JP5909371B2

JP5909371B2 - リチウムイオン二次電池

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Publication number: JP5909371B2
Application number: JP2012007612A
Authority: JP
Inventors: 高橋　宏; 宏高橋; 高橋　和雄; 和雄高橋; 秀和藤村; 吉田　正; 正吉田; 修久保田
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Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2016-04-26
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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００３−２２９１１９号公報（特許文献１）がある。この公報は、二次電池に関し、特に活物質としてリチウム含有化合物を含む正極を備えた高電圧で安全性に優れた非水電解液二次電池に関するもので、電極を長辺方向に分割し、分割部に電気絶縁材料層を設けることが記載されている。また、特開２０１０−０８６７１７号公報（特許文献２）、特開２００５−１４９７９４号公報（特許文献３）、特開２００３−１５７８５４号公報（特許文献４）および特開２００１−０３５４８４号公報（特許文献５）がある。これらの公報は、リチウム二次電用電極及びそれを用いたリチウム二次電池に関するもので、電極の長尺方向に溝を有することが記載されている。

特開２００３−２２９１１９号公報特開２０１０−０８６７１７号公報特開２００５−１４９７９４号公報特開２００３−１５７８５４号公報特開２００１−０３５４８４号公報

リチウムイオン電池では、充放電に伴い電池内でジュール発熱およびエントロピー変化に伴う発熱が生じる。ジュール発熱による発熱量は、直流内部抵抗に比例し、充放電時間に比例し、充放電電流の二乗に比例する。また、エントロピー変化に伴う発熱は一般的に、充電時において吸熱反応、放電時において発熱反応となる。電池の充放電により発生した熱量は、電池缶あるいはラミネート電池表面から放熱される。そのため、電池の中心部で温度が比較的高く、電池缶あるいはラミネート電池の表面近傍で温度が比較的低くなるような温度分布が生じる。

例えば、捲回型電池では、捲回軸方向に比べて、半径方向の方が温度分布は大きくなる。電池の充放電により発生した熱量は、電池缶表面から放熱されるが、電池缶側面の表面積は電池缶端面の表面積より圧倒的に大きいため、半径方向に捲回中心から外周に向かって、熱伝導により熱が伝わり、捲回中心部の温度は捲回周辺部の温度に比べて高温となる。

一般的に内部抵抗は温度が高い方が小さくなることから、温度分布によって抵抗分布が生じる。さらに、抵抗に応じて電流分布が生じ、ＳＯＣ（State of Charge）分布が生じることから、場所によって充放電時のＳＯＣ変化幅（ΔＳＯＣ）に差が生じ、ΔＳＯＣの大きい領域の劣化を加速する。そのことから、電池の充放電時には温度が高い捲回中心部の方が捲回周辺部より電流密度が高くなり、温度分布に起因する電流密度分布によって、捲回周辺部に比べて、捲回中心部の劣化が加速される。

同様に積層型電池では、電池面内方向に比べて、電池積層方向の方が温度分布は大きくなる。電池の充放電により発生した熱量は、電池缶あるいはラミネート電池表面から放熱されるが、電池積層方向の表面積は、電池面内方向端面の表面積より圧倒的に大きいため、積層方向に積層中心から積層端部に向かって熱伝導により熱は伝わり、積層方向の中ほどのセルの温度は、積層端部のセルの温度に比べて高温となる。したがって、積層端部のセルより高温となる積層中央部のセルの方が劣化は加速される。

さらに、電極材料によっては、活物質の膨張・収縮が大きく、そのために圧縮応力が生じて電極に亀裂が生じるなど電気的なネットワークが形成できずに劣化が加速することがある。そのため、応力緩和の機構や機能を有することが、電池の長寿命化にとって必要である。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、放熱特性を向上し、電池内の温度分布を低減するとともに、電池の充放電に伴う電極の膨張収縮に起因する圧縮応力を緩和し、電極の劣化を抑制することにより、長寿命化を図ることができるリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば以下の構成を採用する。

電極集電体上に電極合剤層を形成した電極シートと、セパレータと、を積層して構成するリチウムイオン二次電池であって、電極合剤層は、電極集電体上に間隙を設けて帯状に形成され、セパレータは、セパレータ基材およびセパレータ基材上に形成された伝熱促進層で構成され、伝熱促進層の熱伝導率は、セパレータ基材の熱伝導率より高く、伝熱促進層は、間隙に形成され、電極シートおよびセパレータが捲回されることで捲回体が形成され、伝熱促進層は、捲回体の中心部から捲回体の周辺部にかけて形成されているリチウムイオン二次電池。

上記において、電極合剤層の長手方向および伝熱促進層の長手方向と、捲回体の捲回方向と、が直交しているリチウムイオン二次電池。

上記において、リチウムイオン二次電池は、円筒型であり、伝熱促進層が形成されている領域が、捲回体の半径方向に重なり合っているリチウムイオン二次電池。

上記において、リチウムイオン二次電池は、扁平型であり、伝熱促進層が、捲回体のコーナー部で重なり合っているリチウムイオン二次電池。

上記において、リチウムイオン二次電池は、扁平型であり、伝熱促進層が、捲回体の扁平部分で重なり合っているリチウムイオン二次電池。

上記において、電極合剤層の長手方向および伝熱促進層の長手方向と、捲回体の捲回方向と、が一致しているリチウムイオン二次電池。

上記において、間隙は、集電体上において一定間隔で形成されるリチウムイオン二次電池。

電極集電体上に電極合剤層を形成した電極シートと、セパレータと、を積層して構成するリチウムイオン二次電池であって、電極合剤層は、電極集電体上に間隙を設けて帯状に形成され、セパレータは、セパレータ基材およびセパレータ基材上に形成された伝熱促進層で構成され、伝熱促進層の熱伝導率は、セパレータ基材の熱伝導率より高く、伝熱促進層は、間隙に形成され、リチウムイオン二次電池は、積層型であり、電極合剤層の長手方向および伝熱促進層の長手方向と、リチウムイオン二次電池の面内長手方向と、が一致し、伝熱促進層は、セパレータの積層方向に形成されているリチウムイオン二次電池。

上記において、電極合剤層の長手方向および伝熱促進層の長手方向と、リチウムイオン二次電池の面内長手方向と、が直交しているリチウムイオン二次電池。

上記において、伝熱促進層が、セパレータの積層方向に重なりあうように積層されているリチウムイオン二次電池。

上記において、セパレータの積層を重ねるごとに、伝熱促進層の短手方向にずれていくように、セパレータが積層されているリチウムイオン二次電池。

上記において、セパレータ基材に貫通穴が設けられ、伝熱促進層が、貫通穴を介してセパレータ基材の表裏両面に連通しているリチウムイオン二次電池。

上記において、伝熱促進層の熱伝導率が０.４Ｗ／ｍ・Ｋ ²以上１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるリチウムイオン二次電池。

上記において、伝熱促進層がフェノール樹脂で構成されているリチウムイオン二次電池。

上記において、伝熱促進層と電極合剤層との間に隙間が設けられているリチウムイオン二次電池。

本発明に係わる捲回型のリチウムイオン電池では、セパレータ基材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する伝熱促進層が形成されているので、捲回型電池の半径方向に熱伝導が促進され、電池缶表面からの放熱が容易となることから、電池冷却効果が大きくなり、電池内の温度分布を低減することができる。

また、本発明に係わる積層型のリチウムイオン電池では、セパレータ基材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する伝熱促進層が形成されているので、積層型電池の積層方向に熱伝導が促進され、電池筐体表面からの放熱が容易となることから、電池冷却効果が大きくなり、電池内の温度分布を低減することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の概略構成図である。本発明の一実施例における電極およびセパレータの概略構成図である。本発明の一実施例における電池基本構成部の断面図である。本発明の一実施例におけるセパレータの概略構成図である。本発明の一実施例における電池基本構成部の断面図である。本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の概略構成図である。本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の概略構成図である。本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の概略構成図である。本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の概略構成図である。本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の概略構成図である。本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の概略構成図である。本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の概略構成図である。本発明の一実施例における変形吸収の概念説明図である。本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の概略構成図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本発明の一実施形態に係わる捲回円筒型のリチウムイオン二次電池について、以下に、図１〜図３に基づき説明する。図１に示す本発明の捲回円筒型リチウムイオン二次電池においては、負極シート６ａ、セパレータ１１、正極シート６ｂ、セパレータ１１を基本構成単位として積層しながら、円筒形状に捲回することによって、捲回体２を構成する。以下、負極シート６ａおよび正極シート６ｂをまとめて電極シートと称する場合がある。

負極シート６ａは、図２に示すように負極集電体７ａ上に平行に間隙を設けて帯状に負極合剤層８ａを形成することで構成されている。同様に、前記正極シート６ｂは、正極集電体７ｂ上に平行に間隙を設けて帯状に正極合剤層８ｂを形成することで構成されている。以下、負極合剤層８ａおよび正極合剤層８ｂはまとめて電極合剤層と称する場合がある。

負極合剤層８ａは、負極活物質、任意の導電剤及びバインダで構成される。

負極活物質には、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な黒鉛や非晶質炭素を利用可能であるが、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能であれば種類や材料に制限はない。使用する負極活物質は、一般に粉末状態で使用されることが多いので、バインダを混合して粉末同士を結合させると同時に、この負極活物質からなる層を合剤層として負極集電体へ接着させている。

導電助剤は、導電性を有し、実質的にリチウムイオンを吸蔵しないが、コークス、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンファイバー、ケチェンブラック、カーボンナノチューブ、メソカーボンマイクロビーズ、気相成長炭素繊維等の炭素材料を用いてもよい。

バインダには、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の他に、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマー、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリロニトリルゴムなどを用いてもよい。負極の還元電位で分解せず、非水電解質あるいはそれを溶解させる溶媒と反応しなければ、上で列挙されていない他のバインダを用いてもよい。負極スラリを調製する際に用いる溶媒には、バインダに適応した公知のものを用いてもよい。例えば、ＳＢＲの場合は水等、ＰＶＤＦの場合はアセトン、トルエン等、公知の溶媒を用いることができる。

負極集電体７ａは、リチウムと合金化しにくい材質であることが条件であり、銅、ニッケル、チタンなど、あるいはこれらの合金からなる金属箔がある。特に、銅箔が多用されている。

負極シート６ａは、負極活物質、導電剤、バインダ、及び有機溶媒を混合した負極スラリを、ドクターブレード法などによって負極集電体７ａへ付着させた後、加熱して有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって加圧成形することにより、作製することができる。負極合剤層８ａは、負極スラリの有機溶媒を乾燥させることにより、負極集電体７ａ上に作製される。

正極合剤層８ｂは、正極活物質、任意の導電剤及びバインダで構成される。

正極活物質は、リチウムを含有する酸化物からなる。リチウムを含有する酸化物としては、例えば、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ_1/3Ｎｉ_1/3Ｃｏ_1/3Ｏ_1/3、ＬｉＭｎ_0.4Ｎｉ_0.4Ｃｏ_0.2Ｏ₂のような層状構造を有する酸化物、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄やＬｉ_1+xＭｎ_2-xＯ₄のようなスピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物、または、これらの酸化物においてＭｎの一部をＡｌやＭｇ等の他の元素で置換したものを用いることができる。

正極活物質は一般に高抵抗であるため、導電剤として炭素粉末を混合することにより、正極活物質の電気伝導性を補っている。正極活物質と導電剤はともに粉末であるため、バインダを混合して粉末同士を結合させると同時に、この粉末層を正極合剤層８ｂとして正極シート６ｂへ接着させている。導電剤には、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、カーボンブラック、または非晶質炭素などを使用することが可能である。導電剤の平均粒径を正極活物質粉末の平均粒径よりも小さくすると、導電剤が正極活物質粒子表面に付着しやすくなり、少量の導電剤によって正極の電気抵抗が減少する場合が多い。したがって、導電剤の材料は、正極活物質の平均粒径に応じて選択すれば良い。

正極集電体７ｂは、電解液に溶解しにくい材質であれば良く、アルミニウム箔が多用されている。

正極シート６ｂは、正極活物質、導電剤、バインダ、及び有機溶媒を混合した正極スラリを、ブレードを用いて正極集電体７ｂへ塗布する方法、すなわちドクターブレード法により作製することができる。正極集電体７ｂへ塗布した正極スラリを加熱して有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって加圧成形する。正極合剤層８ｂは、正極スラリの有機溶媒を乾燥させることにより、集電体上に作製される。このようにして、正極合剤層８ｂと正極集電体７ｂとが密着した正極を作製することができる。

セパレータ１１は、セパレータ基材９上に、図２に示すように、帯状の電極合剤層８（８ａ、８ｂ）と平行に、セパレータ基材９の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料からなる伝熱促進層１０が形成されることで構成されている。図３に示すように、負極シート６ａと、セパレータ基材９および正極シート６ｂを積層した際に、負極シート６ａに帯状に形成された負極合剤層８ａ同士の隙間および前記正極シート６ｂに帯状に形成された正極合剤層８ｂ同士の隙間に相当する部分のセパレータ基材９上に、伝熱促進層１０が形成されている。電極合剤層８と伝熱促進層１０とで圧縮変形特性が異なる場合、同じ捲回応力が作用し、それぞれの圧縮変形特性に応じて厚さ方向に圧縮され、その結果同じ厚さとなるように設定した場合、電極をプレスする工程において、伝熱促進層１０の厚さの方が大きい場合に障害となる。すなわち、セパレータ基材９側に伝熱促進層１０を形成することで、形成時に電極合剤層８と厚さが異なる伝熱促進層１０を形成することができる。伝熱促進層１０は、セパレータ基材９上の正極シート６ｂ側および負極シート６ａ側の両面に形成されていても良いが、いずれか一方の面のみに形成されていても良い。電極合剤層８と伝熱促進層１０の形成後の乾燥条件に違いがある場合、それぞれに適した乾燥条件を設定することができる。

セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレン、４フッ化エチレンなどの高分子系材料から構成され、上記で述べたように作製した正極と負極の間に挿入される。セパレータと電極が電解液を十分に保持するようにして、正極と負極の電気的絶縁を確保し、正極と負極間でリチウムイオンの授受を可能とする。

図１に示したように、電極集電体７（７ａ、７ｂ）上に平行に間隙を設けて帯状に形成された電極合剤層８（８ａ、８ｂ）の長手方向、および、セパレータ１１上に帯状に形成された伝熱促進層１０の長手方向と捲回円筒型リチウムイオン二次電池の捲回方向とが一致していることから、捲回された捲回体２は捲回軸方向に、電極合剤層８（８ａ、８ｂ）が形成された領域４と伝熱促進層１０が形成された領域５とが交互に形成される。以下で述べる一致では、製造上の誤差も含まれ、二つの方向のなす角が厳密に０度となっていることを意味しているわけではない。伝熱促進層１０が捲回体２の捲回軸方向で１か所の場合は、電極合剤層８（８ａ、８ｂ）が形成された領域４の間に伝熱促進層１０が形成された領域５が形成される。捲回軸方向の熱伝導性は電極集電体７および電極合剤層８で確保され、熱伝導率の高い伝熱促進層１０を捲回体２の中心部から捲回体２の周辺部にかけて設けることにより、伝熱促進層１０が形成された領域５を通じて、捲回体２中心から捲回体２の半径方向に熱伝導が促進され、電池の充放電に伴い発生した熱を、捲回体２表面から電池缶を経由して、電池缶表面から電池外に放熱することが容易となる。その結果、電池冷却効果が大きくなり、電池内の温度分布を低減することができるので、電池の劣化を抑制し、長寿命な電池を提供することができる。捲回体２の周辺部は、必ずしも捲回体２の最外周である必要はなく、捲回体２の半径方向に熱伝導が促進されるのであれば、捲回体２の半径方向に対して捲回体２の中心部より外側であればよい。

一般的なリチウムイオン二次電池において、負極シート６ａ、正極シート６ｂおよびセパレータ基材９を積層した基本構成部分の熱伝導率は、０.４以上０.６Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、これを上回る熱伝導率を有する材料をセパレータ基材９上に形成することが必要である。よって、伝熱促進層１０の熱伝導率として、０.４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが望ましく、０.４５Ｗ／ｍ・Ｋ以上１.０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることがさらに望ましい。０.４５Ｗ／ｍ・Ｋ以上１.０Ｗ／ｍ・Ｋ以下にすることで、電池内の熱伝導率を均一化することができる。伝熱促進層１０の構成材料としてフェノール樹脂などが挙げられる。ガラス繊維を組み合わせたフェノール樹脂成形材料には、熱伝導率が０.５７Ｗ／ｍ・Ｋ程度の材料もあり、絶縁性を有し、かつ高熱伝導率の材料が適用可能である。伝熱促進層１０として、ビフェニル型エポキシ樹脂コンポジットを用いたシート（熱伝導率は５Ｗ／ｍ・Ｋ）多環式のエポキシ樹脂を用いたコンポジットシート（熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ）も適用可能である。

本発明の一実施形態に係わる捲回円筒型のリチウムイオン二次電池について、以下に、図６に基づき説明する。図６に示す本発明の捲回円筒型リチウムイオン二次電池においては、実施例１と同様に、負極シート６ａ、セパレータ１１、正極シート６ｂ、セパレータ１１を基本構成単位として積層しながら、円筒形状に捲回することによって、捲回体２を構成する。

実施例２では、図６に示したように、電極集電体７（７ａ、７ｂ）上に平行に間隙を設けて帯状に形成された電極合剤層８（８ａ、８ｂ）の長手方向、および、セパレータ基材９上に帯状に形成された伝熱促進層１０の長手方向と捲回円筒型リチウムイオン二次電池の捲回方向とが直交していることから、捲回された捲回体２は捲回半径方向に、伝熱促進層１０が形成された領域５が一定角度に一直線に並ぶように形成される。以下で述べる直交では、製造上の誤差も含まれ、二つの方向のなす角が厳密に９０度となっていることを意味しているわけではない。ここで、伝熱促進層が捲回半径方向に一直線に並ぶようにするためには、周回毎の捲回円周長さをあらかじめ考慮して伝熱促進層１０を設ける間隔を設定する必要がある。捲回周方向の熱伝導性は電極集電体７および電極合剤層８で確保され、熱伝導率の高い伝熱促進層１０を設けることにより、伝熱促進層１０が形成された領域５を通じて、捲回体２中心から捲回体２の半径方向に熱伝導が促進され、電池の充放電に伴い発生した熱を、捲回体２表面から電池缶を経由して、電池缶表面から電池外に放熱することが容易となる。その結果、電池冷却効果が大きくなり、電池内の温度分布を低減することができるので、電池の劣化を抑制し、長寿命な電池を提供することができる。

本実施例では、単一のリチウムイオン二次電池を複数組み合わせて組電池を構成する場合に、伝熱促進層１０を設けた角度を考慮して設置することで、組電池収納容器を介した放熱を促進することができる。

本発明の一実施形態に係わる捲回円筒型のリチウムイオン二次電池について、以下に、図７に基づき説明する。図７に示す本発明の一実施形態の捲回円筒型リチウムイオン二次電池においては、実施例２と同様に、負極シート６ａ、セパレータ１１、正極シート６ｂ、セパレータ１１を基本構成単位として積層しながら、円筒形状に捲回することによって、捲回体２を構成する。

実施例３では、図７に示したように、電極集電体７（７ａ、７ｂ）上に平行に間隙を設けて帯状に形成された電極合剤層８（８ａ、８ｂ）の長手方向、および、セパレータ基材９上に帯状に形成された伝熱促進層１０の長手方向と捲回円筒型リチウムイオン二次電池の捲回方向とが直交し、かつ、伝熱促進層１０が一定間隔で設けられていることから、捲回された捲回体２は捲回半径方向に、伝熱促進層１０が形成された領域５が周回毎に一部分が重なりながらずれていくように形成される。伝熱促進層１０が一定間隔で設けられていることから、捲回体２の半径に合わせたピッチ調整が不要となり汎用性が向上する。

ここで、伝熱促進層１０が周回毎に一部分が重なりながらずれていくようにするためには、周回毎の捲回円周長さをあらかじめ考慮して伝熱促進層１０を設ける間隔を設定する必要がある。捲回周方向の熱伝導性は電極集電体７および電極合剤層８で確保され、熱伝導率の高い伝熱促進層１０を設けることにより、伝熱促進層１０が形成された領域５を通じて、捲回体２中心から捲回体２の半径方向に熱伝導が促進され、電池の充放電に伴い発生した熱を、捲回体表面から電池缶を経由して、電池缶表面から電池外に放熱することが容易となる。

実施例３では、伝熱促進層１０が形成されている領域５が周回毎にずれていくことから、電池内の一定角度の領域での放熱が促進される実施例２に比べて満遍なく放熱を促進することができる。その結果、電池冷却効果が大きくなり、電池内の温度分布を低減することができるので、電池の劣化を抑制し、長寿命な電池を提供することができる。

本発明の一実施形態に係わる扁平捲回型のリチウムイオン二次電池について、以下に、図８に基づき説明する。

捲回型のリチウムイオン二次電池には、図８に示すような２つの捲回軸を有する形状のものがある。実施例４では、実施例１と同様に、図１に示したように、電極集電体７（７ａ、７ｂ）上に平行に間隙を設けて帯状に形成された電極合剤層８（８ａ、８ｂ）の長手方向、および、セパレータ基材９上に帯状に形成された伝熱促進層１０の長手方向と扁平捲回型リチウムイオン二次電池の捲回方向とが一致していることから、捲回された捲回体２は捲回軸方向に、電極合剤層８が形成された領域４と伝熱促進層１０が形成された領域５とが交互に形成される。

図１４は、扁平捲回型のリチウムイオン電池を示す斜視図である。図１４において、電池１１０は、角型の外装缶１１２に扁平状の捲回体２を非水電解液とともに封入したものである。蓋板１１３の中央部には、端子１１５が絶縁体１１４を介して設けてある。

本発明の一実施形態に係わる扁平捲回型のリチウムイオン二次電池について、以下に、図９に基づき説明する。実施例５は、実施例４と同様の扁平捲回型のリチウムイオン二次電池である。

捲回体２は、実施例２と同様に電極集電体７（７ａ、７ｂ）上に平行に間隙を設けて帯状に形成された電極合剤層８（８ａ、８ｂ）の長手方向、および、セパレータ基材９上に帯状に形成された伝熱促進層１０の長手方向と扁平捲回型リチウムイオン二次電池の捲回方向とが直交していることから、捲回された捲回体２は捲回半径方向に、伝熱促進層が形成された領域５が一定角度に一直線に並ぶように形成される。

実施例５では、２つの捲回軸近傍の半径方向に曲率半径が小さい部分で、伝熱促進層１０が形成された領域５が重なり合うように、周回毎の捲回円周長さをあらかじめ考慮して伝熱促進層１０を設ける間隔が設定されている。換言すれば、伝熱促進層１０が、捲回体２のコーナー部で重なり合っている。

扁平捲回型のリチウムイオン二次電池では、曲率半径が大きい扁平部分に比べて、曲率半径が小さい部分の方が電極に作用する面圧が大きく、部材間の電気抵抗が小さくなることから電流密度の増大に伴い、発熱量も大きくなる。曲率半径が小さい部分に伝熱促進層１０を設けて放熱を促進することで、特に電流密度が大きく発熱分布の影響が大きい大容量の電池内における温度分布の均一化が期待できる。

実施例３における図７と同様に、伝熱促進層１０を一定間隔で設けて、捲回された捲回体２は捲回半径方向に、伝熱促進層１０が形成された領域５が２つの捲回軸近傍の曲率半径が小さい部分で一部が重なりながら周回毎にずれていくように、伝熱促進層１０が形成されてもよい。

本発明の一実施形態に係わる扁平捲回型のリチウムイオン二次電池について、以下に、図１０に基づき説明する。実施例６は、実施例５と同様の扁平捲回型のリチウムイオン二次電池である。

捲回体２は、実施例５と同様に電極集電体７（７ａ、７ｂ）上に平行に間隙を設けて帯状に形成された電極合剤層８（８ａ、８ｂ）の長手方向、および、セパレータ基材９上に帯状に形成された伝熱促進層１０の長手方向と扁平捲回型リチウムイオン二次電池の捲回方向とが直交していることから、捲回された捲回体２は捲回半径方向に、伝熱促進層１０が形成された領域５が一定角度に一直線に並ぶように形成される。

実施例６では、扁平な捲回体２の曲率半径が大きい部分、扁平な捲回体２の直線部分、または、扁平な捲回体２のフラットな部分で、伝熱促進層１０が形成された領域５が重なり合うように、周回毎の捲回円周長さをあらかじめ考慮して伝熱促進層１０を設ける間隔が設定されている。

実施例３における図７と同様に、伝熱促進層１０を一定間隔で設けて、捲回された捲回体２は捲回半径方向に、伝熱促進層１０を形成した領域５が曲率半径の大きい部分で一部が重なりながら周回毎にずれていくように、伝熱促進層１０が形成されてもよい。

扁平捲回型のリチウムイオン二次電池では、曲率半径が大きい扁平部分は曲率半径が小さい部分に比べて、電極に作用する面圧が小さく、接触熱抵抗が大きくなり見かけの熱伝導率が小さくなる。そのため、扁平部分に伝熱促進層１０を設けることで扁平捲回型のリチウムイオン二次電池でも見かけの熱伝導率の平準化が期待できる。また、曲率半径が大きい扁平部分は電池缶の表面積も大きく、電池缶表面からの放熱にも有利になる。

本発明の一実施形態に係わる積層型のリチウムイオン二次電池について、以下に、図１１に基づき説明する。実施例７は、図１１に示すように、平板型の電池形状であり、負極シート６ａ、セパレータ１１、正極シート６ｂ、セパレータ１１を基本構成単位として積層して単位電池を構成し、複数の単電池を積層することで積層型電池を構成する。

負極シート６ａは、図２および図１１に示したように負極集電体７ａ上に平行に間隙を設けて帯状に負極合剤層８ａを形成することで構成されている。同様に、正極シート６ｂは、正極集電体７ｂ上に平行に間隙を設けて帯状に正極合剤層８ｂを形成することで構成されている。

また、図２および図１１に示したように、セパレータ１１は、セパレータ基材９および伝熱促進層１０で構成される。図３および図１１に示したように、負極シート６ａと、セパレータ基材９および前記正極シート６ｂを積層した際に、負極シート６ａに帯状に形成された負極合剤層８ａ同士の隙間および正極シート６ｂに帯状に形成された正極合剤層８ｂ同士の隙間に相当する部分のセパレータ基材９上に、帯状の電極合剤層８（８ａ、８ｂ）と平行に、セパレータ基材９の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料からなる伝熱促進層１０がセパレータ基材９の積層方向に形成されている。

図１１に示したように、電極集電体７（７ａ、７ｂ）上に平行に間隙を設けて帯状に形成された電極合剤層８（８ａ、８ｂ）の長手方向およびセパレータ１１上に帯状に形成された伝熱促進層１０の長手方向と、積層型リチウムイオン二次電池の面内長手方向と、が一致していることから、積層された積層体３は積層型電池の短手方向に、電極合剤層８が形成された領域４と伝熱促進層１０が形成された領域５とが交互に形成される。

積層型電池における放熱を考えた場合、電池缶と積層体３との間の伝熱が重要となる。積層体３の側面からの放熱は、各単位電池の厚さ方向、すなわち積層方向の寸法が小さく、接触面積が小さいことから、あまり期待できない。したがって、積層体３の積層上端および積層下端から電池缶との間の熱伝導を通じて電池間に熱が移動し、電池缶表面から放熱されることになる。

実施例７の場合、伝熱促進層１０が形成された領域５が積層型電池の長手方向に形成されているため、積層方向だけでなく、長手方向についても熱伝導を促進することから、積層型電池の長手方向の温度分布も低減しながら、積層方向の温度分布を低減することができる。

図１１では伝熱促進層１０が、セパレータ１１の積層方向に重なりあうように積層されているが、図７のように、伝熱促進層１０が、セパレータ１１の積層方向に一部が重なり、セパレータ１１の積層を重ねるごとに、伝熱促進層１０の短手方向にずれていくように、セパレータ１１が積層されていてもよい。これにより、セパレータ１１の積層方向で部材の変形量が平準化されるため、セル厚さの均一化が期待できる。

本発明の一実施形態に係わる積層型のリチウムイオン二次電池について、以下に、図１２に基づき説明する。実施例８は、図１２に示すように、平板型の電池形状であり、負極シート６ａ、セパレータ１１、正極シート６ｂ、セパレータ１１を基本構成単位として積層して単位電池を構成し、複数の単電池を積層することで積層型電池を構成する。基本構成単位としては図７に示した実施例３の基本構成部分を積層した状態と同様である。

実施例８の場合、伝熱促進層１０が形成された領域５が積層型電池の長手方向を横切るように形成されているため、積層方向だけでなく、短手方向についても熱伝導を促進することができる。

実施例７と実施例８の比較において、放熱特性上の優劣は、積層型電池の単電池を構成する平板型電池形状のアスペクト比だけでは決まらない。平板型電池内の温度分布は、電池内の電流密度とも密接な関係にあり、一般的に、電流取り出し端子位置に影響を受ける。図１１および図１２に示したような、負極側端子と正極側端子が、電池を積層した状態で同じ辺に設けられている場合、端子に近い部分で電流が大きくなる電流密度分布が生じる。そのため、比較的端子近傍の方が温度が高くなる温度分布を生じやすい。これを防ぐために、負極側端子と正極側端子の設置位置を反対側の辺にする例も見られる。また、電池をシステムに組み込む場合の接続性も考慮して決定されることもあり、一概に放熱特性上の比較で優劣は決まらない。

図１２では伝熱促進層１０が、セパレータ１１の積層方向に重なりあうように積層されているが、図７のように、伝熱促進層１０が、セパレータ１１の積層方向に一部が重なり、セパレータ１１の積層を重ねるごとに、伝熱促進層１０の長手方向にずれていくように、セパレータ１１が積層されていてもよい。

本発明の一実施形態に係わるリチウムイオン二次電池について、以下に、図４および図５に基づき説明する。

実施例１〜８に示したセパレータ１１は、セパレータ基材９の表面に伝熱促進層１０を形成していた。リチウムイオン電池の捲回体２や積層体３においてもっとも熱伝導率が低い部材はセパレータ基材９であり、電池の充放電に伴い生じた熱を放熱する際にセパレータ基材９が熱抵抗となって放熱の妨げとなる。セパレータ１１の熱伝導率を向上させることが放熱特性の改善、電池温度分布の低減に貢献できる。このことから実施例９におけるセパレータ１１では、セパレータ基材９に、図４に示すような貫通穴５０を設け、その貫通穴５０を通じて、セパレータ基材９の両面に形成する伝熱促進層１０を連通させる。これにより、図５に示すように、基本構成単位の積層方向においては、負極集電体７ａと伝熱促進層１０と正極集電体７ｂと伝熱促進層１０の熱伝導率が比較的大きい部材が接触することで、基本構成単位の積層方向の熱伝導率を大きくすることができ、電池放熱特性が向上し、より温度分布を低減した長寿命な電池を提供することができるようになる。また、捲回体２においてセパレータ基材９が最も熱伝導率が低く、即ち熱抵抗となっていることから、セパレータ基材９に貫通穴を設けて伝熱促進層１０をセパレータ基材９両面で連通させることにより、捲回体の熱伝導率を高くすることができるようになる。

本発明の一実施形態に係わるリチウムイオン二次電池について、以下に、図１３に基づき説明する。

電極材料によっては、電池の充放電に伴い電極活物質が大きく膨張収縮する材料がある。この場合、電極合剤層８（８ａ、８ｂ）が膨張収縮することになる。特に、電池の初充電時には、電池の膨張が顕著で、その後の放電時の収縮量が膨張時よりも小さくなる非可逆な事象が生じる。そのため、電極合剤層８の膨張収縮に伴う変形量を吸収可能な機構があれば、電極に過度な圧縮応力を作用させることがなくなるため、電池を長寿命化することができる。

初充電前の状態では、図１３の上図に示すように、平行に間隙を設けて帯状に形成された電極合剤層８（８ａ、８ｂ）とその間隙に設けた伝熱促進層１０との間に隙間が生じるように電極合剤層８と伝熱促進層の位置１０を設定する。電極合剤層８が面内方向に膨張した場合、電極合剤層８と伝熱促進層１０との間の隙間を埋め、さらに膨張することが考えられる。そこで伝熱促進層１０にヤング率が比較的小さい材料を用いることで、伝熱促進層１０が収縮し、電極合剤層８の膨張量を吸収することができる。また、電極合剤層８が収縮した際には、伝熱促進層１０が復元する。このように電極合剤層８の膨張時に発生する圧縮応力を伝熱促進層１０の収縮による変形吸収で緩和することにより、活物質の膨張収縮に伴う電極の膨張収縮に起因する電池の劣化を抑制することができるようになり、長寿命なリチウムイオン二次電池を提供することができる。

本実施例における伝熱促進層１０としては、シリコンゴム（ヤング率：４０ＭＰａ、耐熱温度：１８０℃、熱伝導率：０.４７Ｗ／（ｍ・Ｋ））などが挙げられる。

１リチウムイオン二次電池
１ａ円筒型リチウムイオン二次電池
１ｂ角型リチウムイオン二次電池
２捲回体
３積層体
４、５領域
６電極シート
６ａ負極シート
６ｂ正極シート
７電極集電体
７ａ負極集電体
７ｂ正極集電体
８電極合剤層
８ａ負極合剤層
８ｂ正極合剤層
９セパレータ基材
１０伝熱促進層
１１セパレータ
５０貫通穴

Claims

電極集電体上に電極合剤層を形成した電極シートと、
セパレータと、を積層して構成するリチウムイオン二次電池であって、
前記電極合剤層は、前記電極集電体上に間隙を設けて帯状に形成され、前記セパレータ
は、セパレータ基材および前記セパレータ基材上に形成された伝熱促進層で構成され、
前記伝熱促進層の熱伝導率は、前記セパレータ基材の熱伝導率より高く、
前記伝熱促進層は、前記間隙に形成され、
前記電極シートおよび前記セパレータが捲回されることで捲回体が形成され、
前記伝熱促進層は、前記捲回体の中心部から前記捲回体の周辺部にかけて形成されており、
前記リチウムイオン二次電池は、円筒型であり、
前記伝熱促進層が形成されている領域が、前記捲回体の半径方向に重なり合っているリ
チウムイオン二次電池。
請求項１において、
前記電極合剤層の長手方向および前記伝熱促進層の長手方向と、前記捲回体の捲回方向
と、が直交しているリチウムイオン二次電池。
請求項２において、
前記リチウムイオン二次電池は、扁平型であり、
前記伝熱促進層が、前記捲回体のコーナー部で重なり合っているリチウムイオン二次電
池。
請求項２において、
前記リチウムイオン二次電池は、扁平型であり、
前記伝熱促進層が、前記捲回体の扁平部分で重なり合っているリチウムイオン二次電池
。
請求項１において、
前記電極合剤層の長手方向および前記伝熱促進層の長手方向と、前記捲回体の捲回方向
と、が一致しているリチウムイオン二次電池。
請求項４乃至５のいずれかにおいて、
前記間隙は、前記集電体上において一定間隔で形成されるリチウムイオン二次電池。
電極集電体上に電極合剤層を形成した電極シートと、
セパレータと、を積層して構成するリチウムイオン二次電池であって、
前記電極合剤層は、前記電極集電体上に間隙を設けて帯状に形成され、
前記セパレータは、セパレータ基材および前記セパレータ基材上に形成された伝熱促進
層で構成され、
前記伝熱促進層の熱伝導率は、前記セパレータ基材の熱伝導率より高く、
前記伝熱促進層は、前記間隙に形成され、
前記リチウムイオン二次電池は、積層型であり、
前記電極合剤層の長手方向および前記伝熱促進層の長手方向と、前記リチウムイオン二
次電池の面内長手方向と、が一致し、
前記伝熱促進層は、前記セパレータの積層方向に形成されており、
前記伝熱促進層が、前記セパレータの積層方向に重なり合うように積層されているリチ
ウムイオン二次電池。
請求項１において、
前記セパレータの積層を重ねるごとに、前記伝熱促進層の短手方向にずれていくように
、前記セパレータが積層されているリチウムイオン二次電池。
請求項１乃至８のいずれかにおいて、
前記セパレータ基材に貫通穴が設けられ、
前記伝熱促進層が、前記貫通穴を介して前記セパレータ基材の表裏両面に連通している
リチウムイオン二次電池。
請求項１乃至９のいずれかにおいて、
前記伝熱促進層の熱伝導率が０.４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるリチウムイオン二次電池。
請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
前記伝熱促進層がフェノール樹脂で構成されているリチウムイオン二次電池。
請求項１乃至１１のいずれかにおいて、
前記伝熱促進層と前記電極合剤層との間に隙間が設けられているリチウムイオン二次電
池。