JP7072925B2 - 蓄電素子、蓄電池及び蓄放電システム - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電素子、蓄電池及び蓄発電システムに関する。
本願は、２０１８年６月１４日に国際段階に出願されたＰＣＴ／ＪＰ２０１８／０２２８０５に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
太陽光発電、風力発電、潮流・潮力発電のような、自然エネルギーを利用した発電では、環境変化による発電電力の変動が避けられない。これらの発電電力を使用する際には、電圧安定化回路を設けて、出力される発電電力を安定化している。
一方、例えば、夜間、空が曇っているとき、あるいは大気が無風状態、凪状態のとき等には、自然エネルギーによる発電を行うことが難しい。そのため、発電可能なときに、蓄電池を用いて余剰電力を蓄電し、発電が難しいときに、蓄電した余剰電力を使用する等の工夫が行われている。例えば、特許文献１、２には、太陽電池の発電電力を蓄電池に蓄え、それを、撮像カメラ等の機器の駆動電力として活用し、得られた撮影像を監視する屋外監視装置が開示されている。
この他にも、自然エネルギーによる発電と蓄電を組み合わせ、発電時と非発電時とに関わらず、２４時間の電力供給を可能とする電力供給システムが提案されている。この電力供給システムは、トンネル内の照明や空気の浄化等に活用されている。ところが、こうしたシステムは、電圧安定化回路に加えて、蓄電池と給電切り替えのためのスイッチング回路を設ける必要がある。このようなシステムは、コストがかかる。また電圧安定化回路の必要性は、自然エネルギーを利用した発電に限られるものではない。例えば、ダイナモ発電のように、意図的に出力値（発電電圧）が変動する場合においても同様である。
特開２００８－９８８５４号公報 特開２０１５－６４８００号公報
蓄電池に蓄えられた電力は、一定量まで充電した後に使用される。充電しながら使用（放電）しようとすると、放電電圧（出力電圧）が、充電電圧の変動に影響されて変動するためである。仮に、自然エネルギーによる電力を、蓄電池に蓄えると同時に放電しようとすると、充電と放電とで端子が兼用される。その結果、放電電圧は、充電電圧（発電電圧）の変動に影響されて変動する。
図１５は比較例に係るリチウムイオン蓄電素子Ａの構成例を示すものである。リチウムイオン蓄電素子Ａは、両面に正極活物質層２が形成された正極集電体１と、両面に負極活物質層５が形成された負極集電体４と、セパレータ７と、を有する。正極集電体１および正極活物質層２は正極を構成し、負極集電体４および負極活物質層５は負極を構成する。リチウムイオン蓄電素子Ａは、正極と負極とが、セパレータ７を挟んで積層されている。正極集電体１の正極活物質層２が形成されていない端部領域の左端には正極端子３が設けられ、負極集電体４の負極活物質層５が形成されていない端部領域の右端には負極端子６が設けられている。図１６は、正極、セパレータ、負極を重ね合わせた後に、負極側から見た構成を模式的に示す図である。このようなリチウムイオン蓄電素子Ａを、セパレータを介挿しつつ、多数重ね合わせる。重ね合わせた素子を電解液と共に、電池容器に収納し、封止することで、蓄電池が製作される。
正極端子３は発電装置等の電源８および負荷９に接続され、負極端子６は切り替えスイッチ１０に接続される。スイッチ１０の二つの端子は電源８および負荷９にそれぞれ接続される。スイッチ１０を電源８側に接続すれば電源８の電力により蓄電素子Ａが充電され、スイッチ１０を負荷９側に接続すれば蓄電素子Ａから放電され負荷９に給電される。
比較例に係る蓄電素子Ａは、スイッチ１０により充電と放電を切り替えて行うように構成されている。仮に、スイッチ１０を省略して充電と放電とを同時に行えるようにした場合は、負荷９が直接、電源８の電力変動の影響を受けることになる。
本発明は上記事情を鑑みて為されたものであり、コストを大幅に増大する必要のない簡単な構成からなり、充電中であっても、電圧変動を抑えた放電を行うことができる蓄電素子、および、それを用いた蓄電池を提供することを目的とする。
［１］第１の態様に係る蓄電素子は、正極集電体と、前記正極集電体の表面に形成された活物質層と、を有する正極と、負極集電体と、前記負極集電体の表面に形成された活物質層と、を有する負極と、前記正極と前記負極とに挟まれたセパレータと、前記正極集電体の外周に接続された、充電用の第１の端子と、前記負極集電体の外周に接続され、充電と放電とのうち少なくとも一方に用いられる第２の端子と、前記正極集電体と前記負極集電体のうち一方の外周に、前記第１の端子または前記第２の端子と離間して接続された、放電用の第３の端子と、を備える。
［２］上記態様にかかる蓄電素子は、前記正極集電体および前記負極集電体の主面が、それぞれ矩形であり、前記第３の端子は、前記第３の端子が接続された前記正極集電体又は前記負極集電体に接続された前記第１の端子又は前記第２の端子と異なる辺に、接続されていてもよい。
［３］上記態様にかかる蓄電素子は、前記第３の端子と、前記第３の端子が接続する前記正極集電体または前記負極集電体に接続された前記第１の端子または前記第２の端子とは、所定の距離以上離れていてもよく、前記所定の距離は、２つの端子間において前記活物質層が０．１ｍｍ幅で剥離した場合において、前記活物質層が形成されている領域の抵抗Ｒ１とし、活物質層が形成されていない領域の抵抗Ｒ１’とした際に、これらの比率Ｒ１／Ｒ１’が１以下となる距離である。
［４］上記態様にかかる蓄電素子において、前記正極集電体と前記負極集電体のうち、一方の外周に前記第３の端子が接続され、他方の外周に第４の端子が接続され、前記第４の端子は、積層方向から見て、前記第１の端子、前記第２の端子、前記第３の端子と重ならなくてもよい。
［５］上記態様にかかる蓄電素子において、前記第４の端子と、前記第４端子が接続する前記正極集電体または前記負極集電体に接続された前記第１の端子または前記第２の端子とは、所定の距離以上離れていてもよく、前記所定の距離は、２つの端子間において前記活物質層が０．１ｍｍ幅で剥離した場合において、前記活物質層が形成されている領域の抵抗Ｒ２とし、前記活物質層が形成されていない領域の抵抗Ｒ２’とした際に、これらの比率Ｒ２／Ｒ２’が１以下となる距離である。
［６］第２の態様に係る蓄電池は、電池容器に、電解質とともに、上記態様に係る蓄電素子を複数個収納し、複数の前記第１の端子、複数の前記第２の端子、および複数の前記第３の端子が、それぞれ群を形成して、前記電池容器の外に引き出されている。
［７］第２の態様に係る蓄電池は、電池容器に、電解質とともに、上記態様に係る蓄電素子を複数個収納し、複数の前記第１の端子、複数の前記第２の端子、複数の前記第３の端子、および複数の前記第４の素子が、それぞれ群を形成して、前記電池容器の外に引き出されている。
［８］第２の態様にかかる蓄発電システムは、上記態様にかかる蓄電素子と、前記蓄電素子に接続され、出力値が変動する電源と、を備え、前記蓄電素子の前記第１外部端子及び前記第２外部端子は、前記電源に接続され、前記蓄電素子の前記第２外部端子及び前記第３外部端子は、負荷に接続される。
本発明の一態様にかかる蓄電素子、および、蓄発電システムは、コストを大幅に増大する必要のない簡単な構成からなり、充電中であっても、電圧変動を抑えた放電を行うことができる。
第一実施形態に係る蓄電素子から、正極と負極を抜き出して並べた図である。 第一実施形態に係る蓄電素子の構成を、模式的に示す図である。 図２の蓄電素子を含む蓄電池の構成を、模式的に示す図である。 図２の蓄電素子を含む蓄電池の構成を、模式的に示す図である。 第二実施形態に係る蓄電素子から、正極と負極を抜き出して並べた図である。 第二実施形態に係る蓄電素子の構成を、模式的に示す図である。 第三実施形態に係る蓄電素子から、正極と負極を抜き出して並べた図である。 第三実施形態に係る蓄電素子の構成を、模式的に示す図である。 第四実施形態に係る蓄電素子から、正極と負極を抜き出して並べた図である。 第四実施形態に係る蓄電素子の構成を、模式的に示す図である。 第五実施形態に係る蓄電素子から、正極と負極を抜き出して並べた図である。 第五実施形態に係る蓄電素子の構成を、模式的に示す図である。 図１１の蓄電素子を含む蓄電池の構成を、模式的に示す図である。 第六実施形態に係る蓄電素子から、正極と負極を抜き出して並べた図である。 第六実施形態に係る蓄電素子の構成を、模式的に示す図である。 比較例に係る蓄電素子から、正極と負極を抜き出して並べた図である。 比較例に係る蓄電素子の構成を、模式的に示す図である。 実施例１に係る蓄発電システムの模式図である。 電源から出力される電圧波形である。 実施例１において負荷に出力される電圧を測定したグラフである。 比較例１に係る蓄発電システムの模式図である。 比較例１において負荷に出力される電圧を測定したグラフである。 蓄電池の抵抗値を比較例１の場合より高くした場合に、負荷に出力される電圧を測定したグラフである。 比較例２において負荷に出力される電圧を測定したグラフである。 蓄電池の抵抗値を比較例２の場合より高くした場合に、負荷９に出力される電圧を測定したグラフである。
以下、実施形態に係る蓄電素子について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
＜第一実施形態＞
図１は、第一実施形態に係る蓄電素子Ｂ１から、正極（左側）と負極（右側）を抜き出して並べた図である。図２は、リチウムイオン電池素子に適用する場合を想定し、組み立てた蓄電素子Ｂ１の構成を、一例として模式的に示す図である。
蓄電素子Ｂ１は、厚み方向に並んで配置されたシート状の正極集電体１１および負極集電体１５と、正極集電体１１と負極集電体１５との間に挟まれたセパレータ（不図示）と、３つの電極端子（第１の端子１３、第２の端子１７、第３の端子１４）と、を備えている。
正極は、正極集電体１１と正極活物質層１２とを有する。負極は、負極集電体１５と負極活物質層１６とを有する。正極活物質層１２、負極活物質層１６は、正極集電体１１、負極集電体１５の表面（好ましくは主面の全体）に、それぞれ、形成されている。
第１の端子（正極端子）１３は、正極集電体１１の外周（ここでは、左上端部）に接続されている。第２の端子（負極端子）１７は、負極集電体１５の外周（右上端部）に接続されている。第３の端子１４は、正極集電体１１と負極集電体１５のうち一方の外周（ここでは、正極集電体１１の右下端部）に接続されている。
第１の端子１３、第２の端子１７、第３の端子１４は、正極集電体１１、負極集電体１５の厚み方向からの平面視において、互いに重ならないように設けられている。第３の端子１４は、第３の端子１４が接続された正極集電体１１に接続された第１の端子１３と離間して接続されている。第３の端子１４と第１の端子１３とは、例えば、正極集電体１１の異なる辺に接続されている。第３の端子１４は、厚み方向からの平面視において、正極集電体１１と負極集電体１５の中心同士を結ぶ中心軸Ｃの周りに、第１の端子１３または第２の端子１７と軸対称となるように配置されていることが好ましい。
正極活物質層１２を構成する活物質は、リチウムイオンの含有量によって結晶構造が変化しないものを用いることが好ましい。例えば、スピネル構造、オリビン構造、ペロブスカイト構造は、リチウムイオンの含有量によって結晶構造が変化しない。リチウムイオンの含有量によって結晶構造が変化しない活物質は、過充電又は過放電時にも結晶構造が維持され、安全性が高い。また、負極活物質層１６を構成する活物質は、カーボン、グラファイト、等の炭素材料、スピネル構造を有するＬＴＯ（リチウムチタン酸化物Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）等が好ましい。これらの材料は、電池が過電圧状態になっても発煙・発火しにくい。
図２に示す蓄電素子Ｂ１は、第１の端子１３と第２の端子１７とが、切り替えスイッチを介することなく発電装置等の電源８に接続される。また、蓄電素子Ｂ１では、第２の端子１７と第３の端子１４とが、切り替えスイッチを介することなく負荷９に接続される。つまり、蓄電素子Ｂ１は、電源８が接続された充電回路、負荷９が接続された放電回路の両方を、同時に導通させた状態を実現する。従って、蓄電素子Ｂ１は、電源８により、正極端子１３および負極端子１７を通じて充電が行われている間、同時に、負極端子１７および第３の端子１４を通じて、負荷９に対して放電（給電）を行うことができる。第１の端子１３は充電に用いられ、第２の端子１７は充電及び放電に用いられ、第３の端子１４は放電に用いられる。
蓄電素子Ｂ１では、電源８の供給電圧（充電電圧）に変動があっても、負荷９への供給電圧（放電電圧）は安定に保たれる。これは、第１の端子１３と第３の端子１４との間に活物質層（ここでは正極活物質層１２）が介在しており、そこで電圧変動が減衰するためである。
蓄電素子Ｂ１の正極の電位は、正極活物質１２中に含まれる伝導イオン（リチウムイオン）の含有量によって変動する。つまり、蓄電素子Ｂ１の正極の電位は、外部からの充電電圧によらず、伝導イオンの移動量に律速される。すなわち、第１の端子１３における充電電圧に変動があっても、電圧変動は、正極活物質１２中における伝導イオンの移動を介して伝搬する間に減衰する。その結果、第３の端子１４に至る電圧変動は抑えられ、放電電圧が一定になる。
また当該電極電位は、蓄電素子Ｂ１のインピーダンスと電源８のインピーダンスの差にも依存する。電源８のインピーダンスは、蓄電素子Ｂ１のインピーダンスより高いことが好ましい。細い配線を介して供給される充電電圧の変動量は、十分広い領域を有する蓄電素子Ｂ１において緩和される。
本実施形態では、電荷入力用（充電用）と電荷出力用（放電用）とで独立した（別々の）電極端子を設けている。そのため、電荷入力用の電極端子において入力される変動電圧、変動電流は、活物質層内のリチウムイオンがアノードに移動する際に緩和する。その結果、独立した電荷出力用の電極端子からは、変動電圧、変動電流の影響を受けない一定の電圧が出力される。この構造により、発電電流が微小であっても入力端子から充電を行うことが可能となり、出力端子からは、電圧変動の極めて少ない電流を供給することが可能となる。
蓄電素子Ｂ１は、その充電状態によって正極と負極との間の電位差が変化する。この電位差の変動範囲は、使用する活物質の種類によって異なる。例えば、正極にマンガン酸リチウム、負極にグラファイトを使った場合、電位差の変動範囲は概ね３Ｖ～４．２Ｖとなる。初期の端子間電圧が３Ｖで、入力端子に３．５Ｖの電圧が印加された場合、蓄電素子Ｂ１は、ゆっくりと充電され、出力端子電圧は３Ｖから３．５Ｖまでゆっくりと上昇し、３．５Ｖで一定電圧になる。正極にマンガン酸リチウムを用いた蓄電素子Ｂ１は、結晶構造が安定であるため、入力した電流量と同量の電流を、出力端子から出力することができる。
正極集電体１１および負極集電体１５の主面の形状は、例えば、それぞれ矩形である。主面は、正極集電体１１および負極集電体１５が広がる表面である。電池が巻回されている場合は、展開した正極集電体１１及び負極集電体１５の表面が主面となる。正極集電体１１と負極集電体１５との面積は、互いに同程度であることが好ましい。また主面を平面視した際に、第１の端子１３、第２の端子１７、第３の端子１４は、互いに離間していることが好ましい。例えば、図１、２に示すように、正極集電体１１と負極集電体１５の主面が矩形である場合、矩形を構成する四辺のうち、第３の端子１４が設けられている辺と異なる辺に、第１の端子１３及び第２の端子１７が接続されていることが好ましい。
図１、２では、第１の端子１３、第３の端子１４が、それぞれ、正極集電体１１の矩形の主面において、対角線上の２つの頂点近傍に設けられている場合について例示している。しかしながら、第１の端子１３、第３の端子１４は、当該主面に垂直な方向からの平面視において、重なっていなければよい。例えば、正極集電体１１の矩形の主面において、同一辺上の２つの頂点近傍に設けられていてもよい。
本実施形態では、第３の端子１４が正極集電体１１の外周に接続されている場合について例示しているが、第３の端子１４は、負極集電体１５の外周に接続されていてもよい。その場合には、第１の端子１３および第２の端子１７が電源８に接続され、第１の端子１３および第３の端子１４が負荷９に接続される。ただし、第１の端子１３、第３の端子１４の位置関係の制限については、正極集電体１１の外周に接続されている場合と同様である。
蓄電池は、求められる容量に応じて必要な個数（複数個）の蓄電素子Ｂ１を、電解質液または固体電解質とともに電池容器に収納する。電池容器を封止することによって蓄電池が形成される。複数の第１の端子１３、複数の第２の端子１７、および複数の第３の端子１４は、それぞれ群を形成して、その一部がそれぞれ第１外部端子、第２外部端子及び第３外部端子となる。第１外部端子、第２外部端子及び第３外部端子は、電池容器の外に引き出されている部分である。第１外部端子、第２外部端子及び第３外部端子は、例えば、第１の端子１３、第２の端子１７及び第３の端子１４のうち電池容器の外に引き出された先端部である。第１外部端子、第２外部端子及び第３外部端子は、それぞれ異なる外部端子であり、蓄電素子と外部とを接続する。
図３Ａ、３Ｂは、それぞれ、図２の蓄電素子Ｂ１を含むラミネート型蓄電池の構成例を、模式的に示す分解図である。図３Ａでは、ラミネート型蓄電池を構成する正極集電体１１、負極集電体１５、セパレータ７の各層を分離し、積層される順に並べて示している。図３Ｂでは、ラミネート型蓄電池を構成するラミネートフィルム１９Ａ、１９Ｂの各層を分離し、並べて示している。
蓄電素子Ｂ１は、図３Ａに示すように、複数の正極及び負極が、セパレータ７を介挿しつつ交互に積層されている。積層した蓄電素子Ｂ１の最上層、最下層を、図３Ｂに示すアルミニウム製ラミネートフィルム１９Ａ、１９Ｂで覆い、電解質液とともに電池容器に収納する。この電池容器を封止することによって、ラミネート型蓄電池を得ることができる。
以上のように、本実施形態に係る蓄電素子Ｂ１では、電極端子を３つとする簡単な構成によって、充電用の回路と放電用の回路が別々に形成されている。２つの回路の間には活物質層が介在しているため、充電用の回路から入力される電圧が変動しても、活物質層での整流作用により、その変動が放電用の回路での出力電圧に及ぼす影響を低く抑えることができる。したがって、本実施形態に係る蓄電素子Ｂ１、および、それを用いた蓄電池は、コストを大幅に増大する必要のない簡単な構成からなり、充電中であっても、電圧変動を抑えた安定した放電を行うことができる。
例えば、本実施形態に係る蓄電素子Ｂ１および蓄電池を、出力値が変動する発電と蓄電を組み合わせた電力供給システム（蓄放電システム）に適用した場合、電圧安定化回路や給電切り替えのためのスイッチング回路が不要となり、システムを安価に構成にすることができるようになる。
なお、本実施形態に係る蓄電素子Ｂ１および蓄電池は、発電電圧を所望の電圧に調整するためのコンバーター、インバーターの使用を排除するものではない。また、蓄電対象としては、太陽光発電、風力発電、潮流・潮力発電のような自然エネルギー発電に限られることはなく、供給電圧が変動する電源であれば、いずれも含まれる。ダイナモ発電機は、供給電圧が変動する電源の一例である。
＜第二実施形態＞
図４は、第二実施形態に係る蓄電素子Ｂ２から、正極（左側）と負極（右側）を抜き出して並べた図である。図５は、リチウムイオン電池素子に適用する場合を想定し、組み立てた蓄電素子Ｂ２の構成を、一例として模式的に示す図である。
本実施形態では、正極集電体１１と負極集電体１５のうち、一方の外周に第３の端子１４が接続され、他方の外周に第４の端子１８が接続されている。正極集電体１１、負極集電体１５の厚み方向からの平面視において、第４の端子１８は、第１の端子１３、第２の端子１７、第３の端子１４と重ならないように設けられている。第４の端子１８は、第４の端子１８が接続された負極集電体１５に接続された第２の端子１７と離間している。
その他の構成は、第一実施形態の構成と同様であり、第一実施形態と対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態では、少なくとも第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
図４、５では、第１の端子１３、第２の端子１７、第３の端子１４、第４の端子１８が、それぞれ正極集電体１１または負極集電体１５の矩形の主面において、４つの頂点近傍に接続されている場合について例示している。第１の端子１３、第３の端子１４は、それぞれ、正極集電体１１の矩形の主面において、対角線上の２つの頂点近傍に接続されている。第２の端子１７、第４の端子１８は、それぞれ、負極集電体１５の矩形の主面において、対角線上の２つの頂点近傍に接続されている。第１の端子１３および第２の端子１７は、電源８に接続され、第３の端子１４および第４の端子１８は負荷９に接続されている。第１の端子１３及び第２の端子１７は充電に用いられ、第３の端子１４及び第４の端子１８は放電に用いられる。
なお、第１の端子１３、第２の端子１７、第３の端子１４、第４の端子１８は、当該主面に垂直な方向からの平面視において、重なっていなければよく、図４、５での配置に限定されることはない。
図５には、電源８、負荷９を接続するための回路を二通り例示している。実線で示す回路では、第１の端子１３および第２の端子１７が電源８に接続され、第３の端子１４および第４の端子１８が負荷９に接続されている。この場合、第１の端子１３及び第２の端子１７は充電に用いられ、第３の端子１４及び第４の端子１８は放電に用いられる。破線で示す回路では、第１の端子１３および第４の端子１８が電源８に接続され、第３の端子１４および第２の端子１７が負荷９に接続されている。この場合、第１の端子１３及び第４の端子１８は充電に用いられ、第３の端子１４及び第２の端子１７は放電に用いられる。いずれの回路を用いても、同様の作用効果が得られる。
第一実施形態では、電源８に接続される２端子のうち一方が、負荷９に接続される２端子のうち一方と共通する端子になっている。これに対し、本実施形態では、電源８に接続される２端子、負荷９に接続される２端子が完全に別端子となっており、電源８の電力変動の影響が負荷９に及ぶのを、より抑えることができる。
蓄電池は、求められる容量に応じて必要な個数（複数個）の蓄電素子Ｂ２を、電解質液または固体電解質とともに電池容器に収納し、その電池容器を封止することによって形成される。複数の第１の端子１３、複数の第２の端子１７、複数の第３の端子１４、複数の第４の端子１８は、それぞれ群を形成して、その一部がそれぞれ第１外部端子、第２外部端子、第３外部端子及び第４外部端子となる。第４外部端子は、複数の第４の端子１８の一部であり、電池容器の外に引き出された先端部である。第４外部端子は、第１外部端子、第２外部端子及び第３外部端子と異なる外部端子であり、蓄電素子と外部とを接続する。
＜第三実施形態＞
図６は、本発明の第三実施形態に係る蓄電素子Ｂ３から、正極（左側）と負極（右側）を抜き出して並べた図である。図７は、リチウムイオン電池素子に適用する場合を想定し、組み立てた蓄電素子Ｂ３の構成を、一例として模式的に示す図である。
本実施形態では、正極集電体１１、負極集電体１５の主面が矩形であって、矩形を構成する四辺のうち、第１の端子１３が設けられている辺、あるいは第２の端子１７が設けられている辺と、同じ辺の部分に第３の端子１４が設けられている。図６、７では、正極集電体１１の外周において、同じ辺（上側の辺）の一端（左端）に第１の端子１３が接続され、他端（右端）に第３の端子１４が接続されている場合について例示している。
その他の構成は、第一実施形態の構成と同様であり、第一実施形態と対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態では、少なくとも第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
剥離等の発生により、活物質層のノイズ吸収能力が低下している場合、入力端子（第１の端子１３または第２の端子１７）と出力端子（第３の端子１４）との離間距離が短いと、負荷９に対する電源８の電力変動（ノイズ電流）の影響が及ぶ場合がある。ノイズレベルを減衰させ、活物質層による放電電圧をより安定化させるためには、入力端子と出力端子は、互いに十分離間して設けられることが好ましい。
入力端子と出力端子との好適な離間距離は、所定の距離以上離れていることが好ましい。入力端子と出力端子とが同一辺に形成されている場合、それらの間の活物質層が剥離する場合がある。活物質層が剥離した場合でも、電力変動（ノイズ電流）を十分抑制できることが好ましい。
ノイズ吸収能力は、端子間の活物質層が形成されている領域の抵抗Ｒ１と、活物質層が形成されていない領域（活物質層非形成領域）の抵抗Ｒ１’との比率Ｒ１／Ｒ１’として定義される。抵抗Ｒ１は、活物質層の内部抵抗と集電体（金属）の内部抵抗との合成抵抗である。抵抗Ｒ１’は、ρ’×Ｌ’／Ａ’で求められる。ここでρ’は集電体（正極集電体１１または負極集電体１５）の比抵抗であり、Ｌ’は活物質層が剥離し、露出した集電体を経由する端子間の長さであり、Ａは露出した集電体の断面積である。Ａは、活物質層の露出幅によって変動する。
入力電流の伝搬に活物質層を介在させる上で、活物質層内を流れる電流量が大きくなることが好ましい。活物質層形成領域の抵抗Ｒ１を、活物質層非形成領域の抵抗Ｒ１’よりも大きくする必要がある。そこで、２つの端子間において活物質層が０．１ｍｍ幅で剥離した場合においても、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ１’との比率Ｒ１／Ｒ１’は、１以下であることが好ましく、０．２以下であることがより好ましい。なお、ここで活物質が剥離した幅とは、２つの端子が接続された辺と直交する方向の幅を意味する。
例えば、集電体がアルミニウム（体積抵抗率が２．８μΩｃｍ）からなり、集電体の厚さが２０μｍ、電極枚数（正極と負極の合計枚数）が３０枚、入出力端子間における活物質層非形成領域の幅が１ｍｍである場合、入出力端子間の抵抗は４．７ｍΩとなり、ノイズレベルが約３０％に減衰する。活物質層非形成領域の幅を２ｍｍとした場合、ノイズレベルは約２０％に減衰する。活物質層非形成領域の幅を４ｍｍとした場合、ノイズレベルは約１０％に減衰する。
なお、第１の端子１３が設けられている辺、あるいは第２の端子１７が設けられている辺と、同じ辺に第４の端子１８が設けられている場合にも、第３の端子１４の場合と同様に、比率Ｒ２／Ｒ２’を定義することができる。Ｒ２／Ｒ２’は、１以下であることが好ましく、０．２以下であることがより好ましい。ここでも、Ｒ２は端子間の活物質層が形成されている領域の抵抗であり、Ｒ２’活物質層が形成されていない領域（活物質層非形成領域）の抵抗である。
＜第四実施形態＞
図８は、第四実施形態に係る蓄電素子Ｂ４から、正極（上側）と負極（下側）を抜き出して並べた図である。図９は、リチウムイオン電池素子に適用する場合を想定し、組み立てた蓄電素子Ｂ４の構成を、一例として模式的に示す図である。
本実施形態では、正極集電体１１の外周に、電源に接続する複数（ここでは２つ）の第１の端子１３Ａ、１３Ｂ、および、負荷に接続する１つの第３の端子１４が接続されている。そして、負極集電体１５の外周には、電源に接続する第２の端子１７、と負荷に接続する第４の端子１８が接続されている。ここでは、正極集電体１１の主面が矩形であって、矩形を構成する四辺のうち、一つの辺の部分に第１の端子１３Ａ、１３Ｂが設けられ、他の辺の部分に第３の端子１４が設けられている場合について例示している。また、負極集電体１５の主面が矩形であって、矩形を構成する四辺のうち、一つの辺の部分に第２の端子１７が設けられ、他の辺の部分に第４の端子１８が設けられている場合について例示している。
第１の端子１３Ａおよび第２の端子１７は、第１の電源８Ａに接続され、第１の端子１３Ｂおよび第２の端子１７は、第２の電源８Ｂに接続され、さらに、第３の端子１４および第４の端子１８は、負荷９に接続されている。第１の端子１３Ａ，１３Ｂおよび第２の端子１７は充電に用いられ、第３の端子１４及び第４の端子１８は放電に用いられる。
図９に示すように、正極集電体１１、負極集電体１５の厚み方向からの平面視において、第３の端子１４は、第１の端子１３Ａ、１３Ｂ、第２の端子１７、第４の端子１８と、互いに重ならないように設けられている。
その他の構成は、第一実施形態の構成と同様であり、第一実施形態と対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態では、少なくとも第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
＜第五実施形態＞
図１０は、第五実施形態に係る蓄電素子Ｂ５から、正極（上側）と負極（下側）を抜き出して並べた図である。図１１は、円筒型のリチウムイオン電池素子に適用する場合を想定し、組み立てた蓄電素子Ｂ５の構成を、一例として模式的に示す図である。
本実施形態では、正極集電体１１の外周に、電源に接続する複数（ここでは３つ）の第１の端子１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、および負荷に接続する複数（ここでは３つ）の第３の端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが接続されている。そして、負極集電体１５の外周には、複数（ここでは３つ）の第２の端子１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃが接続されている。ここでは、正極集電体１１の主面が矩形であって、矩形を構成する四辺のうち、一つの辺の部分に第１の端子１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが設けられ、他の辺の部分に第３の端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが設けられている場合について例示している。また、負極集電体１５の主面が矩形であって、矩形を構成する四辺のうち、一つの辺の部分に第２の端子１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃが設けられている場合について例示している。
第１の端子１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが電源８の一端に並列接続され、第２の端子１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃが電源８の他端に並列接続されている。また、第３の端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが負荷９の一端に並列接続され、第２端子１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃが負荷の他端に並列接続されている。なお、第３の端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃは、負極集電体１５に設けられていてもよく、その場合には、負荷の他端に第１の端子１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが並列接続される。
図１１に示すように、正極集電体１１、負極集電体１５の厚み方向からの平面視において、第３の端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃは、第１の端子１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、第２の端子１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃと、互いに重ならないように設けられている。
その他の構成は、第一実施形態の構成と同様であり、第一実施形態と対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態では、少なくとも第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
図１２は、図１１の蓄電素子Ｂ５を含む円筒型乾電池の構成を、模式的に示す図である。円筒型蓄電池は、内側が正極集電体１１、外側が負極集電体１５となるように、ロール状に巻回している。巻回した巻回体の最外周はセパレータ７で保護されている。巻回体の巻き回軸方向の両端は絶縁体２１で挟まれている。これらは、円筒状の金属製容器２０に収納されている。
第１の端子１３（１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ）は、金属製容器２０の上部に設けられたリング状接続部２２に対し、絶縁性リング２５を介して取り付けられた正極キャップ２４に接続されている。第２の端子１４は、金属製容器２０の底部に接続されている。第３の端子１７（１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ）は、金属製容器２０の上縁部に設けられた絶縁性リング２３を介して取り付けられたリング状接続部２２に接続されている。
＜第六実施形態＞
図１３は、第五実施形態に係る蓄電素子Ｂ６から、正極（上側）と負極（下側）を抜き出して並べた図である。図１４は、円筒型のリチウムイオン電池素子に適用する場合を想定し、蓄電素子Ｂ６の接続例を模式的に示す図である。
本実施形態では、負極集電体１５の外周に、負荷に接続される複数（ここでは３つ）の第４の端子１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃが接続されている。ここでは、負極集電体１５の主面は矩形であって、矩形を構成する四辺のうち、一つの辺の部分に第２の端子１７が接続され、他の辺の部分に第４の端子１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃが接続されている場合について例示している。
その他の構成は、第五実施形態の構成と同様であり、第五実施形態と対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。本実施形態では、少なくとも第五実施形態と同様の効果を得ることができる。
（実施例１）
図１７は、実施例１に係る蓄発電システムの模式図である。蓄発電システム１００は、電源（発電素子）８と蓄電池ＳＢと負荷９とを有する。蓄電池ＳＢは、第１の端子１３と第２の端子１７と第３の端子１４とを有する。蓄電池ＳＢの第１の端子１３及び第２の端子１７は、電源８に接続される。蓄電池ＳＢの第２の端子１７と第３の端子１４は、負荷９に接続されている。電源８は、出力値が変動する電源であり、例えば、ダイナモ発電機、太陽電池等の自然エネルギーを利用した発電素子である。
実施例１では、電源８をダイナモ発電機として、負荷９に出力される電圧を測定した。ダイナモ発電機は、発電回路と整流回路とを有する。発電回路は、三相交流を生み出し、整流回路はダイオードブリッジを介し、三相交流を整流する。図１８は、電源８から出力される電圧波形である。縦軸は電圧であり、横軸は時間である。電源８から出力される電圧波形は、図１８に示すように、三相交流のピーク電圧を重ね合わせた脈流となる。
これに対し、図１９は、実施例１において負荷９に出力される電圧を測定したグラフである。縦軸は電圧であり、横軸は時間である。図１９に示すように、負荷９に出力される時点で電圧の脈動は、解消している。すなわち、電源８の電圧変動の影響が、負荷９に及んでいない。実施例１に係る蓄発電システム１００は、蓄電池ＳＢが充放電を同時に行っているにも関わらず、充電電圧の変動が放電電圧に影響を及ぼすことが抑制されている。したがって、実施例１に係る蓄発電システム１００は、発電電圧を所望の電圧に調整するためのコンバーター、インバーター、ケミカルコンデンサ等が不要となる。
（比較例１）
図２０は、比較例１に係る蓄発電システムの模式図である。蓄発電システム１０１は、電源（発電素子）８と蓄電池ＳＢ１と負荷９とを有する。蓄電池ＳＢ１は、正極端子３と負極端子６とを有する。蓄電池ＳＢの正極端子３及び負極端子６は、電源８及び負荷９に接続されている。
比較例１においても電源８はダイナモ発電機である。ダイナモ発電機は、図１８に示す電圧波形を出力する。比較例１において蓄電池ＳＢ１の電池電圧は、電源８が出力する最低電圧以下とした。
蓄電池ＳＢ１は、電源８と負荷９との間に位置する。電源８で出力された電力の一部は、蓄電池ＳＢ１を充電する。蓄電池ＳＢ１の電池電圧は、電源８が出力する最低電圧以下であり、余剰分は負荷９に出力される。
図２１は、比較例１において負荷９に出力される電圧を測定したグラフである。縦軸は電圧であり、横軸は時間である。図２１に示すように、負荷９に出力される出力電圧は脈動している。電源８から出力された電力の一部は蓄電池ＳＢ１の充電に作用するため、負荷９に出力される電圧の脈動幅は電源８が生み出す脈動幅より小さい。しかしながら、負荷９に出力される電圧の脈動を解消することはできなかった。
図２２は、蓄電池ＳＢ１の抵抗値を比較例１の場合より高くした場合に、負荷９に出力される電圧を測定したグラフである。蓄電池ＳＢ１に３００ｍΩの内部抵抗があるとした。
図２２に示すように、蓄電池ＳＢ１の抵抗値を変化させると、負荷９に出力される電圧の脈動幅はより小さくすることができる。しかしながら、負荷９に出力される電圧の脈動を解消することはできなかった。
（比較例２）
比較例２は、蓄電池ＳＢ１の電池電圧を電源８が出力する最大電圧と最低電圧の間に設定した点が、比較例１と異なる。すなわち、比較例２は、蓄電池ＳＢ１の電池電圧を脈動する電圧の脈動幅の範囲内に設定した。
蓄電池ＳＢ１は、電源８と負荷９との間に位置する。蓄電池ＳＢ１は、電源８が出力する電圧が蓄電池ＳＢ１の電池電圧以上の場合に充電し、余剰分が負荷９に出力する。電源８が出力する電圧が蓄電池ＳＢ１の電池電圧以下の場合は、蓄電池ＳＢ１が放電し、電池電圧が負荷９にかかる。
図２３は、比較例２において負荷９に出力される電圧を測定したグラフである。縦軸は電圧であり、横軸は時間である。電源８が出力する電圧が蓄電池ＳＢ１の電池電圧以下の場合は、蓄電池ＳＢ１が放電するため電圧変動は生じないが、電源８が出力する電圧が蓄電池ＳＢ１の電池電圧以上の場合は、充電の余剰分が負荷９に出力され電圧が脈動する。したがって、比較例２においても負荷９に出力される電圧の脈動を解消することはできなかった。
図２４は、蓄電池ＳＢ１の抵抗値を比較例２の場合より高くした場合に、負荷９に出力される電圧を測定したグラフである。蓄電池ＳＢ１に３００ｍΩの内部抵抗があるとした。
図２４に示すように、蓄電池ＳＢ１の抵抗値を変化させると、負荷９に出力される電圧の脈動幅はより小さくすることができる。しかしながら、負荷９に出力される電圧の脈動を解消することはできなかった。
８・・・電源
９・・・負荷
１０・・・スイッチ
１、１１・・・正極集電体
２、１２・・・正極活物質層
３、１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ・・・第１の端子（正極端子）
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ・・・第３の端子
４、１５・・・負極集電体
５、１６・・・負極活物質層
６、１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ・・・第２の端子（負極端子）
７・・・セパレータ
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ・・・第４の端子
１９Ａ、１９Ｂ・・・ラミネートフィルム
２０・・・金属製容器
２１・・・絶縁体
２２・・・リング状接続部
２３・・・絶縁性リング
２４・・・正極キャップ
２５・・・絶縁性リング
Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６・・・蓄電素子
Ｃ・・・中心軸

Claims (8)

  1. 正極集電体と、前記正極集電体の表面に形成された活物質層と、を有する正極と、
    負極集電体と、前記負極集電体の表面に形成された活物質層と、を有する負極と、
    前記正極と前記負極とに挟まれたセパレータと、
    前記正極集電体の外周に接続された、充電用の第１の端子と、
    前記負極集電体の外周に接続され、充電と放電とのうち少なくとも一方に用いられる第２の端子と、
    前記正極集電体と前記負極集電体のうち一方の外周に、前記第１の端子または前記第２の端子と離間して接続された、放電用の第３の端子と、を備え、
    前記第３の端子と、前記第３の端子が接続する前記正極集電体または前記負極集電体に接続された前記第１の端子または前記第２の端子とは、所定の距離以上離れており、
    前記所定の距離は、２つの端子間において前記活物質層が０．１ｍｍ幅で剥離した場合において、前記活物質層が形成されている領域の抵抗Ｒ１とし、前記活物質層が形成されていない領域の抵抗Ｒ１’とした際に、これらの比率Ｒ１／Ｒ１’が１以下となる距離である、蓄電素子。
  2. 前記正極集電体および前記負極集電体の主面が、それぞれ矩形であり、
    前記第３の端子は、前記第３の端子が接続された前記正極集電体又は前記負極集電体に接続された前記第１の端子又は前記第２の端子と異なる辺に、接続されている、請求項１に記載の蓄電素子。
  3. 前記正極集電体と前記負極集電体のうち、一方の外周に前記第３の端子が接続され、他方の外周に第４の端子が接続され、
    前記第４の端子は、積層方向から見て、前記第１の端子、前記第２の端子、前記第３の端子と重ならないことを特徴とする、請求項１又は２に記載の蓄電素子。
  4. 前記第４の端子と、前記第４の端子が接続する前記正極集電体または前記負極集電体に接続された前記第１の端子または前記第２の端子とは、所定の距離以上離れており、
    前記所定の距離は、２つの端子間において前記活物質層が０．１ｍｍ幅で剥離した場合において、前記活物質層が形成されている領域の抵抗Ｒ２とし、前記活物質層が形成されていない領域の抵抗Ｒ２’とした際に、これらの比率Ｒ２／Ｒ２’が１以下となる距離である、請求項３に記載の蓄電素子。
  5. 電池容器に、電解質とともに、請求項１又は２に記載の蓄電素子を複数個収納し、
    複数の前記第１の端子、複数の前記第２の端子、および複数の前記第３の端子が、それぞれ群を形成して、前記電池容器の外に引き出されている、蓄電池。
  6. 電池容器に、電解質とともに、請求項３又は４に記載の蓄電素子を複数個収納し、
    複数の前記第１の端子、複数の前記第２の端子、複数の前記第３の端子、および複数の前記第４の端子が、それぞれ群を形成して、前記電池容器の外に引き出されている、蓄電池。
  7. 請求項１又は２に記載の蓄電素子と、
    前記蓄電素子に接続され、出力値が変動する電源と、を備え、
    前記蓄電素子の前記第１の端子及び前記第２の端子は、前記電源に接続され、
    前記蓄電素子の前記第２の端子及び前記第３の端子は、負荷に接続される、蓄発電システム。
  8. 請求項３又は４に記載の蓄電素子と、
    前記蓄電素子に接続され、出力値が変動する電源と、を備え、
    前記蓄電素子の前記第１の端子及び前記第２の端子は、前記電源に接続され、
    前記蓄電素子の前記第３の端子及び前記第４の端子は、負荷に接続される、蓄発電システム。
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