JP6493529B2 - 扁平型電池 - Google Patents

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Description

本発明は、扁平型電池に関する。本発明の扁平型電池は、例えば、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。
従来から、扁平型電池の一形態に相当する電池として、充放電が行われる積層型の発電要素と、電解液と、を外装部材によって封止して構成したリチウムイオン二次電池がある（特許文献１参照）。
発電要素は、電解質を保持する電解質層と電極とを積層することによって構成されている。発電要素は、使用に伴って積層方向に膨張する。
外装部材は、発電要素が収容される空間と余剰空間とを含む密封された空間を形成している。外装部材は、密封された空間の圧力と外側の空間の圧力との圧力差によって、発電要素の積層方向に交差する面に対して押圧されている。
特開２００１−２９７７４８号公報
発電要素の内部には、充放電を繰り返す間において、電極内の活物質などと電解液とが反応してガスが生じる。発電要素の内部に生じたガスの一部は余剰空間に移動する。
このとき、余剰空間の体積が小さい場合、外装部材によって形成される密封された空間内の圧力はガスの移動によって容易に上昇する。これにより、余剰空間へのガスの移動は円滑に行われない。そのため、発電要素内にガスが留まることによって発電要素内における電解液の量が相対的に減少して部分的な液枯れが生じるという問題がある。
一方、余剰空間の体積が大きい場合、外装部材によって形成される密封された空間内の圧力の上昇に伴って余剰空間の形状が大きく変化し易い。余剰空間の形状が大きく変化すると、外装部材には、当該外装部材を発電要素の積層方向に交差する面から引き離そうとする力が作用する。これにより、当該空間に移動したガスの一部は、発電要素の積層方向に交差する面と外装部材との間に侵入し易くなる。そのため、発電要素の積層方向に交差する面に外装部材から均一な圧力が負荷されなくなって電池の性能が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、液枯れを防止しつつ、発電要素の積層方向に交差する面に外装部材から均一に圧力が作用する状態を維持できる扁平型電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明に係る扁平型電池は、電解液と、電解質層および電解質層を介して積層されている複数の電極を含み、使用に伴って電極の積層方向に膨張する発電要素と、を備える。本発明に係る扁平型電池は、発電要素が収容される空間と、余剰空間と、を含む密封された空間を形成する外装部材をさらに備える。余剰空間は、発電要素の積層方向に沿う側面と、外装部材との間に形成されている。外装部材は、外側と内側との圧力差によって、発電要素の積層方向に交差する面に対して押圧されているとともに、密封された空間内の圧力上昇に応じて拡がることによって余剰空間の体積の増加を許容する体積調整部を含む。体積調整部は、外装部材が発電要素の積層方向に交差する面に対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間の体積の増加を許容する。外装部材は、互いに接合される第１外装部材および第２外装部材を含む。第１外装部材および第２外装部材は、発電要素の積層方向において当該発電要素を挟み込んだ状態において、当該第１外装部材および当該第２外装部材の端部同士が接合されている。扁平型電池は、使用前における、第１外装部材と第２外装部材とが接合された部位と、発電要素の積層方向に交差する面の端部と、を結ぶ直線と、発電要素の積層方向に交差する方向と、がなす角θが１５°≦θ≦６２°である。扁平型電池は、使用前における、密封された空間の体積Ｖａに対する、発電要素の体積ＶＩの比が、０．８００≦Ｖｌ／Ｖａ≦０．９９５である。
第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 同リチウムイオン二次電池を示す平面図である。 同リチウムイオン二次電池を各構成部材に分解して示す分解斜視図である。 同リチウムイオン二次電池を図１中に示す４−４線に沿って示す部分端面図である。 図５（Ａ）、（Ｂ）は、同リチウムイオン二次電池を図２中に示す５−５線に沿って電解液および発電要素を省略して示す概略断面図である。 同リチウムイオン二次電池を図２中に示す５−５線に沿って示す断面図である。 同リチウムイオン二次電池の体積調整部の動作を説明する図であって、余剰空間の体積が増加する前の体積調整部を示す図６の破線部Ｍ１によって囲まれる部分に対応する拡大図である。 同リチウムイオン二次電池の体積調整部の動作を説明する図であって、余剰空間の体積が増加する際中の体積調整部を示す図６の破線部Ｍ１によって囲まれる部分に対応する拡大図である。 同リチウムイオン二次電池の体積調整部の動作を説明する図であって、図８の破線部Ｍ２によって囲まれる部分に対応する拡大図である。 第１実施形態の変形例に係るリチウムイオン二次電池の体積調整部を示す図であって、図６の破線部Ｍ１によって囲まれる部分に対応する拡大図である。 同リチウムイオン二次電池の体積調整部を示す図であって、余剰空間の体積が増加する際中の体積調整部を示す図６の破線部Ｍ１によって囲まれる部分に対応する拡大図である。 図１２（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池を示す図５に対応する概略断面図である。 同リチウムイオン二次電池を示す図６に対応する断面図である。 同リチウムイオン二次電池の体積調整部を示す図であって、図１３の破線部Ｍ３によって囲まれる部分に対応する拡大図である。 同リチウムイオン二次電池の体積調整部を示す図であって、余剰空間の体積が増加する際中の体積調整部を示す図１３の破線部Ｍ３によって囲まれる部分に対応する拡大図である。 第３実施形態に係るリチウムイオン二次電池を示す図４に対応する部分端面図である。 図１７（Ａ）、（Ｂ）は、同リチウムイオン二次電池を示す図５に対応する概略断面図である。 同リチウムイオン二次電池を示す図６に対応する断面図である。 同リチウムイオン二次電池の体積調整部を示す図であって、図１８の破線部Ｍ４によって囲まれる部分に対応する拡大図である。 実施例に係るリチウムイオン二次電池の体積増加率と容量維持率との関係を示す図である。 別の実施例に係るリチウムイオン二次電池の体積増加率と容量維持率との関係を示す図である。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明に係る第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態について説明する。
図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１〜図１９の全ての図において、Ｘ、Ｙ、およびＺで表す矢印を用いて、方位を示している。Ｘで表す矢印の方向は、扁平型電池の長辺方向（発電要素の積層方向に交差する方向に相当）を示している。Ｙで表す矢印の方向は、扁平型電池の長辺方向Ｘと交差した短辺方向（発電要素の積層方向に交差する方向に相当）を示している。Ｚで表す矢印の方向は、発電要素の積層方向を示している。
図面における部材の大きさや比率は、説明の都合上誇張し実際の大きさや比率とは異ならせている場合がある。例えば、図４〜図６等は、積層方向（Ｚ方向）に沿った部材の厚みを誇張して示している。
（第１実施形態）
扁平型電池について、図１〜図９を参照しながら説明する。
まず、扁平型電池の構成を、一例として、積層型の発電要素を備えたリチウムイオン二次電池１００に基づき、図１〜図６を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００を示す斜視図である。図２は、リチウムイオン二次電池１００を示す平面図である。図３は、リチウムイオン二次電池１００を各構成部材に分解して示す分解斜視図である。図４は、リチウムイオン二次電池１００を図１中に示す４−４線に沿って示す部分端面図である。図５（Ａ）、（Ｂ）は、リチウムイオン二次電池１００を図２中に示す５−５線に沿って電解液１０および発電要素５０を省略して示す概略断面図である。図６は、リチウムイオン二次電池１００を図２中に示す５−５線に沿って示す断面図である。
＜電池の全体構造＞
図４および図５に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、電解液１０と、電解質層２０および電解質層２０を介して積層されている複数の正極３０および負極４０を含み、使用に伴って正極３０および負極４０の積層方向Ｚに膨張する発電要素５０と、を備える。リチウムイオン二次電池１００は、発電要素５０が収容される空間６０と、余剰空間７０と、を含む密封された空間８０を形成する外装部材１１０をさらに備える。余剰空間７０は、発電要素５０の積層方向Ｚに沿う側面ＳＳと外装部材１１０との間に形成されている。外装部材１１０は、外側と内側の圧力差によって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている。外装部材１１０は、密封された空間８０内の圧力上昇に応じて拡がることによって余剰空間７０の体積の増加を許容する体積調整部１４０を含む。体積調整部１４０は、外装部材１１０が発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間７０の体積の増加を許容する。以下、各構成要素について詳述する。
＜発電要素＞
図３に示すように、発電要素５０は、電解質層２０および電解質層２０を介して積層されている複数の正極３０および負極４０を含む積層型の発電要素である。正極３０の積層数をｄ、電池の容量をＱとした場合、０．７≦Ｑ／ｄ≦５．０とするのが好ましい。なお、本実施形態において負極４０は発電要素５０の最外層に配置されているから、正極３０の積層数がｄのとき負極４０の積層数はｄ＋１である。また、正極３０を発電要素５０の最外層に配置する場合には、負極４０の積層数をｄとして、０．７≦Ｑ／ｄ≦５．０としてもよい。
図４に示すように、発電要素５０は、積層方向Ｚに交差する一の面ＳＵと、積層方向Ｚに交差する他の面ＳＢと、積層方向Ｚに沿う側面ＳＳと、を備える。積層方向Ｚに沿う側面ＳＳは、発電要素５０の積層方向Ｚに沿う、電解質層２０、正極３０および負極４０の側面がつらなって構成されている。
＜正極＞
図４に示すように、正極３０は、正極集電体３１に正極活物質層３２を備えてなる。
正極集電体３１は、例えば、アルミニウムからなり、薄膜状に形成している。
正極活物質層３２は、後述する材料を所定の比で混合して作製した正極スラリーを、正極集電体３１の一部が露出するように当該正極集電体３１の両面に塗工してから乾燥させて形成している。さらに、乾燥した正極活物質層３２は、正極集電体３１の両面に結着させている状態で、正極集電体３１の両側からプレス加工している。正極電極タブ３１ａは、正極集電体３１において、正極活物質層３２が形成されていない部分と接合されている。
正極スラリーは、正極活物質、導電助剤、バインダー、および粘度調整溶媒を含んでいる。正極活物質として、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２を、９０ｗｔ％の比率で用いている。導電助剤として、アセチレンブラックを、５ｗｔ％の比率で用いている。バインダーとして、ＰＶＤＦを、５ｗｔ％の比率で用いている。
＜負極＞
負極４０は、負極集電体４１に負極活物質層４２を備えてなる。
負極集電体４１は、例えば、銅からなり、薄膜状に形成している。
負極活物質層４２は、後述する材料を所定の比で混合して作製した負極スラリーを、負極集電体４１の一部が露出するように当該負極集電体４１の両面に塗工してから乾燥させて形成している。さらに、乾燥した負極活物質層４２は、負極集電体４１の両面に結着させている状態で、負極集電体４１の両側からプレス加工している。負極電極タブ４１ａ（図１および図２参照）は、負極集電体４１において、負極活物質層４２が形成されていない部分と接合されている。
負極スラリーは、負極活物質、導電助剤、バインダー、および粘度調整溶媒を含んでいる。負極活物質として、被覆天然黒鉛を、９４ｗｔ％の比率で用いている。導電助剤として、アセチレンブラックを、１ｗｔ％の比率で用いている。バインダーとして、ＰＶＤＦを、５ｗｔ％の比率で用いている。スラリーの粘度を調整する溶媒として、ＮＭＰを用いている。
＜電界質層＞
電解質層２０は、電解液１０を含浸してなるセパレータを有する。セパレータを有する電解質層２０は、正極３０と負極４０との間の空間的な隔壁（スペーサ）として機能する。また、これと併せて、充放電時における正負極間でのリチウムイオンの移動媒体である電解質を保持する機能をも有する。
セパレータとしては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを適宜利用することができる。例えば、電解質を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。
＜電解液＞
電解液１０は、従来公知のものを適宜利用することができる。本実施形態では、液体電解質を用いて電解液を構成しているが、ゲル電解質を用いて電解液を構成してもよい。
液体電解質は、溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解したものである。溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、プロピオン酸メチル（ＭＰ）、酢酸メチル（ＭＡ）、ギ酸メチル（ＭＦ）、４−メチルジオキソラン（４ＭｅＤＯＬ）、ジオキソラン（ＤＯＬ）、２−メチルテトラヒドロフラン（２ＭｅＴＨＦ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、およびγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）などが挙げられる。これらの溶媒は、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。また、支持塩（リチウム塩）としては、特に制限はないが、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＴａＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０、ＬｉＩ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌ、ＬｉＡｌＣｌ、ＬｉＨＦ２、ＬｉＳＣＮ等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、ＬｉＢＯＢ（リチウムビスオキサイドボレート）、ＬｉＢＥＴＩ（リチウムビス（パーフルオロエチレンスルホニルイミド）；Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎとも記載）等の有機酸陰イオン塩などが挙げられる。これらの電解質塩は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
＜外装部材＞
図５（Ａ）に示すように、外装部材１１０は、互いに接合される第１外装部材１２０および第２外装部材１３０を含む。外装部材１１０は、当該外装部材１１０の内部に密封された空間８０を形成している。
第１外装部材１２０および第２外装部材１３０は、第１外装部材１２０の端部１２０Ｅと第２外装部材１３０の端部１３０Ｅとが接合されることによって、互いに接合されている。第１外装部材１２０および第２外装部材１３０が互いに接合されることによって、密封された空間８０が形成されている。
密封された空間８０は、減圧された状態にある。すなわち、密封された空間８０の内側の圧力は、密封された空間８０の外側の圧力よりも低い状態にある。図５（Ｂ）に示すように、密封された空間８０は、発電要素５０が収容される空間６０と、余剰空間７０と、を含む。
図６に示すように、第１外装部材１２０および第２外装部材１３０は、発電要素５０の積層方向Ｚにおいて発電要素５０を挟み込んだ状態において接合されている。
第１外装部材１２０は、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵに当接している当接部１２１と、第２外装部材１３０に接合される接合部１２２と、当接部１２１と接合部１２２とを接続する接続部１２３と、を含む。
第２外装部材１３０は、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＢに当接している当接部１３１と、第１外装部材１２０に接合される接合部１３２と、接合部１３２と当接部１３１とを接続する接続部１３３と、を含む。
当接部１２１は、上述した密封された空間８０の外側の圧力と内側の圧力との圧力差によって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵに対して押圧されている。当接部１３１も同様に、当該圧力差によって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＢに対して押圧されている。
当接部１２１の端部１２１Ｅは、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵの端部Ｅ１に当接している。当接部１３１の端部１３１Ｅは、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＢの端部Ｅ２に当接している。
接合部１２２と接合部１３２とは、所定の幅を備えて接合されている。
接続部１２３は、当接部１２１の端部１２１Ｅと接合部１２２とを接続している。接続部１３３は、当接部１３１の端部１３１Ｅと接合部１３２とを接続している。
余剰空間７０は、発電要素５０の積層方向に沿う側面ＳＳと、外装部材１１０の接続部１２３および接続部１３３との間に形成されている。余剰空間７０は、発電要素５０を取り囲んで配置されている。
第１外装部材１２０および第２外装部材１３０は、密封された空間８０内の圧力上昇に応じて拡がることによって余剰空間７０の体積の増加を許容する体積調整部１４０を含む。体積調整部１４０は、外装部材１１０が発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間７０の体積の増加を許容する。本実施形態では、接続部１２３および接続部１３３の一部に弛んだ部位を形成することによって体積調整部１４０を構成している。
本実施形態において、密封された空間８０の体積Ｖａに対する発電要素５０の体積（発電要素５０が収容される空間６０の体積）ＶＩの比Ｖｌ／Ｖａは、所定の範囲に設定されている。具体的には、密封された空間８０の体積Ｖａに対する発電要素５０の体積ＶＩの比は、０．８００≦Ｖｌ／Ｖａ≦０．９９５に設定されている。密封された空間８０の体積Ｖａは、アルキメデス法によって計測できる。また、本実施形態では、負極４０の面積に発電要素５０の厚みを乗じたものを発電要素５０の体積ＶＩとしている。
本実施形態では、第１外装部材１２０および第２外装部材１３０は、それぞれ、３層構造のラミネートシートから構成される。１層目は、熱融着性樹脂に相当し、例えばポリエチレン（ＰＥ）、アイオノマー、またはエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）を用いて形成している。１層目の材料は、負極４０に隣接させている。２層目は、金属を箔状に形成したものに相当し、例えばＡｌ箔またはＮｉ箔を用いて形成している。３層目は、樹脂性のフィルムに相当し、例えば剛性を有するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはナイロンを用いて形成している。３層目の材料は、正極３０に隣接させている。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００において、第１外装部材１２０および第２外装部材１３０による電解液１０および発電要素５０の封止は以下の手順によって行われる。
まず、第１外装部材１２０および第２外装部材１３０の周囲の一部を開放して、その他の周囲を熱溶着等によって封止する。このとき、接合部１２２および接合部１３２が互いに接合される。
次に、第１外装部材１２０および第２外装部材１３０の開放している部分から電解液を注入し、電解質層２０に電解液を含浸させる。
そして、第１外装部材１２０および第２外装部材１３０の開放部から内部を減圧することによって空気を抜きつつ、その開放部も熱融着して完全に密封する。
上述した手順により、第１外装部材１２０および第２外装部材１３０によって電解液１０および発電要素５０が減圧された状態において封止される。
次に、図７〜図９を参照して、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００の動作を説明する。
図７は、リチウムイオン二次電池１００の体積調整部１４０の動作を説明する図であって、余剰空間７０の体積が増加する前の体積調整部１４０を示す図６の破線部Ｍ１によって囲まれる部分に対応する拡大図である。図８は、リチウムイオン二次電池１００の体積調整部１４０の動作を説明する図であって、余剰空間７０の体積が増加する際中の体積調整部１４０を示す図６の破線部Ｍ１によって囲まれる部分に対応する拡大図である。図９は、リチウムイオン二次電池１００の体積調整部１４０の動作を説明する図であって、図８の破線部Ｍ２によって囲まれる部分に対応する拡大図である。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源として充放電が繰り返しなされる。
充放電が繰り返しなされることによって、発電要素５０の内部には、正極３０または負極４０と電解液１０とが反応してガス１１が生じる。
図７に示すように、ガス１１は、発電要素５０の積層方向Ｚに沿う側面ＳＳと外装部材１１０との間に形成されている余剰空間７０に移動する。
このとき、本実施形態では、使用前における密封された空間８０の体積Ｖａに対する発電要素の体積ＶＩの比ＶＩ／Ｖａが０．９９５以下である。そのため、余剰空間７０の体積は、使用前において所定の値よりも大きい状態にある。これにより、余剰空間７０にガス１１が移動しても、密封された空間８０内の圧力はすぐには上昇しない。
体積調整部１４０は、余剰空間７０に移動したガス１１の量が少ない間は弛んだ状態にある。その後、図８に示すように、余剰空間７０に移動したガス１１の量が増加すると、体積調整部１４０は張られた状態に変化する。これにより、余剰空間７０にガス１１が移動することによって生じる密封された空間８０内の圧力の上昇が抑制される。そのため、発電要素５０の内部に生じたガス１１の移動が、密封された空間８０の圧力の増加によって阻害されることが防止される。その結果、発電要素５０の内部に生じたガス１１の移動が促進されて、発電要素５０の内部にガス１１が留まることによって液枯れが生じることが防止される。また、発電要素５０は、使用に伴って積層方向Ｚに膨張し得る。発電要素５０が積層方向Ｚに膨張すると、図８を参照して上述したガス１１の移動による場合と同様に、体積調整部１４０は張られた状態に変化する。これにより、発電要素５０が積層方向Ｚに膨張することによって生じる密封された空間８０内の圧力の上昇が抑制される。そのため、発電要素５０が膨張した場合であっても、液枯れが生じることが防止される。
また、外装部材１１０は、外側の空間と密封された空間８０の圧力差によって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている。これにより、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢには、外装部材１１０から均一な圧力Ｐ１、Ｐ２が負荷されている（図７参照）。
そして、体積調整部１４０は、外装部材１１０が発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間７０の体積の増加を許容する。これにより、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢと外装部材１１０との間に隙間が生じることが防止される。そのため、図９に示すように、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵと外装部材１１０との間に、ガス１１が侵入することが防止される。また、図示していないが、同様に、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＢと外装部材１１０との間に、ガス１１が侵入することが防止される。これにより、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに外装部材１１０から均一に圧力Ｐ１、Ｐ２が作用する状態が維持される。
（作用・効果）
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、電解液１０と、電解質層２０および電解質層２０を介して積層されている複数の正極３０および負極４０を含み、使用に伴って正極３０および負極４０の積層方向Ｚに膨張する発電要素５０と、を備える。また、リチウムイオン二次電池１００は、発電要素５０が収容される空間６０と、余剰空間７０と、を含む密封された空間８０を形成する外装部材１１０と、を備える。余剰空間７０は、発電要素５０の積層方向Ｚに沿う側面ＳＳと、外装部材１１０との間に形成されている。外装部材１１０は、外側と内側との圧力差によって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されているとともに、密封された空間８０内の圧力上昇に応じて拡がることによって余剰空間７０の体積の増加を許容する体積調整部１４０を含む。体積調整部１４０は、外装部材１１０が発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間７０の体積の増加を許容する。
このような構成によれば、密封された空間８０内の圧力上昇に応じて余剰空間７０の体積の増加が体積調整部１４０によって許容される。これにより、発電要素５０内に生じたガス１１が余剰空間７０に移動することによって生じる密封された空間８０内の圧力の上昇が抑制される。そのため、余剰空間７０に対する発電要素５０内に生じたガス１１の円滑な移動が可能になる。また、体積調整部１４０は、外装部材１１０が発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間７０の体積の増加を許容する。これにより、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢと外装部材１１０との間に隙間が生じることが防止される。そのため、余剰空間７０に移動したガス１１の一部が、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢと外装部材１１０との間に侵入しにくくなる。従って、液枯れを防止しつつ、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに外装部材１１０から均一に圧力が作用する状態を維持できるリチウムイオン二次電池１００を提供できる。
また、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００において、使用前における、密封された空間８０の体積Ｖａに対する発電要素の体積ＶＩの比は０．８００≦Ｖｌ／Ｖａ≦０．９９５である。
このような構成によれば、Ｖｌ／Ｖａが使用前において０．９９５以下であることにより、余剰空間７０の体積は所定の値よりも大きい。これにより、発電要素５０内に生じたガス１１が余剰空間７０に移動することによって生じる密封された空間８０内の圧力の上昇がより緩和される。そのため、余剰空間７０に対する発電要素５０内に生じたガス１１の円滑な移動がより確実になされる。
また、Ｖｌ／Ｖａが使用前において０．８００以上であることにより、余剰空間７０の体積は所定の値よりも小さい。これにより、余剰空間７０の形状が大きく変化することによって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢと外装部材１１０との間に隙間が生じることをより確実に防止できる。そのため、余剰空間７０に移動したガス１１の一部が、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢと外装部材１１０との間に侵入することをより確実に防止できる。
また、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００において、余剰空間７０は、発電要素５０を囲んで配置されている。
このような構成によれば、余剰空間７０に対する発電要素５０内に生じたガス１１の平均移動距離が小さくなる。これにより、余剰空間７０に対する発電要素５０内に生じたガス１１の円滑な移動がさらに確実になされる。
また、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００において、正極３０および負極４０は、矩形形状を備えた電極板である。そして、正極３０および負極４０を構成する電極板のアスペクト比は、１〜３である。
このような構成によれば、リチウムイオン二次電池１００が搭載される空間に合わせて、リチウムイオン二次電池１００のアスペクト比を調整できる。これにより、リチウムイオン二次電池１００が搭載される空間の利用効率が向上する。
（第１実施形態の変形例）
第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００において、体積調整部１４０は、接続部１２３および接続部１３３が弛んだ状態から張られた状態に変化することによって、余剰空間７０の体積の増加を許容した。しかしながら、体積調整部１４０の構成は、外装部材１１０が発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間７０の体積の増加を許容し得る限りにおいて変更することが可能である。
例えば、体積調整部１４０として、接続部１２３および接続部１３３に拡開自在な部位を形成してもよい。
図１０は、本変形例に係るリチウムイオン二次電池２００の体積調整部１４０を示す図であって、図６の破線部Ｍ１によって囲まれる部分に対応する拡大図である。図１１は、本変形例に係るリチウムイオン二次電池２００の体積調整部１４０を示す図であって、体積の調整が行われる際中の体積調整部１４０を示す図６の破線部Ｍ１によって囲まれる部分に対応する拡大図である。
図１０に示すように、本変形例に係るリチウムイオン二次電池２００において、接続部１２３には、体積調整部１４０として、拡開自在な部位１２５が形成されている。また、接続部１３３には、体積調整部１４０として、拡開自在な部位１３５が形成されている。
図１１に示すように、拡開自在な部位１２５、１３５は、余剰空間７０に移動したガス１１の量が増加するに従って拡開する。これにより、発電要素５０内に生じたガス１１が余剰空間７０に移動することによって生じる密封された空間８０内の圧力の上昇がより確実に抑制される。そのため、余剰空間７０に対する発電要素５０内に生じたガス１１の円滑な移動がさらに確実になされる。
（第２実施形態）
第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００は、次の点で第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００と異なる。
すなわち、第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、密封された空間８０の体積Ｖａに対する発電要素５０の体積ＶＩの比が所定の範囲内に規制されていた。
一方、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００は、発電要素５０の積層方向Ｚと交差する方向Ｙと外装部材の接続部とがなす角度が規制されている点において、第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００と異なる。
上述した相違点に係る構成について以下に説明する。ただし、第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００の構成と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、図５（Ａ）、（Ｂ）に対応する概略断面図である。図１３は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００を示す図６に対応する断面図である。図１４は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００の体積調整部３４０を示す図であって、図１３の破線部Ｍ３によって囲まれる部分に対応する拡大図である。
図１２および図１３に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００は、電解液１０（不図示）と、電解質層２０および電解質層２０を介して積層されている複数の正極３０および負極４０を含み、使用に伴って正極３０および負極４０の積層方向Ｚに膨張する発電要素５０と、を備える。リチウムイオン二次電池３００は、発電要素５０が収容される空間３６０と、余剰空間３７０と、を含む密封された空間３８０を形成する外装部材３１０をさらに備える。余剰空間３７０は、発電要素５０の積層方向Ｚに沿う側面ＳＳと外装部材３１０との間に形成されている。外装部材３１０は、外側と内側の圧力差によって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている。外装部材３１０は、密封された空間３８０内の圧力上昇に応じて拡がることによって余剰空間３７０の体積の増加を許容する体積調整部３４０を含む。体積調整部３４０は、外装部材３１０が発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間３７０の体積の増加を許容する。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００の構成は、外装部材３１０の構成が、第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００の外装部材１１０の構成と異なる点を除いて、第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００の構成と同じである。そのため、外装部材３１０以外の構成については、説明を省略する。
＜外装部材＞
図１２（Ａ）に示すように、外装部材３１０は、互いに接合される第１外装部材３２０および第２外装部材３３０を含む。外装部材３１０は、当該外装部材３１０の内部に密封された空間３８０を形成している。
第１外装部材３２０および第２外装部材３３０は、第１外装部材３２０の端部３２０Ｅと第２外装部材３３０の端部３３０Ｅとが接合されることによって、互いに接合されている。第１外装部材３２０および第２外装部材３３０が互いに接合されることによって、密封された空間３８０が形成されている。
密封された空間３８０は、減圧された状態にある。すなわち、密封された空間３８０の内側の圧力は、密封された空間３８０の外側の圧力よりも低い状態にある。図１２（Ｂ）に示すように、密封された空間３８０は、発電要素５０が収容される空間３６０と、余剰空間３７０と、を含む。
図１３に示すように、第１外装部材３２０および第２外装部材３３０は、発電要素５０の積層方向Ｚにおいて発電要素５０を挟み込んだ状態において接合されている。
第１外装部材３２０は、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵに当接している当接部３２１と、第２外装部材３３０に接合される接合部３２２と、当接部３２１と接合部３２２とを接続する接続部３２３を含む。
第２外装部材３３０は、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＢに当接している当接部３３１と、第１外装部材３２０に接合される接合部３３２と、接合部３３２と当接部３３１とを接続する接続部３３３を含む。
当接部３２１は、上述した密封された空間３８０の外側の圧力と内側の圧力との圧力差によって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵに対して押圧されている。当接部３３１も同様に、当該圧力差によって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＢに対して押圧されている。
当接部３２１の端部３２１Ｅは、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵの端部Ｅ１に当接している。当接部３３１の端部３３１Ｅは、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＢの端部Ｅ２に当接している。
接合部３２２と接合部３３２とは、所定の幅を備えて接合されている。
接合部３２２は、第１外装部材３２０において、第２外装部材３３０に接合されている部位と第２外装部材３３０に接合されていない部位との境界に配置される第１端部３２２ａと、当該第１端部３２２ａとは異なる第２端部３２２ｂと、を備える。
接合部３３２は、第２外装部材３３０において、第１外装部材３２０に接合されている部位と第１外装部材３２０に接合されていない部位との境界に配置される第１端部３３２ａと、当該第１端部３３２ａとは異なる第２端部３３２ｂと、を備える。
外装部材１１０において正極電極タブ３１ａ（負極電極タブ４１ａ）がリチウムイオン二次電池３００の内側から外側に取り出される箇所では、第１外装部材３２０および第２外装部材３３０は、正極集電体３１（負極集電体４１）および正極電極タブ３１ａ（負極電極タブ４１ａ）を介して接合される（図４参照）。当該箇所では、正極集電体３１（負極集電体４１）または正極電極タブ３１ａ（負極電極タブ４１ａ）に接合されている部位と、正極集電体３１（負極集電体４１）または正極電極タブ３１ａ（負極電極タブ４１ａ）に接合されてない部位との境界部が、第１端部３２２ａ、３３２ａに相当する。
接続部３２３は、当接部３２１の端部３２１Ｅと接合部３２２の第１端部３２２ａとを接続している。接続部３３３は、当接部３３１の端部３３１Ｅと接合部３３２の第１端部３３２ａとを接続している。
余剰空間３７０は、発電要素５０の積層方向に沿う側面ＳＳと接続部３２３および接続部３３３との間に形成されている。余剰空間３７０は、発電要素５０を取り囲んで配置されている。
第１外装部材３２０および第２外装部材３３０は、密封された空間３８０内の圧力上昇に応じて拡がることによって余剰空間３７０の体積の増加を許容する体積調整部３４０を含む。体積調整部３４０は、外装部材３１０が発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間３７０の体積の増加を許容する。本実施形態では、接続部３２３および接続部３３３の一部に弛んだ部位を形成することによって体積調整部３４０を構成している。
本実施形態において、接続部３２３、３３３と、発電要素５０の積層方向Ｚと交差する方向Ｙとがなす角度は、所定の範囲に規制されている。具体的には、図１４に示すように、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ（ＳＢ）の端部Ｅ１（Ｅ２）と接合部３２２（３３２）の第１端部３２２ａ（３３２ａ）とを結ぶ直線Ｈ１（Ｈ２）と、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する直線Ｇと、がなす角θ１（θ２）は１５°≦θ１（θ２）≦６２°である。なお、図１４において、直線Ｇは、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する方向Ｙに沿って延伸する直線である。θ１およびθ２は、例えば、Ｘ線ＣＴ装置を使用して取得したリチウムイオン二次電池３００の断面画像を使用して、幾何学的な方法によって計測することができる。θ１およびθ２の計測誤差を考慮して、θ１とθ２の平均値θａ＝（θ１＋θ２）／２を１５°≦θａ≦６２°の範囲に設定してもよい。
次に、図１５を参照して、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００の動作について説明する。
図１５は、リチウムイオン二次電池３００の体積調整部３４０を示す図であって、余剰空間３７０の体積が増加する際中の体積調整部３４０を示す図１３の破線部Ｍ３によって囲まれる部分に対応する拡大図である。図１５では、電解液１０およびガス１１を省略して示している。
第１実施形態において上述したように、リチウムイオン二次電池３００に対して充放電を繰り返すことによって、発電要素５０の内部にはガス１１が生じる。そして、発電要素５０の内部に生じたガス１１は、余剰空間３７０に移動する。
余剰空間３７０に移動したガス１１の量が増加すると、接続部３２３（３３３）には、余剰空間３７０に収容されている電解液１０から圧力Ｐ３（Ｐ４）が作用する。これにより、接続部３２３（３３３）は張られた状態となり、接続部３２３（３３３）には張力Ｔ１（Ｔ２）が生じる。
そして、当接部３２１（３３１）の端部３２１Ｅ（３３１Ｅ）には、接続部３２３（３３３）に生じた張力Ｔ１（Ｔ２）によって、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ（ＳＢ）の端部Ｅ１（Ｅ２）に押し付ける力Ｆ１（Ｆ２）が作用する。
力Ｆ１（Ｆ２）は、第１外装部材３２０と第２外装部材３３０との接合部３２２（３３２）と面ＳＵ（ＳＢ）の端部Ｅ１（Ｅ２）とを結ぶ直線Ｈ１（Ｈ２）と、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する方向Ｙと、がなす角θ１（θ２）が小さいほど弱くなる。
ここで、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００において、θ１（θ２）は６２°以下である。そのため、当接部３２１（３３１）の端部３２１Ｅ（３３１Ｅ）が、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ（ＳＢ）の端部Ｅ１（Ｅ２）に対して強く押し付けられることによって、発電要素５０の形状が変化することが防止される。
（作用・効果）
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００によれば、外装部材３１０は、互いに接合される第１外装部材３２０および第２外装部材３３０を含む。第１外装部材３２０および第２外装部材３３０は、発電要素５０の積層方向Ｚにおいて発電要素５０を挟み込んだ状態において、第１外装部材３２０の端部３２０Ｅと第２外装部材３３０の端部３３０Ｅとが接合されている。使用前における、第１外装部材３２０と第２外装部材３３０との接合部３２２（３３２）と発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ（ＳＢ）の端部Ｅ１（Ｅ２）とを結ぶ直線Ｈ１（Ｈ２）と、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する方向Ｙと、がなす角θ１（θ２）は１５°≦θ１（θ２）≦６２°である。
このような構成によれば、θ１（θ２）が６２°以下であることにより、接続部３２３（３３３）から当接部３２１（３３１）に作用する力のうち、発電要素５０の積層方向Ｚの力が弱くなる。これにより、外装部材３１０から発電要素５０に対して積層方向Ｚの力が作用することによって発電要素５０の形状が変化することを防止できる。そのため、発電要素５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに外装部材１１０から均一に圧力Ｐ１、Ｐ２が作用する状態をより確実に維持できる。
また、θ１（θ２）が大きくなるにつれて、余剰空間７０の体積は小さくなる。そして余剰空間７０の体積が小さい方が、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００を搭載する空間の利用効率は高い。本実施形態では、θ１（θ２）が１５°以上であるから、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００を搭載する空間の利用効率が高い。
（第３実施形態）
第３実施形態に係るリチウムイオン二次電池４００は、次の点で第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００と異なる。
すなわち、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００では、第１外装部材３２０と第２外装部材３３０とが接合される部位（接合部３２２、３３２）は、発電要素５０の積層方向Ｚにおける一の最表面（図１３の面ＳＵ）と他の最表面（図１３の面ＳＢ）との間に配置されていた。
一方、第３実施形態に係るリチウムイオン二次電池４００は、第１外装部材と第２外装部材とが接合される部位が、発電要素５０の積層方向Ｚにおける最表面と同じ面上に配置されている点において、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００と異なる。
上述した相違点に係る構成について以下に説明する。ただし、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００の構成と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図１６は、本変形例に係るリチウムイオン二次電池４００を示す図４に対応する断面図である。図１７（Ａ）、（Ｂ）は、図５（Ａ）、（Ｂ）に対応する概略断面図である。図１８は、本変形例に係るリチウムイオン二次電池４００を示す図６に対応する断面図である。図１９は、本変形例に係るリチウムイオン二次電池４００の体積調整部４４０を示す図であって、図１８の破線部Ｍ４によって囲まれる部分に対応する拡大図である。
図１６および図１７に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池４００は、電解液１０（不図示）と、電解質層２０および電解質層２０を介して積層されている複数の正極３０および負極４０を含み、使用に伴って正極３０および負極４０の積層方向Ｚに膨張する発電要素４５０と、を備える。リチウムイオン二次電池４００は、発電要素４５０が収容される空間４６０と、余剰空間４７０と、を含む密封された空間４８０を形成する外装部材４１０をさらに備える。余剰空間４７０は、発電要素４５０の積層方向Ｚに沿う側面ＳＳと外装部材４１０との間に形成されている。外装部材４１０は、外側と内側の圧力差によって、発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている。外装部材４１０は、密封された空間４８０内の圧力上昇に応じて余剰空間４７０の体積の増加を許容する体積調整部４４０を含む。体積調整部４４０は、外装部材４１０が発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵ、ＳＢに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間４７０の体積の増加を許容する。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池４００の構成は、発電要素４５０および外装部材４１０の構成が、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００の発電要素５０および外装部材３１０の構成と異なる点を除いて、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００の構成と同じである。そのため、発電要素４５０および外装部材４１０以外の構成については、説明を省略する。
＜発電要素＞
発電要素４５０の構成は、当該発電要素４５０の積層方向Ｚにおける厚みが、発電要素５０の積層方向Ｚにおける厚みの半分である点を除いて、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池３００の発電要素５０の構成と同じである。発電要素４５０の積層方向Ｚにおける厚みは、電解質層２０、正極３０および負極４０の積層数を変更することによって調整できる。正極３０の積層数をｄ、電池の容量をＱとした場合、０．７≦Ｑ／ｄ≦５．０とするのが好ましい。なお、負極４０は発電要素４５０の最外層に配置されているから、正極３０の積層数がｄのとき負極４０の積層数はｄ＋１である。また、正極３０を発電要素４５０の最外層に配置する場合には、負極４０の積層数をｄとして、０．７≦Ｑ／ｄ≦５．０としてもよい。
＜外装部材＞
図１７（Ａ）に示すように、外装部材４１０は、互いに接合される第１外装部材４２０および第２外装部材４３０を含む。外装部材４１０は、当該外装部材４１０の内部に密封された空間４８０を形成している。
第１外装部材４２０および第２外装部材４３０は、第１外装部材４２０の端部４２０Ｅと第２外装部材４３０の端部４３０Ｅとが接合されることによって、互いに接合されている。第１外装部材４２０および第２外装部材４３０が互いに接合されることによって、密封された空間４８０が形成されている。
密封された空間４８０は、減圧された状態にある。すなわち、密封された空間４８０の内側の圧力は、密封された空間４８０の外側の圧力よりも低い状態にある。図１７（Ｂ）に示すように、密封された空間４８０は、発電要素４５０が収容される空間４６０と、余剰空間４７０と、を含む。
図１８に示すように、第１外装部材４２０および第２外装部材４３０は、発電要素４５０の積層方向Ｚにおいて発電要素４５０を挟み込んだ状態において接合されている。
第１外装部材４２０は、発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵに当接している当接部４２１と、第２外装部材４３０に接合される接合部４２２と、当接部４２１と接合部４２２とを接続する接続部４２３を含む。
第２外装部材４３０は、発電要素４５０の積層方向に交差する面方向に延在している。第２外装部材４３０は、発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＢに当接している当接部４３１と、第１外装部材３２０に接合される接合部４３２と、当接部４３１と接合部４３２とを接続する接続部４３３を含む。
当接部４２１は、上述した密封された空間４８０の外側の圧力と内側の圧力との圧力差によって、発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵに対して押圧されている。当接部４３１も同様に、当該圧力差によって、発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＢに対して押圧されている。
当接部４２１の端部４２１Ｅは、発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵの端部Ｅ１に当接している。
接合部４２２と接合部４３２とは、所定の幅を備えて接合されている。
接合部４２２は、第１外装部材４２０において、第２外装部材４３０に接合されている部位と第２外装部材４３０に接合されていない部位との境界に配置される第１端部４２２ａと、当該第１端部４２２ａとは異なる第２端部４２２ｂと、を備える。
接合部４３２は、第２外装部材４３０において、第１外装部材４２０に接合されている部位と第１外装部材４２０に接合されていない部位との境界に配置される第１端部４３２ａと、当該第１端部４３２ａとは異なる第２端部４３２ｂと、を備える。
外装部材４１０において正極電極タブ３１ａ（負極電極タブ４１ａ）がリチウムイオン二次電池４００の内側から外側に取り出される箇所では、第１外装部材４２０および第２外装部材４３０は、正極集電体３１（負極集電体４１）および正極電極タブ３１ａ（負極電極タブ４１ａ）を介して接合される（図１６参照）。当該箇所では、正極集電体３１（負極集電体４１）または正極電極タブ３１ａ（負極電極タブ４１ａ）に接合されている部位と、正極集電体３１（負極集電体４１）または正極電極タブ３１ａ（負極電極タブ４１ａ）に接合されてない部位との境界部が、第１端部４２２ａ、４３２ａに相当する。
接続部４２３は、当接部４２１の端部４２１Ｅと接合部４２２の第１端部４２２ａとを接続している。接続部４３３は、当接部４３１の端部４３１Ｅと接合部４３２の第１端部４３２ａとを接続している。
余剰空間４７０は、発電要素４５０の積層方向に沿う側面ＳＳと接続部４２３および接続部４３３との間に形成されている。余剰空間４７０は、発電要素４５０を取り囲んで配置されている。
第１外装部材４２０は、密封された空間４８０内の圧力上昇に応じて拡がることによって余剰空間４７０の体積の増加を許容する体積調整部４４０を含む。体積調整部４４０は、外装部材４１０が発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵに対して押圧されている状態を維持したまま余剰空間４７０の体積の増加を許容する。本実施形態では、接続部４２３の一部に弛んだ部位を形成することによって体積調整部４４０を構成している。
本実施形態において、接続部４２３と、発電要素５０の積層方向Ｚと交差する方向Ｙとがなす角度は、所定の範囲に規制されている。具体的には、図１９に示すように、発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する面ＳＵの端部４２１Ｅと接合部４２２の第１端部４２２ａとを結ぶ直線Ｈ３と、第２外装部材４３０の面方向と、がなす角θ３は１５°≦θ３≦６２°である。なお、上述したように、第２外装部材４３０の面方向は、発電要素４５０の積層方向Ｚに交差する方向である。
上述した構成を備える本変形例に係るリチウムイオン二次電池４００においても、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池と同様の効果を奏する。
本発明を、以下の実施例Ａ１〜Ａ１９、Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
実施例Ａ１〜Ａ１９および比較例Ａ１〜Ａ３は、主に、密封された空間８０の体積Ｖａに対する発電要素の体積ＶＩの比ＶＩ／Ｖａの値と容量維持率との関係を調べるために実施されたものである。また、実施例Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ｂ１〜Ｂ３は、主に、ラミネート外装体の封止点と、発電要素の積層方向に交差する面の端部と、を結ぶ直線と、発電要素の積層方向に交差する方向と、が成す角θ（第２実施形態において上述したθ１とθ２の平均値θａ＝（θ１＋θ２）／２に相当）と容量維持率との関係を調べるために実施されたものである。
実施例Ａ１〜Ａ１９、Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３に係るリチウムイオン二次電池の作製方法および試験方法は共通している。実施例Ａ１〜Ａ１９および比較例Ａ１〜Ａ３に係るリチウムイオン二次電池は、密封された空間８０の体積Ｖａに対する発電要素の体積ＶＩの比ＶＩ／Ｖａの値、または、負極の材料によって区別される。また、実施例Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ｂ１〜Ｂ３は、角θの値によって区別される。以下に、実施例Ａ１〜Ａ１９、Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３に係るリチウムイオン二次電池の作製方法および試験方法を説明する。
［正極の作成］
ＮＭＣ複合酸化物ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．３Ｃｏ０．２Ｏ２を９０重量％、導電助剤としてケッチェンブラックを５重量％、バインダーとしてピリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を５重量％、およびスラリー粘度調整溶媒であるＮＭＰを適量混合して、正極活物質スラリーを調整した。
次に、得られた正極活物質スラリーを集電体であるアルミニウム箔（厚さ２０μｍ）に塗布した。
次に、１２０℃乾燥後、ロールプレス機で圧縮成型して、正極活物質層正極を作成した。
上述した方法と同様の方法により、裏面にも正極活物質層を形成し、正極集電体の両面に正極活物質層が形成されてなる正極を作成した。
［負極の作成］
負極活物質として、人造グラファイトもしくはシリコンを９６．５重量％、バインダーとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩１．５重量％およびスチレンブタジエン共重合体ラテックス２．０重量％を精製水中に分散させて負極活物質スラリーを調整した。
次に、この負極活物質スラリーを負極集電体となる銅箔（厚さ１０μｍ）に塗布した。
次に、１２０℃乾燥後、ロールプレス機で圧縮成型して、負極活物質層負極を作成した。
上述した方法と同様の方法により、裏面にも負極活物質層を形成し、負極集電体の両面に負極活物質層が形成されてなる負極を作成した。
［セルの作製］
上述した方法により作成した正極および負極を、セパレータを介して交互に積層することによって、発電要素を作製した。
そして、作製した発電要素をアルミラミネートシート製バックの中に積置し、電解液を注液した。
電解液は、エチレンカーボネート（ＥＣ）：ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）：エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶媒（体積比１：１：１）に１．０ＭＬｉＰＦ６を溶解した溶液を用いた。
次に、真空条件下にて、両電極に接続された電流取出しタブが導出するようにアルミラミネート製バックの開口部を封止し、ラミネート型リチウムイオン二次電池を完成させた。
実施例Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ｂ１〜Ｂ３においては、完成させたリチウムイオン二次電池の断面における、ラミネート外装体の封止点と、発電要素の積層方向に交差する面の端部と、を結ぶ直線と、発電要素の積層方向に交差する方向と、が成す角θをＸ線ＣＴ装置（島津製作所製ＳＭＸ−２２５ＣＴ Ｘ線管電流：１７０ｋＶ、X線管電圧：４０μＡ）にて確認した。
＜耐久性試験＞
[初期の性能確認]
完成した電池を、２５℃に設定した恒温槽で、０．２Ｃ＿ＣＣＣＶ充電（上限電圧４．１５Ｖ８時間）を行った後、０．２Ｃ＿ＣＣ放電（下限電圧２．５Ｖｃｕｔ）を行い、初回の充放電容量を確認した。また、完成した電池の体積および厚みの測定を実施した。電池の体積は、アルキメデス法によって測定した。また、負極の面積に電池の厚みを乗じたものを発電要素の体積とした。
[耐久試験]
完成した電池に対し、４５℃に設定した恒温槽において、１Ｃ＿ＣＣＣＶ充電（上限電圧４．１５Ｖ、２時間）、１Ｃ＿ＣＣ放電（下限電圧２．５Ｖｃｕｔ）を１０００ｃｙｃ実施した。なお、耐久試験中に（例．２５０ｃｙｃ毎）に、２５℃で耐久試験中の性能を確認することもできる。
[耐久試験中の性能確認]
耐久試験後の電池を、２５℃に設定した恒温槽で、０．２Ｃ＿ＣＣＣＶ充電（上限電圧４．１５Ｖ８時間）を行った後、０．２Ｃ＿ＣＣ放電（下限電圧２．５Ｖ）を行い、耐久試験後の充放電容量を確認した。また、耐久試験後の電池の体積および厚みの測定を実施した。電池の体積は、アルキメデス法によって測定した。また、負極の面積に電池の厚みを乗じたものを発電要素の体積とした。
次に、実施例Ａ１〜Ａ１９、Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３に係るリチウムイオン二次電池の容量維持率と体積増加率の試験結果について考察する。
まず、実施例Ａ１〜Ａ１９および比較例Ａ１〜Ａ３の試験結果について、表１および図２０を参照して考察する。
下記表１は、実施例Ａ１〜Ａ１９および比較例Ａ１〜Ａ３に係るリチウムイオン二次電池の容量維持率と体積増加率の試験結果を示す表である。
表１には、実施例Ａ１〜Ａ１９および比較例Ａ１〜Ａ３に係るリチウムイオン二次電池の正極および負極に使用した材料、および、密封された空間８０の体積Ｖａに対する発電要素の体積ＶＩの比ＶＩ／Ｖａを合わせて示している。また、試験中に液枯れが発生したリチウムイオン二次電池については、表１において容量維持率および体積増加率の値を「‐」としている。
図２０は、実施例Ａ１〜Ａ１９および比較例Ａ１〜Ａ３に係るリチウムイオン二次電池の体積増加率Ｖ％と容量維持率Ｃ％との関係を示す図である。
表１に示すように、実施例Ａ１〜Ａ１９について、密封された空間の体積Ｖａに対する発電要素Ｖｌの体積の比は、ＶＩ／Ｖａ≦０．９９５であった。そして、表１および図２０に示すように、実施例Ａ１〜Ａ１９は、いずれも８０％を超える高い容量維持率を備える。
一方、表１に示すように、比較例Ａ１〜Ａ３において、密封された空間の体積Ｖａに対する発電要素Ｖｌの体積の比は、ＶＩ／Ｖａ＞０．９９５であった。そして、表１および図２０に示すように、比較例Ａ１〜Ａ３において、容量維持率は、いずれも８０％を下回る低い容量維持率であった。
従って、ＶＩ／Ｖａ≦０．９９５の場合の方が、ＶＩ／Ｖａ＞０．９９５の場合よりも、容量維持率が高いことが分かる。すなわち、ＶＩ／Ｖａ≦０．９９５とすることで、液枯れが生じにくくなっていることが分かる。
一方、表１に示すように、ＶＩ／Ｖａが０．８に近づくにつれて、体積増加率が０％に近づくことが分かる。ＶＩ／Ｖａが０．８に近づくにつれて密封された空間の体積Ｖａに対する余剰空間の体積の割合が大きくなるから、発電要素の積層方向の体積膨張が余剰空間の形状の変化によって吸収されて体積増加率が０％に近づいたと考えられる。ＶＩ／Ｖａが０．８よりも小さくなって余剰空間の体積の割合がさらに増加すると、密封された空間内の圧力上昇に伴って余剰空間の形状が大きく変化し易くなる。余剰空間の形状が大きく変化すると、余剰空間に移動したガスの一部が発電要素の積層方向に交差する面と外装部材との間に侵入して、発電要素の積層方向に交差する面に外装部材から均一な圧力が負荷されにくくなる。従って、発電要素の積層方向に交差する面に負荷される外装部材からの圧力を均一にして電池性能の低下を防ぐという観点において、ＶＩ／Ｖａ≧０．８とした方が有利である。
次に、実施例Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ｂ１〜Ｂ３の試験結果について、表２および図２１を参照して考察する。
下記表２は、実施例Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ｂ１〜Ｂ３に係るリチウムイオン二次電池の容量維持率と体積増加率の試験結果を示す表である。
表２には、実施例Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ｂ１〜Ｂ３に係るリチウムイオン二次電池の正極および負極に使用した材料、および、ラミネート外装体の封止点と、発電要素の積層方向に交差する面の端部と、を結ぶ直線と、発電要素の積層方向に交差する方向と、が成す角θも合わせて示している。
図２１は、実施例Ｂ１〜Ｂ１６および比較例Ｂ１〜Ｂ３に係るリチウムイオン二次電池の体積増加率Ｖ％と容量維持率Ｃ％との関係を示す図である。
表２に示すように、実施例Ｂ１〜Ｂ１６について、角θはθ≦６２°であった。そして、表２および図２１に示すように、実施例Ｂ１〜Ｂ１６は、いずれも８０％を超える高い容量維持率を備える。
一方、比較例Ｂ１〜Ｂ３について、角θはθ＞６２°であった。そして、表２および図２１に示すように、比較例Ｂ１〜Ｂ３において、容量維持率は、いずれも８０％を下回る低い容量維持率であった。
従って、ラミネート外装体の封止点と、発電要素の積層方向に交差する面の端部と、を結ぶ直線と、発電要素の積層方向に交差する方向と、が成す角θがθ≦６２°の場合の方が、θ＞６２°の場合よりも、容量維持率が高いことが分かる。すなわち、θ≦６２°とすることで、発電要素の積層方向に交差する面に外装部材から均一に圧力が作用する状態をより確実に維持できることが分かる。
一方、表２に示すように、θが１５°に近づくにつれて、体積増加率が０％に近づくことが分かる。θが１５°に近づくにつれて密封された空間の体積Ｖａに対する余剰空間の体積の割合が大きくなるから、発電要素の積層方向の体積膨張が余剰空間の形状の変化によって吸収されて体積増加率が０％に近づいたと考えられる。θが１５°よりも小さくなって余剰空間の体積の割合がさらに増加すると、密封された空間内の圧力上昇に伴って余剰空間の形状が大きく変化し易くなる。余剰空間の形状が大きく変化すると、余剰空間に移動したガスの一部が発電要素の積層方向に交差する面と外装部材との間に侵入して、発電要素の積層方向に交差する面に外装部材から均一な圧力が負荷されにくくなる。従って、発電要素の積層方向に交差する面に負荷される外装部材からの圧力を均一にして電池性能の低下を防ぐという観点において、θ≧１５°とした方が有利である。
なお、本発明は上述した実施形態にのみ限定されず、特許請求の範囲において種々の変更が可能である。
例えば、第２実施形態および第３実施形態において、第１実施形態と同様に、密封された空間８０の体積Ｖａに対する発電要素の体積ＶＩの比を所定の範囲内に設定してもよい。
また、第２実施形態および第３実施形態において、第１実施形態の変形例と同様に、体積調整部として拡開自在な部位を外装部材に形成してもよい。
さらに、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態において、外装部材は、別体として構成されている第１外装部材および第２外装部材を接合することによって構成された。しかしながら、外装部材は、例えば、袋状にして一体的に構成されている形態も本願発明の技術的範囲に含まれる。
１０ 電解液、
１１ ガス、
２０ 電解質層、
３０ 正極、
４０ 負極、
５０、４５０ 発電要素、
６０、３６０、４６０ 発電要素が収容される空間、
７０、３７０、４７０ 余剰空間、
８０、３８０、４８０ 密封された空間、
１００、２００、３００、４００ リチウムイオン二次電池、
１１０、３１０、４１０ 外装部材、
１２０、３２０、４２０ 第１外装部材、
１２１、１３１、３２１、３３１、４２１、４３１ 当接部、
１２２、１３２、３２２、３３２、４２２、４３２ 接合部、
３２２ａ、３３２ａ、４２２ａ、４３２ａ 第１端部、
３２２ｂ、３３２ｂ、４２２ｂ、４３２ｂ 第２端部、
１２３、１３３、３２３、３３３、４２３、４３３ 接続部、
１２５、１３５ 拡開自在な部位、
１３０、３３０、４３０ 第２外装部材、
１４０、３４０、４４０ 体積調整部、
１２０Ｅ、１３０Ｅ、３２０Ｅ、３３０Ｅ、４２０Ｅ、４３０Ｅ 端部、
Ｅ１、Ｅ２ 端部、
Ｆ１ 力、
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｇ 直線、
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 圧力、
ＳＳ 積層方向に沿う面、
ＳＵ、ＳＢ 積層方向に交差する面、
Ｔ１ 張力、
ＶＩ 発電要素の体積、
Ｖａ 密封された空間の体積、
Ｘ 長辺方向（積層方向に交差する方向）、
Ｙ 短辺方向（積層方向に交差する方向）、
Ｚ 積層方向、
θ１、θ２、θ３ 角。

Claims (4)

  1. 電解液と、
    電解質層および前記電解質層を介して積層されている複数の電極を含み、使用に伴って前記電極の積層方向に膨張する発電要素と、
    前記発電要素が収容される空間と、余剰空間と、を含む密封された空間を形成する外装部材と、を備え、
    前記余剰空間は、前記発電要素の積層方向に沿う側面と、前記外装部材との間に形成されており、
    前記外装部材は、外側と内側との圧力差によって、前記発電要素の積層方向に交差する面に対して押圧されているとともに、前記密封された空間内の圧力上昇に応じて拡がることによって前記余剰空間の体積の増加を許容する体積調整部を含み、
    前記体積調整部は、前記外装部材が前記発電要素の積層方向に交差する面に対して押圧されている状態を維持したまま前記余剰空間の体積の増加を許容し、
    前記外装部材は、互いに接合される第１外装部材および第２外装部材を含み、
    前記第１外装部材および前記第２外装部材は、前記発電要素の積層方向において当該発電要素を挟み込んだ状態において、当該第１外装部材および当該第２外装部材の端部同士が接合されており、
    使用前における、前記第１外装部材と前記第２外装部材とが接合された部位と、前記発電要素の積層方向に交差する面の端部と、を結ぶ直線と、前記発電要素の積層方向に交差する方向と、がなす角θが１５°≦θ≦６２°であり、
    使用前における、前記密封された空間の体積Ｖａに対する、前記発電要素の体積ＶＩの比が、０．８００≦Ｖｌ／Ｖａ≦０．９９５である、扁平型電池。
  2. 前記余剰空間は、前記発電要素を囲んで配置されている、請求項１に記載の扁平型電池。
  3. 前記外装部材には、前記体積調整部として拡開自在な部位が形成されている、請求項１または請求項２に記載の扁平型電池。
  4. 前記電極は、矩形形状を備えた電極板であり、
    前記電極板のアスペクト比は、１〜３である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の扁平型電池。
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