JP2021150052A

JP2021150052A - 二次電池

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Publication number: JP2021150052A
Application number: JP2020046132A
Authority: JP
Inventors: 薫梶田; Kaoru Kajita; 圭太郎町田; Keitaro Machida
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-09-27
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: JP7291654B2

Abstract

【課題】電池の内部圧力が過度に上昇した場合に保護機構を動作させるとともに、保護機構を長期間良好に動作させることを可能とする二次電池を提供する。【解決手段】二次電池は、ケース１２と、開口部を封止する蓋部１３と、蓋部１３に設けられ且つ集電タブ及び負極外部端子３１を電気的に接続する集電部と、ケース１２の内部圧力が上昇した場合に蓋部１３を介して正負短絡を発生させる保護機構５０と、を備える。集電部は、負極外部端子３１と蓋部１３との間に設けられ絶縁材料からなるインシュレータ３２を備え、保護機構５０は、蓋部１３に設けられるとともに、内部圧力に応じて変位して一方の負極外部端子３１側に接触することによって正負短絡を発生させる変位部４０と、インシュレータ３２及びインシュレータ３２に隣接する他の部材との間に設けられ、変位部４０が変位する空間４３及び外部空間を連通する連通路４６と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、二次電池に関する。

二次電池として、電極体を電解液とともに収容したケースの開口部を蓋部によって封止したものが既に知られている。この二次電池のなかには、過充電等によりケースの内部圧力が過度に上昇した場合に、ケース内のガスを放出する機構と、電極体から外部端子に至る通電経路を遮断する電流遮断装置とが設けられるものがある（例えば、特許文献１参照）。

電流遮断装置は、負極端子側に設けられ、受圧面を有する第１変形板と、第２変形板と、第１変形板及び第２変形板の間に設けられ電極体側に電気的に接続する通電板と、第２変形板に接触する棒状部材とを備える。棒状部材は、外部端子と接続部材とを接続する締結部材の軸方向に形成された貫通孔に挿通されている。ケース内の空間の圧力が所定レベルを超えて上昇したとき、第１変形板が受圧面にて圧力を受けて通電板側に変位し、第１変形板に設けられた突起が通電板に当接して、通電板を破断する。さらに、突起は、第２変形板を押圧して、上方に反転するように変形させる。これにより、電極体から負極端子に至る通電経路が遮断される。また、第１変形板と通電板との間に設けられた空間を含む第１空間は、貫通孔を介して外部空間に連通されているため、第１空間と電池の内部空間（第３空間）との圧力差が不足することによって電流遮断装置が作動不良となることが抑制される。また、上記電流遮断装置は、貫通孔の出口に透過性の膜を設け、第１空間内への異物の混入を抑制している。

特開２０１５−１９１８２５号公報

しかし、上記電流遮断装置では、貫通孔の出口に設けた膜は棒状部材によって破られるため、破られることより生じた孔から異物が混入しやすい。貫通孔から異物が混入すると、異物が第２変形板等の部材に付着して腐食するおそれがある。なお、こうした課題は、上記した電流遮断装置のように通電板を破断する構造に限らず、二次電池の内部圧力が上昇したときに電極体を保護する保護機構においては概ね共通する課題となっている。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池の内部圧力が過度に上昇した場合に保護機構を動作させるとともに、保護機構を長期間良好に動作させることを可能とする二次電池を提供することにある。

上記課題を解決する二次電池は、集電タブが形成された電極体と、前記電極体を電解液とともに収容し開口部を有するケースと、前記開口部を封止する蓋部と、前記蓋部に設けられ且つ前記集電タブ及び外部端子を電気的に接続する集電部と、前記蓋部によって封止された前記ケースの内部圧力が上昇した場合に前記蓋部を介して正負短絡を発生させる保護機構と、を備える二次電池であって、前記集電部は、前記外部端子と前記蓋部との間に設けられ絶縁材料からなるインシュレータを備え、前記保護機構は、前記蓋部に設けられるとともに、前記内部圧力に応じて変位して一方の前記外部端子側に接触することによって他方の前記外部端子との間で正負短絡を発生させる変位部と、前記インシュレータ及び前記インシュレータに隣接する他の部材との間に設けられ、前記変位部が変位する空間及び外部空間を連通する連通路と、を備える。

上記構成によれば、変位部が変位する空間の圧力とケースの内部空間の圧力との差が所定の圧力差に到達することによって、変位部が外部端子側に変位し始めたときに、空間の気体が連通路に押し出される。これにより、空間内は常に外部の圧力と同じ圧力に調整されるため、変位部を、電極体に流れる電流を遮断できる所定位置まで変位させることができる。また、連通路をインシュレータ及びインシュレータに隣接する他の部材との間に設けるため、連通路の経路長、形状及びレイアウトを容易に変更することが可能となり、異物が混入しにくい連通路を形成することができる。したがって、異物が変位部に付着することによる腐食等を抑制できるため、保護機構を長期間良好に動作させることが可能となる。

上記二次電池について、前記連通路は、前記インシュレータの底面に形成された溝部と前記蓋部とによって構成されることが好ましい。
上記構成によれば、連通路を比較的広い範囲に設けることができるため、連通路の経路長、形状及びレイアウト等の自由度をさらに高めることができる。

上記二次電池について、前記連通路は、前記インシュレータの表面に形成された溝部と前記外部端子とによって区画されることが好ましい。
上記構成によれば、連通路を、蓋部の変形等の影響を受けにくい構成とすることができる。

上記二次電池について、前記インシュレータ及び前記蓋部は、前記変位部の外周部に形成された凹凸構造を有することが好ましい。
上記構成によれば、変位部の外周部には凹凸構造が設けられるので、空間への異物の混入を抑制することができる。

上記二次電池について、前記連通路は、前記空間側に設けられた第１開口部と、前記第１開口部に対して反対側に設けられた第２開口部とを備え、前記第２開口部に設けられ、前記連通路の圧力の上昇に応じて膨張可能な封止部をさらに備えることが好ましい。

上記構成によれば、第２開口部に封止部を設けるため異物の混入の抑制効果を高めることができる。また、封止部は、連通路の圧力に応じて膨張可能であるため、その膨張した分の容積で、空間から押し出された気体を受け入れることができる。

本発明によれば、電池の内部圧力が過度に上昇した場合に保護装置を確実に動作させるとともに、保護装置を長期間良好に動作させることを可能とすることができる。

二次電池を具体化した第１実施形態について、斜視構造の概略を示す図。同実施形態における負極集電部の平面図。図２中、３−３線における負極集電部の断面図。図２中、４−４線における負極集電部の断面図。同実施形態における負極集電部の断面図であって、変位部が変位した状態を示す図。第２実施形態の二次電池の負極集電部の断面図。第２実施形態の負極集電部の平面図。変形例の負極集電部の要部断面図。変形例の負極集電部の断面図。変形例の負極集電部の平面図。変形例の負極集電部の平面図。

（第１実施形態）
図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。以下では、二次電池を、電気自動車又はハイブリッド自動車等の車両に搭載されるリチウムイオン二次電池に具体化した例について説明する。

図１に示すように、二次電池１１は、開口部を有するケース１２と、ケース１２の開口部を封止する蓋部１３とを備える。ケース１２及び蓋部１３は、金属材から形成されている。蓋部１３には、正極集電部２１と負極集電部２０とが設けられている。二次電池１１は、正極集電部２１及び負極集電部２０がバスバー等の接続部材を介して他の二次電池１１に接続されることにより組電池を構成する。

ケース１２及び蓋部１３によって形成される内部空間１５には、電極体１４及び電解液が収容されている。蓋部１３には、内部空間１５の圧力に応じて、内部空間１５の気体を放出する放出部２４と、電解液を注入する注入孔２５とが設けられている。

電極体１４は、複数の負極板１８と複数の正極板１９とがセパレータ（図示略）を介して交互に積層された積層体である。正極板１９は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属材からなる基材と、基材に設けられた正極合剤とを備える。正極合剤は、正極活物質であるリチウム含有複合酸化物や、結着剤や、導電剤等を含む。負極板１８の基材には、端部から延出された正極タブ１９Ａ（集電タブ）が設けられている。

負極板１８は、銅やニッケル等の金属材からなる基材と、基材に設けられた負極合剤とを備える。負極合剤は、例えば、黒鉛などの炭素、金属リチウム、リチウム合金等の負極活物質、結着剤、導電剤等を含む。負極板１８の基材には、端部から延出された負極タブ１８Ａ（集電タブ）が設けられている。

負極板１８及び正極板１９は、負極タブ１８Ａの位置及び正極タブ１９Ａの位置をそれぞれ揃えた状態で積層される。複数の正極タブ１９Ａは、束状に集められて、正極タブ群２３を構成する。また、複数の負極板１８の負極タブ１８Ａは、束状に集められて、負極タブ群２２を構成する。正極タブ群２３は、正極集電部２１に電気的に接続され、負極タブ群２２は、負極集電部２０に電気的に接続されている。

図２〜図４を参照して、負極集電部２０及び蓋部１３の構成について説明する。
図２に示すように、負極集電部２０は、負極外部端子３１及びインシュレータ３２を備えている。負極外部端子３１及びインシュレータ３２は、蓋部１３の表面１３Ａ側に設けられている。インシュレータ３２は、樹脂等の絶縁材料から形成され、負極外部端子３１と蓋部１３との間に介在し、蓋部１３と負極外部端子３１とを絶縁している。

インシュレータ３２は、底壁部３２Ａ（図３参照）と側壁部３２Ｂとを備えている。底壁部３２Ａには、貫通孔３６が形成されている。貫通孔３６は、表面１３Ａ側からみて円形の形状を有している。底壁部３２Ａ及び側壁部３２Ｂは、負極外部端子３１を収容する収容部３３を区画している。

図３に示すように、蓋部１３は、インシュレータ３２の貫通孔３６に対応する位置に、変位部４０を備えている。変位部４０は、蓋部１３が薄肉化された領域であって、貫通孔３６の内径とほぼ同じ大きさの円形の形状に形成されている。変位部４０は、内部空間１５の圧力が正常な状態の下では、電極体１４側に突出した凹状の形状を有している。また、負極外部端子３１は、変位部４０に相対向する位置に環状の突出部４２を備えている。突出部４２と変位部４０とは、内部空間１５の圧力が正常な状態の下では離間している。また、変位部４０と負極外部端子３１の底面とにより、空間４３が形成される。空間４３は、変位部４０が変位することが可能なスペースとして機能する。

蓋部１３、インシュレータ３２及び負極外部端子３１には、孔部１３Ｂ，３２Ｃ，３１Ａが設けられている。これらの孔部１３Ｂ，３２Ｃ，３１Ａには、リベット部３５が貫挿されている。リベット部３５は、先端部がかしめられることにより、蓋部１３、インシュレータ３２及び負極外部端子３１を連結している。また、蓋部１３の孔部１３Ｂには、金属材からなるリベット部３５と蓋部１３とを絶縁する絶縁部３８が設けられている。リベット部３５の一方の端部は、電極体１４に電気的に接続する導電部３７に接続され、他方の端部は負極外部端子３１と接触している。これにより、リベット部３５を介して、導電部３７と負極外部端子３１とが電気的に接続される。なお、正極集電部２１は、インシュレータ３２が省略され、正極外部端子が蓋部１３に接触した構成である。これにより、蓋部１３は、正極と同じ電位になっている。

図４に示すように、インシュレータ３２の底面３２Ｆには、溝部４５が設けられている。溝部４５は、底面３２Ｆから反対側の面に向かって凹状に形成され、底面３２Ｆにて開口している。溝部４５は、リベット部３５に干渉しない位置に設けられている。本実施形態では、溝部４５は、空間４３から側壁部３２Ｂに達するまで、直線状に延び、側壁部３２Ｂの外側面３２Ｄで開口している。溝部４５は、底面３２Ｆ側の開口を蓋部１３の表面で封止されることにより、空間４３と二次電池１１の外部空間とを連通する連通路４６を構成する。また、連通路４６は、空間４３側に連通する第１開口部４６Ａと、側壁部３２Ｂの外側面３２Ｄで開口する第２開口部４６Ｂとを有している。変位部４０、負極外部端子３１の突出部４２、及び連通路４６により、電極体１４を保護する保護機構５０が構成される。

次に図５を参照して、二次電池１１の負極集電部２０の作用について説明する。空間４３は、連通路４６を介して二次電池１１の外部空間に接続しているため、空間４３の圧力は外部空間の圧力と同じ圧力に保たれている。内部空間１５の圧力が正常な範囲内にある場合には、空間４３と内部空間１５との圧力差は、変位部４０が変位を開始する変位開始圧よりも小さくなっている。

電極体１４への過充電等により内部空間１５の圧力が上昇し、空間４３と内部空間１５との圧力差が、変位部４０が変位（反転）を開始する変位開始圧に到達すると、変位部４０は、負極外部端子３１側への変位を開始する。変位部４０が負極外部端子３１側に変位すると、空間４３が縮小される。空間４３は、蓋部１３、インシュレータ３２、及び負極外部端子３１がリベット部３５で互いに固定されていることにより、密閉空間となっている。このため、空間４３が連通路４６を介して外部空間に接続されていない場合には、空間４３の圧力は、空間４３の容積の縮小に伴い上昇する。そして、変位部４０が負極外部端子３１の突出部４２に接触する前に、空間４３と内部空間１５との圧力差が変位開始圧を下回ると、変位部４０は変位動作を停止する。

本実施形態では、空間４３が連通路４６を介して外部空間に接続されているため、空間４３の容積の縮小に伴い、空間４３の気体の一部が押し出されて、第１開口部４６Ａに流入し、連通路４６を通過して第２開口部４６Ｂから外部空間に排出される。これにより、変位部４０が変位を開始しても、空間４３と内部空間１５との圧力差が変位開始圧以上である状態が保たれ、変位部４０が負極外部端子３１側に突出するように反転して、負極外部端子３１の突出部４２に接触する。その結果、正極集電部２１と電気的に接続する蓋部１３に電流が流れて正負短絡が発生する。一方、電極体１４には電流が流れないため、電極体１４を保護し、電池反応に伴う気体の発生を抑制することができる。また、放出部２４は、変位部４０が反転した後に開く設定となっているため、内部空間１５のガスは、放出部２４を介して外部空間に排出される。

このように、本実施形態では、連通路４６を、インシュレータ３２に形成した溝部４５から構成する。例えば、インシュレータ３２が射出成形法により成形される場合は、成形用の型に溝部４５を形成するための凸部を設ければよく、溝部４５の形成が容易である。また、インシュレータ３２の成形後に溝部４５を加工する場合も、インシュレータ３２の底面３２Ｆの切削加工等により容易に形成することができる。また、インシュレータ３２の底面３２Ｆのうちリベット部３５と干渉しない位置に溝部４５を加工すればよいので、経路長の長い溝部４５を形成することができる。こうして連通路４６の経路長が長くなれば、融雪剤等の薬品や水、粉塵等の異物が連通路４６に混入したとしても、混入した異物が連通路４６内を移動する過程でその内側面に衝突する機会が増える。その結果、異物が連通路４６内に留まりやすくなるため、異物が空間４３に到達することを抑制することができる。さらに、温度変化により空間４３で結露が生じたとしても、空間４３内の水蒸気を、連通路４６を介して排出できるため、変位部４０に水分が長期間付着するような状況を防ぐことができる。これにより、異物の変位部４０への付着を抑制し、保護機構５０を長期間良好に動作させることができる。

第１実施形態の効果について説明する。
（１）変位部４０によって区画される空間４３と外部空間とを連通路４６によって接続するため、空間４３内は常に外部の圧力と同じ圧力に保たれる。このため、空間４３と内部空間１５との圧力差を変位開始圧に維持しながら、変位部４０を負極外部端子３１の突出部４２に接触する位置まで変位させることができる。また、連通路４６をインシュレータ３２に形成された溝部４５によって構成するため、連通路４６の経路長、形状及びレイアウトを容易に変更することが可能となり、異物が混入しにくい連通路４６とすることができる。その結果、異物が変位部４０に付着することによる腐食等を抑制できるため、保護機構５０を長期間良好に動作させることが可能となる。

（２）連通路４６は、インシュレータ３２と、表面積が比較的大きい蓋部１３との間に設けられるため、連通路４６の経路長、形状及びレイアウト等の自由度をさらに高めることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態の負極集電部２０に、空間４３への異物の混入を抑制する構成をさらに設けた点で第１実施形態と異なる。以下、主に第１実施形態と相違する構成について詳細に説明することとし、説明の便宜上、同様の構成については詳細な説明を割愛する。

図６に示すように、蓋部１３のうち、変位部４０の外周部には、凸部６０が形成されている。凸部６０は、インシュレータ３２の底面３２Ｆに形成された凹部６１に嵌合されている。

図７に示すように、凸部６０は、溝部４５側を一部切り欠いた円環状の形状であって、略Ｃ字状をなしている。凹部６１は空間４３を囲む円環状の形状を有し、凹部６１は、溝部４５に連通している。凸部６０は、空間４３に接続する溝部４５を閉塞することなく、凹部６１に嵌合する。なお、凸部６０は、凹部６１の幅に対して締め代を有していてもよく、凸部６０及び凹部６１は、互いに締まり嵌めにより嵌合するようにしてもよい。又は凸部６０の幅は、凹部６１の幅よりも小さく、凸部６０は凹部６１との間に僅かな隙間をもって嵌合されていてもよい。

変位部４０の外周部に設けられた凸部６０及びインシュレータ３２に設けられた凹部６１からなる凹凸構造により、インシュレータ３２及び蓋部１３の間の僅かな隙間に水等の異物が浸入したとしても、空間４３内にまで浸入することを抑制することができる。

第２実施形態によれば、第１実施形態の（１）及び（２）に記載の効果に加え、以下の効果を得ることができる。
（３）変位部４０の外周部には蓋部１３に形成された凸部６０及びインシュレータ３２に形成された凹部６１からなる凹凸構造が設けられるので、変位部４０への異物の付着を抑制することができる。

上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・図８に示すように、連通路４６の第２開口部４６Ｂに、異物の混入を抑制する封止部６５を設けてもよい。封止部６５は、連通路４６の圧力の上昇に応じて外側に膨張し、第２開口部４６Ｂとの間に小空間を形成可能であり、連通路４６の圧力が低下すると元の状態に戻る。この構成によれば、封止部６５により、異物の混入の抑制効果を高めることができる。また、封止部６５は、連通路４６の圧力に応じて膨張可能であるため、膨張したことにより形成した小空間に、空間４３から押し出された気体を受け入れることができる。このため、空間４３と内部空間１５との圧力差を変位開始圧に維持しながら、変位部４０を負極外部端子３１の突出部４２に接触する位置まで変位させることができる。

・連通路４６は、インシュレータ３２に形成された溝部と、インシュレータ３２に隣接する他の部材との間に設けられていればよい。例えば、図９に示すように、溝部４５Ｃは、インシュレータ３２の底壁部３２Ａのうち、負極外部端子３１に対向する上面３２Ｅに形成される。この溝部４５Ｃと負極外部端子３１とにより、連通路４６Ｃが構成される。連通路４６Ｃは、空間４３側で開口する第１開口部４６Ｄと、インシュレータ３２の側壁部３２Ｂと負極外部端子３１との隙間３４付近で開口する第２開口部４６Ｅとを有している。変位部４０が変位し、第１開口部４６Ｄに流入した気体は、第２開口部４６Ｅから隙間３４を介して外部空間に排出される。この態様によれば、蓋部１３が比較的薄く、内部空間１５の圧力が過度に上昇し蓋部１３が若干膨らむような場合であっても、連通路４６Ｃが蓋部１３の変形の影響を受けにくい。このため、空間４３の気体を円滑に排出することができる。また、この態様においても、第２実施形態のようにインシュレータ３２と蓋部１３との間に凹凸構造を設けてもよい。

・インシュレータ３２に形成される溝部４５は、直線以外の形状であってもよい。例えば図１０に示すように、環状部分を有する溝部４５Ｄを形成してもよい。溝部４５Ｄは、空間４３に接続し、変位部４０の外周部に略環状に設けられる部分と、直線状の部分とから構成されるものであってもよい。また、図１１に示すように、蛇腹状に複数回屈曲する形状の溝部４５Ｅを形成してもよい。このようにインシュレータ３２に形成された溝部４５Ｄ，４５Ｅを形成することによって、異物が混入しやすい連通路４６とすることができる。

・第２実施形態では、蓋部１３に形成された凸部６０及びインシュレータ３２に形成された凹部６１によって凹凸構造を構成した。これに代えて、蓋部１３に凹部を設け、インシュレータ３２に凸部を設けるようにしてもよい。

・上記各実施形態では、保護機構５０を、負極集電部２０に設けるようにした。これに代えて若しくは加えて、保護機構５０を正極集電部２１に設けるようにしてもよい。つまり、正極集電部２１が、正極外部端子と蓋部１３との間にインシュレータ３２を備えていてもよい。

・上記各実施形態では、電極体１４を、複数の極板が積層された電極体１４を備える構成に例示して説明した。これに代えて、電極体１４を、正極板及び負極板をセパレータを介して重ね、捲回した構成にしてもよい。また、電極体１４の正極集電タブ及び負極集電タブの両方を、電極体１４の一方の端部（図１中、上側の端部）に設けるのではなく、電極体１４の両側（図１中、左側の端部及び右側の端部）にそれぞれ設けるようにしてもよい。

・上記実施形態では、二次電池１１がリチウムイオン二次電池である場合について例示した。しかし、これに限らず、二次電池は、その他の非水系電解液の二次電池であってもよいし、ニッケル水素二次電池等の水系電解液の二次電池であってもよい。

・二次電池１１は、車両以外の移動体（船舶、航空機等）に用いられてもよく、移動体以外の各種の装置に用いられるものであってもよい。

１１…二次電池、１２…ケース、１３…蓋部、１３Ａ…表面、１４…電極体、１５…内部空間、１８…正極板、１９…負極板、２０…負極集電部、２１…正極集電部、３１…負極外部端子、３２…インシュレータ、３２Ａ…底壁部、３２Ｂ…側壁部、３２Ｄ…外側面、３２Ｅ…表面、３２Ｆ…底面、３５…リベット部、３６…貫通孔、３７…導電部、３８…絶縁部、４０…変位部、４２…突出部、４３…空間、４５，４５Ｃ，４５Ｄ，４５Ｅ…溝部、４６，４６Ｃ…連通路、４６Ａ，４６Ｄ…第１開口部、４６Ｂ，４６Ｅ…第２開口部、５０…保護機構、６０…凸部、６１…凹部、６５…封止部。

Claims

集電タブが形成された電極体と、
前記電極体を電解液とともに収容し開口部を有するケースと、
前記開口部を封止する蓋部と、
前記蓋部に設けられ且つ前記集電タブ及び外部端子を電気的に接続する集電部と、
前記蓋部によって封止された前記ケースの内部圧力が上昇した場合に前記蓋部を介して正負短絡を発生させる保護機構と、を備える二次電池であって、
前記集電部は、前記外部端子と前記蓋部との間に設けられ絶縁材料からなるインシュレータを備え、
前記保護機構は、
前記蓋部に設けられるとともに、前記内部圧力に応じて変位して一方の前記外部端子側に接触することによって正負短絡を発生させる変位部と、
前記インシュレータ及び前記インシュレータに隣接する他の部材との間に設けられ、前記変位部が変位する空間及び外部空間を連通する連通路と、を備える
二次電池。
前記連通路は、前記インシュレータの底面に形成された溝部と前記蓋部とによって構成される
請求項１に記載の二次電池。
前記連通路は、前記インシュレータのうち前記外部端子側の上面に形成された溝部と前記外部端子とによって構成される
請求項１に記載の二次電池。
前記インシュレータ及び前記蓋部は、前記変位部の外周部に形成された凹凸構造を有する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池。
前記連通路は、前記空間側に設けられた第１開口部と、前記第１開口部に対して反対側に設けられた第２開口部とを備え、
前記第２開口部に設けられ、前記連通路の圧力の上昇に応じて膨張可能な封止部をさらに備える
請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池。