JP2002246012A

JP2002246012A - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: JP2002246012A
Application number: JP2001045253A
Authority: JP
Inventors: Jo Sasaki; 丈佐々木
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-08-30

Abstract

(57)【要約】【課題】過充電時の安全性を確保できる非水電解質二
次電池を提供することにある。【解決手段】正極用電極板１０と負極用電極板２０上
には正極抵抗層１４と負極抵抗層２４とが設けられ、こ
れらの抵抗層１４、２４の間には、絶縁フィルム３１が
配されている。この絶縁フィルム３１は、リチウムイオ
ン二次電池１が通常に使用されており、電池１内が通常
の使用温度である場合には、両抵抗層１４、２４間を絶
縁している。しかし、過充電により電池１内の温度が通
常の使用温度を超えて上昇すると、絶縁フィルム３１が
正極抵抗層１４と負極抵抗層２４との接触面１５、２５
よりも小さく収縮する。すると、両抵抗層１４、２４の
接触面１５，２５が接触して、正極用電極板１０と負極
用電極板２０とが僅かに短絡され、放電が行われる。こ
のため、電池１内の過充電状態が解消され、両電極板１
０、２０が安定な状態に戻る。これにより、安全性を確
保することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電
池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば正極と負極との間で一方が
放出したリチウムイオンを他方に吸蔵させるという可逆
反応によって充放電を行う非水電解質二次電池（以下、
単に「電池」ということがある。）には、過充電防止機
構として、例えば電流のシャットダウン機能を有するシ
ャットダウンセパレータを備えたものがある。これは、
セパレータとして例えばポリエチレン製の微多孔膜を用
いたものであり、過充電によって電池内の温度が上昇す
ると、このセパレータが融解することによってリチウム
イオンの通り道となっている細孔を閉鎖し、過充電を停
止させることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、シャットダウ
ンセパレータによって過充電を停止させるまでに、電池
内に過剰な電力が蓄えられ、正極および負極が不安定化
している場合がある。このような場合には、不安定化し
た正極および負極が電解液と反応してさらに発熱し、電
池の破裂等を引き起こす可能性がある。また、電池内で
の温度上昇が不均一であると、温度上昇の緩やかな部位
においてはセパレータが充分に溶解せず、完全に過充電
を停止させることができないおそれがある。

【０００４】このような問題を回避するためには、融点
の低いセパレータを使用し、早期に過充電を停止させる
ことが考えられる。しかし、セパレータの融点が低すぎ
れば、例えば車の中等の高温環境で放置された場合に、
容易に溶解して電池が使用不能となる可能性が生じるた
め、問題がある。

【０００５】本発明は上記した事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、過充電時の安全性を確保できる
非水電解質二次電池を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、過充電時の
安全性を確保できる非水電解質二次電池を提供すべく鋭
意研究してきたところ、電池内部の温度が上昇した際
に、正極と負極とを抵抗体を介して微小短絡させ、放電
を行わせることにより、正極および負極が安定化される
ことを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、
本発明は、隔離体を介して積層された正極と負極とを備
えた非水電解質二次電池であって、前記正極と前記負極
との間に配された抵抗体と、前記正極と前記負極とが前
記抵抗体を介して導通状態となるのを防ぐための絶縁体
とを備え、前記非水電解質二次電池の内部温度が所定温
度に上昇したとき、前記絶縁体の絶縁機能が破壊され、
前記正極と前記負極とが前記抵抗体を介して導通状態と
なるよう構成されたことを特徴とする。

【０００７】このような非水電解質二次電池としては、
例えば、正極および負極間に設けられて、両極間に介在
して両極間を短絡させることにより両極間の放電を行わ
せる抵抗体と、電池内が通常使用の温度にあるときには
抵抗体を覆うように位置して両極間を非短絡状態とし、
電池内の温度が所定の温度を超えて上昇したときには収
縮することにより両極間を短絡状態とする熱収縮性の絶
縁体とを備えたものが考えられる。抵抗体は、正極上あ
るいは負極上に直接形成されてもよく、離れた位置に設
けられて、正極および負極と電気的に接続されるように
してもよい。

【０００８】ここで、抵抗体としては、例えば金属とセ
ラミックスとの混合体等が使用できる。より詳細には、
金属としては例えば鉄、白金、ステンレス等、セラミッ
クスとしてはアルミナ、酸化マグネシウム等が使用でき
る。また、必要に応じて結着剤、導電剤等（例えば、ア
ルミナ、酸化マグネシウム等とグラファイト、カーボン
ブラック等との混合体）が含まれていてもよい。

【０００９】さらに、放電を緩やかに行わせるために、
抵抗体が適度な抵抗値を保持するように調整することが
好ましい。ここで、適度な抵抗値は、電池の種類、大き
さ等により大きく異なり、一概に限定されるものではな
い。しかし、正極と負極とが抵抗体を介して導通状態
（短絡状態）とされたときの短絡電流は０．０１〜１Ｃ
Ａ、発熱率は１０Ｗ以下であることが望ましく、特に、
短絡電流が０．１ＣＡ、発熱率１〜１０Ｗとなることが
好ましい。従って、これらの値より、電池の種類に応じ
て具体的な抵抗値を設定すればよい。具体的には、例え
ば定格容量１１０Ａｈ、公称電圧３．６Ｖの大型電池の
場合、抵抗値は８．３ｍΩ〜８３ｍΩ、また定格容量４
００ｍＡｈ、公称電圧３．６Ｖの小型電池の場合、抵抗
値は６２５Ω〜６．２５ｋΩが好ましい。

【００１０】また、本発明の機能を備えた絶縁体として
は、例えば電池内の温度が通常の使用温度（例えば、−
２０℃〜６０℃）であるときには抵抗体を覆うことによ
り両極間を絶縁し、所定温度に上昇したときには収縮し
て両極間を短絡させるものが考えられる。この所定温度
は、電池の構成や使用環境等により異なり、一概に限定
されないが、１００℃以上であることが好ましい。ま
た、早期に過充電を停止させるために、絶縁体は、電池
内の温度が１２０℃に達するまでに収縮することが好ま
しい。但し、電解液等の耐熱温度の向上などにより、必
ずしも１２０℃までに限定されるものではない。絶縁体
の材質は、このような機能を備えたものであれば特に限
定されないが、耐電解液性であることが好ましく、例え
ばフッ素樹脂、ポリオレフィン微多孔膜等が使用でき
る。特に、ポリオレフィン微多孔膜が好ましい。

【００１１】また、前記正極と前記負極とが巻回式のも
のである場合には、巻回始端部は巻回後に中心部に位置
するため、最も放熱性に乏しく温度上昇しやすい。この
ような場合には、抵抗体と絶縁体とを、正極および負極
の巻回始端部に配し、温度上昇の初期の段階で両極間を
短絡させて放電を行わせることが好ましい。

【００１２】

【発明の作用、および発明の効果】本発明によれば、電
池内部の温度が上昇した際に、絶縁体の絶縁機能が破壊
されることにより正極と負極とが抵抗体を介して僅かに
短絡され、放電が行われる。これにより、正極および負
極が安定化され、安全性を確保することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の非水分解質二次電
池を具現化した一実施形態について、図１〜図３を参照
しつつ詳細に説明する。

【００１４】図１には、完成形態の本実施形態のリチウ
ムイオン二次電池１（本発明の非水電解質二次電池に該
当する。以下、単に「電池１」ということがある。）を
破断して示す。このリチウムイオン二次電池１には、例
えば金属により円筒状に形成された電池缶４１と、その
内部に収容される電極体４０とが備えられている。

【００１５】電池缶４１は、有低の円筒容器状に形成さ
れた金属製の負極ケース４２と、略円盤状に形成されて
この負極ケース４２の開放口を封止する金属製の正極キ
ャップ４３とで構成されている。負極ケース４２内に
は、電極体４０が、その上下に円盤状の絶縁板４４を配
した状態で収容されている。そして、この負極ケース４
２の開放口には、正極キャップ４３が封口ガスケット４
５を介してかしめつけられている。また、電池缶４１の
内部には、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ），ジエ
チルカーボネート（ＤＥＣ）及びジメチルカーボネート
（ＤＭＣ）を２：１：２の割合に混合した混合液に１ｍ
ｏｌ／ｌの六フッ化リン酸リチウムを添加した非水電解
液が注入されている。

【００１６】電極体４０は、帯状の正極用電極板１０
（本発明の正極に該当する）と負極用電極板２０（本発
明の負極に該当する）とを、セパレータ３０（本発明の
隔離体に該当する）および絶縁フィルム３１（本発明の
熱収縮性絶縁層に該当する）を介して重ね合わせ、巻回
することで、渦巻き状に構成されている。

【００１７】正極用電極板１０は、図２に示すように、
例えば厚さ２０μｍの帯状のアルミニウム箔からなる正
極集電体１２上に、正極活物質層１３および正極抵抗層
１４（本発明の抵抗体に該当する）が形成されたもので
ある。

【００１８】正極抵抗層１４は、正極集電体１２の負極
用電極板２０と対向する側の面上において、巻き始め側
の端部からやや内側にかけての巻回始端部１０Ａに、巻
回方向と垂直に細長い帯状に形成されている。この正極
抵抗層１４は、例えば鉄、白金、ステンレス等の金属粉
末と、アルミナ、酸化マグネシウム等のセラミックス粉
末との混合物に、結着剤としてのポリ弗化ビニリデン、
導電材としてのアセチレンブラックを添加してペースト
状となるように調製した合剤を、正極集電体１２の所定
位置に塗布、乾燥し、ロールプレス機により圧延するこ
とにより形成される。そして、正極抵抗層１４の表面
は、後述する負極抵抗層２４と接触可能な接触面１５と
されている。

【００１９】正極活物質層１３は、正極集電体１２の負
極用電極板２０と対向する側の面上において正極抵抗層
１４が形成されていない部分の全面、および、反対側の
面の全面に形成されている。この正極活物質層１３は、
例えば正極活物質としてのコバルト酸リチウムに、結着
剤としてのポリ弗化ビニリデン、導電材としてのアセチ
レンブラックを添加してペースト状となるように調製し
た正極合剤を、正極集電体１２の両面に塗布、乾燥し、
ロールプレス機により圧延することにより形成される。

【００２０】また、正極用電極板１０からは正極リード
１１が導出されており、この正極リード１１は正極キャ
ップ４３に接続されている。

【００２１】一方、負極用電極板２０は、図２に示すよ
うに、例えば厚さ１２μｍの銅箔からなる負極集電体２
２の両面に、負極活物質層２３および負極抵抗層２４
（本発明の抵抗体に該当する）が形成されたものであ
る。

【００２２】負極抵抗層２４は、例えば厚さ１２μｍの
銅箔からなる負極集電体２２の正極用電極板１０と対向
する側の面上に、正極抵抗層１４と同様に形成されてい
る。そして、負極抵抗層２４の表面は、正極抵抗層１４
と接触可能な接触面２５とされている。

【００２３】負極活物質層２３は、負極集電体２２の正
極用電極板１０と対向する側の面上において負極抵抗層
２４が形成されていない部分の全面、および、反対側の
面の全面に形成されている。この負極用電極板２０は、
グラファイト粉末を、結着剤としてのポリ弗化ビニリデ
ンとともに混練してペースト状とした負極合剤を、負極
集電体２２の両面に塗布、乾燥し、ロールプレス機によ
り圧延することにより形成される。

【００２４】また、負極用電極板２０からは負極リード
２１が導出されており、この負極リード２１は負極ケー
ス４２の底部に接続されている。

【００２５】両電極板１０、２０間には、正極活物質層
１３と負極活物質層２３との間を仕切るセパレータ３
０、および、正極抵抗層１４と負極抵抗層２４の間を仕
切る絶縁フィルム３１が挟み込まれている。セパレータ
３０としては、例えばポリエチレン不織布を使用するこ
とができる。また、絶縁フィルム３１としては、例えば
１００℃を超えると収縮する性質を備えたポリオレフィ
ン微多孔膜が使用できる。

【００２６】次に、上記のように構成されたリチウムイ
オン二次電池の作用および効果について説明する。

【００２７】リチウムイオン二次電池１が通常に使用さ
れており、電池１内が通常の使用温度である場合には、
図３Ａに示すように、絶縁フィルム３１が両抵抗層１
４、２４間に介在して、両抵抗層１４、２４間を絶縁し
ている。しかし、過充電により電池１内の温度が例えば
１００℃を超えて上昇すると、図３Ｂに示すように、絶
縁フィルム３１が正極抵抗層１４と負極抵抗層２４との
接触面１５、２５よりも小さく収縮する。すると、両抵
抗層１４、２４の接触面１５、２５が接触することによ
り、正極用電極板１０と負極用電極板２０とが両抵抗層
１４、１５を介して僅かに短絡され、放電が行われる。
このため、電池１内の過充電状態が解消され、両電極板
１０、２０が安定な状態に戻る。これにより、安全性を
確保することができる。

【００２８】また、両抵抗層１４、２４、および絶縁フ
ィルム３１は、両電極板１０、２０の巻回始端部１０
Ａ、２０Ａに配されている。この巻回始端部１０Ａ、２
０Ａは巻回後に電極体４０の中心部に位置するため、最
も放熱性に乏しく温度上昇しやすい。この中心部に両抵
抗層１４、２４と絶縁フィルム３１とを配することによ
り、過充電が起こった際には、温度上昇の初期の段階で
両電極板１０、２０を短絡させて放電を行わせることが
できる。これにより、安全性を確保することができる。

【００２９】なお、本発明の技術的範囲は、上記した実
施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に
記載するようなものも本発明の技術的範囲に含まれる。
その他、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶ
ものである。

【００３０】（１）本実施形態のリチウムイオン二次電
池１は円筒型であるが、本発明によれば電池の形状は本
実施形態に限るものではなく、例えばボタン型、角型で
あってもよい。

【００３１】（２）本実施形態においては、正極抵抗層
１４、負極抵抗層２４および絶縁フィルム３１は、正極
用電極板１０および負極用電極板２０の巻回始端部１０
Ａ、２０Ａに配されているが、本発明によれば抵抗層は
必ずしも巻回始端部に配されていなくてもよく、例えば
中間位置や巻き終わり位置等に配されていてもよい。

【００３２】（３）本実施形態においては、正極用電極
板１０、負極用電極板２０の双方に正極抵抗層１４、負
極抵抗層２４が形成されているが、本発明によれば抵抗
体は必ずしも両極上に形成されていなくてもよく、例え
ば正極上もしくは負極上の一方に形成されていてもよ
い。

【００３３】（４）本実施形態においては、両抵抗層１
４、２４は両電極板１０、２０上に設けられているが、
本発明によれば、抵抗体は必ずしも正極上または負極上
に備えられている必要はなく、離れた位置に設けられ
て、正極および負極とリード等で接続されるようにして
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態のリチウムイオン二次電池の分解斜
視図

【図２】正極用電極板および負極用電極板の断面図

【図３】（Ａ）通常の使用温度における電極体の巻回始
端部の拡大図（Ｂ）電池内の温度が上昇した場合における電極体の巻
回始端部の拡大図

【符号の説明】

１…リチウムイオン二次電池（非水電解質二次電池）１０…正極用電極板（正極）２０…負極用電極板（負極）１０Ａ、２０Ａ…巻回始端部１４…正極抵抗層（抵抗体）２４…負極抵抗層（抵抗体）３０…セパレータ（隔離体）３２…絶縁フィルム（絶縁体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】隔離体を介して積層された正極と負極と
を備えた非水電解質二次電池であって、前記正極と前記負極との間に配された抵抗体と、前記正
極と前記負極とが前記抵抗体を介して導通状態となるの
を防ぐための絶縁体とを備え、前記非水電解質二次電池の内部温度が所定温度に上昇し
たとき、前記絶縁体の絶縁機能が破壊され、前記正極と
前記負極とが前記抵抗体を介して導通状態となるよう構
成されたことを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項２】前記所定温度が１００℃以上であること
を特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池。
【請求項３】前記絶縁体がポリオレフィン系微多孔膜
であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
の非水電解質二次電池。
【請求項４】前記抵抗体が金属とセラミックスとの混
合体であることを特徴とする請求項１から請求項３のい
ずれか１項に記載の非水電解質二次電池。
【請求項５】前記隔離体を介して積層された前記正極
と前記負極とは巻回式のものであり、前記抵抗体と前記
絶縁体とは前記正極または前記負極の巻回始端部に配さ
れたものであることを特徴とする、請求項１から請求項
４のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。