JP2015153732A - 双極型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】釘などの導電体が刺されても、発電要素内での熱の発生を防止しつつ、外部で生じた熱の発電要素への伝導も防止する双極型二次電池を提供する。【解決手段】本発明の双極型電池１は、外装体２０の外部に導出された正極導電材１６および負極導電材１７が、外部放電部３０において、外装体２０を介して発電要素１０に積層されており、絶縁部材３１は、正極導電材１６および負極導電材１７の間に配置される。導電体（釘）が外部放電部３０において、正極導電材１６、絶縁部材３１、および負極導電材１７を貫通したときに、絶縁部材３１は、正極導電材１６および負極導電材１７が接触するように変形する。【選択図】図１

Description

本発明は、双極型二次電池に関する。

近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の開発が進められている。これらのモータ駆動用電源としては繰り返し充放電可能な二次電池等のモータ駆動用電気デバイスが適している。特に高容量、高出力が期待できるリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。

電気デバイスとしてのリチウムイオン二次電池は、たとえば、発電要素を外装体によって封止して構成されている。発電要素は、正極と、負極と、セパレータとを含んでいる。正極は、集電体の表面に、正極活物質やバインダーを含む電極材が形成されている。負極は、集電体の表面に、負極活物質やバインダーを含む電極材が形成されている。

以上のようなリチウムイオン二次電池は、さらなる高容量化が望まれている。これに伴い、リチウムイオン二次電池に貯蔵される化学エネルギー量が増大するため、安全性の確保がより重要になる。

そのため、一般的に、リチウムイオン二次電池が外部から破壊された場合の安全性を評価する外部破壊試験が行われる。外部破壊試験の一つとして、たとえば、釘刺し試験がある。釘刺し試験とは、平板状の外装体の厚さ方向に導電性の釘（以下、「導電体」と称する）を刺して電池を貫通させ、発電要素内で内部短絡が生じたときの温度上昇、発煙、発火などの現象を観察する試験である。

通常、導電体が電池を貫通することにより発電要素内で内部短絡が生じると、発電要素に大電流が流れる。このとき、ジュール熱が発生し、温度上昇が起こる。また、内部短絡が生じた箇所では、瞬間的なスパークが生じることもあり、これらの発熱により正極活物質の熱分解などが起こることもある。

このような過度な発熱を防止するため、引用文献１では、外装内においてセパレータと負極の間に多孔性絶縁層を設けている。これにより、導電体が発電要素を貫通するとき絶縁層の繊維が巻き込まれて電気抵抗になるとともに、導電体が発電要素を貫通する前に外部に放電されるため、内部短絡に基づくジュール熱が抑制される。

特開２００８−５３１９６号公報

しかし、引用文献１に記載の構成にしたとしても、単電池が電気的に直列接続されて構成される双極型電池のような、出力電圧が高い電池では、導電体が電池を貫通した時の電池外部への放電に際し大電流が流れ、スパークが発生する。そして、このとき生じた熱が発電要素に伝わってしまう。その結果、発電要素内の材料の劣化が促進され、電池機能が喪失するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものである。すなわち、電池に釘などの導電体が刺されても、外装外における外部短絡による電力消費を確保して、発電要素内における内部短絡による熱の発生を抑制することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、双極型二次電池である。双極型二次電池は、集電体の一面に正極活物質層、他面に負極活物質層が形成された複数の双極型電極がセパレータを介して積層されてなる発電要素と、前記発電要素を収容する外装体と、前記発電要素の一方の最外層において前記発電要素と電気的に接続され、前記外装体の外部に導出される正極導電材と、前記発電要素の他方の最外層において前記発電要素と電気的に接続され、前記外装体の外部に導出される負極導電材と、前記正極導電材と前記負極導電材との間を絶縁する絶縁部材と、を有し、前記正極導電材および前記負極導電材は、前記外装体の外部に導出された部分が前記外装体を介して前記発電要素に積層されて外部放電部を形成し、前記絶縁部材は、前記外部放電部において、前記正極導電材と前記負極導電材との間に配置され、導電体が前記外部放電部において、前記正極導電材、前記絶縁部材、および前記負極導電材を貫通したときに、前記絶縁部材は、前記正極導電材と前記負極導電材とが接触するように変形する。

本発明によれば、導電体が電池を貫通した時、絶縁部材が正極導電材と負極導電材との導通を促し、外部短絡による電力消費を確保して内部短絡によるジュール熱の発生を抑制する。これにより、発熱による電池機能の喪失を防止するとともに安全性を確保することができる。

本実施形態に係る電池の全体構造を模式的に示す概略断面図である。 導電体の貫通時に絶縁部材が溶融したときの状態を示す図である。 導電体の貫通時に絶縁部材が破壊したときの状態を示す図である。 電池の変形例を示す図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

＜電池１＞
図１は、本実施形態に係る電池の全体構造を模式的に示す概略断面図である。図１に示すとおり、電池１は、充放電を行う発電要素１０を外装体２０の内部に密封した構造を有する。また、電池１は、外装体２０の外部に、外部放電部３０を配置した構造を有する。

発電要素１０は、一枚の集電体（集電箔）１１の一方の面に正極電極１２が形成され他方の面に負極電極１３が形成されてなる双極型電極１４ａが、セパレータ１５を介して複数直列に積層されて構成される。したがって、発電要素１０は、セパレータ１５を挟んで設けられた一対の正極電極１２および負極電極１３からなる単電池１４ｂが、電気的に直列接続された構造ともいえる。このように、本実施形態の電池１は、いわゆる双極型とよばれる構造の電池である。なお、図１に示す例では、５層分の単電池１４ｂが積層されているが、これに限定されず、所望する出力電圧に応じて調整してよい。

集電体１１は、高分子材料を含む集電箔と、導電性を有する導電材とによって構成されている。たとえば、集電体１１は、導電材が集電箔上に配置される構造としてもよいし、二枚の集電箔の間に導電材を挟む構造としてもよい。ここで、高分子材料は必ずしも導電性を有している必要はないが、集電箔全体では、集電箔としての機能を果たすために導電性を有していなければならない。したがって、高分子材料が導電性を持たない場合には、集電箔には、高分子材料の他に、導電性を有する導電性フィラー（導電性粒子）が当然に含まれる。

導電性フィラーとしては、導電性を有するが、電荷移動媒体として用いられるイオンに関しては伝導性を有さない材料から選択される。当然のことながら、導電性フィラーは、印加される正極電位および負極電位に耐えうる材料から選択されなければならない。導電性フィラー（導電性粒子）は、金属粒子およびカーボン粒子の少なくともいずれかであり、たとえば、アルミニウム粒子、ＳＵＳ粒子、銀粒子、金粒子、銅粒子、チタン粒子、カーボン粒子、カーボンナノチューブなどが用いられる。

また、高分子材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリロニトリル、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、またはこれらの混合物である。

なお、複数の集電体１１のうち最外層に位置する集電体を、以下では最外層集電体１１ａ、１１ｂと称する。ただし、電池１の正極側の最外層集電体を正極側最外層集電体１１ａとし、負極側の最外層集電体を負極側最外層集電体１１ｂとして区別する。

正極側最外層集電体１１ａは、図１に示すとおり、最外層の正極電極１２を介して、正極導電材１６に接合している。また、負極側最外層集電体１１ｂは、最外層の負極電極１３を介して、負極導電材１７に接合している。なお、この構成に限定されず、正極側最外層集電体１１ａは、片面のみに負極電極１３が形成される構成としてもよい。この場合、最外層の正極電極１２は設けられず、正極側最外層集電体１１ａは、直接、正極導電材１６に接合される。また、負極側最外層集電体１１ｂについても、片面のみに正極電極１２が形成される構成としてもよい。この場合、最外層の負極電極１３は設けられず、負極側最外層集電体１１ｂは、直接、負極導電材１７に接合される。

正極電極１２は、正極活物質、導電助剤、バインダー、支持塩（リチウム塩）などを含む正極活物質層が形成されている。

正極電極１２に含まれる正極活物質は、電極反応において正極電極１２と負極電極１３との間を往来する物質（イオン）を蓄積および放出できる正極材料である。たとえば、電池１がリチウムイオン二次電池である場合には、リチウム−遷移金属複合酸化物が好ましく、正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などが挙げられる。この他、ＬｉＦｅＰＯ_４などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物、Ｖ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２、ＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＭｏＯ_３などの遷移金属酸化物や硫化物、ＰｂＯ_２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどが挙げられる。また、場合によっては、二種以上の正極活物質が併用されてもよい。

正極電極１２に含まれる導電助剤は、正極活物質の導電性を改善する機能を有し、たとえば、黒鉛などのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）などの種々の炭素繊維により構成される。

正極電極１２に含まれるバインダーは、集電体１１と正極電極１２との結着材としての機能を有する。たとえば、バインダーとしては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、またはこれらの混合物が挙げられる。

正極電極１２に含まれる支持塩は、支持電解質としての機能を有する。たとえば、支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ（ＬｉＢＥＴＩ）、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎなどが挙げられる。

負極電極１３は、負極活物質、導電助剤、バインダー、支持塩などを含む負極活物質層が形成されている。

負極電極１３に含まれる負極活物質は、電極反応において正極電極１２と負極電極１３との間を往来する物質（イオン）を蓄積および放出できる負極材料である。たとえば、負極活物質としては、炭素材料が好ましい。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛系炭素材料（黒鉛）、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどが挙げられる。より好ましくは、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などの黒鉛である。天然黒鉛は、たとえば、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛などが使用できる。人造黒鉛としては塊状黒鉛、気相成長黒鉛、鱗片状黒鉛、繊維状黒鉛が使用できる。これらの中で、特に好ましい材料としては、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛である。鱗片状黒鉛、塊状黒鉛を用いた場合、充填密度が高くなるため、特に有利である。また、場合によっては、二種以上の負極活物質が併用されてもよい。

負極電極１３に含まれる導電助剤は、負極活物質の導電性を改善する機能を有し、たとえば、黒鉛などのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）などの種々の炭素繊維により構成される。

負極電極１３に含まれるバインダーは、集電体１１と負極電極１３との結着材としての機能を有し、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）によって構成されている。また、ポリフッ化ビニリデンのような溶剤系バインダー以外に、ポリマー微粒子、ゴム材料を水に分散させた水系バインダー（たとえば、スチレン−ブタジエンゴム）を用いてもよい。

負極電極１３に含まれる支持塩は、支持電解質としての機能を有する。たとえば、負極電極１３の支持塩には、正極電極１２に含まれる支持塩と同一の物質が用いられる。

セパレータ１５は、正極電極１２と負極電極１３の間に設けられ、正極電極１２と負極電極１３を電気的に隔離している。セパレータ１５は、正極電極１２と負極電極１３との間に電解液を保持して、イオンの伝導性を担保している。たとえば、セパレータ１５には、ポリアミド（樹脂）が用いられる。ポリアミドの破壊強度は約１０００Ｎとする。なお、破壊強度とは、外力の作用によって、セパレータ１５が複数の部材に分離する応力(単位断面積当りの荷重)を指す。

正極導電材１６は、図１に示すように、発電要素１０の一方の最外層において発電要素１０と電気的に接続されつつ、外装体２０の外部に導出される。たとえば、正極導電材１６には、融点が約６６０℃、厚みが約０．２ｍｍのアルミニウムが用いられる。

負極導電材１７は、図１に示すように、発電要素１０の他方の最外層において発電要素１０と電気的に接続されつつ、外装体２０の外部に導出される。たとえば、負極導電材１７には、融点が約６６０℃、厚みが約０．２ｍｍのアルミニウムが用いられる。

また、発電要素１０は、集電体１１の外周縁と接するシール部１８を有している。シール部１８は、絶縁性のシール材によって形成してある。シール部１８は、集電体１１の外周部である端部に固定されると共に、二つのセパレータ１５の間に配置される。シール部１８は、電池要素１０において隣り合う集電体１１同士の接触や、単電池１４ｂの端部のわずかな不揃いに起因する短絡を防止する。

電解液は、非水（系）電解液である。電解液を介して正極電極１２と負極電極１３の間をイオンが移動することで、発電要素１０の電気が充放電される。たとえば、電解液は、有機溶媒に支持塩であるリチウム塩等が溶解した形態である。有機溶媒としては、支持塩を十分に溶解させ得るものであればよく、たとえば、（１）プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどの環状カーボネート類、（２）ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、（３）テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジブトキシエタン等のエーテル類、（４）γ−ブチロラクトン等のラクトン類、（５）アセトニトリル等のニトリル類、（６）プロピオン酸メチル等のエステル類、（７）ジメチルホルムアミド等のアミド類、（８）酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから一種類または二種以上を混合した非プロトン性溶媒等の可塑剤などが挙げられる。これら有機溶媒は、単独で用いても二種類以上を組み合わせて用いてもよい。支持塩としては、従来公知のものが用いられる。たとえば、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ（ＬｉＢＥＴＩ）、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ等が用いられる。

外装体２０は、たとえば、内部に金属板を備えたラミネートシートから構成され、発電要素１０を両側から被覆して封止する。これにより、外装体２０は、発電要素１０を収容する。

外部放電部３０は、図１の破線内に示すように、外装体２０の外部に導出された正極導電材１６と、絶縁性を有する絶縁部材３１と、外装体２０から外部に導出された負極導電材１７とが積層されて形成される。すなわち、外部放電部３０において、外装体２０の外部に導出された部分の正極導電材１６と負極導電材１７は、外装体２０を介して発電要素１０に積層される。そして、外装体２０の外部に導出された部分の正極導電材１６と負極導電材１７の間には、絶縁部材３１が配置された構造となる。

そして、図１に示すように、外部放電部３０において、正極導電材１６は折り畳み構造を有する。このような折り畳み構造を有することにより、放電による溶断が抑制される。一方、負極導電材１７は折り畳み構造を有していない。そのため、正極導電材１６の先端と負極導電材１７の先端は同方向に揃えられる。

また、正極導電材１６は、発電要素１０の一方の最外層において発電要素１０と電気的に接続されつつ、外装体２０の外部に導出されている。また、負極導電材１７は、発電要素１０の他方の最外層において発電要素１０と電気的に接続されつつ、外装体２０の外部に導出されている。そして、外装体２０の外部に導出された部分の正極導電材１６と負極導電材１７は、外部放電部３０において、外装体２０を介して発電要素１０に積層され、絶縁部材３１が正極導電材１６と負極導電材１７の間に配置されている。

絶縁部材３１は、外部放電部３０において、正極導電材１６と負極導電材１７の接触を防止し、電気的に隔てる。このような絶縁部材３１には、たとえば、ポリエチレン（樹脂）が用いられる。ポリエチレンの融点は約１００℃とし、破壊強度は５００Ｎとする。

また、絶縁部材３１は、導電体（たとえば、導電性の釘）が外部放電部３０において、正極導電材１６、絶縁部材３１、および負極導電材１７を貫通したときに、正極導電材１６および負極導電材１７が接触するように変形する。ここで、絶縁部材３１の変形には、溶融や破壊が含まれる。

図２は、導電体の貫通時に絶縁部材が溶融したときの状態を示す図である。なお、図２は、外部放電部３０を積層構造の側方からみたときの断面図である。図２に示すように、導電体５０が、正極導電材１６、絶縁部材３１、および負極導電材１７を貫通すると、正極導電材１６と負極導電材１７が導電体５０を通じて短絡する。この外部短絡により、外部放電部３０には大電流が流れ、スパークが発生する場合もある。これに伴い外部放電部３０には熱が生じ、高温になる。このとき、絶縁部材３１は、正極導電材１６および負極導電材１７よりも融点が低いため、正極導電材１６および負極導電材１７よりも早く溶融し、収縮する。この状態において、負極導電材１７は、図２に示すように、導電体５０からの摩擦力を受けて、正極導電材１６に接触する。すなわち、正極導電材１６と負極導電材１７が直接導通するようになる。

また、図３は、導電体の貫通時に絶縁部材が破壊したときの状態を示す図である。なお、図３は、絶縁部材３１を積層方向の負極導電材１７側からみたときの断面図である。絶縁部材３１は、セパレータ１５よりも破壊強度が低いため、セパレータ１５よりも破断しやすい。そのため、導電体５０が電池１を貫通したとき、セパレータ１５は破断しなくても、絶縁部材３１は破断する場合がある。このとき、破断した絶縁部材３１の一部は、図３に示すように、導電体５０から離れる方向（図の矢印の方向）に弾けて移動し、絶縁部材３１が持つ弾性によって収縮する。この状態において、負極導電材１７は、図２に示す場合と同様に、導電体５０からの摩擦力を受けて、正極導電材１６に接触する。すなわち、正極導電材１６と負極導電材１７が直接導通するようになる。

このように、図２、図３に示す例では、導電体５０が貫通したときに、正極導電材１６と負極導電材１７を、より確実に導通させることができるため、外装体２０外における外部短絡が促進される。この外部短絡により、外部放電部３０には大電流が流れるが、電池１に蓄電された電力は瞬間的に電池１の外部に放電される。そのため、釘などの導電体５０が発電要素１０に到達するまでに外部への放電が完了しており、釘などの導電体５０が貫通して発電要素１０において内部短絡が生じても、発電要素１０内に大電流は流れない。よって、発電要素１０の内部短絡によって大きなジュール熱が発生することもない。したがって、外部短絡による電力消費が確保され、内部短絡によるジュール熱の発生が抑制される。そのうえ、外装体２０の外部でのスパークにより生じた熱は外装体２０で断熱されるため発電要素１０に伝わりにくい。したがって、電池機能の喪失を防止でき、安全性も確保できる。

また、本実施形態の集電体１１には高分子材料が含まれている。そのため、金属材料のみから構成される金属集電体よりも軽量化でき、これにより重量あたりの出力密度を従来の金属集電体よりも高められる。

また、本実施形態の正極導電材１６および負極導電材１７には、集電体１１よりも電気抵抗が低い金属材が用いられている。このような性質の正極導電材１６および負極導電材１７が採用されることにより、電池１に導電体が刺されたときに、発電要素１０ではなく、正極導電材１６および負極導電材１７に電流が流れ、外部への放電を容易にする。

＜変形例＞
上記実施形態は、本発明の要旨を例示することを意図し、本発明を限定するものではない。多くの代替物、修正、変形例は当業者にとって明らかである。変形例としては、以下のようなものがある。

たとえば、上記実施形態では、正極導電材１６および負極導電材１７にアルミニウムを用い、正極導電材１６および負極導電材１７の融点を約６６０℃としていた。また、絶縁部材３１にはポリエチレンを用い、絶縁部材３１の融点を約１００℃としていた。しかし、本発明は、正極導電材１６、負極導電材１７、および絶縁部材３１の材料をこれらに限定するものではなく、絶縁部材３１の融点が正極導電材１６および負極導電材１７よりも相対的に低ければどのような材料であってもよい。

また、絶縁部材３１には、正極導電材１６および負極導電材１７のみならず、電池１に含まれる他のどの部材よりも低い融点を持つ材料が用いられてもよい。

また、上記実施形態では、セパレータ１５にポリアミドを用い、セパレータ１５の破壊強度を約１０００Ｎとしていた。また、絶縁部材３１にはポリエチレンを用い、絶縁部材３１の破壊強度を約５００Ｎとしていた。しかし、本発明は、セパレータ１５および絶縁部材３１の材料をこれらに限定するものではなく、絶縁部材３１の破壊強度がセパレータ１５よりも相対的に低ければどのような材料であってもよい。たとえば、絶縁部材３１には、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラートなどが用いられてもよい。

また、絶縁部材３１には、セパレータ１５のみならず、電池１に含まれる他のどの部材よりも低い破壊強度の材料が用いられてもよい。

また、図４は、電池の変形例を示す図である。図４に示すように、外部放電部３０は、発電要素１０の積層方向の両面に形成されてもよい。これにより、一つの外部放電部３０しか形成しない場合と比べて、外装体２０外における外部短絡がよりいっそう促進される。その結果、内部短絡によるジュール熱の発生を確実に抑制できるため、電池機能の喪失を防止でき、安全性も確保できる、といった効果が高まる。

また、上記実施形態では、正極導電材１６のみが外部放電部３０において折り畳み構造を有している。しかし、本発明は、これに限定されず、正極導電材１６および負極導電材１７の少なくともいずれかが、外部放電部３０において折り畳み構造を有していればよい。

また、負極導電材１７のみが折り畳み構造を有していてもよい。これによっても、正極導電材１６の先端と負極導電材１７の先端を同方向に揃えることができる。

また、正極導電材１６と負極導電材１７の両方が折り畳み構造を有していてもよい。これにより、外部放電部３０の厚みが増し、釘刺しを開始してから導電体（釘）が発電要素１０に到達するまでの時間を稼ぐことができる。そのため、導電体（釘）が発電要素１０に到達するまでに確実に外部放電部３０において放電できる。

また、正極導電材１６と負極導電材１７で折り畳みの回数を異ならせてもよい。たとえば、正極導電材１６は一回折り畳まれ、負極導電材１７は二回折り畳まれるようにしてもよい。このようにすれば、折り畳み回数が多くても、正極導電材１６の先端と負極導電材１７の先端を同方向に揃えることができる。

なお、外部放電部３０において正極導電材１６および負極導電材１７を折り畳む回数は、上記の例に限定されず、何回折り畳まれてもよい。また、外部放電部３０において正極導電材１６と負極導電材１７を入れ替えてもよい。

また、上記実施形態では、集電体１１の集電箔に含まれる導電性フィラーの例を挙げたが、上記例に限定されない。たとえば、導電性フィラーとして合金粒子が用いられてもよい。また、いわゆるフィラー系導電性樹脂組成物として実用化されている材料を用いることができる。特に、電池において導電助剤としてよく用いられているカーボン粒子が好ましい。というのも、カーボンブラックやグラファイトなどのカーボン粒子は、電位窓が非常に広く、それゆえに、正極電位および負極電位の双方に対して幅広い電位領域において安定であり、導電性にも優れているためである。また、カーボン粒子は、非常に軽量なため、電池全体の質量も最小限に抑えられる。

また、上記実施形態では、正極導電材１６および負極導電材１７は、外装体２０内部の先端から外部放電部３０の先端にかけて、単一の部材により形成されている。しかし、本発明は、これに限定されず、複数の部材により形成されてもよい。たとえば、外装体２０内部の先端から外装体２０のシール部分あたりまでは、集電タブとして従来から使用されている部材を使用し、外装体２０のシール部分あたりから外部放電部３０の先端までは上記実施形態の部材を使用してもよい。たとえば、集電タブとしては、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、ステンレス鋼、これらの合金などが使用される。

また、上記実施形態では、電池１の例としてリチウムイオン二次電池を挙げているが、外部放電部３０を有する電池であれば、その名称や構造に依らない。

また、上記実施形態では、特に説明していないが、使用時の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素１０は外装体２０に減圧封入される。

また、上記実施形態では、外装体２０が断熱材として機能することについて説明したが、これに限定されず、釘刺しによって外部短絡が生じたときに、外部放電部３０において発生した熱が外装体２０の内部に伝わらない形態のものであれば、その名称や構造に依らない。たとえば、釘刺しによって外部放電部３０に発生した熱を、電池１の周辺に配置された導電材を介して車体に逃がしてもよいし、冷却水などを用いて冷却してもよい。

また、上記実施形態の電池１を用いて組電池としてもよい。複数個の電池１を、電気的に直列および並列の少なくともいずれかで接続することによって、容量および電圧を自由に調節することが可能になる。

また、上記実施形態の電池１は、そのままの形態で、あるいは上述した組電池の形態で、車両に搭載され得る。車両に搭載された電池１は、たとえば、車両のモータを駆動する電源として用いられる。なお、電池１が車両に搭載される場合には、外部放電部３０が車両の進行方向に向けられて配置されるのが好ましい。

＜実施例１＞
実施例１として、上記実施形態において説明した構造の電池１を作製した。具体的には、正極導電材１６および負極導電材１７として、厚み０．２ｍｍのアルミ板を用いた。そして、外部放電部３０において、正極導電材１６の折り畳み回数を一回とし、負極導電材１７の折り畳みの回数を二回とした（合計三回）。また、セパレータ１５として、破壊強度が１０００Ｎであるポリアミド（樹脂）を用い、絶縁部材３１として、破壊強度が５００Ｎであるポリエチレン（樹脂）を用いた。このように作製された電池１に対して、７５０Ｎ程度の圧力で釘刺し試験を行ったところ、セパレータ１５は破断せずに絶縁部材３１のみが破断したため、電池機能を喪失することはなく、良好な結果が得られた。

＜実施例２＞
また、実施例２として、上記実施形態において説明した構造の電池１を作製した。具体的には、正極導電材１６および負極導電材１７として、厚み０．２ｍｍ、融点６６０℃のアルミ板を用いた。そして、外部放電部３０において、正極導電材１６の折り畳み回数を一回とし、負極導電材１７の折り畳みの回数を二回とした（合計三回）。また、絶縁部材３１として、融点が１００℃であるポリエチレン（樹脂）を用いた。このように作製された電池１に対して釘刺し試験を行ったところ、正極導電材１６および負極導電材１７は溶融せずに絶縁部材３１のみが溶融したため、電池機能を喪失することはなく、実施例１の場合と同様に良好な結果が得られた。

＜比較例１＞
また、比較例１として、上記実施形態において説明した構造の電池１を作製した。具体的には、正極導電材１６および負極導電材１７として、厚み０．２ｍｍのアルミ板を用いた。そして、外部放電部３０において、正極導電材１６の折り畳み回数を一回とし、負極導電材１７の折り畳みの回数を二回とした（合計三回）。また、セパレータ１５として、ポリイミド（樹脂）を用い、絶縁部材３１として、ポリイミド（樹脂）を用いた。このように作製された電池１に対して釘刺し試験を行ったところ、正極導電材１６および負極導電材１７が絶縁部材３１より先に溶融してしまい、適切に外部短絡させることができず、内部短絡によるジュール熱が発生し、電池機能が喪失してしまった。

以上のことから、絶縁部材３１の融点が正極導電材１６および負極導電材１７よりも相対的に低ければよいことがわかった。また、絶縁部材３１の破壊強度がセパレータ１５よりも相対的に低ければよいこともわかった。

１ 電池、
１０ 発電要素、
１１ 集電体、
１１ａ 正極側最外層集電体、
１１ｂ 負極側最外層集電体、
１２ 正極電極、
１３ 負極電極、
１４ａ 双極型電極、
１４ｂ 単電池、
１５ セパレータ、
１６ 正極導電材、
１７ 負極導電材、
１８ シール部、
２０ 外装体、
３０ 外部放電部、
３１ 絶縁部材。

Claims (8)

1. 集電体の一面に正極活物質層、他面に負極活物質層が形成された複数の双極型電極がセパレータを介して積層されてなる発電要素と、
   前記発電要素を収容する外装体と、
   前記発電要素の一方の最外層において前記発電要素と電気的に接続され、前記外装体の外部に導出される正極導電材と、
   前記発電要素の他方の最外層において前記発電要素と電気的に接続され、前記外装体の外部に導出される負極導電材と、
   前記正極導電材と前記負極導電材との間を絶縁する絶縁部材と、
   を有し、
   前記正極導電材および前記負極導電材は、前記外装体の外部に導出された部分が前記外装体を介して前記発電要素に積層されて外部放電部を形成し、
   前記絶縁部材は、前記外部放電部において、前記正極導電材と前記負極導電材との間に配置され、
   導電体が前記外部放電部において、前記正極導電材、前記絶縁部材、および前記負極導電材を貫通したときに、前記絶縁部材は、前記正極導電材と前記負極導電材とが接触するように変形する、双極型二次電池。
2. 前記絶縁部材は、前記正極導電材および前記負極導電材よりも融点が低い、請求項１に記載の双極型二次電池。
3. 前記絶縁部材にはポリエチレンが用いられ、前記正極導電材および前記負極導電材にはアルミニウムが用いられる、請求項２に記載の双極型二次電池。
4. 前記絶縁部材は、溶融時に収縮する、請求項２または３に記載の双極型二次電池。
5. 前記絶縁部材は、前記セパレータよりも破壊強度が低い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
6. 前記絶縁部材にはポリエチレンが用いられ、前記セパレータにはポリアミドが用いられる、請求項５に記載の双極型二次電池。
7. 前記絶縁部材は、破壊時に収縮する、請求項５または６に記載の双極型二次電池。
8. 前記正極導電材および前記負極導電材は、前記集電体よりも電気抵抗が小さい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の双極型二次電池。