JP2011243403A

JP2011243403A - 積層型二次電池

Info

Publication number: JP2011243403A
Application number: JP2010114240A
Authority: JP
Inventors: Takao Daidoji; 孝夫大道寺
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: US20130040182A1; CN102906926A; JP5594764B2; CN102906926B; WO2011145478A1

Abstract

【課題】高温環境下でも袋状のセパレータの開口部の熱収縮が抑制され、積層された電極間の短絡が防止された、積層型二次電池を提供する。
【解決手段】本発明の積層型二次電池は、引出端子２をそれぞれ有する正極電極１３と負極電極とがセパレータ１５を介して交互に積層されている。正極電極１３または負極電極の少なくとも一方の電極が、２枚のシート状のセパレータを貼り合わされ、かつ、一部に開口部３を有する袋状のセパレータ袋１５に収容されている。また、開口部３を介して、セパレータ袋１５内に収容された電極１３の引出端子２がセパレータ袋１５の外部に突出しており、開口部３の外周部が電気絶縁層８で覆われている。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層型二次電池に関し、特に電極の両面をセパレータで覆って積層した積層型二次電池に関する。

電動アシスト自転車、電動バイク、または、無停電電源装置などに、充電ができる二次電池が用いられている。

二次電池には、積層型をしているものがある。積層型二次電池では、複数の正極電極と複数の負極電極とをセパレータを介して交互に積層して積層体が形成され、それぞれの電極を集電用のリードに接続されている。そして、ラミネートフィルムで構成した容器の中に積層体が電解液とともに密封されている。

正極電極と負極電極とを電気的に隔離するセパレータとしては、ポリエチレン、またはポリプロピレンなどの合成樹脂製の微多孔性フィルムを用いるのが一般的である。

また、関連技術の一例として、特許文献１に袋状のセパレータを用いた積層型二次電池が示されている。

図５は、関連技術の一例の袋状のセパレータの概略構成図であり、（ａ）は、袋状のセパレータと、それに入った正極電極の概略断面図であり、（ｂ）は、袋状のセパレータに収容された正極電極の外観概略図である。

関連技術の二次電池では、それぞれセパレータ袋に入った正極電極と負極電極とが交互に積層され、積層体が構成されている。なお、図５には正極電極がセパレータ袋に入っている状態を示す。負極電極の場合も同様な構成である。

セパレータ袋２６は、シート状の２枚のセパレータが接合することで、袋状になっている。このセパレータ袋２６の内部に、導電接続用の端子（引出端子）２２が引き出された正極電極２１が収容されている。セパレータ袋２６の、正極電極２１の周囲に間隔をあけて、シート状の２枚のセパレータ同士が接合された融着接合部２４が設けられている。この融着接合部２４によって、２枚のシート状のセパレータ同士が接合し、袋状になっている。融着接合部２４の外周部に、２枚のシート状のセパレータ同士が連続的に接合された融着封止部２５が設けられている。なお、引出端子２２は、セパレータ袋２６の開口部である電極引出部２３を介して、セパレータ袋２６の外部に突出している。このとき、正極電極２１から引き出される引出端子２２の位置は、図示しない負極電極から引き出される引出端子の位置と異なっている。そのため、正極電極２１の引出端子２２と負極電極の引出端子とは接触しない（例えば特許文献１）。

融着封止部２５を設けると、正極電極２１から剥離した活物質の流出を防止するという利点があり、さらに、セパレータ袋２６の熱による収縮を抑制する効果が得られる。

セパレータ袋２６は、ポリプロピレンやポリエチレン等の樹脂を延伸して作製される２枚のシート状のセパレータを貼り合わせて作製されるため、高温にさらされると収縮する。一般的なセパレータを１０５℃で１時間保持した場合、収縮率は３％〜４％である。

特開２００３−０１７１１２号公報

特許文献１に記載の関連技術では、セパレータ袋２６から突出する正極電極２１の引出端子２２（図５参照）と、同様にセパレータ袋から突出する負極電極の引出端子とが、平面的に重ならない位置に配置されているので、通常は短絡することはない。しかし、正極電極と負極電極とをそれぞれセパレータ袋に収容しているため、セパレータ袋の作製および各電極のセパレータ袋への挿入に関する製造工程の煩雑さと製造コストの上昇という問題がある。

そこで、一方の電極（例えば正極電極２１）のみをセパレータ袋２６に収容する構成にすることが考えられる。しかし、セパレータ袋２６に収容した電極が、電極引出部２３から露出し、隣接するセパレータ袋２６に収容されていない電極と接触し、短絡してしまう可能性がある。具体的には、セパレータ袋２６が収縮すると、セパレータ袋２６から正極電極２１が露出し、露出した正極電極２１と、セパレータ袋に収容されていない負極電極とが短絡して、発火または破裂の危険が高まる。融着封止部２５は熱により破断することがないため、融着封止部２５から正極電極２１が露出することがない。しかし、セパレータ袋２６には、図５（ａ）に示すように、必ず電極引出部２３が存在し、引出端子２２はセパレータ袋２６内から電極引出部２３を介してセパレータ袋２６の外部に突出している。そのため、電極引出部２３に融着封止部２５を設けることができない。したがって、セパレータ袋２６が高温にさらされると、図６に示すように、電極引出部２３は熱収縮し（セパレータ袋２６の外周端部がセパレータ袋２６の中心方向に移動する）、電極引出部２３から正極電極２１が露出してしまう可能性がある。その場合、露出した正極電極２１と、セパレータ袋に収容されていない負極電極との間で短絡が生じる可能性がある。

重なり合う正極電極２１と負極電極との短絡を防止するためには、特許文献１の関連技術と同様に、どちらの電極もセパレータ袋２６に収納しておく必要があり、コスト削減が困難である。また、両方の電極をそれぞれセパレータ袋に収容した場合には、前記したセパレータ袋の熱収縮により、正極電極と負極電極の両方が、電極引出部の位置で露出する。熱収縮の程度によっては、正極電極と負極電極の露出部がそれぞれ大きくなる可能性があり、わずかな位置ずれによっても互いに接触して短絡する可能性が生じてくる。

そこで本発明は、高温環境下でも袋状のセパレータの開口部の熱収縮が抑制され、電極間の短絡が防止された積層型二次電池を提供する。

本発明の積層型二次電池は、引出端子をそれぞれ有する正極電極と負極電極とがセパレータを介して交互に積層されている。そして、正極電極または負極電極の少なくとも一方の電極が、２枚のシート状のセパレータを貼り合わされ、かつ、一部に開口部を有する袋状のセパレータ袋に収容されている。また、開口部を介して、セパレータ袋内に収容された電極の引出端子がセパレータ袋の外部に突出している。開口部の外周部は、電気絶縁層で覆われている。

本発明によると、高温環境下でも袋状のセパレータの開口部の熱収縮を抑制することができるので、電極間の短絡を防止することができる。

本発明に係る積層型二次電池の一実施形態の概略構成図であり、（ａ）は、積層型二次電池の外観概略図、（ｂ）は、積層体の概略構成図である。本発明のセパレータ袋の概略構成図であり、（ａ）はセパレータ袋と、それに入った正極電極１３の概略断面図、（ｂ）はセパレータ袋に収容された正極電極の外観概略図である。本発明の他のセパレータ袋と、それに入った正極電極の概略断面図である。実施例と比較例の試験結果である。関連技術の一例の袋状のセパレータの概略構成図であり、（ａ）は、袋状のセパレータと、それに入った正極電極の概略断面図、（ｂ）は、袋状のセパレータに収容された正極電極の外観概略図である。関連技術の一例の袋状のセパレータが熱収縮をした状態を示す図である。

以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。

図１は、本発明に係る二次電池の一実施形態の概略構成図であり、（ａ）は、二次電池の外観外略図、（ｂ）は、積層体の概略構成図である。

２枚のシート状のセパレータが貼り合わされ、セパレータ袋１５が形成されている。シート状の負極電極１４とセパレータ袋１５に包まれたシート状の正極電極１３とが交互に積層され、固定テープ１９で固定され、積層体（電池要素）１８が構成されている。また、正極電極１３および負極電極１４ともに引出端子２（図２参照）が設けられており、正極電極１３の引出端子２は、集電用のアルミリード１６に接続され、負極電極１４の引出端子（不図示）は、ニッケルリード１７に接続されている。積層体１８は電解液１２とともにアルミラミネートフィルム１１の容器の中に密封されている。なお、正極電極１３の引出端子２が設けられる位置と負極電極１４の引出端子が設けられる位置とは異なっているため、正極電極１３の引出端子２と負極電極１４の引出端子とが接触し短絡することはない。

セパレータ袋１５を構成する２枚のシート状のセパレータは、上述したように、ポリエチレンやポリプロピレンなどの合成樹脂製の微多孔性フィルムが一般的に用いられ、製造時におけるフィルム樹脂の引き取り方向と直交するフィルム樹脂の幅方向に方向性を有する。

図２は、本発明のセパレータ袋１５の概略構成図であり、（ａ）はセパレータ袋１５と、それに入った正極電極１３の概略断面図であり、（ｂ）はセパレータ袋１５に収容された正極電極１３の外観概略図である。

２枚のシート状のセパレータが、正極電極１３の周囲に間隔をあけて設けられた融着接合部４によって互いに接合され、セパレータ袋１５が形成されている。融着接合部４の外周部、あるいは内周部に、２枚のシート状のセパレータを連続的に接合した融着封止部５を設けることが好ましい。なお、内周部に融着封止部５を設ける場合は、融着接合部４を設けなくてもよく、融着接合部４同士の間を接合して、融着接合部４と連続的に接合してもよい。

セパレータ袋１５の外周の一部には、開口部である電極引出部３が設けられている。この電極引出部３を介して、セパレータ袋１５内の正極電極１３の集電用の引出端子２がセパレータ袋１５の外部に露出している。電極引出部３の位置には、融着接続部４や融着封止部５を設けると開口が塞がってしまうため、それらが設けられていない。そこで、本発明では、電極引出部３の開口に沿って電気絶縁層８を設ける。また、電気絶縁層８としては、熱収縮をしない、あるいはセパレータ袋１５よりも熱収縮をしないものが好ましい。

このようにすることで、高温環境下でも、電気絶縁層８は収縮しないため、電極引出部３において、セパレータ袋１５が収縮することを抑制できる。そのため、正極電極１３がセパレータ袋１５の電極引出部３から露出しないため、重なり合う正極電極１３と負極電極１４とが接触し、短絡することを防止できる。また、仮に正極電極１３が電極引出部３の位置でわずかに露出したとしても、両電極１３、１４の間に電気絶縁層８が介在するため、両電極１３、１４の短絡は防止される。

次に、数種類の積層体１８を作製してそれらを高温環境下にさらす、高温環境試験を行なった。

フィルムの巻取り方向の破断強度が１０００ｋｇｆ／ｃｍ²、フィルムの幅方向の破断強度が１０００ｋｇｆ／ｃｍ²のポリエチレン単層構造を有する２枚のシート状のセパレータでセパレータ袋１５を作製し使用した。

（実施例１）
高さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの正極電極１３を、高さ１０４ｍｍ、幅５４ｍｍの２枚のシート状のセパレータで作製したセパレータ袋１５内に収容した。電極引出部３を除いて、セパレータ袋１５の全周に幅２ｍｍの融着接合部４を設け、さらに、融着接合部４の外周部に連続した融着封止部５を設けた。さらに電極引出部３に電気絶縁層８として幅２ｍｍのポリプロピレン（ＰＰ）テープをセパレータ袋１５の外周端部の位置にあわせて外周端部からはみ出ないように貼り付けた。ポリプロピレン（ＰＰ）テープの長さは、引出端子２の幅より２ｍｍ長くした。なお、この電極絶縁層８を構成するポリプロピレンとしては、できるだけ熱収縮率の小さいタイプ、少なくともセパレータを構成するポリエチレンよりも熱収縮率の小さいタイプのものが用いられる。このことは、以下の実施例２、３においても同様である。

（実施例２）
高さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの正極電極１３を、高さ１０４ｍｍ、幅５４ｍｍの２枚のシート状のセパレータで作製したセパレータ袋１５内に収容した。電極引出部３を除いて、セパレータ袋１５の全周に幅２ｍｍの融着接合部４を設け、さらに、融着接合部４の外周部に連続した融着封止部５を設けた。さらに電極引出部３に電気絶縁層８として幅３ｍｍのポリプロピレン（ＰＰ）テープをセパレータ袋１５の外周端部から１ｍｍ突出するようにし、突出した部分と引出端子２とを固定するように貼り付けた（図３参照）。ポリプロピレン（ＰＰ）テープの長さは、引出端子２の幅より２ｍｍ長くした。

（実施例３）
高さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの正極電極１３を、高さ１０４ｍｍ、幅５４ｍｍの２枚のシート状のセパレータで作製したセパレータ袋１５内に収容した。電極引出部３を除いて、セパレータ袋１５の全周に幅２ｍｍの融着接合部４を設け、さらに、融着接合部４の外周部に連続した融着封止部５を設けた。さらに電極引出部３に電気絶縁層８として幅４ｍｍのポリプロピレン（ＰＰ）テープをセパレータ袋１５の外周端部から２ｍｍ突出するようにし、突出した部分と引出端子２とを固定するように貼り付けた。ポリプロピレン（ＰＰ）テープの長さは、引出端子２の幅より２ｍｍ長くした。

（実施例４）
高さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの正極電極１３を、高さ１０４ｍｍ、幅５４ｍｍの２枚のシート状のセパレータで作製したセパレータ袋１５内に収容した。電極引出部３を除いて、セパレータ袋１５の全周に幅２ｍｍの融着接合部４を設け、さらに、融着接合部４の外周部に連続した融着封止部５を設けた。さらに電極引出部３に電気絶縁層８として幅３ｍｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）テープをセパレータ袋１５の外周端部から１ｍｍ突出するようにし、突出した部分と引出端子２とを固定するように貼り付けた。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）テープの長さは、引出端子２の幅より２ｍｍ長くした。

（実施例５）
高さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの正極電極１３を、高さ１０４ｍｍ、幅５４ｍｍの２枚のシート状のセパレータで作製したセパレータ袋１５内に収容した。電極引出部３を除いて、セパレータ袋１５の全周に幅２ｍｍの融着接合部４を設け、さらに、融着接合部４の外周部に連続した融着封止部５を設けた。さらに電極引出部３に電気絶縁層８として幅３ｍｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）テープをセパレータ袋１５の外周端部から１ｍｍ突出するようにし、突出した部分と引出端子２とを固定するように貼り付けた。ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）テープの長さは、引出端子２の幅より２ｍｍ長くした。

（比較例）
特許文献１などと同様の関連技術を用いた方法である。高さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの正極電極１３を、高さ１０４ｍｍ、幅５４ｍｍの２枚のシート状のセパレータで作製したセパレータ袋１５内に収容した。電極引出部３を除いて、セパレータ袋１５の全周に幅２ｍｍの融着接合部４を設け、さらに、融着接合部４の外周部に連続した融着封止部５を設けた。

（試験条件）
上述の方法で作製されたセパレータ袋１５に入った正極電極１３を各実施例および比較例ごとに１４枚準備し、セパレータ袋１５に入っていない高さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの負極電極１４を１５枚準備し、負極電極１４から順に負極電極１４とセパレータ袋１５に収容された正極電極１３とを交互に積層し、さらに、上下左右がずれないように揃えてポリプロピレン（ＰＰ）テープで固定し、積層体１８を得た。このとき、正極と負極の間隔は、それぞれ２ｍｍである。

このようにして作製された積層体１８を、恒温槽内に置き、恒温槽の温度を５±２℃／分の昇温温度で１３０±２℃まで上昇させ、１３０±２℃で１０分間保持した。その後室温で十分積層体１８を冷まし、正極電極１３と負極電極１４間の短絡の有無を調べ、さらに積層体１８を分解してセパレータ袋１５の電極引出部３の収縮量を測定した。

なお、この試験条件は、リチウムイオン二次電池の安全性試験に関する日本工業規格ＪＩＳＣ８７１２を参考にした。

（試験結果）
試験結果を図４に示す。

実施例１では、電気絶縁テープを貼り付けた電気絶縁層８の部分はほとんど収縮していなかったが、セパレータ袋１５のそれ以外の部分が収縮していたため、電極引出部３が、結果的に０．５ｍｍセパレータ袋１５の中心方向に移動した。しかしながら、セパレータ袋１５から正極電極１３は露出せず、短絡はしなかった。

実施例２〜５では、電気絶縁テープを貼り付けた電気絶縁層８の部分は収縮せず、かつ、電気絶縁テープを引出端子２に固定したため、電極引出部３が移動することもなかった。そのため、セパレータ袋１５から正極電極１３は露出せず、短絡はしなかった。

また、実施例３〜５の結果から、電気絶縁層８として、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイドのいずれも効果があった。

さらに、実施例２、３から、電気絶縁層８である電気絶縁テープは、セパレータ袋１５の外周端部から１ｍｍ程度突出させ、引出端子２に貼り付ければ十分であることもわかった。

一方、特許文献１のような関連技術を用いた比較例では、セパレータ袋の電極引出部が収縮し、電極引出部においてセパレータ袋は４．１ｍｍ収縮した。その結果、セパレータ袋から正極電極が露出していた。

以上の結果から、本発明の積層型二次電池を用いることで、熱収縮によりセパレータ袋１５から正極電極１３が露出することを防止でき、その結果、正極電極１３と負極電極１４との短絡を防止することもできることがわかった。そして、一方の電極のみをセパレータ袋１５に収容すればよいので、コスト削減に貢献できる。また、仮に、セパレータ袋１５に多少の収縮が生じて正極電極１３の一部がセパレータ袋１５から露出しそうになったとしても、負極電極１４との間に電気絶縁層８が介在して短絡を防ぐ。

なお、電気絶縁層８の長さを引出端子２の幅より２ｍｍ長くしたが、横方向の収縮を防ぐ為には、引出端子２の幅より長いことが好ましく、２ｍｍに限定されるものではない。

また、上記説明では、正極電極１３をセパレータ袋１５に収容したが、負極電極１４をセパレータ袋１５に収容し、正極電極１３はセパレータ袋１５に収容しない構成にしてもよく、正極電極１３と負極電極１４をそれぞれセパレータ袋１５に収容しても構わない。

２引出端子
３電極引出部（開口部）
４融着接合部
５融着封止部
８電気絶縁層
１１アルミラミネートフィルム
１２電解液
１３正極電極
１４負極電極
１５セパレータ袋
１６アルミリード
１７ニッケルリード
１８積層体
１９固定テープ

Claims

引出端子をそれぞれ有する正極電極と負極電極とがセパレータを介して交互に積層された積層型二次電池であって、
前記正極電極または前記負極電極の少なくとも一方の電極が、２枚のシート状のセパレータを貼り合わされ、かつ、一部に開口部を有する袋状のセパレータ袋に収容されており、
前記開口部を介して、前記セパレータ袋内に収容された電極の引出端子が前記セパレータ袋の外部に突出しており、
前記開口部の外周部が電気絶縁層で覆われていることを特徴とする、積層型二次電池。
前記電気絶縁層の一部が、前記開口部の前記セパレータ袋の外周端部より突出し、前記セパレータ袋内に収容された電極の前記引出端子に固定されている、請求項１に記載の積層型二次電池。
前記セパレータ袋には、前記セパレータ袋内に収容された電極の周囲の、前記開口部を除く位置に、２枚の前記シート状のセパレータ同士が接合された複数の融着接合部が、互いに間隔をあけて設けられている、請求項１または２に記載の積層型二次電池。
前記開口部を除く位置の、前記融着接合部の内周部、または外周部を連続的に融着した融着封止部が設けられている、または、前記開口部を除く位置の、前記融着接合部同士の間が融着されている、請求項３に記載の積層型二次電池。
前記電気絶縁層は、熱収縮をしないもので構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の積層型二次電池。
前記電気絶縁層は、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、または、ポリフェニレンサルファイドである、請求項１から５のいずれか１項に記載の積層型二次電池。
引出端子をそれぞれ有する正極電極と負極電極とがセパレータを介して交互に積層された積層型二次電池の短絡防止方法であって、
前記正極電極または前記負極電極の少なくとも一方の電極を、２枚のシート状のセパレータを貼り合わされ、かつ、一部に開口部を有する袋状のセパレータ袋に収容し、
前記セパレータ袋内に収容された電極の前記引出端子を前記開口部を介して前記セパレータ袋の外部に突出させ、
前記開口部の外周部を、熱収縮しない電気絶縁層で覆うことで、前記セパレータ袋に熱が加わった状態でも前記開口部が収縮しないようにし、前記セパレータ袋内に収容された電極を前記セパレータ袋から露出しないようにして、前記セパレータ袋内に収容された電極が他の電極と接触しないようにする、積層型二次電池の短絡防止方法。
前記電気絶縁層で前記開口部の外縁部と前記セパレータ袋内に収容された電極の前記引出端子とを接合し、固定する、請求項７に記載の積層型二次電池の短絡防止方法。