JP6634671B2 - 二次電池、電動車両、蓄電システム、および製造方法 - Google Patents
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Description
電池要素と、
前記電池要素を電解質とともに収容する外装体と、
前記電池要素に接続された正極および負極の電極タブと、
を備える二次電池であって、
さらに、
前記外装体の外周の封止部から突出部または離間した位置において外装体の内部の互いに対向する面どうしを部分的に溶着した剥離可能シール部と、
その一方が前記電極タブに固定され、他方が前記剥離可能シール部に当接する第1のコンタクト部材と、
を備えている、二次電池。
「二次電池」には、ラミネートフィルムなどのフィルム外装体を用いるもの(フィルム外装電池)に加え、金属缶や樹脂ケースのような硬質の容器を外装体として用いるものも含まれる。電池の外形形状としては、扁平型(薄型)、角型、円筒型等が挙げられる。
「フィルム外装体」とは、可撓性を有するフィルムで構成され電池要素を収容する外装体のことをいい、2枚のフィルムを対向配置して互いに溶着することにより電池要素を密閉するものであってもよいし、1枚のフィルムを折り返して対向した面どうしを溶着することにより電池要素を密閉するものであってもよい。
「フィルム外装電池」とは、電池要素を電解質(一例で電解液。ゲル状のものを含む。)とともにフィルム外装体に収容した電池のことをいい、一般的には、全体として偏平な形状をしている。例えば電動車両用の電池では、容量が大きいこと、内部抵抗が低いこと、放熱性が高いこと等が要求されるところ、フィルム外装電池はこれらの点で有利である。1つのフィルム外装電池を「電池セル」または単に「セル」を称することもある。
「電源部」(組電池)は、車両や所定のシステム等に利用可能なものであって、複数の二次電池(セル)を備える。複数のセルは、幾つかのセルごとにサブアセンブリして搭載されてもよいし、そうでなくてもよい。幾つかのセルごとにサブアセンブリして搭載するものとしては、例えば、幾つかのセルを所定のケース内に収容した「電池パック」を作製し、それを1つまたは2つ以上搭載するような構成であってもよい。
フィルム外装電池の基本的な構成について、図1〜図3を参照して説明する。なお、後述するように本発明に係る電池は外装体内に異常時に電極タブどうしを短絡させる短絡機構等が設けられていることを特徴の1つとするが、説明の都合上、図2、図3ではそれらの図示は省略している。
<セパレータ>
セパレータとしては、有機材料からなるウェブおよびシート、例えば、セルロースなどの織布、不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系、ポリイミド、多孔性ポリフッ化ビニリデン膜等の多孔性ポリマー膜、またはイオン伝導性ポリマー電解質膜等を用いることができる。これらは単独または組み合わせで使用することができる。
負極は、金属箔で形成される負極集電体と、負極集電体の両面に塗工された負極活物質とを有する。負極活物質は負極用結着材によって負極集電体を覆うように結着される。負極集電体は、負極端子と接続する延長部を有して形成され、この延長部には負極活物質は塗工されない。
正極は、金属箔で形成される正極集電体と、正極集電体の両面に塗工された正極活物質とを有する。正極活物質は正極用結着剤によって正極集電体を覆うように結着される。正極集電体は、正極端子と接続する延長部を有して形成され、この延長部には正極活物質は塗工されない。
本実施形態で用いる電解液は、リチウム塩(支持塩)と、この支持塩を溶解する非水溶媒を含む非水電解液を用いることができる。
外装体としては、電解液に安定で、かつ十分な水蒸気バリア性を持つものであれば、適宜選択することができる。例えば、積層ラミネート型の二次電池の場合、外装体としては、アルミニウムと樹脂のラミネートフィルムを用いることが好ましい。外装体は、単一の部材で構成してもよいし、複数の部材を組み合わせて構成してもよい。
本発明の一形態に係るフィルム外装電池は、フィルム外装体が所定以上に膨張した場合に予め設定された溶着部(これを「剥離可能シール部」という)が剥離し、その剥離をきっかけとして電池の電気的接続状態の切替えが行われるものである。この電気的接続状態の切替機構としては、大別すると、(i)異常時に電極タブどうしを計画的に短絡させる「短絡機構」と、(ii)異常時に、電極タブを非通電状態として電池を機能させなくする「通電遮断機構」とがある。以下、幾つかの例を図面を参照しながら説明する。
図4、図5は第1の実施形態のフィルム外装電池の例を示している。この例では、フィルム外装体10の内部に、フィルム外装体10の内部の互いに対向する面どうしを部分的に溶着した剥離可能シール部115が形成されている。この剥離可能シール部115と、後述する第1のコンタクト部材111および第2のコンタクト部材113とにより、本実施形態の短絡機構110Aが構成されている(図4(a)、図5参照)。
なお、本発明の一形態においては、特許4232038号に開示されるような架橋構造のシール部(熱溶着部)を利用することもできる。この構造では、フィルムの熱溶着部の一部に架橋処理された樹脂からなる架橋構造部が形成されていることを1つ特徴とするも。このような構成によれば、熱溶着部に引き剥がし応力が作用した際、架橋構造部が形成された領域では他の領域と比較して小さな力で剥離する。したがって、電池の内圧上昇によって熱溶着部に引き剥がし応力が作用すると、架橋構造部が形成された領域において、対向する外装フィルムの界面で優先的に剥離が進行する。その結果、剥離位置および圧力開放位置が特定され、このことから開放圧力の設定も容易になる。
第1および第2のコンタクト部材111、113は、いずれも、基本的には、弾性変形可能な導電性材料(例えば金属材料)である。この例では、各コンタクト部材111、113はそれぞれの基端部が電極タブ21、25上に接続されている。具体的には、各コンタクト部材111、113は、それぞれ対応する電極タブ21、25に片持ち梁状に保持され、先端側が弾性的に屈曲するように構成されている。コンタクト部材111、113は、力が加わっていない状態でストレート状の部材であってもよい。
上述のように構成された本実施形態の短絡機構110Aは次のように動作する。まず、高温下での使用や過充電等といった異常によってフィルム外装体10内にガスが発生して外装体10が膨張し始めると、剥離可能シール部115付近においても、対向するフィルムどうしが互いに離れる方向に変形し始める。そして外装体10が所定以上に膨張すると剥離可能シール部115が剥離する。これにより、コンタクト部材111、113の間に介在していた部材が無くなることから、各コンタクト部材111、113がその弾性力によって元の形状に戻り、その一部が互いに接触する。その結果、電極タブ21、25間が短絡し、セルのエネルギーが逃がされる。特には、短絡機構110Aとして抵抗部材(不図示)が設けられている場合、電気エネルギーを熱エネルギーとして効率的に逃がすことができる。
上記実施形態は一対のコンタクト部材111、113を利用するものであったが、本発明の他の形態では1つのコンタクト部材のみが用いられる。この一例を図6に示す。
第2の実施形態では、屈曲したコンタクト部材が他方の電極タブに電気的に接続された集電部に当接する構成を説明したが、図7に示すように、屈曲したコンタクト部材111−3が、図6とは反対方向に付勢されており、剥離可能シール部115が剥離すると、その先端が、他方の電極タブ25に接続されたコンタクト部材113−3に当接するように構成されていてもよい。
図8は、基本的には短絡の原理が図7の構成と共通する短絡機構110Dを有する構成を示しているが、この例では、剥離可能シール部116の形状がこれまで説明してきたものと異なっている。
これまでの実施形態では、片持ち梁状に保持された弾性コンタクト部材(113等)を利用する短絡機構について説明したが、図9、図10に示すような伸縮性コンタクト部材114を利用することもできる。
(第6の実施形態)
上記実施形態はいずれも、フィルム外装体が膨張して剥離可能シール部が剥離した際に、電極タブどうしを短絡させる短絡機構を備えるものであったが、本発明は、他にも、フィルム外装体が膨張して剥離可能シール部が剥離した際に、電極タブを非通電状態とする通電遮断機構を備えるものであってもよい。
通電遮断機構としては、図12Aに示すようなものを利用してもよい。この通電遮断機構210Bでは、一対の電気的接続部材211−2、213−2については図11と基本的に共通しているが、それらを互いに当接させる手段が異なっている。すなわち、バネ状の弾性体214がやや押し縮められた状態で、電気的接続部材211−2、213−2の延長部と剥離可能シール部215cとの間に配置されている。
(1)短絡機構を備えるフィルム外装電池の製造方法
この方法は、電池要素を用意するステップと;外装体内でガスが発生し当該外装体が所定以上に膨張した場合に、正極の電極タブと負極の電極タブとを電気的に短絡させる短絡機構を設けるステップとを有する。そして、短絡機構を設けるステップでは具体的には次のような工程を行う:
a1:外装体の膨張時に優先的に剥離する剥離可能シール部を形成する工程と、
a2:一方の電極タブに固定され、前記剥離可能シール部が剥離するまでは当該剥離可能シール部に弾性的に当接し、剥離可能シール部が剥離すると変形して、他方の電極タブまたはそれに電気的に接続された部材に当接する第1のコンタクト部材を形成する工程。
この方法は、電池要素を用意するステップと;外装体内でガスが発生し当該外装体が所定以上に膨張した場合に、電極タブを非通電状態とする通電遮断機構を設けるステップとを有する。そして、通電遮断機構を設けるステップとしては、具体的には次のような工程を行う:
a1:外装体の膨張時に優先的に剥離する剥離可能シール部を形成する工程と、
a2:その剥離可能シールが剥離するまでは互いの一部が当接しており、剥離すると変形して当接していた一部どうしが互いに離れる、一対の電気的接続部材を形成する工程。
本発明の一形態として説明した短絡機構(一例として図6の短絡機構110B)は、次のような方法で製造することが可能である。これについて図13を参照して説明するが、同図に示される構成が図6から少し変更されているので、まず、この点を説明する。
図14は、本発明の一形態に係る二次電池を利用した蓄電システムの模式図である。蓄電システム1は、その規模の大小は何ら限定されるものではないが、少なくとも1つの二次電池(例えばフィルム外装電池50)を有する電源部1Aと、その充放電の監視・制御などを行う制御装置1Bとを備えている。このような蓄電システム1としては、例えばバックアップ電源であってもよく、大型施設用、事業所用、家庭用など種々のものとすることができる。
本出願は以下の発明を開示する:
1.電池要素(20)と、
前記電池要素(20)を電解質とともに収容する外装体(10)と、
前記電池要素(20)に接続された正極および負極の電極タブ(21、25)と、
を備える二次電池(50)であって、
前記外装体の外周の封止部から突出部(封止部から突出した突出部、116等)または離間した位置(115等)において、外装体の内部の互いに対向する面の一部どうしが、直接的に溶着された、または、他の部材を介して互いに接合された剥離可能シール部(115、116)と、
その一方が前記電極タブ(21)に固定され、他方が前記剥離可能シール部に当接する第1のコンタクト部材(111、114)と、
を備えている、二次電池(50)。
「直接的に溶着された、または、他の部材を介して互いに接合された」とは、剥離可能なシール部が、例えば、フィルム外装体の内面(樹脂層)どうしを溶着させて形成されたものであってもよいし、そうではなく、他の部材を介在させた状態で融着または接着して接合されたものであってもよいことを意味する。これは、いずれの形態であったとしても、「剥離可能シール部」が他のシール部(封止のためのシール部)よりも優先的に剥離するようになっていれば、本発明による作用効果は同様に得られるためである。
前記剥離可能シール部が剥離するまでは当該剥離可能シール部に弾性的に当接し、前記剥離可能シール部が剥離すると変形して、他方の電極タブ(25)またはそれに電気的に接続された部材(113、18b)に当接するように構成されている、
上記記載の二次電池。
さらに、当該剥離可能シール部が剥離すると開口して外装体の内部と外部とを連通させるガス放出孔(116h)が形成されている、上記記載の二次電池。
前記第1のコンタクト部材(111、114)と、
を有する短絡機構(110A)が設けられている、上記記載の二次電池。
なお、「電気的接続上、前記電極タブの間に配置された」とは、物理的な位置関係が「電極タブの間」という意味ではなく、電気回路として捉えたときに「電極タブの間」に抵抗部材が設けられていることを意味する。
前記電池要素(20)を電解質とともに収容する外装体(10)と、
前記電池要素(20)に接続された正極および負極の電極タブ(21、25)と、
を備えるフィルム外装電池(50)であって、
さらに、
前記電極タブの少なくとも一方が切り分けられており、
前記外装体の外周の封止部から突出部または離間した位置において外装体の内部の互いに対向する面どうしを部分的に溶着した剥離可能シール部(115、116)と、
切り分けられた前記電極タブの一方に設けられた第1の部材(211−1)、および、切り分けられた前記電極タブの他方に設けられ前記第1の部材に一部が接する第2の部材(213−1)と、
を備えている、二次電池。
前記電池要素(20)を電解質とともに収容する外装体(10)と、
前記電池要素(20)に接続された正極および負極の電極タブ(21、25)と、
を備える二次電池(50)であって、
さらに、
前記外装体の外周の封止部から突出部または離間した位置において、外装体の内部の互いに対向する面の一部どうしが、直接的に溶着された、または、他の部材を介して互いに接合された第1の剥離可能シール部(115、116)と、
その一方が前記電極タブ(21)に固定され、他方が前記溶着部に当接する第1のコンタクト部材(111、114)と、
を備え、かつ、
前記電極タブの少なくとも一方が切り分けられており、
前記外装体の外周の封止部から突出部または離間した位置において、外装体の内部の互いに対向する面の一部どうしが、直接的に溶着された、または、他の部材を介して互いに接合された、前記第1の剥離可能シール部とは別の第2の剥離可能シール部(115、116)と、
切り分けられた前記電極タブの一方に設けられた第1の部材(211−1)、および、切り分けられた前記電極タブの他方に設けられ前記第1の部材に一部が接する第2の部材(213−1)と、を備えている、二次電池。
外装体の外周の封止部から突出部または離間した位置において外装体の内部の互いに対向する面の一部どうしが直接的または間接的に接合された剥離可能シール部(115、116)を形成するステップと、
その一方が前記電極タブ(21)に固定され、他方が前記溶着部に当接する第1のコンタクト部材(111、114)を設けるステップとを含む、二次電池の製造方法。
この方法では、外装体内でガスが発生し当該外装体が所定以上に膨張した場合に、正極の電極タブと負極の電極タブとを電気的に短絡させる短絡機構を設けるステップと、を有する。そして、前記短絡機構を設けるステップは、
(a1)前記外装体の膨張時に優先的に剥離する剥離可能シール部を形成する工程と、
(a2)一方の前記電極タブに固定され、前記剥離可能シール部が剥離するまでは当該剥離可能シール部に弾性的に当接し、前記剥離可能シール部が剥離すると変形して、他方の電極タブまたはそれに電気的に接続された部材に当接する第1のコンタクト部材を形成する工程と、を含む。
2 電動車両
10 フィルム外装体
11、12 ラミネートフィルム
15 熱溶着部
18a、18b 集電部
18a′、18b′ 電極の延長部
20 電池要素
21、25 電極タブ
110A〜110E 短絡機構
111、111−2、111−3、111−4 コンタクト部材
113、113−3、113−4、113−5 コンタクト部材
114 伸縮性コンタクト部材
115、116、117 剥離可能シール部
116h ガス放出孔
141、145 導電性材料
145a 当接部
210A、210B 通電遮断機構
211−1、211−2 電気的接続部材
213−1、211−2 電気的接続部材
214 弾性体
215a〜215c 剥離可能シール部
Claims (14)
- 電池要素と、
前記電池要素を電解質とともに収容する外装体と、
前記電池要素に接続された正極および負極の電極タブと、
を備える二次電池であって、
前記外装体の外周の封止部から突出または離間した位置において、外装体の内部の互いに対向する面の一部どうしが、直接的に溶着された、または、他の部材を介して互いに接合された剥離可能シール部と、
その一方が前記電極タブに固定され、他方が前記剥離可能シール部に当接する第1のコンタクト部材と、
を備え、
前記第1のコンタクト部材は、前記外装体の膨張に伴って前記剥離可能シール部が剥離するまでは当該剥離可能シール部に弾性的に当接し、前記剥離可能シール部が剥離すると変形して、他方の電極タブまたはそれに電気的に接続された部材に当接し、これにより、前記電極タブどうしを短絡させるように構成されている、
二次電池。 - 前記第1のコンタクト部材は、前記電極タブに片持ち梁状に保持された部材である、請求項1に記載の二次電池。
- 前記第1のコンタクト部材は、伸縮自在な弾性部材である、請求項1に記載の二次電池。
- 他方の電極タブに電気的に接続された前記部材として、前記電極タブに取り付けられた第2のコンタクト部材を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の二次電池。
- 他方の電極タブに電気的に接続された前記部材が、前記他方の電極タブが接続される、前記電池要素の集電部である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記剥離可能シール部は、前記外装体が膨張したときに優先的に剥離するように構成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記剥離可能シール部に、
当該剥離可能シール部が剥離すると開口して外装体の内部と外部とを連通させるガス放出孔が形成されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の二次電池。 - 前記剥離可能シール部と、前記第1のコンタクト部材と、を有する短絡機構が設けられている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記短絡機構が、電気的接続上、前記電極タブの間に配置された抵抗部材を有している、請求項8に記載の二次電池。
- 電池要素と、
前記電池要素を電解質とともに収容する外装体と、
前記電池要素に接続された正極および負極の電極タブと、
を備える二次電池であって、
前記電極タブの少なくとも一方が切り分けられており、
前記外装体の外周の封止部から突出または離間した位置において外装体の内部の互いに対向する面どうしを部分的に溶着した剥離可能シール部と、
切り分けられた前記電極タブの一方に設けられた第1の部材、および、切り分けられた前記電極タブの他方に設けられ前記第1の部材に一部が接する第2の部材と、
を備え、
(i)前記剥離可能シール部が剥離していない状態では前記第1の部材と前記第2の部材との当接状態が維持され、(ii)前記外装体の膨張に伴って前記剥離可能シール部が剥離した状態では、前記第1の部材と前記第2の部材とが当接していない状態となり、これにより、前記一方の電極タブの通電が遮断されるように構成されている、
二次電池。 - 電池要素と、
前記電池要素を電解質とともに収容する外装体と、
前記電池要素に接続された正極および負極の電極タブと、
を備える二次電池であって、
前記外装体の外周の封止部から突出または離間した位置において、外装体の内部の互いに対向する面の一部どうしが、直接的に溶着された、または、他の部材を介して互いに接合された第1の剥離可能シール部と、
その一方が前記電極タブに固定され、他方が前記第1の剥離可能シール部に当接する第1のコンタクト部材と、
を備え、かつ、
前記電極タブの少なくとも一方が切り分けられており、
前記外装体の外周の封止部から突出または離間した位置において、外装体の内部の互いに対向する面の一部どうしが、直接的に溶着された、または、他の部材を介して互いに接合された、前記第1の剥離可能シール部とは別の第2の剥離可能シール部と、
切り分けられた前記電極タブの一方に設けられた第1の部材、および、切り分けられた前記電極タブの他方に設けられ前記第1の部材に一部が接する第2の部材と、
を備え、
前記第1のコンタクト部材は、前記外装体の膨張に伴って前記第1の剥離可能シール部が剥離するまでは当該第1の剥離可能シール部に弾性的に当接し、前記剥離可能シール部が剥離すると変形して、他方の電極タブまたはそれに電気的に接続された部材に当接し、これにより、前記電極タブどうしを短絡させ、かつ、
(i)前記第2の剥離可能シール部が剥離していない状態では前記第1の部材と前記第2の部材との当接状態が維持され、(ii)前記第2の剥離可能シール部が剥離すると前記第1の部材と前記第2の部材とが当接していない状態となり、これにより、前記電極タブの通電が遮断されるように構成されている、
二次電池。 - 請求項1〜11のいずれか一項に記載の二次電池を複数有する電源部を備える電動車両。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の二次電池を複数有する電源部を備える蓄電システム。
- 電池要素を用意するステップと、
外装体の外周の封止部から突出または離間した位置において外装体の内部の互いに対向する面の一部どうしが直接的または間接的に接合された剥離可能シール部を形成するステップと、
その一方が電極タブに固定され、他方が前記剥離可能シール部に当接する第1のコンタクト部材を設けるステップと
を含み、
前記第1のコンタクト部材は、前記外装体の膨張に伴って前記剥離可能シール部が剥離するまでは当該剥離可能シール部に弾性的に当接し、前記剥離可能シール部が剥離すると変形して、他方の電極タブまたはそれに電気的に接続された部材に当接し、これにより、前記電極タブどうしを短絡させるものである、
二次電池の製造方法。
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