JP2016091827A

JP2016091827A - 組電池

Info

Publication number: JP2016091827A
Application number: JP2014225467A
Authority: JP
Inventors: 直樹岩村; Naoki Iwamura; 博清間明田; Hirokiyo Mamyoda; 信保根岸; Nobuyasu Negishi; 川村　公一; Koichi Kawamura; 公一川村; 橋本　達也; Tatsuya Hashimoto; 達也橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-23
Anticipated expiration: 2034-11-05
Also published as: JP6407665B2

Abstract

【課題】安全性の高い組電池を提供する。【解決手段】一実施形態に係る組電池は、所定の距離の空間が設けられて重ねられた複数の二次電池を具備する。前記各二次電池は、正極及び負極が重ねられて捲回された電極群と、前記電極群の正極に接続された正極端子と、前記電極群の負極に接続された負極端子と、短絡部材と、外装缶と、突起部とを具備する。前記短絡部材は、前記正極端子に接続された正極短絡部材と、前記負極端子に接続され且つ前記正極短絡部材と絶縁された状態で設けられた負極短絡部材と、を有する。前記外装缶は、前記電極群、前記正極端子、前記負極端子、及び前記短絡部材が収納される。前記突起部は、前記二次電池の前記外装缶の表面であり、且つ他の前記二次電池と対向する面に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、組電池に関する。

近年二酸化炭素排出量の削減や、ガソリンのような化石燃料の枯渇の懸念などから、エネルギー源として二次電池を使用した自動車が実用化されて来ている。この二次電池としては、高出力、高エネルギー密度、小型軽量化、低価格などが求められるほか、安全性、耐久性の改善も必要不可欠である。

高エネルギー密度の自動車用二次電池としては、リチウムイオン二次電池が知られている。この高エネルギー密度リチウムイオン二次電池は、セパレータを介して積層した正極および負極を巻回した電極組立体を、有機電解液に含浸し電池缶に封入したものが典型的である。

二次電池は、外部からの力による損傷（圧壊）によって外装缶が変形し、外装缶内で正極の活物質と負極の活物質とが短絡する可能性がある。そこで、外力が二次電池に加えられた場合に二次電池の正極と負極とを短絡させる二次電池がある。しかし、リチウムイオン二次電池が複数組み合わされた組電池では、組電池内の全ての二次電池に外力が加えられない可能性がある。この為、組電池内の全ての二次電池の正極と負極とを短絡させることができない可能性があるという課題がある。

特開２０１１−４９１４７号

上記の課題を解決するために、安全性の高い組電池を提供する。

一実施形態に係る組電池は、所定の距離の空間が設けられて重ねられた複数の二次電池を具備する。前記各二次電池は、正極及び負極が重ねられて捲回された電極群と、前記電極群の正極に接続された正極端子と、前記電極群の負極に接続された負極端子と、短絡部材と、外装缶と、突起部とを具備する。前記短絡部材は、前記正極端子に接続された正極短絡部材と、前記負極端子に接続され且つ前記正極短絡部材と絶縁された状態で設けられた負極短絡部材と、を有する。前記外装缶は、前記電極群、前記正極端子、前記負極端子、及び前記短絡部材が収納される。前記突起部は、前記二次電池の前記外装缶の表面であり、且つ他の前記二次電池と対向する面に設けられる。

図１は、一実施形態に係る組電池に用いられる二次電池について説明する為の図である。図２は、一実施形態に係る組電池に用いられる二次電池について説明する為の図である。図３は、一実施形態に係る組電池に用いられる二次電池について説明する為の図である。図４は、一実施形態に係る組電池について説明する為の図である。図５は、一実施形態に係る組電池について説明する為の図である。図６は、一実施形態に係る組電池について説明する為の図である。

以下、図面を参照しながら説明する。
組電池１は、複数の二次電池を備える。組電池は、例えば複数の二次電池が積み重ねられ、各二次電池の端子が直列または並列に接続されて形成される。

図１乃至図３は、組電池に用いられる二次電池１０の例を示す。なお、図１は、二次電池１０の内容物の例を示す。また、図２は、二次電池１０の概観の例を示す。また、図３は、二次電池１０をＡＡ線で切断した場合の断面図の例を示す。

本例の二次電池１０は、外装缶１９、外装缶内に収納される電極群１１、正極集電タブ１２、負極集電タブ１３、正極端子１４、負極端子１５、ガスケット２３、キャップ２４、正極リード２７、負極リード２８、及び短絡部材３０を備える。短絡部材３０は、負極短絡板３１、短絡板セパレータ３２、正極短絡板３３、及び絶縁部材３４を備える。また、外装缶１９の表面には、突起部２０が形成されている。また、電解質が電極群１１に保持されている。なお、電解質は、例えば、非水電解質である。

電極群１１は、正極と負極がその間にセパレータを介して偏平形状に捲回されたものである。正極は、例えば金属箔からなる帯状の正極集電体と、正極集電体の長辺に平行な一端部からなる正極集電タブ１２と、少なくとも正極集電タブ１２の部分を除いて正極集電体に形成された正極材料層（正極活物質含有層）とを含む。一方、負極は、例えば金属箔からなる帯状の負極集電体と、負極集電体の長辺に平行な一端部からなる負極集電タブ１３と、少なくとも負極集電タブ１３の部分を除いて負極集電体に形成された負極材料層（負極活物質含有層）とを含む。

このような正極、セパレータ、及び負極は、正極集電タブ１２が電極群１１の捲回軸方向にセパレータから突出し、かつ負極集電タブ１３がこれとは反対方向にセパレータから突出するよう、正極及び負極の位置をずらして捲回されている。このような捲回により、電極群１１は、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ１２が突出し、かつ他方の端面から渦巻状に捲回された負極集電タブ１３が突出する状態になる。

正極端子１４は、内部の正極リード２７を介して正極集電タブ１２に電気的に接続されている。また、負極端子１５は、内部の負極リード２８を介して負極集電タブ１３に電気的に接続されている。

キャップ２４は、外装缶１９の上面を覆うプレートである。キャップ２４は、正極端子１４を通過させる穴と、負極端子１５を通過させる穴と、を備える。キャップ２４は、穴に設置される絶縁部材であるガスケット２３を介して正極端子１４及び負極端子１５を固定する。

正極リード２７及び負極リード２８は、それぞれ、帯状の導電板からなる。正極リード２７は、一端が正極集電タブ１２に電気的に接続されている。また、負極リード２８は、一端が負極集電タブ１３に電気的に接続されている。正極端子１４及び負極端子１５は、それぞれ、絶縁部材であるガスケット２３を介してキャップ２４に固定されている。正極リード２７の他端は、正極端子１４に電気的に接続されている。また、負極リード２８の他端は、負極端子１５に電気的に接続されている。

短絡部材３０は、二次電池１０に対して所定以上の圧力が加えられた場合に正極リード２７と負極リード２８とを短絡させる。

負極短絡板３１は、負極リード２８に電気的に接続された短絡部材である。負極短絡板３１は、例えば、負極リード２８と同様の導電性の金属により形成される。負極短絡板３１は、負極リード２８に固定される固定部３１ａを備える。固定部３１ａにはネジ穴が設けられている。固定部３１ａは、例えばネジにより負極リード２８に固定される。なお、負極短絡板３１は、負極リード２８と溶接、カシメ、またはリベットによって固定されていてもよい。

短絡板セパレータ３２は、負極短絡板３１と正極短絡板３３とを電気的に絶縁させる為の絶縁部材である。短絡板セパレータ３２は、例えば、絶縁性の樹脂フィルムなどにより形成される。短絡板セパレータ３２は、例えば、厚み２０μｍの樹脂フィルムが１枚、または複数枚重ねられて形成される。短絡板セパレータ３２は、１つまたは複数の貫通孔３２ａを備える。また、短絡板セパレータは、二次電池１０の外装缶１９に対して圧力が加えられた場合に破断するように形成されていてもよい。

正極短絡板３３は、正極リード２７に電気的に接続された短絡部材である。正極短絡板３３は、例えば、正極リード２７と同様の導電性の金属により形成される。正極短絡板３３は、正極リード２７に固定される固定部３３ａを備える。固定部３３ａにはネジ穴が設けられている。固定部３３ａは、例えばネジにより正極リード２７に固定される。なお、正極短絡板３３は、正極リード２７と溶接、カシメ、またはリベットによって固定されていてもよい。

絶縁部材３４は、正極短絡板３３と外装缶１９とを電気的に絶縁させる為の絶縁部材である。絶縁部材３４は、例えば、絶縁性の樹脂などにより形成される。絶縁部材３４は、例えば、厚み５０μｍの樹脂板が１枚、または複数枚重ねられて形成される。

突起部２０は、外装缶１９の表面に形成された突起である。突起部２０は、例えば、ステンレスなどの金属により形成される。突起部２０は、外装缶１９が有する第１の面１９ａと第２の面１９ｂとのうちのいずれかに形成される。またさらに、突起部２０は、外装缶１９の第１の面１９ａと第２の面１９ｂとの両方に設けられていてもよい。図２及び３の例では、突起部２０は、第１の面１９ａに形成されている。第１の面１９ａは、外装缶１９の内部で短絡部材３０と対向している面である。即ち、突起部２０は、外装缶１９の短絡部材３０設けられている側の面に設けられている。

突起部２０は、例えば、粘着テープ、接着剤、または溶接などにより外装缶１９の第１の面１９ａに固定される。なお、突起部２０を外装缶１９の第１の面１９ａに固定する為の方法は、如何なる方法であってもよい。

なお、短絡部材３０は、二次電池１０の外装缶１９内部の第１の面１９ａ側と第２の面側１９ｂとの両方に設けられていてもよい。また、短絡部材３０は、第１の面１９ａ上の突起部２０と二次電池１０の厚さ方向において重なる範囲に設けられていればどのような形状で設けられていてもよい。またさらに、短絡部材３０は、二次電池１０の外装缶１９の第１の面１９ａと第２の面１９ｂとの両方に設けられていてもよい。

なお、組電池１は、図４に示されるように、外装缶１９の第１の面１９ａが対向するように設けられた複数の二次電池１０Ａ及び二次電池１０Ｂを備える。さらに組電池１は、複数の二次電池１０の外装缶１９同士が接触しないように設けられたスペーサ２１を備える。即ち、図４の例では、組電池１は、二次電池１０Ａにスペーサ２１を介して二次電池１０Ｂが重ねられて形成されている。なお、二次電池１０Ａの突起部２０Ａは、二次電池１０Ｂの第１の面１９ａに対向するように設置される。また、二次電池１０Ｂの突起部２０Ｂは、二次電池１０Ａの第１の面１９ａに対向するように設置される。

また、突起部２０Ａ及び２０Ｂは、二次電池１０Ａ及び１０Ｂの外装缶１９の第１の面１９ａ同士が対向する場合に突起部２０Ａと突起部２０Ｂとが接触しないように設けられている。図３の例によると、突起部２０は、二次電池１０の外装缶１９の第１の面１９ａが図２のＡＡ線の方向に偶数の数に分割された領域に１つ置きの間隔で設けられている。即ち、突起部２０及び貫通孔３２ａは、二次電池１０の外装缶１９の第１の面１９ａを一直線状に偶数個の領域に分割した場合に、分割された領域に１つ置きの間隔で設けられている。

より具体的には、二次電池１０の外装缶１９の第１の面１９ａは、図２のＡＡ線の方向に６個の領域に分割されている。突起部２０は、第１の領域、第３の領域、第６の領域にそれぞれ設けられている。

このように突起部２０が設けられている場合、図４に示されるように、二次電池１０Ａの突起部２０Ａが、二次電池１０Ｂの突起部２０Ｂと接触しないように二次電池１０Ａと二次電池１０Ｂとを組み合わせて組電池１を製造することができる。

例えば、図４に示された組電池１に圧力が加えられた場合、組電池１の内の１つの二次電池１０（例えば二次電池１０Ａ）の外装缶１９が変形する。外装缶１９が変形した場合、二次電池１０Ａ内の短絡部材３０の負極短絡板３１と正極短絡板３３との間に設けられた短絡板セパレータ３２の貫通孔３２ａと重なる位置で負極短絡板３１と正極短絡板３３とが短絡する。また、外装缶１９が変形した場合、変形した外装缶１９により二次電池１０Ａ内の短絡部材３０の負極短絡板３１と正極短絡板３３との間に設けられた短絡板セパレータ３２が破断し、負極短絡板３１と正極短絡板３３とが短絡する構成であってもよい
。

さらに、二次電池１０Ａの外装缶１９の第１の面１９ａが変形した場合、第１の面１９ａに設けられた突起部２０Ａが他の二次電池１０Ｂの外装缶１９に対して機械的な圧力を加える。なお、外装缶１９の第１の面１９ａ同士が対向している為、突起部２０Ａは、他の二次電池１０Ｂの外装缶１９の第１の面１９ａに対して機械的な圧力を加える。

組電池１にこのように圧力が加えられた場合、二次電池１０Ｂの外装缶１９が変形する。外装缶１９が変形した場合、変形した外装缶１９により短絡部材３０に対して圧力が加えられる。この結果、短絡板セパレータ３２の貫通孔３２ａと重なる位置で負極短絡板３１と正極短絡板３３とが短絡する。また、外装缶１９が変形した場合、二次電池１０Ｂ内の短絡部材３０の負極短絡板３１と正極短絡板３３との間に設けられた短絡板セパレータ３２が破断し、負極短絡板３１と正極短絡板３３とが短絡する構成であってもよい。

負極短絡板３１と正極短絡板３３とが電気的に接続されると、正極短絡板３３、正極端子１４、正極リード２７、正極集電タブ１２、電極群１１、負極集電タブ１３、負極リード２８、負極端子１５、及び負極短絡板３１を有する閉回路が形成される。この結果、組電池１は、二次電池１０Ａ及び二次電池１０Ｂ内の電極群１１の電圧を安全に０Ｖにすることができる。即ち、組電池１は、外装缶１９内で正極の活物質と負極の活物質とが短絡することを防ぐことができる。この結果、より安全性の高い組電池を提供することができる。

また、図４では、組電池１が二つの二次電池１０を備える例について説明したが、この構成に限定されない。組電池１は、二次電池をいくつ備える構成であってもよい。図５は、組電池１が４つの二次電池を備える例を示す。図５の例においても、組電池１は、４つの二次電池１０が重ねられ、各二次電池１０の間には、スペーサ２１が挟持されている。これにより、各二次電池１０の外装缶１９同士が接触することを防ぐことができる。

例えば、図５に示された組電池１に圧力が加えられた場合、組電池１の内の１つの二次電池１０の外装缶１９が変形する。この外装缶１９の変形に応じて他の二次電池１０内の短絡部材３０に圧力が加えられ、短絡部材３０の負極短絡板３１と正極短絡板３３とが短絡板セパレータ３２の貫通孔３２ａと重なる位置で短絡する。即ち、組電池１内の外郭に設けられており、初めに圧力が加えられる二次電池１０の短絡部材３０が短絡する。

さらに、短絡した二次電池１０の外装缶１９の第１の面１９ａの変形に応じて、短絡した二次電池１０とスペーサ２１を介して設置された二次電池１０との間に設けられた突起部２０により、次の二次電池１０内の短絡部材３０が短絡される。同様に、二次電池１０は、外装缶１９の変形に応じて、隣接した二次電池１０との間に設けられた突起部２０により内部の短絡部材３０が短絡される。

このような構成によっても、組電池１は、組電池１内の複数の二次電池１０の内の電極群１１の電圧を安全に０Ｖにすることができる。即ち、組電池１は、外装缶１９内で正極の活物質と負極の活物質とが短絡することを防ぐことができる。この結果、より安全性の高い組電池を提供することができる。

なお、組電池１内の二次電池１０の接続方法は、直列であっても並列であってもよい。また、上記の例では、二次電池１０の第１の面１９ａにライン状に３つの突起部２０が設けられている例について説明したが、この構成に限定されない。二次電池１０は、突起部２０をいくつ備える構成であってもよい。またさらに、突起部２０は、複数ライン設けられていてもよい。

図６は、組電池１に組み込まれる二次電池１０の他の例を示す。図６は、の例では、二次電池１０は、第１の面１９ａに３つの突起部２０が３ライン設けられた例を示す。なお、このように突起部２０が複数ライン配置される場合、突起部２０は、各ライン毎に配置位置が正極端子１４−負極端子１５間の方向でずれるように配置される。これにより、二次電池１０の第１の面１９ａ上で突起部２０が存在しない領域を小さくすることができる。このような構成によると、組電池１の圧壊時により確実に二次電池１０を外装缶１９内で短絡させることができる。この結果、より安全性の高い組電池を提供することができる。

なお、突起部２０の数、及び突起部２０が配置される位置などは、外装缶１９の剛性などの要素に基づいて決定される。例えば、外装缶１９が変形しやすい素材及び形状である場合、即ち、外装缶１９の剛性が低い場合、外装缶１９の剛性が高い場合に比べて突起部２０は、より多く高い密度で配置されるべきである。また、例えば、外装缶１９が変形しにくい素材及び形状である場合、即ち、外装缶１９の剛性が高い場合、外装缶１９の剛性が低い場合に比べて突起部２０は、より少なく低い密度で配置されてもよい。

以下、上記の二次電池の正極、負極、セパレータ、及び非水電解質について説明する。

（１）正極
正極は、例えば、正極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより作製される。正極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる酸化物や硫化物、ポリマーなどが使用できる。好ましい活物質としては、高い正極電位が得られるリチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウム燐酸鉄等が挙げられる。

（２）負極
負極は、負極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより作製される。負極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、合金等が使用でき、好ましくは、リチウムイオンの吸蔵放出電位が金属リチウム電位に対して０．４Ｖ以上貴となる物質である。このようなリチウムイオン吸蔵放出電位を有する負極活物質は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金とリチウムとの合金反応を抑えられることから、負極集電体および負極関連構成部材へのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の使用を可能とする。たとえば、チタン酸化物、チタン酸リチウムのようなリチウムチタン複合酸化物、タングステン酸化物、アモルファススズ酸化物、スズ珪素酸化物、酸化珪素などがあり、中でもリチウムチタン複合酸化物が好ましい。

（３）セパレータ
セパレータは、絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、ポリオレフィン、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、及びビニロンのようなポリマーで作られた多孔質フィルム又は不織布を用いることができる。セパレータの材料は１種類であってもよく、或いは、２種類以上を組合せて用いてもよい。

（４）非水電解質
電解液は、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより調製された非水電解液が用いられる。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）等のリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、０．２ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌとすることが望ましい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…組電池、１０…二次電池、１１…電極群、１２…正極集電タブ、１３…負極集電タブ、１４…正極端子、１５…負極端子、１９…外装缶、１９ａ…第１の面、１９ｂ…第２の面、２０…突起部、２０Ａ…突起部、２０Ｂ…突起部、２１…スペーサ、２３…ガスケット、２４…キャップ、２７…正極リード、２８…負極リード、３０…短絡部材、３１…負極短絡板、３１ａ…固定部、３２…短絡板セパレータ、３２ａ…貫通孔、３３…正極短絡板、３３ａ…固定部、３４…絶縁部材。

Claims

所定の距離の空間が設けられて重ねられた複数の二次電池を具備し、
前記各二次電池は、
正極及び負極が重ねられて捲回された電極群と、
前記電極群の正極に接続された正極端子と、
前記電極群の負極に接続された負極端子と、
前記正極端子に接続された正極短絡部材と、前記負極端子に接続され且つ前記正極短絡部材と絶縁された状態で設けられた負極短絡部材と、を有する短絡部材と、
前記電極群、前記正極端子、前記負極端子、及び前記短絡部材が収納された外装缶と、
前記二次電池の前記外装缶の表面であり、且つ他の前記二次電池と対向する面に設けられた突起部と、
をそれぞれ具備する組電池。
前記短絡部材は、前記外装缶の内部側であり、且つ前記突起部が設けられている面側に設けられている請求項１に記載の組電池。
前記短絡部材は、前記正極短絡部材と前記負極短絡部材とを絶縁させ、且つ前記突起部と重なる位置に貫通孔が設けられた絶縁部材をさらに有する請求項２に記載の組電池。
前記突起部及び前記貫通孔は、前記二次電池の前記外装缶の表面であり、且つ他の前記二次電池と対向する面を一直線状に偶数個の領域に分割した場合に、分割された領域に１つ置きの間隔で設けられている請求項３に記載の組電池。
前記各二次電池の間に設けられ、前記各二次電池間方向において前記突起部より大きなスペーサをさらに具備する請求項１に記載の組電池。