JP6617927B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関する。詳しくは、電流遮断機構を備えた二次電池に関する。

リチウム二次電池等の二次電池は、通常、電圧が所定の領域内に収まるように制御された状態で使用される。しかし、誤操作等で二次電池に通常よりも多くの電流が供給されると、二次電池の電圧が所定の領域を超えて過充電となる場合がある。過充電時には、電解質が電気的に分解されてガスが発生したり、電極材料が発熱して二次電池内の温度が上昇したりすることがある。これに対処するための技術として、特許文献１〜３には電流遮断機構を備えた電池が開示されている。

例えば特許文献１には、ラミネートフィルムを外装体とする二次電池であって、電極端子と集電タブとが固着されることなく接触されている二次電池が開示されている。特許文献１の二次電池では、過充電時に内圧が上昇すると、上記接触が解除されて電極端子と集電タブとの間の電気的な接続が遮断される。

特開２００１−０６８０９０号公報 特開２００５−２０３２５０号公報 特開２００１−１８５１２４号公報

しかしながら、特許文献１の二次電池では、電極端子と集電タブとの間の電気的な接続がいったん遮断されても、例えば振動や衝撃等の外力の影響等によって、電極端子と集電タブとが再び接触し、再導通されてしまうことがあった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、再導通の生じ難い電流遮断機構を備えた二次電池を提供することである。

本発明により、正極と負極とを備える電極体と、電解質と、上記電極体と上記電解質とを収容するラミネートフィルム製の外装体と、一端が上記正極または上記負極と導通される導電経路に接続され、他端が上記外装体の外側に突出し、外部接続用の電極端子に接続される集電リードと、を備える二次電池が提供される。上記外装体は、上記電極体と上記電解質とを収容する収容空間の周縁に、上記ラミネートフィルムが溶着された溶着部を有する。上記導電経路は、上記溶着部を通るように配置されている。上記導電経路と上記溶着部とが交わる部分の近傍には低融点樹脂が配置されている。上記二次電池は、過充電となった際に、上記導電経路と上記溶着部との交わる部分が破断されて上記導電経路が切断されると共に、上記低融点樹脂が溶融して上記導電経路の破断された部分を覆うように構成されている。

上記二次電池では、過充電時に二次電池の内圧が上昇すると、導電経路と溶着部とが交わる部分で外装体が破断される。これにより、外部電源と電極体との導電経路が切断され、外部電源から電極体への電流の供給が遮断される。また、過充電時には電極材料が発熱して、二次電池内の温度が上昇し易くなっている。そのため、上記二次電池では、過充電時に二次電池内の温度が上昇すると、低融点樹脂が溶融される。これにより、上記導電経路の切断された部分が覆われる。その結果、たとえ二次電池に外力等が加えられたとしても導電経路が再導通されることを抑制して、導電経路の切断された状態を好適に維持することができる。

一実施形態に係る二次電池を模式的に示す分解斜視図である。 図１の（II）部分を模式的に示す要部平面図である。 一実施形態に係る二次電池の電流遮断機構の部分を模式的に示す要部断面図である。 図３の電流遮断機構の作動後の状態を示す要部断面図である。 接地面積と抵抗値との相関を示すグラフである。

以下、適宜図面を参照しながら、ここに開示される二次電池の一実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない電池の構成要素）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。

図１は、一実施形態に係る二次電池１０を模式的に示す分解斜視図である。図２は、図１の（II）部分を模式的に示す要部平面図である。図３は、一実施形態に係る二次電池１０の電流遮断機構の部分を模式的に示す要部断面図である。図４は、図３の電流遮断機構の作動後の状態を示す要部断面図である。二次電池１０は、電極体１１と電解質（図示せず）と外装体２０とを備えている。電極体１１は、正極（図示せず）と負極（図示せず）とを備えている。電極体１１は、ここでは矩形状の正極と負極とが樹脂製のセパレータを介して絶縁された状態で積層された積層電極体である。

正極は、例えば、正極集電体（例えばアルミニウム箔）上に、正極活物質（例えばリチウム遷移金属複合酸化物）を含む正極活物質層が固着された構成であり得る。正極集電体の一部表面には、正極活物質層が形成されていない。当該正極活物質層が形成されていない部分には、凸形状の正極タブ部１２が配設されている。正極タブ部１２は、外装体２０の内部に配置されている。

負極は、例えば、負極集電体（例えば銅箔）上に、負極活物質（例えば黒鉛）を含む負極活物質層が固着された構成であり得る。負極集電体の一部表面には、負極活物質層が形成されていない。当該負極活物質層が形成されていない部分には、凸形状の負極タブ部１３が配設されている。負極タブ部１３の一部は、外装体２０から突出して外装体２０の外部に配置されている。負極タブ部１３は、負極集電リードとしても機能する。負極タブ部１３の端部は、外部接続用の負極端子と電気的に接続されている。

電解質は、電荷担体イオン（例えばリチウムイオン）の伝導性を有するものであればよい。電解質は、例えば、液体状であってもよいし、固体状であってもよい。電解質は、例えば、非水溶媒中に支持塩（例えばリチウム塩）を含む非水電解液であり得る。

外装体２０は、電極体１１と電解質とを収容する容器である。外装体２０は、ここでは２枚のラミネートフィルム２１、２２で構成されている。ラミネートフィルム２１、２２の外形は、正極や負極と同じ矩形状である。外装体２０は、２枚のラミネートフィルム２１、２２を重ね合わせ、当該重ね合わせた周縁の部分を溶着することにより、気密に封止されている。外装体２０は、電極体１１と電解質とを収容する収容空間を有している。外装体２０の収容空間の外縁には、ラミネートフィルム２１、２２が溶着された溶着部２３が形成されている。溶着部２３は、ここでは収容空間の全周にわたって設けられている。

図３に示すように、ラミネートフィルム２１は、ここでは、ポリプロピレン層２１ａ、アルミニウム層２１ｂ、ポリプロピレン層２１ｃをこの順で積層した３層構造の積層フィルムである。同様に、ラミネートフィルム２２は、ポリプロピレン層２２ａ、アルミニウム層２２ｂ、ポリプロピレン層２２ｃをこの順で積層した３層構造の積層フィルムである。ポリプロピレン層２１ａ、２２ａは、ラミネートフィルム２１、２２に熱溶着性を付与するための層である。アルミニウム層２１ｂ、２２ｂは、ラミネートフィルム２１、２２のガスバリア性や防湿性を高めるための層である。ポリプロピレン層２１ｃ、２２ｃは、外装体２０の最外層を構成する層である。

ラミネートフィルム２１には、正極集電リード３０が付設されている。正極集電リード３０は、良導電性の材料で構成されている。正極集電リード３０は、縦断面がＬ字形状である。正極集電リード３０の一部は、ラミネートフィルム２１のポリプロピレン層２１ｃを厚み方向に貫通している。正極集電リード３０の一端は、導電経路を通じて正極タブ部１２と電気的に連通されている。正極集電リード３０の他端は、外装体２０の外部にはみ出ている。正極集電リード３０の他端は、外装体２０からはみ出た部分で外部接続用の正極端子と電気的に接続されている。

正極タブ部１２と正極集電リード３０との間には、導電経路が形成されている。導電経路は、良導電性の材料で構成されている。導電経路は、集電タブ部１２の側から、第１の導電部３１と、第２の導電部３２とを備えている。第１の導電部３１は、集電タブ部１２に接続している。図３に示すように、断面視において、第１の導電部３１は、集電タブ部１２から外装体２０の溶着部２３の側に向かって延びる直線状の部分と、ラミネートフィルム２２の側からラミネートフィルム２１の側に向かって延びるＬ字状の部分とを有している。第１の導電部３１の直線状の部分の一部とＬ字状の部分とは、ラミネートフィルム２２のポリプロピレン層２２ａの内部に付設されている。第１の導電部３１のＬ字状の部分は、第２の導電部３２に接続されている。

第２の導電部３２は、外装体２０の溶着部２３を通るように配置されている。図２に示すように、平面視において、第２の導電部３２の周縁は、溶着部２３で取り囲まれている。第２の導電部３２は、第１の導電部３１に比べて平面視での導電経路が広めに形成されている。平面視における第２の導電部３２の面積は、概ね１ｍｍ^２以上、例えば１〜３ｍｍ^２であるとよい。溶着部２３の第２の導電部３２と交わる部分では、溶着部２３の第２の導電部３２から離れた部分に比べて、相対的に溶着性が低くなっている。そのため、二次電池１０では、外装体２０の内圧が高まった際に、溶着部２３と第２の導電部３２との交わる部分が破断され易くなっている。第２の導電部３２は、ラミネートフィルム２１のアルミニウム層２１ｂを介して、正極集電リード３０に接続されている。

第２の導電部３２の近傍、つまり、溶着部２３と導電経路とが交わる部分の近傍には、低融点樹脂４０が配置されている。低融点樹脂４０は、ここでは外装体２０の内部の収容空間であって、ラミネートフィルム２１のポリプロピレン層２１ａと電極体１１との間に配置されている。低融点樹脂４０は、絶縁性である。低融点樹脂４０は、例えば外装体２０の収容空間の内壁面を構成する材料よりも融点の低い樹脂材料で構成されている。低融点樹脂４０は、例えば、ラミネートフィルム２１、２２のポリプロピレン層２１ａ、２２ａを構成するポリプロピレン（ＰＰ）よりも融点の低い樹脂材料である。低融点樹脂４０は、例えば、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）である。低融点樹脂４０は、第２の導電部３２を被覆可能なように配置されている。第２の導電部３２の近傍に配置される低融点樹脂４０の量は、例えば第２の導電部３２の平面視における面積の２倍以上、例えば２〜１０倍程度の体積を有するとよい。

図３に示すように、二次電池１０の通常使用時には、電極体１１の正極に備えられた正極タブ部１２と、外装体２０の外部にはみ出た正極集電リード３０との間に、第１および第２の導電部３１、３２が介在されている。これによって、正極タブ部１２と正極集電リード３０とが電気的に接続されている。そのため、二次電池１０では、外部接続用の正極端子の側から電流が供給されると、正極集電リード３０と第１および第２の導電部３１、３２と正極タブ部１２とを介して、電極体１１の正極へと電流が流れる。

一方、誤操作等で二次電池１０に通常よりも多くの電流が供給されると、二次電池１０が過充電状態になる。二次電池１０が過充電状態になると、電解質が電気的に分解されてガスが発生したり、電池材料が発熱して二次電池１０内の温度が上昇したりする。二次電池１０は、これに対処するために、電流遮断機構を備えている。つまり、過充電時にガスが発生して、外装体２０の内部の圧力が所定のレベルまで上昇すると、図４に示すように、溶着性の低い第２の導電部３２の部分で、外装体２０の溶着部２３が破断される。これによって、第２の導電部３２の接触が切断される。その結果、二次電池１０では、正極タブ部１２と正極集電リード３０との間の電気的な接続を遮断することができる。

また、二次電池１０では、過充電時に二次電池１０の内部の温度が所定のレベルまで上昇すると、第２の導電部３２の近傍に配置されている低融点樹脂４０が溶融する。これにより、第２の導電部３２の切断された部分が覆われて、当該部分に絶縁部４０ａが形成される。その結果、二次電池１０では、たとえ二次電池に外力等が加えられたとしても、いったん遮断された第２の導電部３２が再び接触することが抑制される。したがって、正極タブ部１２と正極集電リード３０とが再導通することを回避することができる。

ここに開示される電流遮断機構を備えた二次電池１０は、従来品に比べて過充電耐性に優れたものである。このため、例えばプラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電気自動車等のモータ駆動用バッテリー（駆動電源）として好適に用いることができる。

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。

＜試験例１＞
ここでは、図１〜３に示すような二次電池１０を構築して、第２の導電部３２の近傍に低融点樹脂４０を配置した場合と低融点樹脂４０を配置しなかった場合とについて比較した。結果を表１に示す。

表１に示すように、低融点樹脂４０を配置しなかった場合には再導通が発生した。また、低融点樹脂４０を配置した場合でも、第２の導電部３２の平面視での面積（ｍｍ^２）が広い場合には、再導通が発生した。これは、二次電池１０内に配置された低融点樹脂４０の量に比して第２の導電部３２の接地面積（ｍｍ^２）が広かったためと考えられる。

＜試験例２＞
ここでは、図１〜３に示すような二次電池１０を構築して、第２の導電部３２の平面視での面積（ｍｍ^２）と初期抵抗との関係を検討した。結果を図５に示す。
図５に示すように、第２の導電部３２の平面視での面積が２ｍｍ^２未満であると、初期の電池抵抗が高く、導電経路として機能させることが難しかった。第２の導電部３２の平面視での面積が１ｍｍ^２以上であると、抵抗値が十分に低くなり、導電経路として好適に機能させることができた。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０ 二次電池
１１ 電極体
２０ 外装体
２３ 溶着部
３０ 正極集電リード（集電リード）
３１，３２ 導電部（導電経路）
４０ 低融点樹脂

Claims (1)

1. 正極と負極とを備える電極体と、
   電解質と、
   前記電極体と前記電解質とを収容するラミネートフィルム製の外装体と、
   一端が前記正極または前記負極と導通される導電経路に接続され、他端が前記外装体の外側に突出し、外部接続用の電極端子に接続される集電リードと、
   を備える二次電池であって、
   前記外装体は、前記電極体と前記電解質とを収容する空間の周縁に、前記ラミネートフィルムが溶着された溶着部を有し、
   前記導電経路は、前記溶着部を通るように配置されており、
   前記導電経路と前記溶着部とが交わる部分の近傍には低融点樹脂が配置されており、
   前記二次電池が過充電となった際に、前記導電経路と前記溶着部との交わる部分が破断されて前記導電経路が切断されると共に、前記低融点樹脂が溶融して前記導電経路の破断された部分を覆うように構成されている、二次電池。

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