二次電池、組電池
【課題】集電体の面内方向における発熱の偏りを抑えた二次電池を提供する。
【解決手段】正極集電体１１が補強層１４０の両面に正極導電性層１１１（導電材）を形成したものを使用している。正極導電性層１１１は第１端部１１２側からそれとは反対側の第２端部１１３側にかけて厚みが厚くなるように形成している。そして第２端部１１３側に、正極集電タブ１８を電気的に接続する正極端子リード２０が接続される。
【解決手段】正極集電体１１が補強層１４０の両面に正極導電性層１１１（導電材）を形成したものを使用している。正極導電性層１１１は第１端部１１２側からそれとは反対側の第２端部１１３側にかけて厚みが厚くなるように形成している。そして第２端部１１３側に、正極集電タブ１８を電気的に接続する正極端子リード２０が接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池、およびこれを用いた組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、活物質を形成して保持し、かつ電流を集めるための集電体を有する。従来、この集電体として、多数のメッシュ孔を備えた電解箔に補強部を一体に形成してなるものがある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８５９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで集電体には、そこから電流を外部へ取り出すための集電タブが接続される。従来の集電体に用いられる電解箔は、その厚みが面内方向に均一である。したがって、集電タブが接続された端部から、それとは反対の端側まで抵抗値が略同一となる。このため集電体全面から集められた電流が集電タブ接続部周囲に集中することになる。そうすると集電タブ接続端周辺では電流が集中することから、それとは反対の端側より相対的に発熱が多くなる。一方で電流集中のない集電タブ接続端の反対側では発熱が少ない。このような集電体の面内での発熱の偏りは、電池性能の低下や耐久性の低下につながる虞がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、集電体の面内方向における発熱の偏りを抑えた二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明は以下のように構成される。
【０００７】
本発明の二次電池は、正極活物質層が形成された第１集電体と、この正極活物質層に対して電解質層を介在させて対向する位置に配置された負極活物質層が形成された第２集電体とを有する。そして第１集電体および第２集電体のうち少なくとも一方の集電体には、その第１端部からそれに対向する第２端部の方向に単位面積当たりの質量が重くなるように質量勾配をつけた導電材が含まれていて、第２端部側に集電タブが電気的に接続されている。
【０００８】
また、本発明の二次電池は、正極活物質層が形成された第１集電体と、この正極活物質層に対して電解質層を介在させて対向する位置に配置された負極活物質層が形成された第２集電体とを有する。そして第１集電体および第２集電体のうち少なくとも一方の集電体には、その第１端部からそれに対向する第２端部の方向にシート抵抗が低くなるようにした導電材が含まれていて、第２端部側に集電タブが電気的に接続されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、正極集電体または負極集電体のうち少なくとも一方の集電体において、第１端部側からそれとは反対側の第２端部方向に質量が重くなるようにして、第２端部側に集電タブが電気的に接続されようにしている。したがって、電流集中が起きる第２端部側で電流が流れやすくなり、その部分での発熱が抑えられて集電体の面内方向における発熱の偏りを抑えることができる。
【００１０】
また、本発明によれば、正極集電体または負極集電体のうち少なくとも一方の集電体において、第１端部側からそれとは反対側の第２端部方向にシート抵抗が低くなるようにして第２端部側に集電タブが電気的に接続されようにしている。したがって、電流集中が起きる第２端部側での電流が流れやすくなり、その部分での発熱が抑えられて、集電体の面内方向における発熱の偏りを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の二次電池の外観を示す外観図である。
【図２】実施形態１の二次電池を説明するための断面図である。
【図３】実施形態１の正極集電体を説明するための説明図であり、図３Ａは平面図、図３Ｂは図３ＡにおけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】二次電池から構成される組電池の代表的な実施形態の外観図であって、図４Ａは組電池の平面図、図４Ｂは組電池の正面図であり、図４Ｃは組電池の側面図である。
【図５】二次電池を搭載した車両の例を説明するための図である。
【図６】実施形態２の二次電池を説明するための要部断面図である。
【図７】実施形態２の二次電池に外部から導電体が貫通した場合を説明するための説明図である。
【図８】実施形態３の二次電池を説明するための要部断面図である。
【図９】実施形態４の二次電池を説明するための要部断面図である。
【図１０】実施形態４の正極集電体を説明するための説明図であり、図１０Ａは平面図、図１０Ｂは図１０ＡにおけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。断面図である。
【図１１】実施形態５の正極集電体を説明するための説明図であり、図１１Ａは平面図、図１１Ｂは断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面において同一の機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面はあくまでも本発明の実施形態を説明するためのものであるので、各部材の寸法や比率は説明の都合上誇張または簡略化しており、実際の寸法や比率とは異なる。
【００１３】
［実施形態１］
以下では、本発明を適用した実施形態１として、リチウムイオン二次電池を例に挙げて説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。
【００１４】
（二次電池）
図１は、本実施形態の二次電池の外観を示す外観図であり、図２は、本実施形態の二次電池を説明するための断面図である。
【００１５】
図１および図２に示すように、本実施形態の二次電池１（リチウムイオン二次電池）は、発電要素１７（詳細後述）を収納した電池外装材２２によって密封されている。電池外装材２２は高分子−金属を複合したラミネートフィルムを用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合する。
【００１６】
発電要素１７の具体的な構成要素は以下の通りである。
【００１７】
発電要素１７は、正極活物質層１２、電解質層１３および負極活物質層１５からなる単電池層１６が複数積層された構成を有する。正極活物質層１２は、導電性材料を含む（例えば第１集電体）一枚の正極集電体１１の両面に形成されている。この正極集電体１１の両面に正極活物質層１２が形成されてなるものを正極１００（例えば第１電極）と称する。負極活物質層１５は導電性材料を含む負極集電体１４（例えば第２集電体）の両面に形成されている。この負極集電体１４の両面に負極活物質層１５が形成されてなるものを負極２００（例えば第２電極）と称する。
【００１８】
ここでは、正極集電体１１の片面の正極活物質層１２と隣接する負極集電体１４の片面の負極活物質層１５とが、電解質層１３を介して向き合うように、正極１００、電解質層１３、負極２００がこの順に積層されることで、単電池層１６が複数積層され、かつ単電池層１６が電気的に並列接続される形態となっている。
【００１９】
発電要素１７の両最外層には最外層負極集電体１４ａが位置する。最外層負極集電体１４ａは正極と対峙せず電池反応に関与しないため、発電要素の内側の面のみに負極活物質層１５が形成されている。なお、単電池層１６の積層数によっては、最外層には正極集電体の片面に正極活物質層１２が形成されてなるものを用いてもよい。
【００２０】
正極集電体１１および負極集電体１４は、それぞれの一端が正極端子リード２０および負極端子リード２１を介して正極集電タブ１８および負極集電タブ１９に電気的に接合されている。正極集電体１１および負極集電体１４は、その一部がラミネートフィルムとの熱融着を介して電池外装材２２の外部に露出されていて、発電要素１７からの電力を外部へ取り出したり、発電要素１７へ充電したりするための端子となる。この端子は、後述するように複数の二次電池１とバスバーやリード線など（連結端子２５と云う）により接続して組電池３００にする際にも使用される。
【００２１】
なお、正極集電体１１および負極集電体１４における正極端子リード２０および負極端子リード２１の接続には、半田付けや溶接、また超音波接合などが用いられる。同様に、正極端子リード２０および負極端子リード２１と正極集電タブ１８および負極集電タブ１９との接続には、半田付けや溶接、また超音波接合などが用いられる。
【００２２】
図３は、正極集電体１１を説明するための説明図であり、図３Ａは平面図、図３Ｂは図３ＡにおけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００２３】
正極集電体１１は、非導電性材料で構成される補強層１１０（樹脂層）の両面に正極導電性層１１１（導電材）が形成された構造としている。つまり、正極集電体１１に沿って補強層１１０が配置されているのである。なお、本実施形態１では、負極集電体１４は、その厚みに変化はなく、均等な厚みの一枚板（たとえばアルミニウムや銅などの金属箔膜）としている。
【００２４】
正極導電性層１１１（図３に示した補強層１１０を挟んで２枚あるうちの一方を云う。以下、正極導電性層１１１という場合は同じ意味である）だけでは正極集電体１１としての機械的強度が弱くなる場合がある。補強層１１０を用いることで正極集電体１１全体としての機械的強度を高めることができる。これにより、例えば、発電要素１７の組付けの際の機械的負荷に対しての耐性が高くなり製造が容易になる。また、電池運転時の熱負荷に伴う電池構成部材の膨張収縮に伴う機械的応力に対する耐性も強くなり、二次電池としての耐久性も高くすることができる。
【００２５】
正極導電性層１１１の形状は、その面内において第１端部１１２から、それとは反対側の第２端部１１３にかけて正極導電性層１１１の厚みを厚くするように直線的な勾配をつけて形成している。そして、第２端部１１２には正極端子リード２０を接続することで正極導電性層１１１と正極集電タブ１８と電気的に接続している。
【００２６】
一方、本実施形態１では、負極集電体１４は、その厚みに変化はなく、均等な厚みの一枚板（たとえばアルミニウムや銅などの金属箔膜）としている。
【００２７】
このように正極導電性層１１１の厚みを変えることで正極導電性層１１１の活物質形成面における単位面積あたりの質量に勾配をつけて、単位面積あたりの正極活物質層１２と同等の電気抵抗となるようにしているのである。このようにすることで、導電性層１１１の活物質形成面では、シート抵抗が、第１端部１１２から第２端部１１３方向に低くなる。すなわち、第１端部１１２から第２端部１１３方向に電流がより流れやすく構成されているのである。
【００２８】
したがって、仮に図３Ａに示した点線ａ〜ｆの位置で、一定の面積となるように切り出せば、その質量はａ＞ｂ＞ｃ＞ｄ＞ｅ＞ｆとなる。同じく点線ａ〜ｆの位置で一定の面積部分のシート抵抗を測定すればａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅ＜ｆとなる。なお本実施形態においては、点線ａ〜ｆのそれぞれの線上、すなわち、第１端部１１２から第２端部１１３への方向に直交する方向（点線ａ〜ｆの方向）では同じ質量および同じシート抵抗となっている。
【００２９】
ちなみに、シート抵抗と部材の厚さとの関係は下記（１）および（２）式の通りである。
【００３０】
Ｒ＝（ρＬ）／（ｔＷ）＝Ｒｓ・（ρＬ）／Ｗ …（１）
したがって、Ｒｓ＝ρ／ｔ …（２）
各式中、Ｒは抵抗値、Ｒｓはシート抵抗、ｔは厚さ、Ｗは幅、Ｌは長さである。
【００３１】
（２）式から、部材の厚さｔが変わればシート抵抗が変化し、電流の流れやすさが違ってくることがわかる。
【００３２】
この正極導電性層１１１はできるだけ薄い方が好ましい。その理由は下記のとおりである。二次電池は様々な理由から内部短絡が発生するおそれある。内部短絡が起きる理由はたとえば導電性異物の混入や正極集電体または負極集電体でのデンドライトの成長などである。このような電池内部において内部短絡が発生した場合に、正極導電性層１１１をごく薄くしておけば内部短絡による電流集中でその部分が発熱して焼切れ、その部分での電流を止めてしまうことができる。このような作用を持たせるためには、例えばアルミニウムでは、１０μｍ以下とすることが好ましい。なお、下限値（最も薄くなる第１端部１１２部分）については特に限定されず、電流を流すことができる最小限の厚さでよい。特に本実施形態１の場合、補強層１１０が設けられているため、金属薄膜単独でその形状が維持できないほど薄くても電流を流すことができれば問題ない。
【００３３】
そして、このようなごく薄い金属膜を用いた場合でも集電体として必要な機能、つまり充放電レートを確保することができるようにするために既に説明した通り導電性層１１１に質量勾配およびシート抵抗の勾配を付けたのである。
【００３４】
正極集電体１１は、構成する材料に特に制限はなく、上記した金属以外にも導電性樹脂が採用されうる。金属を用いる場合には、例えば、上記アルミニウムのほか、銅やステンレス鋼などを用いることができる。なかでも電子伝導性、電池作動電位という観点からはアルミニウムが好ましい。
【００３５】
一方、導電性樹脂の場合は、樹脂全体が導電性を示す導電性高分子と非導電性の中に導電性フィラーを配合したもののいずれであってもよい。より具体的には下記のとおりである。
【００３６】
（高分子材料が導電性高分子である形態）
まず、簡単に樹脂を構成する高分子材料が導電性高分子である形態を説明する。この場合、正極導電性層１１１全体が導電性高分子材料からなることになる。
【００３７】
導電性高分子は導電性を有し、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料から選択される。これらの導電性高分子は、共役したポリエン系がエネルギー帯を形成し伝導性を示すと考えられている。代表的な例としては電解コンデンサなどで実用化が進んでいるポリエン系導電性高分子を用いることができる。具体的には、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、ポリオキサジアゾール、またはこれらの混合物などが好ましい。電子伝導性および電池内で安定に使用できるという観点から、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、がより好ましい。
【００３８】
（非導電性樹脂および導電材（導電性フィラー）を含む形態）
次に、非導電性樹脂に導電性フィラーを含む形態について説明する。この場合、正極導電性層１１１全体が、非導電性樹脂に均一に導電性フィラーを配合して、全体として導電性樹脂となったものが用いられる。
【００３９】
導電性フィラーは、導電性を有する材料から選択される。好ましくは、導電性を有する樹脂層内のイオン透過を抑制する観点から、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料を用いるのが望ましい。
【００４０】
導電性フィラーの具体例としては、アルミニウム材、ステンレス（ＳＵＳ）材、グラファイトやカーボンブラックなどのカーボン材、銀材、金材、銅材、チタン材などが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。これらの導電性フィラーは１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、これらの合金材が用いられてもよい。好ましくは銀材、金材、アルミニウム材、ステンレス材、カーボン材、さらに好ましくはカーボン材である。またこれらの導電性フィラーは、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料（上記導電性フィラー）をめっき等でコーティングしたものでもよい。
【００４１】
また、導電性フィラーの形状（形態）は、粒子形態で用いればよいが、粒子形態に限られず、カーボンナノチューブなど、いわゆるフィラー系導電性樹脂組成物として実用化されている粒子形態以外の形態であってもよい。
【００４２】
導電性フィラーの平均粒子径は、特に限定されるものではないが、正極導電性層１１１に形成する際の厚さを考慮すれば、０．０１〜１０μｍ程度であることが望ましい。つまり正極導電性層１１１の厚さを最大値１０μｍとする場合、これより大きな導電性フィラーを用いると、導電性フィラーが正極導電性層１１１の厚さを越えてしまうことになり、局所的な厚さばらつきが発生する原因になって好ましくないのである。もちろん正極導電性層１１１の厚さを厚くすれば、導電性フィラーを１０μｍ以上にしても差し支えない。
【００４３】
また、樹脂層が導電性フィラーを含む形態の場合、樹脂層を形成する樹脂は、導電性フィラーに加えて、導電性フィラーを結着させる導電性のない高分子材料を含んでいてもよい。樹脂層の構成材料として高分子材料を用いることで、導電性フィラーの結着性を高め、双極型二次電池の信頼性を高めることができる。高分子材料は、印加される正極電位および負極電位に耐えうる材料から選択される。
【００４４】
非導電性の樹脂である高分子材料の例としては、好ましくは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、エポキシ樹脂、またはこれらの混合物が挙げられる。これらの材料は電位窓が非常に広く正極電位、負極電位のいずれに対しても安定である。また軽量であるため、二次電池の高出力密度化が可能となる。
【００４５】
非導電性樹脂に対する導電性フィラーの比率は、特に限定されず、十分な導電性が確保されていればよい。たとえば、高分子材料（非導電性の樹脂とその他の添加剤などを含む）および導電性フィラーの合計に対して、５〜９０ｗｔ％、好ましくは５〜４０ｗｔ％の導電性フィラーを均等に配合する。５〜９０ｗｔ％程度であれば導電性を確保することができる。
【００４６】
また、樹脂成分内に結着剤を入れた場合には、好ましくは５〜４０ｗｔ％程度とすることで結着性を高めることができ、形態（形状）が安定する。
【００４７】
結着剤として用いられる結着高分子は特に限定されるものではないが、たとえば下記のような高分子材料が使用されうる。エポキシ樹脂；スチレン−エチレン−ブチレン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）；アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）；スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などの合成ゴム材料のほか、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル；シリコーン、ポリイミド（ＰＩ）；ポリアミド（ＰＡ）；ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）；ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）；ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）；ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）；ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などが挙げられる。これらの高分子材料は、１種単独で用いてもよいし、２種併用してもよい。
【００４８】
なお、導電性フィラーおよび非導電性の樹脂の他、他の添加剤を含んでいてもよい。
【００４９】
これら導電性樹脂による正極導電性層１１１は（高分子材料が導電性高分子である形態と非導電性樹脂に導電性フィラーを含む形態のどちらも）従来公知の手法により製造できる。たとえば、導電性高分子材料または導電性フィラーを含む非導電性高分子のスラリーを調製し、これを塗布し硬化させる手法が挙げられる。具体的にはたとえば、スプレー法やコーティング法により調整したスラリーを、塗り回数を変えたり、開口径の異なるノズルを使用するなどして、滑らかにあるいは段階的に厚さを変えて塗布する。またインクジェット方式により作製することも可能である。
【００５０】
次に、補強層１１０は、用いる材料の機械的強度に応じて必要最小限の厚み以上とする。しかし、厚すぎても発電要素１７の体積が必要以上に大きくなるため、例えば樹脂を用いる場合は補強層１１０の厚さとして１０〜３０μｍにて構成することが好ましい。
【００５１】
この補強層１１０の厚みは、正極導電性層１１１の厚さの勾配とは逆勾配になるよう形成する。これにより正極集電体１１としての厚みを一定に保つことができ、ひいては単電池層１６としての厚みも一定に保たれて、発電要素１７を組付ける際に単電池層１６が斜めに積層されることを回避することができる。
【００５２】
補強層１１０を構成する材料としては、例えば、樹脂のほかに、セラミック、セラミックと樹脂の複合体などの絶縁性材料が挙げられる。なかでも補強層の軽量化という観点からは、補強層の構成材料は樹脂であることが好ましい。この樹脂も、特に制限はないが、たとえば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などが用いられうる。なかでも、耐熱性という観点からは、ポリイミドまたはポリエチレンテレフタレートが好ましく、ポリイミドが特に好ましい。なお、ポリイミドの具体的な名称としては、カプトン（登録商標）が挙げられる。
【００５３】
なお、本実施形態の二次電池に使用される正極活物質、負極活物質および電解質については、通常リチウムイオン二次電池に使用される物質を使用すればよく特に限定されないため説明を省略する。また、本実施形態の二次電池としてリチウムイオン二次電池以外の二次電池とする場合には、それらに合わせた素材を使用すればよいことは云うまでもない。
【００５４】
（組電池）
次に、上述した二次電池の利用形態の一つである組電池について説明する。
【００５５】
図４は、上述した二次電池から構成される組電池の代表的な実施形態の外観図であって、図４Ａは組電池の平面図、図４Ｂは組電池の正面図であり、図４Ｃは組電池の側面図である。
【００５６】
図４に示すように、組電池３００は、まず、上述した二次電池を複数、直列および並列に接続して組電池２５０を構成し、さらにこの組電池２５０を複数、直列および並列に接続している。これにより、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した組電池３００となる。
【００５７】
組電池２５０は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、接続治具３１０を用いて複数段積層される。組電池２５０は、接続治具３１０によってくみつけられるため組電池３００に対して装脱着可能となっている。なお、組電池３００に組み込む組電池２５０の数およびその接続形態（直列か並列か）は、それを搭載する車両（電気自動車など）が必要とする電池容量や出力に応じて決めればよい。
【００５８】
なお、組電池２５０を構成する際の個々の二次電池１の接続形態（直列か並列か）についても同様であり、所望する出力電圧や電池容量に応じて決めればよい。
【００５９】
（車両）
次に、上述した二次電池の利用形態の一つである車両への搭載について説明する。
【００６０】
図５は、上述した二次電池を搭載した車両の例を説明するための図である。
【００６１】
本実施形態の二次電池電池は、例えば上述した組電池３００の形態に組み上げて、図５に示すように、たとえば電気自動車４００のような車両に搭載されうる。電気自動車４００に搭載された二次電池電池は、例えば、車両のモータを駆動する電源として用いられうる。
【００６２】
図示した電気自動車４００の例では、電気自動車４００の車体中央部の座席下に組電池３００を搭載している。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池３００を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。
【００６３】
以上説明した本実施形態１によれば、以下のような効果を奏する。
【００６４】
本実施形態の正極集電体１１は、補強層１１０の片面または両面に正極導電性層１１１を接合させてなる構造とした。そして正極導電性層１１１は、第１端部１１２からそれとは反対側の第２端部１１３方向に質量が重くなるように質量勾配を持たせた。具体的には厚さが第１端部１１２から第２端部１１３方向に厚くなるようにしている。したがって、正極導電性層１１１は第１端部１１２から第２端部１１３方向にシート抵抗が低くなって電流が流れやすくなっている。
【００６５】
これにより、第１端部１１２側から第２端部１１３側に行くほど電気抵抗値が相対的に小さくなり、かつ熱容量も大きく保つことができる。したがって、二次電池１から電力を取り出すとき、および充電するときには、電流が集中する正極集電タブ１８を接続する側において余裕を持って電流を流すことが可能となる。その結果、正極集電タブ１８が接続されて電流が集中する側だけが相対的に発熱するようなことがなくなり、電池全体としても温度上昇を招くことが少ない。したがって発熱による充放電時のロスも少ない二次電池となる。
【００６６】
またこの構成により、十分な充放電レートを確保することができるため充放電特性がよくなる。
【００６７】
また、正極導電性層１１１の厚さを、二次電池内部で短絡が生じた際に、その温度上昇意より焼き切れる厚さとすることで、耐異常時の耐久性を向上することができる。そして、上記のような正極導電性層１１１の構成とすることで、そのように薄くした場合でも十分な充放電レートを確保することができる。
【００６８】
また、補強層１１０を設け、この補強層１１０に沿って正極導電性層１１１を配置したことで、正極導電性層１１１単独では十分な強度を得ることができない場合でも、正極集電体１１全体としては、十分な強度を確保することができる。しかも、補強層１１０は、その厚みの勾配を正極導電性層１１１の厚みの勾配と逆勾配としたことで、正極集電体１１としては平坦な構造とすることができる。そのため、二次電池を構成する際に斜めに積層されることがなく、組付け性がよい。
【００６９】
また、質量勾配は、第１端部１１２から第２端部１１３方向に直交する方向には単位面積あたり同一質量となるようにしたので、正極導電性層１１１の厚さを違える加工も容易である。
【００７０】
また、本実施形態の二次電池を複数接続した組電池２５０および３００とすることで、さまざまな出力電圧や電池容量とすることができる。しかも、一つひとつの電池は本実施形態の二次電池であるので、充放電特性がよいので高速充電に適したものとなる。このため高速充電時においても温度上昇が少なく、高い耐久性を有する。
【００７１】
さらに、上記組電池３００を用いた電気自動車４００は、組電池３００が高速充電時においても温度上昇が少なく、高い耐久性を有するので、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。したがって、これを車両に搭載したことで、二次電池の交換回数も少なくでき、さらに、発熱による充放電時のロスも少ないので、燃費に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。
【００７２】
［実施形態２］
図６は、実施形態２の二次電池を説明するための要部断面図である。
【００７３】
本実施形態２の二次電池２は、負極集電体１４を非導電性材料で構成される補強層１４０の両面に負極導電性層１４１を形成したものを使用している。負極導電性層１４１以外の他の構成は、実施形態１と同様であるので説明は省略する。なお、負極導電性層１４１は、図６に示した補強層１４０を挟んで２枚あるうちの一方を云う。以下、負極導電性層１４１という場合は同じ意味である。
【００７４】
ここで用いている負極導電性層１４１（導電材）は、第１端部１４２側からそれとは反対側の第２端部１４３側にかけて厚みが薄くなるように形成している。負極集電タブ１９（図２参照）を電気的に接続する負極端子リード２１が接続される
これにより、負極導電性層１４１は、第１端部１４２から第２端部１４３方向に単位面積あたりの質量が重くなっている。これに伴いそのシート抵抗も第１端部１４２から第２端部１４３方向に低くなっている。すなわち、第１端部１４２から第２端部１４３方向に電流が流れやすくなっているのである。
【００７５】
なお、最外層の負極集電体１４ａは、補強層１４０に対して正極活物質層１２に対向する負極導電性層１４１が形成される方にのみ負極導電性層１４１が形成されてなる。
【００７６】
この負極導電性層１４１は、用いる材料に特に制限はなく、たとえば、金属や導電性高分子が採用されうる。具体的には、金属の場合は、例えば、ニッケル、銅、ステンレスなどの金属材料が挙げられる。なかでも、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、銅が好ましい。
【００７７】
一方、本実施形態２では、正極集電体１１は、その厚みに変化はなく、均等な厚みの一枚板（たとえばアルミニウムや銅などの金属箔膜）としている。
【００７８】
正極集電体１１をたとえば、厚さについて特別な考慮をしないアルミニウムで構成し、負極導電性層１４１を銅の薄膜で上記のように厚さに勾配を持たせた構成とすることができる。この場合、アルミニウムの融点（６６０℃）よりも銅の融点（１０８３℃）が高いために、内部短絡が発生した際は、アルミニウムが特別厚さについて考慮しなくても先に焼き切れる。
【００７９】
また、仮に、図７に示すように、本実施形態２の二次電池２な複数の電池に外部から導電体９００が貫通した場合、正極集電体１１が焼ききれても、導電体９００が正極活物質１５に接触しているため正極集電体として作用する。このため隣接する単電池１６の間では負極導電性層１４１および負極集電タブ１９を通して短絡回路が形成されて短絡電流Ｉが流れ続ける。なお、負極導電性層１４１は、図２において負極集電体１４となるものであるから、その第２端部１４３側が負極集電タブ１９により互いに電気的に接続されている。
【００８０】
そこで、負極導電性層１４１の厚みを薄く、たとえば最大厚さを３μｍ以下に形成すれば、銅であっても瞬時に発熱より溶解し焼き切れる。このため内部短絡が発生した場合には、内部短絡部位の発熱による温度上昇が、その周囲に及ぶ前に電流を遮断することができる。
【００８１】
なお、銅を用いた場合の厚さの下限値（特に第１端部側）については特に限定されず、電流を流すことができる最小限の厚さでよい。特に本実施形態においても、補強層１４０が設けられているため、金属薄膜単独で、その形状が維持できないほど薄くても電流を流すことができれば問題ない。
【００８２】
一方、補強層１４０は負極導電性層１４１の厚みの勾配と逆勾配の厚みで形成されている。この補強層１４０については、実施形態１で説明したものと同じでよいので、詳細な説明は省略する。
【００８３】
また、負極集電体の材料として導電性樹脂を用いる場合も、実施形態１と同様の導電性樹脂を用いることができる。さらに、本実施形態２においても実施形態１同様にリチウムイオン電池以外の電池でも適用可能である。
【００８４】
以上説明した本実施形態２によれば、以下のような効果を奏する。
【００８５】
本実施形態の負極集電体１４として、補強層１４０の片面または両面に負極導電性層１４１を接合させてなる構造とした。そして、負極導電性層１４１は、第１端部１４２からそれとは反対側の第２端部１４３方向に質量が重くなるように勾配を持たせ、第２端部１４３側に負極集電タブ１９を電気的に接続している。具体的にはその厚さが、第１端部１４２から第２端部１４３方向に厚くなるようにしている。したがって、負極導電性層１４１は第１端部１４２から第２端部１４３方向にシート抵抗が低くなっている。
【００８６】
これにより、第１端部１４２側から第２端部１４３側に行くほど電気抵抗値が相対的に小さくなり、かつ熱容量も大きく保つことができる。したがって、二次電池２から電力を取り出すとき、および充電するときには、電流が集中する負極集電タブ１９を接続する側において余裕を持って電流を流すことが可能となる。その結果、電流が集中する負極集電タブ１９を接続する側だけが相対的に発熱するようなことがなくなり、電池全体としても温度上昇を招くことが少ない。したがって発熱による充放電時のロスも少ない二次電池となる。
【００８７】
またこの構成により、十分な充放電レートを確保することができるため充放電特性がよくなる。
【００８８】
また、負極導電性層１４１の厚さを、二次電池内部で短絡が生じた際に、その温度上昇意より焼き切れる厚さとすることで、耐異常時の耐久性を向上することができる。そして、上記のような負極導電性層１４１の構成とすることで、そのように薄くした場合でも十分な充放電レートを確保することができる。
【００８９】
また、補強層１４０を設け、この補強層１４０に沿って負極導電性層１４１を配置したことで、負極導電性層１４１単独では十分な強度を得ることができない場合でも、正極集電体１１全体としては、十分な強度を確保することができる。しかも、補強層１４０は、その厚みの勾配を負極導電性層１４１の厚みの勾配と逆勾配としたことで、負極集電体１４としては平坦な構造とすることができる。そのため、二次電池を構成する際に斜めに積層されることがなく、組付け性の悪化を抑制することができる。
【００９０】
また、質量勾配は、第１端部１４２から第２端部１４３方向に直交する方向には単位面積あたり同一質量となるようにしたので、負極導電性層１４１の厚さを違える加工も容易である。
【００９１】
さらに、本実施形態２の二次電池２についても、実施形態１同様に、組電池として構成することができる。また、この組電池を車両に搭載することもできる。この場合、組電池および車両としての作用効果なども実施形態１と同様に得ることができる。
【００９２】
［実施形態３］
図８は、実施形態３の二次電池を説明するための要部断面図である。
【００９３】
本実施形態３の二次電池３は、前述した実施形態１と実施形態２を統合した形態である。すなわち、正極集電体１１は非導電性材料で構成される補強層１４０の両面に正極導電性層１１１（導電材）を形成したものを使用している。正極導電性層１１１は第１端部１１２側からそれとは反対側の第２端部１１３側にかけて厚みが厚くなるように形成している。そして第２端部１１３側に、正極集電タブ１８（図２参照）を電気的に接続する正極端子リード２０が接続される。なお、正極導電性層１１１は、図８に示した補強層１１０を挟んで２枚あるうちの一方を云う。以下、正極導電性層１１１という場合は同じ意味である。
【００９４】
一方、負極集電体１４は、非導電性材料で構成される補強層１４０の両面に負極導電性層１４１（導電材）を形成したものを使用している。負極導電性層１４１は第１端部１４２側からそれとは反対側の第２端部１４３側にかけて厚みが厚くなるように形成している。そして、第２端部１４３側に負極集電タブ１９（図２参照）を電気的に接続する負極端子リード２１が接続される。なお、負極導電性層１４１は、図６に示した補強層１４０を挟んで２枚あるうちの一方を云う。以下、負極導電性層１４１という場合は同じ意味である。
【００９５】
したがって、正極導電性層１１１の構成は実施形態１と同様であり、負極導電性層１４１の構成は実施形態２と同様であるので、それらの詳細な説明は省略する。また、これら以外の構成についても実施形態１または実施形態２と同様であるので説明は省略する。
【００９６】
この本実施形態３によれば、以下のような効果を奏する。
【００９７】
正極集電体１１および負極集電体１４の両方を、それぞれ質量勾配を持たせた正極導電性層１１１および負極導電性層１４１を用いたことで、いっそう熱の偏りを抑えることができる。そして充放電レートもいっそう保たれるようになって高い電池性能を引き出すことができる。また、正極導電性層１１１および負極導電性層１４１の両方の溶解・焼切れ性を高めるために両方の厚さを極限まで薄くすることができる。したがって、電池の内部への異物混入やデンドライト成長に伴う内部短絡時および複数の電池に外部から導電体が貫通するような短絡時の場合に、面内のどの位置で短絡しても即刻、短絡電流の流れを遮断することができる。しかも充放電レートは十分に保って電池性能を向上させることができる。
【００９８】
また、本実施形態３では、正負極の集電タブ１８および１９を、二次電池の対向する位置に配置した。これにより正極導電性層１１１が厚い方向から薄い方向に対して負極導電性層１４１が薄い方向から厚い方向となるように積層されることになる。したがって、正極集電体１１と負極集電体１４で、その電気抵抗値の勾配の向きを逆になる。
【００９９】
このようにしたことで、仮に電池外部から導電性部材が貫通して電池内部で短絡が発生した場合、導電性部材が面内のどこで貫通しても正負極のいずれか薄い方が先に焼き切れるようになり、短絡電流の遮断性を向上することができる。したがって、電池の内部短絡に起因する安全性をさらに向上することができる。
【０１００】
そのほか、質量勾配をつけるための厚さや補強層については本実施形態３でも実施形態１および２と同様の効果を有する。
【０１０１】
もちろん本実施形態３においても、組電池とすることもできるし、車両に搭載することも可能であり、上述した実施形態１で説明した組電池および車両と同様の効果を得ることができる。
【０１０２】
［実施形態４］
図９は実施形態４の二次電池を説明するための要部断面図であり、図１０は実施形態４の正極集電体を説明するための説明図であり、図１０Ａは平面図、図１０Ｂは図１０ＡにおけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。断面図である。
【０１０３】
本実施形態４は、正極集電体１１として、補強層１１０の片面または両面に多孔体構造の正極導電性層１６１を設けた構造としたものである。そして、正極導電性層１６１は、第１端部１６２からそれとは反対側の第２端部１６３方向に単位面積あたりの多孔体の空隙率が段階的または滑らかに小さくするよう構成されている。そして、第２端部１６３側に正極集電タブ１８を電気的に接続する正極リード２０を接続している。
【０１０４】
すなわち、正極導電性層１６１は、図１０に示すように、たとえば、空隙部分１６８の数が第１端部１６２から第２端部１６３方向に少なくなっている。これにより導電要素部分１６７の面積が第１端部１６２から第２端部１６３方向に多くなって、導電材としては単位面積あたりの質量が重くなる。これによりシート抵抗も第１端部１６２から第２端部１６３方向に低くなって、第１端部１６２から第２端部１６３方向に電流が流れやすくなるようにしている。
【０１０５】
空隙部分１６８の大きさは、特に限定されるものではないが、正極活物質からの電流を受けて、第１端部１６２から第２端部１６３方向に確実に電流が流れるようにしておく必要がある。この観点からは、たとえば０．１〜数百μｍ程度の大きさが好ましい。これは、空隙部分１６８の大きさがあまり大きいと導電要素部分１６７が途切れたり、隙間が大きくなりすぎて集電作用が低下するおそれがあるためである。
【０１０６】
その他の構成は実施形態１と同様であるので説明は省略する。
【０１０７】
この本実施形態４によれば、以下のような効果を奏する。
【０１０８】
本実施形態４では、空隙率を違えて質量勾配をつけシート抵抗に変化をつけることとしたので、正極導電性層１６１の厚みに勾配をつける必要がない。したがって、補強層１１０の厚みにも勾配をつける必要がないため、正極導電性層１６１および補強層１１０の加工性がよくなる。もちろん、電池の充放電レートを保って電池性能を確保しつつ正極導電性層１６１の溶解・焼切れ性を向上させることもできる。
【０１０９】
そのほか補強層については本実施形態４でも実施形態１および２と同様の効果を有する。
【０１１０】
なお、本実施形態４の構成は、負極導電性層１４についても適用することができる。また、正極集電体１１と負極集電体１４の双方に適用することも可能である。さらに、これら形態の二次電池を組電池とし、また車両に搭載できることは実施形態１で説明したものと同様であり、それらの作用効果も同様に得ることができる。
【０１１１】
また、多孔体構造は、その空隙部分１６８としてハニカム構造に似た６角形の場合を図示したが、このような形状以外にも、円形（楕円形を含む）やその他の多角形や不定形形状などであってもよい。また、空隙率を違えるためには空隙部分１６８の単位面積あたりの数を違えるのではなく、空隙部分１６８の単位面積あたりの大きさを違えることでもよい。さらに多孔体構造の空隙部分１６８は、空間とするのではなく非導電性素材（例えば樹脂）によって埋め込まれた構造であってもよい。つまり、導電材である正極導電性層１６１は、空隙または非導電性素材からなる非導電部の割合（非導電部の体積／導電材全体の体積）が第１端部から第２端部の方向へ小さくなるように構成されていればよいのである。
【０１１２】
また、図では平面的に空隙部分１６８が存在するように示したが、これは、厚さ方向に存在するようにしてもよいし、ポーラス構造のようにしてもよい。もちろんこれらの場合も、非導電部の割合（非導電部の体積／導電材全体の体積）が第１端部１６２から第２端部１６３の方向へ小さくなるように構成されていればよいのである。
【０１１３】
さらに本実施形態４の応用として、正極導電性層１６１として非導電性樹脂に導電性フィラーを配合した導電性樹脂を用いて、導電性フィラーの配合比率を単位面積あたりで違えることでもシート抵抗に差をつけることができる。
【０１１４】
つまり、第１端部１６２から第２端部１６３方向に、段階的にまたは滑らかに非導電性樹脂に対する導電性フィラーの配合量を多くするのである。これにより正極導電性層１６１の導電材としてのシート抵抗は第１端部１６２から第２端部１６３方向に低くなって、この方向に電流が流れやすくなる。この場合も正極導電性層１６１の厚さに変化をつけることなくシート抵抗を変化させることができる。
【０１１５】
［実施形態５］
図１１は実施形態５の正極集電体を説明するための説明図であり、図１１Ａは平面図、図１１Ｂは断面図である。
【０１１６】
本実施形態５は、前述した実施形態１における正極導電性層１１１の厚さを下記のようにしたものである。正極端子リード２０が接続された部分を略中心とした同心円の円弧（図示点線）上では同じ厚さにし、円弧に対し直交する方向（図示矢印）でかつ第１端部１１２から第２端部１１３方向には厚くなるようにしている。なお正極端子リード２０は第２端部１１３側に接続されている。これにより各矢印方向の断面を見れば、図１１Ｂのように正極導電性層１１１の厚さに勾配ができる。したがって、第１端部１１２から第２端部１１３方向を含む、正極集電タブ１８との電気的接続点となる略中心から円弧に対し直交する方向に質量勾配が生まれて、シート抵抗もこの方向に低くなる。ここで「略中心」としたのは、機械的な取り付け誤差の範囲があるためである。
【０１１７】
この際、補強層１１０は、正極導電性層１１１の勾配と逆勾配で形成されることは第１実施形態１と同様である。また、そのほかの構成も実施形態１と同様であるので説明を省略する。
【０１１８】
この本実施形態５によれば、以下のような効果を奏する。
【０１１９】
正極端子リード２０の幅Ｗ１に対して、正極導電性層１１１の幅Ｗ２が大きい場合などには、電流が正極端子リード２０の全周囲方向から流れ込む。このため第１端部１１２から第２端部１１３に向けて一方向に勾配をつける場合と比較して、特に第１端部１１２の辺に直交する辺１１４や１１５近傍の厚みを薄くすることができる。これにより、第１端部１１２の辺に直交する辺１１４や１１５から第２端部１１３方向である正極集電タブ１８との電気的接続点への電流の流れもよくなる。このため電池の充放電レートを保って電池性能を確保しつつ正極導電性層１１１の溶解・焼切れ性をさらに向上させることができる。
【０１２０】
なお、本実施形態５は、負極導電性層１４にも適用可能であるし、正極集電体１１と負極集電体１４の双方に適用することもでき、それらの場合に同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
また、図においては、正極端子リード２０が接続された部分（集電タブとの電気的接続点）を正極集電体の一つの辺（第２端部１１３の辺）の中ほどに設けているが、この電気的接続点は正極集電体の一つの辺の端であってもよい。その場合も正極端子リード２０が接続された部分を略中心をして同心円の円弧上では正極導電性層１１１の厚さを同じ厚さにし、円弧に対し直交する方向でかつ第１端部１１２から第２端部１１３方向には厚くする。これにより上記効果と同じ効果を得ることができる。そのほか本実施形態は正極端子リード２０が接続された部分が正極集電体のどこであっても同じように実施可能である。もちろん負極集電体においても同様に実施できる。
【０１２２】
以上、本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【０１２３】
たとえば、上述した実施形態は、厚さの勾配（実施形態１〜３および５）においては、図示上滑らかな勾配をつけて説明したが、段差的な勾配であってもよい。
【０１２４】
また、上述した実施形態は、積層型の扁平な形状の二次電池により説明したが、そのほかにも巻回型の二次電池である、円筒型形状（楕円形状を含む）、角型形状のものであってもよい。円筒型や角型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶（金属缶）を用いてもよいなど特に制限されるものではない。
【０１２５】
また上述した実施形態は、リチウムイオン二次電池を例に説明した。これは、リチウムイオン二次電池が単電池（１セル）当たりの電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成でき、車両の駆動電源用や補助電源用として優れているためである。しかし本発明は、これに限らず、その他にもたとえばニッケル水素二次電池などにも適用可能である。
【０１２６】
また、本実施形態の二次電池や組電池は、車両に搭載する以外にも、たとえば無停電電源装置などの載置用電源（固定型電源）として利用することも可能である。
【０１２７】
そのほか、本発明は、本発明の技術思想の範囲内においてさまざまな実施形態が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１２８】
１、２、３、４ 二次電池、
１１ 正極集電体、
１４ 負極集電体、
１８ 正極集電タブ、
１９ 負極集電タブ、
２０ 正極端子リード、
２１ 負極端子リード、
１１０、１４０ 補強層、
１１１、１６１ 正極導電性層
１１２、１４２、１６２ 第１端部、
１１３、１４３、１６３ 第２端部、
１４１ 負極導電性層、
１６７ 導電要素部分、
１６８ 空隙部分。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池、およびこれを用いた組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、活物質を形成して保持し、かつ電流を集めるための集電体を有する。従来、この集電体として、多数のメッシュ孔を備えた電解箔に補強部を一体に形成してなるものがある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８５９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで集電体には、そこから電流を外部へ取り出すための集電タブが接続される。従来の集電体に用いられる電解箔は、その厚みが面内方向に均一である。したがって、集電タブが接続された端部から、それとは反対の端側まで抵抗値が略同一となる。このため集電体全面から集められた電流が集電タブ接続部周囲に集中することになる。そうすると集電タブ接続端周辺では電流が集中することから、それとは反対の端側より相対的に発熱が多くなる。一方で電流集中のない集電タブ接続端の反対側では発熱が少ない。このような集電体の面内での発熱の偏りは、電池性能の低下や耐久性の低下につながる虞がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、集電体の面内方向における発熱の偏りを抑えた二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明は以下のように構成される。
【０００７】
本発明の二次電池は、正極活物質層が形成された第１集電体と、この正極活物質層に対して電解質層を介在させて対向する位置に配置された負極活物質層が形成された第２集電体とを有する。そして第１集電体および第２集電体のうち少なくとも一方の集電体には、その第１端部からそれに対向する第２端部の方向に単位面積当たりの質量が重くなるように質量勾配をつけた導電材が含まれていて、第２端部側に集電タブが電気的に接続されている。
【０００８】
また、本発明の二次電池は、正極活物質層が形成された第１集電体と、この正極活物質層に対して電解質層を介在させて対向する位置に配置された負極活物質層が形成された第２集電体とを有する。そして第１集電体および第２集電体のうち少なくとも一方の集電体には、その第１端部からそれに対向する第２端部の方向にシート抵抗が低くなるようにした導電材が含まれていて、第２端部側に集電タブが電気的に接続されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、正極集電体または負極集電体のうち少なくとも一方の集電体において、第１端部側からそれとは反対側の第２端部方向に質量が重くなるようにして、第２端部側に集電タブが電気的に接続されようにしている。したがって、電流集中が起きる第２端部側で電流が流れやすくなり、その部分での発熱が抑えられて集電体の面内方向における発熱の偏りを抑えることができる。
【００１０】
また、本発明によれば、正極集電体または負極集電体のうち少なくとも一方の集電体において、第１端部側からそれとは反対側の第２端部方向にシート抵抗が低くなるようにして第２端部側に集電タブが電気的に接続されようにしている。したがって、電流集中が起きる第２端部側での電流が流れやすくなり、その部分での発熱が抑えられて、集電体の面内方向における発熱の偏りを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の二次電池の外観を示す外観図である。
【図２】実施形態１の二次電池を説明するための断面図である。
【図３】実施形態１の正極集電体を説明するための説明図であり、図３Ａは平面図、図３Ｂは図３ＡにおけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】二次電池から構成される組電池の代表的な実施形態の外観図であって、図４Ａは組電池の平面図、図４Ｂは組電池の正面図であり、図４Ｃは組電池の側面図である。
【図５】二次電池を搭載した車両の例を説明するための図である。
【図６】実施形態２の二次電池を説明するための要部断面図である。
【図７】実施形態２の二次電池に外部から導電体が貫通した場合を説明するための説明図である。
【図８】実施形態３の二次電池を説明するための要部断面図である。
【図９】実施形態４の二次電池を説明するための要部断面図である。
【図１０】実施形態４の正極集電体を説明するための説明図であり、図１０Ａは平面図、図１０Ｂは図１０ＡにおけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。断面図である。
【図１１】実施形態５の正極集電体を説明するための説明図であり、図１１Ａは平面図、図１１Ｂは断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面において同一の機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面はあくまでも本発明の実施形態を説明するためのものであるので、各部材の寸法や比率は説明の都合上誇張または簡略化しており、実際の寸法や比率とは異なる。
【００１３】
［実施形態１］
以下では、本発明を適用した実施形態１として、リチウムイオン二次電池を例に挙げて説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。
【００１４】
（二次電池）
図１は、本実施形態の二次電池の外観を示す外観図であり、図２は、本実施形態の二次電池を説明するための断面図である。
【００１５】
図１および図２に示すように、本実施形態の二次電池１（リチウムイオン二次電池）は、発電要素１７（詳細後述）を収納した電池外装材２２によって密封されている。電池外装材２２は高分子−金属を複合したラミネートフィルムを用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合する。
【００１６】
発電要素１７の具体的な構成要素は以下の通りである。
【００１７】
発電要素１７は、正極活物質層１２、電解質層１３および負極活物質層１５からなる単電池層１６が複数積層された構成を有する。正極活物質層１２は、導電性材料を含む（例えば第１集電体）一枚の正極集電体１１の両面に形成されている。この正極集電体１１の両面に正極活物質層１２が形成されてなるものを正極１００（例えば第１電極）と称する。負極活物質層１５は導電性材料を含む負極集電体１４（例えば第２集電体）の両面に形成されている。この負極集電体１４の両面に負極活物質層１５が形成されてなるものを負極２００（例えば第２電極）と称する。
【００１８】
ここでは、正極集電体１１の片面の正極活物質層１２と隣接する負極集電体１４の片面の負極活物質層１５とが、電解質層１３を介して向き合うように、正極１００、電解質層１３、負極２００がこの順に積層されることで、単電池層１６が複数積層され、かつ単電池層１６が電気的に並列接続される形態となっている。
【００１９】
発電要素１７の両最外層には最外層負極集電体１４ａが位置する。最外層負極集電体１４ａは正極と対峙せず電池反応に関与しないため、発電要素の内側の面のみに負極活物質層１５が形成されている。なお、単電池層１６の積層数によっては、最外層には正極集電体の片面に正極活物質層１２が形成されてなるものを用いてもよい。
【００２０】
正極集電体１１および負極集電体１４は、それぞれの一端が正極端子リード２０および負極端子リード２１を介して正極集電タブ１８および負極集電タブ１９に電気的に接合されている。正極集電体１１および負極集電体１４は、その一部がラミネートフィルムとの熱融着を介して電池外装材２２の外部に露出されていて、発電要素１７からの電力を外部へ取り出したり、発電要素１７へ充電したりするための端子となる。この端子は、後述するように複数の二次電池１とバスバーやリード線など（連結端子２５と云う）により接続して組電池３００にする際にも使用される。
【００２１】
なお、正極集電体１１および負極集電体１４における正極端子リード２０および負極端子リード２１の接続には、半田付けや溶接、また超音波接合などが用いられる。同様に、正極端子リード２０および負極端子リード２１と正極集電タブ１８および負極集電タブ１９との接続には、半田付けや溶接、また超音波接合などが用いられる。
【００２２】
図３は、正極集電体１１を説明するための説明図であり、図３Ａは平面図、図３Ｂは図３ＡにおけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００２３】
正極集電体１１は、非導電性材料で構成される補強層１１０（樹脂層）の両面に正極導電性層１１１（導電材）が形成された構造としている。つまり、正極集電体１１に沿って補強層１１０が配置されているのである。なお、本実施形態１では、負極集電体１４は、その厚みに変化はなく、均等な厚みの一枚板（たとえばアルミニウムや銅などの金属箔膜）としている。
【００２４】
正極導電性層１１１（図３に示した補強層１１０を挟んで２枚あるうちの一方を云う。以下、正極導電性層１１１という場合は同じ意味である）だけでは正極集電体１１としての機械的強度が弱くなる場合がある。補強層１１０を用いることで正極集電体１１全体としての機械的強度を高めることができる。これにより、例えば、発電要素１７の組付けの際の機械的負荷に対しての耐性が高くなり製造が容易になる。また、電池運転時の熱負荷に伴う電池構成部材の膨張収縮に伴う機械的応力に対する耐性も強くなり、二次電池としての耐久性も高くすることができる。
【００２５】
正極導電性層１１１の形状は、その面内において第１端部１１２から、それとは反対側の第２端部１１３にかけて正極導電性層１１１の厚みを厚くするように直線的な勾配をつけて形成している。そして、第２端部１１２には正極端子リード２０を接続することで正極導電性層１１１と正極集電タブ１８と電気的に接続している。
【００２６】
一方、本実施形態１では、負極集電体１４は、その厚みに変化はなく、均等な厚みの一枚板（たとえばアルミニウムや銅などの金属箔膜）としている。
【００２７】
このように正極導電性層１１１の厚みを変えることで正極導電性層１１１の活物質形成面における単位面積あたりの質量に勾配をつけて、単位面積あたりの正極活物質層１２と同等の電気抵抗となるようにしているのである。このようにすることで、導電性層１１１の活物質形成面では、シート抵抗が、第１端部１１２から第２端部１１３方向に低くなる。すなわち、第１端部１１２から第２端部１１３方向に電流がより流れやすく構成されているのである。
【００２８】
したがって、仮に図３Ａに示した点線ａ〜ｆの位置で、一定の面積となるように切り出せば、その質量はａ＞ｂ＞ｃ＞ｄ＞ｅ＞ｆとなる。同じく点線ａ〜ｆの位置で一定の面積部分のシート抵抗を測定すればａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅ＜ｆとなる。なお本実施形態においては、点線ａ〜ｆのそれぞれの線上、すなわち、第１端部１１２から第２端部１１３への方向に直交する方向（点線ａ〜ｆの方向）では同じ質量および同じシート抵抗となっている。
【００２９】
ちなみに、シート抵抗と部材の厚さとの関係は下記（１）および（２）式の通りである。
【００３０】
Ｒ＝（ρＬ）／（ｔＷ）＝Ｒｓ・（ρＬ）／Ｗ …（１）
したがって、Ｒｓ＝ρ／ｔ …（２）
各式中、Ｒは抵抗値、Ｒｓはシート抵抗、ｔは厚さ、Ｗは幅、Ｌは長さである。
【００３１】
（２）式から、部材の厚さｔが変わればシート抵抗が変化し、電流の流れやすさが違ってくることがわかる。
【００３２】
この正極導電性層１１１はできるだけ薄い方が好ましい。その理由は下記のとおりである。二次電池は様々な理由から内部短絡が発生するおそれある。内部短絡が起きる理由はたとえば導電性異物の混入や正極集電体または負極集電体でのデンドライトの成長などである。このような電池内部において内部短絡が発生した場合に、正極導電性層１１１をごく薄くしておけば内部短絡による電流集中でその部分が発熱して焼切れ、その部分での電流を止めてしまうことができる。このような作用を持たせるためには、例えばアルミニウムでは、１０μｍ以下とすることが好ましい。なお、下限値（最も薄くなる第１端部１１２部分）については特に限定されず、電流を流すことができる最小限の厚さでよい。特に本実施形態１の場合、補強層１１０が設けられているため、金属薄膜単独でその形状が維持できないほど薄くても電流を流すことができれば問題ない。
【００３３】
そして、このようなごく薄い金属膜を用いた場合でも集電体として必要な機能、つまり充放電レートを確保することができるようにするために既に説明した通り導電性層１１１に質量勾配およびシート抵抗の勾配を付けたのである。
【００３４】
正極集電体１１は、構成する材料に特に制限はなく、上記した金属以外にも導電性樹脂が採用されうる。金属を用いる場合には、例えば、上記アルミニウムのほか、銅やステンレス鋼などを用いることができる。なかでも電子伝導性、電池作動電位という観点からはアルミニウムが好ましい。
【００３５】
一方、導電性樹脂の場合は、樹脂全体が導電性を示す導電性高分子と非導電性の中に導電性フィラーを配合したもののいずれであってもよい。より具体的には下記のとおりである。
【００３６】
（高分子材料が導電性高分子である形態）
まず、簡単に樹脂を構成する高分子材料が導電性高分子である形態を説明する。この場合、正極導電性層１１１全体が導電性高分子材料からなることになる。
【００３７】
導電性高分子は導電性を有し、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料から選択される。これらの導電性高分子は、共役したポリエン系がエネルギー帯を形成し伝導性を示すと考えられている。代表的な例としては電解コンデンサなどで実用化が進んでいるポリエン系導電性高分子を用いることができる。具体的には、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、ポリオキサジアゾール、またはこれらの混合物などが好ましい。電子伝導性および電池内で安定に使用できるという観点から、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、がより好ましい。
【００３８】
（非導電性樹脂および導電材（導電性フィラー）を含む形態）
次に、非導電性樹脂に導電性フィラーを含む形態について説明する。この場合、正極導電性層１１１全体が、非導電性樹脂に均一に導電性フィラーを配合して、全体として導電性樹脂となったものが用いられる。
【００３９】
導電性フィラーは、導電性を有する材料から選択される。好ましくは、導電性を有する樹脂層内のイオン透過を抑制する観点から、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料を用いるのが望ましい。
【００４０】
導電性フィラーの具体例としては、アルミニウム材、ステンレス（ＳＵＳ）材、グラファイトやカーボンブラックなどのカーボン材、銀材、金材、銅材、チタン材などが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。これらの導電性フィラーは１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、これらの合金材が用いられてもよい。好ましくは銀材、金材、アルミニウム材、ステンレス材、カーボン材、さらに好ましくはカーボン材である。またこれらの導電性フィラーは、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料（上記導電性フィラー）をめっき等でコーティングしたものでもよい。
【００４１】
また、導電性フィラーの形状（形態）は、粒子形態で用いればよいが、粒子形態に限られず、カーボンナノチューブなど、いわゆるフィラー系導電性樹脂組成物として実用化されている粒子形態以外の形態であってもよい。
【００４２】
導電性フィラーの平均粒子径は、特に限定されるものではないが、正極導電性層１１１に形成する際の厚さを考慮すれば、０．０１〜１０μｍ程度であることが望ましい。つまり正極導電性層１１１の厚さを最大値１０μｍとする場合、これより大きな導電性フィラーを用いると、導電性フィラーが正極導電性層１１１の厚さを越えてしまうことになり、局所的な厚さばらつきが発生する原因になって好ましくないのである。もちろん正極導電性層１１１の厚さを厚くすれば、導電性フィラーを１０μｍ以上にしても差し支えない。
【００４３】
また、樹脂層が導電性フィラーを含む形態の場合、樹脂層を形成する樹脂は、導電性フィラーに加えて、導電性フィラーを結着させる導電性のない高分子材料を含んでいてもよい。樹脂層の構成材料として高分子材料を用いることで、導電性フィラーの結着性を高め、双極型二次電池の信頼性を高めることができる。高分子材料は、印加される正極電位および負極電位に耐えうる材料から選択される。
【００４４】
非導電性の樹脂である高分子材料の例としては、好ましくは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、エポキシ樹脂、またはこれらの混合物が挙げられる。これらの材料は電位窓が非常に広く正極電位、負極電位のいずれに対しても安定である。また軽量であるため、二次電池の高出力密度化が可能となる。
【００４５】
非導電性樹脂に対する導電性フィラーの比率は、特に限定されず、十分な導電性が確保されていればよい。たとえば、高分子材料（非導電性の樹脂とその他の添加剤などを含む）および導電性フィラーの合計に対して、５〜９０ｗｔ％、好ましくは５〜４０ｗｔ％の導電性フィラーを均等に配合する。５〜９０ｗｔ％程度であれば導電性を確保することができる。
【００４６】
また、樹脂成分内に結着剤を入れた場合には、好ましくは５〜４０ｗｔ％程度とすることで結着性を高めることができ、形態（形状）が安定する。
【００４７】
結着剤として用いられる結着高分子は特に限定されるものではないが、たとえば下記のような高分子材料が使用されうる。エポキシ樹脂；スチレン−エチレン−ブチレン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）；アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）；スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などの合成ゴム材料のほか、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル；シリコーン、ポリイミド（ＰＩ）；ポリアミド（ＰＡ）；ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）；ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）；ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）；ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）；ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などが挙げられる。これらの高分子材料は、１種単独で用いてもよいし、２種併用してもよい。
【００４８】
なお、導電性フィラーおよび非導電性の樹脂の他、他の添加剤を含んでいてもよい。
【００４９】
これら導電性樹脂による正極導電性層１１１は（高分子材料が導電性高分子である形態と非導電性樹脂に導電性フィラーを含む形態のどちらも）従来公知の手法により製造できる。たとえば、導電性高分子材料または導電性フィラーを含む非導電性高分子のスラリーを調製し、これを塗布し硬化させる手法が挙げられる。具体的にはたとえば、スプレー法やコーティング法により調整したスラリーを、塗り回数を変えたり、開口径の異なるノズルを使用するなどして、滑らかにあるいは段階的に厚さを変えて塗布する。またインクジェット方式により作製することも可能である。
【００５０】
次に、補強層１１０は、用いる材料の機械的強度に応じて必要最小限の厚み以上とする。しかし、厚すぎても発電要素１７の体積が必要以上に大きくなるため、例えば樹脂を用いる場合は補強層１１０の厚さとして１０〜３０μｍにて構成することが好ましい。
【００５１】
この補強層１１０の厚みは、正極導電性層１１１の厚さの勾配とは逆勾配になるよう形成する。これにより正極集電体１１としての厚みを一定に保つことができ、ひいては単電池層１６としての厚みも一定に保たれて、発電要素１７を組付ける際に単電池層１６が斜めに積層されることを回避することができる。
【００５２】
補強層１１０を構成する材料としては、例えば、樹脂のほかに、セラミック、セラミックと樹脂の複合体などの絶縁性材料が挙げられる。なかでも補強層の軽量化という観点からは、補強層の構成材料は樹脂であることが好ましい。この樹脂も、特に制限はないが、たとえば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などが用いられうる。なかでも、耐熱性という観点からは、ポリイミドまたはポリエチレンテレフタレートが好ましく、ポリイミドが特に好ましい。なお、ポリイミドの具体的な名称としては、カプトン（登録商標）が挙げられる。
【００５３】
なお、本実施形態の二次電池に使用される正極活物質、負極活物質および電解質については、通常リチウムイオン二次電池に使用される物質を使用すればよく特に限定されないため説明を省略する。また、本実施形態の二次電池としてリチウムイオン二次電池以外の二次電池とする場合には、それらに合わせた素材を使用すればよいことは云うまでもない。
【００５４】
（組電池）
次に、上述した二次電池の利用形態の一つである組電池について説明する。
【００５５】
図４は、上述した二次電池から構成される組電池の代表的な実施形態の外観図であって、図４Ａは組電池の平面図、図４Ｂは組電池の正面図であり、図４Ｃは組電池の側面図である。
【００５６】
図４に示すように、組電池３００は、まず、上述した二次電池を複数、直列および並列に接続して組電池２５０を構成し、さらにこの組電池２５０を複数、直列および並列に接続している。これにより、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した組電池３００となる。
【００５７】
組電池２５０は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、接続治具３１０を用いて複数段積層される。組電池２５０は、接続治具３１０によってくみつけられるため組電池３００に対して装脱着可能となっている。なお、組電池３００に組み込む組電池２５０の数およびその接続形態（直列か並列か）は、それを搭載する車両（電気自動車など）が必要とする電池容量や出力に応じて決めればよい。
【００５８】
なお、組電池２５０を構成する際の個々の二次電池１の接続形態（直列か並列か）についても同様であり、所望する出力電圧や電池容量に応じて決めればよい。
【００５９】
（車両）
次に、上述した二次電池の利用形態の一つである車両への搭載について説明する。
【００６０】
図５は、上述した二次電池を搭載した車両の例を説明するための図である。
【００６１】
本実施形態の二次電池電池は、例えば上述した組電池３００の形態に組み上げて、図５に示すように、たとえば電気自動車４００のような車両に搭載されうる。電気自動車４００に搭載された二次電池電池は、例えば、車両のモータを駆動する電源として用いられうる。
【００６２】
図示した電気自動車４００の例では、電気自動車４００の車体中央部の座席下に組電池３００を搭載している。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池３００を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。
【００６３】
以上説明した本実施形態１によれば、以下のような効果を奏する。
【００６４】
本実施形態の正極集電体１１は、補強層１１０の片面または両面に正極導電性層１１１を接合させてなる構造とした。そして正極導電性層１１１は、第１端部１１２からそれとは反対側の第２端部１１３方向に質量が重くなるように質量勾配を持たせた。具体的には厚さが第１端部１１２から第２端部１１３方向に厚くなるようにしている。したがって、正極導電性層１１１は第１端部１１２から第２端部１１３方向にシート抵抗が低くなって電流が流れやすくなっている。
【００６５】
これにより、第１端部１１２側から第２端部１１３側に行くほど電気抵抗値が相対的に小さくなり、かつ熱容量も大きく保つことができる。したがって、二次電池１から電力を取り出すとき、および充電するときには、電流が集中する正極集電タブ１８を接続する側において余裕を持って電流を流すことが可能となる。その結果、正極集電タブ１８が接続されて電流が集中する側だけが相対的に発熱するようなことがなくなり、電池全体としても温度上昇を招くことが少ない。したがって発熱による充放電時のロスも少ない二次電池となる。
【００６６】
またこの構成により、十分な充放電レートを確保することができるため充放電特性がよくなる。
【００６７】
また、正極導電性層１１１の厚さを、二次電池内部で短絡が生じた際に、その温度上昇意より焼き切れる厚さとすることで、耐異常時の耐久性を向上することができる。そして、上記のような正極導電性層１１１の構成とすることで、そのように薄くした場合でも十分な充放電レートを確保することができる。
【００６８】
また、補強層１１０を設け、この補強層１１０に沿って正極導電性層１１１を配置したことで、正極導電性層１１１単独では十分な強度を得ることができない場合でも、正極集電体１１全体としては、十分な強度を確保することができる。しかも、補強層１１０は、その厚みの勾配を正極導電性層１１１の厚みの勾配と逆勾配としたことで、正極集電体１１としては平坦な構造とすることができる。そのため、二次電池を構成する際に斜めに積層されることがなく、組付け性がよい。
【００６９】
また、質量勾配は、第１端部１１２から第２端部１１３方向に直交する方向には単位面積あたり同一質量となるようにしたので、正極導電性層１１１の厚さを違える加工も容易である。
【００７０】
また、本実施形態の二次電池を複数接続した組電池２５０および３００とすることで、さまざまな出力電圧や電池容量とすることができる。しかも、一つひとつの電池は本実施形態の二次電池であるので、充放電特性がよいので高速充電に適したものとなる。このため高速充電時においても温度上昇が少なく、高い耐久性を有する。
【００７１】
さらに、上記組電池３００を用いた電気自動車４００は、組電池３００が高速充電時においても温度上昇が少なく、高い耐久性を有するので、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。したがって、これを車両に搭載したことで、二次電池の交換回数も少なくでき、さらに、発熱による充放電時のロスも少ないので、燃費に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。
【００７２】
［実施形態２］
図６は、実施形態２の二次電池を説明するための要部断面図である。
【００７３】
本実施形態２の二次電池２は、負極集電体１４を非導電性材料で構成される補強層１４０の両面に負極導電性層１４１を形成したものを使用している。負極導電性層１４１以外の他の構成は、実施形態１と同様であるので説明は省略する。なお、負極導電性層１４１は、図６に示した補強層１４０を挟んで２枚あるうちの一方を云う。以下、負極導電性層１４１という場合は同じ意味である。
【００７４】
ここで用いている負極導電性層１４１（導電材）は、第１端部１４２側からそれとは反対側の第２端部１４３側にかけて厚みが薄くなるように形成している。負極集電タブ１９（図２参照）を電気的に接続する負極端子リード２１が接続される
これにより、負極導電性層１４１は、第１端部１４２から第２端部１４３方向に単位面積あたりの質量が重くなっている。これに伴いそのシート抵抗も第１端部１４２から第２端部１４３方向に低くなっている。すなわち、第１端部１４２から第２端部１４３方向に電流が流れやすくなっているのである。
【００７５】
なお、最外層の負極集電体１４ａは、補強層１４０に対して正極活物質層１２に対向する負極導電性層１４１が形成される方にのみ負極導電性層１４１が形成されてなる。
【００７６】
この負極導電性層１４１は、用いる材料に特に制限はなく、たとえば、金属や導電性高分子が採用されうる。具体的には、金属の場合は、例えば、ニッケル、銅、ステンレスなどの金属材料が挙げられる。なかでも、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、銅が好ましい。
【００７７】
一方、本実施形態２では、正極集電体１１は、その厚みに変化はなく、均等な厚みの一枚板（たとえばアルミニウムや銅などの金属箔膜）としている。
【００７８】
正極集電体１１をたとえば、厚さについて特別な考慮をしないアルミニウムで構成し、負極導電性層１４１を銅の薄膜で上記のように厚さに勾配を持たせた構成とすることができる。この場合、アルミニウムの融点（６６０℃）よりも銅の融点（１０８３℃）が高いために、内部短絡が発生した際は、アルミニウムが特別厚さについて考慮しなくても先に焼き切れる。
【００７９】
また、仮に、図７に示すように、本実施形態２の二次電池２な複数の電池に外部から導電体９００が貫通した場合、正極集電体１１が焼ききれても、導電体９００が正極活物質１５に接触しているため正極集電体として作用する。このため隣接する単電池１６の間では負極導電性層１４１および負極集電タブ１９を通して短絡回路が形成されて短絡電流Ｉが流れ続ける。なお、負極導電性層１４１は、図２において負極集電体１４となるものであるから、その第２端部１４３側が負極集電タブ１９により互いに電気的に接続されている。
【００８０】
そこで、負極導電性層１４１の厚みを薄く、たとえば最大厚さを３μｍ以下に形成すれば、銅であっても瞬時に発熱より溶解し焼き切れる。このため内部短絡が発生した場合には、内部短絡部位の発熱による温度上昇が、その周囲に及ぶ前に電流を遮断することができる。
【００８１】
なお、銅を用いた場合の厚さの下限値（特に第１端部側）については特に限定されず、電流を流すことができる最小限の厚さでよい。特に本実施形態においても、補強層１４０が設けられているため、金属薄膜単独で、その形状が維持できないほど薄くても電流を流すことができれば問題ない。
【００８２】
一方、補強層１４０は負極導電性層１４１の厚みの勾配と逆勾配の厚みで形成されている。この補強層１４０については、実施形態１で説明したものと同じでよいので、詳細な説明は省略する。
【００８３】
また、負極集電体の材料として導電性樹脂を用いる場合も、実施形態１と同様の導電性樹脂を用いることができる。さらに、本実施形態２においても実施形態１同様にリチウムイオン電池以外の電池でも適用可能である。
【００８４】
以上説明した本実施形態２によれば、以下のような効果を奏する。
【００８５】
本実施形態の負極集電体１４として、補強層１４０の片面または両面に負極導電性層１４１を接合させてなる構造とした。そして、負極導電性層１４１は、第１端部１４２からそれとは反対側の第２端部１４３方向に質量が重くなるように勾配を持たせ、第２端部１４３側に負極集電タブ１９を電気的に接続している。具体的にはその厚さが、第１端部１４２から第２端部１４３方向に厚くなるようにしている。したがって、負極導電性層１４１は第１端部１４２から第２端部１４３方向にシート抵抗が低くなっている。
【００８６】
これにより、第１端部１４２側から第２端部１４３側に行くほど電気抵抗値が相対的に小さくなり、かつ熱容量も大きく保つことができる。したがって、二次電池２から電力を取り出すとき、および充電するときには、電流が集中する負極集電タブ１９を接続する側において余裕を持って電流を流すことが可能となる。その結果、電流が集中する負極集電タブ１９を接続する側だけが相対的に発熱するようなことがなくなり、電池全体としても温度上昇を招くことが少ない。したがって発熱による充放電時のロスも少ない二次電池となる。
【００８７】
またこの構成により、十分な充放電レートを確保することができるため充放電特性がよくなる。
【００８８】
また、負極導電性層１４１の厚さを、二次電池内部で短絡が生じた際に、その温度上昇意より焼き切れる厚さとすることで、耐異常時の耐久性を向上することができる。そして、上記のような負極導電性層１４１の構成とすることで、そのように薄くした場合でも十分な充放電レートを確保することができる。
【００８９】
また、補強層１４０を設け、この補強層１４０に沿って負極導電性層１４１を配置したことで、負極導電性層１４１単独では十分な強度を得ることができない場合でも、正極集電体１１全体としては、十分な強度を確保することができる。しかも、補強層１４０は、その厚みの勾配を負極導電性層１４１の厚みの勾配と逆勾配としたことで、負極集電体１４としては平坦な構造とすることができる。そのため、二次電池を構成する際に斜めに積層されることがなく、組付け性の悪化を抑制することができる。
【００９０】
また、質量勾配は、第１端部１４２から第２端部１４３方向に直交する方向には単位面積あたり同一質量となるようにしたので、負極導電性層１４１の厚さを違える加工も容易である。
【００９１】
さらに、本実施形態２の二次電池２についても、実施形態１同様に、組電池として構成することができる。また、この組電池を車両に搭載することもできる。この場合、組電池および車両としての作用効果なども実施形態１と同様に得ることができる。
【００９２】
［実施形態３］
図８は、実施形態３の二次電池を説明するための要部断面図である。
【００９３】
本実施形態３の二次電池３は、前述した実施形態１と実施形態２を統合した形態である。すなわち、正極集電体１１は非導電性材料で構成される補強層１４０の両面に正極導電性層１１１（導電材）を形成したものを使用している。正極導電性層１１１は第１端部１１２側からそれとは反対側の第２端部１１３側にかけて厚みが厚くなるように形成している。そして第２端部１１３側に、正極集電タブ１８（図２参照）を電気的に接続する正極端子リード２０が接続される。なお、正極導電性層１１１は、図８に示した補強層１１０を挟んで２枚あるうちの一方を云う。以下、正極導電性層１１１という場合は同じ意味である。
【００９４】
一方、負極集電体１４は、非導電性材料で構成される補強層１４０の両面に負極導電性層１４１（導電材）を形成したものを使用している。負極導電性層１４１は第１端部１４２側からそれとは反対側の第２端部１４３側にかけて厚みが厚くなるように形成している。そして、第２端部１４３側に負極集電タブ１９（図２参照）を電気的に接続する負極端子リード２１が接続される。なお、負極導電性層１４１は、図６に示した補強層１４０を挟んで２枚あるうちの一方を云う。以下、負極導電性層１４１という場合は同じ意味である。
【００９５】
したがって、正極導電性層１１１の構成は実施形態１と同様であり、負極導電性層１４１の構成は実施形態２と同様であるので、それらの詳細な説明は省略する。また、これら以外の構成についても実施形態１または実施形態２と同様であるので説明は省略する。
【００９６】
この本実施形態３によれば、以下のような効果を奏する。
【００９７】
正極集電体１１および負極集電体１４の両方を、それぞれ質量勾配を持たせた正極導電性層１１１および負極導電性層１４１を用いたことで、いっそう熱の偏りを抑えることができる。そして充放電レートもいっそう保たれるようになって高い電池性能を引き出すことができる。また、正極導電性層１１１および負極導電性層１４１の両方の溶解・焼切れ性を高めるために両方の厚さを極限まで薄くすることができる。したがって、電池の内部への異物混入やデンドライト成長に伴う内部短絡時および複数の電池に外部から導電体が貫通するような短絡時の場合に、面内のどの位置で短絡しても即刻、短絡電流の流れを遮断することができる。しかも充放電レートは十分に保って電池性能を向上させることができる。
【００９８】
また、本実施形態３では、正負極の集電タブ１８および１９を、二次電池の対向する位置に配置した。これにより正極導電性層１１１が厚い方向から薄い方向に対して負極導電性層１４１が薄い方向から厚い方向となるように積層されることになる。したがって、正極集電体１１と負極集電体１４で、その電気抵抗値の勾配の向きを逆になる。
【００９９】
このようにしたことで、仮に電池外部から導電性部材が貫通して電池内部で短絡が発生した場合、導電性部材が面内のどこで貫通しても正負極のいずれか薄い方が先に焼き切れるようになり、短絡電流の遮断性を向上することができる。したがって、電池の内部短絡に起因する安全性をさらに向上することができる。
【０１００】
そのほか、質量勾配をつけるための厚さや補強層については本実施形態３でも実施形態１および２と同様の効果を有する。
【０１０１】
もちろん本実施形態３においても、組電池とすることもできるし、車両に搭載することも可能であり、上述した実施形態１で説明した組電池および車両と同様の効果を得ることができる。
【０１０２】
［実施形態４］
図９は実施形態４の二次電池を説明するための要部断面図であり、図１０は実施形態４の正極集電体を説明するための説明図であり、図１０Ａは平面図、図１０Ｂは図１０ＡにおけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。断面図である。
【０１０３】
本実施形態４は、正極集電体１１として、補強層１１０の片面または両面に多孔体構造の正極導電性層１６１を設けた構造としたものである。そして、正極導電性層１６１は、第１端部１６２からそれとは反対側の第２端部１６３方向に単位面積あたりの多孔体の空隙率が段階的または滑らかに小さくするよう構成されている。そして、第２端部１６３側に正極集電タブ１８を電気的に接続する正極リード２０を接続している。
【０１０４】
すなわち、正極導電性層１６１は、図１０に示すように、たとえば、空隙部分１６８の数が第１端部１６２から第２端部１６３方向に少なくなっている。これにより導電要素部分１６７の面積が第１端部１６２から第２端部１６３方向に多くなって、導電材としては単位面積あたりの質量が重くなる。これによりシート抵抗も第１端部１６２から第２端部１６３方向に低くなって、第１端部１６２から第２端部１６３方向に電流が流れやすくなるようにしている。
【０１０５】
空隙部分１６８の大きさは、特に限定されるものではないが、正極活物質からの電流を受けて、第１端部１６２から第２端部１６３方向に確実に電流が流れるようにしておく必要がある。この観点からは、たとえば０．１〜数百μｍ程度の大きさが好ましい。これは、空隙部分１６８の大きさがあまり大きいと導電要素部分１６７が途切れたり、隙間が大きくなりすぎて集電作用が低下するおそれがあるためである。
【０１０６】
その他の構成は実施形態１と同様であるので説明は省略する。
【０１０７】
この本実施形態４によれば、以下のような効果を奏する。
【０１０８】
本実施形態４では、空隙率を違えて質量勾配をつけシート抵抗に変化をつけることとしたので、正極導電性層１６１の厚みに勾配をつける必要がない。したがって、補強層１１０の厚みにも勾配をつける必要がないため、正極導電性層１６１および補強層１１０の加工性がよくなる。もちろん、電池の充放電レートを保って電池性能を確保しつつ正極導電性層１６１の溶解・焼切れ性を向上させることもできる。
【０１０９】
そのほか補強層については本実施形態４でも実施形態１および２と同様の効果を有する。
【０１１０】
なお、本実施形態４の構成は、負極導電性層１４についても適用することができる。また、正極集電体１１と負極集電体１４の双方に適用することも可能である。さらに、これら形態の二次電池を組電池とし、また車両に搭載できることは実施形態１で説明したものと同様であり、それらの作用効果も同様に得ることができる。
【０１１１】
また、多孔体構造は、その空隙部分１６８としてハニカム構造に似た６角形の場合を図示したが、このような形状以外にも、円形（楕円形を含む）やその他の多角形や不定形形状などであってもよい。また、空隙率を違えるためには空隙部分１６８の単位面積あたりの数を違えるのではなく、空隙部分１６８の単位面積あたりの大きさを違えることでもよい。さらに多孔体構造の空隙部分１６８は、空間とするのではなく非導電性素材（例えば樹脂）によって埋め込まれた構造であってもよい。つまり、導電材である正極導電性層１６１は、空隙または非導電性素材からなる非導電部の割合（非導電部の体積／導電材全体の体積）が第１端部から第２端部の方向へ小さくなるように構成されていればよいのである。
【０１１２】
また、図では平面的に空隙部分１６８が存在するように示したが、これは、厚さ方向に存在するようにしてもよいし、ポーラス構造のようにしてもよい。もちろんこれらの場合も、非導電部の割合（非導電部の体積／導電材全体の体積）が第１端部１６２から第２端部１６３の方向へ小さくなるように構成されていればよいのである。
【０１１３】
さらに本実施形態４の応用として、正極導電性層１６１として非導電性樹脂に導電性フィラーを配合した導電性樹脂を用いて、導電性フィラーの配合比率を単位面積あたりで違えることでもシート抵抗に差をつけることができる。
【０１１４】
つまり、第１端部１６２から第２端部１６３方向に、段階的にまたは滑らかに非導電性樹脂に対する導電性フィラーの配合量を多くするのである。これにより正極導電性層１６１の導電材としてのシート抵抗は第１端部１６２から第２端部１６３方向に低くなって、この方向に電流が流れやすくなる。この場合も正極導電性層１６１の厚さに変化をつけることなくシート抵抗を変化させることができる。
【０１１５】
［実施形態５］
図１１は実施形態５の正極集電体を説明するための説明図であり、図１１Ａは平面図、図１１Ｂは断面図である。
【０１１６】
本実施形態５は、前述した実施形態１における正極導電性層１１１の厚さを下記のようにしたものである。正極端子リード２０が接続された部分を略中心とした同心円の円弧（図示点線）上では同じ厚さにし、円弧に対し直交する方向（図示矢印）でかつ第１端部１１２から第２端部１１３方向には厚くなるようにしている。なお正極端子リード２０は第２端部１１３側に接続されている。これにより各矢印方向の断面を見れば、図１１Ｂのように正極導電性層１１１の厚さに勾配ができる。したがって、第１端部１１２から第２端部１１３方向を含む、正極集電タブ１８との電気的接続点となる略中心から円弧に対し直交する方向に質量勾配が生まれて、シート抵抗もこの方向に低くなる。ここで「略中心」としたのは、機械的な取り付け誤差の範囲があるためである。
【０１１７】
この際、補強層１１０は、正極導電性層１１１の勾配と逆勾配で形成されることは第１実施形態１と同様である。また、そのほかの構成も実施形態１と同様であるので説明を省略する。
【０１１８】
この本実施形態５によれば、以下のような効果を奏する。
【０１１９】
正極端子リード２０の幅Ｗ１に対して、正極導電性層１１１の幅Ｗ２が大きい場合などには、電流が正極端子リード２０の全周囲方向から流れ込む。このため第１端部１１２から第２端部１１３に向けて一方向に勾配をつける場合と比較して、特に第１端部１１２の辺に直交する辺１１４や１１５近傍の厚みを薄くすることができる。これにより、第１端部１１２の辺に直交する辺１１４や１１５から第２端部１１３方向である正極集電タブ１８との電気的接続点への電流の流れもよくなる。このため電池の充放電レートを保って電池性能を確保しつつ正極導電性層１１１の溶解・焼切れ性をさらに向上させることができる。
【０１２０】
なお、本実施形態５は、負極導電性層１４にも適用可能であるし、正極集電体１１と負極集電体１４の双方に適用することもでき、それらの場合に同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
また、図においては、正極端子リード２０が接続された部分（集電タブとの電気的接続点）を正極集電体の一つの辺（第２端部１１３の辺）の中ほどに設けているが、この電気的接続点は正極集電体の一つの辺の端であってもよい。その場合も正極端子リード２０が接続された部分を略中心をして同心円の円弧上では正極導電性層１１１の厚さを同じ厚さにし、円弧に対し直交する方向でかつ第１端部１１２から第２端部１１３方向には厚くする。これにより上記効果と同じ効果を得ることができる。そのほか本実施形態は正極端子リード２０が接続された部分が正極集電体のどこであっても同じように実施可能である。もちろん負極集電体においても同様に実施できる。
【０１２２】
以上、本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【０１２３】
たとえば、上述した実施形態は、厚さの勾配（実施形態１〜３および５）においては、図示上滑らかな勾配をつけて説明したが、段差的な勾配であってもよい。
【０１２４】
また、上述した実施形態は、積層型の扁平な形状の二次電池により説明したが、そのほかにも巻回型の二次電池である、円筒型形状（楕円形状を含む）、角型形状のものであってもよい。円筒型や角型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶（金属缶）を用いてもよいなど特に制限されるものではない。
【０１２５】
また上述した実施形態は、リチウムイオン二次電池を例に説明した。これは、リチウムイオン二次電池が単電池（１セル）当たりの電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成でき、車両の駆動電源用や補助電源用として優れているためである。しかし本発明は、これに限らず、その他にもたとえばニッケル水素二次電池などにも適用可能である。
【０１２６】
また、本実施形態の二次電池や組電池は、車両に搭載する以外にも、たとえば無停電電源装置などの載置用電源（固定型電源）として利用することも可能である。
【０１２７】
そのほか、本発明は、本発明の技術思想の範囲内においてさまざまな実施形態が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１２８】
１、２、３、４ 二次電池、
１１ 正極集電体、
１４ 負極集電体、
１８ 正極集電タブ、
１９ 負極集電タブ、
２０ 正極端子リード、
２１ 負極端子リード、
１１０、１４０ 補強層、
１１１、１６１ 正極導電性層
１１２、１４２、１６２ 第１端部、
１１３、１４３、１６３ 第２端部、
１４１ 負極導電性層、
１６７ 導電要素部分、
１６８ 空隙部分。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極活物質層が形成された第１集電体と、
前記正極活物質層に対して電解質層を介在させて対向する位置に配置された負極活物質層が形成された第２集電体と、
前記第１集電体および前記第２集電体のうち少なくとも一方の集電体に含まれ、第１端部からそれに対向する第２端部の方向に単位面積当たりの質量が重くなるように質量勾配をつけた導電材と、
前記第２端部側に電気的に接続された集電タブと、
を有することを特徴とする二次電池。
【請求項２】
正極活物質層が形成された第１集電体と、
前記正極活物質層に対して電解質層を介在させて対向する位置に配置された負極活物質層が形成された第２集電体と、
前記第１集電体および前記第２集電体のうち少なくとも一方の集電体に含まれ、第１端部からそれに対向する第２端部の方向にシート抵抗が低くなっている導電材と、
前記第２端部側に電気的に接続された集電タブと、
を有することを特徴とする二次電池。
【請求項３】
前記導電材は、厚みが前記第１端部から前記第２端部方向に厚くなっていることを特徴とする請求項１または２記載の二次電池。
【請求項４】
前記集電体は、前記導電材に沿って配置された補強層を含み、
前記補強層の厚みが前記導電材の厚みと逆に変化していることを特徴とする請求項３記載の二次電池。
【請求項５】
前記導電材は、導電部と非導電部とからなり、前記導電材内における単位面積あたりの前記非導電部の割合（前記非導電部の体積／前記導電材全体の体積）が前記第１端部から前記第２端部の方向へ小さくなることを特徴とする請求項１または２記載の二次電池。
【請求項６】
前記導電材は、前記第１端部から前記第２端部の方向に対して直交する方向には単位面積当たりの質量が同一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の二次電池。
【請求項７】
前記導電材は、前記集電タブが電気的に接続された部分を中心とする同心円の円弧方向には単位面積当たりの質量が同一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の二次電池。
【請求項８】
前記導電材を含む集電体を前記第１集電体および前記第２集電体の両方に用いて、当該第１集電体における第１端部と当該第２集電体における第２端部が互いに向かい合う位置となるように、前記第１集電体における前記正極活物質層、前記電解質層、および前記第２集電体における前記負極活物質層が積層されて、前記集電タブが互いに対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の二次電池。
【請求項９】
前記正極活物質層はリチウムを含み、リチウムイオン二次電池になることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の二次電池。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電池が複数電気的に接続されてなることを特徴とする組電池。
【請求項１】
正極活物質層が形成された第１集電体と、
前記正極活物質層に対して電解質層を介在させて対向する位置に配置された負極活物質層が形成された第２集電体と、
前記第１集電体および前記第２集電体のうち少なくとも一方の集電体に含まれ、第１端部からそれに対向する第２端部の方向に単位面積当たりの質量が重くなるように質量勾配をつけた導電材と、
前記第２端部側に電気的に接続された集電タブと、
を有することを特徴とする二次電池。
【請求項２】
正極活物質層が形成された第１集電体と、
前記正極活物質層に対して電解質層を介在させて対向する位置に配置された負極活物質層が形成された第２集電体と、
前記第１集電体および前記第２集電体のうち少なくとも一方の集電体に含まれ、第１端部からそれに対向する第２端部の方向にシート抵抗が低くなっている導電材と、
前記第２端部側に電気的に接続された集電タブと、
を有することを特徴とする二次電池。
【請求項３】
前記導電材は、厚みが前記第１端部から前記第２端部方向に厚くなっていることを特徴とする請求項１または２記載の二次電池。
【請求項４】
前記集電体は、前記導電材に沿って配置された補強層を含み、
前記補強層の厚みが前記導電材の厚みと逆に変化していることを特徴とする請求項３記載の二次電池。
【請求項５】
前記導電材は、導電部と非導電部とからなり、前記導電材内における単位面積あたりの前記非導電部の割合（前記非導電部の体積／前記導電材全体の体積）が前記第１端部から前記第２端部の方向へ小さくなることを特徴とする請求項１または２記載の二次電池。
【請求項６】
前記導電材は、前記第１端部から前記第２端部の方向に対して直交する方向には単位面積当たりの質量が同一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の二次電池。
【請求項７】
前記導電材は、前記集電タブが電気的に接続された部分を中心とする同心円の円弧方向には単位面積当たりの質量が同一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の二次電池。
【請求項８】
前記導電材を含む集電体を前記第１集電体および前記第２集電体の両方に用いて、当該第１集電体における第１端部と当該第２集電体における第２端部が互いに向かい合う位置となるように、前記第１集電体における前記正極活物質層、前記電解質層、および前記第２集電体における前記負極活物質層が積層されて、前記集電タブが互いに対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の二次電池。
【請求項９】
前記正極活物質層はリチウムを含み、リチウムイオン二次電池になることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の二次電池。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電池が複数電気的に接続されてなることを特徴とする組電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２３２４９（Ｐ２０１１−２３２４９Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６８２０３（Ｐ２００９−１６８２０３）
【出願日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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