JP2021068492A - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】電池内に充填された非水電解質が電池外へ放出されることを抑制することができる非水電解質二次電池を提供する。【解決手段】非水電解質二次電池10は、有底円筒状のケース本体16と、ケース本体16の開口部を塞ぐ封口体17と、ケース本体16と封口体17との間に設けられるシール部材28と、を備え、封口体17は、感圧型の電流遮断部(下弁体24及び上弁体26)と、前記電流遮断部上に設けられる外部端子キャップ27と、を備え、外部端子キャップ27は、封口体17内と外気とを連通する連通口を有していない。【選択図】図1
Description
本発明は、非水電解質二次電池に関する。
近年、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)の重要性の高まりにより、これらの電源等に使用される非水電解質二次電池は、高容量化、高入出力化、長寿命化に対するニーズが大きくなっており、とりわけ長寿命化に対するニーズが大きくなっている。
ところで、電池の寿命が低下する1つの原因としては、電池内に充填された電解液(非水電解質)が、電池の使用中や保管中に、電池を構成する部材を透過する等して、電池外へ放出されることにより減少することが挙げられる。すなわち、電池内に充填された非水電解質が電池外へ放出されることを抑制することは、電池の長寿命化へ繋がることとなる。
そこで、本開示の目的は、電池内に充填された非水電解質が電池外へ放出されることを抑制することができる非水電解質二次電池を提供することにある。
本開示の一態様に係る非水電解質二次電池は、有底円筒状のケース本体と、前記ケース本体の開口部を塞ぐ封口体と、前記ケース本体と前記封口体との間に設けられるシール部材と、を備え、前記封口体は、感圧型の電流遮断部と、前記電流遮断部上に設けられる外部端子キャップと、を備え、前記外部端子キャップは、前記封口体内と外気とを連通する連通口を有していない。
本開示によれば、電池内に充填された非水電解質が電池外へ放出されることを抑制することができる非水電解質二次電池を提供することが可能となる。
以下に、本開示の一態様である非水電解質二次電池の一例について説明する。以下の実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。
図1は、実施形態に係る非水電解質二次電池の構成の一例を示す断面図である。図1に示す非水電解質二次電池10は、電極体14と、非水電解質と、絶縁板18,19と、正極リード20及び負極リード21と、電池ケース15とを備える。
電池ケース15は、開口部を有する有底円筒状のケース本体16と、ケース本体16の開口部を塞ぐ封口体17と、ケース本体16と封口体17との間に設けられるシール部材28を備える。図1に示す封口体17は、電極体14側から順に、フィルタ23、下弁体24、絶縁部25、上弁体26、及び外部端子キャップ27が積層された構造を有する。電池ケース15の詳細については後述する。
電極体14は、例えば、正極11及び負極12がセパレータ13を介して巻回されてなる巻回型構造を有する。正極11には正極リード20が取り付けられ、負極12には負極リード21が取り付けられている。電極体14と封口体17との間には、絶縁板18が配置され、電極体14とケース本体16の底部との間には、絶縁板19が配置されている。図1に示す非水電解質二次電池10では、正極リード20が、絶縁板18の貫通孔を通って、封口体17へ延び、封口体17のフィルタ23に接続され、負極リード21が、絶縁板19の外側を通って、ケース本体16の底部に接続されている。
正極11は、例えば、正極集電体と、正極集電体上に形成された正極活物質層を備えている。正極集電体には、アルミニウムなどの正極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等が用いられる。正極活物質層は、例えば、正極活物質、導電剤及び結着剤を含む。
正極活物質層に含まれる正極活物質としては、リチウム遷移金属複合酸化物等が挙げられる。具体的には、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リチウムニッケルマンガン複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物等が挙げられ、これらのリチウム遷移金属複合酸化物にAl、Ti、Zr、Nb、B、W、Mg、Mo等を添加してもよい。
正極活物質層に含まれる導電剤としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素粉末等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
正極活物質層に含まれる結着剤としては、フッ素系高分子、ゴム系高分子等が挙げられる。例えば、フッ素系高分子として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)、またはこれらの変性体等、ゴム系高分子としてエチレンープロピレンーイソプレン共重合体、エチレンープロピレンーブタジエン共重合体等が挙げられる。これらは単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
負極12は、例えば、負極集電体と、負極集電体上に形成される負極活物質層とを備える。負極集電体には、銅などの負極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極活物質層は、例えば、負極活物質、増粘剤、結着剤を含む。
負極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な炭素材料を用いることができ、黒鉛の他に、難黒鉛性炭素、易黒鉛性炭素、繊維状炭素、コークス及びカーボンブラック等を用いることができる。さらに、非炭素系材料として、シリコン、スズ及びこれらを主とする合金や酸化物を用いることができる。
結着剤としては、正極の場合と同様にPTFE等を用いることもできるが、スチレンーブタジエン共重合体(SBR)又はこの変性体等を用いてもよい。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)等を用いることができる。
非水電解質は、例えば、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒は、例えば、カーボネート類、ラクトン類、エーテル類、ケトン類、エステル類及びこれらの2種以上の混合溶媒等が用いられる。
電解質塩は、リチウム塩等が挙げられ、例えば、LiPF6、LiBF4、LICF3SO3及びこれらの2種以上の混合物等が用いられる。溶媒に対する電解質塩の溶解量は、例えば0.5〜2.0mol/Lである。
セパレータ13には、例えば、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シート等が用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータ13の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、セルロースなどが好適である。セパレータ13は、セルロース繊維層及びオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂繊維層を有する積層体であってもよい。また、ポリエチレン層及びポリプロピレン層を含む多層セパレータであってもよく、セパレータの表面にアラミド系樹脂、セラミック等の材料が塗布されたものを用いてもよい。
以下に、電池ケース15の構成について詳述する。
図1に示すケース本体16は、例えば、電極体14や非水電解質等を収容する金属製容器である。図1に示す非水電解質二次電池10では、既述したように負極リード21がケース本体16の底部に溶接等で接続されているため、ケース本体16が負極端子となる。
ケース本体16は、側面部の一部が内側に張出した、封口体17を支持する張り出し部22を有することが好ましい。張り出し部22は、例えば、ケース本体16の周方向に沿って環状に形成され、その上面で封口体17を支持する。図1に示すケース本体16の底部には、ガス排出部30が設けられている。このガス排出部30については後述する。
図1に示す封口体17は、既述したように、フィルタ23、下弁体24、絶縁部25、上弁体26、及び外部端子キャップ27を有する。封口体17を構成する各部材は、例えば、円板形状又はリング形状を有し、絶縁部25を除く各部材は互いに電気的に接続されている。具体的には、フィルタ23と下弁体24が各々の周縁部で互いに接触し、上弁体26と外部端子キャップ27も各々の周縁部で互いに接触している。そして、下弁体24と上弁体26は、各々の中央部で互いに接触し、各周縁部の間には絶縁部25が介在している。例えば、下弁体24の中央部及びその近傍が上弁体26側に膨出し、上弁体26の下面に接触している。各部材の接触部分は、例えば溶接等により接合されている。
図1に示すフィルタ23は、その中央部部分に、電極体14側に向かって凸となるように膨出した凸状部23aが形成されており、凸状部23aは下弁体24から離間されている。図1に示すフィルタ23は貫通孔を有している。貫通孔は、フィルタ23の下弁体24から離間した部分である凸状部23aに複数形成されていることが好適である。貫通孔の形状、個数、配置等は特に限定されない。
図1に示す封口体17では、下弁体24と上弁体26により、感圧型の電流遮断部が構成されている。感圧型の電流遮断部とは、電池内圧が所定圧力に達した際に電流経路を遮断するものである。例えば、感圧型の電流遮断部を構成する下弁体24及び上弁体26の場合、内部短絡等による発熱で電池内圧が上昇すると、下弁体24が上弁体26を外部端子キャップ27側に押し上げるように変形して破断する。これにより上弁体26が下弁体24から離れ、下弁体24と上弁体26の間の電流経路が遮断される。なお、下弁体24には、例えば上弁体26との接触部分或いはその近傍に薄肉部を形成することが好ましく、これにより、電池内圧の上昇により下弁体24が破断し易くなる。また、電池内圧が上昇した際には、上弁体26も破断してもよい。そして、電池内圧の上昇により、上弁体26が破断し易いように、上弁体26にも薄肉部を形成してもよい。
感圧型の電流遮断部は、上記の下弁体24及び上弁体26により構成されるものに限定されず、電池内圧が所定圧力に達した際に電流経路を遮断するものであれば、従来公知のものが適用される。
外部端子キャップ27は、封口体17の最上部(最外部)に設けられる部材である。図1に示す外部端子キャップ27は、正極リード20が接続されたフィルタ23と電気的に接続されているため、正極端子として機能する。
図1に示す外部端子キャップ27は、例えば、中央部が電池外方に向けて凸となるように膨出した凸状部を有する金属製円板からなる。そして、外部端子キャップ27には、封口体17内と外気とを連通する連通口が形成されていない。すなわち、外部端子キャップ27には、その厚み方向に貫通する連通口が形成されていない。従来の外部端子キャップは、例えば、特開平10−162799号公報等に記載されているように、外部端子キャップの凸状部に、その厚み方向に貫通する連通口(ガス排出口)が設けられている。従来の外部端子キャップに設けられる連通口(ガス排出口)は、電池内圧が上昇し、下弁体24及び上弁体26が破断した際に、電池内で発生したガスを電池外へ排出するためのものである。
ところで、電池を組み立てるに際しては、例えば、ケース本体16内に非水電解質を充填した後、封口体17を、その周囲にシール部材28を介在させてケース本体16の開口部内側に装着し、ケース本体16の開口部分を内方にかしめ加工する。これにより、ケース本体16の開口部が封口体17により封口され、また、封口体17とケース本体16との間の気密性がシール部材28により確保される。しかし、従来の連通口を有する外部端子キャップを用いた非水電解質二次電池では、シール部材により、封口体とケース本体との間の気密性が確保されていても、電池内の非水電解質は、シール部材の内部、シール部材と感圧型の電流遮断部との間等を透過して、感圧型の電流遮断部と外部端子キャップとの間に侵入し、外部端子キャップの連通口から電池外へ排出される場合がある。このような現象が継続すると、電池内の非水電解質が減少し、電池の寿命が低下する。
一方、図1に示す非水電解質二次電池10によれば、電池内の非水電解質が、感圧型の電流遮断部(実質的には上弁体26)と外部端子キャップ27との間に侵入しても、外部端子キャップ27には上記連通口を有していないため、外部端子キャップ27を介して電池外へ排出されることが抑制される。すなわち、図1に示す非水電解質二次電池10によれば、電池の保管中や使用中等において、電池内に充填された非水電解質が電池外へ排出されることが抑制されるため、電池内の非水電解質の減少が抑制され、電池の長寿命化が図られる。
本実施形態の非水電解質二次電池は、ケース本体及び外部端子キャップのうちの少なくともいずれか一方に、電池内圧が所定の圧力に達した際に開口するガス排出部を備えることを好ましい。図1に示す非水電解質二次電池10では、ケース本体16の底部にガス排出部30が設けられている。これにより、例えば、感圧型の電流遮断部(下弁体24及び上弁体26)が作動して、電流経路が遮断された後に、何らかの原因で、電池内圧が更に上昇した場合には、ケース本体16の底部のガス排出部30が開口して、電池系外へガスが排出され、電池の安全性がより担保される。以下、図1及び図2を用いて、ガス排出部の一例を説明する。
図2(A)は、図1に示す非水電解質二次電池のケース本体底部の一部拡大断面図である。また、図2(B)は、図1に示す非水電解質二次電池の底面図であり、図1に示すケース本体の底部を非水電解質二次電池の外側から見た図である。図1及び図2に示すように、ケース本体16の底部には、電池内圧が所定圧力に達した際に開口するガス排出部30が設けられている。具体的には、ケース本体16の底部には、環状の溝31が形成され、溝31に囲まれた部分が、ガス排出部30となる。ガス排出部30が開口する所定圧力は、通常、感圧型の電流遮断部が作動する所定圧力以上に設定される。
溝31は、例えば、ケース本体16の底部の外面側から形成された刻印であって、ケース本体16の底部の溝31が形成された部分は、他の部分よりも厚みが薄い薄肉部となる。電池内圧が所定圧力に達した際には、薄肉部が破断し、ガス排出部30が開口する。ケース本体16の底部の厚みに対する薄肉部の厚みの比は、通常使用時の耐久性及び内圧上昇時の作動性等を考慮して、例えば0.15以下であることが好ましい。図2に示すガス排出部30の平面視形状は、円形状であるが、これに限定されるものではなく、半円形状、多角形状等でもよい。また、ガス排出部30は、内圧上昇時の作動性等の点から、ケース本体16の底部に設けることが好ましいが、これに限定されるものではなく、ケース本体16の如何なる場所であってもよい。
図での説明は省略するが、ガス排出部30はケース本体16に設けられる形態に限定されるものではなく、外部端子キャップ27に設けられてもよい。図1に示す非水電解質二次電池10では、外部端子キャップ27の凸状部にガス排出部30が設けられることが好ましい。
ケース本体16と封口体17との間に設けられるシール部材28の材質は、化学的安定性、熱的安定性、難燃性、低吸水性等の点で、フッ素含有樹脂であることが好ましい。フッ素含有樹脂は、例えば、パーフルオロアルコキシアルカン(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロエチレンプロ辺コポリマー(FEP)、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレンコポリマー(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマー(ECTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロジイオキソールコポリマー(TFE/PDD)等が挙げられる。これらの中では、フッ素含有樹脂はパーフルオロアルコキシアルカンを含むことが好ましい。
下弁体24と上弁体26との間に設けられる絶縁部25の材質は、化学的安定性、熱的安定性、難燃性、低吸水性等の点で、フッ素含有樹脂であることが好ましい。フッ素含有樹脂は、例えば、上記同様の物質等が例示され、パーフルオロアルコキシアルカンを含むことが好ましい。
絶縁部25は、感圧型の電流遮断部(実質的には上弁体26)と外部端子キャップ27との間の気密性を向上させる点で、例えば、特開平10−1627799号の記載されているインナーガスケットのような構造であってもよい。具体的には、絶縁部25は、下弁体24と上弁体26とで挟持されている周縁部から上方(下弁体24から上弁体26に向う方向)に延びる筒状部を有し、当該筒状部が電池内方へ折り込まれ、折り込まれた部分と周縁部とで外部端子キャップ27と上弁体26とを上下から挟み込む構造であってもよい。
<実施例1>
[正極の作製]
正極活物質としてのアルミニウム含有ニッケルコバルト酸リチウムを100質量部と、導電剤としてのアセチレンブラック(AB)を1質量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)を0.9質量部とを混合し、さらに、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量加えて、正極合剤スラリーを調製した。次に、正極合剤スラリーを、アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、乾燥させた。これを所定の電極サイズに切り取り、ローラーを用いて圧延して、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極を作製した。
[正極の作製]
正極活物質としてのアルミニウム含有ニッケルコバルト酸リチウムを100質量部と、導電剤としてのアセチレンブラック(AB)を1質量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)を0.9質量部とを混合し、さらに、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量加えて、正極合剤スラリーを調製した。次に、正極合剤スラリーを、アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、乾燥させた。これを所定の電極サイズに切り取り、ローラーを用いて圧延して、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極を作製した。
[負極の作製]
負極活物質としての黒鉛粉末及びSi酸化物の混合物を100質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)を1質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム(SBR)を1質量部とを混合し、さらに水を適量加えて、負極合剤スラリーを調製した。次に、負極合剤スラリーを、銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、乾燥させた。これを所定の電極サイズに切り取り、ローラーを用いて圧延して、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極を作製した。
負極活物質としての黒鉛粉末及びSi酸化物の混合物を100質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)を1質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム(SBR)を1質量部とを混合し、さらに水を適量加えて、負極合剤スラリーを調製した。次に、負極合剤スラリーを、銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、乾燥させた。これを所定の電極サイズに切り取り、ローラーを用いて圧延して、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極を作製した。
[非水電解液の調製]
エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とからなる混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/L溶解させて、非水電解液を調製した。
エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とからなる混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/L溶解させて、非水電解液を調製した。
[円筒型電池の作製]
上記正極にアルミニウム製の正極リードを、上記負極にニッケル製の負極リードをそれぞれ取り付けた。そして、ポリエチレン層を有するセパレータを介して正極及び負極を巻回することにより巻回型の電極体を作製した。次に、この電極体の上下に絶縁板を配置し、負極リードをケース本体の底部に溶接し、正極リードを封口体に溶接した後、電極体を電池ケース本体に収容した。その後、ケース本体内に上記非水電解液を注入した後、封口体の周囲にPFA製のシール部材を介在させてケース本体の開口部内側に装着し、ケース本体の開口部分を内方にかしめて、円筒型電池を作製した。
上記正極にアルミニウム製の正極リードを、上記負極にニッケル製の負極リードをそれぞれ取り付けた。そして、ポリエチレン層を有するセパレータを介して正極及び負極を巻回することにより巻回型の電極体を作製した。次に、この電極体の上下に絶縁板を配置し、負極リードをケース本体の底部に溶接し、正極リードを封口体に溶接した後、電極体を電池ケース本体に収容した。その後、ケース本体内に上記非水電解液を注入した後、封口体の周囲にPFA製のシール部材を介在させてケース本体の開口部内側に装着し、ケース本体の開口部分を内方にかしめて、円筒型電池を作製した。
封口体は、電極体側から順に、フィルタ、下弁体、PFA製の絶縁部、上弁体、及び外部端子キャップを重ね合わせて構成されている。フィルタは下弁体から離間した凸状部を有し、3つの貫通孔が凸状部に形成されている。外部端子キャップは、中央部が電池外方に向けて凸となるように膨出した凸状部を有する金属製円板であり、封口体内と外気とを連通する連通口(外部端子キャップの厚み方向に貫通する連通口)を有していない。
<実施例2>
シール部材及び封口体の絶縁部をポリプロピレン製にしたこと以外は、実施例1と同様に円筒型電池を作製した。
シール部材及び封口体の絶縁部をポリプロピレン製にしたこと以外は、実施例1と同様に円筒型電池を作製した。
<比較例>
外部端子キャップの凸状部に、封口体内と外気とを連通する連通口を3つ形成したこと以外は、実施例1と同様に円筒型電池を作製した。
外部端子キャップの凸状部に、封口体内と外気とを連通する連通口を3つ形成したこと以外は、実施例1と同様に円筒型電池を作製した。
<電池の質量変化量の測定>
各実施例及び比較例の電池を、60℃及び75℃に設定した恒温槽内に保管し、定期的に各電池の質量を測定し、以下の式により電池の質量変化量を求めた。
質量変化量=設定温度で所定時間保管した電池の質量−保管前の電池の質量
各実施例及び比較例の電池を、60℃及び75℃に設定した恒温槽内に保管し、定期的に各電池の質量を測定し、以下の式により電池の質量変化量を求めた。
質量変化量=設定温度で所定時間保管した電池の質量−保管前の電池の質量
図3は、各実施例及び比較例の電池を60℃で保管した時の各電池の質量変化量の結果を示す図である。図4は、各実施例及び比較例の電池を75℃で保管した時の各電池の質量変化量の結果を示す図である。
実施例1及び2の電池は、比較例の電池と比べて、60℃及び75℃で保管した時の電池の質量変化量が著しく少なかった。電池の質量変化量が少ないことは、電池内の非水電解質が電池外へ放出されることが抑制されていること、すなわち、電池内の非水電解質の減少が抑制されることを示している。この結果から、連通口を有していない外部端子キャップを用いることで、電池内の非水電解質の減少を抑制することができ、ひいては電池の長寿命化を図ることが可能となる。実施例1及び2の比較では、実施例1の電池の方が、実施例2の電池より、電池の質量変化量がより少なかった。この結果から、封口体とケース本体との間に設けられるシール部材や封口体の絶縁部の材質をPFA(パーフルオロアルコキシアルカン)にすることで、電池内の非水電解質の減少をより抑制することができると言える。
10 非水電解質二次電池、11 正極、12 負極、13 セパレータ、14 電極体、15 電池ケース、16 ケース本体、17 封口体、18,19 絶縁板、20 正極リード、21 負極リード、22 張り出し部、23 フィルタ、23a 凸状部、24 下弁体、25 絶縁部、26 上弁体、27 外部端子キャップ、28 シール部材、30 ガス排出部、31 溝。
Claims (6)
- 有底円筒状のケース本体と、前記ケース本体の開口部を塞ぐ封口体と、前記ケース本体と前記封口体との間に設けられるシール部材と、を備え、
前記封口体は、感圧型の電流遮断部と、前記電流遮断部上に設けられる外部端子キャップと、を備え、
前記外部端子キャップは、前記封口体内と外気とを連通する連通口を有していない、非水電解質二次電池。 - 前記ケース本体は、電池内圧が所定圧力に達した際に開口するガス排出部を有する、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記ガス排出部は、前記ケース本体の底部に設けられる、請求項2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記外部端子キャップは、電池内圧が所定圧力に達した際に開口するガス排出部を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記シール部材は、フッ素含有樹脂である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記フッ素含有樹脂は、パーフルオロアルコキシアルカンを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
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