JP2012186034A

JP2012186034A - 積層型電池

Info

Publication number: JP2012186034A
Application number: JP2011048638A
Authority: JP
Inventors: 修司 ▲高▼田; Shuji Takada
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2012-09-27

Abstract

【課題】放熱性に優れた積層型電池を提供する。
【解決手段】積層型電池は、電池本体１と、電極タブ２と、電解液３とを備える。電池本体１は、集電体１３の表裏両面に活物質からなる活物質層１２を形成してなる極板１１を、セパレータ１５を介在させて複数積層してなる。電極タブ２は、集電体１１の端部に接続されている。電池本体１の積層方向の内部に配置された極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ１は、電池本体１の積層方向の最外部に位置する最外部の極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ２よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の極板を積層してなる積層型電池に関する。

積層型電池として、図３に示すように、正極板９１と負極板９２とをセパレータ９５を介して複数積層して電池本体９０としたものがある。正極板９１は、正極集電体９１ａの表裏両面に正極活物質からなる正極活物質層９１ｂを形成してなる。負極板９２は、負極集電体９２ａの表裏両面に負極活物質からなる負極活物質層９２ｂを形成してなる。各正極板９１及び負極板９２は、電極タブ９９に電気的に接続されている。電池本体９０は、電解液とともに収容部材９７内に密閉され、電極タブ９９は収容部材９７から外部に露出している。

積層型電池は、複数多段に積層して積層方向に隣り合う電池の電極タブ９９同士を積層接続して電池積層集合体とされて、電気自動車用やハイブリッド電気自動車の二次電池として採用されつつある。

しかしながら、積層型電池は、正極活物質層９１ｂや負極活物質層９２ｂで、電極反応にともない発熱が生じる。このため、電池本体９０の積層方向の内部に位置する正極板９１や負極板９２が高温となり、サイクル特性などの電池特性の低下につながる。特に、正極板９１と負極板９２との間がセパレータ９５で仕切られた積層型電池では、セパレータ９５が樹脂製で熱伝導性が悪いため、電池本体９０の積層方向の熱の伝導性が低い。

そこで、特許文献１には、電池ユニットの内側に位置するバイポーラ電池の内側集電体の厚みを、外側集電体の厚みよりも大きくすることが開示されている。

また、特許文献２には、最外部の電極を構成する集電体を、内層の電極を構成する集電体よりも厚く形成することが開示されている。

特許文献３には、複数の集電体に冷却用タブを取り付け、集電体積層時の厚さ方向の中心位置に設置した冷却用タブの放熱効果を最も大きく、厚さ方向の両端側に向かってタブの放熱効果を漸減させることが開示されている。

特開２００９−１１７１０５号公報特開２００４−１３９７７５号公報特開２００５−７１７８４号公報

しかしながら、特許文献１、２、３のいずれも、セパレータを用いないバイポーラ電池である。バイポーラ電池は、集電体の一方の面に正極活物質層を形成し、他方の面に負極活物質層を形成し、これらを、電解質層を介して複数積層したものである。セパレータを正極板と負極板との間に介在させて積層する積層型電池は、セパレータによって積層方向の熱伝導性が妨げられ、セパレータのないバイポーラ電池よりも内部に蓄積される熱量が大きい。ゆえに、バイポーラ電池に施された放熱手段をそのまま図３に示す蓄積型電池に適用することはできない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れた積層型電池を提供することを課題とする。

（１）正極板及び負極板からなる極板とセパレータとを備え、前記極板は、前記正極板及び前記負極板ともに、集電体の表裏両面に活物質からなる活物質層を形成してなり、前記正極板と前記負極板とは交互にセパレータを介在させて複数積層してなる電池本体と、前記極板の前記集電体の端部に接続され外部に電気を導出入する導電部材と、及び前記電池本体に含浸された電解液とを有する積層型電池において、前記電池本体での前記正極板及び前記負極板の積層方向の内部に配置された前記極板のうち少なくともその一部の前記極板を構成する前記集電体の厚みは、前記電池本体の前記積層方向の最外部に配置された前記極板を構成する前記集電体の厚みよりも大きいことを特徴とする。

上記構成において、活物質層は、電極反応によって熱が発生し得る部分であり、集電体では電極反応が生じず、発熱はしない。そこで、内部の極板の集電体の厚みを、最外部の極板の集電体の厚みよりも大きくする。このため、内部の極板の中の伝熱部としての集電体の厚みが、最外部の極板の集電体の厚みよりも大きくなる。ゆえに、電池本体内部で生じた熱を、内部の集電体を通じて外部の電極タブに伝達しやすくなり、電池本体内部の温度上昇を抑えることができる。また、電池本体全体での温度分布を均一化することができる。したがって、サイクル特性などの電池特性を高く維持することができる。

ここで、「電池本体の積層方向の最外部の極板」とは、電池本体での正極板及び負極板の積層方向の両側の最も外部に位置する極板をいい、積層方向の両側のそれぞれにおいて最外部の各１つの極板をいう（図１参照）。

「電池本体での正極板及び負極板の積層方向の内部に配置された極板」とは、電池本体の積層方向の最外部の極板よりも内側に配置された極板をいう（図１参照）。内部の極板が複数存在する場合には、複数の内部の極板の内の少なくとも一部の極板の集電体の厚みが、最外部の極板の集電体の厚みよりも大きい。例えば、電池本体を構成する極板の積層数が３層である場合には、最外部の極板は２層、集電体の厚みを厚くする内部の極板は１層となる。極板の積層数が７層である場合には、最外部の極板は２層、集電体の厚みを厚くする内部の極板は１〜５層となる。

内部の極板が複数存在する場合には、内部の中の積層方向の最も中心に位置する極板の集電体の厚みが、最外部の極板の集電体の厚みよりも大きいことがよく、更には、内部のすべての極板の集電体の厚みが、最外部の極板の集電体の厚みより大きいことが好ましい。

積層型電池の作動時の温度分布を測定し、温度分布の高低に応じて極板の集電体の厚みを変化させることが好ましい。

（２）最外部の極板の集電体の厚みに対する内部の極板の集電体の厚みの比率は、１を超えて大きく且つ１０以下であることが好ましい。最外部の極板の集電体の厚みに対する内部の極板の集電体の厚みの比率が１０を超える場合には、内部の極板の集電体が厚すぎて、電池本体全体の厚みを大きくすることになるからである。最外部の極板の集電体の厚みに対する内部の極板の集電体の厚みの比率の下限は１を超えて大きく、好ましくは１．２、更には１．６がよい。最外部の極板の集電体の厚みに対する内部の極板の集電体の厚みの比率の上限は、５以下がよく、更には、３以下、更には２以下がよい。

（３）電池本体の中の集電体全体の数を１００％としたときに、最外部の極板の集電体の厚みよりも厚みを大きくする内部の極板の集電体の数の比率は、８０％以下であることが好ましく、更には６０％以下、更には１０〜５０％であることが望ましい。最外部の極板の集電体の厚みよりも厚みを大きくする内部の極板の集電体の数の比率が８０％を超える場合には、集電体の厚み変化による更なる放熱性の向上は期待し難い一方、電池本体全体の厚みが無用に大きくなってしまう。

（４）前記電池本体、前記導電部材及び前記電解液は、可撓性材料により形成された可撓性フィルムの中に密閉されてなり、前記導電部材は、前記可撓性フィルムよりも外部に突出していることが好ましい。

上記構成により、導電部材が、可撓性フィルムの外部に露出している。このため、集電体を伝わってきた熱が、導電部材により可撓性フィルムの外部に伝達されて、放熱性が向上する。

本発明の積層型電池によれば、電池本体の積層方向の内部の極板を構成する集電体の厚みが、電池本体の積層方向の最外部の極板を構成する集電体の厚みよりも大きいため、放熱性に優れている。

本発明の実施形態に係る積層型電池の断面説明図である。実施形態に係る極板の平面図である。従来例に係る積層型電池の断面説明図である。

本発明の実施形態に係る積層型電池について、図面を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る積層型電池は、リチウムイオン電池であり、電池本体１と、導電部材としての電極タブ２と、電解液３と、収容部材４とを備えている。

電池本体１は、複数の極板１１を、セパレータ１５を介在させて積層したものである。

極板１１は、活物質層１２を集電体１３の表裏両面に形成したものである。極板１１には、正極板１１ａと負極板１１ｂとがある。正極板１１ａは、正極活物質としてのリチウムニッケル複合酸化物と、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンとを混合してスラリーとなし、これを集電体としてのアルミニウム箔に塗工し、プレスし、焼成して形成される。負極板１１ｂは、負極活物質としての酸化珪素と、導電助材としての黒鉛粉末とケッチェンブラックと、結着剤としてのポリアミドイミドとを混合し溶媒を加えてスラリーとなし、このスラリーを集電体としての銅箔に塗工し、プレスし、焼成して形成される。
セパレータ１５は、電解液の流通が可能なポリプロピレン多孔質薄膜からなり、極板１１よりも平面方向の大きさが若干小さい。セパレータ１５の厚みは、１０〜５０μｍである。

電池本体１は、極板１１の正極板１１ａと負極板１１ｂとを交互にセパレータ１５を介在させて複数積層して形成されている。セパレータ１５の表裏両面には、極板１１の正極板１１ａと負極板１１ｂとが配置されている。電池本体１の全体厚みは、積層数によるが、５〜１０ｍｍである。

電解液３は、有機溶媒に電解質を溶解させた有機溶媒系の電解液を用いる。有機溶媒は、ポリエチレンカーボネートを用い、電解質はＬｉＰＦ_６を用いる。

収容部材４は、可撓性のあるアルミニウムシートの周縁を熱圧着することにより封止したものである。図２に示すように、各極板１１は、長方形を呈しており、集電体１３の殆どが活物質層１２で被覆されている。図１に示すように、充放電時に負極板１１ｂから放出されたリチウムイオンを正極板１１ａに確実に到達させるために、負極板１１ｂの平面方向の大きさが、正極板１１ａよりも若干大きく形成されている。

集電体１３の一方の端部には、活物質層１２で被覆されていない部分が残っており、その非被覆部分は、活物質層１２により被覆されておらず、しかも電池本体１０の平面方向の端部に位置することもあって、熱放散性がよい。各極板１１は、正極（＋）、負極（−）それぞれの電極タブ２に超音波溶接により接続され、これら電極タブ２が収容部材４の圧着部から外部に引き出されている。

図１に示すように、電池本体１は、負極板１１ｂを最外部に配置し、内側に向けて正極板１１ａとセパレータ１５と負極板１１ｂとセパレータ１５とを交互に積層している。正極板１１ａ及び負極板１１ｂを合わせた極板１１の積層数は、例えば、４〜１００層である。図１では、７つの極板１１を積層した場合を例示しているが、この積層数に限られない。また、図１では、最外部の極板１１に負極板１１ｂを配置したが、正極板１１ａを配置しても良い。

そして、電池本体１０の積層方向の内部の極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ１は、電池本体１０の積層方向の最外部の極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ２よりも大きい。

例えば、図１に示すように、積層方向の最外部の極板１１とその内側の１枚の極板１１、即ち、最外部の極板１１を含めて２枚分の極板１１の集電体１３の厚みｔ２を小さくし、最外部の極板１１を１と数えてその内側に向かって３枚目の極板１１から内部側の極板１１の集電体１３の厚みｔ１を大きくしてもよい。

内部の極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ１は６０μｍとし、最の極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ２は２０μｍとした場合、最外部の極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ２に対する内部の極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ１の比率（ｔ１／ｔ２）は３である。内部の極板１１の集電体１３の厚みｔ１は、多段階的に変化させてもよい。例えば、電池本体の積層方向の中心部分の極板１１の集電体１３を最も厚くし、外部に向かって徐々に厚みに薄くしていっても良い。

なお、すべての極板１１を構成している活物質層１２の厚みは同じであり、例えば２０μｍである。

電池本体１０の中の集電体１３全体の数を１００％としたときに、最外部の極板１１の集電体１３の厚みｔ２よりも厚みｔ１を大きくする内部の極板１１の集電体１３の数の比率は、４５％以下である。例えば、集電体１３全体の数が４〜１００層である場合、最外部の極板１１の集電体１３の厚みｔ２よりも厚みｔ１を大きくする内部の極板１１の集電体１３の数は１〜４５層とするとよい。

従来例に係る図３に示す積層型電池の電池本体の積層方向の温度分布を調べた。この温度分布は、正極及び負極を合わせた積層数が５１層で、電池本体の大きさが、縦４ｃｍ、横８ｃｍ、厚み０．７ｃｍの電池本体を備えた二次電池を、雰囲気温度２５℃の条件で充放電した時の電池本体の温度イメージである。極板の集電体の厚みはすべて２０μｍ、活物質層の厚みはすべて２０μｍ、セパレータの厚みは１０〜５０μｍの間ですべて均一とした。測定時の雰囲気温度は２５℃であった。この場合、電池本体での正極板と負極板の積層方向の最外層では３５℃であった。電池本体の内部は、電池本体の最外部よりも温度が高く、中心位置に向けて徐々に高くなっていた。特に電池本体の積層方向の中心位置付近の温度が４０℃と高かった。電池本体の平面方向については積層方向に比べ、温度分布が小さかった。このように、従来例に係る電池本体は、電池使用時には温度勾配がある。

そこで、本実施形態では、図１に示すように、電池本体の中でも積層方向の内部の温度は高く、温度の高い部分に配置されている集電体の厚みを厚くしている。このため、集電体の熱伝導性が高くなり、外部に熱を放散させやすくなる。

本実施形態においては、内部の極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ１が、最外部の極板１１を構成する集電体１３の厚みｔ２よりも大きい。このため、内部の極板１１の活物質層１２で発生した熱が、電池本体１０の平面方向に伝達しやすくなる。ゆえに、内部の極板１１の集電体１３の端部に接続された電極タブ２を通じて熱が伝達されやすくなり、電池本体１０内部の温度上昇を抑えることができる。

電池本体１０及び電解液３は、可撓性材料により形成された可撓性フィルムからなる収容部材４の中に密閉されてなり、電極タブ２は、収容部材４よりも外部に突出している。このため、集電体１３に伝達された熱を、収容部材４の外部に放散させやすい。

１：電池本体、２：電極タブ（導電部材）、３：電解液、４：収容部材、１１：極板、１１ａ：正極板、１１ｂ：負極板、１２：活物質層、１３：集電体、１５：セパレータ。

Claims

正極板及び負極板からなる極板とセパレータとを備え、前記極板は、前記正極板及び前記負極板ともに、集電体の表裏両面に活物質からなる活物質層を形成してなり、前記正極板と前記負極板とは交互にセパレータを介在させて複数積層してなる電池本体と、
前記極板の前記集電体の端部に接続され外部に電気を導出入する導電部材と、
及び前記電池本体に含浸された電解液とを有する積層型電池において、
前記電池本体での前記正極板及び前記負極板の積層方向の内部に配置された前記極板を構成する前記集電体の厚みは、前記電池本体の前記積層方向の最外部に配置された前記極板を構成する前記集電体の厚みよりも大きいことを特徴とする積層型電池。
前記最外部の前記極板の前記集電体の厚みに対する前記内部の前記極板の前記集電体の厚みの比率は、１を超えて大きく且つ１０以下である請求項１記載の積層型電池。
前記電池本体の中の前記集電体全体の数を１００％としたときに、前記最外部の前記極板の前記集電体の厚みよりも厚みを大きくする前記内部の前記極板の前記集電体の数の比率は、８０％以下である請求項１又は２に記載の積層型電池。
前記電池本体、前記導電部材及び前記電解液は、可撓性材料により形成された可撓性フィルムの中に密閉されてなり、前記導電部材は、前記可撓性フィルムよりも外部に突出している請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層型電池。