JP2017091890A - 非水電解液二次電池セル及びこれを用いた組電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】安全対策を施し、エネルギー密度を高くできる非水電解液二次電池セル及び当該電池セルを用いた組電池を提供する。【解決手段】セル自体を丸みを帯びた角筒形状とし、当該セルの中心に四角形の断面を有する中空筒状の絶縁体でかつ電解質の透過を防ぐ芯材５が設けられ、当該芯材５の中空部内に温度センサー１２等のセルモニタリングシステムが設けられ、前記芯材５を軸として非水電解液二次電池の正極部材、セパレーター及び負極部材から成るセル基本部材が捲回され、前記正極部材の集電体又は負極部材の集電体と電気的に接続された導電性の金属から成るターミナル１、２が当該セルの外部に露出してそれぞれ設けられ、前記温度センサー１２は前記芯材５の中空部の中央部に当該芯材５に密着して取り付けられた構成とした。【選択図】 図１

Description

この発明は、電気自動車やエネルギー貯蔵用等に使用するリチウムイオン電池等の非水電解液二次電池セル及びこれを用いた組電池に関するもので、安全性を確保し、従来の電池材料を使用しながら実用エネルギー密度を著しく大きくすることができる特徴を有するものである。
電気自動車等に使用しているリチウムイオン電池は、正極集電体の周囲に正極活物質と、セパレーターを介して負極集電体の周囲に負極活物質とから構成されている。前記正極集電体はアルミ、負極集電体は銅を使用していることが多く、正極活物質としてはリチウムが入ったマンガン酸化物等、負極活物質としては黒鉛等が使用されている。また、セパレーターは極小の穴のあいた薄膜の有機物で電解質は溶質と溶媒とに分けられる。
このような従来のリチウムイオン電池では、電池セルと当該セルの温度や電圧等を検出するセルモニタリングシステムとを別体として設け、また、電池セル内に放熱のための機能を具備していなかったため、電池セル外部にセルモニタリングシステムと放熱機能を設けてモジュール化し、さらに、当該モジュールを複数設けて組電池化しており、電池セル単体のエネルギー密度に比べるとモジュール化及び組電池化した際にはエネルギー密度が半分以下となっていた。
この様なエネルギー密度が上がらない原因の一つには、安全性の問題がある。
安全性を損なう原因には、まず一つ目はセパレーターの電解質の液漏れがある。液漏れがあると溶質の六フッ化リン酸リチウムは水で分解し、人体に毒であるフッ酸を放出し、かつ引火性もあり、非常に危険である。また、二つ目は過充電の恐れがある。過充電状態では正極物質から酸素（Ｏ）が放出され、発火の原因となる。さらに、三つ目は短絡の恐れがある。短絡が発生すると急速にセル内が高温になり、発火に至る恐れがある。この短絡には内部短絡と外部短絡があり、内部短絡は製造過程での金属性の混入物により、短絡が生じるが、現在では工場での管理が行き届き内部短絡の恐れはない。一方、外部短絡のおそれは依然としてある。
この様な安全性に対して、電池セルの液漏れ対策、過充電対策、セル高温対策に対して必要十分な方策が採られていなかったのが現状である。また、安全を重視するあまり、安全性の本質とは関わりが薄いセル製作、モジュール製作、組電池製作、電気自動車への収納のそれぞれで安全に対するマージンをみており、必要以上に電池システムが重くなり、結果として実用容量が小さくなっている。
この様な問題点のうち、液漏れ対策や過充電対策としては、特許文献１がある。この特許文献１の発明は非水電解液二次電池用に使用されるセルモニタリングシステムとセルサイズを合わせた容積を小さくする目的でセルモニタリングシステムが配された電子回路基板と非水電解液電池とが同一の筐体に搭載されており、該電子回路基板と該電子回路素子の導電性部分は耐非水電解液性の絶縁体で被覆されている電池装置が開発されている。
また、特許文献２があるが、これは非水電解液二次電池に関するもので、中・大容量の電池でも電力容量や特性を損なわずに確実に電池温度の上昇を検出して安全性を確保する目的で、スパイラル状に捲回された円筒状の電極群の中央部に形成された円柱状の空間、すなわち、電極群内径空間内に感熱素子が配置されている。
また、特許文献３は、積層数の多い積層電極体や捲回数の多い捲回電極体を備えており、信頼性が高く、また、外部端子の引き出し位置の自由度が高いラミネート形電池を目的とするもので、シート状正極、シート状負極及びセパレーターを有する電極体が、ラミネートフィルム外装体に収納された電池であって、電極の積層数が２０以上の積層電極体または捲回数が１０以上の捲回電極体を有し、シート状正極に係る複数の正極タブを積層した正極タブ積層体が複数に分かれていて、それぞれが別の正極外部端子に接続され、各正極外部端子同士がラミネートフィルム外装体の内部又は外部で互いに電気的に接続されており、かつシート状負極に係る複数の負極タブを積層した負極タブ積層体が複数に分かれていて、それぞれが別の負極外部端子に接続され、各負極外部端子同士がラミネートフィルム外装体の内部又は外部で互いに電気的に接続されている。
特開平７−２７２７４８号公報 特開平１０−２１４６１３号公報 特開２０１２−２１２５０６号公報
特許文献１のものは、各種電子回路用基板（セルモニタリングシステム）からの熱を積極的に放熱する機構がない。このため各種電子回路用基板の熱が、電池筐体内の温度の上昇を招き、より危険な状態を生じさせる恐れがある。また、各種電子回路用基板からの信号端子が、３個外部に露出して取り付けられ、この部分が液漏れの要因となる恐れがある。
また、特許文献２のものは、電池セル内に感熱素子を入れたものであり、当該感熱素子は温度計測のためにだけ使われており、過充電時の充電電力の停止には組電池に取り付けた安全装置に頼っている。安全装置が正常に働かないことが過充電を引き起こす可能性を大きくしているため、安全装置の安全性を担保する設計が電池セル内に成されていることが必要である。また、セルケースに感熱のための新たな端子を設けているが、これらの端子は電解質の液漏れの危険性を増すこととなる。
また、特許文献３のものは、集電体の一部をまとめているようであるが、このため電気抵抗と集電体を用いた放熱効果が一部しか有効でない。また、セル全体を覆うラミネート構造のセルは外部筐体が重くなる欠点がある。さらに、液漏れ、過充電、外部短絡の危険を担保するものは電池セル中にはない。
そこで、この発明は、セルモニタリングシステムを電池セルの内部に設け、正極部材や負極部材の放熱を、各集電体及びターミナルを介して行うなど、安全対策を施し、エネルギー密度を高くすることができる非水電解液二次電池セル及び当該電池セルを用いた組電池を提供するものである。
請求項１の発明は、非水電解液二次電池において、セル自体を円筒又は丸みを帯びた角筒形状とし、当該セルの中心に円形乃至四角形の断面を有する中空筒状の絶縁体でかつ電解質の透過を防ぐことができる固い芯材が設けられ、当該芯材の中空部内に、当該セルの電圧センサー、温度センサー及びバランサーを取付けたセルモニタリングシステムが設けられ、前記芯材を軸として非水電解液二次電池の正極部材、セパレーター及び負極部材から成るセル基本部材が捲回乃至積層され、前記正極部材の集電体又は負極部材の集電体と電気的に接続された導電性のターミナルが当該セルの外部に露出してそれぞれ設けられ、前記セルモニタリングシステムの温度センサーは前記芯材の中空部の中央部に当該芯材に密着して取り付けられ、前記バランサーで発生する熱を正極又は負極のターミナルを介して放熱させる回線が接続された構成である、非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項２の発明は、前記セルモニタリングシステムの中に、過充電時に過剰な電力を消費するツェナー・ダイオードを設け、当該ツェナー・ダイオードで発生する熱を前記正極又は負極のターミナルを介して放熱させる回線が接続された構成である、請求項１に記載の非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項３の発明は、前記ターミナルは正極用及び負極用として前記芯材の両端に、当該芯材と同軸上にそれぞれ設けられ、これらのターミナルに向けて、前記正極及び負極の集電体が相互に反対側に延伸され、これらがそれぞれ正極及び負極のターミナルに直接電気的及び熱伝導的に接続された、請求項１又は２に記載の非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項４の発明は、前記正極及び負極のターミナルを中心とし、前記捲回乃至積層された正極部材、セパレーター及び負極部材から成るセル基本部材の両端を被う、前記各ターミナルと同一材料のフランジが前記各ターミナルと一体に設けられ、当該各フランジの外周縁には、当該セルの中心に向けた折返し縁が設けられ、両側の各フランジの折返し縁に両端を接着し、当該セルを被い、セル内の電解質が外部に漏れることを防ぐラミネートフィルムが取付けられた、請求項３に記載の非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項５の発明は、前記正極用のターミナルの外側先端部には雄ねじに代表される、前記ターミナルと一体な導電性の第１の嵌合体が設けられ、前記負極用のターミナルの外側先端部には雌ねじ孔に代表される、第１の嵌合体が嵌る導電性の第２の嵌合体が設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項６の発明は、前記請求項５の発明において、前記第１の嵌合体と前記第２の嵌合体の嵌合部分に電蝕を防止するメッキが施されている、非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項７の発明は、前記正極用又は負極用のターミナルと集電体の間にはＰＴＣ素子に代表される温度によって抵抗値が急激に上昇する素子が取り付けられ、当該素子により当該電池セル内の温度上昇があった時に、当該電池セルと他の電池セルとの間を流れる電流を遮断する機能を有する構成である、請求項１〜５のいずれかに記載の非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項８の発明は、前記請求項７に記載の発明において、前記ターミナル、抵抗値が急激に上昇する素子、及び集電体の各接触部分に電蝕を防止するメッキが施されている、非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項９の発明は、前記セル基本部材の電解質はゲル状とし、当該ゲル状の電解質が前記セル基本部材の正極活物質及び負極活物質の外周面にそれぞれ塗布されている、請求項１〜８のいずれかに記載の非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項１０の発明は、前記セルモニタリングシステムからの温度センサー、及び電圧センサーの測定情報信号を、当該電池セルの外部に発信し、又はセル外部からの信号を前記セルモニタリングシステムに伝えるための手段は、正極又は負極のターミナルを通した有線通信、又は電波を用いる無線通信技術による構成とした、請求項１〜９のいずれかに記載の非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項１１の発明は、前記セルモニタリングシステムからの温度センサー、及び電圧センサーの測定情報信号を、当該電池セルの外部に発信し、又はセル外部からの信号を前記セルモニタリングシステムに伝えるための手段は、前記正極又は負極のターミナルの中心であって、当該ターミナルの同軸上に細い穴があけられ、当該穴内に非金属製で電波をよく透過させる材料が埋められ、当該材料を介して、前記セルモニタリングシステムからの温度センサー、及び電圧センサーの測定情報信号を当該電池の外部に発信し、又は電池外部からの信号を前記セルモニタリングシステムに伝えるスペクトル拡散技術による信号送受信機能を持たせた、請求項１０に記載の非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項１２の発明は、一つ又は複数の非水電解液二次電池セルからの通信信号で時分割多重又はスペクトル拡散技術による多重化技術を使った有線又は無線通信による信号送受信機能を持たせた、請求項１０又は１１に記載の非水電解液二次電池セルとした。
また、請求項１３の発明は、請求項５〜１２のいずれかに記載の複数の非水電解液二次電池セルが前記第１の嵌合体と第２の嵌合体により接続された組電池において、当該組電池の正極と負極には前記セルモニタリングシステムで計測される電圧値に基づいて自動的に充電を停止する過充電防止スイッチが取り付けられ、且つ前記ツェナー・ダイオードによる過充電電流の放出が始まる電圧値より０．０２Ｖ±０．０１Ｖ低い電圧で前記スイッチが動作する過充電防止装置が取り付けられている、非水電解液二次電池の組電池とした。
また、請求項１４の発明は、請求項５〜１２のいずれかに記載の複数の非水電解液二次電池セルが前記第１の嵌合体及び第２の嵌合体により接続された組電池において、当該組電池の正極或いは負極に電流計が取り付けられ、予め定める電流値より大きな電流が流れた時に、自動的に電流を停止する外部短絡防止スイッチが取り付けられている、非水電解液二次電池の組電池とした。
請求項１の発明によれば、セルモニタリングシステムの温度センサーや電圧センサーが、電池のセルの中の芯材の中空部に収納されているため電池の温度や電圧を正確に測定することができる。特に前記温度センサーは、芯材の中空部の中央部に芯材に密着して取り付けられているためセル基本部材の温度上昇を確実にとらえ、これを抑えることができる。さらに、前記芯材の中空部に収納されたバランサーで発生する熱を正極又は負極のターミナルを介して放熱させる構成であるため、電池の温度の上昇をより確実に抑えることができる。
また、請求項２の発明によれば、セルモニタリングシステムに、過充電時に過剰な電力を消費するツェナー・ダイオードを設け、当該ツェナー・ダイオードで発生する熱を前記正極又は負極のターミナルを介して放熱させる構成をとっているため、過充電による電池の温度上昇を確実に抑えることができる。
また、請求項３の発明によれば、芯材を軸として非水電解液二次電池の正極部材、セパレーター及び負極部材から成るセル基本部材が捲回乃至積層され、前記正極部材の集電体及び負極部材の集電体が相互に逆方向に延伸され、前記芯材の両端に設けられたターミナルに直接電気的及び熱伝導的に接続されているため、極めて効率的なコンパクト構造となっている。
また、請求項４の発明によれば、正極及び負極のターミナルを中心としたフランジがそれぞれ設けられ、各フランジの外周の折返し縁に両端を接着したラミネートフィルムで、前記捲回乃至積層された正極部材、セパレーター及び負極部材から成るセル基本部材を被う構造となっているため、セル内の電解質が外部に漏れることがない。
また、請求項５及び６の発明によれば、複数の電池セルを接続する場合、一方の電池セルの一方のターミナルに設けられた第１嵌合体、例えば雄ねじを、接続する他の電池セルの第２嵌合体、例えば雌ねじ孔にねじ込み螺着することにより電池相互を直接接続することが出来、コンパクトに電池組を形成することができる。また、特に請求項６の発明では、第１嵌合体と第２嵌合体とが、嵌合により電蝕を起こす恐れのある金属の場合であっても、メッキを施すことにより、電蝕の恐れがない。
また、請求項７及び８の発明によれば、正極用又は負極用のターミナルと集電体の間にはＰＴＣ素子等の温度によって抵抗値が急激に上昇する素子を設けているため、温度上昇があった時に抵抗値が増し、電流遮断をする。これにより外部短絡があったときに当該電池が高温になることを防止する。また、特に請求項８の発明では、ターミナル、温度によって抵抗値が急激に上昇する素子及び集電体が、接触により電蝕を起こす恐れのある金属の場合であっても、メッキを施すことにより、電蝕の恐れがない。
また、請求項９の発明によれば、前記セパレーターの電解質をゲル状とし、当該ゲル状の電解質が前記正極部材の正極活物質及び負極部材の負極活物質の外周面にそれぞれ塗布しているため、セパレーターの端末から電解質の液が漏れることがない。この効果と、請求項４の発明のセル構造とにより、液漏れ防止に対する二重の安全を担保している。
また、請求項１０、１１及び１２の発明によれば、セルモニタリングシステムからの温度センサー、及び電圧センサーの測定情報信号を当該電池セルの外部に発信し、又はセル外部からの信号を前記セルモニタリングシステムに伝えるための手段を正極又は負極のターミナルを通して有線伝送技術乃至は無線通信を用い、複数の電池からの通信信号を時分割多重又はスペクトル拡散等による多重技術を使った通信により行うことで、複数のセルからの信号を混信することなく多重化し、かつ、ノイズ耐性を有し、その上、正極用及び負極用ターミナル以外に端子を電池セルの外部に突出させる必要がなく、それだけ液漏れの恐れがない。
また、請求項１３の発明によれば、複数の電池が接続された組電池において、当該組電池の正極と負極には前記セルモニタリングシステムで計測される電圧値に基づいて自動的に充電を停止する過充電防止スイッチが取り付けられ、且つ前記ツェナー・ダイオードによる過充電電流の放出が始まる電圧値より０．０２Ｖ±０．０１Ｖ低い電圧で前記スイッチが動作する過充電防止装置が取り付けられているため、過充電を確実に防止することができる。この効果とセルの中空状の芯材の中に設けられている過充電防止用のツェナー・ダイオードの二つの効果により、過充電を二重に防止できる。
また、請求項１４の発明によれば、複数の非水電解液二次電池を接続した組電池において、閾値以上の過電流を検出して、電流を停止させる外部短絡防止スイッチが取り付けられているため、外部短絡による急速なセル内の温度上昇による、発火の恐れがない。
この発明の実施の形態例１の非水電解液二次電池セルの概略断面図である。 この発明の実施の形態例１の非水電解液二次電池セルの芯材とターミナル及びフランジの取り付け状況を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態例１の非水電解液二次電池セルの正極及び負極集電体を導電・熱伝導体としている場合の概要を示す断面図である。 この発明の実施の形態例１の非水電解液二次電池セルの芯材、当該芯材の外周に捲回されたセル基本部材及び温度センサーを示す断面図である。 この発明の実施の形態例１の非水電解液二次電池セルの集電体と活物質との重合状態を示す平面図である。 この発明の実施の形態例１の非水電解液二次電池セルの正極用及び負極用集電体から成る導電・熱伝導体と活物質との重合状態を示す平面図である。 この発明の実施の形態例１の非水電解液二次電池セルの(a)正面よりの斜視図、(b)背面よりの斜視図である。 この発明の実施の形態例１の非水電解液二次電池セルのセルモニタリングシステムの回路構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態例２の非水電解液二次電池セルの概略断面図である。
この発明の実施の形態例１の非水電解液二次電池セルＡを図１〜図８に基づいてついて説明する。
非水電解液二次電池セルＡは、丸みを帯びた四角形状の、導電性の良い金属製板を２枚、間隔をあけて相対向して設け、当該２枚の各金属製板の中央部を内側向けてそれぞれ膨出させ、当該各膨出部は断面略四角形とし、これらの各膨出部とこれに続く前記金属製板の中央部を正極又は負極のターミナル１、２とし、当該各ターミナル１、２の周囲の前記金属製板をそれぞれフランジ３、４とする。なお、当該フランジ３、４の外周形状は丸みを帯びた四角形状に限らず、円形形状でも良い。
前記間隔をあけて相対向したターミナル１、２の膨出部の外周に、外側にラミネートフィルムを被覆したエンジニアリングプラスチックから成る芯材５の両端をそれぞれ重ねて固定して中空状の芯材５を形成し、当該芯材５の外周にセル基本部材６を捲回している。当該セル基本部材６の外周径と前記フランジ３、４の外周径はほぼ同一である。
また、前記芯材５は強度を有するエンジニアリングプラスチックと電解質を通さないラミネートフィルムから構成されている。当該ラミネートフィルムは第１層がＰＥＴやナイロンなどの高強度材、第２層が数１０μｍの厚さの、水分や気体の出入りを防ぐアルミホイル、第３層はＰＰなどの熱融着が可能な材料で構成されている。
前記セル基本部材６の正極及び負極の集電体（図３参照）をそれぞれ反対方向に延伸させて導電・熱伝導体７、８とし、当該各導電・熱伝導体７、８の先端を正極又は負極のターミナル１又は２の膨出部外周にそれぞれ当接、固定して、電気的にかつ熱伝導的に接続している。
また、前記２つのフランジ３，４の外周縁にはそれぞれ、セルの中央部に向けて折返し縁３ａ、４ａを有している。これらの折返し縁３ａ、４ａにそれぞれ両端を当てて固定したラミネートフィルム９が巻かれており、当該ラミネートフィルム９によって前記セル基本部材６が被われている。このラミネートフィルムは前記芯材５を構成するラミネートフィルと同様の３層構造となっている。
この様に、前記正極、負極のターミナル１、２を含むフランジ３、４及び当該ラミネートフィルム９によってセルは密閉されている。これによりセル内の電解質が外部に漏れることを防ぐとともに、セル内部の電極周辺で発生する熱を集電体及び導電・熱伝導体７、８を通して効率よく正極及び負極のターミナル１，２に輸送し、放熱する機能を有している。
また、前記フランジ３の中央部の正極のターミナル１の外面には雄ねじに代表される第１の嵌合体１０が突出して設けられ、また、前記フランジ４の中央部の負極のターミナル２の外面には雌ねじ孔に代表される穴状の第２の嵌合体１１が設けられている。これにより複数の電池セルＡを接続する際、隣接する電池セルＡの第１の嵌合体１０を第２の嵌合体１１と嵌合させ、ターミナル１及びフランジ３を隣接する電池セルＡのターミナル２及びフランジ４を重ねて接続することが可能となり、複数の電池セルＡを接続した組電池でも場所を取らない。
なお、前記第１の嵌合体１０及び第２の嵌合体１１はそれぞれ導電性及び熱伝導性を有する部材、若しくは前記ターミナル１又は２と同一材料から成る部材とする。また、また、第１の嵌合体１０が雌ねじ孔、第２の嵌合体１１が雄ねじであってもよく、さらに、前記第１の嵌合体１０又は第２の嵌合体１１はそれぞれ雄ねじ又は雌ねじでなくてもよい。これらは相互に嵌合、接続可能な構造であれば良い。
また、前記芯材５の中空部内には、セルモニタリングシステムとして、温度センサー１２、電圧センサー１３、バランサー１４及びツェナー・ダイオード１５が設けられている。これらの温度センサー１２、電圧センサー１３、バランサー１４及びツェナー・ダイオード１５は前記芯材５の中空部内の正極又は負極のターミナル１、２に複数のリード線１６（図２参照、図２は一組のリード線１６のみ図示、他の組は省略）でそれぞれ電気的に接続されている。
前記温度センサー１２は、図４に示すように、芯材５のエンジニアリングプラスチックのほぼ中心に埋め込み、その表面を芯材５の外側に設けたラミネートフィルムに密着させている。さらに温度センサー１２の内側は断熱材１７で被っている。これによって温度センサー１２の表面からセル基本部材６等の発熱源までの距離は芯材５のラミネートフィルム及び前記セル基本部材６のセパレーター（図３参照）の厚さを加えたわずかな距離であり、セル温度を極めて正確に測定できる。
また、前記電圧センサー１３は、図２に示す、正極及び負極のターミナル１、２の、芯材５内の端部からそれぞれ伸びている一組のリード線１６に電圧計を接続している。
また、前記バランサー１４は、複数の各電池セルＡ間の電圧を一定に保つことで、電池がもつ容量を１００％有効に使うことと、電池寿命を伸ばすことを可能にするために取り付けている。当該バランサー１４は、組電池の各電池セルＡのうち、高い電圧の電池セルＡを検出し、この電池セルＡの電力を抵抗を使って熱にして低い電池セルＡの電圧に揃えてその後に複数の電池セルＡ全体に充電するパッシブ型を採用している。
この様にして抵抗で電力を放電させることにより、芯材５内部の温度が上昇するが、これは前記セル基本部材６やリード線１６等を介して前記正極及び負極のターミナル１、２、フランジ３、４及び外周のラミネートフィルム９全体を通して電池セルＡの外部に放散する。
前記ツェナー・ダイオード１５は、過電流防止のために大容量のものを用いる。これにより、当該電池セルＡが規定の電圧を超えて充電される時、その超えた分の電圧に相当するエネルギーをツェナー・ダイオード１５で熱に変え、前記バランサー１４の抵抗で熱を放出させると同様の方法で、電池セル外部に熱を放散させる。
前記中空状の芯材５内には、さらに多重化技術を使った信号送受信機１９を有している。図８に示すように、当該信号送受信機１９には、前記温度センサー１２と電気的に接続された温度測定用Ａ／Ｄ変換器１９ａ、前記電圧センサー１３と電気的に接続された電圧測定用Ａ／Ｄ変換器１９ｂ、また、これらの測定温度値及び測定電圧値等の情報を変調して正極又は負極のターミナル１又は２に送る電圧・温度情報変調器１９ｃ、及び前記バランサー１４の動作指令用復調器１９ｄが設けられている。そして、当該信号送受信機１９はそれぞれ信号線２０、２１を通して前記正極又は負極のターミナル１又は２に電気的に接続されている。
また、前記信号送受信機１９とは別に、前記バランサー１４の出力を受けて熱に変える、トランジスタ及び抵抗器から成る電力消費用抵抗器１４ａが設けられ、当該電力消費用抵抗器１４ａで発生する熱を前記正極又は負極のターミナル１又は２に伝える絶縁熱伝導体２２、２３がそれぞれ接続されている。さらに、過充電保護用の前記ツェナー・ダイオード１５には当該電池セルＡが規定の電圧を超えて充電される時、その超えた分の電圧に相当するエネルギーを抵抗器１５ａで熱に変えて、前記正極又は負極のターミナル１又は２に伝えるパワー用ケーブル２４、２５がそれぞれ接続されている。また、前記電圧センサー１３は前記１組のリード線１６（ただし、図８では電圧測定用リード線１６と表示）を介して正極又は負極のターミナル１又は２に電気的に接続されている。
前記温度センサー１２と電圧センサー１３の測定値は、前記正極又は負極のターミナル１又は２を介して組電池全体を監視する装置であるＢＭＳ（バッテリーマネージメントシステム）に送り、電池セルＡから流す電流の制御や、バランサー１４の動作の司令信号として利用する。このための通信手段として、この発明ではターミナル１又は２を通した有線通信又は空間を伝搬する無線電波通信手法を用いる。
この有線通信は各センサーからの値をデジタル変換し、かつ、それらの値に応じて電圧パルス数に変えて各ターミナル１、２に伝える手法である。すると、各ターミナル１、２から発生する電圧は電池セルＡが持つ直流に電圧パルスが重畳された形となる。こうして作られる波形から直流分だけを除くとパルス波形のみを取り出すことができる。この様にして各電池セルＡ内の温度センサー１２、電圧センサー１３及びバランサー１４を動作させるための正確な信号を得ることができる。
前記セルモニタリングシステムからの温度センサー１２、及び電圧センサー１３の測定情報信号を、当該電池セルＡの外部に発信し、又は電池セルＡ外部からの信号を前記セルモニタリングシステムに伝えるための手段の具体的な構造として、図示は省略したが、前記正極又は負極のターミナル１、又は２の中心であって、当該ターミナル１又は２の同軸上に細い穴があけられ、当該穴内に非金属製で電波をよく透過させる材料が埋められ、当該材料を介して、前記セルモニタリングシステムからの温度センサー１２、及び電圧センサー１３の測定情報信号を当該電池セルＡの外部に発信し、又は電池セルＡの外部からの信号を前記セルモニタリングシステムに伝えるスペクトル拡散技術による信号送受信機能を持たせた。
また、一つ又は複数の非水電解液二次電池セルＡからの通信信号で時分割多重又はスペクトル拡散技術等による多重化技術を使った有線又は無線通信による信号受信機能を持たせ、複数のセルからの信号を混信させることなく多重化し、ノイズ耐性も高めた。
次に、前記セル基本部材６について説明する。図３に示すように、正極部材は、代表例として厚さ２０μｍのアルミから成る正極集電体の両側に正極活物質を１００μｍの厚さでそれぞれ塗布する。当該正極活物質は、３元系を用い、その中にポリフッ化ビニリデンのバインダーを６．５％と、カーボンブラックの導電体を４％混ぜ合わせたものである。さらに塗布面の片側にエチレンカーボネート（ＥＣ）とプロピレンカーボネート（ＰＣ）の混合物の溶媒に六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を溶質として混ぜ合わせた電解質にポリフッ化ビニリデンを混ぜてゲル化したものを塗布する。なお、電解質中のＥＣ、ＰＣ、ＬｉＰＦ６の量は等量とする。
また、負極部材は、代表例として厚さ１０μｍの銅から成る負極集電体の両側に負極活物質を５６μｍの厚さでそれぞれ塗布する。当該負極活物質はハードカーボンの中に正極同様ポリフッ化ビニリデンのバインダーを４％混ぜ合わせたものである。この厚さは、正極に貯えられたリチウムイオンが充電時に全て受け入れられるための必要十分なハードカーボンの量に相当する。この塗布の片面に正極同様にゲル化した電解液を塗布する。
また上記正極部材と上記負極部材の間には、図３に示すようにセパレーターを介在させている。当該セパレーターには、代表例として９μｍの厚さの２軸延伸したポリエチレン製の製品を使う。このセパレーターは正極と負極が付着してショートが起きることを防ぐこと、電解質を保持すること、正極と負極間で移動するリチウムイオンを通過させることの役割をもつ。
これを正極、負極のそれぞれの片側でゲル状に塗布した面の上にもれなく貼る。こうして４層構造の長い帯状のセル基本部材６を完成させ、図３に示すように、角筒状の芯材５の外周に巻く。
また、上記セル基本部材６の製作にあたっては、図５に示すように、正極及び負極の集電体６ａは電池材料の塗布面より幅の広い帯状の材料を用い、その一部に活物質材料を塗布する。即ち、集電体６ａの端部面を残して活物質を塗布する。なお、図示は省略するが、活物質を塗布していない集電体６ａの端面は正極と負極とで相互に反対側に設ける。
そして、図６に示すように、正極及び負極の各集電体６ａの活物質を塗布していない部分を端縁に沿って、間隔をあけて切り取り、切らずに残す部分は一定幅とし、切り取る部分の幅は次第に広くし、これを正極及び負極の集電体６ａについてそれぞれ行う。そして、正極及び負極の集電体６ａの残った部分を前記導電・熱伝導体７、８としたものである。
これらの正極の導電・熱伝導体７を正極のターミナル１の膨出部の外周に固着させ、負極の導電・熱伝導体８を負極のターミナル２の膨出部の外周に固着さる。
次にこの発明の実施の形態例２を図９に基づいて説明する。
当該実施の形態例２の非水電解液二次電池セルＢは、負極のターミナル２の膨出部の外周にＰＴＣ素子１８を設けたものである。他の構成は実施の形態例１と同じである。当該ＰＴＣ素子１８を設けることにより、温度上昇があった時に抵抗値が増し、１個又は複数の電池セルＢ間の電流を遮断し、過充電でツェナー・ダイオード１５での排熱が熱容量を超えるとき、或いは外部短絡があった時に、電池セルが高温になることを防止する機能を付加したものである。
なお、上記実施の形態例２に加えて又は代えて、図示は省略したが、複数の前記非水電解液二次電池セルＡが前記第１の嵌合体及び第２の嵌合体により接続された組電池において、当該組電池の正極と負極には前記セルモニタリングシステムで計測される電圧値に基づいて自動的に充電を停止する過充電防止スイッチが取り付けられ、且つ前記ツェナー・ダイオードによる過充電電流の放出が始まる電圧値より０．０２Ｖ±０．０１Ｖ低い電圧で前記スイッチが動作する過充電防止装置を取り付けることもできる。
さらに、上記実施の形態例２に加えて又は代えて、図示は省略したが、複数の前記非水電解液二次電池セルＡが前記第１の嵌合体及び第２の嵌合体により接続された組電池において、当該組電池の正極或いは負極に電流計が取り付けられ、予め定める電流値より大きな電流が流れた時に、自動的に電流を停止する外部短絡防止スイッチを取り付けることもできる。
この様にこの発明では、前記過充電に対しては、セルモニタリングシステム内に、ツェナー・ダイオード１５を挿入して過充電の電力を熱に変え、電池セル外に伝搬する。また、電解液の漏れに対しては、電解質をゲル化することで、大幅に安全を高める。さらに各ターミナルにフランジ及び折返し縁を付け、これらの各折返し縁に対して面接触でラミネートフィルムをわたして電池セルを被覆し、この様な２重の対策により液漏れを防いでいる。
また、電池セル内の異常高温に対しては、前記正極及び負極の集電体を延伸して導電・熱伝導体とし、これを直接正極及び負極のターミナルに電気的に接続しており、また、セル基本部材が巻かれた芯材内のセルモニタリングシステムの温度センサー、電圧センサー、バランサー、及びツェナー・ダイオードを、
複数のリード線を介して正極及び／又は負極のターミナルに接続しているため、内部で発生する熱は正極又は負極のターミナル１、２に伝搬され、これらのターミナル１，２と一体なフランジ３、４、更にはラミネートフィルム９から成る電池セルＡの表面全体で放熱され、温度上昇を抑えることができる。
また、セル外部短絡に関しては、組電池とした時に，当該電池セルに設けたＰＴＣ素子により、高温のある閾値で抵抗が急に大きくなり、組電池間に流れる
電流を遮断する。
この様にして前記安全性を確保することにより、エネルギー密度の高い電池が得られるものである。
なお、上記実施の形態例ではセル基本部材の正極の集電体及び負極の集電体を延伸させた部分を導電・熱伝導体７，８とし、これらの機能を表現するために用いていたが、これらは集電体そのままでも良い。
Ａ 非水電解液二次電池セル
Ｂ 非水電解液二次電池セル
１ ターミナル ２ ターミナル
３ フランジ ４ フランジ
５ 芯材 ６ セル基本部材
６ａ 集電体
７ 導電・熱伝導体 ８ 導電・熱伝導体
９ ラミネートフィルム １０ 第１の嵌合体
１１ 第２の嵌合体 １２ 温度センサー
１３ 電圧センサー １４ バランサー
１４ａ 電力消費用抵抗器 １５ ツェナー・ダイオード
１５ａ 抵抗器 １６ リード線
１７ 断熱材 １８ ＰＴＣ素子
１９ 信号送受信機 ２０ 信号線
２１ 信号線 ２２ 絶縁熱伝導体
２３ 絶縁熱伝導体 ２４ パワー用ケーブル
２５ パワー用ケーブル

Claims (14)

  1. 非水電解液二次電池において、
    セル自体を円筒又は丸みを帯びた角筒形状とし、
    当該セルの中心に円形乃至四角形の断面を有する中空筒状の絶縁体でかつ電解質の透過を防ぐことができる固い芯材が設けられ、
    当該芯材の中空部内に、当該セルの電圧センサー、温度センサー及びバランサーを取付けたセルモニタリングシステムが設けられ、
    前記芯材を軸として非水電解液二次電池の正極部材、セパレーター及び負極部材から成るセル基本部材が捲回乃至積層され、前記正極部材の集電体又は負極部材の集電体と電気的に接続された導電性のターミナルが当該セルの外部に露出してそれぞれ設けられ、
    前記セルモニタリングシステムの温度センサーは前記芯材の中空部の中央部に当該芯材に密着して取り付けられ、前記バランサーで発生する熱を正極又は負極のターミナルを介して放熱させる回線が接続された構成であることを特徴とする、非水電解液二次電池セル。
  2. 前記セルモニタリングシステムの中に、過充電時に過剰な電力を消費するツェナー・ダイオードを設け、当該ツェナー・ダイオードで発生する熱を前記正極又は負極のターミナルを介して放熱させる回線が接続された構成であることを特徴とする、請求項１に記載の非水電解液二次電池セル。
  3. 前記ターミナルは正極用及び負極用として前記芯材の両端に、当該芯材と同軸上にそれぞれ設けられ、これらのターミナルに向けて、前記正極及び負極の集電体が相互に反対側に延伸され、これらがそれぞれ正極及び負極のターミナルに直接電気的及び熱伝導的に接続されたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の非水電解液二次電池セル。
  4. 前記正極及び負極のターミナルを中心とし、前記捲回乃至積層された正極部材、セパレーター及び負極部材から成るセル基本部材の両端を被う、前記各ターミナルと同一材料のフランジが前記各ターミナルと一体に設けられ、当該各フランジの外周縁には、当該セルの中心に向けた折返し縁が設けられ、両側の各フランジの折返し縁に両端を接着し、当該セルを被い、セル内の電解質が外部に漏れることを防ぐラミネートフィルムが取付けられたことを特徴とする、請求項３に記載の非水電解液二次電池セル。
  5. 前記正極用のターミナルの外側先端部には第１の嵌合体が設けられ、前記負極用のターミナルの外側先端部には前記第１の嵌合体と嵌合する第２の嵌合体が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の非水電解液二次電池セル。
  6. 前記第１の嵌合体と前記第２の嵌合体の嵌合部分に電蝕を防止するメッキが施されていることを特徴とする、請求項５に記載の非水電解液二次電池セル。
  7. 前記正極用又は負極用のターミナルと集電体の間には温度によって抵抗値が急激に上昇する素子が取り付けられ、当該素子により当該電池セル内の温度上昇があった時に、当該電池セルと他の電池セルとの間を流れる電流を遮断する機能を有する構成であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の非水電解液二次電池セル。
  8. 前記ターミナル、抵抗値が急激に上昇する素子、及び集電体の各接触部分に電蝕を防止するメッキが施されていることを特徴とする、請求項７に記載の非水電解液二次電池セル。
  9. 前記セル基本部材の電解質はゲル状とし、当該ゲル状の電解質が前記セル基本部材の正極活物質及び負極活物質の外周面にそれぞれ塗布されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の非水電解液二次電池セル。
  10. 前記セルモニタリングシステムからの温度センサー、及び電圧センサーの測定情報信号を、当該電池セルの外部に発信し、又はセル外部からの信号を前記セルモニタリングシステムに伝えるための手段は、正極又は負極のターミナルを通した有線通信、又は電波を用いる無線通信技術により構成としたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の非水電解液二次電池セル。
  11. セルモニタリングシステムからの温度センサー、及び電圧センサーの測定情報信号を、当該電池セルの外部に発信し、又はセル外部からの信号を前記セルモニタリングシステムに伝えるための手段は、前記正極又は負極のターミナルの中心であって、当該ターミナルの同軸上に細い穴があけられ、当該穴内に非金属製で電波をよく透過させる材料が埋められ、当該材料を介して、前記セルモニタリングシステムからの温度センサー、及び電圧センサーの測定情報信号を当該電池の外部に発信し、又は電池外部からの信号を前記セルモニタリングシステムに伝えるスペクトル拡散技術による信号送受信機能を持たせたことを特徴とする、請求項１０に記載の非水電解液二次電池セル。
  12. 一つ又は複数の非水電解液二次電池セルからの信号で時分割多重又はスペクトル拡散技術による多重化技術を使った有線又は無線通信による信号送受信機能を持たせたことを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の非水電解液二次電池セル。
  13. 請求項５〜１２のいずれかに記載の複数の非水電解液二次電池セルが前記第１の嵌合体及び第２の嵌合体により接続された組電池において、当該組電池の正極と負極には前記セルモニタリングシステムで計測される電圧値に基づいて自動的に充電を停止する過充電防止スイッチが取り付けられ、且つ前記ツェナー・ダイオードによる過充電電流の放出が始まる電圧値より０．０２Ｖ±０．０１Ｖ低い電圧で前記スイッチが動作する過充電防止装置が取り付けられていることを特徴とする、非水電解液二次電池の組電池。
  14. 請求項５〜１２のいずれかに記載の複数の非水電解液二次電池セルが前記第１の嵌合体及び第２の嵌合体により接続された組電池において、当該組電池の正極或いは負極に電流計が取り付けられ、予め定める電流値より大きな電流が流れた時に、自動的に電流を停止する外部短絡防止スイッチが取り付けられていることを特徴とする、非水電解液二次電池の組電池。


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