JP5716646B2 - 二次電池、車両、及び蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、シート状の正極と、シート状の負極と、前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータとを重ねた電極層と、前記電極層に含浸された非水系電解液とを有し、前記電極層及び前記非水系電解液が容器の収容室に配設されている二次電池、二次電池を搭載した車両、及び蓄電装置に関する。

特許文献１に開示されるこの種の二次電池では、充放電に伴う電極の発熱によるサイクル性能や電池寿命の低下の問題がある。特許文献１に開示の二次電池では、電池セル内で生じた熱を正極蓋に伝えると共に、正極蓋の熱を放熱フィンで放熱するようになっており、電池セル内の高温化の抑制が図られている。

特開２００１−１４３７６９号公報

有機電解液（非水系電解液）の最低蒸発温度は１００°Ｃ程度であり、有機電解液（非水系電解液）が蒸発して液不足がもたらされると、電池性能が低下する。車両に搭載されている二次電池の場合には、夏場の高い気温による蓄熱によって１００°Ｃ程度まで上昇する可能性があり、特に夏場での電解液不足による電池性能の低下の可能性がある。

発電部と非水系電解液とを有する蓄電装置（例えば電解コンデンサ）においても、有機電解液（非水系電解液）が蒸発して液不足がもたらされる可能性がある。
本発明は、二次電池や蓄電装置における非水系電解液の液不足を回避することを目的とする。

請求項１乃至請求項５の発明は、シート状の正極と、シート状の負極と、前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータとを重ねた電極層と、前記電極層に含浸された非水系電解液とを有し、前記電極層及び前記非水系電解液が容器の収容室に配設されている二次電池を対象とし、請求項１の発明では、前記容器の天井部から前記収容室側へ突出する熱伝達部材が設けられており、前記熱伝達部材は、前記天井部側から前記収容室側へ向かう誘導面を有し、該誘導面は、第１傾斜面と第２傾斜面とからなり、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との交差部が稜線を形成している。

非水系電解液の蒸気が熱伝達部材の誘導面に付着すると、蒸気の熱が熱伝達部材を介して外部へ放熱され、この放熱によって蒸気が液化する。この液化して誘導面に付着している非水系電解液は、誘導面を伝って下方へ流れてゆく。誘導面を伝って下方へ流れる非水系電解液は、集合して誘導面から離れて落ちる。これにより電解液不足が回避される。

充放電の繰り返しによって活物質が膨張・収縮を繰り返し、電池中央部の非水系電解液が押し出されて電池中央部で液不足が生じやすい。又、最も高温化し易い電池中央部での非水系電解液の蒸発によって液不足が生じやすい。互いに接近してゆく一対の傾斜面の交差部を上下方向に見て収容室の中央部付近に位置させれば、誘導面で蒸気を液化した後の非水系電解液が収容室の中央部付近に集中して戻され、電池中央部での非水系電解液の液不足が回避される。
また、請求項２の発明では、シート状の正極と、シート状の負極と、前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータとを重ねた電極層と、前記電極層に含浸された非水系電解液とを有し、前記電極層及び前記非水系電解液が容器の収容室に配設されている二次電池において、前記容器の天井部から前記収容室側へ突出する熱伝達部材が設けられており、前記熱伝達部材は、前記天井部側から前記収容室側へ向かう誘導面を有し、前記天井部の外面には吸熱部材が連結されている。
熱伝達部材の熱の一部は、吸熱部材に吸収される。天井部に連結された吸熱部材は、誘導面での蒸気の液化を促進する。

好適な例では、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面は、いずれも平面である。
互いに接近してゆく一対の平面形状の傾斜面は、誘導面として簡便である。

好適な例では、前記熱伝達部材は、前記天井部の前記収容室側に連結されている。

好適な例では、前記容器は、上部に開口を有する器部と、前記天井部であって前記開口を閉じる蓋とを備えている。
蓋は、熱伝達部材を設ける場所として好適である。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の二次電池を搭載した車両である。

発電部としては例えばコンデンサが含まれる。

本発明の二次電池や蓄電装置は、非水系電解液の液不足を回避することができるという効果を奏する。

第１の実施形態を示し、（ａ）は、断面図。（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 分解斜視図。 第２の実施形態を示す斜視図。 第３の実施形態を示し、（ａ）は、断面図。（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図。 別の実施形態を示す分解斜視図。 別の実施形態を示す分解斜視図。

以下、車両に搭載されている二次電池に本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、二次電池１０を構成する容器１１は、上に開口する直方体形状の器部１２と、器部１２の上部の開口１２０を塞ぐ蓋１３とから構成されている。開口１２０を塞ぐ蓋１３は、容器１１の天井部である。

図２に示すように、器部１２は、長方形形状の底壁１２１と、底壁１２１の一対の長辺から立ち上がる一対の長辺側壁１２２，１２３と、底壁１２１の一対の短辺から立ち上がる一対の短辺側壁１２４，１２５とから構成されている。器部１２内の収容室１１１には巻き回された巻回電極１４及び非水系電解液が収容されている。巻回電極１４は、非水系電解液に浸漬されている。非水系電解液としては、例えば、リチウム塩を電解質としてこれを有機溶媒に溶解したものが用いられる。

巻回電極１４は、シート状の負極１５と、シート状の正極１６と、負極１５と正極１６との間に介在されたセパレータ１７とから構成されている。巻回電極１４は、負極１５と正極１６とセパレータ１７とを層状に重ねた電極層である。

図１（ａ）に示すように、負極１５には負極リード２８が電気的に接続されており、負極リード２８は、器部１２に電気的に接続されている。正極１６には正極リード２９が電気的に接続されており、正極リード２９は、蓋１３に電気的に接続されている。器部１２は、例えば銅製であり、蓋１３は、例えばアルミニウム製である。なお、器部１２と蓋１３とは、図示しない絶縁部材によって絶縁されている。

図２に示すように、負極１５は、シート状の負極集電体１８と、負極集電体１８の両面に負極活物質を塗布されて形成された負極活物質層１９，２０とから構成されている。正極１６は、シート状の正極集電体２１と、正極集電体２１の両面に正極活物質を塗布されて形成された正極活物質層２２，２３とから構成されている。

正極集電体２１は、例えばアルミニウム製であり、正極活物質層２２，２３は、例えば、リチウムと遷移金属の複合酸化物とを正極活物質として含有している。リチウム複合酸化物には例えば黒鉛が導電剤として加えられており、バインダとしては例えばポリフッ化ビニリデンが用いられる。負極集電体１８は、例えば銅製である。負極活物質層１９，２０は、例えば、リチウムイオンを吸蔵及び放出が可能なケイ素酸化物及び炭素系材料を負極活物質として含有している。

図１（ｂ）に示すように、蓋１３の裏面１３１（下面）には、蓋１３（天井部）から収容室１１１側へ突出するように熱伝達部材２４が止着されている。本実施形態では、熱伝達部材２４は、アルミニウム製である。蓋１３の外面１３２（上面）には吸熱部材としてのペルチェ素子２５が止着されている。ペルチェ素子２５は、二次電池１０から電流供給を受けて蓋１３の熱を吸収する。

図３に示すように、長方形形状の蓋１３の裏面１３１に連結される熱伝達部材２４は、蓋１３よりも小さい長方形の略板形状に形成されている。熱伝達部材２４の下面には収容室１１１に露出して蓋１３側から下方へ向かい、蓋１３から収容室１１１側へ向かう第１傾斜面２６と第２傾斜面２７とが形成されている。第１傾斜面２６及び第２傾斜面２７は、いずれも平面形状に形成された誘導面である。第１傾斜面２６は、下方へ向かうにつれて熱伝達部材２４の一方の長辺２４１側から他方の長辺２４２側へ向かう下り勾配の形状に形成されている。第２傾斜面２７は、下方へ向かうにつれて熱伝達部材２４の長辺２４２側から長辺２４１側へ向かう下り勾配の形状に形成されている。

第１傾斜面２６と第２傾斜面２７とは、下方へ向かうにつれて互いに接近してゆき、第１傾斜面２６の下縁と第２傾斜面２７の下縁とは、交差している。第１傾斜面２６と第２傾斜面２７との交差部２４０は、直線形状の稜線を形成している。直線形状の交差部２４０は、上下方向に見て一対の長辺側壁１２２，１２３の中間に位置する。つまり、交差部２４０は、上下方向に見て収容室１１１の中央部付近に位置している。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。
二次電池１０が充放電を繰り返すと、負極活物質層１９，２０及び正極活物質層２２，２３が膨張・収縮を繰り返す。負極活物質層１９，２０及び正極活物質層２２，２３の膨張・収縮の繰り返しは、巻回電極１４の巻き回し中央部における非水系電解液が巻回電極１４の巻き回し中央部から押し出す。又、二次電池１０の巻き回し中央部付近の温度が非水系電解液の蒸発温度に達すると、巻き回し中央部付近の非水系電解液が蒸気になる。蒸気の一部は、第１傾斜面２６及び第２傾斜面２７に付着する。

第１傾斜面２６及び第２傾斜面２７に付着した蒸気の熱は、熱伝達部材２４を介して蓋１３に伝達し、蓋１３の熱は、ペルチェ素子２５によって吸熱される。これにより、第１傾斜面２６及び第２傾斜面２７に付着した蒸気が液化する。第１傾斜面２６に付着している非水系電解液は、第１傾斜面２６を伝いながら降下してゆき、第２傾斜面２７に付着している非水系電解液は、第２傾斜面２７を伝いながら降下してゆく。傾斜面２６，２７を降下してゆく非水系電解液は、交差部２４０から下方へ滴下する。交差部２４０から下方へ滴下する非水系電解液は、巻回電極１４の巻き回し中央部に供給される。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）互いに接近してゆく一対の傾斜面２６，２７の交差部２４０が上下方向に見て収容室１１１の中央部付近に位置しているため、傾斜面２６，２７で蒸気を液化した非水系電解液が収容室１１１の中央部付近に集中して戻される。その結果、二次電池１０の中央部（巻回電極１４の巻き回し中央部）での非水系電解液の液不足が回避される。

（２）互いに接近してゆく一対の平面形状の傾斜面２６，２７は、形成容易な誘導面の形状である。
（３）容器１１の収容室１１１の上方（巻回電極１４の上方）にある蓋１３は、熱伝達部材２４を設ける場所として好適である。

（４）蓋１３の外面１３２に連結されているペルチェ素子２５は、傾斜面２６，２７での蒸気の液化促進に寄与する。
（５）車両に搭載されている二次電池１０は、夏場の高い気温による蓄熱によって１００°Ｃ程度まで上昇する可能性がある。非水系電解液の蒸発による二次電池１０の中央部（巻回電極１４の巻き回し中央部）での液不足は、車両に搭載されている二次電池１０において特に顕著になりやすい。つまり、車両に搭載されている二次電池１０は、本発明の適用対象として特に好適である。

次に、図４の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
熱伝達部材２４Ａは、蓋１３の下面に止着される平板形状の基板３０と、基板３０の下面に垂下形成された多数の誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４とから構成されている。誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４は、この順に長い長さに形成されている。複数の誘導ピン３０１は、基板３０の長手方向に直列に配列されており、複数の誘導ピン３０２は、基板３０の長手方向に直列に配列されている。複数の誘導ピン３０３は、基板３０の長手方向に直列に配列されており、複数の誘導ピン３０４は、基板３０の長手方向に直列に配列されている。

誘導ピン３０１，３０２は、巻回電極１４の巻き回し中央部を指向している。誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４の周面は、誘導面となり、誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４の周面に付着した非水系電解液の蒸気は、誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４の周面上で液化する。誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４の周面上で液化した非水系電解液は、誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４の周面を伝って降下し、誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４の先端から落下する。

巻回電極１４（図２参照）の巻き回し中央部を指向する誘導ピン３０１，３０２の周面を伝う非水系電解液は、巻回電極１４の巻き回し中央部に供給される。
第２の実施形態では、第１の実施形態における（１），（５）項と同様の効果が得られる。又、誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４の本数あるいは誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４の径を増すことによって誘導ピン３０１，３０２，３０３，３０４の周面の総面積を増やすことができる。これは、非水系電解液の蒸気の付着面積を増して液化を促進するのに寄与する。

次に、図５（ａ），（ｂ）の第３の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
図５（ａ）に示すように、二次電池３１を構成する容器１１の収容室１１１内にはシート状の複数の負極３２とシート状の複数の正極３３とを交互に積層した電極層３４が配設されている。電極層３４は、Ｕ字形状に折り曲げられた形状に形成されている。隣接する負極３２と正極３３との間には絶縁性のセパレータ３５が介在されている。セパレータ３５は、負極３２と正極３３との電気的接触を阻止する。

図５（ｂ）に示すように、正極３３と負極３２とを交互にセパレータ３５を介在させて積層した電極層３４は、Ｕ字形状に折り返されている。電極層３４は、非水系電解液に含浸されている。

各負極３２には集電端子３６が電気的に接続されており、集電端子３６には負極リード端子３７が電気的に接続されている。負極リード端子３７は、蓋１３を貫通して容器１１外へ突出している。各正極３３には集電端子３８が電気的に接続されており、集電端子３８には正極リード端子３９が電気的に接続されている。正極リード端子３９は、蓋１３を貫通して容器１１外へ突出している。

負極３２は、シート状の負極集電体４０と、負極集電体４０の両面に負極活物質を塗布されて形成された負極活物質層４１，４２とから構成されている。正極３３は、シート状の正極集電体４３と、正極集電体４３の両面に正極活物質を塗布されて形成された正極活物質層４４，４５とから構成されている。

蓋１３の下面には熱伝達部材４６が下方に突出する形状に一体形成されている。熱伝達部材４６は、第１の実施形態における一対の傾斜面２６，２７と同形状の一対の傾斜面４７，４８を有している。

第３の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
本発明では以下のような実施形態も可能である。
○図６に示すように、薄板を折り曲げて一対の誘導片４９，５０を形成した熱伝達部材５１を用いてもよい。誘導片４９，５０の下面及び上面は、収容室に露出して蓋１３側から下方へ向かう誘導面となる。この実施形態では、誘導面の総面積が第１の実施形態における誘導面の総和の２倍程度になり、非水系電解液の蒸気の液化促進が第１の実施形態の場合よりも更に向上する。

○図７に示すように、蓋１３側から収容室１１１側へ向かう頂点を形成する四角錐形状の熱伝達部材５２を用いてもよい。４つの錐面５２１，５２２，５２３，５２４は、収容室に露出して蓋１３側から下方へ向かう誘導面となる。

○第１，３，４の実施形態における誘導面を曲面にしてもよい。
○平板に複数のパンチ孔をあけ、このときに生じるバリの表面を誘導面としてもよい。
○ペルチェ素子の代わりに、磁気冷凍素子、スピンゼーベック効果を利用した吸熱手段を用いてもよい。

○ペルチェ素子の代わりに、放熱フィンを用いてもよい。
○発電部と非水系電解液とを有する蓄電装置（例えば電解コンデンサ）に本発明を適用してもよい。発電部及び非水系電解液は、容器の収容室に配設されており、容器の天井部から収容室側へ突出する熱伝達部材が設けられており、熱伝達部材は、天井部側から収容室側へ向かう誘導面を有している。

前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。
（イ）前記熱伝達部材は、前記天井部に一体形成されている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の二次電池。

１０，３１…二次電池。１１…容器。１１１…収容室。１２…器部。１２０…開口。１３…天井部である蓋。１３１…裏面。１３２…外面。１４…電極層としての巻回電極。１５…負極。１６…正極。１７…セパレータ。２４，２４Ａ，４６，５１，５２…熱伝達部材。２４０…交差部。２５…吸熱部材としてのペルチェ素子。２６…誘導面としての第１傾斜面。２７…誘導面としての第２傾斜面。３２…負極。３３…正極。３５…セパレータ。

Claims (6)

1. シート状の正極と、シート状の負極と、前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータとを重ねた電極層と、前記電極層に含浸された非水系電解液とを有し、前記電極層及び前記非水系電解液が容器の収容室に配設されている二次電池において、
   前記容器の天井部から前記収容室側へ突出する熱伝達部材が設けられており、前記熱伝達部材は、前記天井部側から前記収容室側へ向かう誘導面を有し、該誘導面は、第１傾斜面と第２傾斜面とからなり、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との交差部が稜線を形成している二次電池。
2. シート状の正極と、シート状の負極と、前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータとを重ねた電極層と、前記電極層に含浸された非水系電解液とを有し、前記電極層及び前記非水系電解液が容器の収容室に配設されている二次電池において、
   前記容器の天井部から前記収容室側へ突出する熱伝達部材が設けられており、前記熱伝達部材は、前記天井部側から前記収容室側へ向かう誘導面を有し、前記天井部の外面には吸熱部材が連結されている二次電池。
3. 前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面は、いずれも平面である請求項１に記載の二次電池。
4. 前記熱伝達部材は、前記天井部の前記収容室側に連結されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の二次電池。
5. 前記容器は、上部に開口を有する器部と、前記天井部であって前記開口を閉じる蓋とを備えている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二次電池。
6. 二次電池を搭載した車両において、
   前記二次電池は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の二次電池である車両。