WO2021029115A1 - 二次電池、電池パック、電子機器、電動工具及び電動車両 - Google Patents

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WO2021029115A1
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secondary battery
positive electrode
battery
hole
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袖山　国雄
範昭 國分
雅文 梅川
脩 長沼
陽子 遠藤
銘 孫
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株式会社村田製作所
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, a battery pack, an electronic device, an electric tool, and an electric vehicle.
  • lithium-ion batteries are expanding to automobiles and machine tools. Since batteries of automobiles and machine tools may be damaged by external impact, the impact resistance of batteries is one of the important factors, and various development studies are being conducted.
  • Patent Document 1 discloses an insulating plate having a central hole and seven or more openings in the circumferential direction. In such an insulating plate, when gas is generated in the battery due to a sudden temperature rise, the generated gas is released from the holes and openings of the insulating plate to prevent the battery from exploding.
  • one of the objects of the present invention is to provide a battery that is resistant to external impact.
  • a strip-shaped positive electrode and a strip-shaped negative electrode are laminated via a separator, and an electrode winding body having a wound structure, an electrolytic solution, and a positive electrode tab connected to the positive electrode are housed in an outer can.
  • an insulator is placed near the end on the positive electrode tab side, The electrode winder and the insulator have a central hole in the center of each. The insulator is arranged so that the position of the center hole of the electrode winding body and the position of the center hole of the insulator are aligned coaxially.
  • a secondary battery in which the diameter or size of the central hole of the insulator is larger than the diameter of the central hole of the electrode winding body and smaller than 1.1 times the width of the positive electrode tab.
  • the present invention it is possible to realize a battery having high impact resistance, which is convenient for automobiles, machine tools, and the like. It should be noted that the contents of the present invention are not limitedly interpreted by the effects exemplified in the present specification.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a battery according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the insulator according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the top side of the battery according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a graph of the pass rate of the impact test and the overload test.
  • 5A to 5C are plan views of an insulator, a non-woven fabric without a center hole, and an integral body thereof.
  • FIG. 6A is a plan view of a non-woven fabric having a central hole
  • FIG. 6B is a plan view of an integral body in which an insulator and the non-woven fabric of FIG. 6A are bonded together.
  • FIG. 7 is a graph of the OCV defect rate.
  • FIG. 8A and 8B are plan views showing a modified example of the insulator.
  • FIG. 9 is a connection diagram used for explaining a battery pack as an application example of the present invention.
  • FIG. 10 is a connection diagram used for explaining a power tool as an application example of the present invention.
  • FIG. 11 is a connection diagram used for explaining an unmanned aerial vehicle as an application example of the present invention.
  • FIG. 12 is a connection diagram used for explaining an electric vehicle as an application example of the present invention.
  • a cylindrical lithium ion battery will be described as an example of the secondary battery.
  • a battery other than the lithium ion battery or a battery other than the cylindrical shape may be used.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the lithium ion battery 1.
  • the lithium ion battery 1 is a cylindrical lithium ion battery 1 in which an electrode winding body 20 is housed inside a battery can 11 (outer can).
  • the lithium ion battery 1 includes a pair of insulators 12 and 13 and an electrode winding body 20 inside a cylindrical battery can 11.
  • the lithium ion battery 1 may further include, for example, any one or more of a heat-sensitive resistance (PTC) element and a reinforcing member inside the battery can 11.
  • PTC heat-sensitive resistance
  • the battery can 11 is mainly a member for accommodating the electrode winding body 20.
  • the battery can 11 is a cylindrical container in which one end is opened and the other end is closed. That is, the battery can 11 has an open end portion (open end portion 11N).
  • the battery can 11 contains any one or more of metal materials such as iron, aluminum and alloys thereof. However, on the surface of the battery can 11, any one or more of the metal materials such as nickel may be plated.
  • the insulators 12 and 13 are sheet-like members having a surface substantially perpendicular to the winding axis direction (vertical direction in FIG. 1) of the electrode winding body 20.
  • the insulators 12 and 13 are arranged adjacent to the end portion of the electrode winding body 20 so as to sandwich the electrode winding body 20 with each other.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PP polypropylene
  • bakelite includes paper bakelite and cloth bakelite, which are produced by applying phenolic resin to paper or cloth and then heating it.
  • the insulator 12 on the top side has a shape as shown in FIG.
  • a fan-shaped hole 43 (third hole) is further formed in the circumferential direction (between the central hole and the outer peripheral portion of the insulator), and this is a safety valve mechanism for the positive electrode tab 25 from the electrode winding body 20 side.
  • the positive electrode tab 25, the center hole 41 of the insulator 12 on the top side, and the center hole 20C of the electrode winding body 20 are arranged on the lower side of the safety valve mechanism 30, and the center hole 41 and the electrode winding body of the insulator 12 on the top side are arranged.
  • the central holes 20C of 20 are arranged coaxially.
  • a battery lid 14 and a safety valve mechanism 30 are crimped to the open end 11N of the battery can 11 via a gasket 15, and a crimping structure 11R (crimp structure) is formed.
  • a crimping structure 11R crimp structure
  • the battery lid 14 is a member that closes the open end 11N of the battery can 11 in a state where the electrode winding body 20 and the like are housed inside the battery can 11.
  • the battery lid 14 contains the same material as the material for forming the battery can 11.
  • the central region of the battery lid 14 projects in the vertical direction of FIG. As a result, the region (peripheral region) of the battery lid 14 other than the central region is in contact with the safety valve mechanism 30 via the PTC element.
  • the gasket 15 is a member that is mainly interposed between the battery can 11 (bent portion 11P) and the battery lid 14 to seal the gap between the bent portion 11P and the battery lid 14.
  • the surface of the gasket 15 may be coated with, for example, asphalt.
  • Gasket 15 contains an insulating material.
  • the type of insulating material is not particularly limited, but is a polymer material such as polybutylene terephthalate (PBT) and polyp-mouth pyrene (PP). This is because the gap between the bent portion 11P and the battery lid 14 is sufficiently sealed while the battery can 11 and the battery lid 14 are electrically separated from each other.
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PP polyp-mouth pyrene
  • the safety valve mechanism 30 is arranged between the battery lid 14 and the positive electrode tab 25, and mainly releases the sealed state of the battery can 11 when the internal pressure (internal pressure) of the battery can 11 rises, if necessary. By doing so, the internal pressure is released.
  • the cause of the increase in the internal pressure of the battery can 11 is, for example, a gas generated due to a decomposition reaction of the electrolytic solution during charging / discharging.
  • a band-shaped positive electrode 21 and a band-shaped negative electrode 22 are spirally wound with a separator 23 in between and housed in a battery can 11 in a state of being impregnated with an electrolytic solution.
  • the positive electrode 21 and the negative electrode 22 have a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer formed on one or both sides of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, respectively.
  • the material of the positive electrode current collector is a metal foil containing aluminum or an aluminum alloy.
  • the material of the negative electrode current collector is a metal foil containing nickel, nickel alloy, copper or copper alloy.
  • the separator 23 is a porous and insulating film, which enables the movement of lithium ions while electrically insulating the positive electrode 21 and the negative electrode 22.
  • a space (center hole 20C) created when the positive electrode 21, the negative electrode 22 and the separator 23 are wound is provided at the center of the electrode winding body 20, and the center pin 24 is inserted into the center hole 20C. (Fig. 1). However, the center pin 24 can be omitted.
  • one end of the positive electrode tab 25 is connected to the positive electrode 21, and one end of the negative electrode tab 26 is connected to the negative electrode 22, for example.
  • the positive electrode tab 25 is provided on the top side of the electrode winding body 20, for example, and contains any one or more of the conductive materials such as aluminum. Since the other end of the positive electrode tab 25 is connected to, for example, the safety valve mechanism 30, it is electrically connected to the battery lid 14.
  • the negative electrode tab 26 is provided on the bottom side (bottom side of the battery can 11) of the electrode winding body 20, for example, and contains a conductive material such as nickel. Since the other end of the negative electrode tab 26 is connected to, for example, the battery can 11, it is electrically connected to the battery can 11.
  • the positive electrode active material layer contains at least a positive electrode material (positive electrode active material) capable of occluding and releasing lithium, and may further contain a positive electrode binder, a positive electrode conductive agent, and the like.
  • the positive electrode material is preferably a lithium-containing compound (for example, a lithium-containing composite oxide and a lithium-containing phosphoric acid compound).
  • the lithium-containing composite oxide has, for example, a layered rock salt type or spinel type crystal structure.
  • the lithium-containing phosphoric acid compound has, for example, an olivine-type crystal structure.
  • the positive electrode binder contains synthetic rubber or a polymer compound.
  • Synthetic rubbers include styrene-butadiene rubbers, fluororubbers and ethylene propylene dienes.
  • the polymer compound is polyvinylidene fluoride (PVdF), polyimide and the like.
  • the positive electrode conductive agent is a carbon material such as graphite, carbon black, acetylene black or ketjen black.
  • the positive electrode conductive agent may be a metal material or a conductive polymer.
  • the surface of the negative electrode current collector is preferably roughened. This is because the so-called anchor effect improves the adhesion of the negative electrode active material layer to the negative electrode current collector.
  • a method of roughening for example, there is a method of forming fine particles by using an electrolytic method and providing unevenness on the surface of the negative electrode current collector.
  • the copper foil produced by the electrolytic method is generally called an electrolytic copper foil.
  • the negative electrode active material layer contains at least a negative electrode material (negative electrode active material) capable of occluding and releasing lithium, and may further contain a negative electrode binder, a negative electrode conductive agent, and the like.
  • the negative electrode material includes, for example, a carbon material. This is because a high energy density can be stably obtained because the change in the crystal structure during the occlusion and release of lithium is very small. Further, since the carbon material also functions as a negative electrode conductive agent, the conductivity of the negative electrode active material layer is improved.
  • the carbon material is graphitizable carbon, non-graphitizable carbon, graphite, low crystallinity carbon, or amorphous carbon.
  • the shape of the carbon material is fibrous, spherical, granular or scaly.
  • the negative electrode material includes, for example, a metal-based material.
  • metal-based materials include Li (lithium), Si (silicon), Sn (tin), Al (aluminum), Zr (zinc), and Ti (titanium).
  • Metallic elements form compounds, mixtures or alloys with other elements, such as silicon oxide (SiO x (0 ⁇ x ⁇ 2)), silicon carbide (SiC) or carbon-silicon alloys. , Lithium titanate (LTO).
  • the open circuit voltage that is, the battery voltage
  • the same positive electrode active material is used as compared with the case where the open circuit voltage at the time of full charge is low. Also, the amount of lithium released per unit mass increases. As a result, a high energy density can be obtained.
  • the separator 23 is a porous film containing a resin, and may be a laminated film of two or more types of porous films.
  • the resin is polypropylene, polyethylene and the like.
  • the separator 23 may have a porous film as a base material layer and may contain a resin layer on one side or both sides thereof. This is because the adhesion of the separator 23 to each of the positive electrode 21 and the negative electrode 22 is improved, so that the distortion of the electrode winding body 20 is suppressed.
  • the resin layer contains a resin such as PVdF.
  • a solution in which the resin is dissolved in an organic solvent is applied to the base material layer, and then the base material layer is dried. After immersing the base material layer in the solution, the base material layer may be dried.
  • the resin layer contains inorganic particles or organic particles from the viewpoint of improving heat resistance and battery safety.
  • the types of inorganic particles are aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, boehmite, talc, silica, mica, and the like.
  • a surface layer containing inorganic particles as a main component which is formed by a sputtering method, an ALD (atomic layer deposition) method, or the like, may be used.
  • the electrolytic solution contains a solvent and an electrolyte salt, and may further contain additives and the like, if necessary.
  • the solvent is a non-aqueous solvent such as an organic solvent, or water.
  • An electrolytic solution containing a non-aqueous solvent is called a non-aqueous electrolytic solution.
  • the non-aqueous solvent is a cyclic carbonate ester, a chain carbonate ester, a lactone, a chain carboxylic acid ester, a nitrile (mononitrile), or the like.
  • the electrolyte salt contains, for example, any one or more of salts such as lithium salt.
  • the electrolyte salt may contain, for example, a salt other than the lithium salt.
  • the salt other than lithium is, for example, a salt of a light metal other than lithium.
  • a typical example of the electrolyte salt is a lithium salt, but a salt other than the lithium salt may be contained.
  • Lithium salts include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium methanesulfonate (LiCH 3 SO 3 ), and trifluoromethanesulfonic acid.
  • Lithium (LiCF 3 SO 3 ) dilithium hexafluorosilicate (Li 2 SF 6 ), etc.
  • These salts can be mixed and used, and among them, LiPF 6 and LiBF 4 are preferably mixed and used from the viewpoint of improving battery characteristics.
  • the content of the electrolyte salt is not particularly limited, but is preferably 0.3 mol / kg to 3 mol / kg with respect to the solvent.
  • the positive electrode mixture is produced by mixing the positive electrode active material, the positive electrode binder and the positive electrode conductive agent. Subsequently, the positive electrode mixture is dispersed in an organic solvent to prepare a pace-shaped positive electrode mixture slurry. Subsequently, a positive electrode mixture slurry is applied to both sides of the positive electrode current collector and then dried to form a positive electrode active material layer. Subsequently, while heating the positive electrode active material layer, the positive electrode active material layer is compression-molded using a roll press machine to obtain the positive electrode 21.
  • the negative electrode 22 is also manufactured by the same procedure as the positive electrode 21 described above.
  • the positive electrode tab 25 and the negative electrode tab 26 are connected to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector using a welding method, respectively. Subsequently, after laminating the positive electrode 21 and the negative electrode 22 via the separator 23, they are wound and the fixing tape 31 is attached to the outermost peripheral surface of the separator 23 to form the electrode winding body 20. Subsequently, the center pin 24 is inserted into the center hole 20C of the electrode winding body 20.
  • the electrode winding body 20 is housed inside the battery can 11 while sandwiching the electrode winding body 20 between the pair of insulators.
  • one end of the positive electrode tab 25 is connected to the safety valve mechanism 30 by using a welding method, and one end of the negative electrode tab 26 is connected to the battery can 11.
  • the battery can 11 is processed using a beading processing machine (grooving processing machine) to form a recess in the battery can 11.
  • the electrolytic solution is injected into the battery can 11 to impregnate the electrode winding body 20.
  • the battery lid 14 and the safety valve mechanism 30 are housed together with the gasket 15 inside the battery can 11.
  • the caulking structure 11R is formed by caulking the battery lid 14 and the safety valve mechanism 30 at the open end 11N of the battery can 11 via the gasket 15.
  • the secondary battery is completed by closing the battery can 11 with the battery lid 14 using a press machine.
  • the top-side insulator 12 to which the non-woven fabric 46 is attached, or based on an example in which the top-side insulator 12 is tested.
  • the present invention will be specifically described based on the above examples. The present invention is not limited to the examples described below.
  • the top-side insulator 12 is arranged on the electrode winding body 20, and the positive electrode tab 25 protruding from the fan-shaped hole 43 of the insulator 12 is arranged on the insulator 12, and the positive electrode tab 25 was connected to the safety valve mechanism 30.
  • a safety valve sub-disk 45 is arranged between the safety valve mechanism 30 and the positive electrode tab 25, and is arranged substantially coaxially with the center hole 20C of the electrode winding body. If a physical impact is directly applied to the safety valve sub-disk 45, the safety valve mechanism 30 malfunctions.
  • the diameter of the central hole 20C of the electrode winding body 20 was set to 3 (mm)
  • the diameter of the safety valve subdisk 45 was set to 5.35 (mm)
  • the width of the positive electrode tab 25 was set to 6.4 (mm).
  • the material of the insulator 12 was PET resin.
  • the shape of the central hole 41 of the insulator 12 is circular.
  • a battery 1 in which a top-side insulator 12 having a diameter of a central hole of 2 (mm) to 9 (mm) was arranged was prepared, and an impact test and an overload test were performed.
  • the impact test was based on the UN38.3 standard, and a rotary drum type tester was used.
  • the battery 1 in which the safety valve mechanism 30 did not operate was accepted.
  • the overload test the battery 1 was charged and discharged at a current value of 40 (A) to 50 (A), and the case where the battery 1 was not electrically short-circuited was passed, and the pass rate was calculated. ..
  • the number of batteries 1 used in the test is 20 for each test.
  • Figure 4 shows the results of the impact test and overload test. It can be seen that the range of high pass rates for both tests is limited to the diameter of some of the central holes 41 tested. Taking the range in which the passing rate of both tests is 90% or more as an example and the range of less than 90% as a comparative example in FIG. 4, the diameter of the central hole 41 of the insulator 12 is 3 (mm) to 7 ( mm) is preferable. 3 (mm) is equal to the diameter of the central hole 20C of the electrode winding body 20, and 7 (mm) is the size obtained by multiplying the width of the positive electrode tab 25 by 1.1 times.
  • the diameter of the central hole 41 of the insulator 12 is larger than the diameter of the central hole 20C of the electrode winding body 20, and the width of the positive electrode tab 25 is 1.1. It can be said that it is preferable that the size is smaller than the doubled size.
  • the pass rate of the impact test was high. This is because when the diameter of the center hole of the insulator 12 is larger than the diameter of the center hole of the electrode winding body 20, the electrode winding body 20 is subjected to an impact test (or when an impact is applied to the battery 1 from the outside). It is considered that the raised portion near the center hole can avoid collision with the insulator 12, prevents collision with the safety valve subdisk 45, and prevents the safety valve mechanism 30 from malfunctioning. Further, when the diameter of the central hole of the insulator 12 was smaller than 7 (mm), the passing rate of the overload test was high.
  • the insulator 12 can prevent the heat of the positive electrode tab 25 generated by the current during the overload test from being transferred to the electrode winding body 20, and is unlikely to cause a short circuit due to thermal fusion of the separator 23.
  • the diameter of the central hole 41 of the insulator 12 is 5 (mm) to 7 (mm). More preferred. This is because the diameter of the central hole 41 of the insulator 12 is about the same as or larger than the diameter of the safety valve subdisk 45, so that the insulator 12 did not collide with the safety valve subdisk 45 during the impact test. Conceivable. Since the diameter of the safety valve sub-disk 45 is 5.35 (mm), the diameter of the central hole 41 of the insulator 12 is set to the diameter of the safety valve sub-disk 45 so that the insulator 12 and the safety valve sub-disk 45 do not collide with each other.
  • the diameter is larger than the diameter and the width of the positive tab 25 is smaller than 1.1 times the diameter.
  • the diameter of the center hole 41 of the insulator 12 is 1.03 times the diameter of the safety valve subdisk (for example, 5.5 (mm)). ) Is more preferable.
  • a non-woven fabric 46 (FIG. 5B) having the same size as the top-side insulator 12 as shown in FIG. 5A is prepared, and the fan-shaped holes 43 of the insulator 12 and the fan-shaped holes 51 of the non-woven fabric 46 overlap at the same positions.
  • the insulator 12 and the non-woven fabric 46 were laminated to form an integral body 47 as shown in FIG. 5C.
  • the non-woven fabric 46 has no central hole.
  • the integral body 47 was arranged at the same position as the insulator 12 of the battery 1 shown in FIG. 4 so that the non-woven fabric side of the integral body 47 faces the electrode winding body 20 side.
  • the non-woven fabric 46 will be located between the insulator 12 and the electrode winding body 20.
  • an integrated object 49 (FIG. 6B) composed of a non-woven fabric 48 having a central hole 52 as shown in FIG. 6A and an insulator 12 is prepared, and the battery 1 and the integrated object 49 using the integrated object 47 are prepared.
  • the OCV defect rate was tested for the battery 1 using the above.
  • a battery having an open end voltage lower than that of the normal battery 1 by 1% or more was regarded as an OCV defect, and the rate of causing the OCV defect was determined.
  • the number of batteries used in the test was set to 500 each (1000 in total).
  • FIG. 7 shows the test results of the OCV defective rate.
  • the OCV defect rate is 0.2% when the non-woven fabric 46 having no central hole is used (A in FIG. 7, the one piece 47), and when the non-woven fabric 48 having the central hole 52 is used (B in FIG. 7). It was 5% in the one piece 49). From the result of FIG. 7, A of FIG. 7 is preferable.
  • the non-woven fabric 46 when the non-woven fabric 46 is arranged between the insulator 12 and the top end of the electrode winding body 20, the non-woven fabric 46 has a central hole 41 of the insulator 12 and a central hole 20C of the electrode winding body 20. It can be said that it is preferable to cover with.
  • the OCV defect rate was relatively low because the non-woven fabric 46 was able to prevent contamination due to metal pieces and the like when the electrolytic solution was injected.
  • the shape of the central hole of the insulator 12 on the top side is circular, but it may be a polygonal hole 61 as shown in FIG. 8A, or a combination of a circular shape and a polygonal shape as shown in FIG. 8B. It may be a hole 62 or may have another shape.
  • the size of the polygonal hole 61 as shown in FIG. 8A is the distance between the vertices facing each other, and the size of the hole 62 having a combination of a circle and a polygon as shown in FIG. 8B is, for example, the diameter of a semicircle. Is.
  • the size of the lithium ion battery 1 was set to 21700, but other sizes such as 18650 may be used.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a circuit configuration example when the secondary battery according to the embodiment or embodiment of the present invention is applied to the battery pack 330.
  • the battery pack 300 includes a switch unit 304 including an assembled battery 301, a charge control switch 302a, and a discharge control switch 303a, a current detection resistor 307, a temperature detection element 308, and a control unit 310.
  • the control unit 310 can control each device, perform charge / discharge control at the time of abnormal heat generation, and calculate and correct the remaining capacity of the battery pack 300.
  • the positive electrode terminal 321 and the negative electrode terminal 322 are connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the charger, respectively, and charging is performed. Further, when the electronic device connected to the battery pack 300 is used, the positive electrode terminal 321 and the negative electrode terminal 322 are connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electronic device, respectively, and discharge is performed.
  • the assembled battery 301 is formed by connecting a plurality of secondary batteries 301a in series and / or in parallel.
  • FIG. 9 the case where the six secondary batteries 301a are connected in two parallels and three series (2P3S) is shown as an example, but any connection method may be used.
  • the temperature detection unit 318 is connected to a temperature detection element 308 (for example, a thermistor), measures the temperature of the assembled battery 301 or the battery pack 300, and supplies the measured temperature to the control unit 310.
  • the voltage detection unit 311 measures the voltage of the assembled battery 301 and each of the secondary batteries 301a constituting the assembled battery 301, A / D converts the measured voltage, and supplies the measured voltage to the control unit 310.
  • the current measuring unit 313 measures the current using the current detection resistor 307, and supplies the measured current to the control unit 310.
  • the switch control unit 314 controls the charge control switch 302a and the discharge control switch 303a of the switch unit 304 based on the voltage and current input from the voltage detection unit 311 and the current measurement unit 313.
  • the switch control unit 314 controls the switch unit 304 to turn off when any voltage of the secondary battery 301a becomes equal to or lower than the overcharge detection voltage or the overdischarge detection voltage, or when a large current suddenly flows. By sending a signal, overcharging, overdischarging, and overcurrent charging / discharging are prevented.
  • the overcharge detection voltage is determined to be, for example, 4.20 V ⁇ 0.05 V
  • the over discharge detection voltage is determined to be, for example, 2.4 V ⁇ 0.1 V.
  • the charge control switch 302a or the discharge control switch 303a After the charge control switch 302a or the discharge control switch 303a is turned off, charging or discharging is possible only through the diode 302b or the diode 303b.
  • semiconductor switches such as MOSFETs can be used.
  • the parasitic diodes of the MOSFET function as diodes 302b and 303b.
  • the switch portion 304 is provided on the + side in FIG. 9, it may be provided on the ⁇ side.
  • the memory 317 is composed of a RAM or a ROM, and includes, for example, an EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) which is a non-volatile memory.
  • the memory 317 stores in advance the numerical values calculated by the control unit 310, the battery characteristics in the initial state of each secondary battery 301a measured at the stage of the manufacturing process, and the like, and can be rewritten as appropriate. Further, by storing the fully charged capacity of the secondary battery 301a, the remaining capacity can be calculated in cooperation with the control unit 310.
  • the secondary battery according to the embodiment or embodiment of the present invention described above can be mounted on a device such as an electronic device, an electric transport device, or a power storage device and used to supply electric power. ..
  • Electronic devices include, for example, laptop computers, smartphones, tablet terminals, PDAs (personal digital assistants), mobile phones, wearable terminals, video movies, digital still cameras, electronic books, music players, headphones, game consoles, pacemakers, hearing aids, etc. Examples include power tools, televisions, lighting equipment, toys, medical equipment, and robots. Further, an electric transport device, a power storage device, a power tool, and an electric unmanned aerial vehicle, which will be described later, may also be included in the electronic device in a broad sense.
  • Examples of electric transportation equipment include electric vehicles (including hybrid vehicles), electric motorcycles, electrically assisted bicycles, electric buses, electric carts, unmanned transport vehicles (AGV), railway vehicles, and the like. It also includes electric passenger aircraft and electric unmanned aerial vehicles for transportation.
  • the secondary battery according to the present invention is used not only as a power source for driving these, but also as an auxiliary power source, a power source for energy regeneration, and the like.
  • Examples of the power storage device include a power storage module for commercial or household use, a power storage power source for a building such as a house, a building, an office, or a power generation facility.
  • the electric screwdriver 431 is provided with a motor 433 that transmits rotational power to the shaft 434 and a trigger switch 432 that is operated by the user. By operating the trigger switch 432, a screw or the like is driven into the object by the shaft 434.
  • the battery pack 430 and the motor control unit 435 are housed in the lower housing of the handle of the electric screwdriver 431.
  • the battery pack 430 the battery pack 300 described above can be used.
  • the battery pack 430 is built into the electric screwdriver 431 or is detachable.
  • the battery pack 430 can be attached to the charging device in a state of being built in or removed from the electric driver 431.
  • Each of the battery pack 430 and the motor control unit 435 is equipped with a microcomputer. Power is supplied from the battery pack 430 to the motor control unit 435, and charge / discharge information of the battery pack 430 is communicated between both microcomputers.
  • the motor control unit 435 can control the rotation / stop and the rotation direction of the motor 433, and can cut off the power supply to the load (motor 433 and the like) at the time of over-discharging.
  • the drone 440 of FIG. 11 has a cylindrical or square tubular body portion 441, support shafts 442a to 442f fixed to the upper part of the body portion, and a battery portion (not shown) arranged below the body portion.
  • the aircraft is constructed from.
  • the body portion has a hexagonal tubular shape, and six support shafts 442a to 442f extend radially from the center of the body portion at equiangular intervals.
  • Motors 443a to 443f as power sources for the rotary blades 444a to 444f are attached to the tips of the support shafts 442a to 442f, respectively.
  • the control circuit unit 445 that controls each motor is attached to the upper part of the body portion 441.
  • the battery unit the secondary battery or the battery pack 300 according to the present invention can be used.
  • the number of secondary batteries and battery packs is not limited, but it is preferable that the number of rotor blades (three in FIG. 11) forming a pair is equal to the number of battery packs.
  • the drone 440 may be equipped with a camera or a loading platform capable of carrying a small amount of cargo.
  • FIG. 12 schematically shows a configuration example of a hybrid vehicle (HV) that employs a series hybrid system.
  • the series hybrid system is a vehicle that runs on a power driving force converter using the electric power generated by an engine-powered generator or the electric power temporarily stored in a battery.
  • the hybrid vehicle 600 includes an engine 601, a generator 602, a power driving force converter 603 (DC motor or AC motor; hereinafter simply referred to as "motor 603"), drive wheels 604a, drive wheels 604b, wheels 605a, and wheels 605b. , Battery 608, vehicle control device 609, various sensors 610, and charging port 611 are mounted.
  • the battery pack 300 of the present invention described above or a power storage module equipped with a plurality of secondary batteries of the present invention can be applied to the battery 608.
  • the shape of the secondary battery is cylindrical, square or laminated.
  • the motor 603 is operated by the electric power of the battery 608, and the rotational force of the motor 603 is transmitted to the drive wheels 604a and 604b.
  • the rotational force of the engine 601 is transmitted to the generator 602, and the electric power generated by the generator 602 by the rotational force can be stored in the battery 608.
  • the various sensors 610 control the engine speed via the vehicle control device 609, and control the opening degree of a throttle valve (not shown).
  • the various sensors 610 include a speed sensor, an acceleration sensor, an engine speed sensor, and the like.
  • the hybrid vehicle 600 When the hybrid vehicle 600 is decelerated by a braking mechanism (not shown), the resistance force at the time of deceleration is applied to the motor 603 as a rotational force, and the regenerative power generated by this rotational force is stored in the battery 608. Further, although not shown, an information processing device (for example, a battery remaining amount display device) that performs information processing on vehicle control based on information on the secondary battery may be provided.
  • the battery 608 can receive electric power and store electricity by being connected to an external power source via the charging port 611 of the hybrid vehicle 600.
  • Such an HV vehicle is called a plug-in hybrid vehicle (PHV or PHEV).
  • the present invention can also be applied to a parallel system in which an engine and a motor are used together, or a hybrid vehicle in which a series system and a parallel system are combined. Furthermore, the present invention is also applicable to an electric vehicle (EV or BEV) or a fuel cell vehicle (FCV) that travels only with a drive motor that does not use an engine.
  • EV or BEV electric vehicle
  • FCV fuel cell vehicle
  • Electrode winding body 21 ... Positive electrode, 21A ... Positive electrode current collector, 21B ... .. Positive electrode active material layer, 22 ... Negative electrode, 22A ... Negative electrode current collector, 22B ... Negative electrode active material layer, 23 ... Separator, 24 ... Center pin, 25 ... Positive electrode tab , 26 ... Negative electrode tab, 41 ... Center hole of insulator, 42 ... Circumferential hole, 43 ... Fan-shaped hole, 44 ... Center hole of electrode winding body, 45. ⁇ ⁇ Safety valve sub-disk, 46 ⁇ ⁇ ⁇ Non-woven electrode

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Abstract

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、電解液と、正極に接続された正極タブが外装缶に収容された二次電池において、電極巻回体のうち、正極タブ側の端部の近傍に絶縁体が配置され、電極巻回体及び絶縁体は、それぞれの中央部に中心孔を有し、電極巻回体の中心孔の位置と絶縁体の中心孔の位置が同軸上に並ぶように、絶縁体が配置され、絶縁体の中心孔の直径又はサイズは、電極巻回体の中心孔の直径よりも大きく、かつ、正極タブの幅の１．１倍よりも小さい、二次電池である。

Description

二次電池、電池パック、電子機器、電動工具及び電動車両
　本発明は、二次電池、電池パック、電子機器、電動工具及び電動車両に関する。
　リチウムイオン電池は自動車や機械工具などに用途が拡大されている。自動車や機械工具は、外部から衝撃が加わって、電池が破損することがあるため、電池の耐衝撃性が重要な要因の一つとなっていて、様々な開発研究が行われている。
　特許文献１では、中心孔と円周方向に７個以上の開口部を持った絶縁板を開示している。このような絶縁板では、急激な温度上昇による電池内でのガス発生時に、発生したガスを絶縁板の孔と開口部から逃すことで、電池の破裂を防ぐことができる。
特表２０１４－５０３９７８号公報
　しかしながら、特許文献１の方法だと、耐衝撃性が低い虞があった。巻回装置で作製した電池素子（電極巻回体）では、僅かな巻ずれにより貫通孔付近で電極巻回体のトップ側に隆起部が発生することがあった。電池への衝撃で電極巻回体が外装缶内で動いたとき、隆起部がトップ側の絶縁板に衝突をして、安全弁機構にダメージを与えてしまい、安全弁機構が誤作動してしまうことがあった。
　従って、本発明は、外部からの衝撃に強い電池を提供することを目的の一つとする。
　本発明は、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、電解液と、正極に接続された正極タブが外装缶に収容された二次電池において、
　電極巻回体のうち、正極タブ側の端部の近傍に絶縁体が配置され、
　電極巻回体及び絶縁体は、それぞれの中央部に中心孔を有し、
　電極巻回体の中心孔の位置と絶縁体の中心孔の位置が同軸上に並ぶように、絶縁体が配置され、
　絶縁体の中心孔の直径又はサイズは、電極巻回体の中心孔の直径よりも大きく、かつ、正極タブの幅の１．１倍よりも小さい、二次電池である。
　本発明の少なくとも実施の形態によれば、自動車や機械工具などに都合の良い耐衝撃性の高い電池を実現することができる。なお、本明細書で例示された効果により本発明の内容が限定して解釈されるものではない。
図１は、一実施の形態に係る電池の概略断面図である。 図２は、一実施の形態に係る絶縁体の平面図である。 図３は、一実施の形態に係る電池のトップ側の断面図である。 図４は、衝撃試験と過負荷試験の合格率のグラフである。 図５Ａから図５Ｃは、絶縁体、中心孔のない不織布とそれらの一体物の平面図である。 図６Ａは、中心孔のある不織布の平面図であり、図６Ｂは、絶縁体と図６Ａの不織布を貼り合せた一体物の平面図である。 図７はＯＣＶ不良率のグラフである。 図８Ａ及び図８Ｂは、絶縁体の変形例を示す平面図である。 図９は、本発明の応用例としての電池パックの説明に使用する接続図である。 図１０は、本発明の応用例としての電動工具の説明に使用する接続図である。 図１１は、本発明の応用例としての無人航空機の説明に使用する接続図である。 図１２は、本発明の応用例としての電動車両の説明に使用する接続図である。
　以下、本発明の実施の形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
＜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。
　本発明の実施の形態では、二次電池として、円筒形状のリチウムイオン電池を例にして説明する。勿論、リチウムイオン電池以外の他の電池や円筒形状以外の電池が用いられても良い。
＜１．一実施の形態＞
　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、図１に示すように、電池缶１１（外装缶）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。
　具体的には、リチウムイオン電池１は、円筒状の電池缶１１の内部に、一対の絶縁体１２，１３と、電極巻回体２０とを備えている。リチウムイオン電池１は、例えば、さらに、電池缶１１の内部に、熱感抵抗（ＰＴＣ）素子及び補強部材などのうちのいずれか１種類又は２種類以上を備えていてもよい。
［電池缶］
　電池缶１１は、主に、電極巻回体２０を収納する部材である。この電池缶１１は、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、電池缶１１は、開放された一端部（開放端部１１Ｎ）を有している。この電池缶１１は、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、電池缶１１の表面において、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種類以上がめっき処理されていてもよい。
［絶縁体］
　絶縁体１２，１３は、電極巻回体２０の巻回軸方向（図１の鉛直方向）に対して略垂直な面を有するシート状の部材である。絶縁体１２，１３は、互いに電極巻回体２０を挟むように電極巻回体２０の端部に隣接して配置されている。絶縁体１２，１３の材質としては、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ベークライトなどが用いられる。ベークライトには、フェノール樹脂を紙又は布に塗布した後に加熱して作製される、紙ベークライトや布ベークライトがある。
トップ側（例えば、電池缶１１の開放端部１１Ｎ側）の絶縁体１２は図２に示されるような形状をしている。絶縁体１２の中心孔４１（第１の孔）と円周方向（絶縁体１２の中心孔４１と外周部の間）に孔４２（第２の孔）があり、これらは電解液注入時に電解液を通すためやガス発生時に気体を通すための孔である。円周方向（絶縁体の中心孔と外周部の間）には、さらに、扇形の孔４３（第３の孔）が空いていて、これは正極タブ２５を電極巻回体２０側から安全弁機構３０側（外側）へと延出させるための孔である。安全弁機構３０の下側に正極タブ２５、トップ側の絶縁体１２の中心孔４１と電極巻回体２０の中心孔２０Ｃが配置され、トップ側の絶縁体１２の中心孔４１と電極巻回体２０の中心孔２０Ｃは同軸上に配置されている。
［かしめ構造］
　電池缶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、電池缶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、その電池缶１１は密閉されている。
［電池蓋］
　電池蓋１４は、電池缶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、その電池缶１１の開放端部１１Ｎを閉塞する部材である。この電池蓋１４は、電池缶１１の形成材料と同様の材料を含んでいる。電池蓋１４のうち中央領域は、図１の鉛直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、ＰＴＣ素子を介して安全弁機構３０に接触している。
［ガスケット］
　ガスケット１５は、主に、電池缶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。
　ガスケット１５は、絶縁性材料を含んでいる。絶縁性材料の種類は特に限定されないが、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）及びポリプ口ピレン（ＰＰ）などの高分子材料である。電池缶１１と電池蓋１４とを互いに電気的に分離しながら、折り曲げ部１１Ｐと電池蓋１４との間の隙間が十分に封止されるからである。
［安全弁機構］
　安全弁機構３０は、電池蓋１４と正極タブ２５の間に配置され、主に、電池缶１１の内部の圧力（内圧）が上昇した際に、必要に応じて電池缶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。電池缶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。
［電極巻回体］
　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、電池缶１１に収納されている。図示しないが、正極２１、負極２２はそれぞれ、正極集電体、負極集電体の片面又は両面に正極活物質層、負極活物質層を形成したものである。正極集電体の材料は、アルミニウムやアルミニウム合金を含む金属箔である。負極集電体の材料は、ニッケル、ニッケル合金、銅や銅合金を含む金属箔である。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、リチウムイオンの移動を可能にしている。
　電極巻回体２０の中心には、正極２１、負極２２及びセパレータ２３を巻回させる際に生じた空間（中心孔２０Ｃ）が設けられており、中心孔２０Ｃには、センターピン２４が挿入されている（図１）。ただし、センターピン２４は省略可能である。
　正極２１には、例えば、正極タブ２５の一端が接続されていると共に、負極２２には、例えば、負極タブ２６の一端が接続されている。正極タブ２５は、例えば、電極巻回体２０のトップ側に設けられており、アルミニウムなどの導電性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。この正極タブ２５の他端は、例えば、安全弁機構３０に接続されているため、電池蓋１４と電気的に接続されている。
負極タブ２６は、例えば、電極巻回体２０のボトム側（電池缶１１の底側）に設けられており、ニッケルなどの導電性材料を含んでいる。この負極タブ２６の他端は、例えば、電池缶１１に接続されているため、その電池缶１１と電気的に接続されている。
電極巻回体２０に含まれる正極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、材質に関しては、後述する。
［正極］
　正極活物質層は、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（正極活物質）を少なくとも含み、さらに、正極結着剤及び正極導電剤などを含んでいてもよい。正極材料は、リチウム含有化合物（例えば、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）が好ましい。
　リチウム含有複合酸化物は、例えば、層状岩塩型又はスピネル型の結晶構造を有している。リチウム含有リン酸化合物は、例えば、オリビン型の結晶構造を有している。
　正極結着剤は、合成ゴム又は高分子化合物を含んでいる。合成ゴムは、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴム及びエチレンプロピレンジエンなどである。高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）及びポリイミドなどである。
　正極導電剤は、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック又はケッチェンブラックなどの炭素材料である。ただし、正極導電剤は、金属材料及び導電性高分子でもよい。
［負極］
　負極集電体の表面は、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、負極集電体に対する負極活物質層の密着性が向上するからである。粗面化の方法は、例えば、電解法を利用して微粒子を形成し、負極集電体の表面に凹凸を設ける手法がある。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。
　負極活物質層は、リチウムを吸蔵及び放出することが可能である負極材料（負極活物質）を少なくとも含み、さらに、負極結着剤及び負極導電剤などを含んでいてもよい。
　負極材料は、例えば、炭素材料を含む。リチウムの吸蔵放出時における結晶構造の変化が非常に少ないため、高いエネルギー密度が安定して得られるからである。また、炭素材料は負極導電剤としても機能するため、負極活物質層の導電性が向上する。
　炭素材料は、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、黒鉛、低結晶性炭素、又は非晶質炭素である。炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状又は鱗片状を有している。
　また、負極材料は、例えば金属系材料を含む。金属系材料の例としては、Ｌｉ（リチウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｓｎ（スズ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｚｒ（亜鉛）、Ｔｉ（チタン）が挙げられる。金属系元素は、他の元素と化合物、混合物又は合金を形成しており、その例としては、酸化ケイ素（ＳｉＯx（０＜ｘ≦２））、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は炭素とケイ素の合金、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）が挙げられる。
　リチウムイオン電池１では、完全充電時の開回路電圧(すなわち電池電圧)が４．２５Ｖ以上であると、その完全充電時の開回路電圧が低い場合と比較して、同じ正極活物質を用いても単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなる。これにより、高いエネルギー密度が得られる。
［セパレータ］
　セパレータ２３は、樹脂を含む多孔質膜であり、２種類以上の多孔質膜の積層膜でもよい。樹脂は、ポリプロピレン及びポリエチレンなどである。
　セパレータ２３は、多孔質膜を基材層として、その片面又は両面に樹脂層を含んでいてもよい。正極２１及び負極２２のそれぞれに対するセパレータ２３の密着性が向上するため、電極巻回体２０の歪みが抑制されるからである。
　樹脂層は、ＰＶｄＦなどの樹脂を含んでいる。この樹脂層を形成する場合には、有機溶剤に樹脂が溶解された溶液を基材層に塗布したのち、その基材層を乾燥させる。なお、溶液中に基材層を浸漬させたのち、その基材層を乾燥させてもよい。樹脂層には、無機粒子又は有機粒子を含んでいることが、耐熱性、電池の安全性向上の観点で好ましい。無機粒子の種類は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、ベーマイト、タルク、シリカ、雲母などである。また、樹脂層に代えて、スパッタ法、ＡＬＤ（原子層堆積）法などで形成された、無機粒子を主成分とする表面層を用いてもよい。
［電解液］
　電解液は、溶媒及び電解質塩を含み、必要に応じてさらに添加剤などを含んでいてもよい。溶媒は、有機溶媒などの非水溶媒、又は水である。非水溶媒を含む電解液を非水電解液という。非水溶媒は、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又はニトリル(モノニトリル)などである。
　電解質塩は、例えば、リチウム塩などの塩のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。ただし、電解質塩は、例えば、リチウム塩以外の塩を含んでいてもよい。このリチウム以外の塩は、例えば、リチウム以外の軽金属の塩などである。
　電解質塩の代表例はリチウム塩であるが、リチウム塩以外の塩を含んでいてもよい。リチウム塩は、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、メタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＨ3ＳＯ3）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）、六フッ化ケイ酸二リチウム（Ｌｉ2ＳＦ6）などである。これらの塩を混合して用いることもでき、中でも、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4を混合して用いることが、電池特性向上の観点で好ましい。電解質塩の含有量は特に限定されないが、溶媒に対して０.３ｍｏｌ/ｋｇから３ｍｏｌ/ｋｇであることが好ましい。
［リチウムイオン電池の作製方法］
　続いて、二次電池の製造方法に関して説明する。まず、正極２１を作製する場合には、正極活物質、正極結着剤及び正極導電剤を混合することにより正極合剤を作製する。続いて、有機溶剤に正極合剤を分散させることにより、ペース卜状の正極合剤スラリーを作製する。続いて、正極集電体の両面に正極合剤スラリーを塗布したのち、乾燥させることにより、正極活物質層を形成する。続いて、正極活物質層を加熱しながら、ロールプレス機を用いて正極活物質層を圧縮成型し、正極２１が得られる。
　負極２２を作製する場合にも、上記した正極２１と同様の手順により行う。
　次に、溶接法を用いて正極集電体、負極集電体に、それぞれ正極タブ２５、負極タブ２６を接続する。続いて、セパレータ２３を介して正極２１及び負極２２を積層したのち、それらを巻回し、セパレータ２３の最外周面に固定テープ３１を貼付することにより、電極巻回体２０を形成する。続いて、電極巻回体２０の中心孔２０Ｃにセンターピン２４を挿入する。
　続いて、一対の絶縁体で電極巻回体２０を挟みながら、電極巻回体２０を電池缶１１の内部に収納する。次に、溶接法を用いて正極タブ２５の一端を安全弁機構３０に接続すると共に、負極タブ２６の一端を電池缶１１に接続する。
　続いて、ビーディング加工機（溝付け加工機）を用いて電池缶１１を加工することにより、電池缶１１に窪みを形成する。続いて、電池缶１１の内部に電解液を注入し、電極巻回体２０に含浸させる。続いて、電池缶１１の内部にガスケット１５と共に電池蓋１４及び安全弁機構３０を収納する。
　次に図１に示したように、電池缶１１の開放端部１１Ｎにおいてガスケット１５を介して電池蓋１４及び安全弁機構３０をかしめることにより、かしめ構造１１Ｒを形成する。最後に、プレス機を用いて、電池缶１１を電池蓋１４により閉塞することによって、二次電池が完成する。
　以下、上記のようにして作製したリチウムイオン電池１を用いて、トップ側の絶縁体１２について試験した実施例に基づいて、又は、不織布４６を貼り付けたトップ側の絶縁体１２について試験を行った実施例に基づいて、本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。
　図３のように、電極巻回体２０の上にトップ側の絶縁体１２を配置し、絶縁体１２の扇形の孔４３から突出した正極タブ２５を絶縁体１２の上に配置し、正極タブ２５を安全弁機構３０に接続した。安全弁機構３０と正極タブ２５との間には、安全弁サブディスク４５が配置され、電極巻回体の中心孔２０Ｃと略同軸上に配置されている。安全弁サブディスク４５に直接、物理的衝撃が加わると安全弁機構３０が誤作動する。電極巻回体２０の中心孔２０Ｃの直径を３（ｍｍ）とし、安全弁サブディスク４５の直径を５．３５（ｍｍ）とし、正極タブ２５の幅を６．４（ｍｍ）とした。絶縁体１２の素材はＰＥＴ樹脂とした。絶縁体１２の中心孔４１の形状を円形状とした。
　中心孔の直径が２（ｍｍ）から９（ｍｍ）までのトップ側の絶縁体１２を配置した電池１を用意し、衝撃試験と過負荷試験を行った。衝撃試験はＵＮ３８．３規格に基づくもので、回転ドラム型試験機を用いた。安全弁機構３０が作動しなかった電池１を合格とした。過負荷試験は、電池１に４０（Ａ）から５０（Ａ）の電流値にて充放電を行い、電池１が電気的に短絡（ショート）しなかった場合を合格とし、合格率を求めた。試験に使用した電池１の数は各試験に対して２０個ずつである。
　図４に衝撃試験と過負荷試験の結果を示す。両方の試験の合格率が高い範囲は、試験したうちの一部の中心孔４１の直径に限られることが分かる。図４の、両試験の合格率が９０％以上である範囲を実施例とし、９０％未満である範囲を比較例とすると、絶縁体１２の中心孔４１の直径は３（ｍｍ）から７（ｍｍ）であることが好ましい。３（ｍｍ）は電極巻回体２０の中心孔２０Ｃの直径に等しく、７（ｍｍ）は正極タブ２５の幅を１．１倍にした大きさである。したがって、電池１が外部からの衝撃に強くあるためには、絶縁体１２の中心孔４１の直径は、電極巻回体２０の中心孔２０Ｃの直径より大きく、正極タブ２５の幅を１．１倍にした大きさより小さいことが好ましいと言える。
　図４のように、絶縁体１２の中心孔の直径が３（ｍｍ）より大きいとき、衝撃試験の合格率が高かった。これは、絶縁体１２の中心孔の直径が電極巻回体２０の中心孔の直径より大きいと、衝撃試験時（又は、外部から電池１に衝撃が加わったとき）に電極巻回体２０の中心孔付近にある隆起部が絶縁体１２と衝突を避けることができ、安全弁サブディスク４５に衝突することを防ぎ、安全弁機構３０が誤作動しにくいからと考えられる。また、絶縁体１２の中心孔の直径が７（ｍｍ）より小さいとき、過負荷試験の合格率が高かった。これは、絶縁体１２の中心孔４１の直径が正極タブ２５の幅の１．１倍の大きさより小さいと、過負荷試験時（又は、電池１に比較的大きな電流が流れたとき）に、絶縁体１２で、過負荷試験時の電流で発生した正極タブ２５の熱が電極巻回体２０に伝わることを防ぐことができ、セパレータ２３の熱融断によるショートを起こしにくいからと考えられる。
　図４の両試験の合格率が１００％である範囲を実施例としてより好適な範囲であるとすると、絶縁体１２の中心孔４１の直径は５（ｍｍ）から７（ｍｍ）であることがより好ましい。これは、絶縁体１２の中心孔４１の直径が安全弁サブディスク４５の直径と同じくらいかそれよりも大きいことから、衝撃試験時に絶縁体１２が安全弁サブディスク４５と衝突しなかったことが原因と考えられる。安全弁サブディスク４５の直径が５．３５（ｍｍ）であるから、絶縁体１２と安全弁サブディスク４５が衝突しないようにするために、絶縁体１２の中心孔４１の直径は、安全弁サブディスク４５の直径より大きく、正極タブ２５の幅を１．１倍にした大きさより小さいことがより好ましいと言える。絶縁体１２と安全弁サブディスク４５との多少の配置ズレを考慮すると、絶縁体１２の中心孔４１の直径は、安全弁サブディスクの直径の１.０３倍の大きさ（例えば５．５（ｍｍ））より大きいことがより好ましいと言える。
　次に、図５Ａのようなトップ側の絶縁体１２と同じ大きさの不織布４６（図５Ｂ）を用意し、絶縁体１２の扇形の孔４３と不織布４６の扇形の孔５１が同じ位置に重なるように、絶縁体１２と不織布４６を貼り合せ、図５Ｃのように一体物４７とした。不織布４６には中心孔はないものとした。一体物４７の不織布側が電極巻回体２０側に向くように、一体物４７を図４に示される電池１の絶縁体１２と同じ位置に配置した。不織布４６は絶縁体１２と電極巻回体２０の間に位置することになる。一体物４７の比較対象として、図６Ａのような中心孔５２がある不織布４８と絶縁体１２とからなる一体物４９（図６Ｂ）を用意し、一体物４７を使用した電池１と一体物４９を使用した電池１について、ＯＣＶ不良率の試験をした。ＯＣＶ不良率の試験では、正常な電池１よりも開放端電圧が１％以上低下しているものをＯＣＶ不良とし、ＯＣＶ不良を起こした割合を求めた。試験に使用した電池の数を５００個ずつ（合計１０００個）とした。
　図７に、ＯＣＶ不良率の試験結果を示す。ＯＣＶ不良率は、中心孔がない不織布４６を使用した場合（図７のＡ，一体物４７）で０．２％であり、中心孔５２がある不織布４８を使用した場合（図７のＢ，一体物４９）で５％であった。図７の結果より、図７のＡの方が好ましい。言い換えれば、絶縁体１２と電極巻回体２０のトップ側の端部との間に不織布４６が配置されるとき、不織布４６は絶縁体１２の中心孔４１と電極巻回体２０の中心孔２０Ｃとを被覆することが好ましいと言える。
　中心孔がない不織布４６の場合、不織布４６で電解液の注液時に金属片などによるコンタミネーションを防ぐことができたので、ＯＣＶ不良率が比較的低かったと考えられる。
＜２．変形例＞
　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。
　トップ側の絶縁体１２の中心孔の形状を円形としていたが、図８Ａのように、多角形状の孔６１であってもよいし、図８Ｂのように、円形と多角形を組み合わせた形状の孔６２であってもよいし、その他の形状であってもよい。図８Ａのような、多角形の孔６１のサイズは、向かい合う頂点間の距離であり、図８Ｂのような、円形と多角形を組み合わせた形状の孔６２のサイズは、例えば、半円の直径である。
　リチウムイオン電池１のサイズを２１７００としていたが、例えば１８６５０のような他のサイズであってもよい。
＜３．応用例＞
（１）電池パック
　図９は、本発明の実施の形態又は実施例に係る二次電池を電池パック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、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。制御部３１０は各デバイスの制御を行い、さらに異常発熱時に充放電制御を行ったり、電池パック３００の残容量の算出や補正を行ったりすることが可能である。
　電池パック３００の充電時には正極端子３２１及び負極端子３２２がそれぞれ充電器の正極端子、負極端子に接続され、充電が行われる。また、電池パック３００に接続された電子機器の使用時には、正極端子３２１及び負極端子３２２がそれぞれ電子機器の正極端子、負極端子に接続され、放電が行われる。
　組電池３０１は、複数の二次電池３０１ａを直列及び／又は並列に接続してなる。図９では、６つの二次電池３０１ａが、２並列３直列（２Ｐ３Ｓ）に接続された場合が例として示されているが、どのような接続方法でもよい。
　温度検出部３１８は、温度検出素子３０８（例えばサーミスタ）と接続されており、組電池３０１又は電池パック３００の温度を測定して、測定温度を制御部３１０に供給する。電圧検出部３１１は、組電池３０１及びそれを構成する各二次電池３０１ａの電圧を測定し、この測定電圧をＡ／Ｄ変換して、制御部３１０に供給する。電流測定部３１３は、電流検出抵抗３０７を用いて電流を測定し、この測定電流を制御部３１０に供給する。
　スイッチ制御部３１４は、電圧検出部３１１及び電流測定部３１３から入力された電圧及び電流をもとに、スイッチ部３０４の充電制御スイッチ３０２ａ及び放電制御スイッチ３０３ａを制御する。スイッチ制御部３１４は、二次電池３０１ａのいずれかの電圧が過充電検出電圧若しくは過放電検出電圧以下になったとき、また、大電流が急激に流れたときに、スイッチ部３０４にＯＦＦの制御信号を送ることにより、過充電及び過放電、過電流充放電を防止する。
　ここで、二次電池がリチウムイオン二次電池の場合、過充電検出電圧は例えば４．２０Ｖ±０．０５Ｖと定められ、過放電検出電圧は例えば２．４Ｖ±０．１Ｖと定められる。
　充電制御スイッチ３０２ａ又は放電制御スイッチ３０３ａがＯＦＦした後は、ダイオード３０２ｂ又はダイオード３０３ｂを介することによってのみ、充電又は放電が可能となる。これらの充放電スイッチは、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを使用することができる。この場合、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードがダイオード３０２ｂ及び３０３ｂとして機能する。なお、図９では＋側にスイッチ部３０４を設けているが、－側に設けても良い。
　メモリ３１７は、ＲＡＭやＲＯＭからなり、例えば不揮発性メモリであるＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）などを含む。メモリ３１７には、制御部３１０で演算された数値や、製造工程の段階で測定された各二次電池３０１ａの初期状態における電池特性やなどが予め記憶され、また適宜、書き換えも可能である。また、二次電池３０１ａの満充電容量を記憶させておくことで、制御部３１０と協働して残容量を算出することができる。
（２）電子機器
　上述した本発明の実施の形態又は実施例に係る二次電池は、電子機器や電動輸送機器、蓄電装置などの機器に搭載され、電力を供給するために使用することができる。
　電子機器としては、例えばノート型パソコン、スマートフォン、タブレット端末、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話、ウェアラブル端末、ビデオムービー、デジタルスチルカメラ、電子書籍、音楽プレイヤー、ヘッドホン、ゲーム機、ペースメーカー、補聴器、電動工具、テレビ、照明機器、玩具、医療機器、ロボットが挙げられる。また、後述する電動輸送機器、蓄電装置、電動工具、電動式無人航空機も、広義では電子機器に含まれ得る。
　電動輸送機器としては電気自動車（ハイブリッド自動車を含む。）、電動バイク、電動アシスト自転車、電動バス、電動カート、無人搬送車（ＡＧＶ）、鉄道車両などが挙げられる。また、電動旅客航空機や輸送用の電動式無人航空機も含まれる。本発明に係る二次電池は、これらの駆動用電源のみならず、補助用電源、エネルギー回生用電源などとしても用いられる。
　蓄電装置としては、商業用又は家庭用の蓄電モジュールや、住宅、ビル、オフィスなどの建築物用又は発電設備用の電力貯蔵用電源などが挙げられる。
（３）電動工具
　図１０を参照して、本発明が適用可能な電動工具として電動ドライバの例について概略的に説明する。電動ドライバ４３１には、シャフト４３４に回転動力を伝達するモータ４３３と、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。トリガースイッチ４３２の操作により、シャフト４３４によって被対象物にねじなどが打ち込まれる。
　電動ドライバ４３１の把手の下部筐体内に、電池パック４３０及びモータ制御部４３５が収納されている。電池パック４３０としては、上述した電池パック３００を使用することができる。
　電池パック４３０は、電動ドライバ４３１に対して内蔵されているか、又は着脱自在とされている。電池パック４３０は、電動ドライバ４３１に内蔵された状態、又は外された状態で、充電装置に装着可能である。
　電池パック４３０及びモータ制御部４３５のそれぞれには、マイクロコンピュータが備えられている。電池パック４３０からモータ制御部４３５に対して電源が供給されると共に、両者のマイクロコンピュータ間で電池パック４３０の充放電情報が通信される。モータ制御部４３５は、モータ４３３の回転／停止、並びに回転方向を制御し、さらに、過放電時に負荷（モータ４３３など）への電源供給を遮断することができる。
（４）電動式無人航空機
　本発明を電動式無人航空機４４０（以下、単に「ドローン４４０」という。）用の電源に適用した例について、図１１を参照して説明する。図１１のドローン４４０は、円筒状又は角筒状の胴体部４４１と、胴体部の上部に固定された支持軸４４２ａ～４４２ｆと、胴体部の下側に配置されたバッテリ部（図示せず）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ている。
　支持軸４４２ａ～４４２ｆの先端部には、回転翼４４４ａ～４４４ｆの動力源としてのモータ４４３ａ～４４３ｆがそれぞれ取り付けられている。各モータを制御する制御回路ユニット４４５は、胴体部４４１の上部に取り付けられている。バッテリ部としては、本発明に係る二次電池又は電池パック３００を使用することができる。二次電池や電池パックの数に制限はないが、対を構成する回転翼の数（図１１では３つ）と電池パックの数を等しくするのが好ましい。また、図示しないが、ドローン４４０にはカメラが搭載されていたり、少量の貨物を運搬可能な荷台が備えられていてもよい。
（５）電動車両用蓄電システム
　本発明を電動車両用の蓄電システムに適用した例として、図１２に、シリーズハイブリッドシステムを採用したハイブリッド車両（ＨＶ）の構成例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンを動力とする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。
　このハイブリッド車両６００には、エンジン６０１、発電機６０２、電力駆動力変換装置６０３（直流モータ又は交流モータ。以下単に「モータ６０３」という。）、駆動輪６０４ａ、駆動輪６０４ｂ、車輪６０５ａ、車輪６０５ｂ、バッテリ６０８、車両制御装置６０９、各種センサ６１０、充電口６１１が搭載されている。バッテリ６０８に対して、上述した本発明の電池パック３００、又は本発明の二次電池を複数搭載した蓄電モジュールが適用され得る。二次電池の形状としては、円筒型、角型又はラミネート型である。
　バッテリ６０８の電力によってモータ６０３が作動し、モータ６０３の回転力が駆動輪６０４ａ、６０４ｂに伝達される。エンジン６０１の回転力は発電機６０２に伝えられ、その回転力によって発電機６０２により生成された電力をバッテリ６０８に蓄積することが可能である。各種センサ６１０は、車両制御装置６０９を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度を制御したりする。各種センサ６１０には、速度センサ、加速度センサ、エンジン回転数センサなどが含まれる。
　図示しない制動機構によりハイブリッド車両６００が減速すると、その減速時の抵抗力がモータ６０３に回転力として加わり、この回転力によって生成された回生電力がバッテリ６０８に蓄積される。また、図示しないが、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なう情報処理装置（例えば、電池の残量表示装置）を備えていても良い。バッテリ６０８は、ハイブリッド車両６００の充電口６１１を介して外部の電源に接続されることで電力供給を受け、蓄電することが可能である。このようなＨＶ車両を、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ又はＰＨＥＶ）という。
　以上では、シリーズハイブリッド車を例として説明したが、エンジンとモータを併用するパラレル方式、又は、シリーズ方式とパラレル方式を組み合わせたハイブリッド車に対しても本発明は適用可能である。さらに、エンジンを用いない駆動モータのみで走行する電気自動車（ＥＶ又はＢＥＶ）や、燃料電池車（ＦＣＶ）に対しても本発明は適用可能である。
１・・・リチウムイオン電池，１１・・・電池缶，１２，１３・・・絶縁体，２０・・・電極巻回体，２１・・・正極，２１Ａ・・・正極集電体，２１Ｂ・・・正極活物質層，２２・・・負極，２２Ａ・・・負極集電体，２２Ｂ・・・負極活物質層，２３・・・セパレータ，２４・・・センターピン，２５・・・正極タブ，２６・・・負極タブ，４１・・・絶縁体の中心孔，４２・・・円周方向の孔，４３・・・扇形の孔，４４・・・電極巻回体の中心孔，４５・・・安全弁サブディスク，４６・・・不織布

Claims (15)

  1. 　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、電解液と、前記正極に接続された正極タブが外装缶に収容された二次電池において、
    　前記電極巻回体のうち、前記正極タブ側の端部の近傍に絶縁体が配置され、
    　前記電極巻回体及び前記絶縁体は、それぞれの中央部に中心孔を有し、
    　前記電極巻回体の中心孔の位置と前記絶縁体の中心孔の位置が同軸上に並ぶように、前記絶縁体が配置され、
    　前記絶縁体の中心孔の直径又はサイズは、前記電極巻回体の中心孔の直径よりも大きく、かつ、正極タブの幅の１．１倍よりも小さい、二次電池。
  2. 　前記外装缶は開放端部を有し、
    　前記開放端部には電池蓋が設けられており、
    　前記電池蓋と前記正極タブの間に安全弁機構を有し、
    　前記正極タブの一端は前記正極に接続され、他端は前記安全弁機構に接続されている、請求項１に記載の二次電池。
  3. 　前記安全弁機構と前記正極タブの間には安全弁サブディスクが設けられており、
    　前記絶縁体の中心孔の直径又はサイズは、前記安全弁サブディスクの直径の１．０３倍よりも大きい、請求項１又は２に記載の二次電池。
  4. 　前記絶縁体の中心孔と前記電極巻回体の中心孔にそれぞれ重なるように、両者の間に不織布が設けられている、請求項１から３の何れかに記載の二次電池。
  5. 　前記絶縁体の中心孔の形状は、円形状、多角形状、又は、円形と多角形を組み合わせた形状である請求項１から４の何れかに記載の二次電池。
  6. 　前記絶縁体はＰＥＴ、ＰＰ又はベークライトを含む、請求項１から５の何れかに記載の二次電池。
  7. 　前記絶縁体の中心孔と前記絶縁体の外周部の間に、一又は複数の第２の孔が設けられている、請求項１から６の何れかに記載の二次電池。
  8. 　前記第２の孔は、前記電解液、又は、前記電極巻回体の内部で発生したガスを通すための孔である、請求項７に記載の二次電池。
  9. 　前記絶縁体の中心孔と前記絶縁体の外周部の間に、第３の孔が設けられており、
    　前記第３の孔を介して、前記正極タブが前記電極巻回体側から外側に延出されている、請求項１から８の何れかに記載の二次電池。
  10. 　前記第３の孔は扇形を有している、請求項９に記載の二次電池。
  11. 　前記外装缶の底側に負極タブを有し、
    　前記負極タブの一端は前記負極に接続されており、他端は前記外装缶に接続されている、請求項１から１０の何れかに記載の二次電池。
  12. 　請求項１から１１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。
  13. 　請求項１から１１の何れかに記載の二次電池、又は、請求項１２に記載の電池パックを有する電子機器。
  14. 　請求項１２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。
  15. 　請求項１から１１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を有する電動車両。
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