JP2016042433A - 蓄電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電極体の湾曲部と平坦部との境界部位において、電極体を構成する電極のシワの発生を抑制可能な蓄電素子を提供する。
【解決手段】電極体は中空部２７が形成されるように巻回され、長径方向において対向する一対の湾曲部２０１及び短径方向に対向する一対の平坦部２０２を有する扁平な電極体と、電極体を収容するケースと、を備え、電極体は、放電された状態において、平坦部の短径方向における厚みをＡ、湾曲部の径方向における厚みをＢ、中空部の短径方向における厚みをＷとしたときに、Ａ＋（Ｗ／２）≦Ｂを満たす蓄電素子１。
【選択図】図６

Description

本発明は、充放電が可能な蓄電素子に関する。

従来から、帯状の電極が巻回された巻回型の電極体と、前記電極体を収容するケースと、を備えた二次電池が知られている（特許文献１参照）。前記電極体は、扁平な筒形状を有する。具体的に、前記電極体は、互いに直交する短径及び長径を有し、長径方向において対向する一対の湾曲部と、前記一対の湾曲部の対応する端部同士を接続し且つ短径方向に対向する一対の平坦部と、を有する。

前記二次電池では、充放電によって、前記電極体が膨張、収縮する。また、前記二次電池では、充放電が繰り返されることによって前記電極が劣化し、この劣化に伴って生じる反応副生成物（被膜、ガス等）が該電極の表面上に蓄積されることによっても電極体が膨張する。

前記蓄電装置では、前記電極体の膨張、収縮によって、電極の表面に巻回方向と直交する方向（電極の短手方向）のシワが発生する場合がある。具体的には、前記電極体の前記平坦部では、膨張した電極が中空部に向けて膨出するように湾曲等することによって前記膨張が吸収されるため、該膨張に起因する応力が電極において生じ難く、これにより、前記平坦部の電極にはシワが発生し難い。しかし、前記電極体の前記湾曲部では、電極が密に巻回されているため、膨張した電極が径方向に移動できずに巻回方向へ移動しようとするため、前記電極体における前記平坦部との境界部位に前記膨張に起因する応力が集中し易く、これにより、該境界部位の電極において巻回方向と直交するシワが発生し易い。

このように、電極において前記シワが発生すると、該シワの発生した部位の抵抗が大きくなるため、電極体において、容量の低下、電析等が生じ易くなる。

特開２０１３−２１４４５６号公報

そこで、本発明は、電極体の湾曲部と平坦部との境界部位において、該電極体を構成する電極のシワの発生を抑制可能な蓄電素子を提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電素子は、
巻中心に中空部が形成されるように電極が巻回された電極体であって、互いに直交する短径及び長径を備え、長径方向において対向する一対の湾曲部、及び前記一対の湾曲部の対応する端部同士を接続し且つ短径方向に対向する一対の平坦部を有する扁平な電極体と、
前記電極体を収容するケースと、を備え、
前記電極体は、該電極体が放電された状態において、前記平坦部の前記短径方向における厚みをＡ、前記湾曲部の径方向における厚みをＢ、前記中空部の前記短径方向における厚みをＷとしたときに、
Ａ＋（Ｗ／２）≦Ｂ
を満たす。

このように、充電による電極の膨張を該電極の中空部へ向かう湾曲によって吸収することで該膨張に起因する応力の発生を抑えたときの平坦部の厚み方向の寸法（平坦部の短径（積層）方向の厚み＋短径方向における中空部の寸法の１／２）以上の厚み寸法を、湾曲部が有することで、該湾曲部における積層方向（径方向）の電極間の距離が、電極の充電による膨張を吸収可能な大きさとなる。即ち、湾曲部において該湾曲部を構成する電極の径方向への移動が可能になるため、前記膨張に起因する応力が平坦部と湾曲部との境界部位に集中するのが抑えられる。その結果、前記境界部位において該部位を構成する電極におけるシワの発生を抑制することができる。

前記蓄電素子では、
前記電極体は、前記中空部を囲む筒状の巻芯を有し、
前記電極は、前記巻芯の周囲に巻回されてもよい。

かかる構成によれば、巻芯が中空筒状であるため、中実の巻芯の場合と異なり、平坦部を構成する電極の中空部側への湾曲が可能となり、これにより、平坦部を構成する電極が膨張したときの該電極の中空部側への湾曲（膨出）が許容され、その結果、平坦部の電極が膨張するときのシワの発生が抑えられる。しかも、電極が収縮する際に、巻芯によって中空部側から該電極に反力が付与されるため、電極が収縮するときのシワの発生も抑えられる。

この場合、
前記電極体は、該電極体が放電された状態において、
Ａ＋（π／４）Ｗ≦Ｂ
を満たすことが好ましい。

このように、湾曲部の厚みを、巻芯が短径方向に潰れたときに該巻芯が長径方向に延びる大きさである（（π／４）−（１／２））Ｗを加味して設定することによって、巻芯が短径方向に潰れた状態であっても、巻芯を有する電極体における前記シワの発生を抑えることができる。尚、前記の（（π／４）−（１／２））Ｗは、例えば図７に示すように、巻芯が短径方向に潰れたときの湾曲部の長径方向の長さβから、潰れていない状態（湾曲部の形状が円弧状のとき）の長径方向における湾曲部の長さαを引いた値である。

また、前記蓄電素子では、
前記電極体は、該電極体が放電された状態において、
Ｂ≦Ａ＋Ｗ
を満たしてもよい。

このように、電極の充電に起因する膨張を吸収するために該電極が中空部に向けて湾曲したときに平坦部が取り得る最大寸法（平坦部の短径方向の厚み＋中空部の短径方向の寸法）以下とすることで、湾曲部において積層方向の電極間の間隔が大きくなり過ぎてエネルギー密度が低下することを防ぐことができる。

また、前記蓄電素子において、
前記電極体では、該電極体が充電された状態において、前記中空部の前記長径方向における少なくとも一部の領域では、該中空部を前記短径方向に挟んで対向する部位同士が当接してもよい。

かかる構成によれば、充電による膨張を吸収するために電極が中空部に向かって湾曲したときに、対向する部位同士が当接することによって該部位に反力が加わるため、電極体が収縮するときにシワが発生し難くなる。

しかも、中空部の短径方向の寸法が大きくなり過ぎると、平坦部において電極が短径（積層）方向に弛み易く、これにより、電極間の間隔が大きくなって電極体のエネルギー密度が低下し易いが、中空部の短径方向の寸法を、電極体が充電された状態のときに前記対向する部位同士が当接する程度の大きさとすることで、平坦部における電極の前記弛みが抑えられ、これにより、前記エネルギー密度の低下を防ぐことができる。

また、前記蓄電素子において、
前記ケースは、内部空間を有し、前記一対の平坦部がそれぞれ該ケースと絶縁状態で当接するように前記電極体を該内部空間に収容し、
前記電極体は、該電極体が放電された状態において、前記ケースの内部空間の前記短径方向における寸法をＬとしたときに、
Ｗ≦０．２Ｌ
を満たしてもよい。

かかる構成によれば、ケースによって電極体を短径方向の外側から押さえ込むと共に、ケースによって電極体の短径方向の寸法を規制して中空部の短径方向の寸法を０．２Ｌ以下とすることで、平坦部における電極の弛みが抑えられる。これにより、平坦部における電極間の積層方向の間隔が大きくなることに起因する電極体のエネルギー密度の低下を防ぐことができる。

また、前記蓄電素子において、
前記電極体は、該電極体が放電された状態において、前記一対の湾曲部のうちの一方の湾曲部の径方向における厚みをＢ_１、前記一対の湾曲部のうちの他方の湾曲部の径方向における厚みをＢ_２としたときに、
Ａ＋（Ｗ／２）≦Ｂ_１、且つＡ＋（Ｗ／２）≦Ｂ_２
を満たしてもよい。

かかる構成によれば、一対の湾曲部のうちの一方の湾曲部と平坦部との境界部位と、他方の湾曲部と平坦部との境界部位とのそれぞれにおいて、該部位を構成する電極におけるシワの発生を抑えることができる。

以上より、本発明によれば、電極体の湾曲部と平坦部との境界部位において、該電極体を構成する電極のシワの発生を抑制可能な蓄電素子を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電素子の斜視図である。 図２は、同実施形態に係る蓄電素子の正面図である。 図３は、図１のＩＩＩ―ＩＩＩ線位置の断面図である。 図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線位置の断面図である。 図５は、同実施形態に係る蓄電素子の電極体の構成を説明するための図である。 図６は、パラメータの測定方法を説明するための図である。 図７は、巻芯が短径方向に押し潰されたときに長径方向に延びる大きさを説明するための模式図である。 図８は、同実施形態に係る蓄電素子を含む蓄電装置の斜視図である。

以下、本発明に係る蓄電素子の第一実施形態について、図１〜図７を参照しつつ説明する。蓄電素子には、二次電池、キャパシタ等がある。本実施形態では、蓄電素子の一例として、充放電可能な二次電池について説明する。尚、本実施形態の各構成部材（各構成要素）の名称は、本実施形態におけるものであり、背景技術における各構成部材（各構成要素）の名称と異なる場合がある。

本実施形態の蓄電素子は、非水電解質二次電池である。より詳しくは、蓄電素子は、リチウムイオンの移動に伴って生じる電子移動を利用したリチウムイオン二次電池である。この種の蓄電素子は、電気エネルギーを供給する。蓄電素子は、単一又は複数で使用される。具体的に、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧が小さいときには、単一で使用される。一方、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧の少なくとも一方が大きいときには、他の蓄電素子と組み合わされて蓄電装置に用いられる。前記蓄電装置では、該蓄電装置に用いられる蓄電素子が電気エネルギーを供給する。

蓄電素子は、図１〜図５に示すように、電極２３，２４が巻回された電極体２と、電極体２を収容するケース３と、を備える。この蓄電素子１は、ケース３の外側に配置される外部端子４であって電極体２と導通する外部端子４を備える。また、蓄電素子１は、電極体２、ケース３、及び外部端子４の他に、電極体２と外部端子４とを導通させる集電体５等を有する。本実施形態の蓄電素子１は、ケース３が略直方体形状の、いわゆる角形の蓄電素子である。

電極体２は、中空部２７を囲む筒状の巻芯２１と、正極（正の極性を有する電極）２３と負極（負の極性を有する電極）２４とが互いに絶縁された状態で積層された積層体２２であって、巻芯２１の周囲に巻回された積層体２２と、を備える。この電極体２においてリチウムイオンが正極２３と負極２４との間を移動することにより、蓄電素子１が充放電する。

電極体２は、巻中心に中空部２７が形成されるように電極２３，２４が巻回されている。本実施形態の電極体２は、扁平な筒状であり、互いに直交する短径及び長径を有する。具体的に、電極体２は、長径方向に対向する一対の第二湾曲部２０１と、一対の第二湾曲部２０１の対応する端部同士を接続し且つ短径方向に対向する一対の第二平坦部２０２と、を有する。詳しくは、以下の通りである。

巻芯２１は、通常、絶縁材料によって形成される。巻芯２１は、筒形状である。本実施形態の巻芯２１は、偏平な筒形状である。具体的に、巻芯２１は、間隔を空けて対向する一対の湾曲部（以下では、第一湾曲部と称する。）２１１と、互いに対向する一対の平坦部２１２であって、第一湾曲部２１１の対応（一対の第一湾曲部２１１の並び方向に対向）する端部同士を接続する一対の平坦部（以下では、第一平坦部と称する。）２１２と、を有する（図４参照）。各第一湾曲部２１１は、外側（互いに離間する方向）に突出（膨出）するように湾曲する。一対の第一平坦部２１２同士は、平行又は略平行である。本実施形態の巻芯２１は、可撓性又は熱可塑性を有するシートを巻回することによって形成される。巻芯２１は、電極体２と別体に構成されたものに限定されない。巻芯２１は、電極体２の構成要素であるセパレータ２５のうち、巻中心に延長された部分を巻回することによって形成されてもよい。

前記シートは、合成樹脂によって形成される。シートは、電解液に対して耐性を有する。シートは、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）によって構成される。シートの厚さは、例えば、５０μｍ〜２００μｍである。巻芯２１を構成するシートの材料は、合成樹脂に限定されず、アルミニウム、銅等の金属でもよい。

積層体２２は、正極２３及び負極２４等が積層される（重ねられる）ことによって構成され、巻芯２１の周囲に巻回される。本実施形態の積層体２２は、正極２３、負極２４、及びセパレータ２５が積層されることによって構成される。

正極２３は、金属箔と、金属箔の上に形成された正極活物質層と、を有する。金属箔は帯状である。本実施形態の金属箔は、例えば、アルミニウム箔である。

前記正極活物質層は、正極活物質と、バインダーと、を有する。

前記正極活物質は、例えば、リチウム金属酸化物である。具体的に、正極活物質は、例えば、Ｌｉ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（Ｍｅは、１又は２以上の遷移金属を表す）によって表される複合酸化物（Ｌｉ_ａＣｏ_ｙＯ_２、Ｌｉ_ａＮｉ_ｘＯ_２、Ｌｉ_ａＭｎ_ｚＯ_４、Ｌｉ_ａＮｉ_ｘＣｏ_ｙＭｎ_ｚＯ_２等）、Ｌｉ_ａＭｅ_ｂ（ＸＯ_ｃ）_ｄ（Ｍｅは、１又は２以上の遷移金属を表し、Ｘは例えばＰ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖを表す）によって表されるポリアニオン化合物（Ｌｉ_ａＦｅ_ｂＰＯ_４、Ｌｉ_ａＭｎ_ｂＰＯ_４、Ｌｉ_ａＭｎ_ｂＳｉＯ_４、Ｌｉ_ａＣｏ_ｂＰＯ_４Ｆ等）である。本実施形態の正極活物質は、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２である。

正極活物質に用いられるバインダーは、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、エチレンとビニルアルコールとの共重合体、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）である。本実施形態のバインダーは、ポリフッ化ビニリデンである。

前記正極活物質層は、ケッチェンブラック（登録商標）、アセチレンブラック、黒鉛等の導電助剤をさらに有してもよい。本実施形態の正極活物質層は、導電助剤としてアセチレンブラックを有する。

負極２４は、金属箔と、金属箔の上に形成された負極活物質層と、を有する。金属箔は帯状である。本実施形態の金属箔は、例えば、銅箔である。

前記負極活物質層は、負極活物質と、バインダーと、を有する。

前記負極活物質は、例えば、グラファイト、難黒鉛化炭素、及び易黒鉛化炭素などの炭素材、ケイ素（Ｓｉ）及び錫（Ｓｎ）などのリチウムイオンと合金化反応を生じる材料、又は、チタン酸リチウム、二酸化チタン、二酸化モリブデン、及び五酸化ニオブなどの酸化物材料である。本実施形態の負極活物質は、グラファイトである。

負極活物質層に用いられるバインダーは、正極活物質層に用いられたバインダーと同様のものである。本実施形態のバインダーは、ポリフッ化ビニリデンである。

前記負極活物質層は、ケッチェンブラック（登録商標）、アセチレンブラック、黒鉛等の導電助剤をさらに有してもよい。本実施形態の負極活物質層は、導電助剤を有していない。

本実施形態の電極体２では、正極２３と負極２４とがセパレータ２５によって絶縁された状態で巻回される。即ち、本実施形態の電極体２では、正極２３、負極２４、及びセパレータ２５の積層体２２が巻回される（図５参照）。セパレータ２５は、絶縁性を有する部材である。セパレータ２５は、正極２３と負極２４との間に配置される。これにより、電極体２（詳しくは、積層体２２）において、正極２３と負極２４とが互いに絶縁される。また、セパレータ２５は、ケース３内において、電解液を保持する。これにより、蓄電素子１の充放電時において、リチウムイオンが、セパレータ２５を挟んで交互に積層される正極２３と負極２４との間を移動する。セパレータ２５は、帯状である。このセパレータ２５は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、ポリアミドなどの多孔質膜によって構成される。本実施形態のセパレータは、ポリエチレン多孔膜である。

以上のように構成される正極２３、負極２４、及びセパレータ２５が積層された積層体２２が巻芯２１の周囲に巻回されることによって、電極体２が構成される。これにより、電極体２が巻芯２１の外周面に沿った形状に形成される、即ち、電極体２において、一対の湾曲部（以下では、第二湾曲部と称する。）２０１と一対の平坦部（以下では、第二平坦部と称する。）２０２とが形成される。

ケース３は、開口を有するケース本体３１と、ケース本体３１の開口を塞ぐ（閉じる）蓋板３２と、を有する。ケース３は、電極体２及び集電体５等と共に、電解液を内部空間３３に収容する。ケース３は、電解液に耐性を有する金属によって形成される。

前記電解液は、非水溶液系電解液である。電解液は、有機溶媒に電解質塩を溶解させることによって得られる。有機溶媒は、例えば、プロピレンカーボネート及びエチレンカーボネートなどの環状炭酸エステル類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート類である。電解質塩は、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、及びＬｉＰＦ_６等である。本実施形態の電解液は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートを、エチレンカーボネート：ジメチルカーボネート：エチルメチルカーボネート＝３：２：５の割合で調整した混合溶媒に、１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ_６を溶解させたものである。

ケース３は、ケース本体３１の開口周縁部と、蓋板３２の周縁部とを重ね合わせた状態で接合することによって形成される。また、ケース３は、ケース本体３１と蓋板３２とによって画定される上述の内部空間３３を有する。

ケース本体３１は、板状の閉塞部３１１と、閉塞部３１１の周縁に接続される筒状の胴部３１２とを備える。

閉塞部３１１は、開口が上を向くようにケース本体３１が配置されたときに、ケース本体３１の下端に位置する（即ち、前記開口が上を向いたときのケース本体３１の底壁となる）部位である。閉塞部３１１は、該閉塞部３１１の法線方向視において、矩形状である。

以下では、図１に示すように、閉塞部３１１の長辺方向をＸ軸方向とし、閉塞部３１１の短辺方向をＹ軸方向とし、閉塞部３１１の法線方向をＺ軸方向とする。

本実施形態の胴部３１２は、角筒形状を有する。詳しくは、胴部３１２は、偏平な角筒形状を有する。胴部３１２は、閉塞部３１１の周縁における長辺から延びる一対の長壁部３１３と、閉塞部３１１の周縁における短辺から延びる一対の短壁部３１４とを有する。短壁部３１４が平行に配置される一対の長壁部３１３の対応（詳しくは、Ｙ軸方向に対向）する端部同士をそれぞれ接続することによって、角筒状の胴部３１２が形成される。

以上のように、ケース本体３１は、開口方向（Ｚ軸方向）における一方の端部が塞がれた角筒形状（即ち、有底角筒形状）を有する。

蓋板３２は、ケース本体３１の開口を塞ぐ板状の部材である。具体的に、蓋板３２が開口を塞ぐように、蓋板３２の周縁部がケース本体３１の開口周縁部に重ねられる。本実施形態では、開口周縁部と蓋板３２とが重ねられた状態で、蓋板３２とケース本体３１との境界部が溶接される。これにより、ケース３が構成される。この蓋板３２は、Ｚ軸方向視において、ケース本体３１の開口周縁部に対応した輪郭形状を有する。即ち、蓋板３２は、Ｚ軸方向視において、Ｘ軸方向に長い矩形状の板材である。

蓋板３２には、ケース３の内部と外部とを連通させる一対の貫通孔３２２が設けられる。貫通孔３２２は、ケース３の内部に収容された電極体２と、ケース３の外部に配置された外部端子４とを導通させるのに用いられる。貫通孔３２２は、Ｘ軸方向における蓋板３２の両端部にそれぞれ設けられる。貫通孔３２２には、後述する貫通部材７が挿通される。

外部端子４は、他の蓄電素子の外部端子又は外部機器等と電気的に接続される部位である。外部端子４は、導電性を有する部材によって形成される。

蓄電素子１は、ケース３を貫通する貫通部材７を備える。貫通部材７は、ケース３の内部に配置される集電体５と、ケース３の外部に配置される外部端子４とを通電させる。貫通部材７は、導電性の金属によって形成される。貫通部材７は、外部端子４から蓋板３２の貫通孔３２２を通ってケース３内に延びる。

集電体５は、ケース３内に配置され、電極体２と通電可能に直接又は間接に接続される。本実施形態の集電体５は、クリップ部材５０を介して電極体２と通電可能に接続される。集電体５は、蓄電素子１の正極と負極とにそれぞれ配置される。

蓄電素子１は、電極体２とケース３とを絶縁する絶縁部材６等を備える。本実施形態の絶縁部材６は、例えば、絶縁カバーである。絶縁カバー６は、ケース３（詳しくはケース本体３１）と電極体２との間に配置される。絶縁カバー６は、絶縁性を有するシート状の部材によって構成される。この絶縁カバー６は、例えば、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド等の樹脂によって形成される。本実施形態の絶縁カバー６は、所定の形状に裁断された絶縁性を有するシート状の部材を折り曲げることによって袋状に形成される。

絶縁カバー６は、シート状の部材を単に折り曲げて袋状に形成せずに、シート状の部材を例えば融着又は溶着して袋状に形成してもよい。絶縁カバー６は、初めから袋状に形成されてもよい。絶縁カバー６の代わりに、絶縁層がケース３の内面に設けられて電極体２とケース３とが絶縁されてもよい。

本実施形態の蓄電素子１では、袋状の絶縁カバー６に収容された状態の電極体２（詳しくは、電極体２及び集電体５）がケース３内に収容される。このとき、電極体２は、一対の第二平坦部２０２がそれぞれケース３（詳しくは、長壁部３１３）と絶縁状態で当接するように、該ケース３内（該ケース３の内部空間３３内）に収容される。

以上のように構成される蓄電素子１の電極体２は、図６に示すように、第二平坦部２０２のＹ軸（短径）方向の厚みをＡ、第二湾曲部２０１の径方向における厚みをＢ、中空部２７のＹ軸（短径）方向の厚みをＷとしたときに、放電された状態において、以下の式（１）を満たしている。
Ａ＋（Ｗ／２）≦Ｂ ・・・（１）

このように、本実施形態の蓄電素子１では、充電による電極２３，２４の膨張を該電極２３，２４の中空部２７へ向かう湾曲によって吸収することで該膨張に起因する応力の発生を抑えたときの第二平坦部２０２の厚み方向の寸法（第二平坦部２０２のＹ軸（電極２３，２４の積層）方向の厚みＡ＋Ｙ軸方向における中空部２７の寸法Ｗの１／２）以上の厚み寸法を、第二湾曲部２０１が有することで、該第二湾曲部２０１における積層方向（径方向）の電極２３，２４間の間隔が、電極２３，２４の充電による膨張を吸収可能な大きさとなる。即ち、第二湾曲部２０１において該第二湾曲部２０１を構成する電極２３，２４の径方向への移動が可能になるため、前記膨張に起因する応力が第二平坦部２０２と第二湾曲部２０１との境界部位に集中するのが抑えられる。その結果、前記境界部位において該部位を構成する電極２３，２４におけるシワの発生を抑制することができる。尚、本実施形態の蓄電素子１の電極体２は、巻中心に中空部２７が形成されているため、Ｗ＞０を満たしている。

ここで、蓄電素子１（電極体２）が「放電された状態」とは、蓄電素子１を十分に放電させ、この放電により、蓄電素子１が過放電にならない程度に開回路電圧が低くなった状態にあることを意味する。正極活物質にＬｉ_ａＭｅ_ｂＯ_ｃ（Ｍｅは、１又は２以上の遷移金属を表す）によって表される複合酸化物を、負極活物質にグラファイト、難黒鉛化炭素、及び易黒鉛化炭素等の炭素材を用いたリチウムイオン二次電池では、十分放電させたときの開回路電圧が通常２Ｖである。このため、本実施形態において蓄電素子１（電極体２）が「放電された状態」とは、「開回路電圧が２Ｖの状態」である。但し、蓄電素子１を搭載している機器又は蓄電素子１のカタログ等によって、蓄電素子１を使用する電圧の範囲が定められている場合、蓄電素子１（電極体２）が「放電された状態」とは、蓄電素子１の開回路電圧が当該定められた電圧の範囲のうち最も低い電圧値を示す状態にあることを意味する。

一方、蓄電素子１（電極体２）が「充電された状態」とは、蓄電素子１を搭載している機器において、使用が予定されている開回路電圧の範囲のうち、開回路電圧が最も高い状態にあることを意味する。例えば、機器に搭載されている蓄電素子１に対して継続した充電処理が行われる場合には、機器側のシステムが蓄電素子１の充電を完了したと判断したときを、蓄電素子１が「充電された状態」であるという。また、前記機器に搭載されている蓄電素子１に対して間欠的な充電処理が行われる場合には、機器側のシステムが蓄電素子１の充電処理を不要と判断する電圧に蓄電素子１の開回路電圧が達したときに、蓄電素子１が「充電された状態」であるという。但し、蓄電素子１を搭載している機器又は蓄電素子１のカタログ等によって、蓄電素子１を使用する電圧の範囲が定められている場合、蓄電素子１（電極体２）が「充電された状態」とは、蓄電素子１の開回路電圧が、当該定められた電圧の範囲のうち最も高い電圧値を示す状態にあることを意味する。

尚、本実施形態の電極体２は、巻芯２１を有するため、式（１）に、巻芯２１がＹ軸方向に潰れたときに該巻芯２１がＺ軸方向に延びる大きさである（（π／４）−（１／２））Ｗを加味した、以下の式（２）も満たしている。この式（２）も、電極体２が放電された状態のときに満たされる式である。
Ａ＋（π／４）Ｗ≦Ｂ ・・・（２）

具体的に、式（２）は、次のように求められる。図７に示すように、巻芯２１がＹ軸方向に潰れたとき（巻芯２１において対向する第一平坦部２１２同士が接するように潰れたとき：図７の下図参照）に、巻芯２１のＺ軸方向への延びは、巻芯２１の第一湾曲部２１１の円弧βの長さである「（π／４）Ｗ」から潰れる前の巻芯２１の第一湾曲部２１１の半径αの長さ「Ｗ／２」を引いた値
（（π／４）−（１／２））Ｗ ・・・（３）
である。そこで、巻芯２１を有する電極体２では、式（１）の右辺の値「Ｂ」から前記延びの値（式（３））を引いた以下の式（４）を満たすことによって、巻芯２１がＹ軸方向に潰れた状態であっても、巻芯２１を有する電極体２における前記シワの発生を抑えることができる。即ち、電極体２の第一湾曲部２１１の径方向の厚みを、巻芯２１がＹ軸方向に潰れたときの該巻芯２１のＺ軸方向への延びを加味して設定することによって、巻芯２１がＹ軸方向に潰れた状態であっても、巻芯２１を有する電極体２における前記シワの発生を抑えることができる。
Ａ＋（Ｗ／２）≦Ｂ−（（π／４）−（１／２））Ｗ・・・（４）
尚、図７の下図は、Ｙ軸方向に押し潰した巻芯２１を模式的に示した図であり、実際には、第一平坦部２１２間に隙間が生じないように（第一平坦部２１２同士が当接するように）押し潰している。

また、本実施形態の蓄電素子１の電極体２では、巻芯２１が中空筒状であるため、中実の巻芯の場合と異なり、第二平坦部２０２を構成する電極２３，２４の中空部２７側への湾曲が可能となる。これにより、第二平坦部２０２を構成する電極２３，２４が充電等によって膨張したときの該電極２３，２４の中空部２７側への湾曲（膨出）が許容され、その結果、第二平坦部２０２の電極２３，２４が膨張するときのシワの発生が抑えられる。しかも、電極２３，２４が収縮する際に、巻芯２１によって中空部２７側から該電極２３，２４に反力が付与されるため、電極２３，２４が収縮するときのシワの発生も抑えられる。

本実施形態の電極体２は、放電された状態のときに、以下の式（５）も満たす。
Ｂ≦Ａ＋Ｗ ・・・（５）

このように、第二湾曲部２０１の径方向における厚みを、電極２３，２４の充電に起因する膨張を吸収するために該電極２３，２４が中空部に向けて湾曲したときに第二平坦部２０２が取り得る最大寸法（第二平坦部２０２の短径方向の厚み＋中空部２７の短径方向の寸法）以下とすることで、第二湾曲部２０１において積層方向の電極２３，２４間の間隔が大きくなり過ぎてエネルギー密度が低下することを防ぐことができる。

また、本実施形態の電極体２では、該電極体２が充電された状態において、中空部２７のＺ軸方向における少なくとも一部の領域において該中空部２７をＹ軸方向に挟んで対向する部位同士が当接する。本実施形態の電極体２は巻芯２１を有しているため、巻芯２１における中空部２７をＹ軸方向に挟んで対向する面（第一平坦部２１２）同士が当接する。一方、巻芯２１を有していない電極体２（即ち、積層体２２のみによって構成される電極体２）では、該電極体２が充電された状態において、巻回された積層体２２における中空部２７をＹ軸方向に挟んで対向する面同士が当接する。

電極体２では、中空部２７のＺ軸方向の中央領域において、該中空部２７をＹ軸方向に挟んで対向する部位同士が、該電極体２が充電された状態のときに当接するのが好ましく、中空部２７のＺ軸方向の全領域において、該中空部２７をＹ軸方向に挟んで対向する部位同士が、該電極体２が充電された状態のときに当接することがより好ましい。

また、本実施形態の電極体２は、図６に示すように、第二平坦部２０２が絶縁カバー６を介してケース３（詳しくは、長壁部３１３）に接するように、ケース３内に収容されている。そして、ケース３の内部空間３３のＹ軸方向における寸法をＬとしたときに、電極体２は、放電された状態のときに、以下の式（６）も満たしている。
Ｗ≦０．２Ｌ ・・・（６）

これにより、第二平坦部２０２における電極２３，２４間の積層方向の間隔が大きくなることに起因する電極体２のエネルギー密度の低下を防ぐことができる。この場合、電極体２は、放電された状態のときに、Ｗ≦０．１５Ｌを満たしていることが好ましい。

本実施形態では、上記のパラメータＡ，Ｂ，Ｗ，Ｌは、例えば、以下のようにして求められる。

開回路電圧が２Ｖ（即ち、放電された状態）になるように蓄電素子１を放電させる。次に、閉塞部３１１のＸ軸方向の両端部にそれぞれドリル等によって穴を空け、該穴からケース３内の電解液を排出する。続いて、前記穴から樹脂をケース３内に流し込み、流し込んだ樹脂が硬化した後、電極体２のＸ軸方向における中央部をＹ−Ｚ平面（Ｙ軸とＺ軸とを含む平面）方向にケース３と共に切断する。これにより得られた切断面において各部位の寸法を測定し、各パラメータを求める。

ここで、Ａは、電極体２のＺ軸方向における中央位置の２箇所の第二平坦部２０２の厚み（Ｙ軸方向の厚み）の平均値である。また、Ｂは、第二湾曲部２０１のＺ軸方向における頂点位置を通る径方向の厚みである。

本実施形態では、Ｂは、一対の第二湾曲部２０１のそれぞれにおいて求める。具体的には、一対の第二湾曲部２０１のうちの一方（図６の例では上方）の第二湾曲部２０１の厚みＢ_１と、一対の第二湾曲部２０１のうちの他方（図６の例では下方）の第二湾曲部２０１の厚みをＢ_２と、をそれぞれ求める。本実施形態の電極体２は、一対の第二湾曲部２０１のいずれの厚みＢ_１，Ｂ_２においても、式（２）及び式（５）を満たす。即ち、本実施形態の蓄電素子１の電極体２は、
Ａ＋（π／４）Ｗ≦Ｂ_１≦Ａ＋Ｗ、且つ、Ａ＋（π／４）Ｗ≦Ｂ_２≦Ａ＋Ｗ
を満たす。このため、本実施形態の蓄電素子１では、一対の第二湾曲部２０１のうちの一方の第二湾曲部２０１と第二平坦部２０２との境界部位と、他方の第二湾曲部２０１と第二平坦部２０２との境界部位とのそれぞれにおいて、該部位を構成する電極２３，２４におけるシワの発生が抑えられる。

また、Ｗは、中空部２７のＺ軸方向における中央位置（Ａを測定した位置）のＹ軸方向における厚みである。本実施形態の電極体２は、中空筒状の巻芯２１を有している。このため、Ｗは、巻芯２１の内面間（第一平坦部２１２間）の距離である。また、巻芯２１を有していない電極体２では、Ｗは、巻回された積層体２２の内周面におけるＹ軸方向に対向する部位間の距離である。

また、Ｌは、ケース３の撓みの影響を受け難い位置、例えば、図６に示すように、閉塞部３１１近傍における内部空間３３のＹ軸方向の寸法である。本実施形態のケース３では、閉塞部３１１と長壁部３１３との接続部位の断面形状が、円弧状になっている。このため、この円弧状の部位と長壁部３１３の平板状の部位との境界位置におけるケース３の内部空間３３の寸法をＬとする。また、本実施形態の蓄電素子１のように絶縁カバー６を備える場合には、絶縁カバー６の内寸をＬとし、絶縁カバー６を備えない場合には、ケース３の内寸をＬとする。

尚、本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。

上記実施形態の電極体２は、巻芯２１を有しているため、式（２）を満たしているが、この構成に限定されない。電極体２は、巻芯２１を有しない（積層体２２のみによって構成される）場合には、式（１）を満たしていればよい。

上記実施形態の蓄電素子１では、電極体２の第二平坦部２０２が絶縁カバー６を介して長壁部３１３に接した状態で、電極体２がケース３内に収容されているが、この構成に限定されない。ケース３の内面（長壁部３１３の内面）に絶縁層が形成されている場合には、電極体２の第二平坦部２０２がケース３の内面（絶縁層）に接した状態で、電極体２がケース３内に収容されていてもよい。即ち、一対の第二平坦部２０２のそれぞれが長壁部３１３と絶縁状態で接するように、電極体２がケース３の内部空間３３内に収容されていればよい。

上記実施形態の電極体２は、一対の第二湾曲部２０１のそれぞれにおいて、式（２）を満たしている（即ち、Ａ＋（π／４）Ｗ≦Ｂ_１、且つ、Ａ＋（π／４）Ｗ≦Ｂ_２を満たしている）が、この構成に限定されない。電極体２は、いずれか一方の第二湾曲部２０１のみにおいて、式（２）を満たしてもよい（即ち、Ａ＋（π／４）Ｗ≦Ｂ_１、又は、Ａ＋（π／４）Ｗ≦Ｂ_２を満たしていてもよい）。かかる構成によれば、電極体２における一方の第二湾曲部２０１と第二平坦部２０２との境界部位において、充電による膨張に起因する応力が集中するのを抑えることができる。その結果、該境界部位における電極２３，２４へのシワ（充電に伴う電極２３，２４の膨張に起因するシワ）の発生を抑えることができる。

また、上記実施形態においては、蓄電素子１が充放電可能な非水電解質二次電池（例えばリチウムイオン二次電池）として用いられる場合について説明したが、蓄電素子１の種類や大きさ（容量）は任意である。また、上記実施形態において、蓄電素子１の一例として、リチウムイオン二次電池について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、種々の二次電池、その他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタの蓄電素子にも適用可能である。

蓄電素子（例えば電池）は、図８に示すような蓄電装置（蓄電素子１が電池の場合は電池モジュール）１１に用いられてもよい。蓄電装置１１は、少なくとも二つの蓄電素子１と、二つの（異なる）蓄電素子１同士を電気的に接続するバスバ部材１２と、を有する。この場合、本発明の技術が少なくとも一つの蓄電素子１に適用されていればよい。

１…蓄電素子、２…電極体、２０１…第二湾曲部、２０２…第二平坦部、２１…巻芯、２１１…第一湾曲部、２１２…第一平坦部、２２…積層体、２３…正極（電極）、２４…負極（電極）、２５…セパレータ、２７…中空部、３…ケース、３１…ケース本体、３１１…閉塞部、３１２…胴部、３１３…長壁部、３１４…短壁部、３２…蓋板、３２２…貫通孔、３３…内部空間、４…外部端子、５…集電体、５０…クリップ部材、６…絶縁カバー（絶縁部材）、７…貫通部材、１１…蓄電装置、１２…バスバ部材

Claims (7)

1. 巻中心に中空部が形成されるように電極が巻回された電極体であって、互いに直交する短径及び長径を備え、長径方向において対向する一対の湾曲部、及び前記一対の湾曲部の対応する端部同士を接続し且つ短径方向に対向する一対の平坦部を有する扁平な電極体と、
   前記電極体を収容するケースと、を備え、
   前記電極体は、該電極体が放電された状態において、前記平坦部の前記短径方向における厚みをＡ、前記湾曲部の径方向における厚みをＢ、前記中空部の前記短径方向における厚みをＷとしたときに、
   Ａ＋（Ｗ／２）≦Ｂ
   を満たす、蓄電素子。
2. 前記電極体は、前記中空部を囲む筒状の巻芯を有し、
   前記電極は、前記巻芯の周囲に巻回される、請求項１に記載の蓄電素子。
3. 前記電極体は、該電極体が放電された状態において、
   Ａ＋（π／４）Ｗ≦Ｂ
   を満たす、請求項２に記載の蓄電素子。
4. 前記電極体は、該電極体が放電された状態において、
   Ｂ≦Ａ＋Ｗ
   を満たす、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電素子。
5. 前記電極体では、該電極体が充電された状態において、前記中空部の前記長径方向における少なくとも一部の領域では、該中空部を前記短径方向に挟んで対向する部位同士が当接する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電素子。
6. 前記ケースは、内部空間を有し、前記一対の平坦部がそれぞれ該ケースと絶縁状態で当接するように前記電極体を該内部空間に収容し、
   前記電極体は、該電極体が放電された状態において、前記ケースの内部空間の前記短径方向における寸法をＬとしたときに、
   Ｗ≦０．２Ｌ
   を満たす、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電素子。
7. 前記電極体は、該電極体が放電された状態において、前記一対の湾曲部のうちの一方の湾曲部の径方向における厚みをＢ_１、前記一対の湾曲部のうちの他方の湾曲部の径方向における厚みをＢ_２としたときに、
   Ａ＋（Ｗ／２）≦Ｂ_１、且つＡ＋（Ｗ／２）≦Ｂ_２
   を満たす、請求項１又は２に記載の蓄電素子。

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