JP2014071960A - 二次電池の極板群及び二次電池 - Google Patents

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隆之 木村
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Abstract

【課題】 電池缶の爆発のリスクを小さくしても、電池特性が低下せず、しかも充放電サイクルのサイクル寿命を長くすることができる二次電池の極板群を提供する。
【解決手段】 極板群3の第1及び第3の極板群グループに含まれ正極板25aには、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質層を形成する。極板群3の第2の極板群グループ3Bに含まれる正極板25bには、層状構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質層を形成する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、二次電池の極板群及び二次電池に関するものである。
近年、環境問題を背景にして、ハイブリッド電気自動車(HEV)、電気自動車(EV)、フォークリフト、ショベルカー等の移動体のみならず、UPS(無停電電源装置)、太陽光発電の電力貯蔵などの産業用用途にも、リチウムイオン電池を代表とする二次電池の適用が図られている。このような二次電池の用途拡大に伴って、大容量化、高エネルギー密度化が求められている。
リチウムイオン電池等の二次電池では、異常な高温環境下に曝されたときや充電装置の故障または過充電等により濫用状態になって、電池内の温度が上昇し、その結果、非水電解液の分解や気化によりガスが発生して、電池内圧が上昇し、熱暴走状態に到って電池容器が破損する事態が発生することがある。そのため、この種の二次電池の容器には、電池内部の圧力上昇を防止するために、発生したガスによって内圧が上昇すると、発生したガスを排出する安全弁を備えたガス排出口が設けられている。しかしながら、近年開発が進んでいる大容量化、高エネルギー密度化されたリチウムイオン電池では、二次電池が熱暴走状態に到ると、電池容器内のガス発生スピードが安全弁のガス排出能力を上回るため、発生したガスが電池缶内に充満して電池容器内の内圧が急激に上昇する。そのため、高容量・高出力の二次電池では、安全弁が設置されていても電池内部のガス発生のスピードが安全弁のガス排出能力を超えて、ガス排出口から電池内容物を激しく噴出したり、電池缶が爆発してしまう場合がある。
電池缶の爆発の回避及び電池の安全性の確保の手段として、電解液の溶媒中に難燃化剤・不燃化剤を添加することが知られている。しかしながら、難燃化剤・不燃化剤の添加は、電池特性の低下の原因となる。
特開2007−335294号公報(特許文献1)には、電池特性の低下の原因となる難燃化剤・不燃化剤を用いずに電池缶の爆発を防止するために、積層された正極板及びセパレータのうち、積層方向の両端以外の正極板及びセパレータに温度上昇を抑制する材料を含ませた極板群が開示されている。
特開2007−335294号公報
特許文献1の二次電池の極板群では、極板群の中心領域の正極板及びセパレータに熱分解温度が200℃以上となるような材料を含ませて、二次電池の熱暴走の起因となる極板群の中心領域の温度上昇を抑制している。そのため、特許文献1の極板群では、熱暴走のリスクを小さくすることはできるものの、極板群の中心領域にある耐熱性物質を有する正極板は、耐熱性材料を含まない場合よりも低い温度で正極活物質が劣化してしまうため、充放電サイクルのサイクル寿命が短くなってしまうという問題が生じる。
本発明の目的は、電池缶の爆発のリスクを小さくしても、電池特性が低下せず、しかも充放電サイクルのサイクル寿命を長くすることができる二次電池の極板群及び二次電池を提供することにある。
本発明は、複数枚の極板がセパレータを介して積層されてなる二次電池の極板群を改良の対象とする。本発明では、極板群が積層方向に順番に第1,第2及び第3の極板群グループに分けられておいる。そして電池の濫用時(電池濫用時)における第1及び第3の極板群グループのそれぞれの発熱量が、極板群の中央に位置する第2の極板群グループの発熱量よりも小さい。このように構成すると、第2の極板群グループと第1及び第3の極板群グループとの間に温度勾配が生じて、第2の極板群グループで発生した熱を、温度の低い第1及び第3の極板群グループを通して外部に放出することが可能となる。よって本発明によれば、二次電池の熱暴走の起因となる極板群の中心領域の温度上昇を抑制することができるので、電池缶の爆発を回避して、二次電池の安全性を確保することができる。また、極板群の中心領域の温度上昇が抑制されるので、極板群の中心領域の極板の活物質層が劣化を抑制することができる。そのため、充放電サイクルのサイクル寿命が短くなることを防止することができる。
具体的には、第1及び第3の極板群グループを構成する正極板及び負極板のうち一方の極性の極板の電池濫用時における発熱量が、第2の極板群グループを構成する正極板及び負極板のうち一方の極性と同じ極性の極板の電池濫用時における発熱量が小さい構成とすることができる。このようにすると一方の極性の極板は2種類用意する必要があるが、他方の極板は1種類用意すればよく、製造コストを下げることができる。
リチウムイオン電池の場合には、第1及び第3の極板群グループに含まれる正極板の正極活物質層を、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質層により構成し、第2の極板群グループに含まれる正極板の正極活物質層を、層状構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質層により構成することができる。スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質層は、層状構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質層よりも、劣化しやすく正極活物質層としての性能も低いが、二次電池の異常発生時における発熱量は低い。一方、層状構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質層は、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質層よりも、劣化しにくく正極活物質層としての性能も高いが、二次電池の異常発生時における発熱量は高い。そのため、このような電極群をリチウムイオン二次電池に採用すれば、高温での電池性能が高く、しかも異常発生時における反応安定性が高いリチウムイオン二次電池とすることができる。
第1及び第3の極板群グループのサイクル寿命が、第2の極板群グループのサイクル寿命よりも短いことが好ましい。このようにすると、第1及び第3の極板群グループのサイクル寿命を最大限長くすることができるので、電池の寿命を長くすることができ、高容量・高出力で安全な二次電池の極板群とすることができる。
第2の極板群グループを構成する極板の枚数は、第1及び第3の極板群グループを構成する極板の合計枚数の2倍以下であることが好ましい。このようにすると、充放電サイクルのサイクル寿命が短くなることを抑制して、電池缶の爆発の防止だけでなく、電池缶の一部の発火も防止することが可能となる。
本発明は、二次電池用として把握することもできる。
本発明の二次電池の極板の実施の形態を適用したリチウムイオン二次電池1の一部破断正面図である。 電池缶を取り除いた状態のリチウムイオン二次電池の斜視図である。 (A)は電池缶を取り除いた状態のリチウムイオン二次電池の右側面図であり、(B)は極板群の構成を概念的に示す図である。 実施例1〜5及び比較例1〜2のリチウムイオン二次電池についての、高率放電におけるサイクル数との関係を示す図である。 実施例1〜5及び比較例1〜2のリチウムイオン二次電池についての、過充電における破裂・発火の有無を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の二次電池の極板の実施の形態の構成を詳細に説明する。図1は、本発明の二次電池の極板の実施の形態を適用したリチウムイオン二次電池1の一部破断正面図である。なお、本実施の形態では、理解を容易にするため、一部の部品の厚み寸法を誇張して描いており、また極板の枚数を実際よりもかなり少なく描いている。
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池1は、極板群3と、極板群3を内部に収容するステンレス製の角型電池容器5とを備えている。電池容器5は、一方の端部が開口する電池缶7と、電池蓋9とを備えており、極板群3を電池缶7に挿入した後、電池缶7の開口周縁部と、電池蓋9の周縁部とを溶接することで密閉されている。
電池蓋9には、アルミニウム製の正極端子11及び負極端子13が固定されている。正極端子11及び負極端子13は、電池蓋9の蓋板を貫通して電池容器5の外部に突出する端子部11a及び13aと、電池容器内に配置される端子部本体11b及び13bとをそれぞれ有している。正極端子11及び負極端子13と電池蓋9の間には、円環状の内側パッキン15がそれぞれ設けられている。電池蓋9の外側には、電池蓋9を介して内側パッキン15と対向する位置に、円環状の外側パッキン17と、平ワッシャ19と、歯付きワッシャ21とが重ねられた状態で設けられている。正極端子11及び負極端子13は、内側パッキン15、外側パッキン17、平ワッシャ19及び歯付きワッシャ21を介して、ネジ部の先端に設けられたナット23より、電池蓋9にそれぞれ固定されている。電池蓋9の正極端子11及び負極端子13が設けられた部分は、内側パッキン15及び外側パッキン17により、電池容器5内の密閉・封止状態を確保している。
電池蓋9には、ステンレス箔を溶接したガス排出弁9a及び注液口9bが配設されている。ガス排出弁9aは、電池内圧上昇時にステンレス箔が開裂して内部のガスを放出する機能を有している。注液口9bからは、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に6フッ化リン酸リチウム(LiPF)または4フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)を溶解した図示しない非水電解液が注入される。電解液注入後、液口栓により注液口9bは密閉されている。
正極端子11の端子部本体11bには、複数枚の正極板25の正極タブ26が超音波溶接またはレーザ溶接により接合されている。また、負極端子13の端子部本体13bには、複数枚の負極板27の負極タブ28が超音波溶接またはレーザ溶接により接合されている。
図2は、電池缶7を取り除いた状態のリチウムイオン二次電池1の斜視図であり、図3は、電池缶7を取り除いた状態のリチウムイオン二次電池1の右側面図である。なお図2及び図3(A)においては、理解を容易にするために各構成部材を模式的に示している。そのため、図2及び図3(A)に示した各構成部材は、実際の電極群の構成部材とは、形状及び寸法等が異なる。また図3(B)には、極板群3の構成を概念的に示している。図3(B)に示すように、本実施の形態の極板群3は、各極板の積層方向に順番に第1,第2及び第3の極板群グループ3A,3B及び3Cに分けられている。第1,第2及び第3の極板群グループ3A,3B及び3Cは、第1及び第3の極板群グループのそれぞれの発熱量が、極板群の中央に位置する第2の極板群グループの発熱量よりも小さくなるように構成されている。各極板群グループは、複数枚の正極板25と、複数枚の負極板27とがセパレータ29を介して交互に積層されて構成されている。セパレータ29は、正極板25と負極板27とが接触して短絡することを防止している。
正極板25は、ほぼ長方形形状の板状に形成されたアルミニウム箔からなる正極集電体と、正極集電体の両面に設けられた正極活物質層とを有している。正極集電体の電池蓋9に沿って延びる辺には、正極タブ26が一体に形成されている。正極タブ26は、正極端子11の端子部本体11bに超音波溶接またはレーザ溶接により接合される。
本実施の形態では、極板群3の第1及び第3の極板群グループ3A及び3Cに含まれる正極板25aには、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末と、導電材として鱗片状黒鉛の8wt%およびアセチレンブラックの2wt%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを重量比85:10:5の割合で混合し、これに分散溶媒のN−メチルピロリドン(NMP)を添加、混練したスラリを、正極集電体に塗布した後、乾燥、プレスすることにより正極活物質層が形成されている。
また、極板群3の第2の極板群グループ3Bに含まれる正極板25bには、層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末と、導電材として鱗片状黒鉛の8wt%およびアセチレンブラックの2wt%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを重量比85:10:5の割合で混合し、これに分散溶媒のN−メチルピロリドン(NMP)を添加、混練したスラリを、正極集電体に塗布した後、乾燥、プレスすることにより正極活物質層が形成されている。本実施の形態では、正極板25aの電気容量と、正極板25bの電気容量とが同じになるように構成されている。なお、図3においては、図示を容易にするため、積層方向の両端の正極板25を第1及び第3の極板群グループ3A及び3Cに含まれる正極板25aとし、その他の正極板を第2の極板群グループ3Bに含まれる正極板25bとしているが、第1及び第3の極板群グループ3A及び3Cに含まれる正極板25aの枚数及び第2の極板群グループ3Bに含まれる正極板25bの枚数は、図3に示す枚数に限定されるものではない。
負極板27は、ほぼ長方形形状の板状に形成された電解銅箔からなる負極集電体と、負極集電体の両面に設けられた負極活物質層とを有している。負極活物質層は例えば、負極活物質としての非晶質炭素粉末90質量部に対し、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを10質量部添加し、これに分散溶媒のNMPを添加、混練したスラリを、厚さ10μmの電解銅箔の両面に塗布した後乾燥、プレスすることにより形成することができる。負極集電体の電池蓋9に沿って延びる辺には、負極タブ28が一体に形成されている。この負極タブ28は、正極板25及び負極板27を積層したときに、正極タブ26と対向しないように形成されている。負極タブ28は、後述する負極端子13の端子部本体13bに超音波溶接またはレーザ溶接により接合されている。
セパレータ29は、リチウムイオンが通過可能なポリエチレン製の多孔質材によりほぼ長方形形状のシート状に形成されている。なおセパレータ29は、正極板25の正極集電体と負極板27の負極集電体とが積層状態で接触することを阻止できる大きさを有している。
なお、図2及び図3においては、図示を容易にするために、正極板、負極板及びセパレータは一部のみが示されている。
次に本実施の形態に従って作製したリチウムイオン電池の実施例及び比較例について説明する。なお本発明は、下記の実施例に制限されるものではない。
以下の実施例1〜5及び比較例1〜2のリチウムイオン電池を作製した。
<実施例1>
正極板25の枚数を360枚とし、負極板27の枚数を364枚として、極板群3に使用する正極板25のうち、積層方向の両端から5/12ずつ(全体の5/6)の正極板(第1及び第3の極板群グループに含まれる正極板)をスピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25aとし、第2の極板群グループに含まれる残りの1/6の正極板を層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25bとした。
<実施例2>
正極板25の枚数と負極板27の枚数を,実施例1の場合と同じにして、極板群3に使用する正極板25のうち、積層方向の両端から4/12ずつ(全体の4/6)の正極板(第1及び第3の極板群グループに含まれる正極板)をスピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25aとし、第2の極板群グループに含まれる残りの2/6の正極板を層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25bとした。
<実施例3>
正極板25の枚数と負極板27の枚数を,実施例1の場合と同じにして、極板群3に使用する正極板25のうち、積層方向の両端から3/12ずつ(全体の3/6)の正極板(第1及び第3の極板群グループに含まれる正極板)をスピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25aとし、第2の極板群グループに含まれる残りの3/6の正極板を層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25bとした。
<実施例4>
正極板25の枚数と負極板27の枚数を,実施例1の場合と同じにして、極板群3に使用する正極板25のうち、積層方向の両端から2/12ずつ(全体の2/6)の正極板(第1及び第3の極板群グループに含まれる正極板)をスピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25aとし、第2の極板群グループに含まれる残りの4/6の正極板を層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25bとした。
<実施例5>
正極板25の枚数と負極板27の枚数を,実施例1の場合と同じにして、極板群3に使用する正極板25のうち、積層方向の両端から1/12ずつ(全体の1/6)の正極板(第1及び第3の極板群グループに含まれる正極板)をスピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25aとし、第2の極板群グループに含まれる残りの5/6の正極板を層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25bとした。
<比較例1>
正極板25の枚数と負極板27の枚数を,実施例1の場合と同じにして、極板群3に使用する全ての正極板25を、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25aとした。
<比較例2>
正極板25の枚数と負極板27の枚数を,実施例1の場合と同じにして、極板群3に使用する全ての正極板25を、層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25bとした。
作製した実施例1〜5及び比較例1〜2のリチウムイオン電池について以下の比較試験を行った。
<試験1>
実施例1〜5及び比較例1〜2のリチウムイオン電池について、3CAの電流での放電サイクル試験を実施した。この実験では、3CAの定電流で3.0Vまで放電し、3CAの定電流充電で4.2Vに到達した後、減衰する充電電流が0.1CAに到達するまで定電圧充電した。充電及び放電のそれぞれの間は30分間の間隔とした。1サイクル目の3CAの放電容量に対して、容量維持率が70%に到達した時点をリチウムイオン電池の寿命とし、それまでの充放電サイクル数によって高率放電におけるサイクル特性を評価した。この実験では、実施例1〜5および比較例1および2についてそれぞれ2つのリチウムイオン電池について実験を行った。図4は、実施例1〜5及び比較例1〜2のリチウムイオン電池についての、高率放電におけるサイクル数との関係を示している。
<試験2>
実施例1〜5及び比較例1〜2のリチウムイオン電池について、過充電試験を行い、電池表面の破裂・発火の有無を確認した。過充電試験では、電池中央部に熱電対を配置し、各リチウムイオン二次電池を0.5CAの電流値で充電し続けた。図5は、実施例1〜5及び比較例1〜2のリチウムイオン二次電池についての、過充電における破裂・発火の有無を示している。
サイクル試験の結果では、図4に示すように、正極板25がスピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25aのみで構成された比較例1に比べて、層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25bを極板群3の内側に配置した実施例1〜5は、いずれも3CAの高率充放電サイクル数が増加した。この結果は、3CAの高率充放電で特に高温となる電池内部に、スピネル構造の正極活物質に比べて高温での安定性が高い層状構造の正極活物質を有する正極板を配置したため、電池内部における正極活物質の劣化が遅れることにより、サイクル寿命が延びたことに起因すると考えられる。
過充電試験の結果では、図5に示すように、正極板25が層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25bのみで構成された比較例2では、リチウムイオン電池の発火・破裂が確認された。これに対してスピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板25aを積層方向の端部領域に配置した実施例1〜5では、いずれもリチウムイオン電池の破裂は確認されなかった。これは、層状構造の正極活物質に比べてスピネル構造の正極活物質は、リチウムイオン二次電池の異常発生時における反応安定性が高いために、異常発生時の安全性が向上したことに起因すると考えられる。なお実施例5では、過充電試験の結果で一部発火する電池が確認された。そのため、本発明を100Ah程度の比較的大容量の電池に適用する場合を考慮し、安全性を十分確保するために望ましくは、層状構造の正極活物質を有する正極板とスピネル構造の正極活物質を有する正極板と割合いは、実施例1〜4の範囲が好ましいと考えられる。
上記実施の形態では、層状構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板とスピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質を有する正極板とを組み合わせた例を示したが、本発明で用いることのできる正極活物質はこれらに限定されるものではなく、第1及び第3の極板群グループに含まれる正極板の正極活物質が、第2の極板群グループに含まれる正極板の正極活物質よりも異常発生時における発熱量が少ないものであればよい。
また上記実施の形態では、2種類の正極板を用いて極板群を構成しているが、3種類以上の正極板を用いて極板群を構成してもよいのは勿論である。
さらに、正極活物質が異なるだけでなく、合剤が異なる電極が適材適所に電極群中に配置されれば効果が発揮されるのは明らかであり、2種類以上の負極板を用いて極板群を構成してもよいのは勿論である。
さらに上記各実施の形態では、リチウムイオン二次電池について説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の二次電池及びその極板群に適用しても良いのは勿論である。
本発明によれば、二次電池の熱暴走の起因となる極板群の中心領域の温度上昇を抑制することができるので、電池缶の爆発を回避して、二次電池の安全性を確保することができる。また、極板群の中心領域の温度上昇が抑制されるので、極板群の中心領域の極板の活物質層が劣化を抑制することができる。そのため、充放電サイクルのサイクル寿命が短くなることを防止することができる。
1 リチウムイオン二次電池
3 極板群
5 電池容器
7 電池缶
9 電池蓋
9a ガス排出弁
11 正極端子
11a ネジ部
11b 端子部本体
13 負極端子
13b 端子部本体
15 内側パッキン
17 外側パッキン
19 平ワッシャ
21 ワッシャ
23 ナット
25 正極板
26 正極タブ
27 負極板
28 負極タブ
29 セパレータ

Claims (6)

  1. 複数枚の極板がセパレータを介して積層されてなる二次電池の極板群であって、
    前記極板群が積層方向に順番に第1,第2及び第3の極板群グループに分けられており、
    電池濫用時における前記第1及び第3の極板群グループのそれぞれの発熱量が、前記極板群の中央に位置する第2の極板群グループの発熱量よりも小さいことを特徴とする二次電池の極板群。
  2. 前記第1及び第3の極板群グループを構成する正極板及び負極板のうち一方の極性の極板の電池濫用時における発熱量が、前記第2の極板群グループを構成する正極板及び負極板のうち前記一方の極性と同じ極性の極板の電池濫用時における発熱量が小さいことを特徴とする請求項1に記載の二次電池の極板群。
  3. 前記第1及び第3の極板群グループに含まれる前記正極板の正極活物質層が、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末を用いた正極活物質層により構成されており、
    前記第2の極板群グループに含まれる前記正極板の正極活物質層が、層状構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末を用いた正極活物質層により構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の二次電池の極板群。
  4. 前記第1及び第3の極板群グループのサイクル寿命が、前記第2の極板群グループのサイクル寿命よりも短いことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の二次電池の極板群。
  5. 前記第2の極板群グループを構成する極板の枚数は、前記第1及び第3の極板群グループを構成する極板の合計枚数の2倍以下である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の二次電池の極板群。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の極板群を備えた二次電池。
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