JP5157043B2

JP5157043B2 - 組電池

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Publication number: JP5157043B2
Application number: JP2005169899A
Authority: JP
Inventors: 雄児丹上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2025-06-09
Also published as: JP2006344520A

Description

本発明は、合成樹脂層及び金属層を有するラミネートフィルムを外装部材として用いた薄型二次電池を複数積層した電池積層体をケース内に収容して構成される組電池に関する。

ラミネートフィルムを外装部材として用いた薄型二次電池を複数積層して電池積層体を構成し、この電池積層体をケース内に収容した組電池が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記の組電池を構成している二次電池の外装部材は、比較的強度が弱い材料から構成されているので、異物が二次電池を貫通可能な場合がある。導電性を有する異物が、積層された二次電池を貫通すると、二次電池同士がその異物を介して短絡し、二次電池が発熱したり、内圧が上昇して膨張する可能性がある。
特開２００１−２５６９３４号公報

本発明は、異物貫通時の二次電池の発熱や膨張を抑えることが可能な組電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、セパレータを介して積層された電極板を、合成樹脂層及び金属層を有する外装部材に収容して封止していると共に、前記電極板に接続された電極端子が前記外装部材の外周縁から導出した二次電池を複数積層した電池積層体と、前記電池積層体を内部に収容可能なケースと、を備えており、前記ケースにおける前記二次電池の積層方向両側面である上面及び下面は導電性部材で構成され、前記ケースの側面も導電性部材で構成されており、前記側面は、前記上面と前記下面とに電気的に接続されており、前記ケースは、一方の面が開口し、前記側面と前記下面を構成する箱体と、前記開口を閉じ、前記上面を構成する蓋体と、を有し、前記箱体と前記蓋体は、いずれも合成樹脂材料でラミネートされた導電性部材で構成されており、前記箱体において前記蓋体と接する部分の合成樹脂材料が除去されていると共に、前記蓋体において前記箱体と接する部分の合成樹脂材料が除去され、前記箱体の導電性部材と前記蓋体の導電性部材とが直接接触している組電池が提供される。

本発明では、合成樹脂層及び金属層を有する外装部材を備えた二次電池を複数積層して電池積層体を構成し、この電池積層体をケース内に収容した組電池において、ケースにおける二次電池の積層方向両側面である上面及び下面を導電性部材で構成し、その上面と下面とを電気的に接続する。これにより、導電性を持つ異物が組電池を貫通して、二次電池同士が短絡しても、異物のみならずケース自体にも短絡電流が流れるため、異物に流れる電流を小さくすることが出来る。そのため、二次電池が発熱したり、内圧が上昇して膨張するのを抑制することが出来る。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態における薄型電池の全体を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿った二次電池の断面図である。図１及び図２は一つの薄型電池１０（単位電池）を示し、この薄型電池１０を複数積層して電気的に接続することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。

先ず、本発明の第１実施形態における薄型電池１０は、リチウム系の薄型の二次電池である。この薄型電池１０は、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質と、から構成されており、例えば１０ｍｍ以下の総厚を有している。本実施形態では、このうちの正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解質を特に発電要素１０８と称する。

発電要素１０８の正極板１０１は、図２に示すように、正極端子１０４まで延びている正極側集電体１０１ａと、この正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃと、を有している。

正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔で構成されている。

正極層１０１ｂ、１０１ｃは、正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の接着剤と、を混合したものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。正極活物質としては、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、又は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等を挙げることが出来る。

発電要素１０８の負極板１０３は、負極端子１０５まで延びている負極側集電体１０３ａと、この負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃと、を有している。

負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔で構成されている。

負極層１０３ｂ、１０３ｃは、上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。負極活物質としては、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等を挙げることが出来る。

特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。

発電要素１０８のセパレータ１０２は、正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィンから構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。

なお、本発明におけるセパレータは、ポリオレフィン等の単層膜のみに限定されず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものを用いることも出来る。このように、セパレータを複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することが出来る。

以上の発電要素１０８は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが交互に積層されている。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属箔製の負極端子１０５にそれぞれ接続されている。

なお、発電要素１０８の正極板１０１、セパレータ１０２、及び、負極板１０３は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、１枚の正極板、３枚のセパレータ、１枚の負極板でも発電要素を構成することが出来、必要に応じて、正極板、セパレータ及び負極板の枚数を選択して構成することが出来る。

正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることが出来る。また、負極端子１０５としては、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることが出来る。また、本実施形態では、電極板１０１、１０３の集電体１０１ａ、１０３ａを構成する金属箔自体を電極端子１０４、１０５まで延長することにより、電極板１０１、１０３を電極端子１０４、１０５に直接接続しているが、電極板１０１、１０３の集電体１０１ａ、１０３ａと、電極端子１０４、１０５とを、集電体１０１ａ、１０３ａを構成する金属箔とは別の材料や部品により接続しても良い。

発電要素１０８は、図２に示すようなカップ状に成型された上部外装部材１０６と、平板状の下部外装部材１０７との間に収容されて封止されている。本実施形態における上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は何れも、特に図示しないが、内側合成樹脂層、金属層、及び、外側合成樹脂層から成るラミネートフィルムから構成されている。

このラミネートフィルムの内側合成樹脂層は、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムで構成されている。金属層は、例えばアルミニウム等の金属箔で構成されている。外側合成樹脂層は、例えば、ポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成されている。

なお、薄型電池１０内部の封止性を維持するために、電極端子１０４、１０５と外装部材１０６、１０７とが接触する部分に、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等から構成されたシールフィルムを介在させても良い。このシールフィルムは、正極端子１０４及び負極端子１０５の何れにおいても、外装部材１０６、１０７の内側合成樹脂層を構成する合成樹脂材料と同系統のもので構成することが、熱融着性の観点から好ましい。

これらの外装部材１０６、１０７によって、上述した発電要素１０８、電極端子１０４、１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウムやホウフッ化リチウム、六フッ化リン酸リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、当該空間を真空状態とした後に、外装部材１０６、１０７の外周縁を熱プレスにより熱融着する。これにより、外装部材１０６、１０７の内部に発電要素１０８及び電極端子１０４、１０５の一部が収容されて封止される。

有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート等のエステル系溶媒を挙げることが出来る。なお、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）やジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。

以下に、上述の薄型電池１０を複数接続することにより構成される組電池２０について説明する。

図３は本発明の第１実施形態に係る組電池を示す斜視図、図４は図３に示す組電池を上下反転し、さらに分解して示す分解斜視図、図５は本発明の第１実施形態に係る組電池に異物が貫通した状態における短絡電流の流れを示す模式図である。

本発明の第１実施形態に係る組電池２０では、電極端子１０４、１０５が実質的に同一方向に導出するような姿勢で、８個の薄型電池１０を積層することにより電池積層体２１が構成されている。そして、この電池積層体２１は中空形状のケース２２の内部に収容されている。

ケース２２は、一方の面が開口した箱形状を成すロアケース２３と、その開口を閉じる蓋体を成すアッパケース２４と、から構成されている。

本実施形態では、ロアケース２３及びアッパケース２４は、比較的薄肉なアルミニウム板や鋼板等の導電性及び伝熱性に優れた材料から成る板材から構成され、プレス加工によって所定形状が付与されている。

このロアケース２３とアッパケース２４とは、図３中の部分拡大断面図に示すように、アッパケース２４の縁部２４ａを、カシメ加工によって、ロアケース２３の側面部２３ａの縁部２３ｂに巻き付けることにより固定されている。

従って、本実施形態では、アッパケース２４自体とロアケース２３の底面部２３ｃとが、カシメ加工によりアッパケース２４の縁部２４ａが固定されたロアケース２３の側面部２３ａを介して電気的に接続されている。

ここで、本実施形態におけるアッパケース２４自体が、特許請求の範囲におけるケースの上面に相当し、本実施形態におけるロアケース２３の底面部２３ｃが、特許請求の範囲におけるケースの下面に相当し、本実施形態におけるロアケース２３の側面部２３ａが、特許請求の範囲におけるケースの側面に相当する。

なお、ロアケース２３及びアッパケース２４を構成する板材を、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：Poly Ethylene Terephthalate）等の合成樹脂材料でラミネートしても良い。この場合には、カシメ加工に際して、アッパケース２４ａの縁部２４ａとロアケース２３の側面部２３ａの縁部２３ｂとのそれぞれのラミネート部分を、剥離や溶融等により除去しておく。これにより、アッパケース２４自体とロアケース２３の底面部２３ｃとを、ロアケースの側面部２３ａを介して電気的に接続することが出来る。このラミネートの除去の際、アッパケース２４の縁部２４ａ、及び、ロアケース２３の側面部２３ａの縁部２３ｂにおいて、それぞれ接触する部分のラミネートのみを除去し、その他の部分のラミネートは残しておくことが好ましい。

また、ロアケース２３及びアッパケース２４は、例えば合成樹脂材料等の絶縁性材料で構成し、電池積層体２１を例えばアルミニウム等の金属箔で包んだ状態でケース２２内に収容しても良い。

また、ケース２２の上面（アッパケース２４）及び下面（ロアケース２３の底面部２３ｃ）は平面形状に限定されず、例えば剛性や冷却性能等を考慮して、凹凸形状を追加したり、曲面形状としても良い。

電池積層体２１を構成する８個の薄型電池１０同士は、スペーサ部２５において、電極端子１０４、１０５同士が直接接続されたり、バスバ（不図示）を介して接続される等して直列接続されており、その結果として、各薄型電池１０は、正極出力端子３０及び負極出力端子３１に電気的に接続されている。

本実施形態においては、電池積層体２１を構成する８個の薄型電池１０のうち、最上段の電池の正極端子１０４が正極出力端子３０に電気的に接続され、最下段の電池の負極端子１０５が負極出力端子３１に電気的に接続されている。なお、これらの電池の接続形式は、適宜変更可能である。

正極出力端子３０は、ロアケース２３の側面部２３ａの一部に形成された第１の切欠２３ｄを介してケース２２から外部に導出している。同様に、負極出力端子３１も、ロアケースの側面部２３ａの一部に形成された第２の切欠２３ｅを介してケース２２から外部に導出している。また、ロアケース２３の側面部２３ａの一部に第３の切欠２３ｆが形成されており、この第３の切欠２３ｆを介してメス側コネクタ２７がケース２２から外部に導出している。このメス側コネクタ２７は、特に図示しないが、スペーサ部２５において各薄型電池１０の電極端子１０４、１０５に接続されており、このメス型コネクタ２７にオス側コネクタ（不図示）が挿入され、当該オス側コネクタに接続された電圧検出器（不図示）が各薄型電池１０の電圧を検出することにより、組電池２０の充放電管理を行うことが可能となっている。これら正極出力端子３０、メス側コネクタ２７、及び、負極出力端子３１の間には、絶縁性を維持するために絶縁カバー２６がそれぞれ介装されている。

ケース２２の隅部の４箇所にボルト（不図示）を挿通させるために、ロアケース２３の隅部の４箇所に貫通孔２３ｇが形成されていると共に、アッパケース２４の隅部の４箇所に貫通孔２４ｂが形成されている。また、各スペーサ部２５の両端２箇所にも、スリーブ２８を挿通させるための貫通孔２５ａが形成されている。

所望の電圧・容量を確保するために、組電池２０を複数接続して複合組電池が構成されるが、この複合組電池を構成するために組電池２０同士を積層した際に、ケース２２の各貫通孔２３ｇ、２４ｂ及びスリーブ２８にボルトが挿入される。

以上のような構成の組電池２０は、次のように組み立てられる。先ず、８個の薄型電池１０の両極端子１０４、１０５にスペーサ部２５を取り付けてロアケース２３に収容し、スペーサ部２５の各貫通孔２５ａにスリーブ２８をそれぞれ挿入する。次いで、各スペーサ部２５の上下面に緩衝材２９を載せ、ロアケース２３にアッパケース２４を被せた後に、ロアケース２３の側面部２３ａの縁部２３ｂにアッパケース２４の縁部２４ａを巻き付けて、ロアケース２３とアッパケース２４とを固定する。

外装部材１０６、１０７として柔軟性を有するラミネートフィルムを用いた本実施形態における薄型電池１０では、電池性能の維持を図るために電極板１０１、１０３間の距離を均一に保つ必要がある。これに対し、本実施形態では、最上段及び最下段の薄型電池１０をケース２２の上下の内壁面に密着させると共に、各薄型電池１０同士を密着させた状態でケース２２内に収容することにより、電極板１０１、１０３の積層方向に圧力を印加することが可能となっている。

また、これに加えて、各薄型電池１０とケース２２の上下面２４、２３ｃとがそれぞれ密着していることにより、ケース２２の上下面２４、２３ｃを介して、各薄型電池１０の放熱を行うことが可能となっている。

さらに、本実施形態では、ケース２２の上面２４及び下面２３ｃをそれぞれ導電性に優れた金属材料で構成すると共に、ケース２２の側面２３ａを介して上面２４及び下面２３ｃを電気的に接続する。これにより、図５に示すように、例えば、釘のような導電性を持つ異物５０が薄型電池１０の積層方向に沿って組電池２０を貫通して、薄型電池１０同士が短絡しても、異物５０のみならずケース２２にも短絡電流が流れることとなる。そのため、異物５０に流れる電流を小さくすることが出来、異物貫通時の薄型電池１０の発熱や膨張を抑えることが出来る。これに対し、ケースが合成樹脂材料で構成されている場合には、異物を介して薄型電池同士が短絡し、異物の発熱が薄型電池に伝わり薄型電池が発熱したり膨張する。

［第２実施形態］
図６は本発明の第２実施形態における外装部材の縁部を示す部分拡大断面図であり、図１のVI-VI線に相当する部分の断面図、図７は本発明の第２実施形態に係る組電池に異物が貫通した状態における短絡電流の流れを示す模式図である。

本発明の第２実施形態に係る組電池２０’は、薄型電池１０’の外装部材１０６’、１０７’の縁部の構造が第１実施形態に係る組電池２０と相違するが、それ以外は、第１実施形態に係る組電池２０と同一である。以下に、第２実施形態に係る組電池２０’について、第１実施形態に係る組電池２０との相違点のみを説明する。

本実施形態における薄型電池１０’の上部外装部材１０６’は、図６に示すように、第１実施形態と同様に、内側合成樹脂層１０６ａ、金属層１０６ｂ、及び、外側合成樹脂層１０６ｃから成るラミネートフィルムから構成されており、カップ状に成型されている。

本実施形態では、同図に示すように、上部外装部材１０６’の縁部から金属層１０６ｂが剥き出しており、しかもこの金属層１０６ｂがケース２２の側面２３ａ（ロアケース２３の側面部２３ａ）に接触している。

下部外装部材１０７’も、同図に示すように、第１実施形態と同様に、内側合成樹脂層１０７ａ、金属層１０７ｂ、及び、外側合成樹脂層１０７ｃから成る平板状のラミネートフィルムから構成されている。

本実施形態では、この下部外装部材１０７’においても、その縁部から金属層１０７ｂが剥き出しており、しかもこの金属層１０７ｂがケース２２の側面２３ａに接触している。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、ケース２２の上面２４及び下面２３ｃをそれぞれ導電性に優れた金属材料で構成すると共に、ケース２２の側面２３ａを介して上面２４及び下面２３ｃを電気的に接続する。これにより、例えば、釘のような異物５０が薄型電池１０’の積層方向に沿って組電池２０’を貫通して、薄型電池１０’同士が短絡しても、異物５０のみならずケース２２にも短絡電流が流れることとなる。そのため、異物５０に流れる電流を小さくすることが出来、異物貫通時の薄型電池１０’の発熱や膨張を抑えることが出来る。

また、本実施形態では、外装部材１０６’、１０７’の縁部から金属層１０６ｂ、１０７ｂを剥き出させ、しかもこの金属層１０６ｂ、１０７ｂをケース２２の側面２３ａに接触させる。これにより、異物５０の貫通により薄型電池１０’同士が短絡しても、図７に示すように、異物５０からケース２２に短絡電流が直接流れるのに加えて、異物５０から薄型電池１０’の外装部材１０６’、１０７’の金属層１０６ｂ、１０７ｂを介してケース２２に流れることとなるため、異物５０に流れる電流をより小さくすることが出来る。

さらに、本実施形態では、図７に示すように、異物５０が組電池２０’を完全に貫通しなかった場合にも、ケース２２にも短絡電流を流すことが可能であり、薄型電池１０’の発熱や膨張を抑えることが出来る。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

図１は、本発明の第１実施形態における薄型電池の全体を示す平面図である。図２は、図１のII-II線に沿った二次電池の断面図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る組電池を示す斜視図である。図４は、図３に示す組電池を上下反転し、さらに分解して示す分解斜視図である。図５は、本発明の第１実施形態に係る組電池に異物が貫通した状態における短絡電流の流れを示す模式図である。図６は、本発明の第２実施形態における外装部材の縁部を示す部分拡大断面図であり、図１のVI-VI線に相当する部分の断面図である。図７は、本発明の第２実施形態に係る組電池に異物が貫通した状態における短絡電流の流れを示す模式図である。

符号の説明

１０、１０’…薄型電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ、１０１ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ、１０３ｃ…負極層
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６、１０６’…上部外装部材
１０６ａ…内側合成樹脂層
１０６ｂ…金属層
１０６ｃ…外側合成樹脂層
１０７、１０７’…下部外装部材
１０７ａ…内側合成樹脂層
１０７ｂ…金属層
１０７ｃ…外側合成樹脂層
１０８…発電要素
２０、２０’…組電池
２１…電池積層体
２２…ケース
２３…ロアケース
２３ａ…側面部
２３ｂ…縁部
２３ｃ…底面部
２３ｄ〜２３ｆ…第１〜第３の切欠
２３ｇ…貫通孔
２４…アッパケース
２４ａ…縁部
２４ｂ…貫通孔
２５…スペーサ部
２５ａ…貫通孔
２６…絶縁カバー
２７…メス側コネクタ
２８…スリーブ
２９…緩衝材
３０…正極出力端子
３１…負極出力端子
５０…異物

Claims

セパレータを介して積層された電極板を、合成樹脂層及び金属層を有する外装部材に収容して封止していると共に、前記電極板に接続された電極端子が前記外装部材の外周縁から導出した二次電池を複数積層した電池積層体と、
前記電池積層体を内部に収容可能なケースと、を備えており、
前記ケースにおける前記二次電池の積層方向両側面である上面及び下面は導電性部材で構成され、
前記ケースの側面も導電性部材で構成されており、
前記側面は、前記上面と前記下面とに電気的に接続されており、
前記ケースは、
一方の面が開口し、前記側面と前記下面を構成する箱体と、
前記開口を閉じ、前記上面を構成する蓋体と、を有し、
前記箱体と前記蓋体は、いずれも合成樹脂材料でラミネートされた導電性部材で構成されており、
前記箱体において前記蓋体と接する部分の合成樹脂材料が除去されていると共に、前記蓋体において前記箱体と接する部分の合成樹脂材料が除去され、前記箱体の導電性部材と前記蓋体の導電性部材とが直接接触している組電池。
前記外装部材が有する金属層は、前記ケースの側面に電気的に接続されている請求項１記載の組電池。