JP6361969B2 - 蓄電素子、及び蓄電素子モジュール - Google Patents

蓄電素子、及び蓄電素子モジュール Download PDF

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Description

本発明は、充放電が可能な蓄電素子、及び前記蓄電素子を備える蓄電素子モジュールに関する。
従来から、電極体と、この電極体を収容するケースとを備えた二次電池等の充放電可能な蓄電素子が知られている。この種の蓄電素子には、例えば図１２に示すような、巻芯１０１と、巻芯１０１の周囲に巻回された電極１０２とを有する電極体１００を備えたものがある。このような蓄電素子では、充放電サイクルが繰り返されると、電極１０２の膨張、収縮が繰り返される。このため、前記蓄電素子では、前記膨張、収縮に起因する電極１０２の変形等により、容量保持率等の充放電に関する特性が低下することがある。
特開平６−２０３８７０号公報
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、充放電サイクルを繰り返したときの充放電に関する特性の低下を抑えることができる蓄電素子、及び蓄電素子モジュールを提供することを課題とする。
本発明の発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意研究を行った結果、蓄電素子における充放電サイクルの繰り返し（即ち、巻回されている電極の膨張、収縮の繰り返し）に起因する変形等の度合いが、電極が膨張、収縮したときのケースが電極を押す強さと巻芯が電極を押す強さとのバランスによって変化することを発見した。そこで、この発見に基づき前記発明者らは、このケースの前記電極を押す強さと、巻芯の前記電極を押す強さとのバランスに着目し、以下の構成の蓄電素子、及び蓄電素子モジュールを創作した。
本発明に係る蓄電素子は、
巻芯と該巻芯の周囲に巻回されている電極とを有する電極体と、
周壁を有するケースであって、前記周壁と前記巻芯との間に前記電極が密に積層された状態で前記電極体を内部に収容するケースと、を備え、
前記ケース及び前記巻芯は、前記ケースに前記電極体が収容されていない状態で該ケースの所定部位である第１部位が圧子によって押圧されて初期位置から１ｍｍ変位したときの前記圧子から該第１部位に加えられている第１圧力Ｐ１と、前記電極が巻回されていない状態で前記巻芯における前記第１部位と対向する部位である第２部位が前記圧子によって押圧されて初期位置から１ｍｍ変位したときの前記圧子から該第２部位に加えられている第２圧力Ｐ２と、の比Ｐ２／Ｐ１が、０．０１≦Ｐ２／Ｐ１≦１００を満たすような剛性をそれぞれ有することを特徴とする。
かかる構成によれば、充放電サイクルによって電極が膨張、収縮したときに、ケースと巻芯とによって内側と外側から適度な力でバランスよく挟み込まれる。このため、巻回されている電極において、充放電による膨張、収縮に起因する歪み、変形等が抑えられ、これにより、充放電サイクルを繰り返したときの充放電に関する特性（例えば、容量保持率等）の低下が抑えられる。
この場合、
前記第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２は、それぞれ１ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２がそれぞれ１ｋｇｆ／ｃｍ２より小さいと、電極の膨張、収縮によって変形したケース及び巻芯が元の形に戻りにくくなり、巻回されている電極間に隙間が生じやすくなるが、上記構成によれば、前記の変形したケース及び巻芯が元の形に戻りにくくなること、を防ぐことができる。
また、
前記第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２は、それぞれ１００ｋｇｆ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２がそれぞれ１００ｋｇｆ／ｃｍ２より大きいと、電極が膨張したときにケース及び巻芯が十分に変形できず、これにより、電極自体に大きな圧力が加わって電極が損傷等する場合があるが、上記構成によれば、電極が膨張をしたときにケース及び巻芯が十分に変形して前記損傷等を防ぐことができる。
また、
前記第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１は、０．１≦Ｐ２／Ｐ１≦１０を満たすことが好ましい。
かかる構成によれば、充放電サイクルによって電極が膨張、収縮したときに、該電極がケースと巻芯とによって内側と外側から適度な力によってよりバランスよく挟み込まれる。これにより、充放電サイクルを繰り返したときの充放電に関する特性（例えば、容量保持率等）の低下がより効果的に抑えられる。
また、
前記第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ１との比Ｐ２／Ｐ１が１であること、がより好ましい。
かかる構成によれば、充放電サイクルが繰り返されたときの充放電に関する特性（例えば、容量保持率等）の低下を最も抑えることができる。
前記蓄電素子では、
前記ケースは、矩形状の底壁部と、前記底壁部の周縁の長辺位置から立設された一対の長壁部と、前記底壁部の周縁の短辺位置から立設された一対の短壁部であって前記一対の長壁部の対向する端部同士を接続する一対の短壁部と、を有してもよい。
この場合、
前記巻芯は、平面部を有し、
前記ケースは、前記巻芯の平面部と前記長壁部とが略平行になるように前記電極体を収容し、
前記電極は、前記ケースの前記長壁部と前記巻芯の前記平面部との間に挟まれていてもよい。
本発明に係る蓄電素子モジュールは、
上記の蓄電素子と、
前記蓄電素子と電気的に接続されるバスバ部材と、を備えることを特徴とする。
かかる構成によれば、蓄電素子モジュールを構成する蓄電素子において、充放電サイクルによって電極が膨張、収縮したときに、ケースと巻芯とによって内側と外側から適度な力でバランスよく挟み込まれる。このため、巻回されている電極において、充放電による膨張、収縮に起因する歪み、変形等が抑えられ、これにより、蓄電素子モジュールを構成する前記蓄電素子において、充放電サイクルを繰り返したときの充放電に関する特性（例えば、容量保持率等）の低下が抑えられる。その結果、蓄電素子モジュールの充放電に関する特性の低下も抑えられる。
以上より、本発明によれば、充放電サイクルを繰り返したときの充放電に関する特性の低下を抑えることができる蓄電素子、及び蓄電素子モジュールを提供することができる。
本実施形態に係る非水電解質二次電池の斜視図である。 図１におけるＩＩ―ＩＩ位置の断面図である。 図１におけるＩＩＩ―ＩＩＩ位置の拡大断面図である。 第１圧力の求め方を説明するための図である。 第２圧力の求め方を説明するための図である。 蓄電素子モジュールの概略斜視図である。 対称拘束の１／４のケースのモデルを示す斜視図である。 前記ケースのモデルが１／４の円形圧子のモデルによって押圧されたときの該ケースの各部位における変位を示す解析図である。 対称拘束の１／４の巻芯のモデルを示す斜視図である。 前記巻芯のモデルが１／４の円形圧子のモデルによって押圧されたときの該巻芯の各部位における変位を示す解析図である。 充電サイクル試験の結果を示す図である。 従来の二次電池における電極体の斜視図である。
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図５を参照しつつ説明する。本実施形態に係る蓄電素子は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池（以下、単に「電池」と称する。）である。
具体的には、図１〜図３に示すように、電池１０は、ケース２０と、電極体１２と、一対の集電体１４、１４と、一対の端子部１６、１６と、を備える。
ケース２０は、ケース本体２２と、蓋体２４とを有する。このケース２０は、ケース本体２２と蓋体２４とによって囲まれた内部空間Ｓに、電極体１２、一対の集電体１４、１４及び電解液等を収容する。ケース本体２２と蓋体２４とは、例えば、アルミニウム、又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料によって形成される。このケース本体２２と蓋体２４との端部同士が溶接されることによって、ケース２０が構成される。
尚、ケース本体２２と蓋体２４との材質は、アルミニウム系金属に限定されない。ケース本体２２及び蓋体２４は、ＳＵＳ、ニッケル等の金属材料、アルミニウムにナイロン等の樹脂を接着した複合材料等によって形成されてもよい。
ケース本体２２は、偏平な有底角筒形状を有する。具体的に、ケース本体２２は、底壁部２２０と、底壁部２２０の周縁から底壁部２２０の法線方向に立設された角筒状の周壁２２１と、を有する。底壁部２２０は、該底壁部２２０の法線方向視において、一方向に長く且つ四隅が円弧の矩形状である。周壁２２１は、底壁部２２０周縁の長辺位置から立設された一対の長壁部２２２、２２２と、底壁部２２０周縁の短辺位置から立設された一対の短壁部２２３、２２３とを有する。尚、以下では、底壁部２２０の長辺方向をＸ軸方向とし、底壁部２２０の短辺方向をＹ軸方向とし、底壁部２２０の法線方向をＺ軸方向とする（図１参照）。
このケース本体２２は、該ケース２０と電極体１２の巻芯１２０との強度（剛性）のバランスが所定の範囲内となるように、形成されている。この強度のバランスについての詳細は後述する。
蓋体２４は、ケース本体２２の開口周縁部に重ねられてケース本体２２の開口を塞ぐ。蓋体２４は、平面視において、ケース本体２２の外周縁（輪郭）に対応した形状を有する。即ち、蓋体２４は、平面視においてＸ軸方向に長く且つ四隅が円弧の矩形状の板材である。
また、蓋体２４には、一対の端子用貫通孔２４０、２４０と、ガス排出弁２４２と、注入部２４４とが設けられている（図２参照）。一対の端子用貫通孔２４０、２４０は、蓋体２４においてＸ軸方向に間隔を空けて設けられている。ガス排出弁２４２は、薄肉部と破断溝とを有し、蓋体２４の中央に設けられている。ガス排出弁２４２は、ケース２０の内部圧力（ガス圧）が所定の値よりも大きくなったときに破断溝が裂けることによってケース２０の内部と外部とを連通させてケース２０内のガスを排出する。これにより、ガス排出弁２４２は、上昇したケース２０の内部圧力を減圧させる。注入部２４４は、蓋体２４に設けられた注液孔２４５と、この注液孔２４５を塞ぐ栓体２４６と、を有する。注液孔２４５は、電解液をケース２０内に注液するための開口であり、栓体２４６は、注液後の注液孔２４５に差し込まれることによって注液孔２４５を閉鎖する。
ケース本体２２と蓋体２４とを有するケース２０の寸法は、例えば、以下の通りである。
ケース本体２２の幅（図１におけるＸ軸方向の寸法）が８０〜２００ｍｍ、ケース本体２２の奥行き（図１におけるＹ軸方向の寸法）が６〜３０ｍｍ、ケース本体２２の高さ（図１におけるＺ軸方向の寸法）が６０〜１５０ｍｍであることが好ましい。ケース本体２２の幅（図１におけるＸ軸方向の寸法）が１００〜１５０ｍｍ、ケース本体２２の奥行き（図１におけるＹ軸方向の寸法）が８〜１５ｍｍ、ケース本体２２の高さ（図１におけるＺ軸方向の寸法）が７０〜１００ｍｍであることがより好ましい。
ケース本体２２の周壁２２１及び底壁部２２０のそれぞれの厚さは、０．２〜１．２ｍｍであることが好ましく、０．３〜０．７ｍｍであることがより好ましい。巻芯１２０に厚さ０．５ｍｍ以下の中空巻芯を用いる場合、ケース本体２２の周壁２２１及び底壁部２２０のそれぞれの厚さは、０．２〜０．５ｍｍであることが好ましい。蓋体２４の厚さは、０．２〜１．５ｍｍであることが好ましく、０．５〜１．２ｍｍであることがより好ましい。
電極体１２は、巻芯１２０と、巻芯１２０の周囲に巻回されている電極１２１、１２２と、を有する（図２及び図３参照）。
巻芯１２０は、Ｘ軸方向の各位置におけるＹ軸方向及びＺ軸方向に沿った断面形状（詳しくは断面の輪郭）が同じ長円形状となる中空の長円筒形状を有する。この巻芯１２０は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド等の合成樹脂製のフィルム又は板を巻回して接着あるいは溶接する等によって形成されている。
尚、巻芯１２０の素材は、合成樹脂に限定されず、例えば、アルミニウム、銅等の金属であってもよい。また、巻芯１２０は、中空の構造に限定されず、中実の構造であってもよい。この場合、巻芯１２０は、ゴム等のような電解液に対する耐性を有し且つ柔らかい材料によって形成される。
この巻芯１２０は、該巻芯１２０とケース２０との強度（剛性）のバランスが所定の範囲内となるように、形成されている。本実施形態では、強度（剛性）のバランスとして、以下のようにして求める圧力Ｐ１、Ｐ２の比（Ｐ２／Ｐ１）を用い、この比が所定の範囲内となるように、ケース２０と巻芯１２０とが形成されている。
図４に示すように、電極体１２が収容されていない状態のケース２０（即ち、内部が空の状態のケース２０）における長壁部２２２の中央部（第１部位）Ｃ１を、直径１０ｍｍの円形圧子によってＹ軸方向（長壁部２２２の法線方向）に押圧する（図４の矢印参照）。このとき用いられる圧子の押圧対象物との当接面（押圧面）の面積は、０．７８５ｃｍ２である。そして、圧子の押圧によって中央部Ｃ１が初期位置（圧子による押圧が行われていない状態での中央部Ｃ１の位置）から１ｍｍ変位したときの圧子から中央部Ｃ１に加えられている圧力を第１圧力Ｐ１とする。
また、図５に示すように、電極１２１、１２２が巻回されていない状態の巻芯１２０における平面部１２０Ａ（Ｚ軸方向両端の各電極１２１、１２２が湾曲した状態で積層されている部位１２０Ｂを除く部位）の中央部（第２部位）Ｃ２を、前記圧子によってＹ軸方向（該巻芯１２０の平面部１２０Ａの法線方向）に押圧する（図５の矢印参照）。そして、圧子の押圧によって中央部Ｃ２が初期位置（圧子による押圧が行われていない状態での中央部Ｃ２の位置）から１ｍｍ変位したときの圧子から中央部Ｃ２に加えられている圧力を第１圧力Ｐ２とする。尚、巻芯１２０の中央部Ｃ２は、巻芯１２０がケース２０に収容されたときに、ケース２０における長壁部２２２の中央部Ｃ１と対向する部位（位置）である。
本実施形態では、ケース２０及び巻芯１２０が、このようにして求められる第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１が１となるような剛性をそれぞれ有する。例えば、ケース２０及び巻芯１２０は、材質、各部位の寸法等を調整することによって、前記条件（Ｐ２／Ｐ１＝１）を満たすようにそれぞれ形成されている。これにより、充放電サイクルによって巻回された電極１２１、１２２が膨張、収縮したときに、ケース２０（長壁部２２２）と巻芯１２０（平面部１２０Ａ）とによって内側と外側から適度な力でバランスよく挟み込まれる。これにより、巻回された電極１２１、１２２において、前記膨張、収縮の繰り返しに起因する変形等及び電極１２１、１２２の合剤層の剥離等が効果的に抑えられる。
また、本実施形態のケース２０及び巻芯１２０は、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２がそれぞれ１ｋｇｆ／ｃｍ２以上となるような剛性を有している。これは、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２がそれぞれ１ｋｇｆ／ｃｍ２より小さくなるような剛性を、ケース２０及び巻芯１２０が有していると、電極１２１、１２２の膨張、収縮によって変形したケース２０及び巻芯１２０が元の形に戻りにくくなり、巻回された電極１２１、１２２間に隙間が生じやすくなるためである。即ち、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２がそれぞれ１ｋｇｆ／ｃｍ２以上になるような剛性をケース２０及び巻芯１２０が有することによって、電極１２１、１２２の膨張、収縮によって変形したケース２０及び巻芯１２０が元の形に戻りにくくなることを防ぐことができる。
また、本実施形態のケース２０及び巻芯１２０は、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２がそれぞれ１００ｋｇｆ／ｃｍ２以下となるような剛性を有している。これは、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２がそれぞれ１００ｋｇｆ／ｃｍ２より大きくなるような剛性をケース２０及び巻芯１２０が有していると、電極１２１、１２２が膨張したときにケース２０及び巻芯１２０が十分に変形できず、これにより、電極１２１、１２２が膨張したときに電極１２１、１２２自体に大きな圧力が加わって損傷する（例えば、電極箔や活物質層に亀裂が生じる）場合等があるからである。即ち、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２がそれぞれ１００ｋｇｆ／ｃｍ２以下となるような剛性をケース２０及び巻芯１２０が有することによって、電極１２１、１２２が膨張をしたときにケース２０及び巻芯１２０が変形して前記損傷を防ぐことができる。
尚、巻芯１２０のＹ軸方向の寸法は、１ｍｍよりも大きいことが好ましい。これは、以下の理由による。巻芯１２０のＹ軸方向の寸法が１ｍｍ以下の場合、電極１２１、１２２の膨張、収縮時にこれを許容できるほど平面部１２０Ａが凹むことができず、これにより、充放電サイクルによって巻回された電極１２１、１２２が膨張、収縮したときに、ケース２０（長壁部２２２）と巻芯１２０（平面部１２０Ａ）とによって内側と外側から適度な力で電極１２１、１２２をバランスよく挟み込むことができない。このため、前記電極１２１、１２２の膨張、収縮の繰り返しに起因する変形等を抑えることができず、充放電に関する特性の低下を抑えることができないからである。ここで、巻芯１２０のＹ軸方向の寸法とは、中実構造の場合はＹ軸方向の厚さ寸法であり、中空構造の場合は、Ｙ軸方向における平面部１２０Ａの外側の面同士の間隔である。
また、電極体に巻芯が無い電池（巻回された電極の内側に巻芯が配置されてない電池）では、電極が膨張したときに巻回された電極の内側（巻回中心側）への逃げ代が無い（又は極めて少ない）。このため、電極体に巻芯が無い場合にも、巻回された電極１２１、１２２を内側と外側から適度な力でバランスよく挟み込むことができず、これにより、巻回された電極１２１、１２２における該電極１２１、１２２の膨張、収縮の繰り返しに起因する変形等を抑えることができない。
本実施形態のケース２０に加わる第１圧力Ｐ１、及び巻芯１２０に加わる第２圧力Ｐ２は、それぞれ、コンピュータシミュレーションによる解析によって測定される（算出される）。具体的には、以下の通りである。
ケース２０に加わる第１圧力Ｐ１を測定する場合、まず、ケース２０の材質、形状、及び寸法を入力したモデルを用意する。ついで、当該モデルのケース２０における長壁部２２２の中央部（第１部位）Ｃ１を、直径１０ｍｍの円形圧子によってＹ軸方向（長壁部２２２の法線方向）に押圧する（図４の矢印参照）。このとき用いられる円形圧子の押圧対象物（本実施形態の例では、ケース２０の長壁部２２２）との当接面（押圧面）の面積は、０．７８５ｃｍ２とする。そして、円形圧子の押圧によって中央部Ｃ１が初期位置（円形圧子による押圧が行われていない状態での中央部Ｃ１の位置）から１ｍｍ変位したときの円形圧子から中央部Ｃ１に加わる圧力を、コンピュータシミュレーションによって解析（算出）する。これにより、第１圧力Ｐ１が得られる（測定される）。尚、第１圧力Ｐ１を測定する際、ケース２０の形状が対称形状である場合には、対称拘束（対称面に対して片側の部位のみを解析対象とする手法）のモデルを用いて解析してもよい。
巻芯１２０に加わる第２圧力Ｐ２を測定する場合、まず、巻芯１２０の材質、形状、及び寸法を入力したモデルを用意する。ついで、当該モデルの巻芯１２０における平面部１２０Ａの中央部（第２部位）Ｃ２を、前記円形圧子によってＹ軸方向（該巻芯１２０の平面部１２０Ａの法線方向）に押圧する（図５の矢印参照）。そして、円形圧子の押圧によって中央部Ｃ２が初期位置（円形圧子による押圧が行われていない状態での中央部Ｃ２の位置）から１ｍｍ変位したときの円形圧子から中央部Ｃ２に加わる圧力を、コンピュータシミュレーションによって解析（算出）する。これにより、第２圧力Ｐ２が得られる（測定される）。尚、第２圧力Ｐ２を測定する際、巻芯１２０の形状が対称形状である場合には、対称拘束（対称面に対して片側の部位のみを解析対象とする手法）のモデルを用いて解析してもよい。
本実施形態の電極体１２は、帯状の正極（正極用の電極）１２１と、帯状の負極（負極用の電極）１２２と、帯状のセパレータ１２４と、を巻芯１２０の周囲に有する。これら正極１２１と負極１２２とがその間にセパレータ１２４を挟み且つ互いに幅方向（帯状の電極１２１、１２２の長手方向と直交する方向：図２におけるＸ軸方向）にずれた状態で巻芯１２０の周囲に長円筒形状に券回されている（図３参照）。このように長円筒形状に巻回された電極１２１、１２２は、Ｙ軸及びＺ軸に沿った断面形状（断面の輪郭）が長円形状となる。
正極１２１は、例えば、帯状のアルミニウム箔の表面に正極活物質を担持させたものである。負極１２２は、例えば、帯状の銅箔の表面に負極活物質を担持させたものである。これら正極１２１及び負極１２２は、幅方向（Ｘ軸方向）の端縁部に、活物質の未塗工部を有している。これにより、電極体１２の幅方向（Ｘ軸方向）の端部において、活物質が未塗工状態のアルミニウム箔及び銅箔が露出している。このように、電極体１２は、幅方向（Ｘ軸方向）の一端部に正極１２１（正極活物質が未塗工の部位）のみが突出することにより構成される正極側の突出部（電極体の正極）１２６と、幅方向（Ｘ軸方向）の他端部に負極１２２（負極活物質が未塗工の部位）のみが突出することにより構成される負極側の突出部（電極体の負極）１２６とを備える。
正極活物質は、ＬｉａＭｅｂＯｃ（Ｍｅは、１又は２以上の遷移金属を表す）によって表される複合酸化物（ＬｉａＣｏｙＯ２、ＬｉａＮｉｘＯ２、ＬｉａＭｎｚＯ４、ＬｉａＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ２等）を含むことが好ましい。また、Ｍｅは、少なくとも、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎのいずれをも含むことが好ましい。
負極活物質は、グラファイト、難黒鉛化炭素、及び易黒鉛化炭素などの炭素材、又は、ケイ素（Ｓｉ）及び錫（Ｓｎ）などのリチウムイオンと合金化反応を生じる材料を含むことが好ましい。負極活物質は、グラファイト、難黒鉛化炭素、及び易黒鉛化炭素の少なくとも一つを含むことがより好ましい。
以上のように構成される電極体１２は、絶縁部材３０に収容された状態で、巻回軸方向がケース２０の長手方向（Ｘ軸方向）と一致し、長径方向が底壁部２２０の法線方向（Ｚ軸方向）と一致した姿勢でケース２０内に収容されている（図３参照）。本実施形態の電池１０では、電極１２１、１２２がケース２０の対向する一対の長壁部２２２、２２２によって巻芯１２０に向かって押し付けられ、これにより、Ｙ軸方向に隣接する（積層された）電極１２１、１２２同士が密接するような状態でケース２０内に収容（配置）されている。即ち、電極体１２は、長壁部２２２と巻芯１２０の平面部１２０Ａとの間に電極１２１、１２２が密に積層された状態で、ケース２０内に収容されている。
集電体１４は、ケース２０内において電極体１２に沿って配置され、電極体１２の突出部１２６と端子部１６とを導通させる。本実施形態の電池１０は、正極用の集電体１４と、負極用の集電体１４とを有する。正極用の集電体１４は、正極側の突出部１２６と正極用の端子部１６とを導通させる。負極用の集電体１４は、負極側の突出部１２６と負極用の端子部１６とを導通させる。本実施形態では、正極用の集電体１４は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等によって構成される。また、負極用の集電体１４は、例えば、銅又は銅合金等によって構成される。
各集電体１４は、端子部１６に直接的に又は間接的に接続される端子側接続部１４０と、電極体１２の突出部１２６に直接的に又は間接的に接続される電極体側接続部１４１とを有する。集電体１４は、所定形状に裁断された板状の金属材料を曲げ加工することにより、正面視において電極体１２に沿うように端子側接続部１４０と電極体側接続部１４１との境界部において屈曲した形状（略Ｌ字状）に成形されている。
端子部１６は、蓋体２４の端子用貫通孔２４０を貫通した状態で蓋体２４に取り付けられている。具体的に、端子部１６は、外部端子１６０と、リベット１６１と、導通部１６２と、を有する。外部端子１６０は、ケース２０の外部で上方に延びる。リベット１６１は、蓋体２４の端子用貫通孔２４０を貫通し、集電体１４（端子側接続部１４０）と導通部１６２とを導通可能な状態で蓋体２４に固定する。導通部１６２は、リベット１６１を介して外部端子１６０を集電体１４に導通可能に接続する。
以上のように構成される電池１０では、充放電サイクルによって電極１２１、１２２が膨張、収縮したときに、巻回されている電極１２１、１２２がケース２０（長壁部２２２）と巻芯１２０（平面部１２０Ａ）とによって内側と外側から適度な力でバランスよく挟み込まれる。このため、巻回されている電極１２１、１２２において、充放電による膨張、収縮に起因する歪み、変形等を効果的に抑えることができる。この結果、電池１０において、充放電サイクルを繰り返したときの充放電に関する特性（例えば、容量保持率等）の低下を抑えることができる。
尚、本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
上記実施形態の電池１０では、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１が１であるが、この構成に限定されない。第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１が１のときに、充放電サイクルが繰り返されたときの充放電に関する特性（例えば、容量保持率等）の低下が最も抑えられるが、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１が０．０１≦Ｐ２／Ｐ１≦１００を満たすように、より好ましくは０．１≦Ｐ２／Ｐ１≦１０を満たすように、ケース２０及び巻芯１２０が形成されていればよい。即ち、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１が０．０１≦Ｐ２／Ｐ１≦１００（より好ましくは０．１≦Ｐ２／Ｐ１≦１０）を満たすような剛性をケース２０及び巻芯１２０が有していればよい。かかる構成によれば、充放電サイクルによって電極１２１、１２２が膨張、収縮したときに、巻回されている電極１２１、１２２において、充放電による膨張、収縮に起因する歪み、変形等が抑えられ、これにより、充放電サイクルを繰り返したときの充放電に関する特性の低下を十分に抑えることができる。
また、上記実施形態の電池１０では、ケース２０に収容される電極体１２は、１つであるが、２つ以上であってもよい。
また、上記実施形態においては、充放電可能な二次電池（リチウムイオン二次電池）について説明したが、電池の種類や大きさ（容量）は任意である。また、上記実施形態において、蓄電素子の一例として、リチウムイオン二次電池について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタの蓄電素子にも適用可能である。
また、上記実施形態の蓄電素子（電池）１０は、図６に示すような蓄電素子モジュール５０に用いられてもよい。この蓄電素子モジュール５０は、少なくとも二つの蓄電素子１０、１０、…と、二つの（異なる）蓄電素子１０同士を電気的に接続するバスバ部材５２とを有する。この場合、本発明の技術が少なくとも一つの蓄電素子１０に適用されていればよい。
ここで、本発明に係る電池の効果を確認するために、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１が異なるケース及び巻芯を備えた電池（第１の電池〜第６の電池）を用い、充放電サイクル試験における充放電に関する特性（本実施例においては容量保持率）の変化を調べた。
このとき使用した第１の電池は、以下の通りである。
ケース本体は、アルミニウム合金（Ａ１０８５材によって形成されている。このケース本体の幅（図１におけるＸ軸方向の寸法）は１２０ｍｍであり、奥行き（図１におけるＹ軸方向の寸法）は１２．５ｍｍであり、高さ（図１におけるＺ軸方向の寸法）は８５ｍｍであり、周壁及び底壁部の厚さはそれぞれ０．６ｍｍである。
尚、アルミニウム合金（Ａ１０８５材）は、アルミニウムの純度が９９％以上の部材である。具体的なアルミニウム合金（Ａ１０８５材）の成分は、次の通りである。Ｓｉが０．１０％以下、Ｆｅが０．１２％以下、Ｃｕが０．０３％以下、Ｍｎが０．０２％以下、Ｍｇが０．０２％以下、Ｚｎが０．０３％以下、Ｇａが０．０３％、Ｖが０．０５％以下、Ｔｉが０．０２％以下、Ａｌが９９．８５％以上である。
蓋体は、アルミニウム合金（Ａ１０８５材）によって形成され、蓋体の厚さは０．６ｍｍである。
巻芯は、厚さが１ｍｍ、幅が９５ｍｍのポリフェニレンスルフィド板を巻回することによって形成された長円形（両端が半円形状）の中空巻芯である。この巻芯の高さ（図５におけるＺ軸方向の寸法）は６５ｍｍであり、厚さ（奥行き：図５におけるＹ軸方向の寸法）は３ｍｍである。また、巻芯の中空部の厚さは１ｍｍである。
電極体は、正極と負極との間にポリエチレン製のセパレータを配置して互いに隔離した状態でこれら正極及び負極を巻心の周囲に巻回することによって形成されている。正極の正極活物質には、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２が用いられ、負極の負極活物質にはグラファイトが用いられている。この電極体がケース本体に収容されて蓋体に取り付けられた端子部と電気的に接続されることによって第１の電池が形成される。この第１の電池の初期容量は６Ａｈであった。
第１の電池に用いられるケースに加わる第１圧力Ｐ１、及び第１の電池に用いられる巻芯に加わる第２圧力Ｐ２は、それぞれ、上述の材質、形状、及び寸法を入力したモデルを用いたコンピュータシミュレーションでの解析によって測定された。このとき、ケースに加わる第１圧力Ｐ１は、円形圧子によって押圧される長壁部と対向する長壁部が拘束された状態（条件）で解析された。また、巻芯に加わる第２圧力Ｐ２は、円形圧子によって押圧される平面部と対向する平面部が拘束された状態（条件）で解析された。
具体的に、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２は、以下の通り測定された。
本実施例の第１の電池に用いられるケースは、周壁、底壁部、及び蓋体の厚さがいずれも同一の略直方体形状である。このため、第１圧力Ｐ１は、図７に示すような対称拘束の１／４のモデルを用いて解析された。ケースが対称拘束の１／４のモデルであることに伴い、円形圧子においても、１／４のモデルが用いられた。本モデルのケースにおいて、円形圧子により押圧される中央部は、図７において実線で囲まれた内角が９０°の扇形状部６０内である。
本モデルに対して、円形圧子によって押圧することにより、中央部が初期位置から１ｍｍ変位した状態を現す解析図を図８に示す。図８を参照すると、扇形状部６０を中心に、ケースの各部位が初期位置から変位していることがわかる。この状態において、円形圧子から中央部に加えられている圧力を解析することにより、第１圧力Ｐ１が測定された。
本実施例の第１の電池に用いられる巻芯は、厚さが一定のポリフェニレンスルフィド板を巻回することによって形成された長円形（扁平な筒状）である。このため、第２圧力Ｐ２は、図９に示すように、対称拘束の１／４のモデルを用いて解析された。巻芯が対称拘束の１／４のモデルであることに伴い、円形圧子においても、１／４のモデルが用いられる。本モデルの巻芯において、円形圧子により押圧される中央部は、図９において実線で囲まれた内角が９０°の扇形状部６１内である。
本モデルに対して、円形圧子によって押圧することにより、中央部が初期位置から１ｍｍ変位した状態を現す解析図を図１０に示す。図１０を参照すると、扇形状部６１を中心に、巻芯の各部位が初期位置から変位していることがわかる。この状態において、円形圧子から中央部に加えられている圧力を解析することにより、第２圧力Ｐ２が測定された。
第１の電池に用いられるケースの第１圧力Ｐ１を測定すると、４．５ｋｇｆ／ｃｍ２であり、第１の電池に用いられる巻芯の第２圧力Ｐ２を測定すると、４．８ｋｇｆ／ｃｍ２であった。よって、第１の電池における第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１は、０．９４（≒１）となる。
以上のように構成される第１の電池を、雰囲気（周囲の）温度が５℃の環境下におき、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ） ０〜１００％（２．７５〜４．２Ｖ）、１Ｃレート（電池の全容量を１時間かけて充放電する電流値）で連続充放電試験を行った。この充放電サイクル試験では、２５０、５００、１０００、１５００時間経過時のみ充放電を休止させ、容量測定を行った。その結果を図１１においてＰ２／Ｐ１＝１として示す。
また、ケース（ケース本体及び蓋体）と巻芯との厚さをそれぞれ調整して、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１が０．００１、０．０１、０．１、１０、１００となるような電池（第２の電池〜第６の電池）をそれぞれ用意し、上記同様、各電池を、５℃環境下におき、ＳＯＣ ０〜１００％（２．７５〜４．２Ｖ）、１Ｃレートで連続充放電試験を行った。その結果を図１１に示す。
これらの結果から、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１が０．０１≦Ｐ２／Ｐ１≦１００を満たすときに、充放電に関する特性の低下率が１５００サイクル時間／ｈにおいて１０％程度に抑えられることが確認できた。また、この結果から、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１が１のとき（Ｐ２／Ｐ１＝１のとき）に、充放電に関する特性の低下を最も抑えることができることが確認できた。
１０ 電池（蓄電素子）
１２ 電極体
１２０ 巻芯
１２１ 正極（電極）
１２２ 負極（電極）
１４ 集電体
２０ ケース
Ｃ１ ケースにおける長壁部の中央部（第１部位）
Ｃ２ 巻芯の中央部（第２部位）
Ｐ１ 圧子から長壁部の中央部（第１部位）に加えられている第１圧力
Ｐ２ 圧力から巻芯の中央部（第２部位）に加えられている第２圧力
Ｐ２／Ｐ１ 第１圧力と第２圧力との比

Claims (8)

  1. 巻芯と該巻芯の周囲に巻回されている電極とを有する電極体と、
    周壁を有するケースであって、前記周壁と前記巻芯との間に前記電極が密に積層された状態で前記電極体を内部に収容するケースと、を備え、
    前記ケース及び前記巻芯は、前記ケースに前記電極体が収容されていない状態で該ケースの所定部位である第１部位が圧子によって押圧されて初期位置から１ｍｍ変位したときの前記圧子から該第１部位に加えられている第１圧力Ｐ１と、前記電極が巻回されていない状態で前記巻芯における前記第１部位と対向する部位である第２部位が前記圧子によって押圧されて初期位置から１ｍｍ変位したときの前記圧子から該第２部位に加えられている第２圧力Ｐ２と、の比Ｐ２／Ｐ１が、０．０１≦Ｐ２／Ｐ１≦１００を満たすような剛性をそれぞれ有することを特徴とする蓄電素子。
  2. 前記第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２は、それぞれ１ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
  3. 前記第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２は、それぞれ１００ｋｇｆ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電素子。
  4. 前記第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１は、０．１≦Ｐ２／Ｐ１≦１０を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電素子。
  5. 前記第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ１との比Ｐ２／Ｐ１が１であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電素子。
  6. 前記ケースは、矩形状の底壁部と、前記底壁部の周縁の長辺位置から立設された一対の長壁部と、前記底壁部の周縁の短辺位置から立設された一対の短壁部であって前記一対の長壁部の対向する端部同士を接続する一対の短壁部と、を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄電素子。
  7. 前記巻芯は、平面部を有し、
    前記ケースは、前記巻芯の平面部と前記長壁部とが略平行になるように前記電極体を収容し、
    前記電極は、前記ケースの前記長壁部と前記巻芯の前記平面部との間に挟まれている、請求項６に記載の蓄電素子。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の蓄電素子と、
    前記蓄電素子と電気的に接続されるバスバ部材と、を備えることを特徴とする、蓄電素子モジュール。
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