JP5651610B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、電池缶内に発電要素を収容した構造を有する二次電池に関する。

近年、電気自動車等の動力源として、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。そして、車載用途の二次電池では、大電流が流れるために、何らかの異常により二次電池内で短絡が起こると、発電要素が発熱して高温のガスが発生することがある。例えば特許文献１には、二次電池の電池缶内で高温のガスが発生して電池缶内の圧力が上昇した場合に、電池缶内の圧力を開放する技術が開示されている。

特開２０１１−１８１２１４号公報

しかしながら、特許文献１には、高温のガスの熱による電池缶への影響については記載されていない。発電要素が発熱したときに発電要素から噴出される高温のガスの熱は、電池缶を軟化或いは溶融させて、電池缶の破損や、発電要素と電池缶の短絡を招くおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池缶内の高温のガスの熱による電池缶への影響を抑制する二次電池を提供することである。

本発明の二次電池は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電池缶内に発電要素が収容された二次電池であって、電池缶と発電要素との間に絶縁耐熱体が介在されていることを特徴としている。

本発明によれば、電池缶内で発電要素の発熱により発電要素から発生した高温のガスを絶縁耐熱体で受け止めて、その熱が電池缶に直接伝達されるのを防ぐことができる。したがって、高温のガスの熱による電池缶の破損及び発電要素と電池缶との短絡を防ぐことができる。

第１実施の形態における二次電池の外観斜視図。 捲回電極群の一部を展開した状態を示す外観斜視図。 捲回電極群と正極端子、負極端子との接続状態を示した斜視図。 図１に示す二次電池の分解斜視図。 捲回電極群から噴出したガスの流れを示した図。 絶縁耐熱体の一例を示す分解斜視図。 第２実施の形態における絶縁耐熱体の構成を示す分解斜視図。 第３実施の形態における絶縁耐熱体の構成を示す分解斜視図。 第４実施の形態における絶縁耐熱体の構成を示す一部破断図。

以下、図面を参照して、本発明の二次電池をハイブリット車用の角形リチウムイオン二次電池に適用した各実施の形態について説明する。

［第１実施の形態］
二次電池Ｄ１は、図１に示すように、電池容器を構成する電池缶１および蓋２を備えている。電池缶１内には、発電要素である捲回電極群６（図２）が収納されている。電池缶１は、上部開口を有する扁平箱形の形状を有しており、アルミニウム合金を深絞り加工することによって構成されている。電池缶１は、長方形を有する底壁部ＰＢ（図５参照）と、底壁部ＰＢの一対の長辺部からそれぞれ立ち上がり対峙する幅広の面壁部ＰＷと、底壁部ＰＢの一対の短辺部からそれぞれ立ち上がり対峙する幅狭の側壁部（対向壁部）ＰＮとを有する。電池缶１の開口部は、蓋２をレーザ溶接等することによって封止されている。

蓋２は、例えば電池缶１と同一の材料であるアルミニウム合金からなり、電池缶１の開口部を閉塞する平板形状を有している。蓋２には、電池容器の内圧が上昇したときに予め設定された圧力で開裂し、ガスを外部放出するためのガス排出弁３が設けられている。ガス排出弁３は、蓋２と同一の金属材料またはその合金で構成した薄膜部材であり、レーザ溶接等により蓋２に接合されている。尚、プレス加工等により、蓋２と一体で形成されることもある。

電池缶１と蓋２とで構成される電池容器の内部空間には、捲回電極群６と、絶縁シート９と、絶縁耐熱体１０と、電解液（図示せず）が収納されている。電解液は、蓋２に予め設けられた注液口４３から注液した後に、注液栓４２をレーザ溶接等により蓋２に接合することにより、電池内部を密閉している。なお、本実施形態の二次電池Ｄ１は、電池缶１及び蓋２が極性を持たない中性である。

捲回電極群６は、図２に示すように、セパレータ６Ｃ、負極板６Ｄ、セパレータ６Ｃ、正極板６Ｅの順に重ねられた状態で捲回され、扁平状に押し潰されて、平面部７の両側にそれぞれ湾曲部８、８が形成された扁平捲回構造を有している。捲回開始端部にはセパレータ６Ｃが巻かれており、捲回終了端部にもセパレータ６Ｃが数周捲回され、巻き解けを防止するために、図２の下側に配されたセパレータ６Ｃの捲回終了端が予め片面に粘着剤が塗着されたテープ（不図示）で止められている。

正極板６Ｅは、アルミニウム合金箔（正極集電体）の両面に、正極活物質として、例えば、マンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属複酸化物を含む正極活物質合剤が略均等かつ略均一に塗着（塗工）されており、両面とも長手方向に沿う一側に正極活物質合剤が未塗工の正極未塗工部６Ａが形成されている。

一方、負極板６Ｄは、銅合金箔（負極集電体）の両面に、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な黒鉛等の炭素材を含む負極活物質合剤が略均等かつ略均一に塗着されており、両面とも長手方向に沿う一側に負極活物質合剤が未塗工の負極未塗工部６Ｂが形成されている。セパレータ６Ｃ、６Ｃは、リチウムイオンが通過可能な微多孔性シート材で構成されており、本例では、数十μｍ厚のポリエチレンシートが用いられている。

図３は、二次電池の捲回電極群６と、正極端子２１および負極端子３１を配置した蓋２との接続状態を示した斜視図である。

正極端子２１及び負極端子３１は、蓋２の長手方向一方側と他方側の互いに離れた位置に配置されている。正極端子２１及び負極端子３１は、例えば、蓋２の外側に配置される外部端子２２、３２と、捲回電極群６に導通接続される集電端子２４、３４と、蓋２を貫通して外部端子２２、３２と集電端子２４、３４との間を導通接続させる接続端子２３、３３と、を有している。正極端子２１は、アルミニウム合金で製作され、負極端子３１は、銅合金で製作されている。そして、正極端子２１及び負極端子３１は、蓋２との間に絶縁部材２０が介在されており、蓋２から電気的に絶縁されている。

一方、捲回電極群６は、正極未塗工部６Ａ、負極未塗工部６Ｂの平面部７Ａ、７Ｂを厚さ方向に圧縮して束ねている。そして、蓋２に配設されている正極端子２１と負極端子３１の集電端子２４、３４を集電端子接合部２５、３５で平面部７Ａ、７Ｂに重ね合わせて例えば超音波溶接により接合している。したがって、捲回電極群６の正極未塗工部６Ａ、負極未塗工部６Ｂの平面部７Ａ、７Ｂは、捲回軸方向外側が閉じられた密閉状態となっている。一方、接合の際に束ねることが困難な捲回電極群６の湾曲部８Ａ、８Ｂは、捲回軸方向外側が開放された開放状態となっている。

捲回電極群６の湾曲部８Ａ、８Ｂの捲回軸方向外側に対向する位置には、絶縁耐熱体１０が設けられている。絶縁耐熱体１０は、矩形の平板形状の対向面部１０Ａを有している。絶縁耐熱体１０は、例えば図６に示すように、湾曲部８Ａ、８Ａの捲回軸方向外側と全面に亘って対向しており、蓋２側の湾曲部８Ａと下端部側の湾曲部８Ａとの間に亘って一定幅で延在する寸法形状を有している。図６は、絶縁耐熱体の構成の一例を示す斜視図であり、正極側の絶縁耐熱体を示した図である。絶縁耐熱体１０は負極側にも設けられており、正極側と同様に湾曲部８Ｂ、８Ｂの捲回軸方向外側と全面に亘って対向している。

絶縁耐熱体１０は、電池缶１に収容しやすいように集電端子２４、３４に一体に取り付けられる。絶縁耐熱体１０には、係合穴（係合部）１０ａが設けられており、集電端子２４、３４に突設された凸部２６、３６を挿入して係合させることによって、集電端子２４、３４に一体に取り付けることができるようになっている。絶縁耐熱体１０には、高温のガスでも溶融しないセラミック等の高耐熱性材を用いることで耐熱と共に電気的絶縁も可能としている。

図４は、図１に示した二次電池の分解図である。
蓋２に集電端子２４、３４を介して取り付けられて絶縁耐熱体１０を配置した捲回電極群６を電池缶１内に絶縁シート９を介して収容する。その後、電池缶１と蓋２を溶接等により接合する。絶縁シート９は、絶縁性の合成樹脂製材料からなるシート部材によって構成されており、集電端子２４、３４に支持された捲回電極群６を集電端子２４、３４ごと外側から包み込むことによって電池缶１と捲回電極群６との短絡を防止している。

絶縁シート９は、図６に示すように、捲回電極群６の下端部に対向配置される矩形の底面部５１と、底面部５１の長辺に沿って折曲されて捲回電極群６の厚さ方向両側に対向配置される一対の幅広面部５２と、底面部５１の短辺に沿って折曲されて捲回電極群６の捲回軸方向外側に対向配置される一対の幅狭面部５３を有している。絶縁耐熱体１０は、絶縁シート９の内側、すなわち、捲回電極群６の捲回軸方向の端面と、絶縁シート９の幅狭面部５３との間に配置される。

図５は、捲回電極群６から噴出したガスの流れを示した図である。
異常な動作により捲回電極群６が発熱して捲回電極群６の内部で高温のガスが発生すると、その高温のガスは、捲回電極群６の中を捲回軸方向に沿って流れ、湾曲部８Ａ、８Ｂの捲回軸方向外側の端部から電池缶１の対向壁部である側壁部ＰＮに向かって排出される(図５の矢印Ａ)。

これに対して、本実施の形態では、捲回電極群６の湾曲部８Ａ、８Ｂの捲回軸方向外側に絶縁耐熱体１０が対向して配設されているので、捲回電極群６から排出される高温のガスを絶縁耐熱体１０で受け止めることができる。

したがって、絶縁耐熱体１０と電池缶１の側壁部ＰＮとの間に介在されている絶縁シート９が高温のガスに直接晒されて軟化及び溶融するのを防ぐことができ、絶縁シート９の破損による捲回電極群６と電池缶１の短絡を防ぐことができる。例えば、電池缶１に外力が作用して変形し、間に絶縁シート９を介して集電端子２４が電池缶１の内壁面に押圧されている状況で、従来は、高温のガスが発生すると、絶縁シート９が軟化して集電端子２４が絶縁シート９を突き破って電池缶１と直接接触して短絡するおそれがあったが、本実施の形態における構成によれば、高温のガスによる絶縁シート９の軟化を効果的に防ぐことができるので、従来のような短絡が発生するのを未然に防ぐことができる。

また、絶縁耐熱体１０の捲回軸方向外側に位置する電池缶１の側壁部ＰＮが高温のガスに直接晒されるのも防ぐことができる。したがって、高温のガスによる電池缶１の軟化及び溶融を防ぎ、電池缶１の破損や、捲回電極群６と電池缶１の短絡を防ぐことができる。

捲回電極群６から排出されて絶縁耐熱体１０で受け止められたガスは、その後、電池缶１と捲回電極群６との間の空間に流れ込み(図５の矢印Ｂ)、電池内部の圧力が上昇し、ガス排出弁３が開放される。開放された後に発生したガスは、電池缶１の内部をガス排出弁３に向かって流れ(図５の矢印Ｃ)、開放されたガス排出弁３から外部へと排出される (図５の矢印Ｄ) 。

上述のように、異常な動作により捲回電極群６が発熱して捲回電極群６から発生した高温のガスは、捲回電極群６の平面部７Ａ、７Ｂからは排出されず、それ以外の開放された湾曲部８Ａ、８Ｂから排出される。

絶縁耐熱体１０は、捲回電極群６の湾曲部８Ａ、８Ｂの捲回軸方向外側に対向して配設されているので、湾曲部８Ａ、８Ｂから排出された高温のガスを絶縁耐熱体１０で受け止めることができ、電池缶１及び絶縁シート９の軟化と溶融を防ぐことができる。

また、絶縁耐熱体１０の絶縁性により、湾曲部８Ａ、８Ｂに対向する絶縁シート９が軟化或いは溶融したとしても、捲回電極群６あるいは集電端子２４または３４と電池缶１との短絡を防ぐことができる。

本実施の形態では、絶縁耐熱体１０を集電端子２４、３４に取り付けて、絶縁シート９の内側に入れる構成としたが、集電端子２４、３４に取り付けずに、絶縁シート９と電池缶１との間に配置してもよく、また、電池缶１の内壁面に貼着する構成としてもよい。

また、絶縁耐熱体１０は、蓋２側と底側の湾曲部８Ａ、８Ｂの間に亘って一定幅で延在する矩形の平板形状を有する構成の場合を例に説明したが、蓋２側と底側の湾曲部８Ａ、８Ｂに対向するように２つに分かれて別々に配置された構成、或いは、蓋２側と底側の湾曲部８Ａ、８Ｂにそれぞれ対向する２つの絶縁耐熱体１０を棒状部材で互いに接続した構成としてもよい。

［第２実施の形態］
図７は、第２実施の形態における絶縁耐熱体を示す分解斜視図である。

本実施の形態において特徴的なことは、絶縁耐熱体を断面がコ字状の立体形状とし、係合部を設けることなく、捲回電極群６に取り付け可能な構成としたことである。

絶縁耐熱体１１は、高温のガスでも溶融しない電気絶縁性を有したセラミック等の高耐熱性材からなり、図７に示すように、断面がコ字状の立体形状を有している。絶縁耐熱体１１は、捲回電極群６の捲回軸方向外側に対向する対向面部１１Ａと、対向面部１１Ａの両端でそれぞれ折曲された互いに対峙する一対の側面部１１Ｂ、１１Ｂと、一対の側面部１１Ｂ、１１Ｂの蓋２から離反する側の端部間に亘って設けられて捲回電極群６の下端部に対向する底面部（図示せず）とを有する。なお、特に図示していないが負極側にも同じ構成を有する絶縁耐熱体１１が設けられている。

対向面部１１Ａは、蓋２側の湾曲部８Ａ、８Ｂから底側の湾曲部８Ａ、８Ｂの間に亘って一定幅で延在する矩形の平板形状を有している。一対の側面部１１Ｂ、１１Ｂは、対向面部１１Ａの両端に連続して設けられており、互いの間隔は、間に湾曲部８Ａ、及び８Ｂをそれぞれ介在させることができ、かかる状態でそれぞれ厚さ方向両側から所定の圧力で挟持する大きさに設定されている。

捲回電極群６の外周側は絶縁シート９’で覆われている。絶縁シート９’は、絶縁性の合成樹脂製材によって構成されている。絶縁シート９’は、柔軟性を有する１枚の矩形シート形状を有しており、二つに折り畳むように捲回電極群６の下側から被せることにより、捲回電極群６を捲回軸方向の両側の端部間に亘って覆っている。絶縁シート９’は、その捲回軸方向の端部を絶縁耐熱体１１によって湾曲部８Ａ、８Ｂとの間に挟み込むことによって、捲回電極群６と一体に保持される。

上記した構成を有する絶縁耐熱体１１は、集電端子２４、３４との係合部を必要とせず、捲回電極群６に一体に取り付けることができる。したがって、捲回電極群６に簡単に着脱でき、組み立て作業性がよく、組み立て時間の短縮により、製造コストを下げることができる。また、各部品の構成をシンプルなものとすることができ、製品コストを下げることができる。

上記した構成を有する絶縁耐熱体１１は、絶縁シート９’と合わさることで袋状となり、間に絶縁シート９’と絶縁耐熱体１１を介して捲回電極群６を電池缶１に収容することが可能である。絶縁シート９’は、捲回電極群６の捲回軸方向に沿った面を覆い、絶縁耐熱体１１は、捲回電極群６の捲回軸方向両端部の正極未塗工部６Ａと負極未塗工部６Ｂを集電端子２４、３４ごと外側から包み込む形態であり、電池缶１と捲回電極群６との短絡を防止している。異常な動作により捲回電極群６から発生した高温のガスに対向する位置には、絶縁耐熱体１１が配置されており、高温のガスが絶縁シート９’に直接触れることはない。したがって、発生したガスによる絶縁シート９’の軟化及び溶融を防止し、電池缶１と捲回電極群６の短絡を防止することが可能である。

［第３実施の形態］
図８は、第３実施の形態における絶縁耐熱体を示す分解斜視図である。
本実施の形態において特徴的なことは、絶縁耐熱体を箱形状とし、その中に捲回電極群６と集電端子２４、３４の全体を収容したことである。

絶縁耐熱体１２は、図８に示すように、電池缶１内で電池缶１の各内壁面に沿う扁平箱形状を有している。絶縁耐熱体１２は、高温のガスでも溶融しないセラミック等の高耐熱性材からなり、電気的絶縁も行うことができる。したがって、本実施の形態では、絶縁シート９を省略されている。

電池缶１内には、絶縁耐熱体１２を介して捲回電極群６が収容される。絶縁耐熱体１２は、捲回電極群６の全体を包み込む形態であり、高温のガスにより電池缶１が軟化及び溶融するのを防ぎ、電池缶１の破損による捲回電極群６との短絡を防止することができる。また、絶縁耐熱体１０、１１のように別体に設ける必要がなく、さらに絶縁シート９を省略することができ、部品点数の削減、組立作業の容易化、組立工数の減少により、全体のコストを下げることができる。

なお、本実施の形態では、箱形状の絶縁耐熱体１２を用いた場合を例に説明したが、この絶縁耐熱体１２の代わりに、高耐熱性材により構成したシート状の絶縁シート９を折り曲げて箱状に形成し、その折り曲げられた絶縁シート９を用いて捲回電極群６の周りを覆う構成としてもよい。

［第４実施の形態］
図９は、第４実施の形態における絶縁耐熱体を示す分解斜視図である。
本実施の形態において特徴的なことは、電池缶１の内壁面に絶縁耐熱体として耐熱フィラー層１３を設けて、絶縁シート９と絶縁耐熱体１０を省略したことである。

耐熱フィラー層１３は、電池缶１が湾曲部８Ａ、８Ｂから排出された高温のガスで、高温になり溶融することを防ぐため、電池缶１の内壁面に設けられている。耐熱フィラー層１３には、セラミック等の高耐熱性材を用いることで電気的絶縁も可能である。耐熱フィラー層１３は、電池缶１の内壁面に塗布することによって形成されている。

耐熱フィラー層１３は、電池缶１の内壁面全面に設けられており、捲回電極群６の全体を包み込むようになっている。したがって、異常な動作により発生した高温のガスによる電池缶１の軟化及び溶融を防止し、電池缶１の破損や捲回電極群６と電池缶１の短絡を防止することが可能である。なお、耐熱フィラー層１３は、電池缶１の内壁面のうち、湾曲部８Ａ、８Ｂに対向する側壁部ＰＮのみに設けてもよく、この場合、側壁部ＰＮに設けられた耐熱フィラー層１３が絶縁耐熱体の対向面部を構成する。

上記構成によれば、他の実施の形態と比較して、絶縁シート９と絶縁耐熱体１０を省略することができ、部品点数の削減、組立作業の容易化、組立工数の減少により、全体のコストを下げることができる。

なお、上記した実施の形態では、内壁面に耐熱フィラー層１３が形成された電池缶１を用いる場合を例に説明したが、内壁面に耐熱フィラー層１３が形成された絶縁シート９を用いてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：電池缶、２：蓋、３：ガス排出弁、６：捲回電極群（発電要素）、
６Ａ；正極未塗工部、６Ｂ：負極未塗工部、６Ｃ；セパレータ、６Ｄ；負極板、６Ｅ：正極板、
７Ａ：正極未塗工部平面部、７Ｂ：負極未塗工部平面部
８Ａ；正極側捲回型発電要素群湾曲部、８Ｂ；負極側捲回型発電要素群湾曲部、
９：絶縁シート、９’：絶縁シート、１０：絶縁耐熱体、１０Ａ：対向面部、
１０ａ：係合穴（係合部）、１１：絶縁耐熱体、１２：絶縁耐熱体、
１３：耐熱フィラー層（絶縁耐熱体）、２０：絶縁部材、２１：正極端子、
２２；正極外部端子、２３；正極接続端子、２４；正極集電端子、
２５：正極未塗工部と正極集電端子接合部、２６；正極集電端子係合部、
３１；負極端子、３２；負極外部端子、３３；負極接続端子、３４；負極集電端子、
３５：負極未塗工部と負極集電端子接合部、３６：負極集電端子係合部、４２：注液栓、４３：注液口、Ｄ１：二次電池

Claims (6)

1. 電池缶内に発電要素が収容された二次電池であって、
   前記電池缶と前記発電要素との間に絶縁耐熱体が設けられており、
   前記発電要素を覆う絶縁シートを有し、
   前記絶縁耐熱体は、前記絶縁シートに設けた耐熱フィラー層であることを特徴とする二次電池。
2. 前記発電要素は、電極を捲回した電極群を有し、
   前記電池缶は、前記電極群の捲回軸方向の端部と対向する対向壁部を有し、
   前記絶縁耐熱体は、前記電極群の端部と前記対向壁部との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記電極群は、捲回軸方向に直交する方向に押し潰した扁平形状を有し、
   前記絶縁耐熱体は、前記電極群の捲回軸方向の端部に対向する対向面部を有することを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
4. 前記対向面部は、前記電極群の湾曲部に対向して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の二次電池。
5. 電池缶内に発電要素が収容された二次電池であって、
   前記電池缶と前記発電要素との間に絶縁耐熱体が設けられており、
   前記絶縁耐熱体は、前記電池缶の内壁面に設けた耐熱フィラー層であることを特徴とする二次電池。
6. 前記絶縁耐熱体は、セラミックによって構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の二次電池。

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