JP2007533100A - 電池用安全素子及びこれを備えた電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】所定の圧力以上の圧力が加えられるときに電気回路が形成され、電池の充電状態を放電状態に切り換える電池用安全素子、該安全素子を備えた電池、及び圧力により電池が損傷される前に、圧力により安全素子に形成された電気回路を介して電池の充電状態を放電状態に切り換えることにより電池の安全性を調節する方法を提供する。
【解決手段】前記安全素子の具体的な例としては、第１の金属板と、第２の金属板、及び前記両金属板で挟み込まれ所定の圧力以上の圧力が加えられるときに通電性を発揮するフィルムとを備えてなり、前記第１の金属板は電池の正極に電気的に接続され、第２の金属板は負極に電気的に接続された安全素子が挙げられる。
本発明の安全素子が接続された電池では、圧力、釘、ニッパーなどによる外部からの衝撃が加えられる場合にも、その衝撃によりセルが損傷される前にセルの電流を安全素子に通電させ電池を放電させることにより、セルが損傷されることを抑えるか、少なくともセルが発火或いは爆発する現象が起こることを防止することができる。
【解決手段】前記安全素子の具体的な例としては、第１の金属板と、第２の金属板、及び前記両金属板で挟み込まれ所定の圧力以上の圧力が加えられるときに通電性を発揮するフィルムとを備えてなり、前記第１の金属板は電池の正極に電気的に接続され、第２の金属板は負極に電気的に接続された安全素子が挙げられる。
本発明の安全素子が接続された電池では、圧力、釘、ニッパーなどによる外部からの衝撃が加えられる場合にも、その衝撃によりセルが損傷される前にセルの電流を安全素子に通電させ電池を放電させることにより、セルが損傷されることを抑えるか、少なくともセルが発火或いは爆発する現象が起こることを防止することができる。
Description
本発明は、所定の圧力以上の圧力が加えられるときに電気回路が形成され、電池の充電状態を放電状態に切り換えられる電池用安全素子、及び該安全素子を備えた電池に係る。
近年、電子機器の無線化及びポータブル化が急速に進むにつれて、これらの駆動用電源として高容量及び高エネルギー密度を有する非水電解質二次電池の実用化が進められつつある。しかし、この種の非水電解質二次電池は、外部からの強い圧力や釘、ニッパーなどにより外部から衝撃が加えられる場合、セル内部が損傷され、セルが発火したり爆発したりするといった危険性がある。
特に、正極活物質は、電圧に敏感であるため、電池が充電され電圧が高ければ高いほど正極と電解液との反応性が強く、この結果、正極表面の分解、電解液の酸化反応が起こり、発火または爆発の危険性が大きくなる。
このような安全性の問題は、電池、特に非水電解質二次電池、例えばリチウム二次電池が高容量化しながらエネルギー密度が増大するにつれその重要性は益々高まっている。
本発明は、前記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、圧力、釘、ニッパーなどによる外部からの衝撃が加えられるときにおける電池の安全性を保障すべく、セルの外部または内部に安全素子を構成し、外部からの衝撃によりセルが損傷される前にセルの充電状態を下げる方法を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明は、安全素子を備える電池であって、前記安全素子は、所定の圧力以上の圧力が加えられるときに電気回路が形成され、電池の充電状態を放電状態に切り換えることを特徴とする電池を提供する。
また、本発明は、所定の圧力以上の圧力が加えられるときに電気回路が形成され、電池の充電状態を放電状態に切り換えられる電池用安全素子を提供する。
さらに、本発明は、圧力により電池が損傷される前に、圧力により安全素子に形成された回路を介して電池の充電状態を放電状態に切り換えることにより電池の安全性を調節する方法を提供する。
好適な前記安全素子は、第１の金属板と、第２の金属板、及び前記両金属板で挟み込まれ所定の圧力以上の圧力が加えられるときに通電性を発揮するフィルムとを備えてなり、前記第１の金属板は電池の正極に電気的に接続され、第２の金属板は負極に電気的に接続されることである。
発明の効果
本発明の安全素子を備える電池によれば、圧力、釘、ニッパーなどによる外部からの衝撃または圧力が加えられる場合にも、圧力によりセルが損傷される前にセルの電流を安全素子に通電させ電池を放電させることにより、セルが損傷されることを抑えるか、少なくともセルが発火或いは爆発する現象が起こることを防止することができる。
本発明の安全素子を備える電池によれば、圧力、釘、ニッパーなどによる外部からの衝撃または圧力が加えられる場合にも、圧力によりセルが損傷される前にセルの電流を安全素子に通電させ電池を放電させることにより、セルが損傷されることを抑えるか、少なくともセルが発火或いは爆発する現象が起こることを防止することができる。
従来では、電池の安全性の問題のため非水電解質二次電池、例えばリチウム二次電池においてエネルギー密度を増大させることに制限があったが、本発明の安全素子を備えれば、電池の安全性が確保されると共に作動充電電圧を上昇させることができるため、高エネルギー密度の電池を実現することができる。
以下、本発明に係る電池用安全素子及びこれを備えた電池の好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
本発明は、圧力、釘、ニッパーなどによる外部からの衝撃または圧力が電池に加えられる場合、これを検知してセルの充電状態を下げる方法として、外部からの衝撃または圧力が加えられるときに通電性を発揮する安全素子を電池に備えることを特徴とする。
本発明は、外部から衝撃または圧力が加えられるときに通電性を発揮する安全素子の非制限的な例として、所定以上の圧力が発生する場合に圧力の方向に電流を通電させる性質を有するフィルムを電流が流れ得る２枚の金属板（例えば、集電体）で挟み込んでなる安全素子を提供する（図１参照）。
このとき、所定以上の圧力が発生する場合に電流を通電させる性質を有するフィルム（ＰＳＣＦ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｆｉｌｍ）の非制限的な例として、異方性導電フィルム（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ；ＡＣＦ）などが挙げられる。
ＡＣＦとは、厚さ１５〜３５μｍの絶縁接着剤に粒径３〜１５μｍを有する微細な伝導性粒子からなる導電ボールが分散されてなる粘着フィルムをいう。このとき、ＡＣＦを構成する粘着フィルムの厚さ及び伝導性粒子の粒径の大きさによって本発明の思想が限定されることではない。前記伝導性粒子としては、各種があるが、炭素ファイバや金属（Ｎｉ、Ｓｏｌｄｅｒ）及び金属（Ｎｉ／Ａｕ）−被覆されたプラスチックボールなどが挙げられる。これは、本発明の実施例において提示した通りに圧力を加え通電を生じさせるＰＳＣＦを通称することではない。本発明で説明したように圧力を加えて通電を生じさせるフィルムであればいずれも本発明の原理に適用できることが当該分野における通常の知識を有する者であれば分かる。
粘着物質の種類としては、熱可塑性物質（スチレンブタジエンゴム、ポリビニルブチレン）、熱硬化性物質（エポキシ樹脂、ポリウレタン、アクリル樹脂）、及び熱可塑性物質と熱硬化性物質との混合物質が挙げられる。
一方、本発明において使用可能な金属板の材料としては、電気伝導性を有するものであればいずれも使用可能である。例えば、アルミニウム金属、銅金属、ニッケル金属などがある。
前記金属板は、熱伝導性にも優れていればよく、これにより平常時または特殊な状況でも電池内部の熱が端子を介して熱伝導性の金属板に伝わって分散できる。
以下、本発明により外部から衝撃または圧力が加えられるとき、所定以上の圧力が加えられれば通電性を発揮する安全素子を備えた電池の作用機転を、図面を参照して説明することにする。
本発明の安全素子は、第１の金属板と、第２の金属体、及び前記両金属板で挟み込まれ所定の圧力以上の圧力が加えられるときに通電性を発揮するフィルムとを備えてなり、当該安全素子の一例として、図１では集電体が前記金属板の役割を果たし、ＡＣＦが前記通電性を発揮するフィルムの役割を果たす。
ＡＣＦは、平常時には電流が通電しない不導体として働き、所定以上の圧力が発生すれば圧力の方向に電流を通電させる性質をもつ。
図１に示すように、ＡＣＦの両面に配される二枚の金属板のうち第１の金属板（集電体）は、電池の正極に電気的に接続されており、第２の金属板（集電体）は、電池の負極に電気的に接続されている。
このとき、本発明の安全素子が接続された電池は、前記金属板に外部から圧力が加えられていないときは前記二枚の金属板がＡＣＦにより電気的に絶縁されているため、二枚の金属板の間を電流が流れることなく、電池は正常作動し充電状態を保持する。
一方、本発明の安全素子が接続された電池に外部からの衝撃などにより圧力が加えられるとき、その圧力が所定の圧力以上になれば、ＡＣＦが通電させる性質を発揮するため、前記二枚の金属板は、ＡＣＦを介して電気的に接続され電池を放電させることで電池内部の電圧を急降下させる。放電状態の電池は、外部からの圧力、釘、ニッパーなどによる衝撃を受ける場合にも発火或いは爆発することがない。従って、本発明は、圧力、釘、ニッパーなどによる外部からの衝撃により所定の圧力以上が金属板に加えられれば、セルが爆発する前にセルの充電状態を下げ、電池の安全性を向上することができる。
本発明の安全素子は、外部からの衝撃または圧力が加えられるときにおける主に電池に働く圧力の方向に直交するように設けられることが好ましい。
また、本発明の安全素子は、セルの外部または内部に設けてもよいが、外部に設けることが好ましい。
電池の外部に設けられた本発明の安全素子は、露出された状態で使用してもよく、また、電気的に絶縁性を有する高分子層で被覆して使用してもよい。
一方、図２に本発明の安全素子を電池に接続した状態を具体的に示している。
図２は、ポーチ形電池に本発明の安全素子を接続したことを示している。
一般に、ポーチ形電池は、積層型であって、一枚以上の正極板、及び前記正極板と交互に積層された一枚以上の負極板とを備えている。このとき、積層型電池は、一枚以上の正極板を接続しこれを電池の外部に接続する正極リードと、一枚以上の負極板を接続し電池の外部に接続する負極リードとが電池包装材の外部の電源に接続される構造となっている。
このとき、第１の金属板と、第２の金属板、及び前記両金属板で挟み込まれたＡＣＦとから構成された本発明の安全素子は、前記最外郭の正極板及び／または最外郭の負極板に共に積層されている。このとき、第１の金属板は、正極板の一部または正極リードまたは正極端子に電気的に接続されており、第２の金属板は、負極板の一部または負極リードまたは負極端子に電気的に接続されている。
このとき、本発明の安全素子は、電極の極板に直接隣接して積層してもよいが、電池包装材の外部に積層することで電気的にのみ正極、負極に接続することが好ましい。
図３は、缶形電池に本発明の安全素子を接続したことを示している。
一般に、缶形電池は、正極板と、負極板、及びセパレータ膜とからなる電極組立体を缶とキャップとからなる容器内に備えてなるものであり、前記容器は、一方の電極の電極端子の役割を果たし（図３では、正極端子の役割）、逆の電極の電極端子（図３では負極端子）が絶縁された状態で前記容器から突出している。
このとき、缶形電池の容器は、前記本発明の安全素子のうち第１の金属板の役割を果たすことができる。従って、本発明の安全素子の第２の金属板は、前記容器の少なくとも一面と平行に設けられ、その間にＡＣＦが介在し、前記第２の金属板の一部が前記逆の電極の電極端子に電気的に接続されている。
一方、本発明の安全素子が適用可能な電池としては、充電されている電池であればいずれでもよく、一次電池、二次電池のいずれも可能である。非制限的な例として、ａ）リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極と；ｂ）リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極と；ｃ）多孔性セパレータ膜；及びｄ）リチウム塩と電解液化合物を含む非水電解液とを含むリチウム二次電池が挙げられる。
前記非水電解液は、環状カーボネート及び／または線状カーボネートを含む。前記環状カーボネートの例を挙げれば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）などがある。前記線状カーボネートの例を挙げれば、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）及びメチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）からなる群より選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。
前記非水電解液に含まれるリチウム塩は、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、及びＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２からなる群より選ばれることが好ましい。
前記負極活物質としては、炭素、リチウム金属またはその合金を使用することが好ましい。その他、リチウムが吸蔵・放出でき、リチウムに対する電位が２Ｖ未満であるＴｉＯ２、ＳｎＯ２のような金属酸化物も使用可能である。
前記正極活物質としては、リチウム含有遷移金属酸化物が好ましく、例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎＯ２、及びＬｉＮｉ１−ＸＣｏＸＯ２（ここで、０＜Ｘ＜１）からなる群より選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。ＭｎＯ２のような金属酸化物或いはこれらの混合物からなる正極でもよい。
また、前記多孔性セパレータ膜の例として、ポリオレフィン系多孔性セパレータ膜が挙げられる。
本発明のリチウム二次電池は、通常の方法で負極と正極とで多孔性セパレータ膜を挟み込み、前記したＬｉＰＦ６などのリチウム塩と添加剤を含む非水電解液を投入して製造することができる。
以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。なお、実施例は、本発明を例示するためのものに過ぎなく、本発明を限定するものではない。
実施例１
図２に示すように、第１の金属板（正極集電体）と、第２の金属板（負極集電体）、及び前記両金属板で挟み込まれたＡＣＦとからなる本発明の安全素子を、ポーチ形態で製造された電池（ｃｅｌｌ）に、第１の金属板が正極に電気的に接続され、第２の金属板が負極に電気的に接続されるように取り付けた。使用したポーチ形電池における正極にはＬｉＣｏＯ２が、負極にはカーボンが使用され、電解液としてはＥＣ：ＥＭＣ（１：２）ベース組成を有する１ＭのＬｉＰＦ６溶液を使用した。
図２に示すように、第１の金属板（正極集電体）と、第２の金属板（負極集電体）、及び前記両金属板で挟み込まれたＡＣＦとからなる本発明の安全素子を、ポーチ形態で製造された電池（ｃｅｌｌ）に、第１の金属板が正極に電気的に接続され、第２の金属板が負極に電気的に接続されるように取り付けた。使用したポーチ形電池における正極にはＬｉＣｏＯ２が、負極にはカーボンが使用され、電解液としてはＥＣ：ＥＭＣ（１：２）ベース組成を有する１ＭのＬｉＰＦ６溶液を使用した。
前記電池を４．２Ｖに充電し、直径１ｃｍの棒で３ｍｍ／分の速度で本発明の安全素子に対し垂直方向に押圧してローカル・クラッシュ実験を行った。
前記実験の結果、ＡＣＦに加えられる圧力が上昇するに伴って電圧が０Ｖ近くまで急降下し、セルの爆発は起こらず安定し、発熱温度は約７０℃以下と非常に低かった（図４参照）。
実施例２
実施例１より悪条件下で実験するために電池を４．３Ｖまで充電したことを除き、実施例１と同じ方法で電池の製造及びローカル・クラッシュ実験を行った。
実施例１より悪条件下で実験するために電池を４．３Ｖまで充電したことを除き、実施例１と同じ方法で電池の製造及びローカル・クラッシュ実験を行った。
前記実験の結果、圧力が上昇するに伴って電圧が０Ｖ近くまで急降下し、セルの爆発は起こらず安定し、発熱温度も約７０℃以下と非常に低かった（図５参照）。
実施例３
実施例２より悪条件下で実験するために電池を４．４Ｖまで充電したことを除き、実施例１と同じ方法で電池の製造及びローカル・クラッシュ実験を行った。
実施例２より悪条件下で実験するために電池を４．４Ｖまで充電したことを除き、実施例１と同じ方法で電池の製造及びローカル・クラッシュ実験を行った。
前記実験の結果、圧力が上昇するに伴って電圧が０Ｖ近くまで急降下し、セルの爆発は起こらず安定し、発熱温度も約７０℃以下と非常に低かった（図６参照）。
比較例１
本発明の安全素子を取り付けなかったことを除き、実施例１と同じ方法で電池の製造及びローカル・クラッシュ実験を行った。
本発明の安全素子を取り付けなかったことを除き、実施例１と同じ方法で電池の製造及びローカル・クラッシュ実験を行った。
前記実験の結果、セルの爆発が起こり、爆発の前に電圧の降下は起こらず、爆発と同時に電圧の降下及び発熱が起こった。発熱温度も約６００℃以上と非常に高かった（図７参照）。
Claims (11)
- 安全素子を備える電池であって、
前記安全素子が、所定の圧力以上の圧力が加えられるときに電気回路が形成され、電池の充電状態を放電状態に切り換えることを特徴とする、電池。 - 前記安全素子が、第１の金属板と、第２の金属板、及び前記両金属板で挟み込まれ所定の圧力以上の圧力が加えられるときに通電性を発揮するフィルム（ＰＳＣＦ）とを備えてなり、前記第１の金属板は正極に電気的に接続され、第２の金属板は負極に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の電池。
- 前記フィルムが、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）であることを特徴とする、請求項２に記載の電池。
- 前記安全素子が、外部から衝撃が加えられるときにおける主に電池に働く圧力の方向に直交するように設けられることを特徴とする、請求項１に記載の電池。
- 前記電池が、リチウム二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の電池。
- 所定の圧力以上の圧力が加えられるときに電気回路が形成され、電池の充電状態を放電状態に切り換えられることを特徴とする、電池用安全素子。
- 第１の金属板と、第２の金属板、及び前記両金属板で挟み込まれ所定の圧力以上の圧力が加えられるときに通電性を発揮するフィルムとを備えてなる電池用安全素子であって、
前記第１の金属板は電池の正極に電気的に接続され、第２の金属板は負極に電気的に接続されることを特徴とする、請求項６に記載の電池用安全素子。 - 前記フィルムが、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）であることを特徴とする、請求項７に記載の安全素子。
- 前記金属板が、熱伝導性を有することを特徴とする、請求項７に記載の安全素子。
- 圧力により電池が損傷される前に、圧力により安全素子に形成された電気回路を介して電池の充電状態を放電状態に切り換えることにより電池の安全性を調節する方法。
- 前記安全素子が、第１の金属板と、第２の金属板、及び前記両金属板で挟み込まれ所定の圧力以上の圧力が加えられるときに通電性を発揮するフィルムとを備えてなり、前記第１の金属板は電池の正極に電気的に接続され、第２の金属板は負極に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載の電池の安全性を調節する方法 。
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