JP5459139B2 - 組電池 - Google Patents
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Description
本発明は、複数のリチウムイオン二次電池と、これらのリチウムイオン二次電池を押圧しつつ拘束する拘束部材とを備える組電池に関する。
従来より、複数のリチウムイオン二次電池と、これらのリチウムイオン二次電池を押圧しつつ拘束する拘束部材とを備える組電池が知られている。このうち、リチウムイオン二次電池は、正極板及び負極板をセパレータを介して、扁平状に捲回してなるまたは積層してなる電極体を有する。そして、複数のリチウムイオン二次電池は、電極体をその厚み方向に押圧する形態で、拘束部材により拘束されている。このように電極体を押圧するのは、充電時に電極体が膨張し、電極間距離が大きくなって電池性能が低下するのを抑制するためである。
具体的には、例えば特許文献１に、このような組電池が開示されている。特許文献１の組電池は、扁平箱型筺体を有する複数のリチウムイオン二次電池と、複数の放熱金属板と、一対のエンドプレートと、拘束手段とを備える(特許文献１の請求項１、図１、図２
等を参照）。このうち、複数のリチウムイオン二次電池は、その側面同士が間隔をあけて対向する形態で整列・配置されており、隣り合うリチウム二次電池同士の間には、それぞれ放熱金属板が配置されている。この積層されたリチウムイオン二次電池及び放熱金属板の両端には、エンドプレートが配置されており、このエンドプレートと拘束手段により、積層されたリチウムイオン二次電池及び放熱金属板を、厚み方向に押圧しつつ拘束している。
等を参照）。このうち、複数のリチウムイオン二次電池は、その側面同士が間隔をあけて対向する形態で整列・配置されており、隣り合うリチウム二次電池同士の間には、それぞれ放熱金属板が配置されている。この積層されたリチウムイオン二次電池及び放熱金属板の両端には、エンドプレートが配置されており、このエンドプレートと拘束手段により、積層されたリチウムイオン二次電池及び放熱金属板を、厚み方向に押圧しつつ拘束している。
本発明者は、リチウムイオン二次電池の電池出力を向上させるために、正極活物質層の密度を小さくすることを考案した。正極活物質層を低密度にして空孔率を大きくすれば、正極活物質層内での電解液の拡散抵抗が小さくなると共に、正極活物質層内に保持可能な電解液量が多くなるので、電池出力を高くできると考えられるからである。
しかしながら、正極活物質層の密度を小さくするほど、荷重が掛かったときに正極活物質層に潰れ易くなる傾向にある。前述のような組電池では、一般に、０．５〜２ＭＰａ程度の大きな圧力を掛けてリチウムイオン二次電池（電極体）を拘束しているので、正極活物質層の密度を小さくすると、この拘束力（押圧力）により、正極活物質層が潰れてしまい、正極活物質層の空孔率が小さくなって、電池出力が低下する等の不具合が生じるおそれがある。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、リチウムイオン二次電池を押圧しつつ拘束してなる組電池において、リチウム二次電池の電池出力を高くできる組電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の一態様は、正極板及び負極板をセパレータを介して、扁平状に捲回してなるまたは積層してなる電極体を有する複数のリチウムイオン二次電池と、前記電極体をその厚み方向に押圧する形態で、前記リチウムイオン二次電池を拘束する拘束部材と、を備える組電池であって、前記正極板は、正極集電箔と、この正極集電箔上に形成され、正極活物質を含む正極活物質層とを有し、この正極板の厚み方向の圧縮弾性率Ｋａを７０ＭＰａ以上とし、かつ、前記正極活物質層の密度Ｄａを２．４ｇ／ｃｍ3 以下としてなる組電池である。
この組電池では、正極活物質層の密度Ｄａを２．４ｇ／ｃｍ3 以下の低密度としているので、正極活物質層の空孔率が大きく、正極活物質層内での電解液の拡散抵抗が小さくなると共に、正極活物質層内に保持可能な電解液量が多くなる。従って、リチウム二次電池の電池出力を高くできる。しかも、正極板の厚み方向の圧縮弾性率Ｋａを７０ＭＰａ以上の高弾性としているので、拘束部材から受ける押圧力により、正極活物質層が潰れるをの抑制できる。従って、この潰れに起因して正極活物質層の空孔率が小さくなり、電池出力が低下する等の不具合を防止できる。
なお、圧縮弾性率Ｋａは、１０００ＭＰａ以下とするのが好ましい。これより高い強度になると、電極体を形成する際（捲回時）に正極板や負極板に割れが生じ易くなるため、好ましくないからである。
また、密度Ｄａは、１．４ｇ／ｃｍ3 以上とするのが好ましい。これより小さくなると、容量密度の低下、導電性の確保が困難などの問題が生じ易くなるからである。
また、密度Ｄａは、１．４ｇ／ｃｍ3 以上とするのが好ましい。これより小さくなると、容量密度の低下、導電性の確保が困難などの問題が生じ易くなるからである。
また、「圧縮弾性率Ｋａ」は、次のようにして求める。即ち、正極板のうちの正極活物質層の厚みｔ（ｍｍ）を測定しておく。また、５００μｍφの圧子（面積Ｓ（ｍｍ2 ））により、正極板の厚み方向に毎秒２．４ｍＮの割合で荷重を加えていき、荷重が２４０ｍＮになるまで加圧する。その後は、毎秒２．４ｍＮの割合で荷重を減らしていき、荷重を２０ｍＮとする。
次に、再び毎秒２．４ｍＮの割合で荷重を加えていき、荷重が２４０ｍＮになるまで加圧する。この２回目の加圧開始時の荷重をＦ０（Ｎ）、変位をＸ０（ｍｍ）とし、この２回目の加圧終了時の荷重をＦ１（Ｎ）、変位をＸ１（ｍｍ）とする。そして、歪みεを、ε＝（Ｘ１−Ｘ０）／ｔにより求める。また、応力の変化σ（ＭＰａ）を、σ＝（Ｆ１−Ｆ０）／Ｓにより求める。更に、圧縮弾性率Ｋａ（ＭＰａ）を、σ／εにより求める。
次に、再び毎秒２．４ｍＮの割合で荷重を加えていき、荷重が２４０ｍＮになるまで加圧する。この２回目の加圧開始時の荷重をＦ０（Ｎ）、変位をＸ０（ｍｍ）とし、この２回目の加圧終了時の荷重をＦ１（Ｎ）、変位をＸ１（ｍｍ）とする。そして、歪みεを、ε＝（Ｘ１−Ｘ０）／ｔにより求める。また、応力の変化σ（ＭＰａ）を、σ＝（Ｆ１−Ｆ０）／Ｓにより求める。更に、圧縮弾性率Ｋａ（ＭＰａ）を、σ／εにより求める。
また、「密度Ｄａ」は、次のようにして求める。即ち、正極板のうちの正極活物質層の厚みｔ（ｍｍ）を測定する。また、正極板の一部を切り出し（面積Ｓ０（ｃｍ2 ））、この切り出した正極板の重量Ｗ０（ｇ）を測定する。その後、切り出した正極板から正極活物質層を剥離し、正極集電箔の重量Ｗ１（ｇ）を測定して、剥離された正極活物質層の重量Ｗ２（ｇ）を、Ｗ２＝Ｗ０−Ｗ１により求める。そして、密度Ｄａ（ｇ／ｃｍ3 ）を、Ｄａ＝Ｗ２／（ｔ×Ｓ０）により求める。
また、拘束部材により電極体に掛かる圧力（拘束圧）は、拘束部材が電極体を押圧する押圧力を、電極体のうち、その厚み方向を向く平面部の面積で除することにより求められる。この圧力は、前述のように、一般に０．５〜２ＭＰａである。
更に、上記の記載の組電池であって、前記正極活物質層に、タップ密度Ｅａが１．８ｇ／ｃｍ3 以下の正極活物質を用いてなる組電池とすると良い。
この組電池では、正極活物質層に、タップ密度Ｅａが１．８ｇ／ｃｍ3 以下の正極活物質を用いている。このような正極活物質を用いることで、前述の低密度かつ高弾性の正極活物質層を容易に形成できる。
なお、タップ密度Ｅａは、１．０ｇ／ｃｍ3 以上とするのが好ましい。これよりも小さくなると、容量密度が低くなってしまうからである。
また、「タップ密度Ｅａ」は、次のようにして求める。即ち、メスシリンダーに正極活物質を６０ｇ測りとり、落下距離を２０ｍｍとして、２５０回タップし、タップ後の体積を読みとる。そして、正極活物質の重量をタップ後の体積で除することによって、密度Ｅａ（ｇ／ｃｍ3 ）を求めた。
なお、タップ密度Ｅａは、１．０ｇ／ｃｍ3 以上とするのが好ましい。これよりも小さくなると、容量密度が低くなってしまうからである。
また、「タップ密度Ｅａ」は、次のようにして求める。即ち、メスシリンダーに正極活物質を６０ｇ測りとり、落下距離を２０ｍｍとして、２５０回タップし、タップ後の体積を読みとる。そして、正極活物質の重量をタップ後の体積で除することによって、密度Ｅａ（ｇ／ｃｍ3 ）を求めた。
更に、上記のいずれかに記載の組電池であって、前記正極活物質層に、層状構造を有するリチウム複合酸化物である正極活物質を用いてなる組電池とすると良い。
この組電池では、正極活物質層に、層状構造を有するリチウム複合酸化物である正極活物質を用いている。このような正極活物質を用いることで、前述の低密度かつ高弾性の正極活物質層を容易に形成できる。
なお、「層状構造を有するリチウム複合酸化物」としては、例えば、Ｌｉ（ＮｉＭｎＣｏ）Ｏ3 、Ｌｉ（ＮｉＣｏＡｌ）Ｏ3 、ＬｉＣｏＯ3 、ＬｉＭｇＯ3 などが挙げられる。
なお、「層状構造を有するリチウム複合酸化物」としては、例えば、Ｌｉ（ＮｉＭｎＣｏ）Ｏ3 、Ｌｉ（ＮｉＣｏＡｌ）Ｏ3 、ＬｉＣｏＯ3 、ＬｉＭｇＯ3 などが挙げられる。
また、他の態様は、上記のいずれかに記載の組電池を搭載し、この組電池を構成する前記リチウムイオン二次電池に蓄えた電気エネルギを、駆動源の駆動エネルギの全部または一部として使用する車両である。
前述の組電池は、リチウム二次電池の電池出力を高くできるので、この組電池を搭載する車両の性能を高くすることができる。
なお、「車両」としては、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車いす、電動アシスト自転車、電動スクータなどが挙げられる。
なお、「車両」としては、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車いす、電動アシスト自転車、電動スクータなどが挙げられる。
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、本実施形態１に係る組電池２００を示す。また、図２に、この組電池２００を構成するリチウムイオン二次電池１００を示す。更に、図３に、このリチウムイオン二次電池１００を構成する捲回型電極体（電極体）１２０を示す。また、この捲回型電極体１２０を構成する正極板１２１を図４及び図５に示し、負極板１３１を図６及び図７に示し、セパレータ１４１を図８及び図９に示す。また、図１０に、正極板１２１及び負極板１３１をセパレータ１４１を介して互いに重ねた状態を示す。また、図１１に、ケース蓋部材１１３、正極電極端子部材１５０及び負極電極端子部材１６０等の詳細を示す。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、本実施形態１に係る組電池２００を示す。また、図２に、この組電池２００を構成するリチウムイオン二次電池１００を示す。更に、図３に、このリチウムイオン二次電池１００を構成する捲回型電極体（電極体）１２０を示す。また、この捲回型電極体１２０を構成する正極板１２１を図４及び図５に示し、負極板１３１を図６及び図７に示し、セパレータ１４１を図８及び図９に示す。また、図１０に、正極板１２１及び負極板１３１をセパレータ１４１を介して互いに重ねた状態を示す。また、図１１に、ケース蓋部材１１３、正極電極端子部材１５０及び負極電極端子部材１６０等の詳細を示す。
この組電池２００は、図１に示すように、複数のリチウムイオン二次電池１００，１００，…と、これらを押圧しつつ拘束する拘束部材２１０とを備える。複数のリチウムイオン二次電池１００，１００，…は、自身の厚み方向（図１中、左右方向）に積層されており、互いに隣り合うリチウムイオン二次電池１００，１００同士は、バスバー２２０を介して互いに電気的に接続されている。
積層されたリチウムイオン二次電池１００，１００，…は、拘束部材２１０により厚み方向に押圧されている。これにより、リチウムイオン二次電池１００内に収容された後述する捲回型電極体１２０も、その厚み方向に押圧されている。拘束部材２１０による拘束圧Ｐｋは、０．５〜２ＭＰａ(具体的には１．０ＭＰａ)となっている。
各々のリチウムイオン二次電池１００は、角型電池であり、電池容量は４Ａｈである。このリチウムイオン二次電池１００は、図２に示すように、角型の電池ケース１１０、この電池ケース１１０内に収容された捲回型電極体１２０、電池ケース１１０に支持された正極電極端子部材１５０及び負極電極端子部材１６０等から構成されている。また、電池ケース１１０内には、図示しない電解液が注入されている。本実施形態１では、電解液に、１Ｍ ＬｉＰＦ6（ＥＣ／ＥＭＣ／ＤＭＣ＝１／１／１）を用いている。
このうち、電池ケース１１０は、上側のみが開口した箱状のケース本体部材１１１と、このケース本体部材１１１の開口１１１ｈを閉塞する形態で溶接された矩形板状のケース蓋部材１１３とから構成されている。ケース蓋部材１１３には、電池ケース１１０の内圧が所定圧力に達した際に破断する安全弁部１１３ｊが設けられている（図２及び図１１参照）。また、ケース蓋部材１１３には、電解液を電池ケース１１０内に注入する為の電解液注入口１１３ｄが設けられている。
また、ケース蓋部材１１３には、正極電極端子部材１５０及び負極電極端子部材１６０が、それぞれ３つの絶縁部材１８１，１８３，１８５を介して固設されている。これら正極電極端子部材１５０及び負極電極端子部材１６０は、それぞれ３つの端子金具１５１，１５３，１５５により構成されている。電池ケース１１０内において、正極電極端子部材１５０は、捲回型電極体１２０のうち正極板１２１（正極集電部１２１ｍ）に接続され、負極電極端子部材１６０は、捲回型電極体１２０のうち負極板１３１（負極集電部１３１ｍ）に接続されている。
捲回型電極体１２０は、絶縁フィルムを上側のみが開口した袋状に形成した絶縁フィルム包囲体１７０内に収容され、横倒しにした状態で、電池ケース１１０内に収容されている（図２参照）。この捲回型電極体１２０は、長尺状の正極板１２１（図４及び図５参照）と長尺状の負極板１３１（図６及び図７参照）とを、通気性を有する長尺状のセパレータ１４１（図８及び図９参照）を介して互いに重ねて軸線ＡＸ周りに捲回し、扁平状に圧縮したものである（図１０及び図２参照）。捲回型電極体１２０の軸線方向一方側ＳＡ（図２中、左側、図３及び図１０中、上方）には、正極板１２１のうち後述する正極集電部１２１ｍの幅方向の一部が、渦巻き状をなして突出している。一方、捲回型電極体１２０の軸線方向他方側ＳＢ（図２中、右側、図３及び図１０中、下方）には、負極板１３１のうち後述する負極集電部１３１ｍの幅方向の一部が、渦巻き状をなして突出している。
このうち、正極板１２１は、図４、図５及び図１０に示すように、芯材として、長尺状で厚み１５μｍのアルミニウム箔からなる正極集電箔１２２を有する。この正極集電箔１２２の両主面には、それぞれ、正極活物質層１２３，１２３が長手方向（図４及び図１０中、左右方向、図５中、紙面に直交する方向）に帯状に設けられている。この正極活物質層１２３は、正極活物質、導電剤及び結着剤からなる。具体的には、正極活物質として粒径５μｍのリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（Ｎｉ／Ｍｎ／Ｃｏ＝１／１／１）、導電剤としてアセチレンブラック、結着剤としてＰＶＤＦを用いている。
正極板１２１のうち、自身の厚み方向に正極活物質層１２３，１２３が存在する帯状の部位が、正極部１２１ｗである。この正極部１２１ｗは、捲回型電極体１２０を構成した状態において、その全域がセパレータ１４１を介して、後述する負極板１３１の負極部１３１ｗと対向している（図１０参照）。また、正極板１２１に正極部１２１ｗを形成したことに伴い、正極集電箔１２２のうち、幅方向の一端（図４及び図１０中、上方、図５中、左側）は、長手方向に帯状に延び、自身の厚み方向に正極活物質層１２３が存在しない正極集電部１２１ｍとなっている。
この正極板１２１(より具体的には、正極部１２１ｗ）の厚み方向の圧縮弾性率Ｋａは、７０〜１０００ＭＰａ（本実施形態１では７５ＭＰａ）である。また、正極活物質層１２３の密度Ｄａは、１．４〜２．４ｇ／ｃｍ3 （本実施形態１では１．７ｇ／ｃｍ3 ）である。更に、正極活物質層１２３は、後述するように、タップ密度Ｅａが１．０〜１．８ｇ／ｃｍ3 （本実施形態１では１．４５ｇ／ｃｍ3 ）の正極活物質を用いて形成されている。
また、負極板１３１は、図６、図７及び図１０に示すように、芯材として、長尺状で厚み１０μｍの銅箔からなる負極集電箔１３２を有する。この負極集電箔１３２の両主面には、それぞれ、負極活物質層１３３，１３３が、長手方向（図６及び図１０中、左右方向、図７中、紙面に直交する方向）に帯状に設けられている。この負極活物質層１３３は、負極活物質、結着剤及び増粘剤からなる。具体的には、負極活物質として粒径１０μｍの黒鉛、結着剤としてＳＢＲ、増粘剤としてＣＭＣを用いている。
負極板１３１のうち、自身の厚み方向に負極活物質層１３３，１３３が存在する帯状の部位が、負極部１３１ｗである。また、負極板１３１に負極部１３１ｗを形成したことに伴い、負極集電箔１３２のうち、幅方向の他端（図６及び図１０９中、下方、図７中、右側）は、長手方向に帯状に延び、自身の厚み方向に負極活物質層１３３が存在しない負極集電部１３１ｍとなっている。
また、セパレータ１４１（図８〜図１０参照）に示すように、多孔質のＰＥ樹脂からなり、厚み２０μｍで長尺状をなす。
また、セパレータ１４１（図８〜図１０参照）に示すように、多孔質のＰＥ樹脂からなり、厚み２０μｍで長尺状をなす。
次に、拘束部材２１０について説明する（図１参照）。この拘束部材２１０は、一対の押圧板２１１，２１１と、これらを結ぶ複数の拘束ロッド２１３，２１３，…とからなる。押圧板２１１，２１１は、積層されたリチウムイオン二次電池１００，１００，…の両側にそれぞれ配置され、積層されたリチウムイオン二次電池１００，１００，…を間に挟んでいる。拘束ロッド２１３，２１３，…は、押圧板２１１，２１１がリチウムイオン二次電池１００，１００，…をその厚み方向（図１中、左右方向）に押圧するようにして、押圧板２１１，２１１同士の間を接続している。これにより、各リチウムイオン二次電池１００，１００，…内の捲回型電極体１２０，１２０，…もその厚み方向（図１中、左右方向）にそれぞれ押圧されている。
以上で説明したように、本実施形態１の組電池２００では、正極活物質層１２３の密度Ｄａを２．４ｇ／ｃｍ3 以下の低密度としているので、正極活物質層１２３の空孔率が大きく、正極活物質層１２３内での電解液の拡散抵抗が小さくなると共に、正極活物質層１２３内に保持可能な電解液量が多くなる。従って、リチウム二次電池１００の電池出力を高くできる。しかも、正極板１２１の厚み方向の圧縮弾性率Ｋａを７０ＭＰａ以上の高弾性としているので、拘束部材２１０から受ける押圧力により、正極活物質層１２３が潰れるをの抑制できる。従って、この潰れに起因して正極活物質層１２３の空孔率が小さくなり、電池出力が低下する等の不具合を防止できる。
また、本実施形態１では、正極活物質層１２３に、タップ密度Ｅａが１．８ｇ／ｃｍ3 以下の正極活物質を用いている。このような正極活物質を用いることで、前述の低密度かつ高弾性の正極活物質層１２３を容易に形成できる。更に、正極活物質層１２３に、層状構造を有するリチウム複合酸化物である正極活物質を用いている。このような正極活物質を用いることで、前述の低密度かつ高弾性の正極活物質層を容易に形成できる。
次いで、上記の組電池２００の製造方法について説明する。
まず、リチウムイオン二次電池１００の製造方法について説明する。最初に、正極板１２１を製造する。即ち、長尺状のアルミニウム箔からなる正極集電箔１２２を用意する。また、タップ密度Ｅａが１．４５ｇ／ｃｍ3 で粒径が５μｍのリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（Ｎｉ／Ｍｎ／Ｃｏ＝１／１／１）を８５重量部、アセチレンブラックを１０重量部、ＰＶＤＦを５重量部の割合でＮＭＰ溶媒にて混練し、正極活物質ペーストを作成する。
まず、リチウムイオン二次電池１００の製造方法について説明する。最初に、正極板１２１を製造する。即ち、長尺状のアルミニウム箔からなる正極集電箔１２２を用意する。また、タップ密度Ｅａが１．４５ｇ／ｃｍ3 で粒径が５μｍのリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（Ｎｉ／Ｍｎ／Ｃｏ＝１／１／１）を８５重量部、アセチレンブラックを１０重量部、ＰＶＤＦを５重量部の割合でＮＭＰ溶媒にて混練し、正極活物質ペーストを作成する。
そして、正極集電箔１２２の一方の主面に、長手方向に延びる帯状の正極集電部１２１ｍを形成しつつ、上記の正極活物質ペーストを塗布し、熱風により乾燥させて、帯状の正極部１２１ｗを形成する。同様に、正極集電箔１２２の反対側の主面にも、帯状の正極集電部１２１ｍを形成しつつ、上記の正極活物質ペーストを塗布し、熱風により乾燥させて、帯状の正極部１２１ｗを形成する。その後、電極密度を向上させるために、加圧ロールにより正極活物質層１２３，１２３を圧縮(圧延）し、正極活物質層１２３，１２３の
密度Ｄａを１．７ｇ／ｃｍ3 とする。かくして、厚み方向の圧縮弾性率Ｋａが７５ＭＰａ、正極活物質層１２３の密度Ｄａが１．７ｇ／ｃｍ3 の正極板１２１が形成される（図４及び図５参照）。
なお、厚み方向の圧縮弾性率Ｋａ及び正極活物質層１２３の密度Ｄａの値は、正極活物質のタップ密度Ｅａと加圧ロールによる正極活物質層１２３の圧縮具合を適宜変更することにより調整できる。
密度Ｄａを１．７ｇ／ｃｍ3 とする。かくして、厚み方向の圧縮弾性率Ｋａが７５ＭＰａ、正極活物質層１２３の密度Ｄａが１．７ｇ／ｃｍ3 の正極板１２１が形成される（図４及び図５参照）。
なお、厚み方向の圧縮弾性率Ｋａ及び正極活物質層１２３の密度Ｄａの値は、正極活物質のタップ密度Ｅａと加圧ロールによる正極活物質層１２３の圧縮具合を適宜変更することにより調整できる。
また別途、負極板１３１を製造する。即ち、長尺状の銅箔からなる負極集電箔１３２を用意する。また、粒径１０μｍの黒鉛を９８重量部、ＳＢＲを１重量部、ＣＭＣを１重量部の割合で、水溶媒にて混練し、負極活物質ペーストを作成する。
そして、負極集電箔１３２の一方の主面に、長手方向に延びる帯状の負極集電部１３１ｍを形成しつつ、上記の負極活物質ペーストを塗布し、熱風により乾燥させて、帯状の負極部１３１ｗを形成する。同様に、負極集電箔１３２の反対側の主面にも、帯状の負極集電部１３１ｍを形成しつつ、上記の負極活物質ペーストを塗布し、熱風により乾燥させて、帯状の負極部１３１ｗを形成する。その後、電極密度を向上させるために、加圧ロールにより負極活物質層１３３を圧縮(圧延）する。かくして、負極板１３１が形成される
（図６及び図７参照）。
そして、負極集電箔１３２の一方の主面に、長手方向に延びる帯状の負極集電部１３１ｍを形成しつつ、上記の負極活物質ペーストを塗布し、熱風により乾燥させて、帯状の負極部１３１ｗを形成する。同様に、負極集電箔１３２の反対側の主面にも、帯状の負極集電部１３１ｍを形成しつつ、上記の負極活物質ペーストを塗布し、熱風により乾燥させて、帯状の負極部１３１ｗを形成する。その後、電極密度を向上させるために、加圧ロールにより負極活物質層１３３を圧縮(圧延）する。かくして、負極板１３１が形成される
（図６及び図７参照）。
次に、長尺状のセパレータ１４１を用意し、正極板１２１と負極板１３１とをセパレータ１４１を介して互いに重ね（図１０参照）、巻き芯を用いて軸線ＡＸ周りに捲回する。その後、これを扁平状に圧縮して、捲回型電極体１２０を形成する（図３参照）。
次に、ケース蓋部材１１３と、３種類の絶縁部材１８１，１８３，１８５と、３種類の端子金具１５１，１５３，１５５とを用意し（図１１参照）、ケース蓋部材１１３に正極電極端子部材１５０及び負極電極端子部材１６０を固設すると共に、正極電極端子部材１５０を捲回型電極体１２０の正極集電部１２１ｍに接続し、負極電極端子部材１６０を捲回型電極体１２０の負極集電部１３１ｍに接続する。
次に、ケース蓋部材１１３と、３種類の絶縁部材１８１，１８３，１８５と、３種類の端子金具１５１，１５３，１５５とを用意し（図１１参照）、ケース蓋部材１１３に正極電極端子部材１５０及び負極電極端子部材１６０を固設すると共に、正極電極端子部材１５０を捲回型電極体１２０の正極集電部１２１ｍに接続し、負極電極端子部材１６０を捲回型電極体１２０の負極集電部１３１ｍに接続する。
次に、ケース本体部材１１１を用意し、捲回型電極体１２０をケース本体部材１１１内に挿入する。その後、レーザ溶接により、ケース蓋部材１１３とケース本体部材１１１とを溶接して、電池ケース１１０を形成する。次に、電解液注入口１１３ｄから電池ケース１１０内に電解液を注入し、その後、電解液注液口１１３ｄを封止する。その後は、高温エージングや各種検査を行う。かくして、リチウムイオン二次電池１００が出来上がる。
次に、複数のリチウムイオン二次電池１００，１００，…をその厚み方向に並べ、積層したリチウムイオン二次電池１００，１００，…の両側に押圧板２１１，２１１を配置する。そして、拘束ロッド２１３，２１３，…を用いて、押圧板２１１，２１１同士の間を接続し、押圧板２１１，２１１が各リチウムイオン二次電池１００，１００，…をその厚み方向に押圧する形態に拘束する。かくして、組電池２００が完成する。
（実施例）
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験の結果について説明する。
本発明の実施例１〜６として、正極板１２１の厚み方向の圧縮弾性率Ｋａ及び正極活物質層１２３の密度Ｄａをそれぞれ変更して、６種類の組電池２００等を製造した（表１参照）。また、比較例１〜３として、正極板の厚み方向の圧縮弾性率Ｋａ及び正極活物質層の密度Ｄａをそれぞれ変更して、３種類の組電池を製造した。
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験の結果について説明する。
本発明の実施例１〜６として、正極板１２１の厚み方向の圧縮弾性率Ｋａ及び正極活物質層１２３の密度Ｄａをそれぞれ変更して、６種類の組電池２００等を製造した（表１参照）。また、比較例１〜３として、正極板の厚み方向の圧縮弾性率Ｋａ及び正極活物質層の密度Ｄａをそれぞれ変更して、３種類の組電池を製造した。
具体的には、実施例３の組電池として、上記実施形態１で説明した組電池２００（圧縮弾性率Ｋａ＝７５ＭＰａ、密度Ｄａ＝１．７ｇ／ｃｍ3 ）を用意した。
また、実施例１の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝１４２ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．４ｇ／ｃｍ3 とした。これら圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値は、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより調整した。
実施例２の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝１０６ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．１ｇ／ｃｍ3 とした。これら圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値も、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより調整した。
また、実施例１の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝１４２ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．４ｇ／ｃｍ3 とした。これら圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値は、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより調整した。
実施例２の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝１０６ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．１ｇ／ｃｍ3 とした。これら圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値も、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより調整した。
実施例４の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝１０８ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．４ｇ／ｃｍ3 とした。この実施例４では、タップ密度Ｅａが１．７６ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
実施例５の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝７５ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．１ｇ／ｃｍ3 とした。この実施例５では、タップ密度Ｅａが１．７６ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
実施例６の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝７３ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．４ｇ／ｃｍ3 とした。この実施例６では、タップ密度Ｅａが２．０９ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
実施例５の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝７５ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．１ｇ／ｃｍ3 とした。この実施例５では、タップ密度Ｅａが１．７６ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
実施例６の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝７３ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．４ｇ／ｃｍ3 とした。この実施例６では、タップ密度Ｅａが２．０９ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
一方、比較例１の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝４１ＭＰａ、密度Ｄａ＝１．７ｇ／ｃｍ3 とした。この比較例１では、タップ密度Ｅａが１．７６ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
比較例２の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝１９２ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．７ｇ／ｃｍ3 とした。この比較例２では、タップ密度Ｅａが１．４５ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
比較例３の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝３８ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．１ｇ／ｃｍ3 とした。この比較例３では、タップ密度Ｅａが２．０９ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
比較例２の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝１９２ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．７ｇ／ｃｍ3 とした。この比較例２では、タップ密度Ｅａが１．４５ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
比較例３の組電池は、上記実施形態１の組電池２００において、圧縮弾性率Ｋａ＝３８ＭＰａ、密度Ｄａ＝２．１ｇ／ｃｍ3 とした。この比較例３では、タップ密度Ｅａが２．０９ｇ／ｃｍ3 の正極活物質を用い、更に、加圧ロールによる正極活物質層の圧縮具合を変更することにより、圧縮弾性率Ｋａ及び密度Ｄａの値を調整した。
これら実施例１〜６及び比較例１〜３の各組電池２００等について、拘束部材２１０によるリチウムイオン二次電池１００等の拘束圧Ｐｋと、リチウムイオン二次電池１００等の抵抗Ｒとの関係をそれぞれ調べた。
拘束圧Ｐｋは、０．０５〜４．０ＭＰａの範囲で変更した。具体的には、拘束圧Ｐｋを、０．０５ＭＰａ、０．５ＭＰａ、１．０ＭＰａ、１．５ＭＰａ、２．０ＭＰａ、３．０ＭＰａまたは４．０ＭＰａとした。そして、各拘束圧Ｐｋで拘束した場合について、常温環境下でリチウムイオン二次電池１００等を開放電圧（ＯＣＶ）＝３．７Ｖになるまで充電し、その後、２０Ｃ（２００Ａ）の定電流で放電させ、放電開始から１０秒後の電池電圧を得、初期開放電圧（３．７Ｖ）との差から、内部抵抗による初期ＩＶ抵抗Ｒを求めた。その結果を図１２及び図１３のグラフに示す。
拘束圧Ｐｋは、０．０５〜４．０ＭＰａの範囲で変更した。具体的には、拘束圧Ｐｋを、０．０５ＭＰａ、０．５ＭＰａ、１．０ＭＰａ、１．５ＭＰａ、２．０ＭＰａ、３．０ＭＰａまたは４．０ＭＰａとした。そして、各拘束圧Ｐｋで拘束した場合について、常温環境下でリチウムイオン二次電池１００等を開放電圧（ＯＣＶ）＝３．７Ｖになるまで充電し、その後、２０Ｃ（２００Ａ）の定電流で放電させ、放電開始から１０秒後の電池電圧を得、初期開放電圧（３．７Ｖ）との差から、内部抵抗による初期ＩＶ抵抗Ｒを求めた。その結果を図１２及び図１３のグラフに示す。
前述したように、組電池２００等において、リチウムイオン二次電池１００等は、一般に０．５〜２ＭＰａの拘束圧Ｐｋにて拘束される。図１２及び図１３のグラフより、実施例１〜６では、いずれも、拘束圧Ｐｋが０．５〜２ＭＰａの範囲において、抵抗Ｒが６Ω以下の小さな値に留まっている。従って、実施例１〜６の組電池２００等では、いずれも電池出力を高くすることができる。
これら実施例１〜６に対し、比較例２では、拘束圧Ｐｋの値に拘わらず、抵抗Ｒが８Ωを越えている。このため、比較例２の組電池は、電池出力を高くできないことが判る。
また、比較例１，３では、拘束圧Ｐｋが１ＭＰａ程度までなら、抵抗Ｒが６Ω以下に留まっているものの、拘束圧Ｐｋが１ＭＰａを越えるあたりから急激に抵抗Ｒが増加し、拘束圧Ｐｋを１．５ＭＰａにすると、抵抗Ｒが８Ω程度まで大きくなる。更に、拘束圧Ｐｋを２ＭＰａとすると、抵抗Ｒが１３Ωを越えるほど大きくなる。このため、比較例１，３の組電池は、拘束圧Ｐｋを大きくする場合に、電池出力を高くできないことが判る。
また、比較例１，３では、拘束圧Ｐｋが１ＭＰａ程度までなら、抵抗Ｒが６Ω以下に留まっているものの、拘束圧Ｐｋが１ＭＰａを越えるあたりから急激に抵抗Ｒが増加し、拘束圧Ｐｋを１．５ＭＰａにすると、抵抗Ｒが８Ω程度まで大きくなる。更に、拘束圧Ｐｋを２ＭＰａとすると、抵抗Ｒが１３Ωを越えるほど大きくなる。このため、比較例１，３の組電池は、拘束圧Ｐｋを大きくする場合に、電池出力を高くできないことが判る。
ここで、拘束圧Ｐｋを０．０５ＭＰａとした場合について、実施例１〜６及び比較例１〜３における抵抗Ｒを比較すると（図１２及び図１３参照）、実施例３及び比較例１の抵抗Ｒが最も小さく、次いで実施例２，５及び比較例３の抵抗Ｒが小さかった。更にこれらに次いで、実施例１，４の抵抗Ｒが小さく、次いで実施例６の抵抗Ｒが小さく、比較例２の抵抗Ｒが最も大きかった。
これらの結果は、正極活物質層の密度Ｄａの大きさと関係している。即ち、正極活物質層の密度Ｄａが最も小さい実施例３及び比較例１が、抵抗Ｒも最も小さいなど、正極活物質層の密度Ｄａが小さいほど、抵抗Ｒも小さくなることが判る。正極活物質層の密度Ｄａが小さいほど空孔率が大きく、正極活物質層内での電解液の拡散抵抗が小さくなると共に、正極活物質層内に保持可能な電解液量が多くなるため、抵抗Ｒが小さくなるものと考えられる。前述のように、比較例２（密度Ｄａ＝２．７ｇ／ｃｍ3 ）だけは、拘束圧Ｐｋの値に拘わらず、抵抗Ｒが８Ωを越え、比較例２以外では、少なくとも拘束圧Ｐｋを小さくすれば、抵抗Ｒが６Ω以下の小さな値となる。このことから、抵抗Ｒを小さくするためには、正極活物質層の密度Ｄａを２．４ｇ／ｃｍ3 以下とするのが良いことが判る。
次に、拘束圧Ｐｋを徐々に大きくした場合の抵抗Ｒの変化（増加具合）について、実施例１〜６及び比較例１〜３で比較すると（図１２及び図１３参照）、比較例２の抵抗Ｒの増加が最も小さく、次いで実施例１の抵抗Ｒの増加が小さかった。次いで実施例２，４の抵抗Ｒの増加が小さく、次いで実施例３，５，６の抵抗Ｒの増加が小さく、比較例１，３の抵抗Ｒの増加が最も大きかった。
これらの結果は、正極板の圧縮弾性率Ｋａと関係している。即ち、正極板の圧縮弾性率Ｋａが最も大きい比較例２が、抵抗Ｒの増加が最も小さいなど、正極板の圧縮弾性率Ｋａが大きいほど、逆に抵抗Ｒの増加が小さくなることが判る。圧縮弾性率Ｋａが大きいほど、拘束圧Ｐｋによって正極活物質層が潰れるをの抑制できるために、この潰れにより正極活物質層の空孔率が低下して抵抗Ｒが増加するのを抑制できるものと考えられる。前述のように、比較例１，３は、拘束圧Ｐｋを１ＭＰａ以上とすると抵抗Ｒが急激に増加するので、一般的な拘束圧Ｐｋである０．５〜２ＭＰａの範囲において、抵抗Ｒを６Ω以下の小さな値にするには、圧縮弾性率Ｋａを７０ＭＰａ以上にするのが良いことが判る。
また、正極活物質のタップ密度Ｅａが小さいほど、正極板の圧縮弾性率Ｋａを高く形成し易い。圧縮弾性率Ｋａを７０ＭＰａ以上にするには、正極活物質のタップ密度Ｅａを１．８ｇ／ｃｍ3 以下とするのが好ましい。
（実施形態２）
次いで、第２の実施の形態について説明する。本実施形態２に係る車両７００は、上記実施形態１の組電池２００を搭載したものであり、図１４に示すように、エンジン７４０、フロントモータ７２０及びリアモータ７３０を併用して駆動するハイブリッド自動車である。
次いで、第２の実施の形態について説明する。本実施形態２に係る車両７００は、上記実施形態１の組電池２００を搭載したものであり、図１４に示すように、エンジン７４０、フロントモータ７２０及びリアモータ７３０を併用して駆動するハイブリッド自動車である。
具体的には、この車両７００は、車体７９０、エンジン７４０、これに取り付けられたフロントモータ７２０、リアモータ７３０、ケーブル７５０、インバータ７６０を備える。更に、この車両７００は、前述の組電池２００を備え、この組電池２００に蓄えられた電気エネルギを、フロントモータ７２０及びリアモータ７３０の駆動に利用している。
前述したように、組電池２００は、電池出力を高くできるので、この組電池２００を搭載する車両７００の加速性能などの性能を高くすることができる。
前述したように、組電池２００は、電池出力を高くできるので、この組電池２００を搭載する車両７００の加速性能などの性能を高くすることができる。
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態１，２に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態１，２では、正極集電箔１２２の両主面に正極活物質層１２３，１２３を形成した正極板１２１を例示したが、正極活物質層１２３は、正極集電箔１２２の一方の主面にのみ形成することもできる。
例えば、上記実施形態１，２では、正極集電箔１２２の両主面に正極活物質層１２３，１２３を形成した正極板１２１を例示したが、正極活物質層１２３は、正極集電箔１２２の一方の主面にのみ形成することもできる。
また、上記実施形態１，２では、１つの正極板１２１と１つの負極板１３１とをセパレータ１４１を介して扁平状に捲回した捲回型電極体１２０を例示したが、電極体の形態はこれに限定されない。例えば、複数の正極板と複数の負極板とをセパレータを介して交互に積層した積層型電極体とすることもできる。
また、上記実施形態１，２では、複数のリチウムイオン二次電池１００，１００，…を互いに当接させて配置しているが、例えば、隣り合うリチウムイオン二次電池１００，１００同士の間に、放熱板などを介在させることもできる。
また、上記実施形態１，２では、複数のリチウムイオン二次電池１００，１００，…を互いに当接させて配置しているが、例えば、隣り合うリチウムイオン二次電池１００，１００同士の間に、放熱板などを介在させることもできる。
１００ リチウムイオン二次電池
１２０ 捲回型電極体（電極体）
１２１ 正極板
１２２ 正極集電箔
１２３ 正極活物質層
１３１ 負極板
１３２ 負極集電箔
１３３ 負極活物質層
１４１ セパレータ
２００ 組電池
２１０ 拘束部材
２１１ 押圧板
２１３ 拘束ロッド
２２０ バスバー
７００ 車両
１２０ 捲回型電極体（電極体）
１２１ 正極板
１２２ 正極集電箔
１２３ 正極活物質層
１３１ 負極板
１３２ 負極集電箔
１３３ 負極活物質層
１４１ セパレータ
２００ 組電池
２１０ 拘束部材
２１１ 押圧板
２１３ 拘束ロッド
２２０ バスバー
７００ 車両
Claims (3)
- 正極板及び負極板をセパレータを介して、扁平状に捲回してなるまたは積層してなる電極体を有する複数のリチウムイオン二次電池と、
前記電極体をその厚み方向に押圧する形態で、前記リチウムイオン二次電池を拘束する拘束部材と、を備える
組電池であって、
前記正極板は、
正極集電箔と、この正極集電箔上に形成され、正極活物質を含む正極活物質層とを有し、
この正極板の厚み方向の圧縮弾性率Ｋａを７０ＭＰａ以上とし、かつ、前記正極活物質層の密度Ｄａを２．４ｇ／ｃｍ3 以下としてなる
組電池。 - 請求項１に記載の組電池であって、
前記正極活物質層に、タップ密度Ｅａが１．８ｇ／ｃｍ3 以下の正極活物質を用いてなる
組電池。 - 請求項１または請求項２に記載の組電池であって、
前記正極活物質層に、層状構造を有するリチウム複合酸化物である正極活物質を用いてなる
組電池。
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