JP7130920B2 - 非水電解液二次電池、非水電解液二次電池の設計方法及び非水電解液二次電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、非水電解液二次電池、非水電解液二次電池の設計方法及び非水電解液二次電池の製造方法に関する。

非水電解液二次電池の一例として、リチウムイオン二次電池が知られている。リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等と比較して、軽量、高容量であり、携帯電子機器用の電源として広く用いられている。

一方で、リチウムは反応性が高いため、リチウムイオン二次電池の安全性を高める試みが検討されている。リチウムイオン二次電池の動作時に過充電等が生じると、電池が発熱する。電池の発熱は、非水電解液二次電池の寿命の低下や劣化の原因となる。

特許文献１には、熱を効率的に逃がすために、放熱板を設けることが記載されている。また特許文献２には、セパレータの厚み方向の熱伝導率を高めることが記載されている。また特許文献３には、電池内部から外部まで連続する金属製軸心を設け、軸心と正極又は負極の接続部材とを接合することで、過充電等の電池異常反応に伴う発熱を軸芯から接続部材を介して放熱できることが記載されている。

特開２０１１－１１３８９５号公報 特開２００６－２６９３５８号公報 特開２００６－４０７７２号公報

しかしながら、特許文献１のように電池の反応に寄与しない放熱板を設けると、非水電解質二次電池が嵩高くなり、集積性が低下する。また特許文献２及び３に記載のリチウム二次電池は、非水電解質二次電池の面内方向に熱を効率的に逃がすことができない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、過充電時の表面温度を抑えることができる非水電解液二次電池を提供することを目的とする。

本発明者らは、新たに見出した積分値（以下の一般式（１））という共通の技術的思想を用いて、正極端子及び負極端子の位置と積層体の形状との関係を決定することで、非水電解質二次電池が高温になることを抑制できることを見出した。
すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる非水電解液二次電池は、正極端子が接続された正極集電体を有する正極と、負極端子が接続された負極集電体を有する負極と、前記正極及び前記負極の間に配設されたセパレータと、をそれぞれ１層以上有する積層体を備え、前記正極端子及び前記負極端子は、前記積層体を積層方向から平面視した際に一方の側面にそれぞれ接続され、前記積層体を平面視において区分する微小領域の面積をｄＳ、前記微小領域の重心から前記正極端子又は前記負極端子の近い方の端子の接続中心までの距離をｒとした際に、前記積層体のアスペクト比は、以下の一般式（１）が極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．６倍以上２．８倍以下の範囲内である。

（２）第２の態様にかかる非水電解液二次電池は、正極端子が接続された正極集電体を有する正極と、負極端子が接続された負極集電体を有する負極と、前記正極及び前記負極の間に配設されたセパレータと、をそれぞれ１層以上有する積層体を備え、前記正極端子及び前記負極端子は、前記積層体を積層方向から平面視した際に前記積層体の異なる側面にそれぞれ接続され、前記積層体を平面視において区分する微小領域の面積をｄＳ、前記微小領域の重心から前記正極端子又は前記負極端子の近い方の端子の接続中心までの距離をｒとした際に、前記積層体のアスペクト比は、以下の一般式（１）が極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．６倍以上２．１倍以下の範囲内である。

（３）第３の態様にかかる非水電解液二次電池は、正極端子が接続された正極集電体を有する正極と、負極端子が接続された負極集電体を有する負極と、前記正極及び前記負極の間に配設されたセパレータと、をそれぞれ１層以上有する積層体を備え、前記正極端子及び前記負極端子は、前記積層体を積層方向から平面視した際に前記積層体の面内にそれぞれ接続され、前記積層体を平面視において区分する微小領域の面積をｄＳ、前記微小領域の重心から前記正極端子又は前記負極端子の近い方の端子の接続中心までの距離をｒとした際に、前記積層体のアスペクト比は、以下の一般式（１）が極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．４倍以上１．６倍以下の範囲内である。

（４）上記態様にかかる非水電解液二次電池において、前記積層体のアスペクト比が、一般式（１）が極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎであってもよい。

上記態様に係る非水電解液二次電池によれば、過充電時に表面温度が高温になることを抑えることができる。

第１実施形態にかかる非水電解液二次電池の断面模式図である。 第１実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の斜視模式図である。 第１実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の平面模式図である。 第２実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の平面模式図である。 第３実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の平面模式図である。 第３実施形態にかかる非水電解液二次電池の断面模式図である。 第４実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の平面模式図である。 実施例１において、積層体の平面形状を矩形とし、正極端子及び負極端子を積層体の一方の側面にそれぞれ接続した場合の過充電時における表面温度の最高値を示す。 実施例２において、積層体の平面形状を矩形とし、正極端子及び負極端子を積層体の対向する二つの側面にそれぞれ接続した場合の過充電時における表面温度の最高値を示す。 実施例３において、積層体の平面形状を矩形とし、正極端子及び負極端子を積層体の面内にそれぞれ接続した場合の過充電時における表面温度の最高値を示す。 実施例４において、積層体の平面形状を楕円とし、正極端子及び負極端子を積層体の面内にそれぞれ接続した場合の過充電時における表面温度の最高値を示す。

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわ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は実際とは異なっていることがある。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１実施形態」
［非水電解液二次電池］
図１は、第１実施形態にかかる非水電解液二次電池の断面模式図である。図１に示すように、第１実施形態にかかる非水電解液二次電池１００は、積層体４０と、外装体５０とを備える。積層体４０と非水電解液（図視略）は、外装体５０に設けられた収容空間内に収容される。

（積層体）
図１に示すように、積層体４０は、正極２０と、負極３０と、セパレータ１０と、をそれぞれ１層以上有する。セパレータ１０は、正極２０と負極３０との間に配設されている。正極２０、負極３０、及びセパレータ１０は、それぞれ１層以上設けられている。

正極２０は、正極集電体２２と、正極活物質層２４と、正極端子２６とを有する。正極端子２６は、第１端部が正極集電体２２に接続され、第２端部が外装体５０の外側に延出する。以下、積層体４０の積層方向をｚ方向とし、ｚ方向に対して直交する面の一方向をｘ方向、面内でｘ方向に直交する方向をｙ方向とする。

「正極」
正極２０は、正極集電体２２と、正極活物質層２４とを有する。正極活物質層２４は、正極集電体２２の両面に配設される。

正極集電体２２は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル箔の金属薄板を用いることができる。正極端子２６は、導電性を有すればよく、正極集電体２２と同様のものを用いることができる。接触抵抗を下げるためには、いずれも同様の材質を用いることが好ましい。

正極活物質層２４は、正極活物質とバインダーとを有し、必要に応じて導電助剤を有する。

正極活物質は、イオンの吸蔵及び放出、イオンの脱離及び挿入（インターカレーション）、又は、イオンとイオンのカウンターアニオン（例えば、ＰＦ_６ ^－）とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能な電極活物質を用いることができる。イオンとしては、リチウム、マグネシウム等を用いることができる。

例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、及び、一般式：ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_ｙＭｎ_ｚＭ_ａＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ａ＝１、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ａ＜１、ＭはＡｌ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒより選ばれる１種類以上の元素）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶ_２Ｏ_５）、オリビン型ＬｉＭＰＯ_４（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒより選ばれる１種類以上の元素又はＶＯを示す）、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_ｙＡｌ_ｚＯ_２（０．９＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１．１）等の複合金属酸化物、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセンなどが挙げられる。

導電助剤は、例えば、カーボンブラック類等のカーボン粉末、カーボンナノチューブ、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ＩＴＯ等の導電性酸化物が挙げられる。正極活物質のみで十分な導電性を確保できる場合は、非水電解液二次電池１００は導電助剤を含んでいなくてもよい。

また正極活物質層は、バインダーを含む。バインダーは、公知のものを用いることができる。例えば、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）、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン－テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン－クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素樹脂、が挙げられる。

「負極」
負極３０は、負極集電体３２と、負極活物質層３４と、負極端子３６とを有する。負極端子３６は、第１端部が負極集電体３２に接続され、第２端部が外装体５０の外側に延出する。

負極集電体３２及び負極端子３６は、正極と同様のものを用いることができる。負極活物質層３４は、正極集電体２２と同様に、負極集電体３２の両面に配設される。

負極集電体３２及び負極端子３６は、正極２０の正極集電体２２及び正極端子２６と同様のものを用いることができる。負極３０ではリチウムが析出する場合があるため、負極集電体３２及び負極端子３６には、リチウムと反応性の低い銅を用いることが特に好ましい。

負極活物質層３４は、負極活物質とバインダーとを有し、必要に応じて導電助剤を有する。

負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な化合物であればよく、公知の負極活物質を使用できる。負極活物質としては、例えば、金属リチウム、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛）、カーボンナノチューブ、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、アルミニウム、シリコン、スズ等のリチウムと化合することのできる金属、ＳｉＯ_ｘ（０＜ｘ＜２）、二酸化スズ等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）等を含む粒子が挙げられる。

導電助剤及びバインダーは、正極と同様のものを用いることができる。負極３０に用いるバインダーは正極２０に挙げたものの他に、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂等を用いてもよい。

「セパレータ」
セパレータ１０は、電気絶縁性の多孔質構造から形成されていればよく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの単層体、積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いはセルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。

「電解液」
電解液は、正極活物質層２４、負極活物質層３４内に含浸される。電解液には、リチウム塩等を含む電解質溶液（電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解質溶液） を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いため、充電時の耐用電圧が低く制限される。そのため、有機溶媒を使用する電解質溶液（非水電解質溶液）であることが好ましい。

非水電解質溶液は、非水溶媒に電解質が溶解されており、非水溶媒として環状カーボネートと、鎖状カーボネートと、を含有してもよい。

環状カーボネートとしては、電解質を溶媒和することができるものを用いることができる。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートなどを用いることができる。

鎖状カーボネートは、環状カーボネートの粘性を低下させることができる。例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートが挙げられる。その他、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ－ブチロラクトン、１，２－ジメトキシエタン、１，２－ジエトキシエタンなどを混合して使用してもよい。

非水溶媒中の環状カーボネートと鎖状カーボネートの割合は体積にして１：９～１：１にすることが好ましい。

（外装体）
外装体５０は、その内部に積層体４０及び電解液を密封する。外装体５０は、電解液の外部への漏出や、外部からの非水電解液二次電池１００内部への水分等の侵入等を抑止する。

例えば、外装体５０として、金属箔を高分子膜で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムを利用できる。金属箔としては例えばアルミ箔を、高分子膜としてはポリプロピレン等の膜を利用できる。例えば、外側の高分子膜の材料としては融点の高い高分子、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド等が好ましく、内側の高分子膜の材料としてはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等が好ましい。

［非水電解液二次電池の機能とそれに伴う積層体の平面形状］
非水電解液二次電池１００は、正極活物質層２４と負極活物質層３４との間をリチウムイオンが移動することで動作する。

例えば、正極活物質層２４から負極活物質層３４にリチウムイオンがセパレータ１０を介して移動すると、正極２０と負極３０の間に電位差が生じる。負極活物質層３４内においてリチウムイオンに捉えられていた電子は、この電位差を緩和するように移動する。セパレータ１０は絶縁性を有しているため、負極活物質層３４から正極活物質層２４へセパレータ１０を介して直接移動することはできない。そのため電子は、正極集電体２２、正極端子２６を介して外部に流れる。この逆の反応が生じた場合は、電子は負極集電体３２、負極端子３６を介して外部に流れる。

図２は、本実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の斜視模式図である。図２に示すように、正極端子２６の第１端部２６Ａ及び負極端子３６の第１端部３６Ａは、それぞれの正極集電体２２及び負極集電体３２に接続されている。一方で正極端子２６の第２端部２６Ｂ及び負極端子３６の第２端部３６Ｂは、それぞれの正極集電体２２及び負極集電体３２から延出した正極端子２６及び負極端子３６が統合されて、外装体５０の外部に延出している。

そのため正極で発生した電子が外部に排出される場合は、正極端子２６の第２端部２６Ｂを通過し、負極で発生した電子が外部に排出される場合は、負極端子３６の第２端部３６Ｂを通過する。

積層体４０内で電子の授受が行われると、積層体４０は発熱する。積層体４０内で発生した熱が排熱される場合の排熱経路は、電子の排出経路と同様である。積層体４０は周囲を外装体５０で覆われている。そのため、外装体５０を介して熱は排出されにくく、発生した熱の多くは正極端子２６及び負極端子３６を介して第２端部２６Ｂ、３６Ｂから排出される。

つまり、積層体４０内で発生した熱の排熱効率は、正極端子２６及び負極端子３６が積層体に対してどのように配置されているか、換言すると、正極端子２６及び負極端子３６の接続位置に対して積層体４０の形状をどのように設定するかによって非水電解質二次電池１００の排熱効率は変化する。

図３は、第１実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の平面模式図である。図３では、正極端子２６及び負極端子３６は、積層体４０をｚ方向から見て一方の側面にそれぞれ接続されている。正極端子２６の幅方向中心の接続中心２６ａ及び負極端子３６の幅方向中心の接続中心３６ａは、積層体４０の正極端子２６及び負極端子３６が延出する方向と直交する方向（ｙ方向）を中心線Ｃで区分した各領域のｙ方向の中心に設けられている。

図３に示す場合、正極端子２６及び負極端子３６から離れた位置で発生した熱は排熱しにくい。すなわち、積層体４０のアスペクト比が、非水電解質二次電池１００の排熱効率に影響を及ぼす。

第１実施形態においてアスペクト比とは、正極端子２６及び負極端子３６が延出するｘ方向における積層体４０の長さＬ２と、正極端子２６及び負極端子３６が延出するｘ方向と直交するｙ方向における積層体４０の長さＬ１の比であり、Ｌ１／Ｌ２で表される。図３では、積層体４０の短軸方向に沿った側面に正極端子２６及び負極端子３６を接続しているが、長軸方向に沿った側面に接続されていてもよい。

積層体４０のアスペクト比Ｌ１／Ｌ２は、以下のように設計すると、非水電解質二次電池１００の排熱効率が高まる。

まず積層体４０を平面視において区分する微小領域を設定する。微小領域は、積層体４０の平面視の面積に対して充分小さい領域である。充分小さい領域とは、積層体４０を同じ面積で１０００分割以上に区分した領域を指す。

次いで、この微小領域の重心と正極端子２６又は負極端子３６の近い方の端子の接続中心２６ａ、３６ａまでの距離をｒとする。そして、微小領域の面積ｄＳと、微小領域と端子までの距離ｒを掛け合わせる（ｒ×ｄＳ）。微小領域で発生した熱は、最寄りの正極端子２６又は負極端子３６から主として排出される。そのためｒ×ｄＳは、微小領域で発生した熱を排熱されるまでの距離で乗じたものであり、この値が大きいほど排熱しにくいことを意味する。

このｒ×ｄＳを全ての微小領域でそれぞれ求め、その値を足し合わせる。微小領域の集合体は積層体４０の平面形状である。すなわち、それぞれの微小領域におけるｒ×ｄＳを足し合わせたものは、積層体４０の面内方向の総排熱量を排熱距離で乗じたものの集合であり、以下の一般式（１）で表記できる。

この一般式（１）は、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が所定のアスペクト比Ａ_ｍｉｎの時に極小値Ｅ_ｍｉｎをとる。極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ｌ１／Ｌ２は４．０である。この極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに積層体４０の平面形状を設計すると、非水電解質二次電池１００の排熱効率が最も高くなり、非水電解質二次電池１００の表面の最高温度が最も低くなる。すなわち、正極端子２６及び負極端子３６を積層体４０の同一側面に設ける場合は、積層体４０の平面形状を正極端子２６及び負極端子３６が延在する方向に短くすることが好ましい。

一方で、積層体４０のアスペクト比は、上記条件を満たす一点に限られる訳ではなく、上記条件を満たす位置からのある程度のずれは許容される。積層体４０のアスペクト比は、極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．６倍以上２．８倍以下の範囲内であることが好ましく、０．８倍以上１．７倍以下の範囲内であることがより好ましい。具体的な数値としては、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が２．５以上１１．０以下であることが好ましく、３．０以上７．０以下であることがより好ましい。

上述のように、第１実施形態に係る非水電解液二次電池によれば、非水電解液二次電池の面内方向の排熱効率を高めることができる。その結果、非水電解質二次電池１００の表面の最高温度を低くできる。

「第２実施形態」
図４は、第２実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の平面模式図である。第２実施形態にかかる非水電解質二次電池の積層体４１は、正極端子２６と負極端子３６とが、積層体４１の異なる側面にそれぞれ接続されている点が、第１実施形態にかかる非水電解液二次電池と異なる。その他の構成は、第１実施形態にかかる非水電解液二次電池と同じである。

図４において正極端子２６と負極端子３６とは、互いに対向する位置に設けられている。正極端子２６の幅方向中心の接続中心２６ａ及び負極端子３６の幅方向中心の接続中心３６ａは、積層体４０の正極端子２６及び負極端子３６が延出する方向と直交する方向（ｙ方向）の中心線Ｃ上に設けられている。

第２実施形態にかかる積層体４１においても、積層体４１のアスペクト比Ｌ１／Ｌ２を所定の範囲内に設計すると、非水電解質二次電池の排熱効率が高まる。第２実施形態においてアスペクト比とは、正極端子２６及び負極端子３６が延出するｘ方向の積層体４１の長さＬ１と、ｘ方向と直交するｙ方向の積層体４１の長さＬ２の比であり、Ｌ１／Ｌ２で表される。

第２実施形態にかかる積層体４１における微小領域の面積ｄＳ及び微小領域と正極端子２６又は負極端子３６との距離ｒとの関係は、第１実施形態にかかる積層体４０と同一である。

すなわち上述の一般式（１）が、極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに積層体４１の平面形状を設計すると、非水電解質二次電池１００の排熱効率が最も高くなり、非水電解質二次電池１００の表面の最高温度が最も低くなる。極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ｌ１／Ｌ２は１．０である。

また積層体４１のアスペクト比は、この場合に限られず、極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．６倍以上２．１倍以下の範囲内であることが好ましく、０．７５倍以上１．７５倍以下の範囲内であることがより好ましい。具体的な数値としては、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が０．６以上２．１以下であることが好ましく、０．８以上１．８以下であることがより好ましい。

上述のように、第２実施形態に係る非水電解液二次電池によれば、非水電解液二次電池の面内方向の排熱効率を高めることができる。その結果、非水電解質二次電池１００の表面の最高温度を低くできる。

「第３実施形態」
図５は、第３実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の平面模式図である。第３実施形態にかかる非水電解質二次電池の積層体４２は、正極端子２６と負極端子３６とが、積層体４２の面内にそれぞれ接続されている点が、第１実施形態にかかる非水電解液二次電池と異なる。その他の構成は、第１実施形態にかかる非水電解液二次電池と同じである。

図５に示すように、第３実施形態にかかる非水電解液二次電池における正極端子２６と負極端子３６は、それぞれ積層体４２をｘ方向の中心線Ｃで区分した各領域の中央に設けられている。この場合、正極端子２６及び負極端子３６の接続中心２６ａ、３６ａは、正極端子２６及び負極端子３６の平面視中央になる。

図６は、第３実施形態にかかる非水電解液二次電池１０２の断面模式図である。図６に示すように、正極端子２６及び負極端子３６は積層体４２の積層方向に貫通して設けられている。正極端子２６は、負極３０との短絡を防ぐために、正極２０との接触部以外は、絶縁体２６Ｉで被覆されている。同様に、負極端子３６も、正極２０との短絡を防ぐために、負極３０との接触部以外は、絶縁体３６Ｉで被覆されている。

第３実施形態にかかる積層体４２においても、積層体４２のアスペクト比Ｌ１／Ｌ２を所定の範囲内に設計すると、非水電解質二次電池１０２の排熱効率が高まる。第３実施形態においてアスペクト比とは、積層体４２の長軸長さＬ１と積層体の短軸方向の長さＬ２の比であり、Ｌ１／Ｌ２で表される。

第３実施形態にかかる積層体４２における微小領域の面積ｄＳ及び微小領域と正極端子２６又は負極端子３６との距離ｒとの関係は、第１実施形態にかかる積層体４０と同一である。

すなわち上述の一般式（１）が、極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに積層体４２の平面形状を設計すると、非水電解質二次電池１００の排熱効率が最も高くなり、非水電解質二次電池１００の表面の最高温度が最も低くなる。極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ｌ１／Ｌ２は２．０である。

また積層体４２のアスペクト比は、この場合に限られず、極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．４倍以上１．６倍以下の範囲内であることが好ましく、０．６倍以上１．３倍以下の範囲内であることがより好ましい。具体的な数値としては、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が１．０以上３．０以下であることが好ましく、１．４以上２．６以下であることがより好ましい。

上述のように、第３実施形態に係る非水電解液二次電池によれば、非水電解液二次電池の面内方向の排熱効率を高めることができる。その結果、非水電解質二次電池の表面の最高温度を低くできる。

「第４実施形態」
図７は、第４実施形態にかかる非水電解液二次電池の積層体の平面模式図である。第４実施形態にかかる非水電解質二次電池の積層体４３は、正極端子２６と負極端子３６とが、積層体４３の面内にそれぞれ接続され、積層体４３の平面形状が矩形ではない点が、第１実施形態にかかる非水電解液二次電池と異なる。その他の構成は、第１実施形態にかかる非水電解液二次電池と同じである。

図７に示す積層体４３は、平面視形状が楕円である。第４実施形態にかかる非水電解液二次電池における正極端子２６と負極端子３６は、それぞれ積層体４３の長軸方向の中心線Ｃを挟んで等距離に設けられている。正極端子２６及び負極端子３６の接続中心２６ａ、３６ａは、正極端子２６及び負極端子３６の平面視中央である。積層体４３の断面形状は、図６に示す第３実施形態にかかる非水電解質二次電池１０２と同等である。

第４実施形態にかかる積層体４３においても、積層体４３の長軸方向の長さＬ１と短軸方向の長さＬ２のアスペクト比Ｌ１／Ｌ２を所定の範囲内に設計すると、非水電解質二次電池の排熱効率が高まる。第４実施形態においてアスペクト比とは、積層体４３の長軸方向の長さＬ１と積層体の短軸方向の長さＬ２の比であり、Ｌ１／Ｌ２で表される。

第４実施形態にかかる積層体４３における微小領域の面積ｄＳ及び微小領域と正極端子２６又は負極端子３６との距離ｒとの関係は、第１実施形態にかかる積層体４０と同一である。

すなわち上述の一般式（１）が、極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに積層体４３の平面形状を設計すると、非水電解質二次電池の排熱効率が最も高くなり、非水電解質二次電池の表面の最高温度が最も低くなる。極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ｌ１／Ｌ２は１．９である。正極端子２６及び負極端子３６は、アスペクト比Ａ_ｍｉｎが極小値Ｅ_ｍｉｎをとる際に、積層体４３の焦点位置に配設される。

また積層体４３のアスペクト比は、この場合に限られず、極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．４倍以上１．６倍以下の範囲内であることが好ましく、０．６倍以上１．２倍以下の範囲内であることがより好ましい。具体的な数値としては、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が０．８以上３．０以下であることが好ましく、１．２以上２．２以下であることがより好ましい。

上述のように、第４実施形態に係る非水電解液二次電池によれば、非水電解液二次電池の面内方向の排熱効率を高めることができる。その結果、非水電解質二次電池の表面の最高温度を低くできる。

［非水電解液二次電池の製造方法］
非水電解液二次電池１００の製造方法は、正極端子２６及び負極端子３６の取り付け位置を設定する点以外は、公知の方法で作製することができる。

まず、正極２０及び負極３０を作製する。正極２０と負極３０とは、活物質となる物質が異なるだけであり、同様の製造方法で作製できる。

正極活物質、バインダー及び溶媒を混合して塗料を作製する。必要に応じ導電助剤を更に加えても良い。溶媒としては例えば、水、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド等を用いることができる。正極活物質、導電助剤、バインダーの構成比率は、質量比で８０ｗｔ％～９８ｗｔ％：０．１ｗｔ％～１０ｗｔ％：０．１ｗｔ％～１０ｗｔ％であることが好ましい。これらの質量比は、全体で１００ｗｔ％となるように調整される。

塗料を構成するこれらの成分の混合方法は特に制限されず、混合順序もまた特に制限されない。上記塗料を、正極集電体に塗布する。塗布方法としては、特に制限はなく、通常電極を作製する場合に採用される方法を用いることができる。例えば、スリットダイコート法、ドクターブレード法が挙げられる。負極についても、同様に負極集電体上に塗料を塗布する。

続いて、正極集電体及び負極集電体上に塗布された塗料中の溶媒を除去する。除去方法は特に限定されない。例えば、塗料が塗布された正極集電体及び負極集電体を、８０℃～１５０℃の雰囲気下で乾燥させればよい。そして、正極２０及び負極３０が完成する。

そして、正極２０、負極３０及びセパレータ１０を、セパレータ１０が正極２０と負極３０の間となるように積層し、積層体４０を形成する。

正極端子２６及び負極端子３６は、積層体４０を積層してから接続してもよいし、正極集電体及び負極集電体に正極端子２６及び負極端子３６が予め備えられていてもよい。

図３及び図４に示すように、正極端子２６及び負極端子３６を面内のいずれかの側面に接続する場合は、正極端子２６及び負極端子３６が一体化した正極集電体及び負極集電体を用いることが好ましい。

一方で、図５及び図７に示すように、正極端子２６及び負極端子３６が積層方向に貫通する場合は、作製した積層体４０に貫通孔を設け、その貫通孔内に正極端子２６及び負極端子３６を挿入する。

最後に、積層体４０を外装体５０に封入する。非水電解液は外装体５０内に注入してもよいし、積層体４０を非水電解液に含浸させてもよい。そして外装体５０に熱等を加えて、ラミネートすることで封止して、非水電解液二次電池１００を作製する。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

「実施例１」
実施例１では、図３に示すように、積層体の平面形状を矩形とし、正極端子及び負極端子を積層体の一方の側面にそれぞれ接続した場合に、アスペクト比を変更して過充電時の非水電解質二次電池の表面の最高温度の違いを測定した。

（実施例１－１）
まず正極を作製した。正極はアルミニウム箔（厚み１２μｍ、熱伝導率２３７．５Ｗ／ｍＫ）の上に正極活物質を塗工し、正極活物質層を作製した。正極活物質層は、９０質量部のＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５Ｏ_２（活物質）と、６質量部の炭素粉末（導電助剤）と、４質量部のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ、バインダー）とを有する。

同様に、負極を作製した。負極は銅箔（厚み１１μｍ、熱伝導率４００Ｗ／ｍＫ）の上に負極活物質を塗工し、負極活物質層を作製した。負極活物質層は、８７質量部のメソフェーズカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ，活物質）と、３質量部の炭素粉末（導電助剤）と、１０質量部のＰＶＤＦとを有する。

またセパレータとして厚み１２μｍの多孔質ポリエチレンを準備した。そして、正極１０枚と、負極１１枚及びセパレータ２０枚を、セパレータが正極と負極の間となるように積層し、積層体を作製した。

積層体は矩形とし、積層体の正極端子及び負極端子が延在する方向と直交する方向の長さＬ１は７０．９９ｍｍ、正極端子及び負極端子が延在する方向の長さＬ２は１７．７５ｍｍとした。この際のアスペクト比Ｌ１／Ｌ２は、４．０であった。正極端子及び負極端子は、ｙ方向の中心線Ｃと端部との中点に設けた。

そして、アルミラミネートフィルムからなる外装体内に、非水電解液とともに封入し、非水電解液二次電池を作製した。非水電解液は、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とを体積比で３：４：３とした溶媒中に、リチウム塩として１．０Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）のＬｉＰＦ_６を添加したものを用いた。

次いで、作製した非水電解液二次電池について、二次電池充放電試験装置を用い、４．２Ｖまで定電流定電圧充電を行い、２．５Ｖまで定電流放電を行い、電池容量を算出した。算出した電池容量に対して３Ｃ相当の電流で１０Ｖまで定電流定電圧で１時間充電を行い、これを過充電試験とした。この時の電池表面の温度を測定し最高温度を記録した。面内温度は、ｘ方向に４か所、ｙ方向に４か所の計１６か所で測定した。

また同様の条件で設計した非水電解液二次電池について、過充電試験を想定した時の面内温度分布を、過充電状態を想定したシミュレーションにより求めた。その結果を表１及び図８に示す。シミュレーションの結果と実測値とで、非水電解液二次電池の表面で最高温度を示す位置は互いに相関があり、シミュレーションが確からしいことを確認した。

（実施例１－２～１－６、比較例１－１～１－３）
実施例１－２～１－６及び比較例１－１～１－３は、積層体の形状を変更し、積層体のアスペクト比を変更した点が実施例１－１と異なる。その他の条件は、実施例１－１と同じとして、シミュレーションにより非水電解液二次電池の表面の最高温度を測定した。その結果を表１及び図８に示す。表１においてＡ／Ａ_ｍｉｎは、積層体のアスペクト比Ａを積分値が極小値をとる際のアスペクト比Ａ_ｍｉｎで割った値を意味する。

表１及び図８に示すように、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が４．０（実施例１－１）の際に、一般式（１）で表される値Ｅは極小値を示す。またＡ／Ａ_ｍｉｎが０．６～２．８の範囲の場合の過充電時の表面温度は、積分値が極小値をとる実施例１－１の表面温度との温度差が２℃以内であった。またＡ／Ａ_ｍｉｎが０．８～１．７の範囲の場合の過充電時の表面温度は、積分値が極小値をとる実施例１－１の表面温度との温度差が１℃以内であった。すなわち、極小値をとるアスペクト比からある程度アスペクト比が変化しても、非水電解質二次電池の表面の最高温度は十分低かった。

「実施例２」
実施例２では、図４に示すように、積層体の平面形状を矩形とし、正極端子及び負極端子を積層体の対向する側面にそれぞれ接続した場合に、アスペクト比を変更して非水電解質二次電池の表面の最高温度の違いを測定した。正極端子及び負極端子は、積層体を平面視した際の正極端子及び負極端子が延出する方向と交差する方向の中点にそれぞれ設けた。

（実施例２－１～２－６、比較例２－１～２－４）
実施例２－１～２－６及び比較例２－１～２－４は、積層体の形状を変更し、積層体のアスペクト比を変更した。その結果を表２及び図９に示す。表２においてＬ１は積層体の正極端子及び負極端子が延在する方向の長さであり、Ｌ２正極端子及び負極端子が延在する方向と直交する方向の長さであり、Ｌ１／Ｌ２はアスペクト比である。

表２及び図９に示すように、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が１．０（実施例２－３）の際に、一般式（１）で表される値Ｅは極小値を示す。またＡ／Ａ_ｍｉｎが０．６～２．１の範囲の場合の過充電時の表面温度は、積分値が極小値をとる実施例２－３の表面温度との温度差が２℃以内であった。またＡ／Ａ_ｍｉｎが０．７５～１．７５の範囲の場合の過充電時の表面温度は、積分値が極小値をとる実施例２－３の表面温度との温度差が１℃以内であった。すなわち、極小値をとるアスペクト比からある程度アスペクト比が変化しても、非水電解質二次電池の表面の最高温度は十分低かった。

「実施例３」
実施例３では、図５に示すように、積層体の平面形状を矩形とし、正極端子及び負極端子を積層体の面内にそれぞれ接続した場合に、アスペクト比を変更して非水電解質二次電池の表面の最高温度の違いを測定した。正極端子及び負極端子は、積層体を平面視した際の長軸方向の中心線で区分された２つの領域の中心に設けた。

（実施例３－１～３－１０、比較例３－１）
実施例３－１～３－１０及び比較例３－１は、積層体の形状を変更し、積層体のアスペクト比を変更した。その結果を表３及び図１０に示す。表３においてＬ１は積層体の長軸方向の長さであり、Ｌ２は短軸方向の長さであり、Ｌ１／Ｌ２はアスペクト比である。

表３及び図１０に示すように、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が２．０（実施例３－６）の際に、一般式（１）で表される値Ｅは極小値を示す。またＡ／Ａ_ｍｉｎが０．５～１．５の範囲の場合の過充電時の表面温度は、積分値が極小値をとる実施例３－６の表面温度との温度差が２℃以内であった。またＡ／Ａ_ｍｉｎが０．７～１．３の範囲の場合の過充電時の表面温度は、積分値が極小値をとる実施例３－６の表面温度との温度差が１℃以内であった。すなわち、極小値をとるアスペクト比からある程度アスペクト比が変化しても、非水電解質二次電池の表面の最高温度は十分低かった。

「実施例４」
実施例４では、図７に示すように、積層体の平面形状を楕円とし、正極端子及び負極端子を積層体の面内にそれぞれ接続した場合に、アスペクト比を変更して非水電解質二次電池の表面の最高温度の違いを測定した。正極端子及び負極端子は、積層体を平面視した際に短軸方向の中心線を通り、長軸方向の中心線を挟んで等間隔の位置に設けた。

（実施例４－１～４－１１、比較例４－１～４－２）
実施例４－１～４－１１及び比較例４－１～４－２は、積層体の形状を変更し、積層体のアスペクト比を変更した。その結果を表４及び図１１に示す。表４においてＬ１は積層体の長軸方向の長さであり、Ｌ２は短軸方向の長さであり、Ｌ１／Ｌ２はアスペクト比である。

表４及び図１１に示すように、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が１．９（実施例４－５）の際に、一般式（１）で表される値Ｅは極小値を示す。またＡ／Ａ_ｍｉｎが０．４～１．６の範囲の場合の過充電時の表面温度は、積分値が極小値をとる実施例４－５の表面温度との温度差が２℃以内であった。またＡ／Ａ_ｍｉｎが０．６～１．２の範囲の場合の過充電時の表面温度は、積分値が極小値をとる実施例４－５の表面温度との温度差が１℃以内であった。すなわち、極小値をとるアスペクト比からある程度アスペクト比が変化しても、非水電解質二次電池の表面の最高温度は十分低かった。

１０…セパレータ、２０…正極、２２…正極集電体、２４…正極活物質層、２６…正極端子、２６Ａ…第１端部、２６Ｂ…第２端部、３０…負極、３２…負極集電体、３４…負極活物質層、３６…負極端子、３６Ａ…第１端部、３６Ｂ…第２端部、４０，４１，４２，４３…積層体、５０…外装体、１００，１０２…非水電解液二次電池、Ｃ…中心線

Claims (6)

1. 正極端子が接続された正極集電体を有する正極と、負極端子が接続された負極集電体を有する負極と、前記正極及び前記負極の間に配設されたセパレータと、をそれぞれ１層以上有する積層体を備え、
   前記正極端子及び前記負極端子は、前記積層体を積層方向から平面視した際に一方の側面にそれぞれ接続され、
   前記積層体を平面視において区分する微小領域の面積をｄＳ、前記微小領域の重心から前記正極端子又は前記負極端子の近い方の端子の接続中心までの距離をｒとした際に、
   前記積層体のアスペクト比は、前記積層体を積層方向から平面視した際の面積が一定である条件において、以下の一般式（１）が極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．８１倍以上１．６１倍以下の範囲内であり、
   前記アスペクト比は、前記正極端子及び前記負極端子が延出する方向における積層体の長さＬ２と、前記正極端子及び前記負極端子が延出する方向と直交する方向における積層体の長さＬ１との比であり、Ｌ１／Ｌ２で表され、
   前記正極端子及び前記負極端子が延出する方向と直交する方向における積層体の長さＬ１は、前記正極端子及び前記負極端子が延出する方向における積層体の長さＬ２より大きい、非水電解液二次電池。
   

   
2. 正極端子が接続された正極集電体を有する正極と、負極端子が接続された負極集電体を有する負極と、前記正極及び前記負極の間に配設されたセパレータと、をそれぞれ１層以上有する積層体を備え、
   前記正極端子及び前記負極端子は、前記積層体を積層方向から平面視した際に前記積層体の面内にそれぞれ接続され、
   前記積層体を平面視において区分する微小領域の面積をｄＳ、前記微小領域の重心から前記正極端子又は前記負極端子の近い方の端子の接続中心までの距離をｒとした際に、
   前記積層体のアスペクト比は、前記積層体を積層方向から平面視した際の面積が一定である条件において、以下の一般式（１）が極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．７４倍以上１．１６倍以下の範囲内であり、
   前記アスペクト比は、前記積層体の長軸長さＬ１と前記積層体の短軸方向の長さＬ２の比であり、Ｌ１／Ｌ２で表される、非水電解液二次電池。
   

   
3. 前記積層体のアスペクト比が、一般式（１）が極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比Ａ_ｍｉｎである、請求項１又は２に記載の非水電解液二次電池。
4. 積層方向から平面視した際に、積層体の一方の側面に、正極端子及び負極端子を接続するように設計する工程と、
   前記積層体のアスペクト比を設計する工程と、を有し、
   前記積層体は、前記正極端子が接続された正極集電体を有する正極と、前記負極端子が接続された負極集電体を有する負極と、前記正極及び前記負極の間に配設されたセパレータと、をそれぞれ１層以上有し、
   前記積層体のアスペクト比は、アスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．６倍以上２．８倍以下の範囲内に設計され、
   前記アスペクト比Ａ_ｍｉｎは、
   前記積層体を平面視において区分する微小領域の面積をｄＳ、前記微小領域の重心から前記正極端子又は前記負極端子の近い方の端子の接続中心までの距離をｒとした際に、
   前記積層体を積層方向から平面視した際の面積が一定である条件において、以下の一般式（１）が極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比であり、
   前記アスペクト比は、前記正極端子及び前記負極端子が延出する方向における積層体の長さＬ２と、前記正極端子及び前記負極端子が延出する方向と直交する方向における積層体の長さＬ１との比であり、Ｌ１／Ｌ２で表され、
   前記正極端子及び前記負極端子が延出する方向と直交する方向における積層体の長さＬ１は、前記正極端子及び前記負極端子が延出する方向における積層体の長さＬ２より大きい、非水電解液二次電池の設計方法。
   

   
5. 積層方向から平面視した際に、積層体の面内に、正極端子及び負極端子を接続するように設計する工程と、
   前記積層体のアスペクト比を設計する工程と、を有し、
   前記積層体は、前記正極端子が接続された正極集電体を有する正極と、前記負極端子が接続された負極集電体を有する負極と、前記正極及び前記負極の間に配設されたセパレータと、をそれぞれ１層以上有し、
   前記積層体のアスペクト比は、アスペクト比Ａ_ｍｉｎに対して０．４倍以上１．６倍以下の範囲内に設計され、
   前記アスペクト比Ａ_ｍｉｎは、
   前記積層体を平面視において区分する微小領域の面積をｄＳ、前記微小領域の重心から前記正極端子又は前記負極端子の近い方の端子の接続中心までの距離をｒとした際に、
   前記積層体を積層方向から平面視した際の面積が一定である条件において、以下の一般式（１）が極小値Ｅ_ｍｉｎをとるアスペクト比であり、
   前記アスペクト比は、前記積層体の長軸長さＬ１と前記積層体の短軸方向の長さＬ２の比であり、Ｌ１／Ｌ２で表される、非水電解液二次電池の設計方法。
   

   
6. 請求項４～５のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池の設計方法を用いて非水電解液二次電池を設計し、設計に基づいて非水電解液二次電池を作製する、非水電解液二次電池の製造方法。

Images