JP2002352863A - リチウム二次単電池およびリチウム二次単電池の接続構造体 - Google Patents
リチウム二次単電池およびリチウム二次単電池の接続構造体Info
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Abstract
温度範囲に保持することにより、使用による性能の低下
防止及び長寿命化を図ったリチウム二次単電池を提供す
る。 【解決手段】 正極板と負極板とをセパレータを介し
て、捲回若しくは積層してなる、非水電解液を含浸した
内部電極体と、この内部電極体を内部に収容した電池ケ
ース14と、電池蓋15A、15B、外部端子16A、
16B、および内部端子17A、17Bを有する、前記
内部電極体を封止した電極蓋とを備えたリチウム二次単
電池18である。電流経路を冷却するための手段28を
備える構成とする。
Description
電池(以下、単に「単電池」ともいう)及びリチウム二
次単電池の接続構造体(以下、単に「接続構造体」とも
いう)に関し、更に詳しくは、使用による性能の低下防
止及び長寿命化を図ったリチウム二次単電池及びリチウ
ム二次単電池の接続構造体に関する。
の通信機器やノート型パーソナルコンピュータ等の電子
機器の電源として広く用いられている。また、国際的な
地球環境の保護のための省資源化や省エネルギー化の要
請が高まり、電気自動車やハイブリッド電気自動車(以
下、単に「電気自動車等」ともいう)のモータ駆動用バ
ッテリーとして、リチウム二次単電池の開発が進められ
ている。このリチウム二次単電池は、モータを駆動させ
るために必要な電圧を確保すべく、複数の単電池を直列
に接続した接続構造体として用いられる。このリチウム
二次単電池及びリチウム二次単電池の接続構造体は、電
気自動車等の使用年数が5年から10年程度であること
から、それと同程度の寿命をもつことが望まれている。
圧及び高エネルギー密度を有し、大電流の放電をできる
という利点を有するものの、大きく発熱し、電池温度が
上昇しやすいという不都合を有している。この発熱によ
る電池温度の上昇は、電流が流れる際に生じる内部電極
体の内部抵抗によるものであり、内部電極体は温度が上
昇して高温状態に晒され続けると、その内部抵抗は更に
上昇することになり、結果として、電池容量は減少し、
急激に性能が低下するという不都合があった。
うな不都合があるにもかかわらず、発熱を防止するため
の対策は充分になされていないのが現状であり、使用に
よる性能の低下が不可避であるとともに、寿命が短いと
いう問題があった。また、リチウム二次単電池の接続構
造体は、各リチウム二次単電池が熱を放出しやすいよう
に、単電池の間に空間を設ける必要があるため、接続構
造体の体積効率が悪いという問題があった。
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、リチウム二次単電池及びリチウム二次単電池
の接続構造体の発熱を防止して適切な温度範囲に保持す
ることにより、使用による性能の低下防止及び長寿命化
を図ったリチウム二次単電池及びリチウム二次単電池の
接続構造体を提供することにある。
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、非水電解液を含浸した内部電極体と、こ
の内部電極体を内部に収容した電池ケースと、電池蓋、
外部端子、及び内部端子を有する、前記内部電極体を封
止した電極蓋とを備えたリチウム二次単電池であって、
電流経路を冷却するための手段を備えることを特徴とす
るリチウム二次単電池、が提供される。本発明において
は、電流経路が外部端子を含むことが好ましい。
とをセパレータを介して巻芯の外周壁を囲繞するように
捲回してなる、非水電解液を含浸した内部電極体と、前
記内部電極体を、その内部に同軸に収容した筒状の電池
ケースとを備えたリチウム二次単電池であって、前記リ
チウム二次単電池の中心軸方向の熱伝導率(X)と、径
方向の熱伝導率(Y)との熱伝導率比率(X/Y)が5
0以上であることを特徴とするリチウム二次単電池が提
供される。本発明においては、熱伝導率比率(X/Y)
が100以上であることが好ましい。
するリチウム二次単電池に好適であり、特に、車載用と
して、エンジン起動用ならびに電気自動車用又はハイブ
リッド電気自動車用に好適に用いられる。
とをセパレータを介して、捲回又は積層してなる、非水
電解液を含浸した内部電極体と、この内部電極体を内部
に収容した電池ケースと、電池蓋、外部端子、及び内部
端子を有する、前記内部電極体を封止した電極蓋とを備
えたリチウム二次単電池を、ブスバーにより複数個を直
列的、及び/又は並列的に接続してなるリチウム二次単
電池の接続構造体であって、電流経路を冷却するための
手段を備えることを特徴とするリチウム二次単電池の接
続構造体、が提供される。本発明においては、電流経路
が、ブスバーを含むことが好ましい。
2Ah以上の容量を有するものに好適であり、特に、車
載用として、エンジン起動用ならびに電気自動車用又は
ハイブリッド電気自動車用に好適に用いられる。
は、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、非水電解液を含浸した内部電極体と、こ
の内部電極体を内部に収容した電池ケースと、電池蓋、
外部端子、及び内部端子を有する、前記内部電極体を封
止した電極蓋とを備えたものであり、またリチウム二次
単電池の接続構造体は、前記リチウム二次単電池を、ブ
スバーにより複数個を直列的、及び/又は並列的に接続
してなるものである。従って、その他の材料及び構造に
は何ら制限がない。以下、単電池及び接続構造体を構成
する主要部材及びその構造について説明する。
は、図4に示されるように、正極板2及び負極板3(以
下、「電極板2、3」ともいう)を、多孔性ポリマーか
らなるセパレータ4を介して正極板2と負極板3とが直
接に接触しないように巻芯13の外周壁を囲繞するよう
に配設して構成される。また、本発明に用いられる積層
型の内部電極体は、図5に示されるように、一定面積を
有する所定形状の正極板8と負極板9とをセパレータ1
0を挟みながら交互に積層して構成される。なお、正極
板8及び負極板9の使用材料や作製方法は、捲回型の内
部電極体1と同様である。
を塗工することによって作製される。集電基板として
は、アルミニウム箔やチタン箔等の正極電気化学反応に
対する耐蝕性が良好である金属箔が用いられるが、箔以
外にパンチングメタル又はメッシュ(網)を用いること
もできる。また、正極活物質としては、マンガン酸リチ
ウム(LiMn2O4)やコバルト酸リチウム(LiCo
O2)等のリチウム遷移金属複合酸化物が好適に用いら
れ、これらにアセチレンブラック等の炭素微粉末を導電
助剤として加えることが好ましい。
することができる。負極板3の集電基板としては、銅箔
又はニッケル箔等の負極電気化学反応に対する耐蝕性が
良好な金属箔が好適に用いられる。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
素質粉末が好適に用いられる。
有するLi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Li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。
作業時に、電極板2、3において電極活物質の塗工され
ていない集電基板が露出した部分に、正極用集電タブ5
及び負極用集電タブ6(以下、「集電タブ5、6」とも
いう)がそれぞれ取り付けられる。集電タブ5、6とし
ては、それぞれの電極板2、3の集電基板と同じ材質か
らなる箔状のものが好適に用いられる。ここで、図4の
捲回型電極体1においては、複数の集電タブ5、6が各
々示されているが、捲回型電極体1の場合、集電タブ
5、6は各々少なくとも1枚あればよい。ただし、これ
らの集電タブ5、6の数を増やすことにより、電池の内
部抵抗を低減することができる。更には、電極板2、3
について、各々の複数箇所に集電タブ5、6を取り付け
て集電することが、熱伝導性を良好にすることができる
ために好ましい。
ート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメ
チルカーボネート(DMC)、プロピレンカーボネート
(PC)といった炭酸エステル系有機溶媒や、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
単独溶媒又は混合溶媒が好適に用いられる。
ム(LiPF6)やホウフッ化リチウム(LiBF4)等
のリチウム錯体フッ素化合物、又は過塩素酸リチウム
(LiClO4)といったリチウムハロゲン化物が挙げ
られ、1種類又は2種類以上を前記溶媒に溶解して用い
る。特に、酸化分解が起こり難く、非水電解液中でのリ
チウムイオン導電性の高いLiPF6を用いることが好
ましい。
するための電池蓋15A、15B、電池内部において一
時的に電流を集電する為の内部端子17A、17B、電
流を電池外部に取り出すための外部端子16A、16B
を有するものであり、各極の電気化学反応から、正極の
電極蓋にはアルミニウム、負極の電極蓋には銅、ニッケ
ル又はそれらのいずれかの合金からなるものが好適に用
いられる。いずれの金属も純度は90%以上あれば問題
なく使用することができる。
好適に用いられ、アルミニウム製パイプやステンレス製
パイプが好適に用いられる。このように、電池ケースと
して金属部材が用いられることから、電池ケースの内面
と内部電極体との外周の間に絶縁性ポリマーフィルムを
挟み込み、内部電極体と電池ケースとの導通及び集電タ
ブと電池ケースとの導通を防止することが好ましい。
体の両端に取り付けられている集電タブをそれぞれ電極
蓋の内部端子に接続して電池素子を作製し、この電池素
子を電池ケースに挿入して安定な位置にホールドする。
次いで、非水電解液を含浸させた後に、電極蓋と電池ケ
ースとを接合して内部電極体を封止するとよい。
図2及び図3に示すように、リチウム二次単電池の正極
外部端子と、それ以外のリチウム二次単電池の負極外部
端子とを接続し、複数個の単電池が直列に接続されたも
のをいう。この単電池の接続には、ブスバー26を好適
に用いることができる。このブスバー26としては、導
電性がよく、外部端子との接続抵抗が小さい金属材料が
用いられ、その材質は外部端子の材質により選択され
る。外部端子がアルミニウムからなるときにはブスバー
26にもアルミニウムからなるものを用い、外部端子が
銅からなるときにブスバー26にも銅からなるものを用
いることが好ましい。また、正極、負極外部端子の材質
に異なるものを用いる場合には、クラッド材等の異種材
料の接合体(例えばアルミニウムと銅の接合体)を用い
ることも可能である。ブスバー26の形状としては、板
状のものやパンチングメタル、又はメッシュ(網)のも
のを用いることができる。パンチングメタルやメッシュ
(網)のブスバーを用いると、これらの形状は表面積が
大きいため、冷却効率を向上させることができるために
好ましい。
18を適当な枠によって固定することにより、上下、左
右に単電池18を積み重ねて収納することができ、多数
の単電池18をコンパクトに収納することができるよう
になる。
るリチウム二次単電池は、内部電極体中をリチウムイオ
ンが移動することで電流が流れ、電池温度が上昇する
と、リチウムイオンが移動しやすくなり、電流もより流
れやすくなる。従って、電池に温度勾配ができると、高
温部は他の部分に比べ電流が流れやすくなり、電流が集
中し、高温部は更に発熱し、そして更に電流が集中して
いくという悪循環を起こすことになり、結果として、リ
チウム二次単電池の容量は減少し、性能が低下すること
になる。
リチウム二次単電池18を示している。このリチウム二
次単電池18は、内部電極体1をアルミ製又はステンレ
ス製の電池ケース14に収納し、電池ケース14の両端
をアルミ製の電極蓋とアルミ製又は銅製の電極蓋により
封止してなるものである。捲回型の内部電極体は、図4
に示すように、アルミ製の巻芯13の外周壁を囲繞する
ように、電極活物質を塗工した、アルミ製の正極板2と
銅製又はニッケル製の負極板3とを樹脂製のセパレータ
4を介して捲回した捲回体の両端に、電流を外部へ導出
するための、アルミ製の複数枚の正極用集電タブ5と銅
製又はニッケル製の複数枚の負極用集電タブ6とを接続
してなるものである。この内部電極体1の正極及び負極
の集電タブ5、6は、溶接等の方法を用いてそれぞれの
電極蓋に接続されている。
軸方向の場合、内部に発生した熱は電流経路を通って電
池表面から放出される。この場合の伝熱経路は、正極
板、負極板、正極用集電タブ、負極用集電タブ、内部端
子、及び外部端子等の構成部材からなる電流経路と同一
である。また、これらの構成部材は全て金属製であるた
め、電池を中心軸方向にみると熱が伝導しやすい構造に
なっている。一方、電池の径方向の場合、内部に発生し
た熱が電池表面から外部へ放出されるためには、内部電
極体の捲回体を横断する必要がある。この場合の伝熱経
路には、正極板及び負極板の積層構造、電極活物質、電
解液、セパレータ等の金属に比べて熱伝導率の低いもの
が介在しており、中心軸方向に比べ熱は伝導しにくい構
造になっている。図1に示すリチウム二次単電池18を
用いて、本発明者らが電池内部の熱伝導率を計算したと
ころ、電池の中心軸方向では34.0W/m・K、電池
の径方向では0.30W/m・Kとなり、熱伝導率比率
(電池の中心軸方向/電池の径方向)は113という結
果となった。なお、上述したような伝熱経路や熱伝導率
の傾向は積層型の内部電極体を用いたリチウム二次単電
池においても同様である。
路を冷却するための手段を備えるように構成されてい
る。また、冷却される前記電流経路は外部端子を含むこ
とが好ましく、具体的には、図1に示すように、冷却手
段28が外部端子16A、16Bを冷却するように、前
記冷却手段が配置されてリチウム二次単電池が構成され
ることが好ましい。このような構成とすることにより、
熱伝導率のよい、電池の中心軸方向の伝熱経路即ち電流
経路を通じて、リチウム二次単電池の内部に発生した熱
を効果的に取り除くことができる。従って、本発明によ
れば、リチウム二次単電池の性能の低下防止及び長寿命
化を図ることができる。
単電池を、図6に示すように、少なくとも1枚の金属箔
体60から構成された正極板及び負極板が捲回又は積層
された、その内部に非水電解液を含浸した内部電極体
(捲回型内部電極体61)と、この捲回型内部電極体6
1から電流を導出するための正極集電部材62Aと負極
集電部材62Bとを備え、前述の金属箔体60の端縁
と、正極集電部材62A及び/又は負極集電部材62B
の所定箇所とを接合することにより、捲回型内部電極体
61から電流を導出するように構成し、更に金属箔体6
0の端縁のうち、正極集電部材62A及び/又は負極集
電部材62Bの所定箇所と接合されるべく配列された端
縁(接合端縁)と、正極集電部材62A及び/又は負極
集電部材62Bの所定箇所とを接合してなる構成とし、
外部端子(正極外部端子70A、負極外部端子70B)
を冷却手段28により冷却することが好ましい。即ち、
図1において示す集電タブ5、6を用いることなく、正
極板及び負極板を構成する金属箔体の端面を集電部材に
直接的に接合しており、両電極板の複数箇所から集電す
る構造としているために伝熱経路が短く、冷却効率に優
れており、また、集電タブを用いてなる構造のリチウム
二次単電池に比して体積効率にも優れているために好ま
しい。
部材の所定箇所との接合にはレーザー溶接等が好適に採
用される。また、図6においては、電極リード部材72
を用いて正極集電部材62Aと正極内部端子69A、及
び負極集電部材62Bと負極内部端子69Bを接続した
状態を示しているが、正極集電部材62Aと正極内部端
子69A、及び負極集電部材62Bと負極内部端子69
Bを直接的に接続してもよい。
チウム二次単電池の外部端子を適切に冷却できる手段で
あればよい。そのような手段として、適当に冷却された
気体や液体、又は電気やガス等をエネルギー源とした冷
却装置が挙げられ、具体的には、電流経路即ち外部端子
を中心に冷却できるように配設された空気吹きつけ装
置、又は冷却フィン付き装置を挙げることができ、更
に、電気をエネルギー源とした冷却装置として、具体的
にはペルチェ素子を挙げることができる。
とをセパレータを介して巻芯の外周壁を囲繞するように
捲回してなる、非水電解液を含浸した内部電極体と、こ
の内部電極体を、その内部に同軸に収容した筒状の電池
ケースとを備えたリチウム二次単電池であって、このリ
チウム二次単電池の中心軸方向の熱伝導率(X)と、径
方向の熱伝導率(Y)との熱伝導率比率(X/Y)が5
0以上であることを特徴とするものが提供される。以
下、その詳細について説明する。
は、リチウム二次単電池を構成する各々の構成部材の熱
伝導率、厚さ(長さ)の値から、各々の方向について算
出する合成熱伝導率である。ここで、各々の構成部材の
熱伝導率はこれらを構成する材質、気孔率等により変化
する値であり、特に正極及び負極活物質の熱伝導率はこ
れらを構成する材質、気孔率に大きく左右される。ま
た、合成熱伝導率は構成部材の厚さ(長さ)によっても
大きく左右されるため、同種の材質を用いたとしても熱
伝導率は異なった値となる場合がある。捲回型内部電極
体を備えたリチウム二次単電池については、径方向の伝
熱経路に比して中心軸方向の伝熱経路の方が長いことが
一般的であり、具体的には、中心軸方向の伝熱経路の長
さは、径方向の伝熱経路の長さの数倍から10倍程度で
ある。
方向の熱伝導率(X)と、径方向の熱伝導率(Y)との
熱伝導率比率(X/Y)が50以上、即ち、径方向の熱
伝導率(Y)に対して中心軸方向の熱伝導率(X)が充
分に大きいために冷却効率に優れており、発熱が防止さ
れることによって性能の低下が防止され、長寿命である
といった特徴を有している。また、例えば冷却手段を備
え、電流経路を冷却するように電池を構成した場合、電
池内部の熱がより効率的に放出されるために更に好まし
い。なお、より冷却効率を高めるといった観点からは、
中心軸方向の熱伝導率(X)と、径方向の熱伝導率
(Y)との熱伝導率比率(X/Y)が100以上である
ことが好ましい。
は、電池容量が2Ah以上のものに好適に採用される。
また、電池の用途も限定されるものではないことはいう
までもないが、長期的に性能の低下防止が要求される車
載用大容量電池として、エンジン起動用、中でも電気自
動車用又はハイブリッド電気自動車用のモータ駆動用に
特に好適に用いることができる。
続構造体は、電流経路を冷却するための手段を備えるよ
うに構成されている。冷却される前記電流経路はブスバ
ーを含むことが好ましく、具体的には、図2、図3に示
すように、冷却手段28が、ブスバー26を冷却するよ
うに、前記冷却手段が配置されて接続構造体が構成され
ることが好ましい。このような構成とすることにより、
熱伝導率のよい、電池の中心軸方向の伝熱経路即ち電流
経路を通じて、リチウム二次単電池の内部に発生した熱
を効果的に取り除くことができる。従って、本発明によ
れば、リチウム二次単電池の接続構造体の性能の低下防
止及び長寿命化を図ることができる。なお、冷却手段
は、リチウム二次単電池と同様に、特に制限はなく、ブ
スバーを適切に冷却できる手段であればよい。具体的手
段としては、リチウム二次単電池と同様のものが挙げら
れる。
リチウム二次単電池の電流経路を冷却するための手段を
備え、且つ本発明のリチウム二次単電池の接続構造体
が、リチウム二次単電池の接続構造体の電流経路を冷却
するための手段を備えることが、更に好ましいことはい
うまでもない。
続構造体は、従来のように単電池の間に放熱のための空
間を設ける必要がなく、単電池と単電池の間に隙間がな
いような接続構造体の作製が可能となる。従って、図3
に示すように、積層型の電極体を用いたリチウム二次単
電池の接続構造体27であれば、単電池18の間にまっ
たく隙間のない接続構造体27を実現できることとな
る。
の接続構造体の構成条件は、リチウム二次単電池の電池
容量が2Ah以上のものに好適に採用される。また、リ
チウム二次単電池の接続構造体の用途も限定されるもの
ではないことはいうまでもないが、長期的な性能の低下
防止が要求される車載用大容量単電池の接続構造体とし
て、エンジン起動用、中でも電気自動車又はハイブリッ
ド電気自動車のモータ駆動用に特に好適に用いることが
できる。
ム二次単電池及びリチウム二次単電池の接続構造体は、
リチウム二次単電池及びリチウム二次単電池の接続構造
体の発熱を防止して適切な温度範囲に保持することによ
り、性能の低下防止及び長寿命化を図ることができる。
示す断面図である。
一実施形態を示す模式上面図である。
別の一実施形態を示す模式斜視図である。
図である。
図である。
を示す断面図である。
レータ、5…正極用集電タブ、6…負極用集電タブ、7
…積層型電極体、8…正極板、9…負極板、10…セパ
レータ、11…正極用集電タブ、12…負極用集電タ
ブ、13…巻芯、14…電池ケース、15A…正極電池
蓋、15B…負極電池蓋、16A…正極外部端子、16
B…負極外部端子、17A…正極内部端子、17B…負
極内部端子、18…単電池、19…弾性体、20…放圧
孔、21…金属箔、23…絞り加工部、24…かしめ加
工部、、26…ブスバー、27…単電池の接続構造体、
28…冷却手段、60…金属箔体、61…捲回型内部電
極体、62A…正極集電部材、62B…負極集電部材、
67…巻芯、68…電池、69A…正極内部端子、69
B…負極内部端子、70A…正極外部端子、70B…負
極外部端子、71A…正極電池蓋、71B…負極電池
蓋、72…電極リード部材、73…電池ケース、74…
くびれ加工部、75…放圧孔。
Claims (14)
- 【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、非水電解液を含浸した内部
電極体と、この内部電極体を内部に収容した電池ケース
と、電池蓋、外部端子、及び内部端子を有する、前記内
部電極体を封止した電極蓋とを備えたリチウム二次単電
池であって、 電流経路を冷却するための手段を備えることを特徴とす
るリチウム二次単電池。 - 【請求項2】 前記電流経路が、前記外部端子を含む請
求項1に記載のリチウム二次単電池。 - 【請求項3】 正極板と負極板とをセパレータを介して
巻芯の外周壁を囲繞するように捲回してなる、非水電解
液を含浸した内部電極体と、前記内部電極体を、その内
部に同軸に収容した筒状の電池ケースとを備えたリチウ
ム二次単電池であって、 前記リチウム二次単電池の中心軸方向の熱伝導率(X)
と、径方向の熱伝導率(Y)との熱伝導率比率(X/
Y)が50以上であることを特徴とするリチウム二次単
電池。 - 【請求項4】 前記熱伝導率比率(X/Y)が100以
上である請求項3に記載のリチウム二次単電池。 - 【請求項5】 2Ah以上の容量を有する請求項1〜4
のいずれか1項に記載のリチウム二次単電池。 - 【請求項6】 車載用である請求項1〜5のいずれか1
項に記載のリチウム二次単電池。 - 【請求項7】 エンジン起動用である請求項6に記載の
リチウム二次単電池。 - 【請求項8】 電気自動車用又はハイブリッド電気自動
車用である請求項6又は7に記載のリチウム二次単電
池。 - 【請求項9】 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、非水電解液を含浸した内部
電極体と、この内部電極体を内部に収容した電池ケース
と、電池蓋、外部端子、及び内部端子を有する、前記内
部電極体を封止した電極蓋とを備えた複数個のリチウム
二次単電池を、ブスバーにより直列的、及び/又は並列
的に接続してなるリチウム二次単電池の接続構造体であ
って、 電流経路を冷却するための手段を備えることを特徴とす
るリチウム二次単電池の接続構造体。 - 【請求項10】 前記電流経路が、前記ブスバーを含む
請求項9に記載のリチウム二次単電池の接続構造体。 - 【請求項11】 前記リチウム二次単電池が、2Ah以
上の容量を有する請求項9又は10に記載のリチウム二
次単電池の接続構造体。 - 【請求項12】 車載用である請求項9〜11のいずれ
か1項に記載のリチウム二次単電池の接続構造体。 - 【請求項13】 エンジン起動用である請求項12に記
載のリチウム二次単電池の接続構造体。 - 【請求項14】 電気自動車用又はハイブリッド電気自
動車用である請求項12又は13に記載のリチウム二次
単電池の接続構造体。
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