JP2015018710A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケースが押し潰されたり、釘が刺さったりしたときに、短絡用電極での短絡を速やかに発生させることができる蓄電装置を提供すること。
【解決手段】二次電池１０において、電極組立体１２の積層方向の両端に位置する偏平面１２ｂと、各偏平面１２ｂに対向した第２側壁２４との間に、正極短絡用電極３１と負極短絡用電極３３とが絶縁された状態で積層方向に沿って積層されている。短絡ユニット３０において、正極短絡用電極３１は、負極短絡用電極３３への対向面の全面に絶縁コーティング層３２を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、電極組立体の偏平面と、ケースの壁部との間に、正極と負極の短絡用電極が絶縁された状態で積層された蓄電装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。二次電池としては、シート状の正極電極及び負極電極が、間にセパレータが介在する状態で積層された積層型の電極組立体をケース内に備えたものがある。

このような二次電池においては、外部からの圧力によりケースが押し潰されたり、釘が刺さったりすると、正極電極と負極電極の間のセパレータが破断又は溶融し、正極電極と負極電極とがケース内において短絡が発生してしまう虞がある。そして、短絡が発生すると、その短絡部の周辺では熱が発生し、この熱によって破裂や発火に至る虞がある。

そこで、電極組立体での短絡を防止するために、ケース内に短絡用電極を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のリチウムイオン重合体バッテリーは、カソードとアノードを第１セパレータを挟んで積層された電極層（電極組立体）を備えるとともに、その電極層の最も外側に、活物質層を有しないカソード及びアノード（短絡用電極）と、それらカソードとアソードの間に配置された第２セパレータを備える。第２セパレータは、アルミナ及びシリカから構成されたセラミックセパレータであり、第１セパレータよりも破断エネルギーが低い。

そして、二次電池の通常使用時は、第２セパレータによってカソードとアノードの短絡が阻止されている。一方、外部からの衝撃によりケースが押し潰されたり、釘が刺さったりすると、電極組立体での短絡に先立って、第２セパレータが破損し、電極層の最も外側でカソードとアノードが短絡し、安全に電池電圧を低下させることができる。

特許第４５５４６７６号公報

ところが、ケースが押し潰されたり、釘が刺さったりしたとき、第２セパレータよりも外側にあるカソードが、押し潰されたケースや、刺さった釘に追従して変形する。すると、第２セパレータも、その変形したカソードに追従して変形してしまい、第２セパレータの破損が遅れる結果、短絡の発生が遅れてしまう。

本発明は、ケースが押し潰されたり、釘が刺さったりしたときに、短絡用電極での短絡を速やかに発生させることができる蓄電装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、蓄電装置は、正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で積層された電極組立体がケース内に収容され、前記電極組立体の積層方向の両端に位置する偏平面と、該偏平面に対向した前記ケースの壁部との間に、正極の短絡用電極と負極の短絡用電極とが絶縁された状態で前記積層方向に沿って積層された蓄電装置であって、前記正極の短絡用電極及び前記負極の短絡用電極のうちいずれか一方は、他方への対向面の全面に絶縁コーティング層を備えることを要旨とする。

これによれば、蓄電装置の通常使用時、ケースを押し潰さないまでの圧力が、ケースの外部から積層方向に沿って壁部に作用したときは、絶縁コーティング層によって正極と負極の短絡用電極が短絡してしまうことを防止できる。

そして、絶縁コーティング層は、一方の短絡用電極の表面に一体に設けられた層であり、セパレータのようなフィルム状のものではない。このため、絶縁コーティング層は、外部からの荷重が加わると容易に破壊されるとともに、フィルム状のセパレータのようにケースの変形或いは突き刺さる釘に追従すべく、広範囲のフィルム状のセパレータが短絡用電極に対してずれる様に変形することもない。よって、壁部が、外部からの圧力により押し潰されたり、壁部を貫通して釘が刺さったりしたとき、その圧力や釘からの荷重が絶縁コーティング層に加わると、絶縁コーティング層は速やかに破壊される。このため、正極と負極の短絡用電極を速やかに短絡させることができ、フィルム状のセパレータを短絡用電極の間に介在させた場合よりも速く短絡を発生させることができる。

また、蓄電装置について、前記絶縁コーティング層は、前記正極の短絡用電極及び前記負極の短絡用電極のうち、前記電極組立体に近い一方の短絡用電極が備えるのが好ましい。

これによれば、ケースが押し潰されて、外部からの圧力が壁部に作用した場合、その圧力は、ケースの壁部に近い短絡用電極（他方の短絡用電極）を介して絶縁コーティング層に加わる。また、釘が突き刺さった場合は、壁部に近い短絡用電極（他方の短絡用電極）を貫通した釘が、絶縁コーティング層に直接突き刺さる。このため、絶縁コーティング層をより確実に破壊することができる。

また、蓄電装置について、前記電極組立体に近い一方の短絡用電極は前記正極の短絡用電極であって、前記正極の短絡用電極が前記絶縁コーティング層を備えていてもよい。
これによれば、例えば、正極の短絡用電極をアルミニウム箔とすると、絶縁コーティング層として、アルミニウム箔を陽極酸化して形成された酸化皮膜を用いることができ、絶縁コーティング層を簡単に形成することができる。

また、蓄電装置について、前記絶縁コーティング層は、セラミックからなっていてもよい。
これによれば、絶縁コーティング層は、ケースの変形や突き刺さる釘に追従することがなく、より確実、かつ速やかに破壊させることができる。

また、蓄電装置について、前記蓄電装置は二次電池である。

本発明によれば、ケースが押し潰されたり、釘が刺さったりしたときに、短絡用電極での短絡を速やかに発生させることができる。

実施形態の二次電池を示す斜視図。 電極組立体の構成要素及び短絡ユニットを示す分解斜視図。 二次電池内を示す図１の３−３線断面図。 （ａ）は二次電池内を示す部分拡大断面図、（ｂ）は釘が突き刺さって短絡が発生した状態を示す部分拡大断面図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１及び図３に示すように、二次電池１０は、四角箱状のケース１１に電極組立体１２及び電解液２１が収容されて構成されている。ケース１１は、直方体状の本体部材１３と、矩形平板状の蓋部材１４とを有する。本体部材１３は、矩形平板状の底部２２と、この底部２２の短側縁から立設された一対の第１側壁２３と、底部２２の長側縁から立設され、かつ両第１側壁２３に直交する一対の第２側壁２４を備える。本体部材１３は、その内側に、底部２２と、一対の第１側壁２３と、一対の第２側壁２４とによって囲まれた収容部Ｓを有するとともに、本体部材１３には収容部Ｓと連通する挿入口１３ｄが開口している。

蓋部材１４は、挿入口１３ｄを閉塞する。ケース１１を構成する本体部材１３と蓋部材１４は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。また、本実施形態の二次電池１０は、その外観が角型をなす角型電池であり、リチウムイオン電池である。

電極組立体１２には、当該電極組立体１２から電気を取り出すための正極端子１５が正極用導電部材１８ｅを介して電気的に接続されるとともに、負極端子１６が負極用導電部材１９ｅを介して電気的に接続されている。そして、正極端子１５及び負極端子１６は、蓋部材１４を貫通してケース１１外に突出するとともに、正極端子１５及び負極端子１６には、ケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁リング１７ａがそれぞれ取り付けられている。

図２に示すように、電極組立体１２は、正極用金属箔１８ａの両面に正極用の活物質層１８ｂを有する正極電極１８、及び負極用金属箔１９ａの両面に負極用の活物質層１９ｂを有する負極電極１９が、両者の間にセパレータ２０を介在させた状態で積層された構成である。正極電極１８及び負極電極１９において、各活物質層１８ｂ，１９ｂは、それぞれ対向する２辺が平行な矩形状である。なお、正極電極１８の活物質層１８ｂの平面形状は、負極電極１９の活物質層１９ｂの平面形状より若干小さく形成されている。正極用金属箔１８ａには、活物質が塗布されていない未塗工部１８ｄが活物質層１８ｂの一辺に沿って設けられている。負極用金属箔１９ａには、活物質が塗布されていない未塗工部１９ｄが活物質層１９ｂの一辺に沿って設けられている。各未塗工部１８ｄ，１９ｄにはタブ１８ｆ，１９ｆが突出するように設けられている。正極電極１８のタブ１８ｆには正極用導電部材１８ｅが溶接で接続され、負極電極１９のタブ１９ｆには負極用導電部材１９ｅが溶接で接続されている。

図３及び図４（ａ）に示すように、電極組立体１２において、正極電極１８及び負極電極１９の積層方向に直交し、かつ正極電極１８及び負極電極１９の長手方向を、電極組立体１２の長手方向とする。また、電極組立体１２において、タブ１８ｆ，１９ｆが設けられた側と反対側の端面であり、本体部材１３の底部２２側を底側端面１２ａとし、電極組立体１２の積層方向の両端に位置する面を偏平面１２ｂとする。本実施形態では、電極組立体１２の積層方向の両端には正極電極１８が配設され、両偏平面１２ｂは、正極電極１８の活物質層１８ｂによって形成されている。さらに、電極組立体１２の長手方向の両端に位置する端面を端面１２ｃとする。

電極組立体１２は、四角箱状に組立てられた絶縁シート２７によって、底側端面１２ａ、両偏平面１２ｂ、及び両端面１２ｃが覆われている。そして、本体部材１３の底部２２と電極組立体１２の底側端面１２ａとの間、本体部材１３の各第１側壁２３と電極組立体１２の端面１２ｃとの間、及び本体部材１３の各第２側壁２４と電極組立体１２の偏平面１２ｂとの間は、それぞれ絶縁シート２７によって絶縁されている。このため、電極組立体１２と、ケース１１との間には絶縁シート２７が介在し、電極組立体１２がケース１１から絶縁されている。

図４（ａ）に示すように、電極組立体１２において、積層方向両端の偏平面１２ｂ（正極電極１８の活物質層１８ｂ）と、両偏平面１２ｂに対向する第２側壁２４の内面２４ｄとの間には、絶縁シート２７に加え短絡ユニット３０が介装されている。よって、本実施形態では、第２側壁２４が偏平面１２ｂと対向するケース１１の壁部を構成する。

短絡ユニット３０は、矩形状及びアルミニウム箔製の正極の短絡用電極（以下、正極短絡用電極とする）３１、及び矩形状及び銅箔製の負極の短絡用電極（以下、負極短絡用電極とする）３３を有している。そして、電極組立体１２の積層方向に沿って、偏平面１２ｂ（正極電極１８の活物質層１８ｂ）から第２側壁２４に向けて、正極短絡用電極３１、及び負極短絡用電極３３の順番で積層されている。

図２に示すように、正極短絡用電極３１は、負極短絡用電極３３と対向する矩形状の正極本体部３１ａを備え、正極本体部３１ａは負極短絡用電極３３と対向しない正極タブ部３１ｂを有する。正極タブ部３１ｂは、正極本体部３１ａの一辺の一部から突出する状態に設けられている。

負極短絡用電極３３は、正極短絡用電極３１と対向する矩形状の負極本体部３３ａを備え、負極本体部３３ａは、正極短絡用電極３１と対向しない負極タブ部３３ｂを有する。負極タブ部３３ｂは、負極本体部３３ａの一辺の一部から突出する状態に設けられている。なお、正極短絡用電極３１は、電極組立体１２における正極電極１８の正極用金属箔１８ａと同形状のものを使用することができ、負極短絡用電極３３は、電極組立体１２における負極電極１９の負極用金属箔１９ａと同形状のものを使用することができる。

正極短絡用電極３１は、その正極タブ部３１ｂが、電極組立体１２の正極のタブ１８ｆと電気的に接続され、正極になっている。一方、負極短絡用電極３３は、その負極タブ部３３ｂが、電極組立体１２の負極のタブ１９ｆと電気的に接続され、負極になっている。

図４（ａ）に示すように、短絡ユニット３０の正極短絡用電極３１及び負極短絡用電極３３のうち、電極組立体１２の偏平面１２ｂ（正極電極１８の活物質層１８ｂ）に近い一方の短絡用電極は、正極短絡用電極３１である。そして、この正極短絡用電極３１は、他方の短絡用電極である負極短絡用電極３３への対向面の全面に、絶縁コーティング層３２を備える。絶縁コーティング層３２は、正極本体部３１ａ及び正極タブ部３１ｂの全面に亘って設けられている。また、絶縁コーティング層３２は、正極短絡用電極３１の材料であるアルミニウム箔の表面全面に設けられた硬質陽極酸化皮膜によって構成されている。

絶縁コーティング層３２は、アルミニウム箔に陽極酸化処理を施すことで形成されている。詳しくは、絶縁コーティング層３２は、アルミニウム箔を、低温の電解浴又は各種の有機酸を添加した特殊な電解浴を用いて処理することで形成されている。このようなセラミック（陽極酸化皮膜）からなる絶縁コーティング層３２は、通常の方法で処理された皮膜に比べて硬く、かつ、耐磨耗性に優れる。さらに、絶縁コーティング層３２（陽極酸化皮膜）は、可撓性がなく、割れやすいとともに、高い電気的な絶縁性も有し、この絶縁コーティング層３２によって、正極短絡用電極３１と、負極短絡用電極３３とが電気的に絶縁されている。

次に、二次電池１０の作用を記載する。
図４（ａ）に示すように、二次電池１０の通常使用時、短絡ユニット３０の正極短絡用電極３１と負極短絡用電極３３は、正極短絡用電極３１が備える絶縁コーティング層３２によって絶縁されている。

図４（ｂ）に示すように、二次電池１０に対し、一方の第２側壁２４に釘５０が突き刺さると、その釘５０は、絶縁シート２７及び負極短絡用電極３３を突き破り、絶縁コーティング層３２に達する。このとき、釘５０からの荷重が絶縁コーティング層３２に加わる。この際、絶縁コーティング層３２は、突き刺さる釘５０とともにずれて追従することなく、釘５０からの荷重を受けて容易に破壊される。その結果、絶縁コーティング層３２を貫通した釘５０は、正極短絡用電極３１の正極本体部３１ａに突き刺さり、正極短絡用電極３１と負極短絡用電極３３が釘５０を介して短絡し、ケース１１内において、電極組立体１２以外で短絡が発生する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ケース１１内に短絡ユニット３０を配設した二次電池１０において、短絡ユニット３０を正極短絡用電極３１と負極短絡用電極３３で構成するとともに、正極短絡用電極３１と一体に設けた絶縁コーティング層３２により、正極短絡用電極３１と負極短絡用電極３３を絶縁した。絶縁コーティング層３２は、樹脂フィルムのようなセパレータと異なり、釘５０からの荷重を受けて、突き刺さる釘５０とともにずれるように変形したりせず、容易に破壊される。よって、ケース１１に釘５０が刺さったとき、絶縁コーティング層３２は速やかに破壊され、正極短絡用電極３１と負極短絡用電極３３を速やかに短絡させることができ、電極組立体１２以外での短絡の発生が遅れない。

（２）負極短絡用電極３３よりも内側で、かつ電極組立体１２に近い正極短絡用電極３１に絶縁コーティング層３２を設けた。このため、ケース１１が押し潰される場合においても短絡ユニット３０での短絡を確実として安全性を高めることができる。

例えば、負極短絡用電極３３の内面に絶縁コーティング層３２を設けると、ケース１１が押し潰された場合、圧潰の周囲において短絡ユニット３０がケース１１の外側に向けて凸となる曲げが生じるが、曲げによって負極短絡用電極３３の内側に位置する絶縁コーティング層３２には圧縮が作用する。逆に、正極短絡用電極３１の外面に絶縁コーティング層３２を設けると、ケース１１が押し潰された場合、圧潰の周囲において、絶縁コーティング層３２には引っ張りが作用することで、正極短絡用電極３１には絶縁コーティング層３２が剥がれた部位が生じ、向かい合う負極短絡用電極３３との短絡を生じさせる。よって、正極短絡用電極３１に絶縁コーティング層３２を設けることで、より確実に絶縁コーティング層３２を破壊することができる。

（３）正極短絡用電極３１の材料であるアルミニウム箔に陽極酸化処理を行い、アルミニウム箔の表面に硬質酸化皮膜（セラミック）を形成して絶縁コーティング層３２とした。このため、簡単に絶縁コーティング層３２を形成することができる。また、セラミック製の絶縁コーティング層３２は、ケース１１の変形や突き刺さる釘５０に追従することがなく、より確実、かつ速やかに破壊させることができる。

（４）絶縁コーティング層３２は、アルミニウム箔の表面に形成された硬質酸化皮膜である。このため、二次電池１０の通常使用時に、ケース１１を変形させないまでの圧力が作用しても、絶縁コーティング層３２は破壊されず、正極短絡用電極３１と負極短絡用電極３３を絶縁することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、正極短絡用電極３１及び負極短絡用電極３３のうち、正極短絡用電極３１を電極組立体１２に近い一方の短絡用電極としたが、この逆でもよい。すなわち、負極短絡用電極３３を電極組立体１２に近い一方の短絡用電極とし、その外側に配置された正極短絡用電極３１を第２側壁２４に近い他方の短絡用電極としてもよい。そして、負極短絡用電極３３の全面に絶縁コーティング層３２を設けてもよい。

この場合、負極短絡用電極３３の材料である銅箔に絶縁コーティング層３２を設けるが、絶縁コーティング層３２は、樹脂バインダにセラミックフィラーを分散させたものを負極短絡用電極３３に塗布、或いは、融着・溶射・化学蒸着を利用してセラミック層として形成される。

なお、上記形態において、正極短絡用電極３１は負極短絡用電極３３への対向面のみに絶縁コーティング層３２を備えていてもよい。
○ 実施形態において、負極短絡用電極３３は正極短絡用電極３１への対向面のみに絶縁コーティング層３２を備えていてもよい。

○ 実施形態において、正極短絡用電極３１に設けられる絶縁コーティング層３２は、陽極酸化皮膜でなくてもよく、ジルコニアや窒化珪素等のその他のセラミックや樹脂を正極短絡用電極３１にコーティングしたものであってもよい。

○ 短絡ユニット３０を、正極短絡用電極３１、及び負極短絡用電極３３を一枚ずつ積層して構成したが、積層する枚数は適宜変更してもよい。
○ 電極組立体１２を構成する正極電極１８、及び負極電極１９の枚数は適宜変更してもよい。

○ 実施形態では、正極電極１８は、正極用金属箔１８ａの両面に活物質層１８ｂを有するとしたが、正極用金属箔１８ａの片面のみに活物質層１８ｂを有していてもよい。同様に、負極電極１９は、負極用金属箔１９ａの両面に活物質層１９ｂを有するとしたが、負極用金属箔１９ａの片面のみに活物質層１９ｂを有していてもよい。

○ 蓄電装置としてのニッケル水素二次電池や、電気二重層キャパシタとして具体化してもよい。

１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、１２ｂ…偏平面、１８…正極電極、１９…負極電極、２０…セパレータ、２４…壁部としての第２側壁、３１…正極の短絡用電極、３２…絶縁コーティング層、３３…負極の短絡用電極。

Claims (5)

1. 正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で積層された電極組立体がケース内に収容され、
   前記電極組立体の積層方向の両端に位置する偏平面と、該偏平面に対向した前記ケースの壁部との間に、正極の短絡用電極と負極の短絡用電極とが絶縁された状態で前記積層方向に沿って積層された蓄電装置であって、
   前記正極の短絡用電極及び前記負極の短絡用電極のうちいずれか一方は、他方への対向面の全面に絶縁コーティング層を備えることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記絶縁コーティング層は、前記正極の短絡用電極及び前記負極の短絡用電極のうち、前記電極組立体に近い一方の短絡用電極が備える請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記電極組立体に近い一方の短絡用電極は前記正極の短絡用電極であって、前記正極の短絡用電極が前記絶縁コーティング層を備える請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記絶縁コーティング層は、セラミックからなる請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。
5. 前記蓄電装置は二次電池である請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。