JP6350865B2

JP6350865B2 - 電池

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Publication number: JP6350865B2
Application number: JP2014226475A
Authority: JP
Inventors: 克史斉藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2034-11-06
Also published as: JP2016091859A

Description

本発明は、電池に関する。

近年、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の電池は、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられている。この種の電池の一つの典型的な形態として、シート状正極とシート状負極をセパレータと共に積層し捲回させた捲回電極体を備えた電池構造が知られている。

この種の電池においては、電池ケースの外部から釘等の鋭利な異物が突き刺さると、電池内部で正極と負極とが突き刺された異物を介して短絡し、発熱が生じることが想定される。かかる問題に対して、例えば、特開２０１４−０６００１２号公報（特許文献１）には、電池外装材（電池ケース）の外表面を絶縁性部材で被覆し、該絶縁性部材が電池を貫通する長さまで伸びるようにした電池が開示されている。ここでは、電池に釘等の異物が刺さった場合でも、電池外装材の外表面を覆う絶縁性部材が貫通されずに伸びて釘等の異物を被覆する。これにより、電池内部の電極と釘等の異物との電気的絶縁が保たれ、電流パス（短絡）の形成を防止できるとされている。また、同公報には、上記絶縁性部材を電池外装材の内表面上（電池内部）に設置してもよいことが記載されている。

特開２０１４−０６００１２号公報

ところで、この種の電池を自動車等の車両に搭載する場合、高出力を得るために該電池を複数直列接続して成る組電池が構築される。その際、搭載スペースが制限されることに加えて振動が発生する状態での使用が前提となることから、多数の電池を配列し且つ拘束した状態で組電池が構築され得る。かかる拘束時には組電池を構成する個々の電池に相当な圧力が加えられることとなる。しかし、そのように個々の電池を拘束した状態で、各電池に相当な圧力が加えられる場合に、さらに、上述した伸縮性を有する絶縁性部材を採用すると、該圧力により絶縁性部材が圧縮される可能性がある。また、電池を組電池化しない場合でも、使用環境によっては電池に圧力が加わる場合があり、該圧力によって絶縁性部材が圧縮される可能性がある。絶縁性部材が圧縮されると、絶縁性部材が伸びにくくなり、釘等の鋭利な異物が突き刺さった場合に貫通されやすくなる。その結果、短絡の形成を防止する効果が得られない可能性がある。本発明は、上記課題を解決するものである。

ここで提案される電池は、正極と負極がセパレータを介して積層した構造を有する電極体と、前記電極体を電解質とともに収容する電池ケースとを備えている。前記電池ケースの内壁面と前記電極体との間には、該電池ケースと該電極体との間隔を保つ間隔保持部材と、伸縮性を有する絶縁シートとが配置されている。そして、前記間隔保持部材が前記電池ケースと前記電極体との間隔を保つことにより、前記絶縁シートが該電池ケースと該電極体との間で圧縮されないように構成されている。なお、本明細書において絶縁シートの「圧縮」とは、絶縁シートが押し圧されて厚みが減少していることを意味し、「圧縮されていない」とは、そのような厚み変化が生じていないことを意味する。

このように構成すれば、電池ケースの外側から電極体に圧力が加わるように加圧した際に、間隔保持部材が電池ケースと電極体との間隔を保つことにより、絶縁シートが圧縮されない。そのため、絶縁シートが圧縮されることに起因して絶縁シートが伸びにくくなる事象を回避し得る。これにより、釘等の異物（典型的には金属物）が突き刺さった場合でも、絶縁シートが異物に追従して伸びることで異物を確実に被覆して、電極体と異物との間を絶縁状態に保つことができる。したがって、本発明によれば、釘等の異物が電池に突き刺さった場合でも、短絡の形成（延いては電池の発熱）を確実に防止し得る高性能な電池を提供することができる。

ここで開示される電池の好ましい一態様では、前記電極体は、シート状正極とシート状負極とがセパレータを介して捲回されて成る扁平形状の捲回電極体である。そして、前記絶縁シートは、前記捲回電極体の扁平面に対向する位置に配置されている。
捲回電極体の扁平面は、例えば組電池化して拘束した際に大きな荷重（拘束圧）が加わるため、伸縮性を有する絶縁シートを配置すると、該絶縁シートが圧縮されて伸びが低下しがちである。しかし、本態様の発明によると、上記絶縁シートの圧縮を回避して捲回電極体の扁平面の釘刺し等に起因する短絡を確実に防止することができる。

ここで開示される電池の好ましい一態様では、前記絶縁シートの厚みＤ１と、前記絶縁シートの引張破断伸び率Ｘと、前記捲回電極体の厚みＤ２とが、（Ｄ１×Ｘ／１００）＞Ｄ２の関係を満足する。このように絶縁シートの厚みＤ１と絶縁シートの引張破断伸び率Ｘと捲回電極体の厚みＤ２との関係を適切に規定することにより、釘等の異物が捲回電極体を貫通した場合でも、絶縁シートが破断されずに該異物に追従して伸びることができ、該異物を確実に被覆することができる。

ここで開示される電池の好ましい一態様では、前記電池ケースは、金属製の電池ケースである。また、前記間隔保持部材は、前記絶縁シートを前記捲回電極体とともに収容する絶縁ケースと、前記絶縁ケースの内壁面に設けられ、該内壁面から前記捲回電極体の扁平面まで延びたリブとを備えている。前記絶縁シートは、前記リブに隣接して配置されている。そして、前記リブにおける前記絶縁ケースの内壁面から前記捲回電極体の扁平面までの高さＨと、前記絶縁シートの厚みＤ１とが、Ｈ≧Ｄ１の関係を満足する。
このように構成すれば、間隔保持部材に、電池ケースと電極体とを絶縁しながら、絶縁シートの圧縮を防止するという２つの役割を持たせることが可能になる。

ここで開示される電池の好ましい一態様では、前記リブは、前記絶縁シートの周りを囲うように、前記絶縁ケースの内壁面に設けられている。かかる構成によると、絶縁シートの周囲にリブが隙間なく配置されるので、絶縁シートの圧縮をより効果的に防止することができる。

図１は、一実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。図２は、一実施形態に係る組電池を模式的に示す側面図である。図３は、一実施形態に係る電池の断面を模式的に示す断面図である。図４は、一実施形態に係る捲回電極体を模式的に示す正面図である。図５は、一実施形態に係る間隔保持部材を模式的に示す正面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ断面を示す断面図である。図７は、釘等の異物が電極体に突き刺さった状態を説明する図である。図８は、他の実施形態に係る電池の断面を模式的に示す断面図である。図９は、他の実施形態に係る間隔保持部材を模式的に示す正面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、各図面は、模式的に描いており、必ずしも実物を反映しない。また、各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。

以下、扁平形状のリチウムイオン二次電池を単電池とし、該単電池の複数個を直列に接続してなる組電池に本発明を適用する場合を主な例として、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明の適用対象を限定する意図ではない。

図１は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池２０を単電池として搭載した組電池１０の斜視図を示している。また、図２は、該組電池１０の構成を模式的に示す側面図である。

この組電池１０は、複数の充放電可能なリチウムイオン二次電池（以下、「単電池」とも称する。）２０が直列に接続されて構成されている。図示した例では、同形状の４個の単電池２０が一定の間隔で直列に配列されている。なお、単電池２０の数はこれに限定されない。例えば、組電池１０は、２〜２０個の単電池２０が直列に配列されたものであり得る。

単電池２０は、正極と負極がセパレータを介して積層した構造を有する電極体８０（図３）と、該電極体８０および電解質（典型的には液状の電解質、すなわち電解液）を収容する電池ケース５０とを備える。本実施形態の電極体８０は、典型的な組電池に装備される単電池と同様、所定の電池構成材料（正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等）から構成されている。また、ここでは電極体８０として扁平形状の捲回電極体８０が用いられている。

本実施形態の電池ケース５０は扁平形状の捲回電極体８０を収容し得る形状（図示した例では箱型）を有する。また、電池ケース５０の材質は、軽量で熱伝導性が良い金属製材料が好ましく、このような金属製材料として、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼などが挙げられる。

電池ケース５０の上面には、捲回電極体８０の正極と電気的に接続する正極端子６０および負極と電気的に接続する負極端子６２が設けられている。そして、隣接する単電池２０間において一方の正極端子６０と他方の負極端子６２とが端子間接続具（図示せず）によって電気的に接続される。このように各電池２０を直列に接続することにより、所望する電圧の組電池１０が構築（製造）される。

本実施形態の単電池２０は、所定方向に配列され且つ該配列方向に荷重が加えられた状態で拘束されている。具体的には、複数の単電池２０は、それぞれの正極端子６０および負極端子６２が交互に配置されるように一つずつ反転させて配置されており、電池ケース５０の側壁５２（電池ケース５０の幅広な面、即ち電池ケース５０内に収容される捲回電極体８０の扁平面に対応する面）が対向する方向に配列される。

そして、配列させた単電池２０の周囲には、複数の単電池２０をまとめて拘束する拘束部材が配備される。即ち、電池配列方向の最外側に位置する単電池２０の更に外側には、一対の拘束板７０Ａ，７０Ｂが配置される。また、該一対の拘束板７０Ａ，７０Ｂを架橋するように締付け用ビーム材７２が取り付けられる。そして、ビーム材７２の端部をビス７４により拘束板７０Ａ，７０Ｂに締め付け且つ固定することによって上記単電池２０をその配列方向に所定の荷重が加わるように拘束することができる。ビーム材７２の締め付け具合に応じたレベルで、締め付け方向（即ち配列方向）への拘束荷重（面圧：例えば１ＭＰａ〜２ＭＰａ、典型的には１．５ＭＰａ）が各単電池２０の電池ケース側壁５２に加えられる。また、電池ケース５０内に収容された電極体には、ケース側壁５２を介して捲回電極体８０の積層方向（正極とセパレータと負極とを重ね合わせる方向）に荷重（面圧）が加えられる。

また、このように拘束された単電池２０間の間隙の少なくとも一箇所（図示した例では配列する各単電池２０間及び単電池配列方向の両アウトサイド）にはスペーサ４０が配置される。本実施形態のスペーサ４０は、隣接する単電池２０のケース側壁５２に密接して配置されており、充放電時には単電池２０内で発生する熱を放散させるための放熱部材としての役割を持つ。すなわち、スペーサ４０は横方向に直線状に形成された凸部４２と凹部４４が交互に形成された凹凸形状（即ち櫛型のような側面からみて凹凸形状）の面を有しており、該凹部４４と単電池２０のケース側壁５２との間に形成された空隙４６（スペーサ４０の空隙４６）に冷却用媒体（典型的には空気）を導入することによって、単電池２０で発生する熱を放散させることができる。

次に、図３および図４を参照しながら、本実施形態の単電池２０の電池ケース５０内の構成について説明する。図３は拘束状態の単電池２０の電池ケース５０内の状態を模式的に示す断面図である。図４は、電極体８０の一例を模式的に示す正面図である。

図３に示すように、単電池２０は、正極と負極とがセパレータを介して積層した構造を有する電極体８０を備えている。ここでは電極体８０として扁平形状の捲回電極体８０が用いられている。図４に示すように、扁平形状の捲回電極体８０は、通常のリチウムイオン二次電池の捲回電極体と同様、シート状正極（正極シート）８２とシート状負極（負極シート）８４とを計２枚のシート状セパレータ８６と共に積層し、さらに該正極シート８２と負極シート８４とをややずらしつつ捲回し、得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製されている。

図３に示すように、捲回電極体８０の扁平面（側面）８１と電池ケース５０の内壁面５６との間には隙間が形成されている。かかる隙間には、間隔保持部材３０と、伸縮性を有する絶縁シート９０とが配置されている。そして、間隔保持部材３０が電池ケース５０の内壁面５６と捲回電極体８０との間隔を保つことにより、絶縁シート９０が電池ケース５０と捲回電極体８０との間で圧縮されないように構成されている。以下、間隔保持部材３０、絶縁シート９０の順に説明する。

＜間隔保持部材＞
間隔保持部材３０は、電池ケース５０と捲回電極体８０との間隔を保つ部材であり、電池ケース５０の内壁面５６と捲回電極体８０の扁平面８１との間に配置されている。この実施形態では、間隔保持部材３０は、絶縁ケース３２とリブ３４とを備えている。図５は、間隔保持部材３０を電池ケース５０の内側から見た正面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ断面図である。

図３〜図５に示すように、絶縁ケース３２は、電池ケース５０と捲回電極体８０とを隔離する部材であり、該電池ケース５０と捲回電極体８０との間に配置されている。この実施形態では、絶縁ケース３２は捲回電極体８０を囲む（捲回電極体８０が挿入される）は箱状に形成されている。本実施形態の絶縁ケース３２は、上端が開口した有底の箱状（すなわち捲回電極体８０の底面と四つの側面を囲む箱状）であり、開口部３２ａを介して捲回電極体８０はその内部に収容されている。また、絶縁ケース３２は、捲回電極体８０の上面を除く部分（底面および側面）を隙間なく覆うように構成されている。絶縁ケース３２の厚み（肉厚）は、所要の強度を有する程度であればよく特に限定されないが、例えば０．０５ｍｍ〜１ｍｍ程度であり得る。

絶縁ケース３２の材質は、所要の剛性を有し、かつ絶縁材料として機能し得るもので構成されていればよく、例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン樹脂（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルスルホン樹脂（ＰＥＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの樹脂をベースとする樹脂組成物を好適に使用することができる。上記樹脂組成物は、これらの樹脂のうちいずれか一種を含むものであってもよく、二種以上を含むものであってもよい。また、高剛性化の観点から、これら樹脂組成物の密度や平均分子量を調整（典型的には高密度化）したり、強化用フィラー（例えば無機繊維）などの添加剤を添加したり、他のポリマーと重合した共重合体などを用いてもよい。引張破断伸び率が１００％未満（例えば１％以上１００％未満、好ましくは８０％以下、より好ましくは５０％以下）である樹脂組成物の使用が特に好ましい。かかる絶縁ケース３２によって発電要素である捲回電極体８０と電池ケース５０との直接接触が回避され、捲回電極体８０と電池ケース５０との絶縁を確保することができる。このような構成を採用することにより、電池ケース５０は正極または負極に対して極性をもたない状態となる。

リブ３４は、絶縁ケース３２の内壁面３２ｂに設けられ、該内壁面３２ｂから捲回電極体８０の扁平面８１まで延びた部材である。この実施形態では、リブ３４は、絶縁シート９０の周りを囲うように、絶縁ケース３２の内壁面３２ｂに設けられている。これにより、所要の剛性が確保されている。リブ３４の材質は、絶縁シート９０よりも剛性が高いもので構成されていればよい。例えば、前述した絶縁ケース３２と同様の樹脂組成物を好ましく採用することができる。かかるリブ３４は、絶縁ケース３２と一体に形成されていてもよく、絶縁ケース３２と別体であってもよい。この実施形態では、リブ３４は絶縁ケース３２と一体に成形されている。

該リブ３４は、絶縁シート９０に隣接して配置されている。ここでは、リブ３４における絶縁ケース３２の内壁面３２ｂから捲回電極体８０の扁平面８１までの高さＨ（図６参照）は、絶縁シート９０の厚みＤ１（図６参照）と同じである。つまり、絶縁シート９０は、リブ３４で囲まれた凹みにちょうど収まりうる厚みを有している。リブ３４は、絶縁シート９０の厚みＤ１と同じか、該厚みＤ１よりも少し大きい高さＨを有していればよい。すなわち、リブ３４の高さＨと、絶縁シートの厚みＤ１とが、Ｈ≧Ｄ１の関係を満足すればよい。例えば、リブ３４の高さＨは、絶縁シート９０の厚みＤ１と同じか、該厚みＤ１よりも多くとも４ｍｍ（すなわちＨ−Ｄ１＝０ｍｍ〜４ｍｍ程度）、例えば２ｍｍ程度（すなわちＨ−Ｄ１＝０ｍｍ〜２ｍｍ程度）大きいことが好ましい。このようなリブ３４の高さＨの範囲内であると、電池性能に悪影響を与えることなく、絶縁シート９０の圧縮を防止することができる。

また、リブの幅Ｗ（図５参照）は、所要の強度を有する程度であればよく特に限定されないが、例えば２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内にすることが適当であり、例えば２ｍｍ〜５ｍｍである。このようなリブ３４の幅Ｗの範囲内であると、電池性能に悪影響を与えることなく、絶縁シート９０の圧縮を防止することができる。

＜絶縁シート＞
絶縁シート９０は、図７に示すように、釘等の異物９２が電池を突き刺した場合に、異物９２に追従して伸びて釘等の異物９２を被覆する部材であり、これにより、正極８２および負極８４と異物９２との間を絶縁状態に保つようになっている。この実施形態では、絶縁シート９０は、電池ケース５０と捲回電極体８０との間において、捲回電極体８０の扁平面８１に対向する位置に配置されている。

この実施形態では、絶縁シート９０は、リブ３４に隣接して配置されており、絶縁ケース３２の内壁面３２ｂに固定されている。絶縁シート９０を固定する方法は特に限定されない。例えば、絶縁シート９０は、接着により絶縁ケース３２の内壁面３２ｂに固定してもよいし、絶縁シート９０自体が有する粘着力により絶縁ケース３２の内壁面３２ｂに固定してもよい。

本実施形態で用いられる絶縁シート９０としては、伸縮性が大きく、かつ絶縁性を有するシート状の部材であればよい。また、耐熱性に優れた絶縁シートを用いることが好ましい。さらに、耐電解液性に優れた絶縁シートであることが好ましい。このような条件を満たす絶縁シートを特に制限なく用いることができる。かかる絶縁シートの材質としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレンエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、四フッ化エチレンパーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、ポリアミド樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）などの樹脂をベースとする樹脂組成物が挙げられる。上記樹脂組成物は、これらの樹脂のうちいずれか一種を含むものであってもよく、二種以上を含むものであってもよい。また、高伸縮性化の観点から、これら樹脂組成物の密度や平均分子量を調整（典型的には低密度化）したり、添加剤を添加したり、他のポリマーと重合した共重合体などを用いてもよい。引張破断伸び率が１００％以上（例えば１００％以上１０００％以下、好ましくは１５０％以上、より好ましくは２００％以上）である樹脂組成物の使用が特に好ましい。また、耐熱温度が８０℃以上（例えば８０℃〜３００℃、好ましくは１００℃以上、より好ましくは１２０℃以上）である樹脂組成物の使用が特に好ましい。

また、絶縁シート９０としては、釘等の異物が捲回電極体８０を貫通した場合に、該異物に追従して捲回電極体８０を貫通する長さまで伸びるように設定されていることが好ましい。例えば、図３および図５に示すように、絶縁シート９０の厚みＤ１と、絶縁シート９０の引張破断伸び率Ｘと、捲回電極体の厚みＤ２とが、Ｄ１×Ｘ／１００＞Ｄ２の関係を満足することが好ましい。
ここで引張破断伸び率Ｘとは、引張り試験機を用いて試験片を速度１００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張った際に、試験片が切断（破断）した時の該試験片の伸び率である。引張破断伸び率は、次の式によって算出され得る。
引張破断伸び率（％）＝１００×（Ｌ−Ｌ_０）／Ｌ_０
（Ｌ_０：試験前の試験片の長さ、Ｌ：破断時の試験片の長さ）

このように絶縁シート９０の厚みＤ１と絶縁シート９０の引張破断伸び率Ｘと捲回電極体８０の厚みＤ２との関係を適切に規定することにより、釘等の異物が捲回電極体８０を貫通した場合でも、絶縁シート９０が破断されずに該異物に追従して伸びることができ、該異物を確実に被覆することができる。

特に限定されるものではないが、捲回電極体８０および絶縁シート９０の具体的な一例を例示すると、捲回電極体８０の厚みＤ２としては、概ね３０ｍｍにすることが適当であり、好ましくは２５ｍｍであり、特に好ましくは１８ｍｍである。また、絶縁シート９０の厚みＤ１は、概ね０．３ｍｍにすることが適当であり、好ましくは１ｍｍであり、特に好ましくは３ｍｍである。

以上のように、ここで提案される電池（単電池）２０は、例えば、図１および図２に示すように、所定方向に配列され、且つ、該配列方向に荷重が加えられた状態で拘束されている。かかる電池２０は、図３〜図６に示すように、正極８２と負極８４とがセパレータ８６を介して積層した構造を有する電極体８０と、電極体８０を電解質とともに収容する電池ケース５０とを備えている。電池ケース５０の内壁面５６と電極体８０との間には、該電池ケース５０と該電極体８０との間隔を保つ間隔保持部材３０と、伸縮性を有する絶縁シート９０とが配置されている。そして、間隔保持部材３０が電池ケース５０と電極体８０との間隔を保つことにより、絶縁シート９０が該電池ケース５０と該電極体８０との間で圧縮されないように構成されている。

このように構成すれば、電池ケース５０の外側から電極体８０に圧力が加わるように加圧（ここでは拘束）した際に、間隔保持部材３０が電池ケース５０と電極体８０との間隔を保つことにより、絶縁シート９０が圧縮されない。そのため、絶縁シート９０が圧縮されることに起因して絶縁シート９０が伸びにくくなる事象を回避し得る。これにより、（例えばスペーサ４０の空隙４６（図２）等を通じて）釘等の異物９２が電池に突き刺さった場合でも、絶縁シート９０が異物９２を被覆して、電極体８０と異物９２との間を絶縁状態に保つことができる（図７参照）。したがって、本構成によれば、釘等の異物９２が電池に突き刺さった場合でも、短絡の形成（延いては電池２０の発熱）を確実に防止することができる。

また、この実施形態では、電極体８０は、シート状正極８２とシート状負極８４とがセパレータ８６を介して捲回されて成る扁平形状の捲回電極体８０である。そして、絶縁シート９０は、捲回電極体８０の扁平面８１に対向する位置に配置されている。捲回電極体８０の扁平面８１は、例えば組電池化して拘束した際に荷重が加わる箇所であるため、絶縁シート９０を配置すると、該絶縁シート９０が圧縮されて本来の機能が発揮されず、釘刺し等に起因する短絡が生じがちであるが、本構成によると、かかる捲回電極体８０の扁平面８１の釘刺し等に起因する短絡を確実に防止することができる。

また、本電池２０によると、絶縁シート９０の厚みＤ１と、絶縁シート９０の引張破断伸び率Ｘと、捲回電極体８０の厚みＤ２とが、Ｄ１×Ｘ／１００＞Ｄ２の関係を満足する。このように絶縁シート９０の厚みＤ１と絶縁シート９０の引張破断伸び率Ｘと捲回電極体８０の厚みＤ２との関係を規定することにより、釘等の異物が捲回電極体８０を貫通した場合でも、絶縁シート９０が破断されずに該異物に追従して伸びることができ、該異物を確実に被覆することができる。

また、この実施形態では、電池ケース５０は、金属製の電池ケースである。間隔保持部材３０は、絶縁シート９０を捲回電極体８０とともに収容する絶縁ケース３２と、絶縁ケース３２の内壁面３２ｂに設けられ、該内壁面３２ｂから捲回電極体８０の扁平面８１まで延びたリブ３４とを備えている。絶縁シート９０は、リブ３４に隣接して配置されている。そして、リブ３４における絶縁ケース３２の内壁面３２ｂから捲回電極体８０の扁平面８１までの高さＨと、絶縁シート９０の厚みＤ１とが、Ｈ≧Ｄ１の関係を満足する。このように構成すれば、絶縁ケース３２によって捲回電極体８０と電池ケース５０との接触が回避され、捲回電極体８０と電池ケース５０との絶縁を確保することができる。また、絶縁ケース３２の内壁面３２ｂに設けられたリブ３４によって絶縁シート９０の圧縮を防止することができる。つまり、間隔保持部材３０に、電池ケース５０と電極体８０とを絶縁しながら、絶縁シート９０の圧縮を防止するという２つの役割を持たせることが可能になる。

また、本電池２０によると、リブ３４は、絶縁シート９０の周りを囲うように、絶縁ケース３２の内壁面３２ｂに設けられている。このようにすれば、絶縁ケース３２の固定面（内壁面３２ｂ）に対して絶縁シート９０を確実かつ容易に位置決めすることができる。また、リブ３４の所要の剛性が確保されるとともに、絶縁シート９０の周囲にリブ３４が隙間なく配置されるので、絶縁シート９０の圧縮をより効果的に防止することができる。

また、ここで開示される技術には、上記電池２０を複数直列に接続して構成された組電池１０が含まれる。該組電池１０を構成する各電池２０は、所定方向（ここでは捲回電極体８０の積層方向（正極とセパレータと負極とを重ね合わせる方向））に配列され且つ該配列方向に荷重が加えられた状態で拘束されている。かかる組電池１０では、いずれの電池（単電池）２０においても、間隔保持部材３０で電池ケース５０と電極体８０との間隔が保持されることによって、拘束荷重で絶縁シート９０が圧縮されないように構成されている。そのため、いずれの電池（単電池）２０においても短絡の形成を回避して高性能な組電池１０を構築することができる。

続いて本実施形態で使用され得る電池２０を構成する各材料などについて詳述する。

本実施形態に係る捲回電極体８０は、図４に示すように、正極シート８２と負極シート８４を計２枚のセパレータ８６と共に積層し、さらに該正極シート８２と負極シート８４とをややずらしつつ捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製される扁平形状の捲回電極体８０であり得る。

かかる捲回電極体８０の捲回方向に対する横方向において、上記のとおりにややずらしつつ捲回された結果として、正極シート８２および負極シート８４の端の一部がそれぞれ捲回コア部分８１（即ち正極シート８２の正極活物質層形成部分と負極シート８４の負極活物質層形成部分とセパレータシート８６とが密に捲回された部分）から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分（即ち正極活物質層の非形成部分）８２Ａおよび負極側はみ出し部分（即ち負極活物質層の非形成部分）８４Ａには、正極リード端子８２Ｂおよび負極リード端子８４Ｂがそれぞれ付設されており、それぞれ、正極端子６０および負極端子６２と電気的に接続される。

なお、かかる捲回電極体８０を構成する材料および部材自体は、従来のリチウムイオン二次電池と同様でよく、特に制限はない。例えば、正極シート８２は長尺状の正極集電体の上にリチウムイオン二次電池用正極活物質層が付与されて形成され得る。正極集電体にはアルミニウム箔その他の正極に適する金属箔が好適に使用される。正極活物質は従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。好適例として、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２等が挙げられる。

一方、負極シート８４は長尺状の負極集電体の上にリチウムイオン二次電池用負極活物質層が付与されて形成され得る。負極集電体には銅箔（本実施形態）その他の負極に適する金属箔が好適に使用される。負極活物質は従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。好適例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム含有遷移金属酸化物や遷移金属窒化物等が挙げられる。

また、正負極シート８２，８４間に使用される好適なセパレータ８６としては多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。なお、電解質として固体電解質若しくはゲル状電解質を使用する場合には、該電解質自体がセパレータとして機能し得る。

本実施形態の電解質は例えばＬｉＰＦ_６等のリチウム塩である。本実施形態では、適当量（例えば濃度１M）のＬｉＰＦ_６等のリチウム塩をジエチルカーボネートとエチレンカーボネートとの混合溶媒（例えば質量比１：１）のような非水電解液に溶解して電解液として使用している。

捲回電極体８０、間隙保持部材３０および絶縁シート９０を電池ケース５０に収容するとともに、上記電解液を注入して封止することによって本実施形態の電池２０は構築される。そして、複数の電池２０を所定の方向に配列し、該電池２０をその配列方向に拘束することによって本実施形態の組電池１０は構築され得る。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、上述した実施形態における絶縁シート９０は、捲回電極体８０の扁平面８１に対向する位置に配置されている。絶縁シート９０を配置する箇所は、捲回電極体８０の扁平面８１に対向する位置だけに限らない。例えば、絶縁シート９０は、捲回電極体８０の扁平面８１に対向する位置に加えて、捲回電極体８０の上下の捲回Ｒ面８３（図３参照）に対向する位置に配置してもよい。このようにすれば、捲回電極体８０の扁平面８１に加えて、捲回Ｒ面８３の釘刺し等に起因する短絡を防止することができる。なお、捲回電極体８０の捲回Ｒ面８３には荷重が加わらないため、捲回Ｒ面８３に間隔保持部材は配置しなくてもよい。換言すれば、間隔保持部材３０は、捲回電極体８０において荷重が加わる部位に配置されているとよい。また、上述した実施形態では、電池を組電池化した場合について説明したが、これに限定されない。電池を組電池化しない場合でも、使用環境によっては電池に圧力が加わる場合があり、該圧力によって絶縁シートが圧縮される可能性がある。本発明は、そのような絶縁シートが圧縮される可能性がある部位に間隔保持部材を配置することで、絶縁シートの本来の機能を確実に発揮し得る。

また、上記実施形態では、電池ケース５０は金属製の電池ケースであるが、これに限定されない。例えば、電池ケース５０は樹脂製の電池ケースであってもよい。例えば、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂その他の合成樹脂製電池ケースが使用され得る。あるいは、表面に絶縁用樹脂コーティングが施されているような金属製電池ケースであってもよい。この場合、電池ケース５０と電極体８０とを絶縁状態にする必要はないため、絶縁ケース３２は省略しても構わない。絶縁ケース３２を省略する場合、図８に示すように、リブ３４は電池ケース５０の内壁面５６に設けてもよい。

また、上記実施形態におけるリブ３４は、絶縁シート９０の周りを囲むように設けられているが、リブ３４の形状はこれに限定されない。例えば、図９に示すように、リブ３４を絶縁シート９０の周囲の一部に部分的に設けてもよい。このような場合であっても、上述の効果を得ることができる。さらに、リブ３４の配置箇所は、絶縁シート９０の周縁部分（ひいては捲回電極体８０の扁平面８１の周縁部分）に限定されない。例えば、図９に示すように、リブ３４は、絶縁シート９０中央部分（ひいては捲回電極体８０の扁平面８１の中央部分）に配置してもよい。このようにリブ３４を絶縁シート９０の中央部分に配置することによって、リブ３４を介して捲回電極体８０の中央部分に拘束荷重（面圧）が付与される。その結果、捲回電極体８０をよりしっかりと保持することができる。

また、ここで開示される技術の好適な適用対象は、上述した捲回タイプの電極体に限定されない。例えば、正極と負極とがそれぞれ長方形のシート材であり、正極と負極とが長手方向を揃え、かつ、正極活物質層と負極活物質層とがセパレータを介在させた状態で互いに対向するように交互に積層された積層電極体であってもよい。このような場合であっても、上述の効果を得ることができる。また、上述した実施形態では、電池ケースが角型である場合を例示したが、これに限定されない。例えば、電池ケースが円筒型であってもよい。このような場合でも、絶縁シートの圧縮を回避し得るように間隔保持部材を設けることで、上述の効果を得ることができる。

また、ここまでは電池の典型例としてリチウムイオン二次電池について説明したが、この形態の電池に限定されない。例えば、リチウムイオン以外の金属イオン（例えばナトリウムイオン）を電荷担体とする電池や、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池であってもよい。

本実施形態に係る電池２０ならびに該電池２０を複数搭載した組電池１０は、特に自動車等の車両に搭載されるモーター（電動機）用電源として好適に使用し得る。従って、本発明では、かかる電池２０ならびに組電池１０を電源として備える車両（典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車）を提供することができる。

１０組電池
２０電池（単電池）
３０間隔保持部材
３２絶縁ケース
３２ａ絶縁ケースの開口部
３２ｂ絶縁ケースの内壁面
３４リブ
４０スペーサ
５０電池ケース
５６電池ケースの内壁面
６０正極端子
６２負極端子
８０電極体
８１電極体の扁平面
８２正極シート
８４負極シート
８６セパレータ
９０絶縁シート
９２異物

Claims

正極と負極がセパレータを介して積層した構造を有する電極体と、
前記電極体を電解質とともに収容する金属製の電池ケースと
を備え、
前記電池ケースの内壁面と前記電極体との間には、該電池ケースと該電極体との間隔を保つ間隔保持部材と、伸縮性を有する絶縁シートとが配置されており、
前記電極体は、シート状正極とシート状負極とがセパレータを介して捲回されて成る扁平形状の捲回電極体であり、
前記絶縁シートは、前記捲回電極体の扁平面に対向する位置に配置されており、
前記間隔保持部材は、
前記絶縁シートを前記捲回電極体とともに収容する絶縁ケースと、
前記絶縁ケースの内壁面に設けられ、該内壁面から前記捲回電極体の扁平面まで延びたリブと
を備え、
前記絶縁シートは、前記リブに隣接して配置されており、
前記リブにおける前記絶縁ケースの内壁面から前記捲回電極体の扁平面までの高さＨと、前記絶縁シートの厚みＤ１とが、Ｈ≧Ｄ１の関係を満足し、
前記間隔保持部材が前記電池ケースと前記電極体との間隔を保つことにより、前記絶縁シートが該電池ケースと該電極体との間で圧縮されないように構成されている、電池。
正極と負極がセパレータを介して積層した構造を有する扁平形状の電極体と、
前記電極体を電解質とともに収容する金属製の電池ケースと
を備え、
前記電池ケースの内壁面と前記電極体の扁平面との間には、該電池ケースと該電極体との間隔を保つ間隔保持部材と、伸縮性を有する絶縁シートとが配置されており、
前記間隔保持部材は、
前記絶縁シートを前記電極体とともに収容する絶縁ケースと、
前記絶縁ケースの内壁面に設けられ、該内壁面から前記電極体の扁平面まで延びたリブと
を備え、
前記絶縁シートは、前記リブに隣接して配置されており、
前記リブにおける前記絶縁ケースの内壁面から前記電極体の扁平面までの高さＨと、前記絶縁シートの厚みＤ１とが、Ｈ≧Ｄ１の関係を満足し、
前記絶縁シートの厚みＤ１と、前記絶縁シートの引張破断伸び率Ｘと、前記電極体の厚みＤ２とが、（Ｄ１×Ｘ／１００）＞Ｄ２の関係を満足し、
前記間隔保持部材が前記電池ケースと前記電極体との間隔を保つことにより、前記絶縁シートが該電池ケースと該電極体との間で圧縮されないように構成されている、電池。
前記リブは、前記絶縁シートの周りを囲うように、前記絶縁ケースの内壁面に設けられている、請求項１または２に記載の電池。