JP2019096431A - 組電池と、組電池に用いられる単電池の製造方法 - Google Patents

組電池と、組電池に用いられる単電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電池ケースの内圧変動に対する耐久性に優れた組電池を提供する。【解決手段】本発明によって、配列方向Ｘに配列され、電極体と電解液とを収容する電池ケースを備える複数の単電池１０と、配列方向Ｘに隣り合った２つの単電池１０の間に配置されるスペーサ４０と、を備える組電池が提供される。上記電池ケースは、スペーサ４０と対向する一対の側面３０ｗを有する。側面３０ｗの少なくとも一方は、スペーサ４０によって押圧される押圧領域と、スペーサ４０によって押圧されない非押圧領域と、を有する。上記電池ケースの上記非押圧領域には、スペーサ４０に近づく方向に向かって膨らんだ膨張部３４が設けられ、膨張部３４によって上記電池ケースとスペーサ４０との隙間が小さくなるように構成されている。【選択図】図９

Description

本発明は、組電池と、組電池に用いられる単電池の製造方法に関する。
複数の単電池が電気的に接続されて構成されている組電池は、車両駆動用の高出力電源等として広く用いられている（特許文献１〜３参照）。
例えば特許文献１には、所定の配列方向に配列されている複数の単電池と、上記配列方向に隣り合った２つの単電池の間に配置されている１つまたは複数のスペーサと、上記単電池と上記スペーサとに対して上記配列方向から荷重を加える拘束機構と、を有する組電池が開示されている。上記単電池は、正極と負極とが絶縁された状態で対向された電極体と、電解液と、上記電極体と上記電解液とを収容する電池ケースと、を有している。上記スペーサは、単電池と対向する面に凸状のリブを複数備えている。特許文献１の組電池では、上記スペーサのリブによって、電極体の全体に配列方向から荷重が加えられている。このことにより、電池ケース内の電極体は、正極と負極とを互いに押し付け合うように均等な力で押圧されている。その結果、充放電時等には上記配列方向における電極体の寸法変化が抑えられ、電池の膨れが抑制される。
また、例えば特許文献２には、電池ケースの一部にスペーサを当接させて、電池ケースに、スペーサで押圧される部分と押圧されない部分とを設けることが記載されている。特許文献２では、このような構成によって電極体の両端部を含みかつ中央部を含まない領域に高い荷重を加えることで、ハイレート充放電特性の向上を図っている。
特開２０１２−１１３９６１号公報 特開２０１２−２３０８３７号公報 特開２０１６−１８４４７０号公報
しかしながら、本発明者の検討によれば、組電池の使用時には、使用環境の温度差や標高差、あるいは充放電の繰り返しによって、電池ケースの内圧が変動する。このとき、上記特許文献２に記載されるように、電池ケースにスペーサで押圧される部分と押圧されない部分とがあると、押圧されない部分に応力が集中して、押圧されない部分で局所的な「電池膨れ」が発生する。このような電池膨れが繰り返されると、電池ケースが疲労する。その結果、膨れ変形の起点となる箇所、具体的には、電池ケースの押圧される部分と押圧されない部分と境界付近に亀裂が生じる等して、電池の気密性が低下する課題がある。
さらに近年、低コスト化や軽量化の観点から、電池ケースの厚み（板厚）は、より薄くなってきている。具体的には、従来の電池ケースの板厚が１〜３ｍｍ程度であったのに対し、昨今では電池ケースの板厚を０．５ｍｍ以下、例えば０．３〜０．５ｍｍ程度まで薄くすることが検討されている。このような薄肉の電池ケースは、内圧変動によって変形容易であるため、とりわけ上述のような問題が発生し易い。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池ケースの内圧変動に対する耐久性に優れた組電池を提供することである。また、関連する他の目的は、この組電池に用いられる単電池の製造方法を提供することである。
本発明によって、正極と負極とを有する電極体と、電解液と、上記電極体と上記電解液とを収容する電池ケースと、を備え、配列方向に配列された複数の単電池と、上記配列方向に隣り合った２つの上記単電池の間に配置され、上記単電池と対向する少なくとも一方の面に、上記単電池に向かって突出する凸状部を有する、１つまたは複数のスペーサと、上記複数の単電池と上記１つまたは複数のスペーサとに対して、上記配列方向から荷重を加える拘束機構と、を備える組電池が提供される。上記電池ケースは、上記スペーサと対向する一対の側面を有する。上記側面の少なくとも一方は、上記スペーサによって押圧される押圧領域と、上記スペーサによって押圧されない非押圧領域と、を有する。上記電池ケースの上記非押圧領域には、上記スペーサに近づく方向に向かって膨らんだ膨張部が設けられ、上記膨張部によって上記電池ケースと上記スペーサとの隙間が小さくなるように構成されている。
上記構成では、電池ケースの非押圧領域に膨張部が設けられ、非押圧領域において電池ケースとスペーサとの隙間が従来に比べて狭くなっている。このことにより、電池ケースの内圧変動によって生じる応力を分散させて、非押圧領域での電池膨れを小さく抑えることができる。したがって、内圧変動のストレスが繰り返し加えられても、電池ケースが疲労し難くなる。その結果、非押圧領域において電池ケースとスペーサとの隙間が広い場合に比べて、内圧変動に対する耐久性に優れた組電池を実現することができる。
好適な一態様において、上記電極体は、上記正極と上記負極とが絶縁された状態で上記配列方向に対向されている反応部を有する。上記電池ケースの上記非押圧領域は、少なくとも、上記反応部の鉛直方向における下端から上端に向かって１／３までの下方部分に設けられている。上記構成により、非押圧領域が、電極体内に電解液を保持するための保液空間（所謂、液だめ）として機能する。その結果、上記構成の組電池では、ハイレート充放電を繰り返しても電解液が電極体の外に押し出され難くなる。したがって、ハイレートサイクル特性に優れた組電池を実現することができる。
好適な一態様において、上記電池ケースの上記押圧領域は、上記側面の鉛直方向に直交する方向を幅方向としたときに、上記反応部の上記幅方向の両端部分を、それぞれ上記鉛直方向の全長にわたって押圧する長さで設けられている。上記構成により、押圧領域が、電極体外への電解液の移動を抑制するストッパ壁として機能する。その結果、ハイレートサイクル特性に一層優れた組電池を実現することができる。また、上記押圧領域によって、電極体の配列方向への寸法変化が生じ難くなり、電池膨れが抑制される。さらに、例えば過充電時には、セパレータの位置ずれや収縮が抑えられて、電極体の内部短絡が生じ難くなる。したがって、上記構成により、例えば、ハイレート充放電特性、ハイレートサイクル特性、過充電耐性のうちの少なくとも１つに優れた組電池を実現することができる。
好適な一態様において、上記膨張部の最大高さが、上記スペーサの上記凸状部の高さと同じである。上記単電池が予め定められた完全放電状態のときに、上記電池ケースの上記膨張部が上記スペーサと接している。このことにより、電池ケースの内圧変動によって生じる応力をより良く分散させて、非押圧領域での電池膨れを一層小さく抑えることができる。したがって、本発明の効果を、より高いレベルで発揮することができる。
好適な一態様において、上記電極体は、上記正極と上記負極とが絶縁された状態で積層され捲回された扁平形状の捲回電極体である。上記捲回電極体は、一対の捲回平坦部と、上記一対の捲回平坦部の間に介在される一対の捲回Ｒ部と、を有する。上記一対の捲回Ｒ部のうちの一方は上記鉛直方向の下側に配置され、上記一対の捲回平坦部は上記電池ケースの上記一対の側面に沿うように配置されている。このことにより、下側に配置された捲回Ｒ部が電解液の受け皿となり、電極体の下端から電解液が流出することを抑制することができる。したがって、電極体内に電解液をより良く保持して、ハイレートサイクル特性に優れた組電池を実現することができる。
好適な一態様において、上記電池ケースの上記側面の板厚が、０．５ｍｍ以下である。このような薄肉の電池ケースでは、上述したような内圧変動に起因する問題がとりわけ発生し易い。したがって、電池ケースが薄肉である場合、本発明の適用がより高い効果を奏する。
また、本発明によって、組電池の構築に使用される単電池の製造方法が提供される。この製造方法は、電池ケースに電極体を挿入して組立体を構築する第１工程；上記第１工程に次いで、上記組立体をスペーサと対向させた状態で拘束し、上記電池ケースの内部に圧力を印加することで、上記電池ケースに上記スペーサの形状に沿った膨張部を形成する第２工程；上記第２工程に次いで、上記膨張部を形成した上記電池ケースに電解液を注液する第３工程；を包含する。かかる製造方法によれば、組電池の構築に使用される単電池を簡便に製造することができる。
図１は、一実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す単電池を模式的に示す平面図である。 図３は、図１に示す単電池を模式的に示す側面図である。 図４は、図１に示す単電池を模式的に示す縦断面図である。 図５は、図４に示す電極体を模式的に示す分解図である。 図６は、図１に示すスペーサを模式的に示す平面図である。 図７は、スペーサのVII−VII線断面図である。 図８は、単電池とスペーサとの相対的な関係を模式的に示す平面図である。 図９は、図８に示す単電池とスペーサとの相対的な関係を模式的に示すIX−IX線断面図である。 図１０は、他の実施形態に係る単電池とスペーサとの相対的な関係を模式的に示す平面図である。 図１１は、他の実施形態に係る単電池とスペーサとの相対的な関係を模式的に示す平面図である。 図１２は、他の実施形態に係る単電池とスペーサとの相対的な関係を模式的に示す平面図である。 図１３は、他の実施形態に係る単電池とスペーサとの相対的な関係を模式的に示す平面図である。
以下、適宜図面を参照しながら、ここに開示される組電池の好適な実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。ここに開示される組電池は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。図面中の符号Ｕ、Ｄ、Ｆ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒは、それぞれ、上、下、前、後、左、右を意味するものとする。図面中の符号Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ、単電池の配列方向、単電池の長側面の幅方向、単電池の長側面の鉛直方向を意味するものとする。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、組電池の設置態様を何ら限定するものではない。
＜組電池＞
図１は、一実施形態に係る組電池１を模式的に示す斜視図である。組電池１は、複数の単電池１０と、複数のスペーサ４０と、一対のエンドプレート５０Ａ、５０Ｂと、複数の拘束バンド５２と、を備えている。一対のエンドプレート５０Ａ、５０Ｂは、所定の配列方向Ｘ（図１の前後方向）において、組電池１の両端に配置されている。複数の拘束バンド５２は、一対のエンドプレート５０Ａ、５０Ｂを架橋するように取り付けられている。複数の単電池１０は、配列方向Ｘに配列されている。複数のスペーサ４０は、配列方向Ｘにおいて、複数の単電池１０の間、および、単電池１０とエンドプレート５０Ａ、５０Ｂとの間、にそれぞれ配置されている。
エンドプレート５０Ａ、５０Ｂは、複数の単電池１０と複数のスペーサ４０とを配列方向Ｘに挟み込んでいる。複数の拘束バンド５２は、複数のビス５４によって、エンドプレート５０Ａ、５０Ｂに固定されている。複数の拘束バンド５２は、それぞれ、配列方向Ｘに規定の拘束圧が加わるように取り付けられている。複数の拘束バンド５２は、例えば、単電池１０のスペーサ４０で押圧される領域での面圧が、概ね９０〜６００ｋｇｆ／ｃｍ２、例えば２００〜５００ｋｇｆ／ｃｍ２程度となるように、取り付けられている。このことにより、複数の単電池１０と複数のスペーサ４０とに対して配列方向Ｘから荷重が加えられ、組電池１が一体的に保持されている。なお、本実施形態では、エンドプレート５０Ａ、５０Ｂと、複数の拘束バンド５２と、複数のビス５４とで、拘束機構が構成されている。ただし、拘束機構はこれに限定されるものではない。
図２は、単電池１０を模式的に示す平面図である。図３は、単電池１０を模式的に示す左側面図である。図４は、単電池１０を模式的に示す縦断面図である。単電池１０は、典型的には繰り返し充放電が可能な二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ等である。単電池１０は、電極体２０と、図示しない電解液と、電池ケース３０と、を備えている。
電池ケース３０は、電極体２０と電解液とを収容する筐体である。電池ケース３０は、例えば、アルミニウムやスチール等の金属製である。本実施形態の電池ケース３０は、有底角型（直方体形状）の外形を有している。
電池ケース３０は、上面３０ｕと、上面３０ｕに対向する底面３０ｂと、底面３０ｂから連続する側面としての一対の短側面３０ｎおよび一対の長側面３０ｗと、を有している。底面３０ｂと一対の短側面３０ｎと一対の長側面３０ｗとは、例えば、１枚の金属板から絞り加工によって形成されている。一対の短側面３０ｎと一対の長側面３０ｗとは、それぞれ平坦な部分を有している。底面３０ｂと一対の短側面３０ｎと一対の長側面３０ｗとの厚み（板厚）は、概ね１ｍｍ以下、典型的には０．５ｍｍ以下、例えば０．３〜０．４ｍｍである。電池ケース３０の一対の長側面３０ｗは、それぞれスペーサ４０と対向している。一対の長側面３０ｗには、それぞれ２つの膨張部３４が設けられている。電池ケース３０は、合計４つの膨張部３４を有している。膨張部３４は、スペーサ４０に沿った形状を有している。言い換えれば、膨張部３４の形状、サイズ、配置等については、スペーサ４０との相対的な関係で決定される。なお、このことについては、後ほど詳述する。
電池ケース３０の上面３０ｕには、電解液を注液するための注液口（図示せず）が設けられている。電池ケース３０の上面３０ｕには、外部接続用の正極端子１２Ｔと負極端子１４Ｔとが突出している。隣り合う単電池１０の正極端子１２Ｔと負極端子１４Ｔとは、バスバー１８で電気的に接続されている。このことにより、組電池１は直列に電気接続されている。ただし、組電池１を構成する単電池１０の形状、サイズ、個数、配置、接続方法等はここに開示される態様に限定されることなく、適宜変更することができる。
電池ケース３０の内部に収容されている電極体２０および電解液の構成については従来と同様でよく、特に限定されない。電解液は、例えば、非水溶媒と支持塩とを含む非水電解液である。非水溶媒は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等のカーボネートである。支持塩は、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４等のリチウム塩である。
図５は、電極体２０を模式的に示す分解図である。電極体２０は捲回電極体である。電極体２０は、帯状の正極１２と帯状の負極１４とが、帯状のセパレータ１６を介して絶縁された状態で積層され、捲回軸ＷＬを中心として捲回されて構成されている。
正極１２は、正極集電体と、その表面に固着された正極活物質層１２ａとを備えている。正極活物質層１２ａは、電荷担体を可逆的に吸蔵及び放出可能な正極活物質、例えばリチウム遷移金属複合酸化物を含んでいる。負極１４は、負極集電体と、その表面に固着された負極活物質層１４ａとを備えている。負極活物質層１４ａは、電荷担体を可逆的に吸蔵及び放出可能な負極活物質、例えば炭素材料を含んでいる。セパレータ１６は、電荷担体を透過するとともに、正極活物質層１２ａと負極活物質層１４ａとを絶縁する多孔質部材である。
電極体２０の幅方向Ｙにおいて、セパレータ１６の幅Ｗ３は、正極活物質層１２ａの幅Ｗ１や負極活物質層１４ａの幅Ｗ２よりも広い。また、負極活物質層１４ａの幅Ｗ２は、正極活物質層１２ａの幅Ｗ１よりも広い。即ち、Ｗ１とＷ２とＷ３とは、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３を満たしている。正極活物質層１２ａの幅Ｗ１の範囲では、正極活物質層１２ａと負極活物質層１４ａとが絶縁された状態で対向されている。
電極体２０の幅方向Ｙの右端部には、正極集電体露出部１２ｎが設けられている。正極集電体露出部１２ｎには、集箔集電用の正極集電板１２ｃが付設されている。電極体２０の正極１２は、正極集電板１２ｃを介して正極端子１２Ｔと電気的に接続されている。また、電極体２０の幅方向Ｙの左端部には、負極集電体露出部１４ｎが設けられている。負極集電体露出部１４ｎには、集箔集電用の負極集電板１４ｃが付設されている。電極体２０の負極１４は、負極集電板１４ｃを介して負極端子１４Ｔと電気的に接続されている。
電極体２０の外観は、扁平形状である。電極体２０は、捲回軸ＷＬに直交する断面視において、一対の捲回平坦部２０ｆと、一対の捲回平坦部２０ｆの間に介在される一対の捲回Ｒ部２０ｒとを有する。電極体２０の幅方向Ｙの一対の端部は開口され、幅方向Ｙの端部で電極体２０の内外が連通されている。
単電池１０において、電極体２０の一対の捲回Ｒ部２０ｒのうち一方は、電池ケース３０の底面３０ｂに配置されており、他方は電池ケース３０の上面３０ｕに配置されている。言い換えれば、電極体２０の一対の捲回Ｒ部２０ｒは、鉛直方向Ｚの上下に配置されている。電極体２０の幅方向Ｙの一対の端部は、電池ケース３０の一対の短側面３０ｎと対向するように配置されている。電極体２０の一対の捲回平坦部２０ｆは、電池ケース３０の一対の長側面３０ｗと対向するように配置されている。言い換えれば、電極体２０の一対の捲回平坦部２０ｆは、配列方向Ｘに沿って配置されている。
本実施形態では、捲回平坦部２０ｆの正極活物質層１２ａの幅Ｗ１の範囲が、充放電可能な反応部２１である。反応部２１では、正極１２の正極活物質層１２ａと負極１４の負極活物質層１４ａとが、セパレータ１６を介して配列方向Ｘに対向されている。
図６は、スペーサ４０を模式的に示す平面図である。図７は、スペーサ４０のVII−VII線断面図である。スペーサ４０は、板状部材である。スペーサ４０は、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂材料や、熱伝導性の良い金属材料で構成されている。スペーサ４０は、単電池１０に対向しており、単電池１０の内部で発生した熱を効率よく放散させるための放熱板としての機能を有する。
スペーサ４０は、単電池１０の電池ケース３０と対向する少なくとも一方の面に、複数の凸状部４２と、１つのベース部４４と、を有している。複数の凸状部４２と１つのベース部４４とは、一体的に形成されている。複数の凸状部４２は、ベース部４４から電池ケース３０に向かって突出している。言い換えれば、複数の凸状部４２は、配列方向Ｘの単電池１０に近づく方向に向かって突出している。複数の凸状部４２は、同じ高さＴで突出している。特に限定されるものではないが、凸状部４２の高さＴは、典型的にはベース部４４の厚み（すなわち、配列方向Ｘの高さ）以下であり、一例では２ｍｍ以下、典型的には１ｍｍ以下、例えば０．５〜１ｍｍである。
複数の凸状部４２は、電池ケース３０の長側面３０ｗに当接して、長側面３０ｗの当接した部分およびその周辺部分に対して、配列方向Ｘから荷重を加えるように構成されている。複数の凸状部４２の形状、サイズ、配置は、例えば要求される電池特性等に応じて適宜決定することができる。本実施形態において、複数の凸状部４２は、幅方向Ｙの中央線Ｍｙを基準とする線対称性を有している。平面図において、複数の凸状部４２は、形状やサイズの異なる３種類のリブ４２１、４２２、４２３を含んでいる。リブ４２１は、Ｔ字形状のリブである。リブ４２１は、電極体２０の反応部２１の上方部分と、電極体２０の反応部２１の中央線Ｍｙを含む幅方向Ｙの中央部分と、を押圧するように構成されている。リブ４２２、４２３は、くし歯状である。リブ４２２、４２３は、それぞれ、鉛直方向Ｚに等間隔で配置された複数のリブを有している。各リブは、それぞれ離間された位置に配置されている。リブ４２２の各リブは、中央線Ｍｙに近い側が下方Ｄに向かって延びている。
リブ４２１、４２２、４２３の少なくとも一部は、幅方向Ｙに沿って延びている。このことにより、スペーサ４０には、冷却用流体（典型的には空気）の流路として利用可能な複数の溝部分が形成されている。複数の溝部分は、幅方向Ｙに沿ってピッチｄで形成されている。特に限定されるものではないが、リブ４２１、４２２、４２３のピッチｄは、典型的には１〜１０ｍｍ、例えば５〜１０ｍｍである。このことにより、電極体２０の反応部２１のなかで、リブ４２１、４２２、４２３に挟まれた溝部分に対向する部分についても、押圧することができる。複数の溝部分は、幅方向Ｙの左右の両端部分が開放されている。スペーサ４０では、例えば、鉛直方向Ｚの下方であって中央線Ｍｙに近い部分から冷却用流体が供給され、幅方向Ｙの左右から冷却用流体が排出される。
本実施形態において、凸状部４２は、電極体２０の反応部２１の幅方向Ｙの両端部分を押圧するように設けられている。この幅方向Ｙの両端部分では、リブ４２１、４２２、４２３が鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで設けられている。また、凸状部４２は、電極体２０の反応部２１の中央線Ｍｙを含む中央部分を押圧するように設けられている。中央線Ｍｙを含む中央部分では、リブ４２１が鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで設けられている。また、凸状部４２は、電極体２０の反応部２１の鉛直方向Ｚの中央線Ｍｚを含む中央部分を押圧するように設けられている。中央線Ｍｚを含む中央部分では、リブ４２２が鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで設けられている。
本実施形態において、凸状部４２は、少なくとも電極体２０の反応部２１の鉛直方向Ｚの下端から１／３の下方部分の一部を押圧しないように設けられている。凸状部４２は、下方部分において、反応部２１の幅Ｗ１の１／２（５０％）以上、例えば３／４（７５％）以上を押圧しないように設けられているとよい。このことにより、ハイレートサイクル特性をより良く向上することができる。
図８は、単電池１０とスペーサ４０との相対的な関係を模式的に示す平面図である。ここではスペーサ４０を仮想線で表している。図９は、単電池１０のIX−IX線断面図である。ただし、単電池１０の内部構造は省略している。図８，９に示すように、ここに開示される技術では、電池ケース３０の長側面３０ｗの一部に、スペーサ４０の凸状部４２が当接している。このことにより、長側面３０ｗは、スペーサ４０によって押圧される押圧領域２２と、スペーサ４０によって押圧されない非押圧領域２４と、に区分けされている。押圧領域２２と非押圧領域２４とのバランスや配置は、スペーサ４０との相対的な関係で決定される。
押圧領域２２は、電極体２０の反応部２１を押圧するように設けられた領域である。押圧領域２２は、鉛直方向Ｚにおいて、上端から下端に向かって１／３までの上方部分と、中央線Ｍｚ含む中央部分と、に設けられている。押圧領域２２は、鉛直方向Ｚの上方部分および／または中央部分の全体にわたって設けられていてもよいし、一部にのみ設けられていてもよい。鉛直方向Ｚの中央部分に設けられた押圧領域２２は、摩耗劣化を抑制するために有効である。すなわち、鉛直方向Ｚの中央部分に設けられた押圧領域２２は、電極体２０の膨張や座屈を抑制するように機能する。このことにより、正極１２と負極１４との間の距離が開くことを抑制して、配列方向Ｘにおける正極１２と負極１４と位置関係を安定的に維持することができる。その結果、例えばハイレート充放電時等にも抵抗上昇を好適に抑制することができる。したがって、抵抗上昇による被膜生成が生じ難くなり、優れた摩耗劣化耐性を実現することができる。
押圧領域２２は、幅方向Ｙの中央線Ｍｙを基準とする線対称性を有している。押圧領域２２は、幅方向Ｙにおいて、長側面３０ｗの両端部分と、中央線Ｍｙ含む中央部分と、に設けられている。押圧領域２２は、両端部分および／または中央部分において、反応部２１の鉛直方向Ｚの全長にわたって設けられていてもよいし、全長よりも短い長さで設けられていてもよい。
幅方向Ｙの両端部分に設けられた押圧領域２２は、ハイレートサイクル特性を向上するために有効である。すなわち、幅方向Ｙの両端部分に設けられた押圧領域２２は、幅方向Ｙへの電解液の移動を抑制するストッパ壁として機能する。このことにより、組電池１では、電極体２０の内部に好適に電解液を貯留することができる。したがって、組電池１では、ハイレート充放電を繰り返しても電解液が電極体２０の系外に押し出され難くなり、優れたハイレートサイクル特性を実現することができる。また、単電池１０の充放電時には、電極体２０の配列方向Ｘへの寸法変化が生じ難くなり、電池膨れを好適に抑制することができる。また、例えば過充電時には、セパレータ１６の位置ずれや収縮を好適に抑制することができ、優れた過充電耐性を実現することができる。
上記した効果をより高いレベルで発揮するためには、幅方向Ｙの両端部分に設けられた押圧領域２２が、反応部２１の鉛直方向Ｚの全長にわたって設けられているとよい。また、幅方向Ｙの中央部分に設けられた押圧領域２２が、反応部２１の鉛直方向Ｚの全長にわたって設けられているとよい。
非押圧領域２４は、電極体２０の反応部２１を押圧しないように設けられた領域である。非押圧領域２４は、鉛直方向Ｚにおいて、下端から上端に向かって１／３までの下方部分に設けられている。非押圧領域２４は、鉛直方向Ｚの下方部分の全体にわたって設けられていてもよいし、一部にのみ設けられていてもよい。
鉛直方向Ｚの下方部分に設けられた非押圧領域２４は、ハイレートサイクル特性を向上するために有効である。すなわち、鉛直方向Ｚの下方部分に設けられた非押圧領域２４は、反応部２１に電解液を保持するための保液空間として機能する。このことにより、組電池１では、電極体２０の内部に好適に電解液を貯留することができる。したがって、組電池１では、ハイレート充放電を繰り返しても電解液が電極体２０の系外に押し出され難くなり、優れたハイレートサイクル特性を実現することができる。
上記した効果をより高いレベルで発揮するためには、鉛直方向Ｚの下方部分に設けられた押圧領域２２が、反応部２１の下方部分の全体の１／２（５０％）以上、例えば３／４（７５％）以上にわたって設けられているとよい。
非押圧領域２４は、幅方向Ｙの中央線Ｍｙを基準とする線対称性を有している。非押圧領域２４は、幅方向Ｙの中央線Ｍｙで区分けされる左右の領域に設けられている。
ここに開示される技術では、非押圧領域２４に、配列方向Ｘに突出する膨張部３４が設けられている。膨張部３４は、スペーサ４０の形状に沿うように設けられている。このことにより、電池ケース３０の非押圧領域２４と、スペーサ４０との隙間が狭められている。電池ケース３０の非押圧領域２４と、スペーサ４０との隙間は、完全に埋まっていてもよい。膨張部３４の断面形状は、ここでは丘形状である。このような断面形状であると、長側面３０ｗの平坦な部分から連続的に配列方向Ｘの高さが高くなっていく。そのため、応力を効果的に分散することができる。ただし、膨張部３４の断面形状は丘形状には限定されず、例えば、半円形状や、台形等の多角形状であってもよい。また、膨張部３４は、例えば、最大高さＨの点を複数有する形状、例えば、波状やシボ状等であってもよい。
膨張部３４は、電池ケース３０の長側面３０ｗの平坦な部分から、対向するスペーサ４０のベース部４４に向かって、最大高さＨで突出している。膨張部３４の最大高さＨは、スペーサ４０の凸状部４２の高さＴ以下である。特に限定されるものではないが、膨張部３４の最大高さＨは、一例では２ｍｍ以下、典型的には１ｍｍ以下、例えば０．５〜１ｍｍである。膨張部３４の最大高さＨは、スペーサ４０の凸状部４２の高さＴと同じであるとよい。すなわち、図９に示すように、単電池１０が完全放電状態（ＳＯＣ＝０％）のときに、電池ケース３０の膨張部３４が、スペーサ４０のベース部４４と接しているとよい。このことにより、ここに開示される技術の効果を、より高いレベルで発揮することができる。
以上のように、組電池１では、電池ケース３０の非押圧領域２４に、膨張部３４が設けられている。このことにより、電池ケース３０の内圧変動で生じる応力を分散させることができる。そして、電池ケース３０に内圧変動が生じた際には、非押圧領域２４の体積変化を小さく抑えることができる。その結果、たとえ電池ケース３０に内圧変動のストレスが繰り返し加えられたとしても、電池ケース３０に亀裂等の劣化が生じ難くなる。このことにより、例えば、電池ケース３０の内部に収容されている電解液が流出したり、電池ケース３０の内部に水分等が侵入したりすることを抑制することができる。したがって、内圧変動に対する耐久性に優れた組電池１を実現することができる。
組電池１は各種用途に利用可能である。組電池１は、例えば、車両に搭載されるモーター用の動力源（駆動用電源）として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、典型的には自動車、例えばプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等が挙げられる。
＜単電池の製造方法＞
組電池１を構成する単電池１０は、従来公知の製造方法によって製造することができる。特に限定されるものではないが、低コストや生産性の観点からは、例えば以下のような製造方法を採用することができる。この製造方法は、例えば、次の３つの工程：電池ケース３０に電極体２０を挿入して組立体を構築する第１工程；上記組立体をスペーサ４０と対向させた状態で拘束し、電池ケース３０の内部に圧力を印加することで、膨張部３４を形成する第２工程；電池ケース３０に電解液を注液する第３工程；を包含する。
第１工程では、まず、電池ケース３０と電極体２０とを用意する。電池ケース３０および電極体２０としては、従来公知のものを適宜使用することができる。特に限定されるものではないが、電池ケース３０としては、例えば、１枚の金属板から絞り加工によって形成され、開口を有するケース本体と、ケース本体の開口を塞ぐ蓋体と、を組みあわせて構成されるものを使用することができる。また、電極体２０としては、例えば、上記したような捲回電極体を使用することができる。本工程では、次に、電池ケース３０に電極体２０を挿入する。これによって、組立体を構築する。
第２工程では、まず、上記組立体を、スペーサ４０と対向させた状態で拘束する。スペーサ４０としては、組電池１と同じものを使用する。拘束圧は、組電池１と同様とするとよい。本工程では、次に、電池ケース３０の内部に圧力を印加する。圧力の印加は、例えば、電池ケース３０の上面３０ｕに設けられた図示しない注液口を利用して行うとよい。印加する圧力は、電池ケース３０が膨らむように適宜調整するとよい。例えば、電池ケース３０が板厚０．３〜０．４ｍｍ程度のアルミニウム製である場合には、電池ケース３０の内圧が、概ね３〜４気圧となるように圧力を印加するとよい。これによって、電池ケース３０のスペーサ４０と対向する面に、スペーサ４０の形状に沿った膨張部３４を形成する。そして、典型的には一旦、上記組立体の拘束を解除する。
第３工程では、まず、電解液を用意する。電解液としては、例えば、上記したような非水溶媒に支持塩を含ませたものを使用することができる。本工程では、次に、電池ケース３０の上面３０ｕに設けられた注液口から電解液を挿入する。そして、注液口を気密に封止する。以上のようにして、単電池１０を製造することができる。また、製造した単電池１０と、第２工程で使用したスペーサ４０とを、所定の方向に交互に配列させた後、拘束機構で拘束することによって、組電池１を製造することができる。
以上、本発明を詳細に説明したが、上記した実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記した実施形態では、電極体２０が捲回電極体であったが、これには限定されない。電極体２０は、例えば、複数の矩形状の正極と、複数の矩形状の負極とが、絶縁された状態で交互に積み重ねられた積層電極体であってもよい。積層電極体は、一対の矩形状の平坦面と、当該一対の平坦面をつなぐ４つの積層面（端面）とを有する。積層電極体は、典型的には、その平坦面が単電池１０の長側面３０ｗと対向するように、電池ケース３０の内部に配置される。この場合、上記平坦面が電極体２０の反応部２１となる。このような態様の電極体もまた、単電池１０で好ましく用いることができる。
また、例えば、上記した実施形態では、電池ケース３０の一対の長側面３０ｗのそれぞれが、押圧領域２２と非押圧領域２４とに区分けされ、膨張部３４を有していた。しかし、これには限定されない。すなわち、上記した通り、押圧領域２２と非押圧領域２４との区分けについては、スペーサ４０との相対的な関係で決定されるものである。したがって、例えば、電池ケース３０の一対の長側面３０ｗのうちの一方が、長側面３０ｗの全体を押圧するような形状のスペーサと対向される場合は、当該対向面が押圧領域２２のみを有していてもよい。また、膨張部３４は、電池ケース３０の一対の長側面３０ｗのうちの少なくとも一方に設けられていればよい。
また、例えば、上記した実施形態では、電池ケース３０の長側面３０ｗに２つの膨張部３４が設けられていた。また、上記した実施形態では、電池ケース３０の長側面３０ｗの下方部分のみに膨張部３４が設けられていた。しかし、これには限定されない。
図１０〜図１２は、他の実施形態に係る単電池１０ａ〜１０ｃと、スペーサ４０ａ〜４０ｃの凸状部４２ａ〜４２ｃと、の相対的な関係を模式的に示す平面図である。図１０〜図１２では凸状部４２ａ〜４２ｃを仮想線で表している。
図１０は、単電池１０ａの長側面３０ｗと対向するスペーサ４０ａが、平板状の２つの第１凸状部４２ａを有している例である。２つの第１凸状部４２ａは、電極体の反応部の幅方向Ｙの両端部分を、鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで押圧するように設けられている。このため、図１０では、幅方向Ｙの中央線Ｍｙを含む中央部分に、鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで、１つの非押圧領域２４ａが設けられている。非押圧領域２４ａには、鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで、膨張部３４ａが設けられている。このような態様の単電池１０ａおよびスペーサ４０ａもまた、単電池１０およびスペーサ４０と同様に、好適に用いることができる。
図１１は、単電池１０ｂの長側面３０ｗと対向するスペーサ４０ｂが、平板状の４つの第２凸状部４２ｂを有している例である。４つの第２凸状部４２ｂのうち、２つの第２凸状部４２ｂは、電極体の反応部の幅方向Ｙの両端部分を、鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで押圧するように設けられている。残りの２つの第２凸状部４２ｂは、幅方向Ｙの中央線Ｍｙで区分けされた左右の領域について、それぞれ中心点を含む中心部分を押圧するように設けられている。このため、図１１では、中心部分を押圧する第２凸状部４２ｂを挟んで、鉛直方向Ｚの上下に、計４つの非押圧領域２４ｂが設けられている。非押圧領域２４ｂには、それぞれ膨張部３４ｂが設けられている。このような態様の単電池１０ｂおよびスペーサ４０ｂもまた、単電池１０およびスペーサ４０と同様に、好適に用いることができる。
図１２は、単電池１０ｃの長側面３０ｗと対向するスペーサ４０ｃが、規則的な凹凸形状（くし歯状）に形成されている例である。スペーサ４０ｃは、鉛直方向Ｚに等間隔で配置された複数の第３凸状部４２ｃを有している。複数の第３凸状部４２ｃは、それぞれ幅方向Ｙに沿って延びている。複数の第３凸状部４２ｃは、反応部の幅方向Ｙの両端部分と中央部分とを、それぞれ鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで押圧するように設けられている。このため、図１２では、幅方向Ｙにおいて、第３凸状部４２ｃが設けられた両端部分と中央部分との間に、鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで、２つの非押圧領域２４ｃが設けられている。２つの非押圧領域２４ｃには、それぞれ、鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで、膨張部３４ｃが設けられている。このような態様の単電池１０ｃおよびスペーサ４０ｃもまた、単電池１０およびスペーサ４０と同様に、好適に用いることができる。
また、例えば、上記した実施形態では、リブ４２１、４２２、４２３が幅方向Ｙに沿って延びていたが、これには限定されない。
図１３は、単電池１０ｄの長側面３０ｗと対向するスペーサ４０ｄが、規則的な凹凸形状（くし歯状）に形成されている例である。スペーサ４０ｄは、幅方向Ｙに等間隔で配置された複数の第４凸状部４２ｄを有している。複数の第４凸状部４２ｄは、それぞれ鉛直方向Ｚに沿って延びている。複数の第４凸状部４２ｄは、第３凸状部４２ｃと同様に、反応部の幅方向Ｙの両端部分と中央部分とを、鉛直方向Ｚの全長にわたる長さで押圧するように設けられている。このため、図１３では、図１２と同じ位置に、図１２と同じ形状の２つの非押圧領域２４ｄが設けられている。また、２つの非押圧領域２４ｄには、それぞれ、膨張部３４ｄが設けられている。このような態様の単電池１０ｄおよびスペーサ４０ｄもまた、単電池１０およびスペーサ４０と同様に、好適に用いることができる。
１ 組電池
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 単電池
２０ 電極体
２１ 反応部
２２ 押圧領域
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 非押圧領域
３０ 電池ケース
３４、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ 膨張部
４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ スペーサ

Claims (7)

  1. 正極と負極とを有する電極体と、電解液と、前記電極体と前記電解液とを収容する電池ケースと、を備え、配列方向に配列された複数の単電池と、
    前記配列方向に隣り合った２つの前記単電池の間に配置され、前記単電池と対向する少なくとも一方の面に、前記単電池に向かって突出する凸状部を有する、１つまたは複数のスペーサと、
    前記複数の単電池と前記１つまたは複数のスペーサとに対して、前記配列方向から荷重を加える拘束機構と、
    を備え、
    前記電池ケースは、前記スペーサと対向する一対の側面を有し、
    前記側面の少なくとも一方は、前記スペーサによって押圧される押圧領域と、前記スペーサによって押圧されない非押圧領域と、を有し、
    前記電池ケースの前記非押圧領域には、前記スペーサに近づく方向に向かって膨らんだ膨張部が設けられ、前記膨張部によって前記電池ケースと前記スペーサとの隙間が小さくなるように構成されている、組電池。
  2. 前記電極体は、前記正極と前記負極とが絶縁された状態で前記配列方向に対向されている反応部を有し、
    前記電池ケースの前記非押圧領域は、少なくとも、前記反応部の鉛直方向における下端から上端に向かって１／３までの下方部分に設けられている、
    請求項１に記載の組電池。
  3. 前記電池ケースの前記押圧領域は、前記側面の鉛直方向に直交する方向を幅方向としたときに、前記反応部の前記幅方向の両端部分を、それぞれ前記鉛直方向の全長にわたって押圧する長さで設けられている、
    請求項２に記載の組電池。
  4. 前記膨張部の最大高さが、前記スペーサの前記凸状部の高さと同じであり、
    前記単電池が予め定められた完全放電状態のときに、前記電池ケースの前記膨張部が前記スペーサと接している、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の組電池。
  5. 前記電極体は、前記正極と前記負極とが絶縁された状態で積層され捲回された扁平形状の捲回電極体であり、
    前記捲回電極体は、一対の捲回平坦部と、前記一対の捲回平坦部の間に介在される一対の捲回Ｒ部と、を有し、
    前記一対の捲回Ｒ部のうちの一方は前記鉛直方向の下側に配置され、前記一対の捲回平坦部は前記電池ケースの前記一対の側面に沿うように配置されている、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の組電池。
  6. 前記電池ケースの前記側面の板厚が、０．５ｍｍ以下である、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の組電池。
  7. 正極と負極とを有する電極体と、電解液と、前記電極体と前記電解液とを収容する電池ケースと、を備え、配列方向に配列された複数の単電池と、
    前記配列方向に隣り合った２つの前記単電池の間に配置され、前記単電池と対向する少なくとも一方の面に、前記単電池に向かって突出する凸状部を有する、１つまたは複数のスペーサと、
    前記複数の単電池と前記１つまたは複数のスペーサとに対して、前記配列方向から荷重を加える拘束機構と、
    を備える組電池の構築に使用される単電池の製造方法であって、
    電池ケースに電極体を挿入して組立体を構築する第１工程；
    前記第１工程に次いで、前記組立体をスペーサと対向させた状態で拘束し、前記電池ケースの内部に圧力を印加することで、前記電池ケースに前記スペーサの形状に沿った膨張部を形成する第２工程；
    前記第２工程に次いで、前記膨張部を形成した前記電池ケースに電解液を注液する第３工程；
    を包含する、単電池の製造方法。
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