JPWO2015075766A1

JPWO2015075766A1 - 組電池

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Abstract

セパレータ（３３，３４）を介して積層した正極および負極電極（３１，３２）からなる積層体（３５）を捲回して設けられた扁平な捲回電極群（３０）と、捲回電極群を収容する扁平な電池容器（１）とを備えた二次電池（１０）を、スペーサ（２０）を介して積層した組電池（１００）であって、捲回電極群は、積層体が平坦に積層した平坦部（３６）と、平坦部の両端で積層体が少なくとも一部で湾曲して積層した湾曲部（３７）とを有し、スペーサは、平坦部の両端よりも内側に対向する範囲（Ｒ３）で電池容器の幅広面（１ａ）に当接する当接部（２１）と、湾曲部に対向する範囲（Ｒ４）内で電池容器の幅広面に対向する対向部（２２）とを有し、対向部の厚み（Ｔ２）は当接部の厚み（Ｔ１）よりも薄い。

Description

本発明は、組電池に係り、特にスペーサを介在させて複数の扁平な二次電池を積層した組電池に関する。

従来、再充電可能な二次電池の分野では、鉛電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池等の水溶液系電池が主流であった。しかし、電気機器の小型化、軽量化が進むに連れ、高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が着目され、その研究、開発および商品化が急速に進められている。また、地球温暖化や枯渇燃料の問題から電気自動車（ＥＶ）や駆動の一部を電気モーターで補助するハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が各自動車メーカーで開発され、その電源として高容量で高出力な二次電池が求められるようになっている。

このような要求に合致する電源として、高電圧の非水溶液系のリチウムイオン二次電池が注目されている。特に、扁平箱型の電池容器を備えた角形リチウムイオン二次電池は、パック化した際の体積効率が優れているため、ＨＥＶ用あるいはＥＶ用の電源として、開発への期待が高まっている。

しかし、角形リチウムイオン二次電池は、電池容器に収容されている電極の材料が充放電に伴って膨張、収縮するため、電池容器の膨張が避けられない。このような二次電池の充放電中の電極の膨張に伴う電池容器の膨張を抑制する方法として、電池容器を外部から拘束する方法が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

特許文献１に記載された車両用リチウムイオン組電池は、４個のリチウムイオン電池と、表面に絶縁処理が施された５枚の金属放熱板とを交互に積層した積層体を含む。各リチウムイン電池は、金属性の扁平箱型の筐体を有し、各リチウムイオン電池の両側面に接触して、表面に絶縁処理が施された各金属放熱板が配置される。積層体の周囲には一対のエンドプレートと、エンドプレートに取り付けられた締付けベルトとが設けられ、エンドプレートと締付けベルトとは相互に締め付けられる。

特開２００４−２２７７８８号公報

特許文献１に記載された組電池は、筐体の内部に収容される電池積層ロール体を備えている。電池積層ロール体は、活物質が塗布された２枚の電極体の間にセパレータをはさんで重ね合わせ、これをロール状に巻いたものである。このようが軸芯を有さない電池積層ロール体は、捲回時に、例えば楕円形状に捲回された後、平行な一対の平坦面の間でプレスされて、扁平形状に成形される。

扁平形状に成形された電池積層ロール体は、一対の湾曲した部分が筐体の底面と蓋に対向し、該一対の湾曲した部分の間の平坦な部分が、筐体において最大の面積を有する広い側面に対向している。特許文献１の組電池では、この広い側面に前記の金属放熱板を接触させた状態で、電池と金属放熱板の積層体をエンドプレートと締付けベルトによって締め付けることによって、電池の筐体の変形を抑制している。

しかしながら、特許文献１に記載の金属放熱板は、電池積層ロール体の全体、すなわちロール体の平坦な部分とその両側の湾曲した部分とを含む、ロール体の全体に対向している。そのため、ロール体が膨張して筐体に接し、さらに筐体に接した金属放熱板から拘束力を受けると、ロール体が一対の平坦面の間で扁平にプレスされた時と同じような状態になる。

すなわち、前記のように軸芯を有さない電池積層ロール体では、捲回時にセパレータを介して重なる電極間に周長差が生じる。そのため、電池積層ロール体の全体を一対の平坦面の間でプレスして扁平に成形すると、平坦になった部分の両側の湾曲した部分では、前記電極間の周長差に起因して電極間の距離が大きくなり、電極間に隙間が生じる。この隙間は、湾曲した部分の頂点に近付く程大きくなる。このような状態でリチウムイオン電池の充放電を行うと、電極間の隙間が大きいところでは正負極間の抵抗が高くなり、負極上に金属リチウムが析出しやすくなる。電極上に金属リチウムが析出した部分では、電極の充放電性能が低下してしまう。

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、二次電池の電池容器の膨張を抑制しつつ、捲回電極群の電極上への局所的な金属リチウムの析出を抑制し、二次電池の充放電性能の低下を抑制することができる組電池を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明の組電池は、セパレータを介して積層した正極および負極電極からなる積層体を捲回して設けられた扁平な捲回電極群と、該捲回電極群を収容する扁平な電池容器とを備えた二次電池を、スペーサを介して積層した組電池であって、前記捲回電極群は、前記積層体が平坦に積層した平坦部と、該平坦部の両端で前記積層体が少なくとも一部で湾曲して積層した湾曲部とを有し、前記スペーサは、前記平坦部の両端よりも内側に対向する範囲で前記電池容器の幅広面に当接する当接部と、前記湾曲部に対向する範囲内で前記電池容器の幅広面に対向する対向部と、を有し、前記対向部の厚みは前記当接部の厚みよりも薄いことを特徴とする。

本発明の組電池によれば、二次電池の捲回電極群の膨張に起因する電池容器の膨張時に、平坦部の両端よりも内側に対向する範囲で電池容器の幅広面に当接する当接部によって、電池容器の幅広面を拘束し、電池容器の膨張を抑制することができる。また、当接部は、捲回電極群の湾曲部に対向する範囲では電池容器の幅広面に当接せず、対向部の厚みは前記当接部の厚みよりも薄いため、当該範囲で電池容器の膨張が許容され、湾曲部における電極間の距離が均一化される。これにより、電極上への局所的な金属リチウムの析出が抑制され、二次電池の充放電性能の低下が抑制された組電池を提供することができる。

前記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態１に係る組電池の斜視図。図１Ａに示す組電池の側面図。図１Ａおよび図１Ｂに示す組電池が備える二次電池の分解斜視図。図２に示す二次電池が備える捲回電極群の分解斜視図。図３に示す捲回電極群の製造工程の一部を説明する概略的な断面図。図３に示す捲回電極群の製造工程の一部を説明する概略的な断面図。図１ＡのＶａ−Ｖａ線に沿う断面図。図４Ｂに示す捲回電極群がプレスされた状態における湾曲部の拡大断面図。図５Ａに示す二次電池の電池容器が膨張した状態を示す断面図。図６Ａに示す捲回電極群の湾曲部を示す拡大断面図。図１Ａに示す組電池の変形例を示す斜視図。図７Ａに示す組電池の側面図。図１Ｂに対応する実施形態２に係る組電池の側断面図。

以下、本発明の組電池の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［実施形態１］
（組電池）
図１Ａは、本発明の実施形態１に係る組電池の斜視図である。図１Ｂは、図１Ａに示す組電池の側面図である。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、組電池１００は、複数の二次電池１０を、スペーサ２０を介して積層した構成を有している。本実施形態では、二次電池１０として直方体形状の矩形箱型の扁平な電池容器１を備えた角形リチウムイオン二次電池を用いている。二次電池１０の電池容器１は、面積が大きい側面である幅広面１ａ、面積が小さい側面である幅狭面１ｂ、および底面１ｃを有している。

複数の二次電池１０は、電池容器１の幅広面１ａが互いに対向するように積層され、幅広面１ａの間にスペーサ２０が配置されて所定の間隔で隣接している。スペーサ２０は、電池容器１の幅広面１ａの幅方向、すなわち幅狭面１ｂに垂直な方向に、幅広面１ａの略全幅に亘って延在している。図示は省略するが、スペーサ２０を介して積層した複数の二次電池１０の両側には、両側の各二次電池１０の電池容器１の一方の幅広面１ａにそれぞれ対向して一対の金属プレートが配置されている。これら一対の金属プレートが互いにボルト等によって締結されることで、積層した複数の二次電池１０を拘束し、各二次電池１０の電池容器１の膨張を抑制している。金属プレートの材料は、例えば、ステンレススチールや銅などを用いることができる。

本実施形態の組電池１００では、複数の二次電池１０は、正極外部端子１１と負極外部端子１２の位置が、隣り合う二次電池１００間で１８０°反対になるように、交互に積層されている。複数の二次電池１０は、隣接する二次電池１０の正極外部端子１１と負極外部端子１２をバスバー１３によって連結することで、電気的に直列に接続されている。バスバー１３は、例えば、正極外部端子１１および負極外部端子１２のボルトを挿通させる貫通孔を有し、該貫通孔に正極外部端子１１および負極外部端子１２のボルトを挿通させてナット１４を締結することで、正極外部端子１１および負極外部端子１２に接続されている。

（二次電池）
次に、本実施形態の組電池１００が備える二次電池１０の構成について説明する。

図２は、図１Ａおよび図１Ｂに示す組電池１００が備える二次電池１０の分解斜視図である。図３は、図２に示す二次電池が備える捲回電極群３０の分解斜視図である。図４Ａおよび図４Ｂは、図３に示す捲回電極群３０の製造工程の一部を説明する概略的な断面図である。

二次電池１０は、角形の扁平な電池容器１を備えている。電池容器１は、開口部を有する矩形箱状の電池缶２と、電池缶２の開口部を封止する電池蓋３により構成されている。電池缶２および電池蓋３は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成され、電池蓋３が電池缶２の開口部の全周に亘って、例えばレーザ溶接により接合されることで、電池容器１が密閉されている。電池容器１の内部には、捲回電極群３０が収容されている。

捲回電極群３０は、図３に示すように、セパレータ３３，３４を介して積層した正極電極３１および負極電極３２からなる積層体３５を捲回して設けられている。捲回電極群３０は、帯状の積層体３５の延在方向に、例えば約１０Ｎの引張荷重をかけながら捲回される。このとき、捲回電極群３０は、捲回軸方向Ｄの両端部における正極電極３１、負極電極３２およびセパレータ３３，３４の端部が一定の位置になるように蛇行制御しながら捲回される。

このようにして、捲回電極群３０は、図４Ａに示すように、捲回軸方向Ｄに垂直な断面視で楕円形状に捲回される。楕円形状に捲回された捲回電極群３０は、図４Ｂに示すように、互いに平行な一対の平坦面Ｓ１，Ｓ２の間でプレスされて圧縮される。これにより、捲回電極群３０は、積層体３５が最内周から最外周まで平坦に積層した平坦部３６と、該平坦部３６の両端で積層体３５が少なくとも一部で湾曲して積層した湾曲部３７とを有する扁平な形状に成形されている。

正極電極３１は、正極箔３１ａの両面に正極合剤３１ｂが形成され、捲回電極群３０の捲回軸方向Ｄの一端側に正極箔３１ａが露出した露出部３１ｃを有している。負極電極３２は、負極箔３２ａの両面に負極合剤層３２ｂが形成され、捲回電極群３０の捲回軸方向Ｄの他端側に負極箔３２ａが露出した箔露出部３２ｃを有している。正極電極３１および負極電極３２の箔露出部３１ｃ，３２ｃは、捲回軸方向Ｄにおいて互いに反対側に位置するように捲回される。

セパレータ３３，３４は、例えばポリエチレン製の微多孔性を有する絶縁材料からなり、正極電極３１と負極電極３２とを絶縁する役割を有している。負極電極３２の負極合剤層３２ｂは、正極電極３１の正極合剤層３１ｂよりも幅方向に大きく、これにより正極合剤層３１ｂは必ず負極合剤層３２ｂに挟まれるように構成されている。

捲回電極群３０の箔露出部３１ｃ，３２ｃは平坦部３７で束ねられ、図２に示すように、それぞれ正極集電板４および負極集電板５に、例えば超音波溶接により接合され、それぞれ正極集電板４および負極集電板５に電気的に接続されている。正極集電板４の材料には、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられ、負極集電板５の材料には、例えば銅または銅合金が用いられている。

正極集電板４と正極外部端子１１、負極集電板５と負極外部端子１２は、それぞれ電池蓋３を貫通する接続端子によって電気的に接続されると共に、電池蓋３に対して電気的に絶縁された状態で固定されている。また、電池蓋３には、電解液を注入するための注液孔６と、電池容器１内部の圧力が所定値を超えて上昇した時に開裂するガス排出弁７が設けられている。注液孔６は、電池容器１に非水電解液を注入した後に、注液栓８が、例えばレーザ溶接によって接合されることで封止される。

電池容器１に注入する非水電解液としては、例えば、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比で１：２の割合で混合した混合溶液中へ六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／リットルの濃度で溶解したものを用いることができる。なお、非水電解液は、リチウム塩や有機溶媒に制限されない。一般的なリチウム塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解した非水電解液を用いるようにしてもよい。例えば、電解質としては、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ等やこれらの混合物を用いることができる。また、有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトニル等またはこれら２種類以上の混合溶媒を用いるようにしてもよく、混合配合比についても特に限定されない。

正極電極３１は、例えば以下の手順で作製することができる。まず、正極活物質であるリチウム含有複酸化物粉末と、導電材である鱗片状黒鉛と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）と、を重量比８５：１０：５で混合する。次に、この混合物に分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を添加して混練したスラリを、正極箔３１ａである厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に塗布して乾燥させる。その後、これをプレス、裁断をすることによって、正極箔３１ａの表面に正極合剤層３１ｂを有する正極電極３１が得られる。なお、正極箔３１ａの幅方向一端は、正極合剤層３１ｂを設けない箔露出部３１ｃとし、正極リードとして用いる。

負極電極３２は、例えば以下の手順で作製することができる。まず、負極活物質である非晶質炭素粉末と結着剤であるＰＶＤＦを混合し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加して混練したスラリを、負極箔３２ａである厚さ１０μｍの圧延銅箔の両面に塗布して乾燥させる。その後、これをプレス、裁断することによって、負極箔３２ａの表面に負極合剤層３２ｂを有する負極電極３２が得られる。なお、負極箔３２ａの幅方向一端は、負極合剤層３２ｂを設けない箔露出部３２ｃとし、負極リードとして用いる。

本実施形態では、負極活物質として非晶質炭素を例示したが、負極活物質は特に限定されず、例えば、リチウムイオンを挿入および脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料等を用いることができる。また、負極活物質の粒子形状についても特に限定されず、例えば、鱗片状、球状、繊維状、塊状等であってもよい。また、本実施形態では、バインダとしてＰＶＤＦを例示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレン／ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合体およびこれらの混合体などを使用するようにしてもよい。

（スペーサ）
次に、本実施形態の組電池１００が備えるスペーサ２０について説明する。

図５Ａは、図１ＡのＶａ−Ｖａ線に沿う組電池１００の断面図である。図５Ｂは、図４Ｂに示す捲回電極群３０がプレスされた状態における湾曲部３７の拡大断面図である。なお、図５Ａでは、電池容器１の図示を省略し、電池缶２の外形を仮想線で表している。

図５Ａに示すように、スペーサ２０は、電池容器１の幅広面１ａに当接する当接部２１と、電池容器１の幅広面１ａに対向する対向部２２とを有している。対向部２２の厚みＴ２は当接部の厚みＴ１よりも薄くなっている。スペーサ２０の材料は、ガラスエポキシ樹脂、ポリプロピレン、ＰＢＴ樹脂などの樹脂材料、またはアルミニウム、銅、ステンレスなどの金属材料を用いることができる。なお、スペーサ２０は、組電池１００を収容する容器や、個々の二次電池１０を保持する電池ホルダと一体化することも可能である。

当接部２１は、捲回電極群３０の平坦部３６の両端よりも内側に対向する範囲Ｒ３内で電池容器１の幅広面１ａに当接しているが、湾曲部３７に対向する範囲Ｒ４には配置されていない。対向部２２は、捲回電極群３０の湾曲部３７に対向する範囲Ｒ４で電池容器１の幅広面１ａに対向している。なお、対向部２２は、電池容器１の高さ方向、すなわち底面１ｃに垂直な方向において、湾曲部３７全体に対向することが好ましいが、湾曲部３７の一部に対向するようにしてもよい。

本実施形態において、捲回電極群３０の平坦部３６とは、図４Ｂに示すように、積層体３５、すなわち正極電極３１、負極電極３２およびセパレータ３３，３４が、最内周から最外周まで平坦に積層した部分である。すなわち、捲回電極群３０が一対の平行な平坦面Ｓ１，Ｓ１の間でプレスされて扁平に圧縮されたときに、積層体３５すなわち正極電極３１、負極電極３２およびセパレータ３３，３４が、最内周から最外周まで、すべて平坦になる部分である。ここで、平坦とは、図５Ａに示すように電池容器１の幅広面１ａに沿う平面状であることを意味する。

また、本実施形態において、捲回電極群３０の湾曲部３７とは、電池容器１の高さ方向、すなわち底面１ｃと垂直な方向における、平坦部３６の両端に位置し、積層体３５、すなわち正極電極３１、負極電極３２およびセパレータ３３，３４が、少なくとも一部で湾曲して積層した部分である。湾曲部３７においては、最内周に捲回されたセパレータ３３または負極電極３２以外の積層体３５の各部材は、円弧状に湾曲した部分だけでなく、平坦部３６との境界の近傍に平坦な部分を有している。湾曲部３７の積層体３５が有する平坦な部分は、捲回電極群３０の内周側と外周側の積層体３５の各部材の周長差によって、内周側よりも外周側の方が電池容器１の底面１ｃに垂直な高さ方向の寸法が大きくなっている。本実施形態において、湾曲するとは、例えば約１８０°またはそれ以上の角度範囲で円弧状にカーブすることを意味する。

当接部２１が捲回電極群３０の平坦部３６に対向する好ましい範囲は、例えば、次のように定めることができる。まず、図４Ｂに示すように、捲回電極群３０がプレスされ、一対の平坦面Ｓ１，Ｓ２の間で扁平に圧縮されたときの捲回電極群３０の圧縮方向、すなわち捲回電極群３０の厚さ方向に沿う断面において、図５Ｂに示すように、平坦部３６の両端における厚さ方向中央をそれぞれ中心Ｏ１，Ｏ１とし、平坦部３６の両端の湾曲部３７，３７の頂点、例えば最外周の負極電極３２の頂点Ｐ０，Ｐ０をそれぞれ通る一対の仮想円Ｃ１，Ｃ１を想定する。なお、図５Ｂでは、平坦３６部の一端における仮想円Ｃ１のみを図示している。次に、一対の仮想円Ｃ１，Ｃ１のそれぞれが、平坦部３６の最外周、例えば最外周に捲回された負極電極３２の外周面と交差する点Ｐ１，Ｐ１を特定する。当接部２１は、捲回電極群３０の平坦部３６のうち、これらの点Ｐ１，Ｐ１を含む二点Ｐ１，Ｐ１の間の範囲Ｒ１において、平坦部３６に対向することが好ましい。

当接部２１が捲回電極群３０の平坦部３６に対向するより好ましい範囲は、例えば、次のように定めることができる。まず、前記一対の仮想円Ｃ１，Ｃ１と中心Ｏ１を同じくし、該仮想円Ｃ１の半径ｒ１と、該中心Ｏ１から平坦部３６の最外周、例えば最外周に捲回された負極電極３２の外周面までの距離ｄ１との平均を半径ｒ２とする一対の第二の仮想円Ｃ２を想定する。なお、図５Ｂでは、平坦部３６の一端における第二の仮想円Ｃ２のみを図示している。次に、一対の第二の仮想円Ｃ２，Ｃ２のそれぞれが平坦部３６の最外周、例えば最外周に捲回された負極電極３２の外周面と交差する点Ｐ２，Ｐ２を特定する。当接部２１は、捲回電極群３０の平坦部３６のうち、これらの点Ｐ２，Ｐ２を含む二点Ｐ２，Ｐ２の間の範囲Ｒ２において、平坦部３６に対向することがより好ましい。

一方、対向部２２，２２は、当接部２１の両端に当接部２１と一体的に設けられ、平坦部３６の両端の湾曲部３７，３７に対向している。また、本実施形態において、対向部２２，２２は、捲回電極群３０の平坦部３６の両端部にも対向している。なお、対向部２２，２２は、例えば二次電池１０を保持する電池ホルダと一体に形成する場合、当接部２１と分離して設けてもよい。対向部２２の厚みＴ２は当接部２１の厚みＴ１よりも薄く、当接部２１が電池容器１０の幅広面１ａに当接しているため、電池容器１が膨張していない場合、対向部２２は電池容器１の幅広面１ａとの間に空間を有した状態で幅広面１ａに対向している。対向部２２の厚みＴ２は、電池容器１の膨張が許容可能な範囲を超える前に電池容器１の幅広面１ａと当接する厚みＴ２に設定される。

次に、以上の構成を有する本実施形態の組電池１００の作用について説明する。

組電池１００が備える二次電池１０は、充放電に伴って捲回電極群３０の膨張に起因して電池容器１が膨張する。ここで、組電池１００は、スペーサ２０を介して積層した複数の二次電池１０の両端に一対の不図示の金属プレートが配置され、これらが互いにボルト等によって締結され、積層した複数の二次電池１０を拘束している。これにより、各二次電池１０の電池容器１の膨張が抑制される。

従来の組電池では、二次電池１０の幅広面１ａに当接するスペーサは、二次電池１０の幅広面１ａに当接する面が平坦であり、平坦部３６および湾曲部３７を含む捲回電極群３０の全体に対向する範囲で二次電池１０の幅広面１ａと当接していた。この場合、電池容器１内で膨張した捲回電極群３０は、図４Ｂに示すように、捲回電極群３０の全体に亘って一対の平坦面Ｓ１，Ｓ１の間でプレスされたときと同じような状態になる。

すると、図５Ｂに示すように、内周側と外周側に捲回された電極３１，３２間の周長差に起因して、湾曲部３７において電極３１，３２間の距離が大きくなる。このような電極３１，３２間の隙間Ｇは、湾曲部３７の頂点Ｐ０に近づくにつれて大きくなるため、例えば湾曲部３７の頂点Ｐ０において電極３１，３２間に局所的に大きな隙間Ｇが形成される。すなわち、湾曲部３７の頂点Ｐ０の電極３１，３２間の距離が平坦部３６の電極３１，３２間の距離よりも大きくなる。したがって、従来の組電池では、電極３１，３２間の隙間Ｇが大きいところでは正負の電極３１，３２間の抵抗が高くなり、負極電極３２上に金属リチウムが析出し、捲回電極群３０の充放電性能が低下する虞がある。

これに対し、本実施形態の組電池１００は、図５Ａに示すように、スペーサ２０が捲回電極群３０の平坦部３６の両端よりも内側に対向する範囲Ｒ３内で電池容器１の幅広面１ａに当接する当接部２１を有している。

図６Ａは、捲回電極群３０の膨張に起因して電池容器１が膨張した状態の二次電池１０を示す、図５Ａに対応する断面図である。図６Ｂは、図６Ａに示す捲回電極群３０の湾曲部を示す拡大断面図である。なお、図６Ａおよび図６Ｂでは、理解を容易にするために、実際よりも膨張を強調して表している。実際の捲回電極群３０の膨張による変形は、肉眼では認識困難な程度の変形量である。

図６Ａに示すように、捲回電極群３０の膨張時には、平坦部３６が電池容器１の幅広面１ａに当接し、幅広面１ａを内側から外側に押し拡げようとする力が作用する。ここで、スペーサ２０の当接部２１は、図５Ａに示すように、二次電池１０の電池容器１が膨張する前から幅広面１ａに当接し、捲回電極群３０の平坦部３６に対向した状態で拘束されている。そのため、当接部２１によって幅広面１ａに対して外側から内側に向く抗力を作用させることができる。したがって、当接部２１によって、平坦部３６の膨張に起因する幅広面１ａの膨張を規制し、電池容器１の膨張を抑制することができる。また、当接部２１は、捲回電極群３０の湾曲部３７に対向する位置で電池容器１の幅広面１ａに当接していないため、湾曲部３７の膨張に起因する電池容器１の膨張を許容する。これにより、捲回電極群３０の湾曲部３７は、平坦部２１の両側で厚さ方向に円弧状に拡大して鉄アレイ状の形状に膨張する。

このように、湾曲部３７の膨張が許容されて湾曲部３７の断面形状が円形に近づくことで、図６Ｂに示すように、湾曲部３７における電極３１，３２間の距離が均一化され、局所的に大きな隙間Ｇが形成されることがない。したがって、本実施形態の組電池１００によれば、湾曲部３７における電極３１，３２間の抵抗を均一にして、負極電極３２上への金属リチウムの析出を防止し、電極の充放電性能の低下を抑制し、二次電池１０の充放電性能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態において、捲回電極群３０の平坦部３６は、捲回電極群３０が一対の平坦面Ｓ１，Ｓ２の間で扁平に圧縮されたときに、最内周から最外周までの積層体３５がすべて平坦になる部分とされている。したがって、当接部２１が平坦部３６の両端よりも内側に対向する範囲で電池容器１の幅広面１ａに当接することで、湾曲部３７の厚さ方向の変形を許容し、膨張後の湾曲部３７の形状を円形に近づけ、湾曲部３７における電極３１，３２の間隔を均一化することが可能になる。すなわち、当接部２１が、捲回電極群３０の平坦部３６の両端、あるいは平坦部３６の両端よりも外側、すなわち湾曲部３７に対向する範囲まで電池容器１の幅広面１ａに当接している場合、図４Ｂに示すように、捲回電極群３０の全体が一対の平坦面Ｓ１，Ｓ１の間でプレスされたときと同じような状態になり、湾曲部３７の厚さ方向の変形が防止されて、湾曲部３７における電極３１，３２間の間隔を十分に均一化することができない。

また、本実施形態において、当接部２１は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、前記一対の仮想円Ｃ１，Ｃ１のそれぞれが平坦部３６の最外周と交差する各点Ｐ１，Ｐ１を含む二点Ｐ１，Ｐ１の間の範囲Ｒ１において、平坦部３６に対向している。これにより、平坦部３６に対向する範囲の電池容器１の膨張を確実に防止しつつ、湾曲部３７をその断面形状がより円形に近い形状になるように膨張させ、湾曲部３７における電極３１，３２間の間隔をより均一化することが可能になる。

さらに、本実施形態において、当接部２１は、一対の第二の仮想円Ｃ２，Ｃ２のそれぞれが平坦部３６の最外周と交差する各点Ｐ２，Ｐ２を含む二点Ｐ２，Ｐ２の間の範囲Ｒ２において、平坦部３６に対向している。これにより、当接部２１によって、電池容器１の高さ方向すなわち底面１ｃに垂直な方向に沿って当接部２１が平坦部３６に対向する幅をより広くして、平坦部３６に対向する範囲の電池容器１の膨張をより確実に抑制しつつ、湾曲部３７をその断面形状が円形に近い形状になるように厚さ方向に変形させ、湾曲部３７における電極３１，３２間の間隔を均一化することが可能になる。

また、本実施形態において、スペーサ２０は、捲回電極群３０の湾曲部３７の少なくとも一部に対向する範囲で電池容器１の幅広面１ａに対向する対向部２２を有している。また、対向部２２の厚みＴ２は当接部２１の厚みＴ１よりも薄くなっている。このように、対向部２２の厚みＴ２が、当接部２１の厚みＴ１よりも薄くされることで、対向部２２と膨張前の電池容器１の幅広面１ａとの間に、電池容器１が膨張するための空間が形成される。この空間によって湾曲部３７の膨張に起因する電池容器１の膨張を許容して、湾曲部３７における電極３１，３２間の間隔を均一化することができる。加えて、対向部２２は、湾曲部３７の膨張に起因する電池容器１の膨張が許容範囲を超える前に、電池容器１の幅広面１ａに当接する厚みＴ２を有している。これにより、対向部２２によって電池容器１の膨張に対する抗力を幅広面１ａに作用させ、電池容器１が許容範囲を超えて膨張することを抑制し、二次電池１０の性能低下を防止することができる。

以上説明したように、本実施形態の組電池１００によれば、二次電池１０の電池容器１の膨張を抑制しつつ、捲回電極群３０の電極３２上への局所的な金属リチウムの析出を抑制し、二次電池１０の充放電性能の低下を抑制することができる。

なお、スペーサ２０は、例えば射出成形によって製作された樹脂成形体であってもよいが、スペーサ２０の厚みが比較的薄い場合には、フィルム状のスペーサ２０を用いることもできる。この例を、図７Ａおよび図７Ｂに示す。

図７Ａは、前述の実施形態の組電池１００の変形例の組電池１０１を示す斜視図である。図７Ｂは、図７Ａに示す組電池１０１の側面図である。

本変形例の組電池１０１において、前述の実施形態の組電池１００と異なる点は、スペーサ２０が薄く、フィルム状に形成されている点である。その他の点は同一であるので、説明は省略する。本変形例によれば、スペーサ２０がフィルム状であるため、製造工程を簡略化してコストを低減することができるだけでなく、スペーサ２０の設置スペースを節減し、組電池１０１を小型化できるなどの利点がある。

［実施形態２］
次に、本発明の組電池の実施形態２について、図１から図６Ａ，図６Ｂを援用し、図８を用いて説明する。図８は、実施形態１の図１Ｂに対応する本実施形態の組電池１０２の側断面図である。

本実施形態の組電池１０２は、二次電池１０を収容する不図示の電池ホルダを備え、スペーサ２０が電池ホルダと一体的に形成され、当接部２１Ａが複数に分割されて電池容器１，１の幅広面１ａ，１ａに沿って流体を通すスリットＳを形成している点で、前述の実施形態１の組電池１００と異なっている。その他の点は実施形態１の組電池１００と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。

本実施形態の組電池１０２によれば、実施形態１の組電池１００と同様の効果を得られるだけでなく、スリットＳに冷却媒体を流通させて二次電池１０の電池容器１を冷却することが可能になる。したがって、二次電池１０の性能をより向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。前述の実施形態は本発明を解りやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されない。

例えば、前述の実施形態ではスペーサが対向部を備える場合について説明したが、捲回電極群の湾曲部の膨張に起因する電池容器の膨張が、組電池の使用範囲で許容範囲内に収まる場合には、対向部を省略することが可能である。

１…電池容器、１ａ…幅広面、２０，２０Ａ…スペーサ、２１…当接部、２１Ａ…当接部、２２…対向部、３０…捲回電極群、３１…正極電極、３２…負極電極、３３,３４…セパレータ、３５…積層体、３６…平坦部、３７…湾曲部、１００,１０１,１０２…組電池、Ｃ１…仮想円、Ｃ２…第二の仮想円、ｄ１…仮想円の中心から平坦部の最外周までの距離、Ｏ１…中心、Ｐ０…湾曲部の頂点、Ｐ１…仮想円が平坦部の最外周と交差する点、Ｐ２…第二の仮想円が平坦部の最外周と交差する点、Ｒ１…一対の仮想円のそれぞれが平坦部の最外周と交差する各点を含む該二点の間の範囲、Ｒ２…一対の第二の仮想円のそれぞれが平坦部の最外周と交差する各点を含む該二点の間の範囲、Ｒ３…平坦部の両端よりも内側に対向する範囲、Ｒ４…湾曲部に対向する範囲、ｒ１…仮想円の半径、ｒ２…第二の仮想円の半径、Ｓ…スリット、Ｓ１，Ｓ２…平坦面、Ｔ１…当接部の厚み、Ｔ２…対向部の厚み

Claims

セパレータを介して積層した正極および負極電極からなる積層体を捲回して設けられた扁平な捲回電極群と、該捲回電極群を収容する扁平な電池容器とを備えた二次電池を、スペーサを介して積層した組電池であって、
前記捲回電極群は、前記積層体が平坦に積層した平坦部と、該平坦部の両端で前記積層体が少なくとも一部で湾曲して積層した湾曲部とを有し、
前記スペーサは、前記平坦部の両端よりも内側に対向する範囲内で前記電池容器の幅広面に当接する当接部と、前記湾曲部に対向する範囲内で前記電池容器の幅広面に対向する対向部とを有し、
前記対向部の厚みは前記当接部の厚みよりも薄いことを特徴とする組電池。
前記平坦部は、前記捲回電極群が一対の平坦面の間で扁平に圧縮されたときに、最内周から最外周までの前記積層体がすべて平坦になる部分であることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記一対の平坦面の間で扁平に圧縮されたときの前記捲回電極群の圧縮方向に沿う断面において、前記平坦部の両端における厚さ方向中央をそれぞれ中心とし、前記平坦部の両側の前記湾曲部の頂点をそれぞれ通る一対の仮想円を想定したときに、
前記当接部は、前記一対の仮想円のそれぞれが前記平坦部の最外周と交差する各点を含む該二点の間の範囲において、前記平坦部に対向することを特徴とする請求項２に記載の組電池。
前記一対の仮想円と中心を同じくし、該仮想円の半径と、該中心から前記平坦部の最外周の前記負極電極までの距離との平均を半径とする一対の第二の仮想円を想定した時に、
前記当接部は、前記一対の第二の仮想円のそれぞれが前記平坦部の最外周と交差する各点を含む該二点の間の範囲において、前記平坦部に対向することを特徴とする請求項３に記載の組電池。
前記スペーサは、前記当接部が複数に分割されて前記電池容器の幅広面に沿って流体を通すスリットを形成していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の組電池。