JP5796067B2 - 円筒型二次電池及び電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、集電体に充放電によりリチウムイオンを放出・収容可能な正極活物質を塗着した帯状の正極と、集電体に充放電によりリチウムイオンを収容・放出可能な負極活物質を塗着した帯状の負極とが、リチウムイオンが通過可能な帯状のセパレータを介して捲回された電極捲回群が電池容器に内蔵された非水電解質型二次電池に関するものである。
充放電反応にリチウムイオンの吸蔵および放出を利用するリチウムイオン二次電池(以下、リチウムイオン電池)は、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池よりも大きなエネルギー密度が得られること、充放電反応に寄与するリチウムがほとんど金属リチウムとして電極に析出しないため、金属リチウムが電極から脱落して失活するといった可能性が低く、そのため、充放電を繰り返した際の容量の再現性に優れており、安定な充放電特性を得ることができること等の理由から、携帯電話やノートパソコンなどのポータブル電子機器用電源,災害時補助用電源,自動車や二輪車等の移動体用電源として大いに期待されている。
このリチウムイオン電池においては、過充電や短絡等によって熱暴走すると、電解液や電極の分解ガス、あるいは電解液の気化ガス等によって電池内圧が急上昇する。著しく大きい内圧を有するリチウムイオン電池は、外部からの衝撃で破裂して、周囲に内容物をまき散らすので、取扱いに注意を要する。
ここで、電池缶蓋には、例えば、特許文献1に記載されているような、所定の内圧で作動する電流遮断機構が備えられていることが一般的である。この電流遮断機構の作動によって、電流を強制的に遮断し、電池内の化学反応を強制的に止めることで、電池の破裂・発火を防止している。
しかしながら、上記のようなリチウムイオン電池においては次のような問題点があった。
電流遮断機構が作動すると、電極捲回体と、缶蓋の間で電気的接触がなくなり、電池電圧を知る手段がなくなってしまう。このことは電池の状態管理の観点から問題である。
また、電池内部の化学反応を電流遮断機構によって電流を強制的に遮断してそれ以上の充電を防止できる一方、そのような電池は、電池の通常使用範囲よりも過充電の状態で機能停止しているため、電流遮断機構が作動した後の電池は危険性が高くなってしまう。このことは電池の安全性確保の観点から問題である。
そこで、これまで電流遮断機構が作動した後であっても電池電圧を知る方法や放電する方法が提案されてきた。
例えば、特許文献2には、電流遮断弁と、端子板と電気的に接触している内部封口板との間に、実質的には絶縁部材である高抵抗部材部を介在させる方法が提案されている。この方法によれば、電流遮断後、高抵抗部材部を介して電池電圧の計測が可能であり、また放電も可能である。
また、特許文献3には、蓋の内部あるいは蓋と電極捲回体との間に、電流遮断機構とダイオードを並列に配置する方法が提案されている。これはダイオードが一方向にのみ電流を流せる特性を利用したものであって、ダイオードを電池の放電方向にのみ電流を流せるように設置することによって、電流遮断機構が作動した後において、充電はできないが、放電はできる構成を実現している。
特開平2−112151号公報 特開2006−147180号公報 特開2004−273139号公報
上記のような対策を鑑みると、まだまだ検討の余地がある。すなわち、特許文献2に記載されているような高抵抗部材を導入する方法では、高抵抗部材を介して放電するため、速やかな放電ができない欠点があり、特許文献3に記載されているようなダイオードを導入する方法では、ダイオードが故障していても外からそれを検知することが不可能であるため、信頼性に乏しい欠点がある。
また、電流遮断は内圧感応型の電流遮断機構の作動以外に、集電タブの破損によっても引き起こされる。これまでの方法では、電流遮断した電池の電流遮断原因を電池解体せずに明らかにすることはできない。このように電流遮断したリチウムイオン電池を、その後一般使用者が装置に装着して使用することはないので、一般使用者にとっては電流遮断原因が何であるかは問題にならない。しかしながら、電池作製者にとっては、電池再利用の可能性や電池開発へのフィードバックを考慮して、電流遮断がどちらの原因によるものか把握できることは好ましい。
以上のことを鑑みて、本発明では、電池内圧が上昇して電流遮断機構が作動した後であっても、電池電圧の測定と放電が可能であり、尚且つ、内圧感応型の電流遮断機構の作動の有無を検知可能な円筒型二次電池と、その円筒型二次電池を組み込んで構成される電池システムを提供する。
本発明の一つの観点によれば、缶蓋に圧力感応型の開裂部(圧力機構A)と圧力感応型の電流遮断機構(圧力機構B)を有する円筒型二次電池であって、前記缶蓋は、電池内側から電池外側へ露出する少なくとも二つの互いは絶縁された金属部Aと金属部Bを有し、前記金属部Aは、電極捲回体と電気的に接続しており、前記金属部Bは、前記圧力機構Aの開裂前は、前記電極捲回体と電気的に接続しておらず、前記圧力機構Aが開裂すると、前記金属部Bと前記電極捲回体とが電気的に接続することを特徴とする円筒型二次電池と、その円筒型二次電池を組み込んで構成される電池システムが提供される。
具体的には、電池内に、電流経路Aと電流経路Bを有すことを特徴とする円筒型二次電池と、その円筒型二次電池に抵抗体や二次電池等の放電要素を接続して構成される電池システムが提供される。
電流経路Aは、金属部Aと電極捲回体とを結ぶ通常の充放電において使用する電流経路であって、圧力機構Bが作動する以前において電極捲回体と電気的に接触しており、圧力機構Bが作動した後において電極捲回体と電気的に接触しない電流経路である。電流経路Bは、金属部Bと電極捲回体とを結ぶ通常の充放電には使用しない電流経路であって、圧力機構Aが作動する以前において電極捲回体と電気的に接触しておらず、圧力機構Aが作動した後において電極捲回体と電気的に接触する電流経路である。
また、本発明の電池においては、圧力機構Bの作動以前に圧力機構Aが開裂して電流経路Bが開通する特徴があるため、電池で電流遮断を検知した後に電流経路Bで電池電圧を検知可能であるならば、そのことは内圧感応型の電流遮断機構が作動したこと意味するための、内圧感応型の電流遮断機構の作動の有無を検知可能である。
圧力感応型の電流遮断弁が作動した後でも、電池電圧の測定と放電が可能である。また、圧力感応型の電流遮断機構の作動の有無を検知可能である。
円筒型電池の缶蓋構造を説明する図。 円筒型電池の第一内圧感知板の形状を説明する図。 円筒型電池の第一内圧感知板の形状を説明する図。 円筒型電池の第一内圧感知板の形状を説明する図。 円筒型電池の缶蓋構造を説明する図。 円筒型電池の電極捲回体を説明する図。 円筒型電池の通常時における電流経路を説明する図。 円筒型電池の内圧上昇時における電流経路を説明する図。 円筒型電池の内圧上昇時における電流経路を説明する図。
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、実施例における図は、略図であり、図中の位置関係系や寸法等に正確さを保証するものではない。
本発明に係る円筒型二次電池および電池システムを説明する。
<缶蓋の作製>
本発明の核は缶蓋構造にあるので、缶蓋構造について特に詳細に説明する。
缶蓋は、図1の断面図に示すように、内枠構造体5を外枠6で囲む構造からなる。
まず、内枠1と、ポリプロピレン製のパッキン2を介して、第二内圧感知板3,トップキャップ4の順に積層し、内枠1をカシメて、固定することにより、内枠構造体5を得た。
次に、外枠6とポリプロピレン製のパッキン29を介して、内枠構造体5,リング状のポリプロピレン製のパッキン7,第一内圧感知板8の順に積層し、外枠6をカシメて固定することにより、缶蓋9を得た。
次に、第一内圧感知板8と第二内圧感知板3との電気的接触をとるために、この両者の間を、金属のリードを用い、レーザー溶接した。溶接は、第二内圧感知板3の反転部13の反転により、溶接点が切断されるように1点とした。
ここで、第一内圧感知板8には空孔が存在せず、そのため、第一内圧感知板8を間に介して、空間10と空間11は切り離されている。
このようにして得られた缶蓋9の第一内圧感知板8の開裂部12の開裂圧力(P1)と第二内圧感知板3の反転部13の反転圧力(P2)を測定したところ、P1とP2は共に0.9MPaであった。ここで、P1とP2を従来の缶蓋構造に照らし合わせると、P2は電流遮断機構が作動する圧力に相当するが、P1に相当するものは存在しない。なお、何らかの不具合によって、電流遮断機構が作動した後であっても電池内圧の上昇が停止しない状況に陥った時に電池の破裂を避けるための保険として、第二内圧感知板3には、反転圧力(P2)よりも高い圧力で開放するガス開放機構を設けてもよい。
内枠1および外枠6には、厚さ0.3mmのアルミニウム、第一内圧感知板8および第二内圧感知板3には、厚さ0.1mmのアルミニウムを用いた。また、第一内圧感知板8の開裂部12の切り込み14は、プレス加工により設けた。トップキャップ4は冷間圧延鋼帯にニッケルメッキした厚さ0.3mmのものを用いた。
また、第一内圧感知板8のプレス加工においては、開裂部12が開裂した時に、開裂部12が内枠1と向き合う側へ折れ曲がり、開裂部12と内枠1とが電気的に接触するように切り込み14の形状を調整する必要がある。ここで、図2に示すように、第一内圧感知板8には開裂部12を複数個設けることが好ましい。複数個設けることによって、例えばプレス加工のミスによっていずれかの開裂部12が所定の圧力で作動しない場合にも対応できる。また、図3に示すように、第一内圧感知板8の、内枠1と向き合う側の側面に、開裂部12の開裂時に接触するように導電材からなる補助板15を設けてもよい。この時補助板15の一部は第一内圧感知板8に溶接等で固定する。補助板15を設けることによって、開裂による開裂部12の折り曲げが小さい場合であっても、図4に示すように補助板15を介して確実に第一内圧感知板8と内枠1との電気的接触を得ることが可能となる。なお、補助板15は導電材ともいう。
ここで、図1に示すように、内枠1にはパッキンからの露出部16を設けることが好ましい。露出部16を設けることにより、例えば、図5に示すように、露出部16に外部回路17を接続させることができ、電池の状態を常時監視することが可能な電池システムを構築できる。また、電池システムに組み込む外部回路17を放電要素とすることで、電池が過充電状態になって電流遮断機構が作動した後の電池から放電が可能となる。
<電極の作製>
正極活物質としてLiNi0.33Mn0.33Co0.332、導電剤として粉末状炭素、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を85:10:5の重量比で測りとり、これに溶媒として適量のN−メチル−ピロリドン(NMP)を加えて、これらを、混練機を用い30分間混練し正極スラリーを得た。この正極スラリーをアルミニウム箔(厚さ20μm,幅56mm)に両面塗工して、正極シート18を得た。負極活物質として天然黒鉛、導電剤として粉末状炭素、結着剤としてPVDFを用いて、これに溶媒として適量のNMPを加えて、負極活物質:導電剤:結着剤=90:5:5の重量比で正極と同様の作製方法で混練し、負極スラリーを得た。得られた負極スラリーを銅箔(厚さ10μm,幅57mm)に両面塗工して、負極シート19を得た。
<電極捲回体の作製>
正極シート18にはアルミニウムの正極集電リード部20を、負極シート19にはニッケルの負極集電リード部21を溶接した後、両極ともプレス機を用いて13tから14tで圧延成型し、その後120℃で3時間真空乾燥した。乾燥後、正極シート18と負極シート19とをセパレータ22(ポリエチレン多孔体:厚さ30μm,空隙率70%,幅58mm)を介して図6に示すように捲回し、捲回体外周のセパレータ端面をカプトン(R)テープ23で固定して、電極捲回体24を得た。
<円筒型二次電池の作製>
電極捲回体24を円筒缶25へ挿入した後、負極集電リード部21を缶底に抵抗溶接した。次に、第一内圧感知板8と電極捲回体24から伸びている正極集電リード部20との電気的接触をとるために、この両者の間を抵抗溶接した。そして電解液(エチレンカーボネート(EC):1,2−ジメトキシエタン(EMC)=1:3溶液にLiPF6を1MLiPF6の濃度になるよう溶解させて作製)を注入後、缶のカシメにより缶蓋9を封口し、本発明に係る円筒型二次電池26を得た。
<電流遮断機構が作動した後の電池における電圧検出と放電>
図7から図9には、円筒型二次電池26を円筒缶25の長手方向に切断した断面の一部を示す。図7は通常時、図8は電池内圧が上昇して、第一内圧感知板8の開裂部12が開裂した時、図9は図8の状態から続く第二内圧感知板3の反転部13が反転した時の断面形状を示す。なお、従来の電池に照らし合わせると、図9における第二内圧感知板3の反転部13の反転は電流遮断機構の作動を意味する。
ここで、図7と図8に示す電極捲回体−集電タブ−第一内圧感知板−溶接部−第二内圧感知板−トップキャップを結ぶ矢印付きの点線27(電流経路A27)と、図8と図9に示す電極捲回体−集電タブ−第一内圧感知板−開裂部−内枠を結ぶ矢印付きの点線28(電流経路B28)はそれぞれ電流経路を示している。トップキャップ4を第1金属部、内枠1を第2金属部ともいう。通常の充放電に使用する電流の流路は電流経路A27であり、電流遮断機構の作動後において電圧測定と放電に使用する電流の流路は電流経路B28である。電流経路A27における溶接部が圧力機構B、電流経路B28における開裂部12が圧力機構Aに相当する。電流経路B28を構成する金属部Bと電極捲回体24とは、通常時には電気的に接触していない。金属部Bと電極捲回体24との電気的な接触は、開裂部12が内圧で開裂した時に、開裂部12と内枠1が接触することで初めて生じる。
第一内圧感知板8の開裂部12の開裂圧力(P1)と第二内圧感知板3の作動(反転)圧力(P2)は、限定的ではないが、P1≧P2の関係が成立することが好ましい。この関係が成立することで、第一内圧感知板8の開裂部12の開裂後に間を置かず、第二内圧感知板3の反転部13を反転させることができ、実質的なタイミングとして、図8に示す第一内圧感知板8の開裂部12の開裂による電流経路B28の開通と、図9に示す電流遮断機構の作動による電流経路A27の切断を同時に起こすことが可能となる。
また、電流経路B28に放電要素を組み込んで電池システムを構築する場合には、P1≧P2とすることで放電要素への電流経路A27に接続した外部負荷から、電流経路B28への電流の流れ込みを最小限にとどめることができ、放電要素を単純にできる。例えば単純な抵抗体や二次電池のみとすることも可能となる。また、抵抗体や二次電池に加えて、豆電球や音響式警報機を取り付けることによって、電池が過充電になって、放電要素へ電流が流れ込んでいることを周知するようなことも可能である。
ここで、このような放電要素の単純化は従来の構成では実現できない。即ち、従来の構成では、トップキャップ4を介する電流経路(以下、電流経路C。仮に本実施例に照らし合せるならば電流経路Aに相当)に加えて、蓋枠を介する電流経路(以下、電流経路D。仮に本実施例に照らし合せるならば電流経路Bに相当)が存在し、電流経路Dは通常時から電極捲回体24と電気的に接触しているため、電流経路Dへ単純な抵抗体や二次電池を接続すると、電流経路Cに印加する負荷が電流経路Dにも波及することになる。仮に従来の構成で電流経路Dに放電要素を接続するならば、通常において電流経路Cに印加する負荷の影響を切断するような仕組みを取り入れた回路を設けたうえで、例えば過充電状態かどうかを常に監視して、過充電状態になった場合に電流経路Dで放電する等のことをしなければならないため、幾多の制御回路が必要となり電池システムの構成は複雑なものになるであろう。
<電流遮断機構の作動の有無の確認>
電流経路A27において電流遮断を検出した後に、缶蓋9の内枠1の露出部16を使用して電流経路B28の電圧を観察することで電池電圧の計測と放電が可能である。また、電流経路Bの電圧を観察することで内圧感応型の電流遮断機構の作動の有無を検知できる。
1 内枠
2,7,29 ポリプロピレン製のパッキン
3 第二内圧感知板
4 トップキャップ
5 内枠構造体
6 外枠
8 第一内圧感知板
9 缶蓋
10,11 空間
12 開裂部
13 反転部
14 切り込み
15 補助板
16 露出部
17 外部回路
18 正極シート
19 負極シート
20 正極集電リード部
21 負極集電リード部
22 セパレータ
23 カプトン(R)テープ
24 電極捲回体
25 円筒缶
26 円筒型二次電池
27 電流経路A
28 電流経路B

Claims (12)

  1. 電極捲回体を有する電池缶を缶蓋で封口した円筒型二次電池であって、
    前記缶蓋は、電流遮断機構と、電池外へ露出する位置に設けられた金属部と、前記電極捲回体側に設けられた内圧感知部とを有し、
    前記内圧感知部は電池内圧の上昇により開裂する開裂部を有し、
    前記金属部は、前記開裂部の開裂前には前記電極捲回体と電気的に接続しておらず、前記開裂部の開裂後に前記電極捲回体と電気的に接続することを特徴とする円筒型二次電池。
  2. 請求項1に記載の円筒型二次電池であって、
    前記開裂部の開裂圧力(P1)と、前記電流遮断機構の作動圧力(P2)の間に、P1≧P2が成立することを特徴とする円筒型二次電池。
  3. 電極捲回体を有する電池缶を缶蓋で封口した円筒型二次電池であって、
    前記缶蓋は、電池外へ露出する位置に設けられた第1金属部及び第2金属部と、前記電極捲回体側に設けられた第1内圧感知部と、前記第1内圧感知部と前記第1金属部の間に設けられた第2内圧感知部とを有し、
    前記第1内圧感知部は電池内圧の上昇により開裂する開裂部を有し、
    前記第1金属部は、前記第1内圧感知部及び前記第2内圧感知部を介して前記電極捲回体と電気的に接続しており、
    前記第2金属部は、前記開裂部の開裂前には前記電極捲回体と電気的に接続しておらず、前記開裂部の開裂後に前記電極捲回体と電気的に接続することを特徴とする円筒型二次電池。
  4. 請求項3に記載の円筒型二次電池であって、
    前記第2内圧感知部は、前記第1内圧感知部と溶接されていることを特徴とする円筒型二次電池。
  5. 請求項4に記載の円筒型二次電池であって、
    前記第2内圧感知部は、電池内圧の上昇に従って反転する反転部を有し、
    前記反転部の反転は、前記第1内圧感知部と前記第2内圧感知部との溶接点を切断することを特徴とする円筒型二次電池。
  6. 請求項3に記載の円筒型二次電池であって、
    前記第2金属部は、前記開裂部の開裂後に前記開裂部が前記第2金属部と向かい合う側に折れ曲がることで前記電極捲回体と電気的に接続することを特徴とする円筒型二次電池。
  7. 請求項3に記載の円筒型二次電池であって、
    前記第1金属部及び前記第2金属部の間に絶縁部が介在することを特徴とする円筒型二次電池。
  8. 請求項に記載の円筒型二次電池であって、
    前記開裂部の開裂圧力(P1)と、前記反転部の反転圧力(P2)の間に、P1≧P2が成立することを特徴とする円筒型二次電池。
  9. 請求項1に記載の円筒型二次電池と、前記金属部と電気的に接続された放電要素とを有する電池システムであって、
    前記開裂部が開裂すると、前記円筒型二次電池から前記放電要素へと電流が流れることを特徴とする電池システム。
  10. 請求項9に記載の電池システムであって、
    前記放電要素が抵抗体,二次電池,音響式警報機または発光体のいずれかであることを特徴とする電池システム。
  11. 請求項3に記載の円筒型二次電池と、前記第2金属部と電気的に接続された放電要素とを有する電池システムであって、
    前記開裂部が開裂すると、前記円筒型二次電池から前記放電要素へと電流が流れることを特徴とする電池システム。
  12. 請求項11に記載の電池システムであって、
    前記放電要素が抵抗体,二次電池,音響式警報機または発光体のいずれかであることを特徴とする電池システム。
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