JP7103525B2 - 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
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、電極巻回体の端面の一方において、正極集電板と接合され、
負極活物質非被覆部は、電極巻回体の端面の他方において、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表面を有し、
表面は、電極巻回体の内周部から外周部に向かって延びる溝を有し、
溝の形状は、内周部における溝の深さが外周部における溝の深さより小さくされたスロープ状又は階段状であり、
正極側の表面に形成された溝は、中心軸から0.2R(Rは、電極巻回体の半径である)離れた位置での溝の深さをd1(mm)としたとき、
0.10≦d1≦0.25(mm)であり、
負極側の表面に形成された溝は、中心軸から0.2R離れた位置での溝の深さをd3(mm)としたとき、
0.15≦d3≦0.35(mm)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、一端面が開放されると共に他端面が閉塞された円筒状の容器である。すなわち、外装缶11は、開放された一端面(開放端面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は、電極巻回体20の巻回軸(図1のZ軸)に対して略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の開放端面11Nには、電池蓋14及び安全弁機構30がガスケット15を介して、かしめられており、かしめ構造11R(クリンプ構造)が形成されている。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。
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の開放端面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、端面41,42に正極集電板24と負極集電板25とを配置し、端面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。端面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。
図5に示されるように、端面41,42にスロープ状の溝61を形成した。図6Aのように端面に溝を8本形成した。内周部における溝61の深さを外周部における溝61の深さよりも小さくした。具体的には、図6Bのように、電極巻回体の半径をRとしたとき、端面41(正極側)で、電極巻回体の中心軸から0.2R離れた位置での表面からの深さ(d1)を0.25(mm)とし、電極巻回体の中心軸から0.7R離れた位置での表面からの深さ(d2)を0.50(mm)とし、図6Cのように、端面42(負極側)で、電極巻回体の中心軸から0.2R離れた位置での表面からの深さ(d3)を0.35(mm)とし、電極巻回体の中心軸から0.7R離れた位置での表面からの深さ(d4)を0.90(mm)とした。
なお、ここでは内周部における溝の深さとして、電極巻回体の中心軸から0.2R離れた位置での表面からの深さ(d1)を定義した。これは、電極巻回体の貫通孔26の近傍の、活物質非被覆部が重なり密集している部位よりも少し外側では深さ寸法を測定しやすい為である。外周部における溝の深さとして、電極巻回体の中心軸から0.7R離れた位置での表面からの深さ(d2)を定義した。これは、電極巻回体の外縁部27,28の近傍よりも少し中心軸側では深さ寸法を測定しやすい為である。
図7に示されるように、端面41,42に階段状の溝62を形成した。内周部における溝62の深さを外周部における溝62の深さよりも小さくした。具体的には、d1=0.25(mm)とし、d2=0.50(mm)とし、d3=0.35(mm)とし、d4=0.90(mm)とした。d1からd4の位置は図6Bと図6Cとに示される位置と同じ位置とした。それ以外は実施例1と同じ条件で電極巻回体を作製した。
図5に示されるように、端面41,42にスロープ状の溝61を形成した。内周部における溝61の深さを外周部における溝61の深さよりも小さくした。具体的には、d1=0.10(mm)とし、d2=0.35(mm)とし、d3=0.15(mm)とし、d4=0.70(mm)とした。d1からd4の位置は図6Bと図6Cとに示される位置と同じ位置とした。それ以外は実施例1と同じ条件で電極巻回体20を作製した。
図8に示されるように、端面41,42に逆スロープ状の溝63を形成した。内周部における溝63の深さを外周部における溝63の深さよりも大きくした。具体的には、d1=0.50(mm)とし、d2=0.25(mm)とし、d3=0.90(mm)とし、d4=0.35(mm)とした。d1からd4の位置は図6Bと図6Cとに示される位置と同じ位置とした。それ以外は実施例1と同じ条件で電極巻回体20を作製した。
図9に示されるように、端面41,42にストレート状の溝43を形成した。内周部における溝43の深さを外周部における溝43の深さと同じにした。具体的には、d1=d2=0.50(mm)とし、d3=d4=0.90(mm)とした。d1からd4の位置は図6Bと図6Cとに示される位置と同じ位置とした。それ以外は実施例1と同じ条件で電極巻回体を作製した。
図5のような、端面41,42にスロープ状の溝61を形成した。実施例1よりも溝61の深さを大きくした。具体的には、d1=0.40(mm)とし、d2=0.65(mm)とし、d3=0.50(mm)とし、d4=1.10(mm)とした。d1からd4の位置は図6Bと図6Cとに示される位置と同じ位置とした。それ以外は実施例1と同じ条件で電極巻回体を作製した。
図5のような、端面41,42にスロープ状の溝61を形成した。実施例3よりも溝の深さを小さくした。具体的には、d1=0.08(mm)とし、d2=0.32(mm)とし、d3=0.12(mm)とし、d4=0.60(mm)とした。d1からd4の位置は図6Bと図6Cとに示される位置と同じ位置とした。それ以外は実施例1と同じ条件で電極巻回体を作製した。
端面41,42に溝61を形成しなかったこと以外は実施例1と同じ条件で電極巻回体20を作製した。それ以外は実施例1と同じ条件で電極巻回体20を作製した。
上記の電池について、各100本ずつ作製し評価を行った。端面(正極側)41に正極集電板24を重ねてレーザ溶接を行い、端面(負極側)42に負極集電板25を重ねてレーザ溶接を行い、溶接後に目視で集電板24,25に穴あきやスパッタ等の溶接不良の発生が認められた本数をカウントし、その割合を溶接不良率(%)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12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13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14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14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15を参照して説明する。図15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 (14)
- 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面の一方において、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面の他方において、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表面を有し、
前記表面は、前記電極巻回体の内周部から外周部に向かって延びる溝を有し、
前記溝の形状は、前記内周部における前記溝の深さが前記外周部における前記溝の深さより小さくされたスロープ状であり、
正極側の前記表面に形成された前記溝は、前記中心軸から0.2R(Rは、前記電極巻回体の半径である)離れた位置での前記溝の深さをd1(mm)としたとき、
0.10≦d1≦0.25(mm)であり、
負極側の前記表面に形成された前記溝は、前記中心軸から0.2R離れた位置での前記溝の深さをd3(mm)としたとき、
0.15≦d3≦0.35(mm)である二次電池。 - 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面の一方において、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面の他方において、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表面を有し、
前記表面は、前記電極巻回体の内周部から外周部に向かって延びる溝を有し、
前記溝の形状は、前記内周部における前記溝の深さが前記外周部における前記溝の深さより小さくされた階段状であり、
正極側の前記表面に形成された前記溝は、前記中心軸から0.2R(Rは、前記電極巻回体の半径である)離れた位置での前記溝の深さをd1(mm)としたとき、
0.10≦d1≦0.25(mm)であり、
負極側の前記表面に形成された前記溝は、前記中心軸から0.2R離れた位置での前記溝の深さをd3(mm)としたとき、
0.15≦d3≦0.35(mm)である二次電池。 - 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又は2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、銅又は銅合金の単体若しくは複合材である請求項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面及び前記負極活物質非被覆部の端面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4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5の何れかに記載の二次電池。
- 前記外装缶は開放端面を有し、
前記開放端面が、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6の何れかに記載の二次電池。 - 前記表面のうち、前記溝の無い部分が、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7の何れかに記載の二次電池。
- 請求項1又は2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8の何れかに記載の二次電池又は請求項9に記載の電池パックを有する電子機器。
- 請求項9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9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12に記載の電動式航空機。 - 請求項1から8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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