WO2021177149A1

WO2021177149A1 - 二次電池、電子機器及び電動工具

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Publication number: WO2021177149A1
Application number: PCT/JP2021/007248
Authority: WO
Inventors: 彬大谷
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2021-09-10
Also published as: CN115066775A; DE112021001462T5; JP7251686B2; US20220367922A1; JPWO2021177149A1

Abstract

正極活物質非被覆部は、電極巻回体の一方の端部において、正極集電板と接合され、負極活物質非被覆部は、電極巻回体の他方の端部において、負極集電板と接合され、電極巻回体は、電極巻回体は、少なくとも正極活物質非被覆部が、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と、平坦面に形成された溝と、正極及び負極の最内周より内側に位置する、セパレータのみからなる内周部とを有し、正極活物質非被覆部がセパレータの幅方向の一端から突出した部分の長さＥは、セパレータが負極の幅方向の一端から突出した部分の長さＦより大きく、内周部におけるセパレータの層数をｍとし、厚さをｔとし、Ｚ＝ｔ×ｍとするとき、式（１）を満たす二次電池である。式（１）：８０≦Ｚ≦１９６図５

Description

二次電池、電子機器及び電動工具

　本発明は、二次電池、電子機器及び電動工具に関する。

　リチウムイオン電池は、電動工具や電気自動車といった高出力を要する用途に向けても開発されるようになってきている。高出力を行う一つの方法としては、電池から比較的大電流を流すハイレート放電が挙げられる。リチウムイオン電池では、ハイレート放電用に限らず、充放電時の電極の変形が電池の寿命を縮める問題となっている。

　例えば、下記特許文献１には、セパレータの空巻き数を増加させるか、あるいは、巻き始めにセパレータと一緒に不活性材料を巻くことで、電極膨張による中心部の変形耐性を向上させ、サイクル寿命を増加させた電池が記載されている。

特開２００４－３５６０４７号公報

　特許文献１の技術は、取り出し電極としてリードを用いた通常の電池に関してであり、この技術をそのままハイレート放電用の電池に適用すると、折り曲げられた活物質非被覆部が内周部に入り込んで、セパレータを突き破り、内部短絡を起こす可能性があるという問題があった。

　従って、本発明は、内部短絡を起こさないハイレート放電用の電池を提供することを目的の一つとする。

　上述した課題を解決するために、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、中心軸の周りに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とが、電池缶に収容された二次電池であって、
　正極は、帯状の正極箔上に、正極活物質層が被覆された正極活物質被覆部と正極活物質非被覆部とを有し、
　負極は、帯状の負極箔上に、負極活物質層が被覆された負極活物質被覆部と負極活物質非被覆部とを有し、
　正極活物質非被覆部は、電極巻回体の一方の端部において、正極集電板と接合され、
　負極活物質非被覆部は、電極巻回体の他方の端部において、負極集電板と接合され、
　電極巻回体は、少なくとも正極活物質非被覆部が、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と、
　平坦面に形成された溝と、
　正極及び負極の最内周より内側に位置する、セパレータのみからなる内周部とを有し、
　正極活物質非被覆部がセパレータの幅方向の一端から突出した部分の長さＥは、セパレータが負極の幅方向の一端から突出した部分の長さＦより大きく、
　内周部におけるセパレータの層数をｍとし、厚さをｔとし、Ｚ＝ｔ×ｍとするとき、式（１）を満たす二次電池である。
　式（１）：８０≦Ｚ≦１９６

　本発明の少なくとも実施の形態によれば、内部短絡及び溶接不良が発生せず、初期容量を高く保つことができる電池を提供できる。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断面図である。図２は、電極巻回体における正極、負極とセパレータの配置関係の一例を説明する図である。図３Ａは、正極集電板の平面図であり、図３Ｂは負極集電板の平面図である。図４Ａから図４Ｆは、一実施の形態に係る電池の組み立て工程を説明する図である。図５Ａ及び図５Ｂは、実施例１を説明するための図である。図６Ａ及び図６Ｂは、セパレータの層数ｍを説明するための図である。図７Ａ及び図７Ｂは、比較例１を説明するための図である。図８Ａ及び図８Ｂは、比較例２を説明するための図である。図９Ａ及び図９Ｂは、比較例３を説明するための図である。図１０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１１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。

＜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、例えば、図１に示すように、電池缶１１の内部に電極巻回体２０が収納されている円筒型のリチウムイオン電池１である。

　具体的には、リチウムイオン電池１は、例えば、円筒状の電池缶１１の内部に、一対の絶縁板１２，１３と、電極巻回体２０とを備えている。ただし、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、例えば、一端面が開放されると共に他端面が閉塞された円筒状の容器である。すなわち、電池缶１１は、開放された一端面（開放端面１１Ｎ）を有している。この電池缶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、電池缶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］
　絶縁板１２，１３は、電極巻回体２０の巻回軸（図１のＺ軸）に対して略垂直な面を有する皿状の板である。また、絶縁板１２，１３は、例えば、互いに電極巻回体２０を挟むように配置されている。

［かしめ構造］
　電池缶１１の開放端面１１Ｎには、電池蓋１４及び安全弁機構３０がガスケット１５を介して、かしめられており、かしめ構造１１Ｒ（クリンプ構造）が形成されている。これにより、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、主に、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の開放端面１１Ｎを閉塞する部材である。この電池蓋１４は、例えば、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］
　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。

　このガスケット１５は、例えば、絶縁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。絶縁性材料の種類は、特に限定されないが、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）及びポリプロピレン（ＰＰ）などの高分子材料である。中でも、絶縁性材料は、ポリブチレンテレフタレートであることが好ましい。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、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。

　正極活物質層と負極活物質層はそれぞれ、正極箔２１Ａと負極箔２２Ａとの多くの部分を覆うが、どちらも帯の短手方向にある片方の端周辺を意図的に被覆していない。この活物質層が被覆されていない部分を、以下、適宜、活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃと称し、活物質層が被覆されている部分を、以下、適宜、活物質被覆部２１Ｂ，２２Ｂと称する。円筒形状の電池では、電極巻回体２０は正極の活物質非被覆部２１Ｃと負極の活物質非被覆部２２Ｃが逆方向を向くようにしてセパレータ２３を介して重ねられて巻回されている。

　図２に正極２１、負極２２とセパレータ２３を積層した巻回前の構造の一例を示す。正極の活物質非被覆部２１Ｃ（図２の上側のドット部分）の幅はＡであり、負極の活物質非被覆部２２Ｃ（図２の下側のドット部分）の幅はＢである。一実施の形態ではＡ＞Ｂであることが好ましく、例えばＡ＝７（ｍｍ）、Ｂ＝４（ｍｍ）である。正極の活物質非被覆部２１Ｃがセパレータ２３の幅方向の一端から突出した部分の長さはＣであり、負極の活物質非被覆部２２Ｃがセパレータ２３の幅方向の他端から突出した部分の長さはＤである。一実施の形態ではＣ＞Ｄであることが好ましく、例えば、Ｃ＝４．５（ｍｍ）、Ｄ＝３（ｍｍ）である。

　正極の活物質非被覆部２１Ｃは例えばアルミニウムなどからなり、負極の活物質非被覆部２２Ｃは例えば銅などからなるので、一般的に正極の活物質非被覆部２１Ｃの方が負極の活物質非被覆部２２Ｃよりも柔らかい（ヤング率が低い）。このため、一実施の形態では、Ａ＞ＢかつＣ＞Ｄがより好ましく、この場合、両極側から同時に同じ圧力で正極の活物質非被覆部２１Ｃと負極の活物質非被覆部２２Ｃとが折り曲げられるとき、折り曲げられた部分のセパレータ２３の先端から測った高さは正極２１と負極２２とで同じくらいになることがある。このとき、活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃが折り曲げられて適度に重なり合うので、活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃと集電板２４，２５とのレーザー溶接による接合を容易に行うことができる。一実施の形態における接合とは、レーザー溶接により繋ぎ合わされていることを意味するが、接合方法はレーザー溶接に限定されない。

　正極２１は、活物質非被覆部２１Ｃと活物質被覆部２１Ｂとの境界を含む幅３ｍｍの区間が絶縁層１０１（図２の灰色の領域部分）で被覆されている。そして、セパレータを介して負極の活物質被覆部２２Ｂに対向する正極の活物質非被覆部２１Ｃの全ての領域が絶縁層１０１で覆われている。絶縁層１０１は、負極の活物質被覆部２２Ｂと正極の活物質非被覆部２１Ｃとの間に異物が侵入したときに、電池１の内部短絡を確実に防ぐ効果がある。また、絶縁層１０１は、電池１に衝撃が加わったときに、その衝撃を吸収し、正極の活物質非被覆部２１Ｃが折れ曲がりや、負極２２との短絡を確実に防ぐ効果がある。

　電極巻回体２０の中心軸を含む領域には、貫通孔２６が空いている。貫通孔２６は電極巻回体２０の組み立て用の巻き芯と溶接用の電極棒を差し込むための孔である。電極巻回体２０は、正極の活物質非被覆部２１Ｃと負極の活物質非被覆部２２Ｃが逆方向を向くように重ねて巻回してあるので、電極巻回体の端面の一方（端面４１）には、正極の活物質非被覆部２１Ｃが集まり、電極巻回体２０の端面の他方（端面４２）には、負極の活物質非被覆部２２Ｃが集まる。電流を取り出すための集電板２４，２５との接触を良くするために、活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃは曲折されて、端面４１，４２が平坦面となっている。曲折する方向は端面４１，４２の外縁部２７，２８から貫通孔２６に向かう方向であり、巻回された状態で隣接する周の活物質非被覆部同士が重なって曲折している。なお、本明細書において「平坦面」とは、完全に平坦な面のみならず、活物質非被覆部と集電板が接合可能な程度において、多少の凹凸や表面粗さを有する表面も含む。

　活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃがそれぞれ重なるようにして曲折することで、一見、端面４１，４２を平坦面にすることが可能に思われるが、曲折する前に何らの加工もないと、曲折するときに端面４１，４２にシワやボイド（空隙、空間）が発生して、端面４１，４２が平坦面とならない。ここで、「シワ」や「ボイド」とは曲折した活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃに偏りが生じ、端面４１，４２が平坦面とはならない部分である。このシワやボイドの発生を防止するために、貫通孔２６から放射方向に予め溝４３（例えば図４Ｂを参照）が形成されている。溝４３は端面４１，４２の外縁部２７，２８から貫通孔２６まで延在している。電極巻回体２０の中心には貫通孔２６があり、貫通孔２６はリチウムイオン電池１の組み立て工程で、溶接器具を差し込む孔として使用される。貫通孔２６の付近にある、正極２１と負極２２との巻き始めの活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃには切欠きがある。これは貫通孔２６に向かって曲折したとき貫通孔２６を塞がないようにするためである。溝４３は、活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃを曲折した後も平坦面内に残っており、溝４３の無い部分が、正極集電板２４又は負極集電板２５と接合（溶接等）されている。なお、平坦面のみならず、溝４３が集電板２４，２５の一部と接合されていてもよい。
　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。

［集電板］
　通常のリチウムイオン電池では例えば、正極と負極の一か所ずつに電流取出し用のリードが溶接されているが、これでは電池の内部抵抗が大きく、放電時にリチウムイオン電池が発熱し高温になるため、ハイレート放電には適さない。そこで、一実施の形態のリチウムイオン電池では、端面４１，４２に正極集電板２４と負極集電板２５とを配置し、端面４１，４２に存在する正極や負極の活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃと多点で溶接することで、電池の内部抵抗を低く抑えている。端面４１，４２が曲折して平坦面となっていることも低抵抗化に寄与している。

　図３Ａ及び図３Ｂに、集電板の一例を示す。図３Ａが正極集電板２４であり、図３Ｂは負極集電板２５である。正極集電板２４の材料は例えば、アルミニウムやアルミニウム合金の単体若しくは複合材でできた金属板であり、負極集電板２５の材料は例えば、ニッケル、ニッケル合金、銅や銅合金の単体若しくは複合材でできた金属板である。図３Ａに示すように、正極集電板２４の形状は平坦な扇形をした板状部３１に、矩形の帯状部３２が付いた形状になっている。板状部３１の中央付近に孔３５があいていて、孔３５の位置は貫通孔２６に対応する位置である。

　図３Ａのドットで示す部分は帯状部３２に絶縁テープが貼付されているか絶縁材料が塗布された絶縁部３２Ａであり、図面のドット部より下側の部分は外部端子を兼ねた封口板への接続部３２Ｂである。なお、貫通孔２６に金属製のセンターピン（図示せず）を備えていない電池構造の場合には帯状部３２が負極電位の部位と接触する可能性が低いため、絶縁部３２Ａが無くても良い。その場合には、正極２１と負極２２との幅を絶縁部３２Ａの厚さに相当する分だけ大きくして充放電容量を大きくすることができる。

　負極集電板２５の形状は正極集電板２４と殆ど同じ形状だが、帯状部が異なっている。図３Ｂの負極集電板の帯状部３４は、正極集電板の帯状部３２より短く、絶縁部３２Ａに相当する部分がない。帯状部３４には、複数の丸印で示される丸型の突起部（プロジェクション）３７がある。抵抗溶接時には、電流が突起部に集中し、突起部が溶けて帯状部３４が電池缶１１の底に溶接される。正極集電板２４と同様に、負極集電板２５には板状部３３の中央付近に孔３６があいていて、孔３６の位置は貫通孔２６に対応する位置である。正極集電板２４の板状部３１と負極集電板２５の板状部３３は扇形の形状をしているため、端面４１，４２の一部を覆うようになっている。全部を覆わない理由は、電池を組み立てる際に電極巻回体へ電解液を円滑に浸透させる為、あるいは電池が異常な高温状態や過充電状態になったときに発生したガスを電池外へ放出しやすくする為である。

［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、リチウム含有複合酸化物又は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。

　正極箔２１Ａの厚みは５μｍ以上、２０μｍ以下にすることが好ましい。正極箔２１Ａの厚みを５μｍ以上にすることで、正極２１と負極２２とセパレータ２３とを重ねて巻回する際に正極２１が破断することなく製造することが可能になるためである。正極箔２１Ａの厚みを２０μｍ以下にすることで、電池１のエネルギー密度の低下を防ぐことができると共に、正極２１と負極２２との対向面積が大きくなり、出力の大きい電池１にすることができるからである。

［負極］
　負極箔２２Ａの表面は、負極活物質層との密着性向上のために粗面化されていることが好ましい。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。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（ＳｉＯ_ｘ（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。

　負極箔２２Ａの厚みは５μｍ以上、２０μｍ以下にすることが好ましい。負極箔２２Ａの厚みを５μｍ以上にすることで、正極２１と負極２２とセパレータ２３とを重ねて巻回する際に負極２２が破断することなく製造することが可能になるためである。負極箔２２Ａの厚みを２０μｍ以下にすることで、電池１のエネルギー密度の低下を防ぐことができると共に、正極２１と負極２２との対向面積が大きくなり、出力の大きい電池１にすることができるからである。

［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。

　セパレータ２３の厚さは４μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。セパレータの厚さを４μｍ以上とすることで、セパレータ２３を介して対向する正極２１と負極２２との接触による内部短絡を防止できる。セパレータ２３の厚さを３０μｍ以下とすることで、リチウムイオンや電解液がセパレータ２３を通過しやすくでき、また、巻回したとき、正極２１と負極２２の電極密度を高くすることができる。

［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］
　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、中心に貫通孔２６ができるように、且つ、作製した切欠きが中心軸付近に配置されるように、渦巻き状に巻回して、図４Ａのような電極巻回体２０を作製した。

　次に、図４Ｂのように、薄い平板（例えば厚さ０．５ｍｍ）などの端を端面４１，４２に対して垂直に押し付けることで、端面４１と端面４２の一部に溝４３を作製した。この方法で貫通孔２６から放射状に延びる溝４３を作製した。図４Ｂに示される、溝４３の数や配置はあくまでも一例である。そして、図４Ｃのように、両極側から同時に同じ圧力を端面４１，４２に対して略垂直方向に加え、正極の活物質非被覆部２１Ｃと負極の活物質非被覆部２２Ｃを折り曲げて、端面４１，４２が平坦面となるように形成した。このとき、端面４１，４２にある活物質非被覆部が、中心軸に向かって曲折し重なり合うように、平板の板面などで荷重を加えた。その後、端面４１に正極集電板２４の板状部３１をレーザー溶接し、端面４２に負極集電板２５の板状部３３をレーザー溶接し、接合した。

　その後、図４Ｄのように、集電板２４，２５の帯状部３２，３４を折り曲げ、正極集電板２４と負極集電板２５に絶縁板１２，１３（又は絶縁テープ）を貼り付け、図４Ｅに示される電池缶１１内に上記のように組立てを行った電極巻回体２０を挿入し、電池缶１１の底の溶接を行った。電解液を電池缶１１内に注入後、図４Ｆのように、ガスケット１５及び電池蓋１４にて封止を行った。

　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、開回路電圧不良率、初期容量及び溶接不良率を比較し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。

　以下の全ての実施例及び比較例において、電池サイズを２１７００（直径２１ｍｍ、高さ７０ｍｍ）とし、セパレータ２３を正極の活物質被覆部２１Ｂと負極の活物質被覆部２２Ｂの全範囲を覆うように重ねた。図５Ａは、端面４１にある正極の活物質非被覆部２１Ｃを折り曲げる前の電極巻回体２０（図４Ａを参照）の部分断面図である。図５Ａに示されるように、電極巻回体２０の中心軸方向（図１のＺ軸方向）に沿っての、正極の活物質非被覆部２１Ｃがセパレータ２３の幅方向の一端から突出した部分の長さをＥとし、セパレータ２３が負極２２の幅方向の一端から突出した部分の長さをＦとした。

　セパレータ２３の厚さをｔとし、電極巻回体２０の内周部に複数層のセパレータ２３を配置し、内周部のセパレータ２３における層数をｍとし、Ｚ＝ｔ×ｍとした。ここで、内周部とは、図５Ａに示されるように、電極巻回体における正極２１及び負極２２の最内周の層より内側の部位を意味する。また、電極巻回体２０の外周部とは電極巻回体２０の周面を意味する。図６Ａは電極巻回体の一例を示す断面図であり、セパレータ２３は省略されている。図６Ｂは図６Ａの鎖線Ｌ１で囲まれた部分の拡大図である。図６Ｂには、負極２２の巻回開始側（電極巻回体の内周側）の端部から電極巻回体２０の中心軸までの一点鎖線Ｌ２が示されている。内周部のセパレータ２３の層数ｍの値は、図６Ｂに描かれた一点鎖線Ｌ２と交わるセパレータ２３の層数である。図６Ｂの例では、ｍ＝４である。

　溝４３の数を８とし、略等角間隔となるように配置した。隣り合う正極の活物質非被覆部２１Ｃの距離と隣り合う負極の活物質非被覆部２２Ｃの距離を０．２ｍｍとした。比較例３以外の実施例と比較例では、正極の活物質非被覆部２１Ｃ同士の重なりがある構造とし、比較例３では正極の活物質非被覆部２１Ｃ同士の重なりがない構造とした。

　図５Ａ及び図７Ａから図９Ａは正極の活物質非被覆部２１Ｃを折り曲げる前の電極巻回体２０（図４Ａを参照）の部分断面図であり、図５Ｂ及び図７Ｂから図９Ｂは正極の活物質非被覆部２１Ｃを折り曲げた後の電極巻回体２０（図４Ｃを参照）の部分断面図である。図の右側が電極巻回体２０の内周部側であり、図の左側が電極巻回体２０の外周部側である。特に図示していないが、図の右端のセパレータ２３のある位置の右隣にある空白部分が電極巻回体２０の貫通孔２６であり、図５Ａ～図９Ａ及び図５Ｂ～図９Ｂでは、電極巻回体の貫通孔２６より右側は省略されている。

［実施例１］
　図５Ａに示されるように、Ｅ＝４．５ｍｍ、Ｆ＝１ｍｍ、Ｅ＞Ｆとし、図５Ｂに示されるように、正極の活物質非被覆部２１Ｃを折り曲げたとき、正極の活物質非被覆部２１Ｃ同士が重なるようにした。ｔ＝１４μｍとし、ｍ＝６とし、Ｚ＝８４とした。

［比較例１］
　図７Ａに示されるように、Ｅ＝４．５ｍｍ、Ｆ＝１ｍｍ、Ｅ＞Ｆとし、図７Ｂに示されるように、正極の活物質非被覆部２１Ｃを折り曲げたとき、正極の活物質非被覆部２１Ｃ同士が重なるようにした。ｔ＝１４μｍとし、ｍ＝４とし、Ｚ＝５６とした。

［比較例２］
　図８Ａに示されるように、Ｅ＝４．５ｍｍ、Ｆ＝４．５ｍｍ、Ｅ≦Ｆとし、図８Ｂに示されるように、正極の活物質非被覆部２１Ｃを折り曲げたとき、正極の活物質非被覆部２１Ｃ同士が重なるようにした。ｔ＝１４μｍとし、ｍ＝６とし、Ｚ＝８４とした。

［比較例３］
　図９Ａに示されるように、Ｅ＝０．２ｍｍ、Ｆ＝０．１５ｍｍ、Ｅ＞Ｆとし、図９Ｂに示されるように、正極の活物質非被覆部２１Ｃを折り曲げたとき、正極の活物質非被覆部２１Ｃ同士が重ならなかった。ｔ＝１４μｍとし、ｍ＝６とし、Ｚ＝８４とした。

［評価］
　実施例１及び比較例１から比較例３の電池１について、開回路電圧不良率、初期容量と溶接不良率を求めた。開回路電圧不良率は、環境温度２５℃において、５００ｍＡで定電流定電圧充電を行い、４．２Ｖに達した直後（１時間以内）の電池１の電圧をＶ１とし、その後放置し、２週間後の電池１の電圧をＶ２としたとき、Ｖ１－Ｖ２≧５０ｍＶである電池１を開回路電圧不良とし、その数を計数して、全体に対する割合を求めたものである。初期容量は、開回路電圧不良でない電池１について、５００ｍＡの電流値で、電圧が３Ｖとなるまで定電流放電を行い、そのときの放電した電流値と時間の積として求めたものであり、実施例１の値を１００％とした。溶接不良率は、正極集電板２４と正極の活物質非被覆部２１Ｃとのレーザー溶接をして、穴あきやスパッタ等の溶接不良が生じた電池の数を計数し、全体に対する割合を求めたものである。試験数をそれぞれ２５本とした。結果を表１に示す。

［表１］

　実施例１では開回路電圧不良率が０％と低く、溶接不良率が０％と低かった。これは、図５Ｂに示されるように、Ｅが比較的大きいことから、折り曲げられた正極の活物質非被覆部２１Ｃが程よく重なり、ｍの値が比較的大きいことから、折り曲げられた正極の活物質非被覆部２１Ｃが内周部のセパレータ２３を突き破らなかったためと考えられる。比較例１では開回路電圧不良率が比較的高かった。これは、図７Ｂに示されるように、ｍの値が比較的小さいことから、折り曲げられた正極の活物質非被覆部２１Ｃが内周部のセパレータ２３を突き破って内部短絡を起こしたためと考えられる。比較例２では、初期容量が比較的低かった。これは、図８Ａ及び図８Ｂに示されるように、全ての例で同一のサイズの電池缶１１を使用していることと、Ｆの値が比較的大きいことから、正極の活物質被覆部２１Ｂの幅と負極の活物質被覆部２２Ｂの幅が他の例に比べて小さいためと考えられる。

　比較例３では開回路電圧不良率が比較的高かった。これは、図９Ｂに示されるように、折り曲げられた正極の活物質非被覆部２１Ｃ同士の重なりがないことから、正極の活物質非被覆部２１Ｃの折り曲げ時に生じる金属粉が電極巻回体２０の内部に混入したためと考えられる。さらに、比較例３では、溶接不良率が比較的高かった。これは、図９Ｂに示されるように、Ｅの値が小さいことから、正極集電板２４の厚さに対して、折り曲げられた正極の活物質非被覆部２１Ｃの厚さが十分でないためと考えられる。表１より、実施例１（Ｅ＞Ｆであり、ｍ＝６（Ｚ＝８４）で、正極の活物質非被覆部２１Ｃの重なりがある場合）では、電池１において、内部短絡が発生せず、溶接不良も発生せず、電池１の初期容量を高く保つことができると判断できる。

　次に、実施例１の電池について、ｔの値とｍの値を変えて、Ｚの値の取りうる範囲を調べた。

［実施例２］
　Ｅ＝４．５ｍｍ、Ｆ＝１ｍｍ、Ｅ＞Ｆとし、正極の活物質非被覆部２１Ｃを折り曲げたとき、正極の活物質非被覆部２１Ｃ同士が重なるようにした。ｔ＝１０μｍとし、ｍ＝８とし、Ｚ＝８０とした。

［実施例３］
　ｔ＝８μｍとし、ｍ＝１０とし、Ｚ＝８０とした以外は実施例２と同じにした。

［実施例４］
　ｔ＝１４μｍとし、ｍ＝１４とし、Ｚ＝１９６とした以外は実施例２と同じにした。

［比較例４］
　ｔ＝８μｍとし、ｍ＝８とし、Ｚ＝６４とした以外は実施例２と同じにした。

［比較例５］
　ｔ＝１２μｍとし、ｍ＝６とし、Ｚ＝７２とした以外は実施例２と同じにした。

［比較例６］
　ｔ＝２０μｍとし、ｍ＝１０とし、Ｚ＝２００とした以外は実施例２と同じにした。

［評価］
　実施例２から実施例４及び比較例４から比較例６の電池１について、上記と同様に開回路電圧不良率、初期容量と溶接不良率を求めた。同様に、試験数をそれぞれ２５本とした。結果を表２に示す。

［表２］

　実施例２から実施例４では、開回路電圧不良率が０％と低く、初期容量が１００％と高く、溶接不良率が０％と低かったのに対し、比較例４から比較例６では、初期容量が１００％と高く、溶接不良率が０％と低いが、開回路電圧不良率が４％以上と比較的高かった。このとき、実施例２から実施例４のＺの範囲は、８０以上１９６以下であった。
　表２より、８０≦Ｚ≦１９６のとき、電池１は、内部短絡が発生せず、溶接不良も発生せず、初期容量を高く保つことができると判断できる。

＜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。

　実施例及び比較例では、溝４３の数を８としていたが、これ以外の数であってもよい。電池サイズを２１７００（直径２１ｍｍ、高さ７０ｍｍ）としていたが、１８６５０（直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍ）やこれら以外のサイズであってもよい。
　正極集電板２４と負極集電板２５は、扇形の形状をした板状部３１，３３を備えていたが、それ以外の形状であってもよい。

　本発明の趣旨を逸脱しない限り、本発明は、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（例えば、ラミネート型電池、角型電池、コイン型電池、ボタン型電池）に適用することも可能である。この場合において、「電極巻回体の端面」の形状は、円筒形状のみならず、楕円形状や扁平形状なども採り得る。

＜３．応用例＞
（１）電池パック
　図１０は、本発明の実施形態又は実施例にかかる電池１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、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の正極端子３２１及び負極端子３２２は、充電器や電子機器に接続され、充放電が行われる。

　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１０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。

　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が過充電検出電圧（例えば４．２０Ｖ±０．０５Ｖ）以上若しくは過放電検出電圧（２．４Ｖ±０．１Ｖ）以下になったときに、スイッチ部３０４にＯＦＦの制御信号を送ることにより、過充電又は過放電を防止する。

　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。なお、図１０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、制御部３１０で演算された電池特性の値や、満充電容量、残容量などが記憶され、書き換えられる。

（２）電子機器
　上述した本発明の実施形態又は実施例に係る電池１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、デジタルスチルカメラ、電子書籍、音楽プレイヤー、ゲーム機、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１１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。電動ドライバ４３１の把手の下部筐体内に、本発明に係る電池パック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を構成する電池に、本発明の電池１を適用できる。

　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（図示せず）が備えられており、電池パック４３０の充放電情報が相互に通信できるようにしてもよい。モータ制御部４３５は、モータ４３３の動作を制御すると共に、過放電などの異常時にモータ４３３への電源供給を遮断することができる。

（４）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としては、本発明の電池パック３００、又は本発明の電池１を複数搭載した蓄電モジュールが適用され得る。

　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によって産み出された回転力によって、発電機６０２で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。

　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充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。

　なお、本発明に係る二次電池を小型化された一次電池に応用して、車輪６０４、６０５に内蔵された空気圧センサシステム（TPMS: Tire Pressure Monitoring system）の電源として用いることも可能である。

　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，１２・・・絶縁板，２１・・・正極，２１Ａ・・・正極箔，２１Ｂ・・・正極活物質被覆部，２１Ｃ・・・正極の活物質非被覆部，２２・・・負極，２２Ａ・・・負極箔，２２Ｂ・・・負極活物質被覆部，２２Ｃ・・・負極の活物質非被覆部，２３・・・セパレータ，２４・・・正極集電板，２５・・・負極集電板，２６・・・貫通孔，２７，２８・・・外縁部，４１，４２・・・端面，４３・・・溝

Claims

　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、中心軸の周りに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とが、電池缶に収容された二次電池であって、
　前記正極は、帯状の正極箔上に、正極活物質層が被覆された正極活物質被覆部と正極活物質非被覆部とを有し、
　前記負極は、帯状の負極箔上に、負極活物質層が被覆された負極活物質被覆部と負極活物質非被覆部とを有し、
　前記正極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の一方の端部において、前記正極集電板と接合され、
　前記負極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の他方の端部において、前記負極集電板と接合され、
　前記電極巻回体は、
　少なくとも前記正極活物質非被覆部が、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と、
　前記平坦面に形成された溝と、
　前記正極及び前記負極の最内周より内側に位置する、前記セパレータのみからなる内周部とを有し、
　前記正極活物質非被覆部が前記セパレータの幅方向の一端から突出した部分の長さＥは、前記セパレータが前記負極の幅方向の一端から突出した部分の長さＦより大きく、
　前記内周部における前記セパレータの層数をｍとし、厚さをｔとし、Ｚ＝ｔ×ｍとするとき、式（１）を満たす二次電池。
　式（１）：８０≦Ｚ≦１９６
　前記セパレータの厚さは４μｍ以上３０μｍ以下である請求項１に記載の二次電池。
　前記正極箔の厚さは５μｍ以上２０μｍ以下であり、前記負極箔の厚さは５μｍ以上２０μｍ以下である請求項１又は２に記載の二次電池。
　前記電極巻回体は、前記負極活物質非被覆部が、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と、
　前記平坦面に形成された溝とを有する、請求項１から３の何れかに記載の二次電池。
　請求項１から４の何れかに記載の二次電池を有する電子機器。
　請求項１から４の何れかに記載の二次電池を有する電動工具。