JP6661485B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Description

本開示は、非水電解質二次電池に関する。

非水電解質二次電池には、過充電を検知して電流を遮断する電流遮断機構を設けることがある。電流遮断機構を備える電池は、一般的に、電極体を収容する外装缶及び外装缶の開口端部に接合される封口板が、電極体と電気的に接続されていない構成を有する（特許文献１及び特許文献２参照）。

特許第５５８２１８２号公報 特開２０１４-８６１７７号公報

非水電解質二次電池は、満充電時に外部から応力が加わることによる内部短絡が起こると、電池の温度が上昇することがある。

特許文献１及び特許文献２に開示されるような構成では、外装缶及び封口板が電極体と導通していない。そのため、内部短絡時には短絡電流が電極体内を流れ、短絡箇所においてジュール熱が発生し、ジュール熱によって正極活物質と非水電解質との反応が誘起され、結果として電池の温度が急激に上昇する可能性がある。

本開示の非水電解質二次電池は、導電性を有する外装缶と、外装缶に収容されている電極体と、外装缶の開口端部を密閉していて導電性を有する封口板と、封口板に設けられている外部端子と、を備える非水電解質二次電池であって、外部端子と電極体とを電気的に接続する導電経路の途中に、電池内圧が上昇したときに電気的接続を遮断するための電流遮断機構をさらに備え、電流遮断機構は、封口板の薄肉部と、電池内圧の上昇に伴い外部端子と電極体との電気的接続を遮断するように変形するダイアフラムとを含み、封口板は、全体が導電性の材料からなり直接接合により外装缶の開口端部を密閉しており、電極体は、集電リード及び封口板を介して外装缶と電気的に接続されており、ダイアフラムは封口板を介して電気的に集電リードに接続されている。

本開示によれば、電池温度の急激な上昇を抑制でき、信頼性に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。

実施形態の一例である非水電解質二次電池の斜視図である。 図１のＩＩ-ＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＶ-ＩＶ線に沿った断面図である。 実施形態に係る（ａ）正極及び（ｂ）負極の平面図である。 実施形態に係る電極体の平面図である。 実施形態に係る電極体の部分側面図である。 図３における電流遮断機構付近の拡大図である。 図８における封口体の薄肉部付近の拡大図である。 電流遮断機構の動作を説明する図である。 従来の電流遮断機構を説明する図である。

非水電解質二次電池は、芯体上に活物質層が形成された正負極からなる電極体が、非水電解質（電解液）とともに外装缶に収容された後、外装缶の開口端部に外部端子が設けられる封口板が接合されることにより構成される。また、外部端子と電極体とを電気的に接続する導電経路の途中に電流遮断機構が備えられる。後述する図１１に示すように、電流遮断機構は、例えば、電極体側に筒状開口部を有する封口体リードと、筒状開口部を密閉し電池内圧の上昇に伴い電極体と封口体リードとの間の電気的接続を遮断するように変形するダイアフラムとを含む。封口体リードは、ダイアフラムを収容し、且つ電池内圧が上昇した場合にダイアフラムが変形することを可能にするために封口板の電極体側に設けられている。

電流遮断機構は、過充電対策技術として電池に備えられたものであり、電池内圧が所定値以上になると電流を遮断するものである。電池が過充電状態になると電解液中の非水溶媒等が電気分解され、ガスが発生する。電流遮断機構は、このガス発生に基づいてダイアフラムが変形することで外部端子と電極体との導電経路を切断し、それ以上の過充電を防止し得るようになっている。

電流遮断機構を備える電池においては、上記特許文献１及び２に開示されるように、一般的に、電極体を収容する外装缶及び外装缶の開口端部に接合される封口板が、電極体と電気的に接続されていない構成を有する。

ところで、非水電解質二次電池は、電池の温度が上昇することがある。特に、電池の満充電時に外部から応力が加わることによる内部短絡が起こると、瞬時に大きなエネルギーを放出するため、電池の温度が急激に上昇する可能性が高い。内部短絡が起こる原因としては、例えば、先端が鋭利な金属部材（釘等）による貫通、圧壊によって電池が潰されること、落下による衝撃等が挙げられる。中でも、先端が鋭利な金属部材が貫通することによって生じる内部短絡は、短絡箇所（特に正極芯体近傍）で発生するジュール熱の発生量が大きく、このジュール熱により正極活物質と非水電解質との反応が誘起され、電池温度の急激な上昇を招くことがある。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、電流遮断機構を備える非水電解質二次電池において、ダイアフラムと集電リードとを封口板を介して配置することで、外装缶と電極体とを電気的に接続できることを見出し、本実施の形態を考案するに至った。本実施形態であれば、電極体から外装缶への電流回路が形成され、内部短絡時の短絡電流を電極体から外装缶へ逃がすことができるため、短絡箇所における温度上昇を抑えることができ、結果として、電池温度の急激な上昇を抑制することができる。

以下に図面を用いて、実施形態の一例について詳細に説明する。実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描写された構成要素の寸法比率等は現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、実施形態の一例である非水電解質二次電池１０の斜視図である。また、図２は、図１のＩＩ-ＩＩ線に沿った断面図である。非水電解質二次電池１０は、有底で開口を有する外装缶１２と、該開口を密閉する封口板１４とを備える。外装缶１２は、芯体上に活物質層を備えた正負極からなる電極体４０が電解液とともに収容される有底筒状の角型容器である。外装缶１２は、底部１２ａを有し、底部１２ａと対向する位置に開口が設けられる。封口板１４は、外装缶１２を密閉する蓋体であり、電解液を注液するための注液孔１６ａを封止する封止栓１６、ガス排出弁１８、正極外部端子２０、及び負極外部端子３０が設けられる。ガス排出弁１８は、電池内部のガスを電池外部に排出するためのものである。ガス排出弁１８の作動圧は、後述する電流遮断機構の作動圧よりも高く設定される。外装缶１２及び封口板１４の材質には、導電性を有する材質であって、正極電位で安定な金属が用いられることが好ましく、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金とすることができる。

正極外部端子２０は、外部電源と正極とを導通させる機能を有する。負極外部端子３０は、外部電源と負極とを導通させる機能を有する。また、図２に示すように正極外部端子２０は、栓体２０ａを有する。栓体２０ａは、外装缶１２が耐えきれないほどのガスが発生した場合に、正極外部端子２０の外側に外れることでガスを排出することが可能である。

正極外部端子２０は、絶縁性のガスケット２２により封口板１４と電気的に絶縁された状態で封口板１４に取り付けられる。また、負極外部端子３０は、絶縁性のガスケット３２及び負極絶縁部材３４により封口板１４と電気的に絶縁された状態で封口板１４に取り付けられる。ガスケット２２，３２、及び負極絶縁部材３４は、樹脂製であることが好ましい。

図２に示すように、外装缶１２には、電極体４０が収容される。電極体４０は、側面及び底面が絶縁シート４２に覆われた状態で収容される。絶縁シート４２は、例えば、外装缶１２の内壁に沿うよう箱状に折り曲げられたもの、もしくは電極体４０を覆うような袋状のものを用いることが好ましい。

電極体４０において、封口板１４側の一方端部に正極タブ部２６が配置され、封口板１４側の他方端部に負極タブ部３６が配置される。正極タブ部２６には、正極集電リード２８が接合される。負極タブ部３６には、負極集電リード３８が接合される。正極集電リード２８は、封口板１４及びダイアフラム５０を介して正極外部端子２０と電気的に接続される。負極集電リード３８は、負極外部端子３０と電気的に接続される。

図３は、図１のＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った断面図である。図３に示すように、正極において、正極タブ部２６が正極集電リード２８に接合される。図３では、正極タブ部２６と正極集電リード２８との接合箇所を１ヶ所とする様子を示すが、正極集電リード２８との接合箇所を２ヶ所以上設けてもよい。例えば、２ヶ所とすることで、正極タブ部２６の長さのばらつきを小さくすることが可能となる。また、正極タブ部２６に他の導電部材を接続し、正極集電リード２８と接合してもよい。

図４は、図１のＩＶ-ＩＶ線に沿った断面図である。図４に示すように、負極において、負極タブ部３６が負極集電リード３８に接合される。正極と同様に、図４では、負極タブ部３６と負極集電リード３８との接合箇所を１ヶ所とする様子を示すが、負極集電リード３８との接合箇所を２ヶ所以上設けてもよい。例えば、２ヶ所とすることで、負極タブ部３６の長さのばらつきを小さくすることが可能となる。また、負極タブ部３６に他の導電部材を接続し、負極集電リード３８と接合してもよい。

正極は、例えば、金属箔等の正極芯体と、正極芯体上に形成された正極活物質層とで構成される。正極芯体には、正極の電位範囲で安定な金属の箔、または正極の電位範囲で安定な金属を表層に配置したフィルム等が用いられる。正極の電位範囲で安定な金属としては、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金を用いることが好適である。正極芯体は、鉄を含有するアルミニウムを用いることが好ましい。正極芯体中の鉄の含有量は、１．２０重量％以上１．７重量％以下であるとよい。正極芯体が上記範囲の鉄を含有するアルミニウムであれば、正極作製時の熱処理によって正極の伸び率が高まり、内部短絡時の伸び不足による破断を防ぐことができる。正極活物質層は、例えば、正極活物質の他に、導電剤、結着剤等を含み、これらを適当な溶媒で混合し、正極芯体上に塗布した後、乾燥及び圧延して得られる層である。

正極活物質は、粒子形状であり、アルカリ金属元素を含む遷移金属酸化物、あるいは該遷移金属酸化物に含まれる遷移金属元素の一部が異種元素によって置換された遷移金属酸化物等を用いることができる。アルカリ金属元素には、例えばリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）等が挙げられる。これらのアルカリ金属元素の中でもリチウムを用いることが好ましい。遷移金属元素には、スカンジウム（Ｓｃ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、及びイットリウム（Ｙ）等からなる群から選ばれる少なくとも１種の遷移金属元素を用いることができる。これらの遷移金属元素の中でも、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ等を用いることが好ましい。異種元素としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）及びホウ素（Ｂ）等からなる群から選ばれる少なくとも１種の異種元素を用いることができる。これらの異種元素の中でも、Ｍｇ、Ａｌ等を用いることが好ましい。

このような正極活物質の具体例には、リチウム含有遷移金属酸化物として、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＭｎＯ₂、ＬｉＮｉ_1-yＣｏ_yＯ₂（０＜ｙ＜１）、ＬｉＮｉ_1-y-zＣｏ_yＭｎ_zＯ₂（０＜ｙ＋ｚ＜１）、ＬｉＦｅＰＯ₄等が挙げられる。正極活物質は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

導電剤は、導電性を有する粉体又は粒子等であり、正極活物質層の電子伝導性を高めるために用いられる。導電剤には、導電性を有する炭素材料、金属粉末、有機材料等が用いられる。具体的には、炭素材料としてアセチレンブラック、ケッチェンブラック、及び黒鉛等、金属粉末としてアルミニウム等、及び有機材料としてフェニレン誘導体等が挙げられる。これら導電剤は、単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。

結着剤は、正極活物質及び導電剤間の良好な接触状態を維持し、かつ正極芯体表面に対する正極活物質等の結着性を高めるために用いられる。結着剤には、フッ素系高分子、ゴム系高分子等を用いることができる。具体的には、フッ素系高分子としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、またはこれらの変性体等、ゴム系高分子としてエチレン−プロピレン−イソプレン共重合体、エチレン−プロピレン−ブタジエン共重合体等が挙げられる。結着剤は、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等の増粘剤と併用されてもよい。

正極は、例えば、以下のようにして得ることができる。まず、正極活物質としてのコバルト酸リチウム、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、導電剤としての炭素材料、及びＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を含む正極スラリーを調整する。次に、正極スラリーを例えば厚さ１５μｍの正極芯体の両面に塗布し、乾燥させることにより、正極芯体の両面に正極活物質層が形成された正極が得られる。得られた正極に対して、例えば、２８０℃の下、２０秒間、露点−３０℃の低湿度な熱風により熱処理を施す。その後、正極は、正極活物質層が所定厚さとなるよう圧延処理を行った後、所定の形状に裁断する。

図５（ａ）は、裁断後の正極６０の平面図である。図５（ａ）に示すように、正極６０は、正極芯体の両面に正極活物質層６２が形成された方形状の領域を有し、方形状における短辺の一方端に正極芯体露出部６４が設けられる。正極芯体露出部６４が複数枚積層されたものが正極タブ部２６となる。正極芯体露出部６４の根元部分６６には、絶縁層又は正極芯体より電気抵抗が高い保護層を設けることが好ましい。

負極は、例えば、金属箔等の負極芯体と、負極芯体上に形成された負極活物質層とで構成される。負極芯体には、負極の電位範囲でリチウムと合金を作らない金属の箔、または負極の電位範囲でリチウムと合金を作らない金属を表層に配置したフィルム等が用いられる。負極の電位範囲でリチウムと合金を作らない金属としては、低コストで加工がしやすく電子伝導性の良い銅を用いることが好適である。負極活物質層は、例えば、負極活物質と、結着剤等を含み、これらを水あるいは適当な溶媒で混合し、負極芯体上に塗布した後、乾燥及び圧延することにより得られる層である。

負極活物質は、アルカリ金属イオンを吸蔵および放出可能な材料であれば、特に限定なく用いることができる。このような負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属、合金、金属酸化物、金属窒化物、及びアルカリ金属を予め吸蔵させた炭素ならびに珪素等を用いることができる。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、ピッチ系炭素繊維等が挙げられる。金属もしくは合金の具体例としては、リチウム（Ｌｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、リチウム合金、ケイ素合金、スズ合金等が挙げられる。負極活物質は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

結着剤としては、正極の場合と同様にフッ素系高分子、ゴム系高分子等を用いることができるが、ゴム系高分子であるスチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）、またはこの変性体等を用いることが好適である。結着剤は、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等の増粘剤と併用されてもよい。

負極は、例えば、以下のようにして得ることができる。まず、負極活物質としての黒鉛、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、及び水を含む負極スラリーを調整する。次に、負極スラリーを例えば厚さ８μｍの負極芯体の両面に塗布し、乾燥させることにより負極芯体の両面に負極活物質層が形成された負極が得られる。得られた負極は、負極活物質層が所定厚さとなるよう圧延処理を行った後、所定の形状に裁断する。

図５（ｂ）は、裁断後の負極７０の平面図である。図５（ｂ）に示すように、負極７０は、負極芯体の両面に負極活物質層７２が形成された方形状の領域を有し、方形状における短辺の一方端に負極芯体露出部７４が設けられる。負極芯体露出部７４が複数枚積層されたものが負極タブ部３６となる。なお、負極７０の大きさは、充電時のリチウムの受け入れ性の観点から正極６０より僅かに大きくすることが好ましい。

図６は、電極体４０の平面図である。電極体４０は、複数枚の正極６０及び負極７０をセパレータ４４を介して積層して得られる。最外層に負極７０が位置する場合は、例えば、１００枚の正極６０及び１０１枚の負極７０をポリオレフィン製のセパレータ４４を介して積層して得られる。図６に示すように、電極体４０は、方形状における短辺の一方端において、正極芯体露出部６４が１００枚積層された正極タブ部２６が配置される。また、方形状における短辺の他方端において、負極芯体露出部７４が１０１枚積層された負極タブ部３６が配置される。電極体４０の両外面には、セパレータ４４が配置される。

電極体４０は、絶縁テープ４６等により正極６０、負極７０、及びセパレータ４４が積層された状態に固定することが好ましい。もしくは、セパレータ４４に接着層を設け、セパレータ４４と正極６０、セパレータ４４と負極７０とがそれぞれ接着されるようにしてもよい。または、２枚のセパレータ４４の間に正極６０を配置し、セパレータ４４が袋状になるよう周縁を溶着した後、袋状のセパレータ４４に収容された正極６０と負極７０と積層させてもよい。

図７は、電極体４０の部分側面図である。図７に示すように、電極体４０において、正極芯体露出部６４同士を予め接合し、正極タブ部２６を形成してもよい。正極タブ部２６を予め接合することで正極タブ部２６と正極集電リード２８との接合する作業が容易となる。また、正極６０と同様に、負極７０についても負極芯体露出部７４同士を予め接合し、負極タブ部３６を形成してもよい。

電極体４０と共に外装缶１２に収容される非水電解質は、非水電解質二次電池で用いられる液体電解質（電解液）を特に限定なく用いることができる。場合によっては、非水電解質は、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解する電解質塩とを含む。非水溶媒は、例えば、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル、環状エーテル、鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、鎖状エーテル、ニトリル類、アミド類などを用いることができる。より具体的には、環状炭酸エステルとしてエチレンカーボネート（ＥＣ）やプロピレンカーボネート（ＰＣ）等、環状カルボン酸エステルとしてγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）等、鎖状炭酸エステルとしてエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）等を用いることができる。中でも、高誘電率溶媒である環状炭酸エステルとしてエチレンカーボネート（ＥＣ）と、低粘度溶媒である鎖状炭酸エステルとしてエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）を混合して用いることが好適である。また、上記非水溶媒の水素原子をフッ素原子等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を用いてもよい。

電解質塩は、アルカリ金属塩を用いることができ、例えばリチウム塩であることがより好ましい。リチウム塩には、従来の非水電解質二次電池において一般に使用されているＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄等を用いることができる。これらのリチウム塩は、１種で使用してもよく、また２種類以上組み合わせて使用してもよい。

また、非水電解質二次電池１０は、過充電抑制剤を含むことが好適である。過充電抑制剤は、通常充放電がなされる所定領域（例えば３．０Ｖ以上４．２Ｖ以下）の上限電圧値（例えば４．２Ｖ）以上の所定電圧（例えば５．０Ｖ）で分解が起こり、ガスを発生させる。過充電抑制剤由来のガスよって、電流遮断機構が作動され、所定電圧以上に充電されることが抑制される。過充電抑制剤としては、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）を用いることが好ましい。炭酸リチウムは、正極活物質層に添加することができ、シクロヘキシルベンゼンは電解液に添加することができる。

図８は、図３における電流遮断機構付近の拡大図である。また、図９は、図８における封口板１４の薄肉部１４ａ付近の拡大図である。電流遮断機構は、正極外部端子２０と電極体４０とを電気的に接続する導電経路の途中に備えられ、電池内圧が上昇したときに電気的接続を遮断する機能を有する。電流遮断機構は、封口板１４の薄肉部１４ａと、電池内圧の上昇に伴い封口板１４と正極外部端子２０との間の電気的接続を遮断するように変形するダイアフラム５０とを含む。

ダイアフラム５０は、封口板１４の薄肉部１４ａと正極外部端子２０との間に配置され、中央部５０ａに凹形平面を有する皿状の板である。ダイアフラム５０の材質には、正極電位で安定な金属が用いられることが好ましく、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金とすることができる。電流遮断機構は、場合によっては、負極７０側に設けてもよい。その場合、ダイアフラム５０は、封口板１４と負極外部端子３０との間の電気的接続を遮断するように配置されるため、ダイアフラム５０の材質には、負極電位範囲でリチウムと合金を作らない金属が用いられることが好ましく、例えば、銅とすることができる。

封口板１４は、封口板１４に設けられた正極外部端子２０が突出する外側面１４ｄと薄肉部１４ａとの間に空間５１を有する。この空間５１に正極外部端子２０の少なくとも一部分及びダイアフラム５０を収容することができる。

図９に示すように、封口板１４の薄肉部１４ａにおいて、ダイアフラム５０との接触面の少なくとも一部分を薄肉部１４ａよりさらに薄肉とする破断部１４ｂを有することがよい。さらに封口板１４の薄肉部１４ａにおいて、破断部１４ｂの周端に脆弱部１４ｃを設けることが好ましい。脆弱部１４ｃは、破断部１４ｂよりさらに薄肉であるため耐圧性が最も低い。そのため、電池内圧が上昇した場合には脆弱部１４ｃより破断される。このとき、破断部１４ｂはダイアフラム５０の中央部５０ａと接合された状態である。電池内圧がさらに上昇した場合には、ダイアフラム５０が破断部１４ｂと共に正極外部端子２０側に凸状に変形する。

ダイアフラム５０の円形状の周縁部５０ｂと封口板１４の薄肉部１４ａとの間にはガスケット２２が配置される。電流遮断機構においては、電池内圧が上昇して封口板１４の脆弱部１４ｃが破断し、電池内圧の更なる上昇に伴って封口板１４の破断部１４ｂとダイアフラム５０とが正極外部端子２０側に凸状に変形する。このとき、周縁部５０ｂと封口板１４の薄肉部１４ａとは絶縁性のガスケット２２を介しているため、ダイアフラム５０と封口板１４との電気的接続が遮断される。

このように、封口板１４は、電池内圧が上昇したときには脆弱部１４ｃが破断されてダイアフラム５０と共に電流を遮断する機能を有するため、蓋体であると同時に電流遮断機構に含まれる。

ここで、電流遮断機構が備えられる上記導電経路について詳述する。封口板１４とガスケット２２を介して絶縁された正極外部端子２０は、周端においてダイアフラム５０と接合されて電気的に接続される。ダイアフラム５０は、中央部５０ａと封口板１４の破断部１４ｂとが接合されて封口板１４と電気的に接続される。封口板１４は、正極集電リード２８と接合されて電気的に接続される。正極集電リード２８は、電極体４０と接合されて電気的に接続される。これにより、正極外部端子２０と電極体４０とを電気的に接続する導電経路が形成される。

このように、電極体４０と封口板１４とが正極集電リード２８を介して電気的に接続され、ダイアフラム５０と正極集電リード２８とが封口板１４を介して接続されることで、正極外部端子２０から封口板１４を介して電極体４０への導電経路が形成される。

また、正極集電リード２８が接合された封口板１４は、外装缶１２の開口端部と接合されている。これにより、正極集電リード２８及び封口板１４を介して外装缶１２が電極体４０と電気的に接続され、電極体４０から外装缶１２への電流回路が形成される。

電極体４０から外装缶１２への電流回路が形成されることによって、例えば、先端が鋭利な金属部材等が電極体４０を貫通するような内部短絡時には、短絡電流が電極体４０から外装缶１２へ流れる。その結果、短絡箇所におけるジュール熱の発生量が小さくなり、電極体４０の温度上昇を抑制できる。電極体４０の温度上昇は、正極活物質と非水電解質との反応を誘起し、電池の急激な温度上昇を招くことがある。しかしながら、上記構成であれば、電極体４０の温度上昇が抑えられるため、電極体４０の温度上昇によって生じる電池の急激な温度上昇を抑制できる。

また、外装缶１２が封口板１４と接合され、電極体４０と封口板１４とが正極集電リード２８を介して電気的に接続されることによって、電極体４０から正極集電リード２８及び封口板１４を介して外装缶１２に至る熱伝導回路が形成される。例えば、急速充電時にはオーム損に起因するジュール熱が発生すること等により電極体４０の温度上昇が生じるが、外装缶１２を冷却することで、封口板１４及び正極集電リード２８を介して電極体４０を冷却できるため、電極体４０の温度上昇を抑制できる。

また上記構成において、正極集電リード２８が封口板１４に一体的に接続されていることが好ましい。これにより、従来、電流遮断機構においてダイアフラム５０の変形を可能にするために正極集電リード２８と封口板１４との間に設けられていた封口体リードが不要となり、部品点数を減少させることができる。

また、ダイアフラム５０は、封口板１４において薄肉部１４ａの正極外部端子２０側に配置されることが好ましい。これにより、薄肉部１４ａの電極体４０側に正極集電リード２８を配置する場合に妨げとなるものがなく、正極集電リード２８と封口板１４とを一体的に接続することができる。また、電池内圧の上昇に伴う電流遮断が封口板１４の薄肉部１４ａとその上に配置されるダイアフラム５０とでなされるため、電流遮断機構を薄型化でき、電池のコンパクト化が実現する。

次に、電流遮断機構の動作について説明する。電流遮断機構は、例えば、充電中に外部電源の誤作動等が生じ、所定の電圧領域を超えて充電がなされる場合に作動する。図１０は、図８において電流遮断機構が作動した様子を示す図である。

まず、非水電解質二次電池１０において、充電の必要性が生じると、予め設定された電圧領域における所定の上限電圧値まで充電を開始する。通常であれば所定の上限電圧値に達すると充電が終了するが、充電中に外部電源の誤作動等が生じることにより、所定の上限電圧値を超えて過充電されることがある。

所定の上限電圧値を超えると、電解液中の非水溶媒が分解し、ガスが発生する。さらに、過充電抑制剤の分解電圧まで達すると、過充電を抑制すべく電流遮断機構を作動するためのガスが発生し、電池内圧が上昇する。電池内圧が上昇すると、封口板１４の脆弱部１４ｃが電池内圧に耐えきれず破断する。

その後、電池内圧の更なる上昇に伴って、ダイアフラム５０は、封口板１４の破断部１４ｂと共に正極外部端子２０側に円弧状となって変形する。ダイアフラム５０は、周縁部５０ｂにおける正極外部端子２０との接合を維持しながら正極外部端子２０側に凸状となる。この時点で、正極外部端子２０は、ガスケット２２を介して封口板１４と絶縁された状態となる。

封口板１４は、正極集電リード２８を介して電極体４０と電気的に接続されるが、このとき、正極外部端子２０と封口板１４との間で導通しなくなるため、結果として、正極外部端子２０と電極体４０との間で電流が遮断される。

仮に、このような電流遮断状態において内部短絡が起きた場合であっても、電極体４０は正極集電リード２８及び封口板１４を介して外装缶１２と電気的に接続されている。そのため、短絡電流を電極体４０から外装缶１２へ逃がすことができる。

〔試験例〕
また、電極体４０から外装缶１２への電流回路を形成することによって、内部短絡時の電池温度の急激な上昇を抑制する効果を把握する目的で、満充電状態の電池を用いて先端が鋭利な金属部材を貫通させることによる内部短絡試験を行った。試験方法としては、まず、電池を環境温度２５℃にて、１．０Ｃ（時間率）の定電流で電池電圧が４．２Ｖになるまで充電を行い、その後定電圧で電流値が０．０５Ｃになるまで充電を引き続き行った。次に、電池温度が６５℃の環境下で、電極体４０の積層方向に沿った電池の側面中央部に３ｍｍφの太さで先端が鋭利になった丸釘の先端を接触させた。その後、丸釘を８０ｍｍ／ｓｅｃの速度で電極体４０の積層方向と垂直な方向に突き刺し、丸釘が完全に電池を貫通した時点で丸釘の突き刺しを停止させた。突き刺し後の電池温度の挙動として、電池表面に熱電対を接触させて電池温度を測定した。電池温度としては、突き刺し後１０秒経過時の電池温度を評価した。

上記試験対象となる電池は、上述する実施形態の非水電解質二次電池１０（実施例１）と、外装缶１２と封口板１４とが電極体４０と電気的に接続されず、且つ従来のように封口体リードを備える構成としたこと以外、電解液及び電極体４０の構成は実施例１と同様とした電池１０Ａ（比較例１）とを用いた。

図１１は、比較例１に用いた電池１０Ａにおいて、実施例１から変更した構成である封口体リード５２を備える従来の電流遮断機構を示す図である。図１１に示すように、筒状開口部を有する封口体リード５２が正極外部端子２０と接合され、封口体リード５２の筒状開口部をダイアフラム５０が密閉する構成となっている。また、ダイアフラム５０の周縁部５０ｂと正極集電リード２８との間には正極絶縁部材２４が設けられ、ダイアフラム５０が変形したときには、正極絶縁部材２４を介してダイアフラム５０と正極集電リード２８とが電気的に遮断された状態となる。このような構成を有する比較例１の電池１０Ａにおいて、外装缶１２及び封口板１４は、電極体４０と電気的に接続されていない。

上記試験の結果、実施例１は電池温度が約３００℃であったのに対し、比較例１は、約３５０℃であった。つまり、実施例１の非水電解質二次電池１０は、比較例１の電池１０Ａに比べて１０秒後の電池温度が約５０℃低い結果となった。このことから、実施例１は、外装缶１２と電極体４０とが電気的に接続されているため電極体４０の温度上昇が抑制されており、結果として、電極体４０の温度上昇によって生じる電池の急激な温度上昇を抑制できたと考えられる。

上述した実施形態によれば、電極体４０から外装缶１２への電流回路を形成でき、電極体４０の温度上昇を抑えることができ、結果として、電極体４０の温度上昇によって生じる電池の急激な温度上昇を抑制できる。また、従来用いられている封口体リードを有さず電流遮断機構を薄型化でき、電池のコンパクト化が実現する。

１０ 非水電解質二次電池、１２ 外装缶、１２ａ 底部、１４ 封口板、１４ａ 薄肉部、１４ｂ 破断部、１４ｃ 脆弱部、１４ｄ 外側面、１６ 封止栓、１６ａ 注液孔、１８ ガス排出弁、２０ 正極外部端子、２０ａ 栓体、２２ ガスケット、２４ 正極絶縁部材、２６ 正極タブ部、２８ 正極集電リード、３０ 負極外部端子、３２ ガスケット、３４ 負極絶縁部材、３６ 負極タブ部、３８ 負極集電リード、４０ 電極体、４２ 絶縁シート、４４ セパレータ、４６ 絶縁テープ、５０ ダイアフラム、５０ａ 中央部、５０ｂ 周縁部、５１ 空間、５２ 封口体リード、６０ 正極、６２ 正極活物質層、６４ 正極芯体露出部、６６ 根元部分、７０ 負極、７２ 負極活物質層、７４ 負極芯体露出部

Claims (3)

1. 導電性を有する外装缶と、前記外装缶に収容されている電極体と、前記外装缶の開口端部を密閉していて導電性を有する封口板と、前記封口板に設けられている外部端子と、を備える非水電解質二次電池であって、
   前記外部端子と前記電極体とを電気的に接続する導電経路の途中に、電池内圧が上昇したときに電気的接続を遮断するための電流遮断機構をさらに備え、
   前記電流遮断機構は、前記封口板の薄肉部と、電池内圧の上昇に伴い前記外部端子と前記電極体との電気的接続を遮断するように変形するダイアフラムとを含み、
   前記封口板は、全体が導電性の材料からなり直接接合により前記外装缶の開口端部を密閉しており、
   前記電極体は、集電リード及び前記封口板を介して前記外装缶と電気的に接続されており、前記ダイアフラムは前記封口板を介して電気的に前記集電リードに接続されている、非水電解質二次電池。
2. 前記集電リードが前記封口板に一体的に接続されている、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
3. 前記ダイアフラムは、前記封口板において前記薄肉部の前記外部端子側に配置されている、請求項１又は請求項２に記載の非水電解質二次電池。