リチウム二次電池、二次電池モジュールおよび二次電池パック
【課題】出力向上を図ることができるリチウム二次電池を提供する。
【解決手段】リチウム二次電池は、電池缶内に４本の捲回体２２が一列に並べられて収容されている。各捲回体２２は正負極板がセパレータを介して捲回されている。捲回体２２の１本あたりの容量は、１．５Ａｈ以下に設定されている。正極板は、正極集電箔の長手方向中央部に正極合剤が塗着されており、その両側に未塗着部が形成されている。各未塗着部から１本ずつの正極タブ１２が導出されている。負極板は、負極集電箔の長手方向中央部に負極合剤が塗着されており、その両側に未塗着部が形成されている。各未塗着部から１本ずつの負極タブ１３が導出されている。正極タブ１２、負極タブ１３は、１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．３〜０．４ｍｍ２に設定されている。
【解決手段】リチウム二次電池は、電池缶内に４本の捲回体２２が一列に並べられて収容されている。各捲回体２２は正負極板がセパレータを介して捲回されている。捲回体２２の１本あたりの容量は、１．５Ａｈ以下に設定されている。正極板は、正極集電箔の長手方向中央部に正極合剤が塗着されており、その両側に未塗着部が形成されている。各未塗着部から１本ずつの正極タブ１２が導出されている。負極板は、負極集電箔の長手方向中央部に負極合剤が塗着されており、その両側に未塗着部が形成されている。各未塗着部から１本ずつの負極タブ１３が導出されている。正極タブ１２、負極タブ１３は、１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．３〜０．４ｍｍ２に設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウム二次電池、二次電池モジュールおよび二次電池パックに係り、特に、正極と負極とがセパレータを介して捲回された電極捲回体と、電極捲回体を収容する電池缶と、を備えたリチウム二次電池、リチウム二次電池の複数個を備えた二次電池モジュールおよび二次電池モジュールの複数個を備えた二次電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウム二次電池は、高エネルギー密度および高出力密度を有することから、パソコンや携帯機器などの電源として広く使用されている。また、環境に配慮した自動車として電気自動車およびハイブリッド自動車の開発が進む中、リチウム二次電池は、自動車用の電源への適用が検討され、一部実用化されている。電気自動車やハイブリッド自動車の用途では、高出力化、高エネルギー密度化および長寿命化が重要な課題である。
【０００３】
リチウム二次電池の構造として、負極と正極とをセパレータを介して扁平形状に捲回した後、プレス成形した扁平状捲回体を角型電池缶に収容した角型リチウム二次電池の構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この角型リチウム二次電池は、携帯電話などに広く使用されているが、電気自動車やハイブリッド自動車用の大型電池として用いた場合、扁平捲回体の中心部の締め付け圧力が小さく電池が膨れやすくなるため、電池寿命が短くなる、という問題がある。
【０００４】
リチウム二次電池の高出力化を図るために正極および負極から複数の集電タブを導出し、その集電タブの厚さを制限する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。一方、電気自動車等の大型電池では、高出力化を図るために複数個の円筒型二次電池を配列した二次電池モジュールの構造が開示されている（特許文献３参照）。また、複数個の二次電池モジュールを接続することで更なる高出力化を図る二次電池パックの技術も知られている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２７５２７号公報
【特許文献２】特開２０００−７７０５５号公報
【特許文献３】特表２００３−５３３８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２の技術では、複数の集電タブを用いることで内部抵抗の低減が図られるものの、集電タブの取り付け方や取り付け位置あわせ等で製造プロセスを複雑化することとなる。換言すれば、正負極を捲回した電極捲回体に複数の集電タブを導出することは原理的に可能であるが、正負極の厚みのバラツキや捲回精度の限界から、製造工程や電池構造を複雑化し歩留まり低下を引き起こすこととなる。また、特許文献３のように円筒型二次電池を配列した構造では、二次電池モジュールに占める電池缶等の部品割合が大きくなるため、重量エネルギー密度が低下する、という問題がある。簡易な電池構造で低抵抗化することが可能となれば、リチウム二次電池の出力向上を図ることができ、二次電池モジュール、さらには、二次電池パックの高出力化を図ることが期待できる。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、高出力化を図ることができるリチウム二次電池、該リチウム二次電池の複数個を備えた二次電池モジュールおよび該二次電池モジュールの複数個を備えた二次電池パックを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、集電体の長手方向中央部に活物質合剤の塗着部と該塗着部の長手方向両側に前記活物質合剤の未塗着部とを有する正極と、集電体の長手方向中央部に活物質合剤の塗着部と該塗着部の長手方向両側に前記活物質合剤の未塗着部とを有する負極と、がセパレータを介して捲回された複数本の電極捲回体と、前記正極の各未塗着部から少なくとも１本ずつ導出された帯状の正極導出部材と、前記負極の各未塗着部から少なくとも１本ずつ導出された帯状の負極導出部材と、前記電極捲回体を浸潤する電解液と、上記各部材を収容する電池缶と、を備え、前記電極捲回体は１本あたりの容量が１．５Ａｈ以下であり、前記正極導出部材および負極導出部材は１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．４ｍｍ２以下であることを特徴とするリチウム二次電池である。
【０００９】
第１の態様では、正負極の両側に配置された未塗着部からそれぞれ少なくとも１本、合計少なくとも２本の帯状の正極および負極導出部材を導出し、正極導出部材および負極導出部材の１本あたりの断面積を０．４ｍｍ２以下としたので、電気抵抗を低減し出力向上を図ることができると共に、電極捲回体の１本あたりの容量を１．５Ａｈ以下としたので、正極および負極に流れる電流の分布を均等化し低抵抗化することができる。
【００１０】
第１の態様において、電極捲回体が電池缶内で正極導出部材同士および負極導出部材同士が接続されて並列接続されていてもよい。正極導出部材および負極導出部材が、正負極の各未塗着部から１本ずつ導出されており、正負極のそれぞれで平行、かつ、捲回中心から見て同方向に配列されていてもよい。各電極捲回体の捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状または矩形状に形成することができる。正極導出部材同士を接続する正極集電板および負極導出部材同士を接続する負極集電板を備えるようにすることができる。電極捲回体を、一列に並べ、正極集電板を絶縁材を介して缶底側に配置して電池缶に収容してもよい。正極集電板が、電極捲回体の缶底側に配置された第１の板状部と、該第１の板状部に対し電極捲回体の長手方向に沿う一方の側面にＬ字状に折り曲げられた屈曲部とを有し、負極集電板が、電極捲回体の缶底側とは反対側に配置された第２の板状部を有してもよい。正極集電板が屈曲部に対し傾斜した第１のリード部を有し、該第１のリード部が正極外部端子に接続されており、負極集電板が第２の板状部に対し傾斜した第２のリード部を有し、該第２のリード部が負極外部端子に接続されており、第１および第２のリード部が互いに反対側に傾斜していてもよい。正負極集電板の断面積をそれぞれ各正極導出部材および負極導出部材の通電方向と交差する方向の断面積より大きくすることができる。正極集電板が屈曲部から突出し電極捲回体の外周部に当接する当接部材を有していてもよい。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、第１の態様のリチウム二次電池の複数個を備え、前記リチウム二次電池が配列されており、隣り合う前記リチウム二次電池同士の間に空隙を形成するスペーサが配されたことを特徴とする二次電池モジュールである。この場合において、スペーサをリチウム二次電池の積層方向および該積層方向と交差する水平方向のリチウム二次電池間にそれぞれ複数配することが好ましい。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第２の態様の二次電池モジュールの複数個と、前記各二次電池モジュールを構成するリチウム二次電池の電池状態を制御する制御回路部と、前記複数個の二次電池モジュールおよび制御回路部を収容する外装ケースと、を備えたことを特徴とする二次電池パックである。この場合において、各二次電池モジュールを平面状に配列し、直列接続してもよい。外装ケースに内部の熱を外部へ放出するための放熱ファンが配されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、正負極の両側に配置された未塗着部からそれぞれ少なくとも１本、合計少なくとも２本の帯状の正極および負極導出部材を導出し、正極導出部材および負極導出部材の１本あたりの断面積を０．４ｍｍ２以下としたので、電気抵抗を低減し出力向上を図ることができると共に、電極捲回体の１本あたりの容量を１．５Ａｈ以下としたので、正極および負極に流れる電流の分布を均等化し低抵抗化することができる、という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明を適用したリチウム二次電池パックの実施の形態について説明する。
【００１５】
本実施形態のリチウム二次電池パック１２１は、図１１に示すように、薄型直方体状の外装ケース１１１を備えている。外装ケース１１１内には、６個のリチウム二次電池モジュール１１２が収容されている。各リチウム二次電池モジュール１１２は、図１０に示すように、８個の角型リチウム二次電池９１で構成されている。
【００１６】
リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１は、図７に示すように、薄型直方体状で開口部を有する電池缶７２を備えている。電池缶７２には、正極板および負極板が捲回された４本の捲回体２２で構成された捲回体群４１が収容されている。４本の捲回体は一列に並べられている。すなわち、各捲回体２２は並列配置されている。捲回体群４１は、各捲回体２２の正極タブが露出した端面が缶底側となるように電池缶７２に収容されている。捲回体群４１には、正極集電板５２、負極集電板５１がそれぞれ接続されている。正極集電板５２、負極集電板５１と電池缶７２の内面との間には、絶縁材が介在している。電池缶７２は、厚みが捲回体群４１の厚みより大きく形成されている。電池缶７２は、開口部が矩形平板状の電池蓋７１で封止されている。電池蓋７１には、長手方向一側に正極端子７３、他側に負極端子７４がそれぞれ立設されている。電池蓋７１には、非水電解液を注液するための注液口７５が形成されている。注液口７５は、電池缶７２内に非水電解液を注液後、封止されている。
【００１７】
捲回体群４１を構成する各捲回体２２は、図２（Ａ）に示すように、正極板１０と負極板１１とがセパレータ１４を介して捲回されており、捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状に形成されている。正極板１０の捲回方向（長手方向）の一側および他側には、帯状の正極タブがそれぞれ１本ずつ接続されている。負極板１１の捲回方向（長手方向）の一側および他側には、帯状の負極タブがそれぞれ１本ずつ接続されている。正極タブ、負極タブは、それぞれ１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．１６〜０．４ｍｍ２の範囲に形成されている。このため、正極板１０、負極板１１を捲回するときに正極タブ、負極タブが介在することで生じる捲回体２２の変形（いびつになること）が最小限に抑えられる。各捲回体２２では、１本あたりの容量が０．８Ａｈ以上１．５Ａｈ以下に設定されている。
【００１８】
図１に示すように、捲回体２２を構成する正極板１０、負極板１１およびセパレータ１４は、それぞれ長尺矩形状に形成されている。捲回体２２は、セパレータ１４、負極板１１、セパレータ１４、正極板１０がこの順に積層され、長手方向一側から捲回されて形成されている。正極板１０は、長尺矩形状の正極集電箔（集電体）の長手方向中央部の両面に正極合剤が塗着された塗着部を有している。正極集電箔の長手方向の両端部、つまり、塗着部の長手方向両側には、正極合剤が塗着されていない未塗着部が形成されている。未塗着部には、正極集電箔が露出しており、それぞれ１本の正極タブ１２が接続されている。２本の正極タブ１２は、いずれも片側の端部が正極集電箔の一方の側縁から突出している。一方、負極板１１は、長尺矩形状の負極集電箔（集電体）の長手方向中央部の両面に負極合剤が塗着された塗着部を有している。負極集電箔の長手方向の両端部、つまり、塗着部の長手方向両側には、負極合剤が塗着されていない未塗着部が形成されている。未塗着部には、負極集電箔が露出しており、それぞれ１本の負極タブ１３が接続されている。２本の負極タブ１３は、いずれも片側の端部が負極集電箔の一方の側縁から突出している。正極タブ１２と負極タブ１３とでは、互いに反対方向に突出している。正極集電箔と正極タブ１２との接続、および、負極集電箔と負極タブ１３との接続には、超音波溶接、抵抗溶接、レーザー溶接、ハトメ等を用いることができる。正極タブ１２の材質としてはアルミニウムを挙げることができ、負極タブ１３の材質としては銅、ニッケル、または、ニッケルめっきを施した銅、を挙げることができる。本例では、正極タブ１２の材質にアルミニウム、負極タブ１３の材質にニッケルがそれぞれ用いられている。
【００１９】
正極板１０は、正極集電箔としてアルミニウム箔が用いられている。アルミニウム箔の両面に塗着される正極合剤には、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質、活性炭、導電材、結着剤等が配合されている。正極活物質としては、スピネル型立方晶、層状型六方晶、オリビン型斜方晶、三斜晶等の結晶構造を有する、リチウムと遷移金属との複合化合物が用いられている。高出力、高エネルギー密度かつ長寿命といった観点では、リチウムとニッケル、マンガン、コバルトを含有する層状型六方晶が好ましく、特に、化学式ＬｉＭｎａＮｉｂＣｏｃＭｄＯ２（但し、ＭはＦｅ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂで構成される群、好ましくはＦｅ、Ｖ、Ａｌ、Ｂ、Ｍｇで構成される群から選ばれる少なくとも一種である。また、０≦ａ≦０．６、０．３≦ｂ≦０．６、０≦ｃ≦０．４、０≦ｄ≦０．１である。）で表される化合物が好ましい。
【００２０】
正極活物質は次のようにして作製されたものである。すなわち、各原料の粉体が所望の組成比となるように供給され、ボールミル等の機械的な方法で粉砕混合される。粉砕混合は乾式、湿式のいずれでもよいが、粉砕混合された原料粉末の粒径が１μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下となるように粉砕混合される。さらに、得られた原料粉末を噴霧乾燥して造粒することが好ましい。このようにして粉砕混合された原料粉末が８５０〜１１００℃、好ましくは９００〜１０５０℃で焼成される。焼成は、酸素、空気等の酸化ガス雰囲気、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気、これらを混合した雰囲気で行われる。正極活物質は、本例では、平均粒径が１０μｍ以下に調整されている。
【００２１】
導電材には、炭素結晶格子のｃ軸方向の長さＬｃが１００ｎｍ以上で高導電性を有する粉末状黒鉛、鱗片状黒鉛、または、カーボンブラック等の無定形炭素が用いられる。これらの炭素材を組み合わせて用いてもよい。導電材の正極合剤に対する配合量は、粉末状黒鉛の場合は３〜１２重量％、鱗片状黒鉛の場合は１〜７重量％、無定形炭素の場合は０．５〜７重量％に調整される。粉末状黒鉛の場合、配合量が３重量％未満では正極合剤内の導電ネットワークが不十分であり、１２重量％を超えると相対的に正極活物質量が減少し電池容量の低下を招く。鱗片状黒鉛の場合、配合量が１重量％未満では他の導電材と置換した際の導電材料低減効果が低くなり、７重量％を超えると平均粒径が大きくなり正極合剤内部に空隙が形成されて正極の低密度化の要因となる。無定形炭素の場合、配合量が０．５重量％未満では正極材料間の空隙を繋ぐには不十分であり、７重量％を超えると正極の大幅な低密度化の要因となる。
【００２２】
一方、負極板１１は、負極集電箔として銅箔が用いられている。銅箔の両面に塗着される負極合剤には、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質、導電材、結着剤等が配合されている。負極活物質としては、例えば、金属リチウム、炭素材料、リチウムイオンを挿入可能もしくは化合物の形成が可能な材料を用いることができ、炭素材料が好適である。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛類および石炭系コークス、石炭系ピッチの炭化物、石油系コークス、石油系ピッチの炭化物、ピッチコークスの炭化物等の非晶質炭素類を挙げることができる。これらの炭素材料に種々の表面処理を施したものを用いてもよく、これらの炭素材料の２種以上を組み合わせて用いることもできる。また、リチウムイオンを挿入可能もしくは化合物の形成が可能な材料としては、アルミニウム、スズ、ケイ素、インジウム、ガリウム、マグネシウムなどの金属およびこれらの元素を含む合金、スズ、ケイ素などを含む金属酸化物が挙げられる。さらにまた、金属、合金、金属酸化物と黒鉛系や非晶質系の炭素材料との複合材を挙げることができる。負極活物質は、本例では、平均粒径が２０μｍ以下に調整されている。
【００２３】
正極板１０、負極板１１は、次のようにして作製されたものである。すなわち、正極板１０の作製では、正極活物質と、導電材として粉末状黒鉛、鱗片状黒鉛、無定形炭素またはこれらを組み合わせたものと、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤とを混合してスラリーが作製される。このとき、正極活物質、導電材、結着剤をスラリー中で均一に分散させるため、混練機を用いて十分な混合が行われる。スラリーは、例えばロール転写式の塗布機などで、厚み１５〜２５μｍのアルミニウム箔上に両面塗布される。このとき、アルミニウム箔の長手方向の両端部に、正極合剤の未塗着部が形成される。塗布後、プレス乾燥することにより正極板１０が作製される。正極活物質、導電材、結着剤を混合した正極合剤塗着部分の厚さは２０〜１００μｍに調整されている。一方、負極板１１の作製では、正極板１０の作製と同様に、負極活物質と結着剤とを混合したスラリーが厚さ７〜２０μｍの銅箔上に塗布され、プレス乾燥することで作製される。負極合剤塗着部分の厚さは２０〜７０μｍに調整されている。負極合剤は、本例では、負極活物質と結着剤とが重量比９０：１０で混合されている。
【００２４】
図３に示すように、捲回体２２は、得られた正極板１０および負極板１１がセパレータ１４を介して断面正方形状に捲回されることで形成されている。このため、捲回体２２は、平面状に並べ易く、一列に並べて捲回体群４１を構成したときに隣り合う捲回体２２同士の間に形成される隙間が小さくなる。捲回体２２の一方の端面には、正極集電箔の側縁から突出した２本の正極タブ１２の端部が露出している。２本の正極タブ１２は、平行に配列されており、幅方向の中心が捲回体２２の捲回中心から見て同方向に配列されている。捲回体２２の他方の端面には、負極集電箔の側縁から突出した２本の負極タブ１３の端部が露出している。２本の負極タブ１３は、平行に配列されており、幅方向の中心が捲回体２２の捲回中心から見て同方向に配列されている。図４に示すように、捲回体群４１では、４本の捲回体２２が一列に（平面状に）並べられている。このため、薄型直方体状の電池缶７２に容易に収容することが可能となる。
【００２５】
図５に示すように、捲回体群４１には、正極タブ１２同士を接続する正極集電板５２および負極タブ１３同士を接続する負極集電板５１がそれぞれ配されている。負極集電板５１には、各捲回体２２の端面に露出した負極タブ１３がそれぞれ折り曲げられて接続されている。一方、正極集電板５２には、各捲回体２２の端面に露出した正極タブ１２がそれぞれ接続されている。換言すれば、捲回体群４１を構成する４本の捲回体２２は、正極集電板５２、負極集電板５１を介して並列接続されている。負極集電板５１と負極タブ１３との接続、および、正極集電板５２と正極タブ１２との接続方法としては、超音波溶接、抵抗溶接、レーザー溶接等を挙げることができる。
【００２６】
図６に示すように、正極集電板５２は、４本の捲回体２２の正極タブ１２が露出した端面側に配置された正極板状部５２ｂ（第１の板状部）と、正極板状部５２ｂに対し捲回体２２の長手方向に沿う一方の側面にＬ字状に折り曲げられた屈曲部５２ｃと、屈曲部５２ｃに対し傾斜した正極リード部５２ａ（第１のリード部）と、を有している。正極リード部５２ａは、傾斜方向が屈曲部５２ｃに沿う方向（捲回体２２の捲回軸方向）と鋭角をなしている。正極リード部５２ａは、捲回体群４１を構成する捲回体２２の配列方向（捲回体群４１の長手方向）の一側に位置している。一方、負極集電板５１は、捲回体２２の負極タブ１３が露出した端面側に配置された負極板状部５１ｂ（第２の板状部）と、負極板状部５１ｂに対し傾斜した負極リード部５１ａ（第２のリード部）と、を有している。負極リード部５１ａは、傾斜方向が捲回体２２の捲回軸方向と鋭角をなしている。
【００２７】
正極リード部５２ａおよび負極リード部５１ａは、互いに反対側、すなわち、いずれも捲回体２２の捲回中心側に傾斜している。正極集電板５２の断面積は各正極タブ１２の通電方向と交差する方向の断面積より大きく形成されており、負極集電板５１の断面積は各負極タブ１３の通電方向と交差する方向の断面積より大きく形成されている。正極板状部５２ｂには各捲回体２２の正極タブ１２が接続されており、負極板状部５１ｂには各捲回体２２の負極タブ１３が接続されている。正極リード部５２は正極端子７３に接続されており、負極リード部５１は負極端子７４に接続されている（図７参照）。
【００２８】
正極集電板５２は、屈曲部５２ｃから突出し捲回体群４１を構成する各捲回体２２の外周部に当接する当接部材としてのガイド６１を有している。ガイド６１は、隣り合う捲回体２２の間に対応する位置で捲回体２２の捲回軸方向中央部に位置している。ガイド６１は、隣り合う捲回体２２の間に形成される窪み部分に合うように形成されている。このガイド６１は、例えば、プレス加工により正極集電板５２に形成されたものである。
【００２９】
＜電池組立＞
リチウム二次電池９１は、次のようにして組み立てられたものである。作製した正極板１０および負極板１１の両端の未塗着部にそれぞれ正極タブ１２および負極タブ１３を超音波溶接で接合する。正極タブ１２はアルミニウム製、負極タブ１３はニッケル製とした。正極板１０および負極板１１を多孔性ポリエチレンフィルムのセパレータ１４を介して断面正方形状に捲回し捲回体２２を作製する（図２（Ａ）参照）。捲回体２２の１本当たりの容量は１．５Ａｈに設定されている。捲回体２２の４本を一列に並べ、正極タブ１２および負極タブ１３をそれぞれ正極集電板５２（正極板状部５２ｂ）および負極集電板５１（負極板状部５１ｂ）と接続する（図５参照）。正極集電板５２、負極集電板５１を接続した捲回体群４１を電池缶７２内に挿入する。このとき、正極タブ１２を接続した正極板状部５２ｂを缶底側にする。正極リード部５２ａ、負極リード部５１ａをそれぞれ正極端子７３、負極端子７４に接続する（図７参照）。電池蓋７１で電池缶７２の開口部を封止した後、注液口７５から非水電解液（有機電解液）を注液する。そして、注液口７５を塞ぐことで電池缶７２内を密封しリチウム二次電池９１の組立を完成させる。捲回体２２の１本あたりの容量が０．８〜１．５Ａｈの範囲のため、リチウム二次電池９１の電池容量が３．２〜６．０Ａｈの範囲となる。
【００３０】
非水電解液としては、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、メチルアセテート（ＭＡ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）等の溶媒に電解質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、４フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）等を溶解させたものが用いられる。電解質濃度は、０．７〜１．５Ｍの範囲で設定することができる。本例では、非水電解液として、ＥＣ、ＤＭＣ、ＥＭＣを体積比１：１：１の割合で混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌ溶解させたものが用いられている。
【００３１】
上述したリチウム二次電池モジュール１１２では、図９および図１０に示すように、８個のリチウム二次電池９１が、横向きで４個ずつ並べられ、上下２段に積層されている。すなわち、リチウム二次電池モジュール１１２は、リチウム二次電池９１が４直２段に配列された直方体状に形成されている。リチウム二次電池モジュール１１２の長手方向の両側には、板状のエンドプレート１０１がそれぞれ配置されている。リチウム二次電池モジュール１１２では、上段に位置する４個のリチウム二次電池９１の上側で長手方向に沿う両側の端部と、下段に位置する４個のリチウム二次電池９１の下側で長手方向に沿う両側の端部とに２本ずつ、合計４本の締め付け板１０２が配置されている。２枚のエンドプレート１０１は４本の締め付け板１０２で締め付けられており、各リチウム二次電池９１が固定されている。
【００３２】
リチウム二次電池モジュール１１２では、リチウム二次電池９１の積層方向および該積層方向と交差する水平方向のリチウム二次電池９１同士の間、リチウム二次電池９１と各エンドプレート１０１との間、リチウム二次電池９１と締め付け板１０２との間に空隙を形成するスペーサ９２が配されている。すなわち、隣り合うリチウム二次電池９１同士の間、上下に積層されたリチウム二次電池９１同士の間、上段のリチウム二次電池９１と上側の締め付け板１０２との間、下段のリチウム二次電池９１と下側の締め付け板１０２との間、リチウム二次電池９１と各エンドプレート１０１との間にスペーサ９２が配されている。隣り合うリチウム二次電池９１同士の間では、上段、下段ともに、各リチウム二次電池９１の電池蓋７１側および缶底側にそれぞれ１つずつのスペーサ９２が配されている。上下に積層されたリチウム二次電池９１同士の間では、対向する面の４つの角部にそれぞれ１つずつのスペーサ９２が配されている。上段のリチウム二次電池９１と上側の締め付け板１０２との間では、各リチウム二次電池９１の上面の４つの角部にそれぞれ１つずつのスペーサ９２が配されている。下段のリチウム二次電池９１と下側の締め付け板１０２との間では、各リチウム二次電池９１の下面の４つの角部にそれぞれ１つずつのスペーサ９２が配されている。リチウム二次電池９１と各エンドプレート１０１との間では、上段のリチウム二次電池９１の電池蓋側および缶底側に１つずつ、下段のリチウム二次電池９１の電池蓋側および缶底側に１つずつの合計４つのスペーサ９２が配されている。スペーサ９２は、リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１の周囲に空隙を形成する機能を果たすため、材質や形状に特に制限はないが、本例では、耐熱樹脂製で薄型直方体状に形成されている。
【００３３】
リチウム二次電池モジュール１１２を構成する８個のリチウム二次電池９１は、正極端子７３および負極端子７４に板状の接続金具９３を溶接で接合することで、直列接続されている。８個のリチウム二次電池９１のうち、リチウム二次電池モジュール１１２の長手方向の一側で、上段に位置するリチウム二次電池９１の正極端子７３がリチウム二次電池モジュール１１２の正極端子１６を兼ねており、下段に位置するリチウム二次電池９１の負極端子７４がリチウム二次電池モジュール１１２の負極端子１５を兼ねている。
【００３４】
上述したリチウム二次電池パック１２１では、図１１に示すように、６個のリチウム二次電池モジュール１１２が外装ケース１１１の長手方向に２個、長手方向と交差する幅方向に３個の２列３行に平面配列されている。６個のリチウム二次電池モジュール１１２は直列接続されている。外装ケース１１１には、長手方向の一側に、各リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１の電池状態を監視し制御する制御回路部１１３が収容されている。外装ケース１１１には、長手方向に沿う一方の側面に放熱ファンとしての冷却ファン１１４が取り付けられている。冷却ファン１１４は、当該側面で２列に配列されたリチウム二次電池モジュール１１２の各列の略中央部に対応する位置にそれぞれ取り付けられている。冷却ファン１１４は、外装ケース１１１内に収容された各リチウム二次電池モジュール１１２（を構成する各リチウム二次電池９１）の発熱に伴い温度が上昇した熱気を外部へ放出する機能を果たしている。
【００３５】
制御回路部１１３は、各リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１の電圧を測定する電圧測定回路部と、電圧測定回路部で測定された電圧が予め定められた電圧上限値を越えたときにリチウム二次電池９１の電圧が異常電圧と判定する異常電圧判定部と、各リチウム二次電池９１に並列に接続され該リチウム二次電池９１に流れる電流をバイパスするバイパス回路部と、を備えている。異常電圧判定部により、電圧測定回路部で測定されたリチウム二次電池９１の電圧が電圧上限値を越えたときに、当該リチウム二次電池９１の電圧が異常電圧と判定される。リチウム二次電池９１の少なくとも１個の電圧が異常電圧と判定されたときに、バイパス回路部により、異常電圧と判定されたリチウム二次電池９１の電圧を異常電圧と判定された以外のリチウム二次電池９１の平均電圧となるまで放電させる。異常電圧と判定されたリチウム二次電池９１の電圧が正常電圧に戻る（電圧検知部で異常電圧と判定されなくなる）と、バイパス回路を遮断して通常の充放電状態に復帰させる。
【００３６】
（作用等）
次に、本実施形態のリチウム二次電池パック１２１、リチウム二次電池パック１２１を構成するリチウム二次電池モジュール１１２、リチウム二次電池モジュール１１２を構成するリチウム二次電池９１の作用等について、リチウム二次電池９１、リチウム二次電池モジュール１１２、リチウム二次電池パック１２１の順に説明する。
【００３７】
リチウム二次電池９１では、捲回体２２を構成する正極板１０の長手方向両端部に形成された未塗着部からそれぞれ１本、合計２本の帯状の正極タブ１２が導出しており、負極板１１の長手方向両端部に形成された未塗着部からそれぞれ１本、合計２本の帯状の負極タブ１３が導出している。このため、電流経路がそれぞれ２本の正極タブ１２、負極タブ１３で形成されることから、電気抵抗が低減し出力向上を図ることができる。また、並列接続された４本の捲回体２２が電池缶７２に収容されている。このため、捲回体を１本ずつ収容した４本の電池缶を並列接続する場合と比べて出力密度を高めることができる。また、正極タブ１２、負極タブ１３を２本ずつとしたため、正負極板の長手方向側縁に櫛歯状の複数の切り欠きを形成した場合と比べて、製造工程や電池構造を簡素化することができる。
【００３８】
また、リチウム二次電池９１では、捲回体２２の１本あたりの容量が０．８Ａｈ以上１．５Ａｈ以下に設定されている。１本あたりの容量が０．８Ａｈに満たない場合は、十分な電池容量を確保することが難しくなる。反対に、１本あたりの容量が１．５Ａｈより大きい場合は、正極板１０や負極板１１の長さが大きくなるため、正極板１０および負極板１１に流れる電流の分布に偏りが生じ、十分な出力特性を得ることができなくなる。また、捲回体の径が大きくなることから、充放電で生じる発熱により捲回体２２の中心側と外周側との間で温度分布が大きくなり出力特性を低下させることがある。１本あたりの容量を０．８Ａｈ以上１．５Ａｈ以下としたことで、これらの問題を抑制することができる。
【００３９】
更に、リチウム二次電池９１では、正極タブ１２、負極タブ１３のそれぞれ１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．１６〜０．４ｍｍ２の範囲に形成されている。このため、内部抵抗を低減し出力向上を図ることができる。正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を制限した分で厚さが小さくなり、正極板１０、負極板１１を捲回するときに正極タブ１２、負極タブ１３が介在することで生じる捲回体２２の変形を最小限に抑制することができる。また、各捲回体２２は、捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状に形成されている。このため、捲回体２２を平面状に一列に並べて捲回体群４１を構成したときに隣り合う捲回体２２同士の間に形成される隙間を小さくすることができる。従って、捲回体群４１を電池缶７２に収容しても余剰の空隙が形成されず、体積エネルギー密度の向上を図ることができる。
【００４０】
また更に、リチウム二次電池９１では、２本の正極タブ１２が、平行、かつ、幅方向の中心が捲回体２２の捲回中心から見て同方向に配列されており、２本の負極タブ１３が、平行、かつ、幅方向の中心が捲回体２２の捲回中心から見て同方向に配列されている。このため、捲回体群４１では、正極タブ１２と正極集電板５２との接続、負極タブ１３と負極集電板５１との接続を容易に行うことができる。また、正極集電板５２、負極集電板５１を介して各捲回体２２が並列接続されることから、電池構造を簡易化し低抵抗化することができる。
【００４１】
更にまた、リチウム二次電池９１では、捲回体群４１が正極集電板５２を絶縁材を介して缶底側に配され電池缶７２に収容されている。正極集電板５２の材質にはアルミニウムが用いられ、負極集電板５１の材質には銅が用いられている。このため、正極集電板５２が負極集電板５１に比べて軽量であることから、電池蓋７１（正極端子７３）までの距離が長くなる缶底側が正極側となるように電池缶７２に捲回体群４１を収容することで、リチウム二次電池９１全体として軽量化を図ることができ、重量エネルギー密度の向上を図ることができる。
【００４２】
また、リチウム二次電池９１では、正極集電板５２が捲回体２２の長手方向に沿う一方の側面に位置する屈曲部５２ｃに対し傾斜した正極リード部５２ａを有しており、負極集電板５１が捲回体２２の負極タブ１３が露出した端面側に位置する負極板状部５１ｂに対し傾斜した負極リード部５１ａを有している。正極リード部５２ａ、負極リード部５１ａの傾斜方向がいずれも捲回体２２の捲回軸方向と鋭角をなしている。このため、正極リード部５２ａ、負極リード部５１ａの材料を低減することができ、低抵抗化を図ることができる。また、正極リード部５２ａおよび負極リード部５１ａは、互いに反対側、すなわち、いずれも捲回体２２の捲回中心側に傾斜している。このため、捲回体群４１と電池蓋７１との間に形成される空間の大きさを適正化しつつ、同じ容量に設定した従来のリチウム二次電池と比べてリチウム二次電池９１のコンパクト化を図ることができる。
【００４３】
更に、リチウム二次電池９１では、正極集電板５２の断面積が各正極タブ１２の通電方向と交差する方向の断面積より大きく形成されており、負極集電板５１の断面積が各負極タブ１３の通電方向と交差する方向の断面積より大きく形成されている。このため、正極板１０、負極板１１から正極端子７３、負極端子７４への電流経路では、内部抵抗が低減し出力向上を図ることができる。
【００４４】
また更に、リチウム二次電池９１では、正極集電板５２が屈曲部５２ｃから突出し各捲回体２２の外周部に当接するガイド６１を有しており、ガイド６１が隣り合う捲回体２２の間に形成される窪み部分に合うように形成されている。このため、各捲回体２２が電池缶７２内でガイド６１により固定されるので、衝撃や振動に対する耐久性を向上させた電池構造を実現することができる。また、ガイド６１が捲回体２２に接触することで放熱性が増すため、充放電に伴い各捲回体２２が発熱しても温度分布を低減し出力低下を抑制することができる。
【００４５】
更にまた、８個のリチウム二次電池９１で構成したリチウム二次電池モジュール１１２では、リチウム二次電池９１の積層方向および該積層方向と交差する水平方向のリチウム二次電池９１同士の間に空隙を形成するスペーサ９２が配されている。このため、リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１が充放電で発熱しても、リチウム二次電池９１間に形成された空隙により熱を放散し易くすることができる。これにより、リチウム二次電池モジュール１１２として温度上昇が抑制されるため、電池性能を維持することができる。
【００４６】
また、リチウム二次電池モジュール１１２では、上述したように出力性能やエネルギー密度に優れるリチウム二次電池９１の８個を配列し、接続したため、高出力化、高エネルギー密度化を図ることができる。また、リチウム二次電池９１がコンパクト化されているため、リチウム二次電池モジュール１１２としてもコンパクト化することができる。
【００４７】
更に、６個のリチウム二次電池モジュール１１２で構成したリチウム二次電池パック１２１では、外装ケース１１１内に２列３行で平面配列され、直列接続されている。出力性能やエネルギー密度に優れるリチウム二次電池モジュール１１２の６個を直列接続したため、更なる高出力化、高エネルギー密度化を図ることができる。
【００４８】
また更に、リチウム二次電池パック１２１では、外装ケース１１１に、２列に配列されたリチウム二次電池モジュール１１２の各列に対応する位置にそれぞれ１つずつ、合計２つの冷却ファン１１４が取り付けられている。このため、外装ケース１１１内に収容された各リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１が充放電に伴い発熱しても、温度が上昇した熱気を外部へ放出することができる。上述したように、リチウム二次電池モジュール１１２を構成するリチウム二次電池９１間にスペーサ９２による空隙が形成されているため、効率よく熱気を放出することができる。また、リチウム二次電池パック１２１では、外装ケース１１１内に平面配列することで薄型となるので、電気自動車やハイブリッド車の床底に設置することができ、車内空間を確保するために好適である。
【００４９】
従来角型リチウム二次電池では、正負極板をセパレータを介して薄型扁平状に捲回した扁平状捲回体が電池缶に収容されている。図８に示すように、角型リチウム二次電池８９は、薄型直方体状の電池缶８６を備えている。電池缶８６は上部の開口部が電池蓋で封止されている。電池蓋には、正極端子８４および負極端子８５がそれぞれ立設している。電池缶８６には、扁平状捲回体８１が捲回軸方向を略水平として収容されている。正負極板には、長手方向一側の側縁に活物質合剤の未塗着部が形成されている。扁平状捲回体８１では、正負極板の未塗着部が捲回軸方向で互いに反対側に露出している。正負極板の未塗着部には、それぞれ正極タブ８２および負極タブ８３が１本ずつ接合されている。正極タブ８２は正極端子８４と接合されており、負極タブ８３は負極端子８５と接合されている。角型リチウム二次電池８９の複数個を接続することで二次電池モジュールや二次電池パックの高出力化、高容量化を図ることが期待できる。ところが、このようなリチウム二次電池８９では、扁平状捲回体８１の捲回軸方向の中央部、つまり、正負極板の捲回方向と交差する幅方向の中央部が膨らみ易くなる。扁平状捲回体８１が膨らむと、例えば、負極の場合は負極活物質が負極集電箔の銅箔から脱落し、出力や容量が低下する、という問題がある。また、リチウム二次電池の高出力化を図るために、複数のタブをそれぞれ導出した正負極板を円柱状に捲回した捲回体を円筒型容器に収容する技術が知られている。ところが、正負極板から複数のタブを導出したことで捲回体の製造プロセスを複雑化することとなる。さらには、円筒型の電池を複数個接続し二次電池モジュール、二次電池パックを構成した場合は、二次電池モジュールや二次電池パックに占める電池缶等の部品割合が大きくなり、エネルギー密度が低下する、という問題がある。本実施形態は、これらの問題を解決することができるリチウム二次電池、リチウム二次電池モジュール、リチウム二次電池パックである。
【００５０】
なお、本実施形態のリチウム二次電池９１では、正極板１０の長手方向両側に形成された未塗着部からそれぞれ１本ずつ、合計２本の正極タブ１２を導出し、負極板１１の長手方向両側に形成された未塗着部からそれぞれ１本ずつ、合計２本の負極タブ１３を導出した例を示したが、本発明は正極タブ１２、負極タブ１３の数に制限されるものではない。例えば、正極板１０の各未塗着部からそれぞれ２本ずつ、合計４本の正極タブ１２を導出するようにしてもよい。正極タブ１２、負極タブ１３の数を増やすことで、電流経路を増大させ低抵抗化を図ることができる。
【００５１】
また、リチウム二次電池９１では、捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状の捲回体２２を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図２（Ｂ）に示すように、当該断面が円形状の捲回体２１とすることも可能である。このように断面形状の異なる捲回体は、例えば、捲回時の軸芯の断面形状を変えることで作製することができる。また、本実施形態では、特に言及していないが、捲回体２２が捲回中心部に軸芯を有していてもよく、捲回時に用いた軸芯を捲回体作製後に取り除いてもよい。
【００５２】
更に、リチウム二次電池９１では、４本の捲回体２２を並列接続した捲回体群４１を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数本の捲回体２２を接続すればよい。例えば、高容量化するために５本以上を並列接続するようにしてもよい。本実施形態のリチウム二次電池９１では、電池缶７２として薄型直方体状の形状、すなわち、電池蓋７１と交差する面で隣り合う面が形成する角部が略直角の形状を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、当該角部にＲ付け加工を施してもよい。
【００５３】
また更に、リチウム二次電池９１では、正極活物質、負極活物質、導電材、電解液等の種々の材料を例示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、通常のリチウム二次電池に用いられる材料を用いることができる。
【００５４】
更にまた、リチウム二次電池モジュール１１２では、８個のリチウム二次電池９１を直列接続する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。リチウム二次電池モジュール１１２を構成するリチウム二次電池９１の数を変えてもよい。また、リチウム二次電池９１を直列接続することに代えて、並列接続や直並列接続とすることもできる。
【００５５】
また、リチウム二次電池モジュール１１２では、配列されたリチウム二次電池９１同士の間等に複数のスペーサ９２を介在させる例を示したが、本発明はスペーサ９２の位置や数に制限されるものではない。また、スペーサ９２の形状や材質についても特に制限されないことはもちろんである。
【００５６】
更に、リチウム二次電池パック１２１では、６個のリチウム二次電池モジュール１１２を直列接続する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。リチウム二次電池パック１２１を構成するリチウム二次電池モジュール１１２の数を変えてもよく、直列接続することに代えて、並列接続や直並列接続としてもよい。また、外装ケース１１１に収容されたリチウム二次電池モジュール１１２を構成するリチウム二次電池９１の電池状態を制御する制御回路部１１３を例示したが、本発明は制御回路部１１３の構成に制限されるものではなく、リチウム二次電池９１の電池状態を制御することができればよい。
【００５７】
また更に、リチウム二次電池パック１２１では、リチウム二次電池モジュールを平面状に配列する例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。平面状に配列すれば、薄型となるので、車内空間の確保が求められる電気自動車等の電源に好適に用いることができる。
【実施例】
【００５８】
次に、本実施形態に従い製造したリチウム二次電池パック１２１の実施例についてさらに説明するが、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。なお、以下の実施例において、実施例１、実施例２ではリチウム二次電池９１、実施例３ではリチウム二次電池モジュール１１２、実施例４ではリチウム二次電池パック１２１についてそれぞれ説明する。また、比較のために作製した比較例のリチウム二次電池についても併記する。
【００５９】
（実施例１）
＜正極の作製＞
実施例１では、正極活物質の原料として酸化ニッケル、酸化マンガン、酸化コバルトを使用し、原子比でＮｉ：Ｍｎ：Ｃｏ比が１：１：１となるように秤量し、湿式粉砕機で粉砕混合した。得られた粉砕物に結着剤としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加えた粉砕混合粉を噴霧乾燥機で造粒した。得られた造粒粉末を高純度アルミナ容器に入れ、ＰＶＡを蒸発させるため６００℃で１２時間の仮焼成を行い、空冷後解砕した。さらに、解砕粉にＬｉ：遷移金属（Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ）の原子比が１．１：１となるように水酸化リチウム一水和物を添加し、充分混合した。この混合粉末を高純度アルミナ容器に入れて９００℃で６時間の本焼成を行った。得られた正極活物質を解砕分級した。この正極活物質の平均粒径は６μｍであった。
【００６０】
得られた正極活物質、導電材として粉末状黒鉛、鱗片状黒鉛、無定形炭素、および、結着剤としてＰＶＤＦを重量比で８５：７：２：２：４となるように混合し、適量のＮ−メチル−２−ピロリドンを加えてスラリーを作製した。スラリーをプラネタリーミキサーで３時間撹拌して十分な混練を行い、ロール転写式の塗布機を用いて厚さ２０μｍのアルミニウム箔に塗布した。さらに、塗布面と反対側の面にも同様に塗布して正極板１０を作製し、１２０℃で乾燥させた。その後、ロールプレス機を用い２５０ｋｇ／ｍｍでプレスした。得られた正極板１０の正極合剤密度は２．４ｇ／ｃｍ３であった。
【００６１】
＜負極の作製＞
負極の作製では、負極活物質に平均粒径１０μｍの非晶質炭素を用い、これに導電材としてカーボンブラックの６．５重量％を加え、ＰＶＤＦを加えた後、プラネタリーミキサーで３０分撹拌して十分な混練を行いスラリーを作製した。塗布機によりスラリーを厚さ１０μｍの銅箔の両面に塗布し、乾燥後にロールプレスを行い、負極合剤密度１．０ｇ／ｃｍ３の負極板１１を得た。
【００６２】
＜角型電池組立＞
正極板１０および負極板１１にそれぞれ正極タブ１２および負極タブ１３を接合し、セパレータ１４を介して矩形状に捲回した。正極タブ１２、負極タブ１３は、作製のしやすさから幅を３ｍｍに設定し、断面積を０．３〜０．４ｍｍ２に設定した。捲回体１本あたりの容量は１．５Ａｈに設定した。得られた捲回体２２を４本用い、正極タブ１２および負極タブ１３に固定ガイド６１を有する正極集電板５２および負極集電板５１をそれぞれ接続して一列に固定された捲回体群４１を作製した。捲回体群４１を電池缶７２に挿入し、正極集電板５２のタブと負極集電板５１のタブとをそれぞれ正極端子７３および負極端子７４に接続し、電池蓋７１を電池缶７２に固定した。そして、電池蓋７１に形成した注液口７５から非水電解液を注入し、さらに注液口を塞ぎ密封することでリチウム二次電池９１を作製した。
【００６３】
（比較例１）
比較例１では、実施例１と同様の方法で正極板１０および負極板１１を作製し、正極板１０および負極板１１の両端部の未塗工部にそれぞれ正極タブ８２および負極タブ８３を超音波溶接で接合した。正極タブ８２はアルミニウム製、負極タブ８３はニッケル製とした。この正極板１０および負極板１１をセパレータ１４を介して扁平状に捲回し扁平状捲回体８１を得た。得られた扁平状捲回体８１をアルミニウム製の電池缶８６に収容し、正極タブ８２を正極端子８４に溶接し、一方、負極タブ８３を負極端子８５に溶接した後、電池蓋を電池缶８６に取り付けた。最後に、電池蓋に設けた注液口から電解液を注入し、注液口を塞ぎ密封することでリチウム二次電池８９を作製した（図８参照）。電解液には、ＥＣ、ＤＭＣ、ＥＭＣを体積比１：１：１の割合で混合した後、ＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌ溶解した有機電解液（非水溶電解液）を用いた。得られた比較例１のリチウム二次電池８９では、電池容量が６Ａｈであった。
【００６４】
＜パルス充放電試験＞
実施例１のリチウム二次電池９１および比較例１のリチウム二次電池８９について、以下の条件でパルス充放電試験を行った。
（１）充放電の中心電圧：３．６Ｖ
（２）放電パルス：電流７２Ａ、時間３０秒
（３）充電パルス：電流３６Ａ、時間１５秒
（４）放電と充電の間の休止時間：３０秒
（５）中心電圧が変動するため、１０００パルス毎に３．６Ｖで定電圧充電または定電圧放電を行い、中心電圧を３．６Ｖに調整した。
（６）周囲環境温度は５０℃に設定した。
【００６５】
パルス充放電試験の繰り返し回数を増やしながら、以下の方法によりリチウム二次電池９１、リチウム二次電池８９の直流抵抗および出力密度を求めた。すなわち、５０℃の環境下で、電流２４Ａ、４８Ａ、７２Ａ、９６Ａの順に１０秒間放電した。それぞれの放電電流と１０秒目の電圧との関係をプロットし、得られた直線の傾きから直流抵抗を求めた。また、この直線の２．５Ｖにおける電流値を求め、２．５Ｖとその電流値との積を電池重量で除して、出力密度を求めた。求めた直流抵抗から、パルス充放電試験に伴う抵抗上昇率を、初期の直流抵抗を１００とした百分率で算出した。
【００６６】
図１２に示すように、比較例１のリチウム二次電池８９では、パルス充放電試験の繰り返し回数が３０万回のときに抵抗上昇率がおよそ１６０％を示した。これに対して、実施例１のリチウム二次電池９１では、３０万回での抵抗上昇率が１２０％以下程度にすぎず、抵抗の上昇が小さく長寿命であることが明らかとなった。
【００６７】
（実施例２）
実施例２では、捲回体の１本あたりの容量を１．０Ａｈ、１．２Ａｈおよび２．０Ａｈとし、実施例１と同様の方法でリチウム二次電池を作製した。各容量の捲回体では、正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を０．３〜０．４ｍｍ２の範囲に設定した。１．０Ａｈの捲回体では６本、１．２Ａｈの捲回体では５本、２．０Ａｈの捲回体では３本をそれぞれ並列接続した。上述したパルス充放電試験を行い、各電池の初期出力密度および３０万パルス後の抵抗上昇率を測定した。出力密度および抵抗上昇率の測定結果を下表１に示す。なお、表１において、捲回体の１本あたりの容量が１．５Ａｈのリチウム二次電池は実施例１のリチウム二次電池９１を示している。
【００６８】
【表１】
【００６９】
表１に示すように、捲回体１本あたりの容量が２．０Ａｈの場合は、リチウム二次電池の初期の出力が３４８０Ｗ／ｋｇを示し、抵抗上昇率が１２９％であった。これに対して、捲回体１本あたりの容量が１．５Ａｈ以下の場合は、初期出力密度が大きくなり、パルス充放電試験後の抵抗上昇率が小さくなることが判った。つまり、捲回体１本あたりの容量が１．５Ａｈを超えると、初期出力密度および抵抗上昇率の特性が、１．５Ａｈ以下の場合に比べて若干劣る結果が得られた。これは、１本あたり容量が１．５Ａｈより大きい場合、捲回体の温度分布や電流分布が大きくなるためと考えられる。また、正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を０．３〜０．４ｍｍ２の範囲としたことで、低抵抗化に寄与したためと考えられる。正極タブ１２、負極タブ１３の断面積について付言すれば、実施例２では捲回体１本あたりの容量に関わらず同じ断面積に設定したが、容量に合わせて変えることも可能である。例えば、捲回体１本あたりの容量が１．０Ａｈ、１．２Ａｈの場合に正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を０．３〜０．４ｍｍ２とすると、製造上やコスト面の問題は生じないものの、若干過剰品質ともいえる。換言すれば、捲回体１本あたりの容量が１．５Ａｈのときに正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を０．３〜０．４ｍｍ２の範囲とすることが好適である。容量を小さくしたときは、正極タブ１２、負極タブ１３の断面積と容量とが比例関係になるように断面積を小さくすればよく（例えば、捲回体１本あたりの容量が１．０Ａｈのときに断面積を０．２〜０．２７ｍｍ２の範囲）、このようにしても上述した効果の得られることを確認している。
【００７０】
（実施例３）
実施例３では、実施例１において作製した角型リチウム二次電池９１を用いて、リチウム二次電池モジュール１１２を作製した（図９、図１０参照）。すなわち、リチウム二次電池９１を横向きに４直２段に配列し、各リチウム二次電池９１間にはスペーサ９２を取り付けて放熱のための空間を設けた。各リチウム二次電池９１の正極端子７３と負極端子７４とには接続金具９３を溶接して直列接続した。さらに、エンドプレート１０１を締め付け板１０２によって固定し、リチウム二次電池モジュール１１２を得た。上述した実施例１、実施例２で示したように、出力特性やエネルギー密度に優れるリチウム二次電池９１を用いて構成したリチウム二次電池モジュール１１２では、出力特性、エネルギー密度に優れることを確認している。
【００７１】
（実施例４）
実施例４では、実施例３において作製したリチウム二次電池モジュール１１２を用いて、リチウム二次電池パック１２１を作製した（図１１参照）。すなわち、リチウム二次電池モジュール１１２を２列３行に平面配列し、それぞれを直列接続した後、外装ケース１１１に収容して薄型のリチウム二次電池パック１２１を作製した。リチウム二次電池パック１２１には制御回路部１１３と、冷却ファン１１４とを取り付けた。出力特性、エネルギー密度に優れるリチウム二次電池モジュール１１２を用いて構成したリチウム二次電池パック１２１では、出力特性、エネルギー密度に優れることを確認している。このリチウム二次電池パック１２１は薄型のため、電気自動車やハイブリッド車の床底に設置することができ、車内空間を確保するために好適である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は出力向上を図ることができるリチウム二次電池、該リチウム二次電池の複数個が接続された二次電池モジュールおよび該二次電池モジュールの複数個が接続された二次電池パックを提供するため、リチウム二次電池、二次電池モジュールおよび二次電池パックの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明を適用した実施形態のリチウム二次電池パックを構成するリチウム二次電池モジュールに用いられる角型リチウム二次電池の正極板、負極板および２枚のセパレータが捲回前に積層するときの状態を示す平面図である。
【図２】角型リチウム二次電池の正極板および負極板がセパレータを介して捲回された捲回体を示す斜視図であり、（Ａ）は断面矩形状に捲回された捲回体、（Ｂ）は断面円形状に捲回された捲回体をそれぞれ示す。
【図３】角型リチウム二次電池を構成する捲回体の両端面からそれぞれ正極タブおよび負極タブが露出した状態を示す斜視図である。
【図４】角型リチウム二次電池を構成し４本の捲回体が並べられた捲回体群を示す斜視図である。
【図５】角型リチウム二次電池を構成する捲回体群と正極集電板および負極集電板との位置関係を示す斜視図である。
【図６】角型リチウム二次電池を構成する捲回体群に正極集電板および負極集電板が接続された状態を示す斜視図である。
【図７】角型リチウム二次電池を示す分解斜視図である。
【図８】従来の角型リチウム二次電池を示す断面図である。
【図９】実施形態のリチウム二次電池パックを構成するリチウム二次電池モジュールで、８個の角型リチウム二次電池が直列接続された状態を示す斜視図である。
【図１０】実施形態のリチウム二次電池パックを構成するリチウム二次電池モジュールを示す斜視図である。
【図１１】実施形態のリチウム二次電池パックを示す斜視図である。
【図１２】実施例１および比較例１の角型リチウム二次電池のパルスサイクル数に対する抵抗上昇率の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 正極
１１ 負極
１２ 正極タブ（正極導出部材）
１３ 負極タブ（負極導出部材）
１４ セパレータ
２２ 捲回体（電極捲回体）
４１ 捲回体群
５１ 負極集電板
５１ａ 負極リード部（第２のリード部）
５１ｂ 負極板状部（第２の板状部）
５２ 正極集電板
５２ａ 正極リード部（第１のリード部）
５２ｂ 屈曲部
５２ｃ 正極板状部（第１の板状部）
６１ ガイド（当接部材）
７２ 電池缶
７３ 正極端子（正極外部端子）
７４ 負極端子（負極外部端子）
９１ 角型リチウム二次電池
９２ スペーサ
１１１ 外装ケース
１１２ リチウム二次電池モジュール（二次電池モジュール）
１１３ 制御回路部
１１４ 冷却ファン（放熱ファン）
１２１ リチウム二次電池パック（二次電池パック）
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウム二次電池、二次電池モジュールおよび二次電池パックに係り、特に、正極と負極とがセパレータを介して捲回された電極捲回体と、電極捲回体を収容する電池缶と、を備えたリチウム二次電池、リチウム二次電池の複数個を備えた二次電池モジュールおよび二次電池モジュールの複数個を備えた二次電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウム二次電池は、高エネルギー密度および高出力密度を有することから、パソコンや携帯機器などの電源として広く使用されている。また、環境に配慮した自動車として電気自動車およびハイブリッド自動車の開発が進む中、リチウム二次電池は、自動車用の電源への適用が検討され、一部実用化されている。電気自動車やハイブリッド自動車の用途では、高出力化、高エネルギー密度化および長寿命化が重要な課題である。
【０００３】
リチウム二次電池の構造として、負極と正極とをセパレータを介して扁平形状に捲回した後、プレス成形した扁平状捲回体を角型電池缶に収容した角型リチウム二次電池の構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この角型リチウム二次電池は、携帯電話などに広く使用されているが、電気自動車やハイブリッド自動車用の大型電池として用いた場合、扁平捲回体の中心部の締め付け圧力が小さく電池が膨れやすくなるため、電池寿命が短くなる、という問題がある。
【０００４】
リチウム二次電池の高出力化を図るために正極および負極から複数の集電タブを導出し、その集電タブの厚さを制限する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。一方、電気自動車等の大型電池では、高出力化を図るために複数個の円筒型二次電池を配列した二次電池モジュールの構造が開示されている（特許文献３参照）。また、複数個の二次電池モジュールを接続することで更なる高出力化を図る二次電池パックの技術も知られている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２７５２７号公報
【特許文献２】特開２０００−７７０５５号公報
【特許文献３】特表２００３−５３３８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２の技術では、複数の集電タブを用いることで内部抵抗の低減が図られるものの、集電タブの取り付け方や取り付け位置あわせ等で製造プロセスを複雑化することとなる。換言すれば、正負極を捲回した電極捲回体に複数の集電タブを導出することは原理的に可能であるが、正負極の厚みのバラツキや捲回精度の限界から、製造工程や電池構造を複雑化し歩留まり低下を引き起こすこととなる。また、特許文献３のように円筒型二次電池を配列した構造では、二次電池モジュールに占める電池缶等の部品割合が大きくなるため、重量エネルギー密度が低下する、という問題がある。簡易な電池構造で低抵抗化することが可能となれば、リチウム二次電池の出力向上を図ることができ、二次電池モジュール、さらには、二次電池パックの高出力化を図ることが期待できる。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、高出力化を図ることができるリチウム二次電池、該リチウム二次電池の複数個を備えた二次電池モジュールおよび該二次電池モジュールの複数個を備えた二次電池パックを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、集電体の長手方向中央部に活物質合剤の塗着部と該塗着部の長手方向両側に前記活物質合剤の未塗着部とを有する正極と、集電体の長手方向中央部に活物質合剤の塗着部と該塗着部の長手方向両側に前記活物質合剤の未塗着部とを有する負極と、がセパレータを介して捲回された複数本の電極捲回体と、前記正極の各未塗着部から少なくとも１本ずつ導出された帯状の正極導出部材と、前記負極の各未塗着部から少なくとも１本ずつ導出された帯状の負極導出部材と、前記電極捲回体を浸潤する電解液と、上記各部材を収容する電池缶と、を備え、前記電極捲回体は１本あたりの容量が１．５Ａｈ以下であり、前記正極導出部材および負極導出部材は１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．４ｍｍ２以下であることを特徴とするリチウム二次電池である。
【０００９】
第１の態様では、正負極の両側に配置された未塗着部からそれぞれ少なくとも１本、合計少なくとも２本の帯状の正極および負極導出部材を導出し、正極導出部材および負極導出部材の１本あたりの断面積を０．４ｍｍ２以下としたので、電気抵抗を低減し出力向上を図ることができると共に、電極捲回体の１本あたりの容量を１．５Ａｈ以下としたので、正極および負極に流れる電流の分布を均等化し低抵抗化することができる。
【００１０】
第１の態様において、電極捲回体が電池缶内で正極導出部材同士および負極導出部材同士が接続されて並列接続されていてもよい。正極導出部材および負極導出部材が、正負極の各未塗着部から１本ずつ導出されており、正負極のそれぞれで平行、かつ、捲回中心から見て同方向に配列されていてもよい。各電極捲回体の捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状または矩形状に形成することができる。正極導出部材同士を接続する正極集電板および負極導出部材同士を接続する負極集電板を備えるようにすることができる。電極捲回体を、一列に並べ、正極集電板を絶縁材を介して缶底側に配置して電池缶に収容してもよい。正極集電板が、電極捲回体の缶底側に配置された第１の板状部と、該第１の板状部に対し電極捲回体の長手方向に沿う一方の側面にＬ字状に折り曲げられた屈曲部とを有し、負極集電板が、電極捲回体の缶底側とは反対側に配置された第２の板状部を有してもよい。正極集電板が屈曲部に対し傾斜した第１のリード部を有し、該第１のリード部が正極外部端子に接続されており、負極集電板が第２の板状部に対し傾斜した第２のリード部を有し、該第２のリード部が負極外部端子に接続されており、第１および第２のリード部が互いに反対側に傾斜していてもよい。正負極集電板の断面積をそれぞれ各正極導出部材および負極導出部材の通電方向と交差する方向の断面積より大きくすることができる。正極集電板が屈曲部から突出し電極捲回体の外周部に当接する当接部材を有していてもよい。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、第１の態様のリチウム二次電池の複数個を備え、前記リチウム二次電池が配列されており、隣り合う前記リチウム二次電池同士の間に空隙を形成するスペーサが配されたことを特徴とする二次電池モジュールである。この場合において、スペーサをリチウム二次電池の積層方向および該積層方向と交差する水平方向のリチウム二次電池間にそれぞれ複数配することが好ましい。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第２の態様の二次電池モジュールの複数個と、前記各二次電池モジュールを構成するリチウム二次電池の電池状態を制御する制御回路部と、前記複数個の二次電池モジュールおよび制御回路部を収容する外装ケースと、を備えたことを特徴とする二次電池パックである。この場合において、各二次電池モジュールを平面状に配列し、直列接続してもよい。外装ケースに内部の熱を外部へ放出するための放熱ファンが配されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、正負極の両側に配置された未塗着部からそれぞれ少なくとも１本、合計少なくとも２本の帯状の正極および負極導出部材を導出し、正極導出部材および負極導出部材の１本あたりの断面積を０．４ｍｍ２以下としたので、電気抵抗を低減し出力向上を図ることができると共に、電極捲回体の１本あたりの容量を１．５Ａｈ以下としたので、正極および負極に流れる電流の分布を均等化し低抵抗化することができる、という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明を適用したリチウム二次電池パックの実施の形態について説明する。
【００１５】
本実施形態のリチウム二次電池パック１２１は、図１１に示すように、薄型直方体状の外装ケース１１１を備えている。外装ケース１１１内には、６個のリチウム二次電池モジュール１１２が収容されている。各リチウム二次電池モジュール１１２は、図１０に示すように、８個の角型リチウム二次電池９１で構成されている。
【００１６】
リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１は、図７に示すように、薄型直方体状で開口部を有する電池缶７２を備えている。電池缶７２には、正極板および負極板が捲回された４本の捲回体２２で構成された捲回体群４１が収容されている。４本の捲回体は一列に並べられている。すなわち、各捲回体２２は並列配置されている。捲回体群４１は、各捲回体２２の正極タブが露出した端面が缶底側となるように電池缶７２に収容されている。捲回体群４１には、正極集電板５２、負極集電板５１がそれぞれ接続されている。正極集電板５２、負極集電板５１と電池缶７２の内面との間には、絶縁材が介在している。電池缶７２は、厚みが捲回体群４１の厚みより大きく形成されている。電池缶７２は、開口部が矩形平板状の電池蓋７１で封止されている。電池蓋７１には、長手方向一側に正極端子７３、他側に負極端子７４がそれぞれ立設されている。電池蓋７１には、非水電解液を注液するための注液口７５が形成されている。注液口７５は、電池缶７２内に非水電解液を注液後、封止されている。
【００１７】
捲回体群４１を構成する各捲回体２２は、図２（Ａ）に示すように、正極板１０と負極板１１とがセパレータ１４を介して捲回されており、捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状に形成されている。正極板１０の捲回方向（長手方向）の一側および他側には、帯状の正極タブがそれぞれ１本ずつ接続されている。負極板１１の捲回方向（長手方向）の一側および他側には、帯状の負極タブがそれぞれ１本ずつ接続されている。正極タブ、負極タブは、それぞれ１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．１６〜０．４ｍｍ２の範囲に形成されている。このため、正極板１０、負極板１１を捲回するときに正極タブ、負極タブが介在することで生じる捲回体２２の変形（いびつになること）が最小限に抑えられる。各捲回体２２では、１本あたりの容量が０．８Ａｈ以上１．５Ａｈ以下に設定されている。
【００１８】
図１に示すように、捲回体２２を構成する正極板１０、負極板１１およびセパレータ１４は、それぞれ長尺矩形状に形成されている。捲回体２２は、セパレータ１４、負極板１１、セパレータ１４、正極板１０がこの順に積層され、長手方向一側から捲回されて形成されている。正極板１０は、長尺矩形状の正極集電箔（集電体）の長手方向中央部の両面に正極合剤が塗着された塗着部を有している。正極集電箔の長手方向の両端部、つまり、塗着部の長手方向両側には、正極合剤が塗着されていない未塗着部が形成されている。未塗着部には、正極集電箔が露出しており、それぞれ１本の正極タブ１２が接続されている。２本の正極タブ１２は、いずれも片側の端部が正極集電箔の一方の側縁から突出している。一方、負極板１１は、長尺矩形状の負極集電箔（集電体）の長手方向中央部の両面に負極合剤が塗着された塗着部を有している。負極集電箔の長手方向の両端部、つまり、塗着部の長手方向両側には、負極合剤が塗着されていない未塗着部が形成されている。未塗着部には、負極集電箔が露出しており、それぞれ１本の負極タブ１３が接続されている。２本の負極タブ１３は、いずれも片側の端部が負極集電箔の一方の側縁から突出している。正極タブ１２と負極タブ１３とでは、互いに反対方向に突出している。正極集電箔と正極タブ１２との接続、および、負極集電箔と負極タブ１３との接続には、超音波溶接、抵抗溶接、レーザー溶接、ハトメ等を用いることができる。正極タブ１２の材質としてはアルミニウムを挙げることができ、負極タブ１３の材質としては銅、ニッケル、または、ニッケルめっきを施した銅、を挙げることができる。本例では、正極タブ１２の材質にアルミニウム、負極タブ１３の材質にニッケルがそれぞれ用いられている。
【００１９】
正極板１０は、正極集電箔としてアルミニウム箔が用いられている。アルミニウム箔の両面に塗着される正極合剤には、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質、活性炭、導電材、結着剤等が配合されている。正極活物質としては、スピネル型立方晶、層状型六方晶、オリビン型斜方晶、三斜晶等の結晶構造を有する、リチウムと遷移金属との複合化合物が用いられている。高出力、高エネルギー密度かつ長寿命といった観点では、リチウムとニッケル、マンガン、コバルトを含有する層状型六方晶が好ましく、特に、化学式ＬｉＭｎａＮｉｂＣｏｃＭｄＯ２（但し、ＭはＦｅ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂで構成される群、好ましくはＦｅ、Ｖ、Ａｌ、Ｂ、Ｍｇで構成される群から選ばれる少なくとも一種である。また、０≦ａ≦０．６、０．３≦ｂ≦０．６、０≦ｃ≦０．４、０≦ｄ≦０．１である。）で表される化合物が好ましい。
【００２０】
正極活物質は次のようにして作製されたものである。すなわち、各原料の粉体が所望の組成比となるように供給され、ボールミル等の機械的な方法で粉砕混合される。粉砕混合は乾式、湿式のいずれでもよいが、粉砕混合された原料粉末の粒径が１μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下となるように粉砕混合される。さらに、得られた原料粉末を噴霧乾燥して造粒することが好ましい。このようにして粉砕混合された原料粉末が８５０〜１１００℃、好ましくは９００〜１０５０℃で焼成される。焼成は、酸素、空気等の酸化ガス雰囲気、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気、これらを混合した雰囲気で行われる。正極活物質は、本例では、平均粒径が１０μｍ以下に調整されている。
【００２１】
導電材には、炭素結晶格子のｃ軸方向の長さＬｃが１００ｎｍ以上で高導電性を有する粉末状黒鉛、鱗片状黒鉛、または、カーボンブラック等の無定形炭素が用いられる。これらの炭素材を組み合わせて用いてもよい。導電材の正極合剤に対する配合量は、粉末状黒鉛の場合は３〜１２重量％、鱗片状黒鉛の場合は１〜７重量％、無定形炭素の場合は０．５〜７重量％に調整される。粉末状黒鉛の場合、配合量が３重量％未満では正極合剤内の導電ネットワークが不十分であり、１２重量％を超えると相対的に正極活物質量が減少し電池容量の低下を招く。鱗片状黒鉛の場合、配合量が１重量％未満では他の導電材と置換した際の導電材料低減効果が低くなり、７重量％を超えると平均粒径が大きくなり正極合剤内部に空隙が形成されて正極の低密度化の要因となる。無定形炭素の場合、配合量が０．５重量％未満では正極材料間の空隙を繋ぐには不十分であり、７重量％を超えると正極の大幅な低密度化の要因となる。
【００２２】
一方、負極板１１は、負極集電箔として銅箔が用いられている。銅箔の両面に塗着される負極合剤には、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質、導電材、結着剤等が配合されている。負極活物質としては、例えば、金属リチウム、炭素材料、リチウムイオンを挿入可能もしくは化合物の形成が可能な材料を用いることができ、炭素材料が好適である。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛類および石炭系コークス、石炭系ピッチの炭化物、石油系コークス、石油系ピッチの炭化物、ピッチコークスの炭化物等の非晶質炭素類を挙げることができる。これらの炭素材料に種々の表面処理を施したものを用いてもよく、これらの炭素材料の２種以上を組み合わせて用いることもできる。また、リチウムイオンを挿入可能もしくは化合物の形成が可能な材料としては、アルミニウム、スズ、ケイ素、インジウム、ガリウム、マグネシウムなどの金属およびこれらの元素を含む合金、スズ、ケイ素などを含む金属酸化物が挙げられる。さらにまた、金属、合金、金属酸化物と黒鉛系や非晶質系の炭素材料との複合材を挙げることができる。負極活物質は、本例では、平均粒径が２０μｍ以下に調整されている。
【００２３】
正極板１０、負極板１１は、次のようにして作製されたものである。すなわち、正極板１０の作製では、正極活物質と、導電材として粉末状黒鉛、鱗片状黒鉛、無定形炭素またはこれらを組み合わせたものと、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤とを混合してスラリーが作製される。このとき、正極活物質、導電材、結着剤をスラリー中で均一に分散させるため、混練機を用いて十分な混合が行われる。スラリーは、例えばロール転写式の塗布機などで、厚み１５〜２５μｍのアルミニウム箔上に両面塗布される。このとき、アルミニウム箔の長手方向の両端部に、正極合剤の未塗着部が形成される。塗布後、プレス乾燥することにより正極板１０が作製される。正極活物質、導電材、結着剤を混合した正極合剤塗着部分の厚さは２０〜１００μｍに調整されている。一方、負極板１１の作製では、正極板１０の作製と同様に、負極活物質と結着剤とを混合したスラリーが厚さ７〜２０μｍの銅箔上に塗布され、プレス乾燥することで作製される。負極合剤塗着部分の厚さは２０〜７０μｍに調整されている。負極合剤は、本例では、負極活物質と結着剤とが重量比９０：１０で混合されている。
【００２４】
図３に示すように、捲回体２２は、得られた正極板１０および負極板１１がセパレータ１４を介して断面正方形状に捲回されることで形成されている。このため、捲回体２２は、平面状に並べ易く、一列に並べて捲回体群４１を構成したときに隣り合う捲回体２２同士の間に形成される隙間が小さくなる。捲回体２２の一方の端面には、正極集電箔の側縁から突出した２本の正極タブ１２の端部が露出している。２本の正極タブ１２は、平行に配列されており、幅方向の中心が捲回体２２の捲回中心から見て同方向に配列されている。捲回体２２の他方の端面には、負極集電箔の側縁から突出した２本の負極タブ１３の端部が露出している。２本の負極タブ１３は、平行に配列されており、幅方向の中心が捲回体２２の捲回中心から見て同方向に配列されている。図４に示すように、捲回体群４１では、４本の捲回体２２が一列に（平面状に）並べられている。このため、薄型直方体状の電池缶７２に容易に収容することが可能となる。
【００２５】
図５に示すように、捲回体群４１には、正極タブ１２同士を接続する正極集電板５２および負極タブ１３同士を接続する負極集電板５１がそれぞれ配されている。負極集電板５１には、各捲回体２２の端面に露出した負極タブ１３がそれぞれ折り曲げられて接続されている。一方、正極集電板５２には、各捲回体２２の端面に露出した正極タブ１２がそれぞれ接続されている。換言すれば、捲回体群４１を構成する４本の捲回体２２は、正極集電板５２、負極集電板５１を介して並列接続されている。負極集電板５１と負極タブ１３との接続、および、正極集電板５２と正極タブ１２との接続方法としては、超音波溶接、抵抗溶接、レーザー溶接等を挙げることができる。
【００２６】
図６に示すように、正極集電板５２は、４本の捲回体２２の正極タブ１２が露出した端面側に配置された正極板状部５２ｂ（第１の板状部）と、正極板状部５２ｂに対し捲回体２２の長手方向に沿う一方の側面にＬ字状に折り曲げられた屈曲部５２ｃと、屈曲部５２ｃに対し傾斜した正極リード部５２ａ（第１のリード部）と、を有している。正極リード部５２ａは、傾斜方向が屈曲部５２ｃに沿う方向（捲回体２２の捲回軸方向）と鋭角をなしている。正極リード部５２ａは、捲回体群４１を構成する捲回体２２の配列方向（捲回体群４１の長手方向）の一側に位置している。一方、負極集電板５１は、捲回体２２の負極タブ１３が露出した端面側に配置された負極板状部５１ｂ（第２の板状部）と、負極板状部５１ｂに対し傾斜した負極リード部５１ａ（第２のリード部）と、を有している。負極リード部５１ａは、傾斜方向が捲回体２２の捲回軸方向と鋭角をなしている。
【００２７】
正極リード部５２ａおよび負極リード部５１ａは、互いに反対側、すなわち、いずれも捲回体２２の捲回中心側に傾斜している。正極集電板５２の断面積は各正極タブ１２の通電方向と交差する方向の断面積より大きく形成されており、負極集電板５１の断面積は各負極タブ１３の通電方向と交差する方向の断面積より大きく形成されている。正極板状部５２ｂには各捲回体２２の正極タブ１２が接続されており、負極板状部５１ｂには各捲回体２２の負極タブ１３が接続されている。正極リード部５２は正極端子７３に接続されており、負極リード部５１は負極端子７４に接続されている（図７参照）。
【００２８】
正極集電板５２は、屈曲部５２ｃから突出し捲回体群４１を構成する各捲回体２２の外周部に当接する当接部材としてのガイド６１を有している。ガイド６１は、隣り合う捲回体２２の間に対応する位置で捲回体２２の捲回軸方向中央部に位置している。ガイド６１は、隣り合う捲回体２２の間に形成される窪み部分に合うように形成されている。このガイド６１は、例えば、プレス加工により正極集電板５２に形成されたものである。
【００２９】
＜電池組立＞
リチウム二次電池９１は、次のようにして組み立てられたものである。作製した正極板１０および負極板１１の両端の未塗着部にそれぞれ正極タブ１２および負極タブ１３を超音波溶接で接合する。正極タブ１２はアルミニウム製、負極タブ１３はニッケル製とした。正極板１０および負極板１１を多孔性ポリエチレンフィルムのセパレータ１４を介して断面正方形状に捲回し捲回体２２を作製する（図２（Ａ）参照）。捲回体２２の１本当たりの容量は１．５Ａｈに設定されている。捲回体２２の４本を一列に並べ、正極タブ１２および負極タブ１３をそれぞれ正極集電板５２（正極板状部５２ｂ）および負極集電板５１（負極板状部５１ｂ）と接続する（図５参照）。正極集電板５２、負極集電板５１を接続した捲回体群４１を電池缶７２内に挿入する。このとき、正極タブ１２を接続した正極板状部５２ｂを缶底側にする。正極リード部５２ａ、負極リード部５１ａをそれぞれ正極端子７３、負極端子７４に接続する（図７参照）。電池蓋７１で電池缶７２の開口部を封止した後、注液口７５から非水電解液（有機電解液）を注液する。そして、注液口７５を塞ぐことで電池缶７２内を密封しリチウム二次電池９１の組立を完成させる。捲回体２２の１本あたりの容量が０．８〜１．５Ａｈの範囲のため、リチウム二次電池９１の電池容量が３．２〜６．０Ａｈの範囲となる。
【００３０】
非水電解液としては、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、メチルアセテート（ＭＡ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）等の溶媒に電解質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、４フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）等を溶解させたものが用いられる。電解質濃度は、０．７〜１．５Ｍの範囲で設定することができる。本例では、非水電解液として、ＥＣ、ＤＭＣ、ＥＭＣを体積比１：１：１の割合で混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌ溶解させたものが用いられている。
【００３１】
上述したリチウム二次電池モジュール１１２では、図９および図１０に示すように、８個のリチウム二次電池９１が、横向きで４個ずつ並べられ、上下２段に積層されている。すなわち、リチウム二次電池モジュール１１２は、リチウム二次電池９１が４直２段に配列された直方体状に形成されている。リチウム二次電池モジュール１１２の長手方向の両側には、板状のエンドプレート１０１がそれぞれ配置されている。リチウム二次電池モジュール１１２では、上段に位置する４個のリチウム二次電池９１の上側で長手方向に沿う両側の端部と、下段に位置する４個のリチウム二次電池９１の下側で長手方向に沿う両側の端部とに２本ずつ、合計４本の締め付け板１０２が配置されている。２枚のエンドプレート１０１は４本の締め付け板１０２で締め付けられており、各リチウム二次電池９１が固定されている。
【００３２】
リチウム二次電池モジュール１１２では、リチウム二次電池９１の積層方向および該積層方向と交差する水平方向のリチウム二次電池９１同士の間、リチウム二次電池９１と各エンドプレート１０１との間、リチウム二次電池９１と締め付け板１０２との間に空隙を形成するスペーサ９２が配されている。すなわち、隣り合うリチウム二次電池９１同士の間、上下に積層されたリチウム二次電池９１同士の間、上段のリチウム二次電池９１と上側の締め付け板１０２との間、下段のリチウム二次電池９１と下側の締め付け板１０２との間、リチウム二次電池９１と各エンドプレート１０１との間にスペーサ９２が配されている。隣り合うリチウム二次電池９１同士の間では、上段、下段ともに、各リチウム二次電池９１の電池蓋７１側および缶底側にそれぞれ１つずつのスペーサ９２が配されている。上下に積層されたリチウム二次電池９１同士の間では、対向する面の４つの角部にそれぞれ１つずつのスペーサ９２が配されている。上段のリチウム二次電池９１と上側の締め付け板１０２との間では、各リチウム二次電池９１の上面の４つの角部にそれぞれ１つずつのスペーサ９２が配されている。下段のリチウム二次電池９１と下側の締め付け板１０２との間では、各リチウム二次電池９１の下面の４つの角部にそれぞれ１つずつのスペーサ９２が配されている。リチウム二次電池９１と各エンドプレート１０１との間では、上段のリチウム二次電池９１の電池蓋側および缶底側に１つずつ、下段のリチウム二次電池９１の電池蓋側および缶底側に１つずつの合計４つのスペーサ９２が配されている。スペーサ９２は、リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１の周囲に空隙を形成する機能を果たすため、材質や形状に特に制限はないが、本例では、耐熱樹脂製で薄型直方体状に形成されている。
【００３３】
リチウム二次電池モジュール１１２を構成する８個のリチウム二次電池９１は、正極端子７３および負極端子７４に板状の接続金具９３を溶接で接合することで、直列接続されている。８個のリチウム二次電池９１のうち、リチウム二次電池モジュール１１２の長手方向の一側で、上段に位置するリチウム二次電池９１の正極端子７３がリチウム二次電池モジュール１１２の正極端子１６を兼ねており、下段に位置するリチウム二次電池９１の負極端子７４がリチウム二次電池モジュール１１２の負極端子１５を兼ねている。
【００３４】
上述したリチウム二次電池パック１２１では、図１１に示すように、６個のリチウム二次電池モジュール１１２が外装ケース１１１の長手方向に２個、長手方向と交差する幅方向に３個の２列３行に平面配列されている。６個のリチウム二次電池モジュール１１２は直列接続されている。外装ケース１１１には、長手方向の一側に、各リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１の電池状態を監視し制御する制御回路部１１３が収容されている。外装ケース１１１には、長手方向に沿う一方の側面に放熱ファンとしての冷却ファン１１４が取り付けられている。冷却ファン１１４は、当該側面で２列に配列されたリチウム二次電池モジュール１１２の各列の略中央部に対応する位置にそれぞれ取り付けられている。冷却ファン１１４は、外装ケース１１１内に収容された各リチウム二次電池モジュール１１２（を構成する各リチウム二次電池９１）の発熱に伴い温度が上昇した熱気を外部へ放出する機能を果たしている。
【００３５】
制御回路部１１３は、各リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１の電圧を測定する電圧測定回路部と、電圧測定回路部で測定された電圧が予め定められた電圧上限値を越えたときにリチウム二次電池９１の電圧が異常電圧と判定する異常電圧判定部と、各リチウム二次電池９１に並列に接続され該リチウム二次電池９１に流れる電流をバイパスするバイパス回路部と、を備えている。異常電圧判定部により、電圧測定回路部で測定されたリチウム二次電池９１の電圧が電圧上限値を越えたときに、当該リチウム二次電池９１の電圧が異常電圧と判定される。リチウム二次電池９１の少なくとも１個の電圧が異常電圧と判定されたときに、バイパス回路部により、異常電圧と判定されたリチウム二次電池９１の電圧を異常電圧と判定された以外のリチウム二次電池９１の平均電圧となるまで放電させる。異常電圧と判定されたリチウム二次電池９１の電圧が正常電圧に戻る（電圧検知部で異常電圧と判定されなくなる）と、バイパス回路を遮断して通常の充放電状態に復帰させる。
【００３６】
（作用等）
次に、本実施形態のリチウム二次電池パック１２１、リチウム二次電池パック１２１を構成するリチウム二次電池モジュール１１２、リチウム二次電池モジュール１１２を構成するリチウム二次電池９１の作用等について、リチウム二次電池９１、リチウム二次電池モジュール１１２、リチウム二次電池パック１２１の順に説明する。
【００３７】
リチウム二次電池９１では、捲回体２２を構成する正極板１０の長手方向両端部に形成された未塗着部からそれぞれ１本、合計２本の帯状の正極タブ１２が導出しており、負極板１１の長手方向両端部に形成された未塗着部からそれぞれ１本、合計２本の帯状の負極タブ１３が導出している。このため、電流経路がそれぞれ２本の正極タブ１２、負極タブ１３で形成されることから、電気抵抗が低減し出力向上を図ることができる。また、並列接続された４本の捲回体２２が電池缶７２に収容されている。このため、捲回体を１本ずつ収容した４本の電池缶を並列接続する場合と比べて出力密度を高めることができる。また、正極タブ１２、負極タブ１３を２本ずつとしたため、正負極板の長手方向側縁に櫛歯状の複数の切り欠きを形成した場合と比べて、製造工程や電池構造を簡素化することができる。
【００３８】
また、リチウム二次電池９１では、捲回体２２の１本あたりの容量が０．８Ａｈ以上１．５Ａｈ以下に設定されている。１本あたりの容量が０．８Ａｈに満たない場合は、十分な電池容量を確保することが難しくなる。反対に、１本あたりの容量が１．５Ａｈより大きい場合は、正極板１０や負極板１１の長さが大きくなるため、正極板１０および負極板１１に流れる電流の分布に偏りが生じ、十分な出力特性を得ることができなくなる。また、捲回体の径が大きくなることから、充放電で生じる発熱により捲回体２２の中心側と外周側との間で温度分布が大きくなり出力特性を低下させることがある。１本あたりの容量を０．８Ａｈ以上１．５Ａｈ以下としたことで、これらの問題を抑制することができる。
【００３９】
更に、リチウム二次電池９１では、正極タブ１２、負極タブ１３のそれぞれ１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．１６〜０．４ｍｍ２の範囲に形成されている。このため、内部抵抗を低減し出力向上を図ることができる。正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を制限した分で厚さが小さくなり、正極板１０、負極板１１を捲回するときに正極タブ１２、負極タブ１３が介在することで生じる捲回体２２の変形を最小限に抑制することができる。また、各捲回体２２は、捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状に形成されている。このため、捲回体２２を平面状に一列に並べて捲回体群４１を構成したときに隣り合う捲回体２２同士の間に形成される隙間を小さくすることができる。従って、捲回体群４１を電池缶７２に収容しても余剰の空隙が形成されず、体積エネルギー密度の向上を図ることができる。
【００４０】
また更に、リチウム二次電池９１では、２本の正極タブ１２が、平行、かつ、幅方向の中心が捲回体２２の捲回中心から見て同方向に配列されており、２本の負極タブ１３が、平行、かつ、幅方向の中心が捲回体２２の捲回中心から見て同方向に配列されている。このため、捲回体群４１では、正極タブ１２と正極集電板５２との接続、負極タブ１３と負極集電板５１との接続を容易に行うことができる。また、正極集電板５２、負極集電板５１を介して各捲回体２２が並列接続されることから、電池構造を簡易化し低抵抗化することができる。
【００４１】
更にまた、リチウム二次電池９１では、捲回体群４１が正極集電板５２を絶縁材を介して缶底側に配され電池缶７２に収容されている。正極集電板５２の材質にはアルミニウムが用いられ、負極集電板５１の材質には銅が用いられている。このため、正極集電板５２が負極集電板５１に比べて軽量であることから、電池蓋７１（正極端子７３）までの距離が長くなる缶底側が正極側となるように電池缶７２に捲回体群４１を収容することで、リチウム二次電池９１全体として軽量化を図ることができ、重量エネルギー密度の向上を図ることができる。
【００４２】
また、リチウム二次電池９１では、正極集電板５２が捲回体２２の長手方向に沿う一方の側面に位置する屈曲部５２ｃに対し傾斜した正極リード部５２ａを有しており、負極集電板５１が捲回体２２の負極タブ１３が露出した端面側に位置する負極板状部５１ｂに対し傾斜した負極リード部５１ａを有している。正極リード部５２ａ、負極リード部５１ａの傾斜方向がいずれも捲回体２２の捲回軸方向と鋭角をなしている。このため、正極リード部５２ａ、負極リード部５１ａの材料を低減することができ、低抵抗化を図ることができる。また、正極リード部５２ａおよび負極リード部５１ａは、互いに反対側、すなわち、いずれも捲回体２２の捲回中心側に傾斜している。このため、捲回体群４１と電池蓋７１との間に形成される空間の大きさを適正化しつつ、同じ容量に設定した従来のリチウム二次電池と比べてリチウム二次電池９１のコンパクト化を図ることができる。
【００４３】
更に、リチウム二次電池９１では、正極集電板５２の断面積が各正極タブ１２の通電方向と交差する方向の断面積より大きく形成されており、負極集電板５１の断面積が各負極タブ１３の通電方向と交差する方向の断面積より大きく形成されている。このため、正極板１０、負極板１１から正極端子７３、負極端子７４への電流経路では、内部抵抗が低減し出力向上を図ることができる。
【００４４】
また更に、リチウム二次電池９１では、正極集電板５２が屈曲部５２ｃから突出し各捲回体２２の外周部に当接するガイド６１を有しており、ガイド６１が隣り合う捲回体２２の間に形成される窪み部分に合うように形成されている。このため、各捲回体２２が電池缶７２内でガイド６１により固定されるので、衝撃や振動に対する耐久性を向上させた電池構造を実現することができる。また、ガイド６１が捲回体２２に接触することで放熱性が増すため、充放電に伴い各捲回体２２が発熱しても温度分布を低減し出力低下を抑制することができる。
【００４５】
更にまた、８個のリチウム二次電池９１で構成したリチウム二次電池モジュール１１２では、リチウム二次電池９１の積層方向および該積層方向と交差する水平方向のリチウム二次電池９１同士の間に空隙を形成するスペーサ９２が配されている。このため、リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１が充放電で発熱しても、リチウム二次電池９１間に形成された空隙により熱を放散し易くすることができる。これにより、リチウム二次電池モジュール１１２として温度上昇が抑制されるため、電池性能を維持することができる。
【００４６】
また、リチウム二次電池モジュール１１２では、上述したように出力性能やエネルギー密度に優れるリチウム二次電池９１の８個を配列し、接続したため、高出力化、高エネルギー密度化を図ることができる。また、リチウム二次電池９１がコンパクト化されているため、リチウム二次電池モジュール１１２としてもコンパクト化することができる。
【００４７】
更に、６個のリチウム二次電池モジュール１１２で構成したリチウム二次電池パック１２１では、外装ケース１１１内に２列３行で平面配列され、直列接続されている。出力性能やエネルギー密度に優れるリチウム二次電池モジュール１１２の６個を直列接続したため、更なる高出力化、高エネルギー密度化を図ることができる。
【００４８】
また更に、リチウム二次電池パック１２１では、外装ケース１１１に、２列に配列されたリチウム二次電池モジュール１１２の各列に対応する位置にそれぞれ１つずつ、合計２つの冷却ファン１１４が取り付けられている。このため、外装ケース１１１内に収容された各リチウム二次電池モジュール１１２を構成する各リチウム二次電池９１が充放電に伴い発熱しても、温度が上昇した熱気を外部へ放出することができる。上述したように、リチウム二次電池モジュール１１２を構成するリチウム二次電池９１間にスペーサ９２による空隙が形成されているため、効率よく熱気を放出することができる。また、リチウム二次電池パック１２１では、外装ケース１１１内に平面配列することで薄型となるので、電気自動車やハイブリッド車の床底に設置することができ、車内空間を確保するために好適である。
【００４９】
従来角型リチウム二次電池では、正負極板をセパレータを介して薄型扁平状に捲回した扁平状捲回体が電池缶に収容されている。図８に示すように、角型リチウム二次電池８９は、薄型直方体状の電池缶８６を備えている。電池缶８６は上部の開口部が電池蓋で封止されている。電池蓋には、正極端子８４および負極端子８５がそれぞれ立設している。電池缶８６には、扁平状捲回体８１が捲回軸方向を略水平として収容されている。正負極板には、長手方向一側の側縁に活物質合剤の未塗着部が形成されている。扁平状捲回体８１では、正負極板の未塗着部が捲回軸方向で互いに反対側に露出している。正負極板の未塗着部には、それぞれ正極タブ８２および負極タブ８３が１本ずつ接合されている。正極タブ８２は正極端子８４と接合されており、負極タブ８３は負極端子８５と接合されている。角型リチウム二次電池８９の複数個を接続することで二次電池モジュールや二次電池パックの高出力化、高容量化を図ることが期待できる。ところが、このようなリチウム二次電池８９では、扁平状捲回体８１の捲回軸方向の中央部、つまり、正負極板の捲回方向と交差する幅方向の中央部が膨らみ易くなる。扁平状捲回体８１が膨らむと、例えば、負極の場合は負極活物質が負極集電箔の銅箔から脱落し、出力や容量が低下する、という問題がある。また、リチウム二次電池の高出力化を図るために、複数のタブをそれぞれ導出した正負極板を円柱状に捲回した捲回体を円筒型容器に収容する技術が知られている。ところが、正負極板から複数のタブを導出したことで捲回体の製造プロセスを複雑化することとなる。さらには、円筒型の電池を複数個接続し二次電池モジュール、二次電池パックを構成した場合は、二次電池モジュールや二次電池パックに占める電池缶等の部品割合が大きくなり、エネルギー密度が低下する、という問題がある。本実施形態は、これらの問題を解決することができるリチウム二次電池、リチウム二次電池モジュール、リチウム二次電池パックである。
【００５０】
なお、本実施形態のリチウム二次電池９１では、正極板１０の長手方向両側に形成された未塗着部からそれぞれ１本ずつ、合計２本の正極タブ１２を導出し、負極板１１の長手方向両側に形成された未塗着部からそれぞれ１本ずつ、合計２本の負極タブ１３を導出した例を示したが、本発明は正極タブ１２、負極タブ１３の数に制限されるものではない。例えば、正極板１０の各未塗着部からそれぞれ２本ずつ、合計４本の正極タブ１２を導出するようにしてもよい。正極タブ１２、負極タブ１３の数を増やすことで、電流経路を増大させ低抵抗化を図ることができる。
【００５１】
また、リチウム二次電池９１では、捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状の捲回体２２を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図２（Ｂ）に示すように、当該断面が円形状の捲回体２１とすることも可能である。このように断面形状の異なる捲回体は、例えば、捲回時の軸芯の断面形状を変えることで作製することができる。また、本実施形態では、特に言及していないが、捲回体２２が捲回中心部に軸芯を有していてもよく、捲回時に用いた軸芯を捲回体作製後に取り除いてもよい。
【００５２】
更に、リチウム二次電池９１では、４本の捲回体２２を並列接続した捲回体群４１を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数本の捲回体２２を接続すればよい。例えば、高容量化するために５本以上を並列接続するようにしてもよい。本実施形態のリチウム二次電池９１では、電池缶７２として薄型直方体状の形状、すなわち、電池蓋７１と交差する面で隣り合う面が形成する角部が略直角の形状を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、当該角部にＲ付け加工を施してもよい。
【００５３】
また更に、リチウム二次電池９１では、正極活物質、負極活物質、導電材、電解液等の種々の材料を例示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、通常のリチウム二次電池に用いられる材料を用いることができる。
【００５４】
更にまた、リチウム二次電池モジュール１１２では、８個のリチウム二次電池９１を直列接続する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。リチウム二次電池モジュール１１２を構成するリチウム二次電池９１の数を変えてもよい。また、リチウム二次電池９１を直列接続することに代えて、並列接続や直並列接続とすることもできる。
【００５５】
また、リチウム二次電池モジュール１１２では、配列されたリチウム二次電池９１同士の間等に複数のスペーサ９２を介在させる例を示したが、本発明はスペーサ９２の位置や数に制限されるものではない。また、スペーサ９２の形状や材質についても特に制限されないことはもちろんである。
【００５６】
更に、リチウム二次電池パック１２１では、６個のリチウム二次電池モジュール１１２を直列接続する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。リチウム二次電池パック１２１を構成するリチウム二次電池モジュール１１２の数を変えてもよく、直列接続することに代えて、並列接続や直並列接続としてもよい。また、外装ケース１１１に収容されたリチウム二次電池モジュール１１２を構成するリチウム二次電池９１の電池状態を制御する制御回路部１１３を例示したが、本発明は制御回路部１１３の構成に制限されるものではなく、リチウム二次電池９１の電池状態を制御することができればよい。
【００５７】
また更に、リチウム二次電池パック１２１では、リチウム二次電池モジュールを平面状に配列する例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。平面状に配列すれば、薄型となるので、車内空間の確保が求められる電気自動車等の電源に好適に用いることができる。
【実施例】
【００５８】
次に、本実施形態に従い製造したリチウム二次電池パック１２１の実施例についてさらに説明するが、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。なお、以下の実施例において、実施例１、実施例２ではリチウム二次電池９１、実施例３ではリチウム二次電池モジュール１１２、実施例４ではリチウム二次電池パック１２１についてそれぞれ説明する。また、比較のために作製した比較例のリチウム二次電池についても併記する。
【００５９】
（実施例１）
＜正極の作製＞
実施例１では、正極活物質の原料として酸化ニッケル、酸化マンガン、酸化コバルトを使用し、原子比でＮｉ：Ｍｎ：Ｃｏ比が１：１：１となるように秤量し、湿式粉砕機で粉砕混合した。得られた粉砕物に結着剤としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加えた粉砕混合粉を噴霧乾燥機で造粒した。得られた造粒粉末を高純度アルミナ容器に入れ、ＰＶＡを蒸発させるため６００℃で１２時間の仮焼成を行い、空冷後解砕した。さらに、解砕粉にＬｉ：遷移金属（Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ）の原子比が１．１：１となるように水酸化リチウム一水和物を添加し、充分混合した。この混合粉末を高純度アルミナ容器に入れて９００℃で６時間の本焼成を行った。得られた正極活物質を解砕分級した。この正極活物質の平均粒径は６μｍであった。
【００６０】
得られた正極活物質、導電材として粉末状黒鉛、鱗片状黒鉛、無定形炭素、および、結着剤としてＰＶＤＦを重量比で８５：７：２：２：４となるように混合し、適量のＮ−メチル−２−ピロリドンを加えてスラリーを作製した。スラリーをプラネタリーミキサーで３時間撹拌して十分な混練を行い、ロール転写式の塗布機を用いて厚さ２０μｍのアルミニウム箔に塗布した。さらに、塗布面と反対側の面にも同様に塗布して正極板１０を作製し、１２０℃で乾燥させた。その後、ロールプレス機を用い２５０ｋｇ／ｍｍでプレスした。得られた正極板１０の正極合剤密度は２．４ｇ／ｃｍ３であった。
【００６１】
＜負極の作製＞
負極の作製では、負極活物質に平均粒径１０μｍの非晶質炭素を用い、これに導電材としてカーボンブラックの６．５重量％を加え、ＰＶＤＦを加えた後、プラネタリーミキサーで３０分撹拌して十分な混練を行いスラリーを作製した。塗布機によりスラリーを厚さ１０μｍの銅箔の両面に塗布し、乾燥後にロールプレスを行い、負極合剤密度１．０ｇ／ｃｍ３の負極板１１を得た。
【００６２】
＜角型電池組立＞
正極板１０および負極板１１にそれぞれ正極タブ１２および負極タブ１３を接合し、セパレータ１４を介して矩形状に捲回した。正極タブ１２、負極タブ１３は、作製のしやすさから幅を３ｍｍに設定し、断面積を０．３〜０．４ｍｍ２に設定した。捲回体１本あたりの容量は１．５Ａｈに設定した。得られた捲回体２２を４本用い、正極タブ１２および負極タブ１３に固定ガイド６１を有する正極集電板５２および負極集電板５１をそれぞれ接続して一列に固定された捲回体群４１を作製した。捲回体群４１を電池缶７２に挿入し、正極集電板５２のタブと負極集電板５１のタブとをそれぞれ正極端子７３および負極端子７４に接続し、電池蓋７１を電池缶７２に固定した。そして、電池蓋７１に形成した注液口７５から非水電解液を注入し、さらに注液口を塞ぎ密封することでリチウム二次電池９１を作製した。
【００６３】
（比較例１）
比較例１では、実施例１と同様の方法で正極板１０および負極板１１を作製し、正極板１０および負極板１１の両端部の未塗工部にそれぞれ正極タブ８２および負極タブ８３を超音波溶接で接合した。正極タブ８２はアルミニウム製、負極タブ８３はニッケル製とした。この正極板１０および負極板１１をセパレータ１４を介して扁平状に捲回し扁平状捲回体８１を得た。得られた扁平状捲回体８１をアルミニウム製の電池缶８６に収容し、正極タブ８２を正極端子８４に溶接し、一方、負極タブ８３を負極端子８５に溶接した後、電池蓋を電池缶８６に取り付けた。最後に、電池蓋に設けた注液口から電解液を注入し、注液口を塞ぎ密封することでリチウム二次電池８９を作製した（図８参照）。電解液には、ＥＣ、ＤＭＣ、ＥＭＣを体積比１：１：１の割合で混合した後、ＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌ溶解した有機電解液（非水溶電解液）を用いた。得られた比較例１のリチウム二次電池８９では、電池容量が６Ａｈであった。
【００６４】
＜パルス充放電試験＞
実施例１のリチウム二次電池９１および比較例１のリチウム二次電池８９について、以下の条件でパルス充放電試験を行った。
（１）充放電の中心電圧：３．６Ｖ
（２）放電パルス：電流７２Ａ、時間３０秒
（３）充電パルス：電流３６Ａ、時間１５秒
（４）放電と充電の間の休止時間：３０秒
（５）中心電圧が変動するため、１０００パルス毎に３．６Ｖで定電圧充電または定電圧放電を行い、中心電圧を３．６Ｖに調整した。
（６）周囲環境温度は５０℃に設定した。
【００６５】
パルス充放電試験の繰り返し回数を増やしながら、以下の方法によりリチウム二次電池９１、リチウム二次電池８９の直流抵抗および出力密度を求めた。すなわち、５０℃の環境下で、電流２４Ａ、４８Ａ、７２Ａ、９６Ａの順に１０秒間放電した。それぞれの放電電流と１０秒目の電圧との関係をプロットし、得られた直線の傾きから直流抵抗を求めた。また、この直線の２．５Ｖにおける電流値を求め、２．５Ｖとその電流値との積を電池重量で除して、出力密度を求めた。求めた直流抵抗から、パルス充放電試験に伴う抵抗上昇率を、初期の直流抵抗を１００とした百分率で算出した。
【００６６】
図１２に示すように、比較例１のリチウム二次電池８９では、パルス充放電試験の繰り返し回数が３０万回のときに抵抗上昇率がおよそ１６０％を示した。これに対して、実施例１のリチウム二次電池９１では、３０万回での抵抗上昇率が１２０％以下程度にすぎず、抵抗の上昇が小さく長寿命であることが明らかとなった。
【００６７】
（実施例２）
実施例２では、捲回体の１本あたりの容量を１．０Ａｈ、１．２Ａｈおよび２．０Ａｈとし、実施例１と同様の方法でリチウム二次電池を作製した。各容量の捲回体では、正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を０．３〜０．４ｍｍ２の範囲に設定した。１．０Ａｈの捲回体では６本、１．２Ａｈの捲回体では５本、２．０Ａｈの捲回体では３本をそれぞれ並列接続した。上述したパルス充放電試験を行い、各電池の初期出力密度および３０万パルス後の抵抗上昇率を測定した。出力密度および抵抗上昇率の測定結果を下表１に示す。なお、表１において、捲回体の１本あたりの容量が１．５Ａｈのリチウム二次電池は実施例１のリチウム二次電池９１を示している。
【００６８】
【表１】
【００６９】
表１に示すように、捲回体１本あたりの容量が２．０Ａｈの場合は、リチウム二次電池の初期の出力が３４８０Ｗ／ｋｇを示し、抵抗上昇率が１２９％であった。これに対して、捲回体１本あたりの容量が１．５Ａｈ以下の場合は、初期出力密度が大きくなり、パルス充放電試験後の抵抗上昇率が小さくなることが判った。つまり、捲回体１本あたりの容量が１．５Ａｈを超えると、初期出力密度および抵抗上昇率の特性が、１．５Ａｈ以下の場合に比べて若干劣る結果が得られた。これは、１本あたり容量が１．５Ａｈより大きい場合、捲回体の温度分布や電流分布が大きくなるためと考えられる。また、正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を０．３〜０．４ｍｍ２の範囲としたことで、低抵抗化に寄与したためと考えられる。正極タブ１２、負極タブ１３の断面積について付言すれば、実施例２では捲回体１本あたりの容量に関わらず同じ断面積に設定したが、容量に合わせて変えることも可能である。例えば、捲回体１本あたりの容量が１．０Ａｈ、１．２Ａｈの場合に正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を０．３〜０．４ｍｍ２とすると、製造上やコスト面の問題は生じないものの、若干過剰品質ともいえる。換言すれば、捲回体１本あたりの容量が１．５Ａｈのときに正極タブ１２、負極タブ１３の断面積を０．３〜０．４ｍｍ２の範囲とすることが好適である。容量を小さくしたときは、正極タブ１２、負極タブ１３の断面積と容量とが比例関係になるように断面積を小さくすればよく（例えば、捲回体１本あたりの容量が１．０Ａｈのときに断面積を０．２〜０．２７ｍｍ２の範囲）、このようにしても上述した効果の得られることを確認している。
【００７０】
（実施例３）
実施例３では、実施例１において作製した角型リチウム二次電池９１を用いて、リチウム二次電池モジュール１１２を作製した（図９、図１０参照）。すなわち、リチウム二次電池９１を横向きに４直２段に配列し、各リチウム二次電池９１間にはスペーサ９２を取り付けて放熱のための空間を設けた。各リチウム二次電池９１の正極端子７３と負極端子７４とには接続金具９３を溶接して直列接続した。さらに、エンドプレート１０１を締め付け板１０２によって固定し、リチウム二次電池モジュール１１２を得た。上述した実施例１、実施例２で示したように、出力特性やエネルギー密度に優れるリチウム二次電池９１を用いて構成したリチウム二次電池モジュール１１２では、出力特性、エネルギー密度に優れることを確認している。
【００７１】
（実施例４）
実施例４では、実施例３において作製したリチウム二次電池モジュール１１２を用いて、リチウム二次電池パック１２１を作製した（図１１参照）。すなわち、リチウム二次電池モジュール１１２を２列３行に平面配列し、それぞれを直列接続した後、外装ケース１１１に収容して薄型のリチウム二次電池パック１２１を作製した。リチウム二次電池パック１２１には制御回路部１１３と、冷却ファン１１４とを取り付けた。出力特性、エネルギー密度に優れるリチウム二次電池モジュール１１２を用いて構成したリチウム二次電池パック１２１では、出力特性、エネルギー密度に優れることを確認している。このリチウム二次電池パック１２１は薄型のため、電気自動車やハイブリッド車の床底に設置することができ、車内空間を確保するために好適である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は出力向上を図ることができるリチウム二次電池、該リチウム二次電池の複数個が接続された二次電池モジュールおよび該二次電池モジュールの複数個が接続された二次電池パックを提供するため、リチウム二次電池、二次電池モジュールおよび二次電池パックの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明を適用した実施形態のリチウム二次電池パックを構成するリチウム二次電池モジュールに用いられる角型リチウム二次電池の正極板、負極板および２枚のセパレータが捲回前に積層するときの状態を示す平面図である。
【図２】角型リチウム二次電池の正極板および負極板がセパレータを介して捲回された捲回体を示す斜視図であり、（Ａ）は断面矩形状に捲回された捲回体、（Ｂ）は断面円形状に捲回された捲回体をそれぞれ示す。
【図３】角型リチウム二次電池を構成する捲回体の両端面からそれぞれ正極タブおよび負極タブが露出した状態を示す斜視図である。
【図４】角型リチウム二次電池を構成し４本の捲回体が並べられた捲回体群を示す斜視図である。
【図５】角型リチウム二次電池を構成する捲回体群と正極集電板および負極集電板との位置関係を示す斜視図である。
【図６】角型リチウム二次電池を構成する捲回体群に正極集電板および負極集電板が接続された状態を示す斜視図である。
【図７】角型リチウム二次電池を示す分解斜視図である。
【図８】従来の角型リチウム二次電池を示す断面図である。
【図９】実施形態のリチウム二次電池パックを構成するリチウム二次電池モジュールで、８個の角型リチウム二次電池が直列接続された状態を示す斜視図である。
【図１０】実施形態のリチウム二次電池パックを構成するリチウム二次電池モジュールを示す斜視図である。
【図１１】実施形態のリチウム二次電池パックを示す斜視図である。
【図１２】実施例１および比較例１の角型リチウム二次電池のパルスサイクル数に対する抵抗上昇率の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 正極
１１ 負極
１２ 正極タブ（正極導出部材）
１３ 負極タブ（負極導出部材）
１４ セパレータ
２２ 捲回体（電極捲回体）
４１ 捲回体群
５１ 負極集電板
５１ａ 負極リード部（第２のリード部）
５１ｂ 負極板状部（第２の板状部）
５２ 正極集電板
５２ａ 正極リード部（第１のリード部）
５２ｂ 屈曲部
５２ｃ 正極板状部（第１の板状部）
６１ ガイド（当接部材）
７２ 電池缶
７３ 正極端子（正極外部端子）
７４ 負極端子（負極外部端子）
９１ 角型リチウム二次電池
９２ スペーサ
１１１ 外装ケース
１１２ リチウム二次電池モジュール（二次電池モジュール）
１１３ 制御回路部
１１４ 冷却ファン（放熱ファン）
１２１ リチウム二次電池パック（二次電池パック）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体の長手方向中央部に活物質合剤の塗着部と該塗着部の長手方向両側に前記活物質合剤の未塗着部とを有する正極と、集電体の長手方向中央部に活物質合剤の塗着部と該塗着部の長手方向両側に前記活物質合剤の未塗着部とを有する負極と、がセパレータを介して捲回された複数本の電極捲回体と、
前記正極の各未塗着部から少なくとも１本ずつ導出された帯状の正極導出部材と、
前記負極の各未塗着部から少なくとも１本ずつ導出された帯状の負極導出部材と、
前記電極捲回体を浸潤する電解液と、
上記各部材を収容する電池缶と、
を備え、
前記電極捲回体は１本あたりの容量が１．５Ａｈ以下であり、前記正極導出部材および負極導出部材は１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．４ｍｍ２以下であることを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項２】
前記電極捲回体は、前記電池缶内で前記正極導出部材同士および前記負極導出部材同士が接続されて並列接続されたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項３】
前記正極導出部材および負極導出部材は、前記正負極の各未塗着部から１本ずつ導出されており、前記正負極のそれぞれで平行、かつ、捲回中心から見て同方向に配列されたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項４】
前記各電極捲回体は、捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状または矩形状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項５】
前記正極導出部材同士を接続する正極集電板および前記負極導出部材同士を接続する負極集電板を備えたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項６】
前記電極捲回体は、一列に並べられ、前記正極集電板を絶縁材を介して缶底側に配置して前記電池缶に収容されたことを特徴とする請求項５に記載のリチウム二次電池。
【請求項７】
前記正極集電板は、前記電極捲回体の缶底側に配置された第１の板状部と、該第１の板状部に対し前記電極捲回体の長手方向に沿う一方の側面にＬ字状に折り曲げられた屈曲部とを有し、前記負極集電板は、前記電極捲回体の缶底側とは反対側に配置された第２の板状部を有することを特徴とする請求項６に記載のリチウム二次電池。
【請求項８】
前記正極集電板は前記屈曲部に対し傾斜した第１のリード部を有し、該第１のリード部は正極外部端子に接続されており、前記負極集電板は前記第２の板状部に対し傾斜した第２のリード部を有し、該第２のリード部は負極外部端子に接続されており、前記第１および第２のリード部は互いに反対側に傾斜していることを特徴とする請求項７に記載のリチウム二次電池。
【請求項９】
前記正負極集電板の断面積は、それぞれ前記各正極導出部材および負極導出部材の通電方向と交差する方向の断面積より大きいことを特徴とする請求項８に記載のリチウム二次電池。
【請求項１０】
前記正極集電板は、前記屈曲部から突出し前記電極捲回体の外周部に当接する当接部材を有することを特徴とする請求項７に記載のリチウム二次電池。
【請求項１１】
請求項１に記載のリチウム二次電池の複数個を備え、前記リチウム二次電池が配列されており、隣り合う前記リチウム二次電池同士の間に空隙を形成するスペーサが配されたことを特徴とする二次電池モジュール。
【請求項１２】
前記スペーサは、前記リチウム二次電池の積層方向および該積層方向と交差する水平方向のリチウム二次電池間にそれぞれ複数配されたことを特徴とする請求項１１に記載の二次電池モジュール。
【請求項１３】
請求項１１に記載の二次電池モジュールの複数個と、前記各二次電池モジュールを構成するリチウム二次電池の電池状態を制御する制御回路部と、前記複数個の二次電池モジュールおよび制御回路部を収容する外装ケースと、を備えたことを特徴とする二次電池パック。
【請求項１４】
前記各二次電池モジュールは、平面状に配列されており、直列接続されたことを特徴とする請求項１３に記載の二次電池パック。
【請求項１５】
前記外装ケースには、内部の熱を外部へ放出するための放熱ファンが配されたことを特徴とする請求項１３に記載の二次電池パック。
【請求項１】
集電体の長手方向中央部に活物質合剤の塗着部と該塗着部の長手方向両側に前記活物質合剤の未塗着部とを有する正極と、集電体の長手方向中央部に活物質合剤の塗着部と該塗着部の長手方向両側に前記活物質合剤の未塗着部とを有する負極と、がセパレータを介して捲回された複数本の電極捲回体と、
前記正極の各未塗着部から少なくとも１本ずつ導出された帯状の正極導出部材と、
前記負極の各未塗着部から少なくとも１本ずつ導出された帯状の負極導出部材と、
前記電極捲回体を浸潤する電解液と、
上記各部材を収容する電池缶と、
を備え、
前記電極捲回体は１本あたりの容量が１．５Ａｈ以下であり、前記正極導出部材および負極導出部材は１本あたりの通電方向と交差する方向の断面積が０．４ｍｍ２以下であることを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項２】
前記電極捲回体は、前記電池缶内で前記正極導出部材同士および前記負極導出部材同士が接続されて並列接続されたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項３】
前記正極導出部材および負極導出部材は、前記正負極の各未塗着部から１本ずつ導出されており、前記正負極のそれぞれで平行、かつ、捲回中心から見て同方向に配列されたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項４】
前記各電極捲回体は、捲回軸方向と交差する方向の断面が正方形状または矩形状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項５】
前記正極導出部材同士を接続する正極集電板および前記負極導出部材同士を接続する負極集電板を備えたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項６】
前記電極捲回体は、一列に並べられ、前記正極集電板を絶縁材を介して缶底側に配置して前記電池缶に収容されたことを特徴とする請求項５に記載のリチウム二次電池。
【請求項７】
前記正極集電板は、前記電極捲回体の缶底側に配置された第１の板状部と、該第１の板状部に対し前記電極捲回体の長手方向に沿う一方の側面にＬ字状に折り曲げられた屈曲部とを有し、前記負極集電板は、前記電極捲回体の缶底側とは反対側に配置された第２の板状部を有することを特徴とする請求項６に記載のリチウム二次電池。
【請求項８】
前記正極集電板は前記屈曲部に対し傾斜した第１のリード部を有し、該第１のリード部は正極外部端子に接続されており、前記負極集電板は前記第２の板状部に対し傾斜した第２のリード部を有し、該第２のリード部は負極外部端子に接続されており、前記第１および第２のリード部は互いに反対側に傾斜していることを特徴とする請求項７に記載のリチウム二次電池。
【請求項９】
前記正負極集電板の断面積は、それぞれ前記各正極導出部材および負極導出部材の通電方向と交差する方向の断面積より大きいことを特徴とする請求項８に記載のリチウム二次電池。
【請求項１０】
前記正極集電板は、前記屈曲部から突出し前記電極捲回体の外周部に当接する当接部材を有することを特徴とする請求項７に記載のリチウム二次電池。
【請求項１１】
請求項１に記載のリチウム二次電池の複数個を備え、前記リチウム二次電池が配列されており、隣り合う前記リチウム二次電池同士の間に空隙を形成するスペーサが配されたことを特徴とする二次電池モジュール。
【請求項１２】
前記スペーサは、前記リチウム二次電池の積層方向および該積層方向と交差する水平方向のリチウム二次電池間にそれぞれ複数配されたことを特徴とする請求項１１に記載の二次電池モジュール。
【請求項１３】
請求項１１に記載の二次電池モジュールの複数個と、前記各二次電池モジュールを構成するリチウム二次電池の電池状態を制御する制御回路部と、前記複数個の二次電池モジュールおよび制御回路部を収容する外装ケースと、を備えたことを特徴とする二次電池パック。
【請求項１４】
前記各二次電池モジュールは、平面状に配列されており、直列接続されたことを特徴とする請求項１３に記載の二次電池パック。
【請求項１５】
前記外装ケースには、内部の熱を外部へ放出するための放熱ファンが配されたことを特徴とする請求項１３に記載の二次電池パック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１３５１７０（Ｐ２０１０−１３５１７０Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０９５９６（Ｐ２００８−３０９５９６）
【出願日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【出願人】（５０５０８３９９９）日立ビークルエナジー株式会社 (438)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【出願人】（５０５０８３９９９）日立ビークルエナジー株式会社 (438)
【Ｆターム（参考）】
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