JP5614574B2 - 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は、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。
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。この例では、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、一対の電極端子420、440に取り付けられる。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、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と同様のもの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よりも少し広く、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。
図5は、このリチウムイオン二次電池100における、電池ケース300内の正極シート220、負極シート240及びセパレータ262、264の位置を模式的に示す図である。リチウムイオン二次電池100では、捲回電極体200は電池ケース300の概ね中央に配置されている。上述したように、捲回電極体200を製造する工程において、正極側では、ある程度、精度良く制御でき公差を厳しくできる。これに対して、負極側では、ある程度、公差が大きく取られる。また、電極端子420と正極集電体221の溶接には超音波溶接が用いられ、電極端子440と負極集電体241の溶接には、抵抗溶接が用いられる。この場合、超音波溶接に比べて、抵抗溶接の方が、いわゆる溶接しろを広く取る必要がある。このため、電池ケース300の概ね中央に捲回電極体200が配置されている場合であっても、正極合材層223の未塗工部222側の縁223aから電池ケース300の内壁までの距離Aは、正極合材層223の反対側の縁223bから電池ケース300の内壁までの距離Bよりも短くなっていた。
また、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。このリチウムイオン二次電池100では、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:図2、図3参照)。そして、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は正極合材層223を覆うように対向している。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は、多孔質ポリオレフィン系樹脂で形成されている。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。このため、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。
本発明者は、かかる独自に得られた知見を基に本発明を想起した。以下、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100Aを説明する。図6は、リチウムイオン二次電池100Aを示す図である。また、図7は、このリチウムイオン二次電池100Aにおける、電池ケース300内の正極シート220、負極シート240及びセパレータ262、264の位置を模式的に示す図である。図6及び図7に示すリチウムイオン二次電池100Aの基本構成は、上述したリチウムイオン二次電池100と同じであり、重複する説明は省略する。
このリチウムイオン二次電池100Aは、過充電末期では、温度が高くなり、セパレータ262、264の収縮が起こる。上述した本発明者の独自の知見によれば、セパレータ262、264の収縮は負極側よりも正極側の方が早く進む。また、このリチウムイオン二次電池100Aは、負極合材層243の幅b1が正極合材層223の幅a1よりも広い(b1>a1:図2、図3参照)。このため、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、正極シート220の未塗工部222と負極集電体241との短絡が生じる。
このように、リチウムイオン二次電池100Aは、電池ケース300と捲回電極体200が同じサイズであっても、電池ケース300の正極側の側面に伝わる熱を低減することができる。また、電池ケース300の正極側において、電池ケース300と捲回電極体200との隙間310が広くなり、当該隙間310に放出されたガスはよりスムーズに排出される。これにより、当該隙間310で内圧が高くなるのを防止できる。
・サンプル1は、距離Aが20mm、距離Bが16mmであり、ケース最高温度は約495℃であった。
・サンプル2は、距離Aが22mm、距離Bが14mmであり、ケース最高温度は約485℃であった。
・サンプル3は、距離Aが24mm、距離Bが12mmであり、ケース最高温度は約480℃であった。
・サンプル4は、距離Aが18mm、距離Bが18mmであり、ケース最高温度は約605℃であった。
・サンプル5は、距離Aが16mm、距離Bが20mmであり、ケース最高温度は約730℃であった。
・サンプル6は、距離Aが14mm、距離Bが22mmであり、ケース最高温度は約870℃であった。
100、100A、100B 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
223b 正極合材層の反対側の縁
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
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:正極合材層の未塗工部側の縁から電池ケースの内壁までの距離
B 距離:正極合材層の反対側の縁から電池ケースの内壁までの距離
Claims (10)
- 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;
前記捲回電極体を電池ケースに位置決めする位置決め部材と;
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、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、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;
ここで、
前記正極集電体の熱伝導率は、前記負極集電体よりも小さく;
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;かつ、
前記位置決め部材は、
前記正極シートの幅方向において、前記正極合材層の前記未塗工部側の縁から前記電池ケースの内壁までの距離Aが、前記正極合材層の反対側の縁から前記電池ケースの内壁までの距離Bよりも長くなる(A>Bになる)ように、前記捲回電極体を前記電池ケースに位置決めした;
リチウムイオン二次電池。 - 前記距離Aと距離Bとの差(A−B)が、1mm以上である、請求項1に記載されたリチウムイオン二次電池。
- 前記正極シートの幅方向において、前記電池ケースの内側の幅Cと捲回電極体の幅Dとの差(C−D)に対して、上記の距離Aが距離Bの差(A−B)が概ね10%以上である、請求項1に記載されたリチウムイオン二次電池。
- 前記正極シートの未塗工部は、前記第1セパレータ又は第2セパレータからはみ出た部分において溶接されており、
前記負極シートの未塗工部は、前記第1セパレータ又は第2セパレータからはみ出た部分において溶接されている、請求項1から3までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池。 - 前記捲回電極体は、前記第1セパレータ又は第2セパレータからはみ出た部分において、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が、前記位置決め部材によって前記電池ケースに固定された、請求項4に記載されたリチウムイオン二次電池。
- 前記位置決め部材は、前記電池ケースに固定された電極端子である、請求項5に記載されたリチウムイオン二次電池。
- 前記負極合材層は、耐熱層で覆われている、請求項6に記載されたリチウムイオン二次電池。
- 前記電池ケースは、一の側面が開口した扁平な箱型の容器と、当該開口を塞ぐ蓋体とを備えており、
前記捲回電極体は、前記捲回軸に直交する一の方向において扁平に変形させられた状態で、前記電池ケースに収容されており、
前記電極端子は、前記蓋体に固定されている、請求項1から7までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池。 - 請求項1から8までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池を、複数組み合わせた組電池。
- 請求項1から8までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池、又は、請求項9に記載された組電池を搭載した、車両。
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