JP4022761B2

JP4022761B2 - 二次電池及びその作製方法

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Publication number: JP4022761B2
Application number: JP2003147789A
Authority: JP
Inventors: 洋荒川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2023-05-26
Also published as: JP2004349201A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車及び情報関連機器などに用いられるリチウムイオン電池、Ｎｉ−ＭＨ電池などの二次電池に関する。
セパレータ２０には、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
Lｉイオン二次電池等の二次電池は、情報関連機器、通信機器の分野、または自動車用バッテリなど種々の分野で用いられている。
このような二次電池の一例として、特許文献１に示される二次電池がある。この二次電池は、セパレータを介して重畳される正極シート及び負極シートを前記セパレータと共に渦巻き状に巻回して構成される巻回電極体と、該巻回電極体を収納する円筒状の電池ケースとからなる。電池ケースの軸方向の一端部には、正極シートに接続された外部端子が設けられており、この外部端子には安全弁が装着されている。安全弁は、電池ケースの内圧が所定圧以上になったとき、電池ケースの内外を連通させるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１０２０２５号公報〔段落「００１３」、「００２２」、図１〕
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記二次電池では、巻回電極体は、各素材（正極シート、負極シート及びセパレータ）が堅固に巻回して構成されることから、巻回電極体内に過充電等の際に電解液から発生したガスが滞留しやすい。このため、過充電等の際には、巻回電極体内に滞留したガスより巻回電極体が膨れる。ガスは、巻回電極体の中心側でより滞留しやすくなっている。
また、巻回電極体内にガスが滞留した状態で、安全弁が開くと共に、巻回電極体が外部荷重を受けることなどにより短絡すると、又は短絡発生と共に安全弁が開くと、前記短絡に伴って生じるスパークが開口した安全弁に向かって移動する。このため、安全弁直下に存在する巻回電極体の正極シート及び負極シート（以下、適宜、両者を電極シートという。）が、前記スパークが有するエネルギー（スパークエネルギー）によって破れる。そして、火種（火花・火柱・火炎）が電池ケース外に吹き出して大気中の酸素、電解液が分解して生じる可燃ガスと結合し、発火を招く虞がある。
【０００５】
上述したように発火を招くようなことは、巻回電極体にガス抜き通路を設けていないことで、電池ケース外へガスが抜ける部分に対応する、安全弁直下の電極シートが破れるために生じる。しかし、この問題の解決策が講じられていないというのが実情であった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、巻回電極体からのガス抜きを適切に行えて発火防止を図ることができる二次電池及びその作製方法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】
請求項１に係る二次電池の発明は、正極シート及び負極シートの間にセパレータが介在するようにこれらを渦巻き状に巻回して構成される略円筒状の巻回電極体と、該巻回電極体を収納し、かつ内部で発生したガスを放出する安全弁が設けられた電池ケースとを有する二次電池であって、前記電池ケースは略直方体をなし、前記安全弁は、前記電池ケースにおける前記巻回電極体の外周面部に対向する第１面部に配置され、前記通路は、前記巻回電極体の中心部分から前記巻回電極体の外周面部における前記電池ケースの第１面部に対向する第１面部対向領域の背面側の領域である第２面部対向領域側のみに延び、その開口部が、該第２面部対向領域に配置されることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る二次電池の発明は、正極シート及び負極シートの間にセパレータが介在するようにこれらを渦巻き状に巻回して構成される略円筒状の巻回電極体と、該巻回電極体を収納し、かつ内部で発生したガスを放出する安全弁が設けられた電池ケースとを有し、前記電池ケースは略直方体をなし、前記安全弁は、前記電池ケースにおける前記巻回電極体の外周面部に対向する第１面部に配置され、前記セパレータは２枚用意される二次電池の作製方法であって、前記正極シート及び負極シートに孔を形成する孔形成工程と、２枚のセパレータの間に前記正極シート及び負極シートの一方が介在するようにこれらを積層し、この積層状態で２枚のセパレータ並びに前記正極シート及び負極シートを渦巻き状に巻回して巻回電極体を構成する巻回電極体構成工程と、を備え、前記孔形成工程では、前記正極シート及び負極シートに形成される孔及び前記セパレータに形成された複数の微小孔により、前記巻回電極体の中心部分から前記巻回電極体の外周面部における前記電池ケースの第１面部に対向する第１面部対向領域の背面側の領域である第２面部対向領域側のみに延び、該第２面部対向領域に開口部が配置される通路が形成されるように、前記孔を前記正極シート及び負極シートに形成することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態のリチウムイオン電池１（二次電池）を図１〜図６に基づいて説明する。
このリチウムイオン電池１は、図１及び２に示すように、略直方体の電池ケース２と、電池ケース２内に収納される巻回電極体３と、電池ケース２の内部に充填された電解液４と、電池ケース２に設けられた安全弁５と、から大略構成されている。電池ケース２は、幅ｄが略１２ｃｍ、奥行きｅが略２．５ｃｍ、高さｆが略１０ｃｍとされている。
【００１０】
安全弁５は、電池ケース２における巻回電極体３の後述する第１面部対向領域３ａに対向する面部（以下、第１面部２ａという。図１上側）に配置されている。なお、電池ケース２の第１面部２ａと対向する面部（図１下側、図２下側）を第２面部２ｂという。
【００１１】
巻回電極体３は、図３〜図６に示すように、正極シート６及び負極シート７の間にセパレータ８（この場合、２枚）の一方を介在させ、これらの各一端側（図３上側）を中心にして渦巻き状に巻回して構成されている。巻回電極体３は、例えば図５に示すように，組合せられて略楕円形状をなす巻芯９に巻回して得られ、断面が略楕円形状になっている。巻回電極体３は、大径寸法が略９２ｍｍ、小径寸法が略２３ｍｍとされている。本実施の形態では、セパレータ８は、２枚用いられており、それぞれを、以下、適宜、第１、第２セパレータ８ａ，８ｂという。
【００１２】
負極シート７の一端側（図３上側、図４上側）には負極リード端子１５が接続されている。また、正極シート６の他端側（図３下側）には正極リード端子１８が接続されている。負極、正極リード端子１５，１８のそれぞれは、巻回電極体３の各端部（図１左右側）から、巻回電極体３の軸方向（図１左右方向）と直交する方向に向けて延設され、それぞれの端部が巻回電極体３から突出している。この場合、負極、正極リード端子１５，１８のそれぞれは、巻回電極体３の外周面部３０のうち同等の領域に対応して設けられており、同等方向を向いている。この負極、正極リード端子１５，１８が設けられる部分に対応する巻回電極体３の外周面部３０の領域は、巻回電極体３が電池ケース２に収納された際に、電池ケース２の第１面部２ａに対面するようになっており、当該外周面部３０の領域を、第１面部対向領域３ａという。また、巻回電極体３の外周面部３０における第１面部対向領域３ａの背面側の領域を、第２面部対向領域３ｂという。
【００１３】
巻回電極体３は、第１面部対向領域３ａが電池ケース２の第１面部２ａに臨むように（すなわち負極リード端子１５及び正極リード端子１８の各端部が第１面部２ａに臨むように）、電池ケース２に収納されている。電池ケース２の第１面部２ａには、安全弁５を間にするように、外部負荷接続用の２つの外部端子が設けられている。この２つの外部端子は、巻回電極体３が電池ケース２に収納された状態で、負極、正極リード端子１５，１８にそれぞれ接続されている。２つの外部端子（以下、負極、正極リード端子１５，１８に対応して、適宜、負極、正極外部端子１５ａ，１８ａという。）のうち少なくとも正極外部端子１８ａは電池ケース２に対して絶縁されている。
【００１４】
正極シート６は、Al（アルミニウム）等の金属からなる集電箔（以下、正極集電箔という。）６ａと、正極活物質を含み正極集電箔６ａの両面に塗布された正極部材６ｂと、から構成されている。正極シート６は、長さｊ（図３上下方向）が略５０ｃｍ、幅ｋ（図３左右方向）が略１０ｃｍ、厚さｍ（図３紙面表裏方向）が略１００μｍとされている。正極シート６には、幅ｋ方向の中心に、長手方向に略同等間隔を空けて複数個（この実施の形態では６個）の孔１０〔以下、一端側（図３上側）から他端側（図３下側）の順に、正極シート第１〜６孔１０ａ〜１０ｆという。〕が形成されている。
【００１５】
負極シート７は、Cu（銅）等の金属からなる集電箔（以下、負極集電箔という。）７ａと、負極活物質を含み負極集電箔７ａの両面に塗布された負極部材７ｂと、から構成されている。負極シート７は、正極シート６と略同等の大きさとされている。負極シート７には、正極シート６と略同様に、幅ｋ方向の中心に、長手方向に略同等間隔を空けて複数個（この実施の形態では６個）の孔１１（以下、一端側から他端側の順に、負極シート第１〜６孔１１ａ〜１１ｆという。）が形成されている。
この実施の形態では、正極シート第１〜６孔１０ａ〜１０ｆ及び負極シート第１〜６孔１１ａ〜１１ｆは、負極シート７の第２面部対向領域３ｂに対応した部分に、互いに図１上下方向に一致した位置に、形成されている。
【００１６】
セパレータ８（第１、第２セパレータ８ａ，８ｂ）は、ポリエチレン又はポリプロピレン等で構成されている。このセパレータ８は、厚さが略２５μｍで、幅ｋ及び長さｊ寸法が正極シート６（負極シート７）よりわずかに大きい値とされ、全面にわたって多数の小孔４０を有している。
【００１７】
上述したように、正極シート第１〜６孔１０ａ〜１０ｆ及び負極シート第１〜６孔１１ａ〜１１ｆは、負極シート７の第２面部対向領域３ｂに対応した部分に互いに図１上下方向に一致した位置に形成されて、さらに、セパレータ８（第１、第２セパレータ８ａ，８ｂ）に、全面にわたって多数の小孔４０が形成されている。このように形成された正極シート第１〜６孔１０ａ〜１０ｆ、負極シート第１〜６孔１１ａ〜１１ｆ及び多数の小孔４０から、巻回電極体３の中心部分３ｃから延び外周面部３０（第２面部対向領域３ｂ）に開口する通路４１が形成されている。
そして、この通路４１は、第２面部対向領域３ｂ側、すなわち安全弁５と反対側の位置（安全弁５から離間した位置）に配置されている。
【００１８】
上述したように構成されたリチウムイオン電池１は、安全弁５から離間した位置になるように巻回電極体３の中心部分３ｃから延びる通路４１が形成されている。このため、過充電等による電池の異常時に、巻回電極体３の中心部分３ｃでガスが発生した場合、そのガスは、前記通路４１を通って第２面部対向領域３ｂから巻回電極体３の外部に流出され、巻回電極体３の周辺に形成されるデッドスペース４２を通って安全弁５から電池ケース２外に排出される。このため、巻回電極体３内にガスが滞留するようなことを抑制することができる。
【００１９】
また、巻回電極体３の中心部分３ｃからのガスは、直接、安全弁５に達して安全弁５から排出されるのでなく、前記通路４１を通過し、その開口部４１ａから流出して、第２面部２ｂに当接して方向を変え、デッドスペース４２を経由し、その後に、安全弁５から排出される。すなわち、巻回電極体３の中心部分３ｃからのガスは、安全弁５から排出される前に通路４１及びデッドスペース４２を迂回することになる。
【００２０】
このように、巻回電極体３の中心部分３ｃで発生したガスが、安全弁５から排出される前に、通路４１及びデッドスペース４２を迂回することから、当該リチウムイオン電池１の内部短絡に伴いスパークが発生しても、スパークエネルギーは、安全弁５に達する段階では小さくなっている。そして、安全弁５直下の巻回電極体３の電極シート（正極シート６及び負極シート７）にかかるスパークエネルギーは小さくなる。このため、安全弁５直下の巻回電極体３の電極シート（正極シート６及び負極シート７）は、従来技術で起こり得た破裂を招くことがない。また、上述したようにスパークエネルギーが安全弁５に達した段階では小さくなっていることから、上述した従来技術で起こり得る、火種（火花・火柱・火炎）の電池ケース外への吹き出しに伴う発火を回避することができる。
【００２１】
上述したリチウムイオン電池１は、巻回電極体３を作製し、この巻回電極体３を電池ケース２に収納し、電解液４を充填して得られる。そして、前記巻回電極体３は、次のように作製される。
まず、正極シート６及び負極シート７に孔１０（正極シート第１〜６孔１０ａ〜１０ｆ），１１（負極シート第１〜６孔１１ａ〜１１ｆ）を形成する（孔形成工程）。この場合、正極、負極シート６，７及び第１、第２セパレータ８ａ，８ｂの巻回により巻回電極体３が得られた際、正極シート第１〜６孔１０ａ〜１０ｆ、負極シート第１〜６孔１１ａ〜１１ｆが、一直線（通路４１に対応する部分）上に配置されるように、これら孔１０，１１が形成される。
【００２２】
次に、第１セパレータ８ａ、負極リード端子１５を接続した負極シート第２セパレータ８ｂ、正極リード端子１８を接続した正極シート６の順に重なるように（すなわち、第１セパレータ８ａ及び第２セパレータ８ｂの間に負極リード端子１５が介在するようにして）、各一端側を巻芯９に挟み込む（ステップＳ１）。この状態で、正極シート６が内側になるように巻芯９を回転させる（ステップＳ２、巻回電極体３構成工程）。この巻芯９の回転により、第１セパレータ８ａ、負極シート第２セパレータ８ｂ及び正極シート６が渦巻き状に巻回され、巻回電極体３が得られる（ステップＳ３、巻回電極体構成工程）。この際、巻芯９を抜いて巻回電極体３を構成してもよい。
【００２３】
上述したように作製された巻回電極体３を、第１面部対向領域３ａが第１面部２ａに、かつ第２面部対向領域３ｂが第２面部２ｂに対向するようにして電池ケース２に収納する。そして、負極リード端子１５及び正極リード端子１８が２つの負極、正極外部端子１５ａ，１８ａに接続されると共に、電解液４が電池ケース２内に注入されて当該リチウムイオン電池１が得られる。
【００２４】
【実施例】
上記実施の形態に基づいて、図７に示すように、正極シート６及び負極シート７にそれぞれ、正極シート第１〜６孔１０ａ〜１０ｆ、負極シート第１〜６孔１１ａ〜１１ｆを形成した、すなわち通路４１が形成された巻回電極体３を有する１２Ａｈのリチウムイオン電池１（実施例）を、１０本作製し、８５Ａの過充電試験を行った。また、この実施例のリチウムイオン電池１の試験結果と比較するため、図８に示すように、正極シート第１〜６孔１０ａ〜１０ｆ、負極シート第１〜６孔１１ａ〜１１ｆを形成していない巻回電極体を有する１２Ａｈのリチウムイオン電池1Ａ（比較例）を、１０本作製し、前記と同様の８５Ａの過充電試験を行った。
【００２５】
上記過充電試験により、図９の表に示す試験結果が得られた。
すなわち、比較例では、可燃ガスと火種噴出による電池ケース外の発火、電池ケースの溶接部の亀裂による破裂・発火を含めた発火確率は７０％であった。これに対し、実施例では、火種の噴出を抑制することができ，発火確率は０％（全て発煙のみ）に抑えることができた。
上記試験結果に示されるように、正極シート６及び負極シート７のそれぞれに、正極シート第１〜６孔１０ａ〜１０ｆ、負極シート第１〜６孔１１ａ〜１１ｆを形成する、すなわち巻回電極体３に前記通路４１を形成することにより、巻回電極体３からのガス抜きを適切に行えて発火防止を図ることができることが明らかになった。
【００２６】
上記実施の形態及び実施例では、二次電池がリチウムイオン電池１である場合を例にしたが、これに代えてＮｉ−ＭＨ電池などの他の二次電池に本発明を適用してもよい。
上記実施の形態及び実施例では、巻回電極体３が偏平形状である場合を例にしたが、これに代えて円筒状に形成するようにしてもよい。また、上記実施の形態及び実施例では、電池ケース２は，略直方体である場合を例にしたが、これに限らず、円筒型としてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１、２に記載に係る発明によれば、安全弁から離間した位置になるように巻回電極体の中心部分から延びる通路が形成されている。このため、過充電等による電池の異常時に、巻回電極体の中心部分でガスが発生した場合、そのガスは、通路を通って、安全弁から排出される。このため、巻回電極体内にガスが滞留するようなことを抑制することができる。
また、巻回電極体の中心部分でガスが発生した場合、そのガスは、発生部から直接に安全弁に達して安全弁から排出されるのではなく、前記通路を通って安全弁から離間した位置に配置された開口部から流出した後、この流出部分からさらに安全弁まで移動した後に安全弁から排出される。このように前記ガスがこのように安全弁に達する前に、迂回されることから、短絡に伴いスパークが発生しても、スパークエネルギーは、小さくなって安全弁に達する。このため、安全弁直下の巻回電極体の正極シート及び負極シートが、従来技術で起こり得た破裂を招くことがない。また、火種（火花・火柱・火炎）の電池ケース外への吹き出しに伴う発火を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のリチウムイオン電池を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のリチウムイオン電池を模式的に示す側面図である。
【図３】図１の巻回電極体に用いる正極シート、負極シート、第１、第２セパレータを示す平面図である。
【図４】図３の正極シート、負極シートを模式的に示す斜視図である。
【図５】図１の巻回電極体及びこの作製に用いる巻芯を模式的に示す図である。
【図６】図１の巻回電極体の一部を模式的に示す断面図である。
【図７】過充電試験に用いる実施例のリチウムイオン電池を模式的に示す断面である。
【図８】図５の実施例と比較するための比較例を模式的に示す断面である。
【図９】過充電試験の結果を表形式で示す図である。
【符号の説明】
１リチウムイオン電池
２電池ケース
２ａ第１面部
２ｂ第２面部
２ｃ中心部分
３巻回電極体
３０外周面部
３ａ第１面部対向領域
３ｂ第２面部対向領域
５安全弁
６正極シート
７負極シート
８セパレータ
１０孔
１０ａ〜１０ｆ正極シート第１〜６孔
１１孔
１１ａ〜１１ｆ負極シート第１〜６孔
４０小孔
４１通路
８ａ，８ｂ第１、第２セパレータ

Claims

正極シート及び負極シートの間にセパレータが介在するようにこれらを渦巻き状に巻回して構成される略円筒状の巻回電極体と、該巻回電極体を収納し、かつ内部で発生したガスを放出する安全弁が設けられた電池ケースとを有する二次電池であって、
前記電池ケースは略直方体をなし、
前記安全弁は、前記電池ケースにおける前記巻回電極体の外周面部に対向する第１面部に配置され、
前記通路は、前記巻回電極体の中心部分から前記巻回電極体の外周面部における前記電池ケースの第１面部に対向する第１面部対向領域の背面側の領域である第２面部対向領域側のみに延び、その開口部が、該第２面部対向領域に配置されることを特徴とする二次電池。
正極シート及び負極シートの間にセパレータが介在するようにこれらを渦巻き状に巻回して構成される略円筒状の巻回電極体と、該巻回電極体を収納し、かつ内部で発生したガスを放出する安全弁が設けられた電池ケースとを有し、前記電池ケースは略直方体をなし、前記安全弁は、前記電池ケースにおける前記巻回電極体の外周面部に対向する第１面部に配置され、前記セパレータは２枚用意される二次電池の作製方法であって、
前記正極シート及び負極シートに孔を形成する孔形成工程と、
２枚のセパレータの間に前記正極シート及び負極シートの一方が介在するようにこれらを積層し、この積層状態で２枚のセパレータ並びに前記正極シート及び負極シートを渦巻き状に巻回して巻回電極体を構成する巻回電極体構成工程と、を備え、
前記孔形成工程では、前記正極シート及び負極シートに形成される孔及び前記セパレータに形成された複数の微小孔により、前記巻回電極体の中心部分から前記巻回電極体の外周面部における前記電池ケースの第１面部に対向する第１面部対向領域の背面側の領域である第２面部対向領域側のみに延び、該第２面部対向領域に開口部が配置される通路が形成されるように、前記孔を前記正極シート及び負極シートに形成することを特徴とする二次電池の作製方法。