JP2018077971A - 蓄電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、他物体が突き刺さった場合の発熱を抑制することができる蓄電素子を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る蓄電素子は、蓄電要素と、この蓄電要素を収容するケースとを備え、上記ケースは金属からなり、上記ケースの外面の少なくとも一部に凹凸パターンが形成されており、上記凹凸パターンの断面形状にて凹部が角部を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電素子に関する。

正極及び負極をセパレータを介して積層した蓄電要素（電極体）をケース内に収容した蓄電素子が、例えば自動車、携帯電話等の多様な機器の電源として利用されている。

蓄電素子は、外力によって損傷することに起因して発熱する場合もある。このため、蓄電素子のケースは、強度が大きい金属によって形成されることが多い。

しかしながら、蓄電素子に他物体が突き刺さった場合、金属製のケースが塑性変形してバリを生じ、このバリが正極板と負極板とを局所的に短絡することによって発熱する可能性がある。

近年、電気自動車、ハイブリット自動車、スマートフォン等の実用化により、エネルギー容量が大きくかつ容積が小さい蓄電素子つまりエネルギー密度が大きい蓄電素子へのニーズが増大している。このようにエネルギー密度が大きい蓄電素子において、正極板と負極板とが短絡すると、短時間に大きなエネルギーが放出されるおそれがある。

そこで、蓄電素子に外力が作用した場合に、電極体の正極板と負極板とが短絡する前に、電極体の外部で正極と負極とを短絡させて、電極体内での発熱を抑制する技術が提案されている（特開２００９−６４６３０号公報）。

この公報に記載の蓄電素子は、電極体の外側の電極板と異なる極に接続した導電部材をケースの外面に配置することにより、この導電部材が外力によって破断して鋭利な破断部を形成し、形成される破断部がケースを貫通し電極体外側の電極板に当接するように構成される。これによって、上記公報に記載の蓄電素子は、外力によって電極体の正極板と負極板とが短絡する前に蓄電素子のエネルギーを放出して、電極体内での発熱を抑制している。

特開２００９−６４６３０号公報

蓄電素子に鋭利な金属棒等の他物体が突き刺さる場合、上記公報に記載の蓄電素子の構成では、導電部材が破断するのと他物体が蓄電体に突き刺さるのとが略同時となるので、電極体の正極板と負極板とが短絡する前に蓄電素子のエネルギーを放出することができないだけでなく、導電部材が破断して形成される鋭利な破断部が電極体の正極板と負極板との短絡を助長し、発熱を助長するおそれがある。

上記不都合に鑑みて、本発明は、他物体が突き刺さった場合の発熱を抑制することができる蓄電素子を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、蓄電要素と、この蓄電要素を収容するケースとを備え、上記ケースは金属からなり、上記ケースの外面の少なくとも一部に凹凸パターンが形成されており、上記凹凸パターンの断面形状にて凹部が角部を有する蓄電素子である。

本発明の蓄電素子は、他物体が突き刺さった場合の発熱を抑制することができる。

本発明の一実施形態の蓄電素子を示す模式的正面図である。 図１の蓄電素子の模式的分解斜視図である。 図１の蓄電素子の模式的Ａ−Ａ線断面図である。 本発明の図１とは異なる実施形態の蓄電素子を示す模式的正面図である。 本発明の図１及び図４とは異なる実施形態の蓄電素子を示す模式的正面図である。 本発明の図１、図４及び図５とは異なる実施形態の蓄電素子を示す模式的正面図である。

本発明の一実施形態に係る蓄電素子は、蓄電要素と、この蓄電要素を収容するケースとを備え、上記ケースは金属からなり、上記ケースの外面の少なくとも一部に凹凸パターンが形成されており、上記凹凸パターンの断面形状にて凹部が角部を有する。

当該蓄電素子は、蓄電要素を収容する金属製のケースが、外面の少なくとも一部に断面形状にて凹部が角部を有する凹凸パターンを有することによって、外面に他物体が圧接された場合に、上記凹凸パターンの角部に応力が集中して大きな塑性変形をすることなく凹凸パターンに沿って破断する。このため、他物体がケースを貫通しても、ケースに大きなバリが形成されず、蓄電要素の極板間の短絡を増長しないので、他物体が突き刺さった場合の発熱を抑制することができる。なお、「角部」とは、断面において曲率半径が凹部の最大深さの１／１０以下となる部分を意味する（断面の外形線のうち、曲率半径が凹部の最大深さの１／１０以下である領域を「角部」と呼ぶ）。

上記断面形状における角部の平均角が９０°以上１３５°以下であるとよい。このように、上記断面形状における角部の平均角が上記範囲内であることによって、他物体が圧接されたときにより確実にケースを破断させることができ、バリによる発熱をより効果的に抑制することができる。

上記凹凸パターンが、ストライプ状又は網状であるとよい。このように、上記凹凸パターンが、ストライプ状又は網状であることによって、凹凸パターンの凹部をまんべんなく配置することができるので、比較的確実に発熱を抑制することができる。なお、「網状」とは、複数の線が規則的に配列されることによりこの線で囲まれる複数の領域（網の目）を形成する形状を意味する。

上記凹凸パターンの平均ピッチが０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であるとよい。このように、上記凹凸パターンの平均ピッチが上記範囲内であることによって、他物体が圧接される位置によらずケースを凹凸パターンに沿って破断させてバリの形成ひいては発熱を抑制できる。

上記凹凸パターンの凹部の平均厚さが上記凹凸パターンの凸部の平均厚さの０．１倍以上０．５倍以下であるとよい。このように、上記凹凸パターンの凹部の平均厚さが上記範囲内であることによって、他物体圧接時のケースの凹凸パターンに沿う破断を促進して発熱の防止をさらに確実にすることができる。

上記蓄電要素は、極板が平坦に積層された部分を有し、上記凹凸パターンが、上記極板の積層方向に対して略垂直に配置されている上記ケースの面に形成されているとよい。このように、上記蓄電要素は、極板が平坦に積層された部分を有し、上記ケースの面のうち上記極板の積層方向に対して略垂直な面に上記凹凸パターンが形成されていることによって、電極体の正極板と負極板とが短絡し易い方向に他物体が圧接されたときにケースの塑性変形を効果的に防止して蓄電要素内での発熱を抑制することができる。なお、「略垂直」とは、相対角度が８０°以上９０°以下、好ましくは８５°以上９５°以下であることを意味するものとする。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

［蓄電素子］
図１乃至図３に示す本発明の一実施形態に係る蓄電素子は、蓄電要素１と、この蓄電要素１を収容するケース２とを備える。ケース２には蓄電要素１と共に電解質が充填される。また、ケース２の開口は、蓋体３によって封止される。

＜蓄電要素＞
蓄電要素１は、図３に示すように、正極板４及び負極板５をセパレータ６を介して積層してなる。正極板４及び負極板５は、それぞれ集電部材７，８を介して蓋体３の外面に露出するよう配設される一対の電極端子９，１０に接続される。

蓄電要素１は、正極板４及び負極板５が平坦に積層された部分を有することが好ましい。具体例としては、蓄電要素１は、平板状の正極板４及び負極板５をセパレータ６を介して積層したもの、又は長尺帯状の正極板４及び負極板５をセパレータ６を介して扁平に巻回することで正極板４及び負極板５が平板状に伸びる部分を有するものとすることができる。正極板４、負極板５及びセパレータ６の積層体を扁平に巻回する方法としては、板状の芯材の周囲に巻き付ける方法等が挙げられる。

（正極板）
正極板４は、導電性を有する箔状乃至シート状の正極集電基材と、この正極集電基材の両面に積層される多孔性の正極合材層とを有するものとすることができる。

正極集電基材の材質としては、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル等の金属又はそれらの合金が用いられる。これらの中でも、導電性の高さとコストとのバランスからアルミニウム、アルミニウム合金、銅及び銅合金が好ましく、アルミニウム及びアルミニウム合金がより好ましい。また、正極集電基材の形状としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、正極集電基材としてはアルミニウム箔が好ましい。

また、正極集電基材の平均厚さとしては、例えば５μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。

正極合材層は、正極活物質を含むいわゆる合材から形成される多孔性の層である。また、正極合材層を形成する合材は、必要に応じて導電剤、結着剤（バインダ）、増粘剤等の任意成分を含んでもよい。

上記正極活物質としては、例えばＬｉ_ｘＭＯ_ｙ（Ｍは少なくとも一種の遷移金属を表す）で表される複合酸化物（Ｌｉ_ｘＣｏＯ_２、Ｌｉ_ｘＮｉＯ_２、Ｌｉ_ｘＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_ｘＭｎＯ_３、Ｌｉ_ｘＮｉ_αＣｏ_{（１−α）}Ｏ_２、Ｌｉ_ｘＮｉ_αＭｎ_βＣｏ_{（１−α−β）}Ｏ_２、Ｌｉ_ｘＮｉ_αＭｎ_{（２−α）}Ｏ_４等）、Ｌｉ_ｗＭｅ_ｘ（ＸＯ_ｙ）_ｚ（Ｍｅは少なくとも一種の遷移金属を表し、Ｘは例えばＰ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖ等を表す）で表されるポリアニオン化合物（ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４、ＬｉＮｉＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４、Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、Ｌｉ_２ＭｎＳｉＯ_４、Ｌｉ_２ＣｏＰＯ_４Ｆ等）が挙げられる。これらの化合物中の元素又はポリアニオンは他の元素又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。正極合材層においては、これら化合物の一種を単独で用いてもよく、二種以上を混合して用いてもよい。また、正極活物質の結晶構造は、層状構造又はスピネル構造であることが好ましい。

正極合材層における正極活物質の含有量の下限としては、５０質量％が好ましく、７０質量％がより好ましく、８０質量％がさらに好ましい。一方、正極活物質の含有量の上限としては、９９質量％が好ましく、９４質量％がより好ましい。正極活物質の含有量を上記範囲とすることで、当該蓄電素子のエネルギー密度を高めることができる。

上記導電剤としては、電池性能に悪影響を与えない導電性材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、天然又は人造の黒鉛、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、金属、導電性セラミックスなどが挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。

正極合材層における導電剤の含有量の下限としては、０．１質量％が好ましく、０．５質量％がより好ましい。一方、導電剤の含有量の上限としては、１０質量％が好ましく、５質量％がより好ましい。導電剤の含有量を上記範囲とすることで、当該蓄電素子のエネルギー密度を高めることができる。

上記結着剤としては、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の熱可塑性樹脂；エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素ゴム等のエラストマー；多糖類高分子などが挙げられる。

正極合材層における結着剤の含有量の下限としては、１質量％が好ましく、２質量％がより好ましい。一方、結着剤の含有量の上限としては、１０質量％が好ましく、５質量％がより好ましい。結着剤の含有量を上記範囲とすることで、正極活物質を安定して保持することができる。

上記増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。また、増粘剤がリチウムと反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させておくことが好ましい。

（負極板）
負極板５は、導電性を有する箔状乃至シート状の負極集電基材と、この負極集電基材の両面に積層される多孔性の負極合材層とを有するものとすることができる。

負極集電基材は、上述の正極集電基材と同様の形状とすることができるが、材質としては、銅又は銅合金が好ましい。つまり、負極板５の負極集電基材としては銅箔が好ましい。銅箔としては、例えば圧延銅箔、電解銅箔等が例示される。

負極合材層は、負極活物質を含むいわゆる合材から形成される多孔性の層である。この負極合材層を形成する合材は、必要に応じて導電剤、結着剤（バインダ）、増粘剤、フィラー等の任意成分を含んでもよい。

負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材質が好適に用いられる。具体的な負極活物質としては、例えばリチウム、リチウム合金等の金属；金属酸化物；ポリリン酸化合物；黒鉛、非晶質炭素（易黒鉛化炭素または難黒鉛化性炭素）等の炭素材料などが挙げられる。

（セパレータ）
セパレータ６は、多孔性を有するシート状乃至フィルム状の樹脂から形成され、電解液が浸潤する。このセパレータ６は、正極板４と負極板５とを隔離すると共に、正極板４と負極板５との間に電解液を保持する。

このセパレータ６の主成分としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−メチルアクリレート共重合体、エチレン−エチルアクリレート共重合体、塩素化ポリエチレン等のポリオレフィン誘導体、エチレン−プロピレン共重合体等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレートや共重合ポリエステル等のポリエステルなどを採用することができる。中でも、セパレータ６の主成分としては、耐電解液性、耐久性及び溶着性に優れるポリエチレン及びポリプロピレンが好適に用いられる。

（電解液）
ケース２に封入される電解液としては、蓄電素子に通常用いられる公知の電解液が使用でき、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）等の環状カーボネート、又はジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等の鎖状カーボネートを含有する溶媒に、リチウムヘキサフルオロホスフェート（ＬｉＰＦ_６）等を溶解した溶液を用いることができる。

＜ケース＞
ケース２は、金属からなる。このケース２は、外面の少なくとも一部に凹凸パターン１１が形成されている。

当該蓄電素子は、他物体が突き刺さる際にケース２が凹凸パターン１１に沿って破断することによって、ケース２が塑性変形してバリを形成することを抑制し、バリが正極板４と負極板５とを短絡することに起因する発熱を抑制することができる。

ケース２の形状としては、例えば有底四角筒状とすることができる。特に正極板４及び負極板５が平坦に積層された部分を有する場合、ケース２は、極板４，５の積層方向に対して略垂直に延びるよう配置され、蓄電要素１を積層方向両側から挟持する一対の面を有することが好ましい。この場合、上記凹凸パターン１１は、この極板４，５の積層方向に対して略垂直に延びる面に形成されることが好ましい。

ケース２の材質としては、例えば鉄、ステンレス鋼、アルミニウム等を用いることができる。

ケース２の凹凸パターン１１を除く部分の平均厚さの下限としては、材質にもよるが、０．２ｍｍが好ましく、０．３ｍｍがより好ましい。一方、ケース２の凹凸パターン１１を除く部分の平均厚さの上限としては、１．５ｍｍが好ましく、１．０ｍｍがより好ましい。ケース２の凹凸パターン１１を除く部分の平均厚さを上記下限以上とすることによって、ケース２に十分な強度を付与することができる。逆に、ケース２の凹凸パターン１１を除く部分の平均厚さを上記上限以下とすることによって、当該蓄電素子が不必要に大型化することを防止できる。

（凹凸パターン）
凹凸パターン１１は、断面形状にて凹部が角部１２を有する。このように角部１２を有する凹部の断面形状としては、特に限定されないが、例えば図示するような方形状、台形状、三角形状等とすることができる。また、凹部の角部１２以外の壁面は、平面であってもよく、曲面であってもよい。

この角部１２の平均角（断面において曲率半径が最大深さの１／２０となる２点の壁面の相対角度の複数断面の平均値）の下限としては、９０°が好ましく、９２°がより好ましい。一方、角部１２の平均角の上限としては、１３５°が好ましく、１２０°がより好ましい。角部１２の平均角を上記下限以上とすることによって、凹部を形成する工具や金型を抜き差しが容易となり、凹凸パターン１１の形成が比較的容易となる。逆に、角部１２の平均角を上記上限以下とすることによって、角部１２に十分に応力を集中させられるので、ケース２の破断時に形成されるバリを小さくして発熱をより確実に抑制することができる。

凹凸パターン１１の凹部の平均厚さ（断面における凹部の最深部でのケース２の厚さの複数断面の平均）の下限としては、凹凸パターン１１の凸部の平均厚さ（断面における凸部の頂部でのケース２の厚さの複数断面の平均）の０．１倍が好ましく、０．２倍がより好ましい。一方、凹凸パターン１１の凹部の平均厚さの上限としては、凹凸パターン１１の凸部の平均厚さの０．５倍が好ましく、０．４倍がより好ましい。凹凸パターン１１の凹部の平均厚さを上記下限以上とすることによって、ケース２の強度を担保することができる。逆に、凹凸パターン１１の凹部の平均厚さを上記上限以下とすることによって、ケース２が破断時にバリを形成することを効果的に抑制できる。なお、凹凸パターン１１の凸部の平均厚さは、ケース２の凹凸パターン１１がない部分の平均厚さと略等しいこと、具体的にはケース２の凹凸パターン１１がない部分の平均厚さの９５％以上１０５％以下であることが好ましい。

凹凸パターン１１の凹部又は凸部の平面形状としては、ランダムな模様を描いてもよいが、直線が略平行に配列されるストライプ状、又は複数の線が規則的に配列されて線で囲まれる複数の領域を形成する網状とすることが好ましい。なお、「略平行」とは、相対角度が５°以下、好ましくは３°以下であることを意味するものとする。

網状の凹凸パターン１１の具体例としては、図２に示すように、凸部を格子状に配置したものとすることができる。また、網状の凹凸パターン１１の他の具体例としては、図４に示すハニカム状、図５に示す複数の波線を位相を１８０°ずつずらして配置した形状、図６に示すように２組のストライプを傾斜して交差させて複数の菱形の編み目を形成した形状等が挙げられる。これら網状の凹凸パターン１１は、線状の部分を凹部とし、網の目の部分を凸部としてもよい。また、凹凸パターン１１は、複数の凹部又は凸部を散点状に配置したものであってもよい。

凹凸パターン１１の平均ピッチ（凹部又は凸部の平均中心間隔）の下限としては、０．２ｍｍが好ましく、０．５ｍｍがより好ましい。一方、凹凸パターン１１の平均ピッチの上限としては、５．０ｍｍが好ましく、３．０ｍｍがより好ましい。凹凸パターン１１の平均ピッチを上記下限以上とすることによって、凸部の強度を確保して角部に十分に応力を集中させることでバリの発生による発熱を効果的に抑制できる。凹凸パターン１１の平均ピッチを上記上限以下とすることによって、他物体が突き刺さる位置に拘わらずバリの発生による蓄電要素１内での発熱をより確実に抑制できる。

極板４，５の積層方向視における凹凸パターン１１の配設領域の面積の下限としては、ケース２の投影面積の８０％が好ましく、８５％がより好ましい。一方、極板４，５の積層方向視における凹凸パターン１１の配設領域の面積の上限としては、ケース２の投影面積の９８％が好ましく、９５％がより好ましい。凹凸パターン１１の配設領域の面積を上記下限以上とすることによって、他物体が突き刺さる位置に限らずバリの発生による発熱を抑制できる。逆に、凹凸パターン１１の配設領域の面積を上記上限以下とすることによって、ケース２の角部や蓋体３とのジョイント部に凹凸パターン１１が形成されることによる強度不足を防止できる。

凹凸パターン１１の形成方法としては、例えばエンドミル等による除去加工、金型を用いるプレス加工などが挙げられる。

＜蓋体＞
蓋体３は、ケース２の開口を封止する。この蓋体の材質としては、十分な強度を有するものであればよく、例えば樹脂、金属等が挙げられる。

＜利点＞
当該蓄電素子は、ケース２の外面に凹凸パターン１１が形成されているので、他物体が突き刺さる際に凹凸パターン１１の角部１２に応力が集中し、この角部１２から破断することによって、ケース２が塑性変形してバリを形成することを抑制できる。これにより、当該蓄電素子は、他物体が突き刺さったとき、バリが生じて正極板４と負極板５とを短絡することに起因する発熱を抑制することができる。

［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

本発明に係る蓄電素子は、多様な機器の電源として広く利用することができ、特にエネルギー密度が大きい蓄電素子に好適に利用される。

１ 蓄電要素
２ ケース
３ 蓋体
４ 正極板
５ 負極板
６ セパレータ
７，８ 集電部材
９，１０ 電極端子
１１ 凹凸パターン
１２ 角部

Claims (6)

1. 蓄電要素と、この蓄電要素を収容するケースと、を備え、
   上記ケースは金属からなり、上記ケースの外面の少なくとも一部に凹凸パターンが形成されており、
   上記凹凸パターンの断面形状にて凹部が角部を有する蓄電素子。
2. 上記断面形状における角部の平均角が９０°以上１３５°以下である請求項１に記載の蓄電素子。
3. 上記凹凸パターンが、ストライプ状又は網状である請求項１又は請求項２に記載の蓄電素子。
4. 上記凹凸パターンの平均ピッチが０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である請求項３に記載の蓄電素子。
5. 上記凹凸パターンの凹部の平均厚さが上記凹凸パターンの凸部の平均厚さの０．１倍以上０．５倍以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蓄電素子。
6. 上記蓄電要素は、極板が平坦に積層された部分を有し、
   上記凹凸パターンが、上記極板の積層方向に対して略垂直に配置されている上記ケースの面に形成されている、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の蓄電素子。

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