JP2017062986A

JP2017062986A - 蓄電装置

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Publication number: JP2017062986A
Application number: JP2015188499A
Authority: JP
Inventors: 達哉江口; Tatsuya Eguchi; 三好　学; Manabu Miyoshi; 学三好
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP6610123B2

Abstract

【課題】過充電時に、二次電池セル自体の変形に基づかずに、電極の膨張によって電極と電極端子との電気的接続を遮断する。【解決手段】二次電池１０は、活物質層１４ａ，１５ａが形成された正極１４及び負極１５が、セパレータ１６が間に存在する状態で積層された電極組立体１２がケース１１内に収容され、電極組立体１２と電気的に接続される電極端子（正極端子及び負極端子１８）を備えている。そして、電極組立体１２と負極端子１８とを電気的に接続する電流経路を、電流非遮断状態から電流遮断状態に切り換える電流経路開閉手段２２が設けられている。負極１５の活物質層１５ａは、活物質としてLi合金化反応による膨張率の大きな活物質（Ｓｉ）が使用され、電流経路開閉手段２２は、非過充電時には閉状態に維持され、過充電時には電極組立体１２のLi合金化反応による膨張を利用して、開状態になる。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。近年、二次電池の大電流充電・放電及び大容量化が要求されるようになり、複数個の二次電池（セル）からなる組電池（モジュール）が使用されている。

二次電池、特にリチウムイオン二次電池では過充電等で過電圧が印加された場合、電解液が分解して発生するガスによってセル内の圧力が高まる。従来、二次電池セルが異常な状態に陥った際に、電流を遮断することにより高い安全性を確保可能な二次電池モジュールが提案されている（特許文献１参照）。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、特許文献１に開示された二次電池モジュール５１は、所定方向に配列された二次電池セル５２からなる組電池５３が、電池容器５４に収容されている。二次電池モジュール５１は、第１のばね部材５５と第２のばね部材５６とからなる電流遮断機構５７と、二次電池セル５２に対して配列方向に押圧力を印加する支持部材５８とを備える。これにより、正常時には、図５（ａ）に示すように、第１のばね部材５５が第２のばね部材５６に当接することにより電流が流れる。一方、異常時には、図５（ｂ）に示すように、第１のばね部材５５が第２のばね部材５６から乖離することにより、電流が遮断される。

特開２０１２−１８１９７７号公報

特許文献１の構成では、二次電池セル５２の温度が上昇し、ガス発生や膨張により二次電池セル５２が膨らんだ場合に、所定方向に配列された複数の二次電池セル５２の膨張量の和で、第１のばね部材５５が第２のばね部材５６から乖離することにより、二次電池モジュール５１の出力端子と外部端子との電気的な接続を解除する。そのため、二次電池セル５２の変形が必要になる。また、二次電池モジュール５１として二次電池セル５２を当接状態で並べることが必要であり、しかも機構の制約上、二次電池セル５２を所定の位置に拘束することができないため、電池の使用上、不利になる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、過充電時に、二次電池セル自体の変形に基づかずに、電極の活物質の膨張によって電極と電極端子との電気的接続を遮断することができる蓄電装置を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置は、活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータが間に存在する状態で積層された電極組立体がケース内に収容され、前記電極組立体と電気的に接続される電極端子を備えた蓄電装置である。そして、前記電極組立体と前記電極端子とを電気的に接続する電流経路を、電流非遮断状態から電流遮断状態に切り換える電流経路開閉手段が設けられている。前記正極及び前記負極の前記活物質層の少なくとも一方は、活物質としてLi合金化反応による膨張率の大きな活物質が使用され、前記電流経路開閉手段は、非過充電時には閉状態に維持され、過充電時には前記電極組立体の前記正極及び前記負極の積層方向へのLi合金化反応による膨張を利用して、開状態になる。ここで、「積層された」とは、所謂積層型の電極組立体の場合のように、矩形状の複数の正極及び負極が、間にセパレータが存在する状態で積層されたものに限らず、所謂巻回型の電極組立体の場合のように、帯状の正極及び負極が、間にセパレータが存在する状態で積層されるとともに、巻回されたものも含む。

この構成によれば、電極組立体と電極端子とを電気的に接続する電流経路を、電流非遮断状態から電流遮断状態に切り換える電流経路開閉手段は、非過充電時には閉状態（電流非遮断状態）に維持されているが、過充電時には開状態（電流遮断状態）になる。電流経路開閉手段は、積層状態で電極組立体を構成する電極の活物質層の過充電時におけるLi合金化反応による膨張の力を利用して、開状態になる。したがって、過充電時に、二次電池セル自体の変形に基づかずに、活物質の膨張によって電極と電極端子との電気的接続を遮断することができる。

前記電流経路開閉手段は、前記ケースの内面と前記電極組立体の一方の側面との間に、少なくとも上端の一部が前記電極組立体の上面より上側に突出する状態で設けられた導電性の板材と、前記板材と前記ケースの内面との間に設けられた弾性体と、前記板材を貫通して前記板材と接触する状態で上下方向に移動可能に設けられ、前記電極組立体から離間した状態で前記電極端子と接触可能な接触部を有し、かつ前記接触部が前記電極端子と接触した状態において、ケース内面に突設された支持部に掛止可能な掛止部を有する通電部材と、前記板材に設けられ、過充電時に電極組立体のLi合金化反応による膨張に伴う板材の移動により前記通電部材を押圧して前記通電部材と前記支持部との掛止状態を解除する掛止解除部材と、を備えていることが好ましい。

この構成によれば、電流経路開閉手段は、電極組立体から離間した状態で電極端子と接触可能な接触部を有し、かつ接触部が電極端子と接触した状態において、掛止部が支持部に掛止した状態で、通電部材が電極組立体と電極端子とを電流非遮断状態にする。また、過充電により活物質がLi合金化反応により膨張すると、掛止解除部材が移動されて、通電部材の掛止部を支持部との掛止状態が解除される位置まで移動させる。掛止部と支持部との掛止状態が解除されると、通電部材は下方へ移動して、接触部と電極端子との接触状態が解除され、電極組立体と電極端子とを電気的に接続する電流経路が電流遮断状態となる。

前記通電部材は、前記掛止部が前記掛止解除部材の押圧力により変形可能に形成され、前記掛止部の変形により前記支持部との掛止状態が解除される構成であってもよい。通電部材と支持部との掛止状態を解除するのに、通電部材全体を掛止部とともに移動させて、掛止部と支持部との掛止状態を解除する方法もある。しかし、掛止部の変形により支持部との掛止状態が解除される構成の場合は、通電部材全体を掛止部とともに移動させる必要がない。

本発明によれば、過充電時に、二次電池セル自体の変形に基づかずに、電極の活物質の膨張によって電極と電極端子との電気的接続を遮断することができる。

（ａ）は一実施形態の二次電池の模式断面図、（ｂ）は蓋体を除去した模式平断面図。（ａ），（ｂ）は電流経路開閉手段の構成を示す模式断面図。（ａ），（ｂ）は電流経路開閉手段の作用を示す模式図。別の実施形態の電流経路開閉手段を示す模式断面図。（ａ）は従来技術の二次電池モジュールの正常時における模式断面図、（ｂ）は異常時における模式断面図。

以下、本発明を積層型の電極組立体を備えたリチウムイオン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（ａ）に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、有底箱状のケース本体１１ａ及びその開口部を覆う蓋体１１ｂで構成された四角箱状のケース１１内に、積層型の電極組立体１２及び電解液（図示せず）が収容されている。

図２に示すように、電極組立体１２は、矩形状の金属箔１３に活物質層１４ａが形成された複数の正極１４と、矩形状の金属箔１３に活物質層１５ａが形成された複数の負極１５とが、両者の間に矩形状のセパレータ１６が存在する状態で積層された構成である。負極１５の活物質層１５ａを構成する活物質は、一般に負極活物質として使用されるグラファイトに比べてLi合金化反応による膨張率の大きなＳｉ（ケイ素）が使用されている。

図１（ａ）に示すように、蓋体１１ｂには、電極端子としての正極端子１７及び負極端子１８が、一部がケース１１から外部に突出する状態で固定されている。正極端子１７及び負極端子１８は、蓋体１１ｂに形成された孔に取り付けられたリング状の絶縁部材１９，２０をそれぞれ貫通する状態で設けられている。なお、ケース本体１１ａの内面及び蓋体１１ｂの内面には、絶縁シート（図示せず）が貼付されている。

正極端子１７は、正極導電部材２１を介して正極タブ１４ｂに電気的に接続されている。即ち、正極端子１７は、正極導電部材２１及び正極タブ１４ｂを介して常に正極１４と電気的に接続されている。一方、負極端子１８は、負極タブ１５ｂに対して、電流経路開閉手段２２を介して接続されている。電流経路開閉手段２２は、電極組立体１２と電極端子としての負極端子１８とを電気的に接続する電流経路を、電流非遮断状態（閉状態）から電流遮断状態（開状態）に切り換え可能に構成されている。

図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、電流経路開閉手段２２は、ケース１１の内面と電極組立体１２の一方の側面１２ａとの間に設けられた導電性の板材２３と、板材２３とケース１１の内面との間に設けられた弾性体２４とを備えている。板材２３は、上端の一部が電極組立体１２の上面より上側に突出した突部２３ａとなり、他の部分が電極組立体１２の側面１２ａと対応する状態に形成されている。弾性体２４は、電極組立体１２の側面１２ａと対応する状態に形成されている。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、電流経路開閉手段２２は、電極組立体１２の電極積層方向に延び、板材２３の突部２３ａに形成された孔２３ｂを貫通して板材２３と接触する状態で上下方向に移動可能に設けられた通電部材２５を有する。通電部材２５は、一端側に電極組立体１２から離間した状態で負極端子１８と接触可能な接触部２５ａを有し、他端側に掛止部２５ｂを有する。通電部材２５は、接触部２５ａが負極端子１８と接触した状態において、掛止部２５ｂがケース１１の内面に突設された支持部２６に掛止された状態に保持されるようになっている。

図２（ｂ）に示すように、通電部材２５は、略中央部分で負極タブ１５ｂに溶接されているが、掛止部２５ｂが支持部２６に掛止されていない状態では、自重により接触部２５ａが負極端子１８から離間する位置に配置された状態になり、負極１５は、負極端子１８と電気的に接続されない状態になる。即ち、負極１５は、掛止部２５ｂが支持部２６に掛止された状態において、負極タブ１５ｂ、通電部材２５を介して負極端子１８と電気的に接続される。

即ち、電流経路開閉手段２２は、通電部材２５が掛止部２５ｂにより支持部２６に支持された状態において、電極組立体１２と電極端子としての負極端子１８とを電気的に接続する電流経路を、電流非遮断状態（閉状態）とし、通電部材２５が支持部２６から離脱した状態において、電流遮断状態（開状態）になるように構成されている。

また、電流経路開閉手段２２は、板材２３に設けられ、過充電時に電極組立体１２のLi合金化反応による膨張に伴う板材２３の移動により通電部材２５を押圧して通電部材２５と支持部２６との掛止状態を解除する掛止解除部材２７を備えている。

次に前記のように構成された二次電池１０の作用を説明する。
二次電池１０は、過充電等で過電圧が印加された場合、電解液が分解して発生するガスによってセル内の圧力が高まり、過充電状態で二次電池１０を使用すると、反応が促進されるため、電極組立体１２と電極端子との通電状態を遮断する必要がある。

負極１５の活物質層１５ａを形成する活物質は、通常の充電においてもLi合金化反応により膨張するが、この実施形態の活物質層１５ａに使用されている活物質のＳｉは、他の負極用活物質に比べて過充電時にLi合金化反応による膨張が継続される。そして、電流経路開閉手段２２は、負極１５の活物質層１５ａの活物質の過充電時におけるLi合金化反応による膨張を利用して、かつ、通電部材２５を用いて、過充電時に電極組立体１２と電極端子（負極端子１８）との電流経路を、電流非遮断状態から電流遮断状態に切り換える。

詳述すると、図３（ａ）に示すように、非過充電時には、通電部材２５は、接触部２５ａが電極端子（負極端子１８）と接触した状態において、掛止部２５ｂが支持部２６に掛止した状態で、電極組立体１２と電極端子とを電流非遮断状態にする。この状態では、電極組立体１２と電極端子（負極端子１８）とは、負極タブ１５ｂ及び通電部材２５を介して電流非遮断状態（通電状態）に保持されている。

図３（ｂ）に示すように、過充電により活物質層１５ａの活物質がLi合金化反応により膨張すると、電極組立体１２全体が電極積層方向（図３（ａ），（ｂ）の左右方向）に膨張し、電極組立体１２の膨張に伴い、掛止解除部材２７が板材２３と共に掛止部２５ｂに向かって移動される。そして、掛止解除部材２７が、通電部材２５の掛止部２５ｂを支持部２６との掛止状態が解除される位置まで移動させる。掛止部２５ｂと支持部２６との掛止状態が解除されると、通電部材２５は自重により下方へ移動して、接触部２５ａと電極端子（負極端子１８）との接触状態が解除され、電極組立体１２と電極端子（負極端子１８）とを電気的に接続する電流経路が電流遮断状態となる。

即ち、電流経路開閉手段２２は、非過充電時には閉状態に維持されているが、過充電時には開状態になる。電流経路開閉手段は、積層状態で電極組立体１２を構成する電極（負極１５）の活物質層１５ａの過充電時におけるLi合金化反応による膨張の力を利用して、閉状態になる。したがって、過充電時に、二次電池セル自体の変形に基づかずに、活物質の膨張によって電極（負極１５）と電極端子（負極端子１８）との電気的接続を遮断する。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）二次電池１０は、活物質層１４ａ，１５ａが形成された正極１４及び負極１５が、セパレータ１６が間に存在する状態で積層された電極組立体１２がケース１１内に収容され、電極組立体１２と電気的に接続される電極端子（正極端子１７及び負極端子１８）を備えた蓄電装置である。そして、電極組立体１２と電極端子（負極端子１８）とを電気的に接続する電流経路を、電流非遮断状態から電流遮断状態に切り換える電流経路開閉手段２２が設けられている。負極１５の活物質層１５ａは、活物質としてLi合金化反応による膨張率の大きな活物質（Ｓｉ）が使用され、電流経路開閉手段２２は、非過充電時には閉状態に維持され、過充電時には電極組立体１２の正極１４及び負極１５の積層方向へのLi合金化反応による膨張を利用して、開状態になる。したがって、蓄電装置が過充電状態になった場合に、二次電池セル自体の変形に基づかずに、活物質の膨張によって電極と電極端子との電気的接続を遮断することができる。

（２）電流経路開閉手段２２は、ケース１１の内面と電極組立体１２の一方の側面１２ａとの間に、上端の一部が電極組立体１２の上面より上側に突出する状態で設けられた導電性の板材２３と、板材２３とケース１１の内面との間に設けられた弾性体２４とを備える。また、板材２３を貫通して板材２３と接触する状態で上下方向に移動可能に設けられ、電極組立体１２から離間した状態で負極端子１８と接触可能な接触部２５ａを有し、かつ接触部２５ａが負極端子１８と接触した状態において、ケース１１内面に突設された支持部２６に掛止可能な掛止部２５ｂを有する通電部材２５を備える。さらに、板材２３に設けられ、過充電時に電極組立体１２のLi合金化反応による膨張に伴う板材２３の移動により通電部材２５を押圧して通電部材２５と支持部２６との掛止状態を解除する掛止解除部材２７を備えている。したがって、過充電時に、電極組立体１２の膨張により掛止解除部材２７が移動されて、通電部材２５を電流非遮断状態から電流遮断状態に切り換える。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 負極１５の活物質は、Ｓｉ（ケイ素）に限らず、例えば、Ｓｎ（スズ）を使用してもよい。

○ 活物質は、Li合金化反応による膨張率の大きなものと、Li合金化反応による膨張率の小さな一般の活物質とを混合したものを使用してもよい。
○ 図４に示すように、通電部材２５は、掛止部２５ｂが掛止解除部材２７の押圧力により変形可能に形成され、掛止部２５ｂの変形により支持部２６との掛止状態が解除される構成としてもよい。例えば、掛止部２５ｂをゴム製として、導電性（金属製）の通電部材２５にゴム製の掛止部２５ｂを固着してもよい。この場合、掛止部２５ｂを変形させる際に、通電部材２５全体を掛止部２５ｂとともに移動させる必要はない。

○ 通電部材２５の掛止部２５ｂを掛止解除部材２７の押圧力により変形可能に形成する構成として、掛止部２５ｂをばねで構成してもよい。
○ 通電部材２５は、掛止部２５ｂ一部、例えば、基端部が細くあるいは弱く形成され、掛止解除部材２７の押圧力により折れて、支持部２６との掛止状態が解除される構成としてもよい。

○ 積層型の電極組立体１２に限らず、巻回型の電極組立体を有する二次電池に適用してもよい。
○ 蓋体１１ｂと通電部材２５との間に、通電部材２５を下方に押圧するばねを設けてもよい。この場合、通電部材２５と支持部２６との掛止状態が解除された時点で、通電部材２５の自重のみでは下方へ移動し難い場合でも、通電部材２５が確実に下方へ移動して電流経路開閉手段２２が開状態（電流遮断状態）になる。

○ 負極タブ１５ｂを通電部材２５に溶接する代わりに板材２３に溶接して、板材２３を介して負極１５と通電部材２５とが電気的に接続された構成としてもよい。この場合は、通電部材２５は孔２３ｂの内面に常に接触した状態で移動する必要がある。

○ 電流経路開閉手段２２は、必ずしも通電部材２５が電極組立体１２と負極端子１８とを電気的に接続する電流経路を構成するのではなく、電極組立体１２と正極端子１７とを電気的に接続する電流経路を構成するようにしてもよい。電極組立体１２は活物質層１５ａの活物質のLi合金化反応による膨張により膨張する。そのため、通電部材２５を正極タブ１４ｂに溶接して、電極組立体１２と正極端子１７との間に通電部材２５を設けても、二次電池１０が過充電状態になった場合に、二次電池セル自体の変形に基づかずに、活物質の膨張によって電極（正極１４）と電極端子（正極端子１７）との電気的接続を遮断することができる。

○ 二次電池１０は電解液が必須ではなく、例えば、セパレータ１６が高分子電解質で形成されていてもよい。
○ 蓄電装置は、二次電池１０に限らず、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のようなキャパシタであってもよい。

１１…ケース、１２…電極組立体、１２ａ…側面、１４…正極、１４ａ，１５ａ…活物質層、１５…負極、１６…セパレータ、２２…電流経路開閉手段、２３…板材、２４…弾性体、２５…通電部材、２５ａ…接触部、２５ｂ…掛止部、２６…支持部、２７…掛止解除部材。

Claims

活物質層が形成された正極及び負極が、セパレータが間に存在する状態で積層された電極組立体がケース内に収容され、前記電極組立体と電気的に接続される電極端子を備えた蓄電装置であって、
前記電極組立体と前記電極端子とを電気的に接続する電流経路を、電流非遮断状態から電流遮断状態に切り換え可能な電流経路開閉手段が設けられ、
前記正極及び前記負極の前記活物質層の少なくとも一方は、活物質としてLi合金化反応による膨張率の大きな活物質が使用され、
前記電流経路開閉手段は、非過充電時には閉状態に維持され、過充電時には前記電極組立体の前記正極及び前記負極の積層方向へのLi合金化反応による膨張を利用して、開状態になることを特徴とする蓄電装置。
前記電流経路開閉手段は、
前記ケースの内面と前記電極組立体の一方の側面との間に、少なくとも上端の一部が前記電極組立体の上面より上側に突出する状態で設けられた導電性の板材と、
前記板材と前記ケースの内面との間に設けられた弾性体と、
前記板材を貫通して前記板材と接触する状態で上下方向に移動可能に設けられ、前記電極組立体から離間した状態で前記電極端子と接触可能な接触部を有し、かつ前記接触部が前記電極端子と接触した状態において、ケース内面に突設された支持部に掛止可能な掛止部を有する通電部材と、
前記板材に設けられ、過充電時に電極組立体のLi合金化反応による膨張に伴う板材の移動により前記通電部材を押圧して前記通電部材と前記支持部との掛止状態を解除する掛止解除部材と、
を備えている請求項１に記載の蓄電装置。
前記通電部材は、前記掛止部が前記掛止解除部材の押圧力により変形可能に形成され、前記掛止部の変形により前記支持部との掛止状態が解除される請求項２に記載の蓄電装置。