JP2013186954A - 蓄電装置、二次電池および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄電装置の蓄電容量を増大させる技術を提供する。
【解決手段】 蓄電装置１００は、ケース４と電極構造体２と正極リード４５と負極リード２４と電流遮断装置５０を備える。電極構造体２は、ケース４に収容されているとともに、正極電極と負極電極を含む。正極リード４５は、正極電極に電気的に接続されている。負極リード２４は、負極電極に電気的に接続されている。電流遮断装置５０は、ケース４に収容されているとともに、正極リード４５に接続されており、ケース４内の内圧に応じて導通状態から非導通状態に切換える。蓄電装置１００では、電流遮断装置５０は、電極構造体２とケース４の内面との間に配置されている。電流遮断装置５０の電極構造体２側の表面には、絶縁膜が設けられている。
【選択図】図１

Description

本明細書は、蓄電装置およびその蓄電装置を搭載した車両に関する技術を開示する。特に、その蓄電装置からなる二次電池に関する技術を開示する。

蓄電装置の技術分野では、蓄電装置が過充電されたり、内部で短絡が発生したときに、端子間に流れる電流を遮断する電流遮断装置の開発が進められている。特許文献１には、負極電極と負極端子の間に、ケース内の内圧が上昇すると、負極電極と負極端子の導通を遮断する電流遮断装置が設けられている。

特開２０００−１１３９１２号公報

蓄電装置の技術分野では、サイズを大きくすることなく、蓄電容量を増大させたいという要求がある。蓄電容量を増大させるためには、電極構造体（正極電極と負極電極）のサイズを大きくすればよい。ところが、特許文献１のように負極電極と負極端子の間に電流遮断装置が設けられている場合、電極構造体サイズを大きくすると、電極構造体と電流遮断装置が接触し、正極と負極が短絡することがある。より具体的にいうと、通常の使用中に、正極電極と電流遮断装置が接触し、短絡が生じることがある。正極電極が電流遮断装置に接触する事態を避けるためには、電極構造体と電流遮断装置の間に十分な隙間を設けることが必要である。そのため、特許文献１の技術では、電極構造体のサイズを大きくすることができず、蓄電容量を増大させることができない。本明細書では、蓄電装置の蓄電容量を増大させる技術を提供する。

本明細書が開示する蓄電装置は、ケースと、電極構造体と、正極リードと、負極リード端子と、電流遮断装置を備えている。電極構造体は、ケースに収容されているとともに、正極電極と負極電極を含む。正極リードは、正極電極に電気的に接続される。負極リードは、負極電極に電気的に接続される。電流遮断装置は、ケースに収容されているとともに、正極リードと負極リードの少なくとも一方に接続されている。電流遮断装置は、ケース内の内圧に応じて導通状態から非導通状態に切換える。この蓄電装置では、電流遮断装置は、電極構造体とケースの内面との間に配置されている。電流遮断装置には、電極構造体側の表面に絶縁膜が設けられている。

上記の蓄電装置によると、電流遮断装置の電極構造体側の表面に絶縁膜が設けられているので、電極構造体が電流遮断装置に接触しても、短絡が生じ難くなっている。そのため、電極構造体と電流遮断装置の間に大きな隙間を設ける必要がない。電極構造体のサイズを大きくすることができるので、蓄電装置の蓄電容量を増大させることができる。

本明細書で開示される技術によると、蓄電装置の蓄電容量を増大させることができる。

蓄電装置の断面図を示す。 端子と電極が導通しているときの電流遮断装置を示す。 端子と電極が非導通のときの電流遮断装置を示す。

以下、本明細書で開示する実施例の技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

（特徴１）
蓄電装置は、ケースと、電極構造体と、正極リードと、負極リード端子と、電流遮断装置を備えている。電極構造体は、ケースに収容されているとともに、正極電極と負極電極を含んでいてよい。正極リードは、正極電極に電気的に接続される。負極リードは、負極電極に電気的に接続される。電流遮断装置は、ケースに収容されているとともに、正極リードと負極リードの少なくとも一方に接続されていてよい。電流遮断装置は、ケース内の内圧に応じて導通状態から非導通状態に切換えるタイプであってよい。電流遮断装置は、電極構造体とケースの内面との間に配置されていてよい。電流遮断装置には、電極構造体側の表面に絶縁膜が設けられていてもよい。

（特徴２）
ケースの一面からケースの外部に露出しているとともに、正極リードと導通している正極端子と、上記ケースの一面からケースの外部に露出しているとともに、負極リードと導通している負極端子を備えていてもよい。すなわち、正極端子と負極端子の双方が、ケースの一方向に配置されていてもよい。電流遮断装置は、電極構造体とケースの一面との間に配置されていてもよい。

（特徴３）
前記電流遮断装置は、ダイアフラムと破断板を備えるタイプであってもよい。ダイアフラムには、中央部に突出部が形成されていてもよい。また、破断板は、ダイアフラムの突出部の先端部が固定されるとともに、その先端部が固定された部分を囲う溝部が形成されていてもよい。絶縁膜は、この破断板における電極構造体側の表面に形成されていてもよい。破断板の溝部が破断すると、ダイアフラムの中央部が、破断板から離れる方向に移動する。ケース内の内圧が上昇したときに、より確実に電流を遮断することができる。

（特徴４）
電流遮断装置には、上記した絶縁膜に加え、ケースの内面側の表面側に第２の絶縁膜が設けられていてもよい。ケースの材料が導電材料の場合、電流遮断装置とケースが接触すると、電流遮断装置とケースの間に電流が流れることがある。第２の絶縁膜を設けることにより、ケースの材料が導電材料であっても、電流遮断装置とケースの間に電流が流れることを防止することができる。電流遮断装置とケースの間を確実に絶縁することができるので、電流遮断装置とケースの間に大きな隙間を設ける必要がない。その結果、電流遮断装置をケースに近接させることができる。電流遮断装置とケースの隙間を省略した分だけ、電流遮断装置と電極構造体との距離を近接させることができるので、電極構造体のサイズを増大することができる。

（特徴５）
上記した絶縁膜が、コーティング膜であってもよい。ここでいう「絶縁膜」とは、電流遮断装置の電極構造体側の表面に設けられている絶縁膜と、電流遮断装置のケースの内面側の表面に設けられている絶縁膜（第２の絶縁膜）の少なくとも一方のことを意味する。コーティング膜は、電流遮断装置の表面に均一で薄く形成することができる。コーティング膜の材料の一例として、硬化性樹脂が挙げられる。

（特徴６）
電極構造体は、ケースの内面側に突出する凸部を備えていてもよい。一般的に、電極構造体を構成している電極（正極電極及び負極電極）は、電流を集電する集電タブを備えている。電極構造体とケースの間には、集電タブを配置するための空間を確保することが必要である。集電タブを配置しない範囲では、電極構造体とケースの間の隙間を、集電タブが配置される部分よりも小さくできる。そのため、電極構造体にケース側に突出する凸部を形成することができる。凸部を形成した分だけ電極構造体のサイズが増大し、蓄電装置の容量が増大する。この場合、電流遮断装置が、電極構造体の凸部とケースの内面との間に配置されていることが好ましい。本明細書で開示する蓄電装置は、電流遮断装置と電極構造体の短絡が防止されているので、上記凸部とケースの内面との間に電流遮断装置を配置することができる。

本明細書で開示する蓄電装置は、コンパクトでありながら電池容量が大きい。この蓄電装置は、例えば車両に搭載され、モータに電力を供給することができる。以下、本明細書に開示する実施形態について詳細に説明する。

（蓄電装置）
蓄電装置の一例として、二次電池、キャパシタ等が挙げられる。二次電池の一例として、セパレータを介して対向する電極対（正極電極及び負極電極）を有するセルが複数積層された積層タイプの二次電池、セパレータを介して対向する電極対を有するシート状のセルが渦巻状に加工された捲回型の二次電池が挙げられる。なお、以下の説明では、正極端子と負極端子の双方がケースの一方向に露出している蓄電装置について説明する。しかしながら、本明細書で開示する技術は、円筒型の電池のように、ケースが一方の極性（例えば負極）の端子として機能し、他方の極性（例えば正極）の端子がケースから絶縁された状態でケースに固定されているタイプの蓄電装置等にも適用することもできる。

図１を参照し、蓄電装置の構造を説明する。蓄電装置１００は、ケース４と、電極構造体２と、正極端子３０と、負極端子１０と、電流遮断装置５０を備えている。ケース４は、金属製であり、略直方体形状である。ケース４の内部には、電極構造体２と電流遮断装置５０が収容されている。また、ケース４の内部は、電解液で満たされている。ケース４の一方向の面（以下、上面４ａと称する）において、正極端子３０と負極端子１０が、ケース４の外部に露出している。換言すると、正極端子３０と負極端子１０が、同一方向に配置されている。ケース４の上面４ａには、貫通孔４ｂ，４ｃが形成されている。正極端子３０が貫通孔４ｂを通過しており、負極端子１０が貫通孔４ｃを通過している。貫通孔４ｂには、絶縁性の第１シール部材４２が取り付けられている。貫通孔４ｃには、絶縁性の第２シール部材２２が取り付けられている。なお、ケース４の形状に制限はなく、例えば、円筒状、直方体状、あるいは、フィルムで形成されているシート状であってもよい。

正極端子３０は、外部ナット３６と、内部ナット３２と、ボルト３４を備えている。外部ナット３６は、正極端子３０と正極配線（図示省略）との結線に用いられる。内部ナット３２は、第１シール部材４２に取り付けられている。内部ナット３２の一部は、貫通孔４ｂを通過している。ボルト３４は、内部ナット３２に締結されている。ボルト３４とケース４の間には、第３シール部材４０が介在している。正極端子３０は、シール部材４０，４２によってケース４から絶縁されている。内部ナット３２には、第１正極リード４４が固定されている。内部ナット３２と第１正極リード４４は、電気的に接続している。第１正極リード４４は、第１シール部材４２によってケース４から絶縁されている。正極端子３０は、第１正極リード４４、電流遮断装置５０及び第２正極リード４５を介して、電極構造体２の正極電極と導通している。電流遮断装置５０については後述する。

負極端子１０は、外部ナット１６と、内部ナット１２と、ボルト１４を備えている。外部ナット１６は、負極端子１０と負極配線（図示省略）との結線に用いられる。内部ナット１２は、第２シール部材２２に取り付けられている。内部ナット１２の一部は、貫通孔４ｃを通過している。ボルト１４は、内部ナット１２に締結されている。ボルト１４とケース４の間には、第４シール部材２０が介在している。負極端子１０は、シール部材２０，２２によってケース４から絶縁されている。内部ナット１２には、負極リード２４が固定されている。内部ナット１２と負極リード２４は、電気的に接続している。負極リード２４は、第２シール部材２２によってケース４から絶縁されている。負極端子１０は、負極リード２４を介して、電極構造体２の負極電極と導通している。

（電極構造体）
電極構造体２は、ケース４の上面４ａ側に突出する凸部２ａを備えている。電極構造体２は、正極電極と、負極電極と、正極電極と負極電極の間に介在しているセパレータを備えている。正極電極、負極電極及びセパレータの図示は省略する。正極電極は、正極集電体と、正極集電体上に形成されている正極活物質層を有する。正極電極には、正極集電タブ４６が固定されている。正極集電タブ４６は、正極活物質層が塗布されていない正極集電体に相当する。負極電極は、負極集電体と、負極集電体上に形成されている負極活物質層を有する。負極電極には、負極集電タブ２６が固定されている。負極集電タブ２６は、負極活物質層が塗布されていない負極集電体に相当する。なお、活物質層に含まれる材料（活物質、バインダ、導電助剤等）には特に制限がなく、公知の蓄電装置等の電極に用いられる材料を用いることができる。

（電流遮断装置）
電流遮断装置５０は、正極端子３０と正極集電タブ（正極電極）４６の間に接続されている。電流遮断装置５０は、ケース４の上面４ａ側の内面と電極構造体２の凸部２ａとの間に配置されている。なお、電流遮断装置は、負極電極と負極端子の間に接続してもよいし、正極電極と正極端子の間、及び負極電極と負極端子の間の双方に接続してもよい。

図２に示すように、電流遮断装置５０は、金属製のダイアフラム５６と、金属製の破断板６０と、絶縁性を有する支持部材５２を備えている。支持部材５２が、ダイアフラム５６と破断板６０を支持している。

破断板６０の下側（ダイアフラム５６側とは反対側）には、溝部５５が形成されている。なお、破断板６０の下側とは、破断板６０の電極構造体２側と称することもできる。ダイアフラム５６は、破断板６０の溝部５５で囲まれた接続範囲６０ａに固定されている。破断板６０の下側には、絶縁膜５４が形成されている。破断板６０は、ダイアフラム５６に電気的に接続している。また、破断板６０は、第２正極リード４５（図１も参照）に電気的に接続している。すなわち、電流遮断装置５０（ダイアフラム５６と破断板６０）は、正極電極に電気的に接続している第２正極リード４５に電気的に接続している。

ダイアフラム５６の破断板６０側（以下、ダイアフラム５６の下側と称す）の端部は、支持部材５２によって、破断板６０から絶縁されている。ダイアフラム５６は、中央に突出部５６ａを備えている。突出部５６ａが、破断板６０に固定されている。ダイアフラム５６の上面４ａ側、すなわち、ダイアフラム５６の破断板６０とは反対側（以下、ダイアフラム５６の上側と称す）の端部は、第１正極リード４４に電気的に接続されている。なお、ダイアフラム５６の上側とは、ケース４の内面側と称することもできる。ダイアフラム５６の上側の中央部（第１正極リード４４に接していない部分）には、絶縁膜５８が形成されている。以下の説明では、絶縁膜５４を第１絶縁膜５４と称し、絶縁膜５８第２絶縁膜５８と称する。

第１絶縁膜５４は、コーティング膜である。具体的には、第１絶縁膜５４は、硬化性樹脂がコーティングされた膜である。そのため、第１絶縁膜５４は、破断板６０の下側の表面に、均一で薄く形成されている。同様に、第２絶縁膜５８もコーティング膜であり、ダイアフラム５６の上側の表面に均一で薄く形成されている。コーティング膜の材料（硬化性樹脂）の一例として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），ポリイミド等の樹脂が挙げられる。なお、絶縁膜５４，５８は、絶縁性を有する材料であれば、コーティング可能な材料以外の材料を用いることもできる。一例として、ＰＴＦＥシート、ポリイミドシート等の絶縁シートを、破断板６０、及び／又はダイアフラム５６に貼り付けることもできる。あるいは、破断板６０の下面、及び／又はダイアフラム５６の上面に酸化被膜を形成してもよい。一例として、破断板６０、及び／又はダイアフラム５６の材料がアルミニウムの場合、酸化処理を行うことにより、アルマイト層を形成することができる。

図２に示す状態では、正極端子３０と正極集電タブ４６（正極電極）が導通しており、負極端子１０と負極集電タブ２６（負極電極）が導通している（図１も参照）。そのため、正極端子３０と負極端子１０の間が通電している。

ケース４内の内圧が上昇すると、図３に示すように、ダイアフラム５６の中央部が上側に突出する。破断板６０の溝部５５部分が破断し、溝部５５で囲まれた接続範囲６０ａと他の範囲が非導通となる。その結果、正極端子３０と正極集電タブ４６が非導通となり、正極端子３０と負極端子１０の間に流れる電流が遮断される。上記したように、第２絶縁膜５８は、コーティング膜である。第２絶縁膜５８は薄膜であるので、ダイアフラム５６の動作を邪魔することはない。

上記したように、電流遮断装置５０は、ケース４の上面４ａ側の内面と電極構造体２の間に配置されている。電流遮断装置５０と電極構造体２が近接しているので、蓄電装置１００の使用中に、電流遮断装置５０と電極構造体２が接触する可能性がある。しかしながら、破断板６０の下側に第１絶縁膜５４が形成されているので、電流遮断装置５０と電極構造体２が接触しても、破断板６０と電極構造体２の負極電極が短絡することはない。

上記した蓄電装置１００では、電流遮断装置５０に絶縁膜が形成されていればよく、蓄電装置１００を構成する部品の材料は様々なものを使用することができる。以下に、蓄電装置１００の一例であるリチウムイオン二次電池について、電極構造体２を構成する部品の材料を例示する。

（正極集電体）
正極集電体として、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼又はそれらの複合材料を用いることができる。特に、アルミニウム又はアルミニウムを含む複合材料であることが好ましい。

（正極活物質）
正極活物質は、リチウムイオンが侵入及び脱離可能な材料であればよく、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３、Ｌｉ（ＮｉＣｏＭｎ）_０．３３Ｏ_２、Ｌｉ(ＮｉＭｎ)_０．５Ｏ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５Ｏ_２、Ｌｉ_２ＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等を使用することができる。また、正極活物質としてリチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、あるいは、硫黄などを用いることもできる。これらは１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。正極活物質は、必要に応じて導電材，結着剤等とともに正極集電体に塗布される。

（負極集電体）
負極集電体として、アルミニウム、ニッケル、銅（Ｃｕ）等、又はそれらの複合材料等を使用することができる。特に、銅又は銅を含む複合材料であることが好ましい。

（負極活物質）
負極活物質として、リチウムイオンが侵入及び脱離可能な材料を用いる。リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属、アルカリ金属を含む遷移金属酸化物、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、高配向性グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料、シリコン単体又はシリコン含有合金又はシリコン含有酸化物を使用することができる。なお、負極活物質は、電池容量を向上させるため、リチウム（Ｌｉ）を含まない材料であることが特に好ましい。負極活物質は、必要に応じて導電材，結着剤等とともに負極集電体に塗布される。

（セパレータ）
セパレータは、絶縁性を有する多孔質を用いる。セパレータとして、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、あるいは、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布または不織布を使用することができる。

（電解液）
電解液は、非水系の溶媒に支持塩（電解質）を溶解させた非水電解液であることが好ましい。非水系の溶媒として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等の鎖状エステルを含んでいる溶媒、酢酸エチル、プロピロン酸メチルなどの溶媒、又はこれらの混合液を使用することができる。また、支持塩（電解質）として、例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＡｓＦ_６等を使用することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電極構造体
４：ケース
１０：負極端子
２２：負極リード
３０：正極端子
４５：正極リード（第２正極リード）
５０：電流遮断装置
５４：第２の絶縁膜（第２絶縁膜）
５５：溝部
５６：ダイアフラム
５８：絶縁膜（第１絶縁膜）
６０：破断板

Claims (8)

1. ケースと、
   前記ケースに収容されているとともに、正極電極と負極電極とを含む電極構造体と、
   前記正極電極に電気的に接続される正極リードと、
   前記負極電極に電気的に接続される負極リードと、
   前記ケースに収容されているとともに、前記正極リードと前記負極リードの少なくとも一方に接続されており、前記ケース内の内圧に応じて導通状態から非導通状態に切換える電流遮断装置と、を備えており、
   前記電流遮断装置は、前記電極構造体と前記ケースの内面との間に配置されており、前記電極構造体側の表面に絶縁膜が設けられている蓄電装置。
2. 前記ケースの一面から前記ケースの外部に露出しているとともに、前記正極リードと導通している正極端子と、
   前記一面から前記ケースの外部に露出しているとともに、前記負極リードと導通している負極端子と、を備え、
   前記電流遮断装置は、前記電極構造体と前記ケースの前記一面との間に配置されている請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記電流遮断装置は、
   中央部に突出部が形成されたダイアフラムと、
   前記突出部の先端部が固定されるとともに、前記先端部が固定された部分を囲う溝部が形成された破断板と、を備えており、
   前記破断板における前記電極構造体側の表面に、前記絶縁膜が形成されている請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記電流遮断装置の前記電極構造体側の表面に設けられた前記絶縁膜に加え、
   前記電流遮断装置は、前記ケースの内面側の表面に、第２の絶縁膜をさらに備えている請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
5. 前記絶縁膜が、コーティング膜である請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電装置。
6. 前記電極構造体は、前記ケースの前記内面側に突出する凸部を備えており、
   前記電流遮断装置が、前記凸部と前記ケースの内面との間に配置されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造からなる二次電池。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の蓄電装置を搭載した車両。

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