(57)【要約】【課題】過充電耐性に優れた単斜晶系β型チタン複合酸化物を負極活物質として用い、過充電サイクルおよび過充電時の安全性を高めた非水電解質電池を提供する。【解決手段】外装材と、  前記外装材内に収納され、正極活物質を含む正極と、  前記外装材内に収納され、単斜晶系β型チタン複合酸化物を含む負極と、  前記外装材内に充填された非水電解質と、を具備した非水電解質電池であって、  前記非水電解質電池は、正極および負極の電位のＯＣＰ（open-circuit potential）曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きいことを特徴とする非水電解質電池。【選択図】    図１
2011044312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装材と、
前記外装材内に収納され、正極活物質を含む正極と、
前記外装材内に収納され、単斜晶系β型チタン複合酸化物を含む負極と、
前記外装材内に充填された非水電解質と、
を具備した非水電解質電池であって、
前記非水電解質電池は、正極および負極の電位のＯＣＰ（open-circuit potential）曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きいことを特徴とする非水電解質電池。
【請求項２】
満充電状態における前記負極の開回路電位が１．４８Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ＋以下であることを特徴とする請求項１記載の非水電解質電池。
【請求項３】
前記正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物であることを特徴とする請求項１または２記載の非水電解質電池。
【請求項４】
前記リチウム遷移金属酸化物は、層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物あることを特徴とする請求項３記載の非水電解質電池。
【請求項５】
前記単斜晶系β型チタン複合酸化物は、平均一次粒子径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか項記載の非水電解質電池。
【請求項６】
前記単斜晶系β型チタン複合酸化物は、比表面積が５〜１００ｍ2／ｇであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の非水電解質電池。
【請求項７】
前記外装材は、厚さ１ｍｍ以下のラミネートフィルムから形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の非水電解質電池。
【請求項８】
請求項１または２記載の非水電解質電池を複数備え、各々の電池が直列、並列または直列および並列に電気的に接続されることを特徴とする電池パック。
【請求項９】
各々の非水電解質電池の電圧が検知可能な保護回路をさらに備えることを特徴とする請求項８記載の電池パック。
【請求項１０】
請求項８または９記載の電池パックが積載されることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解質電池およびこの非水電解質電池を備えた電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｌｉイオンが負極と正極とを移動することにより充放電が行われる非水電解質電池は、高エネルギー密度電池として盛んに研究開発が進められている。非水電解質電池には、その用途により様々な特性が望まれる。例えば、ハイブリッド電気自動車等の車載用や電子機器の非常用では、高温環境下におけるサイクル特性が望まれる。
【０００３】
現在、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を用い、負極活物質として炭素質物を用いる非水電解質電池が一般的である。
【０００４】
近年、炭素質物に代わる負極活物質として、Ｌｉ吸蔵放出電位が１．５５Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+であるスピネル型リチウムチタン複合酸化物（組成式Ｌｉ4+xＴｉ5Ｏ12（０≦ｘ≦３）を用いた非水電解質電池が提案されている（特許文献１）。リチウムチタン複合酸化物は、充放電に伴う体積変化が少ないため、サイクル特性に優れる。
【０００５】
スピネル型のリチウムチタン複合酸化物は、理論容量が１７５ｍＡｈ／ｇで、炭素質物に比べて小さく、電池容量が小さくなり易い。このため、単斜晶系β型チタン複合酸化物（ＴｉＯ2（Ｂ））はより高容量化が見込めるチタン系負極として注目されている。（特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１９９１７９号公報
【特許文献２】特開２００８−３４３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、過充電耐性に優れた単斜晶系β型チタン複合酸化物を負極活物質として用い、過充電サイクルおよび過充電時の安全性を高めた非水電解質電池、この非水電解質電池を複数備えた電池パック、並びにこの電池パックが積載される車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１側面によると、外装材と、
前記外装材内に収納され、正極活物質を含む正極と、
前記外装材内に収納され、単斜晶系β型チタン複合酸化物を含む負極と、
前記外装材内に充填された非水電解質と、
を具備した非水電解質電池であって、
前記非水電解質電池は、正極および負極の電位のＯＣＰ（open-circuit potential）曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きいことを特徴とする非水電解質電池が提供される。
【０００９】
本発明の第２側面によると、前記第１側面の非水電解質電池を複数備え、各々の電池が直列、並列または直列および並列に電気的に接続されることを特徴とする電池パックが提供される。
【００１０】
本発明の第３側面によると、前記第２側面の電池パックが積載されることを特徴とする車両が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、過充電耐性に優れた単斜晶系β型チタン複合酸化物を用い、過充電サイクルおよび過充電時の安全性を高めた非水電解質電池、この非水電解質電池を複数備えた電池パック、並びにこの電池パックが積載される車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係わる非水電解質電池の一例を示す断面模式図である。
【図２】図１のＡ部の拡大断面図である。
【図３】実施形態に係る別の非水電解質電池を模式的に示す部分切欠斜視図である。
【図４】図３のＢ部の拡大断面図である。
【図５】実施形態に係る非水電解質電池で使用される積層構造の電極群を示す斜視図である。
【図６】実施形態に係る電池パックの分解斜視図である。
【図７】実施形態に係る電池パックの電気回路を示すブロック図である。
【図８】実施形態に係るシリーズハイブリッド自動車を示す模式図である。
【図９】実施形態に係るパラレルハイブリッド自動車を示す模式図である。
【図１０】実施形態に係るシリーズ・パラレルハイブリッド自動車を示す模式図である。
【図１１】実施形態に係る自動車を示す模式図である。
【図１２】実施形態に係るハイブリッドバイクを示す模式図である。
【図１３】実施形態に係る電動バイクを示す模式図である。
【図１４】正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きおよび満充電状態に至る正極電位の傾きを示す図である。
【図１５】典型的な単斜晶β型チタン複合酸化物（ＴｉＯ２（Ｂ））における対極をリチウムとしたときの充電（リチウム吸蔵時）曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施形態に係る非水電解質電池は、外装材と、外装材内に収納され、正極活物質を含む正極と、外装材内に収納され、単斜晶系β型チタン複合酸化物を含む負極と、外装材内に収容された非水電解質とを具備する。非水電解質電池は、正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きい。
【００１４】
炭素を活物質として含む負極を用いた非水電解質電池は、性能低下に繋がる負極へのリチウム金属の析出を抑制するために、正極容量に対して負極容量を大きく設計している。
【００１５】
一方、単斜晶系β型チタン複合酸化物を負極活物質、リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質、として用いた非水電解質電池において、同様な設計を行なうと、サイクル特性が低く、特に過充電時の性能が著しく低下する。
【００１６】
すなわち、正極容量に対して負極容量を大きく設計した非水電解質電池において、正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値と満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値とを対比すると、満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値より大きくなる。このような電池が過充電されると、正極電位の傾きの大きさに追従して負極電位の降下が少なく、正極電位の上昇が支配的になる。
【００１７】
単斜晶系β型チタン複合酸化物は、過充電状態においても構造安定性が高く、過充電サイクル劣化を起こし難い。これに対し、正極活物質はＬｉＮｉＯ2およびＬｉ（Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ）Ｏ2の層状化合物に代表されるように過充電状態の構造安定性に乏しい。このため、過充電されたときに正極電位の上昇が支配的になると、構造変化を生じて、過充電サイクル性能を著しく低下させる。
【００１８】
このようなことから、図１４に示すように正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きくすることによって、電池が過充電されたときに負極電位の傾きの大きさに追従して正極電位の上昇が少なく、負極電位の降下が支配的になる。前述したように負極活物質である単斜晶系β型チタン複合酸化物は、過充電状態においても構造安定性が高く、過充電サイクル劣化を起こし難いため、過充電サイクル性能を向上させることが可能になる。同時に、過充電に対する安全性も向上できる。
【００１９】
放電状態とした電池をアルゴン雰囲気のような不活性雰囲気で速やかに解体し、電極群中央部から負極、及び正極が同じ面積になるように（例えば、２０ｍｍ×２０ｍｍ）それぞれを切り出す。切り出した電極について、活物質層が集電体の両面に塗布されている場合には、片面の活物質層を剥ぎ取り、測定用電極とする。参照電極に金属リチウムを、セパレータにグラスフィルター（或いはポリエチレン製の多孔質フィルム）、電解質にはエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比１：２の混合溶媒に１ＭのＬｉＰＦ6を溶解させた非水電解液を用いる。切り出した負極と正極を活物質層全面が対向するようにセパレータを介して重ね合わせ、参照電極（金属リチウム）を配置して、３極式ガラスセルを組み上げ、例えば減圧含浸を行なってセパレータおよび電極に非水電解液を充分に浸透させる。定電流（例えば、０．１Ｃ）で一定時間（例えば電極容量５％）充電して、充電後６時間放置して開回路電位を測定する。これらの動作は、温度２５℃の環境下で行う。この操作を繰り返すことで、開回路電位（ＯＣＰ）曲線を得ることができる。特に、満充電状態に至る充電末期には、電極容量の１％刻みで測定する。
【００２０】
ここで、「１Ｃ」とは電池を１時間で放電しきるに要する電流値であり、便宜的には電池の公称容量の数値を１Ｃ電流値と置き換えることができる。従って０．１Ｃは公称容量を１０時間で放電しきるに要する電流値ということになる。
【００２１】
「満充電状態」とは、例えば日本蓄電池工業会（電池工業会）の定めた指針の一つである「リチウム二次電池安全性評価基準ガイドライン」（ＳＢＡ  Ｇ１１０１−１９９７）に記載され定義される「完全充電」と同一の意味を有するものである。換言すれば、各電池の公称容量を求める際に用いた充電方法、標準充電方法、もしくは推奨充電方法を用いて充電した後の状態を指す。
【００２２】
「満充電状態に至る」とは、満充電状態の正極および負極の容量をそれぞれ１００％としたとき、正極および負極の容量がそれぞれ９９％から１００％になる過程を意味する。
【００２３】
特に、単斜晶系β型チタン複合酸化物を活物質として含む負極を備えた非水電解質電池において、満充電状態における負極の開回路電位が１．４８Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+以下になるように設計することによって、過充電サイクル性能を飛躍的に向上させることが可能になる。同時に、過充電に対する安全性も格段に向上できる。
【００２４】
すなわち、単斜晶系β型チタン複合酸化物はリチウムイオンの吸蔵反応過程（充電過程）において、図１５に示すようにその開回路電位は２Ｖ〜１．５Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+の範囲で緩やかに低下し、１．５Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+から急峻に低下する。
【００２５】
満充電状態における負極の開回路電位が１．４８Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+以下になるように設計された電池は、図１５の説明から満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が急峻、つまり極めて大きくなることを意味する。その結果、正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より著しく大きくすることが可能になる。その結果、電池が過充電されたときに負極電位の傾きの大きさに追従して正極電位の上昇が少なく、負極電位の降下が支配的になる。前述したように負極活物質である単斜晶系β型チタン複合酸化物は、過充電状態においても構造安定性が高く、過充電サイクル劣化を起こし難いため、過充電サイクル性能を飛躍的に向上させることが可能となる。同時に、過充電に対する安全性も格段に向上できる。
【００２６】
このような電池の構成、すなわち正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きくし、かつ満充電状態における負極の開回路電位が１．４８Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+以下に設計された電池の構成は、正極・負極の単位面積当りの電気容量を測定し、正極・負極の塗布量を調整して単位面積当りの電気容量を制御することによって実現できる。
【００２７】
例えば、負極にＴｉＯ2（Ｂ）、正極にＬｉＣｏＯ2を用いた場合、以下のように設計できる。
【００２８】
片面のみにそれぞれ塗布した正極および負極を所定サイズ（例えば、２×２ｃｍ）に打ち抜き、対極および参照極にそれぞれリチウム金属を用いてガラスセルを作製する。このガラスセルに対して２５℃環境下において、正極・負極の単位面積当りの電気容量を求める。
【００２９】
負極のＴｉＯ2（Ｂ）に対しては、０．１Ｃ，１．０Ｖの定電流−定電圧充電を２４時間行い、その電気容量を求める。正極のＬｉＣｏＯ2に対しては、０．１Ｃ，４．３Ｖの定電流−定電圧充電を２４時間行い、その電気容量を求める。
【００３０】
求められた単位面積当たりの電気容量が１：１となる塗布量を基準にし、どちらか一方を固定し、他方の塗布量を変化させることで、負極の開回路電位を制御することが可能になる。
【００３１】
なお、正極は充放電の可逆性および安全性の観点から適正な充電電位が選定されるため、正極活物質の種類によって、充電電位を適正に選択する必要がある。
【００３２】
以下、非水電解質電池の構成部材である外装材、負極、正極、非水電解質およびセパレータについて詳細に説明する。
【００３３】
１）外装材
外装材は、厚さ０．５ｍｍ以下のラミネートフィルムから形成される。また、外装材は厚さ１．０ｍｍ以下の金属製容器が用いられる。金属製容器は、厚さ０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００３４】
外装材の形状は、例えば扁平型（薄型）、角型、円筒型、コイン型、ボタン型が挙げられる。外装材は、電池寸法に応じて、例えば携帯用電子機器等に積載される小型電池用外装材、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池用外装材が用いられる。
【００３５】
ラミネートフィルムは、樹脂層間に金属層を介在した多層フィルムが用いられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂層は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装材の形状に成形することができる。
【００３６】
金属製容器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られる。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属が含む場合、その量は１００重量ｐｐｍ以下にすることが好ましい。
【００３７】
２）負極
負極は、集電体と、この集電体の片面または両面に形成され、活物質、導電剤および結着剤を含む負極層とを備える。
【００３８】
前記活物質は、単斜晶系β型チタン複合酸化物を含む。単斜晶系β型チタン複合酸化物は、ＴｉＯ2（Ｂ）と称され、組成式ＬｉxＴｉＯ2（ｘは充放電反応により変化する値で、０≦ｘ≦１）で表すことができる。
【００３９】
単斜晶系β型チタン複合酸化物は、高い結晶性を有することが好ましい。結晶性が高いほど、１．５Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+以下の電圧変化が急峻となるため、前述した過充電サイクル性能をより向上でき、同時に、過充電に対する安全性もより向上できる。結晶性の高さは、広角Ｘ線回折測定を実施した際、２θが４８〜４９°に存在するピークメインピークから算出される結晶子径で代表させることができる。好ましい結晶子径は、２０ｎｍ以上である。結晶子径は、例えば以下の方法で算出することできる。
【００４０】
単斜晶系β型チタン複合酸化物を粉砕して得られた粉末（試料）は、ガラス試料板の深さ０．２ｍｍのホルダ内に充填する。外部からガラス板を使い、指で数十ＭＰａ〜数百ＭＰａの圧力にて押し付けてガラス試料板に充填された試料表面を平滑化にする。このとき、試料が十分にホルダ部分に充填されるように留意し、試料の充填不足（ひび割れ、空隙）のないように注意する。試料量はガラスホルダの深さ（０．２ｍｍ）と均等となるように充填し、充填量の過不足により、ガラスホルダの基準面より凹凸が生じることのないように注意する。
【００４１】
また、以下の方法はガラス試料板への充填方法により回折線ピーク位置のずれおよび強度比の変化を排除するためにより好ましい。すなわち、前記試料に約２５０ＭＰａの圧力を１５分間かけることによって直径１０ｍｍ、厚さ約２ｍｍの圧粉体ペレットを作製し、そのペレット表面を測定する。
【００４２】
広角Ｘ線回折法による測定は、以下の通りである。
【００４３】
＜測定方法＞
試料を直径２５ｍｍの標準ガラスホルダに詰め、広角Ｘ線回折法で測定を行った。以下に測定装置および条件を示す。測定環境は室温大気中（１８〜２５℃）で行なう。
【００４４】
（１）Ｘ線回折装置：Bruker AXS 社製；D8 ADVANCE（封入管型）
Ｘ線源：ＣｕＫα線（Ｎｉフィルター使用）
出力  ：４０ｋＶ，４０ｍＡ
スリット系：Div. Slit；０．３°
検出器：LynxEye（高速検出器）
（２）スキャン方式：２θ／θ連続スキャン
（３）測定範囲（２θ）：５〜１００°
（４）ステップ幅（２θ）：０．０１７１２°
（５）計数時間：１秒間／ステップ。
【００４５】
＜解析、結晶子サイズの算出＞
このような単斜晶系β型チタン複合酸化物の広角Ｘ線回折法で得られるＸ線回折パターンから２θが４８〜４９°に存在するピークの半値幅に以下に示すシェラーの式を用いて結晶子径（結晶子サイズ）を算出することができる。
【数１】
2011044312.tif 000003
【００４６】
ここで、Ｋ＝０．９、λ（＝０．１５４０６ｎｍ）、βe：回折ピークの半値幅、βo：半値幅の補正値（０．０７°）である。
【００４７】
なお、電極化（塗工・圧延）した電池組立前の負極（未充電状態）の分析についても、負極表面に対して前述した測定を行い、同様の手法により単斜晶系β型チタン複合酸化物の結晶子径を算出することができる。
【００４８】
一方、完成電池の負極については、以下の手法により結晶子径を算出することができる。完成電池を２５℃環境において０．１Ｃ電流で定格終止電圧まで放電させる。放電させた電池を不活性雰囲気中（乃至は大気中）で解体し、電極群中央部の負極を切り出す。切り出した負極をエチルメチルカーボネートで充分に洗浄して非水電解質の成分を除去した後、大気中で１日放置する（または水で洗浄する）処理により失活させる。この状態の負極について、前述した測定を行い、同様の手法により単斜晶系β型チタン複合酸化物の結晶子径を算出すればよい。
【００４９】
単斜晶系β型チタン複合酸化物は、１μｍ以下の平均一次粒子径を有することが好ましい。このような単斜晶系β型チタン複合酸化物を含む負極は、１．５Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+以下の電圧変化が急峻となり、前述した過充電サイクル性能をより向上でき、同時に、過充電に対する安全性もより向上できる。なお、平均一次粒子径が小さ過ぎると、結晶性を高めることが困難になり、１．５Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+以下の電圧変化が緩やかになる傾向がある。このため、平均一次粒子径の下限値は２０ｎｍにすることが好ましい。
【００５０】
単斜晶系β型チタン複合酸化物の平均一次粒子径は以下のように求めることができる。前記複合酸化物を透過型電子顕微鏡（TEM）で観察し、撮影したランダムな箇所の像について、ランダムに一次粒子２０個の直径を測定し、その平均値を平均一次粒径とする。なお、一次粒子が等方的でない場合は、粒子の長径と短径の平均を一次粒径とする。
【００５１】
単斜晶系β型チタン複合酸化物の粒径（二次粒子径）測定は、例えばレーザー回折式分布測定装置（島津製作所社製：SALD-300）を用いて行うことができる。まず、ビーカーに試料約０．１ｇと界面活性剤と１〜２ｍＬの蒸留水を添加して十分に攪拌した後、攪拌水槽に注入する。２秒間隔で６４回光度分布を測定し、得られた粒度分布データを解析することによって平均粒径（二次粒子径）を求めることができる。
【００５２】
単斜晶系β型チタン複合酸化物は、その比表面積が５〜１００ｍ２／ｇであることが好ましい。このような単斜晶系β型チタン複合酸化物を含む負極は、大電流性能に優れるという効果を有する。
【００５３】
比表面積の測定は、粉体粒子表面に吸着占有面積が既知である分子を液体窒素の温度で吸着させ、その量から試料の比表面積を求める方法を用いる。最も良く利用されるのが不活性気体の低温低湿物理吸着によるＢＥＴ法であり、単分子層吸着理論であるラングミュアー理論を多分子層吸着に拡張した、比表面積の計算方法として最も有名な理論である。これにより求められた比表面積のことをＢＥＴ比表面積、または単に比表面積と称する。
【００５４】
導電剤は、活物質の集電性能を高め、集電体との接触抵抗を抑える。導電剤の例は、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛を含む。
【００５５】
結着剤は、活物質と導電剤を結着する。結着剤の例は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ素系ゴム、スチレンブタジェンゴムを含む。
【００５６】
負極層中の活物質、導電剤および結着剤は、それぞれ７０重量％以上９６重量％以下、２重量％以上２８重量％以下および２重量％以上２８重量％以下の割合で配合することが好ましい。導電剤の量を２重量％未満にすると、負極層の集電性能が低下し、非水電解質電池の大電流特性が低下する虞がある。また、結着剤の量を２重量％未満にすると、負極層と集電体の結着性が低下し、サイクル特性が低下する虞がある。一方、導電剤および結着剤はそれぞれ２８重量％以下にすることが高容量化を図る上で好ましい。
【００５７】
集電体は、１．０Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ+よりも貴である電位範囲において電気化学的に安定であるアルミニウム箔またはＭｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉのような元素を含むアルミニウム合金箔であること好ましい。
【００５８】
アルミニウム箔およびアルミニウム合金箔の平均結晶粒径は、５０μｍ以下であることが好ましい。このような集電体は、強度を飛躍的に増大させることができるため、負極を高いプレス圧で高密度化することが可能となり、電池容量を増大させることができる。また、高温環境下（４０℃以上）における過放電サイクルでの集電体の溶解・腐食劣化を防ぐことができるため、負極インピーダンスの上昇を抑制することができる。さらに、出力特性、急速充電、充放電サイクル特性も向上させることができる。より好ましい平均結晶粒径は３０μｍ以下、更に好ましい平均結晶粒径は５μｍ以下である。
【００５９】
平均結晶粒径は次の方法で求めることができる。集電体表面を光学顕微鏡で組織観察し、１ｍｍ×１ｍｍ内に存在する結晶粒の数ｎを求める。このｎを用いてＳ＝１ｘ１０6／ｎ（μｍ2）から平均結晶粒子面積Ｓを求める。得られたＳの値から下記（Ａ）式により平均結晶粒子径ｄ（μｍ）を算出する。
【００６０】
ｄ＝２（Ｓ／π）1/2              （Ａ）
アルミニウム箔およびアルミニウム合金箔の厚さは、２０μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下である。
【００６１】
負極は、次のような方法により作製することができる。例えば活物質、導電剤および結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを集電体に塗布し、乾燥して負極層を形成する。その後、プレスを施すことにより負極を作製する。負極はまた活物質、導電剤および結着剤をペレット状に形成して負極層とし、これを集電体上に形成することにより作製されてもよい。
【００６２】
３）正極
正極は、集電体と、この集電体の片面または両面に形成され、活物質、導電剤および結着剤を含む正極層とを備える。
【００６３】
活物質は、例えば酸化物、ポリマー等を用いることができる。
【００６４】
酸化物は、例えばリチウムを吸蔵した二酸化マンガン（ＭｎＯ2）、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケルおよびリチウムマンガン複合酸化物（例えばＬｉxＭｎ2Ｏ4またはＬｉxＭｎＯ2）、リチウムニッケル複合酸化物（例えばＬｉxＮｉＯ2）、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉxＣｏＯ2）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（例えばＬｉＮｉ1-yＣｏyＯ2）、リチウムマンガンコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＭｎyＣｏ1-yＯ2）、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物（ＬｉxＭｎ2-yＮｉyＯ4）、オリピン構造を有するリチウムリン酸化物（例えばＬｉxＦｅＰＯ4、ＬｉxＦｅ1-yＭｎyＰＯ4、ＬｉxＣｏＰＯ4）、硫酸鉄（Ｆｅ2（ＳＯ4）3）、またはバナジウム酸化物（例えばＶ2Ｏ5）を用いることができる。ここで、ｘ、ｙは０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１であることが好ましい。
【００６５】
ポリマーは、例えばポリアニリンやポリピロールのような導電性ポリマー材料、またはジスルフィド系ポリマー材料を用いることができる。イオウ（Ｓ）、フッ化カーボンもまた活物質として使用できる。
【００６６】
好ましい活物質は、正極電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉxＭｎ2Ｏ4）、リチウムニッケル複合酸化物（ＬｉxＮｉＯ2）、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉxＣｏＯ2）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（ＬｉxＮｉ1-yＣｏyＯ2）、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物（ＬｉxＭｎ2-yＮｉyＯ4）、リチウムマンガンコバルト複合酸化物（ＬｉxＭｎyＣｏ1-yＯ2）、またはリチウムリン酸鉄（ＬｉxＦｅＰＯ4）が挙げられる。ここで、ｘ、ｙは０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１であることが好ましい。
【００６７】
活物質が例えばＬｉxＣｏＯ2、ＬｉxＮｉＯ2、Ｌｉx（Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ）Ｏ2のような層状結晶構造を有する酸化物（以下、層状酸化物と称す）である場合には、より高い効果を得ることができる。この理由を以下に説明する。
【００６８】
例えばＬｉxＭｎ2Ｏ4に代表されるスピネル型化合物は、０≦ｘ≦１の範囲で充放電が繰り返され、この範囲で構造的にも安定である。このスピネル型化合物を含む正極が過充電電位になった場合でも、リチウムモル比が０より小さくなることはなく、その構造は安定に保たれるため、過充電時の充放電サイクル劣化がもともと小さい。ＬｉxＦｅＰＯ4に代表されるオリビン型化合物においても同様である。但し、正極が高電位に曝されれば、非水電解質との酸化分解が加速し、抵抗劣化の要因となる被膜の成長を加速させる。このため、このような正極の活物質を用いた場合でも、実施形態の効果、すなわち過充電サイクル性能を向上させることが可能と同時に、過充電に対する安全性も向上できる。
【００６９】
層状化合物に代表されるＬｉxＣｏＯ2は、０≦ｘ＜０．４５まで充電すると結晶構造が崩壊し、可逆性が著しく低下する。したがって、このような層状酸化物においては、充放電サイクル性能を維持するためにｘが０．４５≦ｘ≦１の範囲内に収まるように充放電を制御することが望ましい。ｘが０．４５を下回るとＬｉxＣｏＯ2の結晶構造は、六方晶から単斜晶に層変化し、結晶構造の変化によって、活物質粒子が崩壊する可能性がある。一方で、高容量化の観点からは満充電、すなわちｘ＝０．４５まで充電することが好ましい。これらを両立させるためには、ｘが０．４５から１まで変化するように充放電を制御することが好ましい。実施形態に係る非水電解質電池は、正極が過充電状態に曝され難いため、ｘの制御が容易で、安定したサイクル性能を実現することができる。
【００７０】
同様にＬｉxＮｉＯ2の場合、ｘが０．３を下回るまで充電すると、結晶構造の変化が生じ、活物質粒子の崩壊が起こる可能性がある。このため、ｘが０．３から１まで変化するように充放電を制御することが望ましい。実施形態に係る非水電解質電池を前述した構成、すなわち正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きくする構成、にすることによって、このような活物質粒子の構造崩壊を効果的に抑制することができる。さらに、前述したような非水電解質との酸化分解で形成される被膜の成長（抵抗劣化の要因）を抑制することができるため、実施形態の効果、すなわち過充電サイクル性能を向上させることが可能と同時に、過充電に対する安全性も向上できる。
【００７１】
層状結晶構造は、例えば層状岩塩型構造などを挙げることができる。層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物は、組成式ＬｉyＭ１z1Ｍ２z2Ｏ2で表される。ここで、Ｍ１はＣｏ、ＮｉおよびＭｎからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素、Ｍ２はＦｅ、Ａｌ、Ｂ、ＧａおよびＮｂからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素で、０＜ｙ≦１．２、０．９８≦ｚ１＋ｚ２≦１．２、０≦ｚ２≦０．２である。Ｍ１およびＭ２の総量に対するＮｉの比は、０．０以上０．８５以下であることが好ましい。この場合、Ｍ１はＮｉのみから構成されていても、ＣｏおよびＭｎの少なくとも１つの元素とＮｉから構成されていてもよい。
【００７２】
Ｍ１は、前述した理由からＣｏ、ＮｉおよびＭｎから選ばれる。
【００７３】
Ｍ２は、Ｍ１に対する置換元素であり、非水電解質電池に望まれる特性に従い、適宜添加される。このような置換元素は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｂ、ＧａおよびＮｂからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素であることが好ましい。特に、Ａｌは正極／電解液界面の皮膜抵抗を小さくでき、結晶構造を安定化させるため、好ましい。
【００７４】
ｙ、ｚ１およびｚ２が前述した範囲である層状リチウム遷移金属酸化物は、特にサイクル特性に優れる。
【００７５】
導電剤は、活物質の集電性能を高め、集電体との接触抵抗を抑える。導電剤の例は、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素質物を含む。
【００７６】
結着剤は、活物質と導電剤を結着させる。結着剤の例は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ素系ゴムを含む。
【００７７】
正極層中の活物質、導電剤および結着剤は、それぞれ８０重量％以上９５重量％以下、３重量％以上１８重量％以下および２重量％以上１７重量％以下の割合で配合することが好ましい。導電剤は、３重量％以上の量にすることにより上述した効果を発揮することができる。導電剤は、１８重量％以下の量にすることにより高温保存下での導電剤表面での非水電解質の分解を低減することができる。結着剤は、２重量％以上の量にすることにより十分な正極強度が得られる。結着剤は、１７重量％以下の量にすることにより、正極中の絶縁材料である結着剤の配合量を減少させ、内部抵抗を減少できる。
【００７８】
集電体は、アルミニウム箔またはＭｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ及びＳｉから選ばれる少なくとも１つの元素を含むアルミニウム合金箔が好ましい。
【００７９】
アルミニウム箔およびアルミニウム合金箔は、５０μｍ以下の平均結晶粒径を有することが好ましい。より好ましい平均結晶粒径は、３０μｍ以下、さらに好ましい平均結晶粒径は５μｍ以下である。５０μｍ以下の平均結晶粒径を有するアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔は、強度を飛躍的に増大させることができ、高いプレス圧で正極を高密度化することが可能になり、電池容量を増大させることができる。
【００８０】
アルミニウム箔およびアルミニウム合金箔の厚さは、２０μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下である。
【００８１】
正極は、例えば次のような方法により作製できる。まず、活物質、導電剤および結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを集電体に塗布し、乾燥する。その後、プレスを施すことにより正極を作製する。正極はまた活物質、導電剤および結着剤をペレット状に形成して負極層とし、これを集電体上に形成することにより作製されてもよい。
【００８２】
４）非水電解質
非水電解質は、電解質を有機溶媒に溶解することにより調整される液状非水電解質、液状電解質と高分子材料を複合化したゲル状非水電解質等が挙げられる。
【００８３】
液状非水電解質は、電解質を０．５ｍｏｌ／Ｌ以上、２．５ｍｏｌ／Ｌ以下の濃度で有機溶媒に溶解することにより、調製される。
【００８４】
電解質の例は、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ6）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2］等のリチウム塩、またはこれらの混合物を含む。ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2］は耐還元性に優れ、水分に対して安定であるため好ましい。この電解質と六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、または四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）と併用することが最も好ましい。
【００８５】
有機溶媒の例は、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート；ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等の鎖状カーボネート；テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２メチルテトラヒドロフラン（２ＭｅＴＨＦ）、ジオキソラン（ＤＯＸ）等の環状エーテル；ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、ジエトエタン（ＤＥＥ）等の鎖状エーテル；γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、アセトニトリル（ＡＮ）、スルホラン（ＳＬ）を含む。これらの有機溶媒は、単独または混合物で用いることができる。
【００８６】
好ましい有機溶媒は、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）およびγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）からなる群から選ばれる少なくとも２つ以上を混合した混合溶媒が挙げられる。特に好ましい溶媒としては、耐還元性に優れたγ−ブチロラクトンである。
【００８７】
高分子材料の例は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）を含む。
【００８８】
なお、非水電解質はリチウムイオンを含有した常温溶融塩（イオン性融体）、高分子固体電解質、または無機固体電解質を用いてもよい。
【００８９】
常温溶融塩（イオン性融体）は、有機物カチオンとアニオンの組合せからなる有機塩の内、常温（１５℃〜２５℃）で液体として存在しうる化合物を指す。常温溶融塩は、単体で液体として存在する常温溶融塩、電解質と混合させることで液体となる常温溶融塩、または有機溶媒に溶解させることで液体となる常温溶融塩が挙げられる。非水電解質電池に用いられる常温溶融塩の融点は、一般に２５℃以下である。有機物カチオンは、一般に４級アンモニウム骨格を有する。
【００９０】
高分子固体電解質は、電解質を高分子材料に溶解し固体化し調製する。
【００９１】
無機固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有する固体物質である。
【００９２】
５）セパレータ
セパレータは、正極と負極とを空間的に離間する部材である。セパレータは、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、もしくはポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を含む多孔質フィルム、または合成樹脂製不織布が挙げられる。好ましい多孔質フィルムは、ポリエチレンまたはポリプロピレンから作られ、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるために安全性を向上できる。
【００９３】
次に、実施形態に係る非水電解質電池（例えば外装材がラミネートフィルムからなる扁平型非水電解質電池）を図１、図２を参照してより具体的に説明する。図１は、薄型非水電解質電池の断面図、図２は図１のＡ部の拡大断面図である。なお、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００９４】
扁平状の捲回電極群１は、２枚の樹脂層の間にアルミニウム箔を介在したラミネートフィルムからなる袋状外装材２内に収納されている。扁平状の捲回電極群１は、外側から負極３、セパレータ４、正極５、セパレータ４の順で積層した積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。最外殻の負極３は、図２に示すように負極集電体３ａの内面側の片面に負極層３ｂを形成した構成を有する。その他の負極３は、負極集電体３ａの両面に負極層３ｂを形成して構成されている。負極層３ｂ中には、前述した単斜晶系β型チタン複合酸化物を含む活物質として含む。正極５は、正極集電体５ａの両面に正極層３ｂを形成して構成されている。
【００９５】
捲回電極群１の外周端近傍において、負極端子６は最外殻の負極３の負極集電体３ａに接続され、正極端子７は内側の正極５の正極集電体５ａに接続されている。これらの負極端子６および正極端子７は、袋状外装材２の開口部から外部に延出されている。例えば液状非水電解質は、袋状外装材２の開口部から注入されている。袋状外装材２の開口部を負極端子６および正極端子７を挟んでヒートシールすることにより捲回電極群１および液状非水電解質を完全密封している。
【００９６】
負極端子は、例えばリチウムイオン金属に対する電位が０．５Ｖ以上３．０Ｖ以下の範囲における電気的安定性と導電性とを備える材料から作られる。具体的には、アルミニウムまたはＭｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子は、負極集電体との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料であることが好ましい。
【００９７】
正極端子は、リチウムイオン金属に対する電位が３．０〜５．０Ｖの範囲における電気的安定性と導電性とを備える材料から作られる。具体的には、アルミニウムまたはＭｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料であることが好ましい。
【００９８】
実施形態に係る非水電解質電池は、前述した図１および図２に示す構成のものに限らず、例えば図３および図４に示す構成にすることができる。図３は、実施形態に係る別の扁平型非水電解質二次電池を模式的に示す部分切欠斜視図で、図４は図３のＢ部の拡大断面図である。
【００９９】
積層型電極群１１は、２枚の樹脂フィルムの間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる外装材１２内に収納されている。積層型電極群１１は、図４に示すように正極１３と負極１４とをその間にセパレータ１５を介在させながら交互に積層した構造を有する。正極１３は複数枚存在し、それぞれが集電体１３ａと、集電体１３ａの両面に担持された正極活物質含有層１３ｂとを備える。負極１４は複数枚存在し、それぞれが集電体１４ａと、集電体１４ａの両面に担持された負極活物質含有層１４ｂとを備える。各負極１４の集電体１４ａは、一辺が正極１３から突出している。突出した集電体１４ａは、帯状の負極端子１６に電気的に接続されている。帯状の負極端子１６の先端は、外装部材１１から外部に引き出されている。また、図示しないが、正極１３の集電体１３ａは、集電体１４ａの突出辺と反対側に位置する辺が負極１４から突出している。負極１４から突出した集電体１３ａは、帯状の正極端子１７に電気的に接続されている。帯状の正極端子１７の先端は、負極端子１６とは反対側に位置し、外装部材１１の辺から外部に引き出されている。
【０１００】
電極群の構造は、前述した図１および図２に示す捲回構造、前述した図３および図４に示す積層構造を挙げられる。電極群の構造は、積層構造とすることによって、優れた入出力特性に加え、高い安全性と信頼性を兼ね備えるため好ましい。また、長期間使用において、高い大電流性能を実現させるには、正極と負極を含む電極群が積層構造で、図５に示すようにセパレータを九十九に折って使用することが好ましい。帯状のセパレータ１５は、九十九に折り重ねられている。九十九に折り重なったセパレータ１５の最上層に短冊状の負極１４1が積層されている。セパレータ１５同士が重なった部分に上から順番に短冊状の正極１３1、短冊状の負極１４2、短冊状の正極１３2、短冊状の負極１４3が挿入されている。このように九十九に折り重なったセパレータ１５の間に正極１３と負極１４を交互に配置することによって、積層構造の電極群を得る。
【０１０１】
セパレータが九十九に折られていると、正極および負極それぞれの３辺がセパレータを介さず直接非水電解質と触れる。このため、正極および負極への非水電解質の移動がスムーズに行われる。その結果、長期間使用して正極および負極の表面で非水電解質が消費されても、非水電解質がスムーズに供給され、長期間に亘って優れた大電流特性（出入力特性）を実現することが可能となる。同じ積層構造であってもセパレータを袋状の構造を採用した場合、袋内に配された正極および負極が非水電解質と直接触れるのは１辺のみである。このため、非水電解質を正極および負極にスムーズに供給することが困難になる。その結果、長期間の使用において正極および負極の表面で非水電解質が消費された場合、非水電解質がスムーズに供給されず、使用頻度が高まるに伴い、大電流特性（出入力特性）が徐々に低下してしまう。したがって、正極と負極を含む電極群が積層構造で、かつ正極と負極を空間的に隔離するセパレータは九十九折状に配置することが好ましい。
【０１０２】
次に、実施形態に係る電池パックを詳細に説明する。
【０１０３】
実施形態に係る電池パックは、前述した非水電解質電池（単電池）を複数有し、各単電池を電気的に直列、並列または直列と並列に接続して配置されている。
【０１０４】
単電池の定格容量は、１Ａｈ以上、１００Ａｈ以下、より好ましくは３Ａｈ以上、５０Ａｈ以下であることが望ましい。さらに、ハイブリッド自動車用では定格容量が３Ａｈ以上、１５Ａｈ以下、電気自動車用または無停電電源装置（Uninterruptible Power Supply：ＵＰＳ）用では定格容量が１５Ａｈ以上、５０Ａｈ以下であることが好ましい。ここで、定格容量とは、０．２Ｃレートで放電した時の容量を意味する。
【０１０５】
単電池の個数は、少なくとも２個で良いが、５個以上、５００個以下、より好ましくは５個以上、３００個以下であることが望ましい。さらに、ハイブリッド自動車用や電気自動車用では、５個以上、３００個以下、ＵＰＳ用では５個以上、１０００個以下であることが好ましい。また、車載用では、高電圧を得るために単電池を直列に接続することが望ましい。
【０１０６】
前述した単電池は組電池化に適しており、本発明の実施の形態に係る電池パックは過充電耐性、及びサイクル特性に優れる。
【０１０７】
すなわち、電池パックは電池の固体差により電池容量や電池抵抗が異なる。また、電池は正極が高電位に曝されるほど寿命が低下する。実施形態に係る電池パックは、正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きい非水電解質電池を組合せることによって、一部の単電池が過充電に陥った場合においても、正極電位が上がり難く、電池性能が低下し難いため、性能劣化を大幅に抑制することができる。
【０１０８】
実施形態に係る電池パックを図６および図７を参照して具体的に説明する。単電池は、図１に示す扁平型非水電解液電池が使用される。
【０１０９】
複数の単電池２１は、外部に延出した負極端子６および正極端子７が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ２２で締結することにより組電池２３を構成している。これらの単電池２１は、図６に示すように互いに電気的に直列に接続されている。
【０１１０】
プリント配線基板２４は、負極端子６および正極端子７が延出する単電池２１側面と対向して配置されている。プリント配線基板２４には、図７に示すようにサーミスタ２５、保護回路２６および外部機器への通電用端子２７が搭載されている。なお、組電池２３と対向する保護回路基板２４の面には組電池２３の配線と不要な接続を回避するために絶縁板（図示せず）が取り付けられている。
【０１１１】
正極側リード２８は、組電池２３の最下層に位置する正極端子７に接続され、その先端はプリント配線基板２４の正極側コネクタ２９に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード３０は、組電池２３の最上層に位置する負極端子６に接続され、その先端はプリント配線基板２４の負極側コネクタ３１に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ２９，３１は、プリント配線基板２４に形成された配線３２，３３を通して保護回路２６に接続されている。
【０１１２】
サーミスタ２５は、単電池２１の温度を検出するために用いられ、その検出信号は保護回路２６に送信される。保護回路２６は、所定の条件で保護回路２６と外部機器への通電用端子２７との間のプラス側配線３４ａおよびマイナス側配線３４ｂを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ２５の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池２１の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池２１もしくは単電池２１全体について行われる。個々の単電池２１を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池２１中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図６および図７の場合、単電池２１それぞれに電圧検出のための配線３５を接続し、これら配線３５を通して検出信号が保護回路２６に送信される。
【０１１３】
正極端子７および負極端子６が突出する側面を除く組電池２３の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート３６がそれぞれ配置されている。
【０１１４】
組電池２３は、各保護シート３６およびプリント配線基板２４と共に収納容器３７内に収納される。すなわち、収納容器３７の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート３６が配置され、短辺方向の反対側の内側面にプリント配線基板２４が配置される。組電池２３は、保護シート３６およびプリント配線基板２４で囲まれた空間内に位置する。蓋３８は、収納容器３７の上面に取り付けられている。
【０１１５】
実施形態の電池パックにおいて、電池電圧の検知による正極もしくは負極電位の制御に優れるため、保護回路が電池電圧のみを検知する場合に特に適合する。
【０１１６】
なお、組電池２３の固定には粘着テープ２２に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池を結束させる。
【０１１７】
図６、図７では単電池２１を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続しても、または直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。組み上がった電池パックをさらに直列、並列に接続することもできる。
【０１１８】
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。
【０１１９】
実施形態の電池パックの用途は、高温環境下での使用されるものが好ましい。具体的には、二輪から四輪のハイブリッド電気自動車、二輪から四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車両用や電子機器の非常用が挙げられる。特に、車両に積載することが好適である。
【０１２０】
なお、車両の場合、６０℃程度の高温環境下におけるサイクル特性が求められる。電子機器の非常用の場合、４５℃程度の高温環境下におけるサイクル特性が求められる。
【０１２１】
実施形態に係る車両は、前述した電池パックを備える。ここで、車両とは二輪から四輪のハイブリッド電気自動車、二輪から四輪の電気自動車、アシスト自転車などが挙げられる。
【０１２２】
図８〜図１０は、内燃機関と電池駆動の電動機とを組み合わせて走行動力源としたハイブリッドタイプの自動車を示す。自動車の駆動力には、その走行条件に応じて広範囲な回転数およびトルクの動力源が必要になる。一般的に内燃機関は理想的なエネルギー効率を示すトルク・回転数が限られているため、それ以外の運転条件ではエネルギー効率が低下する。ハイブリッドタイプの自動車は、内燃機関を最適条件で稼動させて発電すると共に、車輪を高効率な電動機にて駆動する、または内燃機関と電動機の動力を合わせて駆動することによって、自動車全体のエネルギー効率を向上できる。また、減速時に車両のもつ運動エネルギーを電力として回生することによって、通常の内燃機関単独走行の自動車に比較して、単位燃料当りの走行距離を飛躍的に増大させることができる。
【０１２３】
ハイブリッド自動車は、内燃機関と電動機の組み合わせ方によって、大きく３つに分類することができる。
【０１２４】
図８は、一般にシリーズハイブリッド自動車と呼ばれるハイブリッド自動車５０を示す。内燃機関５１の動力を一旦すべて発電機５２で電力に変換し、この電力をインバータ５３を通して電池パック５４に蓄える。電池パック５４には前述した電池パックが使用される。電池パック５４の電力はインバータ５３を通して電動機５５に供給され、電動機５５により車輪５６が駆動する。電気自動車に発電機が複合されたシステムである。内燃機関は高効率な条件で運転でき、電力回生も可能である。その反面、車輪の駆動は電動機のみによって行われるため、高出力な電動機が必要となる。また、電池パックも比較的大容量のものが必要となる。電池パックの定格容量は、５〜５０Ａｈ、より好ましくは１０〜２０Ａｈにすることが望ましい。ここで、定格容量とは、０．２Ｃレートで放電した時の容量を意味する。
【０１２５】
図９は、パラレルハイブリッド自動車と呼ばれるハイブリッド自動車５７を示す。付番５８は、発電機を兼ねた電動機を示す。内燃機関５１は主に車輪５６を駆動し、場合によりその動力の一部を発電機５８で電力に変換し、その電力で電池パック５４が充電される。負荷が重くなる発進や加速時には電動機５８により駆動力を補助する。通常の自動車がベースになっており、内燃機関５１の負荷変動を少なくして高効率化を図り、電力回生なども合わせて行うシステムである。車輪５６の駆動は主に内燃機関５１によって行うため、電動機５８の出力は必要な補助の割合によって任意に決定することができる。比較的小さな電動機５８および電池パック５４を用いてもシステムを構成することができる。電池パックの定格容量は、１〜２０Ａｈ、より好ましくは５〜１０Ａｈである。
【０１２６】
図１０は、シリーズ・パラレルハイブリッド車と呼ばれるハイブリッド自動車５９が示す。シリーズとパラレルの両方を組み合わせた方式である。動力分割機構６０は、内燃機関５１の出力を、発電用と車輪駆動用とに分割する。パラレル方式よりもきめ細かくエンジンの負荷制御を行い、エネルギー効率を高めることができる。
【０１２７】
電池パックの定格容量は、１〜２０Ａｈ、より好ましくは５〜１０Ａｈであることが望ましい。
【０１２８】
実施形態に係る電池パックは、シリーズ・パラレル方式のハイブリッド自動車での使用に特に適している。
【０１２９】
電池パック５４は、一般に外気温度変化の影響を受けにくく、衝突時などに衝撃を受けにくい場所に配置されるのが好ましい。例えば図１１に示すようなセダンタイプの自動車では、後部座席６１後方のトランクルーム６２内などに配置することができる。また、座席６１の下や後ろに配置することができる。電池重量が大きい場合には、車両全体を低重心化するため、座席の下や床下などに配置するのが好ましい。
【０１３０】
電気自動車（ＥＶ）は、自動車外部から電力を供給して充電された電池パックに蓄えられたエネルギーで走行する。このため、電気自動車は他の発電設備などを用いて高効率に発電された電気エネルギーを利用することが可能である。また、減速時には自動車の運動エネルギーを電力として回生できるため、走行時のエネルギー効率を高くすることができる。電気自動車は二酸化炭素その他の排気ガスを全く排出しないため、クリーンな自動車である。その反面、走行時の動力はすべて電動機であるため、高出力の電動機が必要である。一般には一回の走行に必要なすべてのエネルギーを一度の充電で電池パックに蓄えて走行する必要があるため、非常に大きな容量の電池が必要である。電池パックの定格容量は、１００〜５００Ａｈ、より好ましくは２００〜４００Ａｈであることが望ましい。
【０１３１】
また、車両の重量に占める電池重量の割合が大きいため、電池パックは床下に敷き詰めるなど、低位置で車両の重心から大きく離れない位置に配置することが好ましい。１回の走行に相当する大きな電力量を短時間のうちに充電するためには、大容量の充電器と充電ケーブルが必要である。このため、電気自動車はそれらを接続する充電コネクタを備えることが望ましい。充電コネクタには、電気接点による通常のコネクタを用いることができるが、電磁結合による非接触式の充電コネクタを用いてもよい。
【０１３２】
図１２は、ハイブリッドバイク６３の一例を示す。二輪車の場合においても、ハイブリッド自動車と同様に、内燃機関６４、電動機６５、電池パック５４を備えたエネルギー効率の高いハイブリッドバイクを構成できる。内燃機関６４は主に車輪６６を駆動し、場合によりその動力の一部で電池パック５４が充電される。負荷が重くなる発進や加速時には電動機６５により駆動力を補助する。車輪６６の駆動は主に内燃機関６４によって行うため、電動機６５の出力は必要な補助の割合によって任意に決定することができる。比較的小さな電動機６５および電池パック５４を用いてもシステムを構成することができる。電池パックの定格容量は、１〜２０Ａｈ、より好ましくは３〜１０Ａｈである。
【０１３３】
図１３は、電動バイク６７の一例を示す。電動バイク６７は、外部から電力を供給して充電された電池パック５４に蓄えられたエネルギーで走行する。走行時の動力はすべて電動機６５であるため、高出力の電動機６５が必要である。一般には一回の走行に必要なすべてのエネルギーを一度の充電で電池パックに蓄えて走行する必要があるため、比較的大きな容量の電池が必要である。電池パックの定格容量は、１０〜５０Ａｈ、より好ましくは１５〜３０Ａｈである。
【０１３４】
以下に本発明の実施例を説明する。本発明の主旨を超えない限り、本発明は以下に掲載される実施例に限定されるものでない。
【０１３５】
（実施例１）
＜正極の作製＞
正極活物質としてＬｉＮｉ0.82Ｃｏ0.15Ａｌ0.03Ｏ2で表され、層状岩塩型結晶構造を有するリチウムニッケル複合酸化物粉末を用意した。この正極活物質９０重量％と、導電剤としてアセチレンブラック５重量％と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）５重量％とをＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に加えて混合してスラリーを調製した。このスラリーを厚さ１５μｍで、平均結晶粒子径が３０μｍのアルミニウム箔からなる集電体の片面に塗布し後、乾燥し、プレスすることにより密度が３．１ｇ／ｃｍ3の正極層を有する正極を作製した。このときの正極層の塗布量を下記表１に示す。
【０１３６】
＜負極の作製＞
活物質としてＴｉＯ2で表される平均一次粒子径が約０．１μｍ、二次粒子径が約１０μｍ、ＢＥＴ比表面積が２２ｍ２／ｇの単斜晶系β型チタン複合酸化物、所謂ＴｉＯ2（Ｂ）の粉末を用意した。この活物質８０重量％と、導電剤としてアセチレンブラック１０重量％と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）１０重量％をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）加えて混合してスラリーを調製した。このスラリーを厚さ１５μｍで、平均結晶粒子径が３０μｍのアルミニウム箔からなる集電体の片面に、塗布量が５０ｇ／ｍ２となるように塗布し、乾燥した後、プレスすることにより密度が１．６ｇ／ｃｍ3の負極層を有する負極を作製した。
【０１３７】
＜液状非水電解質の調製＞
プロピレンカーボネート（ＰＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合溶媒（体積比率１：２）に電解質としてのＬｉＰＦ6を１Ｍ溶解することにより液状非水電解質（非水電解液）を調製した。
【０１３８】
＜ガラスセルの作製＞
得られた正極および負極をそれぞれ２０ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切り出した。これらの電極を厚さ２５μｍのポリエチレン製の多孔質フィルムを間に挟んで正極・負極夫々の活物質層を対向させ、リチウム極を参照極とした電極群を作製した。この電極群をガラスセル中に配置し、アルゴン雰囲気下で前記液状非水電解質を満たして、３極式のガラスセル（非水電解質二次電池）を組立てた。
【０１３９】
得られたガラスセルに対して、２５℃環境下で、定格充電電圧を３．０Ｖとし、０．２Ｃ電流で１０時間の定電流−定電圧充電を行った。つづいて、同じく２５℃環境下で、放電終止電圧を１．０Ｖとし、０．２Ｃ電流で放電させた。これを３回繰り返して、状態を安定化させたものを評価用電池とした。
【０１４０】
評価用電池に対して、０．１Ｃで電極容量５％を充電して、充電後６時間放置して開回路電位を測定する。これらの動作は、温度２５℃の環境下で行う。この操作を次のように繰り返した。すなわち、放電状態の電池に対して、電池容量が９５％になるまで５％刻みで１９回繰返し、その後、９５〜１００％になるまで１％刻みで５回繰り返した。これにより、正極、負極双方の開回路電位（ＯＣＰ）曲線を得た。特に、満充電状態に至る充電末期には、開回路電位（ＯＣＰ）を電極容量の１％刻みで測定した。
【０１４１】
上述の条件下で正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値と満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値との大小関係を求めた。その結果を下記表１に示す。また、満充電時の負極電位も同表に示す。
【０１４２】
（実施例２〜６、比較例１〜３）
正極層の塗布量を下記表１の値に変更した以外、実施例１と同様な方法により３極式のガラスセル（非水電解質二次電池）を組立てた。得られた各ガラスセルの正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値と満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値との大小関係と、ガラスセルの満充電状態での負極電位を求めた。その結果を下記表１に示す。
【０１４３】
得られた実施例１〜６および比較例１〜３の３極式のガラスセル（非水電解質二次電池）に対して、２５℃環境下で、１Ｃ，３．２Ｖ，３時間の定電流定電圧充電と、０．５Ｃ，１Ｖの定電流放電を１００回繰り返す過充電サイクル試験を実施した。過充放電サイクル試験の、初回の放電容量に対する１００回後の放電容量比（％）を下記表１に示す。
【表１】
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【０１４４】
（実施例１１〜１６、比較例１１〜１３）
正極活物質として、ＬｉＮｉ0.6Ｃｏ0.2Ｍｎ0.2Ｏ2で表され、層状岩塩型結晶構造を有するリチウムニッケル複合酸化物粉末を用い、正極層の塗布量を下記表２の通りにした以外、実施例１と同様な方法により３極式のガラスセル（非水電解質二次電池）を組立てた。
【０１４５】
得られた各ガラスセルの正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値と満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値との大小関係と、ガラスセルの満充電状態での負極電位を求めた。その結果を下記表２に示す。
【０１４６】
得られた実施例１１〜１６および比較例１１〜１３の３極式のガラスセル（非水電解質二次電池）に対して、２５℃環境下で、１Ｃ，３．２Ｖ，３時間の定電流定電圧充電と、０．５Ｃ，１Ｖの定電流放電を１００回繰り返す過充電サイクル試験を実施した。過充放電サイクル試験の、初回の放電容量に対する１００回後の放電容量比（％）を下記表２に示す。
【表２】
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【０１４７】
前記表１および表２から明らかなように正極および負極の電位のＯＣＰ曲線を描いたとき、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きい実施例１〜６，１１〜１６の非水電解質電池は、満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値と同じか、それより小さい比較例１〜３，１１〜１３に比べて過充電サイクル特性に優れることがわかる。
【０１４８】
満充電状態に至る負極電位の傾きの絶対値が満充電状態に至る正極電位の傾きの絶対値より大きく、同時に満充電時の負極電位が１．４８Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ＋以下である実施例１〜６、１１〜１６の非水電解質電池は、過充電サイクル特性がより優れることがわかる。さらに、負極電位が１．４０Ｖ ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ＋以下である実施例３〜６、１３〜１６の非水電解質電池は過充電サイクル特性がより一層優れることがわかる。
【０１４９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１５０】
１，１１…電極群、２，１２…外装材、３，１４…負極、４．１５…セパレータ、５，１３…正極、６，１６…負極端子、７，１７…正極端子、２１…単電池、２４…プリント配線基板、２５…サーミスタ、２６…保護回路、３７…収納容器、５０，５７，５９…ハイブリッド自動車、５１，６４…内燃機関、５２…発電機、５３…インバータ、５４…電池パック、５５，６５…電動機、５６，６６…車輪、５８…発電機を兼ねた電動機、６０…動力分割機構、６１…後部座席、６２…トランクルーム、６３…ハイブリッドバイク、６７…電動バイク。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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