JP2011071052A - Lithium-ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極と負極とをセパレータを介して軸芯周りに捲回した電極群を扁平状の電池容器に収容したリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery in which an electrode group in which a positive electrode and a negative electrode are wound around an axis through a separator is accommodated in a flat battery container.
リチウムイオン二次電池は他の二次電池と比較してエネルギー密度が高いため、昨今では主にデジタルカメラやノート型パソコン、携帯電話などのポータブル機器に多く使用されている。
また近年は環境問題に対応すべく、電気自動車用や電力貯蔵用を目的とする、大型のリチウムイオン二次電池の研究開発が活発に行われている。特に、自動車産業界においては、動力源としてモータを用いる方式の電気自動車や内燃機関とモータとの両方を用いるハイブリッド方式の電気自動車の開発が進められており、その一部はすでに実用化されている。
Since lithium ion secondary batteries have a higher energy density than other secondary batteries, they are now mainly used in portable devices such as digital cameras, notebook computers and mobile phones.
In recent years, research and development of large-sized lithium ion secondary batteries for the purpose of electric vehicles and power storage have been actively conducted in order to cope with environmental problems. In particular, in the automobile industry, the development of electric vehicles using a motor as a power source and hybrid electric vehicles using both an internal combustion engine and a motor are underway, some of which have already been put into practical use. Yes.
電気自動車用の電源にリチウムイオン二次電池を用いる場合には、所定容量を有する複数のリチウムイオン二次電池を直列に接続することで高電圧が確保される。しかしながらリチウムイオン二次電池は、過充電状態に陥ると、内部に収容された電解液が気化して電池圧力が高まり安全性が低下するので、これを避けるために、リチウムイオン二次電池は、充電時等の電池電圧を制御する電圧コントローラと共に電源システムとして用いられる。 When a lithium ion secondary battery is used as a power source for an electric vehicle, a high voltage is secured by connecting a plurality of lithium ion secondary batteries having a predetermined capacity in series. However, when the lithium ion secondary battery falls into an overcharged state, the electrolyte contained therein is vaporized and the battery pressure is increased and the safety is lowered.To avoid this, the lithium ion secondary battery is It is used as a power supply system together with a voltage controller that controls battery voltage during charging.
しかしながら、大型のリチウムイオン二次電池を、電気自動車用電源に使用する場合には、電圧コントローラが故障したときの過充電時や不慮の衝突事故によるクラッシュ時の外部短絡時等により電池が異常状態に陥ったときの挙動が、人体に被害を与えないことは当然のことながら、自動車への損害を最小限に抑えることが重要な課題となってきている。 However, when a large lithium ion secondary battery is used as a power source for an electric vehicle, the battery is in an abnormal state due to an overcharge when the voltage controller fails or an external short circuit due to a crash due to an accidental collision. As a matter of course, the behavior when it falls into a vehicle does not damage the human body, and minimizing damage to the automobile has become an important issue.
電気自動車用電源のためのリチウムイオン二次電池は、大電流充電、大電流放電がなされるので、小型民生用のリチウムイオン二次電池で一般的に採用されているような、電池の内部圧力上昇に応じて作動する電流遮断機構を電池容器の内部に設けることは技術的に難しい。 Lithium ion secondary batteries for electric vehicle power supplies are charged with large currents and discharged with large currents, so the internal pressure of the battery is generally used in small consumer lithium ion secondary batteries. It is technically difficult to provide a current interruption mechanism that operates in accordance with the rise inside the battery container.
また、小型民生用、特に携帯電話用のリチウムイオン二次電池で採用されているような、熱を感知して抵抗を増加させるいわゆるPTC素子などは、高出力・高入力を要求される電気自動車用のリチウムイオン二次電池の場合では、平常時において抵抗体となってしまうため不向きである。このため、リチウムイオン二次電池自体に対する構造上の安全性、すなわち、機構的な安全性の要求が高まっている。 In addition, so-called PTC elements that detect heat and increase resistance, such as those used in lithium-ion secondary batteries for small consumers, especially mobile phones, are electric vehicles that require high output and high input. In the case of a lithium ion secondary battery for use, it is not suitable because it becomes a resistor in normal times. For this reason, there is an increasing demand for structural safety, that is, mechanical safety for the lithium ion secondary battery itself.
そこで、特許文献1記載の扁平型リチウムイオン二次電池では、軸芯まわりに正極と負極とをセパレータを介し捲回された電極群の外周に安全機構を設け、異常発熱時の安全対策を講じている。この安全機構は、電極群の外周に、電極群のセパレータよりも融点の低いセパレータを介して銅箔とアルミ箔とで構成される電極対を設け、電池の異常発この電極対のセパレータが電極群のセパレータよりも早く溶融し、短絡することによって電極内部に電流が流れるのを遮断し、安全性を向上している。
Therefore, in the flat lithium ion secondary battery described in
しかしながら、特許文献1の扁平型リチウムイオン二次電池は、電極群の外周に安全機構を配置するため、体積エネルギー密度が不利になってしまう。
However, the flat lithium ion secondary battery of
(1)請求項1の発明によるリチウムイオン二次電池は、正極板と、負極板と、前記正極板および負極板の間に介在して前記正極板と前記負極板とを絶縁するセパレータとを積層したシート層を軸芯の周りに捲回して構成される電極群と、前記電極群が収納され、外部正極端子および外部負極端子を有する電池容器とを備え、前記軸芯は、第1導体部材と、第2導体部材と、前記第1、第2導体部材の間に介在して前記第1、第2導体部材を絶縁する絶縁材とを備え、前記第1導体部材は前記負極板に接続され、前記第2導体部材は前記正極板に接続されることを特徴とする。
(2)請求項2の発明は、請求項1記載のリチウムイオン二次電池において、前記絶縁材は熱収縮性材料から作成され、基準温度以上に達したときの収縮量により前記第1導体部材と第2導体部材とが接触するようにしたことを特徴とする。
(3)請求項3の発明は、請求項1記載のリチウムイオン二次電池において、前記絶縁材は熱溶融性材料から作成され、基準温度以上に達したときの溶融により前記第1導体部材と第2導体部材とが接触するようにしたことを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、請求項1記載のリチウムイオン二次電池において、前記軸芯は前記セパレータで1周以上先行して捲回され、前記セパレータは熱収縮性樹脂で構成されることを特徴とする。
(5)請求項5の発明は、請求項4に記載のリチウムイオン二次電池において、前記セパレータは、前記電極群の捲回周方向(MD方向)について、摂氏120度における熱収縮率が2%以上であることを特徴とする。
(6)請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれかに1項に記載のリチウムイオン二次電池において、前記絶縁材の厚さが、200μm〜500μmであることを特徴とする。
(7)請求項7の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池において、前記絶縁材は、摂氏120度における熱収縮率が50%以上であることを特徴とする。
(8)請求項8の発明は、請求項1乃至7のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池において、前記絶縁材はポリエチレンにより形成されていることを特徴とする。
(9)請求項9の発明は、請求項1乃至8のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池において、前記軸芯は平板状の第1および第2の導体部材で形成され、前記絶縁材は、前記第1および第2の導体部材が互いに対向する側面に接着されていることを特徴とする。
(10)請求項10の発明は、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池において、負極外部端子は前記軸芯の第1導体部材に接続され、正極外部端子は前記軸芯の第2導体部材に接続されていることを特徴とする。
(11)請求項11の発明は、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池において、第1導体部材は負極板の負極集電部に、第2導体部材は正極板の正極集電部にそれぞれ接続され、正極集電部は正極接続板を介して正極外部端子に接続され、負極集電部60は負極接続板を介して負極外部端子に接続されていることを特徴とする。
(12)請求項12の発明は、請求項1乃至11のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池において、扁平形状に捲回された電極群を扁平形状の電池容器に収納したことを特徴とする。
(1) A lithium ion secondary battery according to the invention of
(2) The invention according to
(3) The invention of
(4) The invention of
(5) A fifth aspect of the present invention is the lithium ion secondary battery according to the fourth aspect, wherein the separator has a thermal shrinkage rate of 2 at 120 degrees Celsius in the winding circumferential direction (MD direction) of the electrode group. % Or more.
(6) A sixth aspect of the present invention is the lithium ion secondary battery according to any one of the first to fifth aspects, wherein the insulating material has a thickness of 200 μm to 500 μm.
(7) The invention of claim 7 is the lithium ion secondary battery according to any one of
(8) The invention of
(9) The invention according to
(10) The invention of
(11) The invention according to claim 11 is the lithium ion secondary battery according to any one of
(12) The invention of claim 12 is the lithium ion secondary battery according to any one of
本発明によれば、互いに絶縁した第1および第2の導体部材により電極群の軸芯を形成したので、体積エネルギ密度が不利になることなく安全性が向上したリチウムイオン二次電池を提供できる。 According to the present invention, since the axial core of the electrode group is formed by the first and second conductor members insulated from each other, it is possible to provide a lithium ion secondary battery with improved safety without disadvantageous volume energy density. .
本発明をハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車および電気自動車に搭載される扁平形リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。
[実施の形態]
Embodiments in which the present invention is applied to a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a flat lithium ion secondary battery mounted on an electric vehicle will be described.
[Embodiment]
一実施の形態の扁平形リチウムイオン二次電池は、図1に示す発電要素である電極捲20を絶縁袋(不図示)で覆いつつ扁平形の電池缶(不図示)に収納して構成される。電極群20は、図1に示すように、負極板30と、セパレータ80と、正極板40とを順に積層したシート層を軸芯10の周りに扁平形状に捲回したものである。
A flat lithium ion secondary battery according to an embodiment is configured such that an
図1、図2に示すように、正極板40は銅板に正極合剤41を塗布して構成され、負極板30はアルミニウム板に負極合剤31を塗布して構成されている。正極板40には、電極群20の捲回幅方向(TD方向)の一端部に、正極合剤41が塗布されない集電部70が形成されている。負極板30には、電極群20のTD方向の他端部に、負極合剤31が塗布されない集電部60が形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図1に示すように、正極板40および負極板30にそれぞれ形成された集電部60,70が電極群20のTD方向の反対側に突出されるように、正極板40と負極板30を配置し、かつ、正極板40と負極板30を相互に絶縁するように、セパレータ80を正極板40と負極板30との間に介在させて、正極板40、負極板30、およびセパレータ80を積層した。このように積層した正極板40、負極板30、およびセパレータ80のシート層を軸芯10の周囲に捲回して電極群20を得た。なお、軸芯10には、セパレータ80が1周ないしは複数周、先行して捲回してもよいし、先行捲回巻数をゼロしてもよい。
As shown in FIG. 1, the
図3に示すように、軸芯10は、銅を主材とする略L字状の第1の導体板(銅板)11と、アルミニウムを主材とする略L字状の第2の導体板(アルミニウム板)12と、導体板11と12の間隙に介在して導体板11と12を絶縁する熱収縮性の絶縁材13とを備える。第1の導体板11と第2の導体板12は、たとえば板厚1.5mm程度の薄い板材である。絶縁材13は、略L字状の導体板11および12を互いに逆向きに対向させた際に形成される折れ曲がり空間に対応した形状を呈している。絶縁材13の導体板11および12との接触面にアクリル樹脂系の粘着剤を塗布し、絶縁材13を介して導体板11と12とが張り合わされている。これによって、導体板11と12との間の絶縁を確保した3層構造の平板状の軸芯10を得た。
As shown in FIG. 3, the
第1の導体板11は負極板30の集電部60に、第2の導体板12は正極板40の集電部70にそれぞれ接続されている。電極群20の一端縁の正極集電部70を軸芯10の第2の導体板(アルミニウム板)12の端部に超音波溶接して接続し、電極群20の他端縁の負極集電部60を軸芯10の第1の導体板(銅板)11の端部に超音波溶接して接続する。
The first conductor plate 11 is connected to the
さらに、正極集電部70には正極接続板が超音波溶接にて接続され、正極接続板がリチウムイオン二次電池の正極外部端子(図示省略)に接続され、負極集電部60には、負極接続板が超音波溶接にて接続され、負極接続板がリチウムイオン二次電池の負極外部端子(図示省略)に接続される。したがって、正極外部端子は軸芯10を構成する第2の導体板12に接続され、負極外部端子は軸芯10を構成する第1の導体板11に接続される。換言すると、正極外部端子と負極外部端子は軸芯10の熱収縮性絶縁材13によって絶縁されている
Furthermore, a positive electrode connection plate is connected to the positive electrode
このように外部端子が接続された電極群20を絶縁袋(不図示)に収納し、これを扁平形のアルミニウム製の缶外装電池容器(図示省略)に挿入して、蓋と電池容器とをレーザー溶接にて接合する。正極および負極の外部端子は、蓋との絶縁を確保しつつ、アルミニウム製の蓋(図示省略)の一面上において所定の距離をあけて配置され、電池蓋上方に突出している。
The
アルミニウム製の蓋には電解液を注液する注液口(図示省略)が設けられている。注液口から所定量の非水電解液を注液した後、注液口蓋で封口される。電解液としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とジエチルカーボネート(DEC)の体積比1:1:1の混合溶液中に六フッ化リン酸リチウムを1mol/Lとなるように溶解したものを用いる。 The aluminum lid is provided with a liquid injection port (not shown) for injecting an electrolytic solution. After pouring a predetermined amount of non-aqueous electrolyte from the pouring port, it is sealed with a pouring port lid. As the electrolytic solution, for example, lithium hexafluorophosphate is 1 mol / L in a mixed solution of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 1: 1: 1. Use those dissolved in
このように構成された実施形態のリチウムイオン二次電池によれば次のような作用効果を奏することができる。
(1)電極群20が発熱して基準温度以上になり熱収縮性絶縁材13が収縮すると、導体板11と12が互いに接触する。その結果、正極外部端子と負極外部端子が導通し、電極群20の負極板30と正極板40との間に流れていた電流が遮断される。したがって、電極群20の発熱現象が解消される。
なお、絶縁材13の溶融により第1および第2の導体板11と12とが接触するように、絶縁材を選択してもよい。
According to the lithium ion secondary battery of the embodiment configured as described above, the following operational effects can be obtained.
(1) When the
The insulating material may be selected so that the first and second conductor plates 11 and 12 come into contact with each other by melting the insulating
(2)電極群20の外周に発熱安全機構を設ける必要がなく、もともと必要な軸芯に安全機構を設けた。したがって、特許文献1の従来例に比べて、体積エネルギー密度を低下させず、製造が容易であり、かつ安全性を向上させた扁平形リチウムイオン二次電池を提供することができる。
(2) It is not necessary to provide a heat generating safety mechanism on the outer periphery of the
次に本発明による扁平形リチウムイオン二次電池の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例1の電池についても併記する。 Next, examples of the flat lithium ion secondary battery according to the present invention will be described. In addition, it describes together about the battery of the comparative example 1 produced for the comparison.
実施例1〜20のリチウムイオン二次電池において、負極板30、正極板40はいずれも同一であり、次のように作製される。
負極板30は次のように作製した。負極活物質として非晶質炭素粉末100重量部に対して、結着剤として10重量部のポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFという。)を添加し、これに分散溶媒としてN−メチルビロリドン(以下、NMPという。)を添加、混練した負極合剤31を作製した。この負極合剤31を厚さ10μmの銅箔(銅板)の両面に無地の集電部60を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断し、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ70μmの負極板30を得た。
In the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 20, the
The
正極板40は次のように作製した。正極活物質としてマンガン酸リチウム(化学式LiMnO2)100重量部に対し、導電材としての10重量部の鱗片状黒鉛、結着剤としての10重量部のPVDFとを添加し、これに分散溶媒としてNMPを添加、混練した正極合剤41を作製した。正極合剤41を厚さ20μmのアルミニウム箔(アルミニウム板)の両面に無地の集電部70を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断し、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ90μmの正極板40を得た。
The
次に、軸芯10を種々変形して製作した実施例1〜20のリチウムイオン二次電池について説明する。
[実施例1]
図4(表1)に示すように、軸芯10における絶縁材13を、厚さを300μm、摂氏120度における熱収縮率が50%のポリエチレンによって形成した。セパレータ80は、摂氏120度におけるMD方向の熱収縮率が4%とし、先行捲回捲数を2周とした。
Next, lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 20 manufactured by variously modifying the
[Example 1]
As shown in FIG. 4 (Table 1), the insulating
[実施例2〜5]
図4(表1)に示すように、実施例2〜5の絶縁材13は、全て厚さ300μmであり、摂氏120度における熱収縮率を、実施例2で29%、実施例3で38%、実施例4で62%、実施例5で72%と変化させた。なお、先行捲回捲数その他の条件は実施例1と同様である。実施例1では、摂氏120度における熱収縮率が50%である。
[Examples 2 to 5]
As shown in FIG. 4 (Table 1), the insulating
[実施例6〜10]
図4(表1)に示すように、実施例6〜10の絶縁材13は、摂氏120度における熱収縮率を50%とし、厚さを、実施例6で100μm、実施例7で200μm、実施例8で400μm、実施例9で500μm、実施例10で600μmと変化させた。なお、先行捲回捲数その他の条件は実施例1と同様である。実施例1では、絶縁材13の厚さを300μmとした。
[Examples 6 to 10]
As shown in FIG. 4 (Table 1), the insulating
[実施例11および12]
図4(表1)に示すように、実施例1の絶縁材13を使用し、先行捲回捲数を、実施例11で0周、実施例12で1周と変化させた。なお、実施例1の先行捲回捲数は2周であるが、その他の条件は実施例1と同様である。
[Examples 11 and 12]
As shown in FIG. 4 (Table 1), the insulating
[実施例13〜16]
図4(表1)に示すように、実施例1の絶縁材13を使用し、セパレータ80の摂氏120度におけるMD方向の熱収縮率を、実施例13で1%、実施例14で2%、実施例15で6%、実施例16で8%と変化させた。なお、その他の条件は実施例1と同様である。実施例1では、セパレータ80は、摂氏120度におけるMD方向の熱収縮率が4%である。
[Examples 13 to 16]
As shown in FIG. 4 (Table 1), using the insulating
[実施例17〜20]
図4(表1)に示すように、絶縁材13の材質を、実施例17でポリプロピレン(以下、PP)、実施例18でポリエチレンテレフタラート(以下、PET)、実施例19でポリフェニレンサルファイド(以下、PPS)、実施例20でテトラフルオロエチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体からなる樹脂(以下、PFA)と変化させた。なお、その他の条件は実施例1と同様である。実施例1の絶縁材13はポリエチレンである。
[Examples 17 to 20]
As shown in FIG. 4 (Table 1), the insulating
[比較例1]
図4(表1)に示すように、軸芯10を図3の構成に替えて、厚さ1.5mmのポリプロピレン製の一枚の板によって形成した。これによって、絶縁材13の熱収縮による導体板11と12の短絡の効果は生じない。なお、その他の条件は実施例1と同様である。
[試験・評価結果]
[Comparative Example 1]
As shown in FIG. 4 (Table 1), the
[Test and evaluation results]
以上の実施例1〜20、比較例1の各リチウムイオン二次電池について、3時間率(3CA)の電流値で電池に異常現象が生じるまで充電する過充電試験を実施し、試験中の電池容器表面の最高到達温度を測定した。 For each of the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 20 and Comparative Example 1 described above, an overcharge test in which charging is performed until an abnormal phenomenon occurs in the battery at a current value of 3 hours rate (3CA) is performed. The highest temperature reached on the container surface was measured.
図5は、実施例1〜20と比較例1の評価一覧表である。図5(表2)における総合評価は以下のとおりである。
(1)試験数(n=5)内での最高到達温度が摂氏150度未満であり、最高到達温度のバラつきが摂氏10度未満であり、かつ不良率が0%のものを「◎」(優良)と評価した。
(2)試験数内での最高到達温度が摂氏150度未満、あるいは、最高到達温度のバラつきが摂氏10度未満のいずれかの一方を満たし、かつ不良率が0%のものを「○」(良)と評価した。
FIG. 5 is an evaluation list of Examples 1 to 20 and Comparative Example 1. The overall evaluation in FIG. 5 (Table 2) is as follows.
(1) When the maximum temperature reached within the number of tests (n = 5) is less than 150 degrees Celsius, the variation in the maximum temperature reached is less than 10 degrees Celsius, and the defect rate is 0%, “◎” ( Excellent).
(2) If the maximum temperature reached less than 150 degrees Celsius within the number of tests or the variation in maximum temperature reached less than 10 degrees Celsius and the defect rate is 0%, It was evaluated as “good”.
(3)試験数内での最高到達温度が摂氏150度以上であり、最高到達温度のバラつきが摂氏10度以上であり、かつ不良率が0%以上のものを「△」(問題有)と評価した。
(4)試験数内での最高到達温度が測定限界の摂氏400度を越え、大量の煙を放出したものを「×」(不良)と評価した。
(3) “△” (problem) means that the highest temperature achieved within the number of tests is 150 degrees Celsius or higher, the variation in maximum temperature reached is 10 degrees Celsius, and the defect rate is 0% or higher. evaluated.
(4) When the maximum temperature reached within the number of tests exceeded the measurement limit of 400 degrees Celsius and a large amount of smoke was emitted, it was evaluated as “x” (bad).
上述した過充電試験を行ったところ、図5(表2)に示すように、軸芯をポリプロピレン製の一枚の板によって形成した比較例1のリチウムイオン二次電池は激しく煙を噴出し、最高温度摂氏400度を超えた。 When the above-described overcharge test was performed, as shown in FIG. 5 (Table 2), the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 in which the shaft core was formed by a single plate made of polypropylene violently ejected smoke. The maximum temperature exceeded 400 degrees Celsius.
これに対して、図3に示すように第1および第2の導体板11,12を絶縁材13を介在させて構成した軸芯10を使用した実施例1〜20の電池では、発熱により軸芯10内の絶縁材13が熱収縮して第1の導体板11および第2の導体板12が接触、短絡する。これにより、正極外部端子→正極接続板→第2の導体板12→第1の導体板11→負極接続板→負極外部端子と電流が流れて、正極板40から負極板30へ流れる電流が遮断される。これによって発熱は止まり、最高到達温度も摂氏190度以下となり、発煙の量も少なく、安全性の高いことが分かる。
On the other hand, in the batteries of Examples 1 to 20 using the
図6〜図10は、各実施例における過充電試験の結果をグラフにしたものをそれぞれ示す。
図6のグラフに示すように、熱収縮率が50%未満の実施例2、3のリチウムイオン二次電池においては、最高到達温度がそれぞれ摂氏183度、摂氏150度であった。これに対し、熱収縮が50%以上の実施例1、4、5は、最高到達温度がそれぞれ摂氏119度、摂氏113度、摂氏108度と低い。
6 to 10 are graphs showing the results of the overcharge test in each example.
As shown in the graph of FIG. 6, in the lithium ion secondary batteries of Examples 2 and 3 having a thermal shrinkage rate of less than 50%, the maximum reached temperatures were 183 degrees Celsius and 150 degrees Celsius, respectively. On the other hand, Examples 1, 4, and 5 having thermal shrinkage of 50% or more have low maximum temperatures of 119 degrees Celsius, 113 degrees Celsius, and 108 degrees Celsius, respectively.
また、実施例2、3のリチウムイオン二次電池は、最高到達温度のバラつきが15.4%、11.8%であったのに対し、実施例1、4、5のリチウムイオン二次電池では、バラつきは3.7%〜4.1%と小さい。 Further, the lithium ion secondary batteries of Examples 2 and 3 had variations in the maximum temperature reached of 15.4% and 11.8%, whereas the lithium ion secondary batteries of Examples 1, 4 and 5 Then, the variation is as small as 3.7% to 4.1%.
これは実施例2、3のリチウムイオン二次電池が、絶縁材13の熱収縮率が低いことにより導体板11および12の接触が遅くなり、あるいは十分な収縮が起こらなかったことに起因する。すなわち、軸芯10を熱収縮率がある程度高い素材の絶縁材料を用いることにより、発熱時に絶縁材13が収縮し、短時間で第1および第2の導体板11,12が接触して温度上昇を抑制できることがわかる。
This is because the lithium ion secondary batteries of Examples 2 and 3 were slow in contact with the conductor plates 11 and 12 due to the low thermal contraction rate of the insulating
図7のグラフに示すように、絶縁材13の厚さが600μmと厚い実施例10のリチウムイオン二次電池では、厚さ500μm以下の実施例1、6〜9のリチウムイオン二次電池に比較して最高到達温度が高く、そのバラつきも大きい。
これは、絶縁材13が厚いために、実施例10のリチウムイオン二次電池では導体板11および12の接触が遅くなったことに起因する。すなわち、絶縁材13の熱収縮性を考慮した設計を行うことにより、発熱時の絶縁材13の熱収縮により、短時間で第1および第2の導体板11,12を接触させることにより、温度上昇を抑制できることがわかる。
As shown in the graph of FIG. 7, the lithium ion secondary battery of Example 10 having a thick insulating
This is because the contact between the conductor plates 11 and 12 is delayed in the lithium ion secondary battery of Example 10 because the insulating
なお、絶縁材13の厚さが100μmと薄い実施例6のリチウムイオン二次電池は、安全性は高い反面、不良率が52%と高かった。これは絶縁材13が薄すぎたため、組立時に絶縁層が破損し短絡を生じたことに起因する。
The lithium ion secondary battery of Example 6 having a thin insulating
図8のグラフに示すように、先行捲回捲数が0周の実施例11のリチウムイオン二次電池では、最高到達温度が摂氏175度と高く、バラつきも12.7%と大きかった。
一方、先行捲回捲数が1周(セパレータ合計4枚)、2周(セパレータ合計8枚)の実施例12、13のリチウムイオン二次電池は、それぞれ、最高到達温度摂氏132度、摂氏144度、バラつき4.7%、10.2%であり、実施例11のリチウムイオン二次電池に比較し、最高到達温度が低く、バラつきは小さかった。
As shown in the graph of FIG. 8, in the lithium ion secondary battery of Example 11 in which the number of leading windings was 0, the maximum temperature reached was as high as 175 degrees Celsius and the variation was as large as 12.7%.
On the other hand, the lithium ion secondary batteries of Examples 12 and 13 in which the number of leading windings is 1 turn (4 separators in total) and 2 turns (8 separators in total) are the maximum attained temperatures of 132 degrees Celsius and 144 degrees Celsius, respectively. The variation was 4.7% and 10.2%, and the maximum temperature reached was low and the variation was small as compared with the lithium ion secondary battery of Example 11.
これは、セパレータ80の、摂氏120度におけるMD方向熱収縮性能により、先行捲回された部分が導体板11および12を締め付け、絶縁材13の熱収縮時に導体板11と12を密着させ、確実に接触を実現したことに起因する。すなわち、熱収縮率がある程度高い素材のセパレータを軸芯10の周りに1周以上捲回することにより、発熱時にセパレータ80が収縮し、絶縁材13の熱収縮、ならびに溶融とあいまって、短時間で第1および第2の導体板11,12が接触して温度上昇を抑制できることがわかる。
This is because, due to the heat shrinkability of the
図9のグラフに示すように、セパレータ80の摂氏120度における熱収縮率が1%の実施例11のリチウムイオン二次電池では、最高到達温度摂氏175度と高く、バラつきも12.7%と大きい。
一方、セパレータの熱収縮率が2%以上の実施例1、14〜16のリチウムイオン二次電池では、最高到達温度摂氏119〜125度と低く、バラつきは2.0〜4.7%と小さい。
As shown in the graph of FIG. 9, in the lithium ion secondary battery of Example 11 in which the thermal shrinkage rate of the
On the other hand, in the lithium ion secondary batteries of Examples 1 and 14 to 16 in which the thermal contraction rate of the separator is 2% or more, the maximum temperature reached is as low as 119 to 125 degrees Celsius, and the variation is as small as 2.0 to 4.7%. .
これはセパレータ80の熱収縮率が高いほど、導体板11および12に対する締め付け力が大きく、絶縁材13が発熱時に収縮する際、導体板11と12を確実に密着させることにより、最高温度を確実に抑制できることを示している。
The higher the thermal contraction rate of the
図10のグラフに示すように、実施例1、17〜20のリチウムイオン二次電池の絶縁材13の材質を、それぞれPE、PP、PET、PPS、PFAと変化させ、最高到達温度を比較したところ、PE製絶縁材13を用いた実施例1のリチウムイオン二次電池が摂氏119度と低く、実施例17〜20のリチウムイオン二次電池は摂氏153度〜摂氏195度と高かった。
As shown in the graph of FIG. 10, the materials of the insulating
これは、PEの融点がPP、PET、PPS、PFAの融点よりも低く、最も早く熱収縮を生じて、最も早く導体板11と12を短絡させたことに起因する。すなわち、絶縁材13の溶融温度を考慮した設計を行うことにより、発熱時の絶縁材13の溶融により、短時間で第1および第2の導体板11,12を接触させることにより、温度上昇を抑制できることがわかる。
This is because the melting point of PE is lower than the melting points of PP, PET, PPS, and PFA, and heat shrinkage occurs first, and the conductor plates 11 and 12 are short-circuited first. That is, by designing in consideration of the melting temperature of the insulating
以上の試験結果から、実施例1、4〜9、12〜20のリチウムイオン二次電池については以下の効果を奏する。
(1)実施例1〜20のリチウムイオン二次電池は、導体板11と12との間に、摂氏120度における熱収縮率が50%以上で、厚さが200〜500μmのPEからなる絶縁材13を配置した3層構造からなる軸芯10を有し、摂氏120度におけるMD方向の熱収縮率が2%以上のセパレータ80を先行捲回捲数1周以上で軸芯10周りに捲回している。比較例1のリチウムイオン二次電池に比べ安全性が大きく向上し、なおかつ過充電における最高到達温度を確実に低くすることができ、製造工程での不良も無いことが分った。
From the above test results, the lithium ion secondary batteries of Examples 1, 4 to 9, and 12 to 20 have the following effects.
(1) In the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 20, the insulating plate made of PE having a heat shrinkage rate of not less than 50% at 120 degrees Celsius and a thickness of 200 to 500 μm between the conductor plates 11 and 12. A
以上説明した実施例1〜20を以下のように変形して実施することができる。
(1)本実施の形態では、量論組成のマンガン酸リチウム(LiMn2O4)を正極活物質として例示した。本発明によるリチウムイオン二次電池は、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウム(例えば、Li1+xMn2−xO4)やマンガン酸リチウムの一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物(例えば、Li1+xMyMn2−x−yO4,MはCo、Ni、Fe、Cu、Al、Cr、Mg、Zn、V、Ga、B、Fの少なくとも1種)や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。
(1) In this embodiment, stoichiometric lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) is exemplified as the positive electrode active material. The lithium ion secondary battery according to the present invention includes a lithium manganese composite oxide in which another lithium manganate having a spinel crystal structure (for example, Li 1 + xMn 2 -xO 4 ) or a part of lithium manganate is substituted or doped with a metal element.
(2)本実施の形態では、負極活物質に非晶質炭素を例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを脱挿入可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料等でよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。 (2) In the present embodiment, amorphous carbon is exemplified as the negative electrode active material. However, the present invention is not limited to this. Natural graphite capable of removing and inserting lithium ions, various artificial graphite materials, coke, etc. The carbonaceous material or the like may be used, and the particle shape is not particularly limited to a scaly shape, a spherical shape, a fibrous shape, a massive shape, or the like.
(3)本実施の形態では、電解質としてLiPF6を使用した例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、CH3SO3Li、CF3SOLiなどやこれらの混合物を用いることができる。また、本実施形態では、非水電解液の溶媒にECとDMCとの混合溶媒を用いた例を示したが、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ―ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、プロピオニトリルなど少なくとも1種以上の混合溶媒を用いるようにしてもよく、また混合配合比についても限定されるものではない。 (3) In this embodiment mode shows an example of using LiPF 6 as an electrolyte, it is not limited thereto, for example, LiClO 4, LiAsF 6, LiBF 4, LiB (C 6 H 5) 4 CH 3 SO 3 Li, CF 3 SOLi, or a mixture thereof can be used. Moreover, in this embodiment, although the example which used the mixed solvent of EC and DMC was shown as the solvent of nonaqueous electrolyte solution, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 1, 2- dimethoxyethane, , 2-diethoxyethane, γ-butyllactone, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, propionitrile, etc. A mixed solvent of seeds or more may be used, and the mixing ratio is not limited.
(4)本実施の形態では、結着材にPVDFを用いた例を示したが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレン/ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体及びこれらの混合体などを用いることができる。 (4) In the present embodiment, an example in which PVDF is used as the binder is shown, but polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, polystyrene, polybutadiene, butyl rubber, nitrile rubber, styrene / butadiene rubber, polysulfide rubber Polymers such as nitrocellulose, cyanoethyl cellulose, various latexes, acrylonitrile, vinyl fluoride, vinylidene fluoride, propylene fluoride, chloroprene fluoride, and acrylic resins, and mixtures thereof can be used.
(5)本実施の形態では、軸芯にアルミミウム板12と銅板11を使用したが、これに限定されるものではなく、例えばアルミニウム合金板や銅合金板・ニッケル板等、各極の電池電位によって腐食されること無く、導電性を持つものであれば特に限定されない。 (5) In this embodiment, the aluminum plate 12 and the copper plate 11 are used for the shaft core. However, the present invention is not limited to this. For example, the battery potential of each electrode such as an aluminum alloy plate, a copper alloy plate, or a nickel plate is used. There is no particular limitation as long as it has electrical conductivity without being corroded by.
(6)軸芯10は、図3の構成に限定されるものではない。熱によって絶縁層13が収縮するもの、溶融するものなど、電極群20の発熱により変形して導体板11と12も接触を許容する素材であれば、どのような材料でもよい。
(6) The
(7)軸芯10の構造、機構も実施形態に限定されず、いかなる形態の構成も採用できる。たとえば、図11のように、導体板11と12が間隙をあけて互いに対向する面に突起13Pのようなものを形成した構成によって、粘着剤の塗布スペースを確保できる。
(7) The structure and mechanism of the
(8)金属製正極用軸芯電極である第1および第2の導体板11と12との間の絶縁材の配置は、実施形態のような端面同士を対向させる方式に代え、面同士を絶縁材を介して対向するようにしてもよい。このような軸芯の一例を図12に示す。導体板11、12を厚さ方向についてL字状の段差を設け、厚さ方向に絶縁材13を介して接合した構成である。軸芯は、その他、種々の構成を採用することができる。
(8) The arrangement of the insulating material between the first and second conductor plates 11 and 12 which are metal positive electrode core electrodes is replaced with a method in which the end faces are opposed to each other as in the embodiment. You may make it oppose through an insulating material. An example of such an axis is shown in FIG. In this configuration, the conductor plates 11 and 12 are provided with an L-shaped step in the thickness direction and are joined via an insulating
(9)絶縁材は、発熱によりゲル状になる素材を使用してもよい。この場合、互いに絶縁材を介して対向する金属端子の対向面には、ゲルが逃げ込む溝、あるいは凹部を形成しておくと良い。 (9) As the insulating material, a material that becomes a gel by heat generation may be used. In this case, it is preferable to form grooves or recesses into which the gel escapes on the opposing surfaces of the metal terminals facing each other with an insulating material interposed therebetween.
(10)板状の軸芯に代えて、導電性ある棒状、軸状の導電部材からなる軸芯を用いても良い。この場合、長手方向両端部をそれぞれ正極集電部70と負極集電部60に接続し、両端部を構成する部材の間を種々の形態で絶縁すればよい。
(10) Instead of the plate-shaped shaft core, a shaft core made of a conductive rod-shaped or shaft-shaped conductive member may be used. In this case, both ends in the longitudinal direction may be connected to the positive electrode
(11)負極板30と正極板40を絶縁するセパレータを軸芯10に先行捲回するようにしたが、このセパレータとは別の絶縁性、かつ熱収縮性樹脂から形成されたセパレータを軸芯10に捲回しても良い。
(11) A separator that insulates the
(12)熱収縮しない絶縁材やゲル状化しない絶縁材で絶縁させた正極軸芯電極と負極軸芯電極により軸芯を構成しても良い。すなわち、発熱時に、正極軸芯電極と負極軸芯電極とが短絡しない軸芯でもよい。これは、金属軸芯による冷却性能の向上を図ることを目的とする。したがって、発熱による安全対策に対する効果は実施例1〜20に比べて低いが、ある程度の冷却効果は期待できる。 (12) The shaft core may be constituted by a positive electrode core electrode and a negative electrode core electrode which are insulated with an insulating material that does not shrink by heat or an insulating material that does not gelate. That is, a shaft core in which the positive electrode core electrode and the negative electrode core electrode are not short-circuited during heat generation may be used. This is intended to improve the cooling performance by the metal shaft core. Therefore, although the effect with respect to the safety measure by heat_generation | fever is low compared with Examples 1-20, a certain amount of cooling effect can be anticipated.
10 軸芯 11 第1の導体板(銅板)
12 第2の導体板(アルミニウム板) 13 絶縁材
20 電極群 30 負極板
31 負極合剤層 40 正極板
41 正極合剤層 60 負極集電部
70 正極集電部 80 セパレータ
10 shaft core 11 first conductor plate (copper plate)
12 Second conductor plate (aluminum plate) 13 Insulating
Claims (12)
前記電極群が収納され、外部正極端子および外部負極端子を有する電池容器とを備え、
前記軸芯は、第1導体部材と、第2導体部材と、前記第1、第2導体部材の間に介在して前記第1、第2導体部材を絶縁する絶縁材とを備え、
前記第1導体部材は前記負極板に接続され、前記第2導体部材は前記正極板に接続されることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 An electrode group comprising a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a sheet layer that is interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate and laminated with a separator that insulates the positive electrode plate from the negative electrode plate, and is wound around an axis. When,
The electrode group is housed, and comprises a battery container having an external positive terminal and an external negative terminal,
The shaft core includes a first conductor member, a second conductor member, and an insulating material interposed between the first and second conductor members to insulate the first and second conductor members;
The lithium ion secondary battery, wherein the first conductor member is connected to the negative electrode plate, and the second conductor member is connected to the positive electrode plate.
前記絶縁材は熱収縮性材料から作成され、基準温度以上に達したときの収縮量により前記第1導体部材と第2導体部材とが接触するようにしたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 In the lithium ion secondary battery according to claim 1,
The insulating material is made of a heat-shrinkable material, and the first conductor member and the second conductor member are brought into contact with each other by the amount of shrinkage when the temperature exceeds a reference temperature. .
前記絶縁材は熱溶融性材料から作成され、基準温度以上に達したときの溶融により前記第1導体部材と第2導体部材とが接触するようにしたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 In the lithium ion secondary battery according to claim 1,
The lithium ion secondary battery is characterized in that the insulating material is made from a heat-meltable material, and the first conductor member and the second conductor member are brought into contact with each other by melting when the temperature reaches a reference temperature or higher.
前記軸芯は前記セパレータで1周以上先行して捲回され、前記セパレータは熱収縮性樹脂で構成されることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 In the lithium ion secondary battery according to claim 1,
The lithium ion secondary battery is characterized in that the shaft core is wound one or more times in advance by the separator, and the separator is made of a heat-shrinkable resin.
前記セパレータは、前記電極群の捲回周方向(MD方向)について、摂氏120度における熱収縮率が2%以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to claim 4,
The separator is a lithium ion secondary battery, wherein a thermal shrinkage rate at 120 degrees Celsius is 2% or more in a winding circumferential direction (MD direction) of the electrode group.
前記絶縁材の厚さが、200μm〜500μmであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 5,
The lithium ion secondary battery, wherein the insulating material has a thickness of 200 μm to 500 μm.
前記絶縁材は、摂氏120度における熱収縮率が50%以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 6,
The lithium ion secondary battery, wherein the insulating material has a thermal shrinkage rate of 120% or more at 120 degrees Celsius.
前記絶縁材はポリエチレンにより形成されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 7,
The lithium ion secondary battery, wherein the insulating material is made of polyethylene.
前記軸芯は平板状の第1および第2の導体部材で形成され、前記絶縁材は、前記第1および第2の導体部材が互いに対向する側面に接着されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 8,
The shaft core is formed of flat first and second conductor members, and the insulating material is bonded to side surfaces of the first and second conductor members facing each other. Secondary battery.
負極外部端子は前記軸芯の第1導体部材に接続され、正極外部端子は前記軸芯の第2導体部材に接続されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 9,
A lithium ion secondary battery, wherein a negative electrode external terminal is connected to the first conductor member of the shaft core, and a positive electrode external terminal is connected to the second conductor member of the shaft core.
第1導体部材は負極板の負極集電部に、第2導体部材は正極板の正極集電部にそれぞれ接続され、正極集電部は正極接続板を介して正極外部端子に接続され、負極集電部60は負極接続板を介して負極外部端子に接続されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 9,
The first conductor member is connected to the negative electrode current collector of the negative electrode plate, the second conductor member is connected to the positive electrode current collector of the positive electrode plate, and the positive electrode current collector is connected to the positive electrode external terminal via the positive electrode connection plate. The current collector 60 is connected to a negative electrode external terminal through a negative electrode connecting plate, and is a lithium ion secondary battery characterized by the above.
扁平形状に捲回された電極群を扁平形状の電池容器に収納したことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 11,
A lithium ion secondary battery, wherein an electrode group wound in a flat shape is stored in a flat battery container.
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