JP2019139955A - 二次電池および組電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】拘束されて用いられる二次電池において、捲回電極体の下端と、絶縁フィルムとの間に過度のスペースを設けることなく、捲回電極体の膨張によって絶縁フィルムに生じる引張応力を緩和する。【解決手段】ここに開示される二次電池は、扁平な捲回電極体、捲回電極体を収容する電池ケース、および捲回電極体と電池ケースとを絶縁する絶縁フィルムを備える。二次電池は、拘束して用いられるものである。捲回電極体は、電池ケースの上面に対向する第１のＲ部と、電池ケースの底面に対向する第２のＲ部と、第１のＲ部および第２のＲ部とに挟まれた扁平部と、を有する。絶縁フィルムは、捲回電極体の扁平部の扁平面と前記電池ケースとの間と捲回電極体の第２のＲ部の曲面と電池ケースとの間に配置されている。絶縁フィルムは、第２のＲ部の曲面と対向する部分に１本の溝を有する。１本の溝は、捲回電極体の２つの扁平面を延長した２つの面の間に位置している。【選択図】図７

Description

本発明は、二次電池に関する。詳しくは、本発明は、拘束して用いられる二次電池に関する。本発明はまた、組電池に関する。
近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、典型的には、正極と負極とを備える電極体が、電池ケースに収容された構成を有する。当該電極体と当該電池ケースとを絶縁するために、これらの間に絶縁フィルムを配置することが知られている（例えば、特許文献１〜４等参照）。絶縁フィルムを配置する際に、当該電極体は、袋状の絶縁フィルムで包まれた後、電池ケース内に挿入される。
ここで、特許文献３および４に記載のように、袋状の絶縁フィルムが角型であると、挿入操作を行う際に絶縁フィルムが電池ケースの上端部に衝突しやすい。また、電池ケースの底の角部が丸みを帯びていることが多く、挿入操作を行う際に、角型の袋状の絶縁フィルムの角部が、電池ケースの底の丸みを帯びた角部に衝突する。この衝突を避けるためには、絶縁フィルムと電池ケースの底との距離を離す必要があり、これはデッドスペースの発生を招く。そこで、電極体が捲回電極体である場合には、このような問題を解決するために、特許文献１および２に記載のように、当該袋状の絶縁フィルムの底部の形状が捲回電極体の下端のＲ部の形状に適合するように、当該袋状の絶縁フィルムの底部に丸みをもたせることが知られている。
特開２０１６−９１７８７号公報 特開２０１７−１４７１１６号公報 特開２０１６−２１９１４３号公報 特開２０１１−３３１８２８号公報
二次電池が車両駆動用電源等の用途に用いられる場合には、二次電池は、複数の二次電池を所定方向に配列して拘束した組電池の形態で用いられる。組電池においては、複数の二次電池は、配列方向に荷重が印加されるように拘束される。よって、電池ケースの側面から拘束荷重が印加されるため、絶縁フィルムは、捲回電極体の扁平部と電池ケースとにより挟持され、これにより、絶縁フィルムの、捲回電極体の扁平部と接する部分が固定される。
一方で、捲回電極体は、充放電、熱負荷等によって膨張および収縮する。組電池では、捲回電極体に拘束荷重が印加されているため、捲回電極体の膨張は主に、荷重の印加方向である捲回電極体の厚さ方向に対して、垂直な方向において起こる。従って、捲回電極体の下端のＲ部が突き出るような膨張が起こる。捲回電極体の下端のＲ部が突き出るように膨張した際には、絶縁フィルムの底部に引張応力がかかる。絶縁フィルムは、伸長および収縮し得るものであるため、引張応力を緩和することができる。しかしながら、組電池においては、上述のように絶縁フィルムの捲回電極体の扁平部と接する部分が固定されているために、絶縁フィルムの伸長可能な領域が小さく、引張応力を緩和しにくい。よって、捲回電極体が膨張と収縮を繰り返した際には、絶縁フィルムの底部に引張応力が繰り返しかかり、これにより、絶縁フィルムの劣化が促進されるという問題がある。
一方で、絶縁フィルムに引張応力がかからないように、捲回電極体の下端と、絶縁フィルムの底部とを離し、これらの間にスペースを設けることが考えられる。しかしながら、このスペースは、デッドスペースとなり、電池容量の低下の原因となる。また、このスペースにより、捲回電極体から排出された電解液が、捲回電極体に戻り難くなるおそれがある。
このように二次電池が組電池等として拘束されて用いられる場合には、特有の課題が生じる。
そこで本発明は、拘束されて用いられる二次電池において、捲回電極体の下端と、絶縁フィルムとの間に過度のスペースを設けることなく、捲回電極体の膨張によって絶縁フィルムに生じる引張応力を緩和することを目的とする。
ここに開示される二次電池は、扁平な捲回電極体、前記捲回電極体を収容する電池ケース、および前記捲回電極体と前記電池ケースとを絶縁する絶縁フィルムを備える。前記二次電池は、拘束して用いられるものである。前記捲回電極体は、前記電池ケースの上面に対向する第１のＲ部と、前記電池ケースの底面に対向する第２のＲ部と、前記第１のＲ部および前記第２のＲ部とに挟まれた扁平部と、を有する。前記絶縁フィルムは、少なくとも、前記捲回電極体の扁平部の扁平面と前記電池ケースとの間および前記捲回電極体の第２のＲ部の曲面と前記電池ケースとの間に配置されている。前記絶縁フィルムは、前記第２のＲ部の曲面と対向する部分に少なくとも１本の溝を有する。前記少なくとも１本の溝は、前記捲回電極体の２つの扁平面を延長した２つの面の間に位置している。
このような構成によれば、絶縁フィルムが溝に沿って折れ曲がり、絶縁フィルムの、捲回電極体の下端のＲ部の曲面と対向する部分において、絶縁フィルムの長さが捲回電極体の下端のＲ部の周長よりも長くなる。そのため、捲回電極体の下端のＲ部が突き出るような膨張が起こった際に、その長さ分だけ膨張を吸収することができ、その結果、引張応力を緩和することができる。加えて、溝が捲回電極体の２つの扁平面を延長した２つの面の間に位置していることにより、絶縁フィルムの下部の形状を、捲回電極体の下端のＲ部の形状に近い形状とすることができる。このため、捲回電極体の下端と絶縁フィルムとの間に過度のスペースが生じることを防ぐことができる。すなわち、このような構成によれば、拘束されて用いられる二次電池において、捲回電極体の下端と絶縁フィルムとの間に過度のスペースを設けることなく、捲回電極体の膨張によって絶縁フィルムに生じる引張応力を緩和することができる。
ここに開示される二次電池の好ましい一態様においては、前記絶縁フィルムは、前記第２のＲ部の曲面と対向する部分であって、前記捲回電極体の２つの扁平面を延長した２つの面の間に２本または３本の溝を有する。
このような構成によれば、生産面とデッドスペース発生の抑制面においてバランスよく優れる。
ここに開示される二次電池の好ましい一態様においては、前記絶縁フィルムは、前記溝を、前記電池ケースと対向する面に有する。
このような構成によれば、絶縁フィルムの成形性に優れる。
ここに開示される組電池は、上記の二次電池を複数有する組電池である。当該組電池においては、前記複数の二次電池は、所定方向に配列され、前記複数の二次電池は、配列方向に荷重が印加されるように拘束されている。
このような構成によれば、組電池を構成する二次電池において、捲回電極体の下端と絶縁フィルムとの間に過度のスペースを設けることなく、捲回電極体の膨張によって絶縁フィルムに生じる引張応力を緩和することができる。
本発明の一実施形態に係る二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池の構成を模式的に示す分解斜視図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面構造を模式的に示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池が備える捲回電極体の構成を示す模式図である。 （Ａ）は、本発明の一実施形態で用いられる絶縁フィルムの部分展開図であり、（Ｂ）は。図３中のＶ−Ｖ線に沿う断面構造を模式的に示す縦断面図であり、（Ｃ）は、図５（Ｂ）の枠線内の拡大図である。 拘束して用いられている従来のリチウムイオン二次電池の底部の模式断面図である。 拘束して用いられている本発明の一実施形態に係る二次電池リチウムイオン二次電池の底部の模式断面図である。 水準Ａおよび水準Ｂのダミー電池についての検討結果を示すグラフである。 （Ａ）は、本発明の一実施形態の第１の変形例で用いられる絶縁フィルムの部分展開図であり、（Ｂ）は、第１の変形例の電池の断面構造を模式的に示す縦断面図であり、（Ｃ）は、図９（Ｂ）の枠線内の拡大図である。 （Ａ）は、本発明の一実施形態の第２の変形例で用いられる絶縁フィルムの部分展開図であり、（Ｂ）は。第２の変形例の電池の断面構造に示す縦断面図であり、（Ｃ）は、図１０（Ｂ）の枠線内の拡大図である。 本発明の一実施形態で用いられる絶縁フィルムの溝の折れ曲がり状態について説明する模式図である。 本発明の一実施形態で用いられる絶縁フィルムの溝の折れ曲がり状態について説明する模式図である。 （Ａ）〜（Ｅ）本発明の一実施形態で用いられる絶縁フィルムに設けられる溝の種々の形態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池を用いて構成される組電池の構成を示す斜視図である。
以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない二次電池および組電池の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池等のいわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。以下、扁平角型のリチウムイオン二次電池を例にして、本発明について詳細に説明する。なお、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。
図１は、一実施形態に係る非水電解液二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。図２は、一実施形態に係る非水電解液二次電池の構成を模式的に示す分解斜視図である。図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面構造を模式的に示す縦断面図である。図４は一実施形態に係る捲回電極体の構成を示す模式図である。
図１〜図３に示すリチウムイオン二次電池１００は、扁平な捲回電極体２０、非水電解液（図示せず）、捲回電極体２０を収容する電池ケース３０、および捲回電極体２０と電池ケース３０とを絶縁する絶縁フィルム１０を備える密閉型電池である。
図１〜図３に示されるように、電池ケース３０は、ケース本体３２と、蓋体３４とを備えている。ケース本体３２は、上面に開口部を有する有底直方体形状を有する。蓋体３４は、当該ケース本体３２の開口部を塞ぐ部材である。ケース本体３２は、その内部空間に捲回電極体２０を収容可能な寸法を有し、ケース本体３２は、図２に示すように、ケース本体３２の開口部を介して捲回電極体２０および絶縁フィルム１０を収容することができる。ケース本体３２は、図１〜図３に示すように、ケース内に収容される捲回電極体２０の扁平面（扁平部）に対向する一対の幅広面３７と、幅広面３７に隣接する一対の幅狭面３８と、底面３９とから構成されている。蓋体３４は、電池ケース３０の上面を構成している。電池ケース３０の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。なお、「上面」および「底面」との用語は、リチウムイオン二次電池１００の通常の使用状態においてのものである。
電池ケース３０には、図１〜図３に示すように、外部接続用の正極端子４２および外部接続用の負極端子４４が取り付けられている。電池ケース３０には、電池ケース３０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁３６が設けられている。電池ケース３０には、非水電解質を注入するための注入口（図示せず）が設けられている。正極端子４２は、正極集電板４２ａと電気的に接続されている。負極端子４４は、負極集電板４４ａと電気的に接続されている。
捲回電極体２０は、図２〜図４に示すように、長尺状の正極集電体５２の片面または両面（ここでは両面）に長手方向に沿って正極活物質層５４が形成された正極シート５０と、長尺状の負極集電体６２の片面または両面（ここでは両面）に長手方向に沿って負極活物質層６４が形成された負極シート６０とが、２枚の長尺状のセパレータシート７０を介して重ね合わされて長手方向に捲回された形態を有する。なお、捲回電極体２０の捲回軸方向（即ち、上記長手方向に直交するシート幅方向）の両端から外方にはみ出すように形成された正極活物質層非形成部分５２ａ（即ち、正極活物質層５４が形成されずに正極集電体５２が露出した部分）と負極活物質層非形成部分６２ａ（即ち、負極活物質層６４が形成されずに負極集電体６２が露出した部分）には、それぞれ正極集電板４２ａおよび負極集電板４４ａが接合されている。
正極シート５０および負極シート６０には、従来のリチウムイオン二次電池に用いられているものと同様のものを特に制限なく使用することができる。典型的な一態様を以下に示す。
正極シート５０を構成する正極集電体５２としては、例えばアルミニウム箔等が挙げられる。正極活物質層５４に含まれる正極活物質としては、例えばリチウム遷移金属酸化物（例、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４等）、リチウム遷移金属リン酸化合物（例、ＬｉＦｅＰＯ４等）等が挙げられる。正極活物質層５４は、活物質以外の成分、例えば導電材やバインダ等を含み得る。導電材としては、例えばアセチレンブラック（ＡＢ）等のカーボンブラックやその他（例、グラファイト等）の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を使用し得る。
負極シート６０を構成する負極集電体６２としては、例えば銅箔等が挙げられる。負極活物質層６４に含まれる負極活物質としては、例えば黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料を使用し得る。負極活物質層６４は、活物質以外の成分、例えばバインダや増粘剤等を含み得る。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等を使用し得る。
セパレータ７０としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から成る多孔性シート（フィルム）が挙げられる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造（例えば、ＰＥ層の両面にＰＰ層が積層された三層構造）であってもよい。セパレータ７０は、耐熱層（ＨＲＬ）を備えていてもよい。
非水電解液は従来のリチウムイオン二次電池と同様のものを使用可能であり、典型的には有機溶媒（非水溶媒）中に、支持塩を含有させたものを用いることができる。非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。具体例として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、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）、モノフルオロエチレンカーボネート（ＭＦＥＣ）、ジフルオロエチレンカーボネート（ＤＦＥＣ）、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート（Ｆ−ＤＭＣ）、トリフルオロジメチルカーボネート（ＴＦＤＭＣ）等が例示される。このような非水溶媒は、１種を単独で、あるいは２種以上を適宜組み合わせて用いることができる。支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４等のリチウム塩（好ましくはＬｉＰＦ６）を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、０．７ｍｏｌ／Ｌ以上１．３ｍｏｌ／Ｌ以下が好ましい。
なお、上記非水電解液は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、例えば、ビフェニル（ＢＰ）、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）等のガス発生剤；ホウ素原子および／またはリン原子を含むオキサラト錯体化合物、ビニレンカーボナート（ＶＣ）等の被膜形成剤；分散剤；増粘剤等の各種添加剤を含み得る。
次に、本実施形態に用いられる絶縁フィルム１０について詳細に説明する。図５（Ａ）は、本実施形態で用いられる絶縁フィルムの部分展開図である。図５（Ｂ）は、図１中のＶ−Ｖ線に沿う断面構造を模式的に示す縦断面図である。図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）の枠線内の拡大図である。
図５（Ｂ）に示されるように、絶縁フィルム１０は、捲回電極体２０と電池ケース３０との間に配置されており、捲回電極体２０と電池ケース３０とを絶縁している。
絶縁フィルム１０の材質は、絶縁部材として機能し得る限り特に制限はない。その例としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの樹脂材料が挙げられる。絶縁フィルム１０は、単層構造であっても多層構造であってもよい。
絶縁フィルム１０の平均厚みは、リチウムイオン二次電池１００の構成に応じて適宜設定すればよい。絶縁フィルム１０の平均厚みが小さいと、電池ケース３０内において絶縁フィルム１０が占めるスペースを最小限に抑えることができるため、電池容量の面で有利である。一方、絶縁フィルム１０の平均厚みが小さすぎると、絶縁フィルム１０の耐久性が低下するおそれがある。そこで、絶縁フィルム１０の平均厚みは、好ましくは２０μｍ以上２００μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以上１００μｍ以下である。
捲回電極体２０は、図５（Ｂ）に示されるように、電池ケース３０の上面（言い換えると、蓋体３４）に対向する第１のＲ部２２と、電池ケース３０の底面３９に対向する第２のＲ部２４と、前記第１のＲ部２２および前記第２のＲ部２４とに挟まれた扁平部２６と、を有している。第１のＲ部２２および第２のＲ部２４はそれぞれ、捲回電極体２０の曲面（言い換えると、湾曲した外表面）を有する部分である。扁平部２６は、捲回電極体２０の２つの扁平面（言い換えると、扁平な主表面）を有する部分である。図５（Ｂ）では、絶縁フィルム１０が、捲回電極体２０の扁平部２６と電池ケース３０との間、および捲回電極体２０の第２のＲ部２４と電池ケース３０との間に配置されている状態が示されている。
絶縁フィルム１０は、図２、３および５（Ｂ）に示すように、上端に開口部を有する有底の袋状である。絶縁フィルム１０は、捲回電極体２０を囲むように、内部に捲回電極体２０を収容し得る。なお、絶縁フィルム１０は、少なくとも捲回電極体２０の扁平部２６の扁平面と電池ケース３０との間および捲回電極体２０の第２のＲ部２４の曲面と電池ケース３０との間に配置されている限り、その形状には特に制限はない。したがって、絶縁フィルム１０は、袋状でなくてもよい。例えば、絶縁フィルム１０はシート状であり、当該シート状の絶縁フィルム１０が、捲回電極体２０の扁平部２６の扁平面と電池ケース３０との間および捲回電極体２０の第２のＲ部２４の曲面と電池ケース３０との間に配置されている形態にあってもよい。
図５（Ａ）は、絶縁フィルム１０の、電池ケース３０の幅広面３７に対向する部分と、電池ケース３０の底面３９に対向する部分を展開した図である。図５（Ｂ）では、絶縁フィルム１０のこれらの部分の断面が示されている。図５（Ａ）に示されるように、絶縁フィルム１０は、２本の溝１２を有している。図５（Ｃ）に示されるように、この２本の溝１２は、絶縁フィルム１０の、捲回電極体２０の第２のＲ部２４の曲面と対向している部分に設けられている。ここで、捲回電極体２０の扁平面の一方を延長した面を面Ｐ１、捲回電極体２０の扁平面の他方を延長した面を面Ｐ２とする。図５（Ｃ）に示されるように、この２本の溝１２は、捲回電極体２０の２つの扁平面を延長した面Ｐ１と面Ｐ２との間に位置している。
なお、本明細書において、「溝が２つの面の間に位置している」および「溝が面と面の間に位置している」との用語は、「溝が面上に位置している」場合を含まない。
上記のように溝１２を絶縁フィルム１０に設けることにより、捲回電極体２０の下端と、絶縁フィルム１０との間に過度のスペースを設けることなく、捲回電極体２０の膨張によって絶縁フィルム１０に生じる引張応力を緩和することができる。その理由は以下の通りである。
図６に、拘束して用いられている従来のリチウムイオン二次電池の底部の模式断面図を示す。図７に、拘束して用いられている本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の底部の模式断面図を示す。
図６に示すように、従来のリチウムイオン二次電池において、捲回電極体８２０が電池ケース８３０に収容されている。絶縁フィルム８１０が、捲回電極体８２０と電池ケース８３０との間に配置され、捲回電極体８２０と電池ケース８３０とを絶縁している。絶縁フィルム８１０は、捲回電極体８２０の形状に追従した形状を有している。よって、絶縁フィルム８１０の下部は、捲回電極体８２０の下端のＲ部に沿った曲線形状を有している。電池ケース８３０の一対の側面（幅広面）に、一対の拘束板８８０がそれぞれ配置されており、電池ケース８３０を挟み込むように、捲回電極体８２０の厚み方向（言い換えると、電極の積層方向）に拘束荷重が印加されている。
電池使用時には、捲回電極体８２０は、充放電、熱負荷等によって膨張および収縮する。拘束板８８０によって、捲回電極体８２０に拘束荷重が印加されているため、捲回電極体８２０の膨張および収縮は、図６の矢印の方向において起こる。よって、捲回電極体８２０の膨張は、捲回電極体８２０の下端のＲ部が突き出るように起こる。そのため、捲回電極体８２０が膨張した際には、絶縁フィルム８１０の底部に引張応力がかかる。絶縁フィルム８１０は、伸長および収縮し得るものであるため、引張応力を緩和することができる。しかしながら、拘束板８８０によって捲回電極体８２０に拘束荷重が印加されているため、絶縁フィルム８１０の拘束荷重が印加されている領域では絶縁フィルム１０の伸長が起こらず、絶縁フィルム８１０の伸長は、拘束板８８０の下端部８８０ａよりも下方の部分のみで起こる。よって、絶縁フィルム８１０の伸長可能な領域が小さいため、引張応力を緩和しにくい。このため、捲回電極体８２０が膨張と収縮を繰り返した際には、拘束板８８０の下端部８８０ａ付近を基点にして、絶縁フィルム８１０に引張応力が繰り返しかかり、これにより、絶縁フィルム８１０の劣化が促進される。劣化が促進すると、拘束板８８０の下端部８８０ａ付近において、絶縁フィルム８１０の破断が起こり得る。
一方で、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、絶縁フィルム１０に上記の形態で溝１２が設けられている。図７に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００が拘束して用いられている場合、絶縁フィルム１０の伸長可能な領域は、図６の従来技術と同様に、拘束板８０の下端部８０ａよりも下方の部分のみである。ここで、絶縁フィルム１０は、溝１２が設けられていることにより、溝１２に沿って折れ曲がっている。そのため、一方の拘束板８０の下端部８０ａから他方の拘束板８０の下端部８０ａとの間の区間において、絶縁フィルム１０の長さが、捲回電極体２０の下端のＲ部の周長よりも長くなっている。そのため、捲回電極体２０の下端のＲ部が突き出るような膨張が起こった際に、その長さ分だけ、膨張を吸収することができ、その結果、引張応力を緩和することができる。よって、絶縁フィルム１０に引張応力が繰り返しかかることによる、絶縁フィルム１０の劣化を抑制することができる。
加えて、溝１２が、捲回電極体２０の２つの扁平面を延長した面Ｐ１（図５参照）と面Ｐ２図５参照）との間に位置していることにより、絶縁フィルム１０の下部の形状を、捲回電極体２０の下端のＲ部の形状に近い形状とすることができる。このため、捲回電極体２０の下端と、絶縁フィルム１０との間に過度のスペースが生じることを防ぐことができる。よって、捲回電極体２０から排出された電解液が、捲回電極体２０に戻り難くなることを抑制することができる。また、デッドスペース発生による電池容量の低下を抑制することができる。特に、図５に示すように、捲回電極体２０の下端と、絶縁フィルム１０とを接触させた場合には、デッドスペース発生による電池容量の低下を効果的に抑制することができる。また、絶縁フィルム１０の下部の形状が、捲回電極体２０の下端のＲ部の形状に近い形状であるため、絶縁フィルム１０で包まれた捲回電極体２０を電池ケース３０内に挿入する際に、絶縁フィルム１０が電池ケース３０の上端部および電池ケース３０の底部の角部と衝突しにくいという利点も得られる。
以下に、本発明者による実際の検討結果について説明する。本発明者は、水準ＡおよびＢの２つのダミー電池を用意して検討を行った。水準Ａおよび水準Ｂのダミー電池は、電池ケースに、袋状の絶縁フィルムに囲まれた捲回電極体が収容されている。本検討では、非水電解液は使用しなかった。水準Ａでは、図６に示す形態（すなわち、従来技術に該当する形態）となるように、絶縁フィルムに溝を設けず、絶縁フィルムの底部の形状を捲回電極体の下端のＲ部の形状に一致させた。一方、水準Ｂでは、図５に示す形態となるように、絶縁フィルムに２本の溝を設けた。溝の深さは、絶縁フィルムの厚みの６０％の寸法とした。水準Ａおよび水準Ｂのダミー電池において、絶縁フィルムに歪みゲージを取り付けた。一対の拘束板で、捲回電極体の扁平部に圧力が印加されるように、水準Ａおよび水準Ｂのダミー電池を拘束した。このとき、歪みゲージの位置が拘束板の下端付近となるようにした。０℃〜６０℃の間でヒートショック試験を行ない、このときの引張応力を測定した。その測定結果を図８に示す。図８が示すように、絶縁フィルムに溝を設けなかった水準Ａよりも絶縁フィルムに溝を設けた水準Ｂの方が、引張応力が小さかった。よって、本実施形態のように、絶縁フィルムに溝を設けることにより、引張応力が緩和されることが確認できた。
次に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００の変形例について説明する。図９（Ａ）は、本実施形態のリチウムイオン二次電池１００の第１の変形例で用いられる絶縁フィルムの部分展開図である。図９（Ｂ）は、第１の変形例の電池の断面構造を模式的に示す縦断面図である。図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）の枠線内の拡大図である。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、図５（Ａ）〜（Ｃ）とそれぞれ対応している。図示されるように、上記のリチウムイオン二次電池１００とは異なり、第１の変形例の電池では、絶縁フィルム１０に１つの溝１２が設けられている。図９（Ｃ）に示されるように、１本の溝１２は、捲回電極体２０の２つの扁平面を延長した面Ｐ１と面Ｐ２との間に位置している。
図示されるように、絶縁フィルム１０に設けられる溝１２が１本である場合でも、絶縁フィルム１０は、溝１２に沿って折れ曲がって、その結果、絶縁フィルム１０が捲回電極体２０の下端の第２のＲ部２４と対向する部分において、絶縁フィルム１０の長さが、捲回電極体２０の下端の第２のＲ部２４の周長よりも長くなっている。そのため、捲回電極体２０の下端のＲ部２４が突き出るような膨張が起こった際に、その長さ分だけ膨張を吸収することができ、その結果、引張応力を緩和することができる。よって、絶縁フィルム１０に引張応力が繰り返しかかることによる、絶縁フィルム１０の劣化を抑制することができる。
次に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００の変形例について説明する。図１０（Ａ）は、本実施形態のリチウムイオン二次電池１００の第２の変形例で用いられる絶縁フィルムの部分展開図である。図１０（Ｂ）は、第２の変形例の電池の断面構造を模式的に示す縦断面図である。図１０（Ｃ）は、図１０（Ｂ）の枠線内の拡大図である。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、図５（Ａ）〜（Ｃ）とそれぞれ対応している。図示されるように、上記のリチウムイオン二次電池１００とは異なり、第２の変形例の電池では、絶縁フィルム１０に３つの溝１２が設けられている。
図示されるように、絶縁フィルム１０に設けられる溝１２が３本である場合でも、絶縁フィルム１０は、溝１２に沿って折れ曲がって、その結果、絶縁フィルム１０が捲回電極体２０の下端の第２のＲ部２４と対向する部分において、絶縁フィルム１０の長さが、捲回電極体２０の下端の第２のＲ部２４の周長よりも長くなっている。そのため、捲回電極体２０の下端のＲ部２４が突き出るような膨張が起こった際に、その長さ分だけ膨張を吸収することができ、その結果、引張応力を緩和することができる。よって、絶縁フィルム１０に引張応力が繰り返しかかることによる、絶縁フィルム１０の劣化を抑制することができる。
ここで、絶縁フィルム１０に設けられる溝１２の数が１本である第１の変形例では、図９（Ｃ）に示されるように、絶縁フィルム１０の下端部が電池ケース３０の底面３９に向かって突出する。絶縁フィルム１０に設けられる溝１２の数が３本である第２の変形例でも、図１０（Ｃ）に示されるように、絶縁フィルム１０の下端部が電池ケース３０の底面３９に向かって突出する。しかしながら、溝１２の本数が多い第２の変形例の方が、絶縁フィルム１０の下端部の突出の程度が小さいことが理解される。このように、絶縁フィルム１０の溝１２の本数を増やすほど、絶縁フィルム１０の下端部の突出の程度が小さくなる。そのため、絶縁フィルム１０に設けられる溝１２の本数は、多い方が好ましい。一方、絶縁フィルム１０に設けられる溝１２の本数が多過ぎると、生産性が低下するおそれがある。そのため、絶縁フィルム１０に設けられる溝１２の本数は、少ない方が好ましい。よって、生産面とデッドスペース発生の抑制面のバランスの観点からは、絶縁フィルム１０は、第２のＲ部２４と対向する部分であって、捲回電極体２０の２つの扁平面を延長した２つの面Ｐ１，Ｐ２の間に２本以上４本以下の溝を有することが好ましく、２本または３本の溝を有することがより好ましい。
また、絶縁フィルム１０に設けられる溝１２の本数が偶数の場合には、図６に示されるように、捲回電極体２０の下端と、絶縁フィルム１０とを接触させることができ、これにより、デッドスペース発生による電池容量の低下を効果的に抑制することができる。したがって、デッドスペース発生の抑制の観点からは、絶縁フィルム１０は、第２のＲ部２４と対向する部分であって、捲回電極体２０の２つの扁平面を延長した２つの面Ｐ１，Ｐ２の間に偶数本（好ましくは２本または４本、より好ましくは２本）の溝１２を有し、捲回電極体２０の下端と、絶縁フィルム１０とが接触していることが好ましい。
溝１２の断面形状は、本発明の効果が得られる限り特に制限はなく、その例としては、方形状、Ｖ字状、Ｕ字状、半円状等が挙げられる。
溝１２の深さは、本発明の効果が得られる限り特に制限はない。絶縁フィルム１０に折れが生じやすいことから、溝１２の深さは、絶縁フィルム１０の厚さの２０％以上であることが好ましく、３５％以上であることがより好ましい。一方、絶縁フィルム１０の強度の観点から、溝１２の深さは、絶縁フィルム１０の厚さの８０％以下であることが好ましい。
溝１２は、絶縁フィルム１０の捲回電極体２０に対向する面と、絶縁フィルム１０の電池ケース３０と対向する面のいずれか一方または両方に設けられていてよい。しかしながら、溝１２を、絶縁フィルム１０の捲回電極体２０に対向する面に設けた場合、図１１に示すように、絶縁フィルム１０が溝１２に沿って折れ曲がる際に、溝１２の断面形状における端部１２ａ同士が干渉し得る。干渉が起こると、絶縁フィルム１０が元に戻るように応力が発生し、絶縁フィルム１０を目的形状に成形しにくくなる。一方、溝１２を、絶縁フィルム１０の電池ケース３０に対向する面に設けた場合、図１２に示すように、絶縁フィルム１０が溝１２に沿って折れ曲がる際に、溝１２の断面形状における端部１２ａ同士の干渉が起こらない。したがって、絶縁フィルム１０の成形性の観点から、絶縁フィルム１０は、溝１２を、電池ケース３０と対向する面に有することが好ましい。
図示例では、溝１２は、捲回電極体２０の下端に沿った方向において、当該方向と平行に絶縁フィルム１０の一方の端部から他方の端部まで、連続的に形成されている（なお、捲回電極体２０の下端に沿った方向は、電池ケース３０の幅広面３７に平行な方向、あるいは捲回電極体２０の捲回軸に平行な方向でもある）。しかしながら、本発明の効果が得られる限り、溝１２の形態はこれに限られない。図１３は、絶縁フィルムに設けられる溝の種々の形態を示す模式図であり、図５（Ａ）と同様に、絶縁フィルム１０の、電池ケース３０の幅広面３７に対向する部分と、電池ケース３０の底面３９に対向する部分を展開した図である。例えば、溝１２は、本発明の効果が得られる限り、図１３（Ａ）に示すように、絶縁フィルム１０の一方の端部から他方の端部まで、断続的に形成されていてもよい。例えば、溝１２は、本発明の効果が得られる限り、図１３（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、絶縁フィルム１０の一方の端部から他方の端部までの間に部分的に設けられていてもよい。例えば、溝１２は、本発明の効果が得られる限り、図１３（Ｄ）および（Ｅ）に示すように、捲回電極体２０の下端に沿った方向と平行でなくてもよい。
以上のようにして構成されるリチウムイオン二次電池１００は、拘束して用いられるものであり、各種用途に利用可能である。具体的には、リチウムイオン二次電池１００は、電極体反応部である捲回電極体２０の扁平部２６の一部または全体に荷重が印加されるように拘束して用いられるものである。拘束の際の拘束圧は、用途に応じて適宜設定される。リチウムイオン二次電池１００は、複数集められて、まとめて拘束されるものであってもよい。その具体例としては、複数のリチウムイオン二次電池１００が所定方向に配列され、当該複数のリチウムイオン二次電池１００が、配列方向に荷重が印加されるように拘束されている組電池が挙げられる。当該組電池は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両の駆動用電源に特に好適に用いることができる。
以下、組電池の構成例について説明する。図１４は、本発実施形態に係る二次電池を用いて構成される組電池の構成を示す斜視図である。
図１４に示すように、組電池２００において、複数個のリチウムイオン二次電池（単電池）１００が、所定方向に配列されている。単電池１００を一つずつ反転させつつ配列することにより、正極端子４２および負極端子４４が交互に配置されている。配列されたリチウムイオン電池１００間には、スペーサー１１０が挟みこまれている。スペーサー１１０は、熱を効率よく放散させるための放熱手段や長さ調整手段等として機能し得る。組電池２００における単電池１００の個数は特に制限はないが、例えば１０個以上、好ましくは１０個以上３０個以下である。
配列した単電池１００の両端には、一対のエンドプレート（拘束板）１２０が配置されている。両エンドプレート１２０の間を架橋するように、締め付け用の拘束バンド１３０が取り付けられている。これにより、単電池１００の配列方向に所定の拘束荷重が印加されるように複数の単電池１００が拘束されている。詳しくは、拘束バンド１３０の端部をビス１５５によりエンドプレート１２０に締付することによって、単電池１００の配列方向に所定の拘束荷重が印加されるように複数の単電池１００が拘束されている。隣接する単電池１００の間にそれぞれスペーサー１１０が配置されているため、拘束時には、単電池１００は、エンドプレート１２０と接している部分のみならず、単電池１００のスペーサー１１０と接している部分も、押圧される。このようにして、単電池１００の内部の捲回電極体の扁平部が全体的に押圧されている。各単電池１００を拘束する拘束圧は、特に限定されない。例えば、単電池１００の配列方向において、０．２ＭＰａ以上（好ましくは０．５ＭＰａ以上）１０ＭＰａ以下（好ましくは５ＭＰａ以下）の圧力で押圧されるように、拘束圧が設定される。
隣接する単電池１００間において、一方の正極端子４２と他方の負極端子４４とが、バスバー１４０によって電気的に接続されている。以上のようにして、各単電池１００を直列に接続することにより、所望する電圧の組電池２００が構築されている。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
１０ 絶縁フィルム
１２ 溝
２０ 捲回電極体
２２ 第１のＲ部
２４ 第２のＲ部
２６ 扁平部
３０ 電池ケース
３２ ケース本体
３４ 蓋体
３６ 安全弁
３７ 幅広面
３８ 幅狭面
３９ 底面
４２ 正極端子
４２ａ 正極集電板
４４ 負極端子
４４ａ 負極集電板
５０ 正極（シート）
５２ 正極集電体
５２ａ 正極活物質層非形成部分
５４ 正極活物質層
６０ 負極（シート）
６２ 負極集電体
６２ａ 負極活物質層非形成部分
６４ 負極活物質層
７０ セパレータ（シート）
８０ 拘束板
１００ リチウムイオン二次電池（単電池）
１１０ スペーサー
１２０ エンドプレート
１３０ 拘束バンド
１４０ バスバー
１５５ ビス
２００ 組電池

Claims (4)

  1. 扁平な捲回電極体、
    前記捲回電極体を収容する電池ケース、および
    前記捲回電極体と前記電池ケースとを絶縁する絶縁フィルム
    を備える二次電池であって、
    前記二次電池は、拘束して用いられるものであり、
    前記捲回電極体は、前記電池ケースの上面に対向する第１のＲ部と、前記電池ケースの底面に対向する第２のＲ部と、前記第１のＲ部および前記第２のＲ部とに挟まれた扁平部と、を有し、
    前記絶縁フィルムは、少なくとも、前記捲回電極体の扁平部の扁平面と前記電池ケースとの間および前記捲回電極体の第２のＲ部の曲面と前記電池ケースとの間に配置され、
    前記絶縁フィルムは、前記第２のＲ部の曲面と対向する部分に少なくとも１本の溝を有し、
    前記少なくとも１本の溝は、前記捲回電極体の２つの扁平面を延長した２つの面の間に位置している、
    二次電池。
  2. 前記絶縁フィルムは、前記第２のＲ部の曲面と対向する部分であって、前記捲回電極体の２つの扁平面を延長した２つの面の間に２本または３本の溝を有する、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記絶縁フィルムは、前記溝を、前記電池ケースと対向する面に有する、請求項１または２に記載の二次電池。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池を複数有する組電池であって、
    前記複数の二次電池は、所定方向に配列され、
    前記複数の二次電池は、配列方向に荷重が印加されるように拘束されている、組電池。
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