JP6696426B2 - 電流遮断機能を有する電池およびその製造方法 - Google Patents

電流遮断機能を有する電池およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、異常発生時に電流を遮断する機能を有し、これによって過剰な発熱を防止する電池に関する。
リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池は、エネルギー密度が高い、自己放電が小さい、長期信頼性に優れる等の利点により、ノート型パソコンや携帯電話などの電池としてすでに実用化されている。しかし、近年では電子機器の高機能化や電気自動車への利用が進み、よりエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が求められている。
一方、電池のエネルギー容量やエネルギー密度が高くなるほど、外部からの衝撃や回路の不具合により短絡が生じた際や、過充電状態になった場合、電池が温度上昇しやすくなる。このとき、活物質の酸素放出反応や電解液の熱分解反応が生じ、電池はさらに発熱する。
電池の発熱に対する解決策として、従来、様々な遮断機構が開示されている。例えば、特許文献1には、筐体内部に、内圧が上昇することによって変形する薄板を設け、この薄板に電極リードの一部が溶接された構造を有する電池が開示されている。このような構成により、内圧上昇に伴う薄板の変形により電極リードが切断され、これによって電流が遮断される。特許文献2には、所定の電圧以上で酸化される化合物を電解液に添加することが開示されている。この化合物は、酸化時の発熱により電解液の構成成分の分解または気化を誘発し、電池の内圧を上昇させ、圧力上昇により作動する安全手段を有効に機能させる。特許文献3には、電流出力導体に熱ヒューズを組み込んだ遮断機構が開示されている。特許文献4には、電極アセンブリを収納する電池ケースを、電極リードの引き出し方向に伸長可能な構造とし、電池の内圧が上昇することによって電池ケースが伸長し、電極リードと電極タブとの結合部が分離するようにした遮断機構が開示されている。
特許文献5には、電極アセンブリを収納する電池ケースを、熱融着性フィルム製の袋体で形成した電池において、袋体の内部が、電極アセンブリを収納する主室と、この主室に隣接しており電極リードが通る副室とに分けた構造を有する電池が開示されている。主室と副室を区画する仕切りシール部は弱シール部を有している。また、副室の内部において、電極リードには、内圧上昇により接続が切り離される遮断機構が設けられている。このような構成の電池によれば、異常発生などによって主室の内圧が上昇すると、弱シール部が開放されて副室が膨張し、これによって電極リードの接続が切り離される。
特許文献1:特開平5−242913号公報
特許文献2:特表2010−527134号公報
特許文献3:特表2011−519124号公報
特許文献4:特表2013−535791号公報
特許文献5:特開2000−067846号公報
電池には大きく2つに分類することができる。一つは内部の電極が捲回されている円筒型電池や角型電池と呼ばれるもので、もう一つは電極を積層した積層型電池である。大型の電池では、放熱性能を重視して積層型が用いられる傾向にある。また、外装は、軽量化や放熱性能、さらにコストの点から、金属による筐体から、金属箔を樹脂フィルムでコートしたラミネートフィルムにより製造される傾向にある。
特許文献1に記載された遮断機構は、異常時の電池の内圧による薄板の変形を利用して回路を遮断するものであり、金属筐体などの変形しない外装を持つ電池の場合に機能するが、ラミネートフィルムでは、このような機構は利用できなかった。特許文献2に記載されているガス発生剤も、特許文献1のような電池における遮断機構を前提としたものであり、やはりラミネートフィルムを外装とする電池を意図したものではない。
特許文献3は、放熱性の高い積層型の電極を持つ電池で、ラミネートフィルムを外装とする電池に関するものであるが、熱ヒューズは大電流が流れる大型の電池では、ヒューズ部分の抵抗値が高くなるため、エネルギーロスが生じる恐れがある。
特許文献4に記載の構造は、ラミネート外装において異常時に発生するガスを検知して、電気回路の遮断を行うことが出来るため、上述のようなエネルギーロスがなく優れている。しかしながら、外装ラミネートを折りたたんだ構造のため、電極が振動でずれる恐れがあり、電極間の接触による発火に至る可能性がある。また、電池に異常がなくとも内部の電解液が環境温度によりわずかに揮発する場合や、長期に渡り電池を使用する場合、電解液の電気分解等により揮発成分が発生する。この場合、やはり電極が振動でずれる恐れが生じる。電池を運搬する際や自動車用途に用いる場合にこのような現象が起きると、電池性能が低下するだけでなく、電極の短絡による熱暴走を引き起こす恐れがある。
特許文献5に記載の構造は、主室内で発生したガスが弱シール部を破壊し、そこを通過して副室に侵入し、さらに副室を膨張させる必要があることから、主室の内圧上昇から電流遮断までのタイムラグが大きくなってしまう。そのため、確実に熱暴走を防ぐことは難しく、特に高エネルギーの電池では、活物質の熱暴走速度が速くなることから、十分な効果を得ることが難しい。
本発明は、可撓性を有する外装体を用いた電池において、異常発生による昇温時に確実に電流を遮断し、過剰な発熱を防止することを目的とする。
本発明の一態様によれば、電池要素と、
前記電池要素に電気的に接続された一対の第1端子と、
可撓性を有する外装材から作られ、前記電池要素を封止する第1室と、前記第1室に隣接する1つまたは2つの第2室とに区画された外装体と、
前記一対の第1端子のうち少なくとも一方が前記第2室を経由して外部配線と電気的に接続可能となるように、前記第2室内から前記外装体の外部に引き出された1つまたは2つの第2端子と、を有し、
前記第2室内に、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料が封入されている電池が提供される。
ここで、前記第1端子および前記第2端子は、前記第2室が膨張することによって電気的接続が遮断されるように配置されることができる。この構成によれば、前記第2室内に発生したガスにより前記第2室が膨張することによって、前記第1端子と前記第2端子との電気的接続を遮断することができる。
また、本発明の他の態様によれば、電池要素に一対の第1端子が電気的に接続された電池要素アセンブリを用意する工程と、
可撓性を有する外装材により外装体を形成する工程であって、前記外装体が、前記電池要素を封止する第1室と、前記第1室に隣接する1つまたは2つの第2室とに区画され、前記一対の第1端子のうち少なくとも一方が前記第2室を経由して外部配線と接続可能となるように1つまたは2つの第2端子が前記第2室内から前記外装体の外部に引き出され、かつ、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料を前記第2室内に封入させて、前記外装体を形成する工程と、
を有する電池の製造方法が提供される。
上記の製造方法において、前記外装体を形成する工程は、前記第1端子および前記第2端子を、前記第2室が膨張することによって電気的接続が遮断されるように配置することを含むことができる。
本発明によれば、外装体を、電池要素を封止する第1室と、この第1室に隣接する1つまたは2つの第2室を有して形成し、第2室内に、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料を封入することで、ガスの発生による第2室の膨張を利用して電流を遮断し、その結果として電池の過剰な昇温を防止することができる。
本発明の一実施形態による電池の構造を模式的に示す平面図である。 図1Aに示す電池の構造を模式的に示す側面図である。 図1Aに示す電池において、第2室が端子方向に伸長した状態を示す平面図である。 本発明で用いられる電流遮断機構の他の形態を説明する図である。 本発明で用いられる電流遮断機構の他の形態を説明する図である。 本発明で用いられる電流遮断機構の他の形態を説明する図である。 本発明で用いられる電流遮断機構の他の形態を説明する図である。 本発明で用いられる電流遮断機構の他の形態を説明する図である。 本発明で用いられる電流遮断機構の他の形態を説明する図である。 本発明で用いられる電流遮断機構の他の形態を説明する図である。 本発明で用いられる電流遮断機構の他の形態を模式的に示した平面図である。 図10Aに示す電流遮断機構の側面側から見た模式図である。 図10Bに示す電流遮断機構において、第2室が膨張し始めた状態を示す図である。 図10Cに示す電流遮断機構において、第2室がさらに膨張し、スナップの雄コネクタと雌コネクタとの嵌合が外れた状態を示す図である。 第2室が端子方向に伸長可能な包装体を説明する図である。 図11に示した包装体を用いた電池の電流遮断動作を説明する図である。 図12に示した電池において第2室を第1室に向けて折り曲げた場合の電流遮断動作を説明する図である。 本発明で用いられる電池要素の構成の一例を説明する模式図である。 本発明の電池を備えた電気自動車の一例を示す模式図である。 本発明の電池を備えた蓄電設備の一例を示す模式図である。
図1Aおよび1Bを参照すると、電池要素10と、電池要素10を封止する外装体13と、電流遮断機構15と、を有する、本発明の一実施形態による電池1の模式図が示される。電池要素10は、正極、負極、セパレータおよび電解液を有する。外装体13は、溶着可能な外装材であるラミネートフィルムから形成されており、熱溶着または超音波溶着などによって接合することによって形成されたシール部13cによって、電池要素10を封止する第1室13aと、第1室13aに隣接する第2室13bとに区画されている。外装材の接合方法は、溶着に限らず、接着剤を用いた接合であってもよい。接着剤により接合するか、または接着剤による接合と溶着による接合を併用することで、外装材の材料の選択範囲が広くなる。
電池要素10からは、正極および負極にそれぞれ接続された一対の第1端子11が延びている。一対の第1端子11は、少なくとも一方が第2室13b内に延び、第2室13bを経由して外部配線と電気的に接続可能となるように配置されていれば任意に配置されていてよい。図示した例では、一対の第1端子11は、一方が第2室13b内に延び、他方は外装体13の外部に引き出されるように、電池要素10の両端に配置されている。
電流遮断機構15は、電池1の異常発生等により電池要素10が所定の温度以上まで昇温すると作動してガスを発生し、発生したガスで第2室13bを膨張させることによって電池要素10と外部配線との電流を遮断するように構成されている。上記の一対の第1端子11のうち第2室13b内に延びる第1端子11は、電流遮断機構15の一部を構成し、電流遮断機構15は、その他に、外装体13から引き出された第2端子12および第2室13b内に封入されたガス発生材料14を有する。
ガス発生材料14は、常温では固体または液体で存在しているが、常温より高く、かつ電池の熱暴走が生じない所定の温度以上の温度でガスを発生する材料であり、ガスの発生により第2室13bを膨張させることができる。ここで、「常温」とは、JIS Z 8703に規定される、20±15℃(すなわち5℃〜35℃)の温度範囲をいう。本形態では、第2室13bは、膨張することによって、第2端子12が引き出される方向(矢印A方向)に伸長するように構成されている。本発明において「端子方向」とは、この第2端子12が引き出される方向を意味する。
第2端子12は、電池1の外部の電気配線と接続される端子であり、一端側を第2室13b内に位置させて外装体13の外部に引き出されている。さらに、第2端子12は、一端部が、第2室13bが伸長する前は第1端子11と重なり合って接触しているが、第2室13bが伸長するにつれて第2端子12が移動し、第1端子11から離れるように、外装体13に固定されている。したがって、第1端子11と第2端子12とが互いに離れることによって、電池要素と外部の電気配線との電気的接続が遮断される。第2室13bが伸長する前の、第1端子11と第2端子12との接触をより確実にするために、ガス発生材料14がガスを発生する前は、第2室13bにおいて外装材の対向する部分同士が密着する程度に第2室13b内が真空状態であることが好ましい。このような真空状態は、第2室13bを形成するための外装材の接合を減圧下で実施することで実現できる。
異常発生等により電池要素10が発熱すると、その熱は第1端子11を伝わって第2室13bを昇温させる。第2室13bが昇温するとガス発生材料14からガスが発生し、第2室13bが膨張する。第2室13bが膨張すると、第2室13bは矢印A方向に伸長し、これによって、図2に示すように、第1端子11と第2端子12とが離間し、第1端子11と第2端子12との間で電流が遮断される。その結果、電池1の過剰な発熱を防止することができる。
以下、上述した各構成要素についてより詳しく説明する。
(電流遮断機構)
電流遮断機構15は、第2室13bの膨張によって第1端子11と第2端子12とが離間するように構成されていれば、上述した形態に示した構造に限らず任意の構造を採用することができる。
例えば、図3の(A)および(B)に示すように、第2室13bを外装材の対向方向である第2室13bの厚み方向に膨張するように構成した場合、第1端子11および第2端子12を第2室13bの厚み方向に離間させることができる。そのためには、第2室13b内において、対向する外装材の一方の内面に第1端子11を接合するとともに、他方の内面に第2端子12を接合することができる。ガス発生による第2室13bの膨張前は、第1端子11と第2端子12とは、重なり合った状態で接触しており、電気的に接続されている。第2室13bが昇温に伴うガス発生材料の作用により第2室13b内にガスが発生し、第2室13bが膨張すると、第2室13b内では外装材がその対向方向に離間する。これによって第1端子11および第2端子12が離間し、両者間で電流が遮断される。
外装材への第1端子11および第2端子12の接合には、一般的な接着剤を用いることが可能である。接着剤の種類は任意であってよく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、アクリル樹脂やスチレン樹脂あるいはブタジエン樹脂を主剤とする柔軟な接着剤は、外装材への追随性に優れることや柔軟性に優れることから好ましい。また、イソシアネート系のウレタン樹脂などは、加工時間が短くなることから好ましい。また、エポキシ樹脂やアミド樹脂などを用いれば耐熱性に優れることから好ましい。また、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂で熱溶着すれば、きわめて短時間で接合できることから好ましい。この場合、これらの樹脂を内面にコートした外装材を用いれば、熱溶着による接合を容易に行えるため、好ましい。
第1端子11の材料は、電池1内で腐食しない材料であることが好ましい。具体的には、負極と接続される第1端子11であれば、金、白金、銅、炭素、ステンレス、ニッケル等を用いることができる。正極と接続される第1端子11であれば、アルミ等を用いることができる。第2端子12については、導電性がある材料であれば特に限定されるものではないが、銅やアルミなどは、導電性が高く安価であり好ましい。また、ニッケル、鉄、ステンレスなどを用いれば、強度の高い電池タブとすることができるので好ましい。
電流遮断機構15の他の形態として、互いに接触した状態で仮止めされることによって電気的に接続された第1端子11と第2端子12とを用いることもできる。仮止めの強度は、第2室13bの膨張によって第1端子11と第2端子12との仮止めが外れる程度の強度とされる。仮止めには、第1端子11と第2端子12との摩擦力を利用することができる。
電流遮断機構を、仮止めにより第1端子11と第2端子12とが電気的に接続された構造とする場合、例えば、図4の(A)および(B)に示すように、複数本の導線からなる束で第1端子11および第2端子12を構成することができる。第1端子11および第2端子12は、それぞれの端部で導線の束が解されており、この解された導線の部分で第1端子11の導線と第2端子12の導線とを噛み合わせることによって、両者を電気的に接続させた状態で仮止めすることができる。第2室は、第1端子11と第2端子12との接続方向に膨張することができるように構成されており、第2室が膨張すると第2端子12は第1端子11から離れる方向に引っ張られる。第2端子12が引っ張られることによって、導線の噛み合いが解け、第1端子11と第2端子12との間で電流が遮断される。
図5の(A)および(B)に示すように、板状の導体で第1端子11および第2端子12を構成した場合であっても、第1端子11および第2端子12の互いの対向面(接触面)を、「やすり」のように多数の凹凸を有する粗面に形成して両者を仮止めすることもできる。第1端子11および第2端子12が互いの対向面に多数の凹凸を有することにより、両者が対向面同士を接触させた状態では、両者間の摩擦力によって第1端子11と第2端子12とが横滑りしにくくなる。その結果、第2室が膨張して第1端子11と第2端子12とが離れるまで、両者の接触状態を良好に保持することができる。このように、第1端子11と第2端子12とを、多数の凹凸による摩擦力を利用して互いの接触状態を維持するように構成する場合、第2室が膨張する前は第2室内が減圧状態(真空状態)であるようにすることにより、第1端子11および第2端子12をより確実に接触させることができる。
また、第1端子11および第2端子12が板状である場合は、第1端子11および第2端子12に互いに噛み合う、または嵌合する凹凸を形成することが好ましい。これによって第1端子11と第2端子12との間の摩擦力が増し、平常時に第1端子11と第2端子12とが離れることをより効果的に防止できる。凹凸の例としては、図6の(A)および(B)に示すような、第1端子11および第2端子12の一部を互いに噛み合う波形に曲げ加工したものや、図7の(A)および(B)に示すような、互いに嵌合する凹部111および凸部121などが挙げられる。
第1端子11および第2端子12を波形に曲げ加工する場合、第1端子11および第2端子12の波形の数、波形の周期、波形の高低差などは任意であってよい。第1端子11および第2端子12に凹部111および凸部121を形成する場合、凹部111/凸部121の数、凹部11の深さ、凸部121の高さ、凹部111/凸部121の形状などは任意であってよい。凹部111および凸部121は、第1端子11および第2端子12のどちら側に形成してもよいし、混在していてもよい。また、凹部111は、図7の(A)および(B)に示したように穴によって形成されていてもよいし、窪みによって形成されていてもよい。凹部111を穴によって形成した場合は、第1端子11と第2端子12とをより強く結合させることができる。凹部111を窪みによって形成した場合は、加工が容易である。
第1端子11と第2端子12とを互いに接触した状態で仮止めする他の形態として、図8の(A)および(B)に示すように、第1端子11の先端部および第2端子12の先端部を折り返し、この折り返された部分同士をフックのように係合させた構造とすることもできる。第2室が膨張することによって、第1端子11および第2端子12が互いに離れる向きに引っ張られ、これによって両者の係合が外れ、両者間での電流が遮断される。図8に示す形態の場合、第2室を減圧状態で封止し、外装材が受ける大気圧によって第1端子11および第2端子12が互いに密着するようにすることが好ましい。これにより、第1端子11と第2端子12との位置ずれを防止することができる。
電流遮断機構は、図9の(A)および(B)に示すように、第1端子11と第2端子12とを仮止めするクリップ20を有していてもよい。クリップ20は、互いに接触している第1端子11と第2端子12とが位置ずれしないように補助するものである。したがって、クリップ20としては、第1端子11および第2端子12の重なり合った部分を挟むことによって両者を互いに接触させた状態とすることができるものであれば任意のクリップであってよい。クリップ20を用いた場合、端子が引き出される方向に第2室が膨張するように構成されている場合に有効に作用する。クリップ20は、第1端子11および第2端子12に凹凸が形成されている場合にも適用することができる。
あるいは、電流遮断機構は、図10Aおよび10Bに示すように、第1端子11と第2端子12とを仮止めするスナップ30を有していてもよい。スナップ30は、互いに嵌合する雄コネクタ31および雌コネクタ32を有し、一方が第1端子11に電気的に接続されて固定され、他方が第2端子12に電気的に接続されて固定されている。雄コネクタ31と雌コネクタ32とは、第2室13bが膨張する前は互いに嵌合し、第1端子11と第2端子12とが電気的に接続されている。一方、第2室が電池の厚み方向に膨張することによって、雄コネクタ31と雌コネクタ32との嵌合が外れ、第1端子11と第2端子12との間の電流が遮断される。
スナップ30としては、2つの部材同士が解除可能に嵌合できれば任意の構造を有することができる。また、スナップ30はホックとも呼ばれ、雄コネクタ31と雌コネクタ32との固定方式にはマグネット式およびばね式などがあるが、本発明においてはいずれの固定方式のものも使用できる。スナップ30の取り付け構造も任意であってよく、図10Aおよび10Bに示す形態では、雄コネクタ31および雌コネクタ32はそれぞれ、外装体13の第2室13bとなる部位において、互いに対向する位置で外装体13を貫通して外装体13に固定されている。また、第1端子11と第2端子12との電気的接続は雄コネクタ31と雌コネクタ32とが嵌合することになされるので、第1端子11と第2端子12とが直接接触している必要はない。そこで本実施形態では、第2端子12を外装体13の外側に配置し、外装体13のシール部において外装体13の間に介在する部品の数を少なくしている。これによって、第2室13bの気密性を良好に維持することができる。ただし、前述した形態と同様、第2端子12を第2室13b内に配置することもできる。
また、本形態では、第2室13bが膨張したときに雄コネクタ31と雌コネクタ32との嵌合が解除され易くするために、第2室13bは、スナップ30が配置された部位と第1室13aとの間にバッファ部13dを有している。バッファ室13dは、外装体13が山折りとされて形成された部分であり、第2室13bが膨張する前は、ほぼ扁平状態とされている。第2室13bの膨張によって、図10Cに示すようにバッファ部13dが膨らみ始め、最終的には、図10Dに示すように、第2室13bはバッファ部13dを有する側が大きく膨らみ、雄コネクタ31と雌コネクタ32との嵌合が解除される。このように、第2室13bがバッファ部13dを有することで、第2室13bをより大きく膨張させることができ、結果的に、第2室13bの膨張による電流の遮断をより確実に行うことができる。
スナップ30を用いた仮止めでは、雄コネクタ31と雌コネクタ32との嵌合方向に垂直な方向での結合力は比較的高い。したがって、スナップ30を用いた仮止めは、電池の厚み方向に垂直な面内方向での振動に対して高い耐性を持つ。言い換えれば、この方向に強い振動が作用しても、第1端子11と第2端子12とがずれにくい構造を得ることができる。なお、外装材の接合による第2室の形成を減圧下で行うことにより、大気圧によってスナップ30の結合力を補助することができる。よって、この場合は、雄コネクタ31と雌コネクタ32との嵌合方向、すなわち電池の厚み方向についても、振動に対して高い耐性を持たせることができる。
第1端子11および第2端子12の、重なり合って接触している部分が、その外側から熱可塑性樹脂でコーティングされることによって、第1端子11と第2端子12とを両者が互いに接触した状態で仮止めすることもできる。この場合、仮止めのためにコーティングされる熱可塑性樹脂、すなわち仮止め樹脂は、融点が、電池が正常に作動しているときの電池要素10の温度より高く、かつ、第2室内に封止されているガス発生材料が作用する温度以下であることが好ましい。これにより、電池が正常に作動している間は、第1端子11と第2端子12との電気的接続状態が維持される。一方、異常発生によりガス発生材料からガスが発生する温度まで電池が昇温すると、仮止め樹脂が溶融するとともに、第2室が膨張し、これによって第1端子11と第2端子12との間の電流を遮断することができる。
安全性を早い段階、すなわち電池の温度が活物質の熱暴走温度より十分に低い温度の段階で電流遮断機構を働かせることが好ましい。そのためには、仮止め樹脂は、融点が200℃未満であることが好ましい。また、第2室にガスを充満させるためには、仮止め樹脂の融点は、外装材のシール層として用いられる樹脂の融点以下であることが好ましい。例えば、外装材のシール層としてポリプロピレン樹脂を用いた場合、仮止め樹脂の融点は、ポリプロピレン樹脂の融点である160℃以下、好ましくは150℃以下、より好ましくは140℃以下である。外装材のシール層としてエチレン樹脂を用いた場合は、仮止め樹脂の融点は、エチレン樹脂の融点である120℃以下、好ましくは110℃以下、より好ましくは100℃以下である。
一方、電池の安定性を考慮した場合、異常が発生していない段階で仮止め樹脂が溶融するのは好ましくない。したがって、仮止め樹脂の融点は、50℃以上であることが好ましく、より好ましくは70℃以上、さらに好ましくは80℃以上である。
仮止め樹脂は、上述のように、外装材のシール層として用いる樹脂の種類や、電流遮断機構を作動させる温度などに応じて、適宜の融点を有する樹脂から選択することができる。
図11の(A)、(B)および(C)に、第2室が端子方向に伸長するように構成された外装体13の具体例を示す。以下、図11等を参照して、第1端子および第2端子が引き出される方向に伸長する外装体13について説明する。以下の説明において外装材の方向をいうとき、「端子方向」と直角な方向を「幅方向」という。
図11に示す例では、外装体は、外装材として、電池要素(図11では不図示)を上下から挟んで対向配置される一対のメインシート131と、第2室となる位置で一対のメインシート131の間に配置される一対の側部シート132と、を有する。これら一対のメインシート131および一対の側部シート132は、片面のみが溶着可能な面として形成されており、一対のメインシート131は、溶着可能な面同士を向かい合わせて配置される。一対の側部シート132は、溶着可能な面を外側にして半分に折られ、折り目を向かい合わせて、第2室となる位置でメインシート131の幅方向両端部においてメインシート131の間に配置される(図11の(A)参照)。
上記のように配置されたメインシート131および側部シート132は、メインシート131の外周縁全周にわたる部位および第1室と第2室との境界となる部位で溶着される(図11の(B)参照)。側部シート132が配置されていることで、側部シート132によって第2室の側壁が構成される。そして、第2室の部分でメインシート131を、山部133が外装体13の表面側および裏面側に形成されるようにメインシート131の幅方向に沿って山折りにする(図11の(C)参照)。これにより、第2室は、端子方向の長さが短くなる。この状態で第2室内にガスを発生させることによって、第2室を端子方向に伸長させることができる。
図12の(A)および(B)に、図11に示す外装体を適用した電池の一例を示す。電池の外装体として図11に示す外装体を適用する場合、第2端子12は、第2室13bが伸長する前は第1端子11と接触しているが、第2室13bが伸長することによって第1端子11から離れるように第1端子11との位置関係が定められて外装体13に固着される。また、第2室13b内には上述したガス発生材料が封入される。
本形態のように、第2室13bが端子方向に伸長できるように外装材を折り畳むことで、第2室13bの膨張により第1端子11と第2端子12とを確実に遮断でき、かつ、遮断後に両者が再度接触する可能性は極めて低い。その結果、電池の安全性をより向上させることができる。また、第2室13bを第1室13aに対して折り曲げることで、第2室13bの伸長方向を任意に変更することが可能となる。例えば図13の(A)および(B)に示すように、第2室13bを第1室13aに向けて折り曲げれば、第2室13bの伸長による電池の占有スペースの増加分を少なくすることができる。特に折り曲げ角度を90度とすれば、第1室13aの厚み方向に第2室13bを伸長させることができる。実際の電池では、電極の積層数が多く電池要素の厚みが厚いため、第2室13bに比べて第1室13aの厚みが極めて厚い。したがって、第2室13bが第1室13aの厚み方向に伸長する構造とすれば、第2室13bが伸長した場合であっても電池が占める実質的なスペースの増加はほとんどなく、最小限の設置スペースで設置できる安全な電池システム(電池パック)を提供できる。
図11〜13では、1つの山部133を第2室に形成した例を示した。しかし、複数の山部133を端子方向に配列した蛇腹構造とすることもできる。また、第2室に複数の山部133を形成することによって、山部133の高さを低くしつつ、大きな伸長量を得ることができる。山部133の高さを低くできることは、折り畳まれた状態での第2室の厚みを小さくすることができ、好ましい。また、第2室を端子方向に伸長させるための外装体13の折り方についても、図11〜13に示した方法に限られず、例えば、前述した特許文献4に開示された方法を適用し、第2室の部分で外装材を端子方向に折り込んだ構造とすることもできる。この場合も、折り込み箇所は1箇所であってもよいし複数箇所であってもよい。
上述した各形態では、一方の第1端子11側のみに第2室13bを有する形態を示したが、もう一方の第1端子11側にも第2室13bを有していてもよい。この場合、両方の第2室13bのそれぞれが電流遮断機構15を備えることは、正極側および負極側の両方に安全装置を有することとなるため、より好ましい。
また、上述した各形態では、一対の第1端子11が電池要素10の異なる辺から取り出される形態を示したが、同じ辺から取り出されてもよい。この場合は、1つの第2室で正極側および負極側の両方に電流遮断機構を付与することができ、安全性向上の点で好ましい。さらに、第2室の数が1つでよいので、膨張時に端子方向に伸長する第2室構造を採用した場合、第2室が伸長した後の電池の占有スペースの増加量が2つの第2室を有する場合と比べて少なくてすむ。よって、より小さな設置スペースで設置できる安全な電池システム(電池パック)を提供できる。
第2室内に封入されるガス発生材料として、揮発性の材料を用いることが可能である。第1室で発生した熱が導体である第1端子を伝わって第2室の温度が上昇した場合、第2室内に予め入れておいた揮発性の材料が第2室内で膨張する。揮発性の材料は電池に異常な発熱が起きるまでは、第2室内に存在する。このため、仮に第1室内の電池の電池特性に影響を与えるような材料であっても、電池特性への悪影響を危惧することなく用いることが可能である。
固体の揮発性材料としては、ガスを吸着した吸着剤が挙げられる。たとえば、水分を吸着したシリカゲルやゼオライトを用いれば、導体を伝わった熱で吸着剤が水分等のガスを放出し、第2室を膨張させることができる。また、ガス発生材料として金属水和物も利用可能である。たとえば、水酸化アルミは、加熱されると水分が放出される。これらの材料は、電池の使用温度域においても電解液に水分が移るため、電気分解が生じるなどリチウムイオン電池を破壊する結果となるため、第1室に入れることはできない。しかし、第1室とは別に第2室を設けることで、これらの材料を第2室内に入れることが可能となる。よって、これらの材料を第2室内に入れておくことにより、電池の特性に影響を与えることなく、異常発生による昇温持に電流を遮断することができる。
ガス発生材料として液体を用いることも可能である。液体を構成する少なくとも1つの溶媒が揮発すれば、ガスを発生することができる。安全性を早い段階、すなわち電池の温度が活物質の熱暴走温度より十分に低い温度の段階で電流遮断機構を働かせることが好ましく、そのためには、溶媒の揮発温度は200℃未満であることが好ましい。また、第2室にガスを充満させるためには、溶媒の揮発温度は、外装材のシール層として用いられる樹脂の融点以下であることが好ましい。例えば、外装材のシール層としてポリプロピレン樹脂を用いた場合、溶媒の揮発温度は、ポリプロピレン樹脂の融点である160℃以下、好ましくは150℃以下、より好ましくは140℃以下である。外装材のシール層としてエチレン樹脂を用いた場合は、溶媒の揮発温度は、エチレン樹脂の融点である120℃以下、好ましくは110℃以下、より好ましくは100℃以下である。
一方、電池の安定性を考慮した場合、異常が発生していない段階で溶媒が揮発するのは好ましくない。したがって、溶媒の揮発温度は、50℃以上であることが好ましく、より好ましくは70℃以上、さらに好ましくは80℃以上である。
溶媒として具体的には水を用いることができる。水の中でも特に純水が好ましい。純水は、第2室内に正極側および負極側の第1端子が存在する場合でも、電気分解によるガスが発生しない。
また、溶媒として、非水系の溶媒、例えば後述する電解液成分を用いることも可能である。電解液成分を用いることにより、仮に第1室と第2室とを隔てるシール部が破損し、第2室から液体が第1室へ漏出したとしても、第1室を非水状態に保つことができる。また、第2室の液体が第1室の電解液と同じ構成であれば、第2室の液体が第1室に漏出しても、電池の機能を維持することができる。
このような非水系の溶媒として、例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等を挙げることができる。また、電流遮断機構を動作させるためのガスは、不燃性あるいは難燃性ガスであることが好ましいことから、フッ素やリン原子を含むものが好ましい。例えば、メチルフルオロエチルカーボネートなどのフッ素化エステル類、フッ素化カーボネート類やテトラフルオロエチルテトラフルオロプロピルエーテル、デカフルオロプロピルエーテル、オクタフルオロベンチルテトラフルオロエチルエーテルなどのフッ素化エーテル、リン酸エステル類などを挙げることができる。
(外装体)
電池要素を密閉する外装体は、電解液に安定で、かつ、十分な水蒸気バリア性を持つ可撓性の任意の外装材を用いて構成することができる。このような外装材として、好ましくは、溶着層を有するラミネートフィルムを用いることができる。ラミネートフィルムとしては、アルミニウム、シリカ、アルミナをコーティングしたポリプロピレン、ポリエチレン等のラミネートフィルムを用いることができる。特に、フィルム自体の伸長による体積膨張を抑制する観点から、アルミニウムラミネートフィルムが好ましい。
ラミネートフィルムの代表的な層構成としては、金属薄膜層と熱溶着性樹脂層とが積層された構成が挙げられる。また、ラミネートフィルムのその他の代表的な層構成としては、金属薄膜層の熱溶着樹脂層と反対側の面に、さらにポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルやナイロン等のフィルムからなる保護層が積層された構成が挙げられる。電池要素を封止する場合、熱溶着性樹脂層を対向させて電池要素が包囲される。金属薄膜層としては、例えば、厚さ10〜100μmの、Al、Ti、Ti合金、Fe、ステンレス、Mg合金などの箔が用いられる。熱溶着性樹脂層に用いられる樹脂は、熱溶着が可能な樹脂であれば特に制限はない。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、これらの酸変成物、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体やエチレン−アクリル酸共重合体を金属イオンで分子間結合させたアイオノマー樹脂などが、熱溶着性樹脂層として用いられる。熱融着性樹脂層の厚さは10〜200μmが好ましく、より好ましくは30〜100μmである。
(電池要素)
次に、電池要素の構成を簡単に説明する。電池要素の構成は、特に制限されるものではないが、例えば、正極および負極が対向配置された電極素子と、電解液とを内包する積層型とすることができる。
図14は、積層型の二次電池が有する電極素子の構造を示す模式的断面図である。この電極素子は、平面構造を有する複数の正極cおよび複数の負極aが、セパレータbを挟みつつ交互に積み重ねられて形成されている。各正極cが有する正極集電体eは、正極活物質に覆われていない端部で互いに溶接されて電気的に接続され、さらにその溶接箇所に正極端子fが溶接されている。正極端子fは、前述した第1端子11(図1A等参照)の一方であってもよいし、正極端子fに第1端子11の一方が電気的に接続されてもよい。各負極aが有する負極集電体dは、負極活物質に覆われていない端部で互いに溶接されて電気的に接続され、さらにその溶接箇所に負極端子gが溶接されている。負極端子gは、前述した第1端子11(図1A等参照)の他方であってもよいし、負極端子gに第1端子11の他方が接続されてもよい。
このような平面的な積層構造を有する電極素子は、電池の表面積が大きいため、異常時に発生した熱を効率よく逃がすことが出来る。これに対して、捲回式の場合、中心部で発生した熱は、放熱されずに蓄積することとなる。積層構造を持つ電極素子は、曲率半径の小さい部分(捲回構造の巻き芯に近い領域)がないため、捲回構造を持つ電極素子に比べて、充放電に伴う電極の体積変化に対する悪影響を受けにくいという利点がある。すなわち、積層構造を持つ電極素子は、体積膨張を起こしやすい活物質を用いた電極素子として有効である。一方で、捲回構造を持つ電極素子では電極が湾曲しているため、体積変化が生じた場合にその構造が歪みやすい。特に、ケイ素酸化物のように充放電に伴う体積変化が大きい負極活物質を用いた場合、捲回構造を持つ電極素子を用いた二次電池では、充放電に伴う容量低下が大きい。
本発明の電池要素は、特に限定されないが、好ましくは、リチウムイオン二次電池の電池要素である。以下に好ましい電池要素の材料を述べる。
[1]負極
負極は、例えば、負極活物質が負極用結着剤によって負極集電体に結着されてなる。本実施形態における負極活物質は、リチウムの吸蔵及び放出が可能なものであれば、本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを用いることができる。通常は、正極の場合と同様に、負極も集電体上に負極活物質層を設けて構成されたものを用いる。なお、正極と同様に、負極も適宜その他の層を備えていてもよい。
負極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵放出が可能な材料であれば他に制限は無く、公知の負極活物質を任意に用いることができる。例えば、コークス、アセチレンブラック、メゾフェーズマイクロビーズ、グラファイト等の炭素質材料;リチウム金属;リチウム−シリコン、リチウム−スズ等のリチウム合金、チタン酸リチウムなどを使用することが好ましい。これらの中でもサイクル特性及び安全性が良好でさらに連続充電特性も優れている点で、炭素質材料を使用するのが最も好ましい。なお、負極活物質は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
さらに、負極活物質の粒径は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、初期効率、レ−ト特性、サイクル特性等の電池特性が優れる点で、通常1μm以上、好ましくは15μm以上であり、通常50μm以下、好ましくは30μm以下程度である。また、例えば、上記の炭素質材料をピッチ等の有機物で被覆した後で焼成したもの、CVD法等を用いて表面に上記炭素質材料よりも非晶質の炭素を形成したものなども、炭素質材料として好適に使用することができる。ここで、被覆に用いる有機物としては、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ;乾留液化油等の石炭系重質油;常圧残油、減圧残油等の直留系重質油;原油、ナフサ等の熱分解時に副生する分解系重質油(例えばエチレンヘビーエンド)等の石油系重質油が挙げられる。また、これらの重質油を200〜400℃で蒸留して得られた固体状残渣物を、1〜100μmに粉砕したものも使用することができる。さらに塩化ビニル樹脂、フェノール樹脂、イミド樹脂なども使用することができる。
負極活物質層は、例えば、上述の負極活物質をロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としたりすることも可能であるが、通常は、正極活物質層の場合と同様に、上述の負極活物質と、結着剤と、必要に応じて各種の助剤等とを、溶媒でスラリー化してなる塗布液を、集電体に塗布し、乾燥することにより製造することができる。
負極用結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミド等を用いることができる。使用する負極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」の観点から、負極活物質100質量部に対して、1〜25質量部が好ましい。
[2]集電体
負極の集電体の材質としては、公知のものを任意に用いることができるが、例えば、銅、ニッケル、SUS等の金属材料が用いられる。中でも加工し易さとコストの点から特に銅が好ましい。また、負極の集電体も、予め粗面化処理しておくのが好ましい。さらに、集電体の形状も任意であり、箔状、平板状、メッシュ状等が挙げられる。また、エキスパンドメタルやパンチングメタルのような穴あきタイプの集電体を使用することもできる。
負極の作製方法としては、例えば、負極集電体上に、負極活物質と負極用結着剤を含む負極活物質層を形成することで作製することができる。負極活物質層の形成方法としては、例えば、ドクターブレード法、ダイコーター法、CVD法、スパッタリング法などが挙げられる。予め負極活物質層を形成した後に、蒸着、スパッタ等の方法でアルミニウム、ニッケルまたはそれらの合金の薄膜を形成して、負極集電体としてもよい。
[3]正極
本実施形態における正極活物質としては、リチウムを吸蔵放出し得る材料であれば特に限定されず、いくつかの観点から選ぶことができる。高エネルギー密度化の観点からは、高容量の化合物を含むことが好ましい。高容量の化合物としては、リチウム酸ニッケル(LiNiO)またはリチウム酸ニッケルのNiの一部を他の金属元素で置換したリチウムニッケル複合酸化物が挙げられ、下式(A)で表される層状リチウムニッケル複合酸化物が好ましい。
LiNi(1−x) (A)
(但し、0≦x<1、0<y≦1.2、MはCo、Al、Mn、Fe、Ti及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。)
高容量の観点では、Niの含有量が高いこと、即ち式(A)において、xが0.5未満が好ましく、さらに0.4以下が好ましい。このような化合物としては、例えば、LiαNiβCoγMnδ(0<α≦1.2好ましくは1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.7、γ≦0.2)、LiαNiβCoγAlδ(0<α≦1.2好ましくは1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.6好ましくはβ≧0.7、γ≦0.2)などが挙げられ、特に、LiNiβCoγMnδ(0.75≦β≦0.85、0.05≦γ≦0.15、0.10≦δ≦0.20)が挙げられる。より具体的には、例えば、LiNi0.8Co0.05Mn0.15、LiNi0.8Co0.1Mn0.1、LiNi0.8Co0.15Al0.05、LiNi0.8Co0.1Al0.1等を好ましく用いることができる。
また、熱安定性の観点では、Niの含有量が0.5を超えないこと、即ち、式(A)において、xが0.5以上であることも好ましい。また特定の遷移金属が半数を超えないことも好ましい。このような化合物としては、LiαNiβCoγMnδ(0<α≦1.2好ましくは1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、0.2≦β≦0.5、0.1≦γ≦0.4、0.1≦δ≦0.4)が挙げられる。より具体的には、LiNi0.4Co0.3Mn0.3(NCM433と略記)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNi0.5Co0.2Mn0.3(NCM523と略記)、LiNi0.5Co0.3Mn0.2(NCM532と略記)など(但し、これらの化合物においてそれぞれの遷移金属の含有量が10%程度変動したものも含む)を挙げることができる。
また、式(A)で表される化合物を2種以上混合して使用してもよく、例えば、NCM532またはNCM523とNCM433とを9:1〜1:9の範囲(典型的な例として、2:1)で混合して使用することも好ましい。さらに、式(A)においてNiの含有量が高い材料(xが0.4以下)と、Niの含有量が0.5を超えない材料(xが0.5以上、例えばNCM433)とを混合することで、高容量で熱安定性の高い電池を構成することもできる。
上記以外にも正極活物質として、例えば、LiMnO、LiMn(0<x<2)、LiMnO、LiMn1.5Ni0.5(0<x<2)等の層状構造またはスピネル構造を有するマンガン酸リチウム;LiCoOまたはこれらの遷移金属の一部を他の金属で置き換えたもの;これらのリチウム遷移金属酸化物において化学量論組成よりもLiを過剰にしたもの;及びLiFePOなどのオリビン構造を有するもの等が挙げられる。さらに、これらの金属酸化物をAl、Fe、P、Ti、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La等により一部置換した材料も使用することができる。上記に記載した正極活物質はいずれも、1種を単独で、または2種以上を組合せて用いることができる。
正極用結着剤としては、負極用結着剤と同様のものを用いることができる。中でも、汎用性や低コストの観点から、ポリフッ化ビニリデンが好ましい。使用する正極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」の観点から、正極活物質100質量部に対して、2〜10質量部が好ましい。
正極集電体としては、負極集電体と同様のものを用いることができる。
正極活物質を含む正極活物質層には、インピーダンスを低下させる目的で、導電補助材を添加してもよい。導電補助材としては、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子が挙げられる。
[4]電解液
電解液は、電池の動作電位において安定な非水電解液を含む。非水電解液の具体例としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、t−ジフルオロエチレンカーボネート(t−DFEC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)等の環状カーボネート類;アリルメチルカーボネート(AMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類;プロピレンカーボネート誘導体;ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類;γ―ブチロラクトン(GBL)等の環状エステル類、などの非プロトン性有機溶媒が挙げられる。非水電解液は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。また、スルホラン、フッ素化スルホラン、プロパンスルトン、プロペンスルトン等の含硫黄環状化合物を用いることが出来る。
電解液中に含まれる支持塩の具体例としては、特にこれらに制限されるものではないが、LiPF、LiAsF、LiAlCl、LiClO、LiBF、LiSbF、LiCFSO、LiCSO、Li(CFSO、LiN(CFSO等のリチウム塩が挙げられる。支持塩は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。
[5]セパレータ
セパレータとしては、特に制限されるものではないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素系樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド等の多孔質フィルムや不織布、また、これらを基材としてシリカやアルミナ、ガラスなどの無機物を、付着もしくは接合したものや、単独で不織布や布として加工したものを用いることができる。また、セパレータとしては、それらを積層したものを用いることもできる。
本発明の電池要素は、以上のリチウムイオン二次電池の電池要素に限られるものではなく、本発明はどのような電池にも適用可能である。但し、放熱の問題は、多くの場合、高容量化した電池において問題になることが多いため、本発明は、高容量化した電池、特にリチウムイオン二次電池に適用することが好ましい。
以上説明したように、本発明の一形態による電池1は、電池要素10と、
電池要素10に電気的に接続された一対の第1端子11と、
可撓性を有する外装材から作られ、電池要素10を封止する第1室13aと、第1室13aに隣接する1つまたは2つの第2室13bとに区画された外装体13と、
一対の第1端子11のうち少なくとも一方が第2室13bを経由して外部配線と電気的に接続可能となるように、第2室13b内から外装体13の外部に引き出された1つまたは2つの第2端子12と、を有し、
前記第2室13b内に、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料14が封入されている。
上記電池1において、第1端子11および第2端子12は、第2室13bが膨張することによって電気的接続が遮断されるように配置されることが好ましい。
また、本発明の他の形態による電池1は、電池要素10と、
電池要素10に電気的に接続された一対の第1端子11と、
可撓性を有する外装材から作られた外装体13と、を有し、
外装体13は、電池要素10を封止する第1室13aと、第1室13aに隣接する1つまたは2つの第2室13bとに区画され、
一対の第1端子11のうち少なくとも一方が、第2室13bを経由して外部配線と電気的に接続可能であり、
第2室13bは、電池要素10が所定の温度以上まで昇温するとガスを発生し、発生したガスで第2室13bを膨張させることによって電池要素10と外部配線との電気的接続を遮断するように構成された電流遮断機構15を有する。
ここで、前記電流遮断機構15は、
第2室13b内に延びる前記第1端子11と、
一端側を第2室13b内で第1端子11と接触させて外装体13の外部に引き出され、第2室13bが膨張することによって第1端子11から離れるように外装体13に固定されている第2端子12と、
第2室13b内に封入され、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料14と、
を有することができる。
以下に、本発明の電池の製造方法の一形態について説明する。
電池の製造方法の一形態では、まず、電池要素10に一対の第1端子11が電気的に接続された電池要素アセンブリを用意する。次いで、可撓性を有する外装材により外装体13を形成する。この工程では、外装体13が、電池要素10を封止する第1室13aと、第1室13aに隣接する1つまたは2つの第2室13bとに区画され、一対の第1端子11のうち少なくとも一方が第2室13bを経由して外部配線と接続可能となるように1つまたは2つの第2端子12が第2室13b内から外装体13の外部に引き出され、かつ、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料14を第2室13b内に封入させることによって外装体13を形成することができる。
上記の製造方法において、外装体13を形成する工程は、第1端子11および第2端子12を、第2室13bが膨張することによって電気的接続が遮断されるように配置することを含むことができる。この場合、外装体13を形成する工程は、第2室13bを、膨張することによって第2端子12が引き出される方向である端子方向に伸長するように形成してもよいし、第2室13bを、その厚み方向に膨張するように形成してもよい。第2室13bをその厚み方向に膨張するように形成する場合、外装体13を形成する工程は、第2室13b内において、対向する外装材の一方の面に第1端子11を接合し、他方の面に第2端子12を接合することによって、第2室13bの膨張による電流の遮断を良好に行うことができる。
また、外装体13を形成する工程は、第1端子11および第2端子12を、互いに接触した状態で仮止めすることを含むことができる。この場合、第1端子11と第2端子12との仮止めは、第1端子11および第2端子12の重なり合った部分をクリップ20で挟むこと、互いに嵌合する雄コネクタ31および雌コネクタ32を有するスナップ30を用い、第1端子11および第2端子12の一方に雄コネクタ31を固定し、他方に雌コネクタ32を固定すること、あるいは第1端子11および第2端子12の互いに接触している部分を、その外側から熱可塑性樹脂でコーティングすることなどによって行うことができる。
本発明による電池は、様々な機器および蓄電設備などに利用することができる。その幾つかの例として、図15に示すような電動車両である電気自動車、および図16に示すような蓄電設備300が挙げられる。電気自動車200および蓄電設備300は、それぞれ組電池210、310を有する。組電池210、310は、複数の電池を、直列および並列に接続し、必要とされる容量および電圧を満たすように構成したものである。組電池210、310が備える複数の電池としては、上述した形態の何れの電池を用いてもよい。
上記実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、本出願の開示事項は以下の付記に限定されない。
(付記1)
電池要素と、
前記電池要素に電気的に接続された一対の第1端子と、
可撓性を有する外装材から作られ、前記電池要素を封止する第1室と、前記第1室に隣接する1つまたは2つの第2室とに区画された外装体と、
前記一対の第1端子のうち少なくとも一方が前記第2室を経由して外部配線と電気的に接続可能となるように、前記第2室内から前記外装体の外部に引き出された1つまたは2つの第2端子と、を有し、
前記第2室内に、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料が封入されている電池。
(付記2)
前記第1端子および前記第2端子は、前記第2室が膨張することによって電気的接続が遮断されるように配置されている付記1に記載の電池。
(付記3)
前記第2室は、膨張することによって、前記第2端子が引き出される方向である端子方向に伸長するように構成されている付記2に記載の電池。
(付記4)
前記第2室が前記第1室に向けて折り曲げられている付記3に記載の電池。
(付記5)
前記第2室は、その厚み方向に膨張するように構成されている付記2に記載の電池。
(付記6)
前記第2室内において、対向する前記外装材の一方の内面に前記第1端子が接合され、他方の内面に前記第2端子が接合されている付記5に記載の電池。
(付記3)
前記第1端子および前記第2端子が、互いに接触した状態で仮止めされている付記2に記載の電池。
(付記8)
前記第1端子および前記第2端子にそれぞれ凹凸が形成され、前記凹凸の噛み合いまたは嵌合によって前記第1端子および前記第2端子が仮止めされている付記7に記載の電池。
(付記9)
前記第1端子および前記第2端子の重なり合った部分を挟むクリップをさらに有する付記7または8に記載の電池。
(付記10)
互いに嵌合する雄コネクタおよび雌コネクタを有するスナップであって、前記第1端子および前記第2端子の一方に前記雄コネクタが固定され、他方に前記雌コネクタが固定されたスナップをさらに有する付記7に記載の電池。
(付記11)
前記第1端子および前記第2端子の互いに接触している部分がその外側から熱可塑性樹脂でコーティングされることによって前記第1端子および前記第2端子が仮止めされている付記7に記載の電池。
(付記12)
前記熱可塑性樹脂の融点は、前記電池が正常に作動しているときの前記電池要素の温度より高く、かつ、前記ガス発生材料が作用する温度以下である付記11に記載の電池。
(付記13)
前記ガス発生材料は揮発性の材料を含む付記1から12のいずれかに記載の電池。
(付記14)
前記揮発性の材料は溶媒である付記13に記載の電池。
(付記15)
前記溶媒の揮発温度は50℃以上200℃未満である付記14に記載の電池。
(付記16)
前記溶媒は非水系の溶媒である付記14または15に記載の電池。
(付記17)
前記非水系の溶媒は電解液成分を含む付記16に記載の電池。
(付記18)
付記1から17のいずれかに記載の電池を有する電動車両。
(付記19)
付記1から17のいずれかに記載の電池を有する蓄電設備。
(付記20)
電池要素に一対の第1端子が電気的に接続された電池要素アセンブリを用意する工程と、
可撓性を有する外装材により外装体を形成する工程であって、前記外装体が、前記電池要素を封止する第1室と、前記第1室に隣接する1つまたは2つの第2室とに区画され、前記一対の第1端子のうち少なくとも一方が前記第2室を経由して外部配線と接続可能となるように1つまたは2つの第2端子が前記第2室内から前記外装体の外部に引き出され、かつ、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料を前記第2室内に封入させて、前記外装体を形成する工程と、
を有する電池の製造方法。
(付記21)
前記外装体を形成する工程は、前記第1端子および前記第2端子を、前記第2室が膨張することによって電気的接続が遮断されるように配置することを含む付記20に記載の電池の製造方法。
(付記22)
前記外装体を形成する工程は、前記第2室を、膨張することによって、前記第2端子が引き出される方向である端子方向に伸長するように形成することを含む付記21に記載の電池の製造方法。
(付記23)
前記外装体を形成する工程は、前記第2室を、その厚み方向に膨張するように形成することを含む付記21に記載の電池の製造方法。
(付記24)
前記外装体を形成する工程は、前記第2室内において、対向する前記外装材の一方の面に前記第1端子を接合し、他方の面に前記第2端子を接合することを含む付記23に記載の電池の製造方法。
(付記25)
前記外装体を形成する工程は、前記第1端子および前記第2端子を、互いに接触した状態で仮止めすることを含む付記20から24のいずれかに記載の電池の製造方法。
(付記26)
前記仮止めは、前記第1端子および前記第2端子の重なり合った部分をクリップで挟むことを含む付記25に記載の電池の製造方法。
(付記27)
前記仮止めは、互いに嵌合する雄コネクタおよび雌コネクタを有するスナップを用い、前記第1端子および前記第2端子の一方に前記雄コネクタを固定し、他方に前記雌コネクタを固定することを含む付記25に記載の電池の製造方法。
(付記28)
前記仮止めは、前記第1端子および前記第2端子の互いに接触している部分を、その外側から熱可塑性樹脂でコーティングすることを含む付記25に記載の電池の製造方法。
本発明による電池は、例えば、電源を必要とするあらゆる産業分野、ならびに電気的エネルギーの輸送、貯蔵および供給に関する産業分野にて利用することができる。具体的には、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器の電源;電気自動車、ハイブリッドカー、電動バイク、電動アシスト自転車などの電動車両を含む、電車や衛星や潜水艦などの移動・輸送用媒体の電源;UPSなどのバックアップ電源;太陽光発電、風力発電などで発電した電力を貯める蓄電設備;などに、利用することができる。
1 電池
10 電池要素
11 第1端子
12 第2端子
13 外装体
13a 第1室
13b 第2室
14 ガス発生材料
15 電流遮断機構
20 クリップ
30 スナップ
31 雄コネクタ
32 雌コネクタ
111 凹部
121 凸部
131 メインシート
132 側部シート
133 山部

Claims (8)

  1. 電池要素と、
    前記電池要素に電気的に接続された一対の第1端子と、
    可撓性を有する外装材から作られ、前記電池要素を封止する第1室と、前記第1室に隣接する1つまたは2つの第2室とに区画された外装体と、
    前記一対の第1端子のうち少なくとも一方が前記第2室を経由して外部配線と電気的に接続可能となるように、前記第2室内から前記外装体の外部に引き出された1つまたは2つの第2端子と、を有し、
    前記第1端子および前記第2端子は、前記第2室が膨張することによって電気的接続が遮断されるように配置され、
    前記第2室内に、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料が封入されている電池。
  2. 前記第1端子および前記第2端子が、互いに接触した状態で仮止めされている請求項に記載の電池。
  3. 前記第1端子および前記第2端子の互いに接触している部分がその外側から熱可塑性樹脂でコーティングされることによって前記第1端子および前記第2端子が仮止めされている請求項に記載の電池。
  4. 前記ガス発生材料は揮発性の材料を含む請求項1からのいずれか一項に記載の電池。
  5. 前記揮発性の材料は溶媒である請求項に記載の電池。
  6. 前記溶媒は非水系の溶媒である請求項に記載の電池。
  7. 電池要素に一対の第1端子が電気的に接続された電池要素アセンブリを用意する工程と、
    可撓性を有する外装材により外装体を形成する工程であって、前記外装体が、前記電池要素を封止する第1室と、前記第1室に隣接する1つまたは2つの第2室とに区画され、前記一対の第1端子のうち少なくとも一方が前記第2室を経由して外部配線と接続可能となるように1つまたは2つの第2端子が前記第2室内から前記外装体の外部に引き出され、かつ、所定の温度以上の温度でガスを発生するガス発生材料を前記第2室内に封入させて、前記外装体を形成する工程と、
    を有し、
    前記外装体を形成する工程は、前記第1端子および前記第2端子を、前記第2室が膨張することによって電気的接続が遮断されるように配置することを含む、電池の製造方法。
  8. 前記外装体を形成する工程は、前記第1端子および前記第2端子を、互いに接触した状態で仮止めすることを含む請求項に記載の電池の製造方法。
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