JP7315005B2 - 二次電池、電池パック、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、正極活物質非被覆部を有し、
負極は、帯状の負極箔上に、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とが、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、
電極巻回体の側面部の一部からトップ側のエッジ部を経由して正極集電板の一部を覆う第1絶縁テープと、電極巻回体の側面部の一部からボトム側のエッジ部を経由して負極集電板の一部を覆う第2絶縁テープが設けられている二次電池である。
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、円筒型のリチウムイオン電池1の概略断面図である。
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、それぞれトップ側絶縁板12、ボトム側絶縁板13として機能し、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、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。
なお、ここでは電極巻回体20又は電極巻回体20に正極集電板24と負極集電板25とが溶接された電極巻回体を略円柱とみなした場合、正極側のエッジラインをトップ側のエッジ部51と称し、負極側のエッジラインをボトム側のエッジ部52と称することとする。
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。
絶縁部材の構成について、図1,図5及び図6を参照して説明する。端面41,42に集まっている活物質非被覆部21C,22Cは剥き出しの金属箔なので、活物質非被覆部21C,22Cと外装缶11とが近接したときにショートする可能性がある。また、端面41にある正極集電板24と外装缶11とが近接したときにショートする可能性がある。そのため、外装缶11との電気的絶縁性を持たせるために、トップ側のエッジ部51とボトム側のエッジ部52は、絶縁部材が被覆されている。絶縁部材としては種々の素材を用いることが可能であるが、ここでは絶縁テープ53,54を例に挙げて説明する。絶縁テープ53,54は、例えば、基材層の材質がポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミドのうち何れかで構成され、基材層の一面に粘着層を有している粘着テープである。絶縁テープ53,54の設置により電極巻回体20の容積を減らさないために、絶縁テープ53,54は側面部45に貼付された固定テープ46と重ならないように配置され、絶縁テープ53,54の厚さは固定テープ46の厚さ以下に設定されている。
ボトム側のエッジ部52においては、負極集電板25の形状にもよるが(図3B参照)、負極集電板25が設けられている部分と、負極活物質非被覆部22Cが露出している部分がある。絶縁テープ54は、エッジ部52において、これらの部分を両方覆っていることが好ましい。更には、ボトム側のエッジ部52をすべて(円筒型の場合、全周に亘って)覆っていることが好ましい。
絶縁テープ53の端部が、正極集電板24の帯状部32の折り返し部を超えて接触した場合には、電池の中心軸方向のスペースが足りず、組立て不良が発生する。また、絶縁テープ54の端部が、負極集電板25の帯状部34の折り返し部を超えて接触した場合には、電池の中心軸方向のスペースが足りず、同様に組立て不良が発生する。
通常のリチウムイオン電池では例えば、正極と負極と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、最外周に固定テープ46を貼り付けて、図4Aのような電極巻回体20を作製した。
まずは、トップ側のエッジ部51を被覆する絶縁テープ53のうち、電極巻回体20の端面41上での長さ(b1)と内部ショート率の関係を求めた。図5は電池1のトップ側を表示した図である。前記長さ(b1)とは、図5に示すようにくびれ部11Sの頂点Pの直下の位置から絶縁テープ53の端部までの長さを意味する。なお、くびれ部の表面(缶の内面)のうち、前記電極巻回体20に最も近接した点を頂点Pと定義する(図5参照)。
図5のように、トップ側のエッジ部51に絶縁テープ53を貼付し、b1=1.5(mm)とした。
実施例1と同様に絶縁テープ53を貼付し、b1=1.0(mm)とした。
実施例1と同様に絶縁テープ53を貼付し、b1=0.5(mm)とした。
実施例1と同様に絶縁テープ53を貼付し、b1=0.3(mm)とした。
実施例1と同様に絶縁テープ53を貼付し、b1=0(mm)とした。
上記電池について、評価を行った。100本の組み立て終了後の電池1に対する、初回充電中に内部短絡した電池(充電ができない電池)の本数の割合を内部ショート率とした。
図5のように、トップ側のエッジ部51に絶縁テープ53を貼付し、a1=1.5(mm)とした。
実施例4と同様に絶縁テープ53を貼付し、a1=1.0(mm)とした。
実施例4と同様に絶縁テープ53を貼付し、a1=0.5(mm)とした。
実施例4と同様に絶縁テープ53を貼付し、a1=0.3(mm)とした。
実施例4と同様に絶縁テープ53を貼付し、a1=0(mm)とした。
上記電池について、評価を行った。100本の組み立て終了後の電池1に対する、初回充電中に内部短絡した電池(充電ができない電池)の本数の割合を内部ショート率とした。
図6のように、ボトム側のエッジ部52に絶縁テープ54を貼付し、b2=1.5(mm)とした。
実施例7と同様に絶縁テープ54を貼付し、b2=1.0(mm)とした。
実施例7と同様に絶縁テープ54を貼付し、b2=0.5(mm)とした。
実施例7と同様に絶縁テープ54を貼付し、b2=0.3(mm)とした。
実施例7と同様に絶縁テープ54を貼付し、b2=0(mm)とした。
100本の電極巻回体20を外装缶11に挿入する工程において、負極箔22C及び負極集電板25が外装缶11に接触して金属粉が発生した場合を組立時脱落金属が有りとし、その発生率(%)を算出した。
図6のように、ボトム側のエッジ部52に絶縁テープ54を貼付し、a2=1.5(mm)とした。
実施例10と同様に絶縁テープ54を貼付し、a2=1.0(mm)とした。
実施例10と同様に絶縁テープ54を貼付し、a2=0.5(mm)とした。
実施例10と同様に絶縁テープ54を貼付し、a2=0.3(mm)とした。
実施例10と同様に絶縁テープ54を貼付し、a2=0(mm)とした。
100本の電極巻回体20を外装缶11に挿入する工程において、負極箔22C及び負極集電板25が外装缶11に接触して金属粉が発生した場合を組立時脱落金属が有りとし、その発生率(%)を算出した。
図5のように、トップ側のエッジ部51に絶縁テープ53を貼付し、a1=6.0(mm)、b1=3.0(mm)とし、図6のように、ボトム側のエッジ部52に絶縁テープ54を貼付し、a2=6.0(mm)、b2=3.0(mm)とした。
トップ側のエッジ部51にもボトム側のエッジ部52にも絶縁テープ53,54を貼付しなかった。
図6のように、ボトム側のエッジ部52に絶縁テープ54を貼付し、a2=6.0(mm)、b2=3.0(mm)とした。トップ側のエッジ部51には絶縁テープ53を貼付しなかった。
図5のように、トップ側のエッジ部51に絶縁テープ53を貼付し、a1=6.0(mm)、b1=3.0(mm)とした。ボトム側のエッジ部52には絶縁テープ54を貼付しなかった。
上記電池について、評価を行った。100本の組み立て終了後の電池1に対する、初回充電中に内部短絡した電池(充電ができない電池)の本数の割合を内部ショート率とした。電極巻回体20を外装缶11に挿入する工程において、負極箔22C及び負極集電板25が外装缶11に接触して金属粉が発生した場合を組立時脱落金属が有りとし、金属粉が発生しない場合を組立時脱落金属が無しとした。
図5のように、トップ側のエッジ部51に絶縁テープ53を貼付し、図6のように、ボトム側のエッジ部52に絶縁テープ54を貼付し、b3=b2=1(mm)とした。
実施例21と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、b3=b2=2(mm)とした。
実施例21と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、b3=b2=3(mm)とした。
実施例21と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、b3=b2=4(mm)とした。
実施例21と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、b3=b2=5(mm)とした。
実施例21と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、b3=b2=6(mm)とした。
実施例21と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、b3=b2=7(mm)とした。
上記電池について、評価を行った。電解液を注入し始めてから注入が完了するまでの時間を計測し、注入時間とした。
図5のように、トップ側のエッジ部51に絶縁テープ53を貼付し、図6のように、ボトム側のエッジ部52に絶縁テープ54を貼付し、a1=a2=1(mm)とし、b3=b2=1(mm)とした。
実施例31と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、a1=a2=2(mm)とし、b3=b2=1(mm)とした。
実施例31と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、a1=a2=3(mm)とし、b3=b2=1(mm)とした。
実施例31と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、a1=a2=4(mm)とし、b3=b2=1(mm)とした。
実施例31と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、a1=a2=5(mm)とし、b3=b2=1(mm)とした。
実施例31と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、a1=a2=6(mm)とし、b3=b2=1(mm)とした。
実施例31と同様に絶縁テープ53,54を貼付し、a1=a2=7(mm)とし、b3=b2=1(mm)とした。
図6のように、ボトム側のエッジ部52に絶縁テープ54を貼付し、a2=30(mm)とし、b2=1(mm)とした。トップ側のエッジ部51には絶縁テープ53を貼付しなかった。
上記電池について、評価を行った。電解液を注入し始めてから注入が完了するまでの時間を計測し、注入時間とした。
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7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300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8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9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9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10を参照して説明する。図10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 (18)
- 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とが、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、
前記電極巻回体の側面部の一部からトップ側のエッジ部を経由して前記正極集電板の一部を覆う第1絶縁テープと、前記電極巻回体の側面部の一部からボトム側のエッジ部を経由して前記負極集電板の一部を覆う第2絶縁テープが設けられている二次電池。 - 前記平坦面には溝が形成されている請求項1に記載の二次電池。
- 前記外装缶の開口部において、一又は複数の曲折部分の頂点を含むくびれ部を有し、
前記第1絶縁テープのうち、前記電極巻回体の側面部上での長さをa1(mm)とし、
前記くびれ部の頂点のうち、前記電極巻回体に最も近接した頂点から、前記第1絶縁テープの前記中心軸側の端部までの水平方向の長さをb1(mm)とするとき、
0.5≦b1 かつ 0.5≦a1
を満たす請求項1又は2に記載の二次電池。 - 前記第2絶縁テープのうち、前記電極巻回体の側面部上での長さをa2(mm)とし、
前記第2絶縁テープのうち、前記電極巻回体の端部上での長さをb2(mm)とするとき、
0.5≦b2 かつ 0.5≦a2
を満たす請求項1から3の何れかに記載の二次電池。 - 前記の第1絶縁テープの長さb3が前記電極巻回体の半径の1/2以下であり、及び/又は、
前記第2絶縁テープの長さb2が前記電極巻回体の半径の1/2以下である請求項1から4の何れかに記載の二次電池。 - 前記正極集電板と前記負極集電板の少なくとも一方は折り畳まれた帯状部を有し、
前記第1絶縁テープの端部は、前記正極集電板の折り畳まれた帯状部に接触せず、及び/又は、
前記第2絶縁テープの端部は、前記負極集電板の帯状部に接触していないことを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の二次電池。 - 前記電極巻回体の側面部に貼り付けられた固定テープを有し、
前記第1絶縁テープ又は前記第2絶縁テープの少なくとも一方は、前記固定テープと重ならないように配置される請求項1から6の何れかに記載の二次電池。 - 前記第1絶縁テープ又は前記第2絶縁テープの少なくとも一方の厚さは、前記固定テープの厚さ以下である請求項7に記載の二次電池。
- 前記第1絶縁テープ又は前記第2絶縁テープの少なくとも一方は、基材層の少なくとも一面に粘着層を有し、前記基材層の材質がポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミドのうち何れかで構成される粘着テープである請求項1から8の何れかに記載の二次電池。
- 前記外装缶内にトップ側絶縁板が設けられており、
前記第1絶縁テープは、前記正極集電板と前記トップ側絶縁板の間に介在している請求項1から9の何れかに記載の二次電池。 - 前記外装缶内にボトム側絶縁板が設けられており、
前記第2絶縁テープは、前記負極集電板と前記ボトム側絶縁板の間に介在している請求項1から10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、
前記正極及び負極の活物質非被覆部の端部はそれぞれ前記セパレータの端部よりも外側に突出しており、且つ、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11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12の何れかに記載の二次電池。
- 請求項1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14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14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16に記載の電動式航空機。 - 請求項1から13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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