(57)【要約】【課題】体積出力密度が高い薄型電池を提供する。【解決手段】一対の外装部材１０６，１０７の外周縁を封止して内部に収容され、方形又は略方形とされた電極板１０１，１０３を含む発電要素１０８と、発電要素の電極板に接続され外装部材の外周縁から導出された電極端子１０４，１０５とを有する薄型電池１０であり、電極板の、電極端子が導出された第１の辺の長さが、外装部材を含む電池の厚さの２５〜７５倍である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の外装部材の外周縁を封止して内部に収容され、方形又は略方形とされた電極板を含む発電要素と、前記発電要素の電極板に接続され前記外装部材の外周縁から導出された電極端子とを有する薄型電池において、
前記電極板の、前記電極端子が導出された第１の辺の長さが、前記外装部材を含む電池の厚さの２５〜７５倍であることを特徴とする薄型電池。
【請求項２】
前記第１の辺の長さが、前記外装部材を含む電池の厚さの３０〜６０倍であることを特徴とする請求項１記載の薄型電池。
【請求項３】
前記第１の辺の長さが、前記外装部材を含む電池の厚さの３０〜４５倍であることを特徴とする請求項２記載の薄型電池。
【請求項４】
一対の外装部材の外周縁を封止して内部に収容され、方形又は略方形とされた電極板を含む発電要素と、前記発電要素の電極板に接続され前記外装部材の外周縁から導出された電極端子とを有する薄型電池において、
前記電極板の、前記電極端子が導出された第１の辺の長さが、前記電極板の積層数に７〜２１ｍｍを乗じた範囲であることを特徴とする薄型電池。
【請求項５】
前記第１の辺の長さが、前記電極板の積層数に７〜１４ｍｍを乗じた範囲であることを特徴とする請求項４記載の薄型電池。
【請求項６】
前記第１の辺の長さが、前記電極板の積層数に７〜１１ｍｍを乗じた範囲であることを特徴とする請求項５記載の薄型電池。
【請求項７】
一対の外装部材の外周縁を封止して内部に収容され、方形又は略方形とされた電極板を含む発電要素と、前記発電要素の電極板に接続され前記外装部材の外周縁から導出された電極端子とを有する薄型電池において、
前記電極板の、前記電極端子が導出されていない第２の辺の長さが、前記外装部材を含む電池の厚さの４０〜１２０倍であることを特徴とする薄型電池。
【請求項８】
前記第２の辺の長さが、前記外装部材を含む電池の厚さの５０〜１００倍であることを特徴とする請求項７記載の薄型電池。
【請求項９】
一対の外装部材の外周縁を封止して内部に収容され、方形又は略方形とされた電極板を含む発電要素と、前記発電要素の電極板に接続され前記外装部材の外周縁から導出された電極端子とを有する薄型電池において、
前記電極板の、前記電極端子が導出されていない第２の辺の長さが、前記電極板の積層数に１２〜３６ｍｍを乗じた範囲であることを特徴とする薄型電池。
【請求項１０】
前記第２の辺の長さが、前記電極板の積層数に１２〜２４ｍｍを乗じた範囲であることを特徴とする請求項９記載の薄型電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極板を含む発電要素が外装部材に収容されて封止され、外装部材の外周縁から電極端子が導出した薄型二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
セパレータを介して正極板と負極板とを交互に積層した発電要素を外装部材の内部に収容して周縁を封止し、正極板及び負極板に接続された電極端子を外装部材の外周縁から導出させた積層型の薄型電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような積層型の薄型電池は、携帯電話やノート型パソコン或いはハイブリッド電気自動車等に用いられるため、できる限り小型かつ高出力であること、すなわち単位体積当たりの出力密度（以下、体積出力密度という。）が高いことが望まれる。
【０００４】
しかしながら、この種の積層型薄型電池は、構成部品が比較的少なく、また既にこれら構成部品の小型化がある程度図られているため、更なる体積出力密度の向上が難しかった。
【０００５】
例えば、電極端子の幅を広くすることにより、集電体を流れる電流の抵抗を減少させて薄型電池の出力を向上させる方法が考えられるが、単純に電極端子の幅を大きくするだけでは、集電体の抵抗が減少することによる高出力化のメリットより、電極端子の幅を広くしたことによる薄型電池の体積増加のデメリットが勝ってしまい、薄型電池の体積出力密度が却って低下する場合がある。
【特許文献１】特開平９−２５９８５９号公報
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、体積出力密度が高い薄型電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点によれば、一対の外装部材の外周縁を封止して内部に収容され、方形又は略方形とされた電極板を含む発電要素と、前記発電要素の電極板に接続され前記外装部材の外周縁から導出された電極端子とを有する薄型電池において、前記電極板の、前記電極端子が導出された第１の辺の長さが、前記外装部材を含む電池の厚さの２５〜７５倍であることを特徴とする薄型電池が提供される。
【０００７】
また、上記目的を達成するために、本発明の第２の観点によれば、一対の外装部材の外周縁を封止して内部に収容され、方形又は略方形とされた電極板を含む発電要素と、前記発電要素の電極板に接続され前記外装部材の外周縁から導出された電極端子とを有する薄型電池において、前記電極板の、前記電極端子が導出された第１の辺の長さが、前記電極板の積層数に７〜２１ｍｍを乗じた範囲であることを特徴とする薄型電池が提供される。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、本発明の第３の観点によれば、一対の外装部材の外周縁を封止して内部に収容され、方形又は略方形とされた電極板を含む発電要素と、前記発電要素の電極板に接続され前記外装部材の外周縁から導出された電極端子とを有する薄型電池において、前記電極板の、前記電極端子が導出されていない第２の辺の長さが、前記外装部材を含む電池の厚さの４０〜１２０倍であることを特徴とする薄型電池が提供される。
【０００９】
また、上記目的を達成するために、本発明の第４の観点によれば、一対の外装部材の外周縁を封止して内部に収容され、方形又は略方形とされた電極板を含む発電要素と、前記発電要素の電極板に接続され前記外装部材の外周縁から導出された電極端子とを有する薄型電池において、前記電極板の、前記電極端子が導出されていない第２の辺の長さが、前記電極板の積層数に１２〜３６ｍｍを乗じた範囲であることを特徴とする薄型電池が提供される。
【００１０】
本発明において、体積出力密度は出力／体積で定義される。ここで、出力は（開放電圧−終止電圧）×終止電圧／内部抵抗で表され、内部抵抗は電極板の抵抗と集電体の抵抗の和になるが、集電体抵抗は電極板の第１の辺及び第２の辺の長さや電極板の積層数により決定される。一方、体積出力密度の体積は電極板の第１の辺及び第２の辺や電池の厚さにより決定される。
【００１１】
したがって、電極板の第１の辺、第２の辺、電極板の積層数、電池の厚さを最適化することで、体積出力密度が最高になる電池を提供することができる。
【００１２】
さらに、上記発明においては特に限定されないが、前記第１の辺の長さが、前記外装部材を含む電池の厚さの３０〜４５倍であることが好ましい。また、前記第１の辺の長さが、前記電極板の積層数に７〜１１ｍｍを乗じた範囲であることが好ましい。これにより、放電容量維持率が最高となるように電極板の第１の辺、電極板の積層数、及び、電池の厚さを最適化でき、薄型電池の長寿命化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿う断面図である。
【００１５】
図１及び図２は一つの薄型電池１０（単位電池、セル）を示し、この薄型電池１０を複数積層して接続することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。
【００１６】
本発明の実施形態に係る薄型電池１０は、リチウム系、平板状、積層タイプの薄型二次電池であり、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質とから構成されている。
【００１７】
このうちの正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解質が本発明に係る発電要素１０８を構成し、また、正極板１０１、負極板１０３が本発明に係る電極板に相当し、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７が本発明に係る外装部材に相当する。
【００１８】
発電要素１０８を構成する正極板１０１は、正極端子１０４まで伸びている正極側集電体１０１ａと、正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃとを有している。なお、正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃは、正極側集電体１０１ａの全体の両主面に亘って形成されているのではなく、図２に示すように、正極板１０１、セパレータ１０２及び負極板１０３を積層して発電要素１０８を構成する際に、正極板１０１においてセパレータ１０２に実質的に重なる部分のみに正極層１０１ｂ、１０１ｃが形成されている。
【００１９】
この正極板１０１の正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
【００２０】
また、この正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃは、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、又は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の接着剤と、溶剤とを混合したものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成される。
【００２１】
発電要素１０８を構成する負極板１０３は、負極端子１０５まで伸びている負極側集電体１０３ａと、当該負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃとを有している。なお、負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃは、負極側集電体１０３ａの全体の両主面に亘って形成されているのではなく、図２に示すように、正極板１０１、セパレータ１０２及び負極板１０３を積層して発電要素１０８を構成する際に、負極板１０３においてセパレータ１０２に実質的に重なる部分のみに負極層１０３ｂ、１０３ｃが形成されている。
【００２２】
この負極板１０３の負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
【００２３】
また、この負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延させることにより形成される。
【００２４】
特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。
【００２５】
発電要素１０８のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
【００２６】
なお、本発明に係るセパレータ１０２は、ポリオレフィン等の単層膜にのみ限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。このようにセパレータ１０２を複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することができる。
【００２７】
以上の発電要素１０８は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが交互に積層されている。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属箔製の負極端子１０５にそれぞれ接続されている。
【００２８】
なお、発電要素１０８の正極板１０１、セパレータ１０２、及び、負極板１０３は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、１枚の正極板１０１、３枚のセパレータ１０２、及び、１枚の負極板１０３でも発電要素１０８を構成することができ、必要に応じて正極板１０１、セパレータ１０２及び負極板１０３の枚数を選択して構成することができる。
【００２９】
正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、厚さ０．２ｍｍ程度のアルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることができる。また、負極端子１０５としては、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、厚さ０．２ｍｍ程度のニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることができる。
【００３０】
ちなみに本実施形態では、電極板１０１、１０３の集電体１０１ａ、１０３ａを構成する金属箔自体を電極端子１０４、１０５まで延長することにより、換言すれば、１枚の金属箔１０１ａ，１０３ａの一部に電極層（正極層１０１ｂ，１０１ｃ又は負極層１０３ｂ，１０３ｃ）を形成し、残りの端部を電極端子との接結部材とし、電極板１０１、１０３を電極端子１０４、１０５に接続しているが、正極層及び負極層間に位置する集電体１０１ａ，１０３ａを構成する金属箔と、接結部材を構成する金属箔とは別の材料や部品により接続しても良い。なお、以下の本実施形態では、上記正極層間及び負極層間に位置する集電体と接結部材は１枚の金属箔で構成されているものとして説明する。
【００３１】
発電要素１０８は、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７に収容されて封止されている。本実施形態における上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は何れも、特に図示しないが、薄型電池１０の内側から外側に向かって、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている内側層と、例えば、アルミニウム等の金属箔から構成されている中間層と、例えば、ポリアミド系樹脂又はポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成されている外側層と、の三層構造となっている。従って、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は何れも、例えば、アルミニウム箔等金属箔の一方の面（薄型電池１０の内側面）をポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の樹脂でラミネートし、他方の面（薄型電池１０の外側面）をポリアミド系樹脂又はポリエステル系樹脂でラミネートした、樹脂−金属薄膜ラミネート剤等の可撓性を有する材料で形成されている。
【００３２】
このように、外装部材１０６，１０７が樹脂層に加えて金属層を具備することにより、外装部材自体の強度向上を図ることが可能となる。また、外装部材１０６，１０７の内側層を、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の樹脂で構成することにより、金属製の電極端子１０４，１０５との良好な融着性を確保することが可能となる。
【００３３】
なお、図１及び図２に示すように、封止された外装部材１０６、１０７の一方の端部から正極端子１０４が導出し、当該他方の端部から負極端子１０５が導出するが、電極端子１０４、１０５の厚さ分だけ上部外装部材１０６と下部外装部材１０７との融着部に隙間が生じるので、薄型電池１０内部の封止性を維持するために、電極端子１０４、１０５と外装部材１０６、１０７とが接触する部分に、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等から構成されたシールフィルムを介在させても良い。このシールフィルムは、正極端子１０４及び負極端子１０５の何れにおいても、外装部材１０６、１０７を構成する樹脂と同系統の樹脂で構成することが熱融着性の観点から好ましい。
【００３４】
これらの外装部材１０６、１０７によって、上述した発電要素１０８、正極端子１０４の一部及び負極端子１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウムや六フッ化リン酸リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、外装部材１０６、１０７により形成される空間を吸引して真空状態とした後に、外装部材１０６、１０７の外周縁を熱プレスにより熱融着して封止する。
【００３５】
有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）やメチルエチルカーボネート等のエステル系溶媒を挙げることができるが、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒を用いることもできる。
【００３６】
次に、上述した構成の薄型電池１０において、体積出力密度が最大となる電池形状を検討する。ここで、体積出力密度は以下の（１）式で定義され、この（１）式は（２）〜（８）式に展開することができる。
【００３７】
数１
（１）体積出力密度＝出力Ｗ／体積Ｌ
（２）出力Ｗ＝（開放電圧−終止電圧）×終止電圧÷内部抵抗
（３）内部抵抗＝正極層と負極層の抵抗＋集電体の抵抗
（４）集電体の抵抗＝正極側集電体の抵抗＋負極側集電体の抵抗
（５）正極側集電体の抵抗＝（正極側集電体を構成する導電材の比抵抗）×
（正極板の長さ÷２）÷（正極板の幅）÷（正極板の厚さ）÷（正極板の積層数）
（６）負極側集電体の抵抗＝（負極側集電体を構成する導電材の比抵抗）×
（負極板の長さ÷２）÷（負極板の幅）÷（負極板の厚さ）÷（負極板の積層数）
（７）体積Ｌ＝（正極板の長さ＋（電池の長さ−正極板の長さ）＋余白）×（正極板の幅＋（電池の幅−正極板の幅）＋余白）×（電池の厚さ＋余白）
（８）電池の厚さ＝正極層を含む正極板の厚さ×正極板の積層数＋
負極層を含む負極板の厚さ×負極板の積層数＋
セパレータの厚さ×セパレータの積層数＋
外装部材の厚さ×２
なお、正極層と負極層の抵抗はセパレータ及び電解液の抵抗を含んだ抵抗をいう。また、「正極板の幅」とは、図１に示すように電極端子１０４，１０５が接続された辺（本発明に係る第１の辺に相当する。）のうち、実質的に正極層が形成された部分の長さをいい、「正極板の長さ」とは、同図に示すように電極端子１０４，１０５が接続されていない辺（本発明に係る第２の辺に相当する。）のうち、実質的に正極層が形成された部分の長さをいう。また、「電池の厚さ」とは、図２に示すように外装部材１０６，１０７を含む電池１０全体の厚さをいう。また、「電池の長さ」とは図１に示すように電極端子を含む，電極端子延出方向の電池の長さをいい、「電池の幅」とは電極端子が接続された辺の長さをいう。なお、図１における４０ｍｍや１５ｍｍといった寸法は一例であって，これらは任意に設定できる値である。
【００３８】
また、「負極板の長さ」及び「負極板の幅」も正極板と同様に、実質的に負極層が形成された部分の長さをいうが、電池１０としての機能の点からは負極板は正極板と同じ形状か或いはこれより若干大きいものであれば良いので、体積出力密度を最大にするためには負極板と正極板とは同じ形状であるとして以下の検討を行うこととする。また、「電池以外の余白」とは、薄型電池を組電池として構成した場合に隣り合う薄型電池との間に存在する空間の三次元方向それぞれの寸法をいう。
【００３９】
上述した薄型電池１０を構成するためには、下記のとおりのパラメータの変化量が考えられる。この変化量は薄型電池１０としての機能を発揮するための最大限の範囲であり、これを外れた範囲では薄型電池１０としては実質的に成立しない。
【００４０】
数２
正極層と負極層の抵抗＝１〜１００Ωｃｍ２
正極板の厚さ＝５〜１００μｍ
負極板の厚さ＝５〜１００μｍ
正極層を含む正極板の厚さ＝５〜２００μｍ
負極層を含む負極板の厚さ＝５〜２００μｍ
電池の長さ−正極板の長さ＝１０〜１００ｍｍ
電池の幅−正極板の幅＝１０〜１００ｍｍ
セパレータの厚さ＝５〜１００μｍ
外装部材の厚さ＝５０〜１０００μｍ
電池以外の余白＝三次元方向それぞれに対して０〜１００ｍｍ    …（９）
この範囲のパラメータの変化量を上記（１）〜（８）式に代入することで、（１）式に定義される体積出力密度の最大値が演算により求められるが、（２）式において開放電圧と終止電圧は目的とする薄型電池の使用により決定される値であることから、体積出力密度の値が薄型電池の形状に起因するのは内部抵抗のみである。そして、この内部抵抗は、（３）〜（６）式に示されるように正極板の長さと幅、及び積層数により変動する。一方、上記（７）及び（８）式より、電池の体積は正極板の長さと幅及び電池の厚さにより変動する。以上のことから、体積出力密度は、正極板の長さと幅、積層数及び電池の厚さにより変動する値であることがわかる。
【００４１】
ここで、上記（９）式に示すパラメータを変動量（変動範囲）で変化させた際の正極板の幅／電池の厚さと体積出力密度との関係を演算により求め、正極板の幅／電池の厚さが最も小さいときに体積出力密度が最大となる場合、及び正極板の幅／電池の厚さが最も大きいときに体積出力密度が最大となる場合の、正極板の幅／電池の厚さと体積出力密度との関係を図３に示す。つまり、図３においては体積出力密度のピークを最も図左側に持つ場合と，最も図右側に持つ場合の正極板の幅／電池の厚さと体積出力密度との関係が示されている。
【００４２】
同図から明らかなように、上記（９）式に示すパラメータをその変動量の範囲でどのように変動させても、正極板の幅／電池の厚さの値が２５未満の場合と７５を超える場合は体積出力密度が最大になることはない。したがって、正極板の幅を電池の厚さに対して２５〜７５倍に設定しさえすれば、上記（９）式に示すパラメータの変動量の中で体積出力密度が最大となるパラメータの組み合わせが少なくとも存在することになる。
【００４３】
上記（９）式に示すパラメータの変動量の範囲において、正極板の幅／電池の厚さに対する体積出力密度の最大値を図４に示す。なお図４では、正極板の幅／電池の厚さの値が７５を超えた範囲、たとえば８０前後のときの体積出力密度の最大値が、２５〜５０前後のときの体積出力密度の最大値よりも大きくなっているが、これは正極板の幅／電池の厚さの値を８０前後にしても、そのときの最大値を示すパラメータの組み合わせを用いて、正極板の幅／電池の厚さの値を２５〜７５の範囲とすることにより、より大きい体積出力密度を示す薄型電池を構成することができるということである。
【００４４】
以上の正極板の幅／電池の厚さの値と同様に、上記（９）式に示すパラメータを変動量（変動範囲）で変化させた際の正極板の幅／正極板の積層数と体積出力密度との関係を演算により求め、正極板の幅／正極板の積層数が最も小さいときに体積出力密度が最大となる場合、及び正極板の幅／正極板の積層数が最も大きいときに体積出力密度が最大となる場合の、正極板の幅／正極板の積層数と体積出力密度との関係を図５に示す。つまり、図５においては体積出力密度のピークを最も図左側に持つ場合と，最も図右側に持つ場合の正極板の幅／正極板の積層数と体積出力密度との関係が示されている。
【００４５】
同図から明らかなように、上記（９）式に示すパラメータをその変動量の範囲でどのように変動させても、正極板の幅／正極板の積層数の値が７未満の場合と２１を超える場合は体積出力密度が最大になることはない。したがって、正極板の幅を正極板の積層数に対して７〜２１倍（単位はｍｍ）に設定しさえすれば、上記（９）式に示すパラメータの変動量の中で体積出力密度が最大となるパラメータの組み合わせが少なくとも存在することになる。
【００４６】
上記（９）式に示すパラメータの変動量の範囲において、正極板の幅／正極板の積層数に対する体積出力密度の最大値を図６に示す。
【００４７】
さらに、上記（９）式に示すパラメータを変動量（変動範囲）で変化させた際の正極板の長さ／電池の厚さと体積出力密度との関係を演算により求め、正極板の長さ／電池の厚さが最も小さいときに体積出力密度が最大となる場合、及び正極板の長さ／電池の厚さが最も大きいときに体積出力密度が最大となる場合の、正極板の長さ／電池の厚さと体積出力密度との関係を図７に示す。つまり、図７においては体積出力密度のピークを最も図左側に持つ場合と，最も図右側に持つ場合の正極板の長さ／電池の厚さと体積出力密度との関係が示されている。
【００４８】
同図から明らかなように、上記（９）式に示すパラメータをその変動量の範囲でどのように変動させても、正極板の長さ／電池の厚さの値が４０未満の場合と１２０を超える場合は体積出力密度が最大になることはない。したがって、正極板の長さを電池の厚さに対して４０〜１２０倍に設定しさえすれば、上記（９）式に示すパラメータの変動量の中で体積出力密度が最大となるパラメータの組み合わせが少なくとも存在することになる。
【００４９】
上記（９）式に示すパラメータの変動量の範囲において、正極板の長さ／電池の厚さに対する体積出力密度の最大値を図８に示す。
【００５０】
さらに、上記（９）式に示すパラメータを変動量（変動範囲）で変化させた際の正極板の長さ／正極板の積層数と体積出力密度との関係を演算により求め、正極板の長さ／正極板の積層数が最も小さいときに体積出力密度が最大となる場合、及び正極板の長さ／正極板の積層数が最も大きいときに体積出力密度が最大となる場合の、正極板の長さ／正極板の積層数と体積出力密度との関係を図９に示す。つまり、図９においては体積出力密度のピークを最も図左側に持つ場合と，最も図右側に持つ場合の正極板の長さ／正極板の積層数と体積出力密度との関係が示されている。
【００５１】
同図から明らかなように、上記（９）式に示すパラメータをその変動量の範囲でどのように変動させても、正極板の長さ／正極板の積層数の値が１２未満の場合と３６を超える場合は体積出力密度が最大になることはない。したがって、正極板の長さを正極板の積層数に対して１２〜３６倍（単位はｍｍ）に設定しさえすれば、上記（９）式に示すパラメータの変動量の中で体積出力密度が最大となるパラメータの組み合わせが少なくとも存在することになる。
【００５２】
上記（９）式に示すパラメータの変動量の範囲において、正極板の長さ／正極板の積層数に対する体積出力密度の最大値を図１０に示す。
【００５３】
次に、上記（９）式のパラメータの変動量を、より現実的な薄型電池（すなわち，一般的に流通している薄型電池）を想定して以下のとおりにし、同じようにして体積出力密度が最大となる電池形状を検討した。
【００５４】
数３
正極層と負極層の抵抗＝１０〜２０Ωｃｍ２
正極板の厚さ＝１０〜３０μｍ
負極板の厚さ＝５〜１５μｍ
正極層を含む正極板の厚さ＝１０〜１００μｍ
負極層を含む負極板の厚さ＝１０〜１００μｍ
電池の長さ−正極板の長さ＝１０〜１００ｍｍ
電池の幅−正極板の幅＝１０〜１００ｍｍ
セパレータの厚さ＝１０〜３０μｍ
外装部材の厚さ＝１００〜２００μｍ
電池以外の余白＝三次元方向それぞれに対して０〜１００ｍｍ    …（１０）
この範囲のパラメータの変化量を上記（１）〜（８）式に代入することで、（１）式に定義される体積出力密度の最大値が演算により求められる。上記（１０）式に示すパラメータを変動量（変動範囲）で変化させた際の正極板の幅／電池の厚さと体積出力密度との関係を演算により求め、正極板の幅／電池の厚さが最も小さいときに体積出力密度が最大となる場合、及び正極板の幅／電池の厚さが最も大きいときに体積出力密度が最大となる場合の、正極板の幅／電池の厚さと体積出力密度との関係を図１１に示す。つまり、図１１においては体積出力密度のピークを最も図左側に持つ場合と，最も図右側に持つ場合の正極板の幅／電池の厚さと体積出力密度との関係が示されている。
【００５５】
同図から明らかなように、上記（１０）式に示すパラメータをその変動量の範囲でどのように変動させても、正極板の幅／電池の厚さの値が３０未満の場合と６０を超える場合は体積出力密度が最大になることはない。したがって、正極板の幅を電池の厚さに対して３０〜６０倍に設定しさえすれば、上記（１０）式に示すパラメータの変動量の中で体積出力密度が最大となるパラメータの組み合わせが少なくとも存在することになる。
【００５６】
上記（１０）式に示すパラメータの変動量の範囲において、正極板の幅／電池の厚さに対する体積出力密度の最大値を図１２に示す。
【００５７】
以上の正極板の幅／電池の厚さの値と同様に、上記（１０）式に示すパラメータを変動量（変動範囲）で変化させた際の正極板の幅／正極板の積層数と体積出力密度との関係を演算により求め、正極板の幅／正極板の積層数が最も小さいときに体積出力密度が最大となる場合、及び正極板の幅／正極板の積層数が最も大きいときに体積出力密度が最大となる場合の、正極板の幅／正極板の積層数と体積出力密度との関係を図１３に示す。つまり、図１３においては体積出力密度のピークを最も図左側に持つ場合と，最も図右側に持つ場合の正極板の幅／正極板の積層数と体積出力密度との関係が示されている。
【００５８】
同図から明らかなように、上記（１０）式に示すパラメータをその変動量の範囲でどのように変動させても、正極板の幅／正極板の積層数の値が７未満の場合と１４を超える場合は体積出力密度が最大になることはない。したがって、正極板の幅を正極板の積層数に対して７〜１４倍（単位はｍｍ）に設定しさえすれば、上記（１０）式に示すパラメータの変動量の中で体積出力密度が最大となるパラメータの組み合わせが少なくとも存在することになる。
【００５９】
上記（１０）式に示すパラメータの変動量の範囲において、正極板の幅／正極板の積層数に対する体積出力密度の最大値を図１４に示す。
【００６０】
さらに、上記（１０）式に示すパラメータを変動量（変動範囲）で変化させた際の正極板の長さ／電池の厚さと体積出力密度との関係を演算により求め、正極板の長さ／電池の厚さが最も小さいときに体積出力密度が最大となる場合、及び正極板の長さ／電池の厚さが最も大きいときに体積出力密度が最大となる場合の、正極板の長さ／電池の厚さと体積出力密度との関係を図１５に示す。つまり、図１５においては体積出力密度のピークを最も図左側に持つ場合と，最も図右側に持つ場合の正極板の長さ／電池の厚さと体積出力密度との関係が示されている。
【００６１】
同図から明らかなように、上記（１０）式に示すパラメータをその変動量の範囲でどのように変動させても、正極板の長さ／電池の厚さの値が５０未満の場合と１００を超える場合は体積出力密度が最大になることはない。したがって、正極板の長さを電池の厚さに対して５０〜１００倍に設定しさえすれば、上記（１０）式に示すパラメータの変動量の中で体積出力密度が最大となるパラメータの組み合わせが少なくとも存在することになる。
【００６２】
上記（１０）式に示すパラメータの変動量の範囲において、正極板の長さ／電池の厚さに対する体積出力密度の最大値を図１６に示す。
【００６３】
さらに、上記（１０）式に示すパラメータを変動量（変動範囲）で変化させた際の正極板の長さ／正極板の積層数と体積出力密度との関係を演算により求め、正極板の長さ／正極板の積層数が最も小さいときに体積出力密度が最大となる場合、及び正極板の長さ／正極板の積層数が最も大きいときに体積出力密度が最大となる場合の、正極板の長さ／正極板の積層数と体積出力密度との関係を図１７に示す。つまり、図１７においては体積出力密度のピークを最も図左側に持つ場合と，最も図右側に持つ場合の正極板の長さ／正極板の積層数と体積出力密度との関係が示されている。
【００６４】
同図から明らかなように、上記（１０）式に示すパラメータをその変動量の範囲でどのように変動させても、正極板の長さ／正極板の積層数の値が１２未満の場合と２４を超える場合は体積出力密度が最大になることはない。したがって、正極板の長さを正極板の積層数に対して１２〜２４倍（単位はｍｍ）に設定しさえすれば、上記（１０）式に示すパラメータの変動量の中で体積出力密度が最大となるパラメータの組み合わせが少なくとも存在することになる。
【００６５】
上記（１０）式に示すパラメータの変動量の範囲において、正極板の長さ／正極板の積層数に対する体積出力密度の最大値を図１８に示す。
【００６６】
以上のとおり、（９）式に示すパラメータの変動量においては、正極板の幅が電池の厚さの２５〜７５倍、正極板の幅が正極板の積層数に７〜２１ｍｍを乗じた範囲、正極板の長さが電池の厚さの４０〜１２０倍、正極板の長さが正極板の積層数に１２〜３６ｍｍを乗じた範囲であることが好ましく、また（１０）式に示すパラメータの変動量においては、正極板の幅が電池の厚さの３０〜６０倍、正極板の幅が正極板の積層数に７〜１４ｍｍを乗じた範囲、正極板の長さが電池の厚さの５０〜１００倍、正極板の長さが正極板の積層数に１２〜２４ｍｍを乗じた範囲であることが好ましい。
【００６７】
次にさらに具体的な数値を代入して電池形状の最適化を検討する。
【００６８】
まず前提として電池容量を３．６Ａｈ、正極板１０１の容量を１ｍＡｈ／ｃｍ２とすると、正極板１０１の総面積は３６００ｃｍ２となる。この総面積３６００ｃｍ２の正極板を分割して積層することにより薄型電池を構成する場合、積層数を１層から順に変化させ、各積層数における最大体積出力密度を算出する。そして、どの積層数のときに体積出力密度が最大になり、そのときの電池の最適形状を決定する。
【００６９】
（２）式における開放電圧を３．７Ｖ，終止電圧を２．５Ｖ、（３）式における電極板の抵抗（電極板と電解質の抵抗を含む。）を３ｍΩとする。また、（３）式の集電体の抵抗については、正極側集電体１０１ａに厚さ２０μｍのアルミニウム（比抵抗：２．５×１０−８）、負極側集電体１０３ａに厚さ１０μｍの銅（比抵抗：１．５５×１０−８）をそれぞれ用いたとすると、（４）式より集電体の抵抗＝正極側集電体の抵抗＋負極側集電体の抵抗であることから、（５）式は、正極側集電体の抵抗＝（２．５×１０−８）×（電極板の長さ÷２）÷（電極板の幅）÷（電極板の厚さ（＝２０μｍ））÷（正極板の積層数）、（６）式は、負極側集電体の抵抗＝（１．５５×１０−８）×（電極板の長さ÷２）÷（電極板の幅）÷（電極板の厚さ（＝１０μｍ））÷（負極板の積層数）となる。
【００７０】
一方、上記（１）式における体積Ｌは、（７）式より体積Ｌ＝（正極板の長さ＋８０ｍｍ＋余白）×（正極板の幅＋３０ｍｍ＋余白）×（電池の厚さ＋余白）、（８）式より、電池の厚さ＝正極層を含む正極板の厚さ（＝１００μｍ）×正極板の積層数＋負極層を含む負極板の厚さ（＝７０μｍ）×負極板の積層数＋セパレータの厚さ（＝２５μｍ）×セパレータの積層数＋外装部材の厚さ（＝１００μｍ）×２である。
【００７１】
以上の式を用いて（５）式における正極板の積層数を１層から順に変化させ、上記（９）式に示すパラメータをその変化量の範囲内で変化させ、各積層数における最大体積出力密度を算出する。この結果を図１９に示す。この結果から、正極板の積層数が１１層の場合に体積出力密度が最大値を示すことがわかる。
【００７２】
次に、正極板の積層数を１１層としたときの正極板の長さに対する体積出力密度の関係を図２０に示す。この結果から正極板の長さが２２０ｍｍのときに体積出力密度が最大になる。既述したように正極板の総面積は３６００ｃｍ２であることから、正極板の幅の最適値は、３６００ｃｍ２÷１１層÷２２０ｍｍ＝１４９ｍｍとなる。
【００７３】
これにより、正極板の長さを２２０ｍｍ、正極板の幅を１４９ｍｍ、電池の長さを２２０ｍｍ＋４０ｍｍ×２＝３００ｍｍ、電池の幅を１４９ｍｍ＋１５ｍｍ×２＝１７９ｍｍ、電池の厚さを１００μｍ×１１層＋７０μｍ×１１層＋２５μｍ×２１層＋１００μｍ×２＝２．５ｍｍとした薄型電池を作成し、実際の体積出力密度を測定したところ、演算にて求められた６３００Ｗ／Ｌとほぼ等しい結果が得られた。
【００７４】
さらに以下に、長寿命化を考慮して放電容量維持率が最大となる電池形状の最適化について検討する。
【００７５】
先ず前提として、上記と同様に、電池容量を３．６Ａｈ、正極板１０１の容量を１ｍＡｈ／ｃｍ２とすると、正極板１０１の総面積は３６００ｃｍ２となる。この総面積３６００ｃｍ２の正極板を分割して積層数が１０〜１９層となる各薄型電池に対して所定の充放電サイクルを１０００サイクル繰り返した後の放電容量維持率をそれぞれ算出する。そして、この放電容量維持率が最高となる電池形状を最適な形状と決定する。正極板の積層数が１０〜１９層となる１０種類の薄型電池の正極板の幅、電池の厚さ、正極板の幅／電池の厚さ、及び、正極板の幅／正極板の積層数を表１に示す。
【表１】
2005142149.tif 000003
【００７６】
なお、充放電サイクルは、１サイクルが充電→充電休止→放電→放電休止の４ステップから構成され、このサイクルを４５℃の環境下で繰り返し、各サイクル毎に放電容量［Ａｈ］（＝放電電流［Ａ］×放電時間［ｈ］）を算出し、１サイクル目の放電容量に対する比率を算出することにより放電容量維持率［％］（＝各サイクル時の放電容量／１サイクル目の放電容量）を演算した。
【００７７】
この際、放充電サイクルの充電ステップは、電流値１ＣＡ（６０分で全容量を放電させる電流値）で充電を行い、電圧値が４．２Ｖとなったら充電を終了するように設定した。また、充放電サイクルの放電ステップは、電流値１ＣＡで放電を行い、電圧値が２．５Ｖとなったら放電を終了するように設定した。さらに、充放電サイクルの各休止ステップは、１０分間の休止時間をそれぞれ設定した。
【００７８】
前記１０個の薄型電池における正極板の幅／電池の厚さと、充放電サイクルを１０００サイクル繰り返した後の当該各薄型電池の放電容量維持率との関係を図２１に示す。この結果から、正極板の幅／電池の厚さの値が３０〜４５となる場合に、１０００サイクル後の放電容量維持率が最大値を示すことが分かる。正極板の幅／電池の厚さの値が３０未満である場合には、薄型電池の厚さが厚くなり温度上昇が大きくなるため、放電容量維持率が悪くなると考えられる。また、正極板の幅／電池の厚さの値が４５より大きい場合には、１層当たりの電極板の面積が大きくなり、電極板に対する均一な押圧が困難になると共に電池内に発生したガスが電極板の間から排出され難くなるため、放電容量維持率が悪くなると考えられる。
【００７９】
また、前記１０個の薄型電池における正極板の幅／正極板の積層数と、充放電サイクルを１０００サイクル繰り返した後の当該各薄型電池の放電容量維持率との関係を図２２に示す。この結果から、正極板の幅／正極板の積層数が７〜１１となる場合に、１０００サイクル後の放電容量維持率が最大値を示すことが分かる。正極板の幅／正極板の積層数が７未満である場合には、薄型電池の厚さが厚くなり温度上昇が大きくなるため、放電容量維持率が悪くなると考えられる。また、正極板の幅／正極板の積層数が１１より大きい場合には、１層当たりの電極板の面積が大きくなり、電極板に対する均一な押圧が困難になると共に電池内に発生したガスが電極板の間から排出され難くなるため、放電容量維持率が悪くなると考えられる。
【００８０】
以上のとおり、正極板の幅を電池の厚さに対して３０〜４５倍とし、正極板の幅を正極板の積層数に７〜１１ｍｍ乗じた範囲とすれば、放電容量が最大値となるように電池形状が最適化される。
【００８１】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る薄型電池の全体の平面図である。
【図２】図２は、図１のII-II線に沿った薄型電池の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る正極板の幅／電池の厚さに対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その１）である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る正極板の幅／電池の厚さに対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その２）である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る正極板の幅／正極板の積層数に対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その１）である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る正極板の幅／正極板の積層数に対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その２）である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る正極板の長さ／電池の厚さに対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その１）である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る正極板の長さ／電池の厚さに対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その２）である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る正極板の長さ／正極板の積層数に対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その１）である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る正極板の長さ／正極板の積層数に対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その２）である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る正極板の幅／電池の厚さに対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その１）である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る正極板の幅／電池の厚さに対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その２）である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る正極板の幅／正極板の積層数に対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その１）である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る正極板の幅／正極板の積層数に対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その２）である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る正極板の長さ／電池の厚さに対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その１）である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係る正極板の長さ／電池の厚さに対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その２）である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係る正極板の長さ／正極板の積層数に対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その１）である。
【図１８】本発明の第２実施形態に係る正極板の長さ／正極板の積層数に対する体積出力密度の関係を示すグラフ（その２）である。
【図１９】正極板の積層数に対する体積出力密度の関係を示すグラフである。
【図２０】正極板の積層数が１１層のときの、正極板の長さに対する体積出力密度の関係を示すグラフである。
【図２１】本発明の第３実施形態に係る正極板の幅／電池の厚さに対する放電容量維持率の関係を示すグラフである。
【図２２】本発明の第３実施形態に係る正極板の幅／正極板の積層数に対する放電容量維持率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８３】
１０…薄型電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ、１０１ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ、１０３ｃ…負極層
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６…上部外装部材
１０７…下部外装部材
１０８…発電要素
【図１】
2005142149.tif 000004
【図２】
2005142149.tif 000005
【図３】
2005142149.tif 000006
【図４】
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【図５】
2005142149.tif 000008
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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