(57)【要約】【課題】本明細書は、二次電池の性能劣化を防止する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する二次電池は、ケース４ａに収容されており、扁平に巻回されている電極体２と、電極体の面積最大の側面２ｄと前記ケース４ａの内面の間に配置されている絶縁フィルム３を備えている。絶縁フィルム３は、電極体２の巻回軸線方向における中央の厚みが両端の厚みよりも大きい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースに収容されており、扁平に巻回されている電極体と、
前記電極体の面積最大の側面と前記ケースの内面の間に配置されている絶縁フィルムと、を備えており、
前記絶縁フィルムは、前記電極体の巻回軸線方向における中央の厚みが両端の厚みよりも大きいことを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記中央の厚みは７５マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記中央の厚みは前記両端の厚みの１．５倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載された複数の二次電池と複数の冷却プレートが交互に積層されているとともに積層方向に荷重が加えられていることを特徴とする電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、扁平に巻回された電極体を有する二次電池（Rechargeable Battery）と、その二次電池を利用した電池アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド車の普及に伴い、これらの車両に搭載する二次電池の利用が拡大している。電気自動車等では、数十キロワットクラスの高出力モータを利用する。そのため、その電源に用いる二次電池は大容量となる。
【０００３】
本明細書における二次電池は、正極シートと負極シートとセパレータを重ねて巻回した電極体を電解液と共にケースに収容することで構成されている。そのため、電極体とケースの間を絶縁する必要がある。特許文献１では、電極体とケースの間に絶縁性のフィルムを備える構成が開示されている。
【０００４】
電気自動車等では、二次電池の充放電が頻繁に繰り返される。二次電池は、充放電を繰り返すと劣化が進行することが知られている。特に、ハイレート充電と呼ばれる通常よりも大きな電流による充電を繰り返すと劣化の進行が著しいことが知られている。このため、繰り返し使用しても性能が劣化し難い二次電池が求められている。
【０００５】
特許文献２では、二次電池の劣化が進行する一因として、二次電池が充放電を繰り返すことで、絶縁フィルムを介してケース内面に接している電極体の表面に加わる面圧が偏ってしまうことが指摘されている。面圧が偏ってしまう要因として、活発な化学反応が起こる電極体の電極付近に電解液が移動し、それにより電極体が変形することが挙げられる。一般に、二次電池は、電極体と絶縁フィルムとケース内面が密着している状態若しくは互いに非常に狭い間隔を保った状態で使用されている。このような状態で電極体が変形するので、電極体はケース内面から圧迫され、その表面に面圧が作用する。しかし、電極体の変形形状により、この面圧は均一に電極体表面に作用せず、偏ることになる。特許文献２によると、電極体は、巻回軸線方向の両端の厚みが中央の厚みよりも大きくなるように変形する。従って、ケース内面に接している電極体の表面に生じる面圧は、巻回軸線方向の中央で低く、両端付近で高くなる。特許文献２は、この面圧を均一にして二次電池の性能劣化を抑制する構成が開示されている。特許文献２では、複数の二次電池を冷却板を挟んで積層し積層方向に荷重を加えた電池アセンブリが開示されている。この荷重は、二次電池のケースを介して電極体の表面に作用する面圧となる。二次電池の間に挟まれた冷却板を、電極体の巻回軸線方向の中央で厚く、両端で薄くする。即ち、冷却板の形状を、上記した電極体の変形形状に合わせる。上記の冷却板により、二次電池には、外側から巻回軸線方向の中央で高く、両端付近で低い荷重が加わり、この荷重分布が二次電池のケース側面を介して電極体の面圧の偏り（中央で低く両端付近で高い面圧の偏り）を相殺する。
【０００６】
なお、特許文献１に、本明細書が開示する構造と似た構造が開示されているのでここで説明しておく。特許文献１が開示する二次電池では、扁平に巻回された電極体を覆う絶縁フィルムの厚みを場所に応じて変化させる。具体的には、電極体の扁平面（面積最大の側面）に面した絶縁フィルムの厚みを、巻回軸線方向に直交する方向に沿って中央で厚く、両端で薄くする。特許文献１によると、電極体は、製造時から、巻回方向に直交する方向に沿って中央よりも両端が厚くなるように成形されており、上記の中央が厚い絶縁フィルムは、その初期形状を維持するために備えられる、とのことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−０５４５６７号公報
【特許文献２】国際公開番号２０１３／０９８９３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本明細書は、特許文献１に開示された構造（巻回軸線方向の中央が厚く、両端が薄い冷却板を備えた構造）とは異なる構造で電極体の面圧の偏りを均一化し、劣化を抑制する二次電池、及び電池モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らの検討によると、電解液の移動による電極体の変形は、極めて小さいものであることが分かった。具体的には、電極体の巻回軸線方向における両端の厚みと中央の厚みの差は、数マイクロメートルから数十マイクロメートル程度であった。そこで、発明者らは中央と両端で厚みがわずかに異なる部品を挿入すれば面圧の偏りを均一化できることを見出した。具体的には、巻回軸線方向に沿って中央の厚みが両端の厚みよりも数十ミクロン程度大きい部材を電極体とケースの間に挟むだけで面圧の偏りが是正できる。その程度の厚みの変化は、金属板のような剛体でなくともシート状の部材で実現することができる。そこで、本明細書が開示する二次電池では、隣接する二次電池ケースの間に場所によって厚みが異なる冷却板を配置する代わりに、中央で厚く両端で薄い絶縁フィルムを採用することで電極体の面圧を均一化し、劣化を抑制する。
【００１０】
本明細書が開示する二次電池は、正極シートと負極シートがセパレータを挟んで積層され、その積層体が扁平に巻回された電極体がケースに収容されている。そして、絶縁フィルムが、電極体の扁平面（電極体の面積最大の側面）とケースの内面の間に備えられている。絶縁フィルムは、巻回軸線方向における中央の厚みが両端の厚みよりも大きい。より詳しくは、絶縁フィルムは、巻回軸線方向において、電極体の中央に対応する箇所の厚みが電極体の両端に対応する箇所の厚みよりも厚い。なお、絶縁フィルムは、巻回軸線と直交する方向であって扁平断面の長軸方向に沿って厚みが均一であってよい。
【００１１】
上記のように扁平に巻回された電極体では、電極が電極体の巻回軸線方向における両端に位置している。そのため、電極体は、充放電を繰り返すことで巻回軸線方向における中央で薄く両端で厚くなるように変形する（その理由「発明を実施するための形態」の項にて説明する）。上記の構成によれば、その変形形状に対応して絶縁フィルムは巻回軸線方向の両端よりも中央の厚みを大きくしている。それゆえ、電極体の形状が変形しても、電極体の面積最大の側面が絶縁フィルムを通じてケース内面から受ける面圧が偏ることが防止される。
【００１２】
なお、発明者らの試験によれば、中央が両端よりも厚い絶縁フィルムを使って電極体に生じる面圧が均一となるようにしたが、充放電を繰り返すうちに、巻回軸線方向で電極体の中央部とケースとの間に挟まれて絶縁フィルムの中央が薄く引き延ばされていき、絶縁フィルムが破断し易くなることが判明した。これは、充放電を繰り返すことで二次電池に負荷がかかり、その負荷による発熱で電極体が膨張するためであると考えられる。発明者らの試験によると、絶縁フィルムが所定の熱サイクルを加えた後も破断しないためには、絶縁フィルムの中央の厚みは７５マイクロメートル以上であることが好ましい。また、上記所定の熱サイクルを加えた後の劣化を抑制するためには、絶縁フィルムの中央の厚みが両端の厚みの１．５倍以上であることが好適である。なお、熱サイクルは、充放電時の電極体の膨張を模擬するものである。また、二次電池の性能劣化の指標として、内部抵抗の上昇率（初期の内部抵抗に対する熱サイクル試験後の内部抵抗の比率）が用いられる。絶縁フィルムの中央厚みが７５マイクロメートル以上であり、両端の厚みの１．５倍以上であると、所定の熱サイクルを加えた後も絶縁フィルムは破断せず、内部抵抗の上昇も抑制できることが判明した。熱サイクル試験の結果は「発明を実施するための形態」の項にて述べる。
【００１３】
本明細書は、上記の二次電池を利用した新規な電池アセンブリも提供する。その二次電池は、上記した複数の二次電池と複数の冷却プレートが交互に積層されているとともに積層方向に荷重が加えられている。積層方向の荷重により冷却プレートと二次電池が密着して二次電池を効率よく冷却する。積層方向に加えられる荷重により、ケース側面及び絶縁フィルムを介して電極体に面圧が作用する。上記した絶縁フィルムの形状に沿って電極体に面圧が作用するため、電極体の劣化が進んでも、面圧が偏ることが防止される。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書が開示する技術によれば、二次電池の性能劣化を抑制することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例の二次電池を構成する電極体と絶縁フィルムとケースの関係を示した斜視図である。
【図２】実施例の二次電池の模式的正面図である。
【図３】図２に示す二次電池のIII−III線における断面図である。
【図４】図３に示す断面における絶縁フィルムの拡大図である。
【図５】実施例の二次電池に熱衝撃試験及びハイレート充放電サイクル試験を実施した結果を示す表である。
【図６】実施例の二次電池を積層して構成される電池アセンブリを示した図である。
【図７】充放電を繰り返した後の二次電池の電極体内の塩濃度の偏りを示すグラフである。
【図８】従来の二次電池において充放電を繰り返した後の電極体表面の面圧の偏りを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面を参照して実施例の二次電池２００を説明する。図１は、二次電池２００を構成する電極体２と絶縁フィルム３とケース本体４ａの関係を示した斜視図である。図２は、ケース４に、扁平に巻回された電極体２が、電解液と共に収容されている二次電池２００を示す平面図である（ただし、ケース４と絶縁フィルム３は断面を示している）。電極体２は、その周囲を絶縁フィルム３が覆っている。図１によく示されているように、電極体２は袋状に折り曲げられた絶縁フィルム３に収容され、電極体２と絶縁フィルム３はケース本体４ａに収容されている。これにより、電極体２はケース４から絶縁されている。なお、Ｘ軸、Ｙ軸は水平方向を示しており、Ｚ軸が垂直方向を示している。
【００１７】
電極体２は、セパレータを挟んで帯状の正極シートと負極シートが幅方向にずらされて積層された積層体が形成された後に、この積層体が扁平に巻回されて形成されている。電極体２の巻回軸線ＲＬの方向（Ｘ軸方向）の両端には、正極シートのみが重なっている正極集電タブ２ａと負極シートのみが重なっている負極集電タブ２ｂが存在する。また、電極体２の正極集電タブ２ａと負極集電タブ２ｂの間には正極シートと負極シートが重なっている重複部２ｃが存在する。なお、正極集電タブ２ａには正極リード５ａが接続され、負極集電タブ２ｂには負極リード５ｂが接続されている。さらに、正極リード５ａには、正極端子６ａが接続され、負極リード５ｂには、負極端子６ｂが接続されている。電極体２で発生する電気エネルギーは、正極端子６ａ及び負極端子６ｂにより外部へ取り出される。
【００１８】
ケース４は、一側面が開口している扁平な矩形のケース本体４ａと、その開口している部分を塞ぐ上蓋４ｂにより構成されている。上蓋４ｂには、正極端子６ａと負極端子６ｂがケース４の内側から外側へ貫通するように備えられている。正極端子６ａと負極端子６ｂは絶縁部材７ａ、７ｂにより上蓋４ｂから絶縁されている。
【００１９】
絶縁フィルム３は、略帯状の絶縁性のフィルムである。図１によく表されているように、絶縁フィルム３は、電極体２を覆うように折り畳まれている。図２に示すように、絶縁フィルム３は電極体２の巻回軸線の方向（Ｘ軸方向）の両端面及び下面を覆っている。また、図３に示すように、絶縁フィルム３は電極体２の面積最大の側面（以下、扁平面２ｄ）も覆っている。別言すれば、絶縁フィルム３は、扁平面２ｄとケース本体４ａの内面の間に配置されている。そして、絶縁フィルム３は、扁平面２ｄ及び扁平面２ｄと対向するケース本体４ａの内面と接触している。なお、図３では、電極体２の断面をハッチングで示し、具体的な構造が省略されて描かれていることに留意されたい。また、図１から図４では、絶縁フィルム３の形状の理解を助けるために、絶縁フィルム３を実際の厚みに比べて厚く誇張して描いていることに留意されたい。
【００２０】
また、図３に示すように、絶縁フィルム３は電極体２の巻回軸線方向における中央の厚みがその両端の厚みより大きく形成されている。詳細に説明すれば、絶縁フィルム３の巻回軸線に垂直な方向であって扁平面２ｄに平行な方向から視た断面形状は、電極体２の巻回軸線方向における中央線ＣＬに対応する位置で最も厚く、その中央から両端に向かって徐々に薄くなっている。図１によく示されているように、絶縁フィルム３は幅方向の中央が盛り上がった略帯状のフィルムである。絶縁フィルム３は、その幅方向の中央を、電極体２の巻回軸線方向における中央に対応するように折り畳まれている。これにより、絶縁フィルム３の幅方向における中央の盛り上がった箇所が電極体２の扁平面２ｄの中央に対向するように配置される。なお、絶縁フィルム３は、巻回軸線と直交する方向であって扁平面２ｄと平行な方向に沿って厚みが均一である。
【００２１】
実施例の二次電池２００の効果について説明する。二次電池２００では、充放電を繰り返すと電極体内の電解液が電極体２の集電タブ２ａ、２ｂ付近である片寄領域（図２の符号１３ａ、１３ｂで示す領域）に偏る。これは、集電タブ２ａ、２ｂ付近で化学反応が活発に起こるからである。したがって、電解液の移動が起こることで、電極体２は巻回軸線方向における中央領域（図２の符号１２で示す領域）で幅（扁平面２ｄに垂直な方向の幅）が小さくなり、片寄領域１３ａ、１３ｂで幅が大きくなるように変形する。このことは、図７に示す電極体内の塩濃度に結果として現れる。電極体内の塩濃度は、初期状態では、破線のように均一になっている。しかし、充放電を繰り返すことで実線で示すように塩濃度が偏る。具体的には、巻回軸線方向における中央領域１２の塩濃度が初期状態より濃くなり、巻回軸線方向における正極側片寄領域（図２の符号１３ａで示す領域）と負極側片寄領域（図２の符号１３ｂで示す領域）の塩濃度が薄くなる。これは、電解液が電極体２の片寄領域１３ａ、１３ｂに移動し、この領域で活発に化学反応が起き、電解液中の電解質が多く使用されたことを意味している。ここで上記のように、絶縁フィルム３は、電極体２の扁平面２ｄとケース本体４ａの間に配置され、両者に接触している。したがって電極体２が変形すると、絶縁フィルム３及びケース本体４ｂの内面から圧迫され、扁平面２ｄには面圧が作用する。ここで、絶縁フィルムが従来の平坦なフィルムである場合、その面圧の偏りは図８に示す実線のように作用する。つまり、面圧は、図２における中央領域１２で低く、片寄領域１３ａ、１３ｂで高くなる。電極体２は、その片寄領域１３ａ、１３ｂが中央領域１２よりも幅広となるように変形するので、中央領域１２と平坦なフィルムの間に隙間が生じる為である。しかし、上記の形状の絶縁フィルム３を採用した場合、絶縁フィルム３の形状が、電極体２が変形する形状に沿って形成されている。このため、扁平面２ｄの中央領域１２と絶縁フィルム３の間に隙間が出来ることが防止され、扁平面２ｄの中央に扁平面２ｄの両端部に作用している面圧と同程度の面圧が作用することになる。したがって、電極体２の扁平面２ｄに作用する面圧が偏ることを防止し、二次電池の性能が劣化することを防止することができる。なお、上記の説明のために用いた図７及び図８の出典元は、特許文献２である。一部説明用に文言を変更している点に留意されたい。
【００２２】
複数の二次電池２００が集積されて電池アセンブリ３００が構成される。複数の二次電池２００は例えば直列に接続される。図６に示すように、電池アセンブリ３００は、複数の二次電池２００と複数の冷却プレート１４が交互に積層されている。二次電池２００は、電極体２の扁平面２ｄと対向するケース４の側面同士が対向するように積層されており、この側面の間に冷却プレート１４が挟まれている。そして、電池アセンブリ３００には積層方向の両側から荷重が加えられている。この積層方向の荷重により冷却プレート１４と二次電池２００のケース４が密着し二次電池２００を効率よく冷却する。また、この積層方向の荷重は、ケース４を積層方向の両側から圧縮するため、ケース４は積層方向に変形する。よって、圧縮されたケース４により絶縁フィルム３を介して電極体２に面圧が作用する。この面圧は、上記した絶縁フィルム３の形状に沿って電極体２の扁平面２ｄに作用する。したがって、二次電池２００が劣化しても、面圧が偏ることが防止される。
【００２３】
発明者らは、実施例の二次電池２００における絶縁フィルム３の形状と劣化の関係を調べる実験を行った。以下、その実験結果について説明する。二次電池２００の性能の劣化に対する耐性を測定するために、発明者らはハイレート充放電サイクル試験を実施した。この実験は、二次電池に大電流（数十アンペア）で一定時間の充放電を繰り返す充放電パターンを付与し、その後に二次電池の内部抵抗の上昇率を測定する。内部抵抗の上昇率が設計上許容できる上昇率以下に抑えられているか否かで性能の劣化の程度が判断される。
【００２４】
一方、二次電池２００では、充放電を繰り返すことで電極体２の巻回軸線方向における中央が発熱により膨張する。このため、扁平面２ｄとケース４の内面に挟まれた絶縁フィルム３の巻回軸線方向における中央は、電極体２の膨張により薄く引き延ばされ、破断する虞がある。そこで、発明者らは、電極体の膨張収縮を模擬的に作り出すために、熱サイクル試験を実施した。熱サイクル試験は、低温環境（氷点下の温度環境）と高温環境（数十度程度の温度環境）に二次電池を所定のサイクルで交互に曝す試験である。熱サイクル試験の実施前後における絶縁フィルム３の中央の厚みを比較し、実施後の厚みの実施前の厚みからの残厚率を計算する。残厚率が設計上許容できる値以上であるか否かで絶縁フィルムの引き伸ばしに対する耐性が判断される。
【００２５】
以下、実験の詳細について説明する。先ず実験では、巻回軸線方向（Ｘ軸方向）の中央の厚みＷＣと両端の厚みＷＥを変えた複数パターンの絶縁フィルム３を備えた二次電池を数種類準備した。ここで、図４に示すように、厚みＷＣは、Ｘ軸方向の中央線ＣＬでの絶縁フィルム３の厚みである。また、厚みＷＥは、絶縁フィルム３の電極体２の巻回軸線方向における両端の厚みである。厚みＷＣについては、５０マイクロメートル、７５マイクロメートル、１００マイクロメートル、１２５マイクロメートルの４パターンを用意した。また、厚みＷＥについては、５０マイクロメートル、７５マイクロメートル、１００マイクロメートル、１２５マイクロメートルの４パターンを用意した。したがって、１６パターンの二次電池を準備した。発明者らは、この１６パターンの二次電池に夫々、ハイレート充放電サイクル試験と熱サイクル試験を実施した。
【００２６】
実験結果を図５に示す。図５の表は、縦に厚みＷＥの４パターンを、横に厚みＷＣの４パターンを並べ、１６パターンの実験結果を示した表である。表の各マスは、破線により上段と下段に分かれている。上段は熱サイクル試験の結果である絶縁フィルム３の残厚の判定を示し、下段はハイレート充放電サイクル試験の結果である内部抵抗の上昇率の判定を示している。図５では、「○」が許容値を満たすことを示し、「×」が許容値を満たさないことを示す。図５の表によく表されているように、フィルム残厚は、絶縁フィルム３の中央の厚みＷＣが７５マイクロメートル以上の場合、設計上の許容値を満たす。したがって、中央の厚みＷＣが７５マイクロメートル以上の場合、絶縁フィルム３が薄く引き延ばされることが防止される。また、内部抵抗の上昇率は、両端の厚みＷＥが５０マイクロメートルの場合で中央の厚みＷＣが７５マイクロメートル以上の時、若しくは、両端の厚みＷＥが７５マイクロメートルの場合で中央の厚みＷＣが１２５マイクロメートル以上の時、設計上の許容値を満たす。つまり、中央の厚みＷＣが両端の厚みＷＥの１．５倍以上（図５の表で太線で囲ったマスの範囲）の時、内部抵抗の上昇率は設計上の許容値を満たす。したがって、中央の厚みＷＣが両端の厚みＷＥの１．５倍以上の時、性能の劣化を防止することができる。
【００２７】
上記の実験結果が示すように、巻回軸線方向に沿って中央の厚みが両端の厚みよりも数十マイクロメートル程度大きい絶縁フィルムを電極体とケースの間に挟むだけで、二次電池の内部抵抗の上昇を抑えることができる。絶縁フィルムという、非常に薄く、柔軟な材料を使用して二次電池の内部抵抗の上昇を抑えることができることは、本発明の特徴である。また、従来より二次電池に使用されている絶縁フィルムを利用することで、部品点数を増やすことなく内部抵抗の上昇を抑えることができることも、本発明の特徴である。
【００２８】
以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。図４に示すように、絶縁フィルム３は、巻回軸線方向（Ｘ軸）の中央で厚み方向に盛り上がっているが、厚み方向の片側に盛り上がっていてもよい。面圧の偏りを相殺する効果は実施例と同様に得られる。
【００２９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３０】
２：電極体
３： 絶縁フィルム
４：ケース
５ａ、５ｂ：正極リード、負極リード
６ａ、６ｂ：正極端子、負極端子
７ａ、７ｂ：絶縁部材
１２：中央領域
１３ａ、１３ｂ：片寄領域
１４：冷却プレート
ＲＬ：巻回軸線
【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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