JP2001357895A - 非水電解質二次電池 - Google Patents
非水電解質二次電池Info
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Abstract
せず、かつ放電性能も維持できる信頼性の高い非水電解
質二次電池を提供する。 【解決手段】 熱応動で外部電源からの充電回路を切断
すると同時に放電回路に切り替え接続する復帰型の形状
記憶合金からなるスイッチを電池に具備させる。スイッ
チは感温素子1と絶縁体2、第1の導電板3a、第2の
導電板3b、低抗体Rとから成る。感温素子1は初期に
おいて、導電板3aと電気的に接続しているが、電池温
度が上昇し、例えば60℃を越えると、感温素子1の形
状記憶合金が変形し、導電板3aから離れ、導通が切断
される。
Description
に関し、特に過充電や高温下での放置等の異常発生時に
も電池が高い信頼性を有するための電池の保護装置に関
する。
リチウムイオンポリマー電池等の非水電解質二次電池に
は、特に過充電や高温放置のような異常時にも、漏液や
電池の特性劣化等を起こさないという信頼性の高さが求
められる。
提案されている。例えば、特開平8−185849号公
報では、電池の温度上昇を感知し、形状記憶部材を用い
て外部との回路を切断するようにしたものが提案されて
いる。また、特開平11−40204号公報では、電池
の内圧上昇または温度上昇を感知し、電池を充電回路か
ら切り離すものや、また充電電圧以上で作動するバリス
タ素子を用い、過充電保護を行うものが提案されてい
る。また特開平10−255757号公報では、電池の
温度上昇を感知し、形状記憶合金を用いて電池の正極側
と負極側を短絡させ電池を放電させる保護装置が提案さ
れている。
開平8−185849号及び特開平11−40204号
公報の例では、電池を充電中に過充電状態に陥り漏液を
起こす等の危険は回避できるが、外部との回路を切断し
た後、又はバリスタ素子が作動した後の電池は過充電状
態であり、この電池が加熱された場合には依然として漏
液や特性劣化等が起こり得る。
例では、保護装置が作動した後も外部との回路は接続さ
れたままであるため、特に大電流が流れた場合は、接続
抵抗等の条件によっては充電器より電池にも電流が流
れ、電池が充電され続ける危険性がある。
ものであり、高い信頼性を有する非水電解質二次電池を
提供することを目的とする。
め、本発明の非水電解質二次電池は、正極、負極と有機
電解液からなる発電要素を電池ケース内に収容し、熱応
動で外部電源からの充電回路を切断すると同時に放電回
路に切り替え接続する復帰型のスイッチを備えたことを
特徴とするものである。
の極の内部端子とこれと同極の外部端子がスイッチを通
して導通状態であり、温度上昇時には、前記内部端子と
外部端子の導通が切断されると同時に、異極内部端子間
がスイッチを通して導通される。このため、通常時には
外部電源からの充電が可能で、温度上昇時にはその充電
回路が切断されると同時に放電回路が接続され、電池が
放電される。これにより電池が過充電状態に曝されて
も、電池温度上昇に感応して充電を停止させかつ電池を
放電させることにより、漏液や特性劣化を起こすことが
なく、高い信頼性を確保できる。また、スイッチが繰り
返し切り替え可能な復帰型のものであることから、例え
ば充電器を正常なものに取りかえることにより、電池の
再使用も可能となる。
リマー電池及びリチウムイオン二次電池として具現化し
た実施形態を例に添付図面を参照しながら説明する。
リチウムイオンポリマー電池の上面図及び断面図であ
る。同図は、後述する電池の保護装置であるスイッチを
電池に取り付ける前の状態を示している。
電体15aとして、この両面に正極活物質であるLiC
oO2と導電剤としてのアセチレンブラック及び結着剤
兼電解液保持剤としてのポリマー、例えばフッ化ビニリ
デン(VDF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)
との共重合体(VDF−HFP)を有機溶媒に混練分散
させたペーストを塗着乾燥し、正極活物質層15bとし
たものである。
aの両面に負極活物質であるカーボンと前記VDF−H
FP共重合体を有機溶媒に混練分散させたペーストを塗
着乾燥し、負極活物質層16bとしたものである。
成るセパレータ17を1枚の負極両面にそれぞれ1枚ず
つ配し、さらにその外側両面に1枚ずつ前記正極を配
し、全体が図2に示すように積層一体化した発電要素1
8が構成される。15cは正極の集電体に設けたリード
取り付け部であり、ここにアルミニウム製正極リード1
9が溶接されている。16cは負極の集電体に設けたリ
ード取り付け部であり、ここに銅製負極リード20が溶
接されている。
アルミラミネート袋21内に収容される。アルミラミネ
ート袋21は例えば、アルミニウム箔層の、内側にポリ
プロピレンフィルム、外側にポリエチレンテレフタレー
トフィルムとナイロンフィルムをそれぞれ積層一体化し
て得られるアルミラミネートフィルムから形成される。
発電要素18からそれぞれ正極リード19及び負極リー
ド20が外部へ引き出され、その先端が出入力端子2
2、23を構成する。24、25はリード19、20の
中間部分に設けられた絶縁保護フィルムであり、袋21
の開口部を熱融着などで封口する際にリード19、20
の電気的絶縁と袋の気密性を確保するものである。
ルミラミネートフィルムを帯状に切断し、その長さ方向
の中央線Tで2つ折りし、上下の2辺P1とP2を熱融
着し形成される。開口している残り1辺のP3部分から
発電要素18を挿入し、所定量の電解液の注入後に、前
記P3部分も同様に熱融着で閉じる。電解液には、エチ
レンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(D
EC)、メチルプロピオン酸塩(MP)を30:50:
20の体積比混合した溶媒に、1.5mol/lのLi
PF6を溶解したものを用いた。
うに、電池の温度を感知できるようにアルミラミネート
袋上の例えばリード側一端に貼り付けた状態で取り付け
られる。図示するように、入出力端子22、23を用い
て、電池の正負極それぞれの内部端子である正極リード
19及び負極リード20が、スイッチA1内部を経由し
てそれぞれ外部端子122、123として外部に延出さ
れている。スイッチA1は図3に示すように、形状記憶
合金からなる感温素子1と、この一部である非可動部を
両側から挟持する絶縁体2と、この両外側に配された第
1の導電板3aと第2の導電板3bと、第2の導電板b
側に配された抵抗体Rとから成る。電池の正極側内部端
子(正極リード)に接続されている入出力端子22はス
イッチA1内部で前記感温素子1に接続され、感温素子
1はその初期状態において図示するように第1の導電板
3aに接触しこれと電気的に接続している。一方電池の
負極側内部端子(負極リード)に接続されている入出力
端子23はスイッチA1内部で前記第2の導電板3bに
接続されている。さらに、第1及び第2の導電板3a、
3bはそれぞれ、電池の正極・負極外部端子122、1
23に接続されている。
された電池27の簡略回路図であり、充電中の電池で
は、図4(a)に示すように一方の極の内部端子とこれ
と同極の外部端子がスイッチを通して導通状態である充
電回路が形成され、外部電源26からの電流が電池27
に供給される。このような電池の充電中に、充電器の故
障その他の要因によって充電が連続して行われた結果、
過充電や大電流充電が引き起こされ電池温度が上昇し例
えば60℃を超えると、感温素子1を構成する形状記憶
合金が変形し、第1の導電板から離間し第2の導電板に
接触しこれと電気的に接続される。このように電池温度
が60℃を超えてスイッチA1が作動した後は、図4
(b)に示すように内部端子と外部端子の導通が切断さ
れると同時に、異極内部端子間がスイッチを通して導通
され外部電源26からの電流供給を遮断すると同時に電
池27が放電される。Rは放電時に大電流が流れないよ
うするための抵抗体(10Ω)であり、急激な放電によ
る発熱を防ぐものである。Rの抵抗値は一定値に限定さ
れるものではなく、電池のサイズ、性能等により随時設
定すればよい。
示される放電回路が形成されることにより電池は放電
し、電池温度は常温に戻る。これに伴い、感温素子1は
元の形状に復帰し、第2の導電板3bから離間して第1
の導電板3aに接触してこれと電気的に接続される。す
なわち、スイッチA1の復帰後は再び図4(a)に示さ
れる充電回路が形成される。
に陥っても、電池温度の上昇に感応して作動するスイッ
チA1によって充電回路を遮断し、かつ電池の両極間に
短絡を起こさせて放電させることにより、電池のさらな
る充電及びそれに伴う温度上昇を阻止し、漏液や特性劣
化等を防ぐことができる。また、スイッチは繰り返し切
り替えが可能な復帰型であるため、例えば充電器を正常
なものに取りかえることにより、電池の再使用も可能と
なる。
ミネート袋のリード引出し側に限定されるものではな
く、外部電源と電池をつなぐ回路上で放電回路に接続可
能、かつ電池温度を感知できる位置であればいずれの場
所であってもかまわない。本実施形態においては、感温
素子1として使用する形状記憶合金が、温度が25℃付
近に下がると元の形状に変形復帰するが、この形状記憶
合金、すなわちスイッチの作動及び復帰温度は、電池温
度60℃や25℃に限定されるものではなく、電池のサ
イズや性能、使用温度範囲等により随時設定されるもの
である。
ムイオン二次電池について図5〜7を参照して説明す
る。図5は本実施形態によるリチウムイオン二次電池の
縦断面図、図6は正極の断面図、図7は負極の断面図で
ある。
aとして、この両面に正極活物質であるLiCoO2と
導電剤としてのアセチレンブラック及び結着剤としての
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)をカルボキシ
メチルセルロース水溶液に混練分散させたペーストを塗
着乾燥し、正極活物質層28bとしたものである。
aの両面に負極活物質であるメソフェーズ小球体粉末を
2800℃の高温下で黒鉛化したメソフェーズ小球体粒
子とスチレン/ブタジエンゴムをカルボキシメチルセル
ロース水溶液に混練分散させたペーストを塗着乾燥し、
負極活物質層29bとしたものである。
ルム30を介してこれらを渦巻状に巻回して極板群を構
成し、これをアルミニウム製電池ケース10に収納す
る。電池ケース10の開口端は封口部材37にて密閉さ
れ、この封口部材37内部に本発明によるスイッチB1
が一体に組み込まれている。上記正極28からはアルミ
ニウム製正極リード31が引き出されて電池ケース10
に、負極29からは銅製負極リード32が引き出されて
スイッチB1内の、後述する内部端子蓋6に接続されて
いる。すなわち、電池ケース10が正極の外部端子を兼
ね、封口部材37が負極の外部端子を兼ねている。
0:50:20の体積比混合した溶媒に、1.5mol
/lのLiPF6を溶解したものを用い、所定量封入す
る。
に示すように、金属製の外部端子蓋4、金属製の内部端
子蓋6、絶縁体のガスケット7、金属製のリング(円環
状部材)5、絶縁板8と、形状記憶合金からなる感温素
子9とを有している。感温素子9は内部端子蓋6と絶縁
板8との間に配され、内部端子蓋6と外部端子蓋4とを
電気的に接続している。すなわち感温素子9は、その初
期状態において外部端子蓋4と接触しこれと電気的に接
続するとともに、その一部が内部端子蓋6に接触しこれ
と電気的に接続している。内部端子蓋6は、感温素子9
がこれと接触している面上に、感温素子9と電気的に接
続しない一部を有し、この一部が絶縁物11により覆わ
れている。上記外部端子蓋4と内部端子蓋6の構成は上
下が入れ替わっても構わない。
感温素子9と内部端子蓋6の外周部に配され、リング5
はさらにその外周部に配されている。リング5はその内
周側に突起部12を有し、リング5自体は電池ケース1
0と電気的に接続されている。リング5上に設けられた
突起部12は、ガスケット7の一部に設けられた穴部1
3を通してガスケット7の内周部の絶縁物11上に配さ
れている。
により電池温度が60℃を超えたとき、スイッチB1内
の形状記憶合金からなる感温素子9が変形し、外部端子
蓋4から離れて内部端子蓋6に接触し、電池と外部電源
を接続する充電回路を遮断しかつ放電回路を形成する。
また、スイッチB1作動後に一定時間経過し電池温度が
25℃前後に戻ったとき、感温素子9が元の形状に復帰
変形し、内部端子蓋6から離れて外部端子蓋4に接触
し、再び充電回路を形成する。
回路、放電回路の簡略図である。図8(a)はスイッチ
B1の作動前または復帰後の回路接続状態であり、負極
側内部端子と負極側外部端子がスイッチを通して導通状
態のため外部電源33からの電流が電池34に供給され
る。図8(b)はスイッチB1作動後の回路接続状態で
あり、前記内部端子と外部端子間の導通がスイッチB1
により切断されると同時に、異極内部端子間が導通され
るので、外部電源33からの電流供給を遮断すると同時
に電池34が放電される。図8中のRは放電時に大電流
が流れないようするための抵抗体(10Ω)であり、急
激な放電による発熱を防ぐものである。Rの抵抗値は一
定値に限定されるものではなく、電池のサイズ、性能等
により随時設定される。また、スイッチB1を設置する
位置は、電池ケース上部に限定されるものではなく、外
部電源と電池をつなぐ回路上で電池温度を感知できる位
置であればいずれの場所であってもかまわない。本実施
形態で使用している形状記憶合金はその温度が25℃付
近に下がると元の形状に変形復帰する復帰型であるが、
この形状記憶合金、すなわちスイッチの作動及び復帰温
度は、電池温度60℃や25℃に限定されるものではな
く、電池のサイズや性能、使用温度範囲等により随時設
定すればよい。
び図5に示すリチウムイオン二次電池を作成し、それぞ
れ実施例1、実施例2の電池とした。同様に、スイッチ
A1を設けない他は同構成のリチウムイオンポリマー電
池と、スイッチB1を設けない他は同構成のリチウムイ
オン二次電池を作成し、それぞれ従来例1、従来例2の
電池とした。
来例2の各電池を10セルづつ作成し、それぞれ3Cの
定電流連続充電試験を行った。さらにこの連続充電後の
電池を150℃雰囲気で1時間放置した。表1にこれら
の結果を示す。尚、表中の数字は電池の漏液に至らなか
った確率(%)である。
電時は言うまでもなく連続充電後においてもその信頼性
が改良されている。
1、従来例2の各電池を10セルづつ作成し以下の電池
性能比較評価を行った。まず、それぞれ充電を4.2V
最大電流0.7C3時間定電流定電圧、放電を1C定電
流で終止電圧3.0Vまで行い、初期電池放電容量を測
定した。続いて4.2V最大電流0.7Cの定電流定電
圧充電を3時間行った後、85℃雰囲気に3日間放置し
た。最後に放置後の電池を1C定電流で3.0Vまで放
電後、再度4.2V最大電流0.7C3時間の定電流定
電圧充電、1C定電流で3.0Vまでの放電を行い、8
5℃放置後電池放電容量を測定した。これらの結果より
電池の放電容量維持率(%、85℃放置後の放電容量/
85℃放置前の放電容量)を算出し、表2に示す。
温保存特性を示した。また、60℃までの充放電特性や
サイクル特性や、その他の通常使用範囲条件の電池特性
においては、実施例1、実施例2、従来例1、従来例2
の間で差は見られなかった。
いたスイッチを例示したが、温度を感知して作動するも
ので、かつ復帰型のものであれば、特にこれに限定され
るものではない。
上昇に感応して充電回路を遮断し同時に電池を放電させ
るスイッチ素子を保護装置として電池に設けることによ
り、電池が過充電状態で高温下に放置されても漏液や特
性劣化を起こさない高い信頼性を有した電池を提供する
ことができる。またスイッチ素子が電池温度の下降に感
応して初期状態に復帰する復帰型であることから、一旦
過充電状態に陥った電池の再使用も可能となる。
の電池の上面図である。
ある。
路概略図であり、(b)はスイッチ作動後の回路概略図
である。
ある。
または復帰後の回路概略図であり、(b)はスイッチ作
動後の回路概略図である。
の断面図である。
を取り付けた状態を示す斜視図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 正極、負極と有機電解液からなる発電要
素を電池ケース内に収容した非水電解質二次電池におい
て、熱応動で外部電源からの充電回路を切断すると同時
に放電回路に切り替え接続する復帰型のスイッチを有す
ることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項2】 前記スイッチは形状記憶合金からなるこ
とを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項3】 正極、負極と有機電解液からなる発電要
素を電池ケース内に収容した非水電解質二次電池におい
て、感温素子の一部を絶縁体ではさみ、その両外側に第
1の導電板と第2の導電板を配し、前記感温素子が所定
温度に達し作動、復帰することにより、前記感温素子と
前記第1の導電板、および前記感温素子と前記第2の導
電板、の間で電気的接続を繰り返し切り替えることが可
能なスイッチを有することを特徴とする非水電解質二次
電池。 - 【請求項4】 前記スイッチは形状記憶合金からなるこ
とを特徴とする請求項3記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項5】 正極、負極と有機電解液からなる発電要
素と、前記発電要素を収納する電池ケースと、金属製の
外部端子蓋、金属製の内部端子蓋、絶縁体のガスケッ
ト、金属製のリング、絶縁板、および感温素子とを有
し、かつ前記電池ケース上に電池と一体に設置されスイ
ッチを備えた非水電解質二次電池において、前記外部端
子蓋は前記感温素子の一部と電気的に接続され、前記内
部端子蓋は前記感温素子と接触している面に、感温素子
と電気的に接続していない一部が絶縁物により覆われ、
前記ガスケットは前記外部端子蓋と前記絶縁板と前記感
温素子と前記内部端子蓋の外周部に配され、前記リング
は前記ガスケットのさらに外周部に配され、前記電池ケ
ースと電気的に接続され、かつ、内周側の一部に突起部
をもち、前記リング上に設けられた突起部は前記ガスケ
ットの一部に設けられた穴部を通して前記ガスケットの
内周部の前記絶縁物上に配され、前記感温素子は前記内
部端子蓋と前記絶縁板との間に配され、所定温度に達す
ると前記外部端子蓋から切り離され前記突起部を電気的
に接続し、所定温度より低くなると前記突起部から切り
離され前記外部端子蓋に再び電気的に接続することを特
徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項6】 前記スイッチは形状記憶合金からなるこ
とを特徴とする請求項5記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項7】 正極と負極とを含む発電要素を、一方の
極の外部端子を兼ねる電池ケース内に収容し、前記電池
ケースの開口端を封口部材にて密閉した非水電解質二次
電池において、前記封口部材は、他方の極の外部端子を
兼ねる外部端子蓋と、前記外部端子蓋にスイッチ素子を
介して電気的に接続され前記他方の極と同極の内部端子
に電気的に接続された内部端子蓋と、前記一方の極の外
部端子を兼ねる電池ケースに電気的に接続されかつ前記
外部端子蓋と内部端子蓋の双方と絶縁された円環状部材
とを有し、前記スイッチ素子が電池の温度上昇に感応し
て変形しこれにより外部端子蓋との電気的接続を解消し
かつ前記円環状部材の一部に接触しこれと電気的に接続
することにより電池と外部電源との回路を切断しかつ電
池を放電させ、また、前記スイッチ素子が電池の温度復
帰に感応して復帰変形しこれにより前記円環上部材の一
部との電気的接続を解消しかつ前記外部端子蓋と電気的
に接続した状態に復帰することを特徴とする非水電解質
二次電池。 - 【請求項8】 正極と負極とを含む発電要素を電池ケー
ス内に収容し、正極および負極の電池内部における内部
端子各々が電池外部における各々の外部端子に接続され
て成る非水電解質二次電池において、一方の極の内部端
子と同極の外部端子間に介在させてスイッチ素子を設
け、電池の温度が所定値となった時、前記スイッチ素子
が前記一方の極の外部端子より離間し他方の極の内部端
子に接続することにより、電池と外部電源との接続を遮
断しかつ電池を放電させ、また、電池の温度が初期値に
復帰した時、前記スイッチ素子が前記他方の極の内部端
子より離間し、一方の極の内部端子と外部端子とを接続
する初期状態に復帰することを特徴とする非水電解質二
次電池。
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