JP5616296B2 - 蓄電池 - Google Patents
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Description
高出力の電池では、大電流放電時のジュール熱が原因で発熱し、エネルギー高密度の電池では、長時間使用により蓄熱する。それらの熱は、電池内部における放熱性の違いや、電極タブ周辺の電流密度の違いで、電池内部の温度分布は不均一となる。
1)高温部では出力密度が低下する、
2)高温部における集電箔の抵抗値の上昇によりさらに温度が上昇し、部分的な集電箔の膨張により電極活物質間の接触不良を起こす、
3)電解液の部分的な分解・蒸発によるリチウムイオンの移動阻害が生じる、
4)部分的なサイクル劣化や内部短絡の原因となる、
といった課題が生じ、最終的にはこれらの部分的な劣化が電池全体の寿命低下に繋がる。
また、特許文献2には、「放熱性が他の領域よりも低い領域における電流密度が、上記他の領域における電流密度よりも低くなるように、電極層の構成を電極層中の位置に応じて異ならせる」ようにした蓄電装置用電極が開示されている。
特許文献1、2は、いずれも、集電箔の位置に応じて、活物質の実装密度に分布を持たせたものである。
一方、特許文献2に記載の二次電池用電極では、放熱性の低い部分で活物質の量を少なくし、厚みを小さくしている。しかし、活物質の塗布量を少なくすることで、電池全体として出力密度低下の原因となる。
(2)請求項2の発明は、請求項1に記載の蓄電池において、前記正極電極層および前記負極電極層の厚さは幅方向に連続的に変化していることを特徴とする。
(3)請求項3の発明は、請求項1に記載の蓄電池において、前記正極電極層および前記負極電極層の厚さは幅方向に不連続に変化していることを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、求項1〜3のいずれか一項に記載の蓄電池において、前記セパレータの厚さは、前記正負極電極層の厚さ形状と相補関係にあり、前記電極群は全域でその厚みが一定であることを特徴とする。
(5)請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の蓄電池において、前記電解液と前記正負極活物質の量の割合は、前記正負極電極層の空孔率で調節され、前記正負極電極層は電極群の面内において異なる空孔率の領域を有することを特徴とする。
第1の実施の形態は、本発明による蓄電池をリチウムイオン二次電池に適用したものである。以下、図1〜図3を参照して第1の実施の形態のリチウムイオン二次電池を説明する。
なお、正極活物質22Aを誇張して示している。
なお、負極活物質32Aを誇張して示している。
図2に示すように、電解液13に占める正極活物質量の割合や負極活物質量の割合を増加させたときは、電極群12の発熱量が増加し、電解液13に占める正極活物質量、負極活物質量の割合を減少させたときは、電極群12の発熱量が減少する。
(4)セパレータ40の厚さ形状は、正負極電極層22,32の厚さ形状と相補関係にあり、電極群12は全域でその厚みが一定である。その結果、積層、捲回時の処理が容易であり、蓄電池への組み込みの作業性も良好である。
本発明による蓄電池の第2の実施の形態を図5、図6を参照して説明する。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には100番台の符号を付し、相違点を主に説明する。
第2の実施の形態は、本発明を円筒状の捲回式蓄電池に適用したものである。ここで使用される電極群は図4で示した電極群と同様の長尺シート状であるが、電極層の厚さが、幅方向ではなく、長手方向に徐々に増減するようにしたものである。
負極電極130は、負極金属箔131の両面に負極電極層132を設けたものである。金属箔131は銅箔、もしくは銅合金箔を採用することができる。ニッケル箔、ステンレス箔などの導電性材料を用いても良い。
なお、図5,図6は概念図であり、正負極活物質122A,132Aを誇張して示している。
本発明による蓄電池の第3の実施の形態を図7、図8を参照して説明する。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には200番台の符号を付し、相違点を主に説明する。
第3の実施の形態は、本発明を外部端子である正負極タブを片側に設けたタブ付き積層型蓄電池に適用したものである。
本発明による蓄電池の第4の実施の形態を図9、図10を参照して説明する。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には300番台の符号を付し、相違点を主に説明する。
第4の実施の形態は、本発明を外部端子である正負極タブのそれぞれ対向する側面に設けたタブ付き積層型蓄電池に適用したものである。
本発明による蓄電池の第5の実施の形態を図11A、図11Bを参照して説明する。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には400番台の符号を付し、相違点を主に説明する。
第5の実施の形態は、本発明を角形捲回式蓄電池に適用したものである。
第5の実施の形態の特徴は、長尺シート状の電極層420,430の長手方向において電極層の厚さを調整した点である。以下、説明する。
第6の実施の形態は、本発明を組電池に適用したものである。図12を参照して第6の実施の形態の組電池を説明する。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には500番台の符号を付し、相違点を主に説明する。
上述したように、電極群の発熱量は電解液に占める活物質の割合を増減して調整できる。また、電極層内に充填される電解液の量は電極層の空孔率に依存する。空孔率は電極層の厚さに依存し、電極層の厚さはプレスして調整することができる。電極層内に充填される電解液の量は、電極層の厚さと空孔率とは比例関係にあるので、この実施の形態では、プレスにより電極層の空孔率を調整して、電解液に占める活物質の割合を調整して発熱量が調節される。
(1)複数の蓄電池(単電池)で構成される組電池は、放熱性の違いや発熱体の有無等、周囲の環境によって、蓄電池内部の温度分布が不均一になることが知られている。そこで、第6の実施の形態では、発熱する熱源HSの付近に発熱量の小さい径の大きい電池10Fを配置し、発熱する熱源HSから遠い箇所に発熱量の大きい径の小さい電池10Aを配置した。その結果、組電池全体として、組電池を構成する複数の蓄電池10E,10Fの温度分布が低減され、複数の蓄電池10E,10Fの寿命が均一化され、結果として、組電池としての長寿命化の効果が得られる。
本発明による蓄電池の第7の実施の形態を図14を参照して説明する。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には600番台の符号を付し、相違点を主に説明する。
第7の実施の形態は、本発明を複数の電極層を有する積層型蓄電池に適用したものである。
これによって、放熱性の低い内側の正極電極層622in、負極電極層632inにおける発熱量が、外側の正極電極層622out、負極電極層632outの発熱量よりも小さく、電極群612全体の温度上昇が均一化される。
本発明による蓄電池の第8の実施の形態を図15を参照して説明する。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には700番台の符号を付し、相違点を主に説明する。
第8の実施の形態は、第1の実施の形態における電極層22と等価な効果を奏する電極群の他の例をしている。すなわち、電極層の幅方向の厚さを階段状に不連続に変化させたものである。
正負極電極層722,732はセパレータ740の中央部の厚さが薄い領域で厚みが厚くなる。換言すると、第8の実施の形態の電極層720,730は階段状である。上述したように、電解液に占める活物質722A,732Aが小さいほど発熱量が低いので、第8の実施の形態の蓄電池は、電池の内部(深層部)の発熱が抑制され、電池全体としては温度分布が小さくなる。
第1の実施の形態では、セパレータ40の厚さを不均一として、電極群12の厚さを均一化したが、電極群12の厚さの不均一が許容される場合には、セパレータ40の厚さを均一としてもよい。
また、セパレータ40の厚さを均一とし、一方、正負極電極層22,32の厚さの変化に対応して、正負極集電箔21,31の厚さを不均一として、電極群12の厚さを均一としてもよい。
11,111,211,311,411電池容器
12,112,212,312,412、512,612,712 積層型電極群
13,113,213,313,413,513 電解液
20,120,220,320,420,520,620,720 正極電極
21,121 221,321,421,521,621,721 正極金属箔
22,122 222,322,422、522,622,722 正極電極層
22A,122A,222A,322A,422A,522A,622A,722A
正極活物質
30,130,230,330,430,530,630,730 負極電極
31,131,231,331,431,531,631,731 負極金属箔
32,132,232,332,432,532,632,732 負極電極層
33A,132A,232A,332A,432A,532A,632A,732A
負極活物質
40,140,240,340,440,540,640,740 セパレータ
100 組電池
411C コーナ部
401,501 正極タブ
402、502 負極タブ
Claims (5)
- 正極集電箔に正極活物質を含む正極電極層が設けられている正極電極、および負極集電箔に負極活物質を含む負極電極層が設けられている負極電極をセパレータを間に挟んで積層した電極群と、
前記電極群を収容する電池容器と、
前記電池容器内に充填された電解液とを備え、
前記電極群は、矩形シート形状の正極電極、負極電極、およびセパレータを積層した積層型矩形シート形状電極群であり、
前記正極活物質の量と前記負極活物質の量とは前記正負極電極層内でそれぞれ略均等に分布しており、
前記正負極活物質層には、前記電解液と前記正負極活物質の量の割合が異なる領域が設けられ、
前記電解液と前記正負極活物質の量の前記割合は、電極群の面内において前記正負極電極層が異なる厚さの領域を有することにより調節され、
前記矩形シート形状の電極群が広がる面内の中央部の電極層の厚さは周辺部の厚さよりも厚いことを特徴とする蓄電池。 - 請求項1に記載の蓄電池において、
前記正極電極層および前記負極電極層の厚さは幅方向に連続的に変化していることを特徴とする蓄電池。 - 請求項1に記載の蓄電池において、
前記正極電極層および前記負極電極層の厚さは幅方向に不連続に変化していることを特徴とする蓄電池。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の蓄電池において、
前記セパレータの厚さは、前記正負極電極層の厚さ形状と相補関係にあり、前記電極群は全域でその厚みが一定であることを特徴とする蓄電池。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の蓄電池において、
前記電解液と前記正負極活物質の量の割合は、前記正負極電極層の空孔率で調節され、前記正負極電極層は電極群の面内において異なる空孔率の領域を有することを特徴とする蓄電池。
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