JP6791030B2 - 電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システム - Google Patents
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Description
正極は、捲回電極体の外周部において、正極集電体の一面に正極活物質層が形成されるとともに、正極集電体の他面に正極活物質層が形成されていない第1の露出面を有し、
負極は、捲回電極体の外周部において、負極集電体の一面に負極活物質層が形成されるとともに、負極集電体の他面に負極活物質層が形成されていない第2の露出面を有し、
第1及び第2の露出面が、セパレータを介して対向しており、
正極は、捲回電極体の内周部において、正極集電体の少なくとも一面に正極活物質層が形成されていない第3の露出面を有し、
負極は、捲回電極体の内周部において、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質層が形成されていない第4の露出面を有し、
第3及び第4の露出面が、セパレータを介して対向しており、
捲回電極体の外周部において、第1の露出面又は第2の露出面の少なくとも一部に第1の被覆材が配置された電池である。
本技術の説明は、以下の順序にしたがってなされる。
<1.電池の一例>
<2.本技術の一実施の形態>
<3.応用例>
<4.変形例>
本技術を適用できるラミネートフィルム型の電池の一例について以下に説明する(例えば特開2001−266946号公報参照)。本技術は、電極活物質層がひと続きで塗布された正負極を捲回し外装部材に収容した電池に関するものである。図1は、かかる非水電解質電池21の構成を表すものである。この非水電解質電池21は、捲回電極体10を図示しない電解質と共にフィルム状の外装部材22の内部に収容したものである。
[正極活物質]
リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。このリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物等が挙げられる。中でも、遷移金属元素としてコバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及び鉄(Fe)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。
負極活物質層は、負極活物質として、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料のいずれか1種又は2種以上を含んでおり、必要に応じて、結着剤や導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。この際、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料における充電可能な容量は、正極の放電容量よりも大きくなっていることが好ましい。リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料としては、例えば、炭素材料が挙げられる。この炭素材料とは、例えば、易黒鉛化性炭素や、(002)面の面間隔が0.37nm以上の難黒鉛化性炭素や、(002)面の面間隔が0.34nm以下の黒鉛などである。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、活性炭又はカーボンブラック類などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークス又は石油コークスなどが含まれる。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。炭素材料は、リチウムの吸蔵及び放出に伴う結晶構造の変化が非常に少ないため、高いエネルギー密度が得られると共に優れたサイクル特性が得られ、さらに導電剤としても機能するので好ましい。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状又は鱗片状のいずれでもよい。
結着剤は、例えば、合成ゴム及び高分子材料などのうちのいずれか1種類又は2種類以上を含んでいる。合成ゴムは、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴム及びエチレンプロピレンジエンなどである。高分子材料は、例えば、ポリフッ化ビニリデン及びポリイミドなどである。
導電剤は、例えば、炭素材料などのうちのいずれか1種類又は2種類以上を含んでいる。この炭素材料は、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック及びケチェンブラックなどである。なお、導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料及び導電性高分子などでもよい。
セパレータは、正極と負極とを隔離しつつ、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながらリチウムイオンを通過させる機能を有しており、例えば合成樹脂やセラミックなどからなる多孔質膜で作製することができる。さらに、リチウムイオン電池の安全性確保のために、セパレーターにはシャットダウン機能を持たせることができる。ここでいうシャットダウン機能とは、電池の温度が上昇したときに、微多孔膜の孔が閉塞し、電流を遮断する機能のことを言い、電池の熱暴走を食い止める働きがある。これら機能を併せ持つ材料として、ポリオレフィン、ポリエチレン微多孔膜等が挙げられる。
また、電池の設計によっては、シャットダウン後に電池がさらに高温になりセパレーターが溶融し、電池内部で短絡が生じ、発煙発火等につながることがある。そこで、ポリエチレン微多孔膜の片面又は両面に耐熱性多孔質層を被覆させたり、耐熱性繊維からなる不織布を積層させたり、これらの層にセラミック粉末を含ませたりする技術が提案されている。例えば、ポリエチレン微多孔膜の片面又は両面に、湿式塗工法により芳香族アラミドやポリイミド、ポリフッ化ビニリデン等の耐熱性高分子からなる耐熱性多孔質層を積層した非水電解質電池セパレータが知られており、これらを用いてもよい。この高分子化合物層を形成する場合には、例えば、高分子材料が溶解された溶液を基材層に塗布したのち基材層を乾燥させてもよいし、溶液中に基材層を浸漬させたのち、その基材層を乾燥させてもよい。
電解液は、溶媒と、電解質塩とを含む。
溶媒としては、例えば、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、リン酸トリメチル又はジメチルスルホキシドなどを用いることができる。この電解液を電池などの電気化学デバイスに用いた場合において、優れた容量、サイクル特性及び保存特性が得られるからである。これらは単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。中でも、溶媒としては、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル及び炭酸エチルメチルからなる群のうちの少なくとも1種を含むものを用いることが好ましい。十分な効果が得られるからである。この場合には、特に、高粘度(高誘電率)溶媒(例えば、比誘電率εr≧30)である炭酸エチレン又は炭酸プロピレンと、低粘度溶媒(例えば、粘度≦1mPa・s)である炭酸ジメチル、炭酸ジエチル又は炭酸エチルメチルとを混合して含むものを用いることが好ましい。電解質塩の解離性及びイオンの移動度が向上するため、より高い効果が得られるからである。ただし、溶媒は、上記以外の材料でもよい。
本技術は、エネルギー密度を下げずに安全性を向上させるものである。以下、図面を参照して本技術について説明するが、簡単のため、捲回電極体の図面については、構造の異なる外周側の集電体を示し、図3に示すように、正極集電体11aに対して正極活物質層11bが塗布された正極11と、負極集電体12aに対して負極活物質層12bが塗布された負極12とを示すことにする。セパレータ、保護テープ、内周側の構造は、一部の図面を除いて省略する。
1.正負極集電体が対向する部分では低抵抗のショートが起こるため、電極塗布部が対向する部分の発熱量が低減すること
2.最外周にそれを配置した場合、釘刺し初期から電極塗布部が対向する部分の発熱量が低減すること
以上2点の効果が掛け合わさることにより、電池が熱暴走しにくくなる。
また、正負極集電体が対向する部分の電流経路は、正極集電体と負極集電体が釘を介して短絡する経路よりも、正負極集電体が直接接触している経路の方が主な電流経路であることが判った。
そこで、集電体の金属面が電池の外周側で対向する構造としてどのような構造が考えられるかを検討し、実際に電池を作製し厚みと安全性の関係を明らかにした。
まず、箔箔対向部を設ける面に関していえば、外周側に箔箔対向部を設けることが安全性向上に非常に効果的である。そのため、外傷が加わる面が片面からしか想定されないのであれば、その面の外周側に箔箔対向部を設けることで安全性向上が期待できる。さらに、箔箔対向部の数は多いほどその効果を維持しやすいことから、より安全性を高めたい場合は、外傷が加わる側とその反対面側の両面に箔箔対向部を設けることができる。
である。図10及び図11の何れの構造でもよい。
対向部開始から屈曲部開始位置までの長さである。Y'は、電極を内周側から外周側に見
た時の、屈曲部終了位置(平坦部開始位置)から箔箔対向部終了までの長さである。
曲部の頂点の電極素子幅方向の位置(第2の屈曲位置と称する)から電極を内周側から外周側に向かって(捲回方向に向かって)見た時の箔箔対向部終端部の電極素子幅方向の位置(終端位置と称する)までの長さをYと定義したとき、X≧Yの関係を満たすようになされる。片面箔箔構造(2)において、箔露出面と対極側の箔の対向部分が電池の両面に存在しており、対向部分のうち、電極を内周側から外周側に向かって(捲回方向に向かって)見た時の箔箔対向部開始部の電極素子幅方向の位置(開始位置と称する)から屈曲部の頂点の電極素子幅方向の位置(第1の屈曲位置と称する)までの長さをX、屈曲部の頂
点の電極素子幅方向の位置(第2の屈曲位置と称する)から電極を内周側から外周側に向かって(捲回方向に向かって)見た時の箔箔対向部終端部の電極素子幅方向の位置(終端位置と称する)までの長さをYと定義したとき、X≧Yの関係を満たすようになされる。尚、屈曲部の頂点がただ一つ存在する場合は、第1の屈曲位置と第2の屈曲位置は同じ位
置となるが、屈曲部の頂点が複数存在する場合は、電極を内周側から外周側へ見た時の最初の屈曲部の頂点の電極素子幅方向の位置が第1の屈曲位置となり、電極を内周側から外
周側へ見た時の最後の屈曲部の頂点の電極素子幅方向の位置が第2の屈曲位置となる。
2の屈曲位置をYL とし、箔箔対向部の終端位置をYR とする。正極リード16が存在する電極素子幅方向の位置PCL(XL 側の位置)と、PCR(XR 側の位置)とが定義される。同様に、負極リード17の電極素子幅方向の位置PAL及びPARが定義される。これらの位置の座標は、電極素子幅Wの中点を0とし、左側(XL )側を−、右側(XR )側を+として〔mm〕で表される。これらの正極リード16及び負極リード17の両方の電極素子幅方向の位置がXRとYRの間に位置するようにすることによって、エネルギー密度を高くすることができる。
OK電圧が4.50V)である。
電池を組み立てたのち初回充電を行ったのち、満充電状態のまま3日間放置する。3日間放置する前後の電池の開放電圧(OCV)を比較して、0.05V以上低下したものを不良」とカウントし、100セル組み立てたうちの不良数の割合をOCV不良率と定義した。
テープ基材の融点は、示差走査熱量測定装置(DSC;Differential Scanning Calorimetry)を用いて測定した。測定は、厚さ0.1mmの試料を5mg分測定容器形状に合わせて切断し、装置内に封入後、10℃/minで昇温し、DSC曲線を測定し、DSC曲線の基材の融点ピークの頂点の温度を融点とした。このとき、リファレンスとして、試料と同程度の体積分のα−アルミナ粉を別容器に封入して使用した。
実施例21−実施例24では、図11に示す断面構造を有する捲回電極体を採用した。正極外周側テープ18cは、実施例10と同様とし、負極内周側テープ18bの厚みを表2に示すとおりに変えた。
実施例25−実施例27では、図11に示す断面構造を有する捲回電極体を採用した。正極外周側テープ18cは、実施例10と同様とし、負極内周側テープ18bの材料種を表2に示すとおりに変えた。
実施例28−実施例31では、図22に示す断面構造を有する捲回電極体を採用した。この捲回電極体では、内周側の電池の中央部に被覆材(正極内周側テープ)18aと被覆材(負極内周側テープ)18bとがセパレータを介して対向している。
実施例32では、図23に示す断面構造を有する捲回電極体を採用した。この捲回電極体は、活物質が載っていない正極集電体11aが電池の中央部分に到達していない構造を有するものである。
実施例33、実施例34、比較例12−比較例14では、図11に示す断面構造を有する捲回電極体を採用した。負極内周側テープ18bを15μmのPET(ポリエチレンテレフタレート)として、正極外周側テープ18cの厚みを表2に示す通りに変えた。
図11に示す断面構造を有する捲回電極体を採用した。実施例35−実施例38は、負極内周側テープ18b若しくは正極外周側テープ18cがある例、又は、負極内周側テープ18bのみがある例、又は、負極内周側テープ18b及び正極外周側テープ18cの両方がない例である。
実施例10の捲回電極体の正極及び負極の位置関係を入れ替え、これを実施例39の捲回電極体として採用した(図示省略)。
表2に示す実施例21−実施例31は、外周側のテープの厚みと材料を一定とし、内周側の基材種と厚みとを変えた例である。実施例21−実施例31の結果から一定の法則を導き出せた。
釘が刺さる状況によっては、箔箔ショートを起こした部分の発熱が大きくなり、結果として短絡が外れ、所望の短絡状態を得られないことがある。箔箔ショートとは、アルミニウム箔(正極集電体11a)と銅箔(負極集電体12a)が低抵抗でショートしていることである。発熱が大きくなると、アルミニウム箔が溶けてしまい、低抵抗でショートしている状態が解除されてしまうことがある。正極の集電体としてはアルミ箔が、負極の集電体としては銅箔が用いられることが多く、この場合アルミ箔の方が融点が低いため、短絡の解除が起きやすい。そのため正極リード16で補強を行うことによって短絡解除を抑制することができる。すなわち、正極リード16を釘刺しに対する安全性を高めたい部分に設置することで、短絡解除を抑制することで高い安全性を得ることができる。仮にセルの中央に釘が刺さることを想定した場合、図24に示すような構造をとると効果的である。
より大容量を得るために、複数の電池素子を共通の外装部材の中に収納することが考えられている。このように、より大きな容量の電池を作製した場合、安全性が低下するという問題がある。このような大容量化の場合において、本技術を適用することによって、安全性を高めることができる。すなわち、容量の大きい電池においてもできるだけエネルギー密度を下げずに高い安全性を確保するために、片面箔箔構造の素子を積層しひとつの外装内に挿入する構造をとることもできる。
図27Bの接続方法は、外装部材42の外で正極リード43A及び43Bの全体を溶接する方法である。負極リード44A及び44Bも同様に接続される。この接続方法を採用するのが実施例50である。
図27Cの接続方法は、外装部材42の外で正極リード43A及び43Bの先端を溶接する方法である。負極リード44A及び44Bも同様に接続される。この接続方法を採用するのが実施例51である。
図27Dの接続方法は、外装部材42の外で正極リード43A及び43Bの先端を溶接する方法である。負極リード44A及び44Bも同様に接続される。さらに、捲回電極体41A及び41Bを隔離するための絶縁体からなるセパレータ45が設けられている。この接続方法を採用するのが実施例52である。実施例51と52の比較より、素子同士は電気的に隔離されていてもいなくても効果があることが分かる。
図28及び図29における黒ドットで示す位置を、集電体と接続された電極リード(例えば正極リード43A)の根本と定義したとき、2個の捲回電極体の正極リード43A及び43Bの根本の間の抵抗(つまり図29におけるA点とB点の間の抵抗)を「正極側のリード間抵抗」とする。2個の捲回電極体の負極側電極リードの根本の間の抵抗を「負極側のリード間抵抗」とする。これらの正負極側のリード間抵抗を合計したものを、「セル間のリード抵抗(正負極リード合計)」と定義する。なお、図28及び図29において、二つのリード電極を外装部材の外に出す際、リード電極と外装部材の間の隙間を埋め捲回電極体を密封するために熱可塑性樹脂47が設けられている。
<3−1.電池パックの例>
図30は、本技術の一実施の形態に係る電池(以下、二次電池と適宜称する)を電池パックに適用した場合の回路構成例を示すブロック図である。電池パックは、組電池301、外装、充電制御スイッチ302aと、放電制御スイッチ303a、を備えるスイッチ部304、電流検出抵抗307、温度検出素子308、制御部310を備えている。
上述した本技術の一実施の形態に係る電池は、例えば電子機器や電動車両、蓄電装置などの機器に搭載又は電力を供給するために使用することができる。
本技術の電池を用いた蓄電装置を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図31を参照して説明する。例えば住宅101用の蓄電システム100においては、火力発電102a、原子力発電102b、水力発電102cなどの集中型電力系統102から電力網109、情報網112、スマートメータ107、パワーハブ108などを介し、電力が蓄電装置103に供給される。これと共に、家庭内の発電装置104などの独立電源から電力が蓄電装置103に供給される。蓄電装置103に供給された電力が蓄電される。蓄電装置103を使用して、住宅101で使用する電力が給電される。住宅101に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。
本技術を車両用の蓄電システムに適用した例について、図32を参照して説明する。図32に、本技術が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
以上、本技術の一実施の形態について具体的に説明したが、本技術は、上述の一実施の形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。
11・・・正極
11a・・・正極集電体
11b・・・正極活物質含有塗膜
12・・・負極
12a・・・負極集電体
12b・・・負極活物質含有塗膜
15・・・セパレータ
16・・・正極リード
17・・・負極リード
21・・・非水電解質電池
22・・・外装部材
Claims (14)
- 正極と負極とをセパレータを介して捲回した捲回電極体を有する電池において、
前記正極は、前記捲回電極体の外周部において、正極集電体の一面に正極活物質層が形成されるとともに、前記正極集電体の他面に正極活物質層が形成されていない第1の露出面を有し、
前記負極は、前記捲回電極体の外周部において、負極集電体の一面に負極活物質層が形成されるとともに、前記負極集電体の他面に負極活物質層が形成されていない第2の露出面を有し、
前記第1及び第2の露出面が、前記セパレータを介して対向しており、
前記正極は、前記捲回電極体の内周部において、前記正極集電体の少なくとも一面に正極活物質層が形成されていない第3の露出面を有し、
前記負極は、前記捲回電極体の内周部において、前記負極集電体の少なくとも一面に負極活物質層が形成されていない第4の露出面を有し、
前記第3及び第4の露出面が、前記セパレータを介して対向しており、
前記捲回電極体の外周部において、前記第1の露出面又は前記第2の露出面の少なくとも一部に第1の被覆材が配置された電池。 - 前記第1の被覆材は少なくとも第1の基材を有し、
前記第1の基材の融点と前記第1の基材の厚みとを掛け合わせた値は、4.6[℃・mm]未満である請求項1に記載の電池。 - 前記第3の露出面又は前記第4の露出面の少なくとも一部に第2の被覆材が配置された請求項2に記載の電池。
- 前記第2の被覆材は少なくとも第2の基材を有し、
前記第2の基材の融点と前記第2の基材の厚みとを掛け合わせた値は、14.0[℃・mm]未満である請求項3に記載の電池。 - 前記第1及び第2の露出面の対向部分は屈曲部を備え、
前記捲回方向に向かって見たときの、前記対向部分の開始部の電極素子幅方向の位置から、前記屈曲部の頂点の電極素子幅方向の位置までの長さをXと定義し、前記屈曲部の頂点の電極素子幅方向の位置から、前記対向部分の終端部の電極素子幅方向の位置までの長さをYと定義したとき、
X≧Yの関係を満たすようにした請求項1から4のいずれか一に記載の電池。 - 前記電池は外装部材を備え、
前記外装部材がラミネートフィルムである請求項1から5のいずれか一に記載の電池。 - 前記正極及び前記負極がそれぞれ電極リードを備え、
少なくとも一方の前記電極リードの前記捲回電極体内の長さが、前記捲回電極体の高さの半分を超えている請求項1から6のいずれか一に記載の電池。 - 請求項1に記載の電池と、
前記電池を制御する制御部と、
前記電池を内包する外装と
を有する電池パック。 - 請求項1に記載の電池を有し、前記電池から電力の供給を受ける電子機器。
- 請求項1に記載の電池と、
前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置と
を有する電動車両。 - 請求項1に記載の電池を有し、前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置。
- 他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を有し、
前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う請求項11に記載の蓄電装置。 - 請求項1に記載の電池を有し、前記電池から電力の供給を受ける電力システム。
- 発電装置又は電力網から前記電池に電力が供給される請求項13に記載の電力システム。
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