JP2006269425A - 二次電池および二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁性とともに，構造的な安全性および信頼性が向上された二次電池を提供する。
【解決手段】本発明によれば，セパレータとセパレータを介在させて積層された正極および負極とを含む電極群２５と，酸化被膜を含む絶縁層１４４が表面に形成され，電極群が収容されるケース１４と，を含む二次電池３０が提供される。かかる二次電池によれば，電極群が収容されるケースの表面に酸化被膜を含む絶縁層が形成されることで，二次電池と外部の導電体との間の接触により生じる，二次電池の短絡または漏電を防止しうる。これにより，二次電池の絶縁性とともに，構造的な安全性および信頼性が向上されうる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明によれば，セパレータとセパレータを介在させて積層された正極および負極とを含む電極群２５と，酸化被膜を含む絶縁層１４４が表面に形成され，電極群が収容されるケース１４と，を含む二次電池３０が提供される。かかる二次電池によれば，電極群が収容されるケースの表面に酸化被膜を含む絶縁層が形成されることで，二次電池と外部の導電体との間の接触により生じる，二次電池の短絡または漏電を防止しうる。これにより，二次電池の絶縁性とともに，構造的な安全性および信頼性が向上されうる。
【選択図】図１
Description
本発明は，二次電池および二次電池の製造方法に係り，より詳細には，二次電池のケースの構造を改良した二次電池に関するものである。
二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は，充電が不可能な一次電池とは異なって，充電および放電が可能な電池である。単一セルからなる低容量二次電池は，携帯電話機，携帯型パーソナルコンピュータ，例えば，カムコーダ等の映像再生装置等の携帯可能な小型電子機器に使用される。複数セルがパック形態に連結された大容量二次電池は，ハイブリッド電気自動車等のモータ駆動用電源として幅広く使用されている。
このような二次電池は，多様な形状に製造されているが，代表的な形状としては，例えば円筒形や角形がある。
そして，このような二次電池は，比較的高出力を必要とする電気自動車等のモータ駆動用に使用することができるように，直列に連結されて大容量二次電池モジュールを構成する。
二次電池モジュールは，通常，直列に連結された複数の二次電池（以下，説明の便宜上，「単位電池」と称する。）からなる。
単位電池は，正極および負極がセパレータを介在させて積層された電極組立体と，電極組立体を収容する空間部が形成されたケースと，ケースに結合されて，これを密閉するキャップ組立体と，キャップ組立体から突出して，電極組立体に形成された正極および負極と各々に電気的に結合される正極端子および負極端子とを含む。
そして，各単位電池は，通常の角形電池の場合には，隣接する単位電池の正極端子と負極端子との間に設けられたナットを介して，各々の導電体が電気的に結合されることで，二次電池モジュールを構成する。
一方，単位電池は，充電および放電を繰返すことにより内部で発熱する。そして，二次電池モジュールは，数個〜数十個の単位電池が連結されて構成されるので，単位電池で生じる熱を容易に放熱する特性を有する必要がある。二次電池モジュールの放熱特性は，電池の性能を左右するほど重要な要素となる。
放熱効果が十分に得られなければ，単位電池で生じる熱が電池の内部温度を上昇させ，結果的に電池の性能を低下させる。
特に，二次電池モジュールが電動掃除機，電動スクータ，自動車（電気自動車またはハイブリッド電気自動車）等のモータ駆動用の大容量二次電池として用いられる場合には，二次電池モジュールは，比較的大きな電流で充放電されるので，使用状態に応じた単位電池の内部反応によって発熱して，相当な温度まで上昇する。単位電池の発熱は，電池の性能に影響を及ぼし，電池の性能を低下させる場合がある。よって，電池の性能を維持する上でも，二次電池モジュールの放熱特性が重要となる。
一般に，ケースは，単位電池で生じる熱を効率的に放熱させうる金属からなり，このような金属は，熱伝導性に優れるのみならず，電気伝導性にも優れる。
そして，複数の単位電池は，冷媒の流動通路となる隔壁を介在させて一列に配列され，ねじ加工された負極端子と正極端子との間に設けられたナットを介して，各々の導電体が電気的に結合されて，電池モジュールを構成する。
複数の単位電池を電池モジュールとして構成する場合には，隣接する単位電池のケース同士が導電体以外に隔壁等を介して電気的に結合されると，短絡が生じる恐れがある。また，単位電池の電解液が漏出し，隣接する単位電池同士がケースを介して電気的に結合されると，単位電池が機能不全を生じるという問題点がある。
そして，ケースの内側表面が電極群と電気的に結合されて，その状態でケースが隣接する電池以外に電子機器のハウジング等と電気的に結合されると，漏電が生じて単位電池の性能が低下するという問題点がある。
本発明は，上記問題点に鑑みてなされたものであり，その目的は，絶縁性とともに，構造的な安全性および信頼性が向上された，新規かつ改良された二次電池およびその製造方法を提供することにある。
本発明のある観点によれば，セパレータとセパレータを介在させて積層された正極および負極とを含む電極群と，酸化被膜を含む絶縁層が表面に形成され，電極群が収容されるケースと，を含む二次電池が提供される。
かかる二次電池によれば，電極群が収容されるケースの表面に酸化被膜を含む絶縁層が形成されることで，二次電池と外部の導電体との間の接触により生じる，二次電池の短絡または漏電を防止しうる。これにより，二次電池の絶縁性とともに，構造的な安全性および信頼性が向上しうる。
ここで，絶縁層は，酸化被膜に形成された有機物層または無機物層をさらに含むようにしてもよく，ケースの外側表面に形成されてもよい。
また，酸化被膜は，正極酸化被膜であるようにしてもよく，３０μｍ〜１００μｍの厚さに形成されてもよく，酸化アルミニウムからなるようにしてもよい。
なお，かかる二次電池は，モータ駆動用として用いられるようにしてもよい。
本発明の他の観点によれば，セパレータとセパレータを介在させた正極および負極とを積層して電極群を形成する段階と，電極群が収容されるケースに絶縁層を形成する段階と，ケースに電極群を収容してケースを密閉する段階と，を含む二次電池の製造方法が提供される。
かかる二次電池の製造方法によれば，電極群が収容されるケースの表面に酸化被膜を含む絶縁層が形成されることで，二次電池と外部の導電体との間の接触により生じる，二次電池の短絡または漏電を防止しうる二次電池を製造しうる。
ここで，絶縁層を形成する段階は，正極酸化処理によって正極酸化被膜を形成する段階を含むようにしてもよく，正極酸化被膜を有機物封孔処理する段階をさらに含むようにしてもよい。
また，正極酸化被膜は，３０μｍ〜１００μｍの厚さに形成されてもよく，低温硫酸法によって形成されてもよい。
以上説明したように，本発明によれば，絶縁性とともに，構造的な安全性および信頼性が向上された，二次電池およびその製造方法が提供される。
以下に，添付した図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１は，本発明の実施形態に係る二次電池３０を示した斜視図であり，図２は，図１の二次電池３０に関するＡ−Ａ線沿いの断面図である。
図１および図２を参照すれば，まず，大容量電池モジュールを構成する単位電池３０は，セパレータ１３とセパレータ１３を介在させて積層された正極１１および負極１２とを含む電極群２５と，電極群２５を収容する空間部が形成され，本体１４１に絶縁層１４４が形成されたケース１４と，ケース１４に結合されて，これを密閉するキャッププレート３３と，キャッププレート３３の外側に突出して，正極１１および負極１２と各々に電気的に結合される正極端子３１および負極端子３２とを含む。
そして，単位電池３０は，セパレータ１３とセパレータ１３を介在させて正極１１および負極１２とを積層して電極群２５を形成する段階と，電極群２５が収容されるケース１４に絶縁層１４４を形成する段階と，ケース１４に電極群２５を収容し，電極群２５と電気的に結合される電極端子３１，３２が設けられたキャッププレート３３を用いて，ケース１４を密閉する段階とを含む方法により製造される。
ここで，キャッププレート３３には，単位電池３０内で生じるガスによって，ケース１４が膨張して変形することを防止するために，一定圧力で開放される安全弁（不図示）が設けられる。
そして，正極１１は，薄板の金属箔，例えばアルミニウム箔等からなる正極集電体と，正極集電体の少なくとも一面に塗布された正極活物質とを含み，正極活物質は，例えばリチウム系酸化物を主成分とする。
負極１２は，薄板の金属箔，例えば銅箔等からなる負極集電体と，負極集電体の少なくとも一面に塗布された負極活物質とを含み，負極活物質は，例えば炭素材を主成分とする。
また，正極１１および負極１２は，電極集電体に電極活物質が塗布される塗布部と，活物質が塗布されない無地部１１ａ，１２ａとを含む。
そして，無地部１１ａ，１２ａは，高出力の二次電池の場合には，正極１１および負極１２の縦断方向に沿って正極１１および負極１２の側部に形成される。そして，正極１１および負極１２は，絶縁体であるセパレータ１３を介在させて積層され，巻回ロール等を用いて巻回ジェリーロール状の電極群２５を構成する。また，電極群２５は，角形のケース１４に収容されるようにプレス等の手段により平坦に加工される。
そして，ケース本体１４１は，例えば，アルミニウム，アルミニウム合金またはニッケルが鍍金されたスチールのような導電性金属からなり，その形状は，電極群２５が収容されるように内部空間部が形成された，例えば六面体の角形等に形成される。アルミニウムと合金可能な金属としては，クロム（Ｃｒ），マグネシウム（Ｍｇ），チタニウム（Ｔｉ），銅（Ｃｕ），鉄（Ｆｅ），マンガン（Ｍｎ），シリコン（Ｓｉ），亜鉛（Ｚｎ），それらの合金等が列挙されるが，それらに限定されるものではない。アルミニウム合金としては，例えば，市販品であるＡｌ３０，Ａｌ５０，Ａｌ６０等を使用することもできる。
絶縁層１４４は，ケース本体１４１を正極酸化処理して形成される正極酸化被膜１４２でありうる。正極酸化被膜１４２は，３０μｍ〜１００μｍの厚さに形成されうる。正極酸化被膜１４２が３０μｍより薄く形成された場合には，被膜が薄すぎて部分的に通電する恐れがあり，１００μｍより厚く形成された場合には，高温で亀裂が生じる恐れがある。一般に，正極酸化被膜を３０μｍ以上に形成することを硬質正極酸化処理（ｈａｒｄ ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）と称し，硬質正極酸化処理によりケース１４の表面に十分な厚さの正極酸化被膜が形成されてもよい。
ここで，正極酸化処理法は，酸電解液を含む電解槽中に正極および負極を浸漬して電気分解を行うことで，正極に酸化被膜を形成する処理方法である。正極にはアルミニウムを使用し，負極にはアルミニウムより低い酸化電位の金属を使用するようにしてもよい。このようなアルミニウムより低い酸化電位の金属としては，例えば亜鉛（Ｚｎ），鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ），銅（Ｃｕ），鉛（Ｐｂ）等が使用され，一般に鉛が使用される。酸電解液としては，例えば硫酸溶液，水酸溶液，または両者が混合された酸溶液を使用しうる。
本実施形態に係る正極酸化処理法としては，低温硫酸法が適用されうる。低温硫酸法によれば，硫酸（Ｈ２ＳＯ４）水溶液中でケース１４を正極として通電すると，負極では水素気体が発生し，正極では酸素気体が発生し，正極で発生した酸素気体がアルミニウムのケース１４と反応して，ケース本体１４１の表面に金属付着性を有する酸化被膜１４２が形成される。
低温硫酸法では，電解液による被膜の溶解を抑制するために，電解液の温度を低くし，電気分解により生じる熱を攪拌によって拡散させる。そして，低温硫酸法により形成された正極酸化被膜は，透明性が高く，染色性，耐蝕性および耐摩耗性に優れ，低温硫酸法により形成された硬質正極酸化被膜は，絶縁性に優れる。
本実施形態に係るケース本体１４１は，アルミニウムからなり，アルミニウムからなるケース１４の表面に低温硫酸法による正極酸化処理を施すと，酸化アルミニウム層からなる正極酸化被膜１４２が形成される。酸化アルミニウム層からなる正極酸化被膜１４２は，絶縁性に優れ，ケース１４を安定的に絶縁させうる。
そして，ケース１４に形成される酸化アルミニウム層には，複数の微細な気孔が形成され，そのような気孔は，ケース１４の絶縁性に悪影響を及ぼしうるので，絶縁層１４４を形成する段階には，正極酸化被膜１４２に形成された微細な気孔を封孔する段階を含む。
ここで，封孔処理としては，油脂や樹脂等の有機物の塗布，または，それらに浸漬させることによる，有機物封孔処理法が適用されうる。ただし，有機物封孔処理法は，あくまでも例示的な一処理法であり，正極酸化被膜１４２の絶縁性を向上させうる方法であれば，多様な封孔処理法が適用されうる。
絶縁層１４４は，酸化被膜１４２と，酸化被膜１４２に形成された有機物層または無機物層１４３と，を含む多重層として形成されうる。有機物層は，樹脂からなるようにしてもよく，樹脂の例としては，フッ素系樹脂，エポキシ樹脂，または両者の混合物が挙げられる。無機物層は，粉末状態の無機物をスラリー塗布して形成されてもよく，無機物としては，例えば酸化アルミニウム等が挙げられる。
上述のように，絶縁層１４４が形成されたケース１４に電極群２５を収容し，電極群２５と電気的に結合される端子３１，３２をキャッププレート３３に設ける。そして，キャッププレート３３がケース１４に結合されて，ケース１４を密閉して，単位電池３０が製造される。
図３は，本発明の実施形態に係る電池モジュール１００を示した斜視図である。図３を参照すれば，複数の単位電池３０が一列に配列され，単位電池３０の間には冷媒の流動通路として機能する隔壁３５が設けられる。
そして，単位電池３０の正極端子３１は，隣接する単位電池３０の負極端子３２と連結具３４を介して電気的に結合され，単位電池３０の負極端子３２は，隣接する単位電池３０の正極端子３１と連結具３４を介して電気的に結合される。
よって，複数の単位電池３０が連結具３４を介して直列に連結され，電極端子３１，３２と連結具３４との間以外が電気的に絶縁される必要があるので，単位電池３０のケース１４の表面には，絶縁層１４４が形成される。
絶縁層１４４は，上述のように，正極酸化処理法による正極酸化被膜１４２であり，正極酸化被膜１４２に有機物層または無機物層１４３がさらに形成されてもよい。
正極酸化被膜１４２は，例えば酸化アルミニウム層からなりうる。すなわち，ケース１４がアルミニウムからなり，アルミニウムからなるケース１４の表面が低温硫酸法により正極酸化処理されれば，酸化アルミニウム層からなる正極酸化被膜１４２が形成される。よって，ケース１４の表面に形成された酸化アルミニウム層（Ａｌ２Ｏ３）が絶縁性に優れるため，ケース１４を安定的に絶縁させうる。
また，正極酸化被膜１４２に形成される微細な気孔は，油脂や有機物等で封孔される。油脂や合成樹脂等の有機物を塗布，または，それらに浸漬させることによる，有機物封孔処理法が適用されうる。
正極酸化被膜１４２には，有機物層または無機物層１４３がさらに形成されてもよい。図３には，絶縁層１４４がケース本体１４１の外側表面にのみ形成される場合を示したが，ケース本体１４１の内側表面も同様な方法で絶縁処理されうる。
本実施形態に係るケース１４は，ケース本体１４１の外側表面に絶縁層１４４が形成されるため，隣接する単位電池３０のケース１４と金属性の隔壁３５を介して連結されても，通電を生じる恐れがなく，充電および放電中に電解液が漏出しても，単位電池３０のケース本体１４１の外側表面に形成された絶縁層１４４が通電を防止することにより，漏電および短絡の発生を防止しうる。また，これにより，単位電池３０の構造的な安全性および信頼性を向上させうる。
本実施形態に係る二次電池は，ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車），ＥＶ（電気自動車），無線掃除機，電動自転車，電動スクータ等のモータを使用して作動する機器において，当該機器のモータ駆動用の動力源として使用されうる。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１１ 正極
１２ 負極
１３ セパレータ
１４ ケース
１４１ ケース本体
１４２ 正極酸化被膜
１４４ 絶縁層
２５ 電極群
３０ 単位電池
３１ 正極端子
３２ 負極端子
３３ キャッププレート
３４ 連結具
３５ 隔壁
１２ 負極
１３ セパレータ
１４ ケース
１４１ ケース本体
１４２ 正極酸化被膜
１４４ 絶縁層
２５ 電極群
３０ 単位電池
３１ 正極端子
３２ 負極端子
３３ キャッププレート
３４ 連結具
３５ 隔壁
Claims (12)
- セパレータと前記セパレータを介在させて積層された正極および負極とを含む電極群と，
酸化被膜を含む絶縁層が表面に形成され，前記電極群が収容されるケースと，
を含むことを特徴とする，二次電池。 - 前記絶縁層は，前記酸化被膜に形成された有機物層または無機物層をさらに含むことを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
- 前記酸化被膜は，正極酸化被膜であることを特徴とする，請求項１または２に記載の二次電池。
- 前記正極酸化被膜は，３０μｍ〜１００μｍの厚さに形成されることを特徴とする，請求項３に記載の二次電池。
- 前記正極酸化被膜は，酸化アルミニウムからなることを特徴とする，請求項３に記載の二次電池。
- 前記絶縁層は，前記ケースの外側表面に形成されることを特徴とする，請求項１または２に記載の二次電池。
- 前記二次電池は，モータ駆動用として用いられることを特徴とする，請求項１または２に記載の二次電池。
- セパレータと前記セパレータを介在させた正極および負極とを積層して電極群を形成する段階と，
前記電極群が収容されるケースに絶縁層を形成する段階と，
前記ケースに前記電極群を収容して前記ケースを密閉する段階と，
を含むことを特徴とする，二次電池の製造方法。 - 前記絶縁層を形成する段階は，正極酸化処理によって正極酸化被膜を形成する段階を含むことを特徴とする，請求項８に記載の二次電池の製造方法。
- 前記絶縁層を形成する段階は，前記正極酸化被膜を有機物封孔処理する段階をさらに含むことを特徴とする，請求項９に記載の二次電池の製造方法。
- 前記正極酸化被膜は，３０μｍ〜１００μｍの厚さに形成されることを特徴とする，請求項９に記載の二次電池の製造方法。
- 前記正極酸化被膜は，低温硫酸法によって形成されることを特徴とする，請求項９に記載の二次電池の製造方法。
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