JP6045835B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は非水電解液二次電池等の電池の構造に関する。

非水電解液二次電池の分野では、近年のエネルギーデバイスの大容量化、低コスト化に伴い、単電池の大型化がなされてきている。

非水電解液二次電池でも大型の場合、信頼性を向上させるため、樹脂フィルム等を主体とするラミネートシートで構成された外装体に代えて、金属缶を外装体として用いることが一般的である。

セパレータを挟んで対向する正極板と負極板とから成る積層構造の素電池を外装体内に収容した電池において、電池が強い衝撃や振動を受けると、素電池が外装体内を移動し、出入力端子と素電池の電極端子との接続部分が切断されることがある。

すなわち、素電池の移動が原因となって、素電池の電極端子と出入力端子との接続部分に屈伸や折り曲げ応力が働き、当該接続部分が切断されるのである。

出入力端子と素電池の電極端子との接続部分の切断を防ぐための技術として、例えば、下掲の特許文献１に開示されている技術がある。

特許文献１の技術は、ラミネート型電池について、正極、セパレータおよび負極を積層一体化した素電池の正、負極端子部にそれぞれ一端が溶接されたリード端子に略Ｓ字状折り曲げ部を設け、この略Ｓ字状折り曲げ部の屈伸変形で衝撃、振動による素電池の移動に起因した応力を吸収解消し、リード端子の切断を防止する。

特開２０００−２１５８７７号公報（２０００年８月４日公開）

しかしながら、上述の従来技術を大型電池にそのまま適用した場合、Ｓ字状に折り曲げられたリード端子の構造のみによって、出入力端子と素電池の電極端子との接続部分の切断を防止することは困難であるという問題がある。

上記問題の原因は、下記の２つの理由による。

第１に、単電池の大型化により素電池が大重量化し、従って、大型単電池の場合、小型電池の場合に比べ、外装体内での素電池の移動は激しいものとなりやすいという理由である。

素電池の重量が大きくなった分、リード端子に設けた略Ｓ字状折り曲げ部の屈伸あるいは変形のみによって、素電池の移動による応力を吸収することは困難となり、つまり、素電池の移動に伴うリード端子の切断や溶接剥離を防止することは困難になった。

また当然、素電池の外装体内での移動を制御していたリード端子が切断され、または、リード端子の溶接が剥離することによって、外装体内の素電池の移動を制御できなくなる結果、素電池と外装体とが接触し、内部短絡が発生する虞がある。

第２に、大型電池においては、一般に、ラミネートシートで構成された外装体ではなく、金属缶を外装体として用いるため、外装体内での素電池の移動が激しいものとなりやすいという理由である。

ラミネートシートは樹脂フィルム主体の柔らかな素材であるため、電池に加わる外力全体のうち、ラミネートシートによって吸収される外力の割合は大きかった。

これに対して、ラミネートシートに比べて硬い金属缶を外装体として用いる場合、外装体内の素電池には、外装体がラミネートシートで構成されている場合に比べて、電池に加わる外力全体のうち、より多くの割合の外力が加わる。

また、樹脂フィルムに比べ金属板は滑りやすいため、特に金属缶の内面を樹脂等によってコーティングしていない場合、金属缶の内面に接触するのがセパレータであったとしても、金属缶内での素電池の移動は激しいものとなりやすい。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、大型電池であって、出入力端子と素電池との断線を防ぎ、併せて、素電池と外装体との接触による内部短絡を防止する電池を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る電池は、
(A)正極および負極の電極板がセパレータを挟んで積層されて成る素電池を、一軸に沿って移動可能に外装体に収容し、上記移動によって上記素電池が離接する上記外装体の内壁に設けられた電極端子と上記電極板とが電極タブによって電気的に接続されている電池であって、
(B)上記移動によって上記素電池が上記外装体の内壁に最も接近した状態でも、上記素電池が上記外装体の内壁と接触しない位置に上記素電池を保持するとともに、上記移動によって上記素電池が上記外装体の内壁から最も離間した状態でも、上記電極タブによる電気的な接続を維持できる位置に上記素電池を保持する移動制御体を備える
ことを特徴としている。

上記の構成によれば、素電池は外装体内を動くことができるので、素電池は、電池に加えられた衝撃を、外装体内を移動することによって、緩やかに吸収し、素電池自体が直接、電池に加えられた衝撃を全て受けてしまうことがない。これにより、素電池に大きな力が加わることによって、素電池内で積層ずれが発生し、正極板と負極板とが短絡を起こしてしまうという事態を回避することができる。

また、上記の構成によれば、移動制御体によって、素電池が、外装体の内壁に最も接近した位置に移動した状態でも、外装体の内壁と接触しない位置に保持され、また、外装体の内壁から最も離間した位置に移動した状態でも、電極タブによる電気的な接続を維持できる位置に保持される。これにより、素電池と外装体との接触、つまり電池内部での短絡を防止することができる。

さらに、上記の構成によれば、移動制御体が、外装体内の素電池の移動を制御するので、外装体内の素電池の移動を原因とする、正極タブおよび負極タブの切断を防ぐことができ、つまり、素電池と出入力端子との断線を防止することができる。

また、外装体内には、素電池が移動することのできる空間が設けられているため、電池の電解液保液量が増加し、電池の長寿命化を期待することができる。

さらに、本発明に係る電池は、上記移動制御体が、上記素電池に固定され、上記素電池と共に上記外装体内を移動することが好ましい。

上記の構成によれば、さらに、素電池に固定された移動制御体が、電池内の断線および短絡を防止するとともに、外装体内を移動できることによって、素電池は、電池に加わる衝撃を穏やかに吸収することができる。

さらに、上記の構成によれば、例えば薄板を移動制御体として素電池の表面に固定することによって、素電池が外装体の内面に接触して摩耗したり破損したりするのを防ぐことができるようになる。

さらに、本発明に係る電池は、上記移動制御体が上記外装体に固定されていることが好ましい。

上記の構成によれば、さらに、外装体に固定された移動制御体が、電池内の断線および短絡を防止するとともに、外装体内を移動できることによって、素電池は、電池に加わる衝撃を穏やかに吸収することができる。また、上記移動制御体を上記素電池に固定する場合に比べて、外装体内の容積を小さくできる。

さらに、本発明に係る電池は、上記電極端子が、正極および負極がそれぞれ、上記移動によって上記素電池が離接する、対向する上記外装体の内壁の一方ずつに配設されていることが好ましい。

上記の構成によれば、さらに、正極端子と負極端子とが、異なる２つの平面に配設されている電池において、電池に加えられた衝撃による素電池の破壊と、内部短絡および内部断線とを回避することができる。

さらに、本発明に係る電池は、上記電極端子は、正極および負極の両方が、上記移動によって上記素電池が離接する、対向する上記外装体の内壁の一方に配設されていることが好ましい。

上記の構成によれば、さらに、正極端子と負極端子とが１つの平面に配設されている電池において、電池に加えられた衝撃による素電池の破壊と、内部短絡および内部断線とを回避することができる。また、電極端子の正極および負極がそれぞれ対向する外装体の内壁の一方ずつに配設される場合に比べて、外装体内の容積を小さくできる。

さらに、本発明に係る電池は上記外装体が金属製であることが好ましい。

上記の構成によれば、さらに、電池に加えられた衝撃が素電池へと伝わりやすく、さらに、外装体内を素電池が激しく移動する傾向のある、金属缶を外装体として用いた電池においても、外装体内での素電池の移動を確保することによって、素電池が緩やかに衝撃を吸収し、素電池自体が破壊されてしまう可能性を軽減することができる。

また、上記の構成によれば、移動制御体によって、電池内での切断および短絡を防止することができる。

以上のように、本発明に係る電池は、移動によって素電池が外装体の内壁に最も接近した状態でも、上記素電池が上記外装体の内壁と接触しない位置に上記素電池を保持するとともに、上記移動によって上記素電池が上記外装体の内壁から最も離間した状態でも、電極タブによる電気的な接続を維持できる位置に上記素電池を保持する移動制御体を備える構成である。

それゆえ、素電池と外装体との接触、つまり電池内部での短絡を防止することができるという効果を奏する。また、外装体内の素電池の移動を原因とする、正極タブおよび負極タブの切断、つまり、素電池と出入力端子との断線を防止することができるという効果を奏する。また、外装体内には、素電池が移動することのできる空間が設けられているため、電池の電解液保液量が増加し、電池の長寿命化を期待することができる。

本発明の一実施の形態に係る二次電池の構造を示す、素電池の積層方向に沿って切断した断面図である。 図１に示した二次電池を、電極板と電極端子との接続が分かるように、素電池の積層方向から見下ろした時の概要図である。 衝撃耐性実験を行った二次電池のサイズを整理した表である。 衝撃耐性実験結果をまとめた表である。 比較例１の実験結果を示す図である。 比較例２の実験結果を示す図である。 比較例３の実験結果を示す図である。 比較例４の実験結果を示す図である。 比較例５の実験結果を示す図である。 比較例６の実験結果を示す図である。 比較例７の実験結果を示す図である。 比較例８の実験結果を示す図である。 本発明の別の実施の形態に係る二次電池の構造を示す、素電池の積層方向に沿って切断した断面図である。 図１３に示した二次電池を、電極板と電極端子との接続が分かるように、素電池の積層方向から見下ろした時の概要図である。 本発明のさらに別の実施の形態に係る二次電池の構造を示す、素電池の積層方向に沿って切断した断面図である。 図１５に示した二次電池を、電極板と電極端子との接続が分かるように、素電池の積層方向から見下ろした時の概要図である。 図１５に示した二次電池の衝撃耐性を確認するための実験に用いた、二次電池のサイズを整理した表である。 図１７に示した二次電池の衝撃耐性実験の結果をまとめた表である。 図１５に示した二次電池の実験結果を示す図である。 図１５に示した二次電池の比較例の実験結果を示す図である。

図１〜図２０に基づいて、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお説明の便宜のため、各図において、二次電池１の形状等を誇張して描くとともに、各辺の長さをａ、ｂ、ｃ、ｄ１、ｄ２、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを用いて表し、単位はそれぞれ「ミリメートル」である。ａ、ｂ、ｃ、ｄ１、ｄ２、ｅ、ｆ、ｇ、ｈがそれぞれ、どの辺の長さに該当するかについては後述する。

（１）二次電池の概要
図１は、本発明の一実施の形態に係るリチウムイオン二次電池１の構造を示す、素電池の積層方向に沿って切断した断面図であり、図２は、二次電池１を素電池の積層方向から見下ろした時の概要図である。

なお図２は、素電池１において、正極タブ（電極タブ）１３および負極タブ（電極タブ）１４が、それぞれ正極板（電極板）１１１と負極板（電極板）１１２とに接続していることを示している。なお、セパレータ１１０、正極板１１１および負極板１１２について、積層面の長辺および短辺の長さは同じである。

図１に示すように、二次電池１は、正極板１１１と負極板１１２との間にセパレータ１１０を挟んだ積層構造の素電池１１と、素電池１１の積層方向に垂直な２つの面にカプトンテープ１８によって固定された薄板１７・１７´と、外装体１２とを含む。ここで、素電池１１は、外装体１２内に、一軸に沿って移動可能に収容されている。そして、図１において素電池１１の下方に設けられた薄板１７（移動制御体）は、上記移動によって素電池１１が外装体１２の内壁に最も接近した状態でも、素電池１１が外装体１２の内壁と接触しない位置に素電池１１を保持するとともに、上記移動によって素電池１１が外装体１２の内壁から最も離間した状態でも、電極タブ１３・１４による電気的な接続を維持できる位置に素電池１１を保持する。

正極板１１１は、外装体１２の一方の側壁に形成されている正極端子（電極端子）１５に、正極タブ１３を介して接続されており、負極板１１２は、外装体１２の他方の側壁に形成されている負極端子（電極端子）１６に、負極タブ１４を介して接続されている。

以下、素電池１１の各部について、サイズの一例を挙げながら説明する。積層面の長辺の長さａは３３５ｍｍであり、短辺の長さは１５４ｍｍ、積層方向の厚さは５ｍｍである。

薄板１７について、素電池１１の上記長辺に対応する薄板１７の長辺の長さｂは３６５ｍｍであり、短辺の長さは１５４ｍｍ、厚さは１ｍｍである。

薄板１７´の、素電池１１の積層面と平行な面のサイズは、素電池１１の積層面のサイズと同じであり、長辺の長さは３３５ｍｍであり、短辺の長さは１５４ｍｍである。また、薄板１７´の厚さは１ｍｍである。

同様に外装体１２について、素電池１１の上記長辺に対応する外装体１２の長辺の長さｃは３７５ｍｍであり、短辺の長さは１５５ｍｍ、素電池１１の積層方向に該当する、外装体１２の高さは８ｍｍである。

素電池１１の、積層面の長辺が、薄板１７および外装体１２の長辺に対応し、素電池１１の短辺は薄板１７および外装体１２の短辺に対応し、素電池１１の積層方向の厚さは薄板１７および外装体１２の厚さに対応している。

素電池１１にはカプトンテープ１８によって薄板１７・１７´が固定されており、薄板１７は、正極端子１５側には、素電池１１より１５ｍｍ長く、負極端子１６側には、素電池１１より１５ｍｍ長い。なお、素電池１１と比べた正極端子１５側の薄板１７長さの差をｅとし、負極端子１６側の差をｆとする。なお、図１に示すように、薄板１７´は、素電池１の積層面の上側に、素電池１の積層面からはみ出す部分が無いように固定され、薄板１７は、素電池１の積層面の下側に固定されている。

素電池１１の下面にカプトンテープ１８によって固定された薄板１７によって、素電池１１は、薄板１７が外装体１２内を動ける範囲で、外装体１２内を動くことができる。

具体的には、素電池１１は、積層面の長手方向に、「外装体１２の長辺の長さ−薄板１７の長辺の長さ」の分、つまり１０ｍｍの範囲で、外装体１２内を動くことができる。

また、上記のように、薄板１７は、素電池１１に対し、正極端子１５側と負極端子１６側とに、それぞれ１５ｍｍ長いため、薄板１７は、素電池１１が外装体１２の内壁に接触するのを防いでいる。

なお、上記サイズ設定から明らかなように、素電池１１の、積層方向での外装体１２内の移動可能距離は、１ｍｍであり、実質的に、外装体１２内の積層方向での素電池１１の移動は無視することができる。

正極タブ１３の長辺の長さｄ１は６０ｍｍ、短辺の長さは３０ｍｍ、厚さは１００μｍであり、負極タブ１４の長辺の長さｄ２は６０ｍｍ、短辺の長さは３０ｍｍ、厚さは１００μｍである。

正極板１１１の長手方向の一端に、正極タブ１３の長手方向の一端が溶接され、正極タブ１３の他端は、正極端子１５に溶接されている。

同様に、負極板１１２の長手方向の一端に、負極タブ１４の長手方向の一端が溶接され、負極タブ１４の他端は、負極端子１６に溶接されている。

ここで、上記のように、素電池１１の長辺の長さは３３５ｍｍであり、外装体１２の長辺の長さは３７５ｍｍであり、また、薄板１７は、正極端子１５側には、素電池１１より１５ｍｍ長く、負極端子１６側には、素電池１１より１５ｍｍ長い。

素電池１１が外装体１２内を最も負極端子１６側に移動した場合、正極板１１１と正極端子１５との距離は、最も離れ、その長さは、「外装体１２の長辺−薄板１７の長辺＋正極端子１５側の薄板１７と素電池１１との距離の差」であり、２５ｍｍである。

正極タブ１３の、正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向の長さは６０ｍｍであるため、素電池１１が最も負極端子１６側に移動した場合であっても、正極タブ１３がこの移動によって切断されることはない。

同様に、負極タブ１４は、素電池１１が最も正極端子１５側に移動した場合であっても、この移動によって切断されることはない。

なお、素電池１１が外装体１２のほぼ中央に位置している時、図１に示すように、正極タブ１３および負極タブ１４は略Ｎ字型に歪んでいる。

これまで述べてきた内容をまとめると、二次電池１は下記の構造を有している。

すなわち、第１に、素電池１１は、正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向と、負極端子１６と負極板１１２とを結ぶ方向とについて、素電池１１よりも長く、外装体１２よりも短い薄板１７と固定されている。従って、素電池１１は、薄板１７と共に、正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向、または負極端子１６と負極板１１２とを結ぶ方向に、外装体１２内を移動することができる。

つまり、端子接続方向に素電池１１が、外装ケース１２内を移動することができ、素電池１１は電池１に加えられた衝撃を緩やかに吸収し、素電池１１自体が直接、電池１に加えられた衝撃を受けることがない。これにより、素電池１１に大きな力が加わることで、素電池１１内で、積層ずれが発生し、正極板１１１と負極板１１２とが短絡を起こしてしまうという事態を回避することができる。

第２に、正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向と、負極端子１６と負極板１１２とを結ぶ方向とに、薄板１７は素電池１１よりも長い。従って、正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向と、負極端子１６と負極板１１２とを結ぶ方向とについて、素電池１１が外装体１２内を移動しても、素電池１１と外装体１２とは接触することがなく、短絡の可能性を抑制することができる。

第３に、正極タブ１３は、「正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向における、外装体１２の長さ−薄板１７の長さ−正極端子１５側の薄板１７と素電池１１との距離の差」以上の長さを、正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向に、有している。また、負極タブ１４は、「負極端子１６と負極板１１２とを結ぶ方向における、外装体１２の長さ−薄板１７の長さ−負極端子１６側の薄板１７と素電池１１との距離の差」以上の長さを、負極端子１６と負極板１１２とを結ぶ方向に、有している。

従って、正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向、または負極端子１６と負極板１１２とを結ぶ方向に、素電池１１が、外装体１２内を移動しても、この移動によって、正極タブ１３および負極タブ１４が切断されることはない。つまり、電池１において、外装体１２内での素電池１１の移動を原因とする内部断線を防止することができる。

第４に、外部からの衝撃や振動により素電池１１が外装体１２内を動く際にも、薄板１７は、素電池１１が外装体１２の内面に接触して摩耗したり破損したりするのを防ぐことができる。

第５に、素電池１１と外装体１２との間に空間が設けられているため、二次電池１の電解液保液量が増加し、二次電池１の長寿命化を期待することができる。

なお、ａ，ｂ，ｃ，ｄ１，ｄ２，ｅ，ｆのそれぞれについて、再度整理しておくと、ａとは、素電池１１の長辺の長さであり、ｂとは、薄板１７の長辺の長さであり、ｃとは、外装体１２の長辺の長さである。また、ｄ１とは、正極タブ１３の正極端子１５と正極板１１１とを接続する方向の長さであり、ｄ２とは、負極タブ１４の負極端子１６と負極板１１２とを接続する方向の長さである。さらに、ｅとは、正極端子１５側の、素電池１１と薄板１７との長辺の長さの差の大きさであり、ｆとは、負極端子１６側の、素電池１１と薄板１７との長辺の長さの差の大きさである。

（２）二次電池の製造方法
二次電池１は、例えば、以下の手順で作製することができる。

（正極）
まず、正極活物質粉末を導電材、バインダー、増粘材、イオン交換水と攪拌しペーストを得る。なお、正極活物質粉末としては、住友大阪セメント製の鉄リン酸リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を、導電材としては、電気化学工業製の商品名「デンカブラック」を用い、バインダーはＪＳＲ製、増粘材は第一工業製薬製のものを用いることができる。

その後、上記ペーストを圧延アルミニウム箔（厚さ：２０μｍ）上にダイコーターを用いて両面に塗布し（乾燥電極厚：２９０μm）、空気中１００℃で３０分間乾燥し、プレス加工して正極板１１１（塗工面サイズ：３００ｍｍ（縦）×１５０ｍｍ（横）、未塗工部：９ｍｍ（縦）×１５０ｍｍ（横））を得る。

（負極）
まず、日立化成製の負極活物質粉末を、日本ゼオン製のバインダーと、ダイセル製の増粘材と、イオン交換水と攪拌しペーストを得る。

その後、上記ペーストを、圧延銅箔（厚さ：１０μｍ）上にダイコーターを用いて両面に塗布し（乾燥電極厚：１８０μm）、空気中１００℃で３０分間乾燥し、プレス加工して負極板１１２（塗工面サイズ：３０４ｍｍ（縦）×１５４ｍｍ（横）、未塗工部：９ｍｍ（縦）×１５４ｍｍ（横））を得る。

（セパレータ）
セパレータ１１０には、セルガード社製の商品名「セルガード２５００」を用いることができる。

（タブ部）
アルミニウム箔（厚さ：１００μm 幅：３０ｍｍ）を６０ｍｍの長さにカットし、正極タブ１３とする。ニッケル箔(厚さ：１００μｍ 幅：３０ｍｍ)を６０ｍｍの長さにカットし、負極タブ１４とする。それぞれについて、外装体１２と素電池１１との間に収まり、かつ伸縮できるよう、略Ｎ字型に加工する。

（薄板）
素電池１１に固定する薄板１７・１７´として、厚み１ｍｍのポリプロピレン製の板（以下、ＰＰ板と略記する）を用いることができる。薄板１７・１７´は、それぞれ、素電池１１の上面と下面とに設置し、カプトンテープを用いて素電池１１に固定する。

（二次電池）
上記正極板１１１および負極板１１２を１３０℃で２４時間減圧乾燥し、アルゴン雰囲気下のグローブボックス中に入れる。以下の電池組み立ては全て、上記グローブボックス内で、室温下で行う。

９枚の正極板１１１と、１０枚の負極板１１２と、セパレータ１１０とを用い、図１のように、一番外側にセパレータ１１０が来るようにし、次に負極板１１２を、さらにセパレータ１１０を介して正極板１１１を、という順序で積層させ、素電池１１を形成する。

正極板１１１の短辺の未塗工部に、上記アルミニウム製正極タブ１３を、負極板１１２の短辺の未塗工部に、上記ニッケル製負極タブ１４を、超音波溶接する。

薄板１７・１７´の中心と素電池１１の中心とが揃うようにして、素電池１１の上面と下面とを薄板１７・１７´で挟みこみ、カプトンテープ１８によって固定する。

薄板１７の固定された素電池１１を、外装体１２内に挿入する。

その後、予め外装体１２と絶縁するように外装体１２の側壁に取り付けた正極端子１５および負極端子１６に、それぞれ、正極タブ１３および負極タブ１４の端を溶接し、最後に別途準備したアルミニウム缶用の蓋を用いて、外装体１２を封止する。

さらにエチレンカーボネート（ＥＣ、Ethylene Carbonate）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ、Diethyl Carbonate）を、体積比１：２で混合した溶媒に、１モル濃度のヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を溶解させた電解液を外装体１２内へ真空注液し、図１のような２０アンペア時の容量を有する大型蓄電池１を作製する。

（３）比較例を用いた検証
本実施の形態に係る二次電池１の衝撃耐性を確認するため、実施例１、および比較例１から８に対し、正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向、または負極端子１６と負極板１１２とを結ぶ方向から衝撃を加える実験を行った。

図３は、衝撃耐性実験を行った、実施例１、および比較例１から８までの二次電池のサイズを整理した図であり、図４は、衝撃耐性実験結果をまとめた図である。

図５〜１２は、それぞれ、比較例１〜８の実験結果を示す図である。

なお、実施例１とは、二次電池１１を指すものであり、上記までの説明、および図４に示す衝撃耐性実験の結果からも明らかなように、実施例１は、内部断線および内部短絡の発生がなかった。

また、比較例１から８は、それぞれ、薄板１７の長辺の長さｂ、正極タブ１３の長辺の長さｄ１、負極タブ１４の長辺の長さｄ２、正極端子１５側の、素電池１１と薄板１７との長辺の長さの差の大きさｅ、負極端子１６側の、素電池１１と薄板１７との長辺の長さの差の大きさｆ、の少なくとも１つが、二次電池１とは異なる二次電池である。

（比較例の内容）
図３に示すように、比較例１〜３は、それぞれ、正極タブ１３、負極タブ１４の少なくとも一方が、二次電池１、つまり実施例１の場合と比べて短く、２０ｍｍであるが、その他のサイズについては、実施例１と同じである。

従って、比較例１〜３の素電池１１が外装体１２内を最も負極端子１６側に移動した場合、正極板１１１と正極端子１５との距離は、最も離れ、その長さは、「外装体１２の長辺−薄板１７の長辺＋正極端子１５側の薄板１７と素電池１１との距離の差」であり、２５ｍｍである。

同様に、比較例１〜３の素電池１１が外装体１２内を最も正極端子１５側に移動した場合、負極板１１２と負極端子１６との距離は、最も離れ、その長さは、「外装体１２の長辺−薄板１７の長辺＋負極端子１６側の薄板１７と素電池１１との距離の差」であり、２５ｍｍである。

比較例１の二次電池は、正極板１１１と正極端子１５とを接続する正極タブ１３の長さと、負極板１１２と負極端子１６とを接続する負極タブ１４の長さとが、ともに２０ｍｍである。

比較例２の二次電池は正極タブ１３のみが短く、比較例３の二次電池は負極タブ１４のみが短い。

図５の（Ａ）に示すように、比較例１の二次電池は、素電池１１が外装体１２内の中央に位置する時には、正極タブ１３と負極タブ１４とはともに切断されておらず、正極板１１１と正極端子１５との接続、および負極板１１２と負極端子１６との接続に問題はない。

しかし、（Ｂ）に示すように、素電池１１が、外装体１２内を正極端子１５側に、つまり図の左側にずれた場合、上記のように、負極板１１２と負極端子１６との距離は２５ｍｍとなり、２０ｍｍの長さの負極タブ１４は切断される。

同様に、（Ｃ）に示すように、素電池１１が、外装体１２内を負極端子１６側に、つまり図の右側にずれた場合、上記のように、正極板１１１と正極端子１５との距離は２５ｍｍとなり、２０ｍｍの長さの正極タブ１３は切断される。

なお、図５〜１２において、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、比較例１〜７の素電池１１が、外装体１２の「中央に位置する場合」、「正極端子１５側（図の左側）にずれた場合」、「負極端子１６側（図の右側）にずれた場合」を示している。

正極タブ１３の長さが２０ｍｍであり、負極タブ１４は６０ｍｍである比較例２の二次電池は、図６に示すように、素電池１１が、外装体１２内の「中央に位置する場合」、「正極端子１５側（図の左側）にずれた場合」には問題ない。

しかし、「負極端子１６側（図の右側）にずれた場合」、正極板１１１と正極端子１５との距離は２５ｍｍとなり、２０ｍｍの長さの正極タブ１３は切断される。

同様に、正極タブ１３の長さが６０ｍｍであり、負極タブ１４は２０ｍｍである比較例３の二次電池は、図７に示すように、素電池１１が、外装体１２内の「中央に位置する場合」、「負極端子１６側（図の右側）にずれた場合」には問題ない。

しかし、「正極端子１５側（図の左側）にずれた場合」、負極板１１２と負極端子１６との距離は２５ｍｍとなり、２０ｍｍの長さの負極タブ１４は切断される。

なお、衝撃耐性実験の結果をまとめた図４に示すように、比較例１〜３の二次電池は、素電池１１の積層面の長手方向について、素電池１１よりも長い薄板１７が素電池１１に固定されているため、素電池１１と外装体１２との接触に伴う短絡は防止することができている。

比較例４〜７は、実施例１に比べ、薄板１７が、素電池１１の積層面の長手方向に、素電池１１よりも短い点が共通している。

実施例１との違いについて、比較例４は、薄板１７が素電池１１よりも短く、比較例５は、さらに正極タブ１３と負極タブ１４とがともに短く、比較例６は、正極タブ１３のみが短く、比較例７は、負極タブ１４のみが短い。

比較例４の二次電池について、正極タブ１３および負極タブ１４は、二次電池１と同様に６０ｍｍであり、従って、図８に示すように、素電池１１が、外装体１２の「中央に位置する場合」、「正極端子１５側（図の左側）にずれた場合」、「負極端子１６側（図の右側）にずれた場合」のいずれにおいても、切断されることはない。

しかし、比較例４の二次電池について、薄板１７は、素電池１１の積層面の長手方向について、素電池１１よりも短い。

従って、比較例４において、素電池１１が、素電池１１の積層面の長手方向に、外装体１２内を移動する場合、素電池１１は外装体１２の内壁と接触してしまい、短絡が発生した。

比較例５の二次電池について、正極タブ１３および負極タブ１４は、比較例１と同様に、２０ｍｍである。従って、比較例１の場合と同様に、比較例５の二次電池は、素電池１１が、外装体１２の「正極端子１５側（図の左側）」、または「負極端子１６側（図の右側）」にずれた場合、負極タブ１４または正極タブ１３が切断される。

また、比較例５の二次電池は、比較例４の場合と同様に、薄板１７が、素電池１１の積層面の長手方向について、素電池１１よりも短い。

従って、比較例５においても、素電池１１が、素電池１１の積層面の長手方向に、外装体１２内を移動する場合、素電池１１は外装体１２の内壁と接触してしまい、短絡が発生する。

比較例６の二次電池は、比較例２の場合と同様に、正極タブ１３の長さが２０ｍｍであり、負極タブ１４は６０ｍｍであり、また、比較例４の場合と同様に、薄板１７が、素電池１１の積層面の長手方向について、素電池１１よりも短い。

従って、比較例６の二次電池は、「負極端子１６側（図の右側）にずれた場合」、正極板１１１と正極端子１５との距離は２５ｍｍとなり、２０ｍｍの長さの正極タブ１３は切断される。

また、比較例６においても、素電池１１が、素電池１１の積層面の長手方向に、外装体１２内を移動する場合、素電池１１は外装体１２の内壁と接触してしまい、短絡が発生する。

比較例７の二次電池は、比較例３の場合と同様に、正極タブ１３の長さが６０ｍｍであり、負極タブ１４は２０ｍｍであり、また、比較例４の場合と同様に、薄板１７が、素電池１１の積層面の長手方向について、素電池１１よりも短い。

従って、比較例７の二次電池は、「正極端子１５側（図の左側）にずれた場合」、負極板１１２と負極端子１６との距離は２５ｍｍとなり、２０ｍｍの長さの負極タブ１４は切断される。

また、比較例７においても、素電池１１が、素電池１１の積層面の長手方向に、外装体１２内を移動する場合、素電池１１は外装体１２の内壁と接触してしまい、短絡が発生する。

比較例８の電池は、二次電池１に比べ、薄板１７が、素電池１１の積層面の長手方向に長く、比較例８の薄板１７と外装体１２とは、素電池１１の積層面の長手方向について、同じ長さである。

従って、薄板１７に固定されている素電池１１は、外装体１２内を、素電池１１の積層面の長手方向に移動することはなく、正極タブ１３と負極タブ１４の少なくとも一方が切断されることも、素電池１１が外装ケース１２に接触することもなかった。

しかし、比較例８の電池に衝撃を与えた場合、素電池１１は、外装体１２内を移動することによって衝撃を緩やかに受け止めることができないため、素電池１１自体が破損してしまうケースが観測された。具体的には、素電池１１内で積層ずれが発生し、正極板１１１と負極板１１２との短絡が発生するケースが観測された。

〔変形例１〕
（４）変形例の概要
二次電池１は、正極端子１５と負極端子１６とが、外装体１２の対向する２つの平行面のそれぞれに設けていたが、本発明に係る二次電池は、正極端子と負極端子とが、外装体の１つの面に設けられていてもよい。

本発明の別の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池２は、正極端子１５と負極端子１６とが、外装体１２の同じ側壁に設けられている。

図１３は、二次電池２の構造を示す、素電池の積層方向に沿って切断した断面図であり、図１４は、二次電池２の構造を示す、素電池の積層方向から見下ろした時の概要図である。

なお、図１３において、正極端子１５と負極端子とは上下の位置関係に立っているかのように描かれているが、実際には、正極端子１５と負極端子とは同じ高さにあってもよく、図示のために上下の差を設けているに過ぎない。

また、図１４において、正極板１１１と負極板１１２とは、同一平面上で並置しているかのように見えるが、実際には、正極板１１１と負極板１１２とは、セパレータを介した積層構造を成している。

二次電池２は、図１３および図１４に示すように、正極端子１５と負極端子１６とが、外装体１２の１つの側壁に設けられているが、この点を除けば、二次電池１とに違いはない。

〔変形例２〕
（５）変形例の概要
図１５は、本発明のさらに別の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池３の構造を示す、素電池の積層方向に沿って切断した断面図であり、図１６は、二次電池３の構造を示す、素電池の積層方向から見下ろした時の概要図である。

二次電池３は、素電池１１の外装体１２内での移動を制御するために、薄板１７の代わりに、樹脂製のストッパー（移動制御体）１９を外装体１２内に備えている。

ストッパー１９と正極端子１５の配置されている外装体１２の側壁と間の距離ｇは５ｍｍであり、ストッパー１９と負極端子１６の配置されている外装体１２の側壁と間の距離ｈは５ｍｍである。

素電池１１および外装体１２のサイズは、二次電池１と同じである。つまり、素電池１１の積層面の長手方向について、外装体１２の長さｃは３７５ｍｍであり、素電池１１の長さｂは３３５ｍｍである。

従って、素電池１１の積層面の長手方向について、「外装体１２の長さｃ−素電池１１の長さｂ−正極端子１５側のストッパー１９と正極端子１５の配置されている外装体１２の側壁と間の距離ｇ」は、３５ｍｍである。

つまり、素電池１１が外装体１２内を最も負極端子１６側に移動した場合、正極端子１５と正極板１１１との距離は最大となり、３５ｍｍとなる。

同様に、素電池１１の積層面の長手方向について、「外装体１２の長さｃ−素電池１１の長さｂ−負極端子１６側のストッパー１９と負極端子１６の配置されている外装体１２の側壁と間の距離ｇ」は、３５ｍｍである。

つまり、素電池１１が外装体１２内を最も正極端子１５側に移動した場合、負極端子１６と負極板１１２との距離は最大となり、３５ｍｍとなる。

正極タブ１３および負極タブ１４は、素電池１１が外装体１２内を、素電池１１の積層面の長手方向に移動しても切断されないように、それぞれ、素電池１１の積層面の長手方向に、６０ｍｍの長さを有する。

（６）変形例の検証
二次電池３の衝撃耐性を確認するため、上記衝撃耐性実験と同様の、つまり、正極端子１５と正極板１１１とを結ぶ方向、または負極端子１６と負極板１１２とを結ぶ方向からの衝撃を、二次電池３および二次電３に類似する電池に加える実験を行った。

図１７は、実験に用いた二次電池のサイズを整理した図であり、実施例２とは二次電池３を指す。また、比較例９は、二次電池３の正極タブ１３および負極タブ１４のサイズのみを変更し、３０ｍｍとした二次電池である。

図１８は、上記衝撃耐性実験の結果をまとめた図である。

図１９は、実施例２の、つまり二次電池３の実験結果を示す図であり、図２０は、比較例９の実験結果を示す図である。

上記のように、正極タブ１３は、素電池１１の積層面の長手方向に、６０ｍｍの長さを有し、正極端子１５と正極板１１１との距離は、最大でも３５ｍｍである。

従って、図１９に示すように、素電池１１の外装体１２内の移動によって、正極タブ１３が切断されることはない。

同様に、負極タブ１４は、素電池１１の積層面の長手方向に、６０ｍｍの長さを有し、負極端子１６と負極板１１２との距離は、最大でも３５ｍｍであるため、素電池１１の外装体１２内の移動によって、負極タブ１４が切断されることはない。

また、素電池１１の積層面の長手方向について、素電池１１と外装体１２との間に存在するストッパー１９によって、素電池１１と外装体１２とが接触することはない。

実施例９の電池について、正極タブ１３は、素電池１１の積層面の長手方向に、３０ｍｍの長さを有し、正極端子１５と正極板１１１との距離は、最大で３５ｍｍである。

同様に、負極タブ１４は、素電池１１の積層面の長手方向に、３０ｍｍの長さを有し、負極端子１６と負極板１１２との距離は、最大で３５ｍｍである。

従って、図２０に示すように、素電池１１が外装体１２内を負極端子１６側に移動するによって、正極タブ１３は切断され、素電池１１が外装体１２内を正極端子１５側に移動するによって、負極タブ１４は切断される。

ただし、素電池１１の積層面の長手方向について、素電池１１と外装体１２との間に存在するストッパー１９によって、素電池１１と外装体１２とが接触することはない。

二次電池１および２について、薄板１７・１７´が、素電池１１の上面と下面の両方に固定されているとしてきたが、薄板１７によって、外装体１２内での素電池１１の移動を制御できればよく、素電池１１の上面と下面のいずれかに一方にのみ、薄板１７が固定され、薄板１７´は固定されていないとしてもよい。

同様に、素電池１１の上面と下面とに固定されている薄板１７・１７´は、同じ大きさであってもよい。その場合、薄板１７と１７´とが、外装体１２内の素電池の移動を制御する。

薄板１７についてはさらに、エネルギー効率の観点から、薄板１７は硬くて軽い材質のものであればよく、ＰＰ板に限られない。また、セパレータ１１０によって、素電池１１と外装ケース１２との絶縁は既に確保されているため、薄板１７について、絶縁性は必須の性質ではない。しかし、薄板１７は絶縁性を有していてもよい。

薄板１７と同様に、ストッパー１９もまた、外装体１２の上面と下面の両方に固定されている必要はなく、どちらか１つの面にだけ固定されているのでもよい。また、上面に固定されているストッパー１９と下面に固定されているストッパー１９とが、正極端子１５の設けられている側壁および負極端子１６の設けられている側壁から同じ距離で離れていなければならない訳ではない。

以上に述べた本発明に係る二次電池の具体例について、下記に整理する。

本発明に係る電池は、セパレータを挟んで対向する正極板と負極板とから成る積層構造の素電池と、素電池の積層面に固定された移動制御体としての薄板と、素電池および薄板を収容する外装体と、外装体の２つの平行する壁面のそれぞれに設けられた正極端子および負極端子と、素電池の正極板および負極板を正極端子および負極端子へとそれぞれ電気的に接続する正極タブおよび負極タブとを含み、正極端子および負極端子が設けられた、外装体の２つの平行する壁面は、素電池の積層面に平行せず、壁面に直交する方向について、薄板は、素電池よりも、正極端子側と負極端子側の両側において長く、さらに、薄板は外装体よりも短く、壁面に直交する方向について、正極タブは、壁面に直交する方向の「外装体の長さ−薄板の長さ＋正極端子側における薄板と素電池との間の距離」以上の長さを有し、壁面に直交する方向について、負極タブは、壁面に直交する方向の「外装体の長さ−薄板の長さ＋負極端子側における薄板と素電池との間の距離」以上の長さを有するものであってもよい。

本発明に係る電池は、セパレータを挟んで対向する正極板と負極板とから成る積層構造の素電池と、素電池の積層面に固定された移動制御体としての薄板と、素電池および薄板を収容する外装体と、正極端子および負極端子と、正極板および負極板を正極端子および負極端子へとそれぞれ電気的に接続する正極タブおよび負極タブとを含み、正極端子および負極端子は、素電池の積層面と平行ではない、外装体の１つに壁面の設けられており、壁面に直交する方向について、薄板は、素電池よりも、壁面側と壁面と平行な外装体の他方の壁面側の両側において長く、さらに、薄板は外装体よりも短く、壁面に直交する方向について、正極タブおよび負極タブは、壁面に直交する方向の「外装体の長さ−薄板の長さ＋壁面側における薄板と素電池との間の距離」以上の長さを有するものであってもよい。

本発明に係る電池は、セパレータを挟んで対向する正極板と負極板とから成る積層構造の素電池と、素電池を収容する外装体と、外装体の、素電池の積層面に平行な面の内側に移動制御体として固定されたストッパーと、外装体の２つの平行する壁面のそれぞれに設けられた正極端子および負極端子と、正極板および負極板を当該正極端子および負極端子へとそれぞれ電気的に接続する正極タブおよび負極タブとを含み、正極端子および負極端子が設けられた、外装体の２つの平行する壁面は素電池の積層面に平行せず、ストッパーは、正極端子が設けられている壁面の内側と素電池との間と、負極端子が設けられている壁面の内側と素電池との間とに固定されており、壁面に直交する方向について、正極タブは、壁面に直交する方向の「外装体の長さ−素電池の長さ−ストッパーの内、負極側にあるストッパーと負極端子が設けられている壁面との間の距離」以上の長さを有し、壁面に直交する方向について、負極タブは、壁面に直交する方向の「外装体の長さ−素電池の長さ−ストッパーの内、正極側にあるストッパーと負極端子が設けられている壁面との間の距離」以上の長さを有するものであってもよい。

本発明に係る電池は、セパレータを挟んで対向する正極板と負極板とから成る積層構造の素電池と、素電池を収容する外装体と、外装体の当該素電池の積層面に平行な面の内側に移動制御体として固定されたストッパーと、正極端子および負極端子と、正極板および負極板を正極端子および負極端子へとそれぞれ電気的に接続する正極タブおよび負極タブとを含み、正極端子および負極端子は、素電池の積層面と平行ではない、外装体の１つに壁面の設けられており、ストッパーは、正極端子および負極端子が設けられている壁面の内側と素電池との間と、正極端子および負極端子が設けられている壁面と平行である、外装体の他方の壁面の内側と素電池の間とに固定されており、正極端子および負極端子が設けられている壁面に直交する方向について、正極タブおよび負極タブは、正極端子および負極端子が設けられている壁面に直交する方向の「外装体の長さ−素電池の長さ−ストッパーの内、正極端子および負極端子が設けられている壁面側にあるストッパーと壁面との間の距離」以上の長さを有するものであってもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、出入力端子と素電池との断線を防ぎ、併せて、素電池と外装体との接触による内部短絡を防止する電池を実現するものであるため、電池全般に広く利用できるものであり、特に、外装体として金属缶を用いた大型のリチウムイオン二次電池に好適に利用できる。

１ 電池
１１ 素電池
１２ 外装体
１３ 正極タブ（電極タブ）
１４ 負極タブ（電極タブ）
１５ 正極端子（電極端子）
１６ 負極端子（電極端子）
１７ 薄板（移動制御体）
１９ ストッパー（移動制御体）
１１０ セパレータ
１１１ 正極板（電極板）
１１２ 負極板（電極板）

Claims (5)

1. 正極および負極の電極板がセパレータを挟んで積層されて成る素電池を、一軸に沿って移動可能に外装体に収容し、上記移動によって上記素電池が離接する上記外装体の内壁に設けられた電極端子と上記電極板とが電極タブによって電気的に接続されている電池であって、
   上記移動によって上記素電池が上記外装体の内壁に最も接近した状態でも、上記素電池が上記外装体の内壁と接触しない位置に上記素電池を保持するとともに、上記移動によって上記素電池が上記外装体の内壁から最も離間した状態でも、上記電極タブによる電気的な接続を維持できる位置に上記素電池を保持する移動制御体を備え、
   上記移動制御体は、上記素電池に固定され、上記素電池と共に上記外装体内を移動し、正極の上記電極端子と正極の上記電極板を結ぶ方向と、負極の上記電極端子と負極の上記電極板とを結ぶ方向とについて、上記素電池よりも長く、上記外装体よりも短い
   ことを特徴とする電池。
2. 正極および負極の電極板がセパレータを挟んで積層されて成る素電池を、一軸に沿って移動可能に外装体に収容し、上記移動によって上記素電池が離接する上記外装体の内壁に設けられた電極端子と上記電極板とが電極タブによって電気的に接続されている電池であって、
   上記移動によって上記素電池が上記外装体の内壁に最も接近した状態でも、上記素電池が上記外装体の内壁と接触しない位置に上記素電池を保持するとともに、上記移動によって上記素電池が上記外装体の内壁から最も離間した状態でも、上記電極タブによる電気的な接続を維持できる位置に上記素電池を保持する移動制御体を備え、
   上記移動制御体は、上記外装体に固定されている
   ことを特徴とする電池。
3. 上記電極端子は、正極および負極がそれぞれ、上記移動によって上記素電池が離接する、対向する上記外装体の内壁の一方ずつに配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池。
4. 上記電極端子は、正極および負極の両方が、上記移動によって上記素電池が離接する、対向する上記外装体の内壁の一方に配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池。
5. 上記外装体は金属製であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電池。

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