JP2020095799A - 密閉型電池および組電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電極体の発熱によるセパレータの収縮を適切に抑制し、当該セパレータの収縮に伴う内部短絡を好適に防止できる技術を提供することを目的とする。
そして、ここに開示される密閉型電池では、正極接続部側のコア部の側縁部である正極側縁部と正極接続箇所のコア部側の側縁部との最短距離を距離L1とし、負極接続部側のコア部の側縁部である負極側縁部と負極接続箇所のコア部側の側縁部との最短距離を距離L2としたときに、距離L1および距離L2が以下の式(1)を満たすようにコア部が形成されている。
1<L1/L2<1.8 (1)
これにより、負極側縁部の近傍において局所的な温度上昇が生じることを好適に防止することができる。
これによって、各々の単電池に均一な拘束荷重を加えることができるため、正極側縁部の近傍におけるセパレータの収縮をより好適に抑制できる。
これによって、コア部の両側縁部に拘束荷重を加えることができるため、セパレータの収縮をさらに好適に抑制できる。
図1は本実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す斜視図である。図2は本実施形態に係る密閉型電池の内部構造を模式的に示す正面図である。また、図3は本実施形態における電極体を模式的に示す斜視図である。なお、本明細書の各図に示した符号Xは「(密閉型電池の)幅方向」を指し、符号Yは「(密閉型電池の)厚み方向」を指し、符号Zは「(密閉型電池の)高さ方向」を指す。
図1に示すように、本実施形態に係る密閉型電池1は、扁平な角型のケース10を備えている。このケース10は、有底の直方体形状に形成されたいわゆる角型のケース本体12と、このケース本体12の上部に形成された開口部(図示省略)と、当該開口部を塞ぐ蓋体14とを備える。このケース10は、例えば、アルミニウムなどの軽量で強度が高い金属材料を主体に構成されていると好ましい。
また、図示は省略するが、ケース10内部には、電極体20の他に非水電解液も収容されている。非水電解液は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられ得る材料を特に制限なく使用することができ、本発明を特徴付けるものでないため説明を省略する。
電極体20は、シート状の正極および負極を備えた発電要素である。本実施形態では、かかる電極体20として、図3に示されるような捲回電極体が用いられている。この捲回電極体20は、絶縁性のセパレータ70を介して正極50と負極60を積層させて積層体を形成した後、当該積層体を巻き重ねることによって作製される。
正極50は、箔状の正極集電体52と、当該正極集電体52の表面に形成された正極合材層54とを有するシート状の電極である。この正極50では、幅方向Xの一方の側縁部に、正極合材層54が形成されずに正極集電体52が露出した正極露出部56が形成されている。
負極60は、箔状の負極集電体62と、当該負極集電体62の表面に形成された負極合材層64とを有するシート状の電極である。上述した正極50と同様に、負極60にも集電体が露出した領域が設けられている。具体的には、負極60では、幅方向Xの他方の側縁部に、負極合材層64が形成されずに負極集電体62が露出した負極露出部66が形成されている。
セパレータ70は、正極50と負極60との間に介在するように配置される絶縁性のシートである。このセパレータ70には、電荷担体(例えばリチウムイオン)を透過させる微小な孔が複数形成された絶縁性シートが用いられる。このセパレータ70の材料は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを用いることができる。かかるセパレータ70の材料の一例として、多孔質ポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。また、セパレータ70の表面には、耐熱層(Heat Resistant Layer:HRL層)が形成されていてもよい。これにより、セパレータ70の耐熱性を向上させ、熱による収縮をより好適に抑制することができる。
本実施形態における捲回電極体20は、正極露出部56と負極露出部66が、それぞれ幅方向Xの両側からはみ出るように、セパレータ70を介して正極50と負極60とを積層させて積層体を形成した後、当該積層体を捲回することによって作製される。この捲回電極体20の幅方向Xにおける中央部には、正極合材層54と負極合材層64とが対向したコア部22が形成される。そして、捲回電極体20の幅方向Xの一方の側縁部には、正極露出部56が巻き重ねられた正極接続部24が形成される。また、捲回電極体20の幅方向Xの他方の側縁部には、負極露出部66が巻き重ねられた負極接続部26が形成される。
図1に示すように、本実施形態に係る密閉型電池1は、正極端子30と、負極端子40とを備えている。ケース10内部に収容された電極体20は、この正極端子30と負極端子40とを介して、車両のモーター等の外部機器と電気的に接続される。
本実施形態に係る密閉型電池1では、正極側縁部22aと正極接続箇所32のコア部22側の側縁部との最短距離(距離L1)と、負極側縁部22bと負極接続箇所42のコア部22側の側縁部との最短距離(距離L2)が以下の式(1)を満たすようにコア部22が形成されている。これによって、捲回電極体20の特定の領域への熱集中による局所的な温度上昇を抑制し、セパレータの収縮による内部短絡の発生を好適に防止できる。以下、具体的に説明する。
1<L1/L2<1.8 (1)
一方、コア部22を負極端子40に近接させ過ぎると、コア部22の中心で生じた熱と、負極接続箇所42で生じた熱とが、負極側縁部22bの近傍に集中する。この場合、正極側縁部22aと負極側縁部22bの温度が逆転し、負極側縁部22bの近傍において、熱集中による局所的な温度上昇が生じる可能性がある。このため、本実施形態に係る密閉型電池1では、上記L1/L2の上限が1.8未満に設定されている。
以上のように、距離L1と距離L2とが上記式(1)を満たすことにより、捲回電極体20の特定の領域への熱集中による局所的な温度上昇を抑制することができる。このため、本実施形態によれば、電極体の発熱によるセパレータの収縮を適切に抑制し、当該セパレータの収縮に伴う内部短絡を好適に防止することができる。
次に、本実施形態に係る密閉型電池は、組電池を構成する単電池として特に好ましく用いられる。以下、本実施形態に係る密閉型電池を単電池として使用した組電池について説明する。図4は本実施形態に係る実施形態に係る密閉型電池を用いた組電池を模式的に示す斜視図である。また、図5は本実施形態に係る密閉型電池を用いた組電池を模式的に示す平面図である。
以下、本発明に関係する試験を説明するが、以下の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
(1)サンプル1
サンプル1では、正極として、正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)と、導電材(アセチレンブラック)と、バインダ(ポリフッ化ビニリデン)とが、質量比で94:3:3の割合で混合された正極合材層が、正極集電体(アルミニウム製)の両面に形成された電極シートを作製した。一方、負極として、負極活物質(黒鉛)と、増粘剤(カルボキシメチルセルロース)と、バインダ(スチレンブタジエンゴム)とが、質量比で98:1:1の割合で混合された負極合材層が、負極集電体(銅製)の両面に形成された電極シートを作製した。
サンプル2では、捲回電極体のコア部の形成位置を正極端子側に0.85mm分近接させたことを除いて、サンプル1と同じ条件で試験用電池を作製した。このサンプル2の距離L1は8.00mmであり、距離L2は9.70mmである。
サンプル3〜6では、捲回電極体のコア部の形成位置を負極端子側に所定の距離近接させたことを除いて、サンプル1と同じ条件で試験用電池を作製した。サンプル3〜6の距離L1および距離L2は後述の表1に示す。
(1)温度測定試験
本試験では、各サンプルの内部に熱電対を挿入して過充電試験を行うことによって、過充電時の電池内部の温度(最大温度)を測定した。なお、熱電対は、正極側縁部の近傍と、負極側縁部の近傍の2箇所に配置した。また、過充電試験では、60℃の温度環境下において、SOC(State of Charge)が15%の状態から、190Aという大電流の充電レートで定電流充電(CC充電)を行った。そして、正負極端子間の電圧が10Vに到達したら充電を停止し、正極側縁部の最大温度(℃)と負極側縁部の最大温度(℃)を測定した。測定結果を表1および図6、7に示す。
本試験では、サンプル1〜3の試験用電池を所定の圧力で拘束しながら過充電試験を行い、セパレータの収縮による内部短絡が生じる電圧を調べた。なお、試験用電池の拘束には、図8に示す拘束器具700を用いた。この拘束器具700は、対向した一対の拘束板710と、かかる拘束板710を架橋する架橋部材720と、架橋部材720の一方の端部に取り付けられたナット730と、試験用電池Bを挟み込んで保持する挟持部材740とを備えている。この拘束器具700では、挟持部材740の間に試験用電池Bを配置し、ナット730を締め込むことによって試験用電池Bに掛かる拘束荷重を調節することができる。そして、本試験では、試験用電池Bの拘束荷重を3000Nに設定した。
また、正極側縁部を拘束すると内部短絡の発生が抑制されることが全てのサンプルで確認された。このことから、組電池を構築する際にコア部の正極側縁部に適切な拘束荷重が加わるように、各々の単電池を配置することによって、セパレータの収縮をより好適に抑制できるようになると解される。さらに、サンプル3では、正極側縁部を拘束した場合の短絡抑制効果が他のサンプルよりも大きくなることが確認された。
10、110 ケース
12 ケース本体
14 蓋体
20、120 電極体(捲回電極体)
21 電極体の側縁部
22、122 コア部
22a、122a 正極側縁部
22b 負極側縁部
24、124 正極接続部
26、126 負極接続部
30、130 正極端子
30a 正極外部端子
31 正極集電部材
32、132 正極接続箇所
33 接続ボルト
34 外部接続部材
40、140 負極端子
40a 負極外部端子
41 負極集電部材
42、142 負極接続箇所
43 接続ボルト
44 外部接続部材
50 正極
52 正極集電体
54 正極合材層
56 正極露出部
60 負極
62 負極集電体
64 負極合材層
66 負極露出部
70 セパレータ
500 組電池
510 単電池
520 スペーサ
530 バスバー
542 エンドプレート
544 ビーム材
700 拘束器具
710 拘束板
720 架橋部材
730 ナット
740 挟持部材
a1 負極合材層の幅
a2 正極合材層の幅
a3 コア部の幅
a4 挟持部材の幅
B 試験用電池
L1 正極側縁部と正極端子との最短距離
L2 負極側縁部と負極端子との最短距離
L3 スペーサの長さ
L4 コア部の長さ
L5 ケース内壁と電極体の側縁部との距離
X 幅方向
Y 厚み方向
Z 高さ方向
P 拘束荷重
Claims (5)
- シート状の正極と負極とがセパレータを介して重ねられた電極体と、
前記電極体を収容する扁平な角型のケースと、
アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む電極端子であって、前記ケースの内部において前記正極と電気的に接続され、一部が前記ケースの外部に露出する正極端子と、
銅または銅合金を含む電極端子であって、前記ケースの内部において前記負極と電気的に接続され、一部が前記ケースの外部に露出する負極端子と、
を備えた密閉型電池であって、
前記正極は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む箔状の正極集電体と、前記正極集電体の表面に形成された正極合材層とを有し、幅方向における一方の側縁部に前記正極合材層が形成されずに前記正極集電体が露出した正極露出部が形成され、
前記負極は、銅または銅合金を含む箔状の負極集電体と、当該負極集電体の表面に形成された負極合材層とを有し、前記幅方向における他方の側縁部に前記負極合材層が形成されずに前記負極集電体が露出した負極露出部が形成されており、
前記電極体の前記幅方向の中央部に前記正極合材層および前記負極合材層が対向したコア部が形成され、前記幅方向の一方の側縁部に前記正極露出部が重ねられた正極接続部が形成され、前記幅方向の他方の側縁部に前記負極露出部が重ねられた負極接続部が形成されており、
前記正極接続部と前記正極端子とが正極接続箇所において接続され、前記負極接続部と前記負極端子とが負極接続箇所において接続されており、
ここで、前記正極接続部側の前記コア部の側縁部である正極側縁部と前記正極接続箇所の前記コア部側の側縁部との最短距離を距離L1とし、前記負極接続部側の前記コア部の側縁部である負極側縁部と前記負極接続箇所の前記コア部側の側縁部との最短距離を距離L2としたときに、前記距離L1および前記距離L2が以下の式(1)を満たすようにコア部が形成されている、密閉型電池。
1<L1/L2<1.8 (1) - 前記距離L1と前記距離L2との差(L1−L2)が4.3mm以下である、請求項1に記載の密閉型電池。
- 複数の単電池を備えた組電池であって、
前記単電池の各々が、請求項1または2に記載の密閉型電池であり、
隣接した前記単電池の間で前記正極端子と前記負極端子とが近接し、かつ、前記扁平な角型のケースの幅広面が相互に対向するように各々の前記単電池が配列され、
該隣接した前記単電池の間で前記正極端子と前記負極端子とがバスバーを介して電気的に接続されており、
前記単電池の配列方向に沿って前記単電池の各々を拘束する拘束部材を備え、
前記単電池の各々の前記正極側縁部が前記負極側縁部よりも幅方向の中央側に配置されている、組電池。 - 前記単電池の各々の間に板状のスペーサが配置されている、請求項3に記載の組電池。
- 前記スペーサの幅方向の長さが、前記コア部の前記幅方向の長さよりも長い、請求項4に記載の組電池。
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