JP4830250B2

JP4830250B2 - Assembled battery

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Publication number: JP4830250B2
Application number: JP2002171772A
Authority: JP
Inventors: 止小川; 浩菅原; 英明堀江; 孝昭安部; 修嶋村; 孝憲伊藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: JP2004022208A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池外装材に高分子−金属を複合したラミネートフィルムを用いて、その周辺部を熱融着にて接合することにより、正極板、セパレータおよび負極板を積層または巻回した発電要素を収納し密封した構成を有する扁平型電池、いわゆるラミネート電池に関するものであり、特にこの電池を用いた組電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の排ガスによる大気汚染が世界的な問題となっている中で、電気を動力源とする電気自動車やエンジンとモータを組み合わせて走行するハイブリッドカーが注目を集めており、これらに搭載する高エネルギー密度、高出力密度の電池の開発が産業上重要な位置を占めている。このような用途の電池の構成としては、巻回した発電要素を円筒型のケースに収納したものや、巻回した発電要素あるいは、平板状の電極、セパレータを積層した発電要素を扁平型のケースに収納したものがある。
【０００３】
これらの円筒型または扁平型のケースは強度もたせる必要があるため、金属容器で形成される必要があり、軽量化が容易でないという課題があった。そのため電池の軽量化をし、より高エネルギー密度、高出力化の手段として、たとえば特開平１１−２２４６５２号公報に示されるようなラミネートフィルムを外装ケースとし、その周囲を熱融着によりシールすることにより密閉化した電池の構造が提案されている。このような、いわゆるラミネート電池はその構造上、大きさすなわち容量に上限があるため、エネルギー量を確保する手段として、比較的小さい単電池（ラミネート電池）を複数個並列に接続して組電池とする方法が考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなラミネート電池を複数個並列に接続した組電池においては、ある単電池で微小短絡の発生等により発熱して劣化が進むと、その単電池だけでなく組電池を構成する電池全体に劣化が進み、最終的には組電池として機能しなくなる可能性があった。
【０００５】
本発明は、上述のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、ラミネート電池において並列に接続したときに微小短絡等の発生しにくい電池および組電池を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、電池を複数個、並列接続、直列接続、並列−直列接続または直列−並列接続の少なくとも一つの方法で接続したことを特徴とする組電池であって、
該電池が、電池外装材に高分子−金属を複合したラミネートフィルムを用いて、正極板、セパレータおよび負極板を積層した発電要素を収納した電池で、
上記セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合が２５〜５０％であることを特徴とする組電池により達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる電池の実施の形態を、さらに詳細に説明する。ただし本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【０００８】
まず、本発明に係る組電池を構成するラミネート電池について説明する。
【０００９】
図１および２は、本発明に係る組電池を構成するラミネート電池の外観構造を模式的に表わす概略斜視図である。
【００１０】
図１、２に示すように、本発明に係る組電池を構成するラミネート電池１は、高分子−金属を複合したラミネートフィルム（本明細書中、単に高分子−金属複合ラミネートフィルムあるいはラミネートフィルムとも称する）からなる電池外装材（本明細書中、単に外装ラミネートフィルムとも称する）２を用いて、その周辺部を熱融着にて接合する（図１）あるいは、袋状にしたその開口部を熱融着にて接合する（図２）ことにより、正極板、セパレータおよび負極板を積層または巻回した発電要素を収納し封入（密閉）してなる。また、ラミネート電池１では、この熱融着部３から正極端子リード４および負極端子リード５を取り出す構造を有するものである。なお、本発明のラミネート電池では、例えば、正極端子リードと負極端子リードとが、それぞれ異なった外装ラミネートフィルムの１辺から取り出すようにしてよいなど、正極端子リードと負極端子リードを取り出す個所は、特に１箇所に限定されない。なお、図２のように、１枚のフィルム状の高分子−金属複合ラミネートフィルムからなる電池外装材を筒状に丸めて袋状にする際に、該フィルムの両端を熱融着にて接合してもよいし、重ね合わせて接着してもよいなど、特に制限されず、従来公知の方法を利用することができる。
【００１１】
本発明に係る組電池を構成するラミネート電池において、正極板、セパレータおよび負極板を積層または巻回した発電要素については、従来の発電要素と同様に構成される。図３に、図１のＡ−Ａ線に沿って横から見た、扁平型のラミネート電池の内部に封入される発電要素の構成を模式的に表わす断面概略図であって、正極板、セパレータおよび負極板を積層した発電要素を高分子−金属複合ラミネートフィルムからなる電池外装材に収納したラミネート電池の断面概略図を示す。
【００１２】
図３に示すラミネート電池１では、電池外装材２に高分子−金属複合ラミネートフィルムを用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合することにより、正極板６、セパレータ８および負極板７を積層した発電要素を収納し密封した構成を有している。また、上記の各電極板（正極板６及び負極板７）と導通される正極端子リード５および負極端子リード（図示せず）が、各電極板の正極集電体９及び負極集電体（図示せず）に取り付けられ、上記熱融着部３に挟まれて上記の電池外装材２の外部に露出される構造を有している。
【００１３】
正極板６としては、例えば、アルミニウムなどの芯板ないし芯箔（正極集電体９の反応部）の片面に上記したような正極活物質を塗布乾燥してなるものが例示できる。負極板７としては、例えば、銅などの芯板ないし芯箔（負極集電体の反応部）の両面に上記したような負極活物質を塗布乾燥してなるものが例示できる。セパレータ８としては、例えば、ポリオレフィン系微多孔質セパレータ材からなるものが例示できる。
【００１４】
詳しくは、正極板６は、アルミニウムなどの芯板ないし芯箔の片面に、正極活物質の主材料と有機電解液を吸収保持するポリマーを含む正極活物質を塗布乾燥させて、この正極活物質を芯板ないし芯箔に支持させてなるものである。また負極板７は、銅などの芯板ないし芯箔の両面に負極活物質の主材料と有機電解液を吸収保持するポリマーを含む負極活物質を塗布乾燥させて、この負極活物質を芯板ないし芯箔に支持させてなるものである。セパレータ８は、有機電解液を吸収保持するポリオレフィン系微多孔質セパレータ材で構成されている。負極板７の上側の負極活物質をセパレータ８を介してその上方の正極板６の正極活物質に対向させると共に、負極板７の下側の負極活物質をセパレータ８を介してその下方の正極板６の正極活物質に対向させた状態で、これらを積層状態にして、例えば、熱接合などにより一体化して、積層電極（発電要素）を構成している。上記アルミニウムなどの芯板ないし芯箔、および銅などの芯板ないし芯箔は、ラスプレート、すなわちプレートに切目を入れたものをエキスパンドすることにより網目空間が形成されるプレートにより構成されているものや、金属箔など、従来公知のものが利用できる。
【００１５】
正極板６には正極側リード接続部（正極集電体９）が形成され、負極板７には負極側リード接続部（負極集電体；図示せず）が形成され、これらは超音波溶接等により、正極端子リード４および負極端子リード（図示せず）にそれぞれ接合されている。この接合は抵抗溶接によって行ってもよい。ただし、本発明の発電要素は、これらに何ら制限されるものではない。
【００１６】
また、ラミネート電池の電極には、リチウムイオンを吸蔵、脱離できる正極と、リチウムイオンを吸蔵、脱離できる負極を用いることができる。また、電極以外の発電要素には、▲１▼セパレータとこれに染み込ませた電解液（例えば、非水電解液など）、または▲２▼固体電解質若しくは▲３▼ゲル電解質、または▲４▼セパレータを含む固体電解質若しくは▲５▼セパレータを含むゲル電解質を用いることができる。ラミネート電池では、こうした発電要素を用いてなる、リチウムイオン電池、固体電解質電池またはゲル電解質電池とすることが好ましく、先述した図１、図２に示される扁平型の構造にすることがより好ましい。これは、丸型の電池構造とする場合には、正極および負極リード端子を取り出す個所のシール性を高めることが困難であるため、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載する高エネルギー密度、高出力密度の電池では、リード端子取り出し部位のシール性の長期の信頼性を確保できないためおそれがあるため、扁平型の構造を採用するのが好ましいものである。
【００１７】
さらに、正極には、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉＯ₂を主材料とする正極活物質、負極には、グラファイトまたは非晶質炭素であるハードカーボンを主材料とする負極活物質を用いることが望ましいが、特に限定されない。
【００１８】
ここで、正極とは、正極活物質を有する正極集電体と該正極集電体の先端部に取り付けられた正極端子リードとを含めたものとする。また、正極板とは、正極集電体のうち正極活物質を有する反応部をいうものとする。同様に、負極とは、負極活物質を有する負極集電体と該負極集電体の先端部に取り付けられた負極端子リードとを含めたものとする。負極板とは、負極集電体のうち負極活物質を有する反応部をいうものとする。したがって、本発明の発電要素には、負極板と、セパレータと、正極板とを具備してなるものである。なお、集電体上に保持される活物質（層）には、上述したような正極または負極活物質の他に、必要に応じて、従来公知の導電剤やバインダー（結着剤）等の添加剤を含んでいてもよい。具体的には、上述したような正極活物質の他に、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素系樹脂粉末あるいはカルボキシルメチルセルロース等のバインダー；アセチレンブラック等の導電助剤などを含んでいてもよいし、同様に、上述したような負極活物質の他に、例えば、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂粉末あるいはカルボキシルメチルセルロース等などのバインダーを含んでいてもよいが、これらに制限されるべきものではない。また負極板と導通される（電気的に接続される）負極端子リードと、正極板と導通される（電気的に接続される）正極端子リードは、いずれもラミネート電池の構成要件の１つであって、発電要素の一部とみなしてもよいし、区別してもよく、特に制限されるものではない。
【００１９】
また、発電要素の必須要素の１つであるセパレータは、本発明の主要な構成要件をなすものである。発明の主要な構成要件に関しては、後述詳しく説明する。。なお、本発明のセパレータにおいては、その名称に拘泥されるべきものではなく、上述したように、セパレータの代わりにセパレータとしての機能（役割）を有するような、固体電解質やゲル電解質を用いるものであってもよい。すなわち、本発明が適用できる固体電解質電池やゲル状電解質電池の中には、正極板の正極活物質層と負極板の負極活物質層との間に固体電解質またはゲル状電解質を配設してなる発電要素をラミネートフィルムよりなる電池外装材に収納し周囲を熱融着することにより封入されてなるものも含まれるためである。また、電池内部（発電要素）には、従来と同様に、上記の電解液ないし電解質も含まれている。
【００２０】
また、本発明の電池外装材である高分子−金属複合ラミネートフィルムとしては、特に制限されるべきものではなく、高分子フィルム間に金属フィルムを配置し全体を積層一体化してなる従来公知のものを使用することができる。具体例としては、例えば、高分子フィルムからなる外装保護層（ラミネート最外層）、金属フィルム層、高分子フィルムからなる熱融着層（ラミネート最内層）のように配置し全体を積層一体化してなるものが挙げられる。詳しくは、電池外装材に用いられる高分子−金属複合ラミネートフィルムは、上記金属フィルムの両面に、高分子フィルムとして、まず耐熱絶縁樹脂フィルムを形成し、少なくとも片面側の耐熱絶縁樹脂フィルム上に熱融着絶縁性フィルムが積層されたものである。かかるラミネートフィルムは、適当な方法にて熱融着させることにより、熱融着絶縁性フィルム部分が融着して接合し熱融着部が形成される。
【００２１】
上記ラミネートフィルムの構成する金属フィルムとしては、アルミニウムフィルム等が例示できる。また、上記絶縁性樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテトラフタレートフィルム（耐熱絶縁性フィルム）、ナイロンフィルム（耐熱絶縁性フィルム）、ポリエチレンフィルム（熱融着絶縁性フィルム）、ポリプロピレンフィルム（熱融着絶縁性フィルム）等が例示できる。ただし、本発明の外装材は、これらに制限されるべきものではない。
【００２２】
こうしたラミネートフィルムでは、超音波溶着等により熱融着絶縁性フィルムを利用して１対ないし１枚（袋状）のラミネートフィルムの熱融着による接合を、容易かつ確実に行うことができる。なお、電池の長期信頼性を最大限高めるためには、ラミネートシートの構成要素である金属フィルム同士を直接接合してもよい。金属フィルム間にある熱融着性樹脂を除去もしくは破壊して金属フィルム同士を接合するには超音波溶着を用いることができる。
【００２３】
また、正極および負極それぞれの電極端子リードの材質、形状、厚さ、大きさとしては、放熱性、機械強度、ラミネートフィルムとの密着性などを考慮して適宜選択されるべきものであり、材質としては、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅまたはそれらの合金など導電性に優れるものの中から適宜選択すればよく、必要があれば、種類の異なる金属（合金）を積層（接合）し、表面層にはラミネートフィルムとの密着性に優れたものを積層したような構造であってもよい。ＥＶ、ＨＥＶあるいはＦＣＶモーター駆動用のような大電流の充放電を繰り返す場合においては、電極端子リードの発熱を抑える必要があるが、電極端子リードに、上記したようなＮｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅまたはそれらの合金等を用いることで、発熱を抑えることができ、熱融着部に挟まれて外装材の外部に露出される電極端子リード部の熱劣化を抑制し、自動車用に必要な長期信頼性を確保できる。同様に、電極端子リードの形状、厚さ、大きさ等についても、温度上昇を抑えることができるように放熱性に優れるように幅広く大きなものを用いればよく、そのためには、例えば、正極および負極端子リードを外装ラミネートフィルムのそれぞれ異なる辺から取り出すようにして電極端子リード幅を広くできるようにしてもよい。また、車両走行時に伝わる振動や衝撃などを受けやすい電極端子リードの耐振性や機械強度向上の点からは厚くするのがよい。ただし、ラミネートフィルムとの熱融着部の面積を広くしすぎたり、厚くしすぎると、ラミネートフィルムとの熱融着部のシール性が低下する恐れもあることから、使用目的に応じて最適な材質、形状、厚さ、大きさを選択すればよく、特に制限されるべきものではない。
【００２４】
なお、ラミネート電池につき、リチウムイオン電池、固体電解質電池またはゲル電解質電池の例を挙げて説明したが、本発明の構成要件を満足するものであれば、これらに制限されるべきものではなく、従来公知の各種電池を適用し得るものである。
【００２５】
このようなラミネート電池を用いることで非水溶媒系であるという理由から水の電気分解電圧にとらわれない、高電圧の電池とすることができるという効果がある。
【００２６】
また、図３では発電要素を積層した構造のラミネート電池を示しているが、巻回した構造においても同様である。
【００２７】
また、本発明に係る組電池では、上述したラミネート電池（単電池）を複数個、並列接続、直列接続、並列−直列接続または直列−並列接続の少なくとも一つの方法で接続したことを特徴とする。
このような接続方法を用いることで、電気自動車やハイブリッドカーに搭載する際、車種ごとの電池容量や出力に対する要求に新たに組電池を作製することなく、比較的安価に対応することが可能になる。
【００２８】
複数個、ラミネート電池（単電池）を接続するには、各ラミネート電池の電極端子リードどうしを適当な接続手段、例えば、超音波溶接、抵抗溶接、スポット溶接などの溶着手段；ボルトなどによる締結手段など、従来公知の各種接続技術を利用することができるものである。好ましくは、熱が発生しにくく、電極端子リードが熱融着部に挟まれて電池外装材の外部に露出される部分の電池外装材の熱融着部への熱的負荷が低い、超音波溶接を用いるのが望ましい。また、接続手段を用いて接続する場合、電極端子リードどうしを直接接続してもよいし、適当な接続部材を用いて接続してもよい。
【００２９】
また、本発明に係る組電池では、これを構成するラミネート電池におけるセパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合が２５〜５０％であることが望ましいものである。
【００３０】
ここで、セパレータの総厚さは、（１）正極板、セパレータおよび負極板を積層した発電要素を用いてなるラミネート電池の場合、該発電要素に用いられている総てのセパレータの厚さの総和であり、（２）正極板、セパレータおよび負極板を巻回した発電要素を用いてなるラミネート電池の場合、該発電要素に用いられているセパレータの厚さに、電池断面図（図４参照のこと）において現れるセパレータの層数を掛け合わせたものである。図４を用いて詳述すれば、発電要素の断面図において現れるセパレータ８の層数が７層である場合に、該発電要素に用いられているセパレータの厚さを５０μｍとすると、セパレータの総厚さは７×５０＝３５０μｍとなる。なお、セパレータの厚さについては、後述、詳しく説明する。
【００３１】
また、発電要素の厚さは、（１）正極板、セパレータおよび負極板を積層した発電要素を用いてなるラミネート電池の場合も、（２）正極板、セパレータおよび負極板を巻回した発電要素を用いてなるラミネート電池の場合も、発電要素の厚さ（高さ）であり、例えば、マイクロメータ等で複数箇所について測定した値を平均して求める。なお、発電要素とは、上述したように、正極集電体上に正極活物質を保持した正極板と、負極集電体上に負極活物質を保持した負極板と、セパレータとを積層または巻回した集合体を指す。
【００３２】
セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合が２５％以上であることで電極間の距離を確保できるという理由から内部微小短絡による自己放電を防止する効果がある。また該割合が５０％以下であることで現実的な電池容量を確保することができる。したがって、この範囲にあることで信頼性と電池性能の両方を確保することができる。
【００３３】
次いで、前記セパレータとしては、少なくとも１種のポリオレフィン系微多孔質セパレータ材からなるものが好ましく、特にポリエチレンおよび／またはポリプロピレン系微多孔質セパレータ材からなり、それらを１層あるいは２層以上組み合わせた多積層体であることが望ましい。
【００３４】
一般に、セパレータには、電解質（電解液）との反応性が低いものが望まれている。ラミネート電池として用いられるリチウムイオン電池などでは電解質（電解液）に有機溶媒を用いる。そのため、有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質を持つ上記ポリオレフィン系微多孔質セパレータ材は、電解質（電解液）との反応性を低く抑えることができるという優れた効果を有するものである。
【００３５】
さらに望ましくは安価であるという理由からポリエチレン、ポリプロピレン系微多孔質セパレータ材からなるものが材質として好適であり、それらを１層（単層）で用いてもよいし、さらに２層以上組み合わせて積層した多積層体として用いても同様の効果が得られる。なお、多積層体は、ポリエチレンおよび／またはポリプロピレン系微多孔質セパレータ材を貼り合わせることなく単に厚さ方向に複数重ね合わせて積層しただけのものであってもよいし、接着剤で貼り合わせてから乾燥させるウェットラミネート、接着剤を乾燥させてから加熱接着させるドライラミネート、１つのフィルム材の上に熱溶融したポリエチレン等のフィルムを貼るポリエチレン・エキストルーダー・ラミネートなどのラミネート加工により貼り合わせて積層してもよいなど、特に制限されるべきものではない。
【００３６】
なお、本発明に用いられるセパレータでは、少なくとも１種のポリオレフィン系微多孔質セパレータ材からなるものが好ましいが、これら以外の他のセパレータ材を適当に組み合わせて用いてもよいし、これら以外の他のセパレータ材を用いるのを排除するものでもない。
【００３７】
また、本発明では、上記セパレータの厚さが、４０〜６０μｍであることが望ましいものである。
【００３８】
セパレータの厚さが、上記範囲にあることでセパレータに微粒が食い込むことによって発生する短絡の防止と、高出力のために電極間を狭くすることが望ましいという理由から、厚さ方向の機械的強度と高出力性の確保という効果がある。電池を複数接続する場合、電極面積が増大することから、電池の信頼性を高めるために厚形のセパレータを用いることが望ましい。
【００３９】
なお、ここでセパレータの厚さとは、多孔質シートからなるセパレータまたは多孔質シートを厚さ方向に複数重ね合わせた多積層体（複合体）であるセパレータの厚さであり、例えば、マイクロメータ等で複数箇所について測定した値を平均して求める。
【００４０】
さらに、本発明では、上記セパレータの空孔率が、２０〜５０％であることが望ましいものである。
【００４１】
セパレータの空孔率が、上記範囲にあることで電解質（電解液）の抵抗による出力低下の防止と、微粒がセパレータの空孔（微細孔）を貫くことによる短絡の防止という理由から出力と信頼性の両方を確保するという効果がある。
【００４２】
なお、ここでセパレータの空孔率とは、原材料レジンの密度と最終製品のセパレータの密度から体積比として求められる値である。なお、実施例の表２で説明するセパレータの空孔率の測定方法によっても同様に求めることができる。
【００４３】
さらにまた、本発明では、上記セパレータの微細孔の平均径が、１μｍ未満であることが望ましいものである。
【００４４】
セパレータの微細孔の平均径が、上記範囲にあることで熱によってセパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きるという理由から、異常時信頼性が上がり、その結果として耐熱性が向上するという効果がある。すなわち、過充電で電池温度が上昇していったとき（異常時）に、セパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きることで、電池（電極）の正極（＋）から負極（−）側にＬｉイオンが通れなくなり、それ以上は充電できなくなる。そのため過充電できなくなり、過充電が解消する。その結果、電池の耐熱性（安全性）が向上するほか、ガスがでて電池外装材の熱融着部（シール部）が開くのを防止できる。
【００４５】
なお、ここでセパレータの微細孔の平均径は、セパレータを走査電子顕微鏡等で観察し、その写真をイメージアナライザ等で統計的に処理した平均径として算出される。
【００４６】
また、本発明の組電池を搭載したことを特徴とする車両においては、比較的安価でエネルギー密度が大きく高出力な組電池が作製でき、航続距離の長い電気自動車や燃費の良いハイブリッドカーを提供することが可能になる。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明の範囲である実施例およびその範囲外である比較例の性能測定結果を示す。
【００４８】
各仕様は、以下の通りである。
【００４９】
実施例１
正極板には、厚さ１５μｍのアルミニウム箔の正極集電体上に、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄を正極活物質として、バインダーであるＰＶｄＦ、導電助剤であるアセチレンブラックを混合したスラリーを塗布し、乾燥させて片側の厚さが５０μｍの正極活物質層を正極集電体の両側に形成し、１２０×７０ｍｍに切断したものを用いた。正極板の枚数は１０枚とした。また、負極板には、厚さ１５μｍの銅箔の負極集電体上に、リチウムイオンを吸蔵、脱離できる非晶質系炭素を負極活物質として、バインダーであるＰＶｄＦと混合したスラリーを塗布し、乾燥させて片側の厚さが５０μｍの負極活物質層を負極集電体の両側に形成し、１２０×７０ｍｍに切断したものを用いた。負極板の枚数は１１枚とした。さらに、セパレータには、厚さ４０μｍのポリプロピレン製の微多孔質セパレータ材を１３０×８０ｍｍに切断したものであって、セパレータの空孔率が４０％であり、セパレータの微細孔の平均径が０．２μｍであるものを用いた。セパレータの枚数は２０枚とした。セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合は２５％である。また、電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの等量混合溶液にＬｉＰＦ₆電解質を溶解したものを約１１ｇ用いた。
【００５０】
上記負極板１１枚と正極板１０枚の間にセパレータ２０枚を挟み込み積層し、厚さ５０μｍ、幅４４ｍｍの正極および負極端子リードを接続した発電要素を、電池外装材である厚さ２００μｍの高分子−金属複合ラミネートフィルム内に収納し、電池外装材の周辺部を熱融着にて接合し封入すると共に、熱融着部から正極端子リードおよび負極端子リードを取り出す構造とした扁平型のラミネート電池を作製した（図１参照のこと）。尚、電解液は、ラミネート熱融着層に針状端子を差し入れ、電池内部を真空に吸引しながら注入した後、封止した。
【００５１】
実施例２
セパレータ厚さを４５μｍとした。セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合は２７％である。他の寸法・数量等は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００５２】
実施例３
セパレータ厚さを５０μｍとした。セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合は２９％である。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００５３】
実施例４
正極および負極活物質（層）の片側の厚さをそれぞれ３０μｍとし、正極板を１４枚、負極板を１５枚、セパレータを２８枚とした。セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合は３４％である。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００５４】
実施例５
正極および負極活物質（層）の片側の厚さをそれぞれ２５μｍとし、正極板を１６枚、負極板を１７枚、セパレータを３２枚とした。セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合は３７％である。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００５５】
実施例６
セパレータの厚さを６０μｍとした。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００５６】
実施例７
セパレータの空孔率を２５％とした。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００５７】
実施例８
セパレータの空孔率を５５％とした。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００５８】
比較例１
セパレータの厚さを３５μｍとした。セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合は２２％である。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００５９】
比較例２
セパレータの厚さを３０μｍとした。セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合は２０％である。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００６０】
比較例３
正極および負極活物質（層）の片側の厚さをそれぞれ２５μｍとし、セパレータの厚さを８０μｍとした。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００６１】
比較例４
セパレータの厚さを２５μｍとした。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００６２】
比較例５
正極および負極活物質（層）の片側の厚さをそれぞれ８０μｍとし、セパレータの空孔率を１５％とした。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００６３】
比較例６
正極および負極の活物質（層）の片側の厚さをそれぞれ８０μｍとし、セパレータの空孔率を６０％とした。他の寸法・数量は実施例１と同等にして扁平型のラミネート電池を作製した。
【００６４】
実施例１〜５および比較例１〜２に示す構成の電池を２並列かつ１２直列、計２４個接続した組電池を用いて１０日間の放置放電試験を行った。このときの電圧降下の結果を下記表１に示す。
【００６５】
ここでの放置放電試験は、組電池を５５℃の環境に放置し、放置放電試験開始前と放置放電試験完了後の電圧差を比較するものである。
【００６６】
セパレータの厚さ（μｍ）は、セパレータ単体をマイクロメータ等で複数箇所について測定した値を平均して求めた。
【００６７】
また、セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合（％）は、それぞれ集電体と活物質からなる、正極板および負極板の厚さをセパレータと同様にして測定し、セパレータの厚さと合算することにより発電要素全体の厚さを算出し、これとセパレータの総厚さの合計の比から求めた。
【００６８】
【表１】

【００６９】
上記表１の結果から、セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合が２５〜５０％となることで、電圧降下性能が飛躍的に向上することがわかった。
【００７０】
次に、実施例１、３、６〜８および比較例３〜６に示す構成のラミネート電池を用いて電池容量を比較した結果および短絡の有無を確認した。結果を下記表２に示す。
【００７１】
セパレータの厚さ（μｍ）は、セパレータ単体をマイクロメータ等で複数箇所について測定した値を平均して求めた。また、セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合（％）は、上記表１と同様にして求めた。
【００７２】
またセパレータの空孔率（％）は、水銀ポロシメトリ法により微細孔（空孔）の体積を測定し、セパレータ全体の見かけ体積との比で求めた。さらにセパレータの微細孔の平均径（μｍ）は、セパレータを走査電子顕微鏡等で観察し、その写真をイメージアナライザ等で統計的に処理した平均径として算出した。
【００７３】
電池容量は、充放電試験を用いて４．２Ｖから２．５Ｖまで３Ｃで放電したときの容量（Ａｈ）を測定するもので、実施例１の容量を１として他の実施例および比較例の容量比を示してある。充放電試験については、ラミネート電池（単電池）を用いて行った。
【００７４】
短絡不良実験については、ラミネート電池を作製直後に、電池端子間に３００Ｖの電圧を０．５秒間印加した際に０．５ｍＡ以上の電流が流れたものを不良とする。短絡不良実験についてはそれぞれ２０個ずつ行った。
【００７５】
【表２】

【００７６】
上記表２の結果から、セパレータの厚さが６０μｍを超すと、あるいはセパレータの空孔率が２０％を下回ると電池容量が減少し、電池としての基本性能を維持できないことがわかった。
【００７７】
また、セパレータの厚さが４０μｍを下回ると、またはセパレータの空孔率が５０％を上回ると短絡が発生し、電池として機能しなくなる可能性があることがわかった。
【００７８】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、電池を複数個、並列接続、直列接続、並列−直列接続または直列−並列接続の少なくとも一つの方法で接続したことを特徴とする組電池であって、
該電池が、電池外装材に高分子−金属複合ラミネートフィルムを用いて、正極板、セパレータおよび負極板を積層した発電要素を収納した電池（いわゆる、ラミネート電池）で、
上記セパレータの総厚さの発電要素の厚さに占める割合が２５〜５０％であることを特徴とする組電池とすることで、ラミネート電池を並列接続、直列接続、並列−直列接続または直列−並列接続のいずれに接続しようとも、微小短絡等の発生しにくいラミネート電池およびこれを用いた組電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る組電池を構成するラミネート電池の外観構造を模式的に表わす概略斜視図であって、外装ラミネートフィルムを用いて、その電池周辺部を熱融着にて接合することにより、発電要素を収納し封入すると共に、該発電要素を構成する各電極と導通される正極端子リードと負極端子リードとが、上記熱融着部に挟まれて外装ラミネートフィルムの外部に取り出される構造を有する扁平型のラミネート電池の概略斜視図である。
【図２】本発明に係る組電池を構成するラミネート電池の他の外観構造を模式的に表わす概略斜視図であって、外装ラミネートフィルムを用いて、袋状にしたその開口部を熱融着にて接合することにより、発電要素を収納し封入すると共に、該発電要素を構成する各電極と導通される正極端子リードと負極端子リードとが、上記熱融着部に挟まれて外装ラミネートフィルムの外部に取り出される構造を有する扁平型のラミネート電池の概略斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿って横から見た、電池の内部に封入される発電要素の構成を模式的に表わす断面概略図であって、正極板、セパレータおよび負極板を積層した発電要素を外装ラミネートフィルムに収納したラミネート電池の断面概略図である。
【図４】正極板、セパレータおよび負極板を巻回した発電要素を外装ラミネートフィルムに収納したラミネート電池のセパレータの総厚みを説明するための解説図面である。図４（ａ）は、発電要素を軸線に対し垂直に切断した場合（回巻面に沿って平行に切断した場合）の、セパレータの積層数を解説した電池中央部の部分断面図であり、図４（ｂ）は、回巻面に対して垂直に切断した場合（発電要素を軸線に沿って切断した場合）の、セパレータの積層数を解説した電池中央部の部分断面図である。
【符号の説明】
１…組電池を構成する扁平型のラミネート電池、
２…電池外装材（高分子−金属複合ラミネートフィルム）、
３…熱融着部、４…正極端子リード、
５…負極端子リード、６…正極板、
７…負極板、８…セパレータ、
９…正極集電体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation element in which a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate are laminated or wound by using a laminate film in which a polymer-metal is combined with a battery exterior material and bonding its peripheral part by thermal fusion. In particular, the present invention relates to a flat battery having a sealed structure and a so-called laminate battery, and more particularly to an assembled battery using this battery.
[0002]
[Prior art]
In recent years, air pollution caused by exhaust gas from automobiles has become a global problem, and electric cars powered by electricity and hybrid cars that run in combination with an engine and a motor are attracting attention and will be installed in these. The development of batteries with high energy density and high output density occupies an important industrial position. As a battery configuration for such a use, a wound power generation element is housed in a cylindrical case, a wound power generation element, or a power generation element in which flat electrodes and separators are stacked is a flat case. There is something stored in.
[0003]
Since these cylindrical or flat cases need to have strength, they have to be formed of a metal container, which makes it difficult to reduce the weight. Therefore, to reduce the weight of the battery, as a means for higher energy density and higher output, for example, a laminate film as disclosed in JP-A-11-224652 is used as an outer case, and its periphery is sealed by thermal fusion. The structure of the battery sealed by is proposed. Such a so-called laminated battery has an upper limit in size, that is, capacity because of its structure. Therefore, as a means for securing the amount of energy, a plurality of relatively small single cells (laminate batteries) are connected in parallel with the assembled battery. A way to do this is conceivable.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in an assembled battery in which a plurality of such laminated batteries are connected in parallel, if a single battery generates heat due to the occurrence of a micro short circuit or the like and deteriorates, not only the single battery but also the entire battery constituting the assembled battery However, there was a possibility that the battery would eventually fail to function as an assembled battery.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a battery and an assembled battery in which a micro short circuit or the like hardly occurs when connected in parallel in a laminated battery.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The above object is a battery pack characterized in that a plurality of batteries are connected by at least one of parallel connection, series connection, parallel-series connection, or series-parallel connection,
The battery uses a laminate film in which a polymer-metal composite is combined with a battery outer packaging material to stack a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate. Layer A battery containing the power generation element
This is achieved by the assembled battery, wherein the ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 25 to 50%.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the battery according to the present invention will be described in more detail. However, the present invention is not limited to these examples, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the invention.
[0008]
First, the laminated battery which comprises the assembled battery which concerns on this invention is demonstrated.
[0009]
1 and 2 are schematic perspective views schematically showing the external structure of a laminated battery constituting the assembled battery according to the present invention.
[0010]
As shown in FIGS. 1 and 2, a laminated battery 1 constituting an assembled battery according to the present invention includes a polymer-metal composite laminate film (in this specification, simply referred to as a polymer-metal composite laminate film or laminate film). The peripheral part is joined by thermal fusion (FIG. 1) using the battery exterior material (which is also simply referred to as an exterior laminate film in this specification) 2. By joining by thermal fusion (FIG. 2), a power generation element in which a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate are stacked or wound is housed and sealed (sealed). In addition, the laminated battery 1 has a structure in which the positive terminal lead 4 and the negative terminal lead 5 are taken out from the heat fusion part 3. In the laminated battery of the present invention, for example, the positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead may be taken out from one side of a different exterior laminate film. In particular, it is not limited to one place. In addition, as shown in FIG. 2, when a battery outer packaging material made of a single film-like polymer-metal composite laminate film is rolled into a bag and formed into a bag shape, both ends of the film are bonded by thermal fusion. There is no particular limitation such as overlapping or adhering, and a conventionally known method can be used.
[0011]
In the laminated battery constituting the assembled battery according to the present invention, the power generation element in which the positive electrode plate, the separator, and the negative electrode plate are laminated or wound is configured in the same manner as a conventional power generation element. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing the configuration of a power generation element enclosed in a flat laminate battery as viewed from the side along the line AA in FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a laminated battery in which a power generation element in which a negative electrode plate and a negative electrode plate are stacked is housed in a battery exterior material made of a polymer-metal composite laminate film.
[0012]
In the laminated battery 1 shown in FIG. 3, a positive electrode plate 6, a separator 8, and a negative electrode plate are obtained by using a polymer-metal composite laminate film for the battery outer packaging material 2 and joining all of its peripheral parts by heat fusion. 7 has a configuration in which a power generation element in which 7 is stacked is housed and sealed. Further, the positive electrode terminal lead 5 and the negative electrode terminal lead (not shown) that are electrically connected to each of the electrode plates (the positive electrode plate 6 and the negative electrode plate 7) are connected to the positive electrode current collector 9 and the negative electrode current collector ( (Not shown), and is sandwiched between the heat-sealed portions 3 and exposed to the outside of the battery exterior material 2.
[0013]
Examples of the positive electrode plate 6 include those obtained by applying and drying the positive electrode active material as described above on one side of a core plate or core foil (reaction part of the positive electrode current collector 9) such as aluminum. Examples of the negative electrode plate 7 include those obtained by applying and drying the negative electrode active material as described above on both surfaces of a core plate or a core foil (reaction part of the negative electrode current collector) such as copper. Examples of the separator 8 include those made of a polyolefin microporous separator material.
[0014]
Specifically, the positive electrode plate 6 is formed by applying and drying a positive electrode active material containing a main material of the positive electrode active material and a polymer that absorbs and holds the organic electrolyte solution on one surface of a core plate or core foil such as aluminum. Is supported by a core plate or core foil. The negative electrode plate 7 is formed by applying and drying a negative electrode active material containing a main material of a negative electrode active material and a polymer that absorbs and holds an organic electrolyte solution on both surfaces of a core plate or a core foil such as copper. It is supported by a core foil. The separator 8 is composed of a polyolefin microporous separator material that absorbs and holds the organic electrolyte. The negative electrode active material on the upper side of the negative electrode plate 7 is made to oppose the positive electrode active material on the positive electrode plate 6 above the separator 8 and the negative electrode active material on the lower side of the negative electrode plate 7 is connected to the positive electrode below the separator 8. In a state of facing the positive electrode active material of the plate 6, these are laminated and integrated by, for example, thermal bonding to constitute a laminated electrode (power generation element). The core plate or core foil made of aluminum or the like, and the core plate or core foil made of copper or the like is constituted by a lath plate, that is, a plate in which a mesh space is formed by expanding a plate with a cut. Conventionally known materials such as metal foils can be used.
[0015]
A positive electrode side lead connection part (positive electrode current collector 9) is formed on the positive electrode plate 6, and a negative electrode side lead connection part (negative electrode current collector; not shown) is formed on the negative electrode plate 7, which are ultrasonically welded. For example, the positive terminal lead 4 and the negative terminal lead (not shown) are joined to each other. This joining may be performed by resistance welding. However, the power generation element of the present invention is not limited to these.
[0016]
In addition, a positive electrode that can occlude and desorb lithium ions and a negative electrode that can occlude and desorb lithium ions can be used as electrodes of the laminate battery. In addition, the power generation element other than the electrode includes (1) a separator and an electrolyte solution soaked in the separator (for example, a non-aqueous electrolyte), or (2) a solid electrolyte or (3) a gel electrolyte, or (4) a separator. A solid electrolyte containing or a gel electrolyte containing (5) separator can be used. The laminated battery is preferably a lithium ion battery, a solid electrolyte battery, or a gel electrolyte battery using such a power generation element, and more preferably has a flat structure as shown in FIGS. This is because, in the case of a round battery structure, it is difficult to improve the sealing performance at the location where the positive and negative electrode lead terminals are taken out. In a battery, there is a possibility that the long-term reliability of the sealing performance of the lead terminal extraction site may not be ensured, so it is preferable to adopt a flat structure.
[0017]
Furthermore, LiCoO is used for the positive electrode. ₂ , LiMn ₂ O _Four , LiNiO ₂ It is desirable to use a negative electrode active material mainly composed of hard carbon, which is graphite or amorphous carbon, for the positive electrode active material and the negative electrode mainly composed of, but is not particularly limited.
[0018]
Here, the positive electrode includes a positive electrode current collector having a positive electrode active material and a positive electrode terminal lead attached to the tip of the positive electrode current collector. Moreover, a positive electrode plate shall mean the reaction part which has a positive electrode active material among positive electrode collectors. Similarly, the negative electrode includes a negative electrode current collector having a negative electrode active material and a negative electrode terminal lead attached to the tip of the negative electrode current collector. A negative electrode plate shall mean the reaction part which has a negative electrode active material among negative electrode collectors. Therefore, the power generation element of the present invention comprises a negative electrode plate, a separator, and a positive electrode plate. In addition to the positive electrode or negative electrode active material as described above, the active material (layer) held on the current collector may be a conventionally known conductive agent or binder (binder), if necessary. An additive may be included. Specifically, in addition to the positive electrode active material as described above, for example, a fluorine resin powder such as polyvinylidene fluoride (PVdF) or a binder such as carboxymethyl cellulose; a conductive auxiliary agent such as acetylene black may be included. Similarly, in addition to the negative electrode active material as described above, for example, a fluorine resin powder such as polyvinylidene fluoride or a binder such as carboxymethyl cellulose may be included, but should be limited thereto. is not. A negative electrode terminal lead that is electrically connected (electrically connected) to the negative electrode plate and a positive electrode terminal lead that is electrically connected (electrically connected) to the positive electrode plate are both constituent elements of the laminated battery. Therefore, it may be regarded as a part of the power generation element or may be distinguished, and is not particularly limited.
[0019]
Moreover, the separator which is one of the essential elements of the power generation element constitutes a main constituent element of the present invention. The main constituent elements of the invention will be described in detail later. . In addition, in the separator of this invention, it should not be restricted to the name, but as mentioned above, it uses a solid electrolyte or gel electrolyte that has a function (role) as a separator instead of the separator. There may be. That is, in a solid electrolyte battery or a gel electrolyte battery to which the present invention can be applied, a solid electrolyte or a gel electrolyte is disposed between the positive electrode active material layer of the positive electrode plate and the negative electrode active material layer of the negative electrode plate. This is because the power generation element to be encased by storing the power generation element in a battery outer packaging material made of a laminate film and heat-sealing the periphery is also included. In addition, the above-described electrolytic solution or electrolyte is also contained in the battery (power generation element) as in the conventional case.
[0020]
In addition, the polymer-metal composite laminate film that is the battery exterior material of the present invention is not particularly limited, and is a conventionally known one in which a metal film is disposed between polymer films and the whole is laminated and integrated. Can be used. As specific examples, for example, an outer protective layer made of a polymer film (laminate outermost layer), a metal film layer, a heat-sealing layer made of a polymer film (laminate innermost layer), and the whole is laminated and integrated. The thing which becomes. Specifically, in the polymer-metal composite laminate film used for the battery exterior material, a heat-resistant insulating resin film is first formed as a polymer film on both surfaces of the metal film, and heat is applied on at least one heat-resistant insulating resin film. A fusion insulating film is laminated. Such a laminate film is heat-sealed by an appropriate method, whereby the heat-welding insulating film portion is fused and joined to form a heat-sealing portion.
[0021]
An example of the metal film constituting the laminate film is an aluminum film. Moreover, as said insulating resin film, a polyethylene tetraphthalate film (heat-resistant insulating film), a nylon film (heat-resistant insulating film), a polyethylene film (heat-bonding insulating film), a polypropylene film (heat-bonding insulating film) ) Etc. can be illustrated. However, the exterior material of the present invention should not be limited to these.
[0022]
In such a laminate film, it is possible to easily and surely join one to one (bag-like) laminate films by heat fusion using a heat fusion insulating film by ultrasonic welding or the like. In order to maximize the long-term reliability of the battery, metal films that are constituent elements of the laminate sheet may be directly joined. Ultrasonic welding can be used to join the metal films by removing or destroying the heat-fusible resin between the metal films.
[0023]
The material, shape, thickness, and size of the electrode terminal lead for each of the positive electrode and the negative electrode should be appropriately selected in consideration of heat dissipation, mechanical strength, adhesion to the laminate film, etc. For example, Ni, Cu, Al, Fe or alloys thereof may be appropriately selected from those having excellent conductivity, and if necessary, different types of metals (alloys) may be laminated (bonded) to form a surface. The layer may have a structure in which a layer having excellent adhesion to the laminate film is laminated. In the case of repeatedly charging and discharging a large current, such as for driving an EV, HEV or FCV motor, it is necessary to suppress the heat generation of the electrode terminal lead. However, the above-described Ni, Cu, Al, Fe, etc. Or by using those alloys, etc., heat generation can be suppressed, thermal deterioration of the electrode terminal lead part that is sandwiched between the heat fusion parts and exposed to the outside of the exterior material is suppressed, and long-term required for automobiles Reliability can be secured. Similarly, the shape, thickness, size, etc. of the electrode terminal leads may be wide and large so as to be excellent in heat dissipation so as to suppress the temperature rise. For this purpose, for example, the positive electrode and the negative electrode The terminal lead may be taken out from different sides of the exterior laminate film so that the electrode terminal lead width can be increased. In addition, it is preferable to increase the thickness from the viewpoint of improving the vibration resistance and mechanical strength of the electrode terminal lead that is susceptible to vibrations and shocks transmitted during traveling of the vehicle. However, if the area of the heat-sealed part with the laminate film is too large or too thick, the sealing performance of the heat-fused part with the laminate film may decrease, so it is optimal for the intended use. The material, shape, thickness, and size may be selected and are not particularly limited.
[0024]
The laminated battery has been described with reference to examples of a lithium ion battery, a solid electrolyte battery, or a gel electrolyte battery. However, the laminated battery is not limited to these as long as it satisfies the constituent requirements of the present invention. Various known batteries can be applied.
[0025]
By using such a laminated battery, there is an effect that a high voltage battery can be obtained without being restricted by the electrolysis voltage of water because it is a non-aqueous solvent system.
[0026]
Further, FIG. 3 shows a laminated battery having a structure in which power generation elements are laminated, but the same applies to a wound structure.
[0027]
In the assembled battery according to the present invention, a plurality of the laminated batteries (unit cells) described above are connected by at least one method of parallel connection, series connection, parallel-series connection, or series-parallel connection. .
By using such a connection method, when mounting on an electric vehicle or a hybrid car, it is possible to respond to the battery capacity and output requirements for each vehicle type relatively inexpensively without creating a new assembled battery. Become.
[0028]
In order to connect a plurality of laminated batteries (single cells), the electrode terminal leads of each laminated battery are appropriately connected, for example, welding means such as ultrasonic welding, resistance welding, spot welding, etc .; fastening means using bolts or the like For example, various known connection techniques can be used. Preferably, heat is less likely to be generated and the thermal load on the heat-sealed portion of the battery exterior material in the portion where the electrode terminal lead is sandwiched between the heat-sealed portions and exposed to the outside of the battery exterior material is low. It is desirable to use welding. Moreover, when connecting using a connection means, electrode terminal leads may be directly connected or may be connected using an appropriate connecting member.
[0029]
Moreover, in the assembled battery which concerns on this invention, it is desirable that the ratio for which the total thickness of the separator in the laminated battery which comprises this to the thickness of the electric power generation element is 25 to 50%.
[0030]
Here, the total thickness of the separator is (1) in the case of a laminated battery using a power generation element in which a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate are laminated, and is the thickness of all separators used in the power generation element. (2) In the case of a laminated battery using a power generation element wound with a positive electrode plate, a separator and a negative electrode plate, the thickness of the separator used in the power generation element is shown in a cross-sectional view of the battery (see FIG. 4). )) Multiplied by the number of separator layers. Referring to FIG. 4 in detail, when the number of separators 8 appearing in the cross-sectional view of the power generation element is seven and the thickness of the separator used in the power generation element is 50 μm, the total number of separators The thickness is 7 × 50 = 350 μm. The thickness of the separator will be described in detail later.
[0031]
Also, the thickness of the power generation element is (1) even in the case of a laminated battery using a power generation element in which a positive electrode plate, a separator and a negative electrode plate are laminated, and (2) a power generation element in which the positive electrode plate, the separator and the negative electrode plate are wound. In the case of a laminated battery using The For example, the values measured at a plurality of locations with a micrometer or the like are averaged. In addition, as described above, the power generation element includes a positive electrode plate holding a positive electrode active material on a positive electrode current collector, a negative electrode plate holding a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and a separator. Winding Refers to the rotated aggregate.
[0032]
Since the ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 25% or more, there is an effect of preventing self-discharge due to an internal micro short circuit because the distance between the electrodes can be secured. Further, when the ratio is 50% or less, a realistic battery capacity can be secured. Therefore, both the reliability and the battery performance can be ensured by being in this range.
[0033]
Next, the separator is preferably made of at least one polyolefin-based microporous separator material, particularly made of polyethylene and / or polypropylene-based microporous separator material, and a combination of one layer or two or more layers. A laminated body is desirable.
[0034]
In general, a separator having low reactivity with an electrolyte (electrolytic solution) is desired. In a lithium ion battery or the like used as a laminate battery, an organic solvent is used as an electrolyte (electrolytic solution). Therefore, the polyolefin microporous separator material having the property of being chemically stable with respect to the organic solvent has an excellent effect that the reactivity with the electrolyte (electrolytic solution) can be kept low. is there.
[0035]
Furthermore, it is preferable that the material is made of polyethylene or polypropylene microporous separator material because it is inexpensive, and may be used as a single layer (single layer), or a combination of two or more layers. The same effect can be obtained even when used as a multi-layered product. The multi-laminate may be simply laminated by laminating a plurality of polyethylene and / or polypropylene microporous separator materials in the thickness direction, or by laminating with an adhesive. Wet laminating to dry, dry laminating to dry adhesive and then heat-bonding, laminating by laminating process such as polyethylene / extruder / laminate, etc. There is no particular limitation, such as may be.
[0036]
The separator used in the present invention is preferably made of at least one polyolefin-based microporous separator material, but other separator materials other than these may be used in appropriate combinations, or other than these. The use of this separator material is not excluded.
[0037]
Moreover, in this invention, it is desirable for the thickness of the said separator to be 40-60 micrometers.
[0038]
The mechanical strength in the thickness direction is desirable because the thickness of the separator is within the above range, and it is desirable to reduce the gap between the electrodes for high output, and to prevent short-circuiting caused by fine particles biting into the separator. And there is an effect of ensuring high output performance. When a plurality of batteries are connected, the electrode area increases, so it is desirable to use a thick separator in order to increase the reliability of the battery.
[0039]
Here, the thickness of the separator is a thickness of a separator made of a porous sheet or a separator which is a multi-layered body (composite) in which a plurality of porous sheets are stacked in the thickness direction, such as a micrometer. The average of the values measured at a plurality of locations is obtained.
[0040]
Furthermore, in the present invention, it is desirable that the separator has a porosity of 20 to 50%.
[0041]
The separator's porosity is within the above range, preventing output from being reduced due to the resistance of the electrolyte (electrolyte), and preventing the short circuit caused by fine particles penetrating the separator's pores (micropores). It has the effect of securing both sexes.
[0042]
Here, the porosity of the separator is a value obtained as a volume ratio from the density of the raw material resin and the density of the separator of the final product. In addition, it can obtain | require similarly by the measuring method of the porosity of the separator demonstrated in Table 2 of an Example.
[0043]
Furthermore, in the present invention, it is desirable that the average diameter of the fine pores of the separator is less than 1 μm.
[0044]
Due to the fact that the average diameter of the micropores in the separator is within the above range, the “shutdown phenomenon” that the separator melts due to heat and the micropores close quickly occurs, resulting in higher reliability during abnormalities, resulting in heat resistance. Has the effect of improving. In other words, when the battery temperature rises due to overcharging (in an abnormal state), the “shutdown phenomenon” that the separator melts and closes the micropores occurs quickly, so that the positive electrode (+) of the battery (electrode) Li ions cannot pass through to the negative electrode (−) side, and no further charge is possible. As a result, overcharging cannot be performed and overcharging is eliminated. As a result, the heat resistance (safety) of the battery is improved, and it is possible to prevent gas from being released and the heat fusion part (seal part) of the battery exterior material from being opened.
[0045]
Here, the average diameter of the micropores of the separator is calculated as an average diameter obtained by observing the separator with a scanning electron microscope or the like and statistically processing the photograph with an image analyzer or the like.
[0046]
In addition, in vehicles equipped with the assembled battery of the present invention, it is possible to produce an assembled battery having a relatively low cost, high energy density and high output, and providing an electric vehicle having a long cruising range and a fuel-efficient hybrid car. It becomes possible to do.
[0047]
【Example】
Hereafter, the performance measurement result of the Example which is the range of this invention, and the comparative example outside the range is shown.
[0048]
Each specification is as follows.
[0049]
Example 1
On the positive electrode plate, a LiMn film was formed on a positive electrode current collector made of aluminum foil with a thickness of 15 μm. ₂ O _Four Is applied as a positive electrode active material, and a slurry obtained by mixing PVdF as a binder and acetylene black as a conductive auxiliary agent is applied and dried to form a positive electrode active material layer having a thickness of 50 μm on one side on both sides of the positive electrode current collector. , 120 × 70 mm cut. The number of positive plates was 10. The negative electrode plate is coated with a slurry mixed with PVdF, which is a binder, using an amorphous carbon capable of inserting and extracting lithium ions as a negative electrode active material on a negative electrode current collector of copper foil having a thickness of 15 μm. Then, a negative electrode active material layer having a thickness of 50 μm on one side was formed on both sides of the negative electrode current collector and cut into 120 × 70 mm. The number of negative electrode plates was eleven. Further, the separator is a microporous separator made of polypropylene having a thickness of 40 μm, cut to 130 × 80 mm, the separator has a porosity of 40%, and the average diameter of the micropores of the separator is 0. .2 μm was used. The number of separators was 20. The ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 25%. In addition, the electrolyte includes LiPF in an equivalent mixed solution of ethylene carbonate and diethyl carbonate. ₆ About 11 g of the dissolved electrolyte was used.
[0050]
A power generation element in which 20 separators are sandwiched between 11 negative electrodes and 10 positive electrodes and laminated, and a positive electrode and a negative electrode terminal lead having a thickness of 50 μm and a width of 44 mm are connected to a battery exterior material having a thickness of 200 μm. A flat laminate that is housed in a molecule-metal composite laminate film, the periphery of the battery outer packaging material is joined and sealed by thermal fusion, and the positive terminal lead and the negative terminal lead are taken out from the thermal fusion part. A battery was fabricated (see FIG. 1). The electrolytic solution was sealed after inserting needle-like terminals into the laminated heat-sealing layer and injecting the inside of the battery while sucking in vacuum.
[0051]
Example 2
The separator thickness was 45 μm. The ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 27%. Other dimensions and quantities were the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0052]
Example 3
The separator thickness was 50 μm. The ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 29%. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0053]
Example 4
The thickness of each side of the positive electrode and the negative electrode active material (layer) was 30 μm, 14 positive plates, 15 negative plates, and 28 separators. The ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 34%. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0054]
Example 5
The thickness of one side of each of the positive electrode and the negative electrode active material (layer) was 25 μm, 16 positive plates, 17 negative plates, and 32 separators. The ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 37%. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0055]
Example 6
The thickness of the separator was 60 μm. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0056]
Example 7
The porosity of the separator was 25%. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0057]
Example 8
The porosity of the separator was 55%. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0058]
Comparative Example 1
The thickness of the separator was 35 μm. The ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 22%. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0059]
Comparative Example 2
The thickness of the separator was 30 μm. The ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 20%. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0060]
Comparative Example 3
The thickness of one side of the positive electrode and the negative electrode active material (layer) was 25 μm, respectively, and the thickness of the separator was 80 μm. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0061]
Comparative Example 4
The thickness of the separator was 25 μm. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0062]
Comparative Example 5
The thickness of one side of the positive electrode and the negative electrode active material (layer) was 80 μm, respectively, and the porosity of the separator was 15%. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0063]
Comparative Example 6
The thickness of one side of the active material (layer) of the positive electrode and the negative electrode was 80 μm, respectively, and the porosity of the separator was 60%. Other dimensions and quantities were made the same as in Example 1 to produce a flat laminate battery.
[0064]
A standing discharge test for 10 days was performed using a battery pack in which a total of 24 batteries of the configurations shown in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 were connected in parallel and 12 in series. The results of the voltage drop at this time are shown in Table 1 below.
[0065]
In this case, the battery discharge test is performed by leaving the assembled battery in an environment of 55 ° C. and comparing the voltage difference before the start of the battery discharge test and after the battery discharge test is completed.
[0066]
The thickness (μm) of the separator was obtained by averaging values obtained by measuring the separator alone at a plurality of locations with a micrometer or the like.
[0067]
In addition, the ratio (%) of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element was determined by measuring the thicknesses of the positive electrode plate and the negative electrode plate, each made of a current collector and an active material, in the same manner as the separator. The total thickness of the power generation element was calculated by adding the thickness, and the total thickness of the separator was calculated from the ratio.
[0068]
[Table 1]

[0069]
From the results of Table 1, it was found that the voltage drop performance is drastically improved when the ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element is 25 to 50%.
[0070]
Next, the results of comparing the battery capacities using the laminated batteries having the configurations shown in Examples 1, 3, 6 to 8 and Comparative Examples 3 to 6 and the presence or absence of a short circuit were confirmed. The results are shown in Table 2 below.
[0071]
The thickness (μm) of the separator was obtained by averaging values obtained by measuring the separator alone at a plurality of locations with a micrometer or the like. Further, the ratio (%) of the total thickness of the separator to the thickness of the power generation element was determined in the same manner as in Table 1 above.
[0072]
Further, the porosity (%) of the separator was determined by measuring the volume of fine pores (holes) by a mercury porosimetry method and by comparing it with the apparent volume of the whole separator. Furthermore, the average diameter (μm) of the fine pores of the separator was calculated as an average diameter obtained by observing the separator with a scanning electron microscope or the like and statistically processing the photograph with an image analyzer or the like.
[0073]
The battery capacity is measured by measuring the capacity (Ah) when discharged at 3 C from 4.2 V to 2.5 V using a charge / discharge test. The capacity of Example 1 is set to 1, and other examples and comparative examples are used. The capacity ratio is shown. The charge / discharge test was performed using a laminated battery (single cell).
[0074]
In the short circuit failure experiment, immediately after the laminate battery is manufactured, a current of 0.5 mA or more that flows when a voltage of 300 V is applied between the battery terminals for 0.5 seconds is regarded as defective. About 20 each of the short circuit failure experiments were performed.
[0075]
[Table 2]

[0076]
From the results of Table 2 above, it was found that when the thickness of the separator exceeds 60 μm, or when the porosity of the separator is less than 20%, the battery capacity decreases and the basic performance as a battery cannot be maintained.
[0077]
Further, it was found that when the thickness of the separator is less than 40 μm, or when the porosity of the separator is more than 50%, a short circuit occurs and the battery may not function.
[0078]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a plurality of batteries are connected in at least one of parallel connection, series connection, parallel-series connection, or series-parallel connection.
The battery has a positive electrode plate, a separator and a negative electrode plate using a polymer-metal composite laminate film as a battery outer packaging material. Layer A battery (so-called laminate battery) that houses the power generation element
By making the battery pack characterized in that the ratio of the total thickness of the separator to the thickness of the power generating element is 25 to 50%, the laminated batteries are connected in parallel, in series, in parallel, in series or in series. Regardless of the parallel connection, a laminated battery and a battery pack using the same can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view schematically showing the external structure of a laminated battery constituting an assembled battery according to the present invention, wherein an outer laminate film is used to join the battery peripheral portions by heat fusion. Thus, the power generation element is housed and sealed, and the positive terminal lead and the negative terminal lead that are electrically connected to each electrode constituting the power generation element are sandwiched between the heat-sealed portions and taken out of the exterior laminate film. It is a schematic perspective view of a flat laminate battery having a structure.
FIG. 2 is a schematic perspective view schematically showing another external structure of a laminated battery constituting the assembled battery according to the present invention, wherein the opening made into a bag shape is heat-sealed using an exterior laminated film. The positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead, which are electrically connected to each electrode constituting the power generation element, are sandwiched between the heat-sealed portions, and the exterior laminate film It is a schematic perspective view of the flat type laminated battery which has a structure taken out outside.
3 is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration of a power generation element enclosed in a battery, as viewed from the side along the line AA in FIG. 1, and includes a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate; It is the cross-sectional schematic of the laminated battery which accommodated the laminated | stacked electric power generation element in the exterior laminate film.
FIG. 4 is an explanatory drawing for explaining the total thickness of a separator of a laminated battery in which a power generating element wound with a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate is housed in an exterior laminate film. FIG. 4A is a partial cross-sectional view of the central part of the battery explaining the number of stacked separators when the power generating element is cut perpendicular to the axis (when cut in parallel along the winding surface). FIG. 4B is a partial cross-sectional view of the central portion of the battery explaining the number of separators stacked when cut perpendicular to the winding surface (when the power generation element is cut along the axis).
[Explanation of symbols]
1 ... Flat laminated battery constituting the assembled battery,
2 ... Battery exterior material (polymer-metal composite laminate film),
3 ... heat fusion part, 4 ... positive terminal lead,
5 ... Negative electrode terminal lead, 6 ... Positive electrode plate,
7 ... negative electrode plate, 8 ... separator,
9: Positive electrode current collector.

Claims

A battery assembly comprising a plurality of batteries connected in at least one of parallel connection, series connection, parallel-series connection, or series-parallel connection,
The battery is a battery containing a power generation element in which a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate are stacked using a laminate film in which a polymer-metal is combined with a battery exterior material.
Total thickness ratio is 25-50% der occupying the thickness of the power generating element of the separator is,
The separator is made of at least one polyolefin-based microporous separator material,
The thickness of the separator is 40-60 μm,
The porosity of the separator, the battery pack characterized by 20-50% der Rukoto.

The assembled battery according to claim 1, wherein the separator is made of a microporous separator material made of polyethylene and / or polypropylene, and is a multi-layered body obtained by combining one layer or two or more layers.

The assembled battery according to claim 1 or 2 , wherein an average diameter of micropores of the separator is less than 1 µm.