(57)【要約】【課題】  搭載性に優れるとともに、寿命が長く、十分に大きい出力が得られる２次電池を提供する。【解決手段】  電池セルは、正極集電タブが設けられる端辺２１ｍと、端辺２１ｍに対向する端辺２１ｎとを有する正極シート２１と、負極集電タブが設けられる端辺２６ｍと、端辺２６ｍに対向する端辺２６ｎとを有する負極シート２６とを備える。正極シート２１および負極シート２６は、端辺２１ｍから端辺２１ｎに向かう方向と、端辺２６ｍから端辺２６ｎに向かう方向とが、互いに反対方向になるように積層された状態で巻回される。正極シート２１は、端辺２１ｎから端辺２１ｍに向かうに従って厚みが大きくなるように形成されている。負極シート２６は、端辺２６ｎから端辺２６ｍに向かうに従って厚みが大きくなるように形成されている。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極端子が設けられる第１の端辺と、前記第１の端辺に対向する第２の端辺とを有する正極シートと、
負極端子が設けられる第３の端辺と、前記第３の端辺に対向する第４の端辺とを有する負極シートとを備え、
前記正極シートおよび前記負極シートは、前記第１の端辺から前記第２の端辺に向かう方向と、前記第３の端辺から前記第４の端辺に向かう方向とが、互いに反対方向になるように積層された状態で巻回され、
前記正極シートは、前記第２の端辺から前記第１の端辺に向かうに従って厚みが大きくなるように形成されており、前記負極シートは、前記第４の端辺から前記第３の端辺に向かうに従って厚みが大きくなるように形成されている、２次電池。
【請求項２】
前記正極シートおよび前記負極シートは、前記第１の端辺と前記第２の端辺との間で前記正極シートの厚みが変化する割合と、前記第３の端辺と前記第４の端辺との間で前記負極シートの厚みが変化する割合とが、ほぼ等しくなるように形成されている、請求項１に記載の２次電池。
【請求項３】
前記正極シートおよび前記負極シートの表面には、活物質層が形成されており、
前記活物質層は、前記表面上でほぼ均一な厚みを有する、請求項１または２に記載の２次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、２次電池に関し、より特定的には、積層した正極シートおよび負極シートを、スパイラル状に巻回することによって形成される２次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の２次電池に関して、たとえば、特開平９−１９９１７７号公報には、充填率が高く、高容量かつエネルギ密度の高い特性を得ることを目的とした２次電池が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された２次電池は、集電体と、集電体の表面に塗布された電極材料とからなる正極シートおよび負極シートを備える。集電体の端部には、リードが取り付けられている。正極シートおよび負極シートの少なくともひとつの電極シートの集電体は、電極シートの長さ方向に沿って、リードに近いほど厚みが大きくなるように形成されている。電極材料は、電極シートの長さ方向に沿って、リードに近いほど厚みが小さくなるように形成されている。
【０００３】
また、特開２００４−３１２７０号公報には、セルの電圧を検出する検出線を一方側に集中させることを目的とした両タブ型セルが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された両タブ型セルは、セル外装体から互いに反対方向に伸延する正極タブおよび負極タブを有する。
【特許文献１】特開平９−１９９１７７号公報
【特許文献２】特開２００４−３１２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セパレータを介して積層した正極シートおよび負極シートを、スパイラル状に巻き込んで形成した、いわゆる巻回型の２次電池が知られている。このタイプの２次電池では、正極シートおよび負極シートに流れる電流量が、正極端子および負極端子に近い位置で増大する。このため、正極端子および負極端子の近傍で電位降下が大きくなり、電池から十分な出力が取り出せないおそれが生じる。また、正極シートおよび負極シートの表面に形成された活物質の利用率に変化が生じ、活物質が局所的に早く劣化するおそれが生じる。
【０００５】
また、巻回型の２次電池では、正極シートおよび負極シートからなる積層体の厚みが不均一であると、その積層体をスパイラル状に巻回した時に２次電池が歪な形状に仕上がってしまう。この場合、２次電池を複数、組み合わせて電池モジュールとした際に、電池モジュールが大型化し、搭載性が悪化するおそれが生じる。
【０００６】
一方、上述の特許文献１では、電極材料（活物質）が、リードに近いほど厚みが小さくなるように形成されている。しかしながら、この場合、電極材料の厚みが小さく形成されている位置で、電流が集中して流れ、電極材料の利用率が高くなる。このため、電極材料がリードに近い位置で早く劣化し、２次電池の寿命が短くなるおそれが生じる。
【０００７】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、搭載性に優れるとともに、寿命が長く、十分に大きい出力が得られる２次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に従った２次電池は、正極端子が設けられる第１の端辺と、第１の端辺に対向する第２の端辺とを有する正極シートと、負極端子が設けられる第３の端辺と、第３の端辺に対向する第４の端辺とを有する負極シートとを備える。正極シートおよび負極シートは、第１の端辺から第２の端辺に向かう方向と、第３の端辺から第４の端辺に向かう方向とが、互いに反対方向になるように積層された状態で巻回される。正極シートは、第２の端辺から第１の端辺に向かうに従って厚みが大きくなるように形成されている。負極シートは、第４の端辺から第３の端辺に向かうに従って厚みが大きくなるように形成されている。
【０００９】
なお、正極シートおよび負極シートの厚みとは、正極シートおよび負極シートの積層方向における正極シートおよび負極シートの長さを意味する。
【００１０】
このように構成された２次電池によれば、正極シートでは、電流が集中して流れる第１の端辺の近傍で、第２の端辺の近傍と比較して抵抗が小さくなり、負極シートでは、電流が集中して流れる第３の端辺の近傍で、第４の端辺の近傍と比較して抵抗が小さくなる。このため、第１および第３の端辺の近傍で生じる電位降下を抑制し、より大きい出力が得られる２次電池を実現することができる。また、正極シートおよび負極シートが局所的に劣化することを防止して、２次電池の寿命を長くできる。
【００１１】
また、正極シートおよび負極シートは、正極シートで厚みが相対的に大きくなる第１の端辺と、負極シートで厚みが相対的に小さくなる第４の端辺とが同じ側に位置し、正極シートで厚みが相対的に小さくなる第２の端辺と、負極シートで厚みが相対的に大きくなる第３の端辺とが同じ側に位置するように、積層される。このため、正極シートおよび負極シートからなる積層体の厚みが、正極端子と負極端子との間で大きく変化するということがない。これにより、積層体を巻回して得られる２次電池の形状が、歪になることを防止し、２次電池の搭載性を向上させることができる。
【００１２】
また好ましくは、正極シートおよび負極シートは、第１の端辺と第２の端辺との間で正極シートの厚みが変化する割合と、第３の端辺と第４の端辺との間で負極シートの厚みが変化する割合とが、ほぼ等しくなるように形成されている。このように構成された２次電池によれば、正極シートおよび負極シートからなる積層体の厚みを、正極端子と負極端子との間で、より均一にできる。
【００１３】
また好ましくは、正極シートおよび負極シートの表面には、活物質層が形成されている。活物質層は、その表面上でほぼ均一な厚みを有する。このように構成された２次電池によれば、電流が集中して流れる第１および第３の端辺の近傍において、活物質層が局所的に劣化することを抑制できる。これにより、２次電池の寿命が短くなることを防止できる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、この発明によれば、搭載性に優れるとともに、寿命が長く、十分に大きい出力が得られる２次電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、この発明の実施の形態における電池セルを示す斜視図である。図中に示す電池セルは、複数個が直列に組み合わされて組電池とされる。その組電池は、ハイブリッド自動車に搭載され、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関とともに、ハイブリッド自動車の動力源となる。
【００１７】
図１を参照して、電池セル１０は、リチウムイオン２次電池から構成されている。電池セル１０は、正極シート２１および負極シート２６が重ね合わされた電極体２０を備える。正極シート２１には、正極集電タブ１１が接続されており、負極シート２６には、負極集電タブ１２が接続されている。
【００１８】
図２は、図１中の電極体の分解組立図である。図２を参照して、電極体２０は、正極シート２１、負極シート２６および２枚のセパレータ３０が、正極シート２１、セパレータ３０、負極シート２６、セパレータ３０の順に重ね合わされて形成されている。正極シート２１および負極シート２６は、矢印１０２に示す方向（以下、たんに積層方向とも呼ぶ）に重ね合わされている。
【００１９】
図３は、図２中の正極シートを詳細に示す斜視図である。図中では、正極シートの長手方向の一部が示されている。図２および図３を参照して、正極シート２１は、略矩形形状を有するアルミニウム箔から形成されている。正極シート２１は、略矩形形状の長手方向に延びる一対の端辺２１ｍおよび２１ｎを有する。端辺２１ｍと端辺２１ｎとは、略矩形形状の短手方向に距離を隔てて、互いに平行に延びている。
【００２０】
正極シート２１は、表面２１ａと、表面２１ａの裏側に位置する表面２１ｂとを有する。表面２１ａおよび２１ｂには、正極活物質を含有するペースト２２が塗布されている。正極活物質としては、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ3等、リチウムイオン２次電池に用いられる正極活物質の１種もしくは２種以上を特に限定することなく使用できる。表面２１ａおよび２１ｂには、ペースト２２が塗布されていないペースト未塗布部２３が、端辺２１ｍに沿って帯状に延びて形成されている。
【００２１】
積層方向における正極シート２１の長さを、正極シート２１の厚みと呼んだ場合に、正極シート２１は、端辺２１ｎから端辺２１ｍに向かうに従って、厚みが大きくなるように形成されている。正極シート２１は、端辺２１ｎに位置して、厚みｄ１を有し、端辺２１ｍに位置して、厚みｄ１よりも大きい厚みｄ２を有する。正極シート２１の厚みｄは、厚みｄ１から厚みｄ２まで、一定の割合で増大している。表面２１ａは、積層方向に直交する表面２１ｂに対して、傾斜して延在している。このような構成により、端辺２１ｍと端辺２１ｎとを結ぶ方向に直交する平面で切断した場合の正極シート２１の断面積は、端辺２１ｎから端辺２１ｍに向かうに従って大きくなる。
【００２２】
図４は、図２中の負極シートを詳細に示す斜視図である。図中では、負極シートの長手方向の一部が示されている。図２および図４を参照して、負極シート２６は、略矩形形状を有する銅箔から形成されている。負極シート２６は、略矩形形状の長手方向に延びる一対の端辺２６ｍおよび２６ｎを有する。端辺２６ｍと端辺２６ｎとは、略矩形形状の短手方向に距離を隔てて、互いに平行に延びている。
【００２３】
負極シート２６は、表面２６ａと、表面２６ａの裏側に位置する表面２６ｂとを有する。表面２６ａおよび２６ｂには、負極活物質を含有するペースト２７が塗布されている。負極活物質としては、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン等、リチウムイオン２次電池に用いられる負極活物質の１種もしくは２種以上を特に限定することなく使用できる。表面２６ａおよび２６ｂには、ペースト２７が塗布されていないペースト未塗布部２８が、端辺２６ｍに沿って帯状に延びて形成されている。
【００２４】
負極シート２６は、端辺２６ｎから端辺２６ｍに向かうに従って、厚みが大きくなるように形成されている。負極シート２６は、端辺２６ｎに位置して、厚みｄ１を有し、端辺２６ｍに位置して、厚みｄ１よりも大きい厚みｄ２を有する。負極シート２６の厚みｄは、厚みｄ１から厚みｄ２まで、一定の割合で増大している。表面２６ａは、積層方向に直交する表面２６ｂに対して、傾斜して延在している。このような構成により、端辺２６ｍと端辺２６ｎとを結ぶ方向に直交する平面で切断した場合の負極シート２６の断面積は、端辺２６ｎから端辺２６ｍに向かうに従って大きくなる。
【００２５】
本実施の形態では、正極シート２１と負極シート２６とが、厚みを含めて同一形状を有する。
【００２６】
なお、正極シート２１および負極シート２６の厚みを変化させる方法としては、特に限定されないが、たとえば、常温もしくは加温条件下で、圧力を変化させながらシート材料を圧延する方法が挙げられる。
【００２７】
図５は、図１中の正極シートおよび負極シートからなる積層体の断面図である。図中には、図２中のＶ−Ｖ線上に沿った位置に相当する積層体の断面形状が示されている。図２および図５を参照して、セパレータ３０は、短手方向の長さが正極シート２１および負極シート２６よりも小さく形成された略矩形形状を有する。セパレータ３０は、均一な厚みを有する。セパレータ３０としては、たとえば、多孔質のポリプロピレン樹脂シートを使用することができる。ペースト２２は、表面２１ａおよび２１ｂ上で均一な厚みを有する。ペースト２７は、表面２６ａおよび２６ｂ上で均一な厚みを有する。
【００２８】
正極シート２１および負極シート２６は、端辺２１ｍから端辺２１ｎに向かう方向と、端辺２６ｍから端辺２６ｎに向かう方向とが、互いに反対方向になるように重ね合わされている。正極シート２１および負極シート２６は、表面２１ａと表面２６ａとが向い合うように重ね合わされている。このとき、正極シート２１にペースト２２が塗布された領域と、負極シート２６にペースト２７が塗布された領域とが、セパレータ３０を介して向い合う。また、正極シート２１のペースト未塗布部２３が、セパレータ３０の長手方向に延びる一方の端辺から露出し、負極シート２６のペースト未塗布部２８が、セパレータ３０の長手方向に延びる他方の端辺から露出する。
【００２９】
本実施の形態では、厚みｄ２を有する端辺２１ｍと、厚みｄ１を有する端辺２６ｎとが同じ側に位置し、厚みｄ１を有する端辺２１ｎと、厚みｄ２を有する端辺２６ｍとが同じ側に位置するように、正極シート２１および負極シート２６が重ね合わされている。また、セパレータ３０ならびにペースト２２および２７は、均一な厚みに形成されている。このため、電極体２０を構成する積層体は、正極シート２１および負極シート２６が重ね合わされた位置で、均一な厚みを有する。
【００３０】
図１を参照して、電極体２０は、正極シート２１および負極シート２６からなる積層体が、中心軸１０１を中心にスパイラル状に巻回されることによって形成されている。中心軸１０１は、端辺２１ｍと端辺２１ｎとが隔てる方向もしくは端辺２６ｍと端辺２６ｎとが隔てる方向に延びている。積層体は、中心軸１０１に直交する平面で切断した場合の断面形状が、長円となるように巻回されている。なお、積層体の断面形状は、長円に限定されず、たとえば、円形や楕円形であっても良い。
【００３１】
中心軸１０１に沿った方向に隔てた電極体２０の両端では、それぞれ、ペースト未塗布部２３およびペースト未塗布部２８が、中心軸１０１を中心とした半径方向に多層に重なっている。電極体２０には、リチウム塩を有機溶媒に溶かした有機電解質が含浸させられている。
【００３２】
正極集電タブ１１は、多層に重なったペースト未塗布部２３を挟持した状態で溶着されることによって、正極シート２１に接続されている。負極集電タブ１２は、多層に重なったペースト未塗布部２８を挟持した状態で溶着されることによって、負極シート２６に接続されている。正極集電タブ１１および負極集電タブ１２は、電極体２０から互いに反対方向に延びるように、それぞれ正極シート２１および負極シート２６に接続されている。正極集電タブ１１は、たとえば、アルミニウムから形成されており、負極集電タブ１２は、たとえば、銅から形成されている。
【００３３】
なお、図１中には図示されていないが、電極体２０は、ラミネート外装体によって覆われる。このラミネート外装体としては、たとえば、アルミニウムからなる基材にポリエチレンテレフタラート樹脂（ＰＥＴ：poly ethylene terephthalate）が被膜されたものが使用される。また、ラミネート外装体に替えて、金属製のケース体を用いても良い。
【００３４】
本実施の形態では、電極体２０を構成する積層体が、正極集電タブ１１が接続される位置と負極集電タブ１２が接続される位置との間で、均一な厚みで形成されている。電極体２０は、このような積層体を中心軸１０１を中心に巻回して形成されるため、電池セル１０を、中心軸１０１に沿って一様な長円形の断面を有する円柱形状に仕上げることができる。
【００３５】
図３および図４を参照して、電池セル１０の放電時、正極シート２１では、電流が端辺２１ｎから端辺２１ｍに向かい、端辺２１ｍから正極集電タブ１１に流れ込む。この間、ペースト２２に含まれる正極活物質からリチウムイオンが供給されるため、端辺２１ｎから端辺２１ｍに近づくに従って、正極シート２１に流れる電流量が増大する。一方、負極シート２６では、電流が負極集電タブ１２から端辺２６ｍに流れ込み、端辺２６ｍから端辺２６ｎに向かう。この間、ペースト２７に含まれる負極活物質に向けてリチウムイオンを放出するため、端辺２６ｍから端辺２１ｎに近づくに従って、負極シート２６に流れる電流量が減少する。つまり、正極シート２１および負極シート２６では、正極集電タブ１１および負極集電タブ１２がそれぞれ接続された端辺２１ｍおよび２６ｍで、電流が集中して流れる。
【００３６】
本実施の形態では、この電流が集中して流れる端辺２１ｍおよび２６ｍに近づくに従って、正極シート２１および負極シート２６の断面積が大きくなるように形成されている。このため、電流が集中して流れる位置で、正極シート２１および負極シート２６の抵抗が小さくなる。これにより、端辺２１ｍおよび２６ｍの近傍で生じる電位降下を小さく抑えることができる。
【００３７】
また、ペースト２２および２７は、正極シート２１および負極シート２６の表面上で均一な厚みを有する。このため、端辺２１ｍおよび２６ｍの近傍で、ペースト２２および２７の厚みを確保することができ、ペースト２２および２７に含まれる活物質が、局所的に劣化することを防止できる。
【００３８】
この発明の実施の形態における２次電池としての電池セル１０は、正極端子としての正極集電タブ１１が設けられる第１の端辺としての端辺２１ｍと、端辺２１ｍに対向する第２の端辺としての端辺２１ｎとを有する正極シート２１と、負極端子としての負極集電タブ１２が設けられる第３の端辺としての端辺２６ｍと、端辺２６ｍに対向する第４の端辺としての端辺２６ｎとを有する負極シート２６とを備える。正極シート２１および負極シート２６は、端辺２１ｍから端辺２１ｎに向かう方向と、端辺２６ｍから端辺２６ｎに向かう方向とが、互いに反対方向になるように積層された状態で巻回される。正極シート２１は、端辺２１ｎから端辺２１ｍに向かうに従って厚みが大きくなるように形成されている。負極シート２６は、端辺２６ｎから端辺２６ｍに向かうに従って厚みが大きくなるように形成されている。
【００３９】
このように構成された、この発明の実施の形態における電池セル１０によれば、電池セル１０を、軸方向に断面形状が変化しない円柱形状に形成することができる。このため、電池セル１０を複数、組み合わせて組電池とした場合に、より小さいスペースに数多くの電池セル１０を配列することができる。これにより、組電池の小型化を図ることができ、ハイブリッド自動車に対する電池セル１０の搭載性を向上させることができる。また同時に、正極シート２１および負極シート２６の端辺２１ｍおよび２６ｍの近傍で生じる電位降下を小さく抑えることができるため、電池セル１０の出力を向上させることができる。また、ペースト２２および２７に含まれる活物質の局所的な劣化を抑制して、電池セル１０の寿命が短くなることを防止できる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、リチウムイオン電池から構成された電池セル１０を用いて、本発明を説明したが、正極シートおよび負極シートの積層体がスパイラル状に巻回された２次電池であれば、特に限定されるものではない。
【００４１】
続いて、本実施の形態における電池セル１０による効果を確認するために行なった実施例について、説明を行なう。
【００４２】
図３を参照して、正極シート２１において、端辺２１ｎの電位を０（Ｖ）に設定した場合に、端辺２１ｎから端辺２１ｍに向かう各位置の電位をシミュレーションにより求めた。計算条件として、端辺２１ｍと端辺２１ｎとの間の長さを、２０ｍｍとし、ｄ１を０ｍｍ、ｄ２を１ｍｍとした。また比較のため、端辺２１ｍと端辺２１ｎとの間で、一定の厚み０．５ｍｍを有する正極シートについても、同様のシミュレーションを行なった。
【００４３】
図６は、正極シートの各位置の電位を示すグラフである。図中では、端辺２１ｎが設けられた位置を基準に、端辺２１ｎから端辺２１ｍに向かう方向の正極シート２１の長さが、Ｘで表わされている。本実施の形態における正極シート２１の結果が、曲線５１によって表わされており、比較のための正極シートの結果が、曲線５２によって表わされている。図６を参照して、比較のための正極シートと比べて、本実施の形態における正極シート２１によれば、電流が集中して流れる端辺２１ｍの近傍において、電位降下を１割程度、抑制できることを確認できた。
【００４４】
次に、上述の条件において、最厚部である端辺２１ｍの厚みｄ２を、１ｍｍに固定し、最薄部である端辺２１ｎの厚みｄ１を、０ｍｍから１ｍｍまで変化させた場合に端辺２１ｍで得られる電位φ２を、シミュレーションにより求めた。上述の比較のための正極シートにおいて端辺２１ｍで得られる電位をφ１として、電位差比（φ１−φ２）／φ１を算出した。
【００４５】
図７は、最厚部に対する最薄部の比（ｄ１／ｄ２）と、電位差比（φ１−φ２）／φ１との関係を示すグラフである。図７を参照して、本シミュレーションの条件では、最厚部に対する最薄部の比（ｄ１／ｄ２）が、０．２８以上０．４８以下の時に、電位降下を抑制する効果が大きく得られることを確認できた。また、ｄ１／ｄ２が、０．３６の時に、電位降下を抑制する効果が最も大きく得られることを確認できた。
【００４６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の実施の形態における電池セルを示す斜視図である。
【図２】図１中の電極体の分解組立図である。
【図３】図２中の正極シートを詳細に示す斜視図である。
【図４】図２中の負極シートを詳細に示す斜視図である。
【図５】図１中の正極シートおよび負極シートからなる積層体の断面図である。
【図６】正極シートの各位置の電位を示すグラフである。
【図７】最厚部に対する最薄部の比（ｄ１／ｄ２）と、電位差比（φ１−φ２）／φ１との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１０  電池セル、１１  正極集電タブ、１２  負極集電タブ、２１  正極シート、２１ｍ，２１ｎ，２６ｍ，２６ｎ  端辺、２２，２７  ペースト、２６  負極シート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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