JP2004253270A - Ｐｔｃ素子を備えた電池極板及びこれを用いた電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】電池の重量エネルギー密度を向上させると共に電池保護機能を充実させた電池極板及びそれを用いた電池を提供する。
【解決手段】電池極板は樹脂フィルムに金属薄膜を成膜した集電体１０を用いて形成されるので極板の軽量化がなされ、重量エネルギー密度の高い電池を構成することができる。更に、極板にＰＴＣ素子４が取り付けられているので、極板の温度上昇が速やかにＰＴＣ素子４に伝熱し、遅延なくＰＴＣ素子４を作動させることができる。また、集電体１０が樹脂フィルムを基材として構成されていることにより異常温度上昇により樹脂フィルムが溶融することによる電流遮断によりＰＴＣ素子４と共に二重の安全機能が構成される。
【選択図】 図１
【解決手段】電池極板は樹脂フィルムに金属薄膜を成膜した集電体１０を用いて形成されるので極板の軽量化がなされ、重量エネルギー密度の高い電池を構成することができる。更に、極板にＰＴＣ素子４が取り付けられているので、極板の温度上昇が速やかにＰＴＣ素子４に伝熱し、遅延なくＰＴＣ素子４を作動させることができる。また、集電体１０が樹脂フィルムを基材として構成されていることにより異常温度上昇により樹脂フィルムが溶融することによる電流遮断によりＰＴＣ素子４と共に二重の安全機能が構成される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池を過充電や短絡等から保護するＰＴＣ素子を備えた電池極板及びこれを用いた電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機やＰＤＡなどの携帯電子機器の小型化あるいは薄型化、更には高機能化の進展は著しく、それに対応してその電源となる電池に小型、薄型で軽量化、高容量化が要求されている。小型で高容量化を可能にする電池としてリチウムイオン二次電池が有効であり、中でも扁平角形の電池は小型化、薄型化に好適であり、繰り返し使用ができる二次電池として携帯電子機器への適用が増加している。
【０００３】
前記リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高く、電解液として可燃性の有機溶媒を用いているため、安全性への配慮が重要となる。何らかの原因によって異常が生じたときにも人体や機器に損傷を与えないように安全性を確保する必要がある。例えば、電池の正極端子と負極端子との間が何らかの原因によって短絡した場合、エネルギー密度の高い電池では過大な短絡電流が流れ、内部抵抗によってジュール熱が発生して電池は温度上昇する。
【０００４】
電池が高温状態に陥る原因は上記外部短絡だけでなく、二次電池を過充電した場合や、電池を装填した携帯電子機器を暖房機の傍らに置いたり、炎天下に駐車した車内に放置した場合なども該当する。
【０００５】
電池が異常な状態に陥る原因は、電気的、機械的、熱的など種々の要因が考えられ、リチウムイオン二次電池をはじめとする非水電解質二次電池では、電池が異常状態に陥ることを防止すると共に、異常状態に陥った場合にも危険な状態にならないようにする機能が設けられる。電池自体の機能として、極板の活物質や電解液が過剰な反応を起こしにくいように工夫され、セパレータとして用いられるポリオレフィン系微多孔膜は異常な高温になると軟化して細孔が塞がれることによるシャットダウン機能が備わっている。また、リチウムイオン二次電池では、封口部に入出力回路と直列に接続したＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｅｆｆｃｉｅｎｔ）素子を配設して、外部短絡による過大電流を制限する保護機能が設けられている。電池内に前記ＰＴＣ素子が設けられていない電池では、外付けの回路部品としてＰＴＣ素子が配線接続され、二次電池と共にパックケース内に収容して電池パックの形態に構成されるのが一般的である。
【０００６】
ＰＴＣ素子を電池温度により速やかに作動させるためには、電池内部とＰＴＣ素子とが確実に熱結合されている必要があるが、ＰＴＣ素子を電池の外部に設けたり封口板に設けた場合には、電池内部の温度上昇がＰＴＣ素子に伝熱するまでに時間的な遅れが生じ、電池内部の異常温度上昇をＰＴＣ素子が確実に検出できない問題があった。この問題を解決すべく電池の外装体内に極板に接してＰＴＣ素子を配置する薄型電池が提案されている（特許文献１参照）。この薄型電池はＰＴＣ素子による温度感知を確実にすると共に、外装体をラミネートシートにより形成して薄型化した電池におけるＰＴＣ素子の配設位置を確保している。
【０００７】
また、リチウムイオン二次電池はニッケル−水素蓄電池やニッケル−カドミウム蓄電池などに比して軽量であり、重量エネルギー密度に優れた電池として携帯電子機器の電源として好適であるが、携帯電子機器の小型軽量化に伴って更なる軽量化が要求されている。この軽量化を実現すべく電池極板を構成する集電体を金属箔でなく樹脂フィルムの表面に金属薄膜を形成したものとし、この集電体を用いた極板とこの極板を用いた電池が提案されている（特許文献２参照）。
【０００８】
また、上記樹脂フィルムを基材とする集電体を用いた極板において、樹脂フィルムを電池が異常発熱したときに溶融する低融点樹脂で形成すると、電池が異常発熱したとき樹脂フィルムが溶融し、集電体としての機能が低下して、ほぼ絶縁体に近い状態となって異常発熱の原因となっている電流が遮断され、異常発熱に伴う不具合の発生を防止する機能を備えた二次電池が提案されている（特許文献３参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−３２４５４２号公報（第２〜３頁、図４）
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−３５７５１７号公報（第２〜３頁、図２）
【００１１】
【特許文献３】
特開平１１−１０２７１１号公報（第２〜３頁、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に示された構成のように極板にＰＴＣ素子を取付けると、ＰＴＣ素子は電解液中に浸されることになり、ＰＴＣ素子を構成する導電性ポリマに電解液が浸透して腐食劣化する問題点がある。
【００１３】
また、主として携帯電子機器の電源として用いられる電池は、小型薄型であることは勿論のこと軽量化が要求される。また、携帯電子機器は多様な環境下に曝されるため、高温や外部短絡等を受けやすい状態に陥る度合いも多くなる。従って、主たる使用目的が携帯電子機器の電源となる電池は、軽量化を図ると同時に、外部短絡や過充電などの電気的要因や、高温環境に曝されたときに不具合を生じさせない確実な電池保護機能を設けることが要求される。
【００１４】
本発明が目的とするところは、電池の軽量化及び確実な電池保護機能を実現するＰＴＣ素子を備えた電池極板とそれを用いた電池を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願第１発明に係る電池極板は、集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板または負極板の前記集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板または負極板に電気的接続するための正極及び負極の各リードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極とＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されてなることを特徴とする。
【００１６】
上記電池極板によれば、正極板または負極板にＰＴＣ素子が配設されているので、この電池極板を用いて電池を構成すると、電池極板の温度上昇は速やかにＰＴＣ素子に伝熱するので、極板の温度が熱暴走に至る以前に電流回路を遮断して電池が高温状態になることを防止することができる。また、ＰＴＣ素子は耐電解液性の絶縁材料によって被覆されているので、電解液によってＰＴＣ素子が劣化することを防止することができる。
【００１７】
また、本願第２発明に係る電池極板は、集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板及び負極板の少なくとも一方の集電体が樹脂フィルムの表面に導電性膜を形成して構成され、正極板または負極板の集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板に電気的接続するための正極リードまたは負極板に電気的接続するための負極リードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極及びＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されてなることを特徴とする。
【００１８】
上記電池極板によれば、正極板または負極板にＰＴＣ素子が配設されているので、この電池極板を用いて電池を構成すると、電池極板の温度上昇は速やかにＰＴＣ素子に伝熱し、極板の温度が熱暴走に至る以前に電流回路を遮断して電池が破裂や発火に至ることを防止することができる。また、ＰＴＣ素子は絶縁材料によって被覆されているので、電解液によってＰＴＣ素子が劣化することを防止することができる。このＰＴＣ素子が万が一正常に作動しなかったとき、温度上昇が進行するが、集電体を構成する樹脂フィルムが溶融するので、電流回路が遮断される。即ち、二重の電池保護機能を備えた電池極板を構成することができる。また、集電体を樹脂フィルムを基材として構成することができるので、電池極板としての軽量化を図ることができ、携帯電子機器等の電源として好適な重量エネルギー密度の高い電池を得ることができる。
【００１９】
上記各構成になる電池極板は、正極板及び負極板が両極板の間にセパレータを配して巻回することにより、極板内部の温度上昇が速やかにＰＴＣ素子に伝熱するので、温度上昇に伴うＰＴＣ素子の作動が確実になされる。
【００２０】
また、ＰＴＣ素子は、巻回される正極板又は負極板の内面側に配設することにより、極板の温度が外部放散される以前にＰＴＣ素子に伝熱するので、温度上昇に伴うＰＴＣ素子の作動が確実になされる。
【００２１】
また、本願第３発明に係る電池は、集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板または負極板の前記集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板に電気的接続するための正極リードまたは負極板に電気的接続するための負極リードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極とＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されて電池極板が形成され、この電池極板が電解液を注入して封口される外装体内に収容され、前記ＰＴＣ素子の他方電極に接合されたリード及び前記正極集電体または負極集電体に接続されたリードもしくは各リードに接続された正極及び負極の外部接続端子となる部位を外部露出させてなることを特徴とする。
【００２２】
上記電池によれば、ＰＴＣ素子を備えて電池極板が構成されているので、短絡や過充電などの電気的原因や外部加熱等の熱的原因によって極板が温度上昇したとき、その温度は速やかにＰＴＣ素子に伝熱し、ＰＴＣ素子の作動により抵抗値が急増して過大電流を制限する動作や電池動作の停止により、温度上昇の進行を防止することができる。
【００２３】
また、本願第４発明に係る電池は、集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板及び負極板の少なくとも一方の集電体が樹脂フィルムの表面に導電性膜を形成して構成され、正極板または負極板の集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板に電気的接続するための正極リードまたは負極板に電気的接続するための負極リードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極とＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されて電池極板が形成され、この電池極板が電解液を注入して封口される外装体内に収容され、前記ＰＴＣ素子の他方電極に接合されたリード及び前記正極集電体または負極集電体に接続されたリードもしくは各リードに接続された正極及び負極の外部接続端子となる部位を外部露出させてなることを特徴とする。
【００２４】
上記電池によれば、極板は樹脂フィルムに金属薄膜を形成した集電体に活物質層を塗着させたものを用いているので、極板を軽量化するに伴う軽量化された電池を構成することができ、携帯電子機器等の電池電源として好適な重量エネルギー密度の高い電池が得られる。また、極板内にＰＴＣ素子が設けられているので、短絡などの電気的原因や外部加熱等の熱的原因によって極板が温度上昇したとき、その温度は速やかにＰＴＣ素子に伝熱し、ＰＴＣ素子の作動により抵抗値が急増して過大電流を制限する動作や電池動作の停止により、温度上昇の進行を防止することができる。また、ＰＴＣ素子が正常に作動しなかったときには、温度上昇の進行により集電体を構成する樹脂フィルムが溶融して電流が遮断されるので、電池が熱暴走に至ることが二重に防止される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施の形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２６】
本実施の形態は、主として携帯電子機器の電池電源に適用すべく軽量化を図ると共に、外部短絡や過充電あるいは高温状態などから電池を保護する機能を備えたリチウムイオン二次電池を実現するための電池極板と、この電池極板を用いて構成した扁平角形の二次電池について示すものである。
【００２７】
図１は、実施形態に係る電池極板Ａを構成する正極板１を展開状態で示すものである。正極板１は、図１（ｃ）にＢ−Ｂ線矢視断面として示すように、正極集電体１０の両面に正極活物質層１１を所定厚さに塗着して形成されている。前記正極集電体１０は、図１（ｄ）に拡大図示するように、ポリオレフィン樹脂を用いた樹脂フィルム３０の両面に金属薄膜（ここではアルミニウム）３１をスパッタリング法、蒸着法等の手段により成膜したものである。尚、樹脂フィルム３０の両面に形成される金属薄膜３１は、樹脂フィルム３０に形成されたスルーホールあるいは樹脂フィルム３０に含ませた金属粉等の導電材料により電気的に導通した状態に形成される。また、正極板１の一端側には、後述する手順によりシート状のＰＴＣ素子４が接合される。
【００２８】
図２は、実施形態に係る電池極板Ａを構成する負極板２を展開状態で示すもので、負極板２は図２（ｂ）にＣ−Ｃ線矢視断面として示すように、負極集電体２０の両面に負極活物質層２１を所定厚さに塗着して形成されている。前記負極集電体２０は、ポリオレフィン樹脂を用いた樹脂フィルム４０の両面に金属薄膜（ここでは銅）４１をスパッタリング法、蒸着法等の手段により成膜したものである。負極板２の他端側には、負極集電体２０に一端を接合して負極リード６が取り付けられている。
【００２９】
尚、電池の軽量化を図るためには、正極板１及び負極板２は上記構成が好ましいが、正極板１または負極板２のいずれか一方の集電体は、金属箔によって形成することもできる。
【００３０】
図３は、ＰＴＣ素子４を取付けた正極板１の形成手順を示すもので、図３（ａ）に示すように、正極集電体１０は樹脂フィルム３０の両面に金属薄膜３１が成膜され、一方の面の金属薄膜３１は樹脂フィルム３０の一端側に、ＰＴＣ接合部３１ａを突出形成することにより、逆コの字状に金属薄膜３１のない部位が形成される。前記ＰＴＣ接合部３１ａには、図３（ｂ）に示すように、シート状に形成されたＰＴＣ素子４がその一方電極で接合される。接合されたＰＴＣ素子４の周囲には、図３（ｃ）に示すように、耐電解液性の絶縁材料を塗布して絶縁被覆７が施される。次に、図３（ｄ）に示すように、ＰＴＣ接合部３１ａを除く金属薄膜３１上には正極活物質層１１が所定厚さに塗着される。更に、ＰＴＣ素子４の他方電極には、図３（ｅ）に示すように、ＰＴＣ素子４の他方電極を覆って正極リード５の一端が接合される。
【００３１】
前記絶縁被覆７の形成は、図４（ａ）に示すように、ＰＴＣ素子４の他方電極に正極リード５を接合した後、図４（ｂ）に示すように、ＰＴＣ素子４の全体及び正極リード５の接合端側を包み込んで耐電解液性の絶縁材料を塗布するようにすると、ＰＴＣ素子４をより確実に電解液から隔離することができる。但し、図４（ｃ）に示すように、絶縁被覆７を正極活物質層１１の厚さを越えないように形成することが好ましく、電池極板Ａとして巻回したときに隙間を発生させることなく、密に巻回することができる。
【００３２】
上記構成になる正極板１と負極板２とは、それらの間にセパレータ３を介在させ、正極板１はＰＴＣ接合部３１ａが形成された一端側を巻き始め側とし、負極板２は負極リード６が接合されていない一端側を巻き始め側として巻回され、図５に示すように、扁平な有底角筒に形成された電池缶に収容することができる扁平な電池極板Ａに形成される。このようにＰＴＣ素子４を接合した側を巻き始め側として巻回することにより、ＰＴＣ素子４は電池極板Ａの略中心部位に配設されるので、電池極板Ａの温度が伝熱されやすくなり、電池極板Ａの温度上昇を速やかに検出することができる。ＰＴＣ素子４の配設位置は、正極板１または負極板２の端部とするのが極板の反応面積を減少させることがないので、上記構成のように正極板１の端部に配設し、ＰＴＣ素子４の配設端側を巻き始めとして巻回すると、極板の温度上昇を速やかに検出することができる。逆にＰＴＣ素子４の配設端側を巻き終わり側として巻回すると、ＰＴＣ素子４を外側に配した電池極板Ａに構成され、電池が高温環境に曝された状態を検知するのに好適なものとなるが、極板が温度上昇した状態を検知するのに遅れが生じる恐れがあるので、巻回される内面側に配設するのが好ましい。
【００３３】
上記電池極板Ａは、図６に示すように、扁平な有底角筒に形成された電池缶１２内に挿入され、電池極板Ａから引き出されている正極リード５は封口板１３にそれと絶縁して取り付けられた正極端子１４に接合され、負極リード６は封口板１３に接合される。リード接合がなされた封口板１３は電池缶１２の開口端に溶接され、電池缶１２内が封口される。この後、封口板１３に形成された注液口１５から電池缶１２内に所定量の電解液が注入され、注液口１５は封栓１６により閉じられ、扁平角形の二次電池Ｂに形成される。
【００３４】
上記構成に用いられるＰＴＣ素子４は、炭素粒子等の導電性材料と高分子材料とを混合した導電性ポリマをシート状に形成し、その両面に金属箔からなる電極板を接合して所定形状サイズに切り出されたものである。温度が低い状態では導電性材料による導電パスにより両電極間の抵抗値はｍΩ台の低い状態にあるので、電池としての内部抵抗を増加させることは僅少である。短絡電流等の過大電流がＰＴＣ素子４に流れると、過大電流に伴う自己発熱により温度上昇し、ポリマの熱膨張により導電性材料による導電パスが切断されていき、緩やかな抵抗値の上昇を示し、所定温度に達したとき一気に抵抗値が増加するので、過大電流は制限されて短絡等による温度上昇は抑止される。この温度上昇に伴う抵抗値の増加は、過充電による温度上昇や周囲温度の温度上昇によっても生じるので、過充電状態の継続を阻止し、高温状態での電池使用を停止させることができる。
【００３５】
上記構成において、電池極板Ａ内に配設されたＰＴＣ素子４は電池極板Ａに充填される電解液中に浸された状態になるが、絶縁被覆７によってＰＴＣ素子４の導電性ポリマの部分は電解液と隔離されるので、電解液によって導電性ポリマが劣化してＰＴＣ素子４としての機能が低下することはない。
【００３６】
また、上記構成になる二次電池Ｂは、図７に回路図として示すように、正極回路と直列にＰＴＣ素子４が接続され、ＰＴＣ素子４は電池極板Ａ内に配設されているので、正極端子１４と負極端子（封口板１３及び電池缶１２）との間が何らかの原因によって短絡された外部短絡が生じた場合に、短絡による過大電流によりＰＴＣ素子４は温度上昇し、所定のトリップ温度を越えたとき抵抗値を急増させるので、短絡電流は制限されて電池が高温化することを防止する。また、充電回路等の故障によって過充電状態に陥ったとき、電池極板Ａの温度上昇は速やかにＰＴＣ素子４に伝熱するので、その温度が所定のトリップ温度を越えたとき、ＰＴＣ素子４は抵抗値を急増させるので、充電電流は制限されて過充電状態の継続による電池の破損が防止される。
【００３７】
ＰＴＣ素子４が抵抗値を急増させるトリップ温度は、高分子材料及び添加物の種類や量によって決定され、８０〜１２０℃に設定すると、二次電池Ｂの活物質が熱暴走を起こす１５０〜１８０℃に至る以前に電池回路を停止状態にすることができる。このＰＴＣ素子４による電池回路を停止させる動作が正常になされなかった場合、二次電池Ｂは熱暴走に至る恐れがあるが、本実施形態に係る電池極板Ａは正極及び／又は負極の集電体が樹脂フィルム３０，４０を基材として構成されているので、二重の電池保護機能が構成される。即ち、樹脂フィルム３０，４０として適用したポリオレフィン樹脂の融点が１３０〜１７０℃であるため、万が一ＰＴＣ素子４が正常に動作しなかった場合に、温度上昇が進行して電池極板Ａの温度が樹脂フィルム３０，４０の溶融温度にまで上昇すると、樹脂フィルム３０，４０の溶融により電池極板Ａの電流回路が遮断され、溶融熱により異常発熱が沈静化されるので、二次電池Ｂが破裂や発火に至ることが防止される。
【００３８】
次に、上記構成におけるＰＴＣ素子４及びその取付構造の有効性について、実施例構成の二次電池と比較対象とする比較例構成の二次電池について短絡テストを実施した結果を以下に示す。
【００３９】
正極板１は、厚さ１０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルム上に、図１に示す形状に０．５μｍ厚さのアルミニウム層を真空蒸着により形成して正極集電体１０を構成し、正極活物質としてＬｉＣｏＯ、導電材としてアセチレンブラック、結着剤としてフッ化ビニリデンを重量比で９４：４：２の割合で混合してペースト化したものを正極活物質層１１として前記正極集電体１０の両面にそれぞれ７０μｍの厚さに塗工したものを製作した。
【００４０】
負極板２は、厚さ１０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルム上に、図２に示す形状に０．５μｍ厚さの銅層を真空蒸着により形成して負極集電体２０を構成し、グラファイトに結着剤としてフッ化ビニリデンを重量比で９５：５の割合で混合してペースト化したものを負極活物質層２１として前記負極集電体２０の両面にそれぞれ７０μｍの厚さに塗工したものを製作した。
【００４１】
上記構成になる正極板１及び負極板２を幅５０ｍｍ、長さ２００ｍｍに形成し、実施例とする電池極板Ａには、正極板１に厚さ３０μｍで２０×２０ｍｍ角のＰＴＣ素子４をその一方電極で正極集電体１０に接合した。
【００４２】
この正極板１と負極板２とを厚さ２０μｍのポリエチレン製微多孔膜に形成したセパレータ３を介して重ね合わせ、実施例とする電池極板Ａは、ＰＴＣ素子４を接合した側を巻き始めとして巻回して電池極板Ａを形成した。
【００４３】
この電池極板Ａを電池缶１２に挿入し、リード接続を行った後、電池缶１２の開口端に封口板１３を溶接して封口し、注液口１５から電解液を注入して封栓１６で注液口１５を封じ、二次電池Ｂに構成した。電解液は、溶媒としてエチレンカーボネートとジエチレンカーボネートとを等量混合したものに、溶質として６フッ化リン酸ナトリウムを１モル／ｌの濃度で溶解したものである。
【００４４】
実施例▲１▼の二次電池Ｂは、ＰＴＣ素子４を被覆する絶縁被覆７として、フッ化ピッチを用いた。
【００４５】
実施例▲２▼の二次電池Ｂは、ＰＴＣ素子４を被覆する絶縁被覆７として、ポリエチレンを用いた。
【００４６】
実施例▲３▼の二次電池Ｂは、ＰＴＣ素子４を被覆する絶縁被覆７として、ポリエチレンテレフタレートを用いた。
【００４７】
比較例▲１▼として、ＰＴＣ素子４に絶縁被覆７を設けないで製作した電池極板を用いて二次電池を製作した。
【００４８】
比較例▲２▼として、ＰＴＣ素子４を設けないで製作した電池極板を用いて二次電池を製作した。
【００４９】
比較例▲３▼として、実施例▲１▼と同一の構成であるが、ＰＴＣ素子４を接合した側を巻き終わり側として巻回した電池極板を用いて二次電池を製作した。
【００５０】
上記実施例▲１▼▲２▼▲３▼及び比較例▲１▼▲２▼▲３▼に示した構成の二次電池をそれぞれ１００個製作し、短絡テストを実施して、３分後、１０分後に二次電池の表面温度が１００℃を越えた割合について検証した。この結果を、表１及び表２に示す。尚、表１は製作した二次電池を常温で３ヶ月保存した後、表２は雰囲気温度が８５℃の環境下で１週間保存した後に、それぞれ短絡テストを実施した場合である。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
上記検証結果からわかるように、ＰＴＣ素子４を設けない場合では、短絡により二次電池は高温状態に陥ることになる。また、ＰＴＣ素子４に絶縁被覆７を設けない場合には、ＰＴＣ素子４が劣化して正常に機能しないと考えられる状態が高い確率で発生している。また、ＰＴＣ素子４を電池極板の外周部位に配設した場合には、短絡による温度上昇を検知するまでに時間を要するものと考えられる状態が見受けらる。これに比して実施例構成では、絶縁被覆７が効果的に作用しており、電解液の影響によってＰＴＣ素子４が劣化することがなく、短絡による温度上昇が確実に抑えられていることがわかる。
【００５３】
上記のような効果が得られる耐電解液性の絶縁被覆７として適用できる材料は、上記実施例に適用した材料の他、下記の材料を用いることができる。
【００５４】
ポリプロピレン、ポリメチルペンテンなどのオレフィン系ポリマー、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート、ポリアレレート、ポリカーボネートなどのエステル系ポリマー、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミドなどのエーテル系ポリマー、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンなどのスルホン系ポリマー、ポリアクリロニトリル、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂などのアクリロニトリル系ポリマー、ポリフェニレンサルファイドなどのチオエーテル系ポリマー、ポリスチレンなどの芳香族ビニル系ポリマー、ポリイミド、アラミド誦しなどの窒素含有ポリマー、ポリ４フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ化ポリマー、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素ポリマー、ポリメタクリル酸メチルなどのアクリル系ポリマーなどの有機化合物を用いることができる。これらは単独でも２種類以上を組み合わせたコポリマー、ポリマーアロイ、ポリマーブレンドなどとして用いることができる。また、加熱やＵＶ照射により重合固化して得られるポリマーを用いることもできる。また、真空脱気を行って材料中の空気を排除したピッチ、アスファルト等の瀝青剤を用いることもできる。
【００５５】
以上説明した実施形態の構成においては、ＰＴＣ素子４を正極板１に取り付け、正極回路と直列にＰＴＣ素子４が接続されるようにしているが、負極板２にＰＴＣ素子４を取り付け、負極回路と直列にＰＴＣ素子４が接続されるように構成しても、同様の作用効果が得られる。
【００５６】
また、二次電池Ｂはリチウムイオン二次電池に限定されるものではなく、他の種類の電池に同様の構成を適用することもできる。また、二次電池Ｂの外装体は実施形態の構成に示した金属製の電池缶１２に限定されるものではなく、例えば、金属箔を含むラミネートシートを用いて外装体を形成し、電解液としてゲル状のものを用いたリチウムポリマー電池に構成することもできる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明に係る電池極板は、極板にＰＴＣ素子が配設されているので、極板の発熱や外部加熱に伴う極板の温度上昇が速やかにＰＴＣ素子に伝熱し、電池が熱暴走に至る以前の温度でＰＴＣ素子が作動し、短絡等の電気的原因による過大電流を制限し、高温状態における電池動作を停止させることができる。このように極板にＰＴＣ素子を配設した場合にＰＴＣ素子は電解液に浸された状態になるが、絶縁材料により被覆されているので、ＰＴＣ素子の劣化を防止して経年変化を生じさせることなくＰＴＣ素子の機能を保つことができる。また、樹脂フィルムを基材として集電体を形成しているので電池極板として軽量化を図ることができ、これを用いた電池は携帯電子機器等の電池電源として軽量化されたものを提供することができる。また、ＰＴＣ素子の作動が正常になされなかった場合においては、温度上昇の進行により樹脂フィルムを基材として形成された集電体が溶融し、電池動作は停止して熱暴走に至る状態は沈静化される。従って、本発明に係る電池極板及びそれを用いた電池は、電池自体が二重に安全機能を備えたものに構成することができ、軽量化もあいまって携帯電子機器のように様々な環境下に曝される機器の電池電源として好適なものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る電池極板を構成する正極板を展開状態で示す（ａ）は平面図、（ｂ）（ｃ）は所要部位の断面図、（ｄ）は集電体の構成を示す断面図。
【図２】実施形態に係る電池極板を構成する負極板を展開状態で示す（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
【図３】正極板を製作する手順を順を追って示す平面図。
【図４】絶縁被覆の形成方法の別態様を示す平面図。
【図５】実施形態に係る電池極板の構成を示す斜視図。
【図６】同上電池極板を用いた二次電池の組み立てを説明する斜視図。
【図７】実施形態に係る二次電池の構成を示す回路図。
【符号の説明】
Ａ 電池極板
Ｂ 二次電池（電池）
１ 正極板
２ 負極板
４ ＰＴＣ素子
５ 正極リード
６ 負極リード
７ 絶縁被覆
１０ 正極集電体
１１ 正極活物質層
１２ 電池缶
１３ 封口板
１４ 正極端子
２０ 負極集電体
２１ 負極活物質層
３０、４０ 樹脂フィルム
３１、４１ 金属薄膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池を過充電や短絡等から保護するＰＴＣ素子を備えた電池極板及びこれを用いた電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機やＰＤＡなどの携帯電子機器の小型化あるいは薄型化、更には高機能化の進展は著しく、それに対応してその電源となる電池に小型、薄型で軽量化、高容量化が要求されている。小型で高容量化を可能にする電池としてリチウムイオン二次電池が有効であり、中でも扁平角形の電池は小型化、薄型化に好適であり、繰り返し使用ができる二次電池として携帯電子機器への適用が増加している。
【０００３】
前記リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高く、電解液として可燃性の有機溶媒を用いているため、安全性への配慮が重要となる。何らかの原因によって異常が生じたときにも人体や機器に損傷を与えないように安全性を確保する必要がある。例えば、電池の正極端子と負極端子との間が何らかの原因によって短絡した場合、エネルギー密度の高い電池では過大な短絡電流が流れ、内部抵抗によってジュール熱が発生して電池は温度上昇する。
【０００４】
電池が高温状態に陥る原因は上記外部短絡だけでなく、二次電池を過充電した場合や、電池を装填した携帯電子機器を暖房機の傍らに置いたり、炎天下に駐車した車内に放置した場合なども該当する。
【０００５】
電池が異常な状態に陥る原因は、電気的、機械的、熱的など種々の要因が考えられ、リチウムイオン二次電池をはじめとする非水電解質二次電池では、電池が異常状態に陥ることを防止すると共に、異常状態に陥った場合にも危険な状態にならないようにする機能が設けられる。電池自体の機能として、極板の活物質や電解液が過剰な反応を起こしにくいように工夫され、セパレータとして用いられるポリオレフィン系微多孔膜は異常な高温になると軟化して細孔が塞がれることによるシャットダウン機能が備わっている。また、リチウムイオン二次電池では、封口部に入出力回路と直列に接続したＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｅｆｆｃｉｅｎｔ）素子を配設して、外部短絡による過大電流を制限する保護機能が設けられている。電池内に前記ＰＴＣ素子が設けられていない電池では、外付けの回路部品としてＰＴＣ素子が配線接続され、二次電池と共にパックケース内に収容して電池パックの形態に構成されるのが一般的である。
【０００６】
ＰＴＣ素子を電池温度により速やかに作動させるためには、電池内部とＰＴＣ素子とが確実に熱結合されている必要があるが、ＰＴＣ素子を電池の外部に設けたり封口板に設けた場合には、電池内部の温度上昇がＰＴＣ素子に伝熱するまでに時間的な遅れが生じ、電池内部の異常温度上昇をＰＴＣ素子が確実に検出できない問題があった。この問題を解決すべく電池の外装体内に極板に接してＰＴＣ素子を配置する薄型電池が提案されている（特許文献１参照）。この薄型電池はＰＴＣ素子による温度感知を確実にすると共に、外装体をラミネートシートにより形成して薄型化した電池におけるＰＴＣ素子の配設位置を確保している。
【０００７】
また、リチウムイオン二次電池はニッケル−水素蓄電池やニッケル−カドミウム蓄電池などに比して軽量であり、重量エネルギー密度に優れた電池として携帯電子機器の電源として好適であるが、携帯電子機器の小型軽量化に伴って更なる軽量化が要求されている。この軽量化を実現すべく電池極板を構成する集電体を金属箔でなく樹脂フィルムの表面に金属薄膜を形成したものとし、この集電体を用いた極板とこの極板を用いた電池が提案されている（特許文献２参照）。
【０００８】
また、上記樹脂フィルムを基材とする集電体を用いた極板において、樹脂フィルムを電池が異常発熱したときに溶融する低融点樹脂で形成すると、電池が異常発熱したとき樹脂フィルムが溶融し、集電体としての機能が低下して、ほぼ絶縁体に近い状態となって異常発熱の原因となっている電流が遮断され、異常発熱に伴う不具合の発生を防止する機能を備えた二次電池が提案されている（特許文献３参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−３２４５４２号公報（第２〜３頁、図４）
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−３５７５１７号公報（第２〜３頁、図２）
【００１１】
【特許文献３】
特開平１１−１０２７１１号公報（第２〜３頁、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に示された構成のように極板にＰＴＣ素子を取付けると、ＰＴＣ素子は電解液中に浸されることになり、ＰＴＣ素子を構成する導電性ポリマに電解液が浸透して腐食劣化する問題点がある。
【００１３】
また、主として携帯電子機器の電源として用いられる電池は、小型薄型であることは勿論のこと軽量化が要求される。また、携帯電子機器は多様な環境下に曝されるため、高温や外部短絡等を受けやすい状態に陥る度合いも多くなる。従って、主たる使用目的が携帯電子機器の電源となる電池は、軽量化を図ると同時に、外部短絡や過充電などの電気的要因や、高温環境に曝されたときに不具合を生じさせない確実な電池保護機能を設けることが要求される。
【００１４】
本発明が目的とするところは、電池の軽量化及び確実な電池保護機能を実現するＰＴＣ素子を備えた電池極板とそれを用いた電池を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願第１発明に係る電池極板は、集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板または負極板の前記集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板または負極板に電気的接続するための正極及び負極の各リードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極とＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されてなることを特徴とする。
【００１６】
上記電池極板によれば、正極板または負極板にＰＴＣ素子が配設されているので、この電池極板を用いて電池を構成すると、電池極板の温度上昇は速やかにＰＴＣ素子に伝熱するので、極板の温度が熱暴走に至る以前に電流回路を遮断して電池が高温状態になることを防止することができる。また、ＰＴＣ素子は耐電解液性の絶縁材料によって被覆されているので、電解液によってＰＴＣ素子が劣化することを防止することができる。
【００１７】
また、本願第２発明に係る電池極板は、集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板及び負極板の少なくとも一方の集電体が樹脂フィルムの表面に導電性膜を形成して構成され、正極板または負極板の集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板に電気的接続するための正極リードまたは負極板に電気的接続するための負極リードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極及びＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されてなることを特徴とする。
【００１８】
上記電池極板によれば、正極板または負極板にＰＴＣ素子が配設されているので、この電池極板を用いて電池を構成すると、電池極板の温度上昇は速やかにＰＴＣ素子に伝熱し、極板の温度が熱暴走に至る以前に電流回路を遮断して電池が破裂や発火に至ることを防止することができる。また、ＰＴＣ素子は絶縁材料によって被覆されているので、電解液によってＰＴＣ素子が劣化することを防止することができる。このＰＴＣ素子が万が一正常に作動しなかったとき、温度上昇が進行するが、集電体を構成する樹脂フィルムが溶融するので、電流回路が遮断される。即ち、二重の電池保護機能を備えた電池極板を構成することができる。また、集電体を樹脂フィルムを基材として構成することができるので、電池極板としての軽量化を図ることができ、携帯電子機器等の電源として好適な重量エネルギー密度の高い電池を得ることができる。
【００１９】
上記各構成になる電池極板は、正極板及び負極板が両極板の間にセパレータを配して巻回することにより、極板内部の温度上昇が速やかにＰＴＣ素子に伝熱するので、温度上昇に伴うＰＴＣ素子の作動が確実になされる。
【００２０】
また、ＰＴＣ素子は、巻回される正極板又は負極板の内面側に配設することにより、極板の温度が外部放散される以前にＰＴＣ素子に伝熱するので、温度上昇に伴うＰＴＣ素子の作動が確実になされる。
【００２１】
また、本願第３発明に係る電池は、集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板または負極板の前記集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板に電気的接続するための正極リードまたは負極板に電気的接続するための負極リードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極とＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されて電池極板が形成され、この電池極板が電解液を注入して封口される外装体内に収容され、前記ＰＴＣ素子の他方電極に接合されたリード及び前記正極集電体または負極集電体に接続されたリードもしくは各リードに接続された正極及び負極の外部接続端子となる部位を外部露出させてなることを特徴とする。
【００２２】
上記電池によれば、ＰＴＣ素子を備えて電池極板が構成されているので、短絡や過充電などの電気的原因や外部加熱等の熱的原因によって極板が温度上昇したとき、その温度は速やかにＰＴＣ素子に伝熱し、ＰＴＣ素子の作動により抵抗値が急増して過大電流を制限する動作や電池動作の停止により、温度上昇の進行を防止することができる。
【００２３】
また、本願第４発明に係る電池は、集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板及び負極板の少なくとも一方の集電体が樹脂フィルムの表面に導電性膜を形成して構成され、正極板または負極板の集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板に電気的接続するための正極リードまたは負極板に電気的接続するための負極リードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極とＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されて電池極板が形成され、この電池極板が電解液を注入して封口される外装体内に収容され、前記ＰＴＣ素子の他方電極に接合されたリード及び前記正極集電体または負極集電体に接続されたリードもしくは各リードに接続された正極及び負極の外部接続端子となる部位を外部露出させてなることを特徴とする。
【００２４】
上記電池によれば、極板は樹脂フィルムに金属薄膜を形成した集電体に活物質層を塗着させたものを用いているので、極板を軽量化するに伴う軽量化された電池を構成することができ、携帯電子機器等の電池電源として好適な重量エネルギー密度の高い電池が得られる。また、極板内にＰＴＣ素子が設けられているので、短絡などの電気的原因や外部加熱等の熱的原因によって極板が温度上昇したとき、その温度は速やかにＰＴＣ素子に伝熱し、ＰＴＣ素子の作動により抵抗値が急増して過大電流を制限する動作や電池動作の停止により、温度上昇の進行を防止することができる。また、ＰＴＣ素子が正常に作動しなかったときには、温度上昇の進行により集電体を構成する樹脂フィルムが溶融して電流が遮断されるので、電池が熱暴走に至ることが二重に防止される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施の形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２６】
本実施の形態は、主として携帯電子機器の電池電源に適用すべく軽量化を図ると共に、外部短絡や過充電あるいは高温状態などから電池を保護する機能を備えたリチウムイオン二次電池を実現するための電池極板と、この電池極板を用いて構成した扁平角形の二次電池について示すものである。
【００２７】
図１は、実施形態に係る電池極板Ａを構成する正極板１を展開状態で示すものである。正極板１は、図１（ｃ）にＢ−Ｂ線矢視断面として示すように、正極集電体１０の両面に正極活物質層１１を所定厚さに塗着して形成されている。前記正極集電体１０は、図１（ｄ）に拡大図示するように、ポリオレフィン樹脂を用いた樹脂フィルム３０の両面に金属薄膜（ここではアルミニウム）３１をスパッタリング法、蒸着法等の手段により成膜したものである。尚、樹脂フィルム３０の両面に形成される金属薄膜３１は、樹脂フィルム３０に形成されたスルーホールあるいは樹脂フィルム３０に含ませた金属粉等の導電材料により電気的に導通した状態に形成される。また、正極板１の一端側には、後述する手順によりシート状のＰＴＣ素子４が接合される。
【００２８】
図２は、実施形態に係る電池極板Ａを構成する負極板２を展開状態で示すもので、負極板２は図２（ｂ）にＣ−Ｃ線矢視断面として示すように、負極集電体２０の両面に負極活物質層２１を所定厚さに塗着して形成されている。前記負極集電体２０は、ポリオレフィン樹脂を用いた樹脂フィルム４０の両面に金属薄膜（ここでは銅）４１をスパッタリング法、蒸着法等の手段により成膜したものである。負極板２の他端側には、負極集電体２０に一端を接合して負極リード６が取り付けられている。
【００２９】
尚、電池の軽量化を図るためには、正極板１及び負極板２は上記構成が好ましいが、正極板１または負極板２のいずれか一方の集電体は、金属箔によって形成することもできる。
【００３０】
図３は、ＰＴＣ素子４を取付けた正極板１の形成手順を示すもので、図３（ａ）に示すように、正極集電体１０は樹脂フィルム３０の両面に金属薄膜３１が成膜され、一方の面の金属薄膜３１は樹脂フィルム３０の一端側に、ＰＴＣ接合部３１ａを突出形成することにより、逆コの字状に金属薄膜３１のない部位が形成される。前記ＰＴＣ接合部３１ａには、図３（ｂ）に示すように、シート状に形成されたＰＴＣ素子４がその一方電極で接合される。接合されたＰＴＣ素子４の周囲には、図３（ｃ）に示すように、耐電解液性の絶縁材料を塗布して絶縁被覆７が施される。次に、図３（ｄ）に示すように、ＰＴＣ接合部３１ａを除く金属薄膜３１上には正極活物質層１１が所定厚さに塗着される。更に、ＰＴＣ素子４の他方電極には、図３（ｅ）に示すように、ＰＴＣ素子４の他方電極を覆って正極リード５の一端が接合される。
【００３１】
前記絶縁被覆７の形成は、図４（ａ）に示すように、ＰＴＣ素子４の他方電極に正極リード５を接合した後、図４（ｂ）に示すように、ＰＴＣ素子４の全体及び正極リード５の接合端側を包み込んで耐電解液性の絶縁材料を塗布するようにすると、ＰＴＣ素子４をより確実に電解液から隔離することができる。但し、図４（ｃ）に示すように、絶縁被覆７を正極活物質層１１の厚さを越えないように形成することが好ましく、電池極板Ａとして巻回したときに隙間を発生させることなく、密に巻回することができる。
【００３２】
上記構成になる正極板１と負極板２とは、それらの間にセパレータ３を介在させ、正極板１はＰＴＣ接合部３１ａが形成された一端側を巻き始め側とし、負極板２は負極リード６が接合されていない一端側を巻き始め側として巻回され、図５に示すように、扁平な有底角筒に形成された電池缶に収容することができる扁平な電池極板Ａに形成される。このようにＰＴＣ素子４を接合した側を巻き始め側として巻回することにより、ＰＴＣ素子４は電池極板Ａの略中心部位に配設されるので、電池極板Ａの温度が伝熱されやすくなり、電池極板Ａの温度上昇を速やかに検出することができる。ＰＴＣ素子４の配設位置は、正極板１または負極板２の端部とするのが極板の反応面積を減少させることがないので、上記構成のように正極板１の端部に配設し、ＰＴＣ素子４の配設端側を巻き始めとして巻回すると、極板の温度上昇を速やかに検出することができる。逆にＰＴＣ素子４の配設端側を巻き終わり側として巻回すると、ＰＴＣ素子４を外側に配した電池極板Ａに構成され、電池が高温環境に曝された状態を検知するのに好適なものとなるが、極板が温度上昇した状態を検知するのに遅れが生じる恐れがあるので、巻回される内面側に配設するのが好ましい。
【００３３】
上記電池極板Ａは、図６に示すように、扁平な有底角筒に形成された電池缶１２内に挿入され、電池極板Ａから引き出されている正極リード５は封口板１３にそれと絶縁して取り付けられた正極端子１４に接合され、負極リード６は封口板１３に接合される。リード接合がなされた封口板１３は電池缶１２の開口端に溶接され、電池缶１２内が封口される。この後、封口板１３に形成された注液口１５から電池缶１２内に所定量の電解液が注入され、注液口１５は封栓１６により閉じられ、扁平角形の二次電池Ｂに形成される。
【００３４】
上記構成に用いられるＰＴＣ素子４は、炭素粒子等の導電性材料と高分子材料とを混合した導電性ポリマをシート状に形成し、その両面に金属箔からなる電極板を接合して所定形状サイズに切り出されたものである。温度が低い状態では導電性材料による導電パスにより両電極間の抵抗値はｍΩ台の低い状態にあるので、電池としての内部抵抗を増加させることは僅少である。短絡電流等の過大電流がＰＴＣ素子４に流れると、過大電流に伴う自己発熱により温度上昇し、ポリマの熱膨張により導電性材料による導電パスが切断されていき、緩やかな抵抗値の上昇を示し、所定温度に達したとき一気に抵抗値が増加するので、過大電流は制限されて短絡等による温度上昇は抑止される。この温度上昇に伴う抵抗値の増加は、過充電による温度上昇や周囲温度の温度上昇によっても生じるので、過充電状態の継続を阻止し、高温状態での電池使用を停止させることができる。
【００３５】
上記構成において、電池極板Ａ内に配設されたＰＴＣ素子４は電池極板Ａに充填される電解液中に浸された状態になるが、絶縁被覆７によってＰＴＣ素子４の導電性ポリマの部分は電解液と隔離されるので、電解液によって導電性ポリマが劣化してＰＴＣ素子４としての機能が低下することはない。
【００３６】
また、上記構成になる二次電池Ｂは、図７に回路図として示すように、正極回路と直列にＰＴＣ素子４が接続され、ＰＴＣ素子４は電池極板Ａ内に配設されているので、正極端子１４と負極端子（封口板１３及び電池缶１２）との間が何らかの原因によって短絡された外部短絡が生じた場合に、短絡による過大電流によりＰＴＣ素子４は温度上昇し、所定のトリップ温度を越えたとき抵抗値を急増させるので、短絡電流は制限されて電池が高温化することを防止する。また、充電回路等の故障によって過充電状態に陥ったとき、電池極板Ａの温度上昇は速やかにＰＴＣ素子４に伝熱するので、その温度が所定のトリップ温度を越えたとき、ＰＴＣ素子４は抵抗値を急増させるので、充電電流は制限されて過充電状態の継続による電池の破損が防止される。
【００３７】
ＰＴＣ素子４が抵抗値を急増させるトリップ温度は、高分子材料及び添加物の種類や量によって決定され、８０〜１２０℃に設定すると、二次電池Ｂの活物質が熱暴走を起こす１５０〜１８０℃に至る以前に電池回路を停止状態にすることができる。このＰＴＣ素子４による電池回路を停止させる動作が正常になされなかった場合、二次電池Ｂは熱暴走に至る恐れがあるが、本実施形態に係る電池極板Ａは正極及び／又は負極の集電体が樹脂フィルム３０，４０を基材として構成されているので、二重の電池保護機能が構成される。即ち、樹脂フィルム３０，４０として適用したポリオレフィン樹脂の融点が１３０〜１７０℃であるため、万が一ＰＴＣ素子４が正常に動作しなかった場合に、温度上昇が進行して電池極板Ａの温度が樹脂フィルム３０，４０の溶融温度にまで上昇すると、樹脂フィルム３０，４０の溶融により電池極板Ａの電流回路が遮断され、溶融熱により異常発熱が沈静化されるので、二次電池Ｂが破裂や発火に至ることが防止される。
【００３８】
次に、上記構成におけるＰＴＣ素子４及びその取付構造の有効性について、実施例構成の二次電池と比較対象とする比較例構成の二次電池について短絡テストを実施した結果を以下に示す。
【００３９】
正極板１は、厚さ１０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルム上に、図１に示す形状に０．５μｍ厚さのアルミニウム層を真空蒸着により形成して正極集電体１０を構成し、正極活物質としてＬｉＣｏＯ、導電材としてアセチレンブラック、結着剤としてフッ化ビニリデンを重量比で９４：４：２の割合で混合してペースト化したものを正極活物質層１１として前記正極集電体１０の両面にそれぞれ７０μｍの厚さに塗工したものを製作した。
【００４０】
負極板２は、厚さ１０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルム上に、図２に示す形状に０．５μｍ厚さの銅層を真空蒸着により形成して負極集電体２０を構成し、グラファイトに結着剤としてフッ化ビニリデンを重量比で９５：５の割合で混合してペースト化したものを負極活物質層２１として前記負極集電体２０の両面にそれぞれ７０μｍの厚さに塗工したものを製作した。
【００４１】
上記構成になる正極板１及び負極板２を幅５０ｍｍ、長さ２００ｍｍに形成し、実施例とする電池極板Ａには、正極板１に厚さ３０μｍで２０×２０ｍｍ角のＰＴＣ素子４をその一方電極で正極集電体１０に接合した。
【００４２】
この正極板１と負極板２とを厚さ２０μｍのポリエチレン製微多孔膜に形成したセパレータ３を介して重ね合わせ、実施例とする電池極板Ａは、ＰＴＣ素子４を接合した側を巻き始めとして巻回して電池極板Ａを形成した。
【００４３】
この電池極板Ａを電池缶１２に挿入し、リード接続を行った後、電池缶１２の開口端に封口板１３を溶接して封口し、注液口１５から電解液を注入して封栓１６で注液口１５を封じ、二次電池Ｂに構成した。電解液は、溶媒としてエチレンカーボネートとジエチレンカーボネートとを等量混合したものに、溶質として６フッ化リン酸ナトリウムを１モル／ｌの濃度で溶解したものである。
【００４４】
実施例▲１▼の二次電池Ｂは、ＰＴＣ素子４を被覆する絶縁被覆７として、フッ化ピッチを用いた。
【００４５】
実施例▲２▼の二次電池Ｂは、ＰＴＣ素子４を被覆する絶縁被覆７として、ポリエチレンを用いた。
【００４６】
実施例▲３▼の二次電池Ｂは、ＰＴＣ素子４を被覆する絶縁被覆７として、ポリエチレンテレフタレートを用いた。
【００４７】
比較例▲１▼として、ＰＴＣ素子４に絶縁被覆７を設けないで製作した電池極板を用いて二次電池を製作した。
【００４８】
比較例▲２▼として、ＰＴＣ素子４を設けないで製作した電池極板を用いて二次電池を製作した。
【００４９】
比較例▲３▼として、実施例▲１▼と同一の構成であるが、ＰＴＣ素子４を接合した側を巻き終わり側として巻回した電池極板を用いて二次電池を製作した。
【００５０】
上記実施例▲１▼▲２▼▲３▼及び比較例▲１▼▲２▼▲３▼に示した構成の二次電池をそれぞれ１００個製作し、短絡テストを実施して、３分後、１０分後に二次電池の表面温度が１００℃を越えた割合について検証した。この結果を、表１及び表２に示す。尚、表１は製作した二次電池を常温で３ヶ月保存した後、表２は雰囲気温度が８５℃の環境下で１週間保存した後に、それぞれ短絡テストを実施した場合である。
【００５１】
【表１】
【表２】
【００５３】
上記のような効果が得られる耐電解液性の絶縁被覆７として適用できる材料は、上記実施例に適用した材料の他、下記の材料を用いることができる。
【００５４】
ポリプロピレン、ポリメチルペンテンなどのオレフィン系ポリマー、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート、ポリアレレート、ポリカーボネートなどのエステル系ポリマー、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミドなどのエーテル系ポリマー、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンなどのスルホン系ポリマー、ポリアクリロニトリル、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂などのアクリロニトリル系ポリマー、ポリフェニレンサルファイドなどのチオエーテル系ポリマー、ポリスチレンなどの芳香族ビニル系ポリマー、ポリイミド、アラミド誦しなどの窒素含有ポリマー、ポリ４フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ化ポリマー、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素ポリマー、ポリメタクリル酸メチルなどのアクリル系ポリマーなどの有機化合物を用いることができる。これらは単独でも２種類以上を組み合わせたコポリマー、ポリマーアロイ、ポリマーブレンドなどとして用いることができる。また、加熱やＵＶ照射により重合固化して得られるポリマーを用いることもできる。また、真空脱気を行って材料中の空気を排除したピッチ、アスファルト等の瀝青剤を用いることもできる。
【００５５】
以上説明した実施形態の構成においては、ＰＴＣ素子４を正極板１に取り付け、正極回路と直列にＰＴＣ素子４が接続されるようにしているが、負極板２にＰＴＣ素子４を取り付け、負極回路と直列にＰＴＣ素子４が接続されるように構成しても、同様の作用効果が得られる。
【００５６】
また、二次電池Ｂはリチウムイオン二次電池に限定されるものではなく、他の種類の電池に同様の構成を適用することもできる。また、二次電池Ｂの外装体は実施形態の構成に示した金属製の電池缶１２に限定されるものではなく、例えば、金属箔を含むラミネートシートを用いて外装体を形成し、電解液としてゲル状のものを用いたリチウムポリマー電池に構成することもできる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明に係る電池極板は、極板にＰＴＣ素子が配設されているので、極板の発熱や外部加熱に伴う極板の温度上昇が速やかにＰＴＣ素子に伝熱し、電池が熱暴走に至る以前の温度でＰＴＣ素子が作動し、短絡等の電気的原因による過大電流を制限し、高温状態における電池動作を停止させることができる。このように極板にＰＴＣ素子を配設した場合にＰＴＣ素子は電解液に浸された状態になるが、絶縁材料により被覆されているので、ＰＴＣ素子の劣化を防止して経年変化を生じさせることなくＰＴＣ素子の機能を保つことができる。また、樹脂フィルムを基材として集電体を形成しているので電池極板として軽量化を図ることができ、これを用いた電池は携帯電子機器等の電池電源として軽量化されたものを提供することができる。また、ＰＴＣ素子の作動が正常になされなかった場合においては、温度上昇の進行により樹脂フィルムを基材として形成された集電体が溶融し、電池動作は停止して熱暴走に至る状態は沈静化される。従って、本発明に係る電池極板及びそれを用いた電池は、電池自体が二重に安全機能を備えたものに構成することができ、軽量化もあいまって携帯電子機器のように様々な環境下に曝される機器の電池電源として好適なものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る電池極板を構成する正極板を展開状態で示す（ａ）は平面図、（ｂ）（ｃ）は所要部位の断面図、（ｄ）は集電体の構成を示す断面図。
【図２】実施形態に係る電池極板を構成する負極板を展開状態で示す（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
【図３】正極板を製作する手順を順を追って示す平面図。
【図４】絶縁被覆の形成方法の別態様を示す平面図。
【図５】実施形態に係る電池極板の構成を示す斜視図。
【図６】同上電池極板を用いた二次電池の組み立てを説明する斜視図。
【図７】実施形態に係る二次電池の構成を示す回路図。
【符号の説明】
Ａ 電池極板
Ｂ 二次電池（電池）
１ 正極板
２ 負極板
４ ＰＴＣ素子
５ 正極リード
６ 負極リード
７ 絶縁被覆
１０ 正極集電体
１１ 正極活物質層
１２ 電池缶
１３ 封口板
１４ 正極端子
２０ 負極集電体
２１ 負極活物質層
３０、４０ 樹脂フィルム
３１、４１ 金属薄膜
Claims (7)
- 集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板または負極板の前記集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板及び負極板に電気的接続するための正極または負極のリードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極とＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されてなることを特徴とするＰＴＣ素子を備えた電池極板。
- 集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板及び負極板の少なくとも一方の集電体が樹脂フィルムの表面に導電性膜を形成して構成され、正極板または負極板の集電体の前記導電性膜に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板及び負極板に電気的接続するための正極または負極の各リードが前記ＰＴＣ素子の他方の電極とＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されてなることを特徴とするＰＴＣ素子を備えた電池極板。
- 正極板及び負極板が両極板の間にセパレータを配して巻回されてなる請求項１または２に記載のＰＴＣ素子を備えた電池極板。
- ＰＴＣ素子が、巻回される正極板または負極板の巻き始め側となる端部に配設されてなる請求項３に記載のＰＴＣ素子を備えた電池極板。
- ＰＴＣ素子が、巻回される正極板又は負極板の内面側に配設されてなる請求項３に記載のＰＴＣ素子を備えた電池極板。
- 集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板または負極板の前記集電体の所要部位に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板に電気的接続するための正極リードと負極板に電気的接続するための負極リードとが前記ＰＴＣ素子の他方の電極とＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されて電池極板が形成され、この電池極板が電解液を注入して封口される外装体内に収容され、前記ＰＴＣ素子の他方電極に接合されたリード及び前記正極集電体または負極集電体に接続されたリードもしくは各リードに接続された正極及び負極の外部接続端子となる部位を外部露出させてなることを特徴とするＰＴＣ素子を備えた電池極板を用いた電池。
- 集電体上に活物質層を塗着して形成される正極板及び負極板の少なくとも一方の集電体が樹脂フィルムの表面に導電性膜を形成して構成され、正極板または負極板の集電体の導電性膜に一方の電極を接合してＰＴＣ素子が配設され、前記ＰＴＣ素子を被覆して耐電解液性の絶縁材料が塗布形成され、正極板に電気的接続するための正極リードと負極板に電気的接続するための負極リードとが前記ＰＴＣ素子の他方の電極またはＰＴＣ素子が接合されていない極板の集電体から引き出されて電池極板が形成され、この電池極板が電解液を注入して封口される外装体内に収容され、前記ＰＴＣ素子の他方電極に接合されたリード及び前記正極集電体または負極集電体に接続されたリードもしくは各リードに接続された正極及び負極の外部接続端子となる部位を外部露出させてなることを特徴とするＰＴＣ素子を備えた電池極板を用いた電池。
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