(57)【要約】【課題】簡易にリチウムイオン二次電池の残存容量を把握することが可能な電源を提供する。【解決手段】本発明に係る電源は、リチウムイオン二次電池５と、リチウムイオン二次電池５に重ねた圧力センサ６０と、リチウムイオン二次電池５及び圧力センサ６０を、これらを重ねた方向の両側から挟む挟持部材９０と、を備えている。そして、リチウムイオン二次電池５は、リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び負極活物質を有し、正極活物質及び負極活物質の少なくとも一方は前記リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン二次電池と、
前記リチウムイオン二次電池に重ねられた圧力センサと、
前記リチウムイオン二次電池及び前記圧力センサを、前記リチウムイオン二次電池及び前記圧力センサが重なる方向の両側から挟む挟持部材と、を備え、
前記リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び負極活物質を有し、前記正極活物質及び前記負極活物質の少なくとも一方は前記リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能である電源。
【請求項２】
前記リチウムイオン二次電池は、前記正極活物質を含む正極層、セパレータ層及び前記負極活物質を含む負極層をこの順に積層した積層構造体を有し、
前記圧力センサは、前記積層構造体に対して前記積層構造体の積層方向に対向するように前記リチウムイオン二次電池に重ねられた請求項１に記載の電源。
【請求項３】
前記圧力センサと前記挟持部材との間、前記圧力センサと前記リチウムイオン二次電池との間、及び、前記リチウムイオン二次電池と前記挟持部材との間の内の少なくとも何れかの間にスペーサが挟まれた請求項１及び２に記載の電源。
【請求項４】
前記圧力センサは、圧電素子又は歪みゲージである請求項１〜３のいずれかに記載の電源。
【請求項５】
前記リチウムイオン二次電池において、前記負極活物質は前記リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能であり、前記負極活物質はＳｉを含む請求項１〜５の何れかに記載の電源。
【請求項６】
前記リチウムイオン二次電池は、前記電解質、前記正極活物質及び前記負極活物質を密閉する電池容器をさらに有する請求項１〜５の何れかに記載の電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電源、詳しくはリチウムイオン二次電池を備えた電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、繰り返し充放電可能なリチウムイオン二次電池を備えた電源が、携帯端末等の機器に広く利用されている。このような電源を利用する際には、リチウムイオン二次電池の残存容量を正確に把握することが望まれる。そして、リチウムイオン二次電池の残存容量を取得する方法としては、予め設定されたリチウムイオン二次電池の放充電特性と、当該リチウムイオン二次電池の充放電履歴とに基づいて数値計算により取得する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許３３４６００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような方法はリチウムイオン二次電池の充放電履歴の取得を必要とするため煩雑である。したがって、より簡易な残存容量の把握法が求められている。
【０００４】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易にリチウムイオン二次電池の残存容量を把握することが可能な電源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】
【０００５】
本発明に係る電源は、リチウムイオン二次電池と、リチウムイオン二次電池に重ねられた圧力センサと、リチウムイオン二次電池及び圧力センサをこれらリチウムイオン二次電池及び圧力センサが重なる方向の両側から挟む挟持部材と、を備えている。そして、リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び負極活物質を有し、正極活物質及び負極活物質の少なくとも一方は前記リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能である。
【０００６】
一般に、リチウムイオン二次電池の充電時に、負極活物質にリチウムイオンがインターカレートすると負極活物質が膨張する一方、正極活物質からリチウムイオンがデインターカレートすると正極活物質が収縮する。また、放電時に、負極活物質からリチウムイオンがデインターカレートすると負極活物質が収縮する一方、正極活物質にリチウムイオンがインターカレートすると正極活物質が膨張する。
【０００７】
そして、正極活物質又は負極活物質のいずれか一方がリチウムイオンをインターカレート及びデインターカレートする場合は充電度合い、すなわち、電池の残存容量の多寡に応じて正極活物質又は負極活物質のいずれか一方が膨張収縮し、リチウムイオン二次電池の体積が変化することとなる。
【０００８】
また、正極活物質及び負極活物質が何れもリチウムイオンをインターカレート及びデインターカレートする場合でも、正極活物質と負極活物質とでは材料や構造が異なることに起因してインターカレート及びデインターカレートに伴う膨張収縮の程度が互いに異なり、正極活物質の膨張収縮と負極活物質の膨張収縮とは完全にはうち消されない。したがって、この場合でも、充電の度合い、すなわち、電池の残存容量の多寡に応じてリチウムイオン二次電池の体積が膨張・収縮することとなる。
【０００９】
そして、本発明の電源によれば、挟持部材によって、リチウムイオン二次電池及び圧力センサが、これらリチウムイオン二次電池と圧力センサとを重ねた方向の両側から挟まれている。したがって、リチウムイオン二次電池が膨張収縮すると、これに対応して圧力センサに掛かる力が変化し、リチウムイオン二次電池の体積の変化を圧力センサの出力値として検出することができる。そうすると、圧力センサの出力値に基づいて、リチウムイオン二次電池の残存容量を推定することができる。
【００１０】
ここで、リチウムイオン二次電池は、正極活物質を含む正極層、セパレータ層及び負極活物質を含む負極層をこの順に積層した積層構造体を有し、圧力センサは、積層構造体に対してこの積層構造体の積層方向に対向するようにリチウムイオン二次電池に重ねられる事が好ましい。
【００１１】
これによれば、正極活物質を含む正極層及び負極活物質を含む負極層の厚み方向の膨張収縮によりおこるリチウムイオン二次電池の膨張収縮を、圧力センサによって容易に検出でき、リチウムイオン二次電池の残存容量をより精度良く取得できる。
【００１２】
また、圧力センサと挟持部材との間、圧力センサとリチウムイオン二次電池との間、及び、リチウムイオン二次電池と挟持部材との間の内の少なくとも何れかの間にスペーサが介在されることが好ましい。
【００１３】
このようなスペーサを介在させることにより、挟持部材によって、リチウムイオン二次電池と圧力センサとを、これらが重なる方向に隙間が無いようにしつつ固定することが容易となる。したがって、精度良く残存容量を取得可能な電源を、容易に製造可能となる。
【００１４】
このような圧力センサとしては、例えば、圧力（応力）の変化を起電力の変化として出力する圧電素子や、圧力の変化を抵抗値の変化として出力する歪みゲージ等を用いることが好適である。
【００１５】
また、リチウムイオン二次電池において、負極活物質はリチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能であり、この負極活物質はＳｉを含むことが好ましい。
【００１６】
このような構成の負極活物質は、特に、リチウムイオンのインターカレート、デインターカレートに伴う膨張収縮率が高いので、残存容量を極めて高精度に取得できる。
【００１７】
さらに、リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び負極活物質を密閉する電池容器をさらに有することが好ましい。
【００１８】
これにより、電解質がリチウムイオン二次電池から漏れ出しにくくなり、圧力センサの寿命が向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、簡易にリチウムイオン二次電池の残存容量を把握することが可能な電源が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の具体的な実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
【００２１】
本実施形態に係る電源１は、主として、圧力センサ６０と、リチウムイオン二次電池５と、スペーサ７０と、これら圧力センサ６０、リチウムイオン二次電池５及びスペーサ７０を挟むケース（挟持部材）９０とを備える。
【００２２】
（リチウムイオン二次電池）
リチウムイオン二次電池５は、主として、積層構造体５０と、積層構造体５０を密閉した状態で収容するパック（電池容器）５５とを有している。
【００２３】
（積層構造体）
積層構造体５０は、上から順に、正極集電体４０、二次電池要素３５、負極集電体４５、二次電池要素３５、及び、正極集電体４０を有し、それぞれ板状を呈している。
【００２４】
二次電池要素３５は、カソード層（正極層）１０、セパレータ層３０、アノード層（負極層）２０が、この順に積層されてなる。
【００２５】
ここで、各二次電池要素３５は、アノード層２０が負極集電体４５の表面に接し、カソード層１０が正極集電体４０の表面に接する向きに、正極集電体４０及び負極集電体４５間に配置されている。ここでアノード及びカソードは説明の便宜上、リチウムイオン二次電池５の放電時の極性を基準に決定したものである。リチウムイオン二次電池５の充電時においては電荷の流れる方向が放電時の逆になるため、アノード及びカソードが互いに入れ替わる。
【００２６】
（アノード層）
アノード層２０は、負極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下アノード層２０について説明する。
【００２７】
負極活物質は、リチウムイオンの脱離（デインターカレーション）及び挿入（インターカレーション）を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の負極活物質を使用できる。このような活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ等のリチウムと化合することのできる金属又はその合金、ＳｉＯ2、ＳｎＯ2等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12）が挙げられる。中でも、インターカレートやデインターカレートに伴う膨張収縮率を大きくすべく、Ｓｉやその合金を用いることが好ましい。Ｓｉの合金としては、例えば、ＬｉＳｉが挙げられる。
【００２８】
導電助剤は、アノード層２０の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げら
れる。
【００２９】
結着剤は、上記の負極活物質の粒子と導電助剤の粒子とを負極集電体４５に結着することができれば特に限定されず、公知の結着剤を使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（FEP）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（PEA）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ETFE）、ポリクロロトリフルオロエチレン（PCTFE）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ECTFE）、ポリフッ化ビニル（PVF）等のフッ素樹脂及びスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等が挙げられる。
【００３０】
（カソード層）
カソード層１０は、正極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下カソード層１０について説明する。
【００３１】
正極活物質は、リチウムイオンの脱離及び挿入（インターカレーション）を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ2Ｏ4）、及び、一般式：ＬｉＮｉxＣｏyＭｎｚＯ2（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶ2Ｏ5）、オリビン型ＬｉＭＰＯ4（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ又はＦｅを示す）、チタン酸リチウム（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12）等の複合金属酸化物が挙げられる。
【００３２】
カソード層１０に含まれる正極活物質以外の各構成要素は、アノード層２０を構成するものと同様の物質を使用することができる。また、カソード層１０においても、アノード層２０と同様の電子伝導性の粒子を含有させることが好ましい。
【００３３】
（セパレータ層）
アノード層２０とカソード層１０との間に配置されるセパレータ層３０は、電気絶縁性の多孔体から形成されている。セパレータ層３０の材料は特に限定されず、公知のセパレータ材料を使用することができる。例えば、電気絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
【００３４】
ここで、図１に示すように、各二次電池要素３５について、セパレータ層３０、アノード層２０、カソード層１０の順に面積が小さくなっており、アノード層２０の端面はカソード層１０の端面よりも外側に突出し、セパレータ層３０の端面はアノード層２０及びカソード層１０の端面よりも外側に突出するようになっている。
【００３５】
これによって、製造時の誤差等によって、各層が積層方向と交差する方向に多少位置ずれを起こした場合でも、各二次電池要素３５において、カソード層１０の全面をアノード層２０に対向させることが容易となる。従って、カソード層１０から放出されたリチウムイオンがセパレータ層３０を介してアノード層２０に十分に取り込まれる。さらに、セパレータ層３０がカソード層１０やアノード層２０より大きく、カソード層１０やアノード層２０の端面から突出しているので、カソード層１０とアノード層２０とが接触することによる短絡も低減されている。
【００３６】
（負極集電体）
アノード層２０と結着する負極集電体４５の材料はリチウムイオン二次電池のアノード用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えば、銅やニッケル等が挙げられる。負極集電体４５の一端は、図１及び図２に示すように、外側に向かってリボン状に延びてリード４５ａを形成している。
【００３７】
（正極集電体）
カソード層１０と結着する正極集電体４０はリチウムイオン二次電池のカソード用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えばアルミニウム等が挙げられる。正極集電体４０の一端は、外側に向かってリボン状に延びてリード４０ａを形成している。
【００３８】
（電解質溶液）
電解質溶液は、アノード層２０及びカソード層１０、及びセパレータ層３０の孔の内部に含有されている。電解質溶液は、特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池要素に用いられている、リチウム塩を含む電解質溶液（電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解質溶液）を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、充電時の耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解質溶液（非水電解質溶液）であることが好ましい。二次電池要素の電解質溶液としては、リチウム塩を非水溶媒（有機溶媒）に溶解したものが好適に使用される。リチウムイオンの源となるリチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ6、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＢＦ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＣＦ3、ＣＦ2ＳＯ3、ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）3、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＣＦ2ＳＯ2）2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）（Ｃ4Ｆ9ＳＯ2）、ＬｉＮ（ＣＦ3ＣＦ2ＣＯ）2等の塩が使用される。なお、これらの塩は１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３９】
また、有機溶媒としては、公知の二次電池要素に使用されている溶媒を使用することができる。例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネート等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。
【００４０】
なお、本実施形態において、電解質溶液は液状以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル状電解質であってもよい。また、電解質溶液に代えて、固体電解質（固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質）が含有されていてもよい。
【００４１】
（パック）
パック５５は、図１に示すように、矩形状の可撓性のシートを長手方向の略中央部で２つ折りにして形成したものであり、積層構造体５０を積層方向（上下方向）の両側から挟み込んでいる。具体的には、図２に示すように、２つ折りにされたシート５５ｓの端部のうち、折り返し部分５５ａを除く３辺のシール部５５ｂがヒートシール又は接着剤により接着されており、積層構造体５０が内部に密封されている。このパック５５は、パック５５内部へ空気や水分が進入することや、パック５５内から電解質溶液が漏れることを防止する。特に、図１に示すように、３層構造のシート５５ｓにより形成されたパック５５を用いることが好ましい。具体的には、シート５５ｓにおける最内層５５ｈは無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）等の合成樹脂から形成された樹脂層、中間層５５ｉはアルミニウム等から形成された金属層、最外層５５ｊは無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）等の合成樹脂から形成された樹脂層である。
【００４２】
なお、パック５５は、このような３層構造のものに限定されず、公知の二次電池要素に用いられている１層又は２層（樹脂層＋金属層）等、例えば、エポキシ樹脂等の合成樹脂製のパック等を使用することができる。
【００４３】
そして、積層構造体５０のリード４０ａ及びリード４５ａは、図１及び図２に示すように、パック５５内からシール部５５ｂを通って外部に突出している。
【００４４】
リード４０ａ，４５ｂにおいて、パック５５のシール部５５ｂに挟まれた部分は、図１及び図２に示すように、シール性を高めるべく、樹脂等の絶縁体１４によって被覆されている。絶縁体１４の材質は特に限定されないが、例えば、それぞれ合成樹脂から形成されていることが好ましい。
【００４５】
（圧力センサ）
圧力センサ６０は板状形状をなしており、リチウムイオン二次電池５の上に重ねられている。具体的には、圧力センサ６０は、リチウムイオン二次電池５のパック５５上に重ねられ、積層構造体５０に対して、積層構造体５０の積層方向に対向している。
【００４６】
この圧力センサ６０は、たとえば、一対の板状の電極板６１間に、圧電性材料からなる圧電板６３を挟んだ、いわゆる、圧電素子である。圧電性材料としては、例えば、ＰＺＴ等が挙げられる。圧力センサ６０の電極板６１、圧電板６３、電極板６１の積層方向は、リチウムイオン二次電池５の積層構造体５０の積層方向と同じ向きである。そして、一方の電極板６１に出力端子６５ａが、他方の電極板６１に出力端子６５ｂが電気的に接続されている。
【００４７】
そして、この圧力センサ６０は、厚み方向（積層方向）に加わる圧力（応力）を検知し、その大きさに基づいて出力端子間６５ａ，６５ｂ間に起電力を生じる。
【００４８】
（スペーサ）
スペーサ７０は板状形状をなしており、リチウムイオン二次電池５の下に重ねられている。具体的には、スペーサ７０は、リチウムイオン二次電池５のパック５５とケース９０の下板９０ｂとの間に重ねられている。また、スペーサ７０は、積層構造体５０に対して、積層構造体５０の積層方向に対向するように配置されている。
【００４９】
本実施形態では、スペーサ７０と圧力センサ６０とは、リチウムイオン二次電池５を挟んで反対側に配置されているが、スペーサ７０が、圧力センサ６０とリチウムイオン二次電池５との間や、圧力センサ６０とケース９０の上板９０ａとの間に設けられてもよく、また、スペーサ７０を複数有し、上述の内の複数の場所に配置されていてもよい。
【００５０】
このスペーサ７０は、圧力センサ６０及びリチウムイオン二次電池５が、ケース９０の上板９０ａ及び下板９０ｂとの間に隙間無く挟まれるように調節する部材である。
【００５１】
スペーサ７０の材料は特に限定されず、ポリプロピレン等の樹脂材料や、ステンレス、アルミニウム等の金属材料を使用できる。特に、リチウムイオン二次電池５の膨張収縮を精度良く検出すべく、硬質材料を用いることがよく、金属材料や硬質樹脂等が好ましい。
【００５２】
（ケース）
ケース９０は、一側面が開放された箱形容器であり、上板９０ａ、この上板９０ａと対向する下板９０ｂ、及び、上板９０ａと下板９０ｂとの間隔を保つべく上板９０ａと下板９０ｂとを連結する３つの側板９０ｃとを有している。
【００５３】
上板９０ａと、下板９０ｂとの間には、圧力センサ６０、リチウムイオン二次電池５、及び、スペーサ７０が互いに密着して重ねられて収容されており、上板９０ａ及び下板９０ｂは、圧力センサ６０、リチウムイオン二次電池５、及び、スペーサ７０を、これらを重ねた方向（図示上下方向）の両側から挟みこんでいる。
【００５４】
ケース９０の材料は特に限定されないが、ポリプロピレン等の樹脂材料や、ステンレス、アルミニウム等の金属材料を使用できる。特に、リチウムイオン二次電池５の体積膨張を精度良く検出すべく、硬質材料を用いることがよく、金属材料や硬質樹脂等が好ましい。
【００５５】
（製造方法）
次に、上述した電源１の作製方法の一例について図３及び図４を参照して簡単に説明する。
【００５６】
まず、リチウムイオン二次電池５を作成する。まず、図３に示すように、リード４０ａを有する正極集電体４０の片面にカソード層１０を形成して２層積層体１２０を得る。カソード層１０は、前述の正極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤を正極集電体４０に塗布することにより形成できる。
【００５７】
また、リード４５ａを有する負極集電体４５の両面にアノード層２０を形成し３層積層体１４０を得る。アノード層２０は、前述の負極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤を負極集電体４５に塗布することにより形成できる。
【００５８】
続いて、絶縁性の多孔質材料からなるセパレータ層３０を用意する。そして、２層積層体１２０／セパレータ層３０／３層積層体１４０／セパレータ層３０／２層積層体１２０のように積層し、これらの積層方向の両側の面内中央部分を挟んで加熱することにより、図１のような積層構造体５０を得る。
【００５９】
次に、アルミニウム箔を熱接着性樹脂層でラミネートした矩形状のシート５５ｓを折り曲げて重ね合わせ、図４（ａ）に示すように、２辺のシール部５５ｂ、５５ｂを、例えばシール機等でヒートシールし、積層構造体５０を導入するための開口部５５ｃが形成された袋状のパック５５を得る。
【００６０】
そして、開口部５５ｃを有した状態のパック５５の内部に、積層構造体５０を挿入し、真空容器内でパック５５内を減圧しつつパック５５内に電解質溶液を注入して積層構造体５０を電解質溶液に浸漬させる。その後、リード４０ａ、リード４５ａの一部をそれぞれパック５５内から外部に突出させ、ヒートシール機を用いて、パック５５の開口部５５ｃをシールする。これにより、図１に示すようなリチウムイオン二次電池５の作製が完了する。
【００６１】
続いて、図４（ｂ）に示すように、所定の厚みのスペーサ７０及び所定の厚みの圧力センサ６０を用意すると共に、上板９０ａと下板９０ｂとの間隔が所定の高さとされたケース９０を用意する。ここで、スペーサ７０、圧力センサ６０及びリチウムイオン二次電池５の厚みの総和は、ケース９０の上板９０ａと下板９０ｂとの間隔とほぼ同じかそれ以下とされている。
【００６２】
そして、スペーサ７０、リチウムイオン二次電池５、及び、圧力センサ６０の積層体Ｌを重ねて、ケース９０の上板９０ａと下板９０ｂとの間に挿入して挟みこむませる。これにより、図１に示すような本実施形態の電源１が完成する。
【００６３】
本実施形態の電源１によれば、リチウムイオン二次電池５の充電時には、負極活物質にリチウムイオンがインターカレートして負極活物質が膨張する一方、正極活物質からリチウムイオンがデインターカレートして正極活物質が収縮する。また、放電時には、負極活物質からリチウムイオンがデインターカレートして負極活物質が収縮する一方、正極活物質にリチウムイオンがインターカレートして正極活物質が膨張する。そして、正極活物質と負極活物質とでは物質や構造が異なることから、インターカレート及びデインターカレートに伴う膨張収縮の程度は、正極活物質と負極活物質とで互いに異なる。したがって、放電時及び充電時に、正極活物質の膨張収縮及び負極活物質の膨張収縮は完全にはうち消されず、充電の度合い、すなわち、電池の残存容量の多寡に応じてリチウムイオン二次電池５の体積が膨張・収縮することとなる。
【００６４】
そして、この電源１において、ケース９０によって、リチウムイオン二次電池５及び圧力センサ６０が、これらリチウムイオン二次電池５と圧力センサ６０とが重なる方向の両側から挟まれている。したがって、リチウムイオン二次電池５が膨張・収縮すると、これに対応して圧力センサ６０に掛かる力が変化し、リチウムイオン二次電池５の体積の変化を圧力センサ６０の出力値として検出することができる。そうすると、圧力センサ６０の出力値に基づいて、リチウムイオン二次電池５の残存容量を推定することができる。
【００６５】
特に、本実施形態では、負極活物質として、Ｓｉや、ＳｉＬｉ等のＳｉを含む金属を用いている。そうすると、充電時にアノード層２０の負極活物質にリチウムイオンがインターカレーションすることにより負極活物質が極めて大きく膨張する一方、放電時にはリチウムイオンが負極活物質からデインターカレーションすることにより負極活物質が大きく収縮する。
【００６６】
したがって、電池の残存容量の多寡に応じたリチウムイオン二次電池５の膨張収縮の変化が著しくなる。これにより、電池の残存容量を極めて高精度に検出することができる。
【００６７】
また、リチウムイオン二次電池５は、正極活物質を含むカソード層１０、セパレータ層３０及び負極活物質を含むアノード層２０をこの順に積層した積層構造体５０を有し、圧力センサ６０は、積層構造体５０に対して、積層方向に対向するように配置されている。
【００６８】
これにより、正極活物質を含むカソード層１０や負極活物質を含むアノード層２０の厚み方向の膨張収縮によりおこるリチウムイオン二次電池５の厚み方向の膨張収縮を圧力センサ６０によって容易に検出でき、残存容量をより精度良く取得できる。
【００６９】
また、圧力センサ６０とケース９０との間、圧力センサ６０とリチウムイオン二次電池５との間、及び、リチウムイオン二次電池５とケース９０との間の内の少なくとも何れかの間にスペーサ７０が介在されるので、ケース９０の上板９０ａと下板９０ｂとの間に、リチウムイオン二次電池５と圧力センサ６０とを、隙間無く挟むことが容易となる。したがって、残存容量を高精度に取得できる電源１を容易に製造できる。
【００７０】
さらに、リチウムイオン二次電池５は、リチウムイオンを含む電解質溶液、正極活物質及び負極活物質を密閉するパック５５をさらに有しているので、電解質溶液がリチウムイオン二次電池５から漏れ出しにくくなり、圧力センサ６０の寿命が向上する。
【００７１】
加えて、従来の電源では、多数の電源を直列に接続して組電源として使う場合、個々の電源のリチウムイオン二次電池の残存容量を把握することは困難であったが、本実施形態に係る電源１を直列に接続した場合、各電源１の残存容量を各圧力センサ６０からの出力によって容易に把握することができる。
【００７２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されずさまざまな変形態様を取ることが可能である。
【００７３】
例えば、上記実施形態では、圧力センサ６０として、圧力に応じて起電力を生じる圧電素子を用いているが、圧力に応じて抵抗値が変化する歪みゲージ等の他の圧力センサを用いても構わない。
【００７４】
また、上記実施形態では、挟持部材として、圧力センサ６０、リチウムイオン二次電池５、及び、スペーサ７０を収容するケース９０を用いているが、圧力センサ６０及びリチウムイオン二次電池５を、これらを重ねた方向の両側から挟める物であれば、形状は限定されない。
【００７５】
また、上記実施形態では、ケース９０の上板９０ａ、下板９０ｂとの間に、圧力センサ６０及びリチウムイオン二次電池５に加えてスペーサ７０を挟んでいるが、ケース９０が、圧力センサ６０及びリチウムイオン二次電池５を隙間無く挟んでいれば、スペーサ７０が無くても動作は可能である。
【００７６】
また、上記実施形態では、正極活物質及び負極活物質の両方とも、リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能であるが、正極活物質又は負極活物質の一方が、リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能であってもよい。
【００７７】
また、上記実施形態においては、積層構造体５０は単セルとしての二次電池要素３５を２つ有するものであったが、二次電池要素を２つより多く有していてもよく、又、１つでもよい。
【００７８】
また、上記実施形態においては、ケース９０は、一つのリチウムイオン二次電池を挟んでいるが、２つ以上のリチウムイオン二次電池５を積層して挟んでいてもよい。
【実施例】
【００７９】
以下、本実施形態に係る電源の実施例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００８０】
まず、カソード積層体を以下の手順により作製した。まず、正極活物質としてＬｉＣｏＯ２、導電助剤としてカーボンブラック及びグラファイト、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ；アトフィナ社製ＰＶｄＦホモポリマー粒子  Kynar741, 重量平均分子量Ｍｗ５．５×１０５、平均粒径０．２μｍ、ＮＭＰに可溶）を用意し、これらの重量比が正極活物質：カーボンブラック：グラファイト：結着剤＝９０：３：３：４となるようにプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてのＮＭＰを、ＮＭＰ：結着剤の重量比が９４：６となるように室温下で混合し、スラリー状のカソード用塗布液（スラリー）を調整した。続いて、アルミニウム箔（厚さ６０μｍ）を用意し、そのアルミニウム箔にカソード用塗布液をドクターブレード法により塗布して乾燥させカソード積層体とした。
【００８１】
続いて、アノード積層体を以下の手順により作製した。まず、負極活物質としてシリコン粉末、導電助剤としてカーボンブラックとグラファイト、結着剤としてカソードに用いたのと同じＰＶｄＦを用意し、これらの重量比が負極活物質：カーボンブラック：グラファイト：結着剤＝７５：３：１２：１０となるように配合してプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてのＮＭＰを、ＮＭＰ：結着剤の重量比が９３：７となるように室温下で混合し、スラリー状のアノード用塗布液を調整した。次に、集電体としての銅箔（厚さ：１０μｍ）を用意し、アノード用塗布液をドクターブレード法により銅箔の両面に塗布して乾燥させてアノード積層体を得た。
【００８２】
次に、セパレータとしてポリオレフィン製の多孔膜を用意し、カソード積層体／セパレータ／アノード積層体／セパレータ／カソード積層体のように積層して積層構造体とし、両端面から熱圧着して固定した。ここでは、積層構造体の最外層に、片面にカソードが担持されたカソード積層体が配置されるように積層した。
【００８３】
つぎに、エチレンカーボネート（ＥＣ）及びジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を混合した溶媒に、ＬｉＰＦ６を濃度が１ｍｏｌ／ｄｍ３となるように溶媒に溶かして非水電解質溶液とした。
【００８４】
次に、アルミラミネートフィルムを袋状に形成したパックを用意し、積層構造体を挿入し、真空槽中で非水電解質溶液を注入して積層構造体を非水電解質溶液に含浸させた。その後、減圧状態のままで、リードの一部が外装体から突き出るようにしてパックの入り口部をシールし、初期充放電を行うことにより積層型リチウムイオン二次電池を得た。
【００８５】
このようなリチウムイオン二次電池に対して、充放電サイクルを繰り返したところ、リチウムイオン二次電池の厚みは、図６の線Ａに示すように、放電すると大きく膨張し、放電すると大きく収縮することが確認された。なお、負極活物質として黒鉛を用いたリチウムイオン二次電池も制作したが、この場合でも図６の線Ｂに示すように充電放電に応じて厚みの変動は起こった。
【００８６】
続いて、圧力センサとしてＰＺＴを用いた圧電素子、所定の厚みのステンレス製のスペーサ、及び、所定の開口幅の絞り出し成形されたアルミニウム箱形ケースを用意し、圧電素子、リチウムイオン二次電池、スペーサをこの順に重ねてケース内に挿入し、電源を完成させた。スペーサの厚みは、ケース内で厚み方向に隙間ができないように設定した。
【００８７】
そして、リチウムイオン二次電池の充電状態（残存容量）と、圧電素子の端子間電圧との関係を測定した結果を図６に示す。充電状態に応じて、圧電素子の端子間電圧は直線的に変化し、充電状態を圧力センサ６０によって検出できることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本実施形態に係る電源の概略断面図である。
【図２】図１の電源の部分破断上面図である。
【図３】図１のリチウムイオン二次電池を製造する方法を説明する断面図である。
【図４】図１のリチウムイオン二次電池を作成する方法を説明する図３に続く斜視図である。
【図５】実施例に係るリチウムイオン二次電池の充放電に伴う厚みの変化を示すグラフである。
【図６】実施例に係る電源における、充放電に伴う出力電圧の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８９】
１…電源、５…リチウムイオン二次電池、１０…カソード層（正極層）、２０…アノード層（負極層）、３０…セパレータ層、５０…積層構造体、５５…パック（電池容器）、６０…圧力センサ、７０…スペーサ、９０…ケース（挟持部材）。
【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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