JP6520958B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１の電極と第２の電極とが融点の異なるタブを有する蓄電装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。例えば、特許文献１に開示の二次電池は、ケース（外装缶）と、該ケース内に収容される電極組立体（電極体）とを備える。電極組立体は、互いに絶縁されて積層された正極の電極と負極の電極とを備える。各電極は、タブを有する集電体を備えている。また、その二次電池は、電極組立体から電気を取り出すための正極の電極端子及び負極の電極端子を備え、外装缶が負極の電極端子を兼ねており、各電極端子は、同じ極性の電極のタブ（金属リード）と溶接により電気的に接続されている。

このような二次電池では、過大な電流が流れたときに二次電池での通電を遮断するヒューズ機能を持たせることがある。特許文献１のように各電極の集電体から突出した形状のタブを備えた二次電池においては、タブと電極端子との溶接箇所の電気的な抵抗が大きいことから、この溶接箇所にヒューズ機能を持たせる場合が多い。すなわち、二次電池に過大な電流が流れると、タブと電極端子との溶接箇所にジュール熱が発生し、溶接箇所が溶断される結果、通電が遮断される。これによって、二次電池に過大な電流が流れ続けることが回避される。

特開平９−１２０８３６号公報

異なる極性の電極を備える二次電池においては、異なる極性の電極同士で集電体の材質が異なり、その集電体から突出したタブ同士の融点が異なることになる。このような二次電池において、融点の高いタブと電極端子との溶接箇所にヒューズ機能を持たせると、融点の高いタブで溶断が生じる前、すなわちヒューズ機能が発揮される前に、融点の低いタブで溶融が始まってしまう。ヒューズ機能を持つ二次電池は、ヒューズ機能が発揮される温度までは正常に機能する必要がある。しかし、上記のようにヒューズ機能が発揮される前に、融点の低いタブで溶融が始まると、溶融に伴う熱の影響を受けて電極組立体が劣化する等して、二次電池が正常に機能しなくなる虞がある。

本発明の目的は、ヒューズ機能を発揮させた際の影響が電極組立体に及ぶこと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、互いに絶縁されて積層された第１の電極及び第２の電極を有する電極組立体であって、前記第１の電極は、第１の活物質層を有する第１の集電体と、前記第１の集電体の一辺から突出した第１のタブと、を有し、前記第２の電極は、第２の活物質層を有する第２の集電体と、前記第２の集電体の一辺から突出した第２のタブと、を有する、前記電極組立体と、前記電極組立体を収容したケースと、前記第１のタブと第１溶接部で接合された第１の導電部材と、前記第２のタブと第２溶接部で接合された第２の導電部材と、前記第１の導電部材と電気的に接続された第１の電極端子と、前記第２の導電部材と電気的に接続された第２の電極端子と、を備える。前記第１のタブの融点は前記第２のタブの融点より低く、前記第１溶接部はヒューズ機能を備えている。前記第１溶接部の面積を「Ｓ１」、前記第２溶接部の面積を「Ｓ２」、前記第１のタブの電気抵抗率を「ρ１」、前記第２のタブの電気抵抗率を「ρ２」、２つの電気抵抗率の比率である「ρ１／ρ２」を「ρ」とすると、関係式「Ｓ１＜ρ・Ｓ２」が成立している。

これによれば、第１のタブと第２のタブとで融点及び電気抵抗率が異なっていても、各溶接部の面積を調整し、関係式を成立させることで、融点の低い第１溶接部での電気的な抵抗を、第２溶接部での電気的な抵抗より高くすることができる。このため、蓄電装置に過大な電流が流れた際、第１溶接部が第２溶接部に先立って溶断し、第２溶接部の溶断に先立ってヒューズ機能が発揮される。その結果として、融点の高い第２溶接部にヒューズ機能を持たせた場合のように、第２溶接部が溶断してヒューズ機能が発揮される前に第１溶接部が溶融し始め、第１溶接部の溶融による影響が電極組立体に及ぶことが抑制される。

前記蓄電装置は二次電池である。

本発明によれば、ヒューズ機能を発揮させた際の影響が電極組立体に及ぶことを抑制することができる。

一実施形態の二次電池を示す斜視図。 電極組立体の分解斜視図。 二次電池内を示す部分断面図。 第１溶接部及び第２溶接部付近を示す平面図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態について図１〜図４を用いて説明する。
図１に示すように、二次電池１０はケース１１を備える。ケース１１には電極組立体１４及び電解液（図示せず）が収容されている。ケース１１は、底部及び挿入口１２ａを有する四角筒状のケース本体１２と、挿入口１２ａを塞ぐ矩形平板状の蓋体１３とを有する。電極組立体１４は挿入口１２ａを通じてケース本体１２に挿入される。ケース本体１２の内壁面は絶縁フィルムＺによって覆われ、ケース本体１２と電極組立体１４とは絶縁フィルムＺによって絶縁されている。ケース本体１２と蓋体１３とは、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は角型電池である。また、二次電池１０は、リチウムイオン電池である。

電極組立体１４は、第１の電極としての複数の正極電極２４と、第２の電極としての複数の負極電極２１とが、樹脂製のセパレータ２７を介して交互に積層された積層型である。

図２に示すように、正極電極２４は、第１の集電体としての矩形状の正極金属箔２５（アルミニウム箔）と、正極金属箔２５の両面に正極活物質を塗工して形成された第１の活物質層としての正極活物質層２６と、を有する。正極電極２４は、正極金属箔２５で構成された、正極活物質が塗工されていない正極未塗工部２５ｄを有し、正極未塗工部２５ｄは正極電極２４の一辺２４ａに沿って延びている。正極電極２４は、その一辺２４ａの一部から突出した形状の第１のタブとしての正極タブ２８を有する。

負極電極２１は、第２の集電体としての矩形状の負極金属箔２２（銅箔）と、負極金属箔２２の両面に負極活物質を塗工して形成された第２の活物質層としての負極活物質層２３と、を有する。負極電極２１は、負極金属箔２２で構成された、負極活物質が塗工されていない負極未塗工部２２ｄを有し、負極未塗工部２２ｄは負極電極２１の一辺２１ａに沿って延びている。負極電極２１は、その一辺２１ａの一部から突出した形状の第２のタブとしての負極タブ２９を有する。

図１及び図３に示すように、負極電極２１及び正極電極２４は、正極タブ２８が積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極タブ２８と重ならない位置にて負極タブ２９が積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。そして、全ての正極タブ２８は、電極組立体１４における積層方向の一端から他端までの範囲内で、集められた（束ねられた）状態で折り曲げられている。同様に、全ての負極タブ２９は、電極組立体１４における積層方向の一端から他端までの範囲内で、集められた（束ねられた）状態で折り曲げられている。

正極タブ２８が重なっている箇所を溶接することによって全ての正極タブ２８が電気的に接続されている。全ての正極タブ２８には、第１の導電部材としての矩形板状の正極導電部材１６ａが接続されている。全ての正極タブ２８と、正極導電部材１６ａとは第１溶接部３０で接合されている。第１溶接部３０は、全ての正極タブ２８が溶接された部位であり、全ての正極タブ２８と正極導電部材１６ａとが溶接された部位である。蓋体１３には第１の電極端子としての正極端子１６が固定されている。この正極端子１６は、正極導電部材１６ａと電気的に接続されている。よって、正極端子１６と正極タブ２８とは正極導電部材１６ａを介して接続されている。

全ての負極タブ２９は、負極タブ２９が重なっている箇所を溶接することによって電気的に接続されている。全ての負極タブ２９には、第２の導電部材としての矩形板状の負極導電部材１５ａが接続されている。全ての負極タブ２９と、負極導電部材１５ａとは第２溶接部３１で接合されている。第２溶接部３１は、全ての負極タブ２９が溶接された部位であり、全ての負極タブ２９と負極導電部材１５ａとが溶接された部位である。蓋体１３には第２の電極端子としての負極端子１５が固定されている。この負極端子１５は、負極導電部材１５ａと電気的に接続されている。よって、負極端子１５と負極タブ２９とは負極導電部材１５ａを介して接続されている。

図１に示すように、正極端子１６及び負極端子１５は、蓋体１３の貫通孔１３ｃを通じてケース１１外に突出した状態で蓋体１３に固定されている。よって、本実施形態では、蓋体１３がケース１１の壁部を構成する。正極端子１６及び負極端子１５には、それら正極端子１６及び負極端子１５を蓋体１３から電気的に絶縁するためのリング状の絶縁リング１７ａが取り付けられている。

次に、二次電池１０のヒューズ機能及び作用について説明する。
まず、正極電極２４における正極金属箔２５について説明する。正極金属箔２５はアルミニウム箔製であることから、正極タブ２８の融点は６６０℃であり、正極タブ２８の電気抵抗率「ρ１」は、２．６５×１０^−８Ωｍである。次に、負極電極２１における負極金属箔２２について説明する。負極金属箔２２は銅箔製であることから、負極タブ２９の融点は１０８５℃であり、負極タブ２９の電気抵抗率「ρ２」は、１．６８×１０^−８Ωｍである。

図４に示すように、正極導電部材１６ａを蓋体１３の外面から見た平面視での第１溶接部３０の面積を「Ｓ１」とし、負極導電部材１５ａを蓋体１３の外面から見た平面視での第２溶接部３１の面積を「Ｓ２」とする。言い換えれば、正極導電部材１６ａと正極タブ２８とを重ね合わせた方向に沿って見たときの第１溶接部３０の面積を「Ｓ１」とし、負極導電部材１５ａと負極タブ２９とを重ね合わせた方向に沿って見たときの第２溶接部３１の面積を「Ｓ２」とする。

本実施形態では、正極タブ２８と正極導電部材１６ａとの溶接箇所である第１溶接部３０にヒューズ機能を持たせている。なお、以後の説明において、第１溶接部３０を「正極タブ２８の第１溶接部３０」ということがある。正極タブ２８の融点は６６０℃であり、負極タブ２９の融点が１０８５℃であることから、ヒューズ機能は、負極タブ２９よりも融点の低い正極タブ２８の第１溶接部３０に設けている。正極タブ２８の電気抵抗率ρ１は、負極タブ２９の電気抵抗率ρ２より高い。「ρ１」と「ρ２」の比率である「ρ１／ρ２」を「ρ」として設定した。

そして、正極タブ２８の第１溶接部３０にヒューズ機能を持たせるためには、電気抵抗率及び融点を考慮した上で、第１溶接部３０での電気的な抵抗が、第２溶接部３１での電気的な抵抗より高くなるようにすることが必要である。よって、本実施形態では、第１溶接部３０の面積Ｓ１が、「ρ」を乗じた第２溶接部３１の面積Ｓ２より小さくなるように設定した。すなわち、以下の関係式が成立するようにした。

Ｓ１＜ρ・Ｓ２…関係式
このようにすることで、過大な電流が二次電池１０に流れた場合、第１溶接部３０の方が、第２溶接部３１より先に溶断する。すると、第１溶接部３０において、正極タブ２８と正極導電部材１６ａとの接合場所が無くなり、正極タブ２８と正極導電部材１６ａとが離間する。その結果、正極タブ２８と正極導電部材１６ａとの電気的な接続が解除され、通電が遮断される結果、二次電池１０に過大な電流が流れ続けることが回避される。すなわち、二次電池１０においてヒューズ機能が発揮される。

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）二次電池１０において、融点の低い正極タブ２８の第１溶接部３０にヒューズ機能を持たせた。この場合、第１溶接部３０の面積Ｓ１と、第２溶接部３１の面積Ｓ２とを調整し、関係式「Ｓ１＜ρ・Ｓ２」が成立するようにした。よって、正極タブ２８と負極タブ２９とで、融点及び電気抵抗率が異なっていても、第１溶接部３０の電気的な抵抗を、第２溶接部３１での電気的な抵抗より高くすることができる。その結果として、過大な電流が二次電池１０に流れた際、融点の低い第１溶接部３０が第２溶接部３１より先に溶断してヒューズ機能を発揮することができる。よって、第１溶接部３０が溶断しても、融点の高い第２溶接部３１では溶融が発生せず、ヒューズ機能が発揮される前は、電極組立体１４に熱による影響が及ぶことが抑制され、二次電池１０が正常に機能する。

（２）関係式「Ｓ１＜ρ・Ｓ２」が成立するように、電気抵抗率を考慮して面積Ｓ１，Ｓ２を設定することで、正極タブ２８及び負極タブ２９の材料を変更しても融点の低いタブの溶接部にヒューズ機能を持たせることが可能になる。

（３）ヒューズ機能は、正極タブ２８と正極導電部材１６ａとを接合した第１溶接部３０が有している。すなわち、ケース１１内に設けられて二次電池１０を構成する上で必須の部分が、ヒューズ機構も有している。よって、ケース１１の外側にヒューズ機能を有する専用部品を設ける場合と異なり、部品点数の増加がない。しかも、二次電池１０の製造過程における一工程、すなわち、正極タブ２８及び負極タブ２９を正極導電部材１６ａ及び負極導電部材１５ａにそれぞれ溶接する工程で、第１溶接部３０の面積Ｓ１と第２溶接部３１の面積Ｓ２とを調整することで、融点の低い正極タブ２８の溶接部にヒューズ機能を持たせることができる。

（４）負極タブ２９よりも融点の低い正極タブ２８の溶接部にヒューズ機能を持たせた。このため、二次電池１０に過大な電流が流れ、ヒューズ機能が発揮されて正極タブ２８が電極組立体１４内に溶け落ちても、融点の高い負極タブ２９が融け落ちる場合よりも温度の低い物質がケース１１内に融け落ちることになり、ヒューズ機能を発揮させた際の影響が電極組立体１４に及びにくい。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 関係式「Ｓ１＜ρ・Ｓ２」が成立するように、電気抵抗率を考慮して面積Ｓ１，Ｓ２を設定した上で、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積を設定してもよい。なお、第１溶接部３０の体積は、面積Ｓ１に第１溶接部３０の深さを乗じた値として算出され、第２溶接部３１の体積は、面積Ｓ２に第２溶接部３１の深さを乗じた値として算出される。第１溶接部３０の深さは、正極導電部材１６ａの厚みと第１溶接部３０での正極タブ２８の群の厚みとの和に相当する。第２溶接部３１の深さは、負極導電部材１５ａの厚みと第２溶接部３１での負極タブ２９の群の厚みとの和に相当する。

第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積は、負極電極２１と正極電極２４とが短絡し、過大な電流が流れた場合に各溶接部３０，３１が溶断する体積に設定される。電極組立体１４における負極電極２１と正極電極２４との短絡は、例えば二次電池１０に外部からの衝突等が起こった場合に発生することがある。負極電極２１と正極電極２４とが短絡した場合に二次電池１０に流れる電流を「短絡電流」と定義する。この短絡電流は、二次電池１０の通常使用時に流れる電流より大きい。

負極電極２１と正極電極２４とが短絡した場合、短絡箇所は電気的な抵抗が小さいため、短絡箇所には電流が集中して流れる。そして、短絡箇所に短絡電流が流れ続けると、活物質が自発熱で昇温し続け、短絡箇所に熱暴走が生じる虞がある。よって、二次電池１０においては、熱暴走が生じる前に、第１溶接部３０又は第２溶接部３１を溶断させてヒューズ機能を発揮させる必要がある。第２溶接部３１は、第１溶接部３０より後に溶断する。ヒューズ機能が発揮され、第１溶接部３０が溶断されると、短絡箇所に電流が流れることが止まり、温度上昇が抑えられる結果、熱暴走が回避される。

ただし、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積が大きすぎると、短絡電流が流れても溶断しない虞がある。このため、短絡電流が流れたときに溶断するように、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積に上限値を設定した。上限値は、短絡電流が流れると一定時間内に第１溶接部３０又は第２溶接部３１が溶断する体積に設定されている。この「一定時間」は、短絡電流が流れてから熱暴走に至るまでに要する時間よりも短い。

その一方で、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積が小さすぎると、二次電池１０の通常使用時に流れる電流で第１溶接部３０及び第２溶接部３１が溶断してしまう虞がある。このため、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積の下限値は、二次電池１０の通常使用時に流れる電流で溶断しない体積に設定されている。

通常使用時に流れる電流とは、短絡が発生していない状態で二次電池１０に流れる電流のことである。通常使用時の電流の最大値であっても、第１溶接部３０又は第２溶接部３１が溶断しないように、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積の下限値を設定する必要がある。通常使用時に流れる電流の最大値は、二次電池１０の急速充電時に流れる電流の値である。

表１に、第１溶接部３０及び第２溶接部３１に電流が流れてから溶断に至るまでの時間を示す。本実施例においては、二次電池１０は、５０Ａｈであり、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積は１．３８ｍｍ^３である。

２０００Ａの短絡電流が流れた場合、第１溶接部３０は１秒で溶断し、第２溶接部３１は３．５５秒で溶断する。二次電池１０に対し、釘刺し試験を行った場合、釘刺しして短絡が発生してから二次電池１０が熱暴走に至るまでに４秒要した。釘刺し試験では、電極組立体１４において釘が刺さった箇所が短絡し、この短絡箇所に電流が集中して流れて熱暴走が生じる。

表１に示すように、第１溶接部３０に２０００Ａの電流が流れた場合、第１溶接部３０は１秒で溶断する。第２溶接部３１に２０００Ａの電流が流れた場合、第２溶接部３１は３．５５秒で溶断する。このため、第１溶接部３０及び第２溶接部３１ともに、熱暴走するまでに要する時間より短い時間で溶断する。第１溶接部３０が第２溶接部３１より先に溶断する。よって、熱暴走する前に第１溶接部３０及び第２溶接部３１を溶断することができ、短絡箇所に電流が流れ続けることを回避し、熱暴走に至ることを防ぐことができる。

５０Ａｈの二次電池１０を３０分で充電状態（ＳＯＣ）が８０％になるまで充電することを急速充電とする。表１に示すように、第１溶接部３０は、８０Ａの電流を流した場合、２０７９秒で溶断しており、３０分である１８００秒よりも長い時間で溶断している。第２溶接部３１は、７３８０秒で溶断しており、３０分である１８００秒よりも長い時間で溶断している。このため、第１溶接部３０及び第２溶接部３１ともに、急速充電に耐えることができる。したがって、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積が１．３８ｍｍ^３であると、第１溶接部３０及び第２溶接部３１は、短絡電流が流れた場合には熱暴走が生じる前に溶断し、かつ急速充電にも耐えることができる。

したがって、関係式「Ｓ１＜ρ・Ｓ２」が成立するように、電気抵抗率を考慮して面積Ｓ１，Ｓ２を設定した上で、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積の上限値及び下限値を設定することにより、二次電池１０の通常使用時に第１溶接部３０及び第２溶接部３１が溶断することを回避しつつ、短絡時の熱暴走を回避することができる。

短絡電流が大きいほど、短絡してから熱暴走に至るまでに要する時間が短くなり、短絡電流が小さいほど、短絡してから熱暴走に至るまでに要する時間が長くなる。よって、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積の上限値は、流れ得る短絡電流の大きさに応じて適宜変更される。また、二次電池１０をより早い時間で充電する場合、又はより高容量の二次電池１０を想定する場合、急速充電を行うために必要な電流値は大きくなるため、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の各体積の下限値は大きくなる。このため、急速充電を行う際の条件によって、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の体積の大きさは適宜変更される。

○ 第１のタブの融点が第２のタブの融点より低ければ、各タブの材料を変更してもよい。
○ 負極電極２１は、負極金属箔２２の両面に負極活物質層２３を有するとしたが、負極金属箔２２の片面のみに負極活物質層２３を有していてもよい。同様に、正極電極２４は、正極金属箔２５の両面に正極活物質層２６を有するとしたが、正極金属箔２５の片面のみに正極活物質層２６を有していてもよい。

○ 蓄電装置は、二次電池１０でなく、電気二重層キャパシタ等の他の蓄電装置に適用してもよい。
○ 実施形態では、電極組立体１４として積層型を記載したが、捲回型でもよい。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であってもよい。要するに、正極活物質と負極活物質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。

Ｓ１，Ｓ２…面積、１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１４…電極組立体、１５…第２の電極端子としての負極端子、１５ａ…第２の導電部材としての負極導電部材、１６…第１の電極端子としての正極端子、１６ａ…第１の導電部材としての正極導電部材、２１…第２の電極としての負極電極、２１ａ…一辺、２２…第２の集電体としての負極金属箔、２３…第２の活物質層としての負極活物質層、２４…第１の電極としての正極電極、２４ａ…一辺、２５…第１の集電体としての正極金属箔、２６…第１の活物質層としての正極活物質層、２８…第１のタブとしての正極タブ、３０…第１溶接部、２９…第２のタブとしての負極タブ、３１…第２溶接部。

Claims (7)

1. 互いに絶縁されて積層された複数の第１の電極及び複数の第２の電極を有する電極組立体であって、前記第１の電極は、第１の活物質層を有する第１の集電体と、前記第１の集電体の一辺から突出した形状の第１のタブと、を有し、前記第２の電極は、第２の活物質層を有する第２の集電体と、前記第２の集電体の一辺から突出した形状の第２のタブと、を有する、前記電極組立体と、
   前記電極組立体を収容したケースと、
   前記第１のタブと第１溶接部で接合された第１の導電部材と、
   前記第２のタブと第２溶接部で接合された第２の導電部材と、
   前記第１の導電部材と電気的に接続された第１の電極端子と、
   前記第２の導電部材と電気的に接続された第２の電極端子と、を備える蓄電装置であって、
   前記第１のタブは、前記第１の集電体の一辺から上側に向かって突出した形状であり、
   前記第２のタブは、前記第２の集電体の一辺から上側に向かって突出した形状であり、
   前記第１の導電部材は、前記第１のタブよりも上側に配置されており、
   前記第２の導電部材は、前記第２のタブよりも上側に配置されており、
   前記第１のタブの融点は前記第２のタブの融点より低く、前記第１溶接部はヒューズ機能を備えており、
   前記第１溶接部の面積を「Ｓ１」、前記第２溶接部の面積を「Ｓ２」、前記第１のタブの電気抵抗率を「ρ１」、前記第２のタブの電気抵抗率を「ρ２」、２つの電気抵抗率の比率である「ρ１／ρ２」を「ρ」とすると、関係式「Ｓ１＜ρ・Ｓ２」が成立している蓄電装置。
   
2. 前記蓄電装置は二次電池である請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記第１の集電体はアルミニウム箔である請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記第１の電極は正極電極である請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
5. 前記第２の集電体は銅箔である請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電装置。
6. 前記第２の電極は負極電極である請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電装置。
7. 前記第１のタブは、互いに重ね合わせられているとともに折り曲げられており、前記第２のタブは、互いに重ね合わせられているとともに折り曲げられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の蓄電装置。
   

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