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JP6555422B2 - 電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システム - Google Patents

電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システム Download PDF

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Description

本技術は、電極合材が塗布された電極を捲回してラミネート外装に収容した電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システムに関する。
充放電に関与しない部材の電池パック内に占める割合を下げることで、電池のエネルギー密度を向上することができる。しかしながら、箔やセパレータの厚みを薄くすると釘刺し安全性が低下するため、安全性の確保された電池にするためにはこれらの部材の厚みを一定以上に保つ必要があった。
これまでに、捲回構造の電池の最外周に、活物質含有塗膜の形成されていない正極集電体と負極集電体とをセパレータを介して配置する構造(以下「箔巻構造」とする)が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に記載のものは、円筒型電池であり、ラミネートフィルムのような外装材で被覆する電池とは異なる構造のものである。さらに、実際に箔巻構造の電池を作製した場合、最外周に正負極集電体を配置しない場合と比べ安全性は向上するものの、最外周に充放電に寄与しない集電体の体積が増えることになるので、エネルギー密度が低下する問題があった。集電体の集電箔の厚みを厚くする方法も同様にエネルギー密度が低下する問題があった。
特許文献２には、正極又は負極の巻回中心側に集電体が露出する部分を設け、その露出部分にポリマーフィルムを貼り付けることが記載されている。さらに、特許文献３には、正極集電体の露出部分と接する可能性のある負極集電体の露出部分、又は負極集電体の露出部分と接する可能性のある正極集電体の露出部分に絶縁性の被覆材を設け、被覆材と正極と負極を交互に積層することが記載されている。
特開平１１−１７６４７８号公報 特開平１０−０７４５３８号公報 特開２００５−２２２８８４号公報
特許文献２に記載のものは、円筒型電池の構成を前提とするものであり、ラミネートフィルムのような外装材で被覆する電池とは異なる構造のものであり、偏平な巻回型セルの平坦部への被覆を想定するものではない。さらに、特許文献３に記載のものは、短絡防止を目的としているために、被覆材を設ける箇所は、集電体の露出部分が対向する箇所に限定されている。
内部短絡状態を評価する試験方法の一つとして釘刺し試験が知られている。釘刺し試験は、電池に鉄釘を打ち込み、貫通させ、内部短絡を起こす試験である。釘を介して短絡が生じるので、集電体の露出部分に限らず内部短絡が生じる。釘刺し試験の場合、釘と正極の短絡箇所の発熱が大きい。釘と正極の短絡箇所の発熱は、釘を経由する電流の二乗に比例して大きくなるため、釘を経由する電流の抑制が重要となる。
例えば負極集電体が銅箔から形成されており、正極集電体がアルミニウム箔から形成されている。これら集電体が釘で短絡される場合に、釘を経由して電流が流れる。銅箔露出部は釘と低抵抗で接触するため、本技術では負極集電体を被覆材で被覆することによって、釘を経由する電流を低下させるものである。本技術によれば、釘と正極の短絡箇所の発熱が低下し、結果として安全性が向上する。負極集電体の上側に存在さえしていれば、被覆材は釘が刺さった際に巻き込まれていくため、被覆材は必ずしも負極集電体と接着されている必要はなく、セパレータの上に存在していてもよい。但し、被覆材の融点が低いと、釘近傍で発生する熱により溶けてしまうため効果が薄くなる。さらに、内部短絡時の発熱箇所は電池内の場所によって異なるが、基本的には電池の外側は空気と接しているため放熱しやすく、電池の中心に近づくほど温度が上がりやすい。そのため、低抵抗短絡であっても大電流が流れる内周側の発熱を抑えることによって、さらに安全性が高まると考えられる。
かかる本技術は、従来の箔巻構造に比して、釘刺し試験に対する安全性を向上することができる電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システムを提供することができる。
上述した課題を解決するために、本技術は、正極と負極とをセパレータを介して捲回した捲回電極体を有し、
捲回電極体の内周部において、負極あるいは負極集電体を折り返すごとに新たに形成される負極あるいは負極集電体で囲まれた空間のうちで、正極あるいは正極集電体が存在しない空間を取り囲む負極集電体表面又はセパレータの一部あるいは全面に絶縁体が設置された電池である。
本技術の電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システムは、上述の電池を備えるものである。
少なくとも一つの実施形態によれば、絶縁体を設けることによって負極集電体と釘刺し試験の釘が低抵抗で接触することを防止することができ、釘を流れる電流を減少させ、発熱を低下させることができる。さらに、電池の中心部の発熱を抑えるので、例えば箔やセパレータを薄くした電池においても、内部短絡が起きた時の熱暴走を抑えることができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれかの効果であっても良い。
本技術を適用できる電池の説明に使用する斜視図である。 捲回電極体の説明に使用する断面図である。 捲回電極体の一部の拡大断面図である。 本技術が適用された捲回電極体の一例の断面図である。 本技術の説明に使用する略線図である。 本技術の説明に使用する略線図である。 本技術が適用された捲回電極体の他の例の断面図である。 本技術が適用された捲回電極体の実施例の説明のための断面図である。 本技術が適用された捲回電極体の実施例の説明のための断面図である。 本技術が適用された捲回電極体の実施例の説明のための断面図である。 本技術が適用された捲回電極体の実施例の説明のための断面図である。 本技術が適用された捲回電極体の実施例の説明のための断面図である。 本技術が適用された捲回電極体の変形例の断面図である。 本技術の説明に使用する略線図である。 本技術が適用された捲回電極体のさらに他の例の断面図である。 本技術が適用された住宅用の蓄電システムを示す概略図である。 本技術が適用されたシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す概略図である。
以下、本技術の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本技術の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本技術の範囲は、以下の説明において、特に本技術を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
本技術の説明は、以下の順序にしたがってなされる。
＜１．電池の一例＞
＜２．本技術の一実施の形態＞
＜３．応用例＞
＜４．変形例＞
＜１．電池の一例＞
本技術を適用できるラミネートフィルム型の電池の一例について以下に説明する（例えば特開２００１−２６６９４６号公報参照）。本技術は、電極活物質層がひと続きで塗布された正負極を捲回し外装部材に収容した電池に関するものである。図１は、かかる非水電解質電池２１の構成を表すものである。この非水電解質電池２１は、捲回電極体１０を図示しない電解質と共にフィルム状の外装部材２２の内部に収容したものである。
外装部材２２は、例えば、金属層の両面に樹脂層が形成されたラミネートフィルムからなる。ラミネートフィルムは、金属層のうち電池外側に露出する面に外側樹脂層が形成され、捲回電極体１０等の発電要素に対向する電池内側面に内側樹脂層が形成される。金属層は、水分、酸素、光の進入を防ぎ内容物を守る最も重要な役割を担っており、軽さ、伸び性、価格、加工のしやすさからアルミニウム（Ａｌ）もしくはステンレスが好ましい。外側樹脂層は、外観の美しさや強靱さ、柔軟性等を有し、ナイロン又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂材料が用いられる。内側樹脂層は、熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であるため、ポリオレフィン樹脂が適切であり、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）が多用される。金属層と外側樹脂層及び内側樹脂層との間には、必要に応じて接着剤層を設けてもよい。
外装部材２２は、例えば深絞りにより内側樹脂層側から外側樹脂層の方向に向けて形成された、捲回電極体１０を収容する凹部が設けられており、内側樹脂層が捲回電極体１０と対向するように配設されている。外装部材２２の対向する内側樹脂層同士は、凹部の外縁部において融着等により互いに密着されている。外装部材２２と正極リード１６及び負極リード１７との間には、外装部材２２の内側樹脂層と、金属材料からなる正極リード１６及び負極リード１７との接着性を向上させるための密着フィルム２３が配置されている。
図２を参照して捲回電極体１０の一例について以下に説明する。図２は、図１に示した捲回電極体１０のＩ−Ｉ線に沿った断面構造を表すものである。捲回電極体１０は、正極１１と負極１２とをセパレータ１５を介して積層し、捲回したものであり、最外周部は必要に応じて保護テープにより保護されている。捲回電極体１０は、正極１１と、セパレータ１５と、負極１２とを積層し、その占有面積が小型になるように複数回捲回した後に圧縮して形成された構造を有している。さらには、正極側の電極リード（正極リード）１６及び負極側の電極リード（負極リード）１７と、被覆材１８ａ，１８ｂ，１８ｃとを、その内部の主要構造として有している。
正極１１は、正極集電体１１ａの両面に正極活物質層１１ｂが形成されたものである。なお、正極１１は、正極集電体１１ａの片面のみに正極活物質層１１ｂが形成された部分を有していてもよい。正極１１は、電極としての良好な導電性及び化学的性質、捲回加工する際の良好な加工性の良さ、軽量かつ安価であることといった、正電極として好適な特質を有していることからアルミニウム圧延箔を所定の外形寸法にカッティングして得た箔状の金属電極上に正極活物質をコーティングして形成されたものである。
負極１２は、負極集電体１２ａの両面に負極活物質層１２ｂが形成されたものである。なお、負極１２は、負極集電体１２ａの片面のみに負極活物質層１２ｂが形成された部分を有していてもよい。負極１２は、上記の正極１１とほぼ同様の理由から、銅圧延箔を所定の外形寸法にカッティングして成型された金属電極上に負極活物質をコーティングして形成されたものである。
正極側の電極リード１６及び負極側の電極リード１７は、共に積層構造で発生した起電力を外部に取り出すためのものである。導電性が良好でかつ積層構造内部の化学反応に対して耐久性を備えたアルミニウム合金薄板などを用いて形成されたものである。
電解質としては、液状の電解質（すなわち、電解液）、ゲル電解質又は固体電解質を用いることができる。電解質が電解液である場合、外装部材２２内に電解液が充填され、捲回電極体１０は外装部材２２内に充填された電解液に含浸される。電解質がゲル電解質又は固体電解質である場合、正極１１及び負極１２の少なくとも一方とセパレータ１５との間に電解質が配置される。この場合、捲回電極体１０は、正極１１と負極１２とをセパレータ１５及び電解質の層を介して積層し、捲回した構造を有する。この場合、セパレータ１５を省略した構成としてもよい。
電解液は、例えば、非水溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩とを含む非水電解液などである。ゲル電解質は、それぞれの極ごとで電解質層として好適な電気化学的特性を有すると共に、電解質が液状になって漏洩することなく、かつ折り曲げや撓みに対して許容性のあるゲル状のものである。このような特質を満たすものとしては、例えば高分子マトリックス中に電解液を均質に分散させたものなどが好適である。固体電解質は、例えば、イオン伝導性高分子を利用した高分子固体電解質、又はイオン伝導性無機材料を利用した無機固体電解質などである。
セパレータ１５は、正極１１と負極１２を電気的に接触させないようにするものであって、かつ正極１１と負極１２との間でイオンを実用上十分自由に移動させることができるような材質のもので、例えば微多孔性ポリプロピレンなどが好適である。
各位置に配設された被覆材１８ａ，１８ｂ，１８ｃはいずれも、外部から積層構造に対して押圧力が印加されて一方の電極と他方の電極とが近接した状態となった場合や、正極集電体１１ａあるいは負極集電体１２ａの端部にカットバリが生じている場合等でも、それらの間を電気的に絶縁する絶縁性を備えた材質（例えば、絶縁性の高分子材料等）から形成されており、またそのような押圧力の印加によって一方の電極が変形して他方の電極に接触しても、破れたり破損したりすることのない力学的強度を備えた材質や厚さを有するもので、例えばポリイミドあるいはポリプロピレン製のテープなどの絶縁テープを該当箇所に接着して形成されたものである。
ここで、負極１２側の電極リード１７が接合された端部については、被覆材が省略されている。これは、セパレータ１５を介して対向しているのは負極同士であるため、仮に端部に生じたカットバリがセパレータを突き破ったとしても、短絡は起こらないためである。
上述した電池の構成要素の材料の例についてより詳細に説明する。
[正極活物質]
リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。このリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物等が挙げられる。中でも、遷移金属元素としてコバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及び鉄（Ｆｅ）からなる群のうちの少なくとも１種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。
リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉxＣｏＯ2）、リチウムニッケル複合酸化物（ＬｉxＮｉＯ2）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（ＬｉxＮｉ1-zＣｏzＯ2（０＜ｚ＜１））、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＬｉxＮｉ(1-v-w)ＣｏvＭｎwＯ2（０＜ｖ＋ｗ＜１、ｖ＞０、ｗ＞０））、又はスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ2Ｏ4）あるいはリチウムマンガンニッケル複合酸化物（ＬｉＭｎ2-tＮｉtＯ4（０＜ｔ＜２））等が挙げられる。中でも、コバルトを含む複合酸化物が好ましい。高い容量が得られると共に、優れたサイクル特性も得られるからである。また、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ4）あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物（ＬｉＦｅ1-uＭｎuＰＯ4（０＜ｕ＜１））、ＬｉｘＦｅ1-yＭ２yＰＯ4（式中、Ｍ２は、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）からなる群のうちの少なくとも１種を表す。ｘは、０．９≦ｘ≦１．１の範囲内の値である。）などが挙げられる。
この他、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極材料としては、例えば、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、二酸化マンガン（ＭｎＯ2）等の酸化物、二硫化鉄（ＦｅＳ2）、二硫化チタン（ＴｉＳ2）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）等の二硫化物、二セレン化ニオブ（ＮｂＳｅ2）等のリチウムを含有しないカルコゲン化物（特に層状化合物やスピネル型化合物）、リチウムを含有するリチウム含有化合物、ならびに、硫黄、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレンあるいはポリピロール等の導電性高分子も挙げられる。もちろん、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極材料は、上記以外のものであってもよい。また、上記した一連の正極材料は、任意の組み合わせで２種以上混合されてもよい。
[負極活物質]
負極活物質層は、負極活物質として、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料のいずれか１種又は２種以上を含んでおり、必要に応じて、結着剤や導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。この際、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料における充電可能な容量は、正極の放電容量よりも大きくなっていることが好ましい。リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料としては、例えば、炭素材料が挙げられる。この炭素材料とは、例えば、易黒鉛化性炭素や、（００２）面の面間隔が０．３７ｎｍ以上の難黒鉛化性炭素や、（００２）面の面間隔が０．３４ｎｍ以下の黒鉛などである。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、活性炭又はカーボンブラック類などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークス又は石油コークスなどが含まれる。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。炭素材料は、リチウムの吸蔵及び放出に伴う結晶構造の変化が非常に少ないため、高いエネルギー密度が得られると共に優れたサイクル特性が得られ、さらに導電剤としても機能するので好ましい。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状又は鱗片状のいずれでもよい。
上述の炭素材料の他、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料としては、例えば、リチウムを吸蔵及び放出することが可能であると共に金属元素及び半金属元素のうちの少なくとも１種を構成元素として有する材料が挙げられる。高いエネルギー密度が得られるからである。このような負極材料は、金属元素又は半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、それらの１種又は２種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、この発明における「合金」には、２種以上の金属元素からなるものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とを含むものも含まれる。また、「合金」は、非金属元素を含んでいてもよい。この組織には、固溶体、共晶（共融混合物）、金属間化合物、又はそれらの２種以上が共存するものがある。
上記した金属元素又は半金属元素としては、例えば、リチウムと合金を形成することが可能な金属元素又は半金属元素が挙げられる。具体的には、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、パラジウム（Ｐｄ）又は白金（Ｐｔ）などである。中でも、ケイ素及びスズのうちの少なくとも１種が好ましく、ケイ素がより好ましい。リチウムを吸蔵及び放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。
ケイ素（Ｓｉ）及びスズ（Ｓｎ）のうちの少なくとも１種を有する負極材料としては、例えば、ケイ素の単体、合金又は化合物や、スズの単体、合金又は化合物や、それらの１種又は２種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第２の構成元素として、スズ（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）及びクロム（Ｃｒ）からなる群のうちの少なくとも１種を含むものが挙げられる。
スズの合金としては、例えば、スズ（Ｓｎ）以外の第２の構成元素として、ケイ素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）及びクロム（Ｃｒ）からなる群のうちの少なくとも１種を含むものが挙げられる。
スズの化合物又はケイ素の化合物としては、例えば、酸素（Ｏ）又は炭素（Ｃ）を含むものが挙げられ、スズ（Ｓｎ）又はケイ素（Ｓｉ）に加えて、上記した第２の構成元素を含んでいてもよい。
特に、ケイ素（Ｓｉ）及びスズ（Ｓｎ）のうちの少なくとも１種を含む負極材料としては、例えば、スズ（Ｓｎ）を第１の構成元素とし、そのスズ（Ｓｎ）に加えて第２の構成元素と第３の構成元素とを含むものが好ましい。勿論、この負極材料を上記した負極材料と共に用いてもよい。第２の構成元素は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、インジウム（Ｉｎ）、セリウム（Ｃｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ビスマス（Ｂｉ）及びケイ素（Ｓｉ）からなる群のうちの少なくとも１種である。第３の構成元素は、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）及びリン（Ｐ）からなる群のうちの少なくとも１種である。第２の元素及び第３の元素を含むことにより、サイクル特性が向上するからである。
中でも、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）及び炭素（Ｃ）を構成元素として含み、炭素（Ｃ）の含有量が９．９質量％以上２９．７質量％以下の範囲内、スズ（Ｓｎ）及びコバルト（Ｃｏ）の合計に対するコバルト（Ｃｏ）の割合（Ｃｏ／（Ｓｎ＋Ｃｏ））が３０質量％以上７０質量％以下の範囲内であるＣｏＳｎＣ含有材料が好ましい。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られると共に優れたサイクル特性が得られるからである。このＳｎＣｏＣ含有材料は、必要に応じて、さらに他の構成元素を含んでいてもよい。
他の構成元素としては、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、ガリウム（Ｇａ）又はビスマス（Ｂｉ）などが好ましく、それらの２種以上を含んでいてもよい。容量特性又はサイクル特性がさらに向上するからである。なお、ＳｎＣｏＣ含有材料は、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）及び炭素（Ｃ）を含む相を有しており、この相は結晶性の低い又は非晶質な構造を有していることが好ましい。また、ＳｎＣｏＣ含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合していることが好ましい。サイクル特性の低下は、スズ（Ｓｎ）などが凝集あるいは結晶化することによるものであると考えられるが、炭素が他の元素と結合することにより、そのような凝集又は結晶化が抑制されるからである。
[結着剤]
結着剤は、例えば、合成ゴム及び高分子材料などのうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。合成ゴムは、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴム及びエチレンプロピレンジエンなどである。高分子材料は、例えば、ポリフッ化ビニリデン及びポリイミドなどである。
[導電剤]
導電剤は、例えば、炭素材料などのうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。この炭素材料は、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック及びケチェンブラックなどである。なお、導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料及び導電性高分子などでもよい。
[セパレータ]
セパレータは、正極と負極とを隔離しつつ、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながらリチウムイオンを通過させる機能を有しており、例えば合成樹脂やセラミックなどからなる多孔質膜で作製することができる。さらに、リチウムイオン電池の安全性確保のために、セパレータにはシャットダウン機能を持たせることができる。ここでいうシャットダウン機能とは、電池の温度が上昇したときに、微多孔膜の孔が閉塞し、電流を遮断する機能のことを言い、電池の熱暴走を食い止める働きがある。これら機能を併せ持つ材料として、ポリオレフィン、ポリエチレン微多孔膜等が挙げられる。
さらに安全性を高めるために、ポリエチレン微多孔膜の片面又は両面に耐熱性多孔質層を被覆させたり、耐熱性繊維からなる不織布を積層させたり、これらの層にセラミック粉末を含ませたりする技術が提案されている。例えば、ポリエチレン微多孔膜の片面又は両面に、湿式塗工法により芳香族アラミドやポリイミド、ポリフッ化ビニリデン等の耐熱性高分子からなる耐熱性多孔質層を積層した非水電解質電池セパレータが知られており、これらを用いてもよい。この高分子化合物層を形成する場合には、例えば、高分子材料が溶解された溶液を基材層に塗布したのち基材層を乾燥させてもよいし、溶液中に基材層を浸漬させたのち、その基材層を乾燥させてもよい。
[電解液]
電解液は、溶媒と、電解質塩とを含む。
溶媒としては、例えば、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、１，３−ジオキサン、１，４−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、３−メトキシプロピオニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリジノン、Ｎ−メチルオキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、リン酸トリメチル又はジメチルスルホキシドなどを用いることができる。この電解液を電池などの電気化学デバイスに用いた場合において、優れた容量、サイクル特性及び保存特性が得られるからである。これらは単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。中でも、溶媒としては、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル及び炭酸エチルメチルからなる群のうちの少なくとも１種を含むものを用いることが好ましい。十分な効果が得られるからである。この場合には、特に、高粘度（高誘電率）溶媒（例えば、比誘電率εｒ≧３０）である炭酸エチレン又は炭酸プロピレンと、低粘度溶媒（例えば、粘度≦１ｍＰａ・ｓ）である炭酸ジメチル、炭酸ジエチル又は炭酸エチルメチルとを混合して含むものを用いることが好ましい。電解質塩の解離性及びイオンの移動度が向上するため、より高い効果が得られるからである。ただし、溶媒は、上記以外の材料でもよい。
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩の１種あるいは２種以上を含有している。このリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ6）、テトラフェニルホウ酸リチウム（ＬｉＢ（Ｃ6Ｈ5）4）、メタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＨ3ＳＯ3）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）、テトラクロロアルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＣｌ4）、六フッ化ケイ酸二リチウム（Ｌｉ2ＳｉＦ6）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）あるいは臭化リチウム（ＬｉＢｒ）などが挙げられる。中でも、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム及び六フッ化ヒ酸リチウムからなる群のうちの少なくとも１種が好ましく、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。電解液の抵抗が低下するからである。ただし電解質塩は、上記以外の材料でもよい。
また、上述の電解液をマトリクスポリマーでゲル化して用いてもよい。マトリクスポリマーは、上記溶媒に上記電解質塩が溶解されてなる電解液に相溶可能であり、ゲル化できるものであればよい。このようなマトリクスポリマーとしては、フッ化ビニリデン（ＶｄＦ）、エチレンオキサイド（ＥＯ）、プロピレンオキサイド（ＰＯ）、アクリロニトリル（ＡＮ）、メタクリロニトリル（ＭＡＮ）を繰り返し単位に含むポリマーが挙げられる。このようなポリマーは、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。ゲル状電解質は、高いイオン伝導率（例えば、室温で１ｍＳ／ｃｍ以上）が得られると共に漏液が防止されるので好ましい。また、電解液の中に金属酸化物を含有していてもよい。
次に、このリチウムイオン２次電池の製造方法の概要を、特にその被覆材の形成工程と積層構造に対して押圧力を印加する工程とを中心として説明する。
上記のように電極塗布部にゲル電解質を塗布した正極１１と、セパレータ１５と、電極塗布部にゲル電解質を塗布した負極１２とを積層し、正極１１には正極側の電極リード１６を接合し負極１２には負極側の電極リード１７を接合して、未だ捲回していない平坦な形状の積層構造を形成する。
そしてその積層構造を渦巻き状に捲回する前に、正極１１の内周側端部の集電体露出面のうち負極集電体と対向する部分の一部あるいは全面に、正極側の電極リード１６の表面を含んで被覆するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）テープなどの絶縁テープからなる絶縁性及び力学的強度を備えた被覆材１８ａを接着する。また、正極１１の集電体端部のカットバリを被覆材１８ａで覆うためには、被覆材１８ａを正極１１の端部を完全に覆うように貼る必要があり生産性が低い場合がある。その場合は、正極集電体の内周側端部付近は被覆材１８ａで覆わずに、代わりに正極集電体露出面に対向する負極１２の集電体露出面に、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）テープなどの絶縁テープからなる被覆材１８ｂを接着する。正極１１の外周側端部に関しては、正極１１の集電体露出面のうち負極集電体がセパレータを介して対向する部分に、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）テープなどの絶縁テープからなる絶縁性及び力学的強度を備えた被覆材１８ｃを接着する。なお、箔カットバリ等による内部短絡が生じる可能性が低い場合、被覆材１８ａ、１８ｂ，１８ｃの一部や全てを省略することもできる。
なお、本技術における内周とは、電極長手方向の端部のうち捲回電極体の中心付近に位置する電極端部に近い領域を指し、外周とは、電極長手方向の端部のうち外装部材寄りに位置する電極端部に近い領域を指す。
このようにして各被覆材１８ａ，１８ｂ，１８ｃを接着した後、積層構造を、やや偏平な渦巻き状に捲回し、さらにそれに対して外部から押圧力を印加してさらに偏平にして薄型化する。このとき、押圧力の印加に起因して、正極１１の端部と負極１２とが近接したり、また負極１２の端部と正極１１とが近接した場合でも、それら両電極が接触して電気的短絡を発生することを各被覆材１８ａ，１８ｂ，１８ｃによって防ぐことができる。ゲル電解質を用いた場合は、このあと正負極電極及びセパレータに電解液をしみこませるためのプロセスとして、加熱プレスを行ってもよい。液状の電解液を用いた場合は、扁平に薄型化した素子をラミネートに挿入したのち、電解液を注入することができる。
＜２．本技術の一実施の形態＞
本技術は、エネルギー密度を下げずに釘刺し試験時の安全性を向上させるものである。以下、図面を参照して本技術について説明する。本技術では、捲回電極体の負極巻き始め部分において、負極あるいは負極集電体を折り返すごとに新たに形成される負極あるいは負極集電体で囲まれた空間のうち正極あるいは正極集電体が存在しない空間を取り囲む負極集電体表面の一部あるいは全面を絶縁体で被覆した電池である。図４の断面図に示すように、本技術の一実施の形態による電池では、上述のように規定された箇所の負極集電体上に絶縁体１９Ａが貼り付けられている。
図５を参照して絶縁体の設ける位置について説明する。負極集電体１２ａが巻き始め端から巻回される場合に、折り返しがされるごとに、負極集電体１２ａが上面、下面及び一方の側面を取り囲んだ空間が形成される。最初の折り返しから順番に番号（１，２，・・・）を付した場合、折り返しＮによって形成される空間を第Ｎ空間と称する。図５の例では、折り返し１によって第１空間が形成され、折り返し２によって第２空間が形成され、折り返し３によって第３空間が形成されることを示している。第３空間では、負極集電体１２ａに挟まれて正極集電体１１ａが存在している。なお、図５では簡単のため正極活物質層１１ｂ及び負極活物質層１２ｂについての図示が省略されている。
図５に示すように、負極集電体１２ａを折り返すごとに新たに形成される負極集電体１２ａで囲まれた空間のうち正極集電体１１ａが存在していない空間は、第１空間及び第２空間である。これらの第１及び第２空間を取り囲む負極集電体１２ａの表面の一部を絶縁体１９Ａで被覆している。すなわち、正極集電体１１ａの巻き始め端部に対して内周側に対向する負極集電体１２ａの中心側の面を絶縁体１９Ａが覆うようになされる。絶縁体１９Ａは、釘が電池のいずれの部分に刺さった場合にも効果を発揮するためには、第一空間、第二空間の範囲内で、負極集電体露出部のなるべく広い範囲を覆うことが望ましい。電池高さ方向に対しても、釘が電池のいずれの部分に刺さった場合にも効果を発揮するためには負極集電体１２ａの高さよりやや大きい幅に設けることが望ましいが、ある特定の領域の釘刺し安全性を高めたい場合には、負極集電体１２ａのうち釘が通過する部分およびその周辺部のみに設置すればよい。
絶縁体１９Ａの一例は、負極集電体１２ａの面を被覆する被覆材であり、具体的には粘着剤つきの高分子フィルムが使用される。被覆材１８ａ，１８ｂ又は１８ｃと同様に、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）テープなどの絶縁テープからなる絶縁性及び力学的強度を備えた被覆材が絶縁体１９Ａとして使用される。なお、他の絶縁体に関しても同様の材料が使用される。図４の例は、図５の模式図において折り返し１から折り返し２までの範囲の負極集電体１２ａを絶縁体１９Ａが被覆するようになされる。このような絶縁体１９Ａの電池の幅方向の位置を全面と適宜称する。
さらに、絶縁体１９Ａを設ける位置について説明するために、図６を参照して捲回電極体１０を外装材で被覆した電池２１に関してリード導出位置の規定方法を説明する。図６Ａに示すように、電極素子幅Ｗを有する電極素子（捲回電極体）１０に対して正極リード１６及び負極リード１７が取り付けられている。電極素子の幅方向をＸ方向とし、厚み方向をＹ方向とし、高さ方向をＨと規定する。正極リード１６が存在する電極素子幅方向の位置ＰCLと、ＰCRが定義される。同様に、負極リード１７の電極素子幅方向の位置ＰAL及びＰARが定義される。これらの位置の座標は、電極素子幅Ｗの中点を０とし、左側側を−、右側側を＋として〔ｍｍ〕で表される。
図４において、正極リード１６の幅方向の位置は、位置ＰCLとＰCRの間の範囲を意味し、負極リード１７の幅方向の位置は、位置ＰALとＰARの間の範囲を意味する。図４に示す構成では、絶縁体１９Ａの幅方向の位置が正極リード１６の幅方向の位置及び負極リード１７の幅方向の位置を含む範囲より大とされている。さらに、図４において、絶縁体１９ＡのようにＡの記号を付しているが、この記号Ａは絶縁体１９ＡのＹ方向の位置を表している。すなわち、負極集電体１２ａの最内周の終端部に近い位置に設けた絶縁体に対してＡの添字を付している。
図７は、絶縁体の取り付け位置の他の例を示す。Ｘ方向（幅方向）に関して、正極リード１６の幅方向の位置及び負極リード１７の幅方向の位置との間、すなわち、これらのリードの位置と重ならない範囲に絶縁体２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが配置される。このような電極リードの位置と重ならない絶縁体の電池の幅方向の位置を「リード間位置」と適宜称する。絶縁体２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、Ｙ方向の異なる位置に絶縁体が取り付けられている。すなわち、負極集電体１２ａの最内周の終端部に近い位置に設けたものを絶縁体２０Ａとしている。絶縁体２０Ｂは、絶縁体２０Ａと比較して負極集電体１２ａの最内周の終端部から遠い箇所（すなわち、外周側）に設けたものである。さらに、絶縁体２０Ｃは、セパレータ１５上に設けたものである。なお、図７では絶縁体２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃを図示しているが、これらの一つ以上を設ければよい。
絶縁体２０Ａを設けた捲回電極体の断面を図８に示し、絶縁体２０Ｂを設けた捲回電極体の断面を図１０に示し、絶縁体２０Ｃを設けた捲回電極体の断面を図１２に示す。
図９に示す構成は、図４に示す構成と同様に、正極リード１６の幅方向の位置及び負極リード１７の幅方向の位置を含む範囲より大とされた位置に絶縁体１９Ｂが設けられる。但し、Ｙ方向に関しては、絶縁体１９Ａと比較して負極集電体１２ａの最内周の終端部から遠い箇所に絶縁体１９Ｂが設けられる。
図１１に示す構成は、図４に示す構成と同様に、正極リード１６の幅方向の位置及び負極リード１７の幅方向の位置を含む範囲より大とされた位置に絶縁体１９Ｃが設けられる。但し、Ｙ方向に関しては、セパレータ１５上に絶縁体１９Ｃが設けられる。
上述のように、絶縁体を設けた構成の電池について釘刺し試験を行った結果を下記の表１に示す。絶縁体の融点は、示差走査熱量測定装置（ＤＳＣ；Differential Scanning Calorimetry）を用いて測定した。測定は、厚さ０．１ｍｍの試料を５ｍｇ分、測定容器形状に合わせて切断し、装置内に封入後、１０℃／ｍｉｎで昇温し、ＤＳＣ曲線を測定し、ＤＳＣ曲線の基材の融点ピークの頂点の温度を融点とした。このとき、リファレンスとして、試料と同程度の体積分のα−アルミナ粉を別容器に封入して使用した。
Figure 0006555422
＜実施例１−実施例５＞
実施例１〜実施例５は、表１に示すように、厚み方向（Ｙ軸方向）の位置＝Ａで、セル幅方向に対してなるべく広い範囲に絶縁体１９Ａを設けた電池である（図４参照）。
＜実施例１＞
絶縁体１９ＡがＰＥ（ポリエチレン）からなり、厚みが３０μｍで融点が１３０℃の粘着テープの場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ（熱暴走が生じない）電圧が４．３Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．５１ｍｍであった。
＜実施例２＞
絶縁体１９ＡがＰＰ（ポリプロピレン）からなり、厚みが３０μｍで融点が１６３℃の粘着テープの場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．５１ｍｍであった。
＜実施例３＞
絶縁体１９ＡがＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）からなり、厚みが３０μｍで融点が２５３℃の粘着テープの場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．５１ｍｍであった。
＜実施例４＞
絶縁体１９ＡがＰＩ（ポリイミド）からなり、厚みが３０μｍの粘着テープの場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．５１ｍｍであった。
＜実施例５＞
絶縁体１９ＡがＰＩ（ポリイミド）を３０μｍの厚みに塗布した場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．５１ｍｍであった。ＰＩ（ポリイミド）の材料を塗布してもよい。
＜実施例６＞
実施例６は、位置＝Ａで、幅方向の位置がタブ面に、絶縁体２０Ａを設けた電池である（図８参照）。絶縁体２０ＡがＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）からなり、厚みが３０μｍで融点が２５３℃の粘着テープの場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．４８mmであった。
＜実施例７＞
実施例７は、位置＝Ｂで、幅方向の位置が全面に、絶縁体１９Ｂを設けた電池である（図９参照）。絶縁体１９ＢがＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）からなり、厚みが３０μｍで融点が２５３℃の粘着テープの場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．５１ｍｍであった。
＜実施例８＞
実施例８は、位置＝Ｂで、幅方向の位置がタブ面に、絶縁体２０Ｂを設けた電池である（図１０参照）。絶縁体２０ＢがＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）からなり、厚みが３０μｍで融点が２５３℃の粘着テープの場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．４８ｍｍであった。
＜実施例９＞
実施例９は、位置＝Ｃで、幅方向の位置が全面に、絶縁体１９Ｃを設けた電池である（図１１参照）。絶縁体１９ＣがＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）からなり、厚みが３０μｍで融点が２５３℃の粘着テープの場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．５１ｍｍであった。
＜実施例１０＞
実施例１０は、位置＝Ｃで、幅方向の位置がタブ面に、絶縁体２０Ｃを設けた電池である（図１２参照）。絶縁体２０ＣがＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）からなり、厚みが３０μｍで融点が２５３℃の粘着テープの場合である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．４８ｍｍであった。
＜比較例１＞
比較例１は、図２に示すように捲回電極体を有する電池である。すなわち、絶縁体を設けない構成である。釘刺し試験の結果、釘刺しＯＫ電圧が４．２Ｖであった。また、充電時のセルの厚みが４．４８ｍｍであった。
なお、上述した実施例１〜１０、比較例１に関しては、集電箔の厚みを、アルミ箔：１５μｍ、銅箔：８μｍ、セパレータ：７μｍで作成した。
以上の実験結果から、本技術の実施例１〜１０が釘刺しＯＫ電圧を比較例１より高くすることかでき、さらに安全性が高まることが分かった。
また、実施例１〜４では、位置Ａを被覆するテープ材質を変えており、実施例１と実施例２との間で釘刺しＯＫ電圧が異なっている。釘刺し試験後の電池を解体すると、テープ材質にＰＥを用いた実施例１の電池は、釘が通過した穴の近傍のＰＥテープが大きく溶けて穴が広がっていたのに対し、ＰＰを用いた実施例２の電池は、釘が通過した穴に巻き込まれるようにＰＰテープが残っていた。このことから、テープの融点により負極集電体と釘の間の接触具合に差が生じており、およそ１４５℃程度の融点を有していれば、負極集電体と釘の間の接触を防止し、安全性向上に効果を発揮することが分かった。実施例２の釘刺しＯＫ電圧が４．４Ｖであり、実施例１の釘刺しＯＫ電圧（４．３Ｖ）より高いので、融点が１６３℃以上であることがより好ましい。
実施例５では、イミド化が完了したポリイミドワニスを実施例４と同様の位置に塗布した。その結果、実施例４と同等の釘刺しＯＫ電圧が得られており、被覆材の形成の仕方は安全性に影響しないことが分かった。
実施例６では、テープを貼るセル幅方向の位置を、電極リードが存在する幅方向の位置とかぶらないように設定した。その結果、実施例３と同等の釘刺し安全性を保ちつつ、充電時セル厚みが薄くなることが分かった。
実施例７及び実施例８はテープを位置Ｂに貼り付けた場合の結果を示しており、実施例９及び実施例１０はセパレータ上の位置Ｃに貼り付けた場合の結果を示しており、いずれの場合でも効果が変わらないことが分かった。
＜変形例＞
図１３は、変形例の構成を示す。図５における折り返し１の終了位置から開始して元々設けられていた短絡防止用の被覆材１８ｂの外側部分と接する位置まで絶縁体２４を連続して設けるものである。
また、以上の説明におけるＹ方向の位置Ａ，Ｂ，Ｃのいずれか一箇所に限定されず、複数の箇所に被覆材を設けてもよい。しかしながら、あまり被覆材の厚みが厚くなると電池の厚み増加を引き起こすため、適切な厚みを選ぶ必要がある。
上述した一実施の形態は、図５に示すように、負極集電体１２ａが捲回電極体の中心部から開始して巻回され、折り返し１及び折り返し２によって形成される第１空間及び第２空間には、正極集電体１１ａが存在していない例である。これに対して、図１４に示すように負極集電体１２ａが開始する場合には、折り返し１によって第１空間が形成され、折り返し２によって第２空間が形成されるが、第２空間に正極集電体１１ａが存在する。したがって、第１空間を取り囲む負極集電体表面の一部あるいは全面が絶縁体によって被覆されるようになされる。セパレータ表面の一部あるいは全面が絶縁体によって被覆されてもよい。
さらに、より安全性を高めるために、巻回構造の外周側にセパレータを介して正極と負極の箔露出部同士が対向する部分を設けることができる。箔露出部同士の対向部分は、両面とも電極が塗布されていないプレーン箔同士で形成されていてもよいし、片面が塗布されている電極の箔露出部同士で形成されていてもよい。
図１５はかかる構成の一例を示す。この構成は、正極１１の片面塗布部箔集電体露出部と負極１２の片面塗布部集電体露出部が対向する構造である。すなわち、正負極の巻外側片面塗布部の集電体露出面側同士が対向する部分を有する電池である。
かかる構造をとることにより、通常構造に比して釘刺し時の安全性を向上することができる。そのメカニズムは、下記のものである。
１．正負極集電体が対向する部分では低抵抗のショートが起こるため、電極塗布部が対向する部分の発熱量が低減すること
２．最外周にそれを配置した場合、釘刺し初期から電極塗布部が対向する部分の発熱量が低減すること
以上２点の効果が掛け合わさることにより、電池が熱暴走しにくくなる。
また、正負極集電体が対向する部分の電流経路は、正極集電体と負極集電体が釘を介して短絡する経路よりも、正負極集電体が直接接触している経路の方が主な電流経路であることが判った。これらの結果から、正負極集電体がともに両面とも金属面が露出している必要はなく、金属面が対向する面を外周側に設ければよいということが判った。
図１５の構成の電池において、実験を行った結果を下記の表２に示す。テープ位置は図１５における被覆材１８ａ〜１８ｃ、絶縁体２５Ａ及び絶縁体２５Ｂを特定している。なお、上述した実施例１１〜１７、比較例２に関しては、集電箔の厚みを、アルミ箔：１０μｍ、銅箔：６μｍ、セパレータ：５．５μｍで作成した。上述した実施例１〜１０、比較例１と比較して実施例１１〜１７の方が厚みを薄くできている。このように異なる箔厚みを使用しているのは、実施例１１〜１７は外周に箔箔対向部を設けた構造なので、実施例１〜１０と同じ箔厚みで電池を作製すると、大幅に安全性が上がりすぎて安全性の優劣がつかなくなるためである。
Figure 0006555422
実施例１１−実施例１７では、箔箔非対向部の最内周テープを設置することを検討した。箔箔対向部を設けた電池において、発熱箇所は電池内の場所によって異なるが、基本的には電池の外側は空気と接しているため放熱しやすく、電池の中心に近づくほど温度が上がりやすい。そのため、低抵抗短絡であっても大電流が流れる内周側の箔箔対向部の発熱を電極塗布部に伝えないような構造をとることで、さらに安全性が高まると考えられる。最内周の発熱密度という観点で考えても、テープ等の部材を最内周に設置することで、体積あたりの発熱量が低下すると考えられる。
箔箔対向部のテープ厚みを厚くすることは、箔箔対向部の低抵抗短絡の機能が失われる方向に働くため、図１５に示すような位置にテープ等の絶縁体２５Ａ、２５Ｂを設置することが好ましいと考えた。
実施例１１−実施例１７は、絶縁体２５Ａ、２５Ｂ（テープや粘着剤なしのフィルム）を設置したときの、釘刺しＯＫ電圧の結果である。比較例２に示すテープを設置していない場合と比較して、釘刺しＯＫ電圧が０．０５Ｖ向上することが明らかとなった。絶縁体２５Ａ、２５Ｂは、最も厚みが厚くなるリードの位置とは重ならない位置に設置しているため、エネルギー密度を下げずに安全性を向上させる有効な手段であると考えられる。また、これらのテープの働きは発熱密度を下げることであるため、必ずしもテープの粘着剤は必要なく、粘着剤のついていないフィルムなどを設置しても同様の効果が得られることがわかった（実施例１７）。あるいは負極合剤や絶縁体からなる塗料等を塗布してもよいが、リードが存在する幅方向の領域にはこれらを設置又は塗布しない方が、厚み増加を抑制できる。
＜３．応用例＞
上述した本技術の一実施の形態に係るバッテリ装置は、例えば電子機器や電動車両、蓄電装置などの機器に搭載または電力を供給するために使用することができる。
電子機器として、例えばノート型パソコン、スマートフォン、タブレット端末、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話、ウェアラブル端末、コードレスフォン子機、ビデオムービー、デジタルスチルカメラ、電子書籍、電子辞書、音楽プレイヤー、ラジオ、ヘッドホン、ゲーム機、ナビゲーションシステム、メモリーカード、ペースメーカー、補聴器、電動工具、電気シェーバー、冷蔵庫、エアコン、テレビ、ステレオ、温水器、電子レンジ、食器洗い器、洗濯機、乾燥器、照明機器、玩具、医療機器、ロボット、ロードコンディショナー、信号機などが挙げられる。これらの電子機器に対して本技術の電池が電池パックの構成とされて電源として使用される。電池パックは、電池の充放電を制御する制御部と、電池を内包する外装とを有する。
また、電動車両としては鉄道車両、ゴルフカート、電動カート、電気自動車（ハイブリッド自動車を含む）などが挙げられ、これらの駆動用電源または補助用電源として用いられる。
蓄電装置としては、住宅をはじめとする建築物用または発電設備用の電力貯蔵用電源などが挙げられる。
以下では、上述した適用例のうち、上述した本技術のバッテリ装置を用いた蓄電システムの具体例を説明する。
この蓄電システムは、例えば下記の様な構成が挙げられる。第１の蓄電システムは、再生可能エネルギーから発電を行う発電装置によって蓄電装置が充電される蓄電システムである。第２の蓄電システムは、蓄電装置を有し、蓄電装置に接続される電子機器に電力を供給する蓄電システムである。第３の蓄電システムは、蓄電装置から、電力の供給を受ける電子機器である。これらの蓄電システムは、外部の電力供給網と協働して電力の効率的な供給を図るシステムとして実施される。
さらに、第４の蓄電システムは、蓄電装置から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、蓄電装置に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有する電動車両である。第５の蓄電システムは、他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報送受信部とを備え、送受信部が受信した情報に基づき、上述した蓄電装置の充放電制御を行う電力システムである。第６の蓄電システムは、上述した蓄電装置から、電力の供給を受け、または発電装置または電力網から蓄電装置に電力を供給する電力システムである。
「住宅における蓄電システム」
本技術の電池を用いた蓄電装置を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図１６を参照して説明する。例えば住宅１０１用の蓄電システム１００においては、火力発電１０２ａ、原子力発電１０２ｂ、水力発電１０２ｃなどの集中型電力系統１０２から電力網１０９、情報網１１２、スマートメータ１０７、パワーハブ１０８などを介し、電力が蓄電装置１０３に供給される。これと共に、家庭内の発電装置１０４などの独立電源から電力が蓄電装置１０３に供給される。蓄電装置１０３に供給された電力が蓄電される。蓄電装置１０３を使用して、住宅１０１で使用する電力が給電される。住宅１０１に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。
住宅１０１には、発電装置１０４、電力消費装置１０５、蓄電装置１０３、各装置を制御する制御装置１１０、スマートメータ１０７、各種情報を取得するセンサ１１１が設けられている。各装置は、電力網１０９および情報網１１２によって接続されている。発電装置１０４として、太陽電池、燃料電池などが利用され、発電した電力が電力消費装置１０５および／または蓄電装置１０３に供給される。電力消費装置１０５は、冷蔵庫１０５ａ、空調装置であるエアコン１０５ｂ、テレビジョン受信機であるテレビ１０５ｃ、バス（風呂）１０５ｄなどである。さらに、電力消費装置１０５には、電動車両１０６が含まれる。電動車両１０６は、電気自動車１０６ａ、ハイブリッドカー１０６ｂ、電気バイク１０６ｃである。
蓄電装置１０３に対して、本技術の電池が適用される。本技術の電池は、例えば上述したリチウムイオン二次電池によって構成されていてもよい。スマートメータ１０７は、商用電力の使用量を測定し、測定された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。電力網１０９は、直流給電、交流給電、非接触給電の何れか一つまたは複数を組み合わせても良い。
各種のセンサ１１１は、例えば人感センサ、照度センサ、物体検知センサ、消費電力センサ、振動センサ、接触センサ、温度センサ、赤外線センサなどである。各種のセンサ１１１により取得された情報は、制御装置１１０に送信される。センサ１１１からの情報によって、気象の状態、人の状態などが把握されて電力消費装置１０５を自動的に制御してエネルギー消費を最小とすることができる。さらに、制御装置１１０は、住宅１０１に関する情報をインターネットを介して外部の電力会社などに送信することができる。
パワーハブ１０８によって、電力線の分岐、直流交流変換などの処理がなされる。制御装置１１０と接続される１報網１１２の通信方式としては、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter： 非同期シリアル通信用送受信回路）などの通信インターフェースを使う方法、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉなどの無線通信規格によるセンサーネットワークを利用する方法がある。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）は、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers)８０２．１５．４の物理層を使用するものである。ＩＥＥＥ８０２．１５．４は、ＰＡＮ（Personal Area Network）またはＷ（Wireless）ＰＡＮと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格の名称である。
制御装置１１０は、外部のサーバ１１３と接続されている。このサーバ１１３は、住宅１０１、電力会社、サービスプロバイダーの何れかによって管理されていても良い。サーバ１１３が送受信する情報は、たとえば、消費電力情報、生活パターン情報、電力料金、天気情報、天災情報、電力取引に関する情報である。これらの情報は、家庭内の電力消費装置（たとえばテレビジョン受信機）から送受信しても良いが、家庭外の装置（たとえば、携帯電話機など）から送受信しても良い。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビジョン受信機、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）などに、表示されても良い。
各部を制御する制御装置１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、この例では、蓄電装置１０３に格納されている。制御装置１１０は、蓄電装置１０３、家庭内の発電装置１０４、電力消費装置１０５、各種のセンサ１１１、サーバ１１３と情報網１１２により接続され、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、電力市場で電力取引を行う機能などを備えていても良い。
以上のように、電力が火力発電１０２ａ、原子力発電１０２ｂ、水力発電１０２ｃなどの集中型電力系統１０２のみならず、家庭内の発電装置１０４（太陽光発電、風力発電）の発電電力を蓄電装置１０３に蓄えることができる。したがって、家庭内の発電装置１０４の発電電力が変動しても、外部に送出する電力量を一定にしたり、または、必要なだけ放電するといった制御を行うことができる。例えば、太陽光発電で得られた電力を蓄電装置１０３に蓄えると共に、夜間は料金が安い深夜電力を蓄電装置１０３に蓄え、昼間の料金が高い時間帯に蓄電装置１０３によって蓄電した電力を放電して利用するといった使い方もできる。
なお、この例では、制御装置１１０が蓄電装置１０３内に格納される例を説明したが、スマートメータ１０７内に格納されても良いし、単独で構成されていても良い。さらに、蓄電システム１００は、集合住宅における複数の家庭を対象として用いられてもよいし、複数の戸建て住宅を対象として用いられてもよい。
「車両における蓄電システム」
本技術を車両用の蓄電システムに適用した例について、図１７を参照して説明する。図１７に、本技術が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
このハイブリッド車両２００には、エンジン２０１、発電機２０２、電力駆動力変換装置２０３、駆動輪２０４ａ、駆動輪２０４ｂ、車輪２０５ａ、車輪２０５ｂ、バッテリ２０８、車両制御装置２０９、各種センサ２１０、充電口２１１が搭載されている。バッテリ２０８に対して、上述した本技術の電池が適用される。
ハイブリッド車両２００は、電力駆動力変換装置２０３を動力源として走行する。電力駆動力変換装置２０３の一例は、モータである。バッテリ２０８の電力によって電力駆動力変換装置２０３が作動し、この電力駆動力変換装置２０３の回転力が駆動輪２０４ａ、２０４ｂに伝達される。なお、必要な個所に直流−交流（ＤＣ−ＡＣ）あるいは逆変換（ＡＣ−ＤＣ変換）を用いることによって、電力駆動力変換装置２０３が交流モータでも直流モータでも適用可能である。各種センサ２１０は、車両制御装置２０９を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度（スロットル開度）を制御したりする。各種センサ２１０には、速度センサ、加速度センサ、エンジン回転数センサなどが含まれる。
エンジン２０１の回転力は発電機２０２に伝えられ、その回転力によって発電機２０２により生成された電力をバッテリ２０８に蓄積することが可能である。
図示しない制動機構によりハイブリッド車両２００が減速すると、その減速時の抵抗力が電力駆動力変換装置２０３に回転力として加わり、この回転力によって電力駆動力変換装置２０３により生成された回生電力がバッテリ２０８に蓄積される。
バッテリ２０８は、ハイブリッド車両２００の外部の電源に接続されることで、その外部電源から充電口２１１を入力口として電力供給を受け、受けた電力を蓄積することも可能である。
図示しないが、二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう情報処理装置を備えていても良い。このような情報処理装置としては、例えば、電池の残量に関する情報に基づき、電池残量表示を行う情報処理装置などがある。
なお、以上は、エンジンで動かす発電機で発電された電力、或いはそれをバッテリに一旦貯めておいた電力を用いて、モータで走行するシリーズハイブリッド車を例として説明した。しかしながら、エンジンとモータの出力がいずれも駆動源とし、エンジンのみで走行、モータのみで走行、エンジンとモータ走行という３つの方式を適宜切り替えて使用するパラレルハイブリッド車に対しても本技術は有効に適用可能である。さらに、エンジンを用いず駆動モータのみによる駆動で走行する所謂、電動車両に対しても本技術は有効に適用可能である。
＜４．変形例＞
以上、本技術の一実施の形態について具体的に説明したが、本技術は、上述の一実施の形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。
なお、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
（１）
正極と負極とをセパレータを介して捲回した捲回電極体を有し、
前記捲回電極体の内周部において、負極あるいは負極集電体を折り返すごとに新たに形成される負極あるいは負極集電体で囲まれた空間のうちで、正極あるいは正極集電体が存在しない空間を取り囲む負極集電体表面又はセパレータの一部あるいは全面に絶縁体が設置された電池。
（２）
前記捲回電極体の幅方向において、前記絶縁体が正極リード及び負極リードの間に設けられる（１）に記載の電池。
（３）
前記絶縁体が粘着剤つきの高分子フィルムである（１）又は（２）に記載の電池。
（４）
前記絶縁体の融点が１３０℃以上であるか、又は融点を持たない材料である（１）乃至（３）の何れかに記載の電池。
（５）
前記絶縁体の融点が１６３℃以上である（４）に記載の電池。
（６）
前記絶縁体が高分子材料を塗布して形成されたものである（１）乃至（５）の何れかに記載の電池。
（７）
前記正極集電体の内周側端面と対向する前記負極集電体の間に前記絶縁体を配置する（１）乃至（６）の何れかに記載の電池。
（８）
対向する前記正極集電体と前記負極集電体の間に、短絡防止用の被覆材を有する（１）乃至（７）の何れかに記載の電池。
（９）
（１）に記載の電池と、
前記電池を制御する制御部と、
前記電池を内包する外装と
を有する電池パック。
（１０）
（１）に記載の電池から電力の供給を受ける電子機器。
（１１）
（１）に記載の電池と、
前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置と
を有する電動車両。
（１２）
（１）に記載の電池を有し、前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置。
（１３）
他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を有し、
前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う（１２）に記載の蓄電装置。
（１４）
（１）に記載の電池から電力の供給を受ける電力システム。
（１５）
発電装置又は電力網から前記電池に電力が供給される（１４）に記載の電力システム。
１０・・・捲回電極体
１１・・・正極
１１ａ・・・正極集電体
１１ｂ・・・正極活物質含有塗膜
１２・・・負極
１２ａ・・・負極集電体
１２ｂ・・・負極活物質含有塗膜
１５・・・セパレータ
１６・・・正極リード
１７・・・負極リード
２１・・・非水電解質電池
２２・・・外装部材

Claims (15)

  1. 正極と負極とをセパレータを介して捲回した捲回電極体を有し、
    前記捲回電極体の内周部において、負極あるいは負極集電体を折り返すごとに新たに形成される負極あるいは負極集電体で囲まれた空間のうちで、正極あるいは正極集電体が存在しない空間を取り囲む負極集電体表面又はセパレータの一部あるいは全面に絶縁体が設置された電池。
  2. 前記捲回電極体の幅方向において、前記絶縁体が正極リード及び負極リードの間に設けられる請求項１に記載の電池。
  3. 前記絶縁体が粘着剤つきの高分子フィルムである請求項１に記載の電池。
  4. 前記絶縁体の融点が１３０℃以上であるか、又は融点を持たない材料である請求項１に記載の電池。
  5. 前記絶縁体の融点が１６３℃以上である請求項４に記載の電池。
  6. 前記絶縁体が高分子材料を塗布して形成されたものである請求項１に記載の電池。
  7. 前記正極集電体の内周側端面と対向する前記負極集電体の間に前記絶縁体を配置する請求項１に記載の電池。
  8. 対向する前記正極集電体と前記負極集電体の間に、短絡防止用の被覆材を有する請求項１に記載の電池。
  9. 請求項１に記載の電池と、
    前記電池を制御する制御部と、
    前記電池を内包する外装と
    を有する電池パック。
  10. 請求項１に記載の電池から電力の供給を受ける電子機器。
  11. 請求項１に記載の電池と、
    前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
    前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置と
    を有する電動車両。
  12. 請求項１に記載の電池を有し、前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置。
  13. 他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を有し、
    前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う請求項１２に記載の蓄電装置。
  14. 請求項１に記載の電池から電力の供給を受ける電力システム。
  15. 発電装置又は電力網から前記電池に電力が供給される請求項１４に記載の電力システム。
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