JP4658467B2 - リチウム二次電池用電極およびリチウム二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、電極を複数枚積層して構成されるリチウム二次電池、および、該電池に用いられるリチウム二次電池用電極に関する。

図１６に、従来のリチウム二次電池の一例を示す。このリチウム二次電池１は、いわゆる角型と呼ばれるもので、複数の正極電極（電極）２…と、負極電極（電極）３…と、これら正極電極２…及び負極電極３…の間にそれぞれ配置されたセパレータ４…と、非水電解液とを主体として構成されている。
正極電極２…、負極電極３…及びセパレータ４…並びに非水電解液は、ステンレス等からなる電池ケース５に収納されている。そして電池ケース５の開口部には封口体６が取り付けられている。

電池ケース５内においては、正極電極２…、セパレータ４…及び負極電極３…が交互に複数重ね合わされて収納されている。
正極電極２…の一端には正極タブ部１２ａ…が形成され、正極タブ部１２ａ…の上部には該正極タブ部１２ａ…を連結する正極リード１２ｂが取り付けられている。
そして、正極リード１２ｂの上部には、封口体６を貫通する正極端子７が取り付けられている。
また、負極電極３…の一端には負極タブ部１３ａ…が形成され、負極タブ部１３ａ…の上部には該負極タブ部１３ａ…を連結する負極リード１３ｂが取り付けられている。
そして、負極リード１３ｂの上部には、封口体６を貫通する負極端子８が取り付けられている。
上記構成によって、正極端子７及び負極端子８により、正極電極２…及び負極電極３…からの電流を取り出せるように構成されている。
また、封口体６のほぼ中央には安全弁９が設けられている。
特開平５−３１４９８４号公報 特開平５−３１４９８５号公報 特開平５−３１４９６９号公報

このようなリチウム二次電池において、大型化、大容量化に伴い、内部短絡発生時に短絡部に流れる電流・時間が大きく、長くなる傾向がある。
電池容量が数Ｗｈの小型リチウム電池（１８６５０型）では発熱は８０℃から１００℃程度であるが，数百Ｗｈの大型リチウム二次電池の場合、強制的に内部短絡させると、数千Ａの電流が流れ、４００℃以上の温度上昇が生ずる。
局所的な短絡電流のレベルが所定の閾値を越えると、ジュール発熱による局所的な温度上昇によりさらに発熱反応が進む熱暴走が進行する可能性があるため、短絡電流の局所集中を抑えることが電池の信頼性を向上させることにつながる。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、短絡時の短絡電流の局所集中を抑えることができる電池用電極および電池を提供することを目的とする。

本発明においては上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に記載の発明は、複数枚積層されて電池を構成するリチウム二次電池用電極において、集電体に電極層がコーティングされて構成された電極本体と、該電極本体の一端に設けられ電池端子とつながるタブ部とを備え、前記電極本体には、前記集電体及び前記電極層を打ち抜かれた切り込みにより限界されることで、該切り込みで隔てられた両側の極板区画よりも幅が狭い電極領域を形成し電流経路を制限する抵抗部が設けられていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電池用電極において、前記タブ部にも、該タブ部を打ち抜かれた切り込みにより限界されることで、該切り込みで隔てられた両側の極板区画よりも幅が狭い電極領域を形成し電流経路を制限する抵抗部が設けられていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の電池用電極において、前記電極が、前記切り込みによって複数の前記極板区画に分割され、各極板区画が前記抵抗部によって互いに連結した状態となっていることにより電流経路が長くとられていることを特徴とする。

本発明の概略を図１５に示す。
図１５(a)は従来例であって、正極と負極とを一組とする電極群が並列に接続され、一つの電池を構成している。
ある部分で抵抗Ｒ_Ｓ（≒０Ω）の短絡が発生すると、電極の内部抵抗Ｒ_ｉに短絡電流がながれる。内部抵抗Ｒ_ｉは小さいため大電流Ｉが流れ、電流の二乗に比例した発熱が発生する。
図１５(b)のように、電極内に抵抗Ｒ_ｈを設けると、短絡時に流れる電流が抑えられ（電流Ｉ’＜Ｉ）、その結果温度上昇速度は従来よりも低下し、発熱速度が放熱速度を下回ると、熱暴走が抑えられる。
すなわち、本発明のように電極内に抵抗部を設けることにより、上記のように短絡時に局所的に大電流が流れることを防止し、発熱を抑える。
さらに、電流の経路を細く長くし、電流経路抵抗を大きくすることが有効であることもわかっている。
また、電極本体とタブ部の両方に抵抗部を設ければ、電極本体またはタブ部のいずれか一方に抵抗部を設ける場合よりも、全体の抵抗値の合計を抑えつつ非常に効果的に発熱を抑制できることもわかった。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のリチウム二次電池用電極において、前記抵抗部は、短絡電流に起因する熱により溶解することを特徴とする。

本発明においては、抵抗部がヒューズとなって溶解することにより、短絡部分を電気的に隔離し、短絡電流を遮断することでそれ以上の発熱を防ぐ。例えば電極の材質がアルミニウムであれば、融点は約６６０℃であるから、短絡時に流れる電流によって抵抗部がこの温度を超えるように抵抗部のサイズを決める。
電極またはタブ部に抵抗部が複数設けられている場合、そのうちの一部が熱により溶解することとしてもよい。この場合溶解した抵抗部により短絡部分が電気的に隔離される、あるいは，電流経路が制限されることで流れる短絡電流を抑える。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４いずれかに記載のリチウム二次電池用電極において、前記電極がセパレータに融着されていることを特徴とする。

この発明においては切り込みに沿って電極が折れてしまう等の製造上の不都合が解消され、電極の取扱性が向上する。

請求項６に記載の発明は、電極を複数枚積層してなるリチウム二次電池において、前記電極は請求項１から５のいずれかに記載のリチウム二次電極であることを特徴とする。

本発明によれば、電極が短絡した場合に、抵抗部によって短絡電流が抑えられ、または抵抗部が溶解して短絡部が電気的に隔離されることで、電池の熱暴走を防止し、より信頼性の高い電池とすることができる。

本発明においては以下の効果を得ることができる。
電極内またはタブ部に抵抗部を設けることにより、短絡時に大電流が流れることを防止し、発熱を抑える。また、抵抗部を熱により溶解するヒューズとすることで、短絡部分が電気的に隔離される。したがってこのような電極を電池に採用することで、電池の熱暴走を防止し、より信頼性の高い電池とすることができる。
さらに、電極本体とタブ部の両方に抵抗部を設けることにより、非常に効果的に発熱を抑制できる。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本実施形態にかかる電極（正極、負極）１５である。電極１５は、電池端子とつながるタブ部１５ａと電極本体１５ｂとを備え、電極本体１５ｂの上縁端部から、電極本体１５ｂより幅狭のタブ部１５ａが上方に突き出すように設けられている。
電極本体１５ｂは、幅が狭く細長い複数の極板区画１６，１６…に分割され、各極板区画１６，１６…は互いに絶縁領域として隙間（切り込み）１７を隔てた状態で、ヒューズ部（抵抗部）１８によって連結されている。これにより電流経路が細く長くなった状態となっている。すなわち、極板区画１６，１６…自体の電流経路抵抗が従来より大きい状態となる。ヒューズ部１８は隙間１７により限界された幅の狭い電極領域であって、幅が狭いため電気抵抗となっている。この電極１５を製造する際（電極層コーティング後が容易）に、各極板区画１６が連結するようにヒューズ部１８を残しつつ、隙間１７を打ち抜く。これにより全体を一体成形する。
短絡時の例を図２に示す。図の符号１９で短絡が発生した場合、極板区画１６自体の電流経路抵抗により短絡回路の抵抗が増大する為、流れる電流が制限される。極板区画数を増やすことで、極板区画１６自体の電流経路抵抗は増大し、ある程度まで抵抗が増大すると、短絡電流の減少に伴って最高到達温度が低下し、熱暴走が抑えられる。
また、区画上部にヒューズ部１８ａ、１８ｂを設けることで、ヒューズ部１８が高電流により発熱し、溶解する。その結果短絡１９が電気的に隔離され、隔離後の発熱が防止される。したがって熱暴走の発生が防止される。

図３は変形例として示した電極（正極、負極）２０である。電極２０は、電池端子とつながるタブ部２０ａと電極本体２０ｂとを備え、電極本体２０ｂの上縁端部から、電極本体２０ｂより幅狭のタブ部２０ａが上方に突き出すように設けられている。
電極本体２０ｂは、複数の極板区画２２，２２，…が、互いに絶縁領域として隙間（切り込み）２３を隔てた状態で、ヒューズ部（抵抗部）２４によって連結されている。ヒューズ部２４は隙間２３により限界された幅の狭い電極領域であって、幅が狭いため電気抵抗となっている。この電極２０を製造する際（電極層コーティング後が容易）に、各極板区画２２が連結するようにヒューズ部２４を残しつつ、格子状に隙間２３を打ち抜く。これにより全体を一体成形する。
本変形例においても、短絡時には図２と同様にヒューズ部２４に高電流が流れる。ヒューズ部２４は電気抵抗であるから高電流により発熱し、溶解する。その結果短絡が電気的に隔離され、隔離後の発熱が防止される。したがって熱暴走の発生が防止される。
またヒューズ部２４が溶解しない場合でも、抵抗としてヒューズ部２４が電流経路を制限するため、流れる電流は従来より少ない。発熱は電流の二乗に比例するため、温度上昇速度はヒューズ部２４が設けられていない従来例より遅い。したがって発生した熱は自然に放熱され、熱暴走が抑えられる。

図４および図５に示したものは極板区画２２の配置を異ならせた変形例（電極２６，２７）である。これらの例でも図３と同様の効果を得ることができる。図４の場合、隙間２３が電極２６の幅または高さ方向全体にわたって設けられていないから、製造時において電極２６が隙間２３に沿って折り曲がらず取り扱いがより容易である。

図６に示したものは、変形例としての電極２８である。図の例では、電極は複数列のミシン目２９により複数の極板区画３０に分割されている。各ミシン目２９は、隙間（切り込み）２９ａと極板区画３０を連結するヒューズ部（抵抗部）２９ｂとがそれぞれ交互に多数並んで構成されている。ヒューズ部２９ｂは隙間２９ａにより限界された幅の狭い電極領域となっており、幅が狭いために電気抵抗となっている。本例においても、電極２８を型抜きする際に、ミシン目２９を電極２８に打ち付ける。これにより全体を一体成形する。

本電極においても、上記の例と同様に、短絡時にはヒューズ部２９ｂが溶解し、短絡部が電気的に隔離され、過度の発熱が防止される。
またヒューズ部２９ｂが溶解しない場合でも、抵抗としてヒューズ部２９ｂが電流経路を制限するため、上記の例と同様に、温度上昇速度が抑制され、熱暴走が抑えられる。

さらに、上記各例に対して、図７に示すように、電極にセパレータ３１を融着させてもよい。これにより強度が増強され、隙間２３やミシン目２９等に沿って折れてしまう等の製造上の不都合が解消され、電極の取り扱い性が向上する。

さらにまた、図８は他の電極の参考例であり、電極の断面図である。絶縁層（高分子フィルム）３３の両面に金属層３４が形成されている。さらに電極層３５が塗工されている。金属層３４は図９または図１０に示すように、全体に孔３６，３７が設けられている。これら孔３６，３７の周囲がヒューズ部（抵抗部）３８，３９となる。
この例においても、短絡時にはヒューズ部３８，３９が溶解し、短絡部が電気的に隔離され、過度の発熱が防止される。またヒューズ部３８，３９が溶解しない場合でも、抵抗としてヒューズ部３８，３９が電流経路を制限するため、上記の例と同様に、温度上昇速度が抑制され、熱暴走が抑えられる。
なお、リチウム電池は電極が厚く、そのため複数の極板を貼り合わせて一枚の電極としなければならない。したがって全体に孔をあける本変形例より、上記の隙間２３またはミシン目２９を入れる工程の方がより容易に製造することができる。

さらに、図１１の電極４０のように、図３の電極２０の変形例として電池端子とつながるタブ部４０ａから離れるほど隙間２３の間隔を広くするようにしてもよい。図ではタブ部４０ａを基準として、電極本体４０ｂ上縁からもっとも近接した左右方向に延びる隙間２３までの距離をＬ_１，次の左右方向に延びる隙間２３までの距離をＬ_２，さらに電極本体４０ｂの下縁までの距離をＬ_３とした。これらの関係をＬ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３とする。
本例のように構成するとタブ部４０ａ近傍がより高い抵抗となる。隙間２３およびヒューズ部２４が設けられていない従来技術においては、タブ部４０ａに近いほど高電流が流れる。したがって本例では高電流が流れる場所に対して適切な抵抗部を設けたことで、効率よく高電流を抑えることができる。
同様の理由から、タブ部４０ａから離れるほどヒューズ部２４の幅を広くとってもよい。
なお本変形例は図３の電極２０のみならず、上記に説明した他の電極に対しても適用できるのはもちろんである。

さらにまた、変形例として図１２の電極４１のように、タブ部４１ａにヒューズ部を設けてもよい。本電極４１においては、タブ部４１ａは、幅が狭く細長い複数の極板区画４２，４２…に分割され、各極板区画４２，４２…は互いに絶縁領域として隙間（切り込み）４２ａを隔てた状態で、ヒューズ部（抵抗部）４２ｂによって連結されている。これにより電流経路は細く長くなった状態となっている。ヒューズ部４２ｂは隙間により限界された幅の狭い電極領域であって、幅が狭いため電気抵抗となっている。この電極４１を製造する際（電極層コーティング後が容易）に、各極板区画４２が連結するようにヒューズ部４２ｂを残しつつ、隙間４２ａを打ち抜く。これにより全体を一体成形する。
本電極４１においても、ヒューズ部４２ｂの作用、および極板区画４２の電流経路抵抗が大きいことにより、上記の各例と同様に短絡時の発熱を防止することができる。

さらにまた、以下のように構成してもよい。図１３の電極４３のように電極本体４３ｂ側の、タブ部４３ａの近傍にタブ部４３ａを取り囲むように曲線に沿ったミシン目４４を設ける。この場合、ミシン目４２が曲線に沿っているため、折曲しにくく、取り扱いが容易となる。
なお、ミシン目４４の詳細な構成については前記したミシン目２９と同様であるから説明を省略する。
この電極４３においても、ミシン目４４が設けられていることによって短絡時の発熱を防止することができる。

以上の各例では、タブ部のみ、または電極本体にのみ抵抗を設けている。さらに、タブ部と電極本体の両方に抵抗部を設けると、より効果的に発熱を抑えられる。３００ｗｈ級の一般的なリチウム電池について、タブ部および電流経路の抵抗値を変えて釘刺し試験を行った場合の発熱を計測した。その結果を図１４に示した。タブ部の抵抗としては図１２の例、電極本体の抵抗として図１の例を用いた。
タブ部にのみヒューズ部を設けた場合には、タブ部の抵抗が５００ｍΩ以上で１０６℃以下に発熱が抑えられ、また、電極本体にのみヒューズ部を設けた場合には４８．５ｍΩ以上で１１０℃に発熱が抑えられた。一方、これらを組み合わせた場合、電池９および電池１０のように、タブ部の抵抗が１００ｍΩで電極本体の抵抗が９．７ｍΩ、または、タブ部の抵抗が２００ｍΩで電極本体の抵抗が２．９ｍΩの場合に、最高温度がそれぞれ１２０℃、１２５℃と十分に低温になったことが確認された。
このように、タブ部と電極本体の双方にヒューズ部を設けると、高いエネルギー効率を維持したまま，信頼性の高い電池を構成することができる。

本発明の一実施形態として示した電池用電極の正面図である。 同電池用電極の短絡時の状態について示した正面図である。 本発明の他の実施形態として示した電池用電極の正面図である。 電池用電極の変形例について示した正面図である。 電池用電極の変形例について示した正面図である。 電池用電極の変形例について示した正面図である。 電池用電極の変形例について示した正面図である。 電池用電極の参考例であり、電極の断面図である。 電池用電極の参考例について示した図である。 電池用電極の参考例について示した図である。 電池用電極の変形例について示した正面図である。 電池用電極の変形例について示した正面図である。 電池用電極の変形例について示した正面図である。 タブ部および電極本体の抵抗値を変えて釘刺し試験を行った場合の発熱を示した表である。 本発明の電池用電極の原理について示した概略回路図である。 一般的なリチウム二次電池の構成について示した部分破断斜視図である。

符号の説明

１５ 電極
１５ａ タブ部
１５ｂ 電極本体
１７ 隙間（切り込み）
１８ ヒューズ部（抵抗部）
２０ 電極
２０ａ タブ部
２０ｂ 電極本体
２３ 隙間（切り込み）
２４ ヒューズ部（抵抗部）
２６，２７，２８ 電極
２９ ミシン目
２９ａ 隙間（切り込み）
２９ｂ ヒューズ部（抵抗部）
３１ セパレータ
３３ 絶縁層
３４ 金属層
３６，３７ 孔
３８，３９ ヒューズ部（抵抗部）
４０，４１，４３ 電極
４０ａ，４１ａ，４３ａ タブ部
４２ 極板区画
４２ａ 隙間（切り込み）
４２ｂ ヒューズ部
４４ ミシン目

Claims (6)

1. 複数枚積層されて電池を構成するリチウム二次電池用電極において、
   集電体に電極層がコーティングされて構成された電極本体と、該電極本体の一端に設けられ電池端子とつながるタブ部とを備え、
   前記電極本体には、前記集電体及び前記電極層を打ち抜かれた切り込みにより限界されることで、該切り込みで隔てられた両側の極板区画よりも幅が狭い電極領域を形成し電流経路を制限する抵抗部が設けられていることを特徴とするリチウム二次電池用電極。
2. 前記タブ部にも、該タブ部を打ち抜かれた切り込みにより限界されることで、該切り込みで隔てられた両側の極板区画よりも幅が狭い電極領域を形成し電流経路を制限する抵抗部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池用電極。
3. 前記電極が、前記切り込みによって複数の前記極板区画に分割され、各極板区画が前記抵抗部によって互いに連結した状態となっていることにより電流経路が長くとられていることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池用電極。
4. 前記抵抗部は、短絡電流に起因する熱により溶解することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のリチウム二次電池用電極。
5. 前記電極がセパレータに融着されていることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載のリチウム二次電池用電極。
6. 電極を複数枚積層してなるリチウム二次電池において、
   前記電極は請求項１から５のいずれかに記載の電極であることを特徴とするリチウム二次電池。

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