JP5558262B2 - 電池 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電池に関する。
携帯電話やパーソナルコンピュータなどの電子機器の進歩に伴い、これら機器に使用される二次電池は、小型化、軽量化が求められてきた。それに応え得るエネルギー密度の高い二次電池として、リチウムイオン二次電池が挙げられる。近年、リチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車、電動バイク、フォークリフトなどのための大型、大容量電源としても注目されており、高寿命、安全性などを配慮しながら、大型化、大容量化の開発が行われている。
大容量電源としては、駆動電力が大きいため、直列あるいは並列に接続した複数個の電池を収納した電池パックが使われることがある。通常、電池の外装缶は、正極電位あるいは負極電位につながれているが、電池を多数個使う電池パックに使用する電池では、外装缶が高電圧になるため、短絡の危険性があるばかりか、漏電、人体への感電などの危険性もあるため、外装缶は電極群及びリード等と絶縁する構造とすることがある。
その場合、外装缶と、電極群及びリード等との絶縁は、袋形状の薄肉樹脂材や、板状の樹脂材により周囲を覆う構造とすることが検討されている。しかしながら、袋形状の薄肉樹脂材の場合は外装缶への挿入時の破れが懸念される。また、板状の樹脂材の場合は部品点数の増加などのコストアップ要因となる。さらに、袋形状、板状の双方の樹脂材共に体積増による小型化への弊害となっていた。
また、電池の軽量化のため、外装缶の板厚をより薄肉にすることが望まれている。しかし、外装缶の板厚を薄くすると、電極群内部の温度が上昇して金属箔が溶融した場合、電極内部からガスと共に溶融金属が飛び出して外装缶と接触し、外装缶に穴が開くおそれがあった。
電極群及びリード並びにタブが、外装缶及び蓋と絶縁性を保つように固定されると共に、高い安全性を有する電池を提供する。
実施形態によれば、集電タブが両端面から渦巻状に突出した偏平型電極群と、前記電極群が収納される外装缶とを備える電池が提供される。前記外装缶の開口部は、正極端子及び負極端子を有する蓋が取り付けられる。前記電池は、一方が前記正極端子に電気的に接続され、他方が前記負極端子に電気的に接続される一対のリードと、前記電極群の最外周を絶縁するための絶縁テープを備える。前記電池はさらに、前記電極群のそれぞれの端面に配置され、前記電極群の端面と対向する耐熱部を有し、前記リード及び前記集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う、一対の絶縁性部材とを備える。前記一対の絶縁性部材が、前記リード及び前記集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う一対の絶縁カバーと、前記耐熱部として、前記一対の絶縁カバーのそれぞれに固定され、耐熱性樹脂から形成された耐熱性テープとを含む。
実施形態に係る電池は、集電タブが両端面から渦巻状に突出した偏平型電極群と、前記電極群が収納される外装缶と、前記外装缶の開口部に取り付けられ、正極端子及び負極端子を有する蓋と、一方が前記正極端子に電気的に接続され、他方が前記負極端子に電気的に接続される一対のリードと、前記電極群の最外周を絶縁するための絶縁テープと、前記電極群のそれぞれの端面に配置され、前記電極群の端面と対向する耐熱部を有し、前記リード及び前記集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う、一対の絶縁性部材とを備える。前記一対の絶縁性部材の前記耐熱部は、耐熱性樹脂から形成されることが好ましい。
以下、各実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は、これら実施形態に限られるものではない。
（第１の実施形態）
図１は、密閉型の角型非水電解質二次電池２０を示す展開斜視図である。本実施形態において、一対の絶縁性部材は、リード３，４及び集電タブ１２ａ、１３ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆う一対の絶縁カバー６，７と、一対の絶縁カバー６，７のそれぞれに固定され、耐熱性樹脂から形成された耐熱部としての耐熱性テープ２５とを含む図２は、図１の電極群２を外装缶１に収容した状態を示す透過斜視図である。図２では説明のために図１の電極群を第１，第２の絶縁カバー６，７で被覆しない状態で示している。
図１は、密閉型の角型非水電解質二次電池２０を示す展開斜視図である。本実施形態において、一対の絶縁性部材は、リード３，４及び集電タブ１２ａ、１３ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆う一対の絶縁カバー６，７と、一対の絶縁カバー６，７のそれぞれに固定され、耐熱性樹脂から形成された耐熱部としての耐熱性テープ２５とを含む図２は、図１の電極群２を外装缶１に収容した状態を示す透過斜視図である。図２では説明のために図１の電極群を第１，第２の絶縁カバー６，７で被覆しない状態で示している。
電池２０は、外装缶１と、外装缶１内に収容される偏平型電極群２と、外装缶１内に位置する一対のリードとしての正負極リード３，４と、電極群２の最外周を被覆する絶縁テープ５と、第１の絶縁カバー６及び第２の絶縁カバー７からなる一対の絶縁カバーと、絶縁カバー固定テープ８と、電極群２の端面と外装缶１の間に配置される一対の耐熱性テープ２５と、外装缶１の開口部に取り付けられた蓋９と、蓋９に設けられた正負極端子１０，１１とを有する。正負極端子１０，１１が蓋５に設けられているため、外装缶１は正負極端子として用いられない。蓋９の中央部には、例えば、矩形状の安全弁３６が形成されている。安全弁３６は、蓋９の一部を約半分程度の厚さに薄くした薄肉部により形成され、この薄肉部の上面中央部に、複数の刻印が形成されている。蓋９にはさらに、非水電解質を注入するための貫通孔１９が設けられている。
外装缶１は、有底角筒形状をなし、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成される。外装缶を形成する金属の板厚は、０．４〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。本実施形態によれば、以下の詳細に説明するように、外装缶１の電極群２の端面と対向する側壁１ａ、１ｂの板厚を薄くすることが可能であり、側壁１ａ、１ｂの板厚は、０．５〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。また、外装缶１の電極群２の厚さ方向と垂直な長側壁の板厚は、０．４〜０．９ｍｍの範囲であることが好ましい。但し、外装缶１の電極群２の端面と対向する側壁１ａ、１ｂと電極群２の厚さ方向と垂直な長側壁の板厚は同じであってもよい。外装缶の板厚を上記範囲内にすることによって、電池の強度を確保すると共に、電池の軽量化を図ることができる。電解液（図示しない）は、外装缶１内に収容され、偏平型電極群２に含浸されている。
図３に示すように、偏平型電極群２は、正極１２と負極１３がその間にセパレータ１４を介して偏平形状に捲回されたものである。正極１２は、例えば金属箔からなる帯状の正極集電体と、正極集電体の長辺に平行な一端部からなる正極集電タブ１２ａと、少なくとも正極集電タブ１２ａを除いて正極集電体に形成された正極活物質層１２ｂとを含む。一方、負極１３は、例えば金属箔からなる帯状の負極集電体と、負極集電体の長辺に平行な一端部からなる負極集電タブ１３ａと、少なくとも負極集電タブ１３ａを除いて形成された負極活物質層１３ｂとを含む。
このような正極１２、セパレータ１４及び負極１３は、正極集電タブ１２ａが電極群の捲回軸方向にセパレータ１４から突出し、かつ負極集電タブ１３ａがこれと反対方向にセパレータ１４から突出するよう、正極１２及び負極１３の位置をずらして捲回されている。このような捲回により、電極群２は、図１に示すように、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ１２ａが突出し、かつ他方の端面から渦巻状に捲回された負極集電タブ１３ａが突出している。
図１及び図４に示すように、正極集電タブ１２ａは、正極リード３を介して正極端子１０に電気的に接続され、負極集電タブ１３ａは負極リード４を介して負極端子１１に電気的に接続される。正極リード３は、正極端子１０と電気的に接続するための接続プレート３ａと、接続プレート３ａに開口された貫通孔３ｂと、接続プレート３ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の第１、第２の集電部３ｃ、３ｄとを有する。一方、負極リード４は、負極端子１１と電気的に接続するための接続プレート４ａと、接続プレート４ａに開口された貫通孔４ｂと、接続プレート４ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の第１、第２の集電部４ｃ、４ｄとを有する。
正極リード３は、第１，第２の集電部３ｃ、３ｄの間に正極集電タブ１２ａを挟んでいる。正極リード３の第１の集電部３ｃと正極集電タブ１２ａの間、及び、正極リード３の第２の集電部３ｄと正極集電タブ１２ａの間は、例えば超音波溶接によって接合される。これにより、電極群２の正極１２と正極リード３が電気的に接続される。
負極リード４は、第１、第２の集電部４ｃ、４ｄの間に負極集電タブ１３ａを挟んでいる。負極リード４の第１の集電部４ｃと負極集電タブ１３ａの間、及び、負極リード４の第２の集電部４ｄと負極集電タブ１３ａの間は、例えば超音波溶接によって接合される。これにより、電極群２の負極１３と負極リード４が電気的に接続される。
電極群２は、最外周を絶縁テープ５によって覆われている。絶縁テープ５は、捲回された電極群２を巻止するとともに、電極群２の最外周と外装缶１とを絶縁している。図１では、絶縁テープ５は、電極群２の最外周に密着して最外周１周を被覆しているが、絶縁テープ５の巻き数は１周以上にすることができる。絶縁テープ５で電極群２を被覆することにより、後述する絶縁カバー以外の新たな絶縁材料を必要とせずに絶縁性を確保することができると共に、部品点数を削減してコストダウンすることができる。さらに、絶縁テープ５で電極群２を被覆することにより、電極群２を外装缶１へ容易に挿入でき、外装缶１の内寸法まで電極群寸法を確保でき、体積効率の向上に寄与することができる。
絶縁テープ５の基材として、例えば、ポリエステル（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン等の樹脂を用いることができる。
図１に示すように、正極端子１０は、絶縁ガスケット１５を介して蓋９に例えばかしめ固定によって取り付けられている。正極端子１０は、正極リード３の接続プレート３ａに開口された貫通孔３ｂにもかしめ固定されている。これにより、正極端子１０は、正極リード３を介して電極群２の正極１２と電気的に接続される。負極端子１１は、絶縁ガスケット１６を介して蓋９に例えばかしめ固定によって取り付けられている。負極端子１１は、負極リード４の接続プレート４ａに開口された貫通孔４ｂにもかしめ固定されている。これにより、負極端子１１は、負極リード４を介して電極群２の負極１３と電気的に接続される。
蓋９は、外装缶１の開口部に例えばレーザーでシーム溶接によって取り付けられている。蓋９は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成される。蓋９と外装缶１は、同じ種類の金属から形成されることが望ましい。
電極群２の端面からそれぞれ突出した正負極集電タブ１２ａ，１３ａは、それぞれ第１及び第２の絶縁カバー６，７によって覆われる。
第１の絶縁カバー６は、正極リード３の第１、第２の集電部３ｃ、３ｄ及び正極集電タブ１２ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆う形状を有し、樹脂成型品であることが好ましい。具体的には、第１の絶縁カバー６は、正極集電タブ１２ａの端面と、正極集電タブ１２ａの最外周における外装缶１の内面と対向する部分とを囲む扁平形状のキャップであることが好ましい。第１の絶縁カバー６の蓋５の内面と対向する部分は切り欠かれ、開口部６ａとなっている。すなわち、第１の絶縁カバー６は、開口部６ａと、正極集電タブ１２ａの端面を覆う側板６ｂと、正極集電タブ１２ａの最外周を覆うようにＵ字状に湾曲した側板６ｃとを有する。
第１の絶縁カバー６は、正極リード３及び正極集電タブ１２ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆い、正極リード３及び正極集電タブ１２ａと外装缶１との絶縁性を確保するとともに、正極リード３の第１、第２の集電部３ｃ、３ｄと正極集電タブ１２ａとの接合部を保持する。
第２の絶縁カバー７は、負極リード４の第１、第２の集電部４ｃ、４ｄ及び負極集電タブ１３ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆う形状を有し、樹脂成型品であることが好ましい。具体的には、第２の絶縁カバー７は、負極集電タブ１３ａの端面と、負極集電タブ１３ａの最外周における外装缶１の内面と対向する部分とを囲む扁平形状のキャップであることが好ましい。第２の絶縁カバー７の蓋５の内面と対向する部分は切り欠かれ、開口部７ａとなっている。すなわち、第２の絶縁カバー７は、開口部７ａと、負極集電タブ１３ａの端面を覆う側板７ｂと、負極集電タブ１３ａの最外周を覆うようにＵ字状に湾曲した側板７ｃとを有する。
第２の絶縁カバー７は、負極リード４及び負極集電タブ１３ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆い、負極リード４及び負極集電タブ１３ａと外装缶１との絶縁性を確保するとともに、負極リード４の第１、第２の集電部４ｃ、４ｄと負極集電タブ１３ａとの接合部を保持する。
第１の絶縁カバー６は、正極リード３と正極集電タブ１２ａとの接合部を、振動、衝撃から保護する機能と、正極リード３並びに正極集電タブ１２ａを外装缶から絶縁する機能を兼ねることができる。また、第２の絶縁カバー７は、負極リード４と負極集電タブ１３ａとの接合部を、振動、衝撃から保護する機能と、負極リード４並びに負極集電タブ１３ａを外装缶１から絶縁する機能を兼ねることができる。
またさらに、電極群２の両端が樹脂成型品からなる第１、第２の絶縁カバー６，７で覆われているため、電極群２を外装缶１内にスムーズに挿入することができる。さらに、電極群２の両端以外は、絶縁テープ５で被覆されていることから、外装缶１との絶縁に必要な絶縁部材の体積を少なくすることができる。これらの結果、外装缶１内に収容可能な電極群２の体積を高めることができ、高体積効率化を実現させることができる。さらに、電極群２の外装缶１への挿入性が高められたことから、外装缶１への挿入時に第１、第２の絶縁カバー６，７や絶縁テープ５が破損するのを防止できる。また、外装缶との絶縁に必要な部品点数も少なくすることができる。
第１，第２の絶縁カバー６，７は、例えば、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエステル（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート(ＰＢＴ)等の樹脂から形成することができる。耐熱性、絶縁性及びコストの観点から、ポリプロピレンが好適に用いられる。
さらに、第１，第２の絶縁カバー６，７には、電極群の端面と対向するように耐熱部が備えられる。耐熱性部としては、図１に示すように、耐熱性テープ２５を用いることができる。耐熱性テープ２５は、第１、第２の絶縁カバー６，７の側板６ｂ、６ｃ、７ｂ、７ｃの外側に貼り付けられ、これによって、電極群２のそれぞれの端面と外装缶１の間に配置される。
電池は通常、拘束された状態で使用される。例えば単電池であれば、該電池を動力として用いる機器に嵌め込まれた状態で使用される。電池パックの場合は、直列或いは並列に接続した複数の電池が容器に収容される。電池パックの容器に収容された状態では、電池間の隙間がわずかであるため、電池はその厚み方向において拘束された状態となる。
厚み方向が拘束された電池では、例えば過充電などにより電池内部の圧力が上昇した場合、偏平型電極群の内部から抜け出てくるガスは巻き軸方向に抜けやすく、その時に偏平型電極群内部で溶融した正極又は負極の集電体である金属箔も内部ガスと共に飛び出てくるおそれがある。その溶融した金属箔が外装缶の内壁に接触すると、外装缶が融解して穴が開く恐れがある。
しかしながら、上記のように電極群２のそれぞれの端面と外装缶１の間に耐熱部として耐熱性テープ２５を配置することによって、電極群２から飛び出した溶融金属が外装缶１に接触することを防ぐことができる。
耐熱部は、耐熱性樹脂から形成されることが好ましい。例えば、ポリイミド及びメタ系アラミド繊維を用いることができる。
耐熱性テープ２５としては、例えば、ポリイミド製のテープ、メタ系アラミド繊維製のテープなどを用いることができる。また例えば、カプトン（登録商標）やノーメックス（登録商標）を用いることができる。耐熱性テープ２５は、粘着性を有することが好ましいが、これに限定されない。例えば、耐熱性テープを接着剤により第１、第２の絶縁カバー６，７に貼り付けてもよい。
耐熱性テープ２５は、電極群２の端面に相当する以上の大きさを有する限り、何れの形状であってもよい。図１の電池では、耐熱性テープ２５は、第１、第２の絶縁カバー６，７の側板６ｂ、７ｂ及び側板６ｃ、７ｃに亘って貼り付けられるが、これに限定されず、第１、第２の絶縁カバー６，７の側板６ｂ、７ｂのみに貼り付けられてもよい。また、第１、第２の絶縁カバー６，７の側板６ｂ、６ｃ、７ｂ、７ｃの内側に貼り付けられてもよい。
本実施形態の電池では、電極群２から飛び出した溶融金属が外装缶１と接触することが避けられるため、外装缶の厚みを薄くすることができ、電池の軽量化に寄与することができる。
電極群２に第１、第２の絶縁カバー６，７及び耐熱性テープ２５を取り付けた状態を図５に示す。第１の絶縁カバー６は、電極群２の正極集電タブ１２ａが突出している端面に挿入され、絶縁カバー固定テープ８で固定される。さらに、耐熱性テープ２５が第１の絶縁カバー６の側板６ｂ、６ｃを覆うように貼り付けられる。同様に、第２の絶縁カバー７も電極群２の正極集電タブ１３ａが突出している端面に挿入され、絶縁カバー固定テープ８で固定される。さらに、耐熱性テープ２５が第２の絶縁カバー７の側板７ｂ（図示せず）、７ｃを覆うように貼り付けられる。
なお、図５に示すように絶縁カバー固定テープ８で第１、第２の絶縁カバー６，７を固定する場合は、厚みを省く観点から第１、第２の絶縁カバー６，７と絶縁テープ８とは重ならないようにすることが好ましい。或いは、絶縁テープ８上に第１、第２の絶縁カバー６，７を重ねることにより、絶縁カバー固定テープ８を使用せずに固定してもよい。
本実施形態に従って、電極群２を絶縁テープ８で被覆し、電極群２の両端面を第１、第２の絶縁カバー６，７で覆い、さらに、第１、第２の絶縁カバー６，７に、電極群２の端面と対向するように耐熱性テープ２５を固定することによって、電池に衝撃が加わった際などに電極群２が動いて外装缶１と接触しても、外装缶１と電極群２との絶縁性が保たれるとともに、振動や衝撃等により正負極リード３，４と正負極集電体１２ａ、１３ａとの接合が外れた際にも、正負極リード３，４が電極群２及び外装缶１と接触することが防止され、且つ、例えば電池が過充電状態になり電極群２から溶融した金属が電極群２から飛び出した場合であっても、溶融金属と外装缶１とが接触することを回避することができ、外装缶１の板厚に関わらず、外装缶１に穴が開くことを防ぐことができる。よって、電池の安全性をさらに向上させることができる。
以上説明した第１の実施形態によれば、高い安全性を有する電池を提供することができる。
なお、実施形態では二つの集電部を有する正負極リードを用いた電池について説明したが、これに限定されず、例えば一つの集電部を有する正負極リードを用いてもよい。
（第２の実施形態）
第２の実施形態の電池は、一対の絶縁性部材として耐熱性樹脂により形成された第１，第２の絶縁カバーを用いる以外は、第１の実施形態の電池と同様の構成を有する。
第２の実施形態の電池は、一対の絶縁性部材として耐熱性樹脂により形成された第１，第２の絶縁カバーを用いる以外は、第１の実施形態の電池と同様の構成を有する。
図６は、第２の実施形態の密閉型の角型非水電解質二次電池３０を示す展開斜視図であり、図７は図６の電池３０における電極群２を外装缶１に収納する工程を示す斜視図である。
本実施形態において、第１，第２の絶縁カバー３６、３７は、耐熱性樹脂から形成されることが好ましい。耐熱性樹脂としては、熱硬化性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、及びフェノール樹脂を用いることができる。
第１の絶縁カバー３６は、開口部３６ａと、正極集電タブ１２ａの端面を覆う側板３６ｂと、正極集電タブ１２ａの最外周を覆うようにＵ字状に湾曲した側板３６ｃとを有する。第１の絶縁カバー３６は、正極リード３及び正極集電タブ１２ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆い、正極リード３及び正極集電タブ１２ａと外装缶１との絶縁性を確保するとともに、正極リード３の第１、第２の集電部３ｃ、３ｄと正極集電タブ１２ａとの接合部を保持する。また、第１の絶縁カバー３６の側板３６ｂは、電極群２の端面と対向する耐熱部として機能する。
第２の絶縁カバー３７は、開口部３７ａと、負極集電タブ１３ａの端面を覆う側板３７ｂと、負極集電タブ１３ａの最外周を覆うようにＵ字状に湾曲した側板３７ｃとを有する。第２の絶縁カバー３７は、負極リード４及び負極集電タブ１３ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆い、負極リード４及び負極集電タブ１３ａと外装缶１との絶縁性を確保するとともに、負極リード４の第１、第２の集電部４ｃ、４ｄと負極集電タブ１３ａとの接合部を保持する。また、第２の絶縁カバー３７の側板３７ｂは、電極群２の端面と対向する耐熱部として機能する。
電極群２に第１、第２の絶縁カバー３６，３７を取り付けた状態を図７に示す。第１の絶縁カバー３６は、電極群２の正極集電タブ１２ａが突出している端面に挿入され、絶縁カバー固定テープ８で固定される。同様に、第２の絶縁カバー３７も電極群２の正極集電タブ１３ａが突出している端面に挿入され、絶縁カバー固定テープ８で固定される。
図７に示すように絶縁カバー固定テープ８で第１、第２の絶縁カバー３６，３７を固定する場合は、厚みを省く観点から第１、第２の絶縁カバー３６，３７と絶縁テープ８とは重ならないようにすることが好ましい。或いは、絶縁テープ８上に第１、第２の絶縁カバー３６，３７を重ねることにより、絶縁カバー固定テープ８を使用せずに固定してもよい。
本実施形態に従って、電極群２を絶縁テープ８で被覆し、さらに電極群２の両端面を耐熱性の第１、第２の絶縁カバー３６，３７で覆うことにより、電池に衝撃が加わった際などに電極群２が動いて外装缶１と接触しても、外装缶１と電極群２との絶縁性が保たれるとともに、振動や衝撃等により正負極リード３，４と正負極集電タブ１２ａ、１３ａとの接合が外れた際にも、正負極リード３，４が電極群２及び外装缶１と接触することが防止され、且つ、例えば電池が過充電状態になり電極群２から溶融した金属が電極群２から飛び出した場合であっても、溶融金属と外装缶１とが接触することを回避することができ、外装缶１の板厚に関わらず、外装缶１に穴が開くことを防ぐことができる。よって、電池の安全性をさらに向上させることができる。また、第１，第２の絶縁カバー３６、３７が耐熱性であることによって、他の耐熱性部材を用いる必要がなく、より簡便に安全性を高めることができる。
以上説明した第２の実施形態によれば、高い安全性を有する電池を提供することができる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態に従って、上記第１及び第２の実施形態に記載された単電池を一以上備える電池パックが提供される。図８は、電池パック６０を示す斜視図である。電池パック６０は、ロワーケース６４と、センターケース６２と、アッパーケース６６から構成されるケース６１に、例えば８個の単電池が収容される。アッパーケース６６の単電池と対向する面には複数の透孔が設けられ、単電池の正極端子１０及びガスケット１５、負極端子１１及びガスケット１６、及び安全弁３６は、透孔を通して外部に露出する。
第３の実施形態に従って、上記第１及び第２の実施形態に記載された単電池を一以上備える電池パックが提供される。図８は、電池パック６０を示す斜視図である。電池パック６０は、ロワーケース６４と、センターケース６２と、アッパーケース６６から構成されるケース６１に、例えば８個の単電池が収容される。アッパーケース６６の単電池と対向する面には複数の透孔が設けられ、単電池の正極端子１０及びガスケット１５、負極端子１１及びガスケット１６、及び安全弁３６は、透孔を通して外部に露出する。
アッパーケース６６の単電池と対向する面の外側の面には、アッパーケース６６の長手方向に並んだ２つのセンターリブ６８が形成され、アッパーケース６６の長手方向全長に亘って延びている。２つのセンターリブ６８は、安全弁３６のための透孔を間に挟んで配置されている。
アッパーケース６６の単電池と対向する面の外側の面には、複数の保持リブ７０が突設されている。各保持リブ７０は、アッパーケース６６の幅方向に延びており、隣合う透孔の間に形成されている。各保持リブ７０は、センターリブ６８よりも低い高さに形成されている。
各単電池は、正極端子１０及び負極端子１１が適宜選択されるバスバー（図示せず）と接合されて、電気的に直列もしくは並列に接続される。図８では、単電池の向きを２個ずつ交互に配置した形態を示したが、これに限定されず、任意に直列接続、或いは並列に接続するための配置にしてもよい。あるいは、直列接続と並列接続を組合せてもよい。組み上がった電池パックをさらに直列又は並列に接続することもできる。
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。本実施形態に係る電池パックは、大電流を取り出したときにサイクル特性が優れていることが要求される用途に好適に用いられる。具体的には、デジタルカメラの電源として、又は、例えば二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、及び、アシスト自転車の車載用電池として用いられる。特に、車載用電池として好適に用いられる。
以上説明した第３の実施形態によれば、第１及び第２の実施形態による高い安全性を有する密閉型二次電池を複数備えることによって、安全性が高い電池パックを提供することができる。
ここで、第１及び第２の実施形態の電池に用いられることが可能な代表的な正負極端子材料の説明をする。負極活物質に炭素系材料を使用するリチウムイオン二次電池の場合、正極端子は一般的に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金が使用され、負極端子は、銅、ニッケル、ニッケルメッキされた鉄などの金属が使用される。また、負極活物質にチタン酸リチウムを使用する場合は、上記に加え、負極端子にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を使用してもかまわない。正負極端子にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を使用する場合、正負極集電タブ及び正負極リードは、アルミニウムあるいはアルミニウム合金から形成することが望ましい。
次に、第１、第２の実施形態の電池で用いることが可能な正極、負極、セパレータ及び電解液について説明する。
正極は、例えば、正極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより作製される。正極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる酸化物や硫化物、ポリマーなどが使用できる。好ましい活物質としては、高い正極電位が得られるリチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウム燐酸鉄等が挙げられる。また、負極は、負極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより作製される。負極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、合金等が使用でき、好ましくは、リチウムイオンの吸蔵放出電位が金属リチウム電位に対して０．４Ｖ以上貴となる物質である。このようなリチウムイオン吸蔵放出電位を有する負極活物質は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金とリチウムとの合金反応を抑えられることから、負極集電体及び負極関連構成部材へのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の使用を可能とする。たとえば、チタン酸化物、チタン酸リチウムのようなリチウムチタン複合酸化物、タングステン酸化物、アモルファススズ酸化物、スズ珪素酸化物、酸化珪素などがあり、中でもリチウムチタン複合酸化物が好ましい。セパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材又は異種材の積層物等を用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー等を挙げることができる。
電解液は、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより調製された非水電解液が用いられる。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ過リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ6）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）等のリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、０．２ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌとすることが望ましい。
（実施例）
正極には、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ2）と、導電剤として黒鉛粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを含む活物質含有層が、アルミニウムもしくはアルミニウム合金箔からなる集電体の両面に形成されたシート状のものを使用した。一方、負極には、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）と、導電剤として炭素粉末と結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを含む活物質含有層が、アルミニウムもしくはアルミニウム合金箔からなる集電体の両面に形成されたシート状のものを使用した。
正極には、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ2）と、導電剤として黒鉛粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを含む活物質含有層が、アルミニウムもしくはアルミニウム合金箔からなる集電体の両面に形成されたシート状のものを使用した。一方、負極には、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）と、導電剤として炭素粉末と結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを含む活物質含有層が、アルミニウムもしくはアルミニウム合金箔からなる集電体の両面に形成されたシート状のものを使用した。
偏平電極群は、正極と負極との間にセパレータを介在させながら、これらを渦巻状に捲回した後、全体を外装缶の断面形状に合致した断面四角形状に押し潰し変形することにより作製された図１に示した構造を有するものを使用した。電極群の最外周を絶縁テープで被覆した。
この偏平電極群を、アルミニウムから形成された外装缶に収容した。外装缶は、電極群の端面と対向する短側壁の板厚が０．６ｍｍであり、電極群の厚さ方向に垂直な長側壁の板厚が０．５ｍｍであった。
図５に示すように、電極群の両端のそれぞれに、ポリプロピレンから形成した絶縁カバーをはめ、絶縁カバー固定テープにより固定した。さらに、それぞれの絶縁カバーの外側に耐熱性テープ（カプトンテープ（登録商標））を貼り付けた。
（比較例１）
耐熱性テープを片方の絶縁カバーのみに貼り付けた他は、実施例１と同様に電池を作製した。
耐熱性テープを片方の絶縁カバーのみに貼り付けた他は、実施例１と同様に電池を作製した。
（比較例２）
耐熱性テープを両方の絶縁カバーに貼り付けなかった他は、実施例１と同様に電池を作製した。
耐熱性テープを両方の絶縁カバーに貼り付けなかった他は、実施例１と同様に電池を作製した。
（測定）
実施例１、比較例１及び比較例２の各電池を２０個ずつ作製した。それぞれの電池を用いて過充電試験を実施した。
実施例１、比較例１及び比較例２の各電池を２０個ずつ作製した。それぞれの電池を用いて過充電試験を実施した。
過充電試験は、電池の両側の主面をステンレスの板で挟み、ボルト４本で止めることにより電池を拘束した状態で、２０Ａ、１２Ｖまでの定電流充電により行った。
（結果）
実施例１の２０個の電池のうち、外装缶に穴開きが生じた電池はないことが確認された。比較例１の２０個の電池では、耐熱性テープを貼り付けなかった方の外装缶の短側壁に、５０％の割合で穴開きが発生した。比較例２の２０個の電池では、外装缶の何れかの短側壁に６０％の割合で穴開きが発生した。
実施例１の２０個の電池のうち、外装缶に穴開きが生じた電池はないことが確認された。比較例１の２０個の電池では、耐熱性テープを貼り付けなかった方の外装缶の短側壁に、５０％の割合で穴開きが発生した。比較例２の２０個の電池では、外装缶の何れかの短側壁に６０％の割合で穴開きが発生した。
以上のことから、電極群の端面に耐熱性テープを貼ることにより、外装缶の側壁に穴開きが生じることを防ぎ、安全性を向上させることが可能であることが示された。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１] 集電タブが両端面から渦巻状に突出した偏平型電極群と、
前記電極群が収納される外装缶と、
前記外装缶の開口部に取り付けられ、正極端子及び負極端子を有する蓋と、
一方が前記正極端子に電気的に接続され、他方が前記負極端子に電気的に接続される一対のリードと、
前記電極群の最外周を絶縁するための絶縁テープと、
前記電極群のそれぞれの端面に配置され、前記電極群の端面と対向する耐熱部を有し、前記リード及び前記集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う、一対の絶縁性部材と、を備える電池。
[２] 前記一対の絶縁性部材の前記耐熱部が、耐熱性樹脂から形成される、[１]に記載の電池。
[３] 前記一対の絶縁性部材が、
前記リード及び前記集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う一対の絶縁カバーと、
前記耐熱部として、前記一対の絶縁カバーのそれぞれに固定され、前記耐熱性樹脂から形成された耐熱性テープと、を含む、[２]に記載の電池。
[４] 前記外装缶の前記電極群の端面と対向する側壁の板厚が、０．５〜１ｍｍである、[３]に記載の電池。
[５] 前記一対の絶縁性部材が、前記耐熱性樹脂から形成された一対の絶縁カバーである、[２]に記載の電池。
[６] 前記耐熱性樹脂が熱硬化性樹脂である、[５]に記載の電池。
[７] 前記外装缶の前記電極群の端面と対向する側壁の板厚が、０．５〜１ｍｍである、[６]に記載の電池。
[８] [１]〜[７]の何れかに記載の電池を備える電池パック。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１] 集電タブが両端面から渦巻状に突出した偏平型電極群と、
前記電極群が収納される外装缶と、
前記外装缶の開口部に取り付けられ、正極端子及び負極端子を有する蓋と、
一方が前記正極端子に電気的に接続され、他方が前記負極端子に電気的に接続される一対のリードと、
前記電極群の最外周を絶縁するための絶縁テープと、
前記電極群のそれぞれの端面に配置され、前記電極群の端面と対向する耐熱部を有し、前記リード及び前記集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う、一対の絶縁性部材と、を備える電池。
[２] 前記一対の絶縁性部材の前記耐熱部が、耐熱性樹脂から形成される、[１]に記載の電池。
[３] 前記一対の絶縁性部材が、
前記リード及び前記集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う一対の絶縁カバーと、
前記耐熱部として、前記一対の絶縁カバーのそれぞれに固定され、前記耐熱性樹脂から形成された耐熱性テープと、を含む、[２]に記載の電池。
[４] 前記外装缶の前記電極群の端面と対向する側壁の板厚が、０．５〜１ｍｍである、[３]に記載の電池。
[５] 前記一対の絶縁性部材が、前記耐熱性樹脂から形成された一対の絶縁カバーである、[２]に記載の電池。
[６] 前記耐熱性樹脂が熱硬化性樹脂である、[５]に記載の電池。
[７] 前記外装缶の前記電極群の端面と対向する側壁の板厚が、０．５〜１ｍｍである、[６]に記載の電池。
[８] [１]〜[７]の何れかに記載の電池を備える電池パック。
１…外装缶、２…電極群、３…正極リード、４…負極リード、５…絶縁テープ、６，３６…第１の絶縁カバー、７，３７…第２の絶縁カバー、８…絶縁テープ、９…蓋、１０…正極端子、１１…負極端子、１２…正極、１２ａ…正極集電タブ、１３…負極、１３ａ…負極集電タブ、１４…セパレータ、１５，１６…絶縁ガスケット、１７…電解液孔、１８…凸部、２０…電池、２１…電解液。
Claims (4)
- 集電タブが両端面から渦巻状に突出した偏平型電極群と、
前記電極群が収納される外装缶と、
前記外装缶の開口部に取り付けられ、正極端子及び負極端子を有する蓋と、
一方が前記正極端子に電気的に接続され、他方が前記負極端子に電気的に接続される一対のリードと、
前記電極群の最外周を絶縁するための絶縁テープと、
前記電極群のそれぞれの端面に配置され、前記電極群の端面と対向する耐熱部を有し、前記リード及び前記集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う、一対の絶縁性部材とを備え、
前記一対の絶縁性部材が、
前記リード及び前記集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う一対の絶縁カバーと、
前記耐熱部として、前記一対の絶縁カバーのそれぞれに固定され、耐熱性樹脂から形成された耐熱性テープとを含む、電池。 - 前記外装缶の前記電極群の端面と対向する側壁の板厚が、０．５〜１ｍｍである、請求項１に記載の電池。
- 前記耐熱性樹脂が熱硬化性樹脂である、請求項１または２に記載の電池。
- 請求項１〜３の何れか一項に記載の電池を備える電池パック。
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