JP4204237B2 - リチウム二次単電池およびリチウム二次単電池の接続構造体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次単電池(以下、単に「単電池」ともいう)及びリチウム二次単電池の接続構造体(以下、単に「接続構造体」ともいう)に関し、更に詳しくは、使用による性能の低下防止及び長寿命化を図ったリチウム二次単電池及びリチウム二次単電池の接続構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、リチウム二次単電池は、携帯型の通信機器やノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器の電源として広く用いられている。また、国際的な地球環境の保護のための省資源化や省エネルギー化の要請が高まり、電気自動車やハイブリッド電気自動車(以下、単に「電気自動車等」ともいう)のモータ駆動用バッテリーとして、リチウム二次単電池の開発が進められている。このリチウム二次単電池は、モータを駆動させるために必要な電圧を確保すべく、複数の単電池を直列に接続した接続構造体として用いられる。このリチウム二次単電池及びリチウム二次単電池の接続構造体は、電気自動車等の使用年数が5年から10年程度であることから、それと同程度の寿命をもつことが望まれている。
【0003】
このリチウム二次単電池は、高い作動電圧及び高エネルギー密度を有し、大電流の放電をできるという利点を有するものの、大きく発熱し、電池温度が上昇しやすいという不都合を有している。この発熱による電池温度の上昇は、電流が流れる際に生じる内部電極体の内部抵抗によるものであり、内部電極体は温度が上昇して高温状態に晒され続けると、その内部抵抗は更に上昇することになり、結果として、電池容量は減少し、急激に性能が低下するという不都合があった。
【0004】
しかし、リチウム二次単電池は、このような不都合があるにもかかわらず、発熱を防止するための対策は充分になされていないのが現状であり、使用による性能の低下が不可避であるとともに、寿命が短いという問題があった。また、リチウム二次単電池の接続構造体は、各リチウム二次単電池が熱を放出しやすいように、単電池の間に空間を設ける必要があるため、接続構造体の体積効率が悪いという問題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リチウム二次単電池及びリチウム二次単電池の接続構造体の発熱を防止して適切な温度範囲に保持することにより、使用による性能の低下防止及び長寿命化を図ったリチウム二次単電池及びリチウム二次単電池の接続構造体を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、正極板と負極板とをセパレータを介して巻芯の外周壁を囲繞するように捲回してなる、非水電解液を含浸した内部電極体と、前記内部電極体を、その内部に同軸に収容した筒状の電池ケースとを備えたリチウム二次単電池であって、電池蓋、外部端子、及び内部端子を有する、前記内部電極体を封止した電極蓋と、前記正極板と前記負極板のそれぞれの少なくとも一方の端面に直接的に接合する集電部材と、を更に備えるとともに、前記正極板、前記負極板、前記外部端子、前記内部端子、及び前記集電部材を含む電流経路が構成されており、前記リチウム二次単電池の中心軸方向の熱伝導率(X)と、径方向の熱伝導率(Y)との熱伝導率比率(X/Y)が50以上であることを特徴とするリチウム二次単電池、が提供される。
【0007】
本発明においては、熱伝導率比率(X/Y)が100以上であることが好ましい。
【0008】
この構成条件は、2Ah以上の容量を有するリチウム二次単電池に好適であり、特に、車載用として、エンジン起動用ならびに電気自動車用又はハイブリッド電気自動車用に好適に用いられる。
【0009】
また、本発明によれば、上述のリチウム二次単電池を、ブスバーにより複数個を直列的、及び/又は並列的に接続してなるリチウム二次単電池の接続構造体、が提供される。本発明においては、電流経路が、ブスバーを含むことが好ましい。
【0010】
この構成条件は、リチウム二次単電池が2Ah以上の容量を有するものに好適であり、特に、車載用として、エンジン起動用ならびに電気自動車用又はハイブリッド電気自動車用に好適に用いられる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明のリチウム二次単電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して、捲回又は積層してなる、非水電解液を含浸した内部電極体と、この内部電極体を内部に収容した電池ケースと、電池蓋、外部端子、及び内部端子を有する、前記内部電極体を封止した電極蓋とを備えたものであり、またリチウム二次単電池の接続構造体は、前記リチウム二次単電池を、ブスバーにより複数個を直列的、及び/又は並列的に接続してなるものである。
従って、その他の材料及び構造には何ら制限がない。以下、単電池及び接続構造体を構成する主要部材及びその構造について説明する。
【0012】
捲回型の内部電極体は、図4に示されるように、正極板2及び負極板3(以下、「電極板2、3」ともいう)を、多孔性ポリマーからなるセパレータ4を介して正極板2と負極板3とが直接に接触しないように巻芯13の外周壁を囲繞するように配設して構成される。また、積層型の内部電極体は、図5に示されるように、一定面積を有する所定形状の正極板8と負極板9とをセパレータ10を挟みながら交互に積層して構成される。なお、正極板8及び負極板9の使用材料や作製方法は、捲回型の内部電極体1と同様である。
【0013】
正極板2は集電基板の両面に正極活物質を塗工することによって作製される。集電基板としては、アルミニウム箔やチタン箔等の正極電気化学反応に対する耐蝕性が良好である金属箔が用いられるが、箔以外にパンチングメタル又はメッシュ(網)を用いることもできる。また、正極活物質としては、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)やコバルト酸リチウム(LiCoO2)等のリチウム遷移金属複合酸化物が好適に用いられ、これらにアセチレンブラック等の炭素微粉末を導電助剤として加えることが好ましい。
【0014】
負極板3は、正極板2と同様にして作製することができる。負極板3の集電基板としては、銅箔又はニッケル箔等の負極電気化学反応に対する耐蝕性が良好な金属箔が好適に用いられる。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や天然黒鉛等の高黒鉛化炭素質粉末が好適に用いられる。
【0015】
セパレータ4としては、マイクロポアを有するLiイオン透過性のポリエチレンフィルム(PEフィルム)を、多孔性のLiイオン透過性のポリプロピレンフィルム(PP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。
【0016】
この電極板2、3とセパレータ4の囲繞作業時に、電極板2、3において電極活物質の塗工されていない集電基板が露出した部分に、正極用集電タブ5及び負極用集電タブ6(以下、「集電タブ5、6」ともいう)がそれぞれ取り付けられる。集電タブ5、6としては、それぞれの電極板2、3の集電基板と同じ材質からなる箔状のものが好適に用いられる。ここで、図4の捲回型電極体1においては、複数の集電タブ5、6が各々示されているが、捲回型電極体1の場合、集電タブ5、6は各々少なくとも1枚あればよい。ただし、これらの集電タブ5、6の数を増やすことにより、電池の内部抵抗を低減することができる。更には、電極板2、3について、各々の複数箇所に集電タブ5、6を取り付けて集電することが、熱伝導性を良好にすることができるために好ましい。
【0017】
非水電解液としては、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)、プロピレンカーボネート(PC)といった炭酸エステル系有機溶媒や、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単独溶媒又は混合溶媒が好適に用いられる。
【0018】
電解質としては、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)やホウフッ化リチウム(LiBF4)等のリチウム錯体フッ素化合物、又は過塩素酸リチウム(LiClO4)といったリチウムハロゲン化物が挙げられ、1種類又は2種類以上を前記溶媒に溶解して用いる。特に、酸化分解が起こり難く、非水電解液中でのリチウムイオン導電性の高いLiPF6を用いることが好ましい。
【0019】
電極蓋は、図1に示すように、電池を蓋するための電池蓋15A、15B、電池内部において一時的に電流を集電する為の内部端子17A、17B、電流を電池外部に取り出すための外部端子16A、16Bを有するものであり、各極の電気化学反応から、正極の電極蓋にはアルミニウム、負極の電極蓋には銅、ニッケル又はそれらのいずれかの合金からなるものが好適に用いられる。いずれの金属も純度は90%以上あれば問題なく使用することができる。
【0020】
電池ケースとしては、金属製のパイプが好適に用いられ、アルミニウム製パイプやステンレス製パイプが好適に用いられる。このように、電池ケースとして金属部材が用いられることから、電池ケースの内面と内部電極体との外周の間に絶縁性ポリマーフィルムを挟み込み、内部電極体と電池ケースとの導通及び集電タブと電池ケースとの導通を防止することが好ましい。
【0021】
単電池を作製するには、まず、内部電極体の両端に取り付けられている集電タブをそれぞれ電極蓋の内部端子に接続して電池素子を作製し、この電池素子を電池ケースに挿入して安定な位置にホールドする。次いで、非水電解液を含浸させた後に、電極蓋と電池ケースとを接合して内部電極体を封止するとよい。
【0022】
リチウム二次単電池の接続構造体とは、図2及び図3に示すように、リチウム二次単電池の正極外部端子と、それ以外のリチウム二次単電池の負極外部端子とを接続し、複数個の単電池が直列に接続されたものをいう。この単電池の接続には、ブスバー26を好適に用いることができる。このブスバー26としては、導電性がよく、外部端子との接続抵抗が小さい金属材料が用いられ、その材質は外部端子の材質により選択される。外部端子がアルミニウムからなるときにはブスバー26にもアルミニウムからなるものを用い、外部端子が銅からなるときにブスバー26にも銅からなるものを用いることが好ましい。また、正極、負極外部端子の材質に異なるものを用いる場合には、クラッド材等の異種材料の接合体(例えばアルミニウムと銅の接合体)を用いることも可能である。ブスバー26の形状としては、板状のものやパンチングメタル、又はメッシュ(網)のものを用いることができる。パンチングメタルやメッシュ(網)のブスバーを用いると、これらの形状は表面積が大きいため、冷却効率を向上させることができるために好ましい。
【0023】
この接続構造体27を用いると、単電池18を適当な枠によって固定することにより、上下、左右に単電池18を積み重ねて収納することができ、多数の単電池18をコンパクトに収納することができるようになる。
【0024】
以上説明したような部材及び構造を有するリチウム二次単電池は、内部電極体中をリチウムイオンが移動することで電流が流れ、電池温度が上昇すると、リチウムイオンが移動しやすくなり、電流もより流れやすくなる。従って、電池に温度勾配ができると、高温部は他の部分に比べ電流が流れやすくなり、電流が集中し、高温部は更に発熱し、そして更に電流が集中していくという悪循環を起こすことになり、結果として、リチウム二次単電池の容量は減少し、性能が低下することになる。
【0025】
図1は、捲回型の内部電極体1を有するリチウム二次単電池18を示している。このリチウム二次単電池18は、内部電極体1をアルミ製又はステンレス製の電池ケース14に収納し、電池ケース14の両端をアルミ製の電極蓋とアルミ製又は銅製の電極蓋により封止してなるものである。捲回型の内部電極体は、図4に示すように、アルミ製の巻芯13の外周壁を囲繞するように、電極活物質を塗工した、アルミ製の正極板2と銅製又はニッケル製の負極板3とを樹脂製のセパレータ4を介して捲回した捲回体の両端に、電流を外部へ導出するための、アルミ製の複数枚の正極用集電タブ5と銅製又はニッケル製の複数枚の負極用集電タブ6とを接続してなるものである。この内部電極体1の正極及び負極の集電タブ5、6は、溶接等の方法を用いてそれぞれの電極蓋に接続されている。
【0026】
このリチウム二次単電池は、電池の中心軸方向の場合、内部に発生した熱は電流経路を通って電池表面から放出される。この場合の伝熱経路は、正極板、負極板、正極用集電タブ、負極用集電タブ、内部端子、及び外部端子等の構成部材からなる電流経路と同一である。また、これらの構成部材は全て金属製であるため、電池を中心軸方向にみると熱が伝導しやすい構造になっている。一方、電池の径方向の場合、内部に発生した熱が電池表面から外部へ放出されるためには、内部電極体の捲回体を横断する必要がある。この場合の伝熱経路には、正極板及び負極板の積層構造、電極活物質、電解液、セパレータ等の金属に比べて熱伝導率の低いものが介在しており、中心軸方向に比べ熱は伝導しにくい構造になっている。図1に示すリチウム二次単電池18を用いて、本発明者らが電池内部の熱伝導率を計算したところ、電池の中心軸方向では34.0W/m・K、電池の径方向では0.30W/m・Kとなり、熱伝導率比率(電池の中心軸方向/電池の径方向)は113という結果となった。
なお、上述したような伝熱経路や熱伝導率の傾向は積層型の内部電極体を用いたリチウム二次単電池においても同様である。
【0027】
本発明のリチウム二次単電池は、電流経路を冷却するための手段を備えるように構成されている。また、冷却される前記電流経路は外部端子を含むことが好ましく、具体的には、図1に示すように、冷却手段28が外部端子16A、16Bを冷却するように、前記冷却手段が配置されてリチウム二次単電池が構成されることが好ましい。このような構成とすることにより、熱伝導率のよい、電池の中心軸方向の伝熱経路即ち電流経路を通じて、リチウム二次単電池の内部に発生した熱を効果的に取り除くことができる。従って、本発明によれば、リチウム二次単電池の性能の低下防止及び長寿命化を図ることができる。
【0028】
また、本発明に係るリチウム二次単電池は、図6に示すように、少なくとも1枚の金属箔体60から構成された正極板及び負極板が捲回又は積層された、その内部に非水電解液を含浸した内部電極体(捲回型内部電極体61)と、この捲回型内部電極体61から電流を導出するための正極集電部材62Aと負極集電部材62Bとを備え、前述の金属箔体60の端縁と、正極集電部材62A及び/又は負極集電部材62Bの所定箇所とを接合することにより、捲回型内部電極体61から電流を導出するように構成し、更に金属箔体60の端縁のうち、正極集電部材62A及び/又は負極集電部材62Bの所定箇所と接合されるべく配列された端縁(接合端縁)と、正極集電部材62A及び/又は負極集電部材62Bの所定箇所とを接合してなる構成を有するものであり、外部端子(正極外部端子70A、負極外部端子70B)を冷却手段28により冷却することが好ましい。即ち、図1において示す集電タブ5、6を用いることなく、正極板及び負極板を構成する金属箔体の端面を集電部材に直接的に接合しており、両電極板の複数箇所から集電する構造としているために伝熱経路が短く、冷却効率に優れており、また、集電タブを用いてなる構造のリチウム二次単電池に比して体積効率にも優れているために好ましい。
【0029】
なお、前述の金属箔体の端縁と両極集電部材の所定箇所との接合にはレーザー溶接等が好適に採用される。また、図6においては、電極リード部材72を用いて正極集電部材62Aと正極内部端子69A、及び負極集電部材62Bと負極内部端子69Bを接続した状態を示しているが、正極集電部材62Aと正極内部端子69A、及び負極集電部材62Bと負極内部端子69Bを直接的に接続してもよい。
【0030】
なお、冷却手段には特に制限はなく、リチウム二次単電池の外部端子を適切に冷却できる手段であればよい。そのような手段として、適当に冷却された気体や液体、又は電気やガス等をエネルギー源とした冷却装置が挙げられ、具体的には、電流経路即ち外部端子を中心に冷却できるように配設された空気吹きつけ装置、又は冷却フィン付き装置を挙げることができ、更に、電気をエネルギー源とした冷却装置として、具体的にはペルチェ素子を挙げることができる。
【0031】
また、本発明のリチウム二次単電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して巻芯の外周壁を囲繞するように捲回してなる、非水電解液を含浸した内部電極体と、この内部電極体を、その内部に同軸に収容した筒状の電池ケースとを備えたリチウム二次単電池であって、このリチウム二次単電池の中心軸方向の熱伝導率(X)と、径方向の熱伝導率(Y)との熱伝導率比率(X/Y)が50以上であることを特徴とする。以下、その詳細について説明する。
【0032】
前記中心軸方向、及び径方向の熱伝導率は、リチウム二次単電池を構成する各々の構成部材の熱伝導率、厚さ(長さ)の値から、各々の方向について算出する合成熱伝導率である。ここで、各々の構成部材の熱伝導率はこれらを構成する材質、気孔率等により変化する値であり、特に正極及び負極活物質の熱伝導率はこれらを構成する材質、気孔率に大きく左右される。また、合成熱伝導率は構成部材の厚さ(長さ)によっても大きく左右されるため、同種の材質を用いたとしても熱伝導率は異なった値となる場合がある。
捲回型内部電極体を備えたリチウム二次単電池については、径方向の伝熱経路に比して中心軸方向の伝熱経路の方が長いことが一般的であり、具体的には、中心軸方向の伝熱経路の長さは、径方向の伝熱経路の長さの数倍から10倍程度である。
【0033】
本発明のリチウム二次単電池は、中心軸方向の熱伝導率(X)と、径方向の熱伝導率(Y)との熱伝導率比率(X/Y)が50以上、即ち、径方向の熱伝導率(Y)に対して中心軸方向の熱伝導率(X)が充分に大きいために冷却効率に優れており、発熱が防止されることによって性能の低下が防止され、長寿命であるといった特徴を有している。また、例えば冷却手段を備え、電流経路を冷却するように電池を構成した場合、電池内部の熱がより効率的に放出されるために更に好ましい。なお、より冷却効率を高めるといった観点からは、中心軸方向の熱伝導率(X)と、径方向の熱伝導率(Y)との熱伝導率比率(X/Y)が100以上であることが好ましい。
【0034】
本発明のリチウム二次単電池の構成条件は、電池容量が2Ah以上のものに好適に採用される。また、電池の用途も限定されるものではないことはいうまでもないが、長期的に性能の低下防止が要求される車載用大容量電池として、エンジン起動用、中でも電気自動車用又はハイブリッド電気自動車用のモータ駆動用に特に好適に用いることができる。
【0035】
また、本発明のリチウム二次単電池の接続構造体は、電流経路を冷却するための手段を備えるように構成されている。冷却される前記電流経路はブスバーを含むことが好ましく、具体的には、図2、図3に示すように、冷却手段28が、ブスバー26を冷却するように、前記冷却手段が配置されて接続構造体が構成されることが好ましい。このような構成とすることにより、熱伝導率のよい、電池の中心軸方向の伝熱経路即ち電流経路を通じて、リチウム二次単電池の内部に発生した熱を効果的に取り除くことができる。従って、本発明によれば、リチウム二次単電池の接続構造体の性能の低下防止及び長寿命化を図ることができる。
なお、冷却手段は、リチウム二次単電池と同様に、特に制限はなく、ブスバーを適切に冷却できる手段であればよい。具体的手段としては、リチウム二次単電池と同様のものが挙げられる。
【0036】
更に、本発明のリチウム二次単電池が、リチウム二次単電池の電流経路を冷却するための手段を備え、且つ本発明のリチウム二次単電池の接続構造体が、リチウム二次単電池の接続構造体の電流経路を冷却するための手段を備えることが、更に好ましいことはいうまでもない。
【0037】
本発明を用いたリチウム二次単電池の接続構造体は、従来のように単電池の間に放熱のための空間を設ける必要がなく、単電池と単電池の間に隙間がないような接続構造体の作製が可能となる。従って、図3に示すように、積層型の電極体を用いたリチウム二次単電池の接続構造体27であれば、単電池18の間にまったく隙間のない接続構造体27を実現できることとなる。
【0038】
このような本発明のリチウム二次単電池の接続構造体の構成条件は、リチウム二次単電池の電池容量が2Ah以上のものに好適に採用される。また、リチウム二次単電池の接続構造体の用途も限定されるものではないことはいうまでもないが、長期的な性能の低下防止が要求される車載用大容量単電池の接続構造体として、エンジン起動用、中でも電気自動車又はハイブリッド電気自動車のモータ駆動用に特に好適に用いることができる。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のリチウム二次単電池及びリチウム二次単電池の接続構造体は、リチウム二次単電池及びリチウム二次単電池の接続構造体の発熱を防止して適切な温度範囲に保持することにより、性能の低下防止及び長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 リチウム二次単電池の一例を示す断面図である。
【図2】 本発明のリチウム二次単電池の接続構造体の一実施形態を示す模式上面図である。
【図3】 本発明のリチウム二次単電池の接続構造体の別の一実施形態を示す模式斜視図である。
【図4】 捲回型の内部電極体の一実施形態を示す斜視図である。
【図5】 積層型の内部電極体の一実施形態を示す斜視図である。
【図6】 本発明のリチウム二次単電池の一実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
1…捲回型電極体、2…正極板、3…負極板、4…セパレータ、5…正極用集電タブ、6…負極用集電タブ、7…積層型電極体、8…正極板、9…負極板、10…セパレータ、11…正極用集電タブ、12…負極用集電タブ、13…巻芯、14…電池ケース、15A…正極電池蓋、15B…負極電池蓋、16A…正極外部端子、16B…負極外部端子、17A…正極内部端子、17B…負極内部端子、18…単電池、19…弾性体、20…放圧孔、21…金属箔、23…絞り加工部、24…かしめ加工部、26…ブスバー、27…単電池の接続構造体、28…冷却手段、60…金属箔体、61…捲回型内部電極体、62A…正極集電部材、62B…負極集電部材、67…巻芯、68…電池、69A…正極内部端子、69B…負極内部端子、70A…正極外部端子、70B…負極外部端子、71A…正極電池蓋、71B…負極電池蓋、72…電極リード部材、73…電池ケース、74…くびれ加工部、75…放圧孔。
Claims (11)
- 正極板と負極板とをセパレータを介して巻芯の外周壁を囲繞するように捲回してなる、非水電解液を含浸した内部電極体と、前記内部電極体を、その内部に同軸に収容した筒状の電池ケースとを備えたリチウム二次単電池であって、
電池蓋、外部端子、及び内部端子を有する、前記内部電極体を封止した電極蓋と、
前記正極板と前記負極板のそれぞれの少なくとも一方の端面に直接的に接合する集電部材と、を更に備えるとともに、
前記正極板、前記負極板、前記外部端子、前記内部端子、及び前記集電部材を含む電流経路が構成されており、
前記リチウム二次単電池の中心軸方向の熱伝導率(X)と、径方向の熱伝導率(Y)との熱伝導率比率(X/Y)が50以上であることを特徴とするリチウム二次単電池。 - 前記熱伝導率比率(X/Y)が100以上である請求項1に記載のリチウム二次単電池。
- 2Ah以上の容量を有する請求項1又は2に記載のリチウム二次単電池。
- 車載用である請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム二次単電池。
- エンジン起動用である請求項4に記載のリチウム二次単電池。
- 電気自動車用又はハイブリッド電気自動車用である請求項4又は5に記載のリチウム二次単電池。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウム二次単電池を、ブスバーにより直列的、及び/又は並列的に複数個接続してなるリチウム二次単電池の接続構造体。
- 前記電流経路が、前記ブスバーを含む請求項7に記載のリチウム二次単電池の接続構造体。
- 車載用である請求項7又は8に記載のリチウム二次単電池の接続構造体。
- エンジン起動用である請求項9に記載のリチウム二次単電池の接続構造体。
- 電気自動車用又はハイブリッド電気自動車用である請求項9又は10に記載のリチウム二次単電池の接続構造体。
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