JP2012209204A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】外部短絡時と過充電時における電池の安全性の向上を図る。
【解決手段】セパレータを介して積層された正極と負極とを有する電極積層体６と、電極積層体６を収容する外装体７と、一端が負極に電気的に接続され、他端が外装体７の外部に延ばされた負極タブと、負極と負極タブとの間の電流の経路上に配置された電流遮断素子１１を有する電流遮断部１０と、を備える。電流遮断素子１１は、外装体７の対向する内面に連結され外装体７が膨張したときに破断する一組の破断部１６と、一組の破断部１６に跨って形成され過電流が流れたときに溶断する溶断部１７とを有し、一組の破断部１６の一方が負極タブに電気的に接続され、一組の破断部１６の他方が負極に電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、セパレータを介して積層された正極と負極とを有する電極積層体を、外装体に収容してなる二次電池に関する。

二次電池としては、正極と負極との間にセパレータを配して積層された電極積層体を外装体に収容してなる積層型二次電池が知られている。この種の二次電池では、電池の安全性の観点から、外部端子同士が短絡した外部短絡時、及び満充電を超えて充電が行われた過充電時に、電流を速やかに遮断する構造が必要とされている。

過充電時に電流を遮断する構成について、特許文献１には、外装体の内部に設けられた平板状の内部端子と、外装体の内部から一端が突出して設けられた平板状の外部端子とを有し、内部端子の一端とが外部端子の他端が接合された構成が開示されている。この構成では、過充電時に発生するガスによって外装体の内圧が上昇したときに、内部端子と外部端子の接合部分が剥離することによって、電流が遮断される。

また、外部短絡時に電流を遮断する構成について、特許文献２には、外部端子にヒューズ構造が設けられた構成が開示されている。この構成では、外部短絡時に流れる過電流によってヒューズ構造が溶断することによって、電流が遮断される。

特開２００５−０４４５２３号公報 特開２００８−１７７０８４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の電流遮断構造では、ガスの発生によって外装体の内圧が上昇しない場合、電流が遮断されないので、外部短絡によって生じる過電流については、有効な構造とは言えない。

また、上述した特許文献２に記載の電流遮断構造では、外部短絡によって生じる過電流に対応することができるが、過充電時には大電流が流れることがないので、ヒューズ構造が溶断されず、電流を遮断できない構造である。

したがって、特許文献１、２に記載の構成では、外部短絡時と過充電時の両方における電池の安全性を確保することができないという問題がある。

そこで、本発明は、上記関連する技術の課題を解決することができる二次電池を提供することを目的とする。本発明の目的の一例は、単一の電流遮断素子によって、外部短絡時と過充電時の両方における電池の安全性を向上することができる二次電池を提供することである。

上述した目的を達成するため、本発明に係る二次電池は、セパレータを介して積層された正極と負極とを有する電極積層体と、電極積層体を収容する外装体と、一端が正極または負極に電気的に接続され、他端が外装体の外部に延ばされた電極端子と、正極または負極と電極端子との間の電流の経路上に配置された電流遮断素子を有する電流遮断部と、を備える。電流遮断素子は、外装体の対向する内面に連結され外装体が膨張したときに破断する一組の破断部と、一組の破断部に跨って形成され過電流が流れたときに溶断する溶断部とを有し、一組の破断部の一方が電極端子に電気的に接続され、一組の破断部の他方が正極または負極に電気的に接続されている。

本発明によれば、電流遮断素子が溶断部と破断部とを有するので、単一の電流遮断素子によって、外部短絡時と過充電時の両方における電池の安全性を向上することができる。

第１の実施形態の積層型二次電池を示す透視平面図である。 第１の実施形態の積層型二次電池の電流遮断部を、図１のＡ−Ａ線に沿って示す断面図である。 第１の実施形態の積層型二次電池が備える電流遮断素子を示す平面図である。 第１の実施形態における電流遮断部の製造工程を説明するための図である。 第２の実施形態の積層型二次電池を示す透視平面図である。 実施形態における、電流遮断素子の構成例を示す平面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１に、第１の実施形態の積層型二次電池の透視平面図を示す。図２に、第１の実施形態の積層型二次電池の電流遮断部の、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。

図１に示すように、第１の実施形態の積層型二次電池１は、リチウムイオン二次電池として構成されており、シート状の正極３とシート状の負極４とを、セパレータ（不図示）を介して交互に積層した電極積層体６を備えている。正極３は、正極集電箔１２の少なくとも一方の面に正極活物質を形成したものであり、負極４は、負極集電箔１３の少なくとも一方の面に負極活物質を形成したものである。本明細書ではこれ以降、便宜上、正極集電箔の少なくとも一方の面に正極活物質が形成されている部分を単に正極と呼び、また、負極集電箔の少なくとも一方の面に負極活物質が形成されている部分を単に負極と呼ぶ。また、正極集電箔と負極集電箔にはそれぞれ両面ともに活物質が形成されていない部分があり、当該部分を同極性同士で超音波溶接等によって接続することで並列構造をとっているが、便宜上、正極集電箔の両面ともに活物質が形成されていない部分をまとめて単に正極集電箔と呼び、また負極集電箔の両面ともに負極活物質が形成されていない部分をまとめて単に負極集電箔と呼ぶ。

積層型二次電池１は、電極積層体６を覆う外装体７と、一端が正極３及び負極４のそれぞれに電気的に接続され、他端が外装体７の外部に延ばされた一組の電極端子としての正極タブ８及び負極タブ９と、負極４と負極タブ９との間の電流の経路上に配置された電流遮断素子１１を有する電流遮断部１０と、を備えている。

図１に示すように、正極３の外縁部には、正極集電箔１２が配されており、正極集電箔１２に正極タブ８の一端が接合されている。同様に、図１及び図２に示すように、負極４の外縁部には、負極集電箔１３が配されており、負極集電箔１３と負極タブ９とに跨って電流遮断部１０が設けられている。

図２に示すように、外装体７は、内部に収容された電極積層体６を挟んで対向する一組の外装部７ｂを有している。ここで一組の外装部７ｂは、フィルム状のアルミニウムからなり、その外周部にわたって溶着された溶着部７ａが形成されることによって袋状に形成されている。

電流遮断部１０は、図１及び図２に示すように、電流遮断素子１１と、一端が負極集電箔１４に接合され他端が電流遮断素子１１に接合された帯状の第１の導電体１４と、一端が電流遮断素子１１に接合され他端が負極タブ９に接合された帯状の第２の導電体１５と、を有している。

図３に、第１の実施形態の積層型二次電池１が備える電流遮断素子１１の平面図を示す。電流遮断素子１１は、アルミニウム等の金属材料によって金属箔状に形成されている。図３に示すように、電流遮断素子１１は、外装体７の一組の外装部７ｂにそれぞれ連結される一組の破断部１６と、一組の破断部１５に跨って帯状に形成された２つの溶断部１７とを有している。電流遮断素子１１は、一組の破断部１６の一方が負極タブ９に電気的に接続され、一組の破断部１６の他方が負極４に電気的に接続されている。

破断部１６は、四角形状に形成されており、溶断部１７に隣接する２つの角から中央に向かって直線状に延びる２つの切れ目１６ａを有している。破断部１６は、過充電時に発生するガスの圧力で外装体７が膨張したときに、一組の外装部７ｂが離間する方向に移動することによって、切れ目１６ａに沿って機械的に破断する。破断部１６の端部は、第１及び第２の導電体１４，１５に例えば超音波溶接やレーザ溶接を用いて接合されている。

溶断部１７は、一組の破断部１６に跨って一体に形成されており、所望の温度で溶断される所定の幅及び断面積で形成されている。また、溶断部１７は、図３に示すように、破断部１６の端部を第１及び第２の導電体１４，１５に溶接するときに生じる熱から保護する断熱材としての断熱テープ１８によって覆われている。

以上を換言すれば、電流遮断素子１１は、過充電時の外装体７の膨張によって作動する破断部１６と、正極３と負極４との短絡時の過電流によって作動する溶断部１７とを有している。

図２に示すように、第１の導電体１４の他端は、一方の外装部７ｂの内面に、接合板１９を介して接合されている。第２の導電体１５の一端は、他方の外装部７ｂの内面に、接合板１９を介して接合されている。接合板１９は、ポリプロピレン樹脂によって、電流遮断素子１１の外形よりも大きく形成されており、厚み方向の一方の面が外装部７ｂの内面に溶着されている。また、接合板１９は、厚み方向の他方の面が、第１及び第２の導電体１４，１５の、粗面が形成された端部に溶着されている。なお、本実施形態では、電流遮断素子の両端部に第１及び第２の導電体が接合されたが、電流遮断素子１１の両端に、第１及び第２の導電体１４，１５に相当する部分が一体に形成されてもよい。

以上のように構成された積層型二次電池１について、電流遮断部１０が作動する状態を説明する。

まず、電流遮断部１０は、正極タブ８と負極タブ９とが電気的に接触するなどして正極３と負極４が外部短絡した場合、電流遮断素子１１の溶断部１７に過電流が流れることで、溶断部１７が溶断される。これによって、第１の導電体１４と第２の導電体１５との間の通電が遮断される。

また、電流遮断部１０は、積層型二次電池１が過充電された場合、外装体７の内部にガスが発生し、外装体７が膨張する。外装体７の膨張に伴って、外装部７ｂが離間する方向に移動することで、電流遮断素子１１の破断部１６に張力が作用し、この張力によって一組の破断部１６が２つの切れ目１６ａに沿って速やかに破断する。これによって、第１の導電体１４と第２の導電体１５との間の通電が遮断される。

次に、第１の実施形態における電流遮断部１０の製造工程について説明する。図４に、第１の実施形態における電流遮断部１０の製造工程を説明するための図を示す。

図４（ａ）に示すように、電流遮断素子１１の溶断部１７に、断熱テープ１８を捲回する。続いて、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、電流遮断素子１１の一方の破断部１６の端部を、第２の導電体１５の端部に溶接して接合する。

次に、図４（ｃ）に示すように、電流遮断素子１１の他方の破断部１６の端部を、第１の導電体１４の端部に溶接して接合する。これによって、電流遮断素子１１は、第１の導電体１４の端部と第２の導電体１５の端部との間に配置された状態で、第１の導電体１４と第２の導電体１５とに跨って連結される。

そして、図４（ｄ）及び図４（ｅ）に示すように、電流遮断素子１１を間に挟み込んだ第１の導電体１４と第２の導電体１５の外側の面に粗面を形成し、外側の面に接合板１９を溶着する。これによって、第１及び第２の導電体１４，１５の端部が、一組の接合板１９の間に挟み込まれる。

最後に、外装体７の外装部７ｂの内面に、一組の接合板１９をそれぞれ接合することで、電流遮断部１０が構成される。

上述したように、第１の実施形態の積層型二次電池１によれば、電流遮断素子１１が破断部１６と溶断部１７を有するので、単一の電流遮断素子１１によって、外部短絡時と過充電時の両方における電池の安全性を向上することができる。

また、本実施形態によれば、単一の電流遮断素子１１のみによって、外部短絡時と過充電時の両方で電流を遮断することができるので、２種類の電流遮断素子を組み合わせて用いる構造と比較して、積層型二次電池１の構造の簡素化、製造工程の簡素化を図り、二次電池の大型化を避けることができる。

（第２の実施形態）
図５に、第２の実施形態の積層型二次電池の透視平面図を示す。第２の実施形態の積層型二次電池は、電流遮断部が、正極タブと正極との電流の経路上に配置されている点が、第１の実施形態と異なっている。なお、第２の実施形態は、電流遮断部の位置を除く構成が第１の実施形態と同一であるので、第１の実施形態と同一の構成部材には第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、第２の実施形態の積層型二次電池２は、正極タブと正極との電流の経路上に配置された電流遮断部２０を備えている。電流遮断部２０の構成や動作は、第１の実施形態の電流遮断部１０と同様である。

以上のように構成された第２の実施形態の積層型二次電池においても、電源遮断部２０を備えることによって、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

上述した第１及び第２の実施形態の積層型二次電池１、２について、外部短絡試験と過充電試験をそれぞれ行った。外部短絡試験と過充電試験では、負極と負極タブとの間に電流遮断部が配置された第１の実施例、及び正極と正極タブとの間に電流遮断部が配置された第２の実施例と、電流遮断部を備えていない比較例との比較を行った。以下の手順で、外部短絡試験と過充電試験を行った。

（外部短絡試験）
(１)電池を満充電状態「ＤＯＤ(Depth of discharge)：０％」にする。
(２)電池の表面温度が「２０℃±２℃」になるように温度を安定させる。
(３)電池を「合計０．１Ω未満」の外部抵抗を用いて外部短絡状態にして、１時間連続して短絡状態を継続させる。

（過充電試験）
(１)電池を放電状態「ＤＯＤ：１００％」にする。
(２)１０Ｖ−１Ｃの条件で、充電を２．５時間連続して行う。

表１に、第１の実施例、第２の実施例、及び比較例の結果を示す。表１に示すように、電流遮断素子を備える積層型二次電池は、第１及び第２の実施例で共に同様の効果が得られ、電流遮断素子の位置に関わらず、比較例と比べて、電池の安全性が向上していることが明らかになった。

最後に、電流遮断素子の他の構成例について説明する。図６に、実施形態における、電流遮断素子の構成例の平面図を示す。なお、他の構成例の電流遮断素子は、上述の電流遮断素子１１と同様に電流遮断部１０に配置されるので、電流遮断素子の形状の違いについてのみ説明する。

図６（ａ）に示すように、電流遮断素子２１は、一組の破断部２６と、一組の破断部２６に跨って一体に形成された２つの溶断部２７とを有している。破断部２６は、四角形状に形成されており、２つの溶断部２７の間の隅から、第１及び第２の導電体１４，１５に接合される端部側の角に向かって直線状に延びる２つの切れ目２６ａを有している。電流遮断素子２１は、切れ目２６ａが延びる方向が、上述した電流遮断素子１１と異なっている。

図６（ｂ）に示すように、電流遮断素子３１は、一組の破断部３６と、一組の破断部３６に跨って一体に形成された３つの溶断部３７とを有している。破断部３６は、四角形状に形成されており、溶断部３７に隣接する２つの角から中央に向かって直線状に延びる２つの切れ目３６ａを有している。３つの溶断部３７は、幅が異なる複数種類の溶断部を含んでいる。３つの溶断部３７は、長さ方向に直交する断面積の合計が、上述した電流遮断素子１１，２１の２つの溶断部１７、２７の断面積の合計と等しくされている。このように溶断部３７の個数は、必要に応じて適宜増減されてもよい。

図６（ｃ）に示すように、電流遮断素子４１は、一組の破断部４６と、一組の破断部４６に跨って形成された２つ溶断部４７とを有している。破断部４６は、帯状の溶断部４７の側縁から連続して延びる２つの切れ目４６ａを有している。切れ目４６ａは、破断部４６の中央側の端部が、円弧状に形成されている。

図６（ｄ）に示すように、電流遮断素子５１は、一組の破断部５６と、一組の破断部５６に跨って一体に形成された１つの溶断部５７とを有している。破断部５６は、溶断部５７の側縁から連続して、破断部５６の中央に向かって直線状に延びる２つの切れ目５６ａを有している。溶断部５７は、長さ方向の中央部の幅が狭くされた略鼓状に形成されており、溶断する位置が長さ方向の中央部に限定されている。

以上のように構成された電流遮断素子２１，３１，４１，５１においても、上述した電流遮断素子１１と同様に作動することができる。なお、電流遮断素子の形状は、上述した構成例に限定されるものではなく、積層型二次電池の構造等の必要に応じて、切れ目が延びる向き、切れ目の長さ、溶断部の形状は適宜設定されてよい。また、破断部は、切れ目を有する構成に限定されるものではなく、張力によって応力が集中する部分を有する所定の外形に形成され、張力によって速やかに破断される構造であればよい。

なお、実施形態の二次電池は、シート状の正極と負極とがセパレータを介して積層されてなる電極積層体を有する構成を例示しているが、この構成に限定されるものではなく、セパレータを介して積層された正極と負極とを巻回してなる電極積層体を有して構成されてもよいことは勿論である。また、実施形態では、シート状の正極と負極とが並列に接続されているが、直列に接続された場合にも本発明を適用できる。

１ 積層型二次電池
３ 正極
４ 負極
６ 電極積層体
７ 外装体
８ 正極タブ
９ 負極タブ
１０ 電流遮断部
１１ 電流遮断素子
１６ 破断部
１７ 溶断部

Claims (5)

1. セパレータを介して積層された正極と負極とを有する電極積層体と、
   前記電極積層体を収容する外装体と、
   一端が前記正極または前記負極に電気的に接続され、他端が前記外装体の外部に延ばされた電極端子と、
   前記正極または前記負極と、前記電極端子との間の電流の経路上に配置された電流遮断素子を有する電流遮断部と、を備え、
   前記電流遮断素子は、前記外装体の対向する内面に連結され、前記外装体が膨張したときに破断する一組の破断部と、前記一組の破断部に跨って形成され、過電流が流れたときに溶断する溶断部とを有し、前記一組の破断部の一方が前記電極端子に電気的に接続され、前記一組の破断部の他方が前記正極または前記負極に電気的に接続されている、二次電池。
2. 前記電流遮断部は、前記電流遮断素子の一端部と前記正極または前記負極とを連結する第１の導電体と、前記電流遮断素子の他端部と前記電極端子とを連結する第２の導電体と、を有している、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記電流遮断部は、前記溶断部を覆う断熱材を有している、請求項１または２に記載の二次電池。
4. 前記破断部は、外縁部から延びる複数の切れ目を有している、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の二次電池。
5. 前記電極積層体は、前記セパレータを介して積層された前記正極と前記負極とを巻回してなる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の二次電池。

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