JP4852990B2 - 電池と電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電極体や電解液を密閉ケース内に収容している電池に関する。特に、表面側半ケースと裏面側半ケースの周縁同士を密着させて形成した密閉ケースを備える電池に関する。

電極体や電解液を収容する密閉ケースに、表面側半ケースと裏面側半ケースの周縁同士を密着させて形成した密閉ケースを採用した電池が開発されている。
このような電池では、密閉ケースの密着部が剥離してしまい、電解液やガスが外部へ漏出してしまうおそれがある。そのことから、密着部が剥離したことを検知する技術が必要とされている。

特許文献１には、密閉ケースから電解液が漏れたことを検知する技術が開示されている。この技術では、電解液が浸入すると導電率が変化するセンサ層と、それを挟む一対の電極層を利用する。密閉ケースから電解液が漏れると、センサ層に電解液が浸入し、センサ層の導電率が変化する。センサ層の導電率が変化すると、電極層間の電圧が変化する。そのことから、電極層間の電圧を監視することによって、密閉ケースから電解液が漏れたことを検知することができるとしている。
特開２０００−２６８８８４号公報

特許文献１の技術では、密閉ケースの密着部が剥離した場合でも、センサ層に電解液が浸入しなければ、密閉ケースの密着部が剥離したことを検知することができない。密着部が剥離した位置によっては、電解液がセンサ層に浸入するまでに時間を要する場合や、電解液がセンサ層に浸入しない場合もある。特許文献１の技術では、密閉ケースの密着部が剥離したことを正しく検知できないことがある。
本発明は、上記の課題を解決する。密閉ケースの密着部が剥離したことを的確に検知することができる技術を提供する。

本発明の技術によって具現化される電池は、正極と負極を有する電極体と、電極体に含浸している電解液と、電極体と電解液を密閉している密閉ケースを備えている。密閉ケースには、表面側半ケースと裏面側半ケースの周縁同士を密着させた密着部が形成されている。この電池は、密閉ケースの密着部の少なくとも一部が、導電性を有する線材によって縫合されていることを特徴とする。

この電池では、密閉ケースの密着部が剥離すると、その密着部を縫合している線材が破断する。そのことから、線材が破断したことを検知することによって、密閉ケースの密着部が剥離したことを検知することができる。線材は導電性を有しているので、例えば線材の両端間の導通状態を監視しておけば、線材が破断したことを確実に検知することができる。
この電池によると、漏出した電解液を検知するという二次的な現象を監視対象としないことから、密閉ケースの密着部が剥離したことを的確に検知することができる。

上記した電池では、導電性を有する線材による縫合線に、密閉ケースの外側縁部に向けて突出している突出縫合部が形成されていることが好ましい。
ここでいう縫合線とは、導電性を有する線材の縫い目を辿ったときの仮想的な線を意味している。
この電池では、例えば密閉ケース内の圧力が上昇し、密着部の剥離が始まった場合に、導電性を有する線材に加わる張力が、突出縫合部の位置でより大きくなる。その結果、導電性を有する線材は、突出縫合部の位置で優先的に破断することとなる。導電性を有する線材が破断すると、その位置において密着部の密着強度が低下することから、突出縫合部が形成されていた位置において、密着部の剥離は優先的に進行することとなる。
この電池によると、突出縫合部を形成しておくことによって、密着部が優先的に剥離する位置を予め定めておくことができる。密着部が剥離する位置を限定することが可能となり、密着部が剥離したときの対策を的確な位置に講じておくことができる。

上記した電池では、導電性を有する線材の縫い目間隔が、密着部の位置に応じて変化していることが好ましい。
導電性を有する線材の縫い目間隔を変化させると、密着部を縫合する強度が変化する。例えば密着部の一部において縫い目間隔を大きくしておくと、その位置において優先的に剥離が進行することとなる。
この電池によると、密着部の位置に応じて縫い目間隔を変化させておくことによって、例えば密着部が優先的に剥離する位置を予め定めておくことが可能となり、密着部が剥離したときの対策を的確な位置に講じておくことができる。

上記した電池では、導電性を有する線材による縫合線と密着部の縁部との間の距離が、密着部の位置に応じて変化していることが好ましい。
例えば、縫合線と密着部の外側縁部との間の距離を大きく設定しておくと、密着部の剥離が始まった場合に、導電性を有する線材が破断する時点と、密着部の剥離がその外側縁部まで進行してしまう時点との時間差を、比較的に長くすることができる。即ち、密閉ケースの密閉が損なわれる時点よりも、密着部の剥離をより早い段階で検知することができる。あるいは、縫合線と密着部の内側縁部との間の距離を小さく設定しておくと、密着部の剥離が始まった場合に、密着部の剥離が始まった時点と、導電性を有する線材が破断する時点との時間差を、比較的に短くすることができる。即ち、密閉ケースの密着部の剥離が始まったことを、速やかに検知することができる。この電池では、導電性を有する線材による縫合線と密着部の縁部との間の距離を調整することによって、密着部の剥離を検知する際の感度を調整することができる。
密着部が剥離して電解液やガスが漏出した場合、漏出した電解液やガスによる二次被害の大きさは、電池モジュールの構造等に応じて、剥離した密着部の位置によって異なることがある。そのことから、導電性を有する線材による縫合線と密着部の縁部との間の距離を、密着部の位置に応じて変化させておくことで、密閉ケースの密着部が剥離したことを的確なタイミングで検知することが可能となる。

上記した電池では、導電性を有する線材が、絶縁材料によって被覆されていることが好ましい。
それにより、密閉ケースを形成する材料に、導電性を有する材料を採用することが可能となる。

上記した電池では、密閉ケースが、フィルム材によって形成されていることが好ましい。
密閉ケースがフィルム材で形成されていると、導電性を有する線材で密着部を容易に縫合することができる。

本発明の技術は、新規で有用な電池モジュールに具現化することもできる。この電池モジュールは、上記したいずれかの電池と、その電池の導電性を有する線材の破断を検知する検知回路を備えている。
この電池モジュールでは、電池の導電性を有する線材が破断すると、そのことが検知回路によって検知される。
この電池モジュールによると、電池の密閉ケースの密着部が剥離したことを的確に検知することができる。

本発明によると、電池の密閉ケースの密着部が剥離したことを的確に検知することが可能となり、電解液やガスが漏出したときの二次被害を有意に低減することが可能となる。

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） 電極体は、正極と、負極と、正極と負極との間に介在しているセパレータを有している。
（形態２） 密閉ケースは、金属シートの両面に樹脂層が形成されている積層フィルム材によって形成されている。
（形態３） 検知回路では、導電性を有する線材の一端に定電圧が印加されているとともに、導電性を有する線材の他端が抵抗器を介して接地されている。検知回路は、導電性を有する線材の他端の電位を監視することによって、導電性を有する線材が破断したことを検知する。

本発明を実施した実施例の電池モジュールについて説明する。図１は、実施例の電池モジュール１０を示す模式図である。図１に示すように、電池モジュール１０は、二次電池２０と、検知回路１１を備えている。
図１に示すように、二次電池２０は、電極体４０と、電極体に含浸している電解液（図示せず）と、電極体４０や電解液を密閉している密閉ケース２１、２２を備えている。
密閉ケース２１、２２は、表面側（図面手前側）の半ケース２１と、裏面側（図面奥側）の半ケース２２を備えている。表面側半ケース２１と裏面側半ケース２２は共に、フィルム材で形成されている。このフィルム材の構成については、後段において詳細に説明する。

表面側半ケース２１は、略矩形状に膨出している収容部２１ａと、収容部２１ａの周囲に延出している周縁部２１ｂを備えている。図１では図示されないが、裏面側半ケース２２は、表面側半ケース２１と略同一の形状をしており、同様に収容部と周縁部を備えている。表面側半ケース２１と裏面側半ケース２２は、一体のフィルム材に併せて成形したものを折り重ねてもよいし、それぞれを別々のフィルム材に成形してものを重ね合わせてもよい。
密閉ケース２１、２２では、表面側半ケース２１の収容部２１ａと裏面側半ケース２２の収容部が対向して、電極体４０や電解液を収容する収容空間が形成されている。そして、表面側半ケース２１の周縁部２１ｂと裏面側半ケース２２の周縁部が熱溶着されており、密閉ケース２１、２２の周縁に沿って表面側半ケース２１と裏面側半ケース２２との密着部２６が形成されている。電極体４０や電解液を収容する収容空間は、密着部２６によって密閉されている。

図１に示すように、二次電池２０は、密閉ケース２１、２２の密着部２６から外方に伸びている正極端子５２と負極端子５４を備えている。正極端子５２は、密閉ケース２１、２２の内部において、電極体４０の正極と電気的に接続されている。負極端子５４は、密閉ケース２１、２２の内部において、電極体４０の負極と電気的に接続されている。正極端子５２はアルミニウムで形成されており、負極端子５４は銅で形成されている。

図２を参照して、電極体４０の構成について説明しておく。図２に示すように、電極体４０は、シート状の正極４２と、シート状の負極４６と、シート状のセパレータ４４、４８が積層され、扁平に巻き回されて形成されている。正極４２の表面には正極活物質４３が塗布されており、正極４６の表面には負極活物質４７が塗布されている。電極体４０の正極４２の端部は正極端子５２に溶着されており、電極体４０の負極４６の端部は負極端子５４に溶着されている。
正極４２、負極４６、セパレータ４４、４８、正極活物質４３、負極活物質４７には、従来から用いられている材料を適宜採用することができる。本実施例では、正極４２にアルミニウム箔を採用し、負極４６には銅箔を採用し、セパレータ４４、４８に多孔質オレフィン系樹脂のシート材を採用している。また、正極活物質４３にはリチウム二次電池用正極活物質を採用し、負極活物質４７にはリチウム二次電池用負極活物質を採用している。即ち、二次電池２０は、いわゆるリチウム二次電池である。リチウム二次電池用正極活物質には、例えばＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２等を採用することができる。リチウム二次電池用正極活物質には、例えばグラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム含有遷移金属酸化物や遷移金属窒化物等を採用することができる。
二次電池２０の電解液には、例えばジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とエチレンカーボネート（ＥＣ）の混合溶媒（例えばＤＥＣ：ＥＣの質量比が７：３）にリチウム塩である１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ_６を溶解した非水電解液を採用することができる。電解液は、電極体４０の正極４２や負極４６やセパレータ４４、４８の間に含浸している。

図１に示すように、密閉ケース２１、２２の密着部２６は、導電性を有する線材（以下、導電線ということがある）３０によって縫合されている。導電線３０は、密閉ケース２１、２２の密着部２６を全周に亘って縫合している。導電線３０による縫合線は、密閉ケース２１、２２の周縁に沿って略直線状に伸びており（角部は除く）、密閉ケース２１、２２の収容空間の周囲を囲繞している。また、導電線３０による縫合線には、密着部２６の外側縁部に向けて突出している突出縫合部３２が形成されている。突出縫合部３２は、略直線状に伸びる縫合線から略三角形状に突出している。導電線３０の両端３０ｅ、３０ｆには、検知回路１１が接続されている。
ここでいう導電線３０による縫合線とは、導電線３０の縫い目を辿ったときの仮想的な線を意味している。
導電線３０によって密着部２６を縫合する際には、密着部２６を全周に亘って縫合しておくことで、密着部２６の剥離を確実に検知することができるが、密着部２６を全周に亘って縫合しておく必要は必ずしもない。例えば、密着部２６の一部が電池モジュール１０のケーシング等によって挟持されており、他の位置に比して剥離するおそれが十分に低い範囲等では、導電線３０による縫合を省略することもできる。
図３は、図１のIII−III線による断面図であり、導電線３０が密閉ケース２１、２２の密着部２６を縫合している様子を示している。図３に示すように、導電線３０は、導電性を有する芯材３０ａと、芯材３０ｂを被覆している絶縁性の被覆層３０ｂを備えている。本実施例では、芯材３０ａに金属製の線材を採用している。導電線３０が絶縁性の被覆層３０ｂを備えていることから、例えば密閉ケース２１、２２が導電性を有する材料から形成されていても、導電線３０と密閉ケース２１、２２が短絡することがない。
本実施例では、導電線３０によって密着部２６を縫合する際の縫い方に、いわゆる波縫いを採用しているが、本返し縫いや半返し縫い等の他の縫い方を採用することもできる。また、導電線３０の本数も１本に限られず、複数本の導電線３０を用いてよい。この場合、ミシンによる縫合のように、上糸と下糸に相当する２本の導電線３０を用いて、密着部２６を縫合してもよい。複数の導電線３０を用いる場合には、それぞれの導電線に対して検知回路１１を用意するとよい。

ここで、図３を参照しながら、密閉ケース２１、２２を形成しているフィルム材の構成について説明する。図３に示すように、密閉ケース２１、２２を形成するフィルム材には、例えば保護層２８ａと、バリア層２８ｂと、接着層２８ｃを有する三層構造の積層フィルム材を用いることができる。保護層２８ａは、バリア層２８ｂを外界から保護するための層であり、高融点樹脂（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂）で形成することができる。バリア層２８ｂは、ガスや水分を遮断するための層であり、アルミニウム、鉄等の金属箔で形成することができる。接着層２８ｃは、フィルム材同士を熱溶着させるための層であり、比較的に低融点の樹脂（例えばエチレンビニルアセテートや、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂）で形成することができる。なお、密閉ケース２１、２２を形成するフィルム材は、必ずしも上記した例に限定されない。

図４に示すように、二次電池２０では、例えば密閉ケース２１、２２の内部圧力が上昇して密着部２６が剥離すると、導電線３０が破断する。密着部２６の剥離によって導電線３０が破断する場合、導電線３０に加わる張力は突出縫合部３２の位置でより大きくなることから、導電性３０は突出縫合部３２の位置において優先的に破断する。その結果、突出縫合部３２の位置において密着部２６の密着強度が低下し、突出縫合部３２が形成されていた位置において、密着部２６の剥離は優先的に進行することとなる。即ち、突出縫合部３２を形成しておくことによって、密着部２６が優先的に剥離する位置を予め定めておくことができる。密着部２６が剥離する位置を限定することが可能となり、密着部２６が剥離して電解液やガスが漏出したときの対策を的確な位置に講じておくことができる。

図１に示すように、検知回路１１は、定電圧出力端子１２と、抵抗器１４と、電圧計１６と、報知器１８を備えている。検知回路１１の定電圧出力端子１２には、導電線３０の一端３０ｅが接続されており、定電圧出力端子１２から導電線３０の一端３０ｅに定電圧Ｖｃｃが印加される。検知回路１１の抵抗器１４の一端には、導電線３０の他端３０ｆが接続されており、検知回路１１の抵抗器１４の一端は接地されている。電圧計１６は、導電線３０の他端３０ｆに接続されており、導電線３０の他端３０ｆの電位を測定する。導電線３０が破断していない場合、電圧計１６による測定電位は定電圧Ｖｃｃに略等しい。導電線３０が破断すると、電圧計１６による測定電位は略ゼロボルトまで低下する。報知器１８は、電圧計１６の測定電圧が略ゼロボルトとなったときに、導電線３０が破断した旨の警報信号を出力する。このように、検知回路１１は、導電線３０の両端３０ｅ、３０ｆ間の導電状態を監視することによって、導電線３０が破断したことを検知する。

上記した電池モジュール１０では、密閉ケース２１、２２の密着部２６が剥離することよって導電線３０が破断し、導電線３０が破断したことが検知回路１１によって直ちに検知される。さらに、密着部２６の剥離がその内側縁部から進行する場合には、密着部２６の剥離が導電線３０による縫合線３０ａの位置を越えた時点で、密着部２６の剥離を検知することができる。即ち、密着部２６の剥離がその外側縁部まで進行し、電解液やガスが漏出する時点に先立って、密着部２６の剥離を検知することができる。この電池モジュール１０では、密閉ケース２１、２２の密着部２６が剥離したことを的確に検知することができる。

上記した二次電池２０では、導電線３０によって密着部２６を縫合する際に、密着部２６の位置に応じて、縫い目間隔を変化させてもよい。
図５に示すように、例えば一部の位置における縫い目間隔Ｐ１を、他の位置の縫い目間隔Ｐ２よりも大きくすることができる。縫い目間隔Ｐ１の位置では、縫い目間隔Ｐ２の位置よりも、密着部２６を縫合する強度が低下する。その結果、密着部２６が剥離する際には、縫い目間隔Ｐ１の位置において剥離が優先的に進行することとなる。逆にいえば、縫い目間隔Ｐ２の位置では、密着部２６を縫合する強度が比較的に上昇することから、密着部２６が剥離することを抑制することができる。密着部２６の位置に応じて縫い目間隔Ｐ１、Ｐ２を変化させておくことによって、例えば密着部２６が優先的に剥離する位置を予め定めておくことが可能となる。それにより、密着部２６が剥離して電解液やガスが漏出したときの対策を的確な位置に講じておくことができる。

上記した二次電池２０では、導電線３０による縫合線と密着部２６の縁部との間の距離を、密着部の位置に応じて変化させてもよい。この場合、図６に示すように、例えば電極端子５２の近傍において、導電線３０による縫合線と密着部２６の外側縁部２６ａとの間の距離ｄ２を、他の位置における距離ｄ１よりも大きく設定することができる。
導電線３０による縫合線と密着部２６の外側縁部２６ａとの間の距離ｄ１、ｄ２を大きく設定しておくと、密着部２６の剥離がその内側縁部２６ｂから始まった場合に、導電線３０が破断する時点と、密着部２６の剥離がその外側縁部２６ａまで進行してしまう時点との時間差を、比較的に長くすることができる。即ち、密閉ケース２１、２２の密閉が損なわれる時点よりも、密着部２６の剥離をより早い段階で検知することができる。また、導電線３０による縫合線と密着部２６の内側縁部２６ｂとの間の距離を小さく設定しておくと、密着部２６の剥離が始まった時点と、導電線３０が破断する時点との時間差を、比較的に短くすることができる。即ち、密着部２６の剥離が始まったことを、速やかに検知することができる。導電線３０による縫合線と密着部２６の縁部２６ａ、２６ｂとの間の距離を調整することによって、密着部２６の剥離を検知する際の感度を調整することができる。
正極端子５２や負極端子５４の近傍では、密着部２６の密着強度が不足しやすいとともに、電解液等を漏出させてしまうと漏電や短絡等の二次被害が起きやすい。そのことから、図６に示す例のように、正極端子５２や負極端子５４の近傍では、導電線３０による縫合線と密着部２６の外側縁部２６ａとの間の距離ｄ２を大きく設定しておくとよい。また、導電線３０による縫合線と密着部２６の内側縁部２６ｂとの間の距離を小さく設定しておくとよい。それにより、正極端子５２や負極端子５４の近傍では、密着部２６の剥離をより的確なタイミングで検知することが可能となる。

上記した二次電池２０に用いる導電線３０では、例えば導電性を有する芯材３０ａを脆性材料によって形成し、絶縁性を有する被覆層３０ｂを延性材料によって形成してもよい。それにより、密着部２６の剥離が導電線３０による縫合線の位置まで進行した際に、導電性を有する芯材３０ａは直ちに破断するが、被覆層３０ｂは直ちに破断せずに密着部３０を縫合し続けることができる。それにより、密着部２６の剥離が縫合線の位置まで進行したことを的確に検知することができるとともに、密着部２６の剥離が縫合線を越えて進行することを抑制することができる。このような導電線３０、即ち、所定の張力が加えられたときに芯材３０ａが先に破断する導電線３０は、芯材３０ａや被覆層３０ｂを形成する材料の脆性や延性のみでなく、芯材３０ａや被覆層３０ｂの構造等によって実現することもできる。あるいは、導電線３０が、導電性を有する芯材３０ａとともに、芯材３０ａよりも引っ張り強度が高い線材を備えてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

電池モジュールの構成を示す模式図。 電極体の構成を示す模式図。 導電線によって密着部が縫合されている様子を示す断面図。 密着部が剥離して導電線が破断した様子を示す断面図。 導電線の縫い目間隔を密着部の位置に応じて変化させた例を示す図。 導電線による縫合線と密着部周縁との距離を密着部の位置に応じて変化させた例を示す図。

符号の説明

１０：電池モジュール
１１：検知回路
１２：定電圧出力端子
１４：抵抗器
１６：電圧計
１８：報知器
２０：二次電池
２１：密閉ケースの表面側半ケース
２２：密閉ケースの裏面側半ケース
２６：密着部
３０：導電性を有する線材（導電線）
４０：電極体
５２：正極端子
５４：負極端子

Claims (7)

1. 正極と負極を有する電極体と、
   電極体に含浸している電解液と、
   電極体と電解液を密閉している密閉ケースを備えており、
   前記密閉ケースには、表面側半ケースと裏面側半ケースの周縁同士を密着させた密着部が形成されており、
   前記密閉ケースの密着部の少なくとも一部が、導電性を有する線材によって縫合されており、
   前記導電性を有する線材による縫合線には、前記密着部の外側縁部に向けて突出している突出縫合部が形成されていることを特徴とする電池。
2. 正極と負極を有する電極体と、
   電極体に含浸している電解液と、
   電極体と電解液を密閉している密閉ケースを備えており、
   前記密閉ケースには、表面側半ケースと裏面側半ケースの周縁同士を密着させた密着部が形成されており、
   前記密閉ケースの密着部の少なくとも一部が、導電性を有する線材によって縫合されており、
   前記導電性を有する線材の縫い目間隔は、前記密着部の位置に応じて変化していることを特徴とする電池。
3. 正極と負極を有する電極体と、
   電極体に含浸している電解液と、
   電極体と電解液を密閉している密閉ケースを備えており、
   前記密閉ケースには、表面側半ケースと裏面側半ケースの周縁同士を密着させた密着部が形成されており、
   前記密閉ケースの密着部の少なくとも一部が、導電性を有する線材によって縫合されており、
   前記導電性を有する線材による縫合線と前記密着部の縁部との間の距離は、密着部の位
   置に応じて変化していることを特徴とする電池。
4. 前記導電性を有する線材は、絶縁材料によって被覆されていること特徴とする請求項１から３のいずれかの電池。
5. 前記密閉ケースは、フィルム材によって形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかの電池。
6. 請求項１から５のいずれかの電池と、
   その電池の前記導電性を有する線材の破断を検知する検知回路と、
   を備える電池モジュール。
7. 正極と負極を有する電極体と、
   電極体に含浸している電解液と、
   電極体と電解液を密閉している密閉ケースを備えており、
   前記密閉ケースには、表面側半ケースと裏面側半ケースの周縁同士を密着させた密着部が形成されており、
   前記密閉ケースの密着部の少なくとも一部が、導電性を有する線材によって縫合されて
   いることを特徴とする電池と、
   その電池の前記導電性を有する線材の破断を検知する検知回路と、
   を備える電池モジュール。

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