JP5914635B2

JP5914635B2 - 角形二次電池モジュール

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Publication number: JP5914635B2
Application number: JP2014504563A
Authority: JP
Inventors: 稔之有賀; 佐々木　孝; 孝佐々木
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: JPWO2013136478A1; WO2013136478A1

Description

本発明は、複数の角形二次電池からなる角形二次電池モジュールに関する。

近年、電気自動車等の動力源として、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。そして、体積効率の高い角形リチウムイオン二次電池を複数組み合わせて構成した電池モジュールを、車載用に使用している。角形リチウムイオン二次電池は、例えば正極板と負極板を間にセパレータを介して捲回した扁平状の捲回電極群を有しており、その扁平状の捲回電極群を角形の外装缶に収容した構成を有している。

ところで、リチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すと、捲回電極群が膨潤して外装缶の側壁面を押圧する。特に、角形リチウムイオン二次電池は、外装缶の側壁面のうち、長辺面での耐圧強度が低いため、外装缶の長辺面が膨れるという問題がある。

したがって、角形二次電池を複数用いて構成された角形二次電池モジュールは、それぞれの電池の体積膨張を考慮して設計する必要があり、体積効率が不利になるばかりか、捲回電極群の膨張により電極板が撓み、電池の内部抵抗が増加して、十分な出力を得ることができなくなるおそれもある。

これらの問題に対し、捲回電極群の中心に捲回電極群に対して加圧力を与える軸芯を挿入し、然る後、捲回電極群を直径方向両側から圧縮して捲回電極群を扁平状に変形することにより、圧縮時に発生する初期の極板撓みを防止し、充放電サイクルの繰り返しによる内部抵抗の増加を抑制することを目的とした構造が開示されている（特許文献１）。

また、電池外部から膨張を抑制する方法として、モジュール組み立て時に、電池の冷却を兼ねて電池の膨張を抑制するように冷却用媒体を通す複数のスリット部を有するスペーサを各電池間に配置する技術が開示されている（特許文献２）。

ＷＯ０７／０９７１７２公報特開2006-48996号公報

特許文献１の技術は、携帯電話等の民生用で使用されている小型のリチウムイオン二次電池では有効な方法であるが、車載用途の大型のリチウムイオン二次電池は捲回電極群の捲回数が多いため、軸芯のみで電池の膨張や捲回電極群の極板撓みを抑制することは困難である。

また、特許文献２の技術は、電池の膨張を外部から抑制することで、一定の効果があるものの、電池内部における捲回電極群の極板撓みについては不十分であり、充放電を複数回繰り返すことにより内部抵抗が上昇するおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造により、捲回電極群に極板撓みが生じるのを抑制することができる角形二次電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、軸芯に電極板が捲回された扁平状の捲回電極群を電池容器に収容して構成された角形二次電池を複数有する角形二次電池モジュールであって、捲回電極群は、捲回電極群の捲回軸方向および扁平厚さ方向にそれぞれ直交する高さ方向の両端部から高さ方向中央部に移行するにしたがって扁平厚さ方向に漸次厚くなり、高さ方向中央部の厚さが最も厚い最厚部となる断面形状を有し、電池容器は、電池容器に収容された捲回電極群の幅広面にそれぞれ対向する一対の対向壁部を有し、複数の角形二次電池は、互いに隣り合う電池容器の対向壁部の間にスペーサを介在させて対向して配置されており、スペーサは、電池缶の対向壁部を介して捲回電極群の高さ方向中央部に対向する位置に配置された構造を有することを特徴としている。

本発明の角形二次電池モジュールによれば、各角形二次電池の捲回電極群の膨張形状を制御して、捲回電極群に極板撓みが生じるのを抑制することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施の形態に係わる角形二次電池の外観斜視図。図１に示される角形二次電池の分解斜視図。図２に示された発電要素組立体の分解斜視図。図３に示された捲回電極群の一部を展開して示す斜視図。図３に示された捲回電極群の断面図。図４に示された軸芯の断面図。本実施の形態に係わる角形二次電池モジュールの構成を説明する模式図。図７Ａの（ｂ）方向矢視図。捲回電極群の膨張形状を制御する構成を説明する概念図。従来の捲回電極群の極板撓みを説明する図。捲回電極群の膨張前と膨張後の形状を示す図。本実施の形態における捲回電極群の膨張形状の変化を説明する図。従来技術における捲回電極群の膨張形状の変化を説明する図。第２実施の形態における軸芯の断面図。第３実施の形態における軸芯の断面図。第４実施の形態における軸芯の断面図。図１５に示す軸芯の製造方法の一例を示す図。

以下、本発明の各実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１実施の形態］
図１は、本実施の形態に係わる角形リチウムイオン二次電池の外観斜視図、図２は、図１に示される角形リチウムイオン二次電池の分解斜視図である。

角形リチウムイオン二次電池１は、図１及び図２に示すように、電池容器２内に捲回電極群３を収容した構成を有している。電池容器２は、開口部１１ａを有する電池缶１１と、電池缶１１の開口部１１ａを封口する電池蓋２１とを有する。捲回電極群３は、電極板である正極板と負極板との間に、絶縁体であるセパレータを介在させて重ね合わせた状態で軸芯８０周りに扁平状に捲回した構造を有している。捲回電極群３は、その周りに、シート状の絶縁保護フィルム４１が配置された状態で電池容器２に収容されている。電池容器２は、電池缶１１と電池蓋２１からなる直方体形状を有している。

電池缶１１及び電池蓋２１は、共にアルミニウム合金で製作されており、電池蓋２１は、レーザ溶接によって電池缶１１に溶接される。電池容器２は、一対の幅広側面（長辺面）ＰＷと、一対の幅狭側面（短辺面）ＰＮと、底面ＰＢと、電池蓋２１によって、扁平角形の容器を構成する。

電池蓋２１には、絶縁部材を介して正極端子５１と負極端子６１（一対の電極端子）が配設されており、蓋組立体４を構成している。なお、電池蓋２１には、正極端子５１及び負極端子６１の他に、電池容器２内の圧力が所定値よりも上昇すると開放されて電池容器２内のガスを排出するガス排出弁７１と、電池容器２内に電解液を注入した後に注液栓７３によって閉塞される注液口７２が設けられている。

正極端子５１及び負極端子６１は、電池蓋２１の長手方向一方側と他方側の互いに離れた位置に配置されている。正極端子５１及び負極端子６１は、電池蓋２１の外側に配置される外部端子５２、６２と、電池蓋２１の内側に配置されて外部端子５２、６２に導通接続される接続端子５３、６３を有している。正極側の外部端子５２と接続端子５３は、アルミニウム合金で製作され、負極側の外部端子６２と接続端子６３は、銅合金で製作されている。

接続端子５３、６３と外部端子５２、６２は、それぞれ電池蓋２１との間に図示していない絶縁部材が介在されており、電池蓋２１から電気的に絶縁されている。接続端子５３、６３は、電池蓋２１の内側から電池缶１１の底部に向かって延出して捲回電極群３に導通接続される集電端子５４、６４を有している。捲回電極群３は、正極端子５１の集電端子５４と負極端子６１の集電端子６４との間に配置されて支持されており、蓋組立体４及び捲回電極群３によって、発電要素組立体５が構成されている。

次に、発電要素組立体５と電池缶１１との間の絶縁を図るために、絶縁保護フィルム４１で発電要素組立体５の捲回電極群３を集電端子５４、６４ごとその外側から覆い、捲回電極群３を開口部１１ａから電池缶１１内に挿入し、電池蓋２１と電池缶１１をレーザ溶接により溶接する。その後、電池蓋２１の注液口７２から電池容器２内に電解液を注入して、注液栓７３によって注液口７２を閉塞する。注液栓７３は、電池蓋２１にレーザ溶接され、注液口７２を封止する。

電解液は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の体積比１：１：１の混合溶液中にＬｉＰＦ_６（六フッ化リン酸リチウム）を１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解したものを用いる。

尚、電解質は、ＬｉＰＦ_６を使用した例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯＬｉなどやこれらの混合物を用いることができる。また、本実施形態では、非水電解液の溶媒にＥＣとＤＭＣとの混合溶媒を用いた例を示したが、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ―ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリルなど少なくとも１種以上の混合溶媒を用いるようにしてもよく、また、混合配合比についても限定されるものではない。そして、外部端子５２、６２を介して捲回電極群３から外部負荷に電力が供給され、あるいは、外部端子５２、６２を介して外部発電電力が捲回電極群３に充電される。

図３は、図２に示された発電要素組立体５の詳細を示した分解斜視図である。発電要素組立体５は、電池蓋２１に絶縁部材（図示せず）を介して正極端子５１と負極端子６１を取り付けて蓋組立体４を作製した後、正極端子５１と負極端子６１の集電端子５４、６４に、捲回電極群３の正極未塗工部３４ｂと負極未塗工部３２ｂを超音波接合して導通接続し、発電要素組立体５を作製する。

図４は、図３に示された捲回電極群の詳細を示し、一部を展開した状態の外観斜視図、図５は、捲回電極群の断面図である。捲回電極群３は、図４に示すように、セパレータ３５、負極板３２、セパレータ３３、正極板３４の順に重ねて軸芯８０周りに扁平状に捲回することによって構成される。

捲回電極群３は、図５に示すように、捲回軸方向（Ｘ方向）および扁平厚さ方向（Ｚ方向）にそれぞれ直交する高さ方向（Ｙ方向）の両端部３ｂ、３ｂから高さ方向中央部３ａに移行するにしたがって扁平厚さ方向に漸次厚くなり、高さ方向中央部３ａの扁平厚さが最も厚い最厚部となる断面楕円形状を有している。捲回電極群３は、扁平厚さ方向両側に断面が楕円弧となる一対の幅広面３１を有している。幅広面３１は、高さ方向中央部３ａよりも両端部３ｂ、３ｂ側の位置では、捲回電極群３の高さ方向（Ｙ方向）に対して傾斜した傾斜面を構成する。

捲回電極群３は、図４に示すように、最外周の電極板が負極板３２であり、さらにその外側にセパレータ３５が捲回される。セパレータ３３、３５は、正極板３４と負極板３２を絶縁する役割を有している。負極板３２の負極塗工部３２ａは、正極板３４の正極塗工部３４ａよりも幅方向に大きく、これにより正極塗工部３４ａは、必ず負極塗工部３２ａに挟まれるように構成されている。正極未塗工部３４ｂ、負極未塗工部３２ｂは、平面部分で束ねられて溶接等により外部端子５２、６２につながる各極の集電端子５４、６４に接続される。尚、セパレータ３３、３５は、幅方向で負極塗工部３２ａよりも広いが、正極未塗工部３４ｂ、負極未塗工部３２ｂで端部の金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。

正極板３４は、正極集電体である正極電極箔の両面に正極活物質合剤を塗布した正極塗工部３４ａを有し、正極電極箔の幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極未塗工部（箔露出部）３４ｂが設けられている。負極板３２は、負極集電体である負極電極箔の両面に負極活物質合剤を塗布した負極塗工部３２ａを有し、正極電極箔の幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極未塗工部（箔露出部）３２ｂが設けられている。正極未塗工部３４ｂと負極未塗工部３２ｂは、電極箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の一方側と他方側の位置に離れて配置されるように捲回される。

負極活物質合剤は、負極活物質として非晶質炭素粉末１００重量部に対して、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）を添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルビロリドン（以下、ＮＭＰという。）を添加、混練して作製した。この負極合剤を厚さ１０μｍの銅箔（負極電極箔）の両面に集電部（負極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断して銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極板を得た。なお、本実施の形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やＳｉやＳｎなどの化合物（例えば、ＳｉＯ、ＴｉＳｉ_２等）、またはそれの複合材料でもよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。

正極活物質合剤は、正極活物質としてマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）１００重量部に対し、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として１０重量部のＰＶＤＦとを添加し、これに分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練して作製した。この正極合剤を厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極電極箔）の両面に無地の集電部（正極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断してアルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極板を得た。また、本実施の形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、正極板、負極板における塗工部の結着材としてＰＶＤＦを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。

図６は、本実施の形態における軸芯の断面図である。軸芯８０は、例えば絶縁性を有する樹脂製材料を用いた平面視略矩形の板状部材によって構成されている。軸芯８０は、高さ方向（Ｙ方向）両端部である長軸方向両端部８０ｂ、８０ｂから高さ方向中央部である長軸方向中央部８０ａに移行するにしたがって扁平厚さ方向（Ｚ方向）に漸次厚くなり、長軸方向中央部８０ａの扁平厚さが最も厚い最厚部となる断面楕円形状を有している。軸芯８０の長軸方向両端部８０ｂ、８０ｂは、互いに平行に直線状に延在しており、正極板３４および負極板３２が巻き掛けられて折り返される折り返し部を構成する。

軸芯８０の短径Ｒａと長径Ｒｂは、正極活物質合剤と負極活物質合剤の種類および捲回数に応じて設定されており、軸芯８０を用いて捲回電極群３を形成した場合に、図５に示すように、捲回電極群３の高さ方向の両端部３ｂ、３ｂから高さ方向中央部３ａに移行するにしたがって扁平厚さ方向に漸次厚くなり、高さ方向中央部３ａの扁平厚さが最も厚い最厚部となる断面楕円形状となるように設定されている。

図７Ａは、本実施の形態に係わる角形二次電池モジュールの構成を説明する模式図、図７Ｂは、図７Ａの（ｂ）方向矢視図である。

角形二次電池モジュール１００は、上記構成を有する角形リチウムイオン二次電池１を複数組み合わせることによって構成されている。角形二次電池モジュール１００は、互いに隣り合う電池缶１１の幅広側面ＰＷどうしが対向するように、複数の角形リチウムイオン二次電池１を層状に配置している。各角形リチウムイオン二次電池１は、正極側と負極側を順番に入れ替えて、正極端子５１どうし或いは負極端子６１どうしが隣り合うように並べられており、各極同士をバスバー１０１で連結して直列の配置としている。

そして、互いに隣り合う角形リチウムイオン二次電池１の間には、スペーサ９０が介在されている。スペーサ９０は、電池缶１１の幅広側面ＰＷを間に介して捲回電極群３の最厚部である高さ方向中央部３ａと対向する位置、すなわち軸芯８０の最厚部である高さ方向中央部８０ａに対向する位置に配置されている。スペーサ９０は、互いに隣り合う角形リチウムイオン二次電池１の間隔を一定に保ち、充放電の繰り返しにより捲回電極群３が膨潤した場合の電池缶１１の変形を抑制する。

次に、本実施の形態において捲回電極群の膨張形状を制御する構成について、従来技術と比較しながら詳細に説明する。

図８は、捲回電極群の膨張形状を制御する構成を説明する概念図、図９は、従来技術の捲回電極群における極板撓みの発生メカニズムを説明する図である。なお、図８、図９では、理解を容易にするために、各部の変形状態を実際よりも誇張して示している。また、充電前の捲回電極群と電池缶との間隔も説明のため誇張して示している。そして、図中の仮想線（二点鎖線）は、充電前の捲回電極群の最外周の状態を示し、実線は充電により膨張した捲回電極群の最外周の状態を示している。

一般的に、リチウムイオン二次電池は、負極にリチウムイオンが層間挿入・層間脱離することで、充放電が可能となり、層間挿入の際、負極は膨張することが知られている。この負極の膨張は、物理現象であるため、捲回電極群において外向きに作用する圧力の発生を防止することは困難である。しかし、捲回電極群の電極箔は金属であるため、ほとんど延びることはなく、捲回電極群の最外周長は充放電の前後で伸縮変化しないことが確認されている。

例えば図９に示す従来技術の角形リチウムイオン二次電池２００は、断面が略トラック形状の捲回電極群２０１を有している。捲回電極群２０１は、平板状の軸芯２１１に正極板と負極板を捲回することによって構成されており、断面半円形状を有する一対の湾曲部２０２、２０２と、これら一対の湾曲部２０２、２０２の間に亘って一定厚さで延在する平坦部２０３を有している。

角形リチウムイオン二次電池２００において、充電により負極が膨張すると、捲回電極群２０１は、平坦部２０３の面積が湾曲部２０２、２０２の面積よりも大きいため、高さ方向（Ｙ方向）よりも扁平厚さ方向（Ｚ方向）に、より大きな力が作用する。

しかしながら、捲回電極群２０１は、最外周長が一定であり伸縮変化しないので、扁平厚さ方向（Ｚ方向）の膨張により、高さ方向（Ｙ方向）に圧縮する方向の力が作用し、図９に示されるように、断面が略トラック形状から楕円形状に変形する。これは、捲回電極群２０１の金属箔が平坦部２０３で扁平厚さ方向（Ｚ方向）外側に向かって移動して、湾曲部２０２の金属箔が高さ方向（Ｙ方向）に圧縮する方向に引っ張られて変移するためである。したがって、軸芯２１１には蛇行するように歪みが発生し、捲回電極群２０１には極板撓みが発生して捲回電極群２０１の一部に電極間が開いた隙間部分Ｓが発生し、抵抗値（ＤＣＲ）が上昇して電池性能が低下し、析出物の析出により寿命が短くなるおそれがある。

これに対して、本実施の形態の角形リチウムイオン二次電池１では、図８に示すように、捲回電極群３が高さ方向（Ｙ方向）の両端部３ｂから高さ方向中央部３ａに移行するにしたがって扁平厚さ方向に漸次厚くなり、高さ方向中央部３ａの厚さが最も厚い最厚部となる断面楕円形状を有しており、角形二次電池モジュール１００のスペーサ９０が電池缶１１の幅広側面ＰＷを間に介して捲回電極群３の高さ方向中央部３ａに対向する位置に配置された構成を有している。

したがって、電池缶１１内で捲回電極群３が膨張した場合に、捲回電極群３の高さ方向中央部３ａが厚さ幅方向に拡がる方向の変位がスペーサ９０によって規制され、電池缶１１の膨張が抑制される。そして、捲回電極群３の膨張に応じて、幅広面３１の傾斜面が電池缶１１の幅広側面（対向壁部）ＰＷに漸次接近し、幅広側面ＰＷに沿うようにその膨張形状が制御される。

図１０は、本発明と従来技術の捲回電極群における膨張前後の形状を示す図、図１１は、本実施の形態における捲回電極群の膨張形状の変化を説明する図、図１２は、従来技術における捲回電極群の膨張形状の変化を説明する図である。

従来技術の捲回電極群２０１は、膨張により、図１０に仮想線で示される断面トラック形状から、実線で示される断面楕円形状に変形する。したがって、膨張に応じて平坦部２０３の平行面は減少し、傾斜面が増加する。この外周長さの変化を部分的に見てみると、図１２に示すように、Ｌ１領域では膨張前後で変化せず、Ｌ２領域およびＬ３領域では膨張後の方が膨張前よりも外周長さが長くなっている。捲回電極群２０１の外周の長さは一定であることから、Ｌ２領域とＬ３領域における外周長さの増大により、Ｌ４領域における高さ方向の端部は高さ方向（Ｙ方向）に収縮する方向（図中に太矢印で示す方向）に移動する。

一方、本実施の形態における捲回電極群３は、膨張により、図１０に仮想線で示される断面楕円形状から、実線で示される断面トラック形状に変形する。したがって、幅広面３１は、傾斜面３１ａが減少して平行面３１ｂが増加する。この外周長さの変化を部分的に見てみると、図１１に示すように、Ｌ１領域からＬ３領域までは、膨張後の方が膨張前よりも外周長さが短くなっている。Ｌ４領域では、膨張後の方が膨張前よりも外周長さが長くなるが、Ｌ１領域からＬ３領域における外周長さの短縮により、結果的に、高さ方向の変形量は、従来技術よりも少なくなる（Ｌａ＜Ｌｂ）。

したがって、捲回電極群３は、膨張により高さ方向（Ｙ方向）に圧縮する方向に作用する力を従来技術よりも低減することができ、その結果、捲回電極群３に極板撓みが発生するのを抑制できる。したがって、角形リチウムイオン二次電池１を用いて角形二次電池モジュール１００を構成することにより、捲回電極群３の膨張形状を制御することができ、極板撓みを低減することができる。

［第２実施の形態］
次に、第２実施の形態について以下に説明する。なお、第１実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

図１３は、第２実施の形態の軸芯の断面図である。本実施の形態において特徴的なことは、軸芯の断面形状を菱形にしたことである。軸芯８２は、高さ方向（Ｙ方向）の両端部８２ｂ、８２ｂから高さ方向中央部８２ａに移行するにしたがって扁平厚さ方向に漸次厚くなり、高さ方向中央部８２ａの厚さが最も厚い最厚部となる断面菱形形状を有している。

軸芯８２の長軸方向両端部８２ｂ、８２ｂは、互いに平行に直線状に延在しており、正極板３４および負極板３２が巻き掛けられて折り返される折り返し部を構成する。軸芯８２は、高さ方向中央部８２ａから高さ方向両端部８２ｂ、８２ｂに向かって一定の角度で捲回面８２ｃが傾斜しており、連続的に薄くなっている。

軸芯８２の短軸長さＲｃと長軸長さＲｄは、正極活物質合剤と負極活物質合剤の種類および捲回数に応じて設定されており、軸芯８２を用いて捲回電極群を形成した場合に、捲回電極群の高さ方向の両端部から高さ方向中央部に移行するにしたがって扁平厚さ方向に漸次厚くなり、高さ方向中央部の扁平厚さが最も厚い最厚部となる断面菱形形状（図示せず）となるように設定されている。それ以外の構成については、第１実施の形態と同様に、角形リチウムイオン電池１および角形二次電池モジュール１００を作製する。

この軸芯８２を用いた結果、充電後の捲回電極群の極板撓みは、第１実施の形態と同等以上に低減された。これは、第１実施の形態と同様の理由で高さ方向の収縮による圧力が低減したものである。そして、第１実施の形態の軸芯８０と比較して、軸芯８２は、最厚部以外の部分が連続的に薄くなるため、より膨張が大きい電極材料を用いた場合に有効である。

［第３実施の形態］
次に、第３実施の形態について以下に説明する。なお、第１および第２実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

図１４は、第３実施の形態の軸芯の断面図である。本実施の形態において特徴的なことは、軸芯８３が、第２実施の形態における軸芯８２の高さ方向中央部に平坦面を設けた構成を有することである。

軸芯８３は、概ね断面菱形形状を有しており、その高さ方向中央部８３ａには、軸芯８３の捲回軸方向に亘って一定の高さ幅で互いに平行に延在する平面部８３ｄが形成されている。平面部８３ｄの高さ方向長さＲｅは、軸芯８３の高さ方向長さＲｃの２０％以下の大きさに設定されている。軸芯８３は、平面部８３ｄから高さ方向両端部８３ｂ、８３ｂに向かって一定の角度で捲回面８３ｃが傾斜しており、連続的に薄くなっている。

軸芯８３の短軸長さＲｃと長軸長さＲｄは、正極活物質合剤と負極活物質合剤の種類および捲回数に応じて設定されており、軸芯８３を用いて捲回電極群を形成した場合に、捲回電極群の高さ方向の両端部から高さ方向中央部に移行するにしたがって扁平厚さ方向に漸次厚くなり、高さ方向中央部の扁平厚さが最も厚い最厚部となる断面形状（図示せず）となるように設定されている。それ以外の構成については、第１実施の形態と同様に、角形リチウムイオン電池１および角形二次電池モジュール１００を作製する。

この軸芯８３を用いた結果、充電後の捲回電極群の極板撓みは、第１実施の形態と同等以上に低減された。これは、第１実施の形態と同様の理由で高さ方向の収縮による圧力が低減したものである。そして、第１実施の形態の軸芯８０と比較して、軸芯８３は、最厚部以外の部分が連続的に薄くなるため、より膨張が大きい電極材料を用いた場合に有効である。

［第４実施の形態］
次に、第４実施の形態について以下に説明する。なお、第１〜第３実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

図１５は、第４実施の形態の軸芯の断面図、図１６は、図１５に示す軸芯の製造方法の一例を示す図である。本実施の形態において特徴的なことは、一枚のシート８５を用いて軸芯８４を作製したことである。

軸芯８４は、一枚のシート８５を捲回することで作製される。軸芯８４は、例えば図１６に示すように、一枚のシート８５を扁平状に折り畳んで、シート端部８５ａ、８５ａどうしを高さ方向中央位置で重ね合わせて接着することにより作製される。

軸芯８４の高さ方向中央部８４ａは、シート端部８５ａ、８５ａどうしが重なり合うことで厚みの高低差を付けることができ、扁平厚さ方向に最も厚さが厚い最厚部を形成することができる。軸芯８４の厚みは、シート８５の厚みとその捲回数で調整することができる。

シート８５は、本実施の形態では、0.2mm厚みのＰＰシートを使用した。しかし、シート８５の厚みや材質についてはこれに限定されるものではなく、電池内部に配置して支障をきたさないものであればよい。

それ以外の構成については、第１実施の形態と同様に、角形リチウムイオン電池１および角形二次電池モジュール１００を作製する。この軸芯８４を用いた結果、充電後の捲回電極群の極板撓みは、第１実施の形態と同等以上に低減された。これは、第１実施の形態と同様の理由で高さ方向の収縮による圧力が低減したものである。そして、第１実施の形態の軸芯８０と比較して、軸芯８４は、より膨張が小さい電極材料を用いて捲回数も少ない場合に有効である。また、軸芯８４は、上述の各実施の形態に比べて、安価に製造でき、且つ捲回機への軸芯の装着性が向上するため、生産性を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１リチウムイオン二次電池
２電池容器
３捲回電極群
３a 高さ方向中央部（最厚部）
４蓋組立体
５発電要素組立体
１１電池缶
２１電池蓋
４１絶縁保護フィルム
５１正極端子
５２、６２外部端子
５３、６３接続端子
５４、６４集電端子
６１負極端子
７１ガス排出弁
７２注液口
７３注液栓
８０、８２、８３、８４軸芯
８０ａ、８２ａ、８３ａ、８４ａ高さ方向中央部
９０スペーサ
１００角形二次電池モジュール
１０１バスバー

Claims

軸芯に電極板が捲回された扁平状の捲回電極群を電池容器に収容して構成された角形二次電池を複数有する角形二次電池モジュールであって、
前記捲回電極群は、前記捲回電極群の捲回軸方向および扁平厚さ方向にそれぞれ直交する高さ方向の両端部から高さ方向中央部に移行するにしたがって前記扁平厚さ方向に漸次厚くなり、前記高さ方向中央部の厚さが最も厚い最厚部となる断面楕円形状を有し、
前記電池容器は、該電池容器に収容された前記捲回電極群の幅広面にそれぞれ対向する一対の対向壁部を有し、
前記複数の角形二次電池は、互いに隣り合う前記電池容器の対向壁部の間にスペーサを介在させて対向して配置されており、
前記スペーサは、前記電池容器の対向壁部を介して前記捲回電極群の前記高さ方向中央部に対向する位置に配置された構造を有し、
前記軸芯は、一枚のシートを捲回して、前記捲回電極群の高さ方向中央部に相当する位置で当該シートを複数枚重ねて接着させた接着部を有することを特徴とする角形二次電池モジュール。
前記軸芯は、一枚のシートの一方側のシート端部と他方側のシート端部とが互いに接近する方向に折り返されて前記捲回電極群の高さ方向中央部に相当する位置でシート端部どうしが重ね合わされており、
前記接着部は、前記一方側のシート端部と前記他方側のシート端部とを互いに接着していることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池モジュール。