JP7074263B2 - 二次電池、電池パック、電子機器、電動工具、電動式航空機及び電動車両 - Google Patents
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Description
セパレータを介して帯状の正極と帯状の負極とが積層され、巻回された構造を有する電極巻回体と、正極集電板及び負極集電板が、外装缶に収容された二次電池において、
正極は、帯状の正極箔上に、正極活物質層によって被覆された被覆部と、正極活物質非被覆部を有し、
負極は、帯状の負極箔上に、負極活物質層によって被覆された被覆部と、負極活物質非被覆部を有し、
正極活物質非被覆部は、電極巻回体の端部の一方において、正極集電板と接合され、
負極活物質非被覆部は、電極巻回体の端部の他方において、負極集電板と接合され、
正極活物質非被覆部と負極活物質非被覆部の何れか一方又は両方が、巻回された構造の中心軸に向かって曲折し、重なり合うことによって形成された平坦面を有し、
平坦面は、中心軸を通る溝と、中心軸を通らない溝とを有し、
平坦面のうち、中心軸を通る溝と中心軸を通らない溝との無い部分が、正極集電板又は負極集電板と接合されており、
中心軸を通る溝の数をN1とするとき、3≦N1≦6であり、中心軸を通らない溝の数をN2とするとき、N1≦N2≦2×N1である二次電池である。
二次電池を制御する制御部と、
二次電池を内包する外装体と
を有する電池パックである。
本発明は、上述した二次電池又は上述した電池パックを有する電子機器である。
本発明は、上述した電池パックを有し、電池パックを電源として使用する電動工具である。
本発明は、上述した電池パックと、
複数の回転翼と、
回転翼をそれぞれ回転させるモータと、
回転翼及びモータをそれぞれ支持する支持軸と、
モータの回転を制御するモータ制御部と、
モータに電力を供給する電力供給ラインとを備え、
電池パックが電力供給ラインに接続されている電動式航空機である。
本発明は、上述した二次電池を有し、
二次電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置とを有する電動車両である。
<1.一実施の形態>
<2.変形例>
<3.応用例>
以下に説明する実施の形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施の形態等に限定されるものではない。
まず、リチウムイオン電池の全体構成に関して説明する。図1は、リチウムイオン電池1の概略断面図である。リチウムイオン電池1は、例えば、図1に示すように、外装缶11の内部に電極巻回体20が収納されている円筒型のリチウムイオン電池1である。
外装缶11は、主に、電極巻回体20を収納する部材である。この外装缶11は、例えば、一端部が開放されると共に他端部が閉塞された円筒状の容器である。すなわち、外装缶11は、開放された一端部(開放端部11N)を有している。この外装缶11は、例えば、鉄、アルミニウム及びそれらの合金などの金属材料のうちのいずれか1種類又は2種類以上を含んでいる。ただし、外装缶11の表面には、例えば、ニッケルなどの金属材料のうちのいずれか1種類又は2種類以上が鍍金されていてもよい。
絶縁板12,13のそれぞれは、例えば、電極巻回体20の巻回軸に対して垂直な面、すなわち図1中のZ軸に垂直な面を有する皿状の板である。また、絶縁板12,13は、例えば、互いに電極巻回体20を挟むように配置されている。
外装缶11の開放端部11Nには、例えば、電池蓋14及び安全弁機構30がガスケット15を介して、かしめられている。電池蓋14は、本発明の一実施形態の「蓋部材」であると共に、ガスケット15は、本発明の一実施形態の「封止部材」である。これにより、外装缶11の内部に電極巻回体20などが収納された状態において、その外装缶11は密閉されている。このため、外装缶11の開放端部11Nに、電池蓋14及び安全弁機構30がガスケット15を介して、かしめられた構造(かしめ構造11R)が形成されている。すなわち、折り曲げ部11Pは、いわゆるクリンプ部であると共に、かしめ構造11Rは、いわゆるクリンプ構造である。
電池蓋14は、主に、外装缶11の内部に電極巻回体20などが収納された状態において、その外装缶11の開放端部11Nを閉塞する部材である。この電池蓋14は、例えば、外装缶11の形成材料と同様の材料を含んでいる。電池蓋14のうちの中央領域は、例えば、+Z方向に突出している。これにより、電池蓋14のうちの中央領域以外の領域(周辺領域)は、例えば、安全弁機構30に接触している。
ガスケット15は、主に、外装缶11(折り曲げ部11P)と電池蓋14との間に介在することにより、その折り曲げ部11Pと電池蓋14との間の隙間を封止する部材である。ただし、ガスケット15の表面には、例えば、アスファルトなどが塗布されていてもよい。
安全弁機構30は、主に、外装缶11の内部の圧力(内圧)が上昇した際に、必要に応じて外装缶11の密閉状態を解除することにより、その内圧を開放する。外装缶11の内圧が上昇する原因は、例えば、充放電時において電解液の分解反応に起因して発生するガスなどである。
円筒形状のリチウムイオン電池では、帯状の正極21と帯状の負極22がセパレータ23を挟んで渦巻き状に巻回されて、電解液に含浸された状態で、外装缶11に収まっている。正極21は正極箔21Aの片面又は両面に正極活物質層21Bを形成したものであり、正極箔21Aの材料は例えば、アルミニウムやアルミニウム合金でできた金属箔である。負極22は負極箔22Aの片面又は両面に負極活物質層22Bを形成したものであり、負極箔22Aの材料は例えば、ニッケル、ニッケル合金、銅や銅合金でできた金属箔である。セパレータ23は多孔質で絶縁性のあるフィルムであり、正極21と負極22とを電気的に絶縁しながら、イオンや電解液等の物質の移動を可能にしている。
電極巻回体20の詳細な構成、すなわち正極21、負極22、セパレータ23及び電解液のそれぞれの詳細な構成に関しては、後述する。
通常のリチウムイオン電池では例えば、正極と負極の一か所ずつに電流取出し用のリードが溶接されているが、これでは電池の内部抵抗が大きく、放電時にリチウムイオン電池が発熱し高温になるため、ハイレート放電には適さない。そこで、一実施の形態のリチウムイオン電池では、端部41,42に正極集電板24と負極集電板25とを配置し、端部41,42に存在する正極や負極の活物質非被覆部21C,22Cと多点で溶接することで、電池の内部抵抗を低く抑えている。端部41,42が曲折して平坦面となっていることも低抵抗化に寄与している。
正極活物質層21Bは、正極活物質として、リチウムを吸蔵及び放出することが可能である正極材料のうちのいずれか1種類又は2種類以上を含んでいる。ただし、正極活物質層21Bは、さらに、正極結着剤及び正極導電剤などの他の材料のうちのいずれか1種類又は2種類以上を含んでいてもよい。正極材料は、リチウム含有化合物であることが好ましく、より具体的にはリチウム含有複合酸化物及びリチウム含有リン酸化合物などであることが好ましい。
負極箔22Aの表面は、粗面化されていることが好ましい。いわゆるアンカー効果により、負極箔22Aに対する負極活物質層22Bの密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層22Bと対向する領域において、負極箔22Aの表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法は、例えば、電解処理を利用して微粒子を形成する方法などである。電解処理では、電解槽中において電解法により負極箔22Aの表面に微粒子が形成されるため、その負極箔22Aの表面に凹凸が設けられる。電解法により作製された銅箔は、一般的に、電解銅箔と呼ばれている。
セパレータ23は、正極21と負極22との間に介在しており、正極21と負極22との接触に起因する電流の短絡を防止しながらリチウムイオンを通過させる。セパレータ23は、例えば、合成樹脂及びセラミックなどの多孔質膜のうちのいずれか1種類又は2種類以上であり、2種類以上の多孔質膜の積層膜でもよい。合成樹脂は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン及びポリエチレンなどである。
電解液は、溶媒及び電解質塩を含んでいる。ただし、電解液は、さらに、添加剤などの他の材料のうちのいずれか1種類又は2種類以上を含んでいてもよい。
溶媒は、有機溶媒などの非水溶媒のうちのいずれか1種類又は2種類以上を含んでいる。非水溶媒を含む電解液は、いわゆる非水電解液である。
非水溶媒は、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、ラクトン、鎖状カルボン酸エステル及びニトリル(モノニトリル)などである。
電解質塩の含有量は、特に限定されないが、中でも、溶媒に対して0.3mol/kgから3mol/kgであることが好ましい。
図4Aから図4Fを参照して、一実施の形態のリチウムイオン電池1の作製方法について述べる。まず、正極活物質を、帯状の正極箔21Aの表面に塗着させ、これを正極21の被覆部とし、負極活物質を、帯状の負極箔22Aの表面に塗着させ、これを負極22の被覆部とした。このとき、正極21の短手方向の一端と負極22の短手方向の一端に、正極活物質と負極活物質とが塗着されていない活物質非被覆部21C,22Cを作製した。活物質非被覆部21C,22Cの一部であって、巻回するときの巻き始めに当たる部分に、切欠きを作製した。正極21と負極22とには乾燥等の工程を行った。そして、正極の活物質非被覆部21Cと負極の活物質非被覆部22Cが逆方向となるようにセパレータ23を介して重ね、中心軸に貫通孔26ができるように、且つ、作製した切欠きが中心軸付近に配置されるように、渦巻き状に巻回して、図4Aのような電極巻回体20を作製した。
溝43,44の数を変えて、内部抵抗の違いを求めた。正極の端部41と負極の端部42のそれぞれについて、中心軸を通る溝43の数をN1とし、中心軸を通らない溝44の数をN2とするとき、N1を3から6に、N2を3から6に設定した。2種類の溝43,44を略等角間隔に配置した。正極活物質層21Bの幅を59.0(mm)とし、活物質非被覆部21C込みの正極21の幅を66.0(mm)とした。負極活物質層22Bの幅を62.0(mm)とし、活物質非被覆部22C込みの負極22の幅を66.0(mm)とした。セパレータ23の幅を64.0(mm)とした。正極集電板24の材質をAl合金とし、負極集電板25の材質をCu合金とした。電池のサイズを21700(直径21(mm)、長さ70(mm))とした。端部41,42のうち、溝43,44の無い部分を、正極集電板24又は負極集電板25とのレーザ溶接を行った。L、D、F(図12Aを参照)を表1の通りとした。正極集電板の厚みを0.2(mm)とし、正極箔の厚みを0.01(mm)とし、負極集電板の厚みを0.08(mm)とし、負極箔の厚みを0.01(mm)とした。
正極21と負極22とのそれぞれで、N1を3から8に、N2を0又は9に設定し、中心軸を通らない溝43を略等角間隔に配置し、L、D、F(図12Aを参照)を表1の通りとした以外は、実施例1から4と同様にした。
上述した電池について、電池の評価を行った。端部41,42のうち、正極集電板24又は負極集電板25と重なる領域で、且つ、溝43,44、シワやボイドが入ってない領域の面積を溶接可能面積とした。実際にレーザ溶接が成功したスポット数を実溶接点数とした。電池の内部抵抗(直流抵抗)を計測し、10.5(mΩ)以下をOKと判定し、それ以外をNGと判定した。以下に、その結果を示す。
端部41,42の中心軸を通らない溝44の長さを変えて内部抵抗の違いを求めた。貫通孔26の直径を4.2(mm)とし、端部41,42の直径を20.4(mm)とした。図12Aに示されるように、中心軸を通る溝43と外縁部27,28との交点をUとし、中心軸を通る溝43と外縁部27,28との他の交点で、且つ、外縁部27,28上で交点Uと隣り合う交点をU’としたとき、線分UU’と中心軸を通らない溝44との交点Vから、中心軸を通らない溝44に沿って、外縁部27,28までの距離をF(mm)とした。中心軸を通らない溝44の長さをL(mm)とした。このとき、中心軸を通らない溝44の内周側の先端から貫通孔26の周縁部までの直線距離をD(mm)とし、外縁部27,28から貫通孔26までの距離(LとDの和)を8.1(mm)とした。中心軸を通る溝43の数(N1)を3から6とし、L≧1.1×FとなるようにLを設定し、D≧1.5(mm)となるようにDを設定した。中心軸を通らない溝44の数(N2)を、中心軸を通る溝43の数(N1)と同じにし、溝43と溝44は交互に、略等角間隔に配置した。図12Aは実施例11に、図12Bは実施例12に、図12Cは実施例13に、図12Dは実施例14に対応する。図12Aから12Dは煩雑さを避けるため、中心軸を通らない溝44をそれぞれ1つずつ表示している。図12Bから図12DのL、FやDの位置関係について図示していないが、図12Aと同様である。正極集電板の厚みを0.2(mm)とし、正極箔の厚みを0.01(mm)とし、負極集電板の厚みを0.08(mm)とし、負極箔の厚みを0.01(mm)とした。正極箔の厚み、負極箔の厚み、正極集電板の厚みと負極集電板の厚みはマイクロメーター(ミツトヨ製MDC-25MX)を用いて測定した。正極箔の厚みは正極活物質非被覆部であって、絶縁層の無い部位での1枚の箔の厚みを意味する。負極箔の厚みは負極活物質非被覆部での1枚の箔の厚みを意味する。
どちらもN1の値を3とし、比較例11ではL<1.1×FとなるようにLを設定し、比較例12ではD<1.5(mm)となるようにDを設定したこと以外は、実施例11から14と同様にした。
上述した電池について、電池の評価を行った。電池の内部抵抗(直流抵抗)を計測し、10.5(mΩ)以下をOKと判定し、それ以外をNGと判定した。以下に、その結果を示す。
正極集電板の厚みと正極箔の厚みとを変えて内部抵抗の違いを求めた。正極集電板の厚みをTC1、正極箔の厚みをTCとしたとき、比率(TC1/TC)を5以上40以下にし、負極集電板の厚みをTA1、負極箔の厚みをTAとしたとき、比率(TA1/TA)を20にした。中心軸を通る溝の数(N1)と中心軸を通らない溝の数(N2)とを4とし、Lを3.5(mm)、Dを4.6(mm)、Fを3.08(mm)とした。
負極集電板の厚みと負極箔の厚みとを変えて内部抵抗の違いを求めた。比率(TA1/TA)を5以上40以下にし、比率(TC1/TC)を20にした。N1、N2、L、D、Fについては実施例21から25と同様にした。
正極集電板の厚みと正極箔の厚みとを変えて、又は、負極集電板の厚みと負極箔の厚みとを変えて、内部抵抗の違いを求めた。比率(TC1/TC)、又は、比率(TA1/TA)を5より小さい値又は40より大きい値とした。N1、N2、L、D、Fについては実施例21から25と同様にした。
上述した電池について、電池の評価を行った。電池の内部抵抗(直流抵抗)を計測し、10.5(mΩ)以下をOKと判定し、それ以外をNGと判定した。以下に、その結果を示す。レーザ溶接後に目視観察して、箔又は集電板に孔があいた箇所の数を穴あき溶接不良の個数とした。
以上、本発明の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明の内容は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
正極集電板24と負極集電板25は、扇形の形状をした扇状部31,33を備えていたが、それ以外の形状であってもよい。
「電池パックの例」
図13は、本発明の一実施の形態に係る電池(以下、二次電池と適宜称する)を電池パック330に適用した場合の回路構成例を示すブロック図である。電池パック300は、組電池301、外装、充電制御スイッチ302aと、放電制御スイッチ303a、を備えるスイッチ部304、電流検出抵抗307、温度検出素子308、制御部310を備えている。
上述した本発明の一実施の形態に係る電池は、例えば電子機器や電動車両、電動式航空機、蓄電装置などの機器に搭載又は電力を供給するために使用することができる。
図14を参照して、本発明が適用可能な電動工具例えば電動ドライバの一例について概略的に説明する。電動ドライバ431は、本体内にDCモータ等のモータ433が収納されている。モータ433の回転がシャフト434に伝達され、シャフト434によって被対象物にねじが打ち込まれる。電動ドライバ431には、ユーザが操作するトリガースイッチ432が設けられている。
本発明を電動式航空機用の電源に適用した例について、図15を参照して説明する。本発明は、無人航空機(所謂ドローン)の電源に対して適用できる。図15は、無人航空機の平面図である。中心部としての円筒状又は角筒状の胴体部と、胴体部の上部に固定された支持軸442a~442fとから機体が構成される。一例として、胴体部が6角筒状とされ、胴体部の中心から6本の支持軸442a~442fが等角間隔で放射状に延びるようになされている。胴体部及び支持軸442a~442fは、軽量で強度の高い材料から構成されている。
本発明を電動車両用の蓄電システムに適用した例について、図16を参照して説明する。図16に、本発明が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
Claims (16)
- セパレータを介して帯状の正極と帯状の負極とが積層され、巻回された構造を有する電極巻回体と、正極集電板及び負極集電板が、外装缶に収容された二次電池において、
前記正極は、帯状の正極箔上に、正極活物質層によって被覆された被覆部と、正極活物質非被覆部を有し、
前記負極は、帯状の負極箔上に、負極活物質層によって被覆された被覆部と、負極活物質非被覆部を有し、
前記正極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の端部の一方において、前記正極集電板と接合され、
前記負極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の端部の他方において、前記負極集電板と接合され、
前記正極活物質非被覆部と前記負極活物質非被覆部の何れか一方又は両方が、前記巻回された構造の中心軸に向かって曲折し、重なり合うことによって形成された平坦面を有し、
前記平坦面は、前記中心軸を通る溝と、前記中心軸を通らない溝とを有し、
前記平坦面のうち、前記中心軸を通る溝と前記中心軸を通らない溝との無い部分が、前記正極集電板又は前記負極集電板と接合されており、
前記中心軸を通る溝の数をN1とするとき、3≦N1≦6であり、前記中心軸を通らない溝の数をN2とするとき、N1≦N2≦2×N1である二次電池。 - 前記中心軸を通る溝と前記平坦面の外縁部との交点をUとし、前記中心軸を通る他の溝と前記外縁部との交点をU’としたとき、線分UU’と前記中心軸を通らない溝との交点Vから、前記中心軸を通らない溝に沿った前記外縁部までの距離をFとし、前記中心軸を通らない溝の長さをLとし、前記中心軸を通らない溝の内周側の先端から最も近い貫通孔の周縁部までの距離をDとするとき、L≧1.1×F、かつ、D≧1.5(mm)を満たす請求項1に記載の二次電池。
- 前記正極集電板の厚さをTC1とし、前記正極箔の厚さをTCとしたとき、両者の厚さの比が5≦TC1/TC≦40である請求項1または2に記載の二次電池。
- 前記負極集電板の厚さをTA1とし、前記負極箔の厚さをTAとしたとき、両者の厚さの比が5≦TA1/TA≦40である請求項1から3の何れかに記載の二次電池。
- 前記正極集電板の材質はアルミニウム又はアルミニウム合金である請求項1から4の何れかに記載の二次電池。
- 前記負極集電板の材質はニッケル、ニッケル合金、銅若しくは銅合金の単体、又は、それらの複合材である請求項1から5の何れかに記載の二次電池。
- 前記正極活物質非被覆部の幅は、前記負極活物質非被覆部の幅よりも大きく、
前記正極活物質非被覆部の端部及び前記負極活物質非被覆部の端部はそれぞれ前記セパレータよりも外側に突出し、
前記正極活物質非被覆部が前記セパレータの幅方向の一端から突出した部分の長さは、前記負極活物質非被覆部が前記セパレータの幅方向の他端から突出した部分の長さよりも大きい請求項1から6の何れかに記載の二次電池。 - 前記正極活物質非被覆部のうち、前記セパレータを挟んで前記負極に対向する部分に絶縁層を有する請求項1から7の何れかに記載の二次電池。
- 前記外装缶の開放端部が、外部端子を兼ねた封口板によって密閉されている請求項1から8の何れかに記載の二次電池。
- 前記平坦面のうち、前記中心軸を通る溝と前記中心軸を通らない溝の無い部分が、前記正極集電板又は前記負極集電板と溶接によって接合されている請求項1から9の何れかに記載の二次電池。
- 請求項1から10の何れかに記載の二次電池と、
前記二次電池を制御する制御部と、
前記二次電池を内包する外装体と
を有する電池パック。 - 請求項1から10の何れかに記載の二次電池又は請求項11に記載の電池パックを有する電子機器。
- 請求項11に記載の電池パックを有し、前記電池パックを電源として使用する電動工具。
- 請求項11に記載の電池パックと、
複数の回転翼と、
前記回転翼をそれぞれ回転させるモータと、
前記回転翼及びモータをそれぞれ支持する支持軸と、
前記モータの回転を制御するモータ制御部と、
前記モータに電力を供給する電力供給ラインとを備え、
前記電池パックが前記電力供給ラインに接続されている電動式航空機。 - 対向する前記回転翼の対を複数有し、
前記電池パックを複数有し、
前記回転翼の複数の対と複数の前記電池パックとが等しい数とされた請求項14に記載の電動式航空機。 - 請求項1から10の何れかに記載の二次電池を有し、
前記二次電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
前記二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置とを有する電動車両。
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