JP2018073815A - 電気絶縁体およびそれに関連する電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気絶縁体の支持領域によって分離領域の周囲の構造強度を改善でき、高温動作の下でも簡単にカールしない電気絶縁体の提供。
【解決手段】2つの面S1,S2および外側面S3を有する分離領域12と、前記2つの面S1,S2の少なくとも一方の周囲を覆って配置される支持領域14と、を備えたことを特徴とする電気絶縁体1である。分離領域12は多孔性、イオン導電性であり、セラミックセパレータ、重合体セパレータ、またはセラミックでコーティングされた重合体セパレータから作ることが可能である。支持領域14は可撓性があり、イオン導電性であるか、または、電気絶縁体1では、イオン導電のための主要な領域は分離領域12であるので、イオン導電性ではないいくつかの特定の材料から作ることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は電気絶縁体に関し、詳細には電気絶縁体およびそれに関連する電池に関する。
従来、電池の内部短絡を回避するために、正極と負極の間にセパレータを置かなければならなかった。セパレータの材料は通常、ポリエチレン、ポリプロピレンである。これらの材料を使用するセパレータは、高温動作の下で容易にカールする。
セパレータのサイズは正極および負極の表面積より大きくなるように常に設計されるが、セパレータがカールしたときに、正極および負極は依然として接触し、電池の内部短絡を引き起こす。内部短絡により発生した熱で、セパレータはより大きくカールする。したがって、広範囲にわたる内部短絡がトリガされ、熱暴走が発生する。
上述の問題を解決するために、セラミックでコーティングされたセパレータが開発された。セラミックでコーティングされたセパレータは、セラミックの特性によって高温動作の下で保証できる。しかしながら、セパレータは依然として重合体(たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン)から構成され、高温動作の下で熱が蓄積するために、重合体の構造は変化する。セパレータは依然としてカールし、内部短絡を引き起こす。最後には、熱暴走が依然として発生する場合がある。
したがって、上記の問題を克服するために、本発明では、電気絶縁体およびそれに関連する電池が開示される。
本発明は、電気絶縁体およびそれに関連する電池を提供するためにあり、それにより、電気絶縁体の支持領域によって分離領域の周囲の構造強度を改善でき、その結果、電気絶縁体が高温動作の下で簡単にはカールしない。
本発明は、電気絶縁体およびそれに関連する電池を提供するためにある。支持領域が配置され、分離領域の周囲を覆い、その結果、分離領域の周囲は簡単には亀裂がはいらず、負極は正極と簡単には接触しないので、内部短絡の確率を低減できる。
本発明は、電気絶縁体およびそれに関連する電池を提供するためにあり、それにより、電気絶縁体の支持領域および電池のパッケージ構造物を互いに密着させることによって、組立ての工程を簡略化できる。
上記を達成するために、本発明は電気絶縁体を開示する。電気絶縁体は、分離領域および支持領域を備える。この電気絶縁体では、分離領域は2つの面および外側面を有し、支持領域が配置され、面の少なくとも一方の周囲を覆う。
上記を達成するために、本発明は電池を開示する。電池は2つの電極、電気絶縁体、およびパッケージ構造物を備える。パッケージ構造物は、電極および電気絶縁体を包んでいる。電気絶縁体は、分離領域および支持領域を備える。この電気絶縁体では、分離領域は、活物質層の間に正射影で配置され、活物質層と接触し、支持領域は活物質層の間に正射影で配置され、支持領域の少なくともいくつかの部分は活物質層と接触する。
上記を達成するために、本発明は電池を開示する。電池は2つの電極、電気絶縁体、および密封フレームを備える。密封フレームは、電極の集電体層および電気絶縁体の支持領域に密着し、その結果、電極の活物質層および電気絶縁体の分離領域を密封できる。分離領域は、活物質層の間に正射影で配置され、活物質層と接触し、支持領域は活物質層の間に正射影で配置され、支持領域の少なくとも一部分は活物質層と接触する。
本発明の電気絶縁体およびそれに関連する電池では、電気絶縁体の周囲は、支持領域によって、高温動作の下でも簡単にはカールしない。正極と負極の間で接触する確率を低減できる。したがって、電池の内部短絡を防止することが可能である。
以下、本発明の技術的内容、特性、および成果を簡単に理解するように、図面と併せて実施形態について詳細に説明する。
本発明の電気絶縁体の一実施形態の概略図である。 本発明の電気絶縁体の一実施形態の概略図である。 本発明の電気絶縁体の一実施形態の概略図である。 本発明の電気絶縁体の一実施形態の概略図である。 本発明の電気絶縁体の一実施形態の概略図である。 本発明の電気絶縁体の一実施形態の概略図である。 本発明の電池の一実施形態の概略図である。 本発明の電池の一実施形態の概略図である。 本発明の電池の一実施形態の概略図である。 本発明の電池の一実施形態の概略図である。
図1〜図6には、本発明の電気絶縁体の概略図が6つ示されている。電気絶縁体1は、分離領域12および支持領域14を備え、そこでは、分離領域12は2つの面S1、S2および外側面S3を有し、支持領域14が配置され、分離領域12の面の少なくとも一方S1またはS2の周囲を覆う。
図1を参照する。支持領域14が配置され、分離領域12の面S1の周囲を覆うが、分離領域12の外側面S3を覆うように延在しない。
図2を参照する。支持領域14が配置され、分離領域12の面S1の周囲を覆い、外側面S3のいくつかの部分を覆うように延在する。
図3を参照する。支持領域14が配置され、分離領域12の面S1の周囲を覆い、外側面S3の全てを覆うように延在する。
続けて、図4を参照する。支持領域14が配置され、分離領域12の2つの面S1およびS2の周囲を覆うが、分離領域12の外側面S3を覆うように延在しない。
図5を参照する。支持領域14が配置され、分離領域12の2つの面S1およびS2を覆い、面S1の一方によって外側面S3のいくつかの部分を覆うように延在する。
図6を参照する。支持領域14が配置され、分離領域12の2つの面S1およびS2の周囲を覆い、外側面S3の全てを覆うように延在する。
上記の実施形態では、分離領域12は多孔性であり、イオン導電性である。実際の動作では、分離領域12を、セラミックセパレータ、重合体セパレータ、またはセラミックでコーティングされた重合体セパレータから作ることが可能である。支持領域14は可撓性があり、イオン導電性である。しかしながら、電気絶縁体1では、イオン導電のための主要な領域は分離領域12であるので、支持領域14をイオン導電性ではないいくつかの特定の材料から作ることができる。
支持領域14は、重合体材料、シリコーン材料、エポキシ樹脂材料、アクリル樹脂材料、およびそれらの組合せからなるグループから選択される。さらに、イオン導電性ではないいくつかの支持材料(たとえば、セラミック粒子、重合体粒子)を加えることにより、支持領域14の構造強度を改善できる(図に示していない)。
図7〜図9には、本発明の電池の概略図が3つ示されている。
図7は電池2を開示する。電池2は、2つの電極22および24、電気絶縁体1、ならびにパッケージ構造物26を備える。この電池2では、電極22および24はそれぞれ、活物質層222および242、集電体層224および244を有する。正射影では、電気絶縁体1の分離領域12は、2つの活物質層222および242の間に配置され、同時に活物質層222および242と接触する。正射影では、支持領域14は、2つの活物質層222および242の間に配置され、活物質層222および242と部分的に接触する、すなわち、支持領域14は活物質層222および242上に直接広がる。
パッケージ構造物26は独立した容器であり、電極22、24、および電気絶縁体1を収容する。ここで、図7では、例示のためにアルミニウム積層フィルムパッケージが使用されている。この実施形態では、電池2を袋状の電池または可撓性のある電池とすることが可能である。
さらに、図8および図9を参照する。電池2は、2つの電極22、24、電気絶縁体1、および密封フレームを備える。上記の実施形態と同様に、分離領域12は、2つの活物質層222および242の間に正射影で配置され、同時に活物質層222および242と接触する。支持領域14は2つの活物質層222および242の間に配置され、活物質層222および242と部分的に接触する。すなわち、支持領域14は活物質層222および242を直接覆う。
上記の実施形態と異なり、密封フレーム28は、集電体層224、244に、支持領域14の一部分の間で密着させられる。活物質層222および242、ならびに電気絶縁体1は、密封フレーム28、集電体層224および244、ならびに支持領域14のいくつかの部分により完全に密封される。これらの実施形態では、電池2を袋状の電池または可撓性のある電池とすることが可能である。
さらに、図10を参照する。支持領域14および密封フレーム28は、単一構造物に一体化され、その結果、支持領域14ならびに集電体層224および244を密着することにより、活物質層222、242および分離領域12を完全に密封できる。
上記の実施形態では、正射影では、(分離領域および支持領域を備える)電気絶縁体の表面積は、電極の大きい方の表面積より大きい。確かに、実際の状況では、電気絶縁体の正射影範囲は、電極の大きい方の表面積以上とする必要があるだけである。しかしながら、安全性の問題を考慮すると、負の電極は通常、正の電極より大きな表面積を有する。本発明は電極の表面積を制限しなかったが、電気絶縁体は電極の一方を完全に覆わなければならない。電池の一般的な設計に合わせて、電気絶縁体は負の電極を確実に覆うべきである。
より詳細には、特にセラミック材料を使用する状況で、電気絶縁体の分離領域を考慮する。分離領域がセラミックセパレータであれ、セラミックでコーティングされた重合体セパレータであれ、セラミックの特性のために、分離領域の周囲には簡単に亀裂がはいる。特に、電極の端部に近いほど(より詳細には、電極の端部が活物質層の周囲にある)、それだけ簡単に分離領域に亀裂がはいる。その結果、本発明で開示する分離領域は、活物質層の一方の正射影範囲より狭い正射影範囲を有する。この場合、活物質は、正の活物質層または負の活物質層とすることが可能である。
分離領域は、できるだけ多く活物質層を覆うべきであり、特に、活物質層の端部を確実に覆うべきである。しかしながら、支持領域は、活物質層の外側面および分離領域を覆うために、活物質層の周囲上、および分離領域の周囲上に配置される。支持領域は分離領域よりも可撓性があり、その結果、簡単に亀裂がはいる分離領域の周囲を保護できる。さらに、支持領域は、電池設計に従ってイオン導電性である、またはイオン導電性ではないとすることが可能である。たとえば、正の活物質および負の活物質の割合(正の活物質の表面積および負の活物質の表面積)は、電池設計に影響を及ぼす要因の1つである。
さらに、上記の実施形態は本発明の範囲を制限するものではない、すなわち、上述の電池で任意の種類の電気絶縁体を使用できる。
例示していないが、集電体層の外面の任意の一方上に保護層を配置できる。保護層の主要な機能は、外部環境から集電体層を絶縁することである(酸化、衝突などから保護する)。また、保護層は集電体に構造強度を提供でき、何度も屈曲した後に、または過度に屈曲する状況で、金属箔のしわまたは破断を防止する。
集電体層の端部は、密封フレーム、密着する能力を有する支持領域、および保護層により覆われる。密封フレーム、密着する能力を有する支持領域、および保護層は絶縁されるので、正の集電体層および負の集電体層が偶然接触することによる外部短絡の可能性を低減できる。端部をコーティングされた集電体層の実施形態は、電池の設計、または工程要件で変えることが可能である。
上述の結論では、電池の活物質層は、電気絶縁体の分離領域および支持領域によって絶縁される。支持領域は、さらに活物質層間の障壁とすることが可能であり、分離領域の亀裂を防止できる。したがって、内部短絡の状況を防止でき、セラミックの含有量が高いセラミック電池を達成できる。
以上のように本発明について説明してきたが、本発明を多くの方法で変更してもよいことは明らかであろう。そのような変更は、本発明の趣旨および範囲からの逸脱と見なされるべきではなく、そのような修正は全て以下の特許請求の範囲に含まれることが意図されることは当業者に明らかである。

Claims (25)

  1. 電気絶縁体であって、
    2つの面および外側面を有する分離領域と、
    前記2つの面の少なくとも一方の周囲を覆って配置される支持領域と、
    を備えたことを特徴とする電気絶縁体。
  2. 前記分離領域は、多孔性且つイオン導電性を有することを特徴とする、請求項1に記載の電気絶縁体。
  3. 前記分離領域は、セラミックセパレータ、重合体セパレータ、およびセラミックでコーティングされた重合体セパレータのうちのいずれかであることを特徴とする、請求項1に記載の電気絶縁体。
  4. 前記支持領域は、イオン導電性を有する、または、イオン導電性を有さないことを特徴とする、請求項1に記載の電気絶縁体。
  5. 前記支持領域は、可撓性を有することを特徴とする、請求項1に記載の電気絶縁体。
  6. 前記支持領域は、導電性を有さない支持材料を有することを特徴とする、請求項1に記載の電気絶縁体。
  7. 前記支持領域は、前記2つの面の一方の周囲を覆うとともに前記外側面の一部分または全てを覆って配置されることを特徴とする、請求項1に記載の電気絶縁体。
  8. 前記支持領域は、前記2つの面の双方の周囲を覆って配置されることを特徴とする、請求項1に記載の電気絶縁体。
  9. 前記支持領域は、前記2つの面の双方の周囲を覆うとともに前記外側面の部分または全体を覆って配置されることを特徴とする、請求項1に記載の電気絶縁体。
  10. 電池であって、
    各々が活物質層および集電体層を有する2つの電極と、
    前記2つの電極の活物質層とそれぞれ接触しつつ、当該活物質層どうしを絶縁して配置される電気絶縁体であって、
    2つの面および外側面を有し、前記2つの電極の活物質層に対し、正射影で当該活物質層の間に介在する関係をなし且つそれぞれと接触する分離領域と、
    前記2つの面の少なくとも一方の周囲を覆い、前記2つの電極の活物質層に対し、正射影で当該活物質層の間に介在する関係をなし且つ少なくとも一部分がそれぞれと接触して配置される支持領域と、
    を有する電気絶縁体と、
    前記2つの電極および前記電気絶縁体を包むパッケージ構造物と、
    を備えたことを特徴とする電池。
  11. 前記電気絶縁体と前記2つの電極の一方の電極とは、正射影で当該電気絶縁体が当該一方の電極を覆う関係をなし、当該一方の電極に対応する活物質層は、正の活物質層または負の活物質層であることを特徴とする、請求項10に記載の電池。
  12. 前記分離領域と前記2つの電極の一方の活物質層とは、当該分離領域の正射影範囲が当該活物質層の正射影範囲以下の関係をなし、当該活物質層は、正の活物質層または負の活物質層であることを特徴とする、請求項10に記載の電池。
  13. 前記分離領域は、セラミックセパレータ、重合体セパレータ、およびセラミックでコーティングされた重合体セパレータのうちのいずれかであることを特徴とする、請求項10に記載の電池。
  14. 前記支持領域は、前記2つの面の一方の周囲を覆うとともに、前記外側面の一部分または全てを覆って配置されることを特徴とする、請求項10に記載の電池。
  15. 前記支持領域は、前記2つの面の双方の周囲を覆って配置されることを特徴とする、請求項10に記載の電池。
  16. 前記支持領域は、前記2つの面の双方の周囲を覆うとともに前記外側面の一部分または全てを覆って配置されることを特徴とする、請求項10に記載の電池。
  17. 前記パッケージ構造物は、前記2つの電極および前記電気絶縁体を収容する、独立した容器であることを特徴とする、請求項10に記載の電池。
  18. 前記2つの電極の集電体層の少なくとも一方は、その外面に保護層を有することを特徴とする、請求項10に記載の電池。
  19. 電池であって、
    各々が活物質層および集電体層を有する2つの電極と、
    前記2つの電極の活物質層とそれぞれ接触しつつ、当該活物質層どうしを絶縁して配置される電気絶縁体であって、
    2つの面および外側面を有し、前記2つの電極の活物質層に対し、正射影で当該活物質層の間に介在する関係をなし且つそれぞれと接触する分離領域と、
    前記2つの面の少なくとも一方の周囲を覆い、前記2つの電極の活物質層に対し、正射影で当該活物質の間に介在する関係をなし且つ少なくとも部分がそれぞれと接触して配置される支持領域と、
    を有する電気絶縁体と、
    前記集電体層と前記支持領域の少なくとも部分と密着して、前記活物質層および前記分離領域を密封する密封フレームと、
    を備えたことを特徴とする電池。
  20. 前記電気絶縁体と前記2つの電極の一方の電極とは、正射影で当該電気絶縁体が当該一方の電極を覆う関係をなし、当該一方の電極に対応する活物質層は、正の活物質層または負の活物質層であることを特徴とする、請求項19に記載の電池。
  21. 前記分離領域と前記2つの電極の一方の活物質層とは、当該分離領域の正射影範囲が当該活物質層の正射影範囲以下の関係をなし、当該活物質層は、正の活物質層または負の活物質層であることを特徴とする、請求項19に記載の電池。
  22. 前記支持領域は、前記2つの面の一方の周囲を覆うとともに、前記外側面の一部分または全てを覆って配置されることを特徴とする、請求項19に記載の電池。
  23. 前記支持領域は、前記2つの面の双方の周囲を覆って配置されることを特徴とする、請求項19に記載の電池。
  24. 前記支持領域は、前記2つの面の双方の周囲を覆うとともに前記外側面の一部分または全てを覆って配置されることを特徴とする、請求項19に記載の電池。
  25. 前記2つの電極の集電体層の少なくとも一方は、その外面に保護層を有することを特徴とする、請求項19に記載の電池。
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