二次電池
【課題】 充放電に伴う二次電池の面圧のバラツキを抑制する。
【解決手段】 二次電池（１）は、充放電を行う発電要素（２０）と、円筒形状に形成され、発電要素を収容するケース（１０）と、を有する。発電要素は、積層体（２５）および軸芯（２４）を有する。積層体は、正極板（２１）および負極板（２２）がセパレータ（２３）を挟んで積層されることによって構成されており、充放電に伴う化学反応が行われる反応領域（Ａ）を含んでいる。軸芯には、所定軸の周りに沿って積層体が巻き付けられる。所定軸が延びる方向における反応領域の両端部（Ｂ）では、軸芯は、積層体と接触しており、反応領域のうち両端部を除く領域では、軸芯は、積層体から離れている。
【解決手段】 二次電池（１）は、充放電を行う発電要素（２０）と、円筒形状に形成され、発電要素を収容するケース（１０）と、を有する。発電要素は、積層体（２５）および軸芯（２４）を有する。積層体は、正極板（２１）および負極板（２２）がセパレータ（２３）を挟んで積層されることによって構成されており、充放電に伴う化学反応が行われる反応領域（Ａ）を含んでいる。軸芯には、所定軸の周りに沿って積層体が巻き付けられる。所定軸が延びる方向における反応領域の両端部（Ｂ）では、軸芯は、積層体と接触しており、反応領域のうち両端部を除く領域では、軸芯は、積層体から離れている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形状のケースに発電要素を収容した、いわゆる円筒型の二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒型の電池では、充放電を行う発電要素を、円筒形状のケースに収容している。発電要素は、特許文献１に記載されているように、正極板および負極板がセパレータを挟んで積層されており、正極板、負極板およびセパレータは、軸芯に巻かれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−０５０３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者は、電池の充放電によっては、電池の一部分における面圧だけが、他の部分における面圧よりも大きく変化してしまうことが分かった。ここで、電池の面圧が上昇するときには、電池が膨張しており、電池の面圧が低下するときには、電池が収縮している。面圧の大きな変化を抑制すれば、電池の劣化を抑制することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明である二次電池は、充放電を行う発電要素と、円筒形状に形成され、発電要素を収容するケースと、を有する。発電要素は、積層体および軸芯を有する。積層体は、正極板および負極板がセパレータを挟んで積層されることによって構成されており、充放電に伴う化学反応が行われる反応領域を含んでいる。軸芯には、所定軸の周りに沿って積層体が巻き付けられる。所定軸が延びる方向における反応領域の両端部では、軸芯は、積層体と接触しており、反応領域のうち両端部を除く領域では、軸芯は、積層体から離れている。
【０００６】
反応領域の両端部では、反応領域の他の領域に比べて、二次電池の面圧が変化しやすい。したがって、反応領域の両端部において、軸芯を積層体に接触させて荷重を与えれば、反応領域の両端部における面圧の変化を抑えることができる。これにより、所定軸が延びる方向において、面圧のバラツキを抑制することができ、電池の劣化を抑制することができる。
【０００７】
所定軸が延びる方向における発電要素の一端では、正極板の一部が突出して巻かれており、正極板の一部が巻かれた部分は、ケースの一部（正極端子）と電気的に接続されている。所定軸が延びる方向における発電要素の他端では、負極板の一部が突出して巻かれており、負極板の一部が巻かれた部分は、ケースの一部（負極端子）と電気的に接続されている。
【０００８】
積層体の一部は、軸芯から離れているため、所定軸の周りで巻かれた積層体の内周面と軸芯との間には、スペースが形成される。このスペースには、電解液を収容しておくことができる。発電要素の外部に電解液が漏れたときには、上記スペースに収容された電解液を発電要素の内部に浸入させることができる。これにより、発電要素に含まれる電解液の量が低減するのを抑制でき、電池特性（例えば、容量維持率）が劣化するのを抑制することができる。
【０００９】
軸芯は、所定軸に沿って延びるように構成できる。軸芯には、積層体と接触する接触部と、積層体から離れる非接触部とを設けることができる。接触部の径は、非接触部の径よりも大きくすることができる。一方、複数の軸芯を用いることもできる。具体的には、反応領域の両端部のそれぞれに対して、軸芯を配置することができる。
【００１０】
下記式（I）の関係を有することが好ましい。
１４≦Ｗｂ／Ｗａ×１００≦２７ ・・・（I）
【００１１】
式（Ｉ）において、Ｗｂは、反応領域に対して軸芯が接触する領域のうち、所定軸が延びる方向における幅である。Ｗａは、所定軸が延びる方向における反応領域の幅である。式（Ｉ）を満たすように幅Ｗａ，Ｗｂを設定することにより、反応領域のうち、面圧のバラツキが大きくなる領域に対して、荷重を与えやすくなる。荷重を与えることにより、面圧のバラツキを抑制して、電池特性の劣化を抑制することができる。
【００１２】
発電要素の外周面には、加圧部材を配置することができる。加圧部材は、積層体および軸芯の接触領域に対応した領域に荷重を与えるために用いられる。軸芯を用いることにより、発電要素の内部から荷重を与えることができる。また、加圧部材を用いることにより、発電要素の外部から荷重を与えることができる。
【００１３】
２０Ｃ以上のレートにおいて、二次電池を充電又は放電することがあるときには、本発明を好適に用いることができる。２０Ｃ以上のレートで、二次電池を充電又は放電するときには、２０Ｃよりも小さいレートで充電又は放電をするときに比べて、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電池の外観図である。
【図２】発電要素の外観図である。
【図３】発電要素の一部である積層体の展開図である。
【図４】軸芯の外観図である。
【図５】軸芯の断面図である。
【図６】発電要素の断面図である。
【図７】積層体の断面図である。
【図８】発電要素の断面図である。
【図９】レート１Ｃの充電における電池の面圧を示す図である。
【図１０】レート１２Ｃの充電における電池の面圧を示す図である。
【図１１】レート２０Ｃの充電における電池の面圧を示す図である。
【図１２】レート３２Ｃの充電における電池の面圧を示す図である。
【図１３】レート１Ｃの放電における電池の面圧を示す図である。
【図１４】レート１２Ｃの放電における電池の面圧を示す図である。
【図１５】レート２０Ｃの放電における電池の面圧を示す図である。
【図１６】レート３２Ｃの放電における電池の面圧を示す図である。
【図１７】抵抗増加率の変化を示すグラフである。
【図１８】抵抗増加率の変化を示すグラフである。
【図１９】容量維持率の変化を示すグラフである。
【図２０】実施例１の変形例である発電要素の断面図である。
【図２１】実施例１の他の変形例である発電要素の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１である電池について説明する。本実施例で用いられる電池は、いわゆる円筒型電池である。円筒型電池とは、円筒形状のケースに、充放電を行う発電要素を収容した電池である。電池は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池である。
【００１７】
図１は、本実施例である電池の外観図である。電池１は、電池ケース１０と、電池ケース１０に収容される発電要素２０とを有する。電池ケース１０は、ケース本体１１および蓋１２を有しており、アルミニウムなどの金属で形成することができる。蓋１２は、突起部１２を有している。
【００１８】
ケース本体１１は、円筒状に形成されている。ケース本体１１の長手方向（図１の左右方向）における一端は、塞がれており、ケース本体１１の長手方向における他端には、開口部が形成されている。ケース本体１１の開口部は、蓋１２によって塞がれる。ケース本体１１および蓋１２の接続は、例えば、カシメや溶接によって行うことができる。ケース本体１１および蓋１２を接続することにより、電池ケース１０の内部は、密閉状態となる。
【００１９】
蓋１２およびケース本体１１の接続部分には、樹脂などの絶縁部材が配置されており、蓋１２およびケース本体１１は、絶縁状態となっている。ケース本体１１は、電池１の負極端子として用いられ、蓋１２は、電池１の正極端子として用いられる。
【００２０】
電池１は、車両に搭載することができる。具体的には、複数の電池１を用いて組電池を構成し、組電池を車両に搭載することができる。組電池は、車両を走行させるための動力源として用いることができる。複数の電池１は、直列に接続したり、並列に接続したりすることができる。複数の電池１を直列に接続すれば、組電池の出力を増加させることができる。複数の電池１を並列に接続すれば、組電池の容量を増加させることができる。
【００２１】
組電池から出力された電気エネルギを、モータ・ジェネレータによって運動エネルギに変換すれば、この運動エネルギを用いて車両を走行させることができる。また、車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換することができる。モータ・ジェネレータによって生成された電気エネルギは、回生電力として、組電池に蓄えることができる。
【００２２】
図２は、発電要素２０の外観図である。図３は、発電要素２０の一部を展開した図である。発電要素２０は、充放電を行う要素である。
【００２３】
発電要素２０は、軸芯２４を有しており、軸芯２４は、一方向（図２の左右方向）に延びている。軸芯２４の周りには、図３に示す正極板２１、負極板２２およびセパレータ２３が巻かれている。軸芯２４は、中空構造を有しており、貫通孔２４ａは、軸芯２４の長手方向に延びている。
【００２４】
正極板２１は、集電板２１ａと、集電板２１ａの表面に形成された活物質層２１ｂとを有する。活物質層２１ｂは、集電板２１ａの両面に形成されている。活物質層２１ｂは、集電板２１ａの一部の領域に形成されており、正極板２１の一端では、集電板２１ａが露出している。活物質層２１ｂは、正極活物質、導電材、バインダーなどを含んでいる。電池１としてリチウムイオン二次電池を用いるときには、例えば、正極活物質として、マンガン酸リチウムやコバルト酸リチウムを用い、集電板２１ａとして、アルミニウムを用いることができる。
【００２５】
負極板２２は、集電板２２ａと、集電板２２ａの表面に形成された活物質層２２ｂとを有する。活物質層２２ｂは、集電板２２ａの両面に形成されている。活物質層２２ｂは、集電板２２ａの一部の領域に形成されており、負極板２２の一端では、集電板２２ａが露出している。活物質層２２ｂは、負極活物質、導電材、バインダーなどを含んでいる。電池１としてリチウムイオン二次電池を用いるときには、例えば、負極活物質として、カーボンを用い、集電板２２ａとして、銅を用いることができる。
【００２６】
セパレータ２３は、正極板２１および負極板２２の間に配置されている。セパレータ２３には、電解液が含まれている。電解液は、正極板２１の活物質層２１ｂや、負極板２２の活物質層２２ｂにも含まれている。発電要素２０は、２つのセパレータ２３を有しており、２つのセパレータ２３の間には、負極板２２が配置されている。
【００２７】
図３に示すように、正極板２１、負極板２２およびセパレータ２３を積層して積層体２５を構成し、積層体２５を軸芯２４の周りに巻き付けることにより、発電要素２０が構成される。軸芯２４の外周面には、セパレータ２３が接触している。また、図２に示すように、発電要素２０の外周面には、セパレータ２３が位置している。軸芯２４の長手方向における一端では、正極板２１の集電板２１ａだけが巻かれており、軸芯２４の長手方向における他端では、負極板２２の集電板２２ａだけが巻かれている。
【００２８】
正極板２１の集電板２１ａだけが巻かれた部分は、リード（不図示）を介して、電池ケース１０の蓋１２と接続されている。すなわち、正極板２１（集電板２１ａ）は、電池１の正極端子として用いられる蓋１２と電気的に接続されている。負極板２２の集電板２２ａだけが巻かれた部分は、リード（不図示）を介して、電池ケース１０のケース本体１１と接続されている。すなわち、負極板２２（集電板２２ａ）は、電池１の負極端子として用いられるケース本体１１と電気的に接続されている。
【００２９】
図４は、軸芯２４の外観図であり、図５は、軸芯２４の断面図である。軸芯２４は、長手方向における両端において、２つの大径部（接触部に相当する）２４ａを有する。２つの大径部２４ａの間には、小径部（非接触部に相当する）２４ｂが位置している。大径部２４ａおよび小径部２４ｂは、一体的に形成されている。大径部２４ａは、直径Ｄ１を有しており、小径部２４ｂは、直径Ｄ２を有している。
【００３０】
直径Ｄ２は、直径Ｄ１よりも小さい。直径Ｄ１，Ｄ２は、例えば、下記式（１）の関係を満たすように設定することができる。
Ｄ１：Ｄ２＝１０：８ ・・・（１）
【００３１】
図６は、軸芯２４の長手方向に沿って発電要素２０を切断したときの断面図である。正極板２１、負極板２２およびセパレータ２３の積層体２５が、軸芯２４に巻き付けられたとき、積層体２５の内周面（具体的には、セパレータ２３）は、大径部２４ａの外周面に接触するとともに、小径部２４ｂの外周面から離れている。積層体２５の内周面と、小径部２４ｂの外周面との間には、スペースＳが形成されている。
【００３２】
軸芯２４に巻かれた積層体２５は、電池１の充放電時に化学反応が行われる領域（反応領域という）Ａを含んでいる。反応領域Ａは、正極板２１の活物質層２１ｂおよび負極板２２の活物質層２２ｂがセパレータ２３を挟んで互いに向かい合っている領域である。図７は、積層体２５の断面図である。図７に示すように、反応領域Ａでは、活物質層２１ｂおよび活物質層２２ｂが、セパレータ２３を挟んで互いに対向しており、活物質層２１ｂおよび活物質層２２ｂの間で、充放電に伴う化学反応（イオンの移動）が行われる。
【００３３】
本実施例では、負極板２２の活物質層２２ｂの幅Ｗ２が、正極板２１の活物質層２１ｂの幅Ｗ１よりも狭いため、反応領域Ａは、活物質層２２ｂの幅Ｗ２によって規定される。すなわち、反応領域Ａの幅は、活物質層２２ｂの幅Ｗ２と等しくなる。ここでいう幅とは、軸芯２４の長手方向における長さである。活物質層２１ｂの幅Ｗ１が活物質層２２ｂの幅Ｗ２よりも狭いときには、活物質層２１ｂの幅Ｗ１によって、反応領域Ａが規定される。セパレータ２３の幅は、活物質層２１ｂ，２２ｂの幅Ｗ１，Ｗ２よりも広くなっている。
【００３４】
本実施例の電池１では、反応領域Ａのうち、軸芯２４の長手方向における両端部だけに荷重を与えている。積層体２５は、緊張させながら軸芯２４に巻かれるため、軸芯２４の大径部２４ａと接触する領域において、荷重を受ける。積層体２５に荷重を与える領域（拘束領域という）Ｂについて、具体的に説明する。
【００３５】
図８において、軸芯２４の長手方向における反応領域Ａの幅はＷａである。拘束領域Ｂは、反応領域Ａのうち、軸芯２４の大径部２４ａと接触する領域である。大径部２４ａは、軸芯２４の長手方向における両端部に設けられているため、拘束領域Ｂは、軸芯２４の長手方向における反応領域Ａの両端にそれぞれ位置する。拘束領域Ｂの端は、反応領域Ａの端と一致している。軸芯２４の長手方向における拘束領域Ｂの幅は、Ｗｂである。
【００３６】
本願発明者は、レートが異なる条件で充放電を行いながら、電池１の複数箇所における面圧を測定したら、充放電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端部（拘束領域Ｂに相当する）において、面圧が大きく変化することが分かった。電池１の面圧とは、発電要素２０（積層体２５）が膨らんだり、縮んだりするときの圧力である。発電要素２０が膨らめば、面圧が上昇し、発電要素２０が縮めば、面圧が低下することになる。例えば、圧力センサを発電要素２０の測定箇所に配置することにより、面圧を測定することができる。測定箇所は、複数設けられ、複数の測定箇所は、軸芯２４の長手方向において互いに異なる位置にある。
【００３７】
図９から図１２には、レートを変えながら充電を行ったときの電池１の面圧を示している。図９から図１２において、縦軸は、電池１の面圧を示し、横軸は、軸芯２４の長手方向における積層体２５の位置を示している。横軸の一端は、軸芯２４の長手方向における発電要素２０（積層体２５）の一端に相当し、横軸の他端は、軸芯２４の長手方向における発電要素２０の他端に相当する。図９から図１２において、点線は、充電を開始する前の電池１の面圧（０秒時の面圧）を示し、実線は、充電を開始して１０秒経過した後の電池１の面圧を示している。
【００３８】
図９は、１Ｃのレートで充電を行ったときの面圧の変化を示し、図１０は、１２Ｃのレートで充電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図１１は、２０Ｃのレートで充電を行ったときの面圧の変化を示し、図１２は、３２Ｃのレートで充電を行ったときの面圧の変化を示している。図９から図１２に示すように、充電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端（拘束領域Ｂに相当する）における面圧が、反応領域Ａの他の領域よりも高くなる。図９から図１２に示す面圧分布から分かるように、充電時のレートが２０Ｃ以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【００３９】
図１３から図１６には、レートを変えながら放電を行ったときの電池１の面圧を示している。図１３から図１６において、縦軸は、電池１の面圧を示し、横軸は、軸芯２４の長手方向における積層体２５の位置を示している。また、図１３から図１６において、点線は、放電を開始する前の電池１の面圧（０秒時の面圧）を示し、実線は、放電を開始して１０秒経過した後の電池１の面圧を示している。
【００４０】
図１３は、１Ｃのレートで放電を行ったときの面圧の変化を示し、図１４は、１２Ｃのレートで放電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図１５は、２０Ｃのレートで放電を行ったときの面圧の変化を示し、図１６は、３２Ｃのレートで放電を行ったときの面圧の変化を示している。図１３から図１６に示すように、放電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端（拘束領域Ｂに相当する）における面圧が、反応領域Ａの他の領域よりも低下している。図１３から図１６に示す面圧分布から分かるように、放電時のレートが２０Ｃ以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【００４１】
本実施例では、軸芯２４の大径部２４ａを用いて、拘束領域Ｂに荷重を与え、拘束領域Ｂが充放電によって変形（膨張および収縮）するのを抑制するようにしている。積層体２５が部分的に変形するのを抑制すれば、積層体２５の内部における劣化のバラツキを抑制することができる。特に、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電を行うときには、面圧のバラツキが大きくなりやすいため、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電を行う電池１において、本実施例を好適に用いることができる。
【００４２】
拘束領域Ｂは、下記式（２）に基づいて決定することができる。
【００４３】
１４≦Ｗｂ／Ｗａ×１００≦２７ ・・・（２）
図８を用いて説明したように、Ｗａは、反応領域Ａの幅（軸芯２４の長手方向における長さ）を示し、Ｗｂは、各拘束領域Ｂの幅（軸芯２４の長手方向における長さ）を示す。幅Ｗｂは、反応領域Ａの両端を基準とした長さである。
【００４４】
幅Ｗａを決定すれば、上記式（２）に基づいて幅Ｗｂを決定することができる。幅Ｗｂは、上記式（２）を満たす範囲内において、適宜設定することができる。拘束領域Ｂは、面圧の変化量が、反応領域Ａの他の領域よりも大きい領域を特定するものである。
【００４５】
上記式（２）において、幅Ｗａ，Ｗｂの関係が下限値（Ｗｂ／Ｗａ×１００＝１４）よりも小さいと、積層体２５に対して、荷重を与える領域が不十分となるおそれがある。すなわち、積層体２５の膨張および収縮を抑制することに関して、不十分な領域が発生してしまう。また、幅Ｗａ，Ｗｂの関係が、上記式（２）の上限値（Ｗｂ／Ｗａ×１００＝２７）よりも大きいと、面圧の変化量が小さい領域にも荷重を与えることになる。
【００４６】
図１７は、本実施例における電池１の抵抗増加率と、比較例としての電池の抵抗増加率との関係を示す図である。図１７の縦軸は抵抗増加率を示し、横軸はサイクル数を示す。抵抗増加率は、初期状態における電池の抵抗値と、充放電を行った後における電池の抵抗値との関係を示す値であり、抵抗値の増加率を示す値である。抵抗増加率が上昇するほど、電池が劣化していることになる。サイクル数は、所定時間の充放電を繰り返して行うときの回数であり、１サイクルにおいて、所定時間の充放電が１回行われる。
【００４７】
比較例１，２では、反応領域Ａの全体に対して荷重を与えている。本実施例では、拘束領域Ｂだけに荷重を与えている。図１７において、本実施例および比較例１では、３０Ｃのレートで充放電を繰り返している。比較例２では、２０Ｃのレートで充放電を繰り返している。
【００４８】
図１７に示すように、本実施例では、比較例１，２に比べて、抵抗増加率の上昇を抑制することができ、電池１の劣化を抑制することができる。
【００４９】
図１８に示すグラフは、拘束領域Ｂの幅Ｗｂを変更したときの抵抗増加率の変化を示している。図１８の縦軸は、抵抗増加率を示し、横軸は、サイクル数を示している。図１８に示すグラフは、所定レートで充放電を繰り返したときの測定結果を示している。
【００５０】
グラフＧ１１は、反応領域Ａの全体に荷重を与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ１２，Ｇ１３は、反応領域Ａの一部（拘束領域Ｂ）に荷重を与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ１２の試験では、下記式（３）の条件を満たすように、拘束領域Ｂを設定し、グラフＧ１３の試験では、下記式（４）の条件を満たすように、拘束領域Ｂを設定している。なお、グラフＧ１１〜Ｇ１３の試験において、反応領域Ａの幅Ｗａは同一である。
【００５１】
Ｗｂ／Ｗａ×１００＝３５ ・・・（３）
Ｗｂ／Ｗａ×１００＝２７ ・・・（４）
【００５２】
図１８に示すように、グラフＧ１１，Ｇ１２では、サイクル数が増えるにつれて、抵抗増加率が上昇している。一方、グラフＧ１３では、サイクル数が増えても、抵抗増加率が上昇していない。この試験結果からも分かるように、幅Ｗａ，Ｗｂの関係は、上記式（２）を満たすことが好ましい。
【００５３】
本実施例では、図８に示すように、軸芯２４の小径部２４ｂと積層体２５の内周面との間にスペースＳが形成されている。スペースＳは、積層体２５および軸芯２４の大径部２４ａによって閉ざされたスペースであるため、スペースＳに電解液を保持させておくことができる。
【００５４】
電池１の充放電時には、積層体２５の内部から積層体２５の外部に電解液が漏れることもある。特に、発電要素２０が膨張および収縮を繰り返すときには、積層体２５の外部に電解液が漏れることがある。この場合には、スペースＳに溜まっている電解液を積層体２５の内部に浸入させることができる。積層体２５は、軸芯２４に沿って巻かれているため、電解液は、積層体２５が巻かれた方向に沿って、積層体２５の内部に浸入することができる。積層体２５の内部に電解液を補充することにより、積層体２５の内部において、電解液が減少してしまうのを抑制することができる。これにより、電解液の減少に伴う電池特性の低下を抑制することができる。
【００５５】
図１９は、本実施例である電池１と、比較例である電池とを用いて、容量維持率を測定した結果である。本実施例および比較例では、軸芯２４の構造が異なっているだけである。すなわち、比較例における軸芯では、本実施例で説明した大径部２４ａおよび小径部２４ｂが設けられていなく、軸芯の径は、軸芯の長手方向において一定である。
【００５６】
容量維持率とは、初期状態にある電池の容量Ｃ１と、充放電を行った後の電池の容量Ｃ２との比率（Ｃ２／Ｃ１×１００）である。初期状態とは、電池を製造した直後の状態である。図１９は、充放電レートを２Ｃに設定し、電池の充放電を繰り返して行ったときの容量維持率の変化を示す。
【００５７】
図１９に示すように、本実施例では、比較例と比べて、容量維持率が低下し難くなっている。言い換えれば、本実施例では、比較例と比べて、劣化し難くなっている。本実施例では、上述したように、スペースＳに溜まっている電解液を積層体２５に浸入させることができるため、図１９に示すように、容量維持率が低下し難くなっているものと考えられる。
【００５８】
本実施例では、軸芯２４が、２つの大径部２４ａと、１つの小径部２４ｂとで構成されているが、これに限るものではない。すなわち、軸芯２４を用いて、拘束領域Ｂに荷重を与えることができればよい。
【００５９】
例えば、本実施例で説明した軸芯２４において、小径部２４ｂを省略することができる。すなわち、図２０に示すように、２つの大径部２４ａに相当する一対の軸芯２４を用いることができる。２つの軸芯２４は、別体として構成されている。２つの軸芯２４に対して、積層体２５を巻くときには、２つの軸芯２４を位置決めしておく必要がある。
【００６０】
２つの軸芯２４を配置する位置は、本実施例で説明した大径部２４ａが配置される位置と同様である。また、２つの軸芯２４の間には、スペースＳが形成されており、スペースＳには、電解液を保持させておくことができる。図２０に示す構成であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
一方、本実施例では、図８に示すように、大径部２４ａの幅は、拘束領域Ｂの幅Ｗｂよりも広くなっているが、大径部２４ａの幅を、拘束領域Ｂの幅Ｗｂと等しくすることもできる。すなわち、大径部２４ａの幅は、拘束領域Ｂの幅Ｗｂと等しいか、幅Ｗｂよりも広ければよい。また、反応領域Ａのうち、拘束領域Ｂとは異なる領域については、軸芯２４が離れていればよく、軸芯２４の形状は、適宜設定することができる。
【００６２】
上述した実施例で説明した構成に加えて、図２１に示す構成を用いることもできる。
【００６３】
図２１に示す構成では、発電要素２０（積層体２５）の外周面に沿って、加圧部材２６が配置されている。加圧部材２６は、軸芯２４に巻かれた積層体２５の外周面を囲んでおり、拘束領域Ｂに対応した領域に配置されている。上述した実施例では、軸芯２４を用いることにより、積層体２５の内周面側から、拘束領域Ｂに荷重を与えている。図２１に示す構成では、加圧部材２６を用いることにより、積層体２５の外周面側から、拘束領域Ｂに荷重を与えている。
【００６４】
加圧部材２６の幅（軸芯２４の長手方向における長さ）は、拘束領域Ｂの幅Ｗｂと等しいか、幅Ｗｂよりも広ければよい。加圧部材２６は、積層体２５の外周面および電池ケース１０の内壁面との間に挟まれ、積層体２５の外周面のうち、加圧部材２６と接触する領域には、荷重が加わる。積層体２５の外周面のうち、加圧部材２６と接触していない領域は、電池ケース１０の内壁面から離れており、荷重が加わらない。
【００６５】
加圧部材２６は、積層体２５の外周面に配置されるものであればよい。例えば、加圧部材２６として、リング状に形成された部材（リング部材という）や、粘着テープなどを用いることができる。リング部材を用いるときには、軸芯２４に巻かれた積層体２５を、リング部材の内側に挿入すればよい。そして、積層体２５に対してリング部材を位置決めすればよい。
【００６６】
粘着テープを用いるときには、積層体２５を軸芯２４に巻いた後に、積層体２５の外周面に沿って粘着テープを貼り付ければよい。粘着テープは、積層体２５の外周面に沿って一回だけ巻いたり、複数回巻いたりすることができる。加圧部材２６は、積層体２５に荷重を与えるための厚さが必要になる。したがって、粘着テープを用いるときには、粘着テープの厚さに応じて、粘着テープを巻く回数を適宜設定することができる。
【００６７】
図２１に示す構成では、積層体２５の外周面を囲む位置に、加圧部材２６を配置しているが、これに限るものではない。加圧部材２６は、積層体２５の外周面を囲んでいなくてもよい。すなわち、積層体２５の外周面の一部に、加圧部材２６が配置されているだけでもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１：電池 １０：電池ケース
１１：ケース本体 １２：蓋
２０：発電要素 ２１：正極板
２２：負極板 ２１ａ，２２ａ：集電板
２１ｂ，２２ｂ：活物質層 ２３：セパレータ
２４：軸芯 ２４ａ：大径部（接触部）
２４ｂ：小径部（非接触部） ２５：積層体
２６：加圧部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形状のケースに発電要素を収容した、いわゆる円筒型の二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒型の電池では、充放電を行う発電要素を、円筒形状のケースに収容している。発電要素は、特許文献１に記載されているように、正極板および負極板がセパレータを挟んで積層されており、正極板、負極板およびセパレータは、軸芯に巻かれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−０５０３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者は、電池の充放電によっては、電池の一部分における面圧だけが、他の部分における面圧よりも大きく変化してしまうことが分かった。ここで、電池の面圧が上昇するときには、電池が膨張しており、電池の面圧が低下するときには、電池が収縮している。面圧の大きな変化を抑制すれば、電池の劣化を抑制することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明である二次電池は、充放電を行う発電要素と、円筒形状に形成され、発電要素を収容するケースと、を有する。発電要素は、積層体および軸芯を有する。積層体は、正極板および負極板がセパレータを挟んで積層されることによって構成されており、充放電に伴う化学反応が行われる反応領域を含んでいる。軸芯には、所定軸の周りに沿って積層体が巻き付けられる。所定軸が延びる方向における反応領域の両端部では、軸芯は、積層体と接触しており、反応領域のうち両端部を除く領域では、軸芯は、積層体から離れている。
【０００６】
反応領域の両端部では、反応領域の他の領域に比べて、二次電池の面圧が変化しやすい。したがって、反応領域の両端部において、軸芯を積層体に接触させて荷重を与えれば、反応領域の両端部における面圧の変化を抑えることができる。これにより、所定軸が延びる方向において、面圧のバラツキを抑制することができ、電池の劣化を抑制することができる。
【０００７】
所定軸が延びる方向における発電要素の一端では、正極板の一部が突出して巻かれており、正極板の一部が巻かれた部分は、ケースの一部（正極端子）と電気的に接続されている。所定軸が延びる方向における発電要素の他端では、負極板の一部が突出して巻かれており、負極板の一部が巻かれた部分は、ケースの一部（負極端子）と電気的に接続されている。
【０００８】
積層体の一部は、軸芯から離れているため、所定軸の周りで巻かれた積層体の内周面と軸芯との間には、スペースが形成される。このスペースには、電解液を収容しておくことができる。発電要素の外部に電解液が漏れたときには、上記スペースに収容された電解液を発電要素の内部に浸入させることができる。これにより、発電要素に含まれる電解液の量が低減するのを抑制でき、電池特性（例えば、容量維持率）が劣化するのを抑制することができる。
【０００９】
軸芯は、所定軸に沿って延びるように構成できる。軸芯には、積層体と接触する接触部と、積層体から離れる非接触部とを設けることができる。接触部の径は、非接触部の径よりも大きくすることができる。一方、複数の軸芯を用いることもできる。具体的には、反応領域の両端部のそれぞれに対して、軸芯を配置することができる。
【００１０】
下記式（I）の関係を有することが好ましい。
１４≦Ｗｂ／Ｗａ×１００≦２７ ・・・（I）
【００１１】
式（Ｉ）において、Ｗｂは、反応領域に対して軸芯が接触する領域のうち、所定軸が延びる方向における幅である。Ｗａは、所定軸が延びる方向における反応領域の幅である。式（Ｉ）を満たすように幅Ｗａ，Ｗｂを設定することにより、反応領域のうち、面圧のバラツキが大きくなる領域に対して、荷重を与えやすくなる。荷重を与えることにより、面圧のバラツキを抑制して、電池特性の劣化を抑制することができる。
【００１２】
発電要素の外周面には、加圧部材を配置することができる。加圧部材は、積層体および軸芯の接触領域に対応した領域に荷重を与えるために用いられる。軸芯を用いることにより、発電要素の内部から荷重を与えることができる。また、加圧部材を用いることにより、発電要素の外部から荷重を与えることができる。
【００１３】
２０Ｃ以上のレートにおいて、二次電池を充電又は放電することがあるときには、本発明を好適に用いることができる。２０Ｃ以上のレートで、二次電池を充電又は放電するときには、２０Ｃよりも小さいレートで充電又は放電をするときに比べて、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電池の外観図である。
【図２】発電要素の外観図である。
【図３】発電要素の一部である積層体の展開図である。
【図４】軸芯の外観図である。
【図５】軸芯の断面図である。
【図６】発電要素の断面図である。
【図７】積層体の断面図である。
【図８】発電要素の断面図である。
【図９】レート１Ｃの充電における電池の面圧を示す図である。
【図１０】レート１２Ｃの充電における電池の面圧を示す図である。
【図１１】レート２０Ｃの充電における電池の面圧を示す図である。
【図１２】レート３２Ｃの充電における電池の面圧を示す図である。
【図１３】レート１Ｃの放電における電池の面圧を示す図である。
【図１４】レート１２Ｃの放電における電池の面圧を示す図である。
【図１５】レート２０Ｃの放電における電池の面圧を示す図である。
【図１６】レート３２Ｃの放電における電池の面圧を示す図である。
【図１７】抵抗増加率の変化を示すグラフである。
【図１８】抵抗増加率の変化を示すグラフである。
【図１９】容量維持率の変化を示すグラフである。
【図２０】実施例１の変形例である発電要素の断面図である。
【図２１】実施例１の他の変形例である発電要素の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１である電池について説明する。本実施例で用いられる電池は、いわゆる円筒型電池である。円筒型電池とは、円筒形状のケースに、充放電を行う発電要素を収容した電池である。電池は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池である。
【００１７】
図１は、本実施例である電池の外観図である。電池１は、電池ケース１０と、電池ケース１０に収容される発電要素２０とを有する。電池ケース１０は、ケース本体１１および蓋１２を有しており、アルミニウムなどの金属で形成することができる。蓋１２は、突起部１２を有している。
【００１８】
ケース本体１１は、円筒状に形成されている。ケース本体１１の長手方向（図１の左右方向）における一端は、塞がれており、ケース本体１１の長手方向における他端には、開口部が形成されている。ケース本体１１の開口部は、蓋１２によって塞がれる。ケース本体１１および蓋１２の接続は、例えば、カシメや溶接によって行うことができる。ケース本体１１および蓋１２を接続することにより、電池ケース１０の内部は、密閉状態となる。
【００１９】
蓋１２およびケース本体１１の接続部分には、樹脂などの絶縁部材が配置されており、蓋１２およびケース本体１１は、絶縁状態となっている。ケース本体１１は、電池１の負極端子として用いられ、蓋１２は、電池１の正極端子として用いられる。
【００２０】
電池１は、車両に搭載することができる。具体的には、複数の電池１を用いて組電池を構成し、組電池を車両に搭載することができる。組電池は、車両を走行させるための動力源として用いることができる。複数の電池１は、直列に接続したり、並列に接続したりすることができる。複数の電池１を直列に接続すれば、組電池の出力を増加させることができる。複数の電池１を並列に接続すれば、組電池の容量を増加させることができる。
【００２１】
組電池から出力された電気エネルギを、モータ・ジェネレータによって運動エネルギに変換すれば、この運動エネルギを用いて車両を走行させることができる。また、車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換することができる。モータ・ジェネレータによって生成された電気エネルギは、回生電力として、組電池に蓄えることができる。
【００２２】
図２は、発電要素２０の外観図である。図３は、発電要素２０の一部を展開した図である。発電要素２０は、充放電を行う要素である。
【００２３】
発電要素２０は、軸芯２４を有しており、軸芯２４は、一方向（図２の左右方向）に延びている。軸芯２４の周りには、図３に示す正極板２１、負極板２２およびセパレータ２３が巻かれている。軸芯２４は、中空構造を有しており、貫通孔２４ａは、軸芯２４の長手方向に延びている。
【００２４】
正極板２１は、集電板２１ａと、集電板２１ａの表面に形成された活物質層２１ｂとを有する。活物質層２１ｂは、集電板２１ａの両面に形成されている。活物質層２１ｂは、集電板２１ａの一部の領域に形成されており、正極板２１の一端では、集電板２１ａが露出している。活物質層２１ｂは、正極活物質、導電材、バインダーなどを含んでいる。電池１としてリチウムイオン二次電池を用いるときには、例えば、正極活物質として、マンガン酸リチウムやコバルト酸リチウムを用い、集電板２１ａとして、アルミニウムを用いることができる。
【００２５】
負極板２２は、集電板２２ａと、集電板２２ａの表面に形成された活物質層２２ｂとを有する。活物質層２２ｂは、集電板２２ａの両面に形成されている。活物質層２２ｂは、集電板２２ａの一部の領域に形成されており、負極板２２の一端では、集電板２２ａが露出している。活物質層２２ｂは、負極活物質、導電材、バインダーなどを含んでいる。電池１としてリチウムイオン二次電池を用いるときには、例えば、負極活物質として、カーボンを用い、集電板２２ａとして、銅を用いることができる。
【００２６】
セパレータ２３は、正極板２１および負極板２２の間に配置されている。セパレータ２３には、電解液が含まれている。電解液は、正極板２１の活物質層２１ｂや、負極板２２の活物質層２２ｂにも含まれている。発電要素２０は、２つのセパレータ２３を有しており、２つのセパレータ２３の間には、負極板２２が配置されている。
【００２７】
図３に示すように、正極板２１、負極板２２およびセパレータ２３を積層して積層体２５を構成し、積層体２５を軸芯２４の周りに巻き付けることにより、発電要素２０が構成される。軸芯２４の外周面には、セパレータ２３が接触している。また、図２に示すように、発電要素２０の外周面には、セパレータ２３が位置している。軸芯２４の長手方向における一端では、正極板２１の集電板２１ａだけが巻かれており、軸芯２４の長手方向における他端では、負極板２２の集電板２２ａだけが巻かれている。
【００２８】
正極板２１の集電板２１ａだけが巻かれた部分は、リード（不図示）を介して、電池ケース１０の蓋１２と接続されている。すなわち、正極板２１（集電板２１ａ）は、電池１の正極端子として用いられる蓋１２と電気的に接続されている。負極板２２の集電板２２ａだけが巻かれた部分は、リード（不図示）を介して、電池ケース１０のケース本体１１と接続されている。すなわち、負極板２２（集電板２２ａ）は、電池１の負極端子として用いられるケース本体１１と電気的に接続されている。
【００２９】
図４は、軸芯２４の外観図であり、図５は、軸芯２４の断面図である。軸芯２４は、長手方向における両端において、２つの大径部（接触部に相当する）２４ａを有する。２つの大径部２４ａの間には、小径部（非接触部に相当する）２４ｂが位置している。大径部２４ａおよび小径部２４ｂは、一体的に形成されている。大径部２４ａは、直径Ｄ１を有しており、小径部２４ｂは、直径Ｄ２を有している。
【００３０】
直径Ｄ２は、直径Ｄ１よりも小さい。直径Ｄ１，Ｄ２は、例えば、下記式（１）の関係を満たすように設定することができる。
Ｄ１：Ｄ２＝１０：８ ・・・（１）
【００３１】
図６は、軸芯２４の長手方向に沿って発電要素２０を切断したときの断面図である。正極板２１、負極板２２およびセパレータ２３の積層体２５が、軸芯２４に巻き付けられたとき、積層体２５の内周面（具体的には、セパレータ２３）は、大径部２４ａの外周面に接触するとともに、小径部２４ｂの外周面から離れている。積層体２５の内周面と、小径部２４ｂの外周面との間には、スペースＳが形成されている。
【００３２】
軸芯２４に巻かれた積層体２５は、電池１の充放電時に化学反応が行われる領域（反応領域という）Ａを含んでいる。反応領域Ａは、正極板２１の活物質層２１ｂおよび負極板２２の活物質層２２ｂがセパレータ２３を挟んで互いに向かい合っている領域である。図７は、積層体２５の断面図である。図７に示すように、反応領域Ａでは、活物質層２１ｂおよび活物質層２２ｂが、セパレータ２３を挟んで互いに対向しており、活物質層２１ｂおよび活物質層２２ｂの間で、充放電に伴う化学反応（イオンの移動）が行われる。
【００３３】
本実施例では、負極板２２の活物質層２２ｂの幅Ｗ２が、正極板２１の活物質層２１ｂの幅Ｗ１よりも狭いため、反応領域Ａは、活物質層２２ｂの幅Ｗ２によって規定される。すなわち、反応領域Ａの幅は、活物質層２２ｂの幅Ｗ２と等しくなる。ここでいう幅とは、軸芯２４の長手方向における長さである。活物質層２１ｂの幅Ｗ１が活物質層２２ｂの幅Ｗ２よりも狭いときには、活物質層２１ｂの幅Ｗ１によって、反応領域Ａが規定される。セパレータ２３の幅は、活物質層２１ｂ，２２ｂの幅Ｗ１，Ｗ２よりも広くなっている。
【００３４】
本実施例の電池１では、反応領域Ａのうち、軸芯２４の長手方向における両端部だけに荷重を与えている。積層体２５は、緊張させながら軸芯２４に巻かれるため、軸芯２４の大径部２４ａと接触する領域において、荷重を受ける。積層体２５に荷重を与える領域（拘束領域という）Ｂについて、具体的に説明する。
【００３５】
図８において、軸芯２４の長手方向における反応領域Ａの幅はＷａである。拘束領域Ｂは、反応領域Ａのうち、軸芯２４の大径部２４ａと接触する領域である。大径部２４ａは、軸芯２４の長手方向における両端部に設けられているため、拘束領域Ｂは、軸芯２４の長手方向における反応領域Ａの両端にそれぞれ位置する。拘束領域Ｂの端は、反応領域Ａの端と一致している。軸芯２４の長手方向における拘束領域Ｂの幅は、Ｗｂである。
【００３６】
本願発明者は、レートが異なる条件で充放電を行いながら、電池１の複数箇所における面圧を測定したら、充放電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端部（拘束領域Ｂに相当する）において、面圧が大きく変化することが分かった。電池１の面圧とは、発電要素２０（積層体２５）が膨らんだり、縮んだりするときの圧力である。発電要素２０が膨らめば、面圧が上昇し、発電要素２０が縮めば、面圧が低下することになる。例えば、圧力センサを発電要素２０の測定箇所に配置することにより、面圧を測定することができる。測定箇所は、複数設けられ、複数の測定箇所は、軸芯２４の長手方向において互いに異なる位置にある。
【００３７】
図９から図１２には、レートを変えながら充電を行ったときの電池１の面圧を示している。図９から図１２において、縦軸は、電池１の面圧を示し、横軸は、軸芯２４の長手方向における積層体２５の位置を示している。横軸の一端は、軸芯２４の長手方向における発電要素２０（積層体２５）の一端に相当し、横軸の他端は、軸芯２４の長手方向における発電要素２０の他端に相当する。図９から図１２において、点線は、充電を開始する前の電池１の面圧（０秒時の面圧）を示し、実線は、充電を開始して１０秒経過した後の電池１の面圧を示している。
【００３８】
図９は、１Ｃのレートで充電を行ったときの面圧の変化を示し、図１０は、１２Ｃのレートで充電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図１１は、２０Ｃのレートで充電を行ったときの面圧の変化を示し、図１２は、３２Ｃのレートで充電を行ったときの面圧の変化を示している。図９から図１２に示すように、充電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端（拘束領域Ｂに相当する）における面圧が、反応領域Ａの他の領域よりも高くなる。図９から図１２に示す面圧分布から分かるように、充電時のレートが２０Ｃ以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【００３９】
図１３から図１６には、レートを変えながら放電を行ったときの電池１の面圧を示している。図１３から図１６において、縦軸は、電池１の面圧を示し、横軸は、軸芯２４の長手方向における積層体２５の位置を示している。また、図１３から図１６において、点線は、放電を開始する前の電池１の面圧（０秒時の面圧）を示し、実線は、放電を開始して１０秒経過した後の電池１の面圧を示している。
【００４０】
図１３は、１Ｃのレートで放電を行ったときの面圧の変化を示し、図１４は、１２Ｃのレートで放電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図１５は、２０Ｃのレートで放電を行ったときの面圧の変化を示し、図１６は、３２Ｃのレートで放電を行ったときの面圧の変化を示している。図１３から図１６に示すように、放電時のレートが高くなるにつれて、反応領域Ａの両端（拘束領域Ｂに相当する）における面圧が、反応領域Ａの他の領域よりも低下している。図１３から図１６に示す面圧分布から分かるように、放電時のレートが２０Ｃ以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
【００４１】
本実施例では、軸芯２４の大径部２４ａを用いて、拘束領域Ｂに荷重を与え、拘束領域Ｂが充放電によって変形（膨張および収縮）するのを抑制するようにしている。積層体２５が部分的に変形するのを抑制すれば、積層体２５の内部における劣化のバラツキを抑制することができる。特に、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電を行うときには、面圧のバラツキが大きくなりやすいため、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電を行う電池１において、本実施例を好適に用いることができる。
【００４２】
拘束領域Ｂは、下記式（２）に基づいて決定することができる。
【００４３】
１４≦Ｗｂ／Ｗａ×１００≦２７ ・・・（２）
図８を用いて説明したように、Ｗａは、反応領域Ａの幅（軸芯２４の長手方向における長さ）を示し、Ｗｂは、各拘束領域Ｂの幅（軸芯２４の長手方向における長さ）を示す。幅Ｗｂは、反応領域Ａの両端を基準とした長さである。
【００４４】
幅Ｗａを決定すれば、上記式（２）に基づいて幅Ｗｂを決定することができる。幅Ｗｂは、上記式（２）を満たす範囲内において、適宜設定することができる。拘束領域Ｂは、面圧の変化量が、反応領域Ａの他の領域よりも大きい領域を特定するものである。
【００４５】
上記式（２）において、幅Ｗａ，Ｗｂの関係が下限値（Ｗｂ／Ｗａ×１００＝１４）よりも小さいと、積層体２５に対して、荷重を与える領域が不十分となるおそれがある。すなわち、積層体２５の膨張および収縮を抑制することに関して、不十分な領域が発生してしまう。また、幅Ｗａ，Ｗｂの関係が、上記式（２）の上限値（Ｗｂ／Ｗａ×１００＝２７）よりも大きいと、面圧の変化量が小さい領域にも荷重を与えることになる。
【００４６】
図１７は、本実施例における電池１の抵抗増加率と、比較例としての電池の抵抗増加率との関係を示す図である。図１７の縦軸は抵抗増加率を示し、横軸はサイクル数を示す。抵抗増加率は、初期状態における電池の抵抗値と、充放電を行った後における電池の抵抗値との関係を示す値であり、抵抗値の増加率を示す値である。抵抗増加率が上昇するほど、電池が劣化していることになる。サイクル数は、所定時間の充放電を繰り返して行うときの回数であり、１サイクルにおいて、所定時間の充放電が１回行われる。
【００４７】
比較例１，２では、反応領域Ａの全体に対して荷重を与えている。本実施例では、拘束領域Ｂだけに荷重を与えている。図１７において、本実施例および比較例１では、３０Ｃのレートで充放電を繰り返している。比較例２では、２０Ｃのレートで充放電を繰り返している。
【００４８】
図１７に示すように、本実施例では、比較例１，２に比べて、抵抗増加率の上昇を抑制することができ、電池１の劣化を抑制することができる。
【００４９】
図１８に示すグラフは、拘束領域Ｂの幅Ｗｂを変更したときの抵抗増加率の変化を示している。図１８の縦軸は、抵抗増加率を示し、横軸は、サイクル数を示している。図１８に示すグラフは、所定レートで充放電を繰り返したときの測定結果を示している。
【００５０】
グラフＧ１１は、反応領域Ａの全体に荷重を与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ１２，Ｇ１３は、反応領域Ａの一部（拘束領域Ｂ）に荷重を与えたときの抵抗増加率の変化を示す。グラフＧ１２の試験では、下記式（３）の条件を満たすように、拘束領域Ｂを設定し、グラフＧ１３の試験では、下記式（４）の条件を満たすように、拘束領域Ｂを設定している。なお、グラフＧ１１〜Ｇ１３の試験において、反応領域Ａの幅Ｗａは同一である。
【００５１】
Ｗｂ／Ｗａ×１００＝３５ ・・・（３）
Ｗｂ／Ｗａ×１００＝２７ ・・・（４）
【００５２】
図１８に示すように、グラフＧ１１，Ｇ１２では、サイクル数が増えるにつれて、抵抗増加率が上昇している。一方、グラフＧ１３では、サイクル数が増えても、抵抗増加率が上昇していない。この試験結果からも分かるように、幅Ｗａ，Ｗｂの関係は、上記式（２）を満たすことが好ましい。
【００５３】
本実施例では、図８に示すように、軸芯２４の小径部２４ｂと積層体２５の内周面との間にスペースＳが形成されている。スペースＳは、積層体２５および軸芯２４の大径部２４ａによって閉ざされたスペースであるため、スペースＳに電解液を保持させておくことができる。
【００５４】
電池１の充放電時には、積層体２５の内部から積層体２５の外部に電解液が漏れることもある。特に、発電要素２０が膨張および収縮を繰り返すときには、積層体２５の外部に電解液が漏れることがある。この場合には、スペースＳに溜まっている電解液を積層体２５の内部に浸入させることができる。積層体２５は、軸芯２４に沿って巻かれているため、電解液は、積層体２５が巻かれた方向に沿って、積層体２５の内部に浸入することができる。積層体２５の内部に電解液を補充することにより、積層体２５の内部において、電解液が減少してしまうのを抑制することができる。これにより、電解液の減少に伴う電池特性の低下を抑制することができる。
【００５５】
図１９は、本実施例である電池１と、比較例である電池とを用いて、容量維持率を測定した結果である。本実施例および比較例では、軸芯２４の構造が異なっているだけである。すなわち、比較例における軸芯では、本実施例で説明した大径部２４ａおよび小径部２４ｂが設けられていなく、軸芯の径は、軸芯の長手方向において一定である。
【００５６】
容量維持率とは、初期状態にある電池の容量Ｃ１と、充放電を行った後の電池の容量Ｃ２との比率（Ｃ２／Ｃ１×１００）である。初期状態とは、電池を製造した直後の状態である。図１９は、充放電レートを２Ｃに設定し、電池の充放電を繰り返して行ったときの容量維持率の変化を示す。
【００５７】
図１９に示すように、本実施例では、比較例と比べて、容量維持率が低下し難くなっている。言い換えれば、本実施例では、比較例と比べて、劣化し難くなっている。本実施例では、上述したように、スペースＳに溜まっている電解液を積層体２５に浸入させることができるため、図１９に示すように、容量維持率が低下し難くなっているものと考えられる。
【００５８】
本実施例では、軸芯２４が、２つの大径部２４ａと、１つの小径部２４ｂとで構成されているが、これに限るものではない。すなわち、軸芯２４を用いて、拘束領域Ｂに荷重を与えることができればよい。
【００５９】
例えば、本実施例で説明した軸芯２４において、小径部２４ｂを省略することができる。すなわち、図２０に示すように、２つの大径部２４ａに相当する一対の軸芯２４を用いることができる。２つの軸芯２４は、別体として構成されている。２つの軸芯２４に対して、積層体２５を巻くときには、２つの軸芯２４を位置決めしておく必要がある。
【００６０】
２つの軸芯２４を配置する位置は、本実施例で説明した大径部２４ａが配置される位置と同様である。また、２つの軸芯２４の間には、スペースＳが形成されており、スペースＳには、電解液を保持させておくことができる。図２０に示す構成であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
一方、本実施例では、図８に示すように、大径部２４ａの幅は、拘束領域Ｂの幅Ｗｂよりも広くなっているが、大径部２４ａの幅を、拘束領域Ｂの幅Ｗｂと等しくすることもできる。すなわち、大径部２４ａの幅は、拘束領域Ｂの幅Ｗｂと等しいか、幅Ｗｂよりも広ければよい。また、反応領域Ａのうち、拘束領域Ｂとは異なる領域については、軸芯２４が離れていればよく、軸芯２４の形状は、適宜設定することができる。
【００６２】
上述した実施例で説明した構成に加えて、図２１に示す構成を用いることもできる。
【００６３】
図２１に示す構成では、発電要素２０（積層体２５）の外周面に沿って、加圧部材２６が配置されている。加圧部材２６は、軸芯２４に巻かれた積層体２５の外周面を囲んでおり、拘束領域Ｂに対応した領域に配置されている。上述した実施例では、軸芯２４を用いることにより、積層体２５の内周面側から、拘束領域Ｂに荷重を与えている。図２１に示す構成では、加圧部材２６を用いることにより、積層体２５の外周面側から、拘束領域Ｂに荷重を与えている。
【００６４】
加圧部材２６の幅（軸芯２４の長手方向における長さ）は、拘束領域Ｂの幅Ｗｂと等しいか、幅Ｗｂよりも広ければよい。加圧部材２６は、積層体２５の外周面および電池ケース１０の内壁面との間に挟まれ、積層体２５の外周面のうち、加圧部材２６と接触する領域には、荷重が加わる。積層体２５の外周面のうち、加圧部材２６と接触していない領域は、電池ケース１０の内壁面から離れており、荷重が加わらない。
【００６５】
加圧部材２６は、積層体２５の外周面に配置されるものであればよい。例えば、加圧部材２６として、リング状に形成された部材（リング部材という）や、粘着テープなどを用いることができる。リング部材を用いるときには、軸芯２４に巻かれた積層体２５を、リング部材の内側に挿入すればよい。そして、積層体２５に対してリング部材を位置決めすればよい。
【００６６】
粘着テープを用いるときには、積層体２５を軸芯２４に巻いた後に、積層体２５の外周面に沿って粘着テープを貼り付ければよい。粘着テープは、積層体２５の外周面に沿って一回だけ巻いたり、複数回巻いたりすることができる。加圧部材２６は、積層体２５に荷重を与えるための厚さが必要になる。したがって、粘着テープを用いるときには、粘着テープの厚さに応じて、粘着テープを巻く回数を適宜設定することができる。
【００６７】
図２１に示す構成では、積層体２５の外周面を囲む位置に、加圧部材２６を配置しているが、これに限るものではない。加圧部材２６は、積層体２５の外周面を囲んでいなくてもよい。すなわち、積層体２５の外周面の一部に、加圧部材２６が配置されているだけでもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１：電池 １０：電池ケース
１１：ケース本体 １２：蓋
２０：発電要素 ２１：正極板
２２：負極板 ２１ａ，２２ａ：集電板
２１ｂ，２２ｂ：活物質層 ２３：セパレータ
２４：軸芯 ２４ａ：大径部（接触部）
２４ｂ：小径部（非接触部） ２５：積層体
２６：加圧部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電を行う発電要素と、
円筒形状に形成され、前記発電要素を収容するケースと、を有し、
前記発電要素は、
正極板および負極板がセパレータを挟んで積層されており、充放電に伴う化学反応が行われる反応領域を含む積層体と、
所定軸の周りに沿って前記積層体が巻き付けられおり、前記所定軸が延びる方向における前記反応領域の両端部で前記積層体と接触するとともに、前記反応領域のうち前記両端部を除く領域で前記積層体から離れている軸芯と、
を有することを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記所定軸が延びる方向における前記発電要素の一端では、前記正極板の一部が突出して巻かれており、
前記所定軸が延びる方向における前記発電要素の他端では、前記負極板の一部が突出して巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記所定軸の周りで巻かれた前記積層体の内周面と前記軸芯とによって囲まれたスペースに、電解液が収容されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記軸芯は、前記所定軸に沿って延びており、前記積層体と接触する接触部と、前記積層体から離れる非接触部とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の二次電池。
【請求項５】
下記式（I）の関係を有する、
１４≦Ｗｂ／Ｗａ×１００≦２７ ・・・（I）
ここで、Ｗｂは、前記反応領域に対して前記軸芯が接触する領域のうち、前記所定軸が延びる方向における幅であり、Ｗａは、前記所定軸が延びる方向における前記反応領域の幅である、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の二次電池。
【請求項６】
前記発電要素の外周面と接触し、前記積層体および前記軸芯の接触領域に対応した領域に荷重を与える加圧部材を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の二次電池。
【請求項７】
前記二次電池は、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電が行われるリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の二次電池。
【請求項１】
充放電を行う発電要素と、
円筒形状に形成され、前記発電要素を収容するケースと、を有し、
前記発電要素は、
正極板および負極板がセパレータを挟んで積層されており、充放電に伴う化学反応が行われる反応領域を含む積層体と、
所定軸の周りに沿って前記積層体が巻き付けられおり、前記所定軸が延びる方向における前記反応領域の両端部で前記積層体と接触するとともに、前記反応領域のうち前記両端部を除く領域で前記積層体から離れている軸芯と、
を有することを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記所定軸が延びる方向における前記発電要素の一端では、前記正極板の一部が突出して巻かれており、
前記所定軸が延びる方向における前記発電要素の他端では、前記負極板の一部が突出して巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記所定軸の周りで巻かれた前記積層体の内周面と前記軸芯とによって囲まれたスペースに、電解液が収容されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記軸芯は、前記所定軸に沿って延びており、前記積層体と接触する接触部と、前記積層体から離れる非接触部とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の二次電池。
【請求項５】
下記式（I）の関係を有する、
１４≦Ｗｂ／Ｗａ×１００≦２７ ・・・（I）
ここで、Ｗｂは、前記反応領域に対して前記軸芯が接触する領域のうち、前記所定軸が延びる方向における幅であり、Ｗａは、前記所定軸が延びる方向における前記反応領域の幅である、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の二次電池。
【請求項６】
前記発電要素の外周面と接触し、前記積層体および前記軸芯の接触領域に対応した領域に荷重を与える加圧部材を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の二次電池。
【請求項７】
前記二次電池は、２０Ｃ以上のレートで充電又は放電が行われるリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の二次電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１３−３８０３０（Ｐ２０１３−３８０３０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７５４４３（Ｐ２０１１−１７５４４３）
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]