(57)【要約】【課題】電池破損時における発熱を抑制しつつ、電池容量の増大が可能な組電池を提供する。【解決手段】本発明により、充放電可能な単電池を含む発電要素が複数配列された組電池が提供される。単電池は、ケースと、ケースに収容された捲回電極体と、を備える。捲回電極体において、負極の最外周部分は、正極の最外周部分よりも捲回電極体の外側に位置する。発電要素は、単電池の外面に沿うように配置された保護板をさらに備える。保護板は、金属層と絶縁層とを有する。金属層は、単電池側に位置する第１表面と、第１表面とは反対側に位置する第２表面と、を有する。絶縁層は、金属層の第２表面側に配置されている。金属層は、正極と電気的に接続しており、これによって金属層に正極電位が付与されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な単電池を含む発電要素が複数配列された組電池であって、
前記単電池は、ケースと、該ケースに収容された電極体と、を備え、
前記電極体は、シート状の正極と、シート状の負極と、該正極および該負極の間に位置するシート状のセパレータとが捲回された捲回電極体であり、
前記捲回電極体において、前記負極の最外周部分は、前記正極の最外周部分よりも該捲回電極体の外側に位置しており、
前記発電要素は、前記単電池のケース外面に沿うように配置された保護板をさらに備え、
前記保護板は、金属層と絶縁層とを有しており、
前記金属層は、前記単電池側に位置する第１表面と、該第１表面とは反対側に位置する第２表面と、を有しており、
前記絶縁層は、前記金属層の第２表面側に配置されており、
前記金属層は、前記正極と電気的に接続しており、これによって該金属層に正極電位が付与されている、組電池。
【請求項２】
前記単電池の外表面には、前記正極と電気的に接続した正極端子と、前記負極と電気的に接続した負極端子と、が設けられており、
前記金属層は、前記正極端子と接続しており、これによって該金属層に正極電位が付与されている、請求項１に記載の組電池。
【請求項３】
前記ケースは金属製であり、かつ前記正極と電気的に接続しており、これによって該ケースに正極電位が付与されており、
前記ケースと前記負極の最外周部分とは離隔している、請求項１または２に記載の組電池。
【請求項４】
充放電可能な単電池を含む発電要素が複数配列された組電池であって、
前記単電池は、ケースと、該ケースに収容された電極体と、を備え、
前記電極体は、シート状の正極と、シート状の負極と、該正極および該負極の間に位置するシート状のセパレータとが捲回された捲回電極体であり、
前記捲回電極体において、前記正極の最外周部分は、前記負極の最外周部分よりも該捲回電極体の外側に位置しており、
前記発電要素は、前記単電池のケース外面に沿うように配置された保護板をさらに備え、
前記保護板は、金属層と絶縁層とを有しており、
前記金属層は、前記単電池側に位置する第１表面と、該第１表面とは反対側に位置する第２表面と、を有しており、
前記絶縁層は、前記金属層の第２表面側に配置されており、
前記金属層は、前記負極と電気的に接続しており、これによって該金属層に負極電位が付与されている、組電池。
【請求項５】
前記単電池の外表面には、前記正極と電気的に接続した正極端子と、前記負極と電気的に接続した負極端子と、が設けられており、
前記金属層は、前記負極端子と接続しており、これによって該金属層に負極電位が付与されている、請求項４に記載の組電池。
【請求項６】
前記ケースは金属製であり、かつ前記負極と電気的に接続しており、これによって該ケースに負極電位が付与されており、
前記ケースと前記正極の最外周部分とは離隔している、請求項４または５に記載の組電池。
【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】
軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池その他の二次電池は、車両搭載用電源、あるいはパソコンや携帯端末等の電源として広く用いられている。なかでも、上記二次電池を単電池とし該単電池を複数接続した組電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両搭載用高出力電源として好ましく用いられている。上記のような二次電池は、一般に、正極と負極との間にセパレータが挟まれた形態を有する電極体がケース内に収容された構造を有する。この種の従来技術を開示する先行技術文献として特許文献１が挙げられる。特許文献２，３は、電池破損時における内部短絡の抑制に関する文献である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−５４８９１号公報
【特許文献２】特開平１０−１９９５７４号公報
【特許文献３】特開２０１２−１０４５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、圧壊等の破損時に鋭利な金属が突き刺さると、電池内部の電極体に突き刺さった金属を経由する等して電極体内で正極と負極との短絡が起こり、この短絡に起因して発熱する場合がある。このような発熱への対策として、電極集電体表面に抵抗体層を形成して当該抵抗体層によって短絡電流を抑制する方法（特許文献２）や、ケースと電極体との間に耐熱部材を配置する方法（特許文献３）等が提案されている。また、ケースに電位を付与する方法も発熱対策として有効である。例えば、ケースに正極電位を付与した二次電池では、金属が電極体に突き刺さったときにケースと電極体最外周の負極とが導通する。この導通したケースを利用して電極体内での短絡電流の集中や過度の発熱は防止される。しかし、この構造ではケースに短絡電流に耐えるだけの厚みを持たせる必要がある。例えば、大容量の二次電池では短絡時の電流も大きくなるため、電池容量の大きさにあわせてケースも増厚する必要がある。そのため、上記二次電池を単電池として複数配列する組電池では、ケースの増厚を原因として容量上の不利益（体積エネルギー密度低下の影響）が顕著となる。
【０００５】
本発明は、ケースに電位が付与された二次電池の改良に関するものであり、その目的は、ケースに電位が付与された単電池を複数備える組電池において、電池破損時における発熱を抑制しつつ、電池容量の増大が可能な組電池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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明により、充放電可能な単電池を含む発電要素が複数配列された組電池が提供される。前記単電池は、ケースと、該ケースに収容された電極体と、を備える。前記電極体は、シート状の正極と、シート状の負極と、該正極および該負極の間に位置するシート状のセパレータとが捲回された捲回電極体である。前記捲回電極体において、前記負極の最外周部分は、前記正極の最外周部分よりも該捲回電極体の外側に位置している。また、前記発電要素は、前記単電池のケース外面に沿うように配置された保護板をさらに備える。前記保護板は、金属層と絶縁層とを有する。前記金属層は、前記単電池側に位置する第１表面と、該第１表面とは反対側に位置する第２表面と、を有する。前記絶縁層は、前記金属層の第２表面側に配置されている。そして、前記金属層は、前記正極と電気的に接続しており、これによって該金属層に正極電位が付与されている。
上記の構成によると、単電池外に配置される保護板に金属層を設け、この金属層に正極電位を付与することで、金属が電池に突き刺さるような破損があった場合に、上記金属層と電極体最外周の負極との導通によって、電極体内での短絡電流の集中を防止する。この構成によると、ケースを増厚することなく、電池破損時における短絡を原因とする過度の発熱を抑制することができる。換言すると、電池破損時における発熱を抑制しつつ、従来の構造と比べてケースの薄厚化が可能となり、組電池における電池容量（体積エネルギー密度）の増大を実現することができる。また、単電池の隣に配置される保護板に、樹脂材料と比べて熱伝導性に優れる金属層を取り入れることで、組電池内における放熱性（冷却性）が向上し、これによって電池性能も向上する。さらに、金属層の配置によって保護板の強度は向上するので、外力等から単電池を保護する性能（保護性）も改善される。このことは、さらなる薄厚化に通じる。なお、保護板は冷却板として機能し得るので、従来の冷却板に置き換わるかたちで組電池に配置され得る。
【０００７】
また、典型的な捲回電極体では、前記正極は、正極集電体と、該正極集電体の少なくとも一方の表面に配置された正極活物質層と、を備える。一方、前記負極は、負極集電体と、該負極集電体の少なくとも一方の表面に配置された負極活物質層と、を備える。好ましい一態様では、前記負極の最外周部分において、前記負極集電体の少なくとも外周側表面には前記負極活物質層は形成されていない。
【０００８】
本明細書において「発電要素」とは、一の単電池と、該一の単電池の隣に配置される一の保護板とから構成される単位として定義される。また、「単電池」とは、組電池を構成する個々の蓄電素子を指す用語であって、特に限定しないかぎり種々の組成の電池を包含する。ここに開示される単電池は、典型的には充放電可能な電池、すなわち二次電池であり、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の蓄電池を包含する。なお、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオン（Ｌｉイオン）を利用し、正負極間におけるＬｉイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。そのようなリチウムイオン二次電池を単電池として複数備えるリチウムイオン電池モジュールは、ここに開示される組電池の一つの典型例である。
【０００９】
ここに開示される組電池の好ましい一態様では、前記単電池の外表面には、前記正極と電気的に接続した正極端子と、前記負極と電気的に接続した負極端子と、が設けられている。また、前記金属層は、前記正極端子と接続しており、これによって該金属層に正極電位が付与されている。このように構成することで、短絡時における発熱が好ましく抑制される。
【００１０】
ここに開示される組電池の好ましい一態様では、前記ケースは金属製であり、かつ前記正極と電気的に接続しており、これによって該ケースに正極電位が付与されている。また、前記ケースと前記負極の最外周部分とは離隔している。ケースに正極電位を付与することで、短絡時における発熱をより効果的に抑制することができる。さらに好ましい一態様では、前記セパレータは、前記負極の最外周部分よりも前記捲回電極体の外側まで延びて、前記ケースと前記負極の最外周部分との間に位置している。
【００１１】
また、本明細書によると、充放電可能な単電池を含む発電要素が複数配列された組電池が提供される。前記単電池は、ケースと、該ケースに収容された電極体と、を備える。前記電極体は、シート状の正極と、シート状の負極と、該正極および該負極の間に位置するシート状のセパレータとが捲回された捲回電極体である。前記捲回電極体において、前記正極の最外周部分は、前記負極の最外周部分よりも該捲回電極体の外側に位置している。また、前記発電要素は、前記単電池のケース外面に沿うように配置された保護板をさらに備える。前記保護板は、金属層と絶縁層とを有する。前記金属層は、前記単電池側に位置する第１表面と、該第１表面とは反対側に位置する第２表面と、を有する。前記絶縁層は、前記金属層の第２表面側に配置されている。そして、前記金属層は、前記負極と電気的に接続しており、これによって該金属層に負極電位が付与されている。
上記の構成によると、電池破損時における発熱を抑制しつつ、従来の構造と比べてケースの薄厚化が可能となり、組電池における電池容量（体積エネルギー密度）の増大を実現することができる。また、上記保護板を採用することによって、単電池の放熱性および保護性が向上し、電池性能も向上する。
【００１２】
また、典型的な捲回電極体では、前記正極は、正極集電体と、該正極集電体の少なくとも一方の表面に配置された正極活物質層と、を備える。一方、前記負極は、負極集電体と、該負極集電体の少なくとも一方の表面に配置された負極活物質層と、を備える。好ましい一態様では、前記正極の最外周部分において、前記正極集電体の少なくとも外周側表面には前記正極活物質層は形成されていない。
【００１３】
ここに開示される組電池の好ましい一態様では、前記単電池の外表面には、前記正極と電気的に接続した正極端子と、前記負極と電気的に接続した負極端子と、が設けられている。また、前記金属層は、前記負極端子と接続しており、これによって該金属層に負極電位が付与されている。このように構成することで、短絡時における発熱が好ましく抑制される。
【００１４】
ここに開示される組電池の好ましい一態様では、前記ケースは金属製であり、かつ前記負極と電気的に接続しており、これによって該ケースに負極電位が付与されている。また、前記ケースと前記正極の最外周部分とは離隔している。ケースに負極電位を付与することで、短絡時における発熱をより効果的に抑制することができる。さらに好ましい一態様では、前記セパレータは、前記正極の最外周部分よりも前記捲回電極体の外側まで延びて、前記ケースと前記正極の最外周部分との間に位置している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態に係る組電池における単電池内の構造と保護板とを模式的に示す断面図である。
【図２】図１において符号Ａで示す領域の部分拡大図である。
【図３】図１に示す組電池の模式的側面図である。
【図４】一実施形態に係る組電池を備えた車両（自動車）を模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明による実施形態を説明する。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、電極体の構成および製法、電池の構築に係る一般的技術等）は、当該分野における従来技術に基づいて当業者に理解され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
【００１７】
図１に示すように、組電池１０は、単電池３０と保護板４０とを含む発電要素２０を複数備える。組電池１０内において、複数の単電池３０同士は電気的に接続した状態で直列に配置されている。本実施形態では、単電池３０として、同形状を有する４個のリチウムイオン二次電池が用いられている。また、各単電池３０の間には保護板４０が配置されており、これによって各単電池３０は一定間隔に保たれている。保護板４０は、一列に配置された複数の単電池３０の両外側（当該複数の単電池３０のうち両端に位置する単電池３０の両外側）にも配置されている。
【００１８】
各単電池３０は、ケース３１０と、ケース３１０に収容された捲回電極体３２０と、を備える。ケース３１０は扁平な角型（直方体状）であり、細長い長方形状の上面（ケース上面）３１２と、幅広面を有する側壁（ケース側壁）３１４とを有する。ケース３１０はまた、上面３１２と基本的に同形状の下面と、幅狭面の側壁とを有する。本実施形態では、ケース３１０は、上面が開口した箱型のケース本体と、該開口面（上面）を覆う長方形状の蓋体とから形成されており、ケース本体の開口部は、捲回電極体３２０がケース３１０内に収容された後、蓋体によって封止されている。また、捲回電極体３２０は、ケース３１０内にてその捲回軸が横倒しになるように収容される。なお、本明細書では説明の便宜上、蓋体が配置される面を単電池３０の上面またはケース３１０の上面と表現するが、単電池３０の設置の仕方によって、この上面は側面や下面となることがあり得る。また、ケース３１０の形状は、本実施形態の形状に限定されない。ケース３１０は、捲回電極体３２０を収容可能な形状を有していればよく、例えば円筒状等であってもよい。また、ケース３１０内においてケース３１０と捲回電極体３２０との間には、絶縁シート等の部材が配置されてもよい。
【００１９】
ケース上面（すなわち蓋体外面）３１２には、外部接続用の正極端子（外部正極端子）３３６と負極端子３５６とが設けられており、それら端子の一部はケース上面３１２の外表面側に突出している。特に図示しないが、正極端子３３６の一部は、ケース３１０内部で内部正極端子を通じて、捲回電極体３２０を構成する正極３３０に電気的に接続している。負極端子３５６についても、正極端子３３６の場合と基本的に同様の構造で負極３５０に電気的に接続している。
【００２０】
本実施形態では、ケース３１０に正極電位が付与されている。具体的には、ケース３１０は、その上面３１２にて正極端子３３６と直接接触することによって、あるいはアルミニウム製等の導電性部材を正極端子３３６との間に介在させることによって、正極３３０と導通している。この導通によってケース３１０は正極電位を有する。これによって、ケース３１０は、破損時に電極体最外周の負極集電体と導通し、電池内部における過度の発熱は防止される。なお、ケース上面３１２に設けられる負極端子３５６とケース３１０との間には、図示しない絶縁部材が介在しているため、両者は導通していない。
【００２１】
ケース３１０は、導電性材料から形成されており、本実施形態ではアルミニウム製である。ケース３１０の材質は、ステンレス鋼やニッケル等の金属材料であってもよい。また、ここに開示される技術では、保護板４０の金属層４１０（詳しくは後述）に電位が付与されているので、ケース３１０に電位は付与されていなくてもよい。その場合、ケース３１０は、合成樹脂（例えばポリフェニレンサルファイド樹脂やポリイミド樹脂）等の非導電性材料から形成されてもよい。なお、各単電池３０同士の絶縁は、後述の絶縁層４２０によって達成されるので、ケース３１０の外表面を覆う絶縁フィルム等は不要である。
【００２２】
ケース３１０の厚さ（各壁の厚さ）は、単電池３０のサイズ等に基づいて決定すればよく、特定の範囲に限定されるものではない。通常、ケース３１０の厚さは、凡そ０．１〜１０ｍｍ（例えば０．２〜８ｍｍ、典型的には０．３〜５ｍｍ）の範囲内から選択され得る。ここに開示される技術では、保護板４０に設けられる金属層４１０で短絡電流を受容するため、ケース３１０を薄厚化としても、短絡時の大電流に起因してケース３１０が溶融する等の不具合は生じない。したがって、ケース３１０の厚さ（少なくともケース側壁３１４の厚さ）を凡そ３ｍｍ以下（例えば１ｍｍ以下、典型的には０．５ｍｍ以下）にすることが可能である。このことは、容量増大および軽量化の点で有意義である。また、薄厚のケース３１０を採用することで、単電池３０に拘束圧が付与されている場合に当該拘束圧を良好に捲回電極体３２０に到達させ得る。
【００２３】
図２に示すように、捲回電極体３２０は、長尺シート状の正極３３０と、長尺シート状の負極３５０と、を備える。正極３３０は、長尺状の正極集電体３３２と、その少なくとも一方の表面（典型的には両面）に配置された正極活物質層３３４と、を備える。負極シート３５０は、長尺状の負極集電体３５２と、その少なくとも一方の表面（典型的には両面）に配置された負極活物質層３５４と、を備える。正極集電体３３２としては、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分（当該成分が含まれる全体のなかで最も多く含まれる成分、典型的には５０重量％を超える成分。以下同じ。）とする合金が好ましく用いられる。正極活物質層３３４としては、リチウムと遷移金属元素の１種または２種以上とを含むリチウム遷移金属化合物を主成分とすることが好ましい。負極集電体３５２としては、銅または銅を主成分とする合金が好ましく用いられる。負極活物質層３５４としては、黒鉛等の炭素材料を主成分とすることが好ましい。
【００２４】
また、捲回電極体３２０は、長尺シート状のセパレータ３７０を備える。本実施形態では、２枚のセパレータ３７０が、正極３３０と負極３５０とを捲回したときに、各々が正極３３０と負極３５０との間に位置するように配置されている。セパレータ３７０としては、多孔質ポリオレフィン系樹脂等の合成樹脂製の多孔質セパレータが好ましく用いられる。セパレータ３７０には、例えば無機フィラーを主成分とする耐熱層が設けられていてもよい。
【００２５】
さらに図２を参照して、捲回電極体３２０の最外周およびその周辺部分について説明する。図２に示すように、捲回電極体３２０において、正極３３０、負極３５０およびセパレータ３７０のなかで、正極３３０の最外周部分３４０が最も内周側に位置している。正極３３０の最外周部分３４０は、正極３３０の他の部分（捲回電極体３２０における正極３３０の最外周よりも内周側の部分）と同様、正極集電体３３２と、その両面に配置された正極活物質層３３４とを備える。
【００２６】
負極３５０の最外周部分３６０は、正極３３０の最外周部分３４０よりも捲回電極体３２０の外側に位置している。具体的には、負極３５０の最外周部分３６０において、負極集電体３５２が正極３３０の最外周部分３４０よりも捲回電極体３２０の外側に位置している。これによって、短絡電流を金属層４１０に効果的に逃がすことができる。本実施形態では、負極３５０の最外周部分３６０は、負極３５０の他の部分（捲回電極体３２０における負極３５０の最外周よりも内周側の部分）と異なり、負極集電体３５２に負極活物質層３５４が形成されていない。負極３５０の最外周よりも内周側の部分は、負極集電体３５２と、その両面に形成された負極活物質層３５４とを備える。なお、負極の最外周部分には負極活物質層があってもよく、例えば当該最外周部分の内周側表面（内周面）に負極活物質層が設けられていてもよい。
【００２７】
捲回電極体３２０の外周面（全側面）は、セパレータ３７０によって構成されている。具体的には、捲回電極体３２０内において、正極３３０と負極３５０との間に配置されたセパレータ３７０は、捲回電極体３２０の外側まで延びて（正極３３０、負極３５０の外周側末端からさらに延びて）、捲回電極体３２０全体としての最外周となっている。その結果、セパレータ３７０は、ケース３１０と負極３５０の最外周部分３６０との間に位置している。
【００２８】
捲回電極体３２０は、例えば次のようにして作製される。すなわち、上記の正極３３０、負極３５０およびセパレータ３７０からなる積層体を用意し、この積層体を、その長尺方向に捲回することによって捲回体とし、さらにこの捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって、扁平形状の外形を有する捲回電極体３２０が得られる。なお、捲回電極体は扁平形状に限定されるものではなく、また扁平形状への成形方法も特に限定されない。例えば、扁平形状となるように上記積層体を捲回して捲回電極体を作製する方法を採用してもよい。
【００２９】
ケース３１０内にはまた、非水電解液３８０が収容されている。したがって、単電池３０は非水電解液電池ともいう。非水電解液３８０は、具体的には捲回電極体３２０内に含浸している。一般に、非水電解液電池は、高エネルギー密度を有しており、また可燃性である。このような非水電解液電池を単電池３０として備える組電池１０に、ここに開示される技術による発熱抑制作用を付与することは特に有意義である。非水電解液３８０は、例えば、カーボネート（エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等）等の非水溶媒に、０．５〜３ｍｏｌ／Ｌ程度の支持塩（例えばＬｉＰＦ６）を含むものであり得る。
【００３０】
単電池３０の電池容量（理論容量ともいう。）は、通常は５Ａｈ以上（例えば１０Ａｈ以上、典型的には２０Ａｈ以上）であることが適当であり、本実施形態では３５Ａｈに設定されている。電池容量が大きいほど発熱量が大きくなる傾向があることから、ここに開示される技術による発熱抑制は、２５Ａｈ以上（例えば３０Ａｈ以上、典型的には３５Ａｈ以上１００Ａｈ以下）の電池容量を有する単電池３０を備える組電池１０に対して、より効果的に発揮される。
【００３１】
保護板４０は、板形状を有しており、単電池３０のケース３１０外面（具体的にはケース側壁３１４）に沿うように配置されている。保護板４０は、単電池３０側表面としての第１表面４０Ａと、第１表面４０Ａとは反対側に位置する第２表面４０Ｂとを有する。本実施形態では、保護板４０の第１表面４０Ａは、単電池３０のケース側壁３１４に対向接触している。また、保護板４０は、金属層４１０と絶縁層４２０との積層構造を有しており、その金属層４１０が一の単電池３０の外面に沿うように配置されている。この配置によって、優れた保護機能および放熱性能が発揮される。また、隣りあう２つの単電池３０間に配置された保護板４０は、その絶縁層４２０によって当該単電池３０同士を良好に絶縁する。
【００３２】
本実施形態では、保護板４０の第１表面４０Ａは、金属層４１０によって構成されている。また、保護板４０の第２表面４０Ｂは、絶縁層４２０によって構成されている。金属層４１０の第１表面４１０Ａは単電池３０の外面（具体的にはケース側壁３１４）に対向接触している。また、金属層４１０の第２表面（金属層４１０において第１表面４１０Ａとは反対側に位置する表面）４１０Ｂは平面状であり、該第２表面４１０Ｂ側には絶縁層４２０が配置されている。
【００３３】
また、保護板４０の第１表面４０Ａは、凸部と凹部とが交互に形成された凹凸形状を有する。具体的には、保護板４０を側方からみたときに（図１および２に示す構造において）、櫛形となるように、保護板４０の第１表面４０Ａには複数の凹部が形成されている。これら凹部は、保護板４０の第１表面４０Ａにおいて一端から他端まで連通している。上記凹部（具体的には、保護板４０の凹部と単電池３０のケース側壁３１４との間に形成される空隙）に冷却用媒体（典型的には空気）を導入することで、単電池３０で発生する熱を効率よく放散することができる。すなわち、上記凹部は冷却媒体流路として機能し、保護板４０は、冷却媒体流路を有する冷却板（放熱部材）として機能する。特に本実施形態では、保護板４０の第１表面４０Ａ側に熱伝導性に優れる金属層４１０が配置されており、金属層４１０の表面に上記凹凸が形成されているので、保護板４０は優れた放熱性能を有する。凹部の深さ、幅、間隔等の凹凸形状は、単電池３０の容量、保護板４０の強度等に応じて適切に設定され得る。なお、保護板４０の第２表面４０Ｂは平面状である。
【００３４】
金属層４１０は、保護板４０の第１表面４０Ａと対向する単電池３０に設けられた正極端子３３６と接続しており、これによって正極３３０と電気的に接続し、正極電位を有している。具体的には、金属層４１０は、単電池３０のケース側壁３１４に沿う領域の上方に板状の接続部４１４を有する。この接続部４１４は、単電池３０のケース側壁３１４に沿う領域の上端の一部から連続し、折れ曲って単電池３０のケース上面３１２に沿ってさらに延びて正極端子３３６に到達している。接続部４１４には、図示しない貫通孔が設けられており、この貫通孔に正極端子３３６の突起部を挿通し、ネジ等の固定手段で固定することにより、金属層４１０と正極端子３３６とは導通する。なお、金属層４１０は他の発電要素２０の正極端子３３６とは接続していない。
【００３５】
金属層４１０は、導電性材料から形成されており、本実施形態ではアルミニウム製である。金属層４１０の材質としては、アルミニウムに加えて、ステンレス鋼やニッケル等の金属や、それらを主成分とする合金を用いることができる。金属層４１０に正極電位を付与する場合は、金属層４１０は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金で形成されていることが好ましい。金属層に負極電位を付与する場合には、金属層の材質として、ステンレス鋼やニッケル、それらを主成分とする合金が用いられ得る。
【００３６】
金属層４１０の厚さは、組電池１０や単電池３０のサイズ、電池容量等に応じて決定されるので、特定の範囲に限定されるものではない。短絡時における耐久性や放熱性、強度等の観点から、好ましい一態様に係る金属層４１０の厚さは、１ｍｍ以上（例えば３ｍｍ以上、典型的には４ｍｍ以上）である。上記厚さを有する金属層４１０は、単電池３０の配列方向に拘束圧が加えられている態様の組電池１０に好ましく適用することができる。また、金属層４１０の厚さは、凡そ２０ｍｍ以下（例えば１０ｍｍ以下、典型的には５ｍｍ以下）程度であり得る。また、保護板４０の厚さに占める金属層４１０の厚さの割合は、短絡時における耐久性や放熱性、強度等の観点から、５０％を超えることが適当であり、好ましくは７０％以上（例えば８０％以上、典型的には８５％以上）である。また、絶縁層４２０による絶縁性を確保する観点から、上記割合は凡そ９９％以下（例えば９７％以下、典型的には９５％以下）とすることが適当である。なお、金属層４１０の一方の表面に凹凸が形成されている場合には、金属層４１０の厚さは、当該表面の凸部の頂部から反対側表面までの厚さをいうものとする。
【００３７】
短絡電流は基本的に電池容量の大きさに対応して大きくなり得るため、短絡電流を受容する金属層４１０のサイズ（ここでは厚さ）も、電池容量に対応して設定され得る。このような観点から、一の発電要素２０における単電池３０の単位電池容量（１Ａｈ）に対する金属層４１０の厚さは、０．１０ｍｍ／Ａｈ以上（より具体的には０．１１ｍｍ／Ａｈ以上、さらに具体的には０．１１４ｍｍ／Ａｈ以上）とすることが好ましい。したがって、例えば電池容量８．７５Ａｈ以上の単電池３０を備える発電要素２０では、保護板４０における金属層４１０の厚さは０．８７５ｍｍ以上（より具体的には０．９６２ｍｍ以上、さらに具体的には０．９９７ｍｍ以上）とすることが好ましく、電池容量３５Ａｈ以上の単電池３０を備える発電要素２０では、金属層４１０の厚さは３．５ｍｍ以上（より具体的には３．８５ｍｍ以上、さらに具体的には３．９９ｍｍ以上）とすることが好ましい。
【００３８】
本実施形態のように、金属層４１０およびケース３１０の両方に正極電位が付与されている場合には、金属層４１０の厚さに加えてケース３１０の厚さも短絡時における発熱抑制に利用され得る。特に、金属層４１０がケース３１０と直接接触（少なくとも一部が面接触）している場合には、より優れた効果が得られる。そのような観点から、ケース３１０（典型的にはケース側壁３１４）と、該ケース３１０に接触する金属層４１０との合計厚さは、１ｍｍ以上（例えば３ｍｍ以上、典型的には４ｍｍ以上）とすることが好ましい。また、ケース３１０（典型的にはケース側壁３１４）と金属層４１０との合計厚さは、凡そ３０ｍｍ以下（例えば１５ｍｍ以下、典型的には５ｍｍ以下）程度とするのが適当である。
【００３９】
絶縁層４２０は、金属層４１０の第２表面４１０Ｂ側に配置されており、金属層４１０と他の発電要素２０との間に配置されて両者を絶縁する役割を担う。本実施形態では、絶縁層４２０は、金属層４１０の第２表面４１０Ｂのほぼ全面に形成されている。絶縁層４２０の材質は、典型的には、樹脂（好ましくは合成樹脂）等の絶縁性材料である。樹脂の種類は特に限定されず、ポリプロピレン等のポリオレフィンや、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、ポリアミド、フェノール樹脂等の各種樹脂材料を用いることができる。耐熱性に優れる樹脂材料（特にフェノール樹脂）が好ましい。
【００４０】
絶縁層４２０の厚さは、絶縁性を確保し得る厚さであればよく、凡そ０．０１〜１０ｍｍ（例えば０．０５〜５ｍｍ）の範囲内とすることが適当である。保護板４０における機械的強度や放熱性は金属層４１０に委ね得ることから、好ましい一態様に係る絶縁層４２０の厚さは、凡そ１ｍｍ以下（例えば０．５ｍｍ以下、典型的には０．３ｍｍ以下）であり、例えば０．２ｍｍ以下（さらには０．１ｍｍ以下）程度の厚さとすることも可能である。
【００４１】
保護板４０の厚さは、組電池１０や単電池３０のサイズ、電池容量等に応じて設定されるため、特定の範囲に限定されず、凡そ１〜３０ｍｍ（例えば２〜２０ｍｍ、典型的には３〜１０ｍｍ）の範囲内とすることが適当である。また、保護板４０は、上述のように金属層４１０を有することで優れた放熱性および強度を発揮し得るので、従来の樹脂製冷却板よりも薄厚とすることが可能である。したがって、保護板４０の厚さを７ｍｍ以下（例えば５ｍｍ以下）とすることも可能である。なお、保護板４０は、金属層４１０と絶縁層４２０との密着性向上等を目的として、接着層等の追加の層を有してもよい。
【００４２】
組電池１０において、複数の単電池３０は、各々の正極端子３３６および負極端子３５６が交互に配置されるように一つずつ反転して配置されている。そして、隣りあう２つの単電池３０間において、一方の正極端子３３６と他方の負極端子３５６とが導電性の接続具５０によって電気的に接続されている。このように各単電池３０を直列に接続することにより組電池１０は構築される。また、隣りあう２つの単電池３０は、一方のケース側壁３１４と他方のケース側壁３１４とが保護板４０を間に挟んだ状態で互いに向かいあうように配置されている。このような配置が、組電池１０内において単電池３０の個数に対応して繰り返されている。なお、他の単電池３０と向かいあうケース側壁３１４は、具体的には、ケース３１０の幅広な面であり、ケース３１０内に収容される捲回電極体３２０の扁平面に対応する面でもある。
【００４３】
また、上記のように配列された単電池３０および保護板４０は、当該配列方向に荷重が加えられた状態で拘束されている。図３に示すように、配列方向に並べられた単電池３０および保護板４０の周囲には、複数の単電池３０および保護板４０をまとめて拘束する拘束部材が配備されている。具体的には、上記配列方向の最外側に位置する単電池３０のさらに外側には、保護板４０を間に挟んで、一対の拘束板６２Ａ，６２Ｂが配置されている。また、当該一対の拘束板６２Ａ，６２Ｂを架橋するように締付け用ビーム材６４が取り付けられている。このビーム材６４は、ビーム材６４の端部をビス６８により拘束板６２Ａ，６２Ｂに締め付けかつ固定することによって、単電池３０および保護板４０をその配列方向に所定の荷重が加わるように拘束する。なお、組電池には、その他、長さ調節手段としてのシート状部材等の追加部材が備えられ得る。
【００４４】
組電池１０は、複数（２以上、例えば３以上、さらには４以上）の発電要素２０を備えるものであればよい。本実施形態では、組電池１０における発電要素２０の数は図示されるように４単位である。ここに開示される技術を適用することの容量上の利点は、より多くの発電要素２０を備える組電池１０において効果的に発揮され得る。したがって、組電池１０における発電要素２０の数は、好ましくは５以上（例えば６〜１２、典型的には８〜１０）であり、より好ましくは１０以上（例えば２０以上、典型的には５０〜６０）である。このような組電池１０は、４〜１０程度の発電要素２０の組合せを、さらに複数組み合わせたものであり得る。
【００４５】
組電池１０は、短絡時の発熱が抑制され、かつ電池容量（体積エネルギー密度）が向上している。これらの利点は、電池容量が大きく、かつ比較的多数の単電池３０を配列する車両用途において特に好ましく発揮され得る。したがって、ここに開示される組電池１０は、特に自動車等の車両に搭載されるモーター（電動機）用電源として好ましく使用され得る。本明細書によると、図４に模式的に示すように、組電池１０を電源として備える車両１（典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車）が提供される。
【００４６】
なお、上記実施形態では、保護板４０の金属層４１０には正極電位が付与されていたが、ここに開示される技術はこれに限定されず、金属層に負極電位を付与してもよい。その場合、捲回電極体は、正極の最外周部分が負極の最外周部分よりも捲回電極体の外側に位置するように作製することが好ましい。このように構成することによっても、上記実施形態と基本的に同様の効果が実現され得る。また、好ましい一態様では、ケースには正極電位に代えて負極電位が付与され得る。
【００４７】
次に、本発明に関する検証試験を説明する。試験用電池として、角型リチウムイオン二次電池と保護板（冷却板）とを有する発電要素１〜５（電池容量：３５Ａｈ）を構築した。発電要素２〜５は、上記実施形態に係る発電要素と基本的に同じ構造（図１および２に示すような構造）を有しており、ケースおよび金属層は表１に示す厚さを有する。発電要素１は、金属層を設けていない従来構造を有しており、保護板に対応する冷却板として厚さ６．０ｍｍの樹脂板が用いられている。その他の点については発電要素２〜５と同様の構造を有する。
【００４８】
［釘刺し試験］
用意した各発電要素に対して、所定のコンディショニング処理を行った後、正負極間の電圧を４．２Ｖに調整した。２５℃の温度条件下にて、上記コンディショニング処理後の単電池を備える発電要素に対して釘を貫通させ、単電池を強制的に短絡させた。具体的には、直径３ｍｍの釘を保護板側からケース側壁の中央付近を通るように速度１０ｍｍ／分で刺し、貫通させた。このときの単電池の状態（温度変化）を観察し、単電池の温度上昇が設定温度（評価基準温度）以下に抑制された場合を「○」と、継続的に温度が上昇し設定温度を超えた場合を「×」と評価した。結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
2017004900.tif 000003
【００５０】
［放電抵抗］
上記発電要素１（従来構造）および発電要素４について、温度２５℃でＳＯＣが１００％の状態まで充電を行った。ＳＯＣ１００％に調整した各発電要素に対し、２００Ａで放電を行い、放電から１０秒間の電圧降下を測定した。測定された電圧降下の値（Ｖ）を、対応する電流値で除してＩＶ抵抗を算出し、その平均値を放電抵抗とした。測定の結果、発電要素４では、発電要素１と比べて放電抵抗が２０％低減した。
【００５１】
上記釘刺し試験の結果、保護板を構成する金属層の厚さが大きくなるにつれて、単電池の温度上昇は抑制される傾向が認められた。そして、表１に示されるように、電池容量３５Ａｈでは、厚さ４ｍｍ以上の金属層を備える保護板を用いることにより、単電池の温度上昇は所定値以下に抑制され、十分な発熱抑制効果が得られた。本発明者の検討では、金属層の厚さは電池容量と比例関係を有することから、例えば電池容量８．７５Ａｈの場合、厚さ１ｍｍ以上の金属層を採用することが望ましいと考えられる。また、金属層を有する発電要素４では、金属層のない発電要素１よりも電池性能が向上した（典型的には抵抗低減）。これは、保護板に金属層を設けることで、放熱性が向上し電池性能向上に貢献したためと考えられる。さらに、保護板に金属層を設けることで、短絡時の発熱抑制や強度等を犠牲にすることなく発電要素を小型化することができる。具体的な検討の結果、電池容量３５Ａｈの角型電池を含む発電要素では一単位当たり９．９ｍｍ（幅）の小型化が可能であることがわかった。このことは、例えば、上記発電要素を５６単位備える電池パックでは、配列長さ基準で５５５ｍｍの小型化が実現されることを意味し、電池パック全体として従来構造を比べると＋４７Ａｈの容量メリットを意味する。
【００５２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。ここに開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれ得る。
【符号の説明】
【００５３】
１    車両
１０    組電池
２０    発電要素
３０    単電池
４０    保護板
４０Ａ  保護板の第１表面（単電池側表面）
４０Ｂ  保護板の第２表面（単電池側とは反対側の表面）
３１０    ケース
３１２    ケース上面
３１４    ケース側壁
３２０    捲回電極体
３３０    正極
３３２    正極集電体
３３４    正極活物質層
３３６    正極端子
３４０    正極の最外周部分
３５０    負極
３５２    負極集電体
３５４    負極活物質層
３５６    負極端子
３６０    負極の最外周部分
３７０    セパレータ
４１０    金属層
４１０Ａ  金属層の第１表面（単電池側表面）
４１０Ｂ  金属層の第２表面（単電池側とは反対側の表面）
４１４    接続部
４２０    絶縁層
【図１】
2017004900.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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