JP6120000B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、捲回型の電極組立体と、電流遮断装置とを有する蓄電装置に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。二次電池では、活物質層を有する長尺状の正極電極及び負極電極が、間にセパレータが介在する状態で捲回された電極組立体を備えるとともに、電流遮断装置を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図５に示すように、特許文献１の二次電池８０は、ケース８１内に電極組立体としての捲回電極体８２を備え、ケース８１は、捲回電極体８２を収容するための開口を有するケース本体８１ａと、ケース本体８１ａの開口を閉塞する蓋体８３を有する。また、二次電池８０は、捲回電極体８２の負極８２ａに接続された負極集電板８４を備える。負極集電板８４は、カシメ部材８４ａによって蓋体８３に固定されている。また、蓋体８３の外面側には、上記カシメ部材８４ａの蓋体８３への固定と共に接続部材８５が固定されている。接続部材８５には、負極外部端子８６が固定されている。蓋体８３では、カシメ部材８４ａによる固定箇所に、気密性を確保するための電気絶縁性ゴム部材９７が設けられている。

また、二次電池８０は、捲回電極体８２の正極８２ｂに接続された熱伝導体８７を備えるとともに、この熱伝導体８７は、ケース本体８１ａの側壁部８１ｂに溶接されている。ケース本体８１ａの側壁部８１ｂは、捲回電極体８２の軸方向における一端側に配置され、この側壁部８１ｂの外面には、電流遮断装置としての電流遮断素子９０が接合されている。電流遮断素子９０は、熱伝導体８７と熱的に結合されている。また、電流遮断素子９０は、接続部材９１を介して正極外部端子９２に接続されている。正極外部端子９２は、別の接続部材９９と接続され、この別の接続部材９９をカシメ部材９４によって蓋体８３に固定することにより、正極外部端子９２が蓋体８３に固定されている。蓋体８３では、カシメ部材９４による固定箇所には気密性を確保するための電気絶縁性ゴム部材９８が設けられている。

そして、捲回電極体８２とケース本体８１ａの側壁部８１ｂとが熱伝導体８７を通じて熱的に結合されるため、捲回電極体８２の熱は、熱伝導体８７及び側壁部８１ｂを通じて電流遮断素子９０に効率よく伝達される。その結果、電流遮断素子９０によって、正極外部端子９２での電流が遮断され、捲回電極体８２の過昇温を適切に抑制する。

特開２０１３−５８３６８号公報

電流遮断装置としては、特許文献１の電流遮断素子９０のように捲回電極体８２の温度に応じて電流を遮断するものの他に、ケース内の圧力が閾値を超えた場合に電流を遮断するものがある。この圧力タイプの電流遮断装置は、ケース内の圧力を作用させるために一部がケース内の圧力を検知できる状態で設置される。

ところが、圧力タイプの電流遮断装置が、特許文献１の二次電池８０にように、ケース本体８１ａの側壁部８１ｂに配置されていると、側壁部８１ｂにおいて電流遮断装置が設置された箇所での気密性を確保しなければならない。特許文献１では、蓋体８３において、カシメ部材８４ａ，９４による固定箇所にも気密性確保のために電気絶縁性ゴム部材９７，９８を設けており、気密性確保の必要な部分が蓋体８３と側壁部８１ｂの二つになってしまう。よって、気密性確保の必要な部分を蓋体８３だけの一つとするため、電流遮断装置を蓋体８３に設置することが考えられる。

しかし、電流遮断装置が蓋体８３に設置されると、電流遮断装置においてケース８１内の圧力を検知する部分が捲回電極体８２の周面に近付き、電流遮断装置と捲回電極体８２が短絡しやすくなる。

本発明は、電極組立体と電流遮断装置との短絡を抑制することができる蓄電装置を提供することにある。

上記問題点を解決するための蓄電装置は、長尺状の金属箔の少なくとも片面に活物質層を有する正極電極及び負極電極を、両者の間を絶縁した状態で捲回された電極組立体と、前記電極組立体を収容したケースと、前記正極電極と電気的に接続された正極端子と、前記負極電極と電気的に接続された負極端子と、前記正極端子と電気的に接続された電流遮断装置と、を有し、前記電流遮断装置、前記正極端子及び前記負極端子が前記ケースの一つの壁部に気密を確保した状態で配置された蓄電装置であって、前記電極組立体の最外層を構成する状態に捲回され、かつ前記正極電極と電気的に接続された金属層を有し、前記電流遮断装置は前記金属層の外面に対向して設置されていることを要旨とする。

これによれば、気密性を確保する箇所を壁部の一つだけとするため、電流遮断装置を正極端子及び負極端子とともに一つの壁部に設け、電流遮断装置がその壁部から電極組立体に近付く配置となっても、電流遮断装置が対向する金属層は、電流遮断装置と同じ正極である。このため、蓄電装置の振動等によって、電流遮断装置と金属層が接触しても、電流遮断装置と電極組立体が短絡することを抑制することができる。

また、蓄電装置について、前記金属層は前記正極電極が有する正極用金属箔である。
これによれば、正極電極の材料を金属層として使用することができ、金属層を有する蓄電装置を簡単に製造することができる。

また、蓄電装置について、前記蓄電装置は二次電池であるのがよい。

本発明によれば、電極組立体と電流遮断装置との短絡を抑制することができる。

実施形態の二次電池を示す部分破断斜視図。 電極組立体を示す斜視図。 二次電池を示す正断面図。 電極組立体を示す断面図。 背景技術を示す図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１１に電極組立体１２及び電解液（図示せず）が収容されている。ケース１１は、有底四角筒状のケース本体１３と、ケース本体１３に電極組立体１２を挿入するための開口部１３ａを塞ぐ矩形平板状の蓋体１４とからなる。ケース本体１３と蓋体１４は、いずれも金属製（例えばステンレス製やアルミニウム製）である。二次電池１０は角型電池であり、リチウムイオン電池である。

図２に示すように、電極組立体１２は、長尺の矩形シート状の正極電極２４と、長尺の矩形シート状の負極電極２５との間に、長尺の矩形シート状のセパレータ２３を介在させて捲回軸Ｌを中心に渦巻き状に捲回した構成である。セパレータ２３は、絶縁性を有する樹脂製（例えばポリエチレンなど）である。また、電極組立体１２は、正極電極２４が負極電極２５の外層となる状態で捲回されている。

正極電極２４は、長尺の矩形シート状の正極用金属箔２４ａと、その正極用金属箔２４ａの両面に帯状に設けられた正極活物質層２４ｂを、を有する。正極電極２４は、長手方向に延びる第１の辺２４ｃに沿って正極活物質層２４ｂの設けられていない正極未塗工部２４ｄを一定幅で有する。

図４に示すように、正極電極２４において、正極活物質層２４ｂの長手方向への長さは、捲回軸Ｌの周りで電極組立体１２を少なくとも一周できる長さに設定されている。正極電極２４は、巻き始めとなる長手方向の一端に正極活物質層２４ｂの始端Ｓ１が位置し、正極電極２４の長手方向に沿った途中に正極活物質層２４ｂの終端Ｓ２が位置している。正極電極２４は、正極活物質層２４ｂの終端Ｓ２よりも先に正極用金属箔２４ａだけで構成された金属層としての正極金属層２４ｆを有する。正極活物質層２４ｂの終端Ｓ２から正極電極２４の長手方向他端までの正極金属層２４ｆの長さは、露出した正極活物質層２４ｂを全周に亘って覆うことができる長さに設定されている。

図２に示すように、負極電極２５は、長尺の矩形シート状の負極用金属箔２５ａと、その負極用金属箔２５ａの両面に帯状に設けられた負極活物質層２５ｂと、を有する。負極電極２５は、長手方向に延びる第１の辺２５ｃに沿って負極活物質層２５ｂの設けられていない負極未塗工部２５ｄを一定幅で有する。

図４に示すように、負極電極２５において、負極活物質層２５ｂの長手方向への長さは、捲回軸Ｌの周りで電極組立体１２を少なくとも一周できる長さに設定されている。負極電極２５は、巻き始めとなる長手方向の一端に負極活物質層２５ｂの始端Ｔ１が位置し、負極活物質層２５ｂの始端Ｔ１は、電極組立体１２の積層方向において、正極活物質層２４ｂの始端Ｓ１と同じ位置にある。また、負極電極２５の長手方向に沿った途中に負極活物質層２５ｂの終端Ｔ２が位置し、負極活物質層２５ｂの終端Ｔ２は、電極組立体１２の積層方向において、正極活物質層２４ｂの終端Ｔ２と同じ位置にある。負極電極２５は、負極活物質層２５ｂの終端Ｔ２よりも先に負極用金属箔２５ａだけで構成された負極金属層２５ｆを有する。負極活物質層２５ｂの終端Ｔ２から負極電極２５の長手方向他端までの負極金属層２５ｆの長さは、露出した正極活物質層２４ｂを全周に亘って覆うことができる長さに設定されている。

図３に示すように、電極組立体１２では、正極電極２４の正極未塗工部２４ｄ、及び正極金属層２４ｆにおける第１の辺２４ｃ側の部分が捲回軸Ｌの延びる軸方向の第１端部１２ａに位置している。そして、電極組立体１２は、第１端部１２ａに正極未塗工部２４ｄ及び正極金属層２４ｆを集めた正極接続部２８を備え、正極接続部２８は、正極未塗工部２４ｄ及び正極金属層２４ｆが間にセパレータ２３を挟まない状態で層状となっている。

また、電極組立体１２では、負極電極２５の負極未塗工部２５ｄ、及び負極金属層２５ｆにおける第１の辺２５ｃ側の部分が、電極組立体１２の軸方向の第２端部１２ｂ位置している。そして、電極組立体１２は、第２端部１２ｂに負極未塗工部２５ｄ及び負極金属層２５ｆを集めた負極接続部２９を備え、負極接続部２９は、負極未塗工部２５ｄ及び負極金属層２５ｆが間にセパレータ２３を挟まない状態で層状となっている。

図４に示すように、電極組立体１２では、正極金属層２４ｆが最外層を構成し、その正極金属層２４ｆの内周側には、負極金属層２５ｆがセパレータ２３を介して積層方向に対向して配置されている。そして、電極組立体１２では、正極金属層２４ｆがセパレータ２３及び負極金属層２５ｆを介して正極活物質層２４ｂの全面を全周に亘って覆っている。なお、正極金属層２４ｆは負極接続部２９は覆っておらず、正極金属層２４ｆは、電極組立体１２の軸方向に沿って第１端部１２ａから負極接続部２９に至るまでを覆っている。

図３に示すように、電極組立体１２の正極接続部２８には、正極導電部材１７の先端部が電気的に接続されている。正極導電部材１７は、金属（本実施形態ではアルミニウム）からなる略矩形平板を例えばプレス加工などにより折り曲げて形成されている。正極導電部材１７は、正極接続部２８と電気的に接続される矩形平板状の接続部１７ａを備える。また、正極導電部材１７は、接続部１７ａに連設され、電極組立体１２の第１端部１２ａの面に沿って延びる導電部１７ｂを備える。さらに、正極導電部材１７は、導電部１７ｂに連設され、電極組立体１２の軸方向に沿って延び、かつ電極組立体１２の周面と対向配置される端子接続部１７ｃを備える。

端子接続部１７ｃには正極端子１５が接続されている。正極端子１５は、端子接続部１７ｃに溶接される基部１５ａと、基部１５ａから立設された軸部１５ｂとを備える。正極端子１５の軸部１５ｂには、正極端子１５をケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁部材１９が取り付けられている。また、蓋体１４の内面と、基部１５ａにおける蓋体１４の内面への対向面との間には、シール部材２０が挟持され、蓋体１４における軸部１５ｂの貫通部がシール部材２０によって気密にシールされている。

端子接続部１７ｃには、電流遮断装置３０が設けられている。電流遮断装置３０は、ケース１１内の圧力が閾値を越えた場合に正極端子１５を流れる電流を遮断する。電流遮断装置３０は、端子接続部１７ｃ及び正極端子１５と電気的に接続され、正極である。そして、電流遮断装置３０の受圧部（図示せず）は、ケース１１内に面しており、ケース１１内の圧力を検知可能である。また、電流遮断装置３０は、電極組立体１２の正極金属層２４ｆの外面に対向して配置されるとともに、正極金属層２４ｆから蓋体１４側に離れている。

電極組立体１２の負極接続部２９には、負極導電部材１８の先端部が電気的に接続されている。負極導電部材１８は、金属（本実施形態では銅）からなる略矩形平板を例えばプレス加工などにより折り曲げて形成されている。負極導電部材１８は、負極接続部２９と電気的に接続される矩形平板状の接続部１８ａを備える。また、負極導電部材１８は、接続部１８ａに連設され、電極組立体１２の第２端部１２ｂの面に沿って延びる導電部１８ｂを備える。さらに、負極導電部材１８は、導電部１８ｂに連設され、電極組立体１２の軸方向に沿って延び、かつ電極組立体１２の周面と対向配置される端子接続部１８ｃを備える。

端子接続部１８ｃには負極端子１６が接続されている。負極端子１６は、端子接続部１８ｃに溶接される基部１６ａと、基部１６ａから立設された軸部１６ｂとを備える。負極端子１６の軸部１６ｂには、負極端子１６をケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁部材１９が取り付けられている。また、蓋体１４の内面と、基部１６ａにおける蓋体１４の内面への対向面との間には、シール部材２１が挟持され、蓋体１４における軸部１６ｂの貫通部がシール部材２１によって気密にシールされている。

次に、二次電池１０の作用を記載する。
電極組立体１２の最外層は、正極電極２４から延びる正極金属層２４ｆによって構成され、その正極金属層２４ｆに対向して電流遮断装置３０が配置されている。このため、電流遮断装置３０と正極金属層２４ｆとが接触しても短絡が抑制される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電極組立体１２の最外層を正極金属層２４ｆで構成した。このため、電極組立体１２の周面に電流遮断装置３０が対向配置された二次電池１０において、電流遮断装置３０が電極組立体１２に接触しても短絡が生じない。

（２）電極組立体１２の最外層を、正極活物質層２４ｂの無い正極金属層２４ｆで構成した。このため、電流遮断装置３０との短絡抑制のために正極金属層２４ｆを設けても、正極活物質層２４ｂが無いことから、負極活物質層２５ｂに正極活物質層２４ｂが対向しないことで生じる金属リチウムの析出が抑制される。

（３）電極組立体１２の最外層を正極金属層２４ｆとすることで、電流遮断装置３０を蓋体１４に設置することができ、二次電池１０において気密性を要する壁部を一つだけとすることができる。このため、電極組立体１２と電流遮断装置３０との短絡を抑制しつつ、気密性が低下した場合に変更すべき壁部を最小限とすることができる。

（４）電極組立体１２の最外層を正極金属層２４ｆとすることで、電流遮断装置３０を蓋体１４に設置することができる。このため、例えば、電流遮断装置３０がケース本体１３の側壁に設置され、かつ正極端子１５及び負極端子１６が蓋体１４に設置される場合と比べると、ケース１１内のデッドスペースを減らし、ケース１１内で電極組立体１２を配置できるスペースを増やすことができる。したがって、二次電池１０のエネルギー密度を高めることができる。

（５）正極電極２４において、正極活物質層２４ｂの終端Ｓ２より先に正極用金属箔２４ａを延長し、その正極用金属箔２４ａによって正極金属層２４ｆを形成した。このため、正極電極２４を用いて電流遮断装置３０との短絡を抑制した二次電池１０を簡単に製造することができる。

（６）正極金属層２４ｆにセパレータ２３を介して負極金属層２５ｆを対向させた。このため、正極金属層２４ｆと負極金属層２５ｆを安全電極として機能させることができ、万一、二次電池１０に異物が刺さったりしたとき、正極金属層２４ｆと負極金属層２５ｆを内部短絡させ、二次電池１０のエネルギーを放出させることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、正極金属層２４ｆと対向するように負極電極２５に負極金属層２５ｆを設けたが、負極電極２５に負極金属層２５ｆを設けず、正極金属層２４ｆに対向するように負極活物質層２５ｂを延長し、正極金属層２４ｆに負極活物質層２５ｂを対向させてもよい。

○ 実施形態では、正極金属層２４ｆと対向する負極金属層２５ｆを設けたが、負極電極２５を負極活物質層２５ｂの終端Ｔ２までとし、負極金属層２５ｆを無くし、正極金属層２４ｆだけとしてもよい。

○ 実施形態において、電極組立体１２は、正極電極２４が負極電極２５の外層となる状態で捲回されていたが、電極組立体１２は、負極電極２５が正極電極２４の外層となる状態で捲回されていてもよい。この場合も、正極用金属箔２４ａを延長したり、正極電極２４の正極用金属箔２４ａとは別体の金属箔を正極電極２４に接合して正極金属層２４ｆを形成し、その正極金属層２４ｆで負極電極２５を覆って電極組立体１２の最外層を構成する。

○ 正極金属層は、正極電極２４の正極用金属箔２４ａとは別体の金属箔を接合して形成してもよい。
○ 実施形態では、蓋体１４を壁部としたが、ケース本体１３の側壁や底壁を壁部としてもよい。

○ 正極金属層２４ｆは、電極組立体１２の最外層のうち、電流遮断装置３０と対向する部分だけに位置するように捲回されていてもよい。
○ 実施形態では、正極電極２４は、正極用金属箔２４ａの両面に正極活物質層２４ｂを有するとしたが、正極用金属箔２４ａの片面のみに正極活物質層２４ｂを有していてもよい。同様に、負極電極２５は、負極用金属箔２５ａの両面に負極活物質層２５ｂを有するとしたが、負極用金属箔２５ａの片面のみに負極活物質層２５ｂを有していてもよい。

○ 実施形態では、二次電池１０はリチウムイオン二次電池であったが、これに限られず、他の二次電池であってもよい。要は、セパレータ２３及び電解液を介して正極活物質層２４ｂと負極活物質層２５ｂとの間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。

○ 蓄電装置は電気二重層コンデンサ等の他の蓄電装置に適用してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記金属層の内側に前記負極電極と電気的に接続された金属層を有する蓄電装置。

（ロ）前記負極電極と電気的に接続された金属層は前記負極電極が有する負極用金属箔である蓄電装置。

１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、１４…壁部としての蓋体、１５…正極端子、１６…負極端子、２４…正極電極、２４ａ…金属箔としての正極用金属箔、２４ｂ…活物質層としての正極活物質層、２４ｆ…金属層としての正極金属層、２５…負極電極、２５ａ…金属箔としての負極用金属箔、２５ｂ…活物質層としての負極活物質層、３０…電流遮断装置。

Claims (3)

1. 長尺状の金属箔の少なくとも片面に活物質層を有する正極電極及び負極電極を、両者の間を絶縁した状態で捲回された電極組立体と、
   前記電極組立体を収容したケースと、
   前記正極電極と電気的に接続された正極端子と、
   前記負極電極と電気的に接続された負極端子と、
   前記正極端子と電気的に接続された電流遮断装置と、を有し、
   前記電流遮断装置、前記正極端子及び前記負極端子が前記ケースの一つの壁部に気密を確保した状態で配置された蓄電装置であって、
   前記電極組立体の最外層を構成する状態に捲回され、かつ前記正極電極と電気的に接続された金属層を有し、
   前記電流遮断装置は前記金属層の外面に対向して設置されている蓄電装置。
2. 前記金属層は前記正極電極が有する正極用金属箔である請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記蓄電装置は二次電池である請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。