JP2007200717A - 電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】寿命時期を容易に診断することができる電池セルを提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池１００においては、袋状体１２０の接合部１２６が、袋状体１２０に密封された電極体１１０により発生する力より強い第１接合力で接合される。接合部１２６に設けられた通路１５０の内部は、第１接合力よりも小さく、かつ、袋状体１２０内部の電解液から発生したガスによる圧力により剥離可能な第２接合力で接合される。そのため、電解液から発生したガスの圧力により、袋状体１２０内部の空間に連通される通路１５０の端部１５２が剥離する。剥離した通路１５０に、発生したガスが流れ込み、通路１５０は剥離部分の先端まで膨らむ。
【選択図】図５

Description

本発明は、電池セルに関し、特に、電極と電解質とを収容する電池セルに関する。

従来より、ラミネートフィルムなどの可撓性の袋状体に電極と電解液とが封入されたリチウムイオン電池が知られている。このようなリチウムイオン電池においては、過充電および過放電などにより電解液が不可逆的に分解してガスが発生し、内圧が上昇するおそれがある。特開２００１−１５５７９０号公報（特許文献１）は、このようなガスが発生して内圧が上昇した場合に、袋状体の膨らみを抑える技術を開示する。

特許文献１に開示された非水電解質電池（リチウムイオン電池）は、ラミネートフィルムからなる外装材に電池素子が収容され、熱溶着により封入されてなる非水電解質電池において、外装材の最外層と電池素子との間に、ガス吸着性物質を有していることを特徴とする。

この公報に開示された発明によると、外装材の最外層と電池素子との間に、ガス吸着性物質を有しているので、電池が異常な状況（過充電や過放電）でガスが発生したとしても、ガス吸着性物質が発生ガスを吸着する。そのため、外装材の膨らみを抑えることができる。
特開２００１−１５５７９０号公報

ところで、リチウムイオン電池においては、電解液が不可逆的に分解されてガスが発生するため、電解液からガスが発生し続けると、リチウムイオン電池の電圧は極端に低下する。このとき、リチウムイオン電池は寿命と言える。このようなリチウムイオン電池が寿命となる前に、リチウムイオン電池の寿命時期を判断し、寿命時期が近い場合には、新たな電池と交換する必要がある。

しかしながら、特許文献１に開示されたリチウムイオン電池においては、リチウムイオン電池の寿命時期を判断する技術について、なんら開示されていない。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、電池の寿命時期を容易に診断することができる電池セルを提供することである。

第１の発明に係る電池セルは、一部が外部に突出する電極と電解質とを収容し、劣化により内部に流体を発生する電池セルであって、内部と連通し、劣化の前において閉じられ、劣化により内部に発生する流体により発生する力により内部側から順次開かれる通路を含む。

第１の発明によると、電池セルの内部に電極と電解質とが収容される。電池セルの劣化により内部に流体が発生する。たとえば、過充電や過放電などにより電解質が不可逆的に分解されて気体が発生する。これにより、電池セルの内部の圧力が上昇する。ここで、劣化により内部に発生する流体により発生する力（たとえば電解質から発生する気体により発生する圧力）により内部側から順次開かれる通路が、電池セルの内部に連通される。そのため、たとえば、劣化により内部に発生する流体により発生する力が予め定められた力になると、通路は内部側から開かれ、開かれた通路に流体が流れ込む。これにより、流体により発生する力が低下する。劣化によりさらに流体が発生し、流体により発生する力が再び予め定められた力になると、通路がさらに開かれる。このように、内部で発生した流体の量が多くなる（すなわち劣化が進行する）ほど、開かれた通路が長くなり、電池の寿命となる。そのため、電池の寿命時期を、内部に発生する流体により発生する力により開かれた通路の長さを視認することより容易に診断することができる。その結果、電池の寿命時期を容易に診断することができる電池セルを提供することができる。

第２の発明に係る電池セルにおいては、第１の発明の構成に加えて、通路は、電解質より発生した気体の圧力により内部側から順次開かれる。

第２の発明によると、通路は、電解質より発生した気体の圧力により内部側から順次開かれる。これにより、電池の寿命時期を、電解質より発生した気体の圧力により開かれた通路の長さを視認することより容易に診断することができる。

第３の発明に係る電池セルにおいては、第１または第２の発明の構成に加えて、電解質には、有機溶媒が用いられ、通路は、内部に連通する側と異なる側の端部が外部に連通する。

第３の発明によると、電解質には、有機溶媒が用いられる。通路は、内部に連通する側と異なる側の端部が外部に連通する。そのため、電池セルの内部で流体が発生し続けると、内部に連通する側と異なる側の端部が開かれて、電池セルの内部と外部とが連通される。これにより、大気中の水分が開かれた通路を通って有機溶媒を含む電解質に達する。そのため、電池の電圧が極端に低下し、電池の寿命となる。これにより、内部に連通する側と異なる側の通路の端部が開かれたか否かを視認することにより、電池の寿命時期を容易に判断できる。

第４の発明に係る電池セルにおいては、第１〜第３のいずれかの発明の構成に加えて、通路は、開かれた通路を変色させる物質を含む。

第４の発明によると、通路には、開かれた通路を変色させる物質が含まれる。そのため、通路が開かれた際に、変色する物質が変色する。これにより、たとえば、通路が半透明の物質で形成される場合、通路が開かれているか否かを、通路の変色した色で視認することができる。そのため、開かれた通路の視認性を向上させることができる。

第５の発明に係る電池セルにおいては、第１〜第４のいずれかの発明の構成に加えて、電池セルは、通路に沿った目盛りを有する。

第５の発明によると、袋状体は、通路に沿った目盛りを有する。そのため、開かれた通路の長さを通路に沿った目盛りで計ることができる。これにより、電池の寿命時期を正確に判断することができる。

第６の発明に係る電池セルは、第１〜第５のいずれかの発明の構成に加えて、可撓性の袋状体により電極と電解質とを収容し、袋状体の周囲において表面と裏面とを流体により発生する力よりも強い第１の接合力で接合した接合部を含み、通路は、接合部に設けられ、第１の接合力よりも小さく、かつ、流体により発生する力により剥離可能な第２の接合力で接合して閉じられる。

第６の発明によると、電極と電解質とが可撓性の袋状体の内部に収容される。袋状体の周囲において表面と裏面とが、流体により発生する力よりも強い第１の接合力で接合される。そのため、流体により発生する力により接合部が剥離することはないので、内圧が上昇する。ここで、第１の接合力よりも小さく、かつ、流体により発生する力により剥離可能な第２の接合力で接合して閉じられる通路が、接合部に設けられて内部に連通される。そのため、流体により発生する力が第２の接合力以上になると、通路の一端が剥離する。剥離した通路に流体が流れ込み、通路が膨らむ。これにより、袋状体内で発生した流体により発生する力は低下し、通路の剥離が止まる。さらに流体が発生して、袋状体内で発生した流体により発生する力が再び予め定められた力になると、通路の内部が再び剥離し、剥離した通路に流体が流れ込み、剥離した通路が膨らむ。このように、袋状体内で発生した流体の量が多くなるほど、剥離して膨らんだ通路が長くなる。袋状体内で発生した流体の量が多いほど、不可逆的に分解されている電解質の量は多くなり、電池の寿命となる。袋状体内で発生した流体の量は、膨らんだ通路の長さを視認することより把握できる。そのため、電池の寿命時期を、袋状体内で発生した流体により膨らんだ通路の長さを視認することより容易に診断することができる。

第７の発明に係る電池セルにおいては、第６の発明の構成に加えて、袋状体は、ラミネートフィルムを用いて形成される。

第７の発明によると、袋状体は、ラミネートフィルムを用いて形成される。そのため、ラミネートフィルムにより収容される電池の寿命時期を診断することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１ないし図４を参照して、本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池１００の構造について説明する。なお、本実施の形態においては、リチウムイオン二次電池１００を用いているが、これに限定されない。たとえば、リチウムイオン一次電池であってもよいし、他の二次電池、たとえばニッケル水素電池を使用してもかまわない。ただし、電池内部の電解液から発生する気体を、電解液が吸収できない電池（たとえばリチウムイオン電池）により好適に適用される。

図２、図３および図４は、それぞれ図１における２−２断面図、３−３断面図および４−４断面図である。

リチウムイオン二次電池１００は、電極体１１０と、電極体１１０を密封する袋状体１２０と、負極端子１３０および正極端子１４０と、通路１５０とを含む。

電極体１１０は、シート状の負極板、正極板およびセパレータ（いずれも図示せず）を積層して形成される。正極板の活物質には、コバルト酸リチウムが用いられ、負極板の活物質には炭素材料が用いられる。なお、正極板および負極板の活物質は、これに限定されない。負極板、正極板およびセパレータの中には、電解質として電解液が保持される。電解液には、有機溶媒が用いられる。たとえば、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートやエチルメチルカーボネートのような直鎖カーボネートの混合溶媒にリチウム塩を支持電解質として溶解したものが用いられる。電極体１１０は、過充電や過放電の状態になると、電解液が不可逆的に分解し、炭化水素や二酸化炭素などのガスを発生する。なお、電解質は電解液に限定されず、たとえば、ジェル状の電解質を用いてもよい。

袋状体１２０は、２枚の可撓性のラミネートフィルム１２２を用いて形成される。２枚のラミネートフィルムで電極体１１０、負極端子１３０および正極端子１４０を挟み、外周縁を接合した接合部１２６で袋状体１２０内部を密封する。

接合部１２６は、ラミネートフィルム１２２の周囲において、ラミネートフィルム１２２の表面と裏面とを第１接合材を用いて接合することにより形成される（図２および図４参照）。この第１接合材は、袋状体１２０に密封された電極体１１０により発生する力より強い第１接合力を有する。ラミネートフィルム１２２と負極端子１３０および正極端子１４０との接合部１２８（図３参照）も、第１接合材を用いて接合される。

負極端子１３０および正極端子１４０は、一端が電極体１１０に接続され、他端が袋状体１２０の外部に突出した平板形状を有する。

通路１５０は、電極体１１０内の電解液が発生するガスが流れ込む通路である。通路１５０は、一方の端部１５２が袋状体１２０内部の空間に、他方の端部１５４が袋状体１２０の外部にそれぞれ連通され、その他の部分は、接合部１２６および接合部１２８に囲まれている。通路１５０内部は、接合部１５６（図２および図４参照）および接合部１５８（図３参照）で接合される。

接合部１５６は、ラミネートフィルム１２２の表面と裏面とを、第１接合材を用いることなく、第２接合材を用いて接合することにより形成される。接合部１５８は、ラミネートフィルム１２２と正極端子１４０および負極端子１３０とを、第１接合材を用いることなく、第２接合材を用いて接合することにより形成される。この第２接合材は、接合部１２６が接合される第１接合力よりも小さく、かつ、電極体１１０内の電解液より発生したガスによる圧力が予め定められた圧力になった場合に剥離する第２接合力を有する。なお、発生するガスの量は電解液の材料の組合せや量などに依存するため、通路１５０の長さおよび幅は、実際に使用される電解液の材料の組合せや量などに対応させて決められる。

第１接合材や第２接合材を用いて接合される部分は、それぞれ第１接合力および第２接合力で接合されていればよく、第１接合材および第２接合材を用いて接合されることに限定されない。

以上のような構造に基づく本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池１００の作用について、図５ないし図８を参照して説明する。図６、図７および図８は、それぞれ図５における６−６断面図、７−７断面図および８−８断面図を示す。

リチウムイオン二次電池１００が、その充電許容値を超えて充電され、過充電の状態となった場合を想定する。リチウムイオン二次電池１００においては、過充電の状態になると、電解液が不可逆的に分解し、ガスが発生する。ここで、袋状体１２０の内部は、２枚のラミネートフィルム１２２の表面と裏面とを第１接合材を用いて第１接合部１２６で接合して密封される。このように袋状体１２０の内部が密閉されているため、ガスの発生により袋状体１２０の内部の圧力が上昇する。このとき、第１接合材が袋状体１２０に密封された電極体１１０により発生する力より強い第１接合力を有するため、ガスの発生により袋状体１２０の内部の圧力が上昇しても、第１接合材を用いて接合された接合部１２６および接合部１２８が剥離することはない。

一方、通路１５０の一方の端部１５２が、袋状体１２０内部の空間に連通される。通路１５０内部は、接合部１２６が接合される第１接合力よりも小さく、かつ、発生したガスによる圧力が予め定められた圧力になった場合に剥離する第２接合力を有する第２接合材を用いて接合される。そのため、ガスの発生により袋状体１２０の内部の圧力が予め定められた圧力になると、通路１５０の一方の端部１５２が剥離する（図６参照）。剥離した通路１５０に、発生したガスが流れ込み、剥離した部分が膨らむ。これにより、袋状体１２０の内部の圧力が予め定められた圧力より低下し、通路１５０の剥離が止まる。

さらにガスが発生し、袋状体１２０の内部の圧力が再び予め定められた圧力になると、通路１５０がさらに剥離し、ラミネートフィルム１２２と正極端子１４０との接合部１５８にガスが達する。第１接合材を用いて接合された接合部１２８に囲まれた接合部１５８も、第２接合力を有する接合材で接合されるため、剥離して膨らむ（図７参照）。

ガスの発生により袋状体１２０の内部の圧力が予め定められた圧力になるたびに、通路１５０の剥離が繰返され、電解液から発生したガスの量が多くなるほど、剥離して膨らんだ通路１５０が長くなる。発生したガスの量が多いほど、不可逆的に分解されている電解液の量が多くなり、リチウムイオン二次電池１００は寿命となる。発生したガスの量は、膨らんだ通路１５０の長さを視認することより把握できる。そのため、リチウムイオン二次電池１００の寿命時期を、膨らんだ通路１５０の長さを視認することより容易に診断することができる。

さらにガスが発生すると、袋状体１２０の外部に接する通路１５０の他方の端部１５４が剥離し、袋状体１２０内部が剥離した通路１５０により袋状体１２０の外部に連通される。これにより、大気中の水分が剥離した通路１５０を通って有機溶媒が用いられる電解液に達する。そのため、リチウムイオン二次電池１００の電圧が極端に低下する。すなわち、通路１５０の端部１５４が剥離したときが、リチウムイオン二次電池１００の寿命時期と言える。そのため、通路１５０の端部１５４が剥離したか否かを視認することによっても、リチウムイオン二次電池１００の寿命時期を容易に判断できる。

以上のように、本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池においては、過充電などによりガスが発生した場合、袋状体内部の圧力が予め定められた圧力になると、通路のが剥離して膨らむ。剥離して膨らんだ通路の部分を視認することで、リチウムイオン二次電池の寿命時期を判断することができる。

＜第２の実施の形態＞
図９を参照して、本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池２００について説明する。リチウムイオン二次電池２００において、袋状体２２０の接合部２２６に通路２５０が設けられる。通路２５０は、第１の実施形態に係る通路１５０に比べて、通路２５０の内部に、通路２５０の内部が剥離することにより変色する物質２１０が塗布されている。また、袋状体２２０は、第１の実施形態に係る袋状体１２０に比べて、通路２５０の端部２５４から予め定められた距離に、通路１５０に沿って袋状体２２０の表面に刻まれた目盛り２２２を有する。なお、物質２１０は、通路２５０の内部が剥離することにより変色する物質に限定されない。たとえば電解液が発生するガス（たとえば炭化水素や二酸化炭素）と化学反応を起こして変色する物質であってもよい。

その他の構成については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は、ここでは繰返さない。

本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池２００において、電極体１１０が発生したガスにより、袋状体２２０の内圧が予め定められた圧力よりも大きくなると、通路２５０が剥離する。剥離して膨張した通路２５０内には、発生したガスが流れ込み、袋状体２２０内部にガスが充満する。通路２５０の内部には、通路２５０の内部が剥離することにより変色する物質２１０が塗布されている。これにより、剥離して膨張した通路２５０内が変色する。そのため、たとえば、ラミネートフィルム１２２が半透明である場合、通路２５０が剥離しているか否かを、通路２５０の膨らみに加え、通路２５０の変色した色で視認することができる。

さらに、袋状体２２０の表面には、通路１５０に沿って目盛り２２２が通路２５０の端部２５４から予め定められた距離に刻まれている。そのため、変色した通路２５０が目盛り２２２のどの部分に達しているかを目盛りで正確に計ることができる。これにより、リチウムイオン電池２００の寿命時期をより視認しやすくかつ正確に診断することができる。

＜第３の実施の形態＞
図１０を参照して、本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池３００について説明する。リチウムイオン二次電池３００には、袋状体３２０の接合部３２６に通路３５０が設けられる。通路３５０は、袋状体３２０と正極端子１３０および負極端子１４０との接合部分を通路の一部に含まない。通路３５０の一方の端部１５２が袋状体３２０内部の空間に接続され、他方の端部３５４が袋状体３２０の外部に接しており、その他の部分は、接合部３２６に囲まれている。その他の構成については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。

本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池３００においては、ガスの通路３５０が、袋状体３２０と正極端子１３０および負極端子１４０との接合部分を通路の一部に含まない。そのため、袋状体３２０と正極端子１３０および負極端子１４０との接合部分のすべてを第１接合力で接合できるという簡易な接合構造にすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

第１の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池を示す平面図（その１）である。 図１の２−２断面を示す図である。 図１の３−３断面を示す図である。 図１の４−４断面を示す図である。 第１の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池を示す平面図（その２）である。 図５の６−６断面を示す図である。 図５の７−７断面を示す図である。 図５の８−８断面を示す図である。 第２の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池を示す平面図である。 第３の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池を示す平面図である。

符号の説明

１００，２００，３００ リチウムイオン二次電池、１１０ 電極体、１２０，２２０，３２０ 袋状体、１２２ ラミネートフィルム、１２６，２２６，３２６ 第１接合部、１２８，１５８ 接合部、１３０ 負極端子、１４０ 正極端子、１５０，２５０，３５０ 通路、１５２，２５２，３５２ 通路の一方の端部、１５４，２５４，３５４ 通路の他方の端部、２１０ 物質、２２２ 目盛り。

Claims (7)

1. 一部が外部に突出する電極と電解質とを収容し、劣化により内部に流体を発生する電池セルであって、
   前記内部と連通し、前記劣化の前において閉じられ、前記劣化により内部に発生する前記流体により発生する力により前記内部側から順次開かれる通路を含む、電池セル。
2. 前記通路は、前記電解質より発生した気体の圧力により前記内部側から順次開かれる、請求項１に記載の電池セル。
3. 前記電解質には、有機溶媒が用いられ、
   前記通路は、前記内部に連通する側と異なる側の端部が外部に連通する、請求項１または２に記載の電池セル。
4. 前記通路は、前記開かれた通路を変色させる物質を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の電池セル。
5. 前記電池セルは、前記通路に沿った目盛りを有する、請求項１〜４のいずれかに記載の電池セル。
6. 前記電池セルは、
   可撓性の袋状体により前記電極と前記電解質とを収容し、
   前記袋状体の周囲において表面と裏面とを前記流体により発生する力よりも強い第１の接合力で接合した接合部を含み、
   前記通路は、前記接合部に設けられ、前記第１の接合力よりも小さく、かつ、前記流体により発生する力により剥離可能な第２の接合力で接合して閉じられる、請求項１〜５のいずれかに記載の電池セル。
7. 前記袋状体は、ラミネートフィルムを用いて形成される、請求項６に記載の電池セル。

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