JP2018077977A - 組電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】導電性の異物が直列に接続された複数の単電池を貫通した場合に、短絡電流による急激な温度上昇を抑制することができる組電池を提供すること。【解決手段】本発明により、複数の単電池１０Ａと、複数の単電池１０Ａの間を直列に接続する複数のバスバーとを備える組電池が提供される。複数の単電池１０Ａは、一対の平坦な側面が対向するように配列されている。単電池１０Ａは、それぞれ、電池ケース６０と、正極シート２０と、負極シート３０と、正極端子１２Ａと、負極端子１４Ａと、正極シート２０と正極端子１２Ａとの間の導電経路に配置されている電気抵抗体４２と、負極シート３０と負極端子１４Ａとの間の導電経路に配置されている圧力作動型の電流遮断機構４４とを備える。【選択図】図２
Description
本発明は、組電池に関する。詳しくは、複数の二次電池を備えた組電池に関する。
複数の二次電池（単電池）を電気的に接続した組電池は、車両搭載用の高出力電源等として汎用されている。例えば特許文献１には、複数の単電池を所定の配列方向に沿って配置し、これら複数の単電池の間をバスバーで直列に接続した組電池（蓄電モジュール）が開示されている。特許文献１に記載される組電池では、外力が作用した際に、単電池の間に外部短絡経路が形成される。これにより、外部短絡経路に電流が流れ、各単電池のＳＯＣが低下するようになっている。
しかしながら、本発明者らの検討によれば、上記技術では単電池のＳＯＣを低下させるまでにある程度の時間、例えば数秒程度を要する。そのため、単電池のＳＯＣを低下させている間にジュール熱（抵抗熱）が生じ、単電池の温度が急激に上昇することがあった。これについて、図４を参照しつつ詳しく説明する。
例えば、複数の単電池１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃが配列方向ｘに沿って配列され、バスバー１７０で直列に接続されている組電池１００に対して、釘のような鋭利な導電性の異物Ｆが、配列方向ｘの上流側Ｕから刺さったとする。そして、導電性の異物Ｆが、複数の単電池１１０Ａ、１１０Ｂを貫通したとする。このとき、釘の刺さる方向、すなわち配列方向ｘの最も上流側Ｕ（図４の左側）に配置された単電池１１０Ａでは、単独の単電池に導電性の異物が刺さった場合と同程度の温度上昇が生じる。しかしながら、本発明者らの検討により、配列方向ｘの上流側Ｕから２番目以降に配置された単電池１１０Ｂでは、最も上流側Ｕに配置された単電池１１０Ａよりも急激な温度上昇が生じることが新たに判明した。
つまり、導電性の異物Ｆが単電池１１０Ａ、１１０Ｂを貫通すると、単電池１１０Ａの内部では、導電性の異物Ｆを介して正極シート１２０Ａと負極シート１３０Ａとが短絡する。同様に、単電池１１０Ｂの内部でも、導電性の異物Ｆを介して正極シート１２０Ｂと負極シート１３０Ｂとが短絡する。これにより、単電池１１０Ａ、１１０Ｂでは、それぞれ、短絡電流Ｅ１が流れる。短絡電流Ｅ１のジュール熱によって単電池１１０Ａ、１１０Ｂの温度が上昇する。
また、単電池１１０Ｂの正極シート１２０Ｂと、バスバー１７０と、単電池１１０Ａの負極シート１３０Ａと、導電性の異物Ｆとによって、外部導電経路が形成される。これにより、単電池１１０Ｂの正極シート１２０Ｂと単電池１１０Ａの負極シート１３０Ａとの間が外部短絡する。そして、７００Ａ程度の大きな短絡電流Ｅ２が流れる。つまり、単電池１１０Ｂの負極シート１３０Ｂには、単電池１１０Ｂの内部で生じる短絡電流Ｅ１と、外部短絡によって生じる短絡電流Ｅ２との２つの短絡電流が流れ込む。その結果、単電池１１０Ｂでは、単電池１１０Ａよりも急激な温度上昇が生じる。このように、導電性の異物が２個以上の単電池を貫通すると、導電性の異物が刺さった方向の上流側から２番目以降に配置された全ての単電池において、外部短絡の短絡電流に起因した急激な温度上昇が生じ得る。
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本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、導電性の異物が直列に接続された複数の単電池を貫通した場合に、短絡電流による急激な温度上昇を抑制することができる組電池を提供することである。
本発明により、複数の単電池と、上記複数の単電池の間を直列に接続する複数のバスバーと、を備える組電池が提供される。上記複数の単電池は、それぞれ一対の平坦な側面を有し、上記平坦な側面が対向するように配列されている。上記単電池は、それぞれ、上記一対の平坦な側面を有する電池ケースと、上記電池ケースの内部に配置されている正極シートと、上記電池ケースの内部に配置されている負極シートと、上記電池ケースの内部に配置されている非水電解質と、上記電池ケースの内部で上記正極シートと電気的に接続され、一部が上記電池ケースの外部に突出している正極端子と、上記電池ケースの内部で上記負極シートと電気的に接続され、一部が上記電池ケースの外部に突出している負極端子と、上記正極シートと上記正極端子との間の導電経路に配置されている電気抵抗体と、上記負極シートと上記負極端子との間の導電経路に配置されている圧力作動型の電流遮断機構と、を備える。
釘のような鋭利な導電性の異物が複数の単電池を貫通した場合には、単電池内の温度が一気に上昇する。このとき、上記構成の組電池では、電気抵抗体によって直ぐさま正極シートと正極端子との間の抵抗が増大される。また、電流遮断機構が迅速に作動して、負極シートと負極端子との間の電流が遮断される。このことにより、バスバーを介して単電池の間に大電流が流れることを抑制することができる。したがって、配列方向の２番目以降に配置された単電池においても、急激な温度上昇が生じることを抑制することができる。
上記抵抗体は、例えば、正の温度抵抗係数を有するＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子である。
ここに開示される組電池の好適な一態様では、上記正極端子と上記正極シートとの間の上記導電経路に、電流遮断機構を備えていない。
これにより、簡素な構成で本願発明の効果を奏することができる。したがって、組電池の生産効率を向上するとともに、製造コストを低減することができる。
これにより、簡素な構成で本願発明の効果を奏することができる。したがって、組電池の生産効率を向上するとともに、製造コストを低減することができる。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の一実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない構成要素や電池の一般的な電池構築プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。なお、図面中の符号ｘは、単電池の配列方向を示している。図面中の符号ＵおよびＤは、それぞれ上流側および下流側を表している。
図１は、一実施形態に係る組電池１を模式的に示す平面図である。組電池１は、複数の単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅと、複数の単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの間を電気的に接続する複数のバスバー７０と、を備えている。複数の単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅは、同一形状を有している。各単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅは、扁平な角型を有している。各単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅは、一対の平坦な側面（幅広面）を有している。単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅは、平坦な側面が対向するように、配列方向ｘに沿って平行に並んでいる。なお、単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの間には、例えば、単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅで発生する熱を効率よく放散させるための放熱部材や、長さ調整手段としてのスペーサ等が配置されていてもよい。
各単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの外面には、正極端子１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅと、負極端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅと、が配置されている。組電池１では、複数のバスバー７０によって複数の単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅが直列に接続されている。言い換えれば、隣り合う単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの正極端子１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅと、負極端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅとが、バスバー７０によって交互に接続されている。配列方向ｘの上流側Ｕの端部（図１の左側端部）に配置された単電池１０Ａの正極端子１２Ａは、外部と接続可能に開放された正極出力端子である。また、配列方向ｘの下流側Ｄの端部（図１の右側端部）に配置された単電池１０Ｅの負極端子１４Ｅは、外部と接続可能に開放された負極出力端子である。なお、組電池１を構成する単電池はここでは５個であるが、これには限定されない。組電池を構成する単電池の数は、典型的には１０個以上の奇数個、例えば１０〜１００個程度であってもよい。
図２は、組電池１を構成する単電池１０Ａの内部構造を模式的に示す断面図である。なお、ここでは単電池１０Ａを例に説明するが、組電池１を構成する単電池１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅも単電池１０Ａと同様の構成である。単電池１０Ａは、電極体５０と、図示しない非水電解質とが、電池ケース６０の内部に収容され、構成されている。
電池ケース６０は、電池ケース本体６２と、その開口を塞ぐ蓋板６４とを備えている。電池ケース６０の材質は特に限定されないが、例えば、アルミニウム等の軽量な金属製である。電池ケース本体６２は、上端が開口された有底の直方体形状（角形）を有する。蓋板６４の上部には、正極端子１２Ａと負極端子１４Ａとが突出している。
単電池１０Ａの負極端子１４Ａを例にして説明すると、図３（ａ）に示すように、蓋板６４には貫通孔６４Ａが形成されている。貫通孔６４Ａには、負極端子１４Ａが挿入されている。負極端子１４Ａは、上端と下端を折り曲げることにより、蓋板６４に固定されている。蓋板６４と負極端子１４Ａとの間には、円環状の絶縁部材６６が配置されている。絶縁部材６６は、例えば合成樹脂製である。これにより、蓋板６４と負極端子１４Ａとが絶縁されている。
図２に示すように、電極体５０は、正極シート２０と、負極シート３０と、セパレータシート４０とを有している。電極体５０は、正極シート２０と負極シート３０とがセパレータシート４０を介在させた状態で積層され、構成されている。電極体５０は、矩形状の正極シートと負極シートとがセパレータシートを介して積層されてなる積層電極体であってもよく、帯状の正極シートと負極シートとがセパレータシートを介して積層され、長手方向に捲回されてなる捲回電極体であってもよい。
正極シート２０は、正極集電体と、その表面に固着された正極活物質層とを備えている。正極集電体としては、導電性の良好な金属（例えばアルミニウム、ニッケル等）からなる導電性部材が好適である。正極活物質層は、正極集電体の表面に、幅方向Ｗに沿って所定の幅で形成されている。正極集電体の幅方向Ｗの一方の端部（図２の左側端部）には、正極活物質層の形成されていない正極活物質層非形成部分２２ｎが設けられている。正極シート２０は、正極活物質層非形成部分２２ｎに設けられた正極集電板２２ｃを介して、正極端子１２Ａと電気的に接続されている。
正極活物質層は、正極活物質を含んでいる。正極活物質としては、例えば、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４等のリチウム遷移金属複合酸化物が好適である。正極活物質層は、正極活物質以外の成分、例えば、導電材やバインダ等を含んでいてもよい。導電材としては、例えば、カーボンブラック（例えば、アセチレンブラックやケッチェンブラック）、活性炭、黒鉛等の炭素材料が例示される。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のハロゲン化ビニル樹脂や、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）等のポリアルキレンオキサイドが例示される。
負極シート３０は、負極集電体と、その表面に固着された負極活物質層とを備えている。負極集電体としては、導電性の良好な金属（例えば、銅、ニッケル等）からなる導電性材料が好適である。負極活物質層は、負極集電体の表面に、幅方向Ｗに沿って所定の幅で形成されている。負極集電体の幅方向Ｗの一方の端部（図２の右側端部）には、負極活物質層の形成されていない負極活物質層非形成部分３２ｎが設けられている。負極シート３０は、負極活物質層非形成部分３２ｎに設けられた負極集電板３２ｃを介して、負極端子１４Ａと電気的に接続されている。
負極活物質層は、負極活物質を含んでいる。負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質コート黒鉛（黒鉛粒子の表面に非晶質カーボンをコートした形態のもの）等の黒鉛系炭素材料が好適である。負極活物質層は、負極活物質以外の成分、例えば、増粘剤やバインダ等を含んでいてもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）やメチルセルロース（ＭＣ）等のセルロース類が例示される。バインダとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等のゴム類や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のハロゲン化ビニル樹脂が例示される。
セパレータシート４０は、正極シート２０と負極シート３０との間に配置されている。セパレータシート４０は、正極活物質層と負極活物質層とを絶縁する。セパレータシート４０は、非水電解液に含まれる電荷担体が通過可能なように、多孔質に構成されている。セパレータシート４０としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂シートが好適である。セパレータシート４０は、樹脂シートの表面に、アルミナ等の無機化合物粒子（無機フィラー）を含む耐熱層（Heat Resistant Layer：ＨＲＬ層）を備えていてもよい。
非水電解質は、典型的には非水溶媒と支持塩とを含んでいる。非水溶媒としては、例えば、カーボネート類やエステル類等が例示される。支持塩は、非水溶媒中で解離して電荷担体を生成する。支持塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩等が例示される。非水電解質中には、例えば、ビフェニル（ＢＰ）やシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）等のガス発生剤、ホウ素原子および／またはリン原子を含むオキサラト錯体化合物、ビニレンカーボネート（ＶＣ）等の皮膜形成剤、分散剤、増粘剤等の各種添加剤等を含んでいてもよい。非水電解質は、ポリマー状（ゲル状）であってもよい。
正極端子１２Ａと正極シート２０との間、詳しくは、正極端子１２Ａと正極集電板２２ｃとの間には、ＰＴＣ素子４２が配置されている。ＰＴＣ素子４２は、例えば、チタン酸バリウムと微量の希土類元素とを含んで構成されている。ＰＴＣ素子４２は、電気抵抗体の一例である。ＰＴＣ素子４２は、ＰＴＣ素子４２自身の温度がキュリー点よりも低い場合には、抵抗値が小さい。ＰＴＣ素子４２は、ＰＴＣ素子４２自身の温度がキュリー点以上となると、抵抗値が急激に増大する。これによって、正極端子１２Ａと正極シート２０との間の抵抗値が瞬時に増大し、典型的には、正極端子１２Ａと正極シート２０との間の電流の流れがほぼ遮断される。
ＰＴＣ素子４２のキュリー点は、例えば、ＰＴＣ素子４２の構成材料を調整することによって任意に設定することができる。一例では、ＰＴＣ素子４２のキュリー点が、単電池１０Ａの通常使用時には到達しないと考えられる温度、具体的には８０〜１００℃、例えば９０〜１００℃である。また、ＰＴＣ素子４２の温度がキュリー点よりも低い場合の抵抗値は特に限定されないが、典型的には１〜５００ｍΩ、例えば１〜３００ｍΩであり得る。ＰＴＣ素子４２の温度がキュリー点以上の場合の抵抗値は特に限定されないが、典型的には１０００Ω以上、例えば３０００〜１００００Ωであり得る。
本実施形態において、ＰＴＣ素子４２は１つである。ＰＴＣ素子４２は、正極端子１２Ａと正極シート２０との間に直列に接続されている。ただし、ＰＴＣ素子４２は、２つ以上の複数であってもよい。その場合、複数のＰＴＣ素子４２は並列に接続されていてもよい。
負極端子１４Ａと負極シート３０との間、詳しくは、負極端子１４Ａと負極集電板３２ｃとの間には、圧力作動型の電流遮断機構（ＣＩＤ：Current Interrupt Device）４４が配置されている。電流遮断機構４４は、負極端子１４Ａと負極シート３０との間に直列に接続されている。圧力作動型の電流遮断機構４４は、電池ケース６０の内圧が所定の作動圧を超えると、負極端子１４Ａと負極シート３０との間の導電経路を強制的に遮断するように構成されている。電流遮断機構４４の作動圧は特に限定されないが、典型的には０．５〜１ＭＰａ、例えば０．７〜０．９ＭＰａであり得る。
図３（ａ）に示すように、電流遮断機構４４は、第一部材４６と第二部材４８とを有している。第一部材４６は、電極体５０の正極シート２０の上方（蓋板６４の方向）に配置されている。第一部材４６は、蓋板６４と平行に配置されている。第一部材４６は、例えば、銅のような良電導性の材料で構成されている。第一部材４６は、矩形なプレート形状を有する。第一部材４６は、薄肉部４６ａと、その周囲の相対的に厚く形成された厚肉部４６ｂとを備えている。薄肉部４６ａは、円形状に形成されている。薄肉部４６ａの中央部分には、円形状の開口部４６ｃが形成されている。薄肉部４６ａには、図示しない破断用の溝部（ノッチ）が形成されている。溝部は、開口部４６ｃよりも一回り大きな直径で、開口部４６ｃの外縁に沿って形成されている。
第二部材４８は、第一部材４６と、蓋板６４に設けられた負極端子１４Ａとの間に配置され、これら部材間の導電経路を構成している。第二部材４８は、例えば銅のような良電導性の材料で構成されている。第二部材４８は、矩形なプレート形状を有する。第二部材４８は、反転板である。第二部材４８は、フランジ部４８ａと、テーパ形状の凸状部４８ｂとを備えている。フランジ部４８ａと凸状部４８ｂとは一体的に形成されている。フランジ部４８ａの少なくとも一部は、負極端子１４Ａの下端と接合されている。凸状部４８ｂは、第一部材４６の開口部４６ｃを塞ぐように配置されている。凸状部４８ｂは、薄肉部４６ａの溝部よりも開口部４６ｃに近い側と接合されている。
組電池１の通常使用時には、図３（ａ）に示すように、単電池１０Ａの内部において、電極体５０の負極シート３０と負極端子１４Ａとの間に導電経路が形成されている。つまり、第一部材４６と第二部材４８とを介して、負極シート３０の負極集電板３２ｃから負極端子１４Ａへと電流が流れるようになっている。
一方、組電池１に導電性の異物Ｆが刺さり、単電池１０Ａの内部で正極シート２０と負極シート３０とが短絡すると、短絡電流が流れる。この内部短絡時の短絡電流によって、単電池１０Ａの温度が高まり、単電池１０Ａ内の気体が膨張する。また、非水電解質の構成成分（例えば非水溶媒）が電気的に分解されて、電池ケース６０内でガスが発生する。これによって、単電池１０Ａの内部の圧力が上昇する。この圧力が、第二部材４８の凸状部４８ｂの下面に作用して、凸状部４８ｂを上方へ押し上げる。そして、電池ケース６０の内圧が電流遮断機構４４の作動圧を超えると、図３（ｂ）に示すように、第二部材４８の凸状部４８ｂが第一部材４６から剥離し、フランジ部４８ａを支点として蓋板６４の方向に反転する。かかる凸状部４８ｂの変形によって、第一部材４６と第二部材４８との接合が切断される。その結果、負極端子１４Ａと負極集電板３２ｃとの間の導電経路が切断され、電流が遮断される。
以上のように、本実施形態に係る組電池１では、導電性の異物が複数の単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅを貫通した場合に、単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ内の温度が高くなると、ＰＴＣ素子４２によって正極端子１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅと正極シート２０との間の抵抗が急激に増大される。また、圧力作動型の電流遮断機構４４が作動して、負極端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅと負極シート３０との間の電流が遮断される。かかる構成により、組電池１では、バスバー７０と導電性の異物とを介した外部短絡経路が形成され難くなる。典型的には、導電性の異物が貫通した各単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅにおいて、それぞれ、内部短絡が生じるのみである。そのため、導電性の異物が刺さった方向の上流側から２番目以降に配置された単電池について、外部短絡に由来する急激な温度上昇の発生を防止することができる。このことにより、各単電池の温度上昇を、例えば単独の二次電池に導電性の異物が刺さった場合の温度上昇と同程度にまで、低く抑えることができる。
組電池１は各種用途に利用可能であるが、各単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅが上述のような構成を有することで、従来品に比べて導電性の異物に対する耐久性（例えば釘刺し耐性）が向上していることを特徴とする。したがって、かかる特徴を活かして、大容量の二次電池、例えば、電池容量が２０Ａｈ以上の、典型的には２５Ａｈ以上の、例えば３０Ａｈ以上の二次電池に好ましく適用することができる。また、組電池１は、例えば、ハイブリッド車両や電気車両等の移動体の動力源（駆動電源）として好適に利用することができる。
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。
１．組電池の作製
厚み１２μｍのアルミニウム箔の表面に、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２を含んだ正極活物質層が固着されている正極シートを用意した。また、厚み１０μｍの銅箔の表面に、黒鉛を含んだ負極活物質層が固着されている負極シートを用意した。次に、上記用意した正極シートと負極シートとを、セパレータ（ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの三層構造の樹脂シート）を介して積層し、積層電極体を作製した。次に上記作製した積層電極体を、非水電解液と共に角型の電池ケースに収容した。
厚み１２μｍのアルミニウム箔の表面に、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２を含んだ正極活物質層が固着されている正極シートを用意した。また、厚み１０μｍの銅箔の表面に、黒鉛を含んだ負極活物質層が固着されている負極シートを用意した。次に、上記用意した正極シートと負極シートとを、セパレータ（ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの三層構造の樹脂シート）を介して積層し、積層電極体を作製した。次に上記作製した積層電極体を、非水電解液と共に角型の電池ケースに収容した。
次に、正極シートと正極端子との間に、ＰＴＣ素子（キュリー点：１３０℃、キュリー点以上の温度における抵抗値：３０００Ω）を配置した。また、負極シートと負極端子との間に、ＣＩＤ（作動圧：０．８ＭＰａ）を配置した。このようにして、理論容量が３５Ａｈの単電池を５つ作製した。５つの単電池のうち偶数番目の単電池を１８０°回転させて、５つの単電池の幅広面がそれぞれ対向するように、所定の配列方向ｘに沿って一列に並べた。そして、複数の単電池の正極端子と負極端子とをバスバーで直列に接続することにより、図１に示すような実施例１の組電池を作製した。
比較例１では、正極シートと正極端子との間にＰＴＣ素子にかえてＣＩＤを配置し、負極シートと負極端子との間に安全機構を設けなかったこと以外は、上記実施例１と同様に組電池を作製した。
比較例２では、正極シートと正極端子との間にＰＴＣ素子を配置しなかったこと以外は、上記実施例１と同様に組電池を作製した。
比較例３では、正極シートと正極端子との間にＰＴＣ素子にかえてＣＩＤを配置し、負極シートと負極端子との間にＣＩＤにかえてＰＴＣ素子を配置したこと以外は、上記実施例１と同様に組電池を作製した。
比較例４では、正極シートと正極端子との間にＰＴＣ素子にかえてＣＩＤを配置したこと以外は、上記実施例１と同様に組電池を作製した。
比較例５では、正極シートと正極端子との間、および、負極シートと負極端子との間には安全機構を設けず、バスバーの中途部にヒューズを配置したこと以外は、上記実施例１と同様に組電池を作製した。
比較例２では、正極シートと正極端子との間にＰＴＣ素子を配置しなかったこと以外は、上記実施例１と同様に組電池を作製した。
比較例３では、正極シートと正極端子との間にＰＴＣ素子にかえてＣＩＤを配置し、負極シートと負極端子との間にＣＩＤにかえてＰＴＣ素子を配置したこと以外は、上記実施例１と同様に組電池を作製した。
比較例４では、正極シートと正極端子との間にＰＴＣ素子にかえてＣＩＤを配置したこと以外は、上記実施例１と同様に組電池を作製した。
比較例５では、正極シートと正極端子との間、および、負極シートと負極端子との間には安全機構を設けず、バスバーの中途部にヒューズを配置したこと以外は、上記実施例１と同様に組電池を作製した。
２．釘刺し試験
２５℃の温度環境下において、上記組電池（実施例１、比較例１〜５）を充電して、ＳＯＣ１００％（満充電）の充電状態に調整した。次に、各単電池の電池ケースの幅広面の中心からやや下方の位置に、熱電対を貼り付けた。次に、２５℃の温度環境下において、熱電対を張り付けた幅広面の中心付近に、配列方向ｘに沿って、タングステン製の釘（直径６ｍｍ、先端鋭度６０°）を突き刺した。釘は、２５ｍｍ／ｓｅｃの釘刺し速度で単電池に直角に突き刺し、組電池を構成する５つの単電池全てを貫通させた。この試験を、配列方向ｘの上流側Ｕから下流側Ｄに向かう第１方向に釘をさす場合と、その逆に、下流側Ｄから上流側Ｕに向かう第２方向に釘をさす場合とで実施した。そして、釘を刺す方向の２〜５番目に配置された単電池について、釘刺しから０．１秒後の電圧降下量（Ｖ）を測定した。また、釘刺し試験の間、各単電池の温度変化を記録した。各方向について、釘刺し試験時の電圧降下量と最高温度とを表１に示す。
２５℃の温度環境下において、上記組電池（実施例１、比較例１〜５）を充電して、ＳＯＣ１００％（満充電）の充電状態に調整した。次に、各単電池の電池ケースの幅広面の中心からやや下方の位置に、熱電対を貼り付けた。次に、２５℃の温度環境下において、熱電対を張り付けた幅広面の中心付近に、配列方向ｘに沿って、タングステン製の釘（直径６ｍｍ、先端鋭度６０°）を突き刺した。釘は、２５ｍｍ／ｓｅｃの釘刺し速度で単電池に直角に突き刺し、組電池を構成する５つの単電池全てを貫通させた。この試験を、配列方向ｘの上流側Ｕから下流側Ｄに向かう第１方向に釘をさす場合と、その逆に、下流側Ｄから上流側Ｕに向かう第２方向に釘をさす場合とで実施した。そして、釘を刺す方向の２〜５番目に配置された単電池について、釘刺しから０．１秒後の電圧降下量（Ｖ）を測定した。また、釘刺し試験の間、各単電池の温度変化を記録した。各方向について、釘刺し試験時の電圧降下量と最高温度とを表１に示す。
表１に示すように、比較例５では、第１方向および第２方向のいずれの方向から釘を刺した場合にも、２番目以降の単電池の電圧降下量が大きかった。また、最高温度も６００℃程度に達していた。
比較例１，３では、第２方向に釘を刺した場合には、電圧降下が無く、最高温度も４６０℃以下に抑えられていた。しかし、第１方向に釘を刺した場合には、電圧降下量が大きく、最高温度も６２０〜６３０℃に達していた。
比較例２では、比較例１，３とは逆に、第１方向に釘を刺した場合には、電圧降下が無く、最高温度も４５０℃に抑えられていた。しかし、第２方向に釘を刺した場合には、電圧降下量が大きく、最高温度も６４０℃に達していた。
これらの結果から、比較例１〜３、５では、ＣＩＤあるいはヒューズが作動するまでにバスバーを介した外部短絡が生じ、このときに流れる短絡電流に起因して単セルの温度が上昇したと考えられる。
比較例１，３では、第２方向に釘を刺した場合には、電圧降下が無く、最高温度も４６０℃以下に抑えられていた。しかし、第１方向に釘を刺した場合には、電圧降下量が大きく、最高温度も６２０〜６３０℃に達していた。
比較例２では、比較例１，３とは逆に、第１方向に釘を刺した場合には、電圧降下が無く、最高温度も４５０℃に抑えられていた。しかし、第２方向に釘を刺した場合には、電圧降下量が大きく、最高温度も６４０℃に達していた。
これらの結果から、比較例１〜３、５では、ＣＩＤあるいはヒューズが作動するまでにバスバーを介した外部短絡が生じ、このときに流れる短絡電流に起因して単セルの温度が上昇したと考えられる。
実施例１および比較例４では、第１方向および第２方向のいずれの方向から釘を刺した場合にも、２番目以降の単電池の電圧降下が認められず、かつ、最高温度も低く抑えられていた。なかでも、正極側にＰＴＣ素子、負極側にＣＩＤを備える実施例１では、正極側および負極側にいずれもＣＩＤを備える比較例４よりも最高温度が低く抑えられ、釘刺し耐性が一層向上していた。つまり、実施例１の組電池は、比較例４の組電池に比べて、より簡素な構成であるにもかかわらず、優れた効果を発揮していた。
かかる結果から明らかな通り、ここに開示される効果は、例えば、正極側および／または負極側にＣＩＤを備えることや、正極側にＣＩＤ、負極側にＰＴＣ素子を備えること、外部経路（バスバー）にヒューズを備えること等では発揮することができない。言い換えれば、釘刺し方向の２番目以降の単電池の電圧降下を抑えて、温度上昇を抑制するという観点からは、正極側にＰＴＣ素子、負極側にＣＩＤを備える組電池の構成が有利であると言える。
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記実施形態では、電気抵抗体が、ＰＴＣ素子４２であったが、これには限定されない。電気抵抗体は、例えば、結晶性の高分子重合体（ポリマー）にカーボンブラックや金属等の導電性粉末を分散させてなるポリマー系のＰＴＣサーミスタであってもよい。この場合は、ポリマーの融点で抵抗値を大きく変化させることができる。また、電気抵抗体は、例えば、熱膨張係数の異なる２枚の金属板を張り合わせてなるバイメタルによって構成され、所定の温度以下で導通し、当該所定の温度を超えると非導通状態となるようなスイッチ部材であってもよい。これらの電気抵抗体によっても、上記した実施形態と同様の効果を奏することができる。
１ 組電池
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ 単電池（二次電池）
２０ 正極シート
３０ 負極シート
４０ セパレータシート
４２ ＰＴＣ素子（電気抵抗体）
４４ 電流遮断機構
５０ 電極体
６０ 電池ケース
７０ バスバー
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ 単電池（二次電池）
２０ 正極シート
３０ 負極シート
４０ セパレータシート
４２ ＰＴＣ素子（電気抵抗体）
４４ 電流遮断機構
５０ 電極体
６０ 電池ケース
７０ バスバー
Claims (3)
- 複数の単電池と、前記複数の単電池の間を直列に接続する複数のバスバーと、を備え、
前記複数の単電池は、それぞれ一対の平坦な側面を有し、前記平坦な側面が対向するように配列されており、
前記単電池は、それぞれ、
前記一対の平坦な側面を有する電池ケースと、
前記電池ケースの内部に配置されている正極シートと、
前記電池ケースの内部に配置されている負極シートと、
前記電池ケースの内部に配置されている非水電解質と、
前記電池ケースの内部で前記正極シートと電気的に接続され、一部が前記電池ケースの外部に突出している正極端子と、
前記電池ケースの内部で前記負極シートと電気的に接続され、一部が前記電池ケースの外部に突出している負極端子と、
前記正極シートと前記正極端子との間の導電経路に配置されている電気抵抗体と、
前記負極シートと前記負極端子との間の導電経路に配置されている圧力作動型の電流遮断機構と、
を備える、組電池。 - 前記電気抵抗体が、正の温度抵抗係数を有するＰＴＣ素子である、請求項１に記載の組電池。
- 前記正極端子と前記正極シートとの間の前記導電経路に、電流遮断機構を備えていない、請求項１または２に記載の組電池。
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