JP6465413B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、正極と負極とがセパレータを介して重なり合っている二次電池に関する。

二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ラップトップコンピュータなどのポータブル機器の電源としてはもちろん、車両や家庭用の電源として広く普及してきている。なかでも、高エネルギー密度で軽量なリチウムイオン二次電池は、生活に欠かせないエネルギー蓄積デバイスになっている。
二次電池は大別して巻回型と積層型に分類できる。巻回型二次電池の電池素子は、長尺の正極シートと負極シートとがセパレータによって隔離されつつ重ね合わされた状態で複数回巻き回された構造を有する。積層型二次電池の電池素子は、正極シートと負極シートとがセパレータによって隔離されながら交互に繰り返し積層された構造を有する。巻回型二次電池と積層型二次電池のいずれにおいても、電池素子と電解液が外装容器に収容されている。特許文献１，２には、熱伝導性の高いシートを電池素子に巻き付けた構成が開示されている。

特開２００８−１１７６０４号公報 特開平１０−４０９５９号公報

特許文献１，２に記載の構成では、熱伝導性の高いシートを電池素子に巻き付けて、電池の充電時および放電時に生じた熱を、熱伝導性の高いシートを介して外部に逃がすことによって、熱による電池特性への悪影響を抑えている。
しかし、仮に二次電池に例えば釘などの鋭利な金属片が突き刺さると、突き刺さった金属片を介して正極と負極とが電気的に短絡して過大な電流が流れて、電池が発熱して破裂や発火を生じるおそれがある。特に、二次電池は年々大容量化する傾向にあり、これに伴って、電気的短絡が発生した場合の発熱がより大きくなり、特許文献１，２に記載されているような熱伝導性の高いシートによる放熱ではもはや不十分である。従って、二次電池のさらなる安全対策が求められている。
そこで本発明の目的は、異物が突き刺さったときに正極と負極の電気的短絡により発生する不具合を抑えることができる二次電池を提供することにある。

本発明の二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して重なり合っている電池素子と、導電性と粘着性を有し電池素子の表面に接着している粘着層と粘着層に積層された導電層とを含む多層構造であり、厚さ方向の電気抵抗が１．０Ω／ｃｍ^２以下であり、電池素子の外周部分の少なくとも一部を覆って巻き付けられている導電性粘着テープと、を有する。

本発明によると、異物が突き刺さったときに正極と負極の電気的短絡により発生する不具合を抑えることができる。

本発明の第１の実施形態の二次電池を示す分解斜視図である。 図１に示す二次電池の、長手方向に沿って切断した断面図である。 図１に示す二次電池の、幅方向に沿って切断した断面図である。 図１に示す二次電池に異物が刺さった状態を示す拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態の二次電池を示す分解斜視図である。 図４に示す二次電池の、幅方向に沿って切断した断面図である。 本発明の第２の実施形態の二次電池の変形例の、幅方向に沿って切断した断面図である。 本発明の第３の実施形態の二次電池の、長手方向に沿って切断した断面図である。 本発明の第３の実施形態の二次電池の、幅方向に沿って切断した断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１，２ａ，２ｂは、本発明を採用した積層型のリチウムイオン二次電池の構成の一例を模式的に示している。本発明のリチウムイオン二次電池１００は、正極１と負極２とが、セパレータ３を介して交互に複数層積層された電極積層体（電池素子）４を備えている。この電極積層体４に導電性粘着テープ５が巻き付けられている。導電性粘着テープ５は多層構造であり、内側に位置する層は導電性と粘着性を有する粘着層５ａであり、外側に位置する層は導電層５ｂである。そして、導電性粘着テープ５によって覆われた電極積層体４と電解液６が、外装容器内に収納されている。図２ａ，２ｂでは、電極積層体４を構成する各層の一部（厚さ方向の中間部に位置する層）を図示省略して、電解液６を示している。
図１に示すように、正極１と負極２にはそれぞれタブ１ａ，２ａが設けられており、正極タブ１ａは正極端子８の一端部に接続され、負極タブ２ａは負極端子９の一端部に接続されている。正極端子８の他端部および負極端子９の他端部は、それぞれ外装容器の外部に引き出されている。負極２の外形寸法は正極１の外形寸法よりも大きく、セパレータ３の外形寸法よりも小さい。この二次電池１００では、導電性粘着テープ５の内側層である粘着層５ａが、電極積層体４の表面に位置する負極２に密着して接着し、電気的に接続されている。
本実施形態の導電性粘着テープ５の粘着層５ａは、例えばアクリル系粘着剤に導電性フィラー（導電性樹脂、炭素粒子、金属粒子など）を混入した混合物から形成されている。導電層５ｂは、例えばポリエステル等からなる不織布に銅やニッケルのメッキを施した導電性不織布や、銅やアルミニウム等の金属からなる。

外装容器としては、可撓性フィルム７からなるケースや缶ケース等を用いることができ、電池の軽量化の観点からは可撓性フィルム７からなるケースを用いることが好ましい。可撓性フィルム７は、例えば、基材となる金属層の表面と裏面に樹脂層が設けられた多層構造である。その場合、金属層には、電解液６の漏出や外部からの水分の浸入を防止する等のバリア性を有するものを選択することが好ましく、アルミニウムやステンレス鋼などを用いることができる。金属層の少なくとも一方の面には、変性ポリオレフィンなどの熱融着性樹脂層が設けられる。可撓性フィルム７の熱融着性樹脂層同士を対向させ、電極積層体４を収納する部分の周囲を熱融着することで外装容器が形成される。熱融着性の樹脂層が形成された面と反対側の面となる外装容器表面には、ナイロンフィルムやポリエステルフィルムなどの樹脂層を設けることができる。図１に示す例では、上方に位置する可撓性フィルム７に、電極積層体４を収納するためのエンボス部が形成されているが、１対の可撓性フィルム７の両方にエンボス部が形成されていてもよい。また、エンボス部を予め形成せず、１対の可撓性フィルム７によって電極積層体４を挟み込むときに可撓性フィルム７を変形させて電極積層体４を収納するようにしてもよい。

図３は、二次電池１００に異物（例えば釘などの金属片）１０が刺さった場合の、２通りの電気的短絡の経路を模式的に示している。まず第一に、二次電池１００に異物１０が刺さった場合に、異物１０を介して一部の正極１とそれに隣接する負極２が電気的に短絡することがある。本発明では、この電気的短絡によって流れる電流は、電極積層体４を覆っている導電性粘着テープ５に導かれる。具体的には、図３に矢印で模式的に示すように、正極１とそれに隣接する負極２が異物１０を介して短絡し、その負極２から、電極積層体４に接着されている粘着層５ａを介して、電極積層体４の外側に位置する導電層５ｂに電流が導かれる。そして、導電層５ｂから再び粘着層５ａを介して負極２に電流が流れる。これは、本実施形態の導電性粘着テープ５が厚さ方向に１．０Ω／ｃｍ^２以下の低い電気抵抗を有しているため、電流は導電性粘着テープ５の厚さ方向に伝わり易いからである。その結果、電流は正極１および負極２から導電性粘着テープ５の外層である導電層５ｂを通った後に、負極２に戻る経路をたどる。
また、図３に模式的に示す電気的短絡のもう１つの経路では、電極積層体４の正極１からの電流が、異物１０を介して導電層５ｂに導かれ、この導電層５ｂから粘着層５ａを介して、電極積層体４の負極２に流れる。この経路において負極２に電流が流れる位置は、上述したもう１つの経路において負極２に電流が流れる位置とは一致せず離れた位置になると考えられる。すなわち、図３に模式的に示す電気的短絡の２つの例において、負極２に電流が流れる位置が互いに異なる。このように、短絡電流の経路は分散して、電極積層体４の内部の特定の位置（異物１０の近傍）のみに集中的に短絡電流が流れることはない。従って、発熱は分散され、局所的に大きな発熱を生じることが抑えられる。電極積層体４の外側に位置する導電性粘着テープ５に電流が流れることにより生じる熱は、外装フィルム７との間に介在する空気に伝わり、さらにこの空気から外装フィルム７を通して外部に放出されるため、電極積層体４自体の過度の温度上昇が抑えられる。

本発明によると、二次電池１００に釘などの異物１０が刺さった場合に、電極積層体４の内部の特定の位置（異物１０の近傍）に過大な電流が流れることが防げる。その結果、電極積層体４の内部で大きな発熱を生じて破裂や発火を引き起こすという危険性を解消または低減することができる。これにより、二次電池１００を使用する際の安全性が非常に向上する。この効果を発揮するために、本実施形態の導電性粘着テープ５は、内側層として粘着性と導電性を備えた粘着層５ａを有するとともに、厚さ方向に１．０Ω／ｃｍ^２以下の低い電気抵抗を有している。
仮に、粘着層５ａの代わりに、粘着性を持たない非粘着層が存在すると、電極積層体４の最外層に位置する電極（本実施形態の場合は負極２）との密着性が低いので、最外層の電極から非粘着層に電流が導かれにくい。そのため、電極積層体４の内部において、隣接する正極１と負極２とが異物１０を介して短絡する最短の経路のみに集中して電流が流れ、その経路上の位置（異物１０の近傍）に過大な電流が流れて大きな発熱を生じる可能性が高い。また、仮に導電性粘着テープの厚さ方向の電気抵抗が大きいと、内側の粘着層５ａが粘着性を有していても電流が外側の導電層５ｂに導かれにくく、やはり電極積層体４の内部の特定の位置（異物１０の近傍）のみに集中して過大な電流が流れて大きな発熱を生じる可能性が高い。本発明のように、内側層として粘着性と導電性を備えた粘着層５ａを有し、かつ厚さ方向に１．０Ω／ｃｍ^２以下の低い電気抵抗を有している導電性粘着テープ５を用いて電極積層体４を覆うことによって、最短経路に限られず、図３に示す２つの経路にも分散して電流が流れるため、電極積層体４の内部での過度の発熱を抑制する効果が得られる。

導電性粘着テープ５は電極積層体４の全体を覆うことが好ましいが、電極積層体４の一部のみを覆う構成であってもよい。その場合、導電性粘着テープ５は、電極積層体４の、異物１０が突き刺さる可能性が比較的高い中央部分を覆っていると効果的である。

図４，５には、本発明の第２の実施形態の二次電池を示している。本実施形態では、例えば絶縁性樹脂のフィルムからなり電極積層体４の側面を被覆する絶縁部材１１が配置されている。絶縁部材１１は、正極１の側端縁と負極２の側端縁が導電性粘着テープ５の粘着層５ａに接触するのを防ぎ、正極１と負極２とが、それぞれの側端縁において導電性粘着テープ５の粘着層５ａを介して電気的に短絡することを防いでいる。それ以外の構成は第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。
図１，２ａ，２ｂに示すように絶縁部材１１を持たない構成においては、正極１と負極２の電気的短絡を防ぐために、正極１の側端縁と負極２の側端縁の少なくとも一方が導電性粘着テープ５の粘着層５ａに接触しないように各部材の寸法を適宜に調整する必要がある。図１，２ａ，２ｂに示す例では、正極１の寸法を小さくしている。しかし、本実施形態では、各部材の寸法を調整する必要はなく、確実な短絡防止が可能である。
そして、第１の実施形態と同様に、仮に二次電池１００に釘などの異物１０が刺さって一部の正極１とそれに隣接する負極２が電気的に短絡したとしても、短絡による電流の一部は、導電性粘着テープ５の導電層５ｂを流れてから負極２に戻る経路をたどる。また、電極積層体４の正極１から、異物１０と導電層５ｂと粘着層５ａとを介して、電極積層体４の負極２に短絡電流が流れる経路も生じる。そのため、電極積層体４の内部の特定の位置（異物１０の近傍）のみに集中して過大な電流が流れることが防げる。その結果、電極積層体４の内部で大きな発熱を生じて破裂や発火を引き起こす危険性を解消または低減できる。

図６には、本実施形態の二次電池の変形例を示している。この変形例では、セパレータ３の側部が屈曲されて、屈曲部３ａが、正極１と負極２の短絡を防ぐ絶縁部材として機能する。すなわち、セパレータ３の屈曲部３ａは、正極１の側端縁および負極２の側端縁を覆って導電性粘着テープ５の導電層５ｂに接触しないようにしているため、正極１と負極２が導電層５ｂを介して電気的に短絡することはない。そして、図４，５に示す構成と同様に、各部材の寸法を調整する必要はなく、確実な短絡防止が可能であるとともに、異物１０が刺さって電気的短絡が生じても、短絡による電流の一部は、導電性粘着テープ５の導電層５ｂを流れてから負極２に戻る経路をたどる。また、電極積層体４の正極１から、異物１０と導電層５ｂと粘着層５ａとを介して、電極積層体４の負極２に短絡電流が流れる経路も生じる。そのため、電極積層体４の内部の特定の位置（異物１０の近傍）のみに集中して過大な電流が流れることがない。従って、電極積層体４の内部で大きな発熱を生じて破裂や発火を引き起こす危険性を解消または低減できる。
本変形例では、正極１および負極２の側端縁における短絡を防ぐために、セパレータ３の一部を屈曲させるだけでよいため、絶縁部材を別部材として用意する必要がなく、絶縁部材の位置合わせも不要であり、製造工程が煩雑になることはない。
図６に示す例では、全てのセパレータ３に屈曲部３ａを形成して、正極１の側端縁と負極２の側端縁のいずれも導電性粘着テープ５の粘着層５ａに接触しないようにしている。しかし、正極１の側端縁と負極２の側端縁のいずれか一方のみが導電性粘着テープ５の粘着層５ａに接触しないようにするだけでも、短絡防止の効果は得られる。その場合、図示しないが、一部のセパレータ３（概ね半数のセパレータ３）のみに屈曲部３ａを形成するだけでよい。

図７ａ，７ｂには、本実施形態の第３の実施形態の二次電池を示している。本実施形態では、セパレータ３が、正極１を収容する袋状に形成されている。すなわち、セパレータ３が、１辺（図７ａの右側の辺）が開口し、それ以外の３辺（図７ａの左側の辺と図７ｂの左右の辺）が閉じられた袋状に形成されている。そして、この袋状のセパレータ３の内部に、正極１が収容されている。この正極１を収容した袋状のセパレータ３と負極２とを交互に積層することによって、正極１と負極２とがセパレータ３を介して交互に積層された構成を容易に実現できる。そしてこの構成では、正極１の側端縁が露出せずセパレータ３に覆われているので、導電性粘着テープ５の導電層５ｂに接触することはなく、側端縁における短絡を防ぐことができる。そして、異物１０が刺さって電気的短絡が生じても、短絡による電流の一部は、導電性粘着テープ５の導電層５ｂを流れてから負極２に戻る経路をたどる。また、電極積層体４の正極１から、異物１０と導電層５ｂと粘着層５ａとを介して、電極積層体４の負極２に短絡電流が流れる経路も生じる。そのため、電極積層体４の内部の特定の位置（異物１０の近傍）のみに集中して過大な電流が流れることがなく、大きな発熱を生じて破裂や発火を引き起こす危険性を解消または低減できる。
図７ａ，７ｂに示すような袋状のセパレータは、１枚の長尺のセパレータを２つ折りにして、折り曲げ部以外の２辺において重なり合う部分同士を、例えば熱溶着等によって接合することによって形成できる。また、２枚のセパレータを重ね合わせて、３辺を互いに接合することによって形成することもできる。いずれの場合も、接合されずに開口したままである１辺から正極１を挿入することによって、袋状のセパレータ３の内部に正極１が収容された状態にすることができる。もちろん、正極１ではなくて負極２が袋状のセパレータ３の内部に収容された構成にすることもできる。
本実施形態では、絶縁部材を別途用意する必要がなく容易に電気的短絡が防止でき、しかも、正極１と負極２がセパレータ３を介して積層された状態にする作業が簡単である。

以上説明した通り、本発明によると、異物１０が突き刺さることにより正極１と負極２が異物１を介して電気的に短絡した際に、異物１０が突き刺さった正極１および負極２から、導電性粘着テープ５の導電性の粘着層５ａを介して導電層５ｂに電流が導かれる。すなわち、電気的短絡により発生した電流の一部は、電極積層体４に巻き付けられた導電性粘着テープ５の導電層５ｂを流れてから負極２に戻る経路をたどる。また、電極積層体４の正極１から、異物１０と導電層５ｂと粘着層５ａとを介して、電極積層体４の負極２に短絡電流が流れる経路も生じる。従って、電極積層体４の内部の特定の位置（異物１０の近傍）のみに集中して過大な電流が流れることが防げる。その結果、電極積層体４が大きな発熱を生じて破裂や発火を引き起こすことが抑制できる。
前記した各実施形態は積層型の二次電池に関するものであるが、巻回型の二次電池においても、第１〜２の実施形態と同様な構成を採用して、前記したのと同様な効果を得ることができる。

以上、いくつかの実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記した実施形態の構成に限られるものではなく、本発明の構成や細部に、本発明の技術的思想の範囲内で、当業者が理解し得る様々な変更を施すことができる。
本出願は、２０１４年４月２５日に出願された日本特許出願２０１４−９１１０８号を基礎とする優先権を主張し、日本特許出願２０１４−９１１０８号の開示の全てをここに取り込む。

Claims (5)

1. 正極と負極とがセパレータを介して重なり合っている電池素子と、
   導電性と粘着性を有し前記電池素子の表面に接着している粘着層と前記粘着層に積層された導電層とを含む多層構造であり、厚さ方向の電気抵抗が１．０Ω／ｃｍ^２以下であり、前記電池素子の外周部分の少なくとも一部を覆って巻き付けられている導電性粘着テープと、
   を有する二次電池。
2. 前記電池素子の側面に位置し、前記正極と前記負極の少なくとも一方の側端縁を、前記粘着層と接触しないように覆う絶縁部材をさらに有する、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記絶縁部材は前記セパレータの側部に設けられた屈曲部である、請求項２に記載の二次電池。
4. 前記セパレータは袋状に形成されており、前記正極と前記負極のいずれか一方が、袋状の前記セパレータ内に収容されており、前記電池素子は、前記正極と前記負極のうちの一方を収容している袋状の前記セパレータと、前記正極と前記負極のうちの他方とが交互に積層されて構成されている、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記導電性粘着テープの前記粘着層は導電性フィラーを含有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の二次電池。

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