JP2014238913A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】通常時は柔軟性が高く、強い衝撃を受けたときには硬化する材料を、電池のセパレータに用いることにより、自由度の高い形状と高い安全性を有した電池を提供すること。【解決手段】正極５と負極４とをセパレータ３を介して対向配置した発電部とを外装体内に封入してなる電池において、セパレータ３にダイラタンシー特性を付与する物質を含有させたことにより、電池が、外部からの強い衝撃を受けた場合に、電池の破壊によって、電池内部で短絡が起こり、大電流が流れることによる危険を回避することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、優れた電池性能と高い安全性を持ち合わせた電池に関するものである。

近年、省資源や省エネルギーの観点から、繰り返し使用できるニッケル水素、ニッケルカドミウムやリチウムイオンなどの二次電池の需要が高まっている。中でもリチウムイオン二次電池は、軽量でありながら起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有しているため、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源、また、コードレス化した電動工具の動力用電源としての需要が拡大している。一方、石油などの化石燃料の使用量の低減やＣＯ_２の排出量を削減するために、自動車などのモータ駆動用の電源として中型・もしくは大型の電池も開発されている。

特に、電気自動車や電動自転車といった高容量・高出力用の用途で使用する場合には、高エネルギー密度を必要とするため、電池の安全性は重要な課題となる。この課題の解決に向けてセパレータをゲル状または固体状の電解質で形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、電解液系電解質のリチウムイオンニ次電池のセパレータとして、高温下でも溶融しない多孔質なセラミックス層を用いることにより電池の安全性を飛躍的に向上させる方法が報告されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１７６５５５号公報 特開２００６−１４７５６９号公報

しかしながら、特許文献１に示す電池は、大きく変形させるような力が加わる場合、ゲル状または固体状の電解質が変形し、正極と負極とが互いに接触するので正極と負極との間に大電流が流れ、場合によってはリチウムイオン二次電池が発火または発煙し非常に危険である。

特許文献２に開示された多孔質なセラミック層はリチウムイオン二次電池内の温度が高温になっても溶融または収縮しないので、温度が上昇しても正極と負極との接触面積の拡大を抑制できる。しかし、この多孔質なセラミック層は柔軟性に乏しく衝撃により割れやすいことから、一般的な正極、負極ならびにセパレータを重ねて扁平形状に巻回して角型のアルミニウムケースもしくはラミネートフィルムに封入してなる構造の電池には不適である。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、通常時は柔軟性が高く、強い衝撃を受けたときには硬化する材料を、電池のセパレータに用いることにより、自由度の高い形状と高い安全性を有した電池を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明にかかる電池は、ダイラタンシー特性を付与する物質をセパレータに含有することにより、衝撃に対する電池の安全性を著しく向上させた
ことを特徴とするものである。

ダイラタンシー特性を付与する物質とは、本発明では瞬間的な衝撃的影響において硬化する物質のことである。

本発明によると、ダイラタンシー特性を付与する物質をセパレータに含有することにより、衝撃を受けることでセパレータが硬化して電池内部を保護することができる。

この特性は、電池材料や形状に左右されないため、電池の形状に規制を加えることなく、軽量で、且つ安全性の高い電池を供給することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電池の構成を示す斜視図 本発明の第１の実施の形態に係る電池の断面図

本発明の第１の発明は、正極と負極とをセパレータを介して対向配置した発電部と電解質とを外装体内に封入してなる電池において前記セパレータにダイラタンシー特性を付与する物質を含有させたことを特徴とするものである。

本発明は、突然の衝撃によって引き起こされるような著しく高い変形速度において、その材料が硬くまたは硬直になる物質を選定し、正極および負極間のセパレータとして用いることにより、明らかな外傷効果を低下するための保護層としての効果が得られる。

本発明の第２の発明は、前記物質を、セパレータを構成する繊維に含浸させた電池である。ダイラタンシー特性を付与する物質をセパレータを構成する繊維に含浸させることにより、衝撃時、セパレータが硬化し、正極と負極を保護する保護層としての効果が発現される。

本発明の第３の発明は、前記物質を含有する繊維を用いて構成した織布をセパレータとした電池である。ダイラタンシー特性を有する物質を中空糸や発泡体などの空孔へ内包した繊維もしくはシートを整形し電池のセパレータとして用いることにより、電池が衝撃や衝突などの外力を受けて外装体が破壊されても、正負極間内で正極と負極を保護する保護層として機能し短絡が抑制されることから高い安全性が確保される。

本発明の第４の発明は、物質を含有するゲル電解質シートをセパレータとした電池である。セパレータと電解質が一体化したゲル電解質シートにダイラタンシー特性を有する物質を含有させることにより、衝撃に強く且つ、より薄く、漏液による電池の破損の可能性の低い電池が実現する。

本発明の第５の発明は、前記物質が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒから選ばれる少なくとも一つの酸化物もしくは窒化物と溶媒とを混合した電解質であることを特徴とする電池である。電解質をダイラタンシー特性を有する物質とする際、電解質と反応がなく、また熱的に安定な物質が好ましい。このような観点からＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒの酸化物もしくは窒化物の無機粒子を用いることで、衝撃を吸収しつつ、この無機粒子が熱拡散を促すことにより熱暴走が起こりにくい電池が実現する。

本発明の第６の発明は、前記物質が、ホウ素化合物とシリコーンオイルや反応性シリコーンオイルと加熱反応処理させてホウ素含有シロキサンポリマーとしたことを特徴とする
電池である。ポリエチレン基材や中空糸にダイラタンシー特性を有する物質させる含有させセパレータとして用いる場合、より流動性が良い材料が求められる。ホウ素含有シロキサンポリマーは流動性が高く、セパレータとして伸延や織編される加工工程で柔軟性が損なわれないため、通常のセパレータと同様にして使用することができる。

本発明の第７の発明は、前記物質が、ポリエチレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビリニデン、およびポリメチルメタクリレートが用いられ、有機溶剤などが可塑剤として添加されることにより結合を有する、もしくはエチレンオキシド結合を有するゲル電解質ポリマーであることを特徴とする電池である。ゲル電解質シートとしては、有機ポリマーと液体電解質の混合物であるゲル電解質シートと、純粋に固体である真性ポリマーゲル電解質シートが実用的である。このゲル電解質シートにダイラタンシー特性を付与することにより、より安全性の高い電池が実現できる。
（実施の形態１）
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電池の構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す電池１のＸ−Ｘ断面を示す断面図である。電池１は、電池ケース２と、セパレータ３を介して負極４と正極５を対向配置して構成した発電部から構成されている。電池ケース２は、例えば鉄、ニッケル、アルミニウム、チタン、銅、ステンレス等、不燃材料である金属や、液晶性全芳香族ポリエステル、ポリエーテルサルホン、芳香族ポリアミドなどの耐熱性のある樹脂、または金属と樹脂との積層体を用いて構成されている。セパレータ３には、ダイラタンシー特性を付与する物質を含有させている。ダイラタンシー特性を付与する物質を含有させたセパレータは、発泡体、好ましくはポリウレタン発泡体又はセルロース発泡体等の連続気泡発泡体の発泡中にダイラタンシー特性を示す物質を含有させた複合材料を延伸もしくはスライスして薄膜シート化して形成してもよいし、もしくは、ダイラタンシー特性を示す物質を内包した中空繊維などを織布して形成してもよい。ここで、ダイラタンシー特性を付与する物質は、例えば、ホウ素化合物とシリコーンオイルや反応性シリコーンオイルと加熱反応処理させたホウ素含有シロキサンポリマーである。

また、ダイラタンシー特性を付与する物質として、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒから選ばれる少なくとも一つの酸化物もしくは窒化物と溶媒とを混合した電解質としてもよい。

ダイラタンシー特性を付与する物質として、ポリエチレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビリニデン、およびポリメチルメタクリレートが用いられ、有機溶剤などが可塑剤として添加されることにより結合を有する、もしくはエチレンオキシド結合を有するゲル電解質ポリマーとして、セパレータと電解質が一体化したポリマーゲルへ適用してもよい。

以下、本発明を適応した具体的実施例を説明する。本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図２に示すダイラタンシー特性を付与する物質を含有させたセパレータ３として、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたポリエチレン製マイクロセルラープラスチック（微細発泡体）を使用した。微細発泡内にはシリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させた有機材料が注入され、２０μｍ程度の厚さに延伸され、マイクロセルラープラスチック体積に対し４０％程度の微孔を設けることによりセパレータとしての機能を付与したもので構成した。電池ケース３にはステンレス缶を用い、厚みを０．２ｍｍとした。
（実施例２）
図２に示すダイラタンシー特性を付与する物質を含有させたセパレータ３として、ダイ
ラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたポリエチレン中空糸を織布したものを用いた以外は実施例１の電池と同様に作製した電池を実施例２の電池とした。
（実施例３）
図２に示すダイラタンシー特性を付与する物質を含有させたセパレータ３として、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたポリエチレンオキサイドと六フッ化リン酸リチウムを複合化させたドライポリマー電解質を用いた以外は実施例１の電池と同様に作製した電池を実施例３の電池とした。
（実施例４）
図２に示すダイラタンシー特性を付与する物質を含有させたセパレータ３として、２０μｍ厚のポリエチレン製微多孔フィルムセパレータを用い、直径０．１μｍのシリカ粒子を、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとメチルエチルカーボネートとを体積比１：１：１の割合で混合した溶媒に六フッ化リン酸リチウムを１Ｍおよびビニレンカーボネートを３重量％溶解させた溶剤２０重量部に対し、８０重量部混合したものを電解質として用いた以外は実施例１の電池と同様に作製した電池を実施例４の電池とした。
（比較例１）
図２に示すセパレータ３として、２０μｍ厚のポリエチレン製微多孔フィルムセパレータを用いたこと以外は実施例１の電池と同様に作製した電池を比較例１の電池とした。
以上の実施例および比較例で得られた各電池パックについて、以下の評価を行った。
（釘刺し試験評価）
電池の充放電特性を評価した後の電池について、１４００ｍＡの定電流で４．２５Ｖまで充電し、次いで４．２５Ｖの定電圧で電流が１００ｍＡに低下するまで充電した。この充電後の電池について、２．７ｍｍ径の鉄製丸釘を、２５℃環境下１８０ｍｍ/秒の速度で挿入し、破裂・発火を起こさないかで判断した。その結果、発火および破裂が発生しなかったものを○、発火してしまったものを×で表して（表１）に示した。

実施例１〜４は釘刺しによって発火および破裂が発生しなかったものの、比較例１では発火が起こり、安全性が向上していることが分かる。

今回、電池のみの釘刺し試験を行ったが、実際に機器本体へ搭載した場合において電池が衝撃を受けた場合においても電池が破壊されることにより発生する発熱や発火等による機器本体の損傷も最小限に抑制される。特に落下破損しやすい携帯型電子機器や移動体通信機器、衝突により強い衝撃を受ける自動車には高い安全性の効果が見込まれる。
また、本実施例は円筒形電池について記載したが角型電池でも同様の効果が得られた。

本発明は、優れた衝撃吸収性を有し、小型化および軽量化とともに安全性が要求される電池、電池を備えた電子機器および電池収納部を備えた電子機器として有用である。

１ 電池
２ 電池ケース
３ セパレータ
４ 負極
５ 正極

Claims (7)

1. 正極と負極とをセパレータを介して対向配置した発電部とを外装体内に封入してなる電池において、前記セパレータにダイラタンシー特性を付与する物質を含有させたことを特徴とする電池。
2. 前記物質を、セパレータを構成する繊維に含浸させた請求項１に記載の電池。
3. 前記物質を含有する繊維を用いて構成した織布をセパレータとした請求項１に記載の電池。
4. 前記物質を含有するゲル電解質シートをセパレータとした請求項１に記載の電池。
5. 前記物質が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒから選ばれる少なくとも一つの酸化物もしくは窒化物と溶媒とを混合した電解質であることを特徴とする請求項２に記載の電池。
6. 前記物質が、ホウ素化合物とシリコーンオイルや反応性シリコーンオイルと加熱反応処理させてホウ素含有シロキサンポリマーとしたことを特徴とする請求項３記載の電池。
7. 前記物質が、ポリエチレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビリニデン、およびポリメチルメタクリレートが用いられ、有機溶剤などが可塑剤として添加されることにより結合を有する、もしくはエチレンオキシド結合を有するゲル電解質ポリマーであることを特徴とする請求項４に記載の電池。