JP2022045112A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置の短絡を検出しやすくする。【解決手段】蓄電装置１は、ケース１０と、ケース１０内に収容された電極体２０とを備えている。電極体２０は、正負の電極シート２１，２６と、電極シート２１，２６の間に挟まれたセパレータ３０とを含んでいる。セパレータ３０は、ケース１０の表面に最も近く配置される第１部分３１と、第１部分３１よりもケース１０の内側に配置される第２部分３２とを有している。第１部分３１の厚さが第２部分３２の厚さよりも小さい。【選択図】図１

Description

本開示は、蓄電装置に関する。

特許文献１（特開２０１９－１８６１５６号公報）には、密閉型電池が開示されている。正極と負極とをセパレータを介して積層した電極体などの電池構成要素が、電池ケースに収容される。電池ケースに形成された開口が蓋によって塞がれることによって、電池ケース内が密閉される。蓋体は、溶接によってケースに接合されている。電極体の集電部には、集電端子が溶接されている。

特開２０１９－１８６１５６号公報

上記文献に記載の密閉型電池では、電極体の集電部を溶接して集箔する際に電極体に金属異物が付着したり、ケース内に電極体を収容して蓋を溶接する際にケース内に金属異物が入り込んだりすることで、電池ケース内に金属異物が混入する可能性がある。混入した異物は電極体の表面付近に位置することが考えられる。電極体の表面に残留する金属異物などが電極体内に侵入して、電極体内で短絡が生じることがある。

本開示では、短絡を検出しやすくなる蓄電装置が提案される。

本開示に従うと、ケースと、ケース内に収容された電極体とを備える、蓄電装置が提案される。電極体は、正負の電極シートと、電極シートの間に挟まれたセパレータとを含んでいる。セパレータは、ケースの表面に最も近く配置される第１部分と、第１部分よりもケースの内側に配置される第２部分とを有している。第１部分の厚さが第２部分の厚さよりも小さい。

第１部分が薄く形成されているため、金属異物が第１部分を貫通して短絡が生じた際に、電圧降下が大きくなる。したがって、短絡を検出しやすくなる。

本開示に係る蓄電装置によれば、電極体内の短絡を検出しやすくなる。

実施形態に係る蓄電装置の、ケース付近の一部分の断面模式図である。 実施形態および比較例の蓄電装置における短絡発生時の電圧挙動について示すグラフである。

以下、実施形態について図面に基づいて説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図１は、実施形態に係る蓄電装置１の、ケース１０付近の一部分の断面模式図である。蓄電装置１は、たとえば、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池などに代表される、非水電解液二次電池である。

蓄電装置１は、ケース１０を備えている。ケース１０の形状は、角型であってもよく、円筒型であってもよい。ケース１０は、たとえばアルミニウム合金などの金属製である。ケース１０は、その内部に電極体２０および図示しない電解液を収容するケース本体と、ケース本体に接合される蓋体とを有している。ケース本体と蓋体とは、たとえばレーザ溶接により接合されている。ケース１０は、外部に露出する外表面１１と、ケース１０の内部空間の壁面を構成する内表面１２とを有している。

電極体２０は、ケース１０内に収容されている。電極体２０と、ケース１０の内表面１２との間には絶縁フィルム１４が配置されている。これにより電極体２０は、ケース１０から電気的に絶縁されている。

電極体２０は、正負の電極シート、すなわち負極シート２１および正極シート２６と、セパレータ３０とを有している。電極体２０は、負極シート２１と正極シート２６とが、その間にセパレータ３０を挟んで交互に積層されることにより形成された、積層型（スタック型）である。電極体２０は、積層型に限られず、巻回型であってもよい。巻回型の電極体は、帯状の負極シート２１と帯状の正極シート２６とをその間にセパレータ３０を挟んで交互に積層した積層体を渦巻状に巻回して、成型される。

一般に、積層型の電極体は、巻回型の電極体よりも製造が容易であるため、電極体２０を積層型とすることにより、蓄電装置１の生産効率を向上することができる。

負極シート２１は、枚葉状の平面形状を有している。負極シート２１は、負極集電箔２２と、負極活物質層２３とを有している。負極集電箔２２は、たとえば銅（Ｃｕ）箔である。図１に示される例では、負極集電箔２２の両面に負極活物質層２３が形成されているが、負極集電箔２２の片面にのみ負極活物質層２３が形成されていてもよい。

負極活物質層２３は、負極活物質と、バインダとを含む。負極活物質は、たとえば黒鉛系材料である。たとえば負極活物質は、アモルファスコートグラファイト（黒鉛粒子の表面にアモルファスカーボンがコートされた形態）、黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素であってもよい。バインダは、たとえば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などであってもよい。

正極シート２６は、枚葉状の平面形状を有している。正極シート２６は、正極集電箔２７と、正極活物質層２８とを有している。正極集電箔２７は、たとえば、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔である。図１に示される例では、正極集電箔２７の両面に正極活物質層２８が形成されているが、正極集電箔２７の片面にのみ正極活物質層２８が形成されていてもよい。正極活物質層２８は、正極活物質、導電材、バインダ、難燃剤などを含む。

正極活物質は、たとえばＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２（ＮＣＭ）、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５Ｏ_２（ＮＣＡ）、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４であってもよい。２種以上の正極活物質が組み合わされて使用されてもよい。

導電材は、たとえばアセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）、黒鉛であってもよい。

バインダは、たとえばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であってもよい。

難燃剤は、リン（Ｐ）または硫黄（Ｓ）を含む難燃剤であり、かつ、難燃剤の熱分解温度が８０℃以上２１０℃以下である限り、特に限定されない。難燃剤は、たとえばスルファミン酸グアニジン、リン酸グアニジン、リン酸グアニル尿素、リン酸二アンモニウム、ポリリン酸アンモニウム、スルファミン酸アンモニウム、メラミンシアヌレート、ビスフェノールＡビス（ジフェニルリン酸エステル）、レゾルシノールビス（ジフェニルリン酸エステル）、トリイソピルフェニルリン酸エステル、トリフェニルリン酸エステル、トリメチルリン酸エステル、トリエチルリン酸エステル、トリクレジルリン酸エステル、トリス（クロロイソプロピル）リン酸エステル、（Ｃ_４Ｈ_９）_３ＰＯ、（ＨＯ－Ｃ_３Ｈ_６）_３ＰＯ、ホスファゼン化合物、五酸化二リン、ポリリン酸、メラミン等であってもよい。これらの難燃剤は単独で使用されてもよいし、２種以上の難燃剤が組み合わされて使用されてもよい。

セパレータ３０は、枚葉状の平面形状を有している。セパレータ３０は、負極シート２１と正極シート２６との間に配置されて、負極シート２１と正極シート２６とを電気的に絶縁する。セパレータ３０の材料は、多孔質材料であって、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）であってもよい。

セパレータ３０は単層構造を有していてもよい。セパレータ３０は、たとえばポリエチレン（ＰＥ）製の多孔質フィルムのみから形成されていてもよい。またはセパレータ３０は、多層構造を有していてもよい。たとえばセパレータ３０は、ポリプロピレン（ＰＰ）製の多孔質フィルムと、ポリエチレン（ＰＥ）製の多孔質フィルムと、ポリプロピレン（ＰＰ）製の多孔質フィルムとを順に積層した３層構造を有していてもよい。

図１には、ケース１０の内表面１２からケース１０の内部に向かって、負極シート２１（負極シート２１Ａ）、セパレータ３０（後述する第１部分３１）、正極シート２６（正極シート２６Ａ）、セパレータ３０（後述する第２部分３２）、負極シート２１（負極シート２１Ｂ）が順に積層された積層構造が図示されている。

図１に示される電極体２０は、ケース１０内に収容されている電極体２０のケース１０付近の一部分である。電極体２０は、図１に示されるセパレータ３０（第２部分３２）の下の負極シート２１（負極シート２１Ｂ）から、さらにケース１０の内部に向かってセパレータ３０、正極シート２６、セパレータ３０および負極シート２１が順に積層された、図示しない積層構造を含んでいる。

複数の負極シート２１のうち、最外層の負極シート２１、すなわちケース１０の内表面１２に最も近く配置される負極シート２１Ａと、絶縁フィルム１４との間に、セパレータ３０が配置されている。このセパレータ３０は、電極体２０をケース１０からより確実に電気的に絶縁するために、設けられている。

なお、図１では、図示の明確化のために、ケース１０、絶縁フィルム１４、セパレータ３０、負極シート２１および正極シート２６の間に、隙間が図示されているが、現実の蓄電装置１においてはこの隙間は存在しない。最外層の負極シート２１Ａと絶縁フィルム１４との間のセパレータ３０は、負極シート２１Ａの負極活物質層２３と絶縁フィルム１４との両方に面接触するように設けられている。

複数の電極シートの間、すなわち負極シート２１と正極シート２６との間、に挟まれたセパレータ３０は、ケース１０の外表面１１および内表面１２に最も近く配置される第１部分３１と、第１部分３１よりもケース１０の内側に配置される第２部分３２とを有している。

第１部分３１は、最外層の負極シート２１Ａと、複数の正極シート２６のうち最外層の正極シート２６、すなわちケース１０の内表面１２に最も近く配置される正極シート２６Ａと、の間に挟まれている。第１部分３１は、複数の電極シートのうち、ケース１０の内表面１２から数えて第１層目の電極シート（すなわち負極シート２１Ａ）と、第２層目の電極シート（すなわち正極シート２６Ａ）との間に介在している。第１部分３１は、負極シート２１Ａの負極活物質層２３と正極シート２６Ａの正極活物質層２８との両方に面接触するように設けられている。

第２部分３２は、最外層の正極シート２６Ａと、複数の負極シート２１のうち外側から２番目の負極シート２１、すなわち負極シート２１Ｂと、の間に挟まれている。第２部分３２は、複数の電極シートのうち、ケース１０の内表面１２から数えて第２層目の電極シート（すなわち正極シート２６Ａ）と、第３層目の電極シート（すなわち負極シート２１Ｂ）との間に介在している。第２部分３２は、正極シート２６Ａの正極活物質層２８と負極シート２１Ｂの負極活物質層２３との両方に面接触するように設けられている。

セパレータ３０の、第１部分３１の厚さが、第２部分３２の厚さよりも小さい。図示しない、第２部分３２よりもケース１０の内側にあるセパレータ３０は、第２部分３２と同じ厚さを有している。したがって本実施形態においては、正負の電極シートの間に挟まれた複数のセパレータ３０のうち、ケース１０の内表面１２に最も近く配置される第１部分３１のみが薄型化されている。第１部分３１以外の、正負の電極シートの間に挟まれたセパレータ３０は、第１部分３１よりも厚さが大きく形成されている。

電極体２０が積層型であれば、セパレータ３０の第１部分３１と第２部分３２とは別の部材である。この場合、厚みの小さいセパレータ３０を準備して、最外層のセパレータ３０としてその厚みの小さいセパレータ３０を積層することで、第２部分３２よりも厚さの小さい第１部分３１を有する電極体２０を形成することができる。

電極体２０が巻回型であれば、セパレータ３０の第１部分３１と第２部分３２とは同じ部材の異なる一部分である。巻回される前のセパレータ３０は、帯形状を有している。この帯形状の一方の端部の厚みを小さくして、その厚みの小さい端部が最外層となるようにセパレータ３０を巻回することで、第２部分３２よりも厚さの小さい第１部分３１を有する電極体２０を形成することができる。

以上の構成を備えている蓄電装置１の、ケース１０の内部への金属異物の混入について以下に説明する。

蓄電装置１の製造工程において、ケース１０の内部に金属異物が混入し得ることが知られている。たとえば、負極集電箔２２および正極集電箔２７の端部をレーザ溶接により接合する際に、金属片（スパッタ）が発生する可能性がある。電極体２０をケース１０内に収容した後、ケース本体と蓋体とをレーザ溶接する際にも、金属片が発生する可能性がある。また、蓄電装置１の製造工程以外にも、たとえば蓄電装置１を搭載した車両の走行時に、衝撃が蓄電装置１に加わることで、金属片が発生する可能性も考えられる。ケース１０の内部に金属異物が混入すると、その金属異物が電極体２０に侵入することで、電極体２０が短絡する場合がある。

本発明者らは、金属異物が電極体２０に短絡を生じさせる場合、その短絡は電極体２０の表層部分で生じやすい点に着目した。本実施形態においては、負極シート２１と正極シート２６との間に挟まれたセパレータ３０のうち、ケース１０に最も近く配置される第１部分３１の厚みが薄いことによって、最外層の負極シート２１Ａ（外側から第１層目の電極シート）と最外層の正極シート２６Ａ（第２層目の電極シート）との短絡が生じやすくなっている。

図２は、実施形態および比較例の蓄電装置における短絡発生時の電圧挙動について示すグラフである。図２に示されるグラフの横軸は、時間を示し、グラフの縦軸は、外側から第１層目の電極シートと第２層目の電極シートとの間の電圧を示す。グラフに示される実施形態とは、図１を参照して説明した、セパレータ３０のうち第１部分３１の厚さを小さくした蓄電装置１を示す。比較例とは、基本的には実施形態と同じ構成を備えるが電極シートの間に挟まれたセパレータの厚さを全て同じにした点で実施形態とは異なる蓄電装置を示す。時刻Ｔ０において、外側から第１層目の電極シートと第２層目の電極シートとの短絡が発生したものとする。

短絡が発生すると、電圧降下が生じる。短絡が発生した場合に、理論的には抵抗がゼロになるが、実際には短絡した２点間に残存する抵抗があり、その残存抵抗の大きさによって電圧降下の大きさが変わる。比較例では、外側から第１層目の電極シートと第２層目の電極シートとの間のセパレータの厚さが大きいことで、短絡が発生したときの残存抵抗が比較的大きく、そのため電圧降下の大きさが比較的小さくなり、グラフ中に示される短絡検出電圧閾値を越えるほどの大きさの電圧降下が生じない。

これに対し、実施形態では、金属異物によって短絡しやすい第１部分３１の厚さを小さくし、外側から第１層目の電極シート（負極シート２１Ａ）と第２層目の電極シート（正極シート２６Ａ）との間の短絡を意図的に発生しやすくすることで、金属異物が第１部分３１を貫通して短絡が生じた際の残存抵抗をより小さくして、電圧降下を大きくすることができる。短絡検出電圧閾値を越える大きさの電圧降下を生じさせ、短絡後の電圧を短絡検出電圧閾値よりも小さくすることにより、短絡を検出しやすくすることができる。

第１部分３１よりもケース１０の内側の第２部分３２の厚さが、第１部分３１の厚さよりも大きいので、電極体２０に侵入した金属異物が第２部分３２を貫通することを抑制でき、金属異物が電極体２０の内部の奥深くまで入り込むことを抑制できる。短絡が発生する範囲を電極体２０の表層部分に留めることができれば、表層部分はケース１０に近いため、短絡により発生する熱をケース１０を通して外部に放熱することができる。したがって、短絡による発熱が蓄電装置１に不具合を及ぼすことを抑制することができる。

第１部分３１が薄く形成されているため、負極シート２１または正極シート２６を所定の厚さを有するように形成でき、蓄電装置１の電池容量を確保することができる。第１部分３１が薄く形成されているため、蓄電装置１の電池容量を確保するために蓄電装置１全体としての厚さを大きくする必要がなく、したがって蓄電装置１を小型化することができる。

以上のように実施形態について説明を行なったが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 蓄電装置、１０ ケース、１１ 外表面、１２ 内表面、１４ 絶縁フィルム、２０ 電極体、２１ 負極シート、２２ 負極集電箔、２３ 負極活物質層、２６ 正極シート、２７ 正極集電箔、２８ 正極活物質層、３０ セパレータ、３１ 第１部分、３２ 第２部分。

Claims (1)

1. ケースと、
   前記ケース内に収容された電極体とを備え、
   前記電極体は、正負の電極シートと、前記電極シートの間に挟まれたセパレータとを含み、
   前記セパレータは、前記ケースの表面に最も近く配置される第１部分と、前記第１部分よりも前記ケースの内側に配置される第２部分とを有し、
   前記第１部分の厚さが前記第２部分の厚さよりも小さい、蓄電装置。

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