JP2014143007A

JP2014143007A - リチウムイオン蓄電装置

Info

Publication number: JP2014143007A
Application number: JP2013009335A
Authority: JP
Inventors: Shinpei So; 真平宗; Yuji Kondo; 悠史近藤; Motoaki Okuda; 元章奥田; Yasunari Akiyama; 泰有秋山
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2014-08-07
Also published as: US20150357622A1; WO2014115688A1

Abstract

【課題】限られた空間内で電池の容量を向上させながら、金属板間の短絡をより確実に維持できるリチウムイオン蓄電装置を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池１００は、ケース１０と、電極組立体２０と、第１金属板１２と、第２金属板１４と、絶縁部材１６とを備える。電極組立体２０は、正極３０と、負極４０と、セパレータ５０とを備える。第１金属板１２は正極３０と電気的に接続される。第２金属板１４は負極４０と電気的に接続される。第１金属板１２はアルミニウム系金属からなる。第２金属板１４は、リチウム電位に対して３Ｖ以下でリチウムと合金化しない金属からなる。第１金属板１２は正極金属箔３０Ｂよりも厚い。第２金属板１４は負極金属箔４０Ｂよりも厚い。第１金属板１２の厚みをＤ１、第２金属板１４の厚みをＤ２とすると、１＜Ｄ１／Ｄ２＜２を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、リチウムイオン蓄電装置に関する。

巻回型の電極組立体の外側において、正極と等電位の金属部分と、負極と等電位の金属部分とが互いに対向されたリチウムイオン二次電池が知られている（例えば特許文献１参照）。このリチウムイオン二次電池では、正極と等電位の金属部分と負極と等電位の金属部分とを短絡させることによって、電極組立体中の活物質層の急激な発熱が抑制される。

特開平１１−１８５７９８号公報

上記リチウムイオン二次電池では、電極組立体中の正極を構成する金属箔の端部が、正極と等電位の金属部分に相当する。同様に、電極組立体中の負極を構成する金属箔の端部が、負極と等電位の金属部分に相当する。そのため、正極と等電位の金属部分の厚みは、正極を構成する金属箔の厚みと同じである。同様に、負極と等電位の金属部分の厚みは、負極を構成する金属箔の厚みと同じである。正極又は負極を構成する金属箔の厚みは通常薄いので、正極又は負極と等電位の金属部分も薄くなっている。したがって、正極又は負極と等電位の金属部分が、短絡時の発熱により融解して短絡が解消するおそれがある。

一方、電池缶内の限られた空間内でリチウムイオン二次電池の容量を向上させるためには、電池の容量に寄与しない上記金属部分をできる限り薄くすることが望ましい。

本発明は、限られた空間内で蓄電装置の容量を向上させながら、金属板間の短絡をより確実に維持できるリチウムイオン蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るリチウムイオン蓄電装置は、ケースと、前記ケース内に収容された電極組立体と、前記ケースと前記電極組立体との間に配置された第１金属板と、前記第１金属板と前記電極組立体との間に配置された第２金属板と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された絶縁部材と、を備え、前記電極組立体は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、を備え、前記第１金属板が、前記正極と電気的に接続されており、前記第２金属板が、前記負極と電気的に接続されており、前記第１金属板が、アルミニウム系金属からなり、前記第２金属板が、リチウム電位に対して３Ｖ以下でリチウムと合金化しない金属からなり、前記正極が、正極金属箔と、前記正極金属箔上に設けられた正極活物質層と、を備え、前記負極が、負極金属箔と、前記負極金属箔上に設けられた負極活物質層と、を備え、前記第１金属板が前記正極金属箔よりも厚く、前記第２金属板が前記負極金属箔よりも厚く、前記第１金属板の厚みをＤ１、前記第２金属板の厚みをＤ２とすると、１＜Ｄ１／Ｄ２＜２を満たす。

このリチウムイオン蓄電装置では、第１金属板及び第２金属板を十分に厚くすることができるので、第１金属板と第２金属板とが短絡して発熱しても第１金属板及び第２金属板が融解し難い。さらに、第１金属板及び第２金属板の融解を抑制しながら、蓄電装置の容量に寄与しない第１金属板及び第２金属板の合計厚みを小さくすることができる。そのため、限られた空間内で蓄電装置の容量を向上させながら、第１金属板と第２金属板との間の短絡をより確実に維持できる。

前記第２金属板の厚みが０．１ｍｍ以上であってもよい。

前記第２金属板が銅系金属からなってもよい。

１＜Ｄ１／Ｄ２＜１．５を満たしてもよい。

本発明によれば、限られた空間内で蓄電装置の容量を向上させながら、金属板間の短絡をより確実に維持できるリチウムイオン蓄電装置が提供され得る。

一実施形態に係るリチウムイオン蓄電装置を模式的に示す断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿ったリチウムイオン蓄電装置の断面図である。第１金属板（Ａｌ）及び第２金属板（Ｃｕ）の厚みを変えた実験例の条件を示す図である。第１金属板（Ａｌ）と第２金属板（Ｃｕ）とを短絡させる場合の電気回路の一例を模式的に示す図である。第１金属板（Ａｌ）の厚み又は第２金属板（Ｃｕ）の厚みと電流との関係の一例を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

図１は、一実施形態に係るリチウムイオン蓄電装置を模式的に示す断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿ったリチウムイオン蓄電装置の断面図である。図１及び図２にはＸＹＺ直交座標系が示される。

図１及び図２に示されるリチウムイオン二次電池１００は、ケース１０と、ケース１０内に収容された電極組立体２０とを備える。ケース１０は例えばアルミニウム系金属又はステンレス鋼等の金属からなってもよい。電極組立体２０は、正極３０と、負極４０と、正極３０と負極４０との間に配置されたセパレータ５０とを備える。正極３０、負極４０は、例えばシート状である。セパレータ５０は、例えば袋状であるが、シート状であってもよい。袋状のセパレータ５０内には、例えば正極３０が収容される。複数の正極３０及び複数の負極４０が、例えばＹ軸方向にセパレータ５０を介して交互に積層されてもよい。ケース１０内には電解液６０が充填され得る。電解液６０としては、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液等が挙げられる。

正極３０は、正極金属箔３０Ｂと、正極金属箔３０Ｂ上に設けられた正極活物質層３０Ｃとを備える。正極活物質層３０Ｃは、正極金属箔３０Ｂの両面に設けられ得る。正極金属箔３０Ｂは例えばアルミニウム箔である。正極活物質層３０Ｃは、正極活物質とバインダとを含んでもよい。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。

正極３０は、縁に形成されたタブ３０Ａを有してもよい。タブ３０Ａには、正極活物質が保持されていない。正極３０は、タブ３０Ａを介して導電部材３２に接続され得る。導電部材３２は、正極端子３４に接続され得る。正極端子３４は、絶縁リング３６を介してケース１０に取り付けられてもよい。

負極４０は、負極金属箔４０Ｂと、負極金属箔４０Ｂ上に設けられた負極活物質層４０Ｃとを備える。負極活物質層４０Ｃは、負極金属箔４０Ｂの両面に設けられ得る。負極金属箔４０Ｂは例えば銅箔である。負極活物質層４０Ｃは、負極活物質とバインダとを含んでもよい。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯ_ｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。

負極４０は、縁に形成されたタブ４０Ａを有してもよい。タブ４０Ａには、負極活物質が保持されていない。負極４０は、タブ４０Ａを介して導電部材４２に接続され得る。導電部材４２は、負極端子４４に接続され得る。負極端子４４は、絶縁リング４６を介してケース１０に取り付けられてもよい。

セパレータ５０としては、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、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又は不織布等が例示される。

リチウムイオン二次電池１００は、第１金属板１２と、第２金属板１４と、絶縁部材１６とを備える。第１金属板１２は、ケース１０と電極組立体２０との間に配置される。第２金属板１４は、第１金属板１２と電極組立体２０との間に配置される。絶縁部材１６は、第１金属板１２と第２金属板１４との間に配置される。第１金属板１２、第２金属板１４及び絶縁部材１６は、短絡ユニット（安全対策ユニット）７０を構成し得る。第１金属板１２、第２金属板１４及び絶縁部材１６は、Ｙ軸方向に積層され得る。電極組立体２０が複数の短絡ユニット７０によって挟まれてもよい。第１金属板１２及び第２金属板１４は未塗工電極とも言われる。

第１金属板１２は、正極３０と電気的に接続される。第２金属板１４は、負極４０と電気的に接続される。第１金属板１２はアルミニウム系金属からなる。アルミニウム系金属は、純アルミニウム又はアルミニウム合金を含む。第２金属板１４は、リチウム電位に対して３Ｖ以下でリチウムと合金化しない金属からなる。そのような金属としては、銅系金属、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、ニッケル等が挙げられる。銅系金属は、純銅又は銅合金を含む。

第１金属板１２は、例えば積層された複数枚の金属箔からなってもよいし、単一の板状部材であってもよい。第１金属板１２には、活物質層が設けられていない。第１金属板１２は正極金属箔３０Ｂよりも厚い。第１金属板１２は、本体部と、本体部の縁に形成されたタブとを有してもよい。第１金属板１２の厚み方向（Ｙ軸方向）から見て、第１金属板１２のタブは、正極３０のタブ３０Ａと重なるように配置され、溶接によりタブ３０Ａに接続され得る。

第２金属板１４は、例えば積層された複数枚の金属箔からなってもよいし、単一の板状部材であってもよい。第２金属板１４には、活物質層が設けられていない。第２金属板１４は負極金属箔４０Ｂよりも厚い。第２金属板１４は、本体部と、本体部の縁に形成されたタブとを有してもよい。第２金属板１４の厚み方向（Ｙ軸方向）から見て、第２金属板１４のタブは、負極４０のタブ４０Ａと重なるように配置され、溶接によりタブ４０Ａに接続され得る。

第１金属板１２の厚みをＤ１、第２金属板１４の厚みをＤ２とすると、１＜Ｄ１／Ｄ２＜２を満たす。１＜Ｄ１／Ｄ２＜１．５を満たしてもよく、１．０４≦Ｄ１／Ｄ２≦１．４６を満たしてもよく、１．０４≦Ｄ１／Ｄ２≦１．３９を満たしてもよい。Ｄ１／Ｄ２は例えば１．１９である。第１金属板１２が複数枚の金属箔からなる場合、第１金属板１２の厚みＤ１は、複数枚の金属箔の総厚みである。第２金属板１４が複数枚の金属箔からなる場合、第２金属板１４の厚みＤ２は、複数枚の金属箔の総厚みである。

第１金属板１２の厚みは例えば０．１ｍｍより大きい。第１金属板１２の厚みは例えば２ｍｍ以下である。第２金属板１４の厚みは例えば０．１ｍｍ以上である。第２金属板１４の厚みは例えば２ｍｍより小さい。なお、第１金属板１２、第２金属板１４の厚みは電池サイズや電池容量に応じて、さらに厚くあるいはさらに薄くてもよい。

リチウムイオン二次電池１００では、第１金属板１２及び第２金属板１４を十分に厚くすることができるので、第１金属板１２と第２金属板１４とが短絡して発熱しても第１金属板１２及び第２金属板１４が融解し難い。さらに、第１金属板１２及び第２金属板１４の融解を抑制しながら、電池の容量に寄与しない第１金属板１２及び第２金属板１４の合計厚み（Ｄ１＋Ｄ２）を小さくすることができる。そのため、限られた空間内で電池の容量を向上させながら、第１金属板１２と第２金属板１４との間の短絡をより確実に維持できる。

図３は、第１金属板（Ａｌ）及び第２金属板（Ｃｕ）の厚みを変えた実験例の条件を示す図である。実験例１〜９では、複数枚のアルミニウム箔からなる第１金属板（Ａｌ）と、複数枚の銅箔からなる第２金属板（Ｃｕ）とを用いた。実験例１〜４では複数枚の銅箔の総厚みを１ｍｍに固定した。実験例５〜９では複数枚のアルミニウム箔の総厚みを１ｍｍに固定した。

図４は、第１金属板（Ａｌ）と第２金属板（Ｃｕ）とを短絡させる場合の電気回路の一例を模式的に示す図である。実験例１〜９のそれぞれについて、図４に示されるように、電極組立体と短絡ユニットとを電流計９０を介して配線により接続した。短絡ユニットに釘８０を刺すことによって、短絡ユニット中の第１金属板（Ａｌ）と第２金属板（Ｃｕ）とを短絡させた。図４中、Ｒｉは電極組立体の内部抵抗を表す。Ｖは電極組立体の起電力を表す。Ｒｓは短絡ユニットの抵抗を表す。Ｒｓ（Ａｌ）は第１金属板（Ａｌ）の抵抗を表す。Ｒｓ（Ｃｕ）は第２金属板（Ｃｕ）の抵抗を表す。電流計９０を用いて電流値を測定した。結果を図５に示す。

図５は、第１金属板（Ａｌ）の厚み又は第２金属板（Ｃｕ）の厚みと電流との関係の一例を示すグラフである。実験例１〜９の結果について、それぞれ点Ｐ１〜Ｐ９をプロットした。図５中、○は短絡が維持されたことを示し、×は短絡が解消されたことを示す。実験例１〜３及び５〜７では短絡が維持されたが、実験例４，８及び９では短絡が解消した。実験例４では、短絡による発熱により第１金属板（Ａｌ）が融解した。実験例８及び９では、短絡による発熱により第２金属板（Ｃｕ）が融解した。原点と点Ｐ３を通る直線ＬＡの傾きは１／４３１５（ｍｍ／Ａ）であり、原点と点Ｐ７を通る直線ＬＣの傾きは１／５１３７（ｍｍ／Ａ）であった。直線ＬＡの傾きを直線ＬＣの傾きで割ると１．１９となる。直線ＬＡ及びＬＣ上では、第１金属板（Ａｌ）の厚みは、第２金属板（Ｃｕ）の厚みの１．１９倍となる。実験例１〜９の結果から、第１金属板（Ａｌ）の厚みが第２金属板（Ｃｕ）の厚みより大きく、第２金属板（Ｃｕ）の厚みの２倍より小さい範囲であれば、第１金属板（Ａｌ）及び第２金属板（Ｃｕ）の融解を抑制しながら、第１金属板（Ａｌ）及び第２金属板（Ｃｕ）の合計厚みを小さくできることが分かる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、リチウムイオン二次電池１００は、車両に搭載されてもよい。車両としては、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動二輪車等が挙げられる。

積層型の電極組立体２０に代えて巻回型の電極組立体が用いられてもよい。巻回型の電極組立体は、帯状の正極、負極及びセパレータを軸線の周りに巻回することによって作製される。

リチウムイオン二次電池１００に代えて、リチウムイオンキャパシタに本発明を適用してもよい。

１０…ケース、１２…第１金属板、１４…第２金属板、１６…絶縁部材、２０…電極組立体、３０…正極、３０Ｂ…正極金属箔、３０Ｃ…正極活物質層、４０…負極、４０Ｂ…負極金属箔、４０Ｃ…負極活物質層、５０…セパレータ、１００…リチウムイオン二次電池（リチウムイオン蓄電装置）。

Claims

ケースと、
前記ケース内に収容された電極組立体と、
前記ケースと前記電極組立体との間に配置された第１金属板と、
前記第１金属板と前記電極組立体との間に配置された第２金属板と、
前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された絶縁部材と、
を備え、
前記電極組立体は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、を備え、
前記第１金属板が、前記正極と電気的に接続されており、
前記第２金属板が、前記負極と電気的に接続されており、
前記第１金属板が、アルミニウム系金属からなり、
前記第２金属板が、リチウム電位に対して３Ｖ以下でリチウムと合金化しない金属からなり、
前記正極が、正極金属箔と、前記正極金属箔上に設けられた正極活物質層と、を備え、
前記負極が、負極金属箔と、前記負極金属箔上に設けられた負極活物質層と、を備え、
前記第１金属板が前記正極金属箔よりも厚く、
前記第２金属板が前記負極金属箔よりも厚く、
前記第１金属板の厚みをＤ１、前記第２金属板の厚みをＤ２とすると、１＜Ｄ１／Ｄ２＜２を満たす、リチウムイオン蓄電装置。
前記第２金属板の厚みが０．１ｍｍ以上である、請求項１に記載のリチウムイオン蓄電装置。
前記第２金属板が銅系金属からなる、請求項１又は２に記載のリチウムイオン蓄電装置。
１＜Ｄ１／Ｄ２＜１．５を満たす、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオン蓄電装置。