JP5445872B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
正極シート220は、図2に示すように、帯状の正極集電体221(正極芯材)を有している。正極集電体221には、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。この正極集電体221には、所定の幅を有する帯状のアルミニウム箔が用いられている。また、正極シート220は、未塗工部222と、正極合材層223とを有している。未塗工部222は正極集電体221の幅方向片側の縁部に沿って設定されている。正極合材層223は、正極活物質を含む正極合材224が塗工された層である。正極合材224は、正極集電体221に設定された未塗工部222を除いて、正極集電体221の両面に塗工されている。
負極シート240は、図2に示すように、帯状の負極集電体241(負極芯材)を有している。負極集電体241には、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この負極集電体241には、所定の幅を有する帯状の銅箔が用いられている。また、負極シート240は、未塗工部242と、負極合材層243とを有している。未塗工部242は負極集電体241の幅方向片側の縁部に沿って設定されている。負極合材層243は、負極活物質を含む負極合材244が塗工された層である。負極合材244は、負極集電体241に設定された未塗工部242を除いて、負極集電体241の両面に塗工されている。
セパレータ262、264は、正極シート220と負極シート240とを分離する部材である。この例では、セパレータ262、264は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ262、264の好適な例として、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層又は積層構造のものが挙げられる。この例では、図2及び図3に示すように、負極合材層243の幅b1は、正極合材層223の幅a1よりも少し広く、さらにセパレータ262、264の幅c1、c2は、負極合材層243の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。
捲回電極体200の正極シート220及び負極シート240は、セパレータ262、264を介在させた状態で重ねられ、かつ、捲回されている。
また、この例では、電池ケース300は、図1に示すように、いわゆる角型の電池ケースであり、容器本体320と、蓋体340とを備えている。容器本体320は、有底四角筒状を有しており、一側面(上面)が開口した扁平な箱型の容器である。蓋体340は、当該容器本体320の開口(上面の開口)に取り付けられて当該開口を塞ぐ部材である。
位置決め部材400は、図1に示すように、捲回電極体200を電池ケース300に位置決めする部材である。この例では、電池ケース300(この例では、蓋体340)に取り付けられた電極端子420、440が、位置決め部材400として用いられている。捲回電極体200は、捲回軸に直交する一の方向において扁平に押し曲げられた状態で電池ケース300に収納されている。また、捲回電極体200は、セパレータ262、264の幅方向において、正極シート220の未塗工部222と負極シート240の未塗工部242とが互いに反対側にはみ出ている。このうち、一方の電極端子420は、正極集電体221の未塗工部222に固定されており、他方の電極端子440は、負極集電体241の未塗工部222に固定されている。
その後、電池ケース300内には、蓋体340に設けられた注液孔から電解液が注入される。電解液は、この例では、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば、体積比1:1程度の混合溶媒)にLiPF6を約1mol/リットルの濃度で含有させた電解液が用いられている。その後、注液孔に金属製の封止キャップを取り付けて(例えば溶接して)電池ケース300を封止する。なお、電解液としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液を特に限定なく使用することができる。
また、この例では、当該電池ケース300の扁平な内部空間は、扁平に変形した捲回電極体200よりも少し広い。捲回電極体200の両側には、捲回電極体200と電池ケース300との間に隙間310、312が設けられている。当該隙間310、312は、ガス抜け経路になる。
リチウムイオン二次電池100の正極合材層223中の正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物であり、電気を通し難い。正極合材層223は導電材を混ぜることによって導電性が確保されている。また、この実施形態では、負極合材層243の表面に耐熱層245(図3参照)が設けられている。耐熱層245は金属酸化物を主成分としており、絶縁性を有している。このため、正極合材層223と負極合材層243との抵抗が大きい。それゆえ、過充電の状態で正極合材層223と負極合材層243が接触しても、大きな電流は一気に流れ難い。
このリチウムイオン二次電池100では、図2、図3に示すように、負極合材層243の幅b1は正極合材層223の幅a1よりも広い(b1>a1)。このリチウムイオン二次電池100では、セパレータ262、264を介在させた状態ではあるが、負極合材層243が正極合材層223を覆うように対向している。リチウムイオン二次電池100は、過充電によって温度が高くなった場合、セパレータ262、264の収縮が起こる。セパレータ262、264の収縮は、負極側に比べて正極側で早く進む。このため、正極シート220の未塗工部222と負極集電体241との短絡は、まず、正極合材層223の未塗工部222側の縁223a及びその近傍部位で生じる。過充電末期の不具合は、かかる短絡が引き金になる。また、過充電末期では、電池ケース300の正極側の側面300Aが最も高温になる。本発明者は、かかる事象が生じる理由を以下のように推察している。
セパレータ262、264の基材は、上述したように、典型的には多孔質ポリオレフィン系樹脂である。このため、仮に温度が均一に高くなれば、セパレータ262、264は均一に収縮する。しかしながら、このリチウムイオン二次電池100では、捲回電極体200の構成部材のうち正極集電体221と負極集電体241は熱伝導率が比較的大きい。これにより、捲回電極体200内部の熱は、正極集電体221と負極集電体241を通じて外部に逃げる傾向がある。
正極側では、正極合材層223の未塗工部222側の縁223aの近傍部位と負極集電体241とが、セパレータ262、264を介して対向している。上述したように、セパレータ262、264の収縮は、負極側よりも正極側で早く進む。セパレータ262、264の収縮が進むと、正極合材層223の未塗工部222側の縁223aの近傍部位で、正極シート220の未塗工部222と負極集電体241とが短絡する。
また、かかる構成のリチウムイオン二次電池100は、過充電末期に高温になる。リチウムイオン二次電池100が高温になると、電解液が分解されてガスが発生する。この際、捲回電極体200に入り込んだ電解液も分解されるので、捲回電極体200の中でもガスが発生する。捲回電極体200の中で生じたガスは、重ねられた正極シート220、負極シート240、セパレータ262、264の隙間を各シート材の幅方向(図1中のX1,X2)に通って捲回電極体200の両側の隙間310、312に出て行く。
・サンプル1は、厚さAが0.7mm、厚さBが0.6mmであり、ケース最高温度は約555℃であった。
・サンプル2は、厚さAが0.75mm、厚さBが0.55mmであり、ケース最高温度は約540℃であった。
・サンプル3は、厚さAが0.8mm、厚さBが0.5mmであり、ケース最高温度は約530℃であった。
・サンプル4は、厚さAが0.65mm、厚さBが0.65mmであり、ケース最高温度は約600℃であった。
・サンプル5は、厚さAが0.6mm、厚さBが0.7mmであり、ケース最高温度は約690℃であった。
・サンプル6は、厚さAが0.55mm、厚さBが0.7mmであり、ケース最高温度は約780℃であった。
100 リチウムイオン二次電池
200 捲回電極体
220 正極シート
221 正極集電体
222 未塗工部
222a 中間部分
223 正極合材層
223a 正極合材層の未塗工部側の縁
224 正極合材
240 負極シート
241 負極集電体
242 未塗工部
243 負極合材層
244 負極合材
245 耐熱層
262 セパレータ
264 セパレータ
300 電池ケース
300A 側面
310,312 隙間
320 容器本体
322 合わせ目
340 蓋体
360 安全弁
400 位置決め部材
420 電極端子
440 電極端子
1000 組電池
A 距離:電池ケースの正極側の側壁(正極シートの未塗工部側の側壁)の厚さ
B 距離:電池ケースの負極側の側壁(反対側の側壁)の厚さ
Claims (7)
- 帯状の正極シート及び帯状の負極シートが帯状のセパレータを介在させた状態で重ねられ、かつ、捲回された捲回電極体と;
前記捲回電極体を収容した電池ケースと;
を備えた二次電池であって、
前記正極シートは、
帯状の正極集電体と、
前記正極集電体の幅方向片側の縁部に沿って前記正極集電体に設定された未塗工部と、
前記未塗工部を除いて前記正極集電体の両面に、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を含む正極合材が塗工された正極合材層と、
を備えており;
前記負極シートは、
帯状の負極集電体と、
前記負極集電体の幅方向片側の縁部に沿って前記負極集電体に設定された未塗工部と、
前記未塗工部を除いて前記負極集電体の両面に、前記正極合材層よりも幅が広くなるように、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質を含む負極合材が塗工された負極合材層と、
を備えており;
前記正極シートと前記負極シートとは、
前記正極合材層が前記負極合材層によって覆われるように対向し、かつ、前記正極シートの未塗工部と前記負極シートの未塗工部とが、前記セパレータの幅方向において互いに反対側にはみ出るように重ねられており;
前記捲回電極体は、重ねられた前記正極シートの幅方向に設定された捲回軸周りに捲回されており;
前記電池ケースは、
前記正極シートの幅方向両側において前記捲回電極体の側面と対向する前記電池ケースの側壁のうち、前記正極シートの未塗工部側の側壁が反対側の側壁よりも厚い;
二次電池。 - 前記正極シートの未塗工部側の側壁の厚さAと、反対側の側壁の厚さBの差(A−B)が、0.05mm以上である、請求項1に記載された二次電池。
- 前記正極シートの未塗工部側の側壁の厚さAと、反対側の側壁の厚さBとの比A/Bが、(A/B)≧1.1である、請求項1に記載された二次電池。
- 前記正極集電体の熱伝導率が前記負極集電体よりも小さい、請求項1から3までの何れか一項に記載された二次電池。
- 前記電池ケースは、有底四角筒状の容器本体と、前記容器本体の開口を塞ぐ蓋体とを備えた、請求項1から4までの何れか一項に記載された二次電池。
- 請求項1から5までの何れか一項に記載された二次電池を、複数組み合わせた組電池。
- 請求項1から5までの何れか一項に記載された二次電池、又は、請求項6に記載された組電池を搭載した、車両。
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