JP3418551B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、特に電気自動車
等のモータ駆動用等として好適に用いられる加工が容易
で低コストであるとともに、内部抵抗が小さく大容量
で、かつ充放電時の安全性に優れ信頼性の高いリチウム
二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】 近年、環境保護運動の高まりを背景と
して、二酸化炭素その他有害物質を含む排気ガスの排出
規制が切に望まれる中、自動車業界ではガソリン車等の
化石燃料を使用する自動車に替えて、電気自動車(E
V)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入を促進
する動きが活発になっている。
【0003】 このEV、HEV実用化の鍵を握るモー
タ駆動用電池としてのリチウム二次電池には、大容量、
高出力という特性が要求される。ここで、電池容量が大
きいということは蓄積されるエネルギーの絶対値が大き
くなることを意味するので、取り扱いや充放電時の安全
性の確保が図られなければならない。また、高出力を得
るには電池の内部抵抗、すなわち、正極出力端子と負極
出力端子との間の抵抗値を小さくする必要がある。
【0004】 したがって、電池を大容量とすること
で、必然的に電池一本当たりの大きさ、すなわち電池サ
イズを大きくしなければならないが、これに伴って使用
される電池ケースには、上述した安全性と出力を確保す
る機械的特性および電気的特性が求められる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】 ここで、小型のリチ
ウム二次電池等の電池ケースにあっては、ケース素材と
して、ふか絞りにより作製した片端封止のケースが使用
されているが、電池サイズを大型化した場合には、ふか
絞りによりケースを作製することは技術的に困難であ
り、しかもコスト高になってしまう欠点がある。
【0006】 また、後述するように、捲回型の内部電
極体では、正極用の集電タブを内部電極体の一端に、負
極用の集電タブを他端にそれぞれ接続することが安全性
の確保の点から好ましいが、片端封止のケースを使用し
た場合には、一端の捲回時に接続された複数の集電タブ
をケースに接続することが困難であるという問題もあっ
た。本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなさ
れたものであり、加工が容易で低コストであるととも
に、内部抵抗が小さく大容量で、かつ充放電時の安全性
に優れ信頼性の高いリチウム二次電池を提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】 上述の目的を達成する
ため、本発明によれば、パイプ状の電池ケースと、前記
電池ケースの両端をそれぞれ封止するように配設され、
前記電池ケース内部に密閉空間を形成する上蓋及び下蓋
と、正極板および負極板がセパレータを介して直接に接
触しないように捲回されてなる内部電極体と、前記内部
電極体に電気的に接続された、前記内部電極体から取り
出された電流を出力するための正極出力端子および負極
出力端子と、有機電解液備えてなるリチウム二次電
池であって、前記内部電極体および前記有機電解液が、
前記電池ケース内部の前記密閉空間に封入されてなり、
前記正極出力端子および負極出力端子が、前記内部電極
体の複数箇所から取り出された電流を出力するように、
前記内部電極体に電気的に接続されてなり、前記電池ケ
ースが、その少なくとも一端にくびれ部を有し、さらに
前記電池ケースの内壁と前記内部電極体との境界に、前
記電池ケースのくびれ部まで絶縁膜が配設されてるこ
とを特徴とするリチウム二次電池、が提供される。
【0008】 このような本発明のリチウム二次電池に
おいては、電池ケースが、電流路として用いられること
なく電気的に中性の状態に保持されてなることが、安全
面から好ましい。また、上記のように、電池ケースの少
なくとも一端をかしめ加工することが好ましく、これに
より外部出力端子の形成等が容易となる。もちろん、
池ケースの両端をかしめ加工することは特に好ましい。
さらに、少なくとも電池ケースの一端に放圧機構を設
けることが好ましい。電池ケースにくびれ部を有するこ
と等により、例えば、電池の正負電極間が短絡して電池
内圧が上昇し、電池ケースに設けられた放圧機構が作動
した場合にあっても、放圧機構における開口部からの内
部電極体の飛び出しが防止される。
【0009】 また、電池ケースの一端に正極出力端
子を形成し、かつ、その電池ケースの他端に負極出力
端子を形成するようにすると、電池の作製が簡便なのみ
ならず、電池ケースを電流路としなくともよいことか
ら、電池の内部抵抗の低減が図られ、好ましい。そし
て、電池ケースの材質としては、アルミニウムもしくは
アルミニウム合金またはステンレスが好適に選択され
る。
【0010】 なお、上述した本発明のリチウム二次電
池の特徴は、電池容量が5Ah以上のリチウム二次電池
に好適に採用され、また、本発明のリチウム二次電池
は、電気自動車(EV)用またはハイブリッド電気自動
車(HEV)用として好適に用いられる。
【0011】
【発明の実施の形態】 本発明におけるリチウム二次電
池(以下、「電池」という。)の内部電極体は、正極板
と負極板とが多孔性ポリマーフィルムからなるセパレー
タを介して直接に接触しないように捲回して構成され
る。具体的には、図1に示すように、内部電極体1は、
正極板2と負極板3とをセパレータ4を介して捲回して
形成され、正負各電極板2・3(以下、「電極板2・
3」という。)のそれぞれにタブ5が設けられる。この
タブ5の電極板2・3への取付は、電極板2・3をセパ
レータ4とともに捲回する時点で、超音波溶接等の手段
により行うことができる。なお、各タブ5の、電極板2
・3と接続された反対側の端部は、正極出力端子および
負極出力端子(図示せず)またはこれらに導通する電流
取出端子(図示せず)に取り付けられる。このように、
本発明においては、正極出力端子および負極出力端子
が、内部電極体の複数箇所から取り出された電流を出力
するように、内部電極体に電気的に接続されている。
【0012】 電極板2・3は、正極板2についてはア
ルミニウム、チタン等、負極板3については銅、ニッケ
ル等の金属箔を集電体とし、それぞれの金属箔の両面に
電極活物質を塗布して電極活物質層を形成することによ
り作製される。また、タブ5はこのような金属箔の一辺
に配設され、一般的に、内部電極体1を作製した際に、
電極板2・3のタブ5が取り付けられた部分が外周側へ
膨らむことのないように、薄帯状のものが用いられる。
このとき、1つのタブ5が電極板2・3における一定面
積からの集電を行うように、ほぼ等間隔に配設されるこ
とが好ましく、タブ5の材質は、タブ5が取り付けられ
る金属箔と同材質とされる場合が多い。
【0013】 正極板2の作製に使用される正極活物質
としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)やニッ
ケル酸リチウム(LiNiO2)あるいはマンガン酸リ
チウム(LiMn24)等のリチウム遷移金属複合酸化
物が用いられる。なお、これら正極活物質の導電性を向
上させるために、アセチレンブラックやグラファイト粉
末等のカーボン粉末を電極活物質に混合することが好ま
しい。一方、負極活物質としては、ソフトカーボンやハ
ードカーボンといったアモルファス系炭素質材料や人造
黒鉛、天然黒鉛等の炭素質粉末が用いられる。これらの
電極活物質はスラリー化され、集電体へ塗布、固着され
て電極板2・3が作製される。
【0014】 セパレータ4としては、マイクロポアを
有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィルム
を、多孔性のリチウムイオン透過性のポリプロピレンフ
ィルムで挟んだ三層構造としたものが好適に用いられ
る。これは、内部電極体1の温度が上昇した場合に、ポ
リエチレンフィルムが約130℃で軟化してマイクロポ
アが潰れてリチウムイオンの移動、すなわち電池反応を
抑制する安全機構を兼ねたものである。そして、このポ
リエチレンフィルムを、より軟化温度の高いポリプロピ
レンフィルムで挟持することによって、セパレータ4と
電極板2・3との接触・溶着を防止することができる。
【0015】 電解液としては、エチレンカーボネート
(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチル
カーボネート(DMC)といった炭酸エステル系のも
の、プロピレンカーボネート(PC)やγ−ブチロラク
トン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル等の有機溶
媒の単独溶媒または混合溶媒に、電解質としてのLiP
6やLiBF4等のリチウム錯体フッ素化合物、あるい
はLiClO4といったリチウムハロゲン化物等を1種
または2種類以上を溶解した非水系の有機電解液が好
適に用いられる。
【0016】 このような構成部材を用いて作製される
本発明のリチウム二次電池は、電池ケースの両端に、こ
れらをそれぞれ封止するように上蓋及び下蓋が配設され
て、電池ケース内部に密閉空間を形成し、この密閉空間
に、上述の内部電極体および有機電解液が封入されてい
る。本発明における電池ケース素材としてはパイプ状の
ものが用いられる。図2は、本発明のリチウム二次電池
の一実施形態の構造を示す断面図であり、パイプ1
1の一端(上端)にかしめ加工が施されている(かしめ
加工部12)。また、他端(下端)には、内部電極体1
が下方にずれ落ちることがないように、パイプ11に絞
り加工部13が設けられているが、絞り加工部13を設
ける代わりに、下端の蓋14(下蓋14)と内部電極体
1との間に、絶縁性のスペーサを配置して、内部電極体
1の電池10内での移動を抑制してもよい。なお、パイ
プ11の内壁と内部電極体1との境界には、内部電極体
1とパイプ11が短絡することのないように、絶縁膜2
6を配設している。但し、パイプ11と内部電極体1と
の絶縁は、内部電極体1のセパレータ4によって確保す
ることも可能である。
【0017】 電池10の構造を更に詳しく見ていく
と、まず、電池10の上部においては、内部電極体1に
取り付けられたタブ5は上蓋16を貫通するように設け
られた出力端子15に接続されている。ここで、タブ5
は出力端子15と接続される前に、予め溶接、かしめ、
ハトメにより一体化されていると、各タブ5の表面に生
成する酸化被膜によって、各タブ5に抵抗のばらつきが
生ずるといった悪影響を回避することができ、好まし
い。
【0018】 上蓋16としては、通常は金属材料が使
用されるが、ベークライト等の硬質プラスチック材料か
らなるものを使用することも可能である。また、上蓋1
6には、電池の内部圧力が上昇した場合に、この内圧を
大気圧に解放するための溝タイプの放圧機構17が設け
られている。この出力端子15を取り付けた上蓋16
は、パイプ11との間に絶縁性のシール材18を介し
て、かしめ加工によりパイプ11の一端を封止するよう
にして取り付けられる。このかしめ加工の際に、パイプ
11にくびれ部19が設けられていると、内部電極体1
の電池10内での移動を抑制することができ、さらに、
かしめ加工を容易に行うことができるようになる。
【0019】 一方、電池10の下端については、上端
と同様にタブ5が電流取出端子20と接続され、電流取
出端子20が取り付けられた下蓋14が、溶接部21に
おいて、溶接によりパイプ11と接合され、その端部が
封止されている。この場合の下蓋14は金属製であり、
パイプ11を介して電流取出端子20から電池10の上
端に設けられた出力端子22までの電流路が確保される
構造となっている。ここで、出力端子22はシール材1
8により上蓋16および出力端子15と電気的に絶縁さ
れることとなる。なお、下蓋14にも溝タイプの放圧機
構17が設けられているが、少なくとも、上蓋16と下
蓋14のいずれか一方に放圧機構17が設けられていれ
ばよい。
【0020】 図3は本発明のリチウム二次電池の別の
実施形態の構造を示す断面図である。電池30は、図
2に示した電池10と同じ上端の構造を有するが、下端
にも、上端と同様にかしめ加工が施され、さらにくびれ
部19が設けられている。ここで、下蓋23としては金
属製のものが用いられ、上下にシールリング24・25
を介してパイプ11の下端が封止されている。2枚のシ
ールリング24・25の少なくとも一方を金属製とする
ことで、パイプ11を介して電流取出端子20と出力端
子22との間の導通が確保される。このことから、シー
ルリングは1枚であってもよく、2枚のシールリングを
用いる場合には、一方に弾性を有するゴムやポリマー等
の絶縁体を用いることができる。
【0021】 こうして、パイプ11の両端、すなわ
ち、電池30の両端にくびれ部19を設けることによ
り、過放電等の誤用により、電池30の内部圧力が上昇
して放圧機構17が作動した場合にも、放圧機構17の
開口部から、内部電極体1が飛び出すといった事故を防
止することができ、より高い安全性が確保されるように
なる。さらに、パイプ11の両端をかしめ加工により封
止する場合には、電池30の端部の構造の設計の自由度
が大きくなり、放圧機構17をはじめ、その他の安全機
構を配設することもまた容易となる等の利点がある。
【0022】 さて、図4は本発明のリチウム二次電池
のさらに別の実施形態の構造を示す断面図である。電
池40の上部は、内部電極体1に取り付けられたタブ5
が上蓋16を貫通するように設けられた出力端子15に
接続され、出力端子15を取り付けた上蓋16は、パイ
プ11との間に絶縁性のシール材18を介して、かしめ
加工によりパイプ11の一端を封止するようにして取り
付けられた構造を有しており、下端もまた上端と同じ構
造を有している。すなわち、電池40の一端に正極用出
力端子が配設され、かつ、他端に負極出力端子が設けら
れている。このように、電池の両端をかしめ加工により
封止した場合には、前述した電池30の場合も同様であ
るが、内部電極体1からの電流の取り出しを容易に行う
ことができるようになる。そして、大容量の電池の場合
には、タブ5の配設数を多くしても出力端子15等との
接続が容易であるため、製造工程上の問題を生ずること
なく、内部抵抗を小さくすることが可能となる。
【0023】 なお、電池40においては、上述した電
池30と同様にパイプ11の両端にかしめ加工が施され
ているにもかかわらず、電池30とは異なり、パイプ1
1は電流路に使用されず、電気的に中性の状態に保たれ
ている。このようにパイプ11を電流路として使用しな
いことにより、電池の内部抵抗が低減される。また、電
池10・30の場合のように、電池の一端に正負両極の
出力端子15・22が配設されている場合には、取り扱
い時、例えば、出力端子15・22に電流ケーブルを取
り付ける場合等において、誤って工具等が出力端子15
・22間を短絡させるといった事故が容易に起こり得る
のに対して、電池40においてはそのような危険性が回
避され、取り扱い時の安全性を向上させることが可能と
なる。
【0024】 上述した本発明における種々の構造を有
する電池において、使用される電池ケース素材、すなわ
ちパイプ11の素材は、アルミニウムもしくはアルミニ
ウム合金またはステンレスであることが好ましい。この
ような材料のパイプ11は各種の径のものが市販されて
いるために入手が容易でしかも安価であり、さらに、上
述したように端部の加工を容易に行うことが可能なた
め、低コストながら信頼性の高い電池の作製が可能とな
る。なお、アルミニウムとは純アルミニウムを指すが、
純度として90%以上のものであれば、問題なく用いる
ことが可能である。
【0025】 上述した本発明のリチウム二次電池の特
徴は、特に、電池容量が5Ah以上である大型の電池に
好適に採用されるが、このような容量以下の電池に適用
することを妨げるものではない。また、本発明のリチウ
ム二次電池は、大容量、低コスト、高信頼性という特徴
を生かし、電気自動車用またはハイブリッド電気自動車
用として、特に好適に用いることができる。
【0026】 以上、本発明のリチウム二次電池につい
て、種々の実施の形態を示しながら説明してきたが、本
発明が上記実施の形態に限定されるものでないことはい
うまでもない。また、上記実施の形態における電池10
・30・40においては、放圧機構として溝タイプのも
のを例示したが、本発明者らが先に特願平09−202
963号および特願平09−331537号等において
開示しているような、種々の金属箔を使用した放圧機構
(圧力解放機構)を用いてもよいことはいうまでもな
い。
【0027】
【発明の効果】 上述の通り、本発明によって、加工が
容易で低コストであるとともに、内部抵抗が小さく大容
量で、かつ充放電時の安全性に優れ信頼性の高いリチウ
ム二次電池が提供される。さらに具体的には、電池ケー
ス素材として安価で、形状選択の幅の広いパイプ状のも
を用いることにより、材料コストを下げることが可能
となる優れた効果を奏する。また、かしめ加工により容
易にパイプ端部の封止を行うことができるため、加工コ
ストを下げることができ、しかも、内部電極体からのタ
ブの取り出し、出力端子との接続等を容易に行うことが
できるために、幅広い電池端部構造の設計が可能となる
利点もある。さらに、電池ケースにくびれ部を設けるこ
とにより、電池内圧が上昇して放圧機構が作動した場合
にも、内部電極体の飛び出しが防止されて安全性が高め
られるという、優れた効果をも奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のリチウム二次電池の実施の形態に用
いられる捲回型内部電極体の構造を示す斜視図である。
【図2】 本発明のリチウム二次電池の一実施形態
を示す断面図である。
【図3】 本発明のリチウム二次電池の別の実施形態
を示す断面図である。
【図4】 本発明のリチウム二次電池のさらに別の実施
形態を示す断面図である。
【符号の説明】
1…内部電極体、2…正極板、3…負極板、4…セパレ
ータ、5…タブ、10…電池、11…パイプ、12…か
しめ加工部、13…絞り加工部、14…下蓋、15…出
力端子、16…上蓋、17…放圧機構、18…シール
材、19…くびれ部、20…電流取出端子、21…溶接
部、22…出力端子、23…下蓋、24・25…シール
リング、26…絶縁膜、30…電池、40…電池。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−250084(JP,A) 特開 平9−92338(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40 H01M 2/02 H01M 2/06 H01M 2/22

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 パイプ状の電池ケースと、前記電池ケー
    スの両端をそれぞれ封止するように配設され、前記電池
    ケース内部に密閉空間を形成する上蓋及び下蓋と、正極
    および負極板がセパレータを介して直接に接触しない
    ように捲回されてなる内部電極体と、前記内部電極体に
    電気的に接続された、前記内部電極体から取り出された
    電流を出力するための正極出力端子および負極出力端子
    と、有機電解液備えてなるリチウム二次電池であっ
    て、前記内部電極体および前記有機電解液が、前記電池ケー
    ス内部の前記密閉空間に封入されてなり、 前記正極出力端子および負極出力端子が、前記内部電極
    体の複数箇所から取り出された電流を出力するように、
    前記内部電極体に電気的に接続されてなり、 前記 電池ケースが、その少なくとも一端にくびれ部を有
    し、さらに 前記電池ケースの内壁と前記内部電極体との
    境界に、前記電池ケースのくびれ部まで絶縁膜が配設さ
    れてることを特徴とするリチウム二次電池。
  2. 【請求項2】 前記電池ケースが、電流路として用いら
    れることなく電気的に中性の状態に保持されてなること
    を特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池。
  3. 【請求項3】 前記電池ケースの少なくとも一端をかし
    め加工することを特徴とする請求項1または2記載のリ
    チウム二次電池。
  4. 【請求項4】 少なくとも前記電池ケースの一端に放
    圧機構を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれ
    か一項に記載のリチウム二次電池。
  5. 【請求項5】 前記電池ケースの一端に正極出力端子
    を有し、かつ、前記電池ケースの他端に負極出力端子
    を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項
    に記載のリチウム二次電池。
  6. 【請求項6】 前記電池ケースの材質が、アルミニウム
    もしくはアルミニウム合金またはステンレスであること
    を特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチ
    ウム二次電池。
  7. 【請求項7】 電池容量が5Ah以上であることを特徴
    とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウム二
    次電池。
  8. 【請求項8】 電気自動車またはハイブリッド電気自動
    車に用いられることを特徴とする請求項1〜7のいずれ
    か一項に記載のリチウム二次電池。
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