JP2012190587A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極板の放熱性を高めることが可能であるとともに、異物が突き刺さったときの温度の上昇を抑制する。
【解決手段】二次電池１は、電解質を貯蔵する電池容器２と、電池容器２に収容され、互いに積層された複数の電極板１６、１７と、複数の電極板１６、１７のうち電極板の積層方向において互いに隣り合う１対の電極板に挟まれて接触しているとともに、積層方向と交差する方向に延びて電池容器２の内壁１３ｂに接触している第１絶縁部材９、１０と、複数の電極板１６、１７のうち積層方向の両端に配置された各電極板と電池容器２の内壁１３ｂとに挟まれて接触している第２絶縁部材１１、１２と、を備える。第１絶縁部材９、１０及び第２絶縁部材１１、１２は、それぞれ、電解質よりも熱伝導率が高く、積層方向に異物が貫通したときに異物の積層方向周りの表面を被覆するように変形する。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池に関する。

繰り返し充放電することが可能な二次電池は、電気自動車や定置用電源装置、発電装置等の各種のシステムに用いられている。二次電池は、昇温による電解質の劣化や電池性能の低下を抑制する観点で、放熱性を高める様々な工夫が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の電気化学デバイスモジュール（二次電池）は、ラミネートフィルムの外装体内に、発電素子を収容した複数の電気化学デバイスユニットを有している。複数の電気化学デバイスユニットは、互いに積層されており、電気化学デバイスユニットの間、及び最外層の最表部に熱伝導性部材が配置されている。特許文献１の電気化学デバイスモジュールは、電気化学デバイスユニットの熱を熱伝導性部材を介して外部へ放熱することができる。

特開２００３−２９７３０３号公報

ところで、不測の事故等によって釘等の導電性を有する異物が二次電池に突き刺さると、この異物が正負の電極板を貫通し、正負の電極板が導体を介して短絡することがありえる。短絡によって正負の電極板間に大電流が流れると、電池容器内の温度が急激に上昇してしまう。これにより、充放電反応が促進されて、電池容器内の温度がさらに上昇することもある。

電池容器内の温度がある程度以上になると、電池容器内の化学反応によってガスが発生することや電池容器内のガスが膨張すること等によって、電池容器内の圧力が上昇し、極端な場合には二次電池が破裂してしまうこともありえる。実際には、電池容器内の圧力が閾値を超えることを防止する圧力開放弁が設けられており、二次電池の破裂が発生することは稀である。しかしながら、圧力開放弁が作動すると、二次電池の部品や電解液の飛散等によって、飛散した部品や電解液を処理する手間やコストが必要になり、また他の二次電池に二次災害的に短絡が発生するおそれもある。

本発明は、上述の事情に鑑み成されたものであって、電極板の放熱性を高めることが可能であるとともに、異物が突き刺さったときの温度の上昇を抑制することが可能な二次電池を提供することを目的とする。

本発明の二次電池は、電解質を貯蔵する電池容器と、前記電池容器に収容され、互いに積層された複数の電極板と、前記複数の電極板のうち前記電極板の積層方向において互いに隣り合う１対の電極板に挟まれて接触しているとともに、前記積層方向と交差する方向に延びて前記電池容器の内壁に接触している第１絶縁部材と、前記複数の電極板のうち前記積層方向の両端に配置された各電極板と前記電池容器の内壁とに挟まれて接触している第２絶縁部材と、を備え、前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材は、それぞれ、前記電解質よりも熱伝導率が高く、前記積層方向に異物が貫通したときに該異物の前記積層方向周りの表面を被覆するように変形する。

上記の二次電池は、第１絶縁部材及び第２絶縁部材がそれぞれ電極板と電池容器の内壁とに接触しているので、電極板の熱が第１絶縁部材又は第２絶縁部材を介して電池容器に伝わって電池容器の外部へ散逸する。上記の二次電池は、第１絶縁部材及び第２絶縁部材の熱伝導率が電解質の熱伝導率よりも高いので、電極板の放熱性を高めることができる。また、第１絶縁部材及び第２絶縁部材は、それぞれ、積層方向に異物が貫通したときにこの異物の積層方向周りの表面を被覆するように変形するので、異物が貫通した電極板と異物との間に介在することになる。したがって、異物を介した電極板間の短絡の発生が抑制され、電極板間の短絡による二次電池の温度の上昇を抑制することができる。

上記の二次電池においては、前記第２絶縁部材は、異物が前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材を貫通したときに該異物の前記積層方向周りの表面を被覆して前記第１絶縁部材に到達するまで変形してもよい。

このようにすれば、異物が第１絶縁部材及び第２絶縁部材を貫通したときに、第２絶縁部材が第１絶縁部材に到達するまで変形するので、第１絶縁部材と第２絶縁部材との間に配置された電極板の短絡の発生を格段に抑制することができる。

本発明によれば、電極板の放熱性を高めることが可能であるとともに、異物が突き刺さったときの温度の上昇を抑制することが可能な二次電池を提供することができる。

本実施形態の二次電池の概略構成を示す図である。 本実施形態の二次電池の積層方向に直交する断面を示す図である。 本実施形態の二次電池の積層方向に平行な断面を示す図である。 本実施形態において、二次電池に異物が突き刺さったときの絶縁部材を示す図である。

以下、本発明の実施形態及び実施例について図面を参照しながら説明するが、本発明は下記の実施形態及び実施例に限定されない。説明に用いる図面中の構造の寸法や縮尺は、実際と異なることがある。

図１は、本実施形態の二次電池の概略構成を示す図である。図２は、本実施形態の二次電池の積層方向に直交する断面を示す図である。図３は、本実施形態の二次電池の積層方向に平行な断面を示す図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図に相当し、図３は図１のＢ−Ｂ’線断面図に相当する。

図１ないし図３に示す二次電池１は、積層型のリチウムイオン二次電池である。二次電池１は、電解質を貯蔵する電池容器２と、電池容器２の内部に収容された積層電極体３と、電池容器２に取付けられた正極端子４及び負極端子５と、を備える。積層電極体３は、互いに積層された複数の電極板（後述する）を備える。本実施形態の説明において、電極板の積層方向を単に積層方向ということがある。

積層電極体３は、互いに積層された電池ブロック６〜８と、積層方向において第１の電池ブロック６と第２の電池ブロック７とに挟まれて接触している第１絶縁部材９と、積層方向において第２の電池ブロック７と第３の電池ブロック８とに挟まれて接触している第１絶縁部材１０と、積層方向において第１の電池ブロック６と電池容器２の内壁１３ｂ（図２参照）とに挟まれて接触している第２絶縁部材１１と、積層方向において第３の電池ブロック８と電池容器２の内壁１３ｂとに挟まれて接触している第２絶縁部材１２と、を備える。

なお、図１ないし図３に示すＸＹＺ直交座標系において、Ｘ方向は電池ブロックにおける電極板の積層方向であり、Ｙ方向及びＺ方向は、それぞれＸ方向に直交し、互いに直交する方向である。本実施形態において、Ｙ方向は、正極端子４と負極端子５とが並ぶ方向である。本実施形態において、Ｚ方向は、正極端子４と負極端子５とが電池容器２から突出する方向である。二次電池１は、例えば、Ｘ方向及びＹ方向が水平方向、Ｚ方向が鉛直方向となるように配置されて、使用される。

電池容器２は、箱状の容器であり、その内部に電解質を貯蔵している。本実施形態の電解質は、リチウムイオンを含有する液状の非水電解質（電解液）である。電池容器２は、開口１３ａを有する容器本体１３と、開口１３ａを塞いで容器本体１３と溶接等で接合された蓋１４とを有する。電池容器２は、例えばアルミニウム製である。電池容器２が導電材料で形成されている場合に、電池容器２と積層電極体３の短絡を防止するために、電池容器２と積層電極体３との間にポリプロピレン板等の絶縁性のスペーサが設けられることや、電池容器２の内壁１３ｂに塗膜等の絶縁膜が設けられることがある。

正極端子４及び負極端子５は、絶縁性の樹脂等からなるスリーブ１５を介して、蓋１４に取り付けられている。スリーブ１５は、正極端子４及び負極端子５が蓋１４と短絡しないように、設けられている。正極端子４及び負極端子５は、それぞれ、一部が電池容器２の外側に配置されており、他の一部が電池容器２の内部に配置されている。二次電池１は、正極端子４及び負極端子５を介して、充放電することができる。

複数の電池ブロック６〜８は、いずれも同様の構造である。第１の電池ブロック６は、正極板（電極板）１６と負極板（電極板）１７とがセパレータ１８を介して互いに積層された構造である。第１の電池ブロック６は、複数の正極板１６及び複数の負極板１７を有しており、正極板１６及び負極板１７は交互に繰り返し配置されている。正極板１６及び負極板１７は、電池容器２に貯蔵されている電解液に浸漬されている。複数の電池ブロック６〜８は、各電池ブロックの電極板の積層方向が複数の電池ブロック６〜８で揃うように、互いに積層されている。

各電池ブロックを構成する複数の電極板のうち、他の電池ブロックと隣り合う電極板は、セパレータ１８を介することなく直接的に又はセパレータ１８を介して間接的に、第１絶縁部材９又は第１絶縁部材１０と面接触している。積層電極体３を構成する複数の電極板のうち、積層方向の最も外側に配置されている電極板は、セパレータ１８を介することなく直接的に又はセパレータ１８を介して間接的に、第２絶縁部材１１又は第２絶縁部材１２と面接触している。

正極板１６は、アルミニウム等からなるシート状の集電材１９を基材として、形成されている。正極板１６は、正極活物質層２０が設けられた正極本体部２１と、正極本体部２１を基端として正極本体部２１の外側に帯状に延びて正極端子４と電気的に接続された正極タブ２２とを有する。

正極活物質層２０は、例えばマンガン酸リチウム等の電極活物質からなる層である。正極活物質層２０は、正極本体部２１における集電材１９の両面に形成されている。正極本体部２１は、外形が矩形状である。

正極タブ２２は、集電材１９の一部であり、正極活物質層２０が設けられていない部分の集電材１９によって構成されている。複数の正極板１６は、いずれも同様の形状及び寸法である。各電池ブロックの正極タブ２２は、束ねられてリード２３の一端と超音波溶接等によって接合されている。リード２３の他端は、電池容器２の内部で正極端子４とリベット接合やネジ止め、溶接等によって接合されている。このように、複数の正極板１６は、電池ブロックごとにリード２３を介して正極端子４と電気的に接続されている。

負極板１７は、銅等からなるシート状の集電材２４を基材として形成されている。負極板１７は、カーボン等の電極活物質からなる負極活物質層２５が設けられた負極本体部２６と、負極本体部２６を基端として負極本体部２６の外側に帯状に延びて負極端子５と電気的に接続された負極タブ２７とを有する。本実施形態の負極本体部２６は、正極本体部２１よりも大判であり、積層方向から見た負極本体部２６の外周全体が正極本体部２１の外周の外側へ張出している。

負極板１７は、正極板１６と同様の形状であり、Ｙ方向に平行な対称軸に関して正極板１６と対象的に配置されている。すなわち、積層方向から見た正極板１６と負極タブ２７は、互いに重ならない位置に配置されている。複数の負極板１７は、いずれも同様の形状及び寸法である。各電池ブロックの負極タブ２７は、束ねられてリード２８の一端と超音波溶接等によって接合されている。リード２８の他端は、電池容器２の内部で負極端子５とリベット接合やネジ止め、溶接等によって接合されている。このように、複数の負極板１７は、電池ブロックごとにリード２８を介して負極端子５と電気的に接続されている。

セパレータ１８は、リチウムイオンを通すこと可能な多孔質の樹脂フィルム等からなる。セパレータ１８は、所定の温度以上になると軟化し、リチウムイオンを通す孔が閉じる。これにより、セパレータ１８を介したリチウムイオンの移動が妨げられ、充放電反応の進行が抑制される。

本実施形態において、第１絶縁部材９、第１絶縁部材１０、第２絶縁部材１１、及び第２絶縁部材１２は、いずれも同様の部材である。以下の説明で、第１絶縁部材と第２絶縁部材を単に絶縁部材ということがある。絶縁部材９〜１２は、いずれも電池容器２に貯蔵された電解質よりも熱伝導率が高い。絶縁部材９〜１２は、いずれも積層方向に異物が貫通したときにこの異物の積層方向周りの表面を被覆するように、塑性変形あるいは弾性変形する。

本実施形態の絶縁部材９〜１２は、積層方向から見て正極板１６の正極本体部２１から正極タブが突出する方向に直交する方向（Ｙ方向）に、正極板１６及び負極板１７から張出しており、電池容器２の内壁１３ｂに接触している。絶縁部材９〜１２において正極板１６及び負極板１７からＹ方向に張出した部分は、積層方向にて互いに離れており、この部分を電解液が流通可能になっている。

絶縁部材９〜１２の材料としては、金属性セラミックスパテや、セラミックスを混合したシリコーンゴム等が挙げられる。絶縁部材９〜１２は、例えばシート状のシリコーンゴムの内部に金属性セラミックスパテが封入されたシートでもよい。

図４は、本実施形態において、二次電池に異物が突き刺さったときの第２絶縁部材を示す図である。図４に示す異物５０は、例えば釘や金属片等の導電性を有する物体である。第２絶縁部材１１は、異物５０が進入してくると、異物５０の積層方向周りの表面５１との間の摩擦力によって変形する。第２絶縁部材１１の変形によって形成される変形部９ａは、異物５０の表面５１を被覆するように延びて、異物５０が貫通した負極板１７と異物５０の表面５１との間に介在することになる。

第２絶縁部材１１は、絶縁性であるので、変形部９ａが異物５０と負極板１７との間に介在する部分において異物５０と負極板１７との短絡の発生が抑制される。したがって、異物５０が正極板１６と負極板１７とを積層方向に貫通した場合でも、これら正極板１６と負極板１７との短絡の発生が抑制される。異物５０の表面５１のうち変形部９ａにより被覆されている面積が大きくなるほど、電極板と異物５０との間に流れる電流のパスが小さくなるので、短絡の程度が軽減される可能性や短絡が防止される可能性が高くなる。

このような観点で、第２絶縁部材１１は、変形部９ａの変形量Ｌが正極板１６の厚みよりも大きく、かつ負極板１７の厚みよりも大きくなるように、その変形しやすさ（柔軟性）が設定されていてもよい。これにより、第２絶縁部材１１に接触している電極板と、この電極板に隣り合う他の電極板との間の短絡の発生を効果的に抑制することができる。

なお、上記の変形量Ｌは、異物５０が進入する前（変形前）の第２絶縁部材１１において積層方向の電池容器２の中央を向く表面を基準として、この表面から積層方向の変形部９ａの先端までの距離である。

また、変形量Ｌが、積層方向に電池容器２の外部から内部へ向って第２絶縁部材１１の次に配置される第１絶縁部材９と第２絶縁部材１１との間隔以上になるように、第２絶縁部材１１の柔軟性あるいは第１絶縁部材９と第２絶縁部材１１との間隔が選択されていてもよい。これにより、積層方向の第１絶縁部材９から第２絶縁部材１１までに配置された電極板の間の短絡の発生を効果的に抑制することができる。また、異物５０が第２絶縁部材１１を貫通した場合には、第２絶縁部材１１が変形して異物５０の表面を被覆することによって、第２絶縁部材１１よりも異物５０の先端側における電極板の間の短絡の発生を抑制することができる。

また、本実施形態のように、複数の第１絶縁部材９、１０が設けられている場合に、異物５０の貫通による第１絶縁部材９の変形量は、第１絶縁部材９、１０の間隔以上になるように、設定されていてもよい。これにより、異物５０が第１絶縁部材９及び第１絶縁部材１０を貫通した場合でも、第１絶縁部材９と第１絶縁部材１０との間に配置された電極板の間の短絡の発生を効果的に抑制することができる。

以上のような構成の二次電池１は、絶縁部材９〜１２がそれぞれ電極板（正極板１６又は負極板１７）と電池容器２の内壁１３ｂとに接触しているので、電極板の熱が絶縁部材９〜１２を介して電池容器２に伝わって電池容器２の外部へ散逸する。二次電池１は、絶縁部材９〜１２の熱伝導率が電解質の熱伝導率よりも高いので、電極板の放熱性を高めることができる。

また、絶縁部材９〜１２は、それぞれ、積層方向に異物５０が貫通したときに異物５０の積層方向周りの表面５１を被覆するように変形するので、異物５０が貫通した電極板と異物５０との間に介在することになる。したがって、異物５０を介した正極板１６と負極板１７との間の短絡の発生が抑制され、短絡による二次電池１の温度の上昇を抑制することができる。よって、二次電池１の温度の上昇により電池容器２が破損（圧力開放弁の作動を含む）する可能性が低くなり、電池容器２の破損による電解液や部品の飛散を抑制することができる。

また、異物５０の貫通よって電極板が短絡した場合でもその程度が緩和されるので、短絡による温度上昇が緩やかになる。したがって、電池容器２が破損するよりも前にセパレータ１８の孔が塞がって充放電反応が停止する可能性が高くなり、電池容器２の破損による電解液や部品の飛散を抑制することができる。

なお、本発明の技術範囲は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。例えば、二次電池１は、リチウムイオン以外のイオンを用いた二次電池、例えばナトリウム系の二次電池でもよい。上記の実施形態では、電池ブロックの間に第１絶縁部材が配置されている例を説明したが、第１絶縁部材は、電池ブロック内の電極板の間に配置されていてもよい。また、電池ブロックの数は１つでもよいし、２つでもよく、また４つ以上でもよい。

１・・・二次電池、２・・・電池容器、９、１０・・・第１絶縁部材、１１、１２・・・第２絶縁部材、１３ｂ・・・内壁、１６・・・正極板（電極板）、１７・・・負極板（電極板）、５０・・・異物、５１・・・表面

Claims (2)

1. 電解質を貯蔵する電池容器と、
   前記電池容器に収容され、互いに積層された複数の電極板と、
   前記複数の電極板のうち前記電極板の積層方向において互いに隣り合う１対の電極板に挟まれて接触しているとともに、前記積層方向と交差する方向に延びて前記電池容器の内壁に接触している第１絶縁部材と、
   前記複数の電極板のうち前記積層方向の両端に配置された各電極板と前記電池容器の内壁とに挟まれて接触している第２絶縁部材と、を備え、
   前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材は、それぞれ、前記電解質よりも熱伝導率が高く、前記積層方向に異物が貫通したときに該異物の前記積層方向周りの表面を被覆するように変形する二次電池。
2. 前記第２絶縁部材は、異物が前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材を貫通したときに該異物の前記積層方向周りの表面を被覆して前記第１絶縁部材に到達するまで変形する請求項１に記載の二次電池。

Images