JP7045644B2 - 密閉型電池および組電池 - Google Patents

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Description

本発明は、密閉型電池と、当該密閉型電池を単電池として複数備えた組電池に関する。
リチウムイオン二次電池その他の二次電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等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広く使用されている。このような二次電池の典型的な構造の一つとして密閉型電池が挙げられる。
かかる密閉型電池の一例について図９を参照しながら説明する。図９に示される密閉型電池１００では、電極体１２０がケース１１０内に収容されている。図示は省略するが、この電極体１２０は、絶縁性のセパレータを介して正極と負極とを積層させた積層体を捲回することによって作製された捲回電極体である。正極と負極は、それぞれ、箔状の集電体と、当該集電体の表面に形成された合材層とを備えている。そして、密閉型電池１の幅方向Ｘ（以下、単に「幅方向Ｘ」ともいう）における電極体１２０の中央部には、正負極の合材層が対向したコア部１２２が形成されている。また、幅方向Ｘにおける電極体１２０の一方の側縁部には、合材層が形成されていない正極集電体（正極露出部）が巻き重ねられた正極接続部１２４が形成されている。この正極接続部１２４には正極端子１３０が接続され、正極接続箇所１３２が形成されている。そして、電極体１２０の他方の側縁部には、合材層が形成されていない負極集電体（負極露出部）が巻き重ねられた負極接続部１２６が形成されている。この負極接続部１２６には負極端子１４０が接続され、負極接続箇所１４２が形成されている。このような構造の密閉型電池の一例が特許文献１～４に記載されている。
上記構造の密閉型電池１００では、充放電中に電極体１２０が発熱することがある。これによって電極体１２０の温度が高くなりすぎると、正極と負極との間に介在している絶縁性のセパレータが収縮し、コア部１２２の側縁部で正極と負極とが接触して内部短絡が生じるおそれがある。
上記特許文献４には、このようなセパレータの収縮による内部短絡への対策の一例が開示されている。この特許文献４では、セパレータの収縮が負極側よりも正極側で早く進むことに着目している。そして、このような現象について正極側では負極側よりも熱がこもりやすく高温になりやすいためと考え、電極体の収容位置を負極側にずらしている。具体的には、特許文献４では、正極合材層の未塗工部側の縁から電池ケースの内壁までの距離Ａが、正極合材層の反対側の縁から電池ケースの内壁までの距離Ｂよりも長くなる（Ａ＞Ｂになる）ように、捲回電極体を電池ケースに位置決めしている。これによって、正極側における電池ケースと捲回電極体との隙間を広くすることができるため、当該隙間に放出されたガス（熱）をスムーズに外部に排出することができる。
国際公開第２０１２／７７１９４号 特開２０１０－２８２８４９号公報 特開２００３－１８７７８１号公報 特開２０１１－２４３５２７号公報
しかしながら、密閉型電池に対する安全性への要求の高まりから、セパレータの収縮による内部短絡を従来よりも好適に防止できる技術の開発が求められている。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電極体の発熱によるセパレータの収縮を適切に抑制し、当該セパレータの収縮に伴う内部短絡を好適に防止できる技術を提供することを目的とする。
本発明者は、上記の目的を達成するために種々の検討を行った結果、負極側よりも正極側でセパレータが収縮しやすい現象について、正極側で熱がこもりやすいこと以外に原因があることを見出した。この本発明者が見出した知見について図９を参照しながら説明する。密閉型電池１００の充放電中に電極体１２０が発熱すると、コア部１２２の中心、正極接続箇所１３２、負極接続箇所１４２の三箇所における発熱量が特に大きくなる。これは、コア部１２２の中心において充放電が特に活発に行われ、正極接続箇所１３２と負極接続箇所１４２では接続部分の抵抗が高いためである。そして、この三箇所の発熱領域の中でも、コア部１２２の中心と正極接続箇所１３２の二箇所は特に発熱量が大きくなる傾向がある。この場合、正極側縁部１２２ａ（コア部１２２の正極側の側縁部）の近傍の領域は、上記コア部１２２の中心と正極接続箇所１３２との間に位置するため、熱が集中しやすく局所的な温度上昇が生じやすい。本発明者は、この正極側縁部１２２ａの近傍への熱集中による局所的な温度上昇が、正極側でセパレータが収縮しやすい原因であると考えた。
本発明者は、上記の考察に基づいて、電極体のコア部の形成位置を負極端子に近接させ、コア部の正極側縁部を正極接続箇所から遠ざければ、正極側縁部の近傍への熱集中が緩和されて局所的な温度上昇を抑制できるため、セパレータの収縮に伴う内部短絡を従来よりも適切に防止できると考えた。そして、種々の実験を重ねた結果、ここに開示される密閉型電池を創作するに至った。
ここで開示される密閉型電池は、上述の知見に基づいてなされたものであり、シート状の正極と負極とがセパレータを介して重ねられた電極体と、電極体を収容する扁平な角型のケースと、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む電極端子であって、ケースの内部において正極と電気的に接続され、一部がケースの外部に露出する正極端子と、銅または銅合金を含む電極端子であって、ケースの内部において負極と電気的に接続され、一部がケースの外部に露出する負極端子と、を備えている。この密閉型電池の正極は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む箔状の正極集電体と、正極集電体の表面に形成された正極合材層とを有し、幅方向における一方の側縁部に正極合材層が形成されずに正極集電体が露出した正極露出部が形成されている。一方、負極は、銅または銅合金を含む箔状の負極集電体と、当該負極集電体の表面に形成された負極合材層とを有し、幅方向における他方の側縁部に負極合材層が形成されずに負極集電体が露出した負極露出部が形成されている。また、電極体の幅方向の中央部に正極合材層および負極合材層が対向したコア部が形成され、幅方向の一方の側縁部に正極露出部が重ねられた正極接続部が形成され、幅方向の他方の側縁部に負極露出部が重ねられた負極接続部が形成されている。そして、この密閉型電池では、正極接続部と正極端子とが正極接続箇所において接続され、負極接続部と負極端子とが負極接続箇所において接続されている。
そして、ここに開示される密閉型電池では、正極接続部側のコア部の側縁部である正極側縁部と正極接続箇所のコア部側の側縁部との最短距離を距離Ｌ１とし、負極接続部側のコア部の側縁部である負極側縁部と負極接続箇所のコア部側の側縁部との最短距離を距離Ｌ２としたときに、距離Ｌ１および距離Ｌ２が以下の式（１）を満たすようにコア部が形成されている。
１＜Ｌ１／Ｌ２＜１．８ （１）
上記式（１）を満たすようにコア部の形成位置を調節することによって、特定の領域で局所的な温度上昇が発生することを抑制し、セパレータの収縮による内部短絡を好適に防止できる。具体的には、コア部の形成位置を負極端子に近接させ、正極側縁部から正極接続箇所のコア部側の側縁部までの最短距離（距離Ｌ１）を、負極側縁部から負極接続箇所のコア部側の側縁部までの最短距離（距離Ｌ２）よりも長くする（１＜Ｌ１／Ｌ２）ことにより、正極側縁部の近傍における局所的な温度上昇を適切に抑制できる。一方で、コア部を負極端子に近接させすぎると、正極側縁部と負極側縁部の温度が逆転し、負極側縁部の近傍において局所的な温度上昇が生じる可能性がある。このため、ここに開示される密閉型電池では、Ｌ１／Ｌ２の上限を１．８未満としている。
また、ここに開示される密閉型電池の好適な一態様では、距離Ｌ１と距離Ｌ２との差（Ｌ１－Ｌ２）が４．３ｍｍ以下である。
これにより、負極側縁部の近傍において局所的な温度上昇が生じることを好適に防止することができる。
また、ここに開示される技術の他の側面として、複数の単電池を備えた組電池が提供される。ここに開示される組電池では、複数の単電池の各々が、上述した何れかの態様に記載の密閉型電池であり、隣接した単電池の間で正極端子と負極端子とが近接し、かつ、扁平な角型のケースの幅広面が相互に対向するように各々の単電池が配列されている。そして、隣接した単電池の間で正極端子と負極端子とがバスバーを介して電気的に接続されており、単電池の配列方向に沿って単電池の各々を拘束する拘束部材を備えている。そして、この組電池では、単電池の各々の正極側縁部が負極側縁部よりも幅方向の中央側に配置されている。
上述した態様の密閉型電池は、コア部の負極側縁部が負極端子に近接し、正極接続部が正極端子から遠ざけられている。このような密閉型電池を単電池として使用し、電気的に直列に配列させると、各々の単電池の正極側縁部が負極側縁部よりも幅方向の中央側に配置されることになる。この状態で各々の単電池を拘束すると、正極側縁部の近傍に拘束荷重が加わりやすくなるため、当該正極側縁部の近傍におけるセパレータの収縮を物理的に抑制することができる。
また、ここに開示される組電池の好適な一態様では、単電池の各々の間に板状のスペーサが配置されている。
これによって、各々の単電池に均一な拘束荷重を加えることができるため、正極側縁部の近傍におけるセパレータの収縮をより好適に抑制できる。
また、ここに開示される組電池の好適な一態様では、スペーサの幅方向の長さが、コア部の幅方向の長さよりも長い。
これによって、コア部の両側縁部に拘束荷重を加えることができるため、セパレータの収縮をさらに好適に抑制できる。
本発明の一実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池の内部構造を模式的に示す正面図である。 本発明の一実施形態における電極体を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池を用いた組電池を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池を用いた組電池を模式的に示す平面図である。 サンプル１～６に対する温度測定試験の結果を示すグラフである。 サンプル１～６に対する温度測定試験の結果を示すグラフである。 耐電圧試験で使用した拘束器具を説明する平面図である。 従来の密閉型電池の内部構造を模式的に示す正面図である。
以下、本発明の一実施形態に係る密閉型電池の一例としてリチウムイオン二次電池を説明する。なお、ここで開示される密閉型電池の構造は、リチウムイオン二次電池に限定されず、種々の二次電池（例えば、ニッケル水素電池）に適用することができる。
また、以下の図面において、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。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚みなど）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、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（例えば、電解質の組成および製法など）は、当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。
１．密閉型電池
図１は本実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す斜視図である。図２は本実施形態に係る密閉型電池の内部構造を模式的に示す正面図である。また、図３は本実施形態における電極体を模式的に示す斜視図である。なお、本明細書の各図に示した符号Ｘは「（密閉型電池の）幅方向」を指し、符号Ｙは「（密閉型電池の）厚み方向」を指し、符号Ｚは「（密閉型電池の）高さ方向」を指す。
（１）ケース
図１に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１は、扁平な角型のケース１０を備えている。このケース１０は、有底の直方体形状に形成されたいわゆる角型のケース本体１２と、このケース本体１２の上部に形成された開口部（図示省略）と、当該開口部を塞ぐ蓋体１４とを備える。このケース１０は、例えば、アルミニウムなどの軽量で強度が高い金属材料を主体に構成されていると好ましい。
図２に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１では、ケース１０の内部に電極体２０が収容されている。このとき、ケース１０内壁と電極体２０の側縁部２１との距離Ｌ５が正極側と負極側とで略同等になるように、電極体２０の収容位置を設定することが好ましい。詳しくは後述するが、本実施形態に係る密閉型電池１によれば、電極体２０の収容位置を変更せずに、局所的な温度上昇によるセパレータの収縮を抑制する。このため、電極体２０の収容位置の変更に伴う電極端子３０、４０や外部機器の大幅な設計変更が生じず、低コストでセパレータの収縮による内部短絡に対応できる。なお、上記「正極側と負極側とで略同等」とは、製造時の誤差を考慮したものであり、例えば、±０．５ｍｍの範囲内であれば、正極側と負極側とで距離Ｌ５が異なっていることを許容することを意味するものである。
また、図示は省略するが、ケース１０内部には、電極体２０の他に非水電解液も収容されている。非水電解液は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられ得る材料を特に制限なく使用することができ、本発明を特徴付けるものでないため説明を省略する。
（２）電極体
電極体２０は、シート状の正極および負極を備えた発電要素である。本実施形態では、かかる電極体２０として、図３に示されるような捲回電極体が用いられている。この捲回電極体２０は、絶縁性のセパレータ７０を介して正極５０と負極６０を積層させて積層体を形成した後、当該積層体を巻き重ねることによって作製される。
（ａ）正極
正極５０は、箔状の正極集電体５２と、当該正極集電体５２の表面に形成された正極合材層５４とを有するシート状の電極である。この正極５０では、幅方向Ｘの一方の側縁部に、正極合材層５４が形成されずに正極集電体５２が露出した正極露出部５６が形成されている。
正極集電体５２には、良好な導電性を有する安価な材料であり、かつ、充放電における電位によって融解しない材料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金が使用される。なお、正極集電体５２には、上記アルミニウムまたはアルミニウム合金以外の金属材料が含まれていてもよい。
正極合材層５４は、正極活物質を含有する層である。本実施形態における正極活物質は、この種の電池で従来から用いられている種々の化合物を使用することができるため、詳細な説明を省略する。かかる正極活物質の好適例としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎ（１－ｘ－ｙ）Ｏ２（ここで０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）等に代表される層状構造の複合酸化物が挙げられる。あるいは、Ｌｉ２ＮｉＭｎ３Ｏ８、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ１＋ｘＭｎ２－ｙＭｙＯ４（ここでＭは存在しないか若しくはＡｌ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎから選ばれる一種以上の金属元素、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜２）で表されるようなスピネル構造の複合酸化物、ＬｉＦｅＰＯ４等のオリビン構造の複合化合物、等が挙げられる。
なお、従来のこの種の電池の正極合材層と同様に、正極合材層５４には、正極活物質の他の任意成分を必要に応じて含ませることができる。かかる任意成分としては、例えば、導電材やバインダ等が挙げられる。導電材としては、アセチレンブラック等のカーボンブラックやその他（グラファイト、カーボンナノチューブ等）の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系バインダや、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等のゴム系バインダ等を使用することができる。
（ｂ）負極
負極６０は、箔状の負極集電体６２と、当該負極集電体６２の表面に形成された負極合材層６４とを有するシート状の電極である。上述した正極５０と同様に、負極６０にも集電体が露出した領域が設けられている。具体的には、負極６０では、幅方向Ｘの他方の側縁部に、負極合材層６４が形成されずに負極集電体６２が露出した負極露出部６６が形成されている。
負極集電体６２には、良好な導電性を有する安価な材料であり、かつ、充放電における電位によって融解しない材料である銅または銅合金が使用される。なお、正極集電体５２には、上記アルミニウムまたはアルミニウム合金以外の金属材料が含まれていてもよい。
負極合材層６４は、負極活物質を含有する層である。本実施形態における負極活物質は、この種の電池で従来から用いられている種々の化合物を使用することができるため、詳細な説明を省略する。かかる負極活物質の好適例としては、グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、カーボンブラック（アセチレンブラック、ケッチェンブラック等）のような炭素材料が挙げられる。
なお、従来のこの種の電池の負極合材層と同様に、負極合材層６４には、負極活物質以外の任意成分を含ませることができる。例えば、負極合材層６４には、正極合材層５４と同様に、導電材やバインダ等を含み得る。バインダとしては、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ等のフッ素系バインダや、ＳＢＲ等のゴム系バインダを好適に使用することができる。
（ｃ）セパレータ
セパレータ７０は、正極５０と負極６０との間に介在するように配置される絶縁性のシートである。このセパレータ７０には、電荷担体（例えばリチウムイオン）を透過させる微小な孔が複数形成された絶縁性シートが用いられる。このセパレータ７０の材料は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを用いることができる。かかるセパレータ７０の材料の一例として、多孔質ポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。また、セパレータ７０の表面には、耐熱層（Ｈｅａｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｌａｙｅｒ：ＨＲＬ層）が形成されていてもよい。これにより、セパレータ７０の耐熱性を向上させ、熱による収縮をより好適に抑制することができる。
（ｄ）捲回構造
本実施形態における捲回電極体２０は、正極露出部５６と負極露出部６６が、それぞれ幅方向Ｘの両側からはみ出るように、セパレータ７０を介して正極５０と負極６０とを積層させて積層体を形成した後、当該積層体を捲回することによって作製される。この捲回電極体２０の幅方向Ｘにおける中央部には、正極合材層５４と負極合材層６４とが対向したコア部２２が形成される。そして、捲回電極体２０の幅方向Ｘの一方の側縁部には、正極露出部５６が巻き重ねられた正極接続部２４が形成される。また、捲回電極体２０の幅方向Ｘの他方の側縁部には、負極露出部６６が巻き重ねられた負極接続部２６が形成される。
また、本明細書では、正極接続部２４側のコア部２２の側縁部を「正極側縁部２２ａ」と称し、負極接続部２６側のコア部２２の側縁部を「負極側縁部２２ｂ」と称する（図２参照）。なお、この例では、図３に示すように、負極合材層６４の幅ａ１が、正極合材層５４の幅ａ２よりも少し広い（ａ１＞ａ２）。このため、正極合材層５４と負極合材層６４とを対向させたコア部２２の幅ａ３は、負極合材層６４の幅ａ１よりも狭くなる。すなわち、コア部２２の側縁部である正極側縁部２２ａと負極側縁部２２ｂは、負極合材層６４の両側縁部よりも幅方向Ｘの中央側に形成される。
（３）電極端子
図１に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１は、正極端子３０と、負極端子４０とを備えている。ケース１０内部に収容された電極体２０は、この正極端子３０と負極端子４０とを介して、車両のモーター等の外部機器と電気的に接続される。
図２に示すように、正極端子３０は、ケース１０の内部において、捲回電極体２０の正極５０と電気的に接続されており、一部がケース１０の外部に露出している。具体的には、正極端子３０は、高さ方向Ｚに延びる導電性の板状部材である正極集電部材３１と、ケース１０外部に露出した接続ボルト３３と、正極集電部材３１と接続ボルト３３とを接続する外部接続部材３４とを備えている。そして、正極端子３０の正極集電部材３１と、捲回電極体２０の正極接続部２４とは、超音波溶接、抵抗溶接、レーザ溶接等によって接続される。この正極接続部２４と正極集電部材３１（正極端子３０）との接続部位には、正極接続箇所３２が形成される。なお、正極端子３０は、安価であり、かつ、良好な導電性を有しているという観点から、アルミニウムやアルミニウム合金等によって構成されている。
一方、負極端子４０は、ケース１０の内部において、捲回電極体２０の負極６０と電気的に接続されており、一部がケース１０の外部に露出している。本実施形態における負極端子４０は、上記正極端子３０と同等の構成を備えている。すなわち、負極端子４０は、高さ方向Ｚに延びる導電性の板状部材である負極集電部材４１と、ケース１０外部に露出した接続ボルト４３と、負極集電部材４１と接続ボルト４３とを接続する外部接続部材４４とを備えている。そして、負極端子４０の負極集電部材４１と、捲回電極体２０の負極接続部２６とは、抵抗溶接、超音波溶接、レーザ溶接等によって接続される。この負極接続部２６と負極集電部材４１（負極端子４０）との接続部位には、負極接続箇所４２が形成される。なお、負極端子４０は、銅や銅合金等によって構成されている。
（４）コア部の形成位置
本実施形態に係る密閉型電池１では、正極側縁部２２ａと正極接続箇所３２のコア部２２側の側縁部との最短距離（距離Ｌ１）と、負極側縁部２２ｂと負極接続箇所４２のコア部２２側の側縁部との最短距離（距離Ｌ２）が以下の式（１）を満たすようにコア部２２が形成されている。これによって、捲回電極体２０の特定の領域への熱集中による局所的な温度上昇を抑制し、セパレータの収縮による内部短絡の発生を好適に防止できる。以下、具体的に説明する。
１＜Ｌ１／Ｌ２＜１．８ （１）
まず、本実施形態におけるコア部２２は、正極側縁部２２ａと正極接続箇所３２のコア部２２側の側縁部との最短距離である距離Ｌ１が、負極側縁部２２ｂと負極接続箇所４２のコア部２２側の側縁部との最短距離である距離Ｌ２よりも長くなるように形成されている（Ｌ１／Ｌ２＞１）。このように、コア部２２と負極接続箇所４２とが近接し、かつ、正極側縁部２２ａが正極接続箇所３２から遠ざかるようにコア部２２の形成位置を調節することによって、コア部２２の中心で生じた熱と、正極接続箇所３２で生じた熱とが、正極側縁部２２ａの近傍に集中することを抑制できる。これにより、正極側縁部２２ａの近傍における局所的な温度上昇を抑制し、当該領域におけるセパレータの収縮に伴う内部短絡を好適に防止できる。
一方、コア部２２を負極端子４０に近接させ過ぎると、コア部２２の中心で生じた熱と、負極接続箇所４２で生じた熱とが、負極側縁部２２ｂの近傍に集中する。この場合、正極側縁部２２ａと負極側縁部２２ｂの温度が逆転し、負極側縁部２２ｂの近傍において、熱集中による局所的な温度上昇が生じる可能性がある。このため、本実施形態に係る密閉型電池１では、上記Ｌ１／Ｌ２の上限が１．８未満に設定されている。
以上のように、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが上記式（１）を満たすことにより、捲回電極体２０の特定の領域への熱集中による局所的な温度上昇を抑制することができる。このため、本実施形態によれば、電極体の発熱によるセパレータの収縮を適切に抑制し、当該セパレータの収縮に伴う内部短絡を好適に防止することができる。
また、正極側縁部２２ａの近傍への熱集中をより好適に抑制するという観点から、上記Ｌ１／Ｌ２の下限は、１．０５以上であることが好ましく、１．１以上であることがより好ましく、１．１５以上であることがさらに好ましく、１．２以上であることが特に好ましい。また、負極側縁部２２ｂの近傍への熱集中をより好適に抑制するという観点から、上記Ｌ１／Ｌ２の上限は、１．７以下であることが好ましく、１．６４以下であることがより好ましく、１．５以下であることがさらに好ましく、１．４６以下であることが特に好ましい。典型的には、上記Ｌ１／Ｌ２が１．２１になるように密閉型電池１を構成することにより、正極側縁部２２ａの近傍と負極側縁部２２ｂの近傍の各々の温度を同程度にし、特定の領域における局所的な温度上昇をより好適に防止することができる。
また、上記の通り、本実施形態では、コア部２２の形成位置を変更することによりＬ１／Ｌ２を調節している。なお、コア部２２の幅ａ３を短くすることによって、Ｌ１／Ｌ２を調節することもできるが、充放電に寄与しない正極接続部２４および負極接続部２６の面積が広くなるため、コア部２２の寸法を維持したまま、コア部２２の形成位置を変更することによってＬ１／Ｌ２を調節した方が好ましい。
また、距離Ｌ１と距離Ｌ２との具体的な寸法差（Ｌ１－Ｌ２）は、密閉型電池１のサイズ等に応じて適宜変更されるため特に限定されないが、例えば、０．１ｍｍ以上であると好ましく、０．５ｍｍ以上であるとより好ましく、１ｍｍ以上であるとさらに好ましく、１．５ｍｍ以上であると特に好ましい。これにより、正極側縁部２２ａの近傍への熱集中を好適に抑制できる。一方、Ｌ１－Ｌ２の上限は、４．３ｍｍ以下であると好ましく、４．０ｍｍ以下であるとより好ましく、３．３ｍｍ以下であるとさらに好ましく、２ｍｍ以下であると特に好ましい。これにより、負極側縁部２２ｂの近傍への熱集中を好適に抑制できる。典型的には、Ｌ１－Ｌ２が１．７ｍｍになるように密閉型電池１を構成することにより、正極側縁部２２ａの近傍と負極側縁部２２ｂの近傍の各々の温度を同程度にし、特定の領域における局所的な温度上昇をより好適に防止することができる。
また、上記したように、本実施形態に係る密閉型電池１では、正極集電体５２と正極端子３０にアルミニウム系の材料が用いられ、負極集電体６２と負極端子４０に銅系の材料が用いられている。しかし、集電体と電極端子の材料を上記のように組み合わせると、正極接続箇所３２における発熱量が、負極接続箇所４２における発熱量よりも大きくなり、正極側縁部２２ａの近傍への熱集中が生じやすくなる。これに対して、本実施形態によれば、正極側縁部２２ａの近傍への熱集中を抑制できるため、上述の組み合わせの材料を用いた場合であっても、正極側縁部２２ａの近傍における局所的な温度上昇を抑制することができる。
なお、ここに開示される技術は、最大電流値が１００Ａ以上の密閉型電池に特に好ましく適用することができる。例えば、一般的なリチウムイオン二次電池の最大電流値は５５Ａ程度であるが、近年の高性能化への要請により電池の最大電流値を１００Ａ以上（より好適には１５０Ａ以上）に向上させるための改良が進められている。しかし、このような大電流化した密閉型電池では、正極接続箇所３２における発熱量が更に増加するため、正極側縁部２２ａの近傍における局所的な温度上昇が生じやすくなる。これに対して、ここに開示される技術によると、最大電流値が１００Ａ以上の密閉型電池の場合でも、正極側縁部２２ａの近傍への熱集中を適切に抑制し、セパレータの収縮を抑制できるため、密閉型電池の大電流化に貢献することができる。
２．組電池
次に、本実施形態に係る密閉型電池は、組電池を構成する単電池として特に好ましく用いられる。以下、本実施形態に係る密閉型電池を単電池として使用した組電池について説明する。図４は本実施形態に係る実施形態に係る密閉型電池を用いた組電池を模式的に示す斜視図である。また、図５は本実施形態に係る密閉型電池を用いた組電池を模式的に示す平面図である。
図４に示す組電池５００は、複数の単電池５１０を備えており、各々の単電池５１０に、本実施形態に係る密閉型電池１が用いられている。また、この組電池５００では、隣接した単電池５１０の間で正極端子３０と負極端子４０とが近接し、かつ、ケース１０の幅広面が対向するように各々の単電池５１０が配列される。そして、近接した正極端子３０と負極端子４０は、板状の導電部材であるバスバー５３０によって電気的に接続されている。このとき、配列方向（すなわち、ケースの厚み方向Ｙ）の一方の端部に配置された単電池５１０の正極端子３０は、他の単電池５１０に接続されずに外部機器と接続される正極外部端子３０ａとなる。また、配列方向の他方の端部に配置された単電池５１０の負極端子４０は、他の単電池５１０に接続されずに外部機器と接続される負極外部端子４０ａとなる。
そして、この組電池５００は、各々の単電池５１０を配列方向に沿って所定の拘束荷重で拘束する拘束部材を備えている。この拘束部材は、一対のエンドプレート５４２と、締付け用のビーム材５４４とを備えている。具体的には、一対のエンドプレート５４２は、配列方向における最外側にそれぞれ配置されており、配列方向に沿って延びる締付け用ビーム材５４４を、一対のエンドプレート５４２を架橋するように取り付けることによって、各々の単電池５１０を配列方向に沿って拘束することができる。
上述したように、本実施形態に係る密閉型電池１では、正極側縁部２２ａと正極端子３０との最短距離である距離Ｌ１が、負極側縁部２２ｂと負極端子４０との最短距離である距離Ｌ２よりも長くなる（１＜Ｌ１／Ｌ２）ようにコア部２２が形成されている（図２参照）。このような密閉型電池１を用いて組電池５００を構築すると、図５に示すように、ケース１０の外側面が揃うように各々の単電池５１０を配列させているにもかかわらず、各単電池５１０の正極側縁部２２ａが負極側縁部２２ｂよりも幅方向のＸの中央側に配置される。この状態で各々の単電池５１０を拘束すると、正極側縁部２２ａの近傍に拘束荷重Ｐが加わりやすくなるため、当該正極側縁部２２ａの近傍におけるセパレータの収縮を物理的に抑制することができる。このように、本実施形態に係る密閉型電池１を用いて組電池５００を構築した場合、局所的な温度上昇の抑制だけでなく、拘束圧による物理的な作用によってセパレータの収縮を抑制することができるため、当該セパレータの収縮による内部短絡の発生をさらに好適に防止できる。
また、本実施形態では、各々の単電池５１０の間にスペーサ５２０が配置されている。これによって、複数の単電池５１０の各々に適切に拘束荷重Ｐを加えることができるため、物理的な作用によるセパレータの収縮抑制効果をより適切に発揮させることができる。また、拘束荷重Ｐによる物理的な収縮抑制効果をより好適に生じさせるという観点から、幅方向Ｘにおけるスペーサ５２０の長さＬ３は、幅方向Ｘにおけるコア部２２の長さＬ４よりも長くなるように設定されているとより好ましい。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記した実施形態は、本発明を限定することを意図したものではなく、種々の構成を変更することができる。
例えば、上記した実施形態では、電極体として捲回電極体を使用しているが、かかる電極体の構造は特に限定されない。電極体の他の例として積層電極体が挙げられる。この積層電極体は、セパレータを介在させつつ、シート状の正極と負極を交互に所定の枚数積層させることによって作製される。この積層電極体の幅方向の中央部には、正極と負極の合材層が対向したコア部が形成され、幅方向の一方の側縁部には正極露出部が積層された正極接続部が形成される。また、幅方向の他方の側縁部には、負極露出部が積層された負極接続部が形成される。このような積層電極体を用いた場合であっても、距離Ｌ１と距離Ｌ２が上記式（１）を満たすようにコア部を形成することによって、特定の領域への熱集中によって局所的な温度上昇が生じることを抑制し、セパレータの収縮による内部短絡を好適に抑制できる。
［試験例］
以下、本発明に関係する試験を説明するが、以下の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
１．サンプルの作製
（１）サンプル１
サンプル１では、正極として、正極活物質（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）と、導電材（アセチレンブラック）と、バインダ（ポリフッ化ビニリデン）とが、質量比で９４：３：３の割合で混合された正極合材層が、正極集電体（アルミニウム製）の両面に形成された電極シートを作製した。一方、負極として、負極活物質（黒鉛）と、増粘剤（カルボキシメチルセルロース）と、バインダ（スチレンブタジエンゴム）とが、質量比で９８：１：１の割合で混合された負極合材層が、負極集電体（銅製）の両面に形成された電極シートを作製した。
次に、ポリエチレン製のセパレータを介して正極と負極とを積層させた積層体を形成し、当該積層体を捲回することによって捲回電極体を作製した。このとき、本例では、捲回電極体の幅方向の中心とコア部の幅方向の中心とが一致するように、正負極の電極合材層の形成領域および捲回位置を調節した。そして、捲回電極体の正極接続部に正極端子（アルミニウム製）を超音波溶接によって接続し、負極接続部に負極端子（銅製）を抵抗溶接によって接続した。このとき、正極側縁部と正極端子との最短距離（距離Ｌ１）および負極側縁部と負極端子との最短距離（距離Ｌ２）は、両方とも８．８５ｍｍであった。そして、捲回電極体をケース内に収容した後に非水電解液を注液し、ケースを密閉することによって試験用のリチウムイオン二次電池（サンプル１）を作製した。
（２）サンプル２
サンプル２では、捲回電極体のコア部の形成位置を正極端子側に０．８５ｍｍ分近接させたことを除いて、サンプル１と同じ条件で試験用電池を作製した。このサンプル２の距離Ｌ１は８．００ｍｍであり、距離Ｌ２は９．７０ｍｍである。
（３）サンプル３～６
サンプル３～６では、捲回電極体のコア部の形成位置を負極端子側に所定の距離近接させたことを除いて、サンプル１と同じ条件で試験用電池を作製した。サンプル３～６の距離Ｌ１および距離Ｌ２は後述の表１に示す。
２．評価試験
（１）温度測定試験
本試験では、各サンプルの内部に熱電対を挿入して過充電試験を行うことによって、過充電時の電池内部の温度（最大温度）を測定した。なお、熱電対は、正極側縁部の近傍と、負極側縁部の近傍の２箇所に配置した。また、過充電試験では、６０℃の温度環境下において、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が１５％の状態から、１９０Ａという大電流の充電レートで定電流充電（ＣＣ充電）を行った。そして、正負極端子間の電圧が１０Ｖに到達したら充電を停止し、正極側縁部の最大温度（℃）と負極側縁部の最大温度（℃）を測定した。測定結果を表１および図６、７に示す。
Figure 0007045644000001
表１および図６に示されるように、コア部を負極端子に近接させ、正極端子から遠ざける（すなわち、Ｌ１／Ｌ２を大きくする）と、正極側縁部の最大温度が低下する傾向があることが確認された。一方で、Ｌ１／Ｌ２を大きくすると、負極側縁部の最大温度が上昇する傾向が確認された。そして、図６に示すように、Ｌ１／Ｌ２が１．８を超えると、負極側縁部の最大温度がサンプル１の正極側縁部の最大温度（１５４℃）を超える（温度分布が逆転し、負極側縁部の近傍で局所的な温度上昇が生じる）ことが予想される。このことから、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが１＜Ｌ１／Ｌ２＜１．８を満たすようにコア部を形成することによって、特定の領域での局所的な昇温を防止できることが分かった。また、図７に示されるように、距離Ｌ１と距離Ｌ２の差（Ｌ１－Ｌ２）も、Ｌ１／Ｌ２と同様の傾向を示すことが確認された。
（２）耐電圧試験
本試験では、サンプル１～３の試験用電池を所定の圧力で拘束しながら過充電試験を行い、セパレータの収縮による内部短絡が生じる電圧を調べた。なお、試験用電池の拘束には、図８に示す拘束器具７００を用いた。この拘束器具７００は、対向した一対の拘束板７１０と、かかる拘束板７１０を架橋する架橋部材７２０と、架橋部材７２０の一方の端部に取り付けられたナット７３０と、試験用電池Ｂを挟み込んで保持する挟持部材７４０とを備えている。この拘束器具７００では、挟持部材７４０の間に試験用電池Ｂを配置し、ナット７３０を締め込むことによって試験用電池Ｂに掛かる拘束荷重を調節することができる。そして、本試験では、試験用電池Ｂの拘束荷重を３０００Ｎに設定した。
なお、挟持部材７４０の幅ａ４は、試験用電池Ｂのコア部２２の幅ａ３よりも短くなるように構成されている。本試験では、挟持部材７４０が試験用電池Ｂを挟み込む位置を変更し、異なる３種類の拘束状態（表２参照）の各々において過充電試験を実施した。この過充電試験では、６０℃の温度環境下において、ＳＯＣ１５％の状態から、１９０Ａの電流値（充電レート）で定電流充電（ＣＣ充電）を行った。そして、内部短絡が生じるまで充電を継続し、当該内部短絡が生じた時点の電圧を測定した。評価結果を表２に示す。
Figure 0007045644000002
表２に示されるように、１＜Ｌ１／Ｌ２＜１．８を満たすようにコア部が形成されたサンプル３では、拘束状態にかかわらず、他のサンプルよりも内部短絡が生じにくくなることが確認された。
また、正極側縁部を拘束すると内部短絡の発生が抑制されることが全てのサンプルで確認された。このことから、組電池を構築する際にコア部の正極側縁部に適切な拘束荷重が加わるように、各々の単電池を配置することによって、セパレータの収縮をより好適に抑制できるようになると解される。さらに、サンプル３では、正極側縁部を拘束した場合の短絡抑制効果が他のサンプルよりも大きくなることが確認された。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
１、１００ 密閉型電池
１０、１１０ ケース
１２ ケース本体
１４ 蓋体
２０、１２０ 電極体（捲回電極体）
２１ 電極体の側縁部
２２、１２２ コア部
２２ａ、１２２ａ 正極側縁部
２２ｂ 負極側縁部
２４、１２４ 正極接続部
２６、１２６ 負極接続部
３０、１３０ 正極端子
３０ａ 正極外部端子
３１ 正極集電部材
３２、１３２ 正極接続箇所
３３ 接続ボルト
３４ 外部接続部材
４０、１４０ 負極端子
４０ａ 負極外部端子
４１ 負極集電部材
４２、１４２ 負極接続箇所
４３ 接続ボルト
４４ 外部接続部材
５０ 正極
５２ 正極集電体
５４ 正極合材層
５６ 正極露出部
６０ 負極
６２ 負極集電体
６４ 負極合材層
６６ 負極露出部
７０ セパレータ
５００ 組電池
５１０ 単電池
５２０ スペーサ
５３０ バスバー
５４２ エンドプレート
５４４ ビーム材
７００ 拘束器具
７１０ 拘束板
７２０ 架橋部材
７３０ ナット
７４０ 挟持部材
ａ１ 負極合材層の幅
ａ２ 正極合材層の幅
ａ３ コア部の幅
ａ４ 挟持部材の幅
Ｂ 試験用電池
Ｌ１ 正極側縁部と正極端子との最短距離
Ｌ２ 負極側縁部と負極端子との最短距離
Ｌ３ スペーサの長さ
Ｌ４ コア部の長さ
Ｌ５ ケース内壁と電極体の側縁部との距離
Ｘ 幅方向
Ｙ 厚み方向
Ｚ 高さ方向
Ｐ 拘束荷重

Claims (5)

  1. シート状の正極と負極とがセパレータを介して重ねられた電極体と、
    前記電極体を収容する扁平な角型のケースと、
    アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む電極端子であって、前記ケースの内部において前記正極と電気的に接続され、一部が前記ケースの外部に露出する正極端子と、
    銅または銅合金を含む電極端子であって、前記ケースの内部において前記負極と電気的に接続され、一部が前記ケースの外部に露出する負極端子と、
    を備えた密閉型電池であって、
    前記正極は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む箔状の正極集電体と、前記正極集電体の表面に形成された正極合材層とを有し、幅方向における一方の側縁部に前記正極合材層が形成されずに前記正極集電体が露出した正極露出部が形成され、
    前記負極は、銅または銅合金を含む箔状の負極集電体と、当該負極集電体の表面に形成された負極合材層とを有し、前記幅方向における他方の側縁部に前記負極合材層が形成されずに前記負極集電体が露出した負極露出部が形成されており、
    前記電極体の前記幅方向の中央部に前記正極合材層および前記負極合材層が対向したコア部が形成され、前記幅方向の一方の側縁部に前記正極露出部が重ねられた正極接続部が形成され、前記幅方向の他方の側縁部に前記負極露出部が重ねられた負極接続部が形成されており、
    前記正極接続部と前記正極端子とが正極接続箇所において接続され、前記負極接続部と前記負極端子とが負極接続箇所において接続されており、
    ここで、前記正極接続部側の前記コア部の側縁部である正極側縁部と前記正極接続箇所の前記コア部側の側縁部との最短距離を距離Ｌ１とし、前記負極接続部側の前記コア部の側縁部である負極側縁部と前記負極接続箇所の前記コア部側の側縁部との最短距離を距離Ｌ２としたときに、前記距離Ｌ１および前記距離Ｌ２が以下の式（１）を満たすようにコア部が形成されている、密閉型電池。
    １＜Ｌ１／Ｌ２＜１．８ （１）
  2. 前記距離Ｌ１と前記距離Ｌ２との差（Ｌ１－Ｌ２）が４．３ｍｍ以下である、請求項１に記載の密閉型電池。
  3. 複数の単電池を備えた組電池であって、
    前記単電池の各々が、請求項１または２に記載の密閉型電池であり、
    隣接した前記単電池の間で前記正極端子と前記負極端子とが近接し、かつ、前記扁平な角型のケースの幅広面が相互に対向するように各々の前記単電池が配列され、
    該隣接した前記単電池の間で前記正極端子と前記負極端子とがバスバーを介して電気的に接続されており、
    前記単電池の配列方向に沿って前記単電池の各々を拘束する拘束部材を備え、
    前記単電池の各々の前記正極側縁部が前記負極側縁部よりも幅方向の中央側に配置されている、組電池。
  4. 前記単電池の各々の間に板状のスペーサが配置されている、請求項３に記載の組電池。
  5. 前記スペーサの幅方向の長さが、前記コア部の前記幅方向の長さよりも長い、請求項４に記載の組電池。
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