JP2011108507A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】耐衝撃性、耐振動性を向上させ、かつ電池容量に寄与しない集電箔部分を削減した構造を有する二次電池を提供する。
【解決手段】電解液を有する蓄電素子と、蓄電素子の両端から導出される正極集電箔および負極集電箔と、集電箔を正極端子および負極端子にそれぞれ接続する正極集電板および負極集電板と、蓄電素子、集電箔および集電板を収容する電池ケースと、集電板と電池ケース壁との間に設けられ集電板と電池ケースとの間で圧縮されることで蓄電素子を電池ケースに対して固定する弾性部材とを備えた二次電池であって、電池ケースは、底面、４つの側面及び上蓋からなり、底面及び側面は一体に成形されて底面・側面複合体を形成しており、底面・側面複合体は上蓋により封口され、弾性部材は、少なくとも１つの側面と集電板との間に設けられ、集電板を上蓋の底面・側面複合体に対する封口方向と直交する方向に圧縮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば自動車駆動用電源に用いて好適な二次電池に係り、特に、電池の耐衝撃性、耐振動性を向上させる技術に関する。

車載用のリチウムイオン二次電池においては、それぞれ正極、負極および電解液を有する単電池（セル）が複数個直列に配置されて組電池を形成し、充放電制御のためのセルコントローラが接続され、必要な電圧が得られるようにバッテリーモジュールを形成する。

このような二次電池の単電池には、巻回した蓄電素子、あるいは、平板状の電極とセパレータを積層した蓄電素子を、円筒型のケースに収納したものや、角型、扁平型のケースに収納したものがある。

巻回した蓄電素子を角型ケースに収納する場合、蓄電素子の両端部から導出される正極側および負極側の集電箔は重ねられ、それぞれ正極側および負極側の集電体（リード）に溶接され、ケースに収納される。このような電池が自動車等に搭載される際は、電池ケース自体あるいは電池ケースの外部に導出されている電極端子によって自動車等に対して固定される。

しかしながら、ケース内部の蓄電素子は、集電箔によって電極端子と電気的に接続されてはいるものの、ケースあるいは電極端子に対して固定されておらず、ケース内で懸垂された状態なので、蓄電素子の重量はこの集電箔のみに掛かり、さらに、自動車の振動により集電箔に負荷が加わる。この集電箔は、蓄電素子と電極端子を電気的に接続する箔状の部材であるので、振動に弱い。このような振動は、二次電池が小型蓄電素子である場合は、軽量であり問題とならないが、自動車用の大型蓄電素子となると、その集電箔に加わる応力は大きく、亀裂が入り切断の恐れがある。また、集電箔を重ねて溶接した溶接代部分や、溶接代部分に隣接する非溶接部分の集電箔は、電池容量には直接的には寄与せず、電池ケース内のスペースが有効利用されていないという課題があった。

このような課題に対して、円筒型のリチウムイオン二次電池において、蓄電素子を構成する巻回体の箔露出部分と接触する電池ケース底部に、放射状に２本ずつの溝とこれら溝の間の突状部を形成し、この突状部を溶融させて箔露出部分と溶接することにより、溶接代や溶接部品を設けることなく箔を直接電池ケース底面に溶接して集電することができる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、円筒型のリチウムイオン二次電池において、巻回体の箔露出部分に集電円板を接続するにあたり、箔露出部分と集電円板との間に、この箔と同材質の箔ないし板を配置し、箔露出部分の端部をこの箔ないし板を介して集電円板に溶接する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献１および２に記載の技術によれば、溶接代部分や隣接する非溶接部分の箔が小さいため、電池容量を向上させることができる。しかしながら、集電箔によって蓄電素子が支持されているため、外部からの振動による集電箔への応力を抑制することはできない。また、溶接に伴ってスパッタが発生し、これが飛散して集電箔に付着し、集電箔を損傷したり、電極間にスパッタが混入して短絡してしまうという問題がある。

スパッタの付着による集電箔の損傷に対しては、集電箔に、スパッタの付着を防止するマスキングを行う技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、この技術では、蓄電素子を作製する際に、金属箔に正極および負極電極材料を塗布するのに加えてマスキング材料を塗布する工程が煩雑であるという問題がある。また、電極間へのスパッタ混入の問題については解決することができない。

集電箔と集電部材との溶接を伴わない他の集電方法として、電池ケースに素子を封入し、集電箔に集電板を接触させ、続いてゴム部材、封口板の順に押し込んで、最後にケース端部を折り曲げてカシメによって封口する技術が開示されている（例えば、特許文献４参照）。この技術によれば、溶接をすることなく、ゴムの反発力によって終電板が集電箔に押し付けられることで集電を行う。

しかしながら、ゴムの反発力は封口板にも加わって、封口板を持ち上げるので、長期間の使用において反発力によりカシメ部が変形し、集電圧力が経時変化すると同時に、内圧が上昇すると寸法変化を生じるために、モジュールの連結した直列化が難しくなるという問題がある。カシメ部の耐久力を向上するには、ケース全体の厚みを大きくしたり、底面部の厚みを増やす必要があり、重量増となってしまう。

さらに、本構造の課題は、セルを上下方向、つまり封口板と底面の間を圧縮するような荷重や振動長期間が加わると、徐々にゴムの反発で、集電箔のつぶれ込みが大きくなり、クリアランスが生じる可能性がある。さらに加えて、カシメの強度が低下すると、集電板の押し付け荷重が低下する可能性があり、抵抗が増大する可能性がある。つまり、一度押し込まれると潰れてしまうという問題がある。

このように、大型の蓄電素子を水平に装填した自動車用二次電池構造において、蓄電素子の耐衝撃性、耐振動性を満足し、また、電池容量に寄与しない集電箔部分を十分に削減するものはなく、これら性能の向上が求められていた。

特開２００８−３１１１８４号公報 特開２００９−１２３４４０号公報 特開２００９−４３５１５号公報 特開２００７−５９８２３号公報

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、大型の蓄電素子を水平に装填した自動車用二次電池構造において、耐衝撃性、耐振動性を向上させ、かつ電池容量に寄与しない集電箔部分を削減した構造を有する二次電池を提供することを目的としている。

本発明の二次電池は、電解液を有する蓄電素子と、蓄電素子の両端から導出される正極集電箔および負極集電箔と、集電箔を正極端子および負極端子にそれぞれ接続する正極集電板および負極集電板と、蓄電素子、集電箔および集電板を収容する電池ケースと、集電板と電池ケース壁との間に設けられ集電板と電池ケースとの間で圧縮されることで蓄電素子を電池ケースに対して固定する弾性部材とを備えた二次電池であって、電池ケースは、底面、４つの側面及び上蓋からなり、底面及び側面は一体に成形されて底面・側面複合体を形成しており、底面・側面複合体は上蓋により封口され、弾性部材は、少なくとも１つの側面と集電板との間に設けられ、集電板を上蓋の底面・側面複合体に対する封口方向と直交する方向に圧縮することを特徴としている。

上記構成の二次電池にあっては、集電板と電池ケース側壁との間に設けられた弾性部材が圧縮されて、集電板を介して常に蓄電素子に力がかかる状態となり、蓄電素子は電池ケースに対して固定される。これにより、蓄電素子の耐衝撃性および耐振動性が向上し、集電箔などの破損を防止することができる。また、弾性部材は、上蓋の封口方向と直交する方向、すなわち電池を水平に載置して上から下方向に蓋を封口する場合の水平方向に圧縮されて集電板を押し付けるため、上蓋による封口の程度とは無関係に押圧力を一定に保つことができる。さらに、一定の押圧力によって集電箔と集電板が接触させられるので、溶接を行うことなく集電状態を長期に亘り良好に保つことができ、内部抵抗が変化することも抑制することができる。

本発明の二次電池においては、蓄電素子は、正極板、負極板およびセパレータを重ねて巻回し中央に空間を有する巻回型素子であり、集電板は突出部を有し、突出部は、蓄電素子の空間に挿入されることを好ましい態様としている。

上記構成の二次電池にあっては、集電板の突出部が蓄電素子に設けられた空間に挿入されるので、蓄電素子と集電板の作製の際に位置決めを行うことができる。また、電池の使用の際にも、外部からの振動による集電板と集電箔のズレを防止することができる。

本発明の二次電池においては、突出部は、断面がＶ字状であることを好ましい態様としている。

上記構成の二次電池にあっては、集電板の突出部が断面Ｖ字状であるので、蓄電素子に設けられた空間に挿入される際に、集電箔がＶ字の両側面に押し広げられるので、集電板と集電箔の接触をより確実にすることができる。

本発明の二次電池においては、弾性部材は、凸部を有し、凸部は、Ｖ字状の突出部がなす凹部に係合することを好ましい態様としている。

上記構成の二次電池にあっては、弾性部材の凸部と集電板のＶ字部分がなす凹部が係合することにより、集電板の位置決めをより確実に行うことができる。また、Ｖ字状の突出部が集電箔を押し広げるに際して、弾性部材の凸部がＶ字状の凹部を押圧することにより、Ｖ字の部分がより押し広げられ、集電板と集電箔の接触をより確実にすることができる。

本発明の二次電池は、巻き芯と、巻き芯に正極シート、負極シートおよびセパレータを重ねて巻き回した蓄電素子と、蓄電素子の両端から導出される正極集電箔および負極集電箔と、集電箔を正極端子および負極端子にそれぞれ接続する正極集電板および負極集電板と、集電板を集電箔に押し付ける押圧部材と、これらを収容する電池ケースとを備えた二次電池であって、保持部材が巻き芯に固定されることにより集電板を集電箔に押し付けることを好ましい態様としている。

上記構成の二次電池にあっては、巻き芯と、巻き芯に固定された押圧部材によって集電板と集電箔を押し付けているので、押圧部材の長さを調整することにより容易に圧縮力を調整することができる。また、電池ケースに装着する前に蓄電素子と集電板の複合体が組み立てられるため、その複合体の電池ケースへの挿入が容易になる。

本発明の二次電池においては、押圧部材に鍵状部が設けられており、巻き芯に鍵状部が係合する係合部が設けられていることを好ましい態様としている。

上記構成の二次電池にあっては、押圧部材を巻き芯内に挿入して、押圧部材の鍵状部を巻き芯内の係合部に係合させるだけの容易な工程によって、押圧部材と巻き芯との固定を確実に行うことができる。

本発明の二次電池においては、巻き芯と鍵状部とが一体に成形され、集電板には鍵状部が係合する係合部が設けられていることを好ましい態様としている。

上記構成の二次電池にあっては、巻き芯自体が鍵状部を有しているので、係合部を有する集電板を蓄電素子に対して取り付けて鍵状部と係合部を係合させるだけの容易な工程によって、集電板と蓄電素子との固定を確実に行うことができる。

本発明によれば、弾性部材により蓄電素子を電池ケースに対して確実に固定することができ、集電箔の破損を抑制し、蓄電素子の耐振動性・耐衝撃性を向上させることができる。また、集電板と集電箔との押圧力を一定にして接触状態を長期に亘り良好に保つことができ、集電部の圧縮管理・集電管理が容易となる。さらに、溶接を行わないことにより、スパッタによる蓄電素子の損傷や短絡を防止し、電池容量に寄与しない集電箔の溶接部分を削減することができるので、電池の高容量化・小型化が可能となる。さらに、集電箔を内部で束ねる構造でないため、電池内部に集電板など金属の突起物が少なく、衝突や加圧に際して、集電板と素子の短絡が起こりにくく外部衝撃に対して安全な構造である。

本発明の一実施形態に係る単電池を示す透視正面図である。 本発明の一実施形態に係る蓄電素子、集電板および弾性部材の配置を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。 本発明の他の実施形態に係る単電池を示す透視正面図である。 本発明の他の実施形態に係る蓄電素子、集電板および弾性部材の配置を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る単電池を示す透視正面図である。 本発明の他の実施形態に係る蓄電素子、集電板および弾性部材の配置を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る、巻き芯を用いた蓄電素子を示す図である。 本発明の巻き芯の変更例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る単電池を示す透視正面図である。 本発明の実施例に係る弾性部材を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 本発明の蓄電素子を電池ケースに封入する工程を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る単電池を示す透視正面図である。単電池は、公知のリチウムイオン二次電池等であって、電池ケース１０および電池蓋１１を有する。電池ケース１０内には、正極材料を塗布した金属箔／セパレータ／負極材料を塗布した金属箔を重ねて巻回体等とし電解液が含浸された蓄電素子４０と、蓄電素子４０の両端から導出された正極集電箔４１および負極集電箔４２に接続された導電性の正極集電板２２および負極集電板２３とが収容されている。正極集電板２２および負極集電板２３のそれぞれには、電池蓋１１を貫通して電池外部に露出するように正極端子２０ａおよび負極端子２１ａが設けられている。

正極集電板２２および負極集電板２３のそれぞれと電池ケース１０との間には、ゴム等からなる弾性部材３０が配置されており、正極集電板２２および負極集電板２３のそれぞれと電池ケース１０の側壁との間で圧縮されている。また、正極集電板２２および負極集電板２３のそれぞれは、集電箔４１（４２）に押圧されて集電を行う押圧部２２ａ（２３ａ）と、蓄電素子４０内の中空部４３に挿入される突出部２２ｂ（２３ｂ）とからなる。

図２は、蓄電素子４０、集電板２２（２３）および弾性部材３０を分解して示した模式図である。図２（ａ）に示すように、蓄電素子４０は、偏平状の中空部４３を有し、この中空部４３に、集電板２２（２３）の突出部２２ｂ（２３ｂ）が挿入され、続いて集電板２２（２３）の押圧部２２ａ（２３ａ）の蓄電素子４０と反対側から弾性部材３０が配置される。押圧部２２ａ（２３ａ）の表面には、溝が切ってあり、また、弾性部材３０は、曲げられることにより凸部を有し、弾性部材３０の凸部が押圧部２２ａ（２３ａ）の溝部に挿入される。弾性部材３０が電池ケース１０と集電板２２（２３）の押圧部２２ａ（２３ａ）との間で圧縮されることにより発生する反発力によって、押圧部２２ａ（２３ａ）は、集電箔４１（４２）に押し付けられ、これらは電気的に接続される。

上記構成の第１実施形態の単電池によれば、集電板の突出部が蓄電素子の中空部に挿入されることにより、電池の製造時には蓄電素子と集電板の位置決めを容易に行うことができ、電池の使用時には振動や衝撃で蓄電素子と集電板の位置にズレが発生することを抑制することができる。また、弾性部材の凸部が押圧部の溝部に挿入されることにより、弾性部材と集電板の位置決めの実施および位置ズレの抑制も可能となる。さらに、これらの効果、および弾性部材が電池ケースと集電板との間で圧縮されることの効果により、蓄電素子は電池ケースに対して固定されるので、集電箔の破損を抑制し、蓄電素子の耐振動性・耐衝撃性を向上させることができる。

また、上記構成の第１実施形態の単電池によれば、弾性部材は、電池ケースに対する電池蓋の封口方向である垂直方向とは異なる水平方向に電池ケースと集電板とから圧縮されているので、電池ケースに対する電池蓋の封口の際の押し込みの程度に関係なく、常に集電板と集電箔との押圧力を一定にして接触状態を長期に亘り良好に保つことができ、集電部の圧縮管理・集電管理が容易となる。

さらに、上記構成の第１実施形態の単電池によれば、集電板を集電箔に押圧することにより電気的に接続しているから、溶接を行わないことが可能となり、溶接の際に発生するスパッタによる蓄電素子の損傷や短絡を防止し、電池容量に寄与しない集電箔の溶接部分を削減することができるので、電池の高容量化・小型化が可能となる。また、集電板を集電箔に押圧する構造であるので、集電箔の長さは最小限で済み、電池のさらなる高容量化・小型化が可能となる。さらに、集電箔を内部で束ねる構造でないため、電池内部に集電板など金属の突起物が少なく、衝突や加圧に際して、集電板と素子の短絡が起こりにくく外部衝撃に対して安全な構造である。

なお、集電板２２（２３）は、図２（ｂ）に示すように断面がＴ字状であっても構わないが、図２（ｃ）に示すように断面がＶ字状であると、集電箔４１（４２）が両外側により押し広げられ、集電箔４１（４２）と集電板２２（２３）の集電状態が向上して好ましい。また、断面がＶ字状であると、弾性部材３０の凸部によって集電板２２（２３）の溝部が押圧された際に、Ｖ字の部分が外側に押し広げられるので、より好ましい。

第２実施形態
図３は、本発明の第２実施形態に係る単電池を示す透視正面図である。第２実施形態の単電池は、図３に示すように、一方の電極、例えば正極側が第１実施形態と同様の構造を有し、他方の負極側の構造が変更されている。なお、本実施形態はこの態様のみに限定されず、負極側が第１実施形態と同様の構造を有し、正極側の構造が変更されていてもよい。また、以降の実施形態の説明においては、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図３に示すように、正極集電板２２と電池ケース１０との間には、ゴム等からなる弾性部材３０が配置されており、一方、負極集電板２３と電池ケース１０との間には、アルミナや樹脂等からなる高熱伝導性絶縁部材５０が配置されている。弾性部材３０と高熱伝導性絶縁部材５０のそれぞれは、正極集電板２２および負極集電板２３と電池ケース１０の側壁との間で圧縮されている。

図４は、蓄電素子４０、集電板２２（２３）、弾性部材３０および高熱伝導性絶縁部材５０を分解して示した模式図である。第１実施形態と同様、集電板２２（２３）の突出部２２ｂ（２３ｂ）は、蓄電素子４０の中空部４３に挿入され、正極集電板２２の押圧部２２ａの蓄電素子４０と反対側から弾性部材３０が配置される。一方、負極側では、図４に示すように、負極集電板２３の押圧部２３ａの蓄電素子４０と反対側から高熱伝導性絶縁部材５０が配置される。押圧部２３ａの表面には、溝が切ってあり、また、高熱伝導性絶縁部材５０は、凸部を有し、高熱伝導性絶縁部材５０の凸部が押圧部２３ａの溝部に挿入される。弾性部材３０が電池ケース１０と正極集電板２２の押圧部２２ａとの間で圧縮されることにより発生する反発力によって、押圧部２２ａ（２３ａ）は、集電箔４１（４２）に押し付けられ、これらは電気的に接続される。

上記構成の第２実施形態の単電池によれば、第１実施形態によって得られる諸々の効果が得られるのは勿論のこと、それらの効果に加え、高熱伝導性絶縁部材５０が負極集電板２３と電池ケース１０との間に圧縮されているので、蓄電素子４０の充放電にともなって発生する熱を電池ケースに伝熱することができ、これにより蓄電素子４０の冷却効果が高まるという効果を奏する。なお、第２実施形態においては、第１実施形態と比較して、反発力を発生する弾性部材の個数が片側１個に減っているので、減少する反発力を補うべく適宜弾性部材の材質または寸法を調整することにより、第１実施形態の効果を減じることがない。

第３実施形態
図５は、本発明の第３実施形態に係る単電池を示す透視正面図である。単電池の電池ケース１０内には、正極材料を塗布した金属箔／セパレータ／負極材料を塗布した金属箔を重ねて、内部に中空部４４を有する巻き芯６０の周囲に巻回し、さらに電解液を含浸した蓄電素子４０が配置されている。また、蓄電素子４０の両端から導出された正極集電箔４１および負極集電箔４２には、中央に貫通孔２４ａを有する正極集電板２４および貫通孔２５ａを有する負極集電板２５とが配置されている。正極集電板２４および負極集電板２５のそれぞれには、電池蓋１１を貫通して電池外部に露出するように正極端子２０ａおよび負極端子２１ａが設けられている。

正極集電板２４および負極集電板２５のそれぞれと電池ケース１０との間には、樹脂等からなる押圧部材３１および３２が配置されている。押圧部材３１（３２）は、集電板２４（２５）に押圧されて集電を行う押圧部３１ａ（３２ａ）と、蓄電素子４０内の巻き芯６０が有する中空部４４に挿入される突出部３１ｂ（３２ｂ）とからなる。突出部３１ｂ（３２ｂ）は、両側方に延在する鍵状部を有し、巻き芯６０内部の中空部４４は、この鍵状部が係合する係合部を有する。

図６は、蓄電素子４０、集電板２４（２５）および押圧部材３１（３２）を分解して示した模式図である。図６に示すように、蓄電素子４０は、偏平状の巻き芯６０を有し、さらにその内部には、両端に係合部を有する中空部４４を有する。また、集電板２４（２５）には、貫通孔２４ａ（２５ａ）が設けられている。押圧部材３１（３２）の突出部３１ｂ（３２ｂ）は、この貫通孔２４ａ（２５ａ）を貫通し、さらに巻き芯６０の中空部４４に挿入されて、突出部３１ｂ（３２ｂ）の鍵状部が中空部４４の係合部に係合して固定される。これにより、集電板２４（２５）が集電箔４１（４２）に押し付けられ圧縮された状態で押圧部材３１（３２）と蓄電素子４０が固定され、集電板２４（２５）と集電箔４１（４２）は電気的に接続される。なお、図では押圧部材３１（３２）の突出部３１ｂ（３２ｂ）の幅は貫通孔２４ａ（２５ａ）や中空部４４の幅よりも大きく描かれているが、押圧部材３１（３２）は樹脂等からなり弾性を有するので、これら貫通孔や中空部に挿入される際は圧縮されて弾性変形された状態で挿入することができる。

上記構成の第３実施形態の単電池によれば、押圧部材の突出部が集電板の貫通孔を貫通して巻き芯の中空部に挿入され、さらに鍵状部が係合部に係合することにより、電池の製造時には蓄電素子と集電板の位置決めを容易に行うことができ、電池の使用時には振動や衝撃で蓄電素子と集電板の位置にズレが発生することを抑制することができる。さらに、押圧部材によって蓄電素子と集電板とが圧縮されることにより、蓄電素子は集電板および電極端子に対して固定されるので、集電箔の破損を抑制し、蓄電素子の耐振動性・耐衝撃性を向上させることができる。

また、上記構成の第３実施形態の単電池によれば、蓄電素子、集電板および押圧部材を組み合わせて複合体とすれば圧縮固定構造が完成するため、その後、この複合体を電池ケースに収納する際に容易に行うことができる。さらに、このことにより、電池ケースに対する電池蓋の封口の際の押し込みの程度に関係なく、常に集電板と集電箔との押圧力を一定にして接触状態を長期に亘り良好に保つことができ、集電部の圧縮管理・集電管理が容易となる。

さらに、上記構成の第３実施形態の単電池によれば、集電板を集電箔に押圧することにより電気的に接続しているから、溶接を行わないことが可能となり、溶接の際に発生するスパッタによる蓄電素子の損傷や短絡を防止し、電池容量に寄与しない集電箔の溶接部分を削減することができるので、電池の高容量化・小型化が可能となる。また、集電板を集電箔に押圧する構造であるので、集電箔の長さは最小限で済み、電池のさらなる高容量化・小型化が可能となる。さらに、集電箔を内部で束ねる構造でないため、電池内部に集電板など金属の突起物が少なく、衝突や加圧に際して、集電板と素子の短絡が起こりにくく外部衝撃に対して安全な構造である。

第４実施形態
図７は、本発明の第４実施形態に係る蓄電素子を示す透視正面図である。第４実施形態は、第３実施形態における押圧部材と巻き芯による圧縮固定構造を変更した例であるので、それ以外の構成要素については図示および説明を省略する。第４実施形態においては、図８に示すような鍵状部６１ａ（６２ａ）を有する樹脂等で形成された巻き芯６１（６２）が用いられ、その周囲に、正極シート、負極シートおよびセパレータが重ねられて巻回されて蓄電素子４０を構成している。

第４実施形態においては、巻き芯６１（６２）に鍵状部６１ａ（６２ａ）が形成されており、この鍵状部６１ａ（６２ａ）を集電板２６の貫通孔に貫通させて、貫通孔の両端に鍵状部６１ａ（６２ａ）を係合させることにより、集電板２６と集電箔４１の固定を行っている。

上記構成の第４実施形態の単電池によれば、第３実施形態の圧縮固定構造と同様の効果が得られるのはもちろんのこと、巻き芯自体に鍵状部を一体的に形成すればよいので、第３実施形態のように押圧部材を別途作製する必要がなく、また、巻き芯内部を中空構造のような複雑な構造に形成する必要がないという効果を奏する。

第４実施形態に使用することができる巻き芯としては鍵状部を有するものであれば限定されず、例えば図８に示すように（ａ）の平板状の巻き芯６１、（ｂ）の中央部が中空となった巻き芯６２が挙げられる。

第５実施形態
図９は、本発明の第５実施形態に係る単電池を示す透視正面図である。単電池の電池ケース１０内には、正極材料を塗布した金属箔／セパレータ／負極材料を塗布した金属箔を重ねて、両端部にネジ孔６３ａを有する巻き芯６３の周囲に巻回し、さらに電解液を含浸した蓄電素子４０が配置されている。また、蓄電素子４０の両端から導出された正極集電箔４１および負極集電箔４２には、ネジ孔６３ａに対応する箇所に貫通孔を有する正極集電板２７および負極集電板２８とが配置されている。正極集電板２７および負極集電板２８のそれぞれには、電池蓋１１を貫通して電池外部に露出するように正極端子２０ａおよび負極端子２１ａが設けられている。正極集電板２７および負極集電板２８の貫通孔には、ネジ７０が挿入され、巻き芯６３のネジ孔６３ａに挿入されることで締結され、集電板２７（２８）と集電箔４１（４２）は圧縮固定構造を構成している。

上記構成の第５実施形態の単電池によれば、第３実施形態の圧縮固定構造と同様の効果が得られるのはもちろんのこと、巻き芯自体にネジ孔を形成すればよいので、第３実施形態のように押圧部材を別途作製するよりも容易に圧縮固定構造を構成することができる。また、巻き芯内部を中空構造のような複雑な構造に形成する必要がないという効果を奏する。

電池ケースへの装填
次に、図１１を用いて、本発明において作製した蓄電素子、集電板および固定手段からなる複合体を電池ケースに収納する工程を説明する。まず、（ａ）に示すように、蓄電素子複合体９０は、上型８０に立てられた２本の素子挟み込みガイド８１の間に上下を逆にして挟持される。

次に、（ｂ）に示すように、上型８０は上下が逆にされ、上型８０の孔部８３に対して、下型８４に立てられた２本のジグ用ガイドピン８５が挿入される。また、下型８４には、電池ケース９１が載置される。

続いて、（ｃ）に示すように、上型８０を下方に移動させ、蓄電素子複合体９０を素子挟み込みガイド８１ごと電池ケース９１に挿入する。

最後に、（ｄ）に示すように、上型８０の中央に形成された矩形の孔部８２に蓄電素子押さえ板８６を挿入して、蓄電素子複合体９０に当接させる。蓄電素子複合体９０が動かないように蓄電素子押さえ板８６を押圧しつつ、上型８０を上方に移動させる。以上のようにして、電池ケース９１内に蓄電素子複合体９０を装填することができる。

なお、第１実施形態〜第３実施形態に係る蓄電素子複合体に対してこの装填方法を用いる場合は、第１実施形態における弾性部材、第２実施形態における高熱伝導性絶縁部材、第３実施形態における押圧部材に素子挟み込みガイド８１用の溝を形成しておき、この溝に素子挟み込みガイド８１を固定して、蓄電素子複合体９０が圧縮された状態を保ったままで電池ケース９１内に装填することができる。

以下、本発明の各構成要素について詳細に説明する。
シート状正極層
蓄電素子を構成する正極層は、アルミニウムからなる正極集電体の両面に正極材料が結着した構造を有する。本実施例の正極材料としては、Ｌｉ酸化物粉末を用い、導電フィラーとして、アセチレンブラック、ケッチエンブラック、ＶＧＣＦなどが挙げられる。

シート状負極層
蓄電素子を構成する負極層は、銅などからなる負極集電体の両面に負極材料が結着した構造を有する。本実施例の負極材料としては、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素材料やＬｉと金属化合物を形成するＳｎ、Ｐｂ、Ｃｏなどの合金を用いることができる。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、６００〜１２００℃で焼成した低温炭素体（例えば、易黒鉛性炭素前駆体として、ピッチ、メソフェーズピッチ、または難黒鉛化性炭素前駆体として、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ＰＰＳ、セルロース等）を不活性雰囲気中で熱処理して合成した炭素などが挙げられる。

シート状セパレータ層
蓄電素子を構成するセパレータ層は、ポリオレフィン系微多孔質セパレータ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンや不織布セパレータ、例えば、ポリエステル繊維、アラミド繊維を用いることができる。

電解液
溶媒としては、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用しても良い。電解質としては、例えば過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、四フッ化ホウ素リチウム（ＬｉＢＦ_４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ_６）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_３）_２］等のリチウム塩を挙げることができる。電解質は、単独で使用しても、２種以上混合して使用しても良い。電解質の溶媒に対する溶解量は、通常は０．２ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌ程度である。 またＬｉＴＦＳＩを混合してもよい。加えて、電解液の保持する、ゲル電解質としてもよくその保持材料としては、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ビニリデンフロライド（ＶｄＦ）やヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）またはその誘導体、または共重合体を用いることができる。

蓄電素子作製
本発明は巻回型の蓄電素子、特に扁平形状の巻回蓄電素子に好適である。

電極端子
正極端子および負極端子の電極端子には、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレスといった金属またはこれらを含む合金やこれら金属を母材にしてニッケルメッキを施したものが使用可能である。集電箔と端子部分の接合面積を稼ぐためには、板状であることが好ましい。

集電板
正極及び負極集電板には、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレスといった金属またはこれらを含む合金やこれら金属を母材にしてニッケルメッキを施したものが使用可能である。

電池ケース
底面部の形状を加工するには、アルミ、ステンレス合金、樹脂を用いることができるが、インパクト成型、トランスファープレス加工によって作製したアルミニウム合金が好ましい。

弾性部材
弾性部材としては、各種ゴムが用いられ、ＥＰＤＭが好ましい。また、防振効果を高めるために防振構造をもつ材質（ウレタン系樹脂）を結合してもよい。

高熱伝導性絶縁部材
アルミ、銅、などの金属の表面に絶縁コート（テフロン（登録商標）加工）、フィルム（カプトンテープ）など表面処理を行われた物やシリコン樹脂などでも良い。

押圧部材
ケースと集電板を絶縁できるエポキシ系樹脂（ＰＰ、ＰＥ）が好ましい。

巻き芯
アルミ、ステンレス合金、エポキシ系樹脂（ＰＰ、ＰＥ）を用いる事ができるが、軽量化できる、エポキシ系樹脂が好ましい。

以下、本発明の具体的な作製例について説明する。
蓄電素子の作製
負極の集電箔として厚さ１０μｍのＣｕ箔を用い、正極の集電箔として厚さ１２μｍのＡｌ箔を用いた。正極活物質として粒径Ｄ_５０=１２μｍのＬｉＮｉ_０．３３Ｍｎ_０．３３Ｃｏ_０．３３Ｏ_２を用い、負極活物質は、粒径２２μｍの人造黒鉛粒子を用いた。ＰＶＤＦをバインダを用いて電極を作製し、電極体プレス後の活物質層の厚みはそれぞれ１００μｍとした。負極の電極密度は１．５ｇ／ｃｍ^２、正極の電極密度は３．８ｇ／ｃｍ^３であった。正極側は塗工部１３１ｍｍ、未塗工部７ｍｍとし、負極側は塗工部１３３ｍｍ、未塗工部７ｍｍとし、セパレータは膜厚２５μｍのものを用いて正負極の間に挟んだ。

セパレータ間に正、負極を挿入して巻回した。終了後、巻き芯を抜き、幅１４７ｍｍ厚さ３８ｍｍ高さ８０ｍｍの扁平型の蓄電素子を得た。集電箔として、正極、負極にそれぞれＡｌおよびＣｕの未塗工部を左右に出した。同様にして１０個作製した。

集電板の接合
両極板の未塗工部の箔を素子厚みの中央方向に倒れるように癖を付けておき、ジグで素子の幅方向に３ｍｍ潰し、全体の幅を１４１ｍｍにする。潰した未塗工部に集電板（厚み１ｍｍ）を置き、さらに、外側から図１１に示す弾性部材３３（ＥＰＤＭ）
で押さえ込み、全体の幅を１５３ｍｍとした蓄電素子複合体を得る。

含浸
蓄電素子を８０℃で２４ｈｒ真空乾燥した後、グローブボックス内の含浸用の容器の中に、蓄電素子複合体を１０個同時に投入し容器の内部を減圧、その後電解液１．０ＭのＬｉＰＦ_６／（ＥＣ＋ＤＭＣ＋ＥＭＣ）を注入して、含浸を行った。

電池ケース装填
３００３のアルミニウム合金を用いて、インパクト成型により、ケース板厚１ｍｍ、ケース外形寸法Ｌ１５５×Ｗ４０×Ｈ１００ｍｍの電池ケースを作製した。上記で作製した蓄電素子は、上述した図１１に示す方法で、電池ケース内に挿入した。この電池ケース内に挿入し、上部を電池蓋にて封止し、蓋とケースをＹＡＧ溶接で封口後、充放電装置で、４．２Ｖまで０．２Ｃの電流でＣＣＣＶ充電を８時間行った。その後、減圧して脱泡して、注液口にゴム栓をしてセルを完成させた。ＳＯＣ５０％まで放電を行い、初期抵抗測定を行った。

［比較例］
蓄電素子の作製
正極側は塗工部１１０ｍｍ、未塗工部２５ｍｍとし、負極側は塗工部１１２ｍｍ、未塗工部２５ｍｍとし、セパレータは膜厚２５μｍのものを用いた以外は実施例と同様にして、蓄電素子を１０個作製した。巻回の終了後、巻き芯を抜き、幅１６０ｍｍ厚さ３８ｍｍ高さ８０ｍｍの扁平型の蓄電素子を得た。

集電板の溶接
両極板の未塗工部の箔を素子厚みの中央に束ねる。この時、最外周の箔の曲げ角が４５°になるように束ね、溶接代を５ｍｍにして、電流取り出しの集電板と溶接した。

電池ケース装填
上記で作製した素子を実施例と同じ電池ケース内に挿入し、上部を電池蓋にて封止し、蓋とケースをＹＡＧ溶接で封口後、８０℃で２４ｈｒ真空乾燥した。

含浸
真空乾燥後、グローブボックス内でセル内部を個別に減圧し、その後、電解液１．０ＭのＬｉＰＦ_６／（ＥＣ＋ＤＭＣ＋ＥＭＣ）を注入して、含浸を行った。充放電装置で、４．２Ｖまで０．２Ｃの電流でＣＣＣＶ充電を８時間行った。その後、減圧して脱泡して、注液口にゴム栓をしてセルを完成させた。ＳＯＣ５０％まで放電を行い、初期抵抗測定を行った。

［１．セル初期性能］
実施例および比較例のセル初期性能を表１にまとめた。

初期性能では、実施例は比較例に対しておよそ１５％容量が向上していた。本実施例および比較例では、比較のためセルケースサイズを同じ寸法にしたが、容量を同じにするようにセル設計すると、実施例の構造を用いることで、セル小型化が可能になる。

［２．振動試験］
実施例および比較例のセルを振動試験機に固定し、２０〜４００Ｈｚ、掃引時間を１０分間、３方向各７２時間印加し、加速度は１５Ｇにおいて試験を行った。試験後１０、２０、３０、４０Ａにて、４点法で内部抵抗を算出し比較を行った。

その結果を表２示す。比較例では３セルが正極集電部での一部箔が切断しており、これにより（１５〜２０％）の抵抗上昇が見られた。一方、実施例では試験前後での抵抗上昇はほとんど見られなかった。

［３．生産コスト］
実施例においては、予め蓄電素子複合体を作製すればケースへの装填は比較的容易に行えるため、含浸工程では複数の蓄電素子をバッチ管理で１度に減圧・含浸することができたが、比較例においては、蓄電素子のケースへの装填が困難なため、個々にケースに装填した後に、個別管理で１つずつ減圧・含浸しなければならなかった。このことは、大量生産において両者の間に著しい生産コストの差を生じさせるということであり、本発明によれば、大幅な生産コストの削減が可能になる。

従来は蓄電素子がケース内で一度押し込まれると潰れてしまったが、本発明によれば、押し込まれる方向と直交する方向に圧縮されて寸法変化のないケース側面によって支持されているので、長期に亘って安定した集電荷重を蓄電素子に与える続けることができ、蓄電素子の耐衝撃性および耐振動性を向上させることができる。さらには溶接を伴わずに集電板と集電箔の接続を確実に行えるから、車載用リチウムイオン二次電池システムに適用して極めて有望である。

１０…電池ケース、
１１…電池蓋、
１２…電解液注入口、
２０ａ…正極端子、
２１ａ…負極端子、
２２、２４、２６、２７…正極集電板、
２２ａ…正極集電板押圧部、
２２ｂ…正極集電板突出部、
２３、２５、２８…負極集電板、
２３ａ…負極集電板押圧部、
２３ｂ…負極集電板突出部、
２４ａ、２５ａ…貫通孔、
３０、３３…弾性部材、
３１、３２…押圧部材、
３１ａ、３２ａ…押圧部材押圧部
３１ｂ、３２ｂ…押圧部材係合部、
４０…蓄電素子、
４１…正極集電箔、
４２…負極集電箔、
４３、４４…中空部、
５０…高熱伝導性絶縁部材、
６０〜６３…巻き芯、
６１ａ、６２ａ…巻き芯係合部、
６３ａ…ネジ孔、
７０…ネジ、
８０…上型、
８１…素子挟み込みガイド、
８２、８３…孔部、
８４…下型、
８５…ジグ用ガイドピン、
８６…蓄電素子押さえ板、
９０…蓄電素子複合体、
９１…電池ケース。

Claims (4)

1. 電解液を有する蓄電素子と、
   前記蓄電素子の両端から導出される正極集電箔および負極集電箔と、
   前記集電箔を正極端子および負極端子にそれぞれ接続する正極集電板および負極集電板と、
   前記蓄電素子、前記集電箔および前記集電板を収容する電池ケースと、
   前記集電板と前記電池ケース壁との間に設けられ前記集電板と前記電池ケースとの間で圧縮されることで前記蓄電素子を前記電池ケースに対して固定する弾性部材と
   を備えた二次電池であって、
   前記電池ケースは、底面、４つの側面及び上蓋からなり、
   前記底面及び前記側面は一体に成形されて底面・側面複合体を形成しており、
   前記底面・側面複合体は前記上蓋により封口され、
   前記弾性部材は、前記少なくとも１つの側面と前記集電板との間に設けられ、前記集電板を前記上蓋の前記底面・側面複合体に対する封口方向と直交する方向に圧縮することを特徴とする二次電池。
2. 前記蓄電素子は、正極板、負極板およびセパレータを重ねて巻回し中央に空間を有する巻回型素子であり、
   前記集電板は突出部を有し、
   前記突出部は、前記蓄電素子の空間に挿入されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記突出部は、断面がＶ字状であることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
4. 前記弾性部材は、凸部を有し、
   前記凸部は、前記Ｖ字状の突出部がなす凹部に係合することを特徴とする請求項２または３に記載の二次電池。
   
   
   
   
   
   
   
   

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