JP5429381B2 - 二次電池アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は，扁平角型のケースに捲回状の電極体が封入されてなる二次電池を有する二次電池アセンブリに関する。さらに詳細には，各二次電池の外面のうち最大面積の側面（以下，被圧迫面という）を部分的に圧迫された状態で，二次電池が拘束されている二次電池アセンブリに関するものである。

セパレータを介して正負の電極板を捲回または積層し，電解液とともに外装ケースに封入してなる二次電池がある。このような二次電池では，充放電の繰り返しにより内部にガスが発生し，内圧の変化や外装ケースの変形等を引き起こす場合があることが知られている。このようになるとその二次電池の劣化が特に進行するので好ましくない。そのため，特に扁平形状の二次電池では，外装ケースの被圧迫面に接触して拘束板等を配して圧迫し，変形を防止することが行われている。また，複数個の二次電池を並べ，その外側から全体を拘束板で拘束した組電池も使用されている。

例えば特許文献１には，扁平型の二次電池が積層され，その全体が拘束板で挟まれるとともにベルトで締め付けられた組電池が開示されている。これにより，電極板に塗布されている活物質が押さえ込まれて，その剥離が防止されるとされている。あるいは，積層される各二次電池の間にも拘束用のプレートを配し，プレート同士を連結して，各二次電池に面圧を加えるようにした組電池も開示されている（例えば，特許文献２参照。）。いずれのものでも，二次電池の側面の平面性を維持することによって，面圧の均一化を図るとされている。

特開２００３−３２３８７４号公報 特開２００５−２５９５００号公報

しかしながら，例えば自動車等に搭載される二次電池では，大電流での充放電（ハイレートと呼ばれる）を繰り返すような使い方が多くなされている。捲回状の電極体を有する二次電池では，電池の種類によって，また，使い方によって，捲回軸方向の両端寄りにおいて，中央寄りに比較して面圧が高くなる場合があることが分かってきた。そのため，前記した従来の組電池のように，外装ケースの扁平な形状を維持するような拘束の仕方が選択されていると，その面の中央部においてその両外側の部位より面圧の低い状態となってしまっていた。つまり，この拘束方法では，必ずしも面圧が均一化されていなかった。すなわち，ハイレートで使用される二次電池の場合には，平面形状を維持するように拘束したのでは，面圧を均一に保持できないという問題点があった。

本発明は，前記した従来の技術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，ハイレートで使用される二次電池において，面圧を均一に保持することができ，二次電池の劣化の進行を抑制することができる二次電池アセンブリ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一態様における二次電池アセンブリは，扁平な角型のケースに捲回状の電極体が封入されてなる二次電池と，二次電池の外面のうち最大面積の側面（以下，被圧迫面という）に部分的に接触する接触部材と，二次電池および接触部材を拘束する拘束部材とを有し，拘束部材の拘束により，接触部材が被圧迫面を部分的に圧迫している二次電池アセンブリであって，接触部材は，被圧迫面に接触する，離散的に設けられた複数の接触部と，複数の接触部同士を互いに連結する連結部とを有し，接触部は，被圧迫面に向かって連結部から突出して形成されており，捲回状の電極体における捲回軸方向の中央から外れた部位に対応する両方の片寄り領域にて被圧迫面をより弱く圧迫し，捲回状の電極体における捲回軸方向の中央寄りの部位に対応する，両方の片寄り領域の間の中央領域にて被圧迫面をより強く圧迫する形状または配置のものである。

上述の一態様における二次電池アセンブリによれば，二次電池の被圧迫面は接触部材によって部分的に圧迫される。そして，接触部材は，離散的に設けられた複数の接触部が連結部によって連結されたものである。従って，各接触部が二次電池へ接触する位置は，それぞれ予め決められた位置となる。さらに，各接触部の配置や突出の高さ等を予め適切に設定しておくことによって，その箇所における被圧迫面への圧迫強さを設定することができる。ここにおいて，接触部の形状または配置は，被圧迫面への圧迫力が片寄り領域において中央領域より弱くなるように選択されている。従って，二次電池の内圧を均一化できる。これにより，ハイレートで使用される二次電池であっても，面圧を均一に保持することができ，二次電池の劣化の進行を抑制することができる

さらに，本発明の一態様では，片寄り領域での接触部の突出高さは，中央領域での接触部の突出高さに比較して低いものであることが望ましい。このようになっていれば，被圧迫面への圧迫力が片寄り領域において中央領域より弱くなるようにすることができる。

あるいは，本発明の一態様では，片寄り領域での接触部の面積占有率は，中央領域での接触部の面積占有率に比較して小さいものであるようにしてもよい。このようになっていても，被圧迫面への圧迫力が片寄り領域において中央領域より弱くなるようにすることができる。

さらに，本発明の一態様では，接触部として，捲回状の電極体における捲回軸方向に両側の片寄り領域にわたって連続して形成されているものを有することが望ましい。このような形状とすれば，捲回軸方向に冷却風を流通させる二次電池アセンブリに好適である。

さらに，本発明の一態様では，接触部として，中央寄りの中央領域にのみ形成され，その両側の片寄り領域には形成されていないものをも有することが望ましい。または，本発明の一態様では，接触部として，捲回状の電極体における捲回軸方向に交差する方向の太さが，片寄り領域において中央領域より細く形成されているものを有するものとしてもよい。

または，本発明の一態様では，接触部として，捲回状の電極体における捲回軸方向に交差する方向に，長尺状に形成されているものを有することとしてもよい。このような形状としても，被圧迫面への圧迫力を調整したものとすることができる。特に捲回軸方向に交差する方向に冷却風を流通させるものに好適である。

さらに，本発明の一態様では，片寄り領域に配置されている接触部は，中央領域に配置されている接触部より短く形成されていることが望ましい。または，本発明の一態様では，片寄り領域に配置されている接触部同士の間隔は，中央領域に配置されている接触部同士の間隔より広いものとしてもよい。

または，本発明の一態様では，接触部として，柱状に突出したものを有することとしてもよい。このような形状としても，被圧迫面への圧迫力を調整したものとすることができる。

さらに，本発明の一態様では，個々の接触部の被圧迫面への接触面積は，片寄り領域において中央領域より小さいことが望ましい。または，本発明の一態様では，片寄り領域に配置されている接触部同士の間隔は，中央領域に配置されている接触部同士の間隔より広いものとしてもよい。

本発明の上記態様における二次電池アセンブリによれば，ハイレートで使用される二次電池において，面圧を均一に保持することができ，二次電池の劣化の進行を抑制することができる。

本形態に係る組電池を示す側面図である。 本形態の単電池の内部を示す説明図である。 接触部材を示す斜視図である。 接触部材の櫛歯の形状を示す側面図である。 単電池に対する圧迫圧力の分布を示す説明図である。 耐久使用後の面圧分布を示すグラフ図である。 耐久使用後の電極体面内の塩濃度分布を示すグラフ図である。 接触部材の櫛歯の形状の他の例を示す側面図である。 接触部材の櫛歯の配置の他の例を示す正面図である。 接触部材の櫛歯の配置の他の例を示す正面図である。 接触部材の櫛歯の配置の他の例を示す正面図と側面図である。 接触部材の櫛歯の配置の他の例を示す正面図である。 接触部材の櫛歯の配置の他の例を示す正面図である。 接触部材の櫛歯の配置の他の例を示す正面図と側面図である。 接触部材の櫛歯の配置の他の例を示す正面図である。 接触部材の櫛歯の配置の他の例を示す正面図である。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，複数個のリチウムイオン二次電池を積層して互いに接続した組電池に，本発明を適用したものである。

本形態の組電池１は，図１に示すように，複数個の単電池１１と複数個の接触部材１２，および２つの拘束部材１３を有している。単電池１１と接触部材１２とが交互に積層され，その全体の両側に拘束部材１３が配されている。両側の拘束部材１３は，拘束バンド１４の両端部がそれぞれ固定されることによって互いに拘束されている。これにより，それらの間にある複数の単電池１１等を，拘束部材１３が両側から圧迫している。本形態では，この組電池１が二次電池アセンブリに相当する。

本形態の各単電池１１は，図２に示すように，扁平な角型のケース２１の内部に捲回型の電極体２３が電解液とともに封入された，捲回型のリチウムイオン二次電池である。本形態の電極体２３は，捲回軸に垂直な方向に潰され扁平形状とされている。さらに，電極体２３には，捲回軸の両端側において，正負の電極端子２５がそれぞれ接続されている。両極の電極端子２５は，ケース２１の図中で上面に突出する外部端子２６にそれぞれ接続されている。単電池１１のうち，図中で右手前面とその裏面である左奥面が，それら以外の面より大面積の被圧迫面１１ａである。

本形態の接触部材１２は，図１に示すように，単電池１１同士の間に配置されている。また，単電池１１と拘束部材１３との間にも配置されている。各接触部材１２は，図３に示すように，板状の連結部３１とその連結部３１から図中右手前に突出して形成されている櫛歯部３２とを有している。本形態では，櫛歯部３２は，連結部３１の一面側のみに，互いに平行に形成されている。そして，本形態の接触部材１２の各櫛歯部３２の頂面３３は，図３に示すように，緩やかな曲面をなしている。つまり，この接触部材１２を図３中で上から見ると，図４に示すように，櫛歯部３２の頂面３３が中央で凸となるように湾曲している。

本形態の組電池１では，接触部材１２は，各櫛歯部３２が単電池１１の電極体２３の捲回軸に平行となるように配置される。すなわち，図２に示される向きの単電池１１の間に，図３に示される向きの接触部材１２が挟み込まれることになる。その結果，接触部材１２の各櫛歯部３２の頂面３３は，単電池１１の被圧迫面１１ａに接触する。そして，各櫛歯部３２は，上記のように頂面３３が湾曲しているため，突出高さが一定ではない。このため，組電池１における，接触部材１２による被圧迫面１１ａへの圧迫力はその面内の箇所によって異なるものとなる。

より具体的には，接触部材１２は，図４に示すように，中央部３２ｂにおける突出高さｗａが，両側の片寄り部３２ａにおける連結部３１からの突出高さｗｂより，高いものである。そのため，本形態の組電池１では，接触部材１２は，中央部３２ｂにおいて片寄り部３２ａよりも強く，被圧迫面１１ａを圧迫する。従って，各単電池１１の被圧迫面１１ａは，捲回軸方向の中央寄りの部位に対応する中央領域４２（図５参照）で，中央から外れた部位に対応する片寄り領域４１より大きい圧迫力を受ける。このように圧迫することにより，単電池１１の面圧を均一化することができることが分かった。

なお，この図５では，中央領域４２と片寄り領域４１との間に隙間を設けて示している。しかし，中央領域４２と片寄り領域４１とを設定するに際し，このような隙間を設けることは必ずしも必要ではない。中央領域４２と片寄り領域４１とが接するようにこれらの領域を設定してもよい。また，図中左右の片寄り領域４１において，その領域面積の大きさ・形状や圧迫力の大きさは，必ずしも等しいものでなくてもよい。

一方で，片寄り領域４１と被圧迫面１１ａの外周との間には，少し隙間がある。これは，本形態のケース２１が金属製の略直方体の容器であることによる。すなわち，ケース２１のうち，面と面との交差箇所である端部Ｒ（図２参照）は，金属板がほぼ直角に曲げられている箇所である。そのため，ケース２１の端部Ｒはかなり剛性が高く，接触部材１２によって圧迫する必要はない。そこで，本形態においては，櫛歯部３２が端部Ｒに接触しないように各部材の配置が決定されているのである。図５に示すように，端部Ｒは，捲回軸方向について片寄り領域４１よりさらに両端側であり，片寄り領域４１には含まれていない。

接触部材１２のうち，連結部３１は，被圧迫面１１ａにほぼ匹敵する大きさとされている。そして，連結部３１の面内において櫛歯部３２の形成されている範囲は，両側の片寄り領域４１と中央領域４２とを含み，端部Ｒを含まない範囲である。例えば，図３に示したように，連結部３１のうち外周近傍を残した内側である。なお，組電池１を使用するときには，この櫛歯部３２に平行な向きに冷却風などを通過させて，単電池１１の過熱を防止するとよい。

本発明者は，従来の単電池１１における内圧の変化状況を知るために，サイクル試験を行った。そして，耐久使用の進行による内圧の分布状況の変化を調べた。このサイクル試験では，ハイレートの充電とハイレートではない放電とを繰り返して実施した。

図６において，その横軸方向の中央部分は，図５で中央領域４２とした範囲に相当する。この図に示すように，耐久使用の進行によって中央領域４２に相当する範囲の面圧は，片寄り領域４１に相当する範囲に比較して小さくなった。この中央領域４２の面圧と片寄り領域４１の面圧との差は，新品時には殆どないものの，耐久使用が進むにつれて大きくなった。なお，端部Ｒ（図２参照）では，内部の圧力が変化したとしても，面圧となって現れることはほとんどなかった。

この実験から，新品からの充放電の繰り返しに応じて，次第に面圧のバラツキが大きくなることが分かった。すなわち，本形態の組電池１では，単電池１１を従来のように扁平形状を維持するように拘束したのでは，面圧を均一に維持するようにはなっていなかった。

また，組電池１をこの実験のようにハイレート充電過多の状況で使用した場合には，耐久使用が進むにつれて電極体面内での塩濃度ムラが発生することがわかった。図７に示したように，正極端子近傍や負極端子近傍では初期状態よりも塩濃度が低く，中央部では初期状態よりも塩濃度が高くなることが分かった。この塩濃度ムラは，単電池１１の内部抵抗値の上昇の一因ともなっている。本発明者は，この塩濃度ムラの分布が面圧の分布の上下を入れ変えたものと傾向が似ていることに着目した。

そして，本発明者は，扁平形状を維持するのではなく，本形態の接触部材１２を用いることにより，面圧のバラツキを抑制できることを見出した。すなわち，図３に示すように，櫛歯部３２の中央部３２ｂを片寄り部３２ａに比較して突出高さの高いものとするのである。これにより，単電池１１の被圧迫面１１ａのうち中央領域４２への圧迫力は，片寄り領域４１への圧迫力に比較して大きいものとなる。そして，その結果，耐久使用後の面圧のバラツキを抑制でき，塩濃度ムラの進行および内部抵抗値の増加をいずれも抑制することができた。

本形態では，単電池１１の被圧迫面１１ａへの圧迫力を場所によって異なるものとするために，接触部材１２の櫛歯部３２の形状を図３や図４に示すようにした。すなわち，各櫛歯部３２の頂面３３の位置が中央で凸となるようにした。

ここまでは，中央領域４２での圧迫力を片寄り領域４１での圧迫力より大きくするために，図３や図４に示した形状の櫛歯部３２とした。しかし，接触部材１２の形状はこれに限らない。接触部材１２のうち中央領域４２に対向する箇所での突出高さが，片寄り領域４１に対向する箇所での突出高さより大きいものであればよい。またあるいは，片寄り領域４１と中央領域４２とで，接触部材１２による被圧迫面１１ａへの接触面積の面積占有率に大小を設けることで，面圧分布を抑制することもできる。すなわち，中央領域４２に対向する箇所での面積占有率を，片寄り領域４１に対向する箇所での面積占有率より大きいものとするのである。

以下に櫛歯部の他の形状の例について説明する。例えば，単電池１１同士の間に配置される接触部材５１では，図８に示すように，連結部３１の両面側に櫛歯部３２が形成されているものとしてもよい。ただし，拘束部材１３と単電池１１との間に配されるものについては片面のみとし，拘束部材１３には平面側を当接させることが望ましい。この場合でも，櫛歯部の部分の形状は，さらに以下に述べものから適宜選択して変更できる。

まず，捲回軸方向に長尺形状の櫛歯としては，例えば，図９に示した接触部材５２や，図１０に示した接触部材５３とすることができる。接触部材５２は，長尺の櫛歯の間に，中央領域４２に対向する箇所のみに形成されている短い櫛歯を加えたものである。短い櫛歯同士の両側の片寄り領域４１に対向する箇所には，櫛歯は設けられていない。また，接触部材５３は，片寄り領域４１における櫛歯の頂面の幅５３ａが中央領域４２における櫛歯の頂面の幅５３ｂより小さいものである。なお，この図では段差形状に示しているが，なだらかに変化する形状であってももちろんよい。

またあるいは，図１１〜図１３に示すように，単電池１１の捲回軸に交差する方向（図中で縦方向）の櫛歯としてもよい。これらは，冷却風を図中で縦方向に流す場合に好適に用いられる。各櫛歯を冷却風の向きに合わせて配置すればよい。例えば図１１に示した接触部材５４では，その側面図（ｂ）に示すように，櫛歯の突出高さが図中左右方向，すなわち捲回の軸方向の箇所によって異なるものとしている。

また，図１２の接触部材５５に示すように，櫛歯同士の間隔に広狭を設けることによって面積占有率に差を設けることもできる。または，図１３の接触部材５６に示すように，櫛歯の長さを中央領域４２と片寄り領域４１とで異なるものとしてもよい。この図では，片寄り領域４１に短い２つの櫛歯を縦並びに図示しているが，１つとしてもよいし，３つ以上に分けてもよい。

さらに，図１４〜図１６に示すように，柱状の突出部を有する接触部材とすることもできる。例えば，図１４に示すように，同じ太さの突出部５７ａが縦横に並んだ接触部材５７としてもよい。このようなものであれば，冷却風の向きにかかわらず使用することができる。この場合でも，図中の側面図（ｂ）に示すように，捲回の軸方向の場所によって，突出部５７ａの突出高さが異なるものとすればよい。すなわち，中央領域４２には高いものを，片寄り領域４１には低いものを配置するとよい。

あるいは，図１５の接触部材５８に示すように，中央領域４２には密に，片寄り領域４１にはより疎になるように突出部を配置するようにしてもよい。または，図１６に示すように，突出部の太さを異なるものとした接触部材５９でもよい。このように，中央領域４２の突出部は太く，片寄り領域４１の突出部は細く形成することによっても，領域による突出部の占有面積率を異なるものとすることができる。

以上詳細に説明したように本形態の組電池１によれば，単電池１１の被圧迫面１１ａに接して接触部材１２が配置されている。接触部材１２のうち，被圧迫面１１ａ側には櫛歯部３２が形成されている。櫛歯部３２は，単電池１１の捲回の軸方向に沿って形成された突出箇所であり，その突出高さは場所によって異なるものとなっている。すなわち，捲回の軸方向の中央領域４２では，片寄り領域４１に比較して突出高さが大きい。これにより，中央部の面圧の低下を抑制し，面圧の均一化を図るとともに内部抵抗値の増加を抑制することができるので，単電池１１の劣化の進行を抑制できるものとなった。

なお，本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，上記の形態では，複数個の単電池１１を積層した組電池を例示しているが，必ずしも複数個である必要はない。本願発明は，１個の単電池１１をその両側から接触部材１２によって挟むことによる二次電池アセンブリにも適用可能である。

またあるいは，連結部３１のうち櫛歯部の形成されていない側の面に，単電池１１のケース２１の端部に当接する程度の突出部を形成して，接触部材１２と単電池１１との間に隙間を形成するようにしても良い。あるいは，櫛歯部以外の箇所で，連結部３１に貫通孔を形成しておいてもよい。このようにすれば，その隙間や貫通孔を介して，櫛歯部の裏面側の単電池１１にも冷却風を当てることができる。

また，本発明は，リチウムイオン二次電池に限らず，非水電解液系の二次電池に広く適用可能である。さらに，缶ケースに限らず，ラミネートケースを使用した電池でも圧迫して使用するものであれば適用可能である。

１ 組電池
１１ 単電池
１１ａ 被圧迫面
１２，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９ 接触部材
１３ 拘束部材
２１ ケース
２３ 電極体
３１ 連結部
３２ 櫛歯部
４１ 片寄り領域
４２ 中央領域

Claims (12)

1. 扁平な角型のケースに捲回状の電極体が封入されてなる二次電池と，前記二次電池の外面のうち最大面積の側面（以下，被圧迫面という）に部分的に接触する接触部材と，前記二次電池および前記接触部材を拘束する拘束部材とを有し，前記拘束部材の拘束により，前記接触部材が前記被圧迫面を部分的に圧迫している二次電池アセンブリにおいて，
   前記接触部材は，
   前記被圧迫面に接触する，離散的に設けられた複数の接触部と，
   前記複数の接触部同士を互いに連結する連結部とを有し，
   前記接触部は，
   前記被圧迫面に向かって前記連結部から突出して形成されており，
   前記捲回状の電極体における捲回軸方向の中央から外れた部位に対応する両方の片寄り領域にて前記被圧迫面をより弱く圧迫し，
   前記捲回状の電極体における捲回軸方向の中央寄りの部位に対応する，前記両方の片寄り領域の間の中央領域にて前記被圧迫面をより強く圧迫する形状または配置のものであることを特徴とする二次電池アセンブリ。
2. 請求項１に記載の二次電池アセンブリにおいて，
   前記片寄り領域での前記接触部の突出高さは，前記中央領域での前記接触部の突出高さに比較して低いものであることを特徴とする二次電池アセンブリ。
3. 請求項１または請求項２に記載の二次電池アセンブリにおいて，
   前記片寄り領域での前記接触部の面積占有率は，前記中央領域での前記接触部の面積占有率に比較して小さいものであることを特徴とする二次電池アセンブリ。
4. 請求項２または請求項３に記載の二次電池アセンブリにおいて，
   前記接触部として，前記捲回状の電極体における捲回軸方向に両側の前記片寄り領域にわたって連続して形成されているものを有することを特徴とする二次電池アセンブリ。
5. 請求項４に記載の二次電池アセンブリにおいて，
   前記接触部として，中央寄りの前記中央領域にのみ形成され，その両側の前記片寄り領域には形成されていないものをも有することを特徴とする二次電池アセンブリ。
6. 請求項４に記載の二次電池アセンブリにおいて，
   前記接触部として，前記捲回状の電極体における捲回軸方向に交差する方向の太さが，前記片寄り領域において前記中央領域より細く形成されているものを有することを特徴とする二次電池アセンブリ。
7. 請求項２または請求項３に記載の二次電池アセンブリにおいて，
   前記接触部として，前記捲回状の電極体における捲回軸方向に交差する方向に，長尺状に形成されているものを有することを特徴とする二次電池アセンブリ。
8. 請求項７に記載の二次電池アセンブリにおいて，
   前記片寄り領域に配置されている前記接触部は，前記中央領域に配置されている前記接触部より短く形成されていることを特徴とする二次電池アセンブリ。
9. 請求項７に記載の二次電池アセンブリにおいて，
   前記片寄り領域に配置されている前記接触部同士の間隔は，前記中央領域に配置されている前記接触部同士の間隔より広いことを特徴とする二次電池アセンブリ。
10. 請求項２または請求項３に記載の二次電池アセンブリにおいて，
    前記接触部として，柱状に突出したものを有することを特徴とする二次電池アセンブリ。
11. 請求項１０に記載の二次電池アセンブリにおいて，
    個々の前記接触部の前記被圧迫面への接触面積は，前記片寄り領域において前記中央領域より小さいことを特徴とする二次電池アセンブリ。
12. 請求項１０に記載の二次電池アセンブリにおいて，
    前記片寄り領域に配置されている前記接触部同士の間隔は，前記中央領域に配置されている前記接触部同士の間隔より広いことを特徴とする二次電池アセンブリ。
    
    
    
    
    
    

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