JP6421994B2 - 組電池 - Google Patents

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Description

本発明は、組電池に関する。詳しくは、二次電池を単電池とし、当該単電池を複数接続してなる組電池に関する。
リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池あるいはキャパシタ等の蓄電素子を単電池とし、当該単電池をバスバーによって直列または並列に複数接続した組電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池を単電池とした組電池は、車両搭載用の高出力電源等に好ましく用いられている。
ここで単電池として使用されるリチウムイオン二次電池は、一般に、シート状の正極と負極とからなる電極体が電池ケース内に収納されることによって構成される。近年では、電池性能を向上させるために、矩形状の正極シートと負極シートとが積層された積層電極体を備えたリチウムイオン二次電池の開発が進められている。
かかるリチウムイオン二次電池が複数接続された組電池は、電池性能が優れていることはもちろんのこと、高いレベルの安全性が求められている。例えば、使用中に単電池が発熱すると、各々の単電池が相互に加熱し合って組電池全体の温度が高温になることがある。このような場合、単電池内部の材料が熱によって変性して物理的または化学的な安定性が損なわれる恐れがある。
このため、電池の温度上昇を抑制して安定性を維持するために、特許文献１、２に記載されているような対策が提案されている。例えば、特許文献１には、電池の異常発熱の際の温度上昇を抑制するために、二次電池および電池パックの外装フィルムもしくは外装パック材に、吸熱反応を有する化合物からなる吸熱剤を添加させた二次電池や当該二次電池を複数備えた電池パックが記載されている。
特開２００３−３１１８７号公報 特開２００９−２６６４０２号公報
しかしながら、積層電極体を有する単電池を複数直列に接続して組電池を構築した場合、吸熱剤の配置位置を特許文献１や２に記載されているような位置にすると、各々の単電池の温度上昇を抑制できないことがあった。例えば、上記した組電池を車両などの移動体に搭載し、当該移動体を移動させると、釘のような鋭利な導電性の異物が移動方向の前方から組電池に刺さる可能性がある。このとき、かかる導電性の異物が各々の単電池を貫通すると、各々の単電池で短絡が生じて導電性の異物に急激な電流が流れてジュール熱が生じるため、単電池の内部温度が急激に上昇する恐れがある。
具体的には、図４に示すような構造の組電池１００に鋭利な導電性の異物Ｆが刺さって各々の単電池１１０Ａ、１１０Ｂを貫通すると、かかる導電性の異物Ｆを介して正極シート１３２から負極シート１３４に向かって短絡電流Ｅ１が流れる。この場合、導電性の異物Ｆを流れる短絡電流Ｅ１のジュール熱（抵抗熱）によって単電池１１０Ａ、１１０Ｂの内部温度が上昇する。
さらに、導電性の異物Ｆが単電池１１０Ａ、１１０Ｂの両方を貫通した場合、バスバー１４０を介した複数の単電池１１０Ａ、１１０Ｂ間の短絡電流Ｅ２が生じることがある。具体的には、導電性の異物Ｆが単電池１１０Ａ、１１０Ｂの両方を貫通すると、単電池１１０Ｂの正極シート１３２と、バスバー１４０と、単電池１１０Ａの負極シート１３４と、導電性の異物Ｆとによって導電経路が形成されて、下流側の単電池１１０Ｂの正極シート１３２から上流側の単電池１１０Ａの負極シート１３４に向かって７００Ａ程度の短絡電流Ｅ２が流れ込む。そして、かかる短絡電流Ｅ２が導電性の異物Ｆを流れた際に、そのジュール熱によって下流側の単電池１１０Ｂの温度が大幅に上昇する。そして、２個以上の単電池が接続された組電池では、２番目以降に配置された単電池の全てにおいて、上記した短絡電流Ｅ２による温度上昇が生じる。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、複数の単電池が接続された組電池において、鋭利な導電性の異物が各々の単電池を貫通した場合に、複数の単電池間の短絡電流による温度上昇を抑制することができる組電池を提供することを目的とする。
ここで開示される組電池は、複数の同形状の単電池が相互に隣接して配列され、該隣接する単電池間の正極端子と負極端子とが交互に電気的に直列接続された構成の組電池である。そして、配列された複数の単電池のうち、配列方向の一方の端部にある単電池は、正極端子が外部と接続可能に開放された正極出力端子である単電池であり、配列方向の他方の端部にある単電池は、負極端子が外部と接続可能に開放された負極出力端子である単電池である。
そして、ここで開示される組電池の単電池のそれぞれは、矩形状の正極シートおよび負極シートがセパレータを間に介して交互に複数積層された積層電極体と、該積層電極体に対応する角型の電池ケースとを備えており、該積層電極体を構成する正負極の積層方向は、複数の単電池の配列方向と同じ方向である。
ここで、以下の説明においては、正極出力端子を備える一方の端部にある単電池を１番目の単電池とし、負極出力端子を備える他方の端部にある単電池をｎ番目の単電池とし、且つ、配列方向において１番目の単電池側を上流側およびｎ番目の単電池側を下流側とする。
そして、ここで開示される組電池では、１番目の単電池から少なくともｎ−１番目までの単電池の各々が備える積層電極体は、以下の構成（１）および（２）をいずれも具備する。
（１）該積層電極体を構成する複数の正極シートおよび負極シートのうち、配列方向の最上流側（即ち、積層方向の最上流側）には負極シートが配置されており、かつ、該負極シートと下流側で隣接する正極シートとの間には、層状に吸熱剤が配置されている。
（２）該積層電極体を構成する複数の正極シートおよび負極シートのうち、配列方向の最下流側（即ち、積層方向の最下流側）には負極シートが配置されており、かつ、該負極シートと下流側で対向する電池ケースの内面との間には、層状に吸熱剤が配置されている。
かかる構造の組電池において、配列方向の上流側から下流側（即ち、１番目の単電池からｎ番目の単電池）に向かって鋭利な導電性の異物が刺さって、各々の単電池を貫通した場合について説明する。
上記したように、導電性の異物が組電池を構成する各々の単電池を貫通すると、バスバーを介して下流側に配列された単電池の正極シートから、上流側に配列された単電池の負極シートに向けて短絡電流が流れ、かかる短絡電流が導電性の異物を流れることによって生じるジュール熱によって下流側に配列された単電池の温度が上昇する。
これに対して、ここで開示される組電池では、最上流側の負極シートと下流側で隣接する正極シートとの間に配置された吸熱剤によって、最上流側の負極シートに流れ込んだ短絡電流によるジュール熱を初期段階で吸熱することができる。さらに、最下流側の負極シートと電池ケースとの間に配置されている吸熱剤によって、最下流側の負極シートに流れ込んだ短絡電流によるジュール熱を初期段階で吸熱することができる。
以上のように、ここで開示される組電池では、バスバーを介して下流側の単電池から上流側の単電池に短絡電流が流れ込んだ場合に、かかる短絡電流によって発生するジュール熱を吸熱剤によって初期段階で吸熱することができるため、組電池を構成する各々の単電池の温度上昇を抑制することができる。
また、ここで開示される組電池の好ましい一つの態様では、最上流側の負極シートと最下流側の負極シートとの間に複数枚の負極シートが配置されており、複数枚の負極シートの各々の下流側に隣接して層状に吸熱剤が配置されている。
これによって、最上流側の負極シートと最下流側の負極シートとの間に配置された負極シートに短絡電流が流れ込んだ場合であっても、かかる短絡電流によるジュール熱を初期段階で吸熱することができる。
ここで開示される組電池の好ましい他の態様では、最下流側の負極シートと、該負極シートに上流側で隣接する正極シートとの間に層状に吸熱剤が配置されている。
これによって、最下流側の負極シートとその上流側に配置された正極シートとの間で、導電性の異物を介した短絡電流が生じた場合、この短絡電流によるジュール熱を発熱の初期段階で吸熱することができる。
ここで開示される組電池では、吸熱剤が、金属水和物、金属水酸化物、糖、アルコール類の何れかを含むことが好ましい。また、かかる吸熱剤は、水酸化アルミニウム、水酸化亜鉛、硫酸カルシウム、エリスリトール、キシリトール、ガラシトール、マンニトールの何れかを含むことがより好ましい。また、吸熱剤の各々の吸熱量は１ｋＪ／ｇ〜１００００ｋＪ／ｇであることが好ましい。
上記したような吸熱剤を用いることによって、短絡電流によって生じるジュール熱をより適切に吸熱することができる。
本発明の一実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る組電池を模式的に示す平面図である。 図２に示す組電池のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、本発明の一実施形態に係る組電池の内部構造を模式的に示す断面図である。 従来の組電池の内部構造を模式的に示す断面図である。
以下、本発明の一実施形態に係る組電池として、リチウムイオン二次電池を単電池とし、当該リチウムイオン二次電池を複数接続してなる組電池を例に挙げて説明する。なお、ここで開示される組電池において、単電池として用いられる電池はリチウムイオン二次電池に限定されず、例えば、積層電極体を備えたニッケル水素電池などを用いることができる。なお、本明細書中で、数値範囲についてＡ〜Ｂ（Ａ，Ｂは数字）はＡ以上Ｂ以下を示す。
１．組電池
図１および図２は本実施形態に係る組電池を模式的に示す図であり、図１は斜視図、図２は平面図である。また、図３は図２に示す組電池のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、本実施形態に係る組電池の内部構造を模式的に示す断面図である。
（１）組電池の全体構成
図１および図２に示すように、本実施形態に係る組電池１は、複数の同形状の単電池が相互に隣接して配列され、該隣接する単電池間の正極端子と負極端子とが交互に電気的に直列接続された構成の組電池である。具体的には、本実施形態に係る組電池１は、５個の単電池１０Ａ〜１０Ｅによって構成されている。各々の単電池１０Ａ〜１０Ｅは、正極端子１２Ａ〜１２Ｅと負極端子１４Ａ〜１４Ｅを備えており、各々の電極端子がバスバー４０によって交互に接続されている。なお、組電池を構成する単電池の数は特に限定されない。
そして、配列された５個の単電池１０Ａ〜１０Ｅのうち、配列方向の一方の端部に配置された単電池１０Ａでは、正極端子１２Ａが外部と接続可能に開放されて正極出力端子となっている。また、配列方向の他方の端部に配置された単電池１０Ｅでは、負極端子１４Ｅが外部と接続可能に開放されて負極出力端子となっている。
以下の説明においては、かかる正極出力端子１２Ａを備えた単電池を１番目の単電池１０Ａとし、負極出力端子１４Ｅを備えた単電池を５番目の単電池１０Ｅとした上で、１番目の単電池１０Ａ側を配列方向の上流側とし、５番目の単電池１０Ｅ側を配列方向の下流側とする。すなわち、以下の説明では、図１〜図３における左側を上流側とし、右側を下流側とする。
そして、本実施形態に係る組電池１を車両等の移動体に搭載する際には、上流側（１番目の単電池１０Ａ側）が進行方向の前方に配置されるように搭載する。すなわち、組電池１を搭載した移動体が移動している間に、釘のような鋭利な導電性の異物Ｆが組電池１に刺さった場合、当該鋭利な導電性の異物Ｆが、配列方向の上流側から下流側（１番目の単電池１０Ａ側から５番目の単電池１０Ｅ側）に向かって刺さるように組電池１が配置される。
（２）単電池の構成
次に、本実施形態に係る組電池１を構成する各々の単電池１０Ａ〜１０Ｅを説明する。
なお、詳しくは後述するが、本実施形態に係る組電池では、各々の単電池１０Ａ〜１０Ｅが接続された際に、全ての単電池１０Ａ〜１０Ｅにおいて正負極の積層順序が同じになるように、奇数列の単電池（１、３、５番目の単電池）と、偶数列の単電池（２、４番目の単電池）とで正負極の積層順序が反転している。
以下では、奇数列の単電池の例として１番目の単電池１０Ａを説明し、偶数列の単電池の例として２番目の単電池１０Ｂを説明する。また、図３についても同様の理由によって３番目以降の単電池の記載を省略している。
単電池１０Ａ、１０Ｂのそれぞれは、図３に示すように、矩形状の正極シート３２Ａ、３２Ｂおよび負極シート３４Ａ、３４Ｂがセパレータ（図示省略）を間に介して交互に複数積層された積層電極体３０Ａ、３０Ｂと、該積層電極体３０Ａ、３０Ｂに対応する角型の電池ケース５０とを備えている。
（ａ）電池ケース
電池ケース５０は、上面が開放された扁平な直方体状の角型ケース本体と、当該上面の開口部を塞ぐ蓋体とから構成されている。なお、電池ケース５０は、金属製である必要はなく、樹脂製又はラミネートフィルム製であってもよい。
電池ケース５０の上面をなす蓋体には、上記した正極端子１２Ａ、１２Ｂと負極端子１４Ａ、１４Ｂとが設けられている。正極端子１２Ａ、１２Ｂは積層電極体３０Ａ、３０Ｂの正極シートに接続され、負極端子１４Ａ、１４Ｂは負極シートに接続されている。なお、正極端子１２Ａ、１２Ｂは、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金などによって構成されていることが好ましく、負極端子１４Ａ、１４Ｂは、銅や銅合金などによって構成されていることが好ましい。
（ｂ）電解液
上記した電池ケース５０内には、積層電極体３０Ａ、３０Ｂとともに、非水電解液（典型的には液状若しくはポリマー状（ゲル状）の非水電解液）が充填されている。この非水電解液としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを特に限定なく使用することができる。
（ｃ）積層電極体
次に、図３を参照しながら積層電極体３０Ａ、３０Ｂを具体的に説明する。この積層電極体３０Ａ、３０Ｂは、正極シート３２Ａ、３２Ｂと負極シート３４Ａ、３４Ｂと吸熱剤３６Ａ、３６Ｂとを積層させることによって構成されている。そして、本実施形態に係る組電池１は、正負極の積層方向が単電池１０Ａ〜１０Ｅの配列方向と同じ方向になるように構成されている。
以下、正極シート３２Ａ、３２Ｂと負極シート３４Ａ、３４Ｂと吸熱剤３６Ａ、３６Ｂ各々の構成材料を説明した後に積層電極体３０Ａ、３０Ｂの積層構造について説明する。
（ｃ−１）正極シート
正極シート３２Ａ、３２Ｂは、矩形状のアルミニウム箔等からなる正極集電体上に正極活物質層が形成されることによって構成されている。正極活物質層には、正極活物質と、その他の添加材（導電材、バインダなど）が含まれている。
かかる正極活物質には、リチウム元素と一種または二種以上の遷移金属元素とを含むリチウム含有化合物（リチウム遷移金属複合酸化物）を用いることができる。このリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウムニッケル複合酸化物（例えば、ＬｉＮｉＯ２）、リチウムコバルト複合酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ２）、リチウムマンガン複合酸化物（例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４）、あるいはリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（例えば、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）のような三元系リチウム含有複合酸化物等が挙げられる。
また、正極活物質層に含まれ得る他の添加物としては、この種のリチウムイオン二次電池で従来から用いられているものを用いることができ、特に制限はない。例えば、導電材として、カーボンブラック等のカーボン粉末やカーボンファイバー等のカーボン材料を添加することができる。また、バインダとして、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）等のハロゲン化ビニル樹脂、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）等のポリアルキレンオキサイドなど有機溶媒に溶解するポリマー材料や、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の水溶性のポリマー材料または水分散性のポリマー材料を添加してもよい。
（ｃ−２）負極シート
負極シート３４Ａ、３４Ｂは、矩形状の銅箔等からなる負極集電体上に、負極活物質を含む負極活物質層が形成されることによって構成されている。負極活物質層には、負極活物質と、その他の添加材が含まれている。
負極活物質の種類は特に限定されず、この種の二次電池の負極活物質として使用し得る材料の一種を単独でまたは二種以上を組み合わせる（混合または複合体化する）等して用いることができる。かかる負極活物質の好適例として、黒鉛（グラファイト）、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）、カーボンナノチューブ、あるいはこれらを組み合わせた炭素材料が挙げられる。特に黒鉛材料の使用が好ましい。例えば、表面にアモルファスカーボンがコートされた形態の黒鉛材料を好適に採用することができる。
また、負極活物質層についても上記した正極活物質層と同様に、他の添加物として、この種のリチウムイオン二次電池で従来から用いられているものを用いることができる。バインダとしては、上記した正極活物質層と同様のものを用いることができる。また、他の添加材として、増粘剤、分散剤等を適宜使用することもできる。例えば、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）やメチルセルロース（ＭＣ）などが挙げられる。
（ｃ−３）吸熱剤
上記したように、本実施形態における積層電極体３０Ａ、３０Ｂは、吸熱剤３６Ａ、３６Ｂを備えている。かかる吸熱剤３６Ａ、３６Ｂは、例えば、電池の発熱反応開始温度と同様の温度範囲である１００〜１４０℃の間に吸熱反応を有する化合物をシート状に成形したものを使用することができる。
この吸熱剤３６Ａ、３６Ｂに使用される化合物としては、例えば、水和物（硫酸カルシウム２水和物：ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ、酸化アルミニウム水和物：Ａｌ２Ｏ３・Ｈ２Ｏ）や、水酸化物（水酸化アルミニウム：Ａｌ（ＯＨ）３、水酸化亜鉛：Ｚｎ（ＯＨ）２）、水酸化コバルト：Ｃｏ（ＯＨ）２、水酸化カルシウム：Ｃａ（ＯＨ）２、水酸化ジルコニウム：ＺｒＯ（ＯＨ）２、水酸化ニッケル：ＮｉＯＨなどを含む無機吸熱剤や、糖やアルコール類（例えば、エリスリトール、キシリトール、ガラシトール、マンニトールなど）の有機吸熱剤などが挙げられる。
また、かかる吸熱剤３６Ａ、３６Ｂの吸熱量は、導電性の異物Ｆを流れる短絡電流の大きさに応じて調整することが好ましい。例えば、導電性の異物Ｆを流れる短絡電流が７００Ａと予想される場合には、吸熱剤３６Ａ、３６Ｂの吸熱量は１ｋＪ／ｇ〜１００００ｋＪ／ｇであることが好ましい。これによって、短絡電流によって生じるジュール熱を吸熱剤３６Ａ、３６Ｂで適切に吸熱することができる。
（ｃ−４）セパレータ
また、図３では記載を省略しているが、正極シート３２Ａ、３２Ｂと負極シート３４Ａ、３４Ｂとの間には、セパレータが配置されている。このセパレータには、一般的なリチウムイオン二次電池に使用されるセパレータ（例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔性シート（フィルム）を用いることができる。なお、以下では、説明の便宜上、セパレータの説明を省略する。
（ｃ−５）積層電極体の積層構造
次に、本実施形態の積層電極体３０Ａ、３０Ｂの積層構造について説明する。本実施形態に係る組電池１では、１番目〜５番目の全ての単電池１０Ａ〜１０Ｅが以下の構成を具備した積層電極体を備えている。
本実施形態における積層電極体３０Ａ、３０Ｂは、図３に示すように、単電池１０Ａ、１０Ｂの配列方向（積層電極体３０Ａ、３０Ｂの積層方向）の上流側から下流側に向かって、最上流側の負極シート３４Ａ、第１の吸熱剤３６Ａ、上流側の正極シート３２Ａ、下流側の正極シート３２Ｂ、最下流側の負極シート３４Ｂ、第２の吸熱剤３６Ｂの順に積層されることによって構成されている。
すなわち、本実施形態における積層電極体３０Ａでは、配列方向の最上流側に負極シート３４Ａが配置されており、当該最上流側の負極シート３４Ａの下流側に、最上流側の負極シート３４Ａと隣接する上流側の正極シート３２Ａが配置されている。
そして、本実施形態においては、上記した最上流側の負極シート３４Ａと上流側の正極シート３２Ａとの間に、層状に第１の吸熱剤３６Ａが配置されている。
これによって、導電性の異物Ｆが各単電池１０Ａ、１０Ｂを貫通し、バスバー４０を介して、２番目の単電池１０Ｂから１番目の単電池１０Ａの最下流側の負極シート３４Ａに短絡電流Ｅ２が流れ込んだ場合に、かかる短絡電流Ｅ２によって生じるジュール熱を第１の吸熱剤３６Ａによって初期段階で吸熱することができる。
さらに、本実施形態における積層電極体３０Ａでは、配列方向の最下流側に負極シート３４Ｂが配置されており、当該最下流側の負極シート３４Ｂと、当該最下流側の負極シート３４Ｂと対向する電池ケース５０の内面との間に、層状に第２の吸熱剤３６Ｂが配置されている。
これによって、バスバー４０を介して１番目の単電池１０Ａの最下流側の負極シート３４Ｂに短絡電流Ｅ２が流れ込んだ場合に、かかる短絡電流Ｅ２によって生じるジュール熱を第２の吸熱剤３６Ｂによって初期段階で吸熱することができる。
さらに、この第２の吸熱剤３６Ｂは、隣接する他の単電池（図３では２番目の単電池１０Ｂ）で生じた熱を吸熱することもできるため、他の単電池の熱によって内部温度が上昇することも抑制できる。
そして、本実施形態に係る組電池１では、３番目以降の単電池１０Ｃ〜１０Ｅにおいても、上記した単電池１０Ａ、１０Ｂと同じ位置に、第１の吸熱剤３６Ａと第２の吸熱剤３６Ｂが配置された積層電極体を備えている。このため、３番目以降の単電池１０Ｃ〜１０Ｅにおいても、バスバー４０を介した短絡電流Ｅ２によって発生するジュール熱を初期段階で吸熱することができる。
このため、本実施形態によれば、各々の単電池１０Ａ〜１０Ｅの内部温度が上昇することを適切に抑制することができ、各々の単電池１０Ａ〜１０Ｅの内部の材料が熱によって変性して物理的または化学的な安定性が損なわれることを防止して、高いレベルの安全性を有した組電池を提供することができる。
なお、上記の説明は、積層電極体に設ける吸熱剤を第１の吸熱剤３６Ａと第２の吸熱剤３６Ｂに限定することを意図したものでなく、第１の吸熱剤３６Ａと第２の吸熱剤３６Ｂ以外の吸熱剤を追加して設けてもよい。例えば、図３に示すように、最下流側の負極シート３４Ｂに隣接して下流側の正極シート３２Ｂが配置されている場合には、かかる最下流側の負極シート３４Ｂと下流側の正極シート３２Ｂとの間に吸熱剤を配置してもよい。
これによって、導電性の異物Ｆを介して下流側の正極シート３２Ｂから最下流側の負極シート３４Ｂに向かって内部短絡の短絡電流Ｅ１が流れた場合に、かかる短絡電流Ｅ１によるジュール熱を初期段階で吸熱することができる。
また、上記した実施形態は、正極シートと負極シートの枚数を限定することを意図したものではない。ここで開示される組電池において、正極シートと負極シートとを３枚以上積層させる場合には、最上流側の負極シートと最下流側の負極シートとの間に、正極シートや負極シートを適宜配置する。この場合には、追加した各負極シートの下流側に隣接して層状に吸熱剤を配置することが好ましい。これによって、追加した負極シートに、バスバーを介した短絡電流が流れ込んだ場合であっても、当該短絡電流によるジュール熱を適切に吸熱することができる。
また、上記した実施形態に係る組電池１では、当該組電池１を構成する全ての単電池１０Ａ〜１０Ｅが、上記した第１の吸熱剤と第２の吸熱剤を備えている。しかし、配列方向の最下流側に配置されるｎ番目の単電池（図１では５番目の単電池１０Ｅ）は、下流側に他の単電池が配置されておらず、バスバーを介した短絡電流Ｅ２が流れ込むことがないため、第１の吸熱剤３６Ａと第２の吸熱剤３６Ｂを必ずしも備えていなくてもよい。
２．組電池の製造方法
次に、本実施形態に係る組電池１を製造する方法について説明する。
本実施形態に係る製造方法は、複数の単電池を作製し、当該単電池の各々の電極端子をバスバーによって接続するという点においては従来の組電池の製造方法と同様である。
しかし、上記したように、バスバー４０を介した短絡電流Ｅ２によるジュール熱を初期段階で吸熱できるような位置に第１の吸熱剤３６Ａと第２の吸熱剤３６Ｂとが配置されるように、積層電極体の構造が異なる２種類の単電池を作製する点が従来の製造方法と異なる。
具体的には、図２に示すように、組電池１を製造するに際しては、正極端子１２Ａ〜１２Ｅと負極端子１４Ａ〜１４Ｅとをバスバー４０によって接続するために、偶数列の単電池１０Ｂ、１０Ｄを１８０°回転させて配置する。このため、図３に示すように、接続後の全ての単電池１０Ａ〜１０Ｅにおいて正負極の積層順序を同じするには、奇数列の単電池１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅと偶数列の単電池１０Ｂ、１０Ｄとで正負極の積層順序が反転した２種類の２種類の単電池を作製する。
奇数列の単電池１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅを作製するに際しては、図３中の１番目の単電池１０Ａのように、最上流側の負極シート３４Ａ、第１の吸熱剤３６Ａ、上流側の正極シート３２Ａ、下流側の正極シート３２Ｂ、最下流側の負極シート３４Ｂ、第２の吸熱剤３６Ｂの順で積層された積層電極体３０Ａを作製し、当該積層電極体３０Ａを電解液とともに電池ケース５０内に収納する。
一方、図１中の偶数列の単電池１０Ｂ、１０Ｄを作製する際には、上記した奇数列の単電池１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅとは、正負極の積層順序が反転した単電池、すなわち、第２の吸熱剤３６Ｂ、最下流側の負極シート３４Ｂ、下流側の正極シート３２Ｂ、上流側の正極シート３２Ａ、第１の吸熱剤３６Ａ、最上流側の負極シート３４Ａの順で積層された積層電極体３０Ｂを作製し、当該積層電極体３０Ｂを電解液とともに電池ケース５０内に収納する。
そして、正負極の積層順序が反転している偶数列の単電池１０Ｂ、１０Ｄを１８０°回転させて配置し、各々の単電池１０Ａ〜１０Ｅの正極端子１２Ａ〜１２Ｅと負極端子１４Ａ〜１４Ｅとをバスバー４０で順次接続することによって、全ての単電池１０Ａ〜１０Ｅにおいて、配列方向の上流側から下流側に向かって、最上流側の負極シート３４Ａ、第１の吸熱剤３６Ａ、上流側の正極シート３２Ａ、下流側の正極シート３２Ｂ、最下流側の負極シート３４Ｂ、第２の吸熱剤３６Ｂの順に配置された組電池１を製造することができる。
［試験例］
以下、本発明に関する試験例を説明するが、以下の試験例は本発明を限定することを意図したものではない。
Ａ．第１の試験
１．試験例１〜試験例３
正極活物質（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）と、導電材（アセチレンブラック）と、バインダ（ポリフッ化ビニリデン）とが、質量比で９４：３：３の割合で混合された正極活物質層が、正極集電体（アルミニウム箔）の両面に形成された矩形状の正極シートを作製した。
一方、負極活物質（黒鉛）と、増粘剤（カルボキシメチルセルロース）と、バインダ（スチレンブタジエンゴム）とが、質量比で９８：１：１の割合で混合された負極活物質層が、負極集電体（銅箔）の両面に形成された矩形状の負極シートを作製した。
そして、上記した正極シートと負極シートと吸熱剤（水酸化アルミニウム：吸熱量１ｋＪ／ｇ）とを２枚ずつ積層することによって積層電極体を作製した。このとき、吸熱剤を配置する位置を試験例１〜試験例３のそれぞれで異ならせた。なお、本試験例では、奇数列の単電池と偶数列の単電池とで正負極の積層順序が同じになるように、偶数列の単電池では正負極の積層順序が反転している積層電極体を作製した。
次に、作製した各々の積層電極体を、電解液とともに電池ケース内に収納することによってリチウムイオン二次電池（単電池）を作製した。そして、５個の単電池のうち、偶数列に配置する単電池を１８０°回転させて配置し、各々の単電池の正極端子と負極端子とをバスバーによって接続することによって、表１に示す位置に吸熱剤が配置された試験例１〜試験例３の組電池を作製した。
２．評価試験
上記作製した各々の組電池の評価試験として、以下の釘刺し試験を行った。
即ち、２５℃の温度環境下において、上記試験例１〜試験例３の組電池をＳＯＣ８０％の充電状態に調整した。次いで、電池ケースの外表面に２枚の熱電対を貼り付けておき、２５℃の温度環境下において、角型の電池ケースの幅広面の中央付近に直径６ｍｍ、先端鋭度３０°の鉄製の釘を、２０ｍｍ／ｓｅｃの速度で直角に突き刺し、組電池を構成する全ての単電池を貫通させた。そして、各試験例の組電池を構成する単電池（セル）の温度変化を計測した。計測中に得られた各々の試験例の組電池の最高温度を表１に示す。
Figure 0006421994
３．評価結果
表１に示すように、試験例１および試験例２では、セル２以降の単電池の釘刺し試験における最高温度がセル１よりも高温になっていた。これは、バスバーを介した短絡電流が導電性の異物を流れて、かかる短絡電流のジュール熱によってセル２以降の単電池が加熱されたためと解される。
一方、試験例３では釘刺し試験における最高温度が全ての単電池で同じ温度（５７５℃）に抑制されていた。このことから、試験例３のように、最上流側の負極シートと上流側の正極シートとの間に第１の吸熱剤を配置し、最下流側の負極シートと電池ケースとの間に第２の吸熱剤を配置することによって、釘のような鋭利な異物が各々の単電池を貫通した際に、短絡電流によって発生するジュール熱を発熱の初期段階で吸熱して、かかるジュール熱によってセル２以降の単電池が加熱されることを防止できることが確認できた。
Ｂ．第２の試験
次に、表２に示すように、上記した試験例１〜３とは吸熱量が異なる吸熱剤を用意して試験例４および試験例５の組電池を作製した。なお、試験例４および試験例５における吸熱剤の配置位置は、試験例３と同じ位置に設定した。
そして、上記した第１の試験と同じ条件で釘刺し試験を行った。上記した第１の試験における試験例３の結果と合わせて、試験例４および試験例５の評価結果を表２に示す。
Figure 0006421994
表２に示すように、試験例３のように、吸熱剤の吸熱量を１ｋＪ／ｇとすることによって、短絡電流によって生じたジュール熱をより適切に吸熱して、各々の単電池の温度上昇を抑制できることが確認できた。
１、１００ 組電池
１０Ａ １番目の単電池
１０Ｂ ２番目の単電池
１０Ｃ ３番目の単電池
１０Ｄ ４番目の単電池
１０Ｅ ５番目の単電池
１２Ａ〜１２Ｅ 正極端子
１４Ａ〜１４Ｅ 負極端子
３０Ａ、３０Ｂ 積層電極体
３２Ａ 上流側の正極シート
３２Ｂ 下流側の正極シート
３４Ａ 最上流側の負極シート
３４Ｂ 最下流側の負極シート
３６Ａ 第１の吸熱剤
３６Ｂ 第２の吸熱剤
４０、１４０ バスバー
５０ 電池ケース
１１０Ａ、１１０Ｂ 単電池
１３２ 正極シート
１３４ 負極シート
Ｅ１、Ｅ２ 短絡電流
Ｆ 導電性の異物

Claims (6)

  1. 複数の同形状の単電池が相互に隣接して配列され、該隣接する単電池間の正極端子と負極端子とが交互に電気的に直列接続された構成の組電池であって、
    前記配列された複数の単電池のうち、前記配列方向の一方の端部にある単電池は、前記正極端子が外部との接続可能に開放された正極出力端子である単電池であり、前記配列方向の他方の端部にある単電池は、前記負極端子が外部との接続可能に開放された負極出力端子である単電池であり、
    前記単電池のそれぞれは、矩形状の正極シートおよび負極シートがセパレータを間に介して交互に複数積層された積層電極体と、該積層電極体に対応する角型の電池ケースとを備えており、該積層電極体を構成する前記正負極の積層方向は、前記複数の単電池の配列方向と同じ方向であり、
    ここで、前記正極出力端子を備える一方の端部にある単電池を１番目の単電池とし、前記負極出力端子を備える他方の端部にある単電池をｎ番目の単電池とし、且つ、前記配列方向において１番目の単電池側を上流側およびｎ番目の単電池側を下流側としたとき、
    １番目の単電池から少なくともｎ−１番目までの単電池の各々が備える前記積層電極体は、以下の構成（１）および（２）：
    （１）該積層電極体を構成する複数の正極シートおよび負極シートのうち、前記配列方向の最上流側には負極シートが配置されており、かつ、該負極シートと下流側で隣接する正極シートとの間には、層状に吸熱剤が配置されている；
    （２）該積層電極体を構成する複数の正極シートおよび負極シートのうち、前記配列方向の最下流側には負極シートが配置されており、かつ、該負極シートと下流側で対向する前記電池ケースの内面との間には、層状に吸熱剤が配置されている；
    を、いずれも具備することを特徴とする、組電池。
  2. 最上流側の前記負極シートと最下流側の前記負極シートとの間に複数枚の負極シートが配置されており、前記複数枚の負極シートの各々の下流側に隣接して層状に吸熱剤が配置されている、請求項１に記載の組電池。
  3. 最下流側の前記負極シートと、該負極シートに上流側で隣接する正極シートとの間に層状に吸熱剤が配置されている、請求項１または請求項２に記載の組電池。
  4. 前記吸熱剤が、金属水和物、金属水酸化物、糖、アルコール類の何れかを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の組電池。
  5. 前記吸熱剤が、水酸化アルミニウム、水酸化亜鉛、硫酸カルシウム、エリスリトール、キシリトール、ガラシトール、マンニトールの何れかを含む、請求項４に記載の組電池。
  6. 前記吸熱剤の各々の吸熱量が１ｋＪ／ｇ〜１００００ｋＪ／ｇである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の組電池。
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