(57)【要約】【課題】組電池を構成する単電池に含まれる、扁平状巻回電極体の各部分に加わる圧力のばらつきを抑制する。【解決手段】組電池は、単電池１００同士の間に介在するスペーサ２００を備える。スペーサ２００は、平板部２１０と、複数の突起部２２０と、弾性面材２３０とを含む。弾性面材２３０は、第１領域２３１と、第１領域２３１を除く領域からなる第２領域２３２と、を含む。第１領域２３１は、第１弾性係数を有し、第２領域２３２は、該第１弾性係数よりも低い第２弾性係数を有する。単電池１００の配列方向において、第１領域２３１は扁平状巻回電極体８０の中央部８１と対向する位置にあり、第２領域２３２は扁平状巻回電極体８０のコーナー部８２の少なくとも一部と対向する位置にある。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に配列されている複数の単電池と、
前記単電池同士の間に介在するスペーサと、を備え、
前記単電池は、配列方向と交差する側壁を有する角形ケースと、前記角形ケース内に収容されている扁平状巻回電極体と、を含み、
前記扁平状巻回電極体は、電極が前記側壁と平行になるように積層されている中央部と、前記電極が屈曲するコーナー部と、を含み、
前記スペーサは、平板部と、複数の突起部と、弾性面材とを含み、
前記平板部は、第１主面と、前記第１主面の反対側に位置する第２主面とを有し、
前記複数の突起部は、前記第１主面に配置されており、
前記複数の突起部は、前記側壁に接しており、
前記弾性面材は、前記第２主面に接しており、
前記弾性面材は、第１領域と、前記第１領域を除く領域からなる第２領域と、を含み、
前記第１領域は、第１弾性係数を有し、
前記第２領域は、前記第１弾性係数よりも低い第２弾性係数を有し、
前記配列方向において、前記第１領域は前記中央部と対向する位置にあり、前記第２領域は前記コーナー部の少なくとも一部と対向する位置にある、組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１４−１０７２１７号公報（特許文献１）には、複数の単電池（角形電池）が所定の方向に配列されて構成されている組電池において、単電池同士の間に、複数の突起部を有するスペーサを配置した構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１０７２１７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では、単電池の内部に収容されている、扁平状巻回電極体の外形寸法（すなわち、各部分の厚さ）に応じて、スペーサに設けられている突起部の高さを、その設けられる位置ごとに変える構成が提案されている。かかる構成は、各突起部から、扁平状巻回電極体の各部分に加わる圧力のばらつきを抑制することを目的としている。
【０００５】
しかしながら、当該構成によって、扁平状巻回電極体の各部分に加わる圧力のばらつきを可及的に小さくするためには、各突起部の高さを１０〜１００μｍオーダーの精度でそれぞれ変更する必要があり、スペーサの製造が容易でない。また扁平状巻回電極体の外形寸法が、このオーダー以上にばらついた場合には、目的の達成が困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の組電池は、所定の方向に配列されている複数の単電池と、該単電池同士の間に介在するスペーサと、を備える。
単電池は、配列方向と交差する側壁を有する角形ケースと、該角形ケース内に収容されている扁平状巻回電極体と、を含む。扁平状巻回電極体は、電極が角形ケースの側壁と平行になるように積層されている中央部と、該電極が屈曲するコーナー部と、を含む。
スペーサは、平板部と、複数の突起部と、弾性面材とを含む。平板部は、第１主面と、該第１主面の反対側に位置する第２主面とを有する。
複数の突起部は、第１主面に配置されている。複数の突起部は、角形ケースの側壁に接している。
弾性面材は、第２主面に接している。弾性面材は、第１領域と、該第１領域を除く領域からなる第２領域と、を含む。第１領域は、第１弾性係数を有する。第２領域は、第１弾性係数よりも低い第２弾性係数を有する。
配列方向において、第１領域は、扁平状巻回電極体の中央部と対向する位置にあり、第２領域は、扁平状巻回電極体のコーナー部の少なくとも一部と対向する位置にある。
【０００７】
上記の構成では、面内方向に弾性係数の分布を有する弾性面材により、扁平状巻回電極体の各部分に加わる圧力のばらつきを抑制する。
【０００８】
扁平状巻回電極体は、電極を巻回軸の回りに巻回することにより、円筒状の巻回電極体を製造し、さらに該巻回電極体を扁平状にプレス成形することにより、製造される。本発明者の検討によると、扁平状巻回電極体は、その製造プロセスに起因して、特有の厚さ分布を有している。
【０００９】
図４は、参考形態に係る組電池の構成の一例を示す概略部分断面図である。かかる断面は、組電池２０００における単電池１００の配列方向に平行で、かつ扁平状巻回電極体８０の巻回軸に垂直な断面である。扁平状巻回電極体８０は、電極が側壁５１と平行になるように積層されている中央部８１と、電極が屈曲するコーナー部８２とを含んでいる。扁平状巻回電極体８０において、中央部８１の厚さは略一定である。その一方、コーナー部８２には、中央部８１よりも厚い部分が存在する。電極が屈曲するコーナー部では、成形後の復元力が強く、スプリングバックしやすいためと考えられる。
【００１０】
配列方向に所定の押圧力を加えて、組電池２０００を拘束すると、扁平状巻回電極体８０において、厚さが大きい部分に圧力が集中し、圧力分布に、ばらつきが生じることになる。圧力のばらつきを抑制するために、扁平状巻回電極体の厚さ分布に応じて、スペーサ１２００に設けられた各突起部１２２０の高さを調整することも考えられる。しかし、この方法では、１０〜１００μｍオーダーで各突起部の高さをそれぞれ変更する必要がある。
【００１１】
図２は、本発明の実施形態に係る組電池の構成の一例を示す概略部分断面図である。組電池１０００において、スペーサ２００は、平板部２１０と、複数の突起部２２０と、弾性面材２３０とを含む。弾性面材２３０は、配列方向において、中央部８１と対向する位置に、第１弾性係数を有する第１領域２３１を含む。第１領域２３１は、弾性面材において最も弾性係数が高い、すなわち最も弾性変形し難い領域である。第１領域２３１を除く領域は、第２領域２３２であり、第１領域２３１よりも弾性係数が低い、すなわち弾性変形し易い領域である。第２領域２３２は、配列方向において、コーナー部８２の少なくとも一部と対向する位置にある。
【００１２】
配列方向に所定の押圧力を加えて、組電池１０００を拘束すると、弾性面材２３０が扁平状巻回電極体８０の外形に合わせて弾性変形する。すなわち、中央部８１と対向する位置にある第１領域２３１は小さくひずみ、コーナー部８２の少なくとも一部と対向する位置にある第２領域２３２は大きくひずむ。これにより、コーナー部８２内の厚い部分に集中する圧力を分散させ、扁平状巻回電極体に、均等に圧力を加えることができる。
【００１３】
扁平状巻回電極体の各部分に、均等に圧力を加えることにより、電極反応が均一となり、たとえばリチウムイオン二次電池の場合には、リチウム（Ｌｉ）析出に至る充電電流の向上が期待できる。
【発明の効果】
【００１４】
上記によれば、組電池を構成する単電池に含まれる、扁平状巻回電極体の各部分に加わる圧力のばらつきを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る組電池の構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る組電池の構成の一例を示す概略部分断面図である。
【図３】変形例に係る組電池の構成の一例を示す概略部分断面図である。
【図４】参考形態に係る組電池の構成を示す概略部分断面図である。
【図５】組電池の性能を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態（以下「本実施形態」と記す）について説明する。ただし、本実施形態は、以下の説明に限定されるものではない。
【００１７】
＜組電池＞
図１は、本実施形態の組電池の構成の一例を示す概略図である。組電池１０００は、たとえば電動車両（ＥＶ）、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）等の駆動電源として使用できる組電池である。組電池１０００は、所定の方向に配列されている複数の単電池１００と、単電池１００同士の間に介在するスペーサ２００とを備える。単電池は複数（２個以上）であればよく、単電池の個数に上限はない。単電池の個数は、組電池に求められる出力等に応じて適宜変更できる。単電池の個数は、たとえば２０個以下であってもよい。
【００１８】
単電池１００は、典型的には角形リチウムイオン二次電池である。単電池１００は、角形ケース５０を含む。角形ケースの外形は、扁平状の直方体である。角形ケース５０は、配列方向に交差する側壁を有する。典型的には角形ケースの側壁のうち最も面積が大きい側壁が、配列方向に交差する側壁となる。
【００１９】
角形ケース５０には、正極端子６０および負極端子６２が設けられている。複数の単電池１００は、電気的に直列に接続されている。すなわち各単電池１００は、１個ずつ向きを反転させられながら配列されている。そして一の単電池１００の正極端子６０と、隣接する別の単電池１００の負極端子６２とが、接続部材６４（バスバー）によって電気的に接続されている。
【００２０】
複数の単電池１００の配列の両端には、拘束板７６，７７が配置されている。拘束バンド７２は、拘束板７６と拘束板７７との間を架橋するように取り付けられている。拘束バンド７２と拘束板７６，７７とはビス７８によって連結されている。
【００２１】
ビス７８を締め付けることにより、複数の単電池１００およびスペーサ２００を、拘束バンド７２および拘束板７６，７７によって固定することができる。またビス７８を締め付けることにより、単電池１００およびスペーサ２００に、押圧力が加わることになる。単位面積あたりの押圧力の大きさは、たとえば０．１〜１０ＭＰａ程度である。
【００２２】
《扁平状巻回電極体》
図２は、本実施形態に係る組電池の構成の一例を示す概略部分断面図である。かかる断面は、単電池の配列方向に平行で、かつ扁平状巻回電極体の巻回軸に垂直な断面である。
【００２３】
角形ケース５０内には、扁平状巻回電極体８０が収容されている。扁平状巻回電極体８０は、電極が側壁５１と平行になるように積層されている中央部８１と、電極が屈曲するコーナー部８２とを含む。ここで電極は、正極および負極を示す。正極および負極は、セパレータを挟んで対向するように積層されている。正極、負極およびセパレータは、いずれも帯状のシート部材である。扁平状巻回電極体は、次のようにして製造される。すなわち、先ずセパレータを挟んで正極と負極とを積層し、さらにこれらを巻回軸の周りに巻回することにより、巻回電極体を構成する。次いで、巻回電極体を平板プレス機などにより、扁平状に成形することにより、扁平状巻回電極体が製造される。
【００２４】
正極は、正極集電体上に、正極合材を塗着してなる。正極集電体は、たとえばアルミニウム箔等である。正極合材は、たとえばＬｉＮｉ1/3Ｃｏ1/3Ｍｎ1/3Ｏ2等の正極活物質を含有する。負極は、負極集電体上に、負極合材を塗着してなる。負極集電体は、たとえば銅箔等である。負極合材は、たとえば黒鉛等の負極活物質を含有する。
【００２５】
セパレータは、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等からなる微多孔膜である。角形ケース５０内には、電解液も収容されている。電解液は、非プロトン性溶媒にＬｉ塩を溶解させた液体電解質である。非プロトン性溶媒は、たとえばエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等からなる混合溶媒である。Ｌｉ塩は、たとえばＬｉＰＦ6等である。
【００２６】
《スペーサ》
スペーサ２００は、平板部２１０と、複数の突起部２２０と、弾性面材２３０とを含む。平板部２１０は、第１主面２１１と、第１主面２１１の反対側に位置する第２主面２１２とを有する。平板部は、金属により構成されていてもよいし、樹脂により構成されていてもよい。平板部の厚さは、たとえば２〜５ｍｍ程度（典型的には３ｍｍ程度）である。
【００２７】
（突起部）
複数の突起部２２０は、第１主面２１１に配置されている。複数の突起部２２０は、角形ケース５０の側壁５１に接している。複数の突起部２２０は、たとえば図２の紙面の法線方向等に延びていてもよい。突起部は、金属により構成されていてもよいし、樹脂により構成されていてもよい。また突起部は、平板部と同じ素材で構成されていてもよいし、異なる素材で構成されていてもよい。突起部の高さは、たとえば２〜５ｍｍ程度（典型的には３ｍｍ程度）である。複数の突起部の高さは、すべて同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。
【００２８】
（弾性面材）
弾性面材２３０は、第２主面２１２に接している。図２において、弾性面材２３０は、２つの平板部２１０の間に配置されている。弾性面材の厚さは、たとえば２〜５ｍｍ程度（典型的には３ｍｍ程度）である。
【００２９】
弾性面材２３０は、第１領域２３１と、第１領域２３１を除く領域からなる第２領域２３２とを含む。第１領域２３１は、第１弾性係数を有する。第１弾性係数は、たとえば３０〜７０ｋＮ／ｍｍ程度（典型的には５０ｋＮ／ｍｍ程度）であってもよい。
【００３０】
第２領域２３２は、第１弾性係数よりも低い第２弾性係数を有する。第２弾性係数は、たとえば１〜２５ｋＮ／ｍｍ程度（典型的には５〜１０ｋＮ／ｍｍ程度）であってもよい。
【００３１】
第１弾性係数よりも低い弾性係数を有する限り、第２領域内には、複数の領域が形成されていてもよい。この場合、中央部８１からコーナー部８２に向かう方向に、弾性係数を徐々に低くすることが好ましい。図２において、第２領域２３２に含まれる第３領域２３３の弾性係数は、たとえば１０ｋＮ／ｍｍ程度であり、第４領域２３４の弾性係数は、たとえば５ｋＮ／ｍｍ程度である。かかる態様によれば、扁平状巻回電極体８０の各部分に加わる圧力のばらつきを、いっそう小さくできると考えられる。
【００３２】
＜変形例＞
図３は、変形例に係る組電池の構成を示す概略部分断面図である。組電池１００１は、弾性面材２３０の一方の面が、スペーサ２００の平板部２１０ではなく、単電池１００（角形ケース５０）の側壁５１に接している点において、前述の組電池１０００と異なる。図３に示される変形例によっても、前述の組電池１０００と同様に、扁平状巻回電極体８０の各部分に加わる圧力のばらつきを小さくできると考えられる。
【００３３】
＜組電池の性能評価＞
図５は、Ｌｉ析出に至る充電電流を示す図である。ここで「Ｌｉ析出に至る充電電流」とは、ある通電時間において徐々に電流を大きくしながら、充電試験を行った場合に、はじめて負極上にＬｉが析出する、充電電流である。すなわち、「Ｌｉ析出に至る充電電流」よりも低い充電電流であれば、Ｌｉ析出は起こらない。「Ｌｉ析出に至る充電電流」が大きいほど、高負荷の充電に対する耐性に優れると考えられる。
【００３４】
組電池（Ａ）は、図２に示される本実施形態に従う組電池であり、前述の弾性面材を備える。組電池（Ｂ）は、図４に示される参考形態に従う組電池であり、弾性面材を備えていない。図５から分かるように、組電池（Ａ）では、組電池（Ｂ）に比し、Ｌｉ析出に至る充電電流が約１０％向上している。扁平状巻回電極体の各部分に加わる圧力が均等になることにより、電極反応が均一になるためと考えられる。
【００３５】
組電池（Ａ）および組電池（Ｂ）がＨＥＶ用の駆動電源であったと仮定すると、この充電電流における約１０％の向上は、燃費にして約１％の向上に相当する。
【００３６】
今回開示された実施形態はすべての点で例示あって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３７】
５０  角形ケース、５１  側壁、６０  正極端子、６２  負極端子、６４  接続部材、７２  拘束バンド、７６，７７  拘束板、７８  ビス、８０  扁平状巻回電極体、８１  中央部、８２  コーナー部、１００  単電池、２００，１２００  スペーサ、２１０  平板部、２１１  第１主面、２１２  第２主面、２２０，１２２０  突起部、２３０  弾性面材、２３１  第１領域、２３２  第２領域、２３３  第３領域、２３４  第４領域、１０００，１００１，２０００  組電池。
【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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