２に収容し、正極タブ１５及び負極タブ１６を積層電極体３から前壁８に向けて同じ方向に延ばしている。正極外部端子４及び負極外部端子５が設けられる前壁８の面積が小さい。そのため、正極集電部材１７及び負極集電部材１８を含む、正極タブ１５及び負極タブ１６を正極外部端子４及び負極外部端子５に接続するための構造が、占有するスペースが比較的小さい。

本発明者は、電極体のタイプと、外部端子を設ける位置が異なる、同一サイズ（ＰＨＥＶ２サイズ）の複数の蓄電素子について、電極体の体積がケース容積に占める割合（体積占有率）を検討した。具体的には、電極体のタイプは巻回タイプ又は積層タイプとし、外部端子の位置は天壁又は前壁とした。なお、巻回タイプの電極体は、巻回の軸が外部端子を設ける壁に垂直な方向となるよう配置した。なお、電極体の体積占有率は、電極体の正極活物質が形成されている領域に基づいて算出した。この結果を次の表１にまとめて示す。

このように、本発実施形態の構成（サンプル４）が、最も体積占有率を大きくでき、蓄電素子のエネルギー密度を大きくできる。

蓄電素子１が、車両用の蓄電モジュールに適用されて蓄電モジュールの高さが制限される場合、当該蓄電素子１の容量を大きくするためには、前壁８の高さは大きくされず、底壁６、天壁７、及び一対の側壁１０の長さ（前壁８と後壁９との間隔）が大きくされる。よって、当該蓄電素子１は、その容量を大きくしても、積層電極体３の正極タブ１５及び負極タブ１６を正極外部端子４及び負極外部端子５に接続するための構造が占有するスペースが大きくならない。

このように、当該蓄電素子１は、容量を大きくするほど内部の電気的接続のための構造が占有するスペースが相対的に小さくなるので、従来の構造に比してエネルギー密度をより大きくすることができる。

当該蓄電素子１は、正極外部端子４及び負極外部端子５が設けられる前壁８と対向する後壁９に破裂弁１１を設けるため、正極外部端子４及び負極外部端子５が破裂弁１１に干渉しない。このため、当該蓄電素子１は、破裂弁１１の開口面積を大きくすることができる。この結果、当該蓄電素子１は、通常予見される使用形態ではない特異な状況においてケース２の内圧が所定の圧力に達したときに確実且つ迅速に破裂弁１１が開口し、速やかに内圧を下げることができるので、エネルギー密度を大きくしても安全性を保つことができる。

図４に、本発明の別の態様に係る蓄電モジュールを示す。

当該蓄電モジュールは、複数の前記蓄電素子１と、この複数の蓄電素子１を側壁１０同士が対向するよう並べて保持するフレーム２１と、複数の蓄電素子１の底壁６に当接する冷却板２２とを備える。当該蓄電モジュールは、複数の蓄電素子１を電気的に直列に接続するよう、正極外部端子４及び負極外部端子５に取り付けられる複数のバスバー２３をさらに備える。

当該蓄電モジュールは、正極外部端子４及び負極外部端子５が面積が小さい前壁８に設けられた複数の蓄電素子１を備えるため、この複数の蓄電素子１間を電気的に接続するためのバスバー２３が占有するスペースも小さくなる。このため、当該蓄電モジュールは、相対的に蓄電素子１の積層電極体３の本体の容積を大きくすることができ、エネルギー密度を大きくすることができる。

当該蓄電モジュールはフレーム２１によって、複数の蓄電素子１を、最も面積が大きい側壁１０同士を対向させるよう並べて保持するため、正極外部端子４及び負極外部端子５を設けた前壁８が、それぞれの蓄電素子１の短手方向に並んで配置される。このため、当該蓄電モジュールは、複数の蓄電素子１間を電気的に接続するバスバー２３を小さくできる。

冷却板２２は、蓄電素子１が載置される載置面を有し、蓄電素子１の底壁６に当接して底壁６から蓄電素子１の熱を奪う。冷却板２は、内部に冷媒が通る流路を備えてもよい。冷却部材は、図４に示す冷却板２２には限定されない。冷却部材は、水冷タイプのものでもよいし、空冷タイプのものでもよい。冷却効果を高める視点からは、水冷タイプ（内部に液体冷媒が通るタイプ）の冷却部材が好ましい。冷却部材は、蓄電素子１の設置面として機能してもよい。冷却部材（設置面）は、図４に示すように重力方向に対して略直交する方向に（略水平方向に）延びてもよいが、これに限定はされない。例えば、冷却部材（設置面）は、重力方向に対して略平行に延びてもよい。

当該蓄電モジュールは、側壁に次いで面積が大きい底壁６に当接する冷却板２２を備えるため、蓄電素子１を効率よく冷却することができるので、発熱を伴う、蓄電素子１に対する比較的大きい入出力（ハイレート充放電）を許容することができる。

図５に、本発明の他の実施形態に係る蓄電素子１ａを示す。当該蓄電素子１ａは、直方体形状のケース２ａと、このケース２ａ内に収容される積層電極体３と、ケース２ａに設けられる負極外部端子５とを備える。ケース２ａ内には、積層電極体３と共に電解液が封入される。

図５の蓄電素子１ａにおける積層電極体３、負極外部端子５及び電解液は、図１の蓄電素子１における積層電極体３、負極外部端子５及び電解液と同様であってもよい。

ケース２ａは、対向して配設される寸法が略等しい長方形状の底壁６及び天壁７を有する。ケース２ａはさらに、底壁６及び天壁７の短辺間を接続し、天壁７より面積が小さい長方形状の前壁８ａ及び後壁９と、底壁６及び天壁７の長辺間を接続し、天壁７より面積が大きい長方形状の一対の側壁１０とを有する。

負極外部端子５は、ケース２ａの前壁８ａに設けられる。前壁８ａに対向する後壁９には、ケース２ａの内圧が所定の圧力以上となった場合に開口する破裂弁１１が設けられている。

図５の蓄電素子１ａにおけるケース２ａの底壁６、天壁７、後壁９（破裂弁１１を含む）及び一対の側壁１０の構成は、図１の蓄電素子１におけるケース２の底壁６、天壁７、後壁９及び一対の側壁１０の構成と同様であってもよい。

当該蓄電素子１ａでは、積層電極体３の正極タブ１５は、ケース２ａの前壁８ａの内面に接続されている。一方、積層電極体３の負極タブ１６は、負極集電部材１８を介して負極外部端子５に接続されている。

図５の蓄電素子１ａにおける負極外部端子５及び負極集電部材１８の構成（前壁８ａに対する固定構造及び負極タブ１６との接続を含む）は、図１の蓄電素子１における負極外部端子５及び負極集電部材１８の構成と同様であってもよい。

本実施形態に係る蓄電素子１ａは、ケース２ａ（主に前壁８ａ）が正極外部端子として使用される。

図５の蓄電素子１ａは、底壁６から立ち上がる面積が小さい前壁８ａに積層電極体３の正極タブ１５が直接接続され、前壁８ａそのものが正極外部端子として機能する。通常予見される使用形態ではない特異な状況（例えば、蓄電素子が搭載された車両のクラッシュ時）において蓄電素子を急速放電するために、蓄電素子１ａの外部に放電機構（外部短絡機構）を設けることが検討されている。本実施形態によれば、前壁８ａそのものが正極外部端子として機能するため、放電機構を設置するための設計自由度が高い。

図６に、本発明のさらに他の実施形態に係る蓄電素子１ｂを示す。当該蓄電素子１ｂは、直方体形状のケース２と、このケース２内に収容される積層電極体３ｂと、ケース２に設けられる正極外部端子及び負極外部端子（不図示）と、ケース２の底壁６の外面に積層される放熱部材２４とを備える。

図６の蓄電素子１ｂにおけるケース２、正極外部端子及び負極外部端子の構成は、図１の蓄電素子１におけるケース２、正極外部端子４及び負極外部端子５の構成と同様とすることができる。このため、図６の蓄電素子１ｂについて、図１の蓄電素子１と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

ケース２に収容された積層電極体３ｂは、積層された方形板状の複数の正極板１２、負極板１３及びセパレータ１４ｂ、並びに図７に示すように正極板１２及び負極板１３から前壁に向けて延びる正極タブ１５及び負極タブ１６を有する。図６の蓄電素子１ｂにおける正極板１２、負極板１３、正極タブ１５及び負極タブ１６の形状は、図１の蓄電素子１における正極板１２、負極板１３、正極タブ１５及び負極タブ１６と同様とすることができる。

この積層電極体３ｂにおけるセパレータ１４ｂは、正極板１２を挟んで対向し合う複数の対を形成し、各対の外縁部（外縁近傍）に溶着部（第１溶着部Ａ１及び第２溶着部Ａ２）が設けられることによって互いに接続され、正極板１２を収容するセパレータ袋２５を形成している。つまり、積層電極体３ｂは、正極板１２をセパレータ袋２５の中に収容した袋詰正極板と、負極板１３とを交互に積層したものである。なお、セパレータ袋２５を形成する２枚のセパレータ１４ｂは、１枚のシートを２つ折りにしたものであってもよい。この場合、シートの折目が、正極タブ１５及び負極タブ１６と反対側（ケース２の後壁近傍）に配置されることが好ましい。

この積層電極体３ｂにおけるセパレータ１４ｂは、シート状の樹脂層２６と、この樹脂層２６に積層される耐熱層２７とを有する。各セパレータ１４ｂは、耐熱層２７が正極板１２に対向するよう配置される。つまり、セパレータ袋２５を形成する２枚のセパレータ１４ｂは、耐熱層２７同士が対向するよう配置される。セパレータ１４ｂの平面形状は、正極板１２を覆い隠すことができればよいが、典型的には方形状とされる。

溶着部Ａ１，Ａ２は、正極板１２を挟んで対向し合う２枚のセパレータ１４ｂをその外縁部（外縁近傍）の溶着領域で互いに溶着することにより形成される。この溶着部Ａ１，Ａ２では、耐熱層２７が破壊されて樹脂層２６同士が溶着している。溶着部Ａ１，Ａ２は、少なくとも正極板１２の正極タブ１６が延びる辺を除く外縁に沿って、連続的又は間欠的に形成されることが好ましい。より具体的には、セパレータ１４ｂの外縁の中で、ケース２の底壁６及び天壁に近接する外縁部には、線状に連続的に延在する第１溶着部Ａ１が形成され、ケース２の前壁及び後壁に近接する外縁部には、間隔を空けて断続的に配置される複数の第２溶着部Ａ２が形成されることが好ましい。

セパレータ袋２５は、溶着部Ａ１，Ａ２が正極板１２の周囲に形成されることによって、正極板１２を２枚のセパレータ１４の間の所定位置に正確に保持する。これにより、ガイド等を用いてセパレータ５の外縁を負極板１３の外縁に位置合わせすることで、正極板１２を負極板１３の投影領域内に確実に保持することができる。２枚のセパレータ１４が溶着された溶着部Ａ１，Ａ２は、溶着されずに重ね合わされた２枚のセパレータ１５よりも剛性が大きくなるので、溶着部Ａ２をケース底壁６の内面に直接的又は間接的に当接させることにより、袋詰正極板を比較的容易かつ正確にケース２内に位置決めすることができる。また、セパレータ袋２５は、断続的に形成される第２溶着部Ａ２を有していることによって、この第２溶着部Ａ２の間の非溶着部からセパレータ袋２５の内部に電解液を供給することができる。

放熱部材２４は、ケース２の底壁６から載置面（例えば図５の蓄電モジュールの冷却板２２等）への放熱を促進できるものであればよく、例えば柔軟な樹脂、高分子ゲル等から形成され、蓄電素子１ｂと載置面との接触面積を増大することができる伝熱シート等を用いることができる。

［その他の実施形態］
前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

図２に示す蓄電素子１の後壁９や、図５に示す蓄電素子１ａの後壁９に、図６に示す放熱部材２４が設けられてもよい。

セパレータの固化部は、２枚以上のセパレータが溶融固化又は接着固化したものであってもよい。

セパレータが、耐熱層に代えて対酸化層を有する場合、セパレータ同士の接合が容易になる。

集電部材を介してタブを外部端子に接続される構成に限定されず、積層電極体の正極タブ及び負極タブを正極外部端子及び負極外部端子に直接接続してもよい。

ケースは、有底筒状のケース本体と蓋体とによって構成されるものに限定されない。例として、本発明に係る蓄電素子のケースは、底壁、天壁及び一対の側壁を形成する筒状体と、この筒状体の両端の開口を封止して前壁及び底壁をそれぞれ形成する一対の蓋体とを有するものであってもよい。

破裂弁は、例えば、前壁の正極外部端子と負極外部端子との間など、後壁以外の壁に設けられていてもよい。

蓄電素子は、前壁の底壁に近い領域に正極外部端子が設けられ、前壁の天壁に近い領域に負極外部端子が設けられてもよい。

蓄電モジュールは、前壁の天壁に近い領域に正極外部端子が設けられた蓄電素子と、前壁の底壁に近い領域に正極外部端子が設けられた蓄電素子とを交互に配置するものであってもよい。

本発明に係る蓄電素子及び蓄電モジュールは、車両用の動力源として特に好適に利用することができる。

１，１ａ，１ｂ 蓄電素子
２，２ａ ケース
３，３ｂ 積層電極体
４ 正極外部端子
５ 負極外部端子
６ 底壁
７ 天壁
８，８ａ 前壁
９ 後壁
１０ 側壁
１１ 破裂弁
１２ 正極板
１３ 負極板
１４，１４ｂ セパレータ
１５ 正極タブ
１６ 負極タブ
１７ 正極集電部材
１８ 負極集電部材
１９ 外側ガスケット
２０ 内側ガスケット
２１ フレーム（保持部材）
２２ 冷却板（冷却部材）
２３ バスバー
２４ 放熱部材
２５ セパレータ袋
２６ 樹脂層
２７ 耐熱層

Claims (10)

1. 底壁及び天壁と、それぞれ前記天壁より面積が小さい前壁及び後壁と、それぞれ前記天壁より面積が大きい一対の側壁とを有する、直方体形状のケースと、
   前記ケース内に収容され、セパレータを介して積層された板状の複数の正極板及び負極板、並びに前記正極板及び前記負極板から前記前壁に向けて延びる正極タブ及び負極タブを有する積層電極体と、
   前記前壁に設けられ、前記正極タブ又は前記負極タブと電気的に接続される外部端子と、を備え、
   前記底壁が設置面に設置され、前記前壁が前記底壁から立ち上がる蓄電素子。
2. 前記ケースの前記後壁に、破裂弁が設けられる請求項１に記載の蓄電素子。
3. 前記ケースが、前記底壁、天壁、後壁及び一対の側壁を形成するケース本体と、前記前壁を形成し前記ケース本体の開口を封止する蓋板とを有する請求項２に記載の蓄電素子。
4. 前記外部端子が、前記前壁と略平行に延びる板状の集電部材を介して前記正極タブ又は前記負極タブと接続される請求項１、請求項２又は請求項３に記載の蓄電素子。
5. 前記積層電極体は直方体形状を有し、前記ケースの底壁、天壁、前壁及び後壁のそれぞれの内面に対向する、略平面状の底面、天面、前面及び後面を有し、前記前面から延びる前記正極タブ及び前記負極タブが前記前面と前記前壁との間で湾曲又は屈曲している、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蓄電素子。
6. 前記積層電極体の底面、天面及び後面は、絶縁シートを介して前記ケースの底壁、天壁及び後壁のそれぞれの内面に接している、請求項５に記載の蓄電素子。
7. 前記複数の正極板は、前記セパレータから形成されるセパレータ袋にそれぞれ収容され、前記セパレータ袋は、前記底壁に近接する外縁部に固化部を有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の蓄電素子。
8. 前記セパレータは、前記正極板に対向する面に耐熱層又は対酸化層を有する、請求項７に記載の蓄電素子。
9. 前記前壁より面積が大きい前記底壁に当接する放熱部材をさらに備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の蓄電素子。
10. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の複数の蓄電素子と、
    前記複数の蓄電素子を前記側壁同士が対向するよう並べて保持する保持部材と、
    前記複数の蓄電素子の、前記前壁より面積が大きい前記底壁に当接する冷却部材と
    を備える蓄電モジュール。

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