JP2000182588A

JP2000182588A - リチウム二次電池

Info

Publication number: JP2000182588A
Application number: JP10358083A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nemoto; 宏根本; Teruhisa Kurokawa; 輝久黒川; Toshihiro Yoshida; 俊広吉田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2000-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】電極端子の設計の自由度が大きく、電池内圧
の異常上昇時における放圧作動性が良好であって安全性
に優れるリチウム二次電池を提供する。【解決手段】正極板と負極板とをセパレータを介して
捲回又は積層してなる内部電極体を電池ケースに収容
し、非水電解液を用いたリチウム二次電池である。電池
ケース７２において電極端子７３Ａ・７３Ｂが配設され
た面を端面としたとき、これら端面に垂直な電池ケース
７２の側面に放圧弁（溝７５）を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電極端子の設計
の自由度が大きく、電池内圧の異常上昇時における放圧
作動性が良好であって安全性に優れるリチウム二次電池
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、リチウム二次電池は、携帯電
話、ＶＴＲ、ノート型コンピュータ等の携帯型電子機器
の電源用電池として、広く用いられるようになってきて
いる。また、リチウム二次電池はエネルギー密度が大き
いことから、前記携帯型電子機器のみならず、最近の環
境問題を背景に、低公害車として積極的に一般への普及
が図られている電気自動車（ＥＶ）あるいはハイブリッ
ド電気自動車（ＨＥＶ）のモータ駆動電源としても注目
を集めている。

【０００３】代表的なＥＶ用電池としては、図１に示
すような、集電用タブ（以下、「タブ」という。）５が
取り付けられた正極板２と負極板３とを互いに接触しな
いようにセパレータ４を介して、巻芯６の外周に捲回し
た捲回型内部電極体１に、非水電解液を含浸させたもの
を、筒状の電池ケースに収容した構造を有する電池が挙
げられる。また、図２に示すように、タブ７の取り付け
られた所定形状・所定面積を有する正極板８と負極板９
とをセパレータ１０を介して交互に積層してなる積層型
内部電極体１１を、その形状に応じた電池ケースに収容
した構造を有する電池も検討されている。ここで、正極
板８等の形状を四角形とすれば直方体形状の箱形電池が
得られ、正極板８等の形状を円形とすれば、捲回型内部
電極体１を用いた場合と同様の円柱型電池を得ることが
できる。

【０００４】ところで、日本蓄電池工業会によれば、
リチウム二次電池安全性評価基準ガイドラインの機械的
試験（誤用試験）として、これら内部電極体の構造にか
かわらず、充電容量一杯に満充電されたリチウム二次電
池の電極板（正極板及び負極板の両方を指す。）どうし
が重なりあう面（積層面）に垂直に電極板を貫通するよ
うに釘（金属性の棒）を打ち込んで電極板を内部短絡さ
せ、異常放電電流が急激に流れた場合にも電池が爆発
（破裂）、発火せず、安全性が確保されるべき旨が定め
られている（以下、このような試験を「釘差し試験」と
いう。）。

【０００５】この釘差し試験をクリアするために、リ
チウム二次電池には、電池内圧が所定値に達したとき
に、内圧を外気圧に解放する放圧弁が設けられる。例え
ば、特開平９−９２２４１号公報に開示されている大容
量ＥＶ用電池においては、図３に示すように、捲回型内
部電極体３５を用いた円柱型電池２０の両端面に放圧弁
１９を設けた電池構造が開示されている。また、発明者
らは、特願平１０−１６５２１３号等において、種々の
金属箔を用いた放圧弁やＶ字溝による放圧弁を配設した
電池構造を提案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の放圧
弁は電池端面に設けられることが一般的であった。これ
は、例えば捲回型内部電極体を用いた場合には、電極板
が通気性のない金属箔の表面に電極活物質を塗工して形
成されているために、内部電極体内での局部的な温度上
昇によって電解液の蒸発が起こった場合には、蒸気が内
部電極体の長さ方向（巻芯の軸方向）へ移動し、電池端
部において内圧上昇が大きくなると考えられていること
による。

【０００７】しかしながら、例えば、前述した電池２
０の電池構造に示されるように、端面を封止する一定面
積のキャップ１３に電極端子１８や放圧弁１９、更には
電解液注入口３２等の多くの部位を設けなければなら
ず、この場合には、各部品の形状に制約が加わり、構造
設計上の自由度が小さくなる。

【０００８】また、ＥＶ用電池においては、モータ駆
動のための１００Ｖ〜２００Ｖといった電圧を得るため
に、電池を直列に接続しなければならない。この場合、
１の単電池の端面と別の単電池の端面を直接に接続させ
る電極端子を用いることで、複数電池の接続が容易なも
のとなり、好ましいが、例えば、放圧弁１９のように電
池端面から突出した放圧弁を設けた場合には、放圧弁１
９どうしの重なりを回避するために不要に長い電極端子
１８を設けなければならなくなり、不要に大きな載置ス
ペースを必要とすることとなる等の不都合が生ずる。ま
た、１の電池の端面に設けられた放圧弁から排出された
ガスが、その電池に接続された他の電池の端面に直接噴
射され、他の電池の作動特性に悪影響を与えるおそれが
ある。

【０００９】更に、内部電極体内部で蒸気が発生した
場合には、この蒸気のために、内部電極体が径方向へ膨
張するように力が発生することが考えられる。従って、
内部電極体の径方向への膨張を容易ならしめることで、
電池の破裂を抑制することも可能と考えられる。なお、
これらの圧力解放に関する考え方は、積層型内部電極体
を用いた電池においても適用することができると考えら
れる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した従来
技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、電極端子構造の設計自由度を向上させつ
つ、安全性に優れた電池を提供することにある。すなわ
ち、本発明によれば、正極板と負極板とをセパレータを
介して捲回又は積層してなる内部電極体を電池ケースに
収容し、非水電解液を用いたリチウム二次電池であっ
て、当該電池ケースにおいて電極端子が配設された面を
端面としたときの当該端面に垂直な当該電池ケースの側
面に放圧弁が設けられていることを特徴とするリチウム
二次電池、が提供される。

【００１１】このような本発明のリチウム二次電池に
おいては、その放圧弁として、電池ケースの一部を肉薄
に形成した溝状放圧弁が好適に採用され、この溝の部分
が裂けることで内部圧力が解放される。ここで、電池ケ
ース側面のみでなく、従来同様に電池ケースの一端面又
は両端面に放圧弁を併設することが好ましい。また、側
面に放圧弁を設けた場合においては、正極板及び負極板
における集電体に孔部が設けられていると、内部圧力上
昇が電池ケース内で均一に起こり易くなるため、各所に
設けられた放圧弁が作動し易くなり、好ましい。

【００１２】さらに、電池の全体構造としては、電池
ケースの対向する各端面に正負いずれか一方の電極端子
を配設し、その電極端子の一方を雌ネジ形状とし、他方
をその雌ネジ形状に相補する、つまり雌ネジ形状に合っ
た雄ネジ形状とすることが、電池の直列接続を容易なも
のとし、好ましい。

【００１３】なお、このような本発明のリチウム二次
電池の構成条件は、電池容量が２Ａｈ以上のものに好適
に採用され、本発明のリチウム二次電池は電気自動車ま
たはハイブリッド電気自動車用に好適に用いられる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のリチウム二次電池に用
いられる内部電極体は、前述した捲回型内部電極体１及
び積層型内部電極体１１のいずれをも用いることが可能
である。そこで、先ず、捲回型内部電極体１を用いた場
合について説明することとする。

【００１５】正極板２は、一般的には集電体としての
アルミニウム箔やチタン箔の両面に正極活物質を所定厚
みに塗工することで作製され、安価なアルミニウム箔を
用いることがコスト面から好ましい。正極活物質の塗工
は、正極活物質粉末に溶剤やバインダ等を添加して作製
されるスラリー或いはペーストを、ロールコータ法等を
用いて集電体に塗布、固着させることで行われる。な
お、正極活物質としては、マンガン酸リチウムやコバル
ト酸リチウム、ニッケル酸リチウム等のリチウム遷移金
属複合酸化物が好適に用いられ、アセチレンブラック等
の炭素微粉末を導電助材として加えることが好ましい。

【００１６】一方、負極板３は、集電体としての銅箔
若しくはニッケル箔の両面に負極活物質を塗工すること
で作製される。その作製方法は前述した正極板２の場合
と同様である。なお、負極活物質としては、ソフトカー
ボンやハードカーボンといったアモルファス系炭素質材
料や、人造黒鉛や天然黒鉛等の高黒鉛化炭素質粉末が用
いられる。

【００１７】こうして作製される正極板２と負極板３
とをセパレータ４を介して互いに接触しないように捲回
して内部電極体１を作製するが、この捲回時に、タブ５
を超音波溶接等の手段により、正極板２及び負極板３に
所定間隔で取り付けることができる。

【００１８】なお、セパレータ４としては、マイクロ
ポアを有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィ
ルム（ＰＥフィルム）を、多孔性のリチウムイオン透過
性のポリプロピレンフィルム（ＰＰフィルム）で挟んだ
三層構造としたものが好適に用いられる。これは、内部
電極体の温度が上昇した場合に、ＰＥフィルムが約１３
０℃で軟化してマイクロポアが潰れ、リチウムイオンの
移動すなわち電池反応を抑制する安全機構を兼ねたもの
である。そして、このＰＥフィルムをより軟化温度の高
いＰＰフィルムで挟持することによって、ＰＥフィルム
が軟化した場合においても、ＰＰフィルムが形状を保持
して正極板２と負極板３の接触・短絡を防止し、電池反
応の確実な抑制と安全性の確保が可能となる。

【００１９】図４は、得られた内部電極体１を用いた
電池の一実施形態を示す断面図である。内部電極体１の
タブ５はそれぞれ正極内部端子７４Ａ（アルミニウム
製）・負極内部端子７４Ｂ（銅製）として用いられてい
るリベットに、かしめ加工により１箇所で集合接続され
ている。そして、正極内部端子７４Ａはアルミニウムか
らなる正極蓋７１Ａに接合され、正極蓋７１Ａには同じ
くアルミニウムからなる雌ネジ形状の正極外部端子７３
Ａが接合されている。なお、正極外部端子７３Ａの下部
には、正極蓋７１Ａを貫通するように電解液注入口７７
が設けられている。

【００２０】負極側の構造も正極側と同様であり、負
極内部端子７４Ｂ、負極蓋７１Ｂ、雄ネジ形状の負極外
部端子７３Ｂには全て銅製部材が用いられている。但
し、負極蓋７１Ｂには電解液注入口７７は設けられてい
ない。このように各極の外部端子７３Ａ・７３Ｂが互い
の結合が容易となるように相補する形状に設定されてい
ると、電池５０間の直列接続が容易に行うことができ、
好ましい。電池５０では、電池５０を回転させて負極外
部端子７３Ｂを正極内部端子７３Ａにねじ込めばよい。

【００２１】電池ケース７２に形成された突起部８１
は、正負両極の内部端子７４Ａ・７４Ｂ等を取り付けた
内部電極体１を円筒形電池ケース７２に挿入した後、内
部電極体１の両端近傍において、電池ケース７２に絞り
加工を行うことで形成される。そして、電池ケース７２
の端面は、絶縁材料からなるシール材８２を用いて電池
ケース７２と正負両極の蓋７１Ａ・７１Ｂが導通しない
ように、電池ケース７２の両端をかしめ加工により封止
することで形成されている。なお、内部電極体１と電池
ケース７２の内周面との間には、絶縁性ポリマーフィル
ム７９が配置されており、本発明においては、通気性を
有する多孔質フィルムを用いることが好ましい。

【００２２】この電池に５０における非水電解液の充
填は、電解液注入口７７を上向きとして、電池５０を減
圧雰囲気下に載置し、電解液注入口７７と巻芯６の中空
部分を貫通するように、電解液注入ノズルを電池の底部
へ挿入し、所定量の電解液を注入して十分に内部電極体
１への含浸処理を行った後、不活性ガス雰囲気として、
不要な電解液を電解液注入ノズルで排出し、電解液注入
口７７をネジにより封止する方法等を用いて、簡単に行
うことが可能である。

【００２３】なお、非水電解液としては、エチレンカ
ーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥ
Ｃ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）といった炭酸エ
ステル系のもの、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やγ
−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリ
ル等の有機溶媒の単独溶媒もしくは混合溶媒に、電解質
としてのＬｉＰＦ₆やＬｉＢＦ₄等のリチウム錯体フッ素
化合物、あるいはＬｉＣｌＯ₄といったリチウムハロゲ
ン化物等を１種類もしくは２種類以上を溶解した非水電
解液が好適に用いられる。

【００２４】さて、本発明においては、電池ケース７
２において電極端子、即ち、外部端子７３Ａ・７３Ｂが
配設された面を端面としたとき、この端面に垂直な面で
ある電池ケース７２の側面に放圧弁が設けられる。その
一実施形態を示す斜視図を図５に示す。電池ケース７２
の側面には、その肉厚が薄くなっている溝７５が形成さ
れており、故障、過誤の使用によって電池温度が上昇し
て電解液の蒸発が起こり、電池内圧が上昇した場合に
は、この溝７５の部分に亀裂が入ることで電池内圧が外
気圧に解放される。つまり溝７５が放圧弁として働く。
このような溝７５は、機械加工やレーザ加工等により簡
単に形成することができる。なお、図５において、外部
端子７３Ａ・７３Ｂは簡略化して図示されている。

【００２５】ここで本発明において、放圧弁は、電池
ケース７２の側面のみに限定して設けられるものではな
い。即ち、従来同様に電池ケース７２の両端面、即ち、
蓋７１Ａ・７１Ｂに放圧弁を併設することが安全性の確
保の点から好ましい。例えば、図６は、蓋７１Ａ・７１
Ｂに設けられる放圧弁の一実施形態を示す平面図である
が、蓋７１Ａ・７１Ｂの一部に孔部８５が設けられ、こ
の孔部８５が金属箔８６で閉塞されていれば、電池内圧
が上昇したときには、この金属箔８６が破裂する放圧弁
として機能する。なお、このような金属箔８６を用いた
放圧弁は、電池端部から突出してされることがないの
で、電池５０どうしの直列接続に支障をきたすおそれが
ない。

【００２６】このようにして、電池ケース７２の側面
に放圧弁を設けることによって、安全性の確保を図りつ
つ、電池端面における放圧弁や電極端子の形状設計の自
由度を高めることが可能となる。

【００２７】さて、電池ケース７２の側面に放圧弁を
設けた場合には、電池側面に内圧上昇時の圧力がかかる
ように、内部電極体１の構造を設計することも好まし
い。この方法の一つとして、正極板２及び負極板３の集
電体（金属箔）として、孔部を設けた集電体を用いる方
法が挙げられる。具体的には、多数の孔部を打ち抜き
（パンチング）により形成したパンチングメタルや、微
小な孔部が数多く形成されたものとみなすことができる
金属メッシュ・金属網を挙げることができる。ここで、
集電体に形成された孔部は、内部電極体１の中心部から
外周部へ向かう径方向において、重複するように形成さ
れるように設けられていると、蒸気の移動が起こり易く
なり、好ましい。

【００２８】こうして、内部電極体１の中心部で電解
液の蒸発が起こっても、圧力が電池ケース７２の側面に
かかるようになり、溝７５の破裂によって圧力が解放さ
れ、安全性が確保される。なお、電極活物質層は電解液
が含浸することからもわかるように多孔質であって通気
性を有するため、電極活物質層に意図的に孔部を設ける
必要はない。つまり、集電体に設けられた孔部を塞ぐよ
うに、電極活物質層が形成されていても構わない。ま
た、セパレータ４は、そのものが多孔質であって通気性
を有することから、同様に孔部を設ける必要はなく、逆
に、セパレータ４は、正極板２と負極板３との短絡を防
止する役割を果たすために、孔部を形成しないことが好
ましい。

【００２９】次に、積層型内部電極体１１を用いた実
施の形態について説明する。正極板８や負極板９の構成
条件並びに使用されるセパレータ１０等の材料は、上述
した捲回型内部電極体１の場合と同様である。

【００３０】そして積層型内部電極体１１の形状は、
前述したように、正極板８等の形状に依存して種々に設
計することが可能である。また、積層型内部電極体１１
がその形状を維持できる条件において、電池ケース内で
どのような向きに収容されても構わない。つまり、正極
板８等を積層する方向を鉛直方向として収容してもよい
し、水平方向としてもよい。電池の外形としては、図７
に示すように、一面に電極端子６１を形成した箱形電池
６０を挙げることができる。

【００３１】この電池６０において、電極端子６１が
配設されている上面に垂直な側面に、肉厚が薄くなって
いる溝６２を形成することにより、溝６２を放圧弁とし
て機能させることが可能となる。ここで、電池６０にお
いては、積層型内部電極体１１の載置の向きにかかわら
ず、少なくとも２側面が積層型内部電極体１１の積層方
向に垂直な面と一致する。従って、電池内圧の上昇は確
実に電池ケースの側面にかかるため、溝６２は放圧弁と
して安定に作動する。なお、電池６０において、電極端
子６１が配設された面にも放圧弁を設けてもよいことは
いうまでもない。

【００３２】以上、本発明のリチウム二次電池の実施
形態について説明してきたが、上述した構造は、電池容
量が２Ａｈ以上のものに好適に採用される。これは、こ
れよりも小さい容量の電池では、従来のように電池端面
に設けられた放圧弁のみで十分に安全性が確保されるた
めである。但し、このような小容量の電池に本発明を適
用することを妨げる理由はない。また、本発明のリチウ
ム二次電池は、その優れた安全性を活かして、電気自動
車またはハイブリッド電気自動車のモータ駆動用電源と
して好適に用いられる。

【００３３】

【発明の効果】上述の通り、本発明のリチウム二次電
池によれば、電池側面に放圧弁を設けることによって安
全性の確保が図られ、しかも、電池端面にも従来通りに
放圧弁を配設することにより、従来よりもより高い安全
性の確保を図ることが可能となる。また、側面の放圧弁
の形成は、溝形成という簡単な方法によって行うことが
可能であり、この側面の放圧弁の形成により、従来から
電池端面に設けられていた放圧弁を小型化して、電池端
面に形成する電極端子等の形状の設計自由度を高めるこ
とができる利点を有する。これにより、より生産性のよ
い電池構造の設計が可能となるとともに、信頼性の向上
が図られるという顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】捲回型内部電極体の一般的構造を示す斜視図
である。

【図２】積層型内部電極体の一般的構造を示す斜視図
である。

【図３】捲回型内部電極体を用いた電池における端部
構造の一実施形態を示す断面図である。

【図４】捲回型内部電極体を用いた本発明に好適に採
用される電池構造の一実施形態を示す断面図である。

【図５】本発明のリチウム二次電池の側面に好適に形
成される放圧弁の一実施形態を示す斜視図である。

【図６】本発明のリチウム二次電池の端面に好適に形
成される放圧弁の一実施形態を示す平面図である。

【図７】積層型内部電極体を用いた本発明の電池構造
の一実施形態を示す斜視図である。

【符号の説明】

１…捲回型内部電極体、２…正極板、３…負極板、４…
セパレータ、５…タブ、６…巻芯、７…タブ、８…正極
板、９…負極板、１０…セパレータ、１１…積層型内部
電極体、１３…キャップ、１８…電極端子、１９…放圧
弁、２０…電池、３２…電解液注入口、３５…内部電極
体、５０…電池、６０…箱形電池、６１…電極端子、６
２…溝、７１Ａ…正極蓋、７１Ｂ…負極蓋、７２…電池
ケース、７３Ａ…正極外部端子、７３Ｂ…負極外部端
子、７４Ａ…正極内部端子、７４Ｂ…負極内部端子、７
５…溝、７７…電解液注入口、７９…絶縁性フィルム、
８１…突起部、８２…シール材、８５…孔部、８６…金
属箔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田俊広愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内Ｆターム(参考） 5H012 AA01 AA07 BB01 DD05 DD17 EE04 FF01 5H029 AJ12 AJ14 AK03 AL06 AL07 AL08 AM02 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ02 BJ06 BJ14 BJ27 CJ01 DJ02 DJ05 DJ07 DJ12 DJ14 EJ01 HJ19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極板と負極板とをセパレータを介して
捲回又は積層してなる内部電極体を電池ケースに収容
し、非水電解液を用いたリチウム二次電池であって、当該電池ケースにおいて電極端子が配設された面を端面
としたときの当該端面に垂直な当該電池ケースの側面に
放圧弁が設けられていることを特徴とするリチウム二次
電池。
【請求項２】当該放圧弁が、当該電池ケースの一部を
肉薄とした溝状放圧弁であることを特徴とする請求項１
記載のリチウム二次電池。
【請求項３】当該電池ケースの一端面又は両端面にお
いても、放圧弁が設けられていることを特徴とする請求
項１又は２記載のリチウム二次電池。
【請求項４】当該正極板及び当該負極板における集電
体に孔部が設けられていることを特徴とする請求項１〜
３のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
【請求項５】当該電池ケースの対向する各端面に正負
いずれか一方の電極端子が配設され、当該電極端子の一
方が雌ネジ形状を有し、他方が当該雌ネジ形状に相補す
る雄ネジ形状を有していることを特徴とする請求項１〜
４のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
【請求項６】電池容量が２Ａｈ以上であることを特徴
とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のリチウム二
次電池。
【請求項７】電気自動車またはハイブリッド電気自動
車に用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれ
か一項に記載のリチウム二次電池。