(57)【要約】【課題】参照極の電位管理を容易にする。【解決手段】発電要素と、発電要素に接続される正極タブと負極タブと、電極群、正極タブ、および負極タブを収容する電池缶と、電池缶を封口する缶蓋と、電池缶および缶蓋内に配置される参照電極と、を有する円筒型二次電池であって、缶蓋は、内圧感応部、外枠構造体、およびトップキャップを有し、参照電極は、参照電極タブおよび電極材料を有し、参照電極タブを介して、外枠構造体は電極材料と接続され、内圧感応部を介して、正極タブはトップキャップと接続され、負極タブに電池缶が接続され、トップキャップはトップキャップ露出部を有し、外枠構造体は外枠構造体露出部を有し、外枠構造体露出部はトップキャップ露出部の周りを取り囲むように形成されている円筒型二次電池。【選択図】図２
2015220044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電要素と、
前記発電要素に接続される正極タブと負極タブと、
前記電極群、前記正極タブ、および前記負極タブを収容する電池缶と、
前記電池缶を封口する缶蓋と、
前記電池缶および前記缶蓋内に配置される参照電極と、を有する円筒型二次電池であって、
前記缶蓋は、内圧感応部、外枠構造体、およびトップキャップを有し、
前記参照電極は、参照電極タブおよび電極材料を有し、
前記参照電極タブを介して、前記外枠構造体は前記電極材料と接続され、
前記内圧感応部を介して、前記正極タブは前記トップキャップと接続され、
前記負極タブに前記電池缶が接続され、
前記トップキャップはトップキャップ露出部を有し、
前記外枠構造体は外枠構造体露出部を有し、
前記外枠構造体露出部は前記トップキャップ露出部の周りを取り囲むように形成されている円筒型二次電池。
【請求項２】
請求項１において、
前記外枠構造体は切り欠きを有する円筒型二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒型二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、二次電池の正極電位および負極電位それぞれを非破壊で計測する方法として、二次電池に参照極を配置する技術が知られている。参照極を有する二次電池として、特許文献１には次のような技術が開示されている。正負極板と電気的に分離された金属ケースと金属ケース内の非水電解質と接触する正極側および／または負極側の電子導電体からなる部材を近接させ構成し、金属ケース電位を参照極として用いることで、電池容量の低下を生じることなく、正極電位および負極電位それぞれを計測でき、精度の高い充放電管理を具現化できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１０８４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のように金属ケース電位（電池缶電位）を参照極として用いた場合、複数の電池を密に集積されて構成される電池モジュールにおいて課題がある。即ち、電池缶と電池缶の距離が近いため、電池モジュールの中に水滴等の異物が混入すると異物を経由して参照極となる電池缶に回路が形成されて微小短絡を生じる可能性がある。その結果、参照極の電位管理が難しくなる場合がある。本発明は、参照極の電位管理を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
【０００６】
発電要素と、発電要素に接続される正極タブと負極タブと、電極群、正極タブ、および負極タブを収容する電池缶と、電池缶を封口する缶蓋と、電池缶および缶蓋内に配置される参照電極と、を有する円筒型二次電池であって、缶蓋は、内圧感応部、外枠構造体、およびトップキャップを有し、参照電極は、参照電極タブおよび電極材料を有し、参照電極タブを介して、外枠構造体は電極材料と接続され、内圧感応部を介して、正極タブはトップキャップと接続され、負極タブに電池缶が接続され、トップキャップはトップキャップ露出部を有し、外枠構造体は外枠構造体露出部を有し、外枠構造体露出部はトップキャップ露出部の周りを取り囲むように形成されている円筒型二次電池。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、参照極の電位管理を容易にできる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る円筒型二次電池を示す外観斜視図
【図２】円筒型二次電池のＡ−Ａ断面図
【図３】本発明の一実施形態に係る正極シートまたは負極シートの外観図
【図４】本発明の一実施形態に係る発電要素の外観図
【図５】本発明の一実施形態に係る参照電極の外観図
【図６】本発明の一実施形態に係る参照電極の構成を説明する外観図
【図７】本発明の一実施形態に係る缶蓋の断面構造を説明するための、図２の部分拡大図
【図８】本発明の一実施形態に係る缶蓋の構成を説明する分解図
【図９】本発明の一実施形態に係る缶蓋の外観図
【図１０】本発明の一実施形態に係る缶蓋の別形態を示す外観図
【図１１】本発明の一実施形態に係る円筒型二次電池と電池制御基板との関係を示す外観図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本実施例に係る二次電池の外観斜視図を、図２は本実施例に係る二次電池のＡ−Ａ断面図を示している。二次電池１は、電池缶２の内側に、発電要素３、２枚の絶縁シート４、正極タブ５、負極タブ６、電解液（図示せず）、参照電極７を収容し、缶蓋８で封止する構成である。電池缶２の内部の気密性確保および缶蓋８と電池缶２との絶縁性確保を目的に、缶蓋８と電池缶２との隙間は、絶縁性の封止剤９で埋められている。本実施例の二次電池の場合、缶蓋８の一部（トップキャップ）がプラス極であり、電池缶２がマイナス極である。参照電極７は、電池缶２および缶蓋８内に配置されている。
【００１１】
電池缶２は、一方が閉じられた円筒形状をしている。電池缶２は金属製であればあらゆる公知の材料を使用できる。例えば、ステンレスやニッケル合金を使用できる。なお、本実施例の二次電池１は、電池缶２自体が極性（マイナス）を有す。そのため、電池同士の接触による短絡を防止することを目的に、電池缶２の外表面を、一部を除き、絶縁性のフィルムで覆うこともある。電池缶２に負極タブ６が接続されている。
【００１２】
発電要素３は、いわゆる電極捲回体であり、正極シート１０及び負極シート１１をセパレータ１２を間に介して捲回して得られる。電極捲回体の中心に筒状の軸心を備える場合もある。発電要素３正極タブ５および負極タブ６が接続されている。
【００１３】
図３は、本実施例に係る正極シートまたは負極シートの外観図である。図３に示すように、正極シート１０は、予め正極タブ５が溶接された帯状の正極金属箔１３に正極活物質と結着剤と分散溶液からなる合剤スラリーを塗布し、その後に、正極塗布部１４の分散溶液を乾燥によって除き、さらに正極塗布部１４を加熱圧縮して作製される。正極シート１０に用いる正極金属箔１３、正極活物質、結着剤としては、あらゆる公知のものを使用できる。例えば、正極金属箔にはアルミニウム箔、正極活物質にはＬｉＮｉ0。33Ｍｎ0。33Ｃｏ0。33Ｏ2、結着剤にはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いることができる。なお、合剤スラリーには、電子伝導性を向上させるために、粉末状炭素からなる導電補助剤を加える場合もある。
【００１４】
負極シート１１は、先述した図３に示す正極シートと１０と同様の形状をしており、予め負極タブ６が溶接された帯状の負極金属箔１５に負極活物質と結着剤からなる合剤スラリーを塗布し、その後に、負極塗布部１６の分散溶液を乾燥によって除き、さらに負極塗布部１６を加熱圧縮して作製される。負極シー１１トに用いる負極金属箔１５、負極活物質、結着剤としては、あらゆる公知のものを使用できる。例えば、負極金属箔１５には銅箔、負極活物質には黒鉛、結着剤にはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いることができる。なお、合剤スラリーには、電子伝導性を向上させるために、粉末状炭素からなる導電補助剤を加える場合もある。
【００１５】
セパレータ１２は、正極シート１０と負極シート１１とが電気的に直接接触することを避けるために使用される。セパレータ１２は正極シート１０と負極シート１１に挟まれており、両シートと同様に帯状をしている。ただし、帯の幅は、正極シート１０および負極シート１１の幅より広い。これにより電極シートを捲回するときセパレータ１２を挟んで向かい合う正極シート１０と負極シート１１とが電気的に直接接触することを避けることができる。セパレータ１２の材料としてはあらゆる公知のものを使用できる。例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等を引き伸ばして得られる多孔性シートを用いることができる。
【００１６】
図４には、本実施例に係る電池缶に挿入する前の発電要素の外観図を示す。筒状に巻かれた発電要素３の両側から正極タブ５および負極タブ６が飛び出す構成となっている。発電要素３の最外周はセパレータ１２である。この構成は、正極シート１０と負極シート１１の捲回が終わった後で、セパレータ１２だけは切断せず、そのまま続けてセパレータ１２を巻きつけることで作り出すことができる。最外周をセパレータ１２にしている理由は、金属箔や活物質の塗布部が露出していると、それらが電池内部の様々な構成部材と接触して、短絡したり、塗布部が崩れたりする懸念があり、それらの懸念を回避するためである。なお、筒状に巻かれた発電要素３が緩むことを防ぐために、発電要素３の終端はテープ１８で止められている。発電要素３の中心には貫通孔があり、この貫通孔は、後に負極タブ６を電池缶２の缶底に溶接するとき、溶接冶具を挿入するために使用される。ここで、正極タブ５は缶蓋８の一部に溶接されており、負極タブ６は電池缶２の缶底に溶接されている。そのため、先述したように、缶蓋８の一部がプラス極、電池缶２がマイナス極である。
【００１７】
図５は、本実施例に係る参照電極の外観図である。図６は、本実施例に係る参照電極の構成を説明する外観図である。参照電極７は、図５に示すように、略短冊形状をしている。参照電極７は、一端は缶蓋８に溶接され、もう一端は発電要素３と電池缶２との間の隙間に挿入される。参照電極７は、図５および図６に示すように、電極材料１９と、参照電極タブ２０と、セパレータ２１と、そのセパレータ２１を固定するテープ２２で構成される。
【００１８】
電極材料１９は、電解液に晒される環境において電位が安定していればよく、あらゆる公知の材料を使用できる。電極材料１９として、例えば、リチウム金属等が用いられる。
【００１９】
電極材料１９は、参照電極タブ２０の一部に電気的に接続されている。参照電極タブ２０は、電極材料１９と缶蓋８とを電気的に接触させる役割を持つ。参照電極タブ２０に求められる特性は、電解液に晒される環境において腐食が無視できるほどに小さいことであり、その特性を満足すればあらゆる公知の材料を使用できる。参照電極タブ２０として、例えば、ニッケル金属等が用いられる。
【００２０】
セパレータ２１は、発電要素３に組み込むものと同じものを適当な大きさに裁断したものを使用できる。
【００２１】
図６は、図５のテープをはずして、セパレータを開いた状態を示す。図６に示すように、参照電極タブ２０の一部に電極材料１９を巻きつけた後で、巻きつけた電極材料１９の外側をセパレータ２１で覆い、セパレータ２１の端部をテープ２２で固定することで参照電極７が得られる。なお、参照電極タブ２０と電極材料１９とが安定して接触するためには、参照電極タブ２０に電極材料１９を巻きつけた後で、電極材料１９を押し潰すことが好ましい。
【００２２】
図７は、本実施例に係る缶蓋の断面構造を説明するための、図２の部分拡大図である。
缶蓋８は、カシメにより、電池缶２と一体化されている。なお電池缶２の内部の気密性確保および缶蓋８と電池缶２との絶縁性確保を目的に、缶蓋８と電池缶２との隙間は、絶縁性の封止剤９で埋められている。図７に示すように、缶蓋８は内圧感応部２４を外枠構造体２５で囲む構造である。
【００２３】
内圧感応部２４は、正極タブ５を介して発電要素３と電気的に接続されている。内圧感応部２４は通常時には充放電の電流が流れる構成になっているが、第一内圧感応板２７が電池内圧上昇時に電池外側へ反転することができ、過充電等で電池内圧が上昇したときに、電流を遮断する役割を有す。
【００２４】
外枠構造体２５は、参照電極タブ２０を介して参照電極７に備えられる電極材料１９と電気的に接続されている。外枠構造体２５は、参照電極７の電位を電池外から読み取るためのバイパスとして使用される。
図示するように、内圧感応部２４と外枠構造体２５とは絶縁部材あるいは空間で隔てられており、両者は電気的には切り離されている。外枠構造体２５は外枠構造体露出部２６を有する。外枠構造体露出部２６はトップキャップ露出部４１の周りを取り囲むように形成されている外枠構造体露出部２６に参照極外部回路３４を接続させることにより、参照電極７の電位を読み取ることができる。
【００２５】
ここで、図８をもとに、缶蓋の作製方法を説明する。図８は、本実施例に係る缶蓋の構成を説明する分解図である。
【００２６】
まず、第一内圧感応板２７と絶縁部材であるポリプロピレン製の円形パッキン２８と第二内圧感応板２９を重ねる。円形パッキン２８は、過充電等で電池内圧が上昇して第一内圧感応板２７が電池外側へ反転した後で、第一内圧感応板２７と第二内圧感応板２９とが電気的に接触することを避ける役割を有す。
【００２７】
次に、第一内圧感応板２７と第二内圧感応板２９とを、中央付近で接触させ、接触させた部分をレーザ溶接し、第一内圧感応板２７と第二内圧感応板２９とを一体化させて内圧感応部２４を作製する。内圧感応部２４をこのように作製することにより、過充電等で電池内圧が上昇したとき確実に第一内圧感応板２７を電池外側へ反転させることができる。
【００２８】
次に、一方が内側へ折り曲げられた外枠構造体２５に、絶縁部材であるポリプロピレン製の円形パッキン３０、内圧感応部２４、トップキャップ３１、絶縁部材であるポリプロピレン製の円形パッキン３２の順に積層し、外枠構造体２５をカシメて、内圧感応部２４とトップキャップ３１と絶縁部材であるポリプロピレン製の円形パッキン３２を固定し、缶蓋８が得られる。
【００２９】
円形パッキン３０は、参照電極７の電位を有する外枠構造体２５と正極電位を有する内圧感応部２４とを絶縁する。
【００３０】
トップキャップ３１は、正極電位を電池外から読み取るためのバイパスとして使用される。トップキャップ３１は、内圧感応部２４を介して、正極タブ５に接続される。トップキャップ３１は、トップキャップ露出部４１を有する。
【００３１】
円形パッキン３２は、参照電極７の電位を有する外枠構造体２５と正極電位を有するトップキャップ３１とを絶縁する。
【００３２】
図９に缶蓋８の外観を示す。トップキャップ３１を中心にして、外枠構造体２５が環状に構成されていることがわかる。外枠構造体２５は、後に参照電極タブ２０が溶接される。なお、トップキャップ３１は金属製であり、トップキャップ３１−内圧感応部２４−正極タブ５−発電要素３が電気的に接続されて、トップキャップ３１がプラス極となる。外枠構造体２５には、例えば、厚さ０．３ｍｍのアルミニウム、第一内圧感応板２７および第二内圧感応板２９には、厚さ０．１ｍｍのアルミニウムが用いられる。トップキャップ３１には、例えば、冷間圧延鋼帯にニッケルメッキした厚さ０。３ｍｍのものが用いられる。
【００３３】
ここで、缶蓋８は円盤形状をしているため、一旦円筒型二次電池の状態にしてしまうと、参照電極７が電池内部のどこにあるか外観から知ることはできない。そこで、例えば、図１０に示すように、外枠構造体２５の一部に切り欠き３３を入れて、参照電極７の位置を指示してもよい。
【００３４】
次に、参照電極７の電位をもとに、正極と負極の電位を明らかにする方法を説明する。
図１１は、本実施例に係る円筒型二次電池と電池制御基板との関係を示す外観図である。
正極と負極の電位を明らかにするためには、以下の手順を踏むことになる。
【００３５】
（１）外枠構造体２５の外枠構造体露出部２６に参照極外部回路３４を接続し、さらに缶蓋８のトップキャップ３１（プラス極）にはプラス極外部回路３５、電池缶２（マイナス極）にはマイナス極外部回路３６を接続する。このとき、参照極外部回路３４、プラス極外部回路３５、マイナス極外部回路３６で得られるそれぞれの電位は電池制御基板３７に集約される。
【００３６】
（２）参照極外部回路３４とプラス極外部回路３５の電位差：Ｖ１、参照極外部回路３４とマイナス極外部回路３６の電位差：Ｖ２をそれぞれ読み取る。本実施例では、参照電極７の電極材料１９はリチウム金属であるため、こうして得られたＶ１がリチウム金属基準の正極の電位、Ｖ２がリチウム金属基準の負極の電位となる。
【００３７】
以上説明したように、本実施例を適用することで、金属ケース電位（電池缶）を参照極として用いた場合とは違って、本実施例では缶蓋８の内側に参照電極７の電位を有する部分（外枠構造体２５）があるため、ある電池の参照電極７の電位を有する箇所とそれとは異なるある電池の参照電極７の電位を有する箇所とが空間的に大きく離れることになる。
その結果、水滴等の異物が混入しても、短絡回路ができ難くいため、参照電極７の電位が変化しにくくなり、参照電極７の電位管理を容易にできる。また、正極電位および負極電位を精度良く検出できる。
【００３８】
以上、本発明を実施例にそって説明したが、本発明の二次電池は、モータを駆動源としたハイブリッド自動車やゼロエミッション電気自動車等に適用される車載用の電池システムに搭載される二次電池として利用できる。また、本発明の二次電池を搭載した電池システムは上記用途に限定されず使用できる。本発明の二次電池を搭載した電池システムは、家庭用、業務用、産業用を問わずに、太陽光発電や風力発電等で発電された電力で電池を充電して蓄電する蓄電システムとして使用することができ、あるいは、夜間の深夜電力を利用して電池を充電して蓄電する蓄電システムとして、あるいは宇宙ステーション、宇宙船、宇宙基地などの地上以外で利用可能な蓄電システムとして使用することもできる。さらに、医療機器、建設機械、電力貯蔵システム、エレベータ、無人移動車両などの産業用として、またゴルフカート、ターレット車などの移動体用として、本発明の組電池を搭載した電池システムを適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１    二次電池
２    電池缶
３    発電要素
４    絶縁シート
５    正極タブ
６    負極タブ
７    参照電極
８    缶蓋
９    封止剤
１０  正極シート
１１  負極シート
１２  セパレータ
１３  正極金属箔
１４  正極塗布部
１５  負極金属箔
１６  負極塗布部
１７  電極捲回体
１８  テープ
１９  電極材料
２０  参照電極タブ
２１  セパレータ
２２  テープ
２４  内圧感応部
２５  外枠構造体
２６  外枠構造体露出部
２７  第一内圧感応板
２８  円形パッキン
２９  第二内圧感応板
３０  円形パッキン
３１  トップキャップ
３２  円形パッキン
３３  切り欠き
３４  参照極外部回路
３５  プラス極外部回路
３６  マイナス極外部回路
３７  電池制御基板
４１  トップキャップ露出部
【図１】
2015220044.tif 000003
【図２】
2015220044.tif 000004
【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】
2015220044.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015220044.tif 000011
【図１０】
2015220044.tif 000012
【図１１】
2015220044.tif 000013