JP2012169204A

JP2012169204A - 電池構造体

Info

Publication number: JP2012169204A
Application number: JP2011030759A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Shirasawa; 淳白澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】外装体からの気体の漏れを容易に特定することができるラミネートセルを含む電池構造体を提供する。
【解決手段】１つ又は複数のラミネートセルと、該１つ又は複数のラミネートセルを収納する外装体とを含み、該外装体内の空間に気体を充填することで前記１つ又は複数のラミネートセルを加圧及び保持した電池構造体において、前記外装体の外表面の少なくとも一部が、該外装体からの気体の漏れを検出するための材料によって覆われたことを特徴とする電池構造体が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池構造体、より詳しくはラミネートセルを含む電池構造体に関する。

携帯電話やデジタルカメラなどの携帯機器用電源としてリチウムイオン電池が広く利用されている。また、自動車業界においても、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等に搭載するための高出力かつ高容量のリチウムイオン電池の開発が進められている。

一方で、このようなリチウムイオン電池としては、極板群をラミネートフィルムで包み込んで板形状に密閉したラミネートセルタイプのものが知られており、ＥＶやＨＥＶ等の用途では、このようなラミネートセルタイプのリチウムイオン電池を厚さ方向に複数個並べてケース内に収納した組電池の使用が提案されている。

特許文献１では、リチウムを挿入脱離できる負極及び正極、非水電解液とこれらを収納するケースで構成され素電池を複数個組み合わせて組電池ケースに収納してなる組電池において、上記素電池ケース外で、上記組電池ケース内の空間に気体、液体または固体粉末の少なくても１種類、もしくはそれらの混合物質を充填することで組電池ケース内に生じる静水圧を用いて素電池を加圧することを特徴とするリチウム二次電池が記載されている。

また、特許文献１では、このようなリチウム二次電池によれば、組電池ケース内の空間に気体等の静水圧発生媒体を充填することで、組電池中の全ての素電池が同じ力で加圧されるため、素電池の内部抵抗値の低減ばかりでなく素電池間での内部抵抗値の変動が少なくなり、結果として高容量の割にサイクル特性に優れたリチウム二次電池を得ることができると記載されている。

特開平１０−２１４６３８号公報

特許文献１に記載のリチウム二次電池では、組電池ケースに破損等が生じた場合には、当該組電池ケース内に充填した高圧の静水圧発生媒体が外部へ漏れ出し、結果としてリチウム二次電池の電池特性が低下してしまう。とりわけ、静水圧発生媒体が気体である場合には、このような電池特性の低下が気体の漏れによるものであるのか、あるいは気体の漏れが組電池ケースのどの部位から発生しているのかなどを容易には特定することができない。その結果として、特許文献１に記載のリチウム二次電池では、組電池ケース内部の圧力を回復させるための処置を迅速かつ適切に講じることができない。

そこで、本発明は、新規な構成により、組電池ケース等の外装体からの気体の漏れを容易に特定することができるラミネートセルを含む電池構造体を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は下記にある。
（１）１つ又は複数のラミネートセルと、該１つ又は複数のラミネートセルを収納する外装体とを含み、該外装体内の空間に気体を充填することで前記１つ又は複数のラミネートセルを加圧及び保持した電池構造体において、
前記外装体の外表面の少なくとも一部が、該外装体からの気体の漏れを検出するための材料によって覆われたことを特徴とする、電池構造体。
（２）前記ラミネートセルが固体電解質を含む全固体型リチウムイオン電池であることを特徴とする、上記（１）に記載の電池構造体。
（３）前記外装体の外表面の全部が、前記気体の漏れを検出するための材料によって覆われたことを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載の電池構造体。
（４）前記気体の漏れを検出するための材料が気密性材料であり、該気密性材料の膨張又は破損によって気体の漏れを検出することを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の電池構造体。
（５）前記気体の漏れを検出するための材料が、顔料又は染料を封入したマイクロカプセルを塗布した材料からなり、マイクロカプセルの破裂による顔料又は染料の放出によって気体の漏れを検出することを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の電池構造体。

本発明の電池構造体によれば、外装体から気体の漏れが発生した場合においても、このような漏れが発生した部位を容易に特定することができ、それゆえ外装体内部の圧力を回復させるための処置を迅速かつ適切に講じることができる。さらに、本発明の特定の実施態様によれば、１つ又は複数のラミネートセル全体が、外装体と当該外装体からの気体の漏れを検出するための材料との二重構造によって完全に覆われるため、外装体における材料選択の自由度が増すという利点がある。

本発明の電池構造体において一般的に用いられるラミネートセルを模式的に示した図である。本発明の電池構造体の一例を模式的に示した図である。

本発明の電池構造体は、１つ又は複数のラミネートセルと、該１つ又は複数のラミネートセルを収納する外装体とを含み、該外装体内の空間に気体を充填することで前記１つ又は複数のラミネートセルが加圧及び保持され、前記外装体の外表面の少なくとも一部が、該外装体からの気体の漏れを検出するための材料によって覆われたことを特徴としている。

図１は、本発明の電池構造体において一般的に用いられるラミネートセルを模式的に示した図である。ラミネートセル１０は、正極シート、負極シートそして場合によりそれらの間にセパレータシート等が介挿された極板群１１を、例えば、アルミニウム等の金属箔を合成樹脂でコートしたラミネートフィルム１２で包み込んで周囲をシールし板形状に密閉したものである。また、ラミネートセル１０の端部には、外部へ突出する正極側端子電極１３と負極側端子電極１４が設けられている。

本発明によれば、上記のようなラミネートセルの１つ又は複数が外装体中に収納される。このような外装体としては、気密性が高くかつ丈夫なものであればよく特に限定されないが、例えば、金属又は樹脂製の材料を使用することができる。また、本発明の電池構造体では、外装体中に収納されるラミネートセルの数は、特には限定されず、電池構造体を使用する各用途において要求される出力及び容量に応じて、適切な数のラミネートセルを外装体中に適宜収納することができる。

一般的には、上記のようなラミネートセルの電池特性を向上及び／又は維持させるためには、当該ラミネートセルの内部抵抗を低減することが極めて重要である。そして、このような内部抵抗の低減には、ラミネートセルを構成している極板群を加圧することが効果的であることが知られている。というのも、ラミネートセルを構成している極板群を加圧することで、その中に含まれる活物質粒子等の物質間の接触抵抗を小さくすることができるからである。いずれにしても、このような加圧による効果は、内部抵抗の高いラミネートセルを用いた電池構造体において特に顕著である。

本発明の電池構造体では、ラミネートセルとしては、特に限定されないが、リチウムイオン電池、特には固体電解質を含む全固体型リチウムイオン電池を使用することが好ましい。

リチウムイオン電池では、非水系電解液が一般に使用されている。すなわち、リチウムイオン電池の電解液の導電度は、有機溶媒にリチウム塩を溶解しているため、ニッケルカドミウム二次電池のような水系電解液の導電度に比べて極めて小さい。したがって、リチウムイオン電池は、その内部抵抗が水系電解液を用いた二次電池に比べて一般に大きい。一方で、リチウムイオン電池としては、固体電解質を用いた全固体型のリチウムイオン電池が従来から提案されている。しかしながら、このような全固体型リチウムイオン電池では、とりわけ固体材料間の接触抵抗が大きく、それゆえ電池の内部抵抗が非水系電解液を用いたものに比べて大きい。

本発明によれば、外装体内の空間に気体を充填することで、その中に収納されている１つ又は複数のラミネートセルが加圧及び保持される。このようにすることでラミネートセルを構成している極板群に全方向から均等に圧力をかけ、しかもその圧力を一定の値に保持することができるので、極板群に含まれる物質間の接触抵抗を小さくしかつその値の変動も抑制することができる。本発明におけるラミネートセルとして、例えば、リチウムイオン電池、とりわけ固体電解質を含む全固体型リチウムイオン電池を使用した場合には、このような接触抵抗の低減効果が特に大きく、それゆえラミネートセルの内部抵抗を顕著に低減することができる。その結果として、このようなラミネートセルによって構成される電池構造体の電池特性を顕著に改善することが可能である。また、本発明において外装体内に充填される気体としては、特に限定されないが、空気や、あるいは窒素、アルゴン等の不活性ガスを使用することができ、これらの気体を一般的に９．８ｋＰａ〜３．９×１０³ｋＰａ（０．１〜４０ｋｇ／ｃｍ²）の範囲の圧力で充填することができる。

本発明によれば、上記の外装体の外表面の少なくとも一部、特には全部が、当該外装体からの気体の漏れを検出するための材料によって覆われる。

一般的に、高圧の気体を外装体内に充填すると漏れが発生しやすく、しかもそれが気体であるため、液体等の場合と比較すると、漏れが発生している事実自体やその漏れ部位も容易には特定することができない。したがって、上記のような気体の漏れを検出するための材料によって外装体が覆われていない電池構造体では、気体の漏れによって当該電池構造体の電池特性が低下したとしても、このような電池特性の低下が気体の漏れによるものであるのかさえ容易には特定できない場合がある。例えば、電池構造体に圧力計等を取り付けた場合には、気体の漏れを検出することは可能であるが、その部位を特定することはできないし、またコスト等の観点においても必ずしも好ましくない。

本発明の電池構造体によれば、気体の漏れが発生しやすい外装体の外表面部分、特には外装体の外表面の全部を当該外装体からの気体の漏れを検出するための材料によって覆うことで、例えば、外装体の破損等によって外装体から気体の漏れが発生した場合においても、このような漏れが発生した部位を容易に特定することができる。したがって、本発明の電池構造体によれば、このような場合においても、外装体内部の圧力を回復させるための処置を迅速かつ適切に講じることができる。

さらには、外装体の外表面の全部を気体の漏れを検出するための材料によって覆うことで、本発明の電池構造体を構成する１つ又は複数のラミネートセル全体が、外装体と上記材料との二重構造によって完全に覆われることになるため、外装体単独の場合や、あるいは外装体の外表面の一部のみが上記材料によって覆われた場合と比較して、外装体における材料選択の自由度が増すという利点もある。

本発明によれば、このような気体の漏れを検出するための材料としては、気体の漏れを容易に検出することができる任意の材料を使用することができる。以下、本発明における「気体の漏れを検出するための材料」の好ましい態様についてより詳細に説明するが、これらの説明は、本発明の好ましい態様の単なる例示を意図するものであって、本発明をこれらの特定の態様に限定することを意図するものではない。

本発明の第１の態様によれば、気体の漏れを検出するための材料としては、気密性の材料であって、その膨張又は破損により気体の漏れを検出することができる材料が用いられる。このような材料としては、特に限定されないが、気密性のあるフィルム、例えば、高分子や樹脂等からなるフィルムや、薄くて割れやすいが気密性のある無機材料ケース、例えば、セラミック等からなるケースなどが挙げられ、このような機能を有するものであれば、無機材料、有機材料又はそれらの複合体のいずれの材料を使用してもよい。

これらの気密性材料を外装体の外表面に密着させて、気体の漏れが発生しやすい外装体の外表面部分、例えば、気体を充填するための気体注入口などを覆うことで、好ましくは外装体の外表面の全部を覆うことで、気体の漏れが発生した場合においても、漏れが発生している部位において上記の気密性材料が膨張又は破損するので、当該部位を容易に特定することができる。

あるいはまた、上記気密性材料の前駆体溶液等を、例えば、ゾル−ゲル法、塗工、インクジェット等の方法において外装体の外表面の一部又は全部に吹き付け又は塗布し、次いでそれに焼成、硬化処理等を行うことによって外装体の外表面の少なくとも一部に気密性の材料であって、その膨張又は破損により気体の漏れを検出することができる材料を形成することも可能である。

図２は、本発明の電池構造体の一例を模式的に示した図である。まず、図２（ａ）に示すとおり、電池構造体２０の外装体２１が気密性材料２２で包まれ、次いで外装体２１の外表面全体が気密性材料２２によってそれと完全に密着するようにして覆われる（図２（ｂ））。ここで、外装体２１の内部は高圧の気体によって充填されており、気体の漏れが発生していない場合には、特に気密性材料２２が変形等することはない。しかしながら、外装体２１の破損等により当該外装体２１の内部から気体の漏れが発生した場合には、図２（ｃ）に示すとおり、このような気体の漏れが発生している部位において気密性材料２２が膨張又は破損するので、当該部位を容易に特定することができ、それゆえ外装体２１内部の圧力を回復させるための処置を迅速かつ適切に講じることができる。

本発明の第２の態様によれば、気体の漏れを検出するための材料としては、顔料又は染料を封入したマイクロカプセルを塗布した材料からなり、マイクロカプセルの破裂による顔料又は染料の放出によって気体の漏れを検出することができる材料が用いられる。このような感圧発色材料を使用することで、外装体の内部から気体の漏れが発生した場合には、当該感圧発色材料の色の変化によって容易に気体の漏れが発生している部位を特定することができる。

なお、本明細書では、ラミネートセルがリチウムイオン電池である電池構造体についてより詳しく説明したが、本発明は、このような特定の電池構造体に何ら限定されるものではなく、１つ又は複数のラミネートセルを外装体内に収納した任意の電池構造体において適用することが可能である。

１０ラミネートセル
１１極板群
１２ラミネートフィルム
１３正極側端子電極
１４負極側端子電極
２０電池構造体
２１外装体
２２気密性材料

Claims

１つ又は複数のラミネートセルと、該１つ又は複数のラミネートセルを収容する外装体とを含み、該外装体内の空間に気体を充填することで前記１つ又は複数のラミネートセルを加圧及び保持した電池構造体において、
前記外装体の外表面の少なくとも一部が、該外装体からの気体の漏れを検出するための材料によって覆われたことを特徴とする、電池構造体。
前記ラミネートセルが固体電解質を含む全固体型リチウムイオン電池であることを特徴とする、請求項１に記載の電池構造体。
前記外装体の外表面の全部が、前記気体の漏れを検出するための材料によって覆われたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の電池構造体。
前記気体の漏れを検出するための材料が気密性材料であり、該気密性材料の膨張又は破損によって気体の漏れを検出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池構造体。
前記気体の漏れを検出するための材料が、顔料又は染料を封入したマイクロカプセルを塗布した材料からなり、マイクロカプセルの破裂による顔料又は染料の放出によって気体の漏れを検出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池構造体。