JP2018137078A

JP2018137078A - 蓄電池

Info

Publication number: JP2018137078A
Application number: JP2017029624A
Authority: JP
Inventors: 三紀夫鶴岡; Mikio Tsuruoka; 孝之三野; Takayuki Mino
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-08-30
Anticipated expiration: 2037-02-21
Also published as: JP6907583B2

Abstract

【課題】サイズの大型化を最小限に抑えつつ、内圧の上昇をリアルタイムに検出可能な蓄電池を提供する。【解決手段】セパレータを介して互いに対向する正極及び負極を含む積層体２０と、積層体２０及び電解液を収容する袋状のラミネートフィルム３０と、ラミネートフィルム３０に固定された金属フィルム４０と、正極に接続された第１の端子電極Ｅ１と、負極に接続された第２の端子電極Ｅ２と、金属フィルム４０に接続された第３の端子電極Ｅ３とを備える。本発明によれば、内圧の上昇による正極又は負極と金属フィルムとの間の距離の変化を第１又は第２の端子電極Ｅ１，Ｅ２と第３の端子電極Ｅ３との間の静電容量の変化として検出することができる。これにより、全体サイズの大型化を最小限に抑えつつ、内圧の上昇をリアルタイムに検出することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は蓄電池に関し、特に、正極及び負極を含む積層体と電解液がラミネートフィルムに収容されてなる蓄電池に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられる電源として、リチウムイオン電池などの蓄電池が広く用いられている。リチウムイオン電池は、セパレータを介して対向する正極及び負極を有しており、電解液に含まれるリチウムイオンがセパレータを介して正極から負極へ、或いは、負極から正極に移動することにより充放電が実現される。正極、負極及びセパレータからなる積層体は、電解液とともに袋状のラミネートフィルムに収容される。

リチウムイオン電池は、過充電や内部短絡などによって温度が上昇すると、電解液からガスが発生し、内圧が高くなることがある。特許文献１には、蓄電池の表面に強度の弱い膜体を設け、内圧の上昇によって膜体が切断されると充電を停止する機構を備えた蓄電池が開示されている。特許文献２には、内圧が上昇すると分離する電極を設け、これによって内圧の上昇を検出可能な蓄電池が開示されている。特許文献３には、筐体と金属ケースとの間の静電容量を監視することによって、内圧の上昇を検知可能な蓄電池が開示されている。

特開平１１−１６２５２７号公報特開２０１１−０９６６６４号公報特開２００９−０７６２６５号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載された蓄電池の内圧監視機構は、いわゆるヒューズ方式であり、内圧の異常な上昇を検知すると内圧監視機構が破壊されるため、その後の検知はできなくなる。また、内圧がある程度上昇しても、電極が切断又は分離されるまではこれを検出することができないという問題もあった。

これに対し、特許文献３に記載された蓄電池は、筐体と金属ケースとの間の静電容量を監視していることから、内圧の上昇をリアルタイムに検出できるという利点を有している。しかしながら、特許文献３に記載された方式では、内圧が上昇しても変形しない筐体を用いる必要があるだけでなく、通常時には筐体と金属ケースとの間に所定の隙間を確保する必要があることから、蓄電池全体のサイズが大型化するという問題があった。

したがって、本発明は、サイズの大型化を最小限に抑えつつ、内圧の上昇をリアルタイムに検出可能な蓄電池を提供することを目的とする。

本発明による蓄電池は、セパレータを介して互いに対向する正極及び負極を含む積層体と、前記積層体及び電解液を収容する袋状のラミネートフィルムと、前記ラミネートフィルムに固定された金属フィルムと、前記正極に接続された第１の端子電極と、前記負極に接続された第２の端子電極と、前記金属フィルムに接続された第３の端子電極とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、内圧の上昇による正極又は負極と金属フィルムとの間の距離の変化を第１又は第２の端子電極と第３の端子電極との間の静電容量の変化として検出することができる。これにより、サイズの大型化を最小限に抑えつつ、内圧の上昇をリアルタイムに検出することが可能となる。

本発明において、前記金属フィルムは、袋状である前記ラミネートフィルムの外側面に接着された構成であっても構わないし、袋状である前記ラミネートフィルムの内側面に接着され、前記積層体と前記ラミネートフィルムとの間に絶縁膜が設けられた構成であっても構わない。前者によれば、ラミネートフィルムに金属フィルムを貼り付けるだけでよいことから、製造コストの上昇を最小限に抑えることができる。一方、後者によれば、金属フィルムが外部に露出しないことから、金属フィルムと他の部材との接触に起因するショート不良を防止することができる。

前記積層体と前記ラミネートフィルムは、通常状態において密着していることが好ましい。これによれば、通常の充放電に伴って積層体が膨張及び収縮しても、第１又は第２の端子電極と第３の端子電極との間の静電容量が変化しないため、ガスの発生による内圧の上昇を正しく検知することが可能となる。

このように、本発明による蓄電池は、サイズの大型化を最小限に抑えつつ、内圧の上昇をリアルタイムに検出することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による蓄電池１０の外観を示す略斜視図である。図２は、蓄電池１０の略分解斜視図である。図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。図４は、ラミネートフィルム３０の略断面図である。図５は、図１に示すＣ−Ｃ線に沿った略断面図であり、通常状態における蓄電池１０の形状を示している。静電容量Ｃ１，Ｃ２を示す回路図である。図７は、図１に示すＣ−Ｃ線に沿った略断面図であり、ガスが発生した状態における蓄電池１０の形状を示している。図８は、蓄電池１０に検出回路５０を接続した状態を示すブロック図である。図９は、第１の変形例による蓄電池１０Ａの外観を示す略斜視図である。図１０は、第２の変形例による蓄電池１０Ｂの外観を示す略斜視図である。図１１は、第３の変形例による蓄電池１０Ｃの外観を示す略分解斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による蓄電池１０の外観を示す略斜視図である。また、図２は蓄電池１０の略分解斜視図であり、図３は図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

本実施形態による蓄電池１０はリチウムイオン電池であり、積層体２０と、図示しない電解液とともに積層体２０を収容する袋状のラミネートフィルム３０と、ラミネートフィルム３０の外側面に貼り付けられた金属フィルム４０とを備える。ラミネートフィルム３０からは、第１及び第２の端子電極Ｅ１，Ｅ２が導出され、金属フィルム４０には第３の端子電極Ｅ３が接続されている。積層体２０は、複数の正極２１と複数の負極２２がセパレータ２３を介して積層された構造を有している。セパレータ２３は、電解液に含まれるリチウムイオンを透過する微少な孔が形成された絶縁膜である。

正極２１は、正極集電体の表面に正極活物質が形成された構造を有しており、正極集電体の一部がラミネートフィルム３０から導出されて第１の端子電極Ｅ１を構成している。第１の端子電極Ｅ１は、正極集電体に接続された別の金属体であっても構わない。正極集電体は例えばアルミニウム（Ａｌ）からなり、正極活物質は例えばＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２など、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる。

負極２２は、負極集電体の表面に負極集電体が形成された構造を有しており、負極集電体の一部がラミネートフィルム３０から導出されて第２の端子電極Ｅ２を構成している。第２の端子電極Ｅ２は、負極集電体に接続された別の金属体であっても構わない。負極集電体は例えば銅（Ｃｕ）からなり、負極活物質は例えば活性炭からなる。

このような構造を有する積層体２０は、電解液とともに袋状のラミネートフィルム３０に収容される。図４に示すように、ラミネートフィルム３０は、金属フィルム３１の両面に絶縁フィルム３２が積層された構造を有しており、袋状に加工することによって積層体２０及び電解液が密閉される。ラミネートフィルム３０を袋状に加工する方法としては、１枚のラミネートフィルム３０を２つに折り畳んだ後、重なった３辺を加熱することによって、上側の絶縁フィルム３２の端部と下側の絶縁フィルム３２の端部を接着しても構わないし、２枚のラミネートフィルム３０を重ねた後、４辺を加熱することによって、上側の絶縁フィルム３２の端部と下側の絶縁フィルム３２の端部を接着しても構わない。

図２に示す符号Ｂは積層体２０と重なる領域を示し、その外側の３辺又は４辺を加熱することによって、上下の絶縁フィルム３２が接着され、袋状に密閉されたラミネートフィルム３０が形成される。そして、本実施形態においては、ラミネートフィルム３０の外側面に金属フィルム４０が貼り付けられ、その一部が第３の端子電極Ｅ３として用いられる。金属フィルム４０の貼り付けは、接着剤などを用いて行うことができる。第３の端子電極Ｅ３は、金属フィルム４０に接続された別の金属体であっても構わない。

図５は、図１に示すＣ−Ｃ線に沿った略断面図であり、通常状態における蓄電池１０の形状を示している。

図５に示すように、通常状態においては、積層体２０とラミネートフィルム３０が密着しており、両者間にはほとんど隙間が存在しない。そして、ラミネートフィルム３０の外側面には金属フィルム４０が貼り付けられているため、金属フィルム４０と正極２１及び負極２２との間には静電容量が生じる。つまり、図６に示すように、第１の端子電極Ｅ１と第３の端子電極Ｅ３との間には静電容量Ｃ１が生じ、第２の端子電極Ｅ２と第３の端子電極Ｅ３との間には静電容量Ｃ２が生じる。

そして、過充電や内部短絡などによって温度が上昇すると、ラミネートフィルム３０に封入されている電解液からガスが発生し、内圧が高くなる。図７は、ラミネートフィルム３０によって形成された内部空間にガスＧが充満した状態を示している。このような状態になると、積層体２０とラミネートフィルム３０との間にガスＧによる隙間が生じ、静電容量Ｃ１及びＣ２が減少する。

このような静電容量Ｃ１又はＣ２の変化は、図８に示すように、第１〜第３の端子電極Ｅ１〜Ｅ３を検出回路５０に接続することによって検出することができる。検出回路５０は、静電容量Ｃ１又はＣ２をリアルタイム或いは定期的に監視する回路であり、静電容量Ｃ１又はＣ２の値が所定のしきい値未満に低下したことに応答して検出信号Ｓを発生させる。したがって、外部の制御機器は、検出信号Ｓを監視することによって蓄電池１０に異常が生じているか否かを知ることが可能となる。

尚、ガスＧの発生による静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の変化はほぼ均等に生じるため、静電容量Ｃ１，Ｃ２の両方を監視することは必須でなく、いずれか一方のみを監視するだけであっても構わない。

以上説明したように、本実施形態による蓄電池１０は、ラミネートフィルム３０の外側面に金属フィルム４０が貼り付けられ、且つ、金属フィルム４０が第３の端子電極Ｅ３に接続されていることから、第１又は第２の端子電極Ｅ１，Ｅ２と第３の端子電極Ｅ３との間の静電容量を監視することによって、ガスＧの発生による内圧の上昇を検知することが可能となる。しかも、本実施形態においては、ラミネートフィルム３０の外側面に金属フィルム４０を貼り付けるだけであることから、部品点数や全体サイズの増大を最小限に抑えることが可能となる。また、正極２１、負極２２、ラミネートフィルム３０など、一般的なラミネートセル型蓄電池の構成要素に対する加工などが不要であることから、高い信頼性を確保することも可能となる。

また、リチウムイオン電池においては、通常状態においても充放電に伴って積層体２０が僅かに膨張又は収縮することがあるが、積層体２０自体が膨張又は収縮しても、積層体２０とラミネートフィルム３０が密着した状態が保たれることから、静電容量Ｃ１，Ｃ２は変化しない。したがって、通常状態における積層体２０の膨張又は収縮はノイズとはならない。

図９は、第１の変形例による蓄電池１０Ａの外観を示す略斜視図である。

図９に示す蓄電池１０Ａは、第３の端子電極Ｅ３が第１及び第２の端子電極Ｅ１，Ｅ２とは反対側の辺から導出されている点において、図１に示した蓄電池１０と相違している。このような構成によれば、第１及び第２の端子電極Ｅ１，Ｅ２と第３の端子電極Ｅ３のショートを防止することが可能となり、信頼性が高められる。

図１０は、第２の変形例による蓄電池１０Ｂの外観を示す略斜視図である。

図１０に示す蓄電池１０Ｂは、ラミネートフィルム３０の互いに反対側に位置する外側面にそれぞれ金属フィルム４０が貼り付けられており、これら金属フィルム４０からそれぞれ第３及び第４の端子電極Ｅ３，Ｅ４が導出されている点において、図１に示した蓄電池１０と相違している。つまり、袋状のラミネートフィルム３０が２つの金属フィルム４０によって挟まれた構成を有している。このような構成によれば、ガスＧの発生によって生じるラミネートフィルム３０の膨らみが片側だけに生じている場合であっても、これを正しく検出することが可能となる。

図１１は、第３の変形例による蓄電池１０Ｃの外観を示す略分解斜視図である。

図１１に示す蓄電池１０Ｃは、金属フィルム４０が袋状であるラミネートフィルム３０の内側面に貼り付けられているとともに、金属フィルム４０と積層体２０との間に絶縁膜４１が設けられている点において、図１に示した蓄電池１０と相違している。絶縁膜４１は、積層体２０を構成する正極２１又は負極２２と金属フィルム４０が接触しないよう、両者間を絶縁するために設けられる。このような構成によれば、金属フィルム４０が外部に露出しないことから、金属フィルム４０と他の部材との接触に起因するショート不良を防止することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、本発明をリチウムイオン電池に適用した場合を例に説明したが、本発明の対象がリチウムイオン電池に限定されるものではなく、他の種類の蓄電池に適用することも可能である。

また、上記実施形態では、セパレータ２３を介して複数の正極２１と複数の負極２２を交互に積層したタイプの蓄電池を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、セパレータを介して正極と負極を巻回したタイプの蓄電池に本発明を適用することも可能である。

さらに、上記実施形態では、金属フィルム３１の両面に絶縁フィルム３２が積層されたラミネートフィルム３０を用いているが、ラミネートフィルム３０が金属フィルム３１を含むことは必須でない。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ蓄電池
２０積層体
２１正極
２２負極
２３セパレータ
３０ラミネートフィルム
３１金属フィルム
３２絶縁フィルム
４０金属フィルム
４１絶縁膜
５０検出回路
Ｃ１，Ｃ２静電容量
Ｅ１第１の端子電極
Ｅ２第２の端子電極
Ｅ３第３の端子電極
Ｅ４第４の端子電極
Ｇガス
Ｓ検出信号

Claims

セパレータを介して互いに対向する正極及び負極を含む積層体と、
前記積層体及び電解液を収容する袋状のラミネートフィルムと、
前記ラミネートフィルムに固定された金属フィルムと、
前記正極に接続された第１の端子電極と、
前記負極に接続された第２の端子電極と、
前記金属フィルムに接続された第３の端子電極と、を備えることを特徴とする蓄電池。
前記金属フィルムは、袋状である前記ラミネートフィルムの外側面に接着されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池。
前記金属フィルムは、袋状である前記ラミネートフィルムの内側面に接着されており、前記積層体と前記ラミネートフィルムとの間には絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池。
前記積層体と前記ラミネートフィルムは、通常状態において密着していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蓄電池。
前記第１及び第２の端子電極の少なくとも一方と前記第３の端子電極との間の静電容量を検出する検出回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の蓄電池。