JP6926074B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
本開示は、二次電池に関する。
複数の正極と複数の負極がセパレータを介して交互に積層されてなる積層型の電極体を備えた二次電池において、内部短絡等の異常が発生したときの発熱を抑制することが求められている。例えば、特許文献１は、電極体内部で熱暴走が生じても速やかな冷却を可能とすべく、容器と接触した状態で正極と負極の間に設けられた金属板（放熱板）を備える二次電池を開示している。かかる金属板の両側には、金属板と電極との間の絶縁を確保するために、セパレータが配置されている。
特許文献１の二次電池によれば、上記金属板を有さない場合と比較して、異常発生時における発熱の抑制効果が期待される。しかし、特許文献１の二次電池では、金属板と電極との間にセパレータが介在しているため、セパレータが溶融して金属板と電極が接触しなければ良好な放熱効果が得られない。また、金属板が容器と接触しているため、セパレータが溶融して金属板と電極が接触すると、金属板に電流が流れて金属板自体が発熱するという問題もある。
本開示に係る二次電池は、複数の正極、複数の負極、及び少なくとも１つのセパレータを含み、各正極と各負極がセパレータを介して交互に積層された複数の電極群と、各電極群の間に配置された少なくとも１つの金属板とを有する電極体を備える。そして、各電極群の両端に配置される電極は、負極であり、金属板は、少なくとも１つの電極群を構成する負極の合材層と接触し、当該合材層以外の導電性部材と非接触の状態で設けられていることを特徴とする。
本開示に係る二次電池によれば、積層型の電極体における異常発熱を十分に抑制することができる。
本開示に係る二次電池では、放熱部材として機能する金属板が電極群を構成する負極の合材層と直接接触しており、金属板と電極群との良好な熱的接触が常時確保される。このため、内部短絡等の異常発生初期における局所発熱に対しても速やかに放熱でき、例えば短絡箇所の拡大による更なる発熱を阻止することが可能である。また、金属板は負極合材層以外の導電性部材（例えば、外装缶、負極タブ等の集電部材など）と接触しないため、金属板に大電流が流れて金属板が発熱するといった問題が生じない。つまり、金属板は、電極群を構成する負極に対し、合材層の抵抗を介して接触するため、金属板に大電流が流れるような低抵抗な回路が形成されない。したがって、本開示に係る二次電池によれば、積層型の電極体における異常発熱を十分に抑制できる。
以下、図面を参照しながら、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、各構成要素の具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断されるべきである。以下では、積層型の電極体１７が外装缶１１と封口板１２とで構成される角形の金属製ケースに収容された角形電池を例示するが、電池ケースはこれに限定されず、例えば樹脂フィルムによって構成される樹脂製ケース（ラミネート電池）であってもよい。
図１は、実施形態の一例である二次電池１０の外観を示す斜視図である。図１に例示するように、二次電池１０は、電極体１７を収容する外装缶１１と、外装缶１１の開口を塞ぐ封口板１２とを備える。二次電池１０は、例えば非水電解質二次電池であって、好ましくはリチウムイオン二次電池である。但し、二次電池１０の種類は特に限定されない。外装缶１１は、有底筒状の金属製容器であって、電極体１７と非水電解液を収容する。
封口板１２には、正極外部端子１３、負極外部端子１４、ガス排出弁１５、及び注液部１６が設けられている。正極外部端子１３と負極外部端子１４は、例えば絶縁性のガスケットを用いて封口板１２と電気的に絶縁された状態で封口板１２に取り付けられる。なお、封口板１２に外部端子として負極外部端子のみを設け、外装缶１１を正極外部端子とする形態としてもよい。注液部１６は、一般的に、電解液を注液するための注液孔と、注液孔を塞ぐ封止栓とで構成される。
図２及び図３は、実施形態の一例である電極体１７を示す図である（図３では、セパレータ４０の図示省略）。図２に例示するように、電極体１７は、複数の電極群１８と、各電極群１８の間に配置された少なくとも１つの金属板５０とを有する。電極群１８は、複数の正極２０、複数の負極３０、及び少なくとも１つのセパレータ４０を含み、各正極２０と各負極３０がセパレータ４０を介して交互に積層された構造を有する。本実施形態では、セパレータ４０が複数設けられ、正極２０の両側にそれぞれ配置されている。以下では、電極群における正極、負極、及びセパレータが重なる方向を積層方向Ｘとする。
電極群１８を構成する正極２０と負極３０の数は、特に限定されないが、一般的には各々１０枚〜７０枚程度である。図２に示す例では、電極の積層数が同数である２つの電極群１８（以下、一方を電極群１８Ａ、他方を電極群１８Ｂとする）が積層方向Ｘに重なって電極体１７が構成されている。電極体１７は、電極群１８Ａ、電極群１８Ｂ、及び金属板５０の配置がずれないように、例えば金属板５０を間に挟んだ電極群１８Ａ，１８Ｂが絶縁性のシートで覆われて結束される。また、絶縁テープを用いて金属板５０の縁部を電極群１８Ａ，１８Ｂに固定してもよい。
電極群１８Ａ，１８Ｂの両端に配置される電極は、負極３０である。即ち、負極３０は正極２０よりも１枚多く設けられる。負極３０には、後述するように、負極芯材３１の両面に負極合材層３２が形成され、電極群１８の外側に向き正極２０と対向しない面にも負極合材層３２が形成される。そして、金属板５０は、少なくとも１つの電極群１８を構成する負極３０の合材層と接触し、当該合材層以外の導電性部材と非接触の状態で、電極群１８Ａと電極群１８Ｂの間に設けられている。
図３に例示するように、正極２０は、正極芯材２１と、正極芯材２１の両面に形成された正極合材層２２とで構成される。正極芯材２１には、アルミニウムなどの正極２０の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合材層２２には、例えばリチウム含有複合酸化物等の正極活物質、導電材、及び結着材が含まれる。好適なリチウム含有複合酸化物の一例としては、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｎ系、Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ系のリチウム含有複合酸化物が挙げられる。
正極２０は、正極基部２３と、正極基部２３の一端から突出した正極タブ２４とを含む。正極基部２３は、正面視略矩形形状を有し、その全域に正極合材層２２が形成されている。正極タブ２４は、正極合材層２２が形成されず、正極芯材２１が露出した部分であって、直接又は他の導電部材を介して正極外部端子１３と電気的に接続される。なお、正極タブ２４の付け根部分には、正極合材層２２が形成されていてもよい。正極タブ２４は、例えば正極芯材２１の一部を突出させて形成される。
正極２０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは６０μｍ〜２００μｍである。このうち、正極芯材２１の厚みは、例えば５μｍ〜１５μｍである。正極合材層２２の厚みは、例えば正極芯材２１の両側の合計で４０μｍ〜１９０μｍである。正極２０は、正極タブ２４となる部分を除く正極芯材２１の長尺体表面に正極活物質、導電材、結着材等を含む正極合材スラリーを塗布し、塗膜を圧延して正極合材層２２を芯材の両面に形成した後、これを各々の正極２０の寸法に切断することで製造できる。負極３０についても、負極合材スラリーを用いて正極２０と同様の方法で製造できる。
図２及び図３に例示するように、負極３０は、負極芯材３１と、負極芯材３１の両面に形成された負極合材層３２とで構成される。負極芯材３１には、銅などの負極３０の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合材層３２には、例えば負極活物質、及び結着材が含まれる。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出できるものであれば特に限定されず、天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料、Ｓｉ、Ｓｎ等のリチウムと合金化する金属、合金、複合酸化物などが例示できる。
負極３０は、負極基部３３と、負極基部３３の一端から突出した負極タブ３４とを含む。負極基部３３は、正面視略矩形形状を有し、その全域に負極合材層３２が形成されている。負極タブ３４は、負極合材層３２が形成されず、負極芯材３１が露出した部分であって、直接又は他の導電部材を介して負極外部端子１４と電気的に接続される。なお、負極タブ３４の付け根部分には、負極合材層３２が形成されていてもよい。負極タブ３４は、例えば負極芯材３１の一部を突出させて形成される。
負極３０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは６０μｍ〜２００μｍである。このうち、負極芯材３１の厚みは、例えば５μｍ〜１５μｍであり、正極芯材２１より薄いことが好ましい。負極合材層３２の厚みは、例えば負極芯材３１の両側の合計で４０μｍ〜１９０μｍである。
正極２０と負極３０は、上述のように、セパレータ４０を介して対向配置される。負極３０におけるリチウムの析出を防止するため、負極３０は正極２０よりも大きく形成され、正極２０の正極合材層２２が形成された部分（例えば、正極基部２３と正極タブ２４の付け根部分）は負極３０の負極合材層３２が形成された部分に対向配置される。図３に示す例では、正極タブ２４と負極タブ３４が同じ方向に延びているが、各電極タブは互いに反対方向に延びていてもよい。
セパレータ４０は、少なくとも正極２０の正極合材層２２が形成された部分よりも大きく形成される。他方、セパレータ４０は、負極３０より小さくすることも可能である。セパレータ４０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは１０μｍ〜２５μｍ、より好ましくは１０μｍ〜１５μｍである。
セパレータ４０には、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータの材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、セルロースなどが好ましい。セパレータは、セルロース繊維層及びオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂繊維層を有する積層体であってもよく、ポリエチレン層及びポリプロピレン層を含む多層セパレータであってもよい。
隣り合う２枚のセパレータ４０は、互いに接合されていてもよい。例えば、正極２０を挟む２枚のセパレータ４０が、正極２０より外側で正極２０を包み込むように接合されて袋状に形成されてもよい。なお、正極タブ２４の先端側部分は、２枚のセパレータ４０の間から引き出される。セパレータ４０の表面に無機物層が形成されない場合、２枚のセパレータ４０の端部同士を重ね合わせて熱プレスすることで当該端部同士を溶着できる。
金属板５０は、電極群１８Ａ，１８Ｂの間に挟まれた状態で設けられており、積層方向Ｘに電極群１８Ａ，１８Ｂと重なっている。言い換えると、電極群１８Ａ，１８Ｂは、金属板５０を介して積層方向Ｘに対向配置されている。金属板５０は、電極群１８Ａ，１８Ｂが異常発熱した際に、その熱を速やかに放熱して電極体１７を冷却する機能を有する。なお、電極体１７が３つ以上の電極群１８で構成される場合は、２つ以上の金属板５０を設けて、全ての電極群１８の間に金属板５０を配置することが好ましい。
本実施形態では、電極群１８Ａ，１８Ｂの間に、セパレータ４０が配置されず、金属板５０が１つ配置され、当該金属板５０は、電極群１８Ａ，１８Ｂを構成する負極３０にそれぞれ接触している。より詳しくは、電極群１８Ａの最外部に配置された負極３０の合材層と、電極群１８Ｂの最外部に配置された負極３０の合材層とに、１つの金属板５０が接触している。金属板５０は、電極群１８Ａ，１８Ｂによって積層方向Ｘの両側から押え付けられ、各電極群の負極合材層３２に強く当接していることが好ましい。
金属板５０は、上述のように、電極群１８Ａ，１８Ｂを構成する負極３０の合材層と熱的及び電気的に接触している。金属板５０の積層方向Ｘの両側には負極３０が設けられ、負極３０を介することなく金属板５０と正極２０が対向する部分は存在しない。このため、金属板５０と電極群１８Ａ，１８Ｂの間にはセパレータ４０のような絶縁部材を設ける必要がなく、電極群１８Ａ，１８Ｂとの良好な熱的接触が常時確保される。また、電極群１８Ａ，１８Ｂは、例えば絶縁性シート等を用いて結束され、接着剤を使用しなくても電極群１８Ａ，１８Ｂの間に金属板５０が固定される構成とすることが好ましい。
金属板５０は、例えば外装缶１１、負極タブ３４、及びその他の集電部材など、負極合材層３２以外の導電性部材と電気的に非接触の状態で、電極群１８Ａ，１８Ｂの間に設けられる。金属板５０は、電極群１８を構成する負極３０に対し、負極合材層３２を介して接触し、負極芯材３１と直接接触しない。このため、内部短絡発生時に金属板５０に大電流が流れて金属板５０自体が発熱することを防止できる。
金属板５０の厚みは、正極芯材２１及び負極芯材３１の厚みよりも大きい。金属板５０の厚みは、例えば負極芯材３１の厚みの２倍以上であり、好ましくは２倍〜２０倍、より好ましくは３倍〜１０倍である。好適な金属板５０の厚みの具体例は、５０μｍ〜２００μｍである。電池容量等に影響のない範囲で、金属板５０の厚みを大きくすることにより、金属板５０の熱容量を高めて放熱効果を向上させることができる。
金属板５０の材質は、熱伝導性が高く、電池反応により溶出しない金属材料であれば特に限定されない。好適な金属材料としては、銅、ニッケル、鉄、及びステンレス鋼（ＳＵＳ）等の合金が挙げられる。材料コスト等を考慮すると、銅又はステンレス鋼によって金属板５０を構成することが特に好ましい。
金属板５０は、正極２０の合材層が形成された部分よりも大きく、負極３０とセパレータ４０を介して当該部分の全体と積層方向Ｘに重なるように設けられることが好適である。言い換えると、金属板５０は、負極３０を介して正極２０の合材層が形成された部分である正極基部２３の全体と対向配置される。正極タブ２４の付け根部分に合材層が形成される場合は、例えば当該付け根部分にも対向するように金属板５０を配置する。電極群１８Ａ，１８Ｂを構成する全ての正極２０に対して、金属板５０はこのように配置される。これにより、正極２０の端部で異常発熱が発生した場合でも金属板５０による放熱効果が得られる。
金属板５０は、負極３０よりも小さく、金属板５０の全体が負極３０と積層方向Ｘに重なるように設けられることが好適である。金属板５０は、例えば負極３０の合材層が形成された部分である負極基部３３よりも小さく形成される。即ち、金属板５０は、正極２０の合材層が形成された部分より大きく、且つ負極３０の合材層が形成された部分より小さいことが好ましい。そして、電極群１８Ａ，１８Ｂを構成する全ての正極２０と負極３０に対し、金属板５０は上述のように配置される。これにより、負極タブ３４等の集電部材に対する金属板５０の接触を防止しながら、優れた放熱効果を確保できる。
図４は、金属板５０の機能を説明するための図であって、電極体１７の金属板５０の近傍を示している（セパレータ４０の図示省略）。ここでは、電極群１８Ａの点Ｐで内部短絡が発生し、局所発熱しているものとして説明する。
図４に例示するように、電極群１８Ａの点Ｐが局所的に発熱すると、その熱は金属板５０に伝達され、金属板５０によって速やかに拡散、放熱される。金属板５０は、電極群１８Ａの最外部に配置された負極３０の合材層に直接接触しているため、金属板５０と電極群１８Ａとの間には良好な熱的接触が常時確保されており、異常発生初期における局所発熱に対しても速やかに放熱できる。このため、短絡箇所の拡大による更なる発熱を阻止することができる。なお、金属板５０は正極芯材２１及び負極芯材３１よりも分厚く熱容量が大きいため、電極群１８Ａから熱が伝わっても温度が上昇し難く、電極群１８Ｂに熱が伝わり難い。
また、金属板５０は、負極合材層３２以外の導電性部材と接触しておらず、負極合材層３２の抵抗を介して電極群１８と接触するため、金属板５０に大電流が流れるような低抵抗な回路が形成されない。つまり、金属板５０に大電流が流れて金属板５０が発熱するといった問題が生じないのである。
上述の実施形態は、本開示の目的を損なわない範囲で適宜設計変更できる。例えば、各電極群の間に加えて、他の電極群と対向しない側（電極体の外側）の電極群の最外部に位置する負極と接触するように放熱板を設けてもよい。当該放熱板には、上述の金属板と同様の部材を使用できる。また、金属板は電極群を構成する負極の合材層に直接接触していることが好ましいが、例えば両者の間に熱伝導性を損なわない程度の接着剤が存在していてもよい。
図５及び図６は、実施形態の他の一例である電極体１７ｘ，１７ｙを示す断面図である。図５に例示する電極体１７ｘの電極群１８Ａｘ，１８Ｂｘは、１枚のセパレータ４１をそれぞれ用いる点で、電極群１８Ａ，１８Ｂと異なる。セパレータ４１は、つづら折りされて正極２０と負極３０の間に配置されている。他方、電極群１８Ａｘ，１８Ｂｘの積層方向Ｘの両端には、負極３０がそれぞれ配置され、セパレータ４１は配置されていない。電極群１８Ａｘ，１８Ｂｘの間には、セパレータ４１は配置されず、金属板５０が１つ配置され、当該金属板５０は、各電極群の負極３０の合材層とそれぞれ直接接触している。
図６に例示する電極体１７ｙの電極群１８Ａｙ，１８Ｂｙは、つづら折りされた１枚のセパレータ４２をそれぞれ用いる点で、電極群１８Ａｘ，１８Ｂｘと共通する。一方、電極群１８Ａｙ，１８Ｂｙの積層方向Ｘの両端には、セパレータ４２が設けられている点で、電極群１８Ａｘ，１８Ｂｘと異なる。即ち、電極群１８Ａｙ，１８Ｂｙの最も外側に位置する負極３０の外側に向いた面はセパレータ４２に覆われている。
電極体１７ｙでは、電極群１８Ａｙ，１８Ｂｙの間に２枚の金属板５０が設けられ、一方の金属板５０が電極群１８Ａｙの負極３０の合材層に直接接触し、他方の金属板５０が電極群１８Ｂｙの負極３０の合材層に直接接触している。つまり、電極群１８Ａｙ，１８Ｂｙと各セパレータ４２との間に金属板５０がそれぞれ挿入されている。そして、２枚の金属板５０の間には２枚のセパレータ４２が設けられている。この場合、例えば電極群１８Ａｙで発生した熱が、電極群１８Ｂｙに更に伝わり難くなるという利点がある。
本発明は、二次電池に利用できる。
１０ 二次電池
１１ 外装缶
１２ 封口板
１３ 正極外部端子
１４ 負極外部端子
１５ ガス排出弁
１６ 注液部
１７ 電極体
１８，１８Ａ，１８Ｂ 電極群
２０ 正極
２１ 正極芯材
２２ 正極合材層
２３ 正極基部
２４ 正極タブ
３０ 負極
３１ 負極芯材
３２ 負極合材層
３３ 負極基部
３４ 負極タブ
４０，４１，４２ セパレータ
５０ 金属板
１１ 外装缶
１２ 封口板
１３ 正極外部端子
１４ 負極外部端子
１５ ガス排出弁
１６ 注液部
１７ 電極体
１８，１８Ａ，１８Ｂ 電極群
２０ 正極
２１ 正極芯材
２２ 正極合材層
２３ 正極基部
２４ 正極タブ
３０ 負極
３１ 負極芯材
３２ 負極合材層
３３ 負極基部
３４ 負極タブ
４０，４１，４２ セパレータ
５０ 金属板
Claims (4)
- 複数の正極、複数の負極、及び少なくとも１つのセパレータを含み、前記各正極と前記各負極が前記セパレータを介して交互に積層された複数の電極群と、
前記各電極群の間に配置された少なくとも１つの金属板と、
を有する電極体を備え、
前記各電極群の両端に配置される電極は、前記負極であり、
前記金属板は、少なくとも１つの前記電極群を構成する前記負極の合材層と接触し、当該合材層以外の導電性部材と非接触の状態で設けられ、
前記金属板は、前記正極の合材層が形成された部分よりも大きく、前記負極を介して当該部分の全体と重なるように設けられている、二次電池。 - 複数の正極、複数の負極、及び少なくとも１つのセパレータを含み、前記各正極と前記各負極が前記セパレータを介して交互に積層された複数の電極群と、
前記各電極群の間に配置された少なくとも１つの金属板と、
を有する電極体を備え、
前記各電極群の両端に配置される電極は、前記負極であり、
前記金属板は、少なくとも１つの前記電極群を構成する前記負極の合材層と接触し、当該合材層以外の導電性部材と非接触の状態で設けられ、
前記金属板は、前記負極よりも小さく、前記金属板の全体が前記負極と重なるように設けられている、二次電池。 - 前記金属板の厚みは、前記正極及び前記負極の芯材の厚みよりも大きい、請求項１又は２に記載の二次電池。
- 前記各電極群の間には、前記セパレータは配置されず、前記金属板が１つ配置され、
前記金属板は、当該各電極群を構成する前記負極の合材層にそれぞれ接触している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池。
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