JP7125658B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
これによって、電極体のコア部で大きな温度上昇が生じた際に当該コア部で生じた熱が短絡促進部に効率よく伝わるため、合材層非対向部において適切に内部短絡を生じさせることができる。
一般的な二次電池では、過剰な電流が供給された際に、端子接続部と電極端子との接合部が急激に発熱することがある。本態様によると、かかる接合部での発熱を考慮して、短絡促進部の面積が規定されているため、合材層非対向部においてより適切に内部短絡を生じさせることができる。
これによって、短絡促進部の形成が容易になるため、短絡促進部を形成する工程を設けることによる生産効率の低下を抑制することができる。
一般的な二次電池の電極体内部は、発熱しやすく、かつ、放熱しにくいため、高温になりやすい傾向がある。この点を考慮し、電極体の内側に配置されたセパレータに短絡促進部を形成することによって、合材層非対向部において適切に内部短絡を生じさせることができる。
図1は本実施形態に係る非水電解質二次電池を模式的に示す斜視図である。図2は本実施形態に係る非水電解質二次電池の内部構造を模式的に示す正面図である。図3は本実施形態における捲回電極体を模式的に示す斜視図である。また、図4は本実施形態における捲回電極体の幅方向に沿った断面を模式的に示す図である。また、各図における符号Xは「(非水電解質二次電池の)幅方向」を指し、符号Yは「(非水電解質二次電池の)厚み方向」を指し、符号Zは「(非水電解質二次電池の)高さ方向」を指す。なお、これらの方向は、説明の便宜上定めたものであり、ここに開示される非水電解質二次電池を設置する方向を限定することを意図したものではない。
図1に示すように、本実施形態に係る非水電解質二次電池1は、扁平な角型のケース10を備えている。このケース10は、上面開口(図示省略)を有する角型のケース本体12と、当該上面開口を塞ぐ蓋体14とを備える。このケース10は、例えば、アルミニウム合金などの軽量で強度が高い金属材料を主体に構成されていると好ましい。図2に示すように、ケース10の内部には、電極体20が収容されている。また、図示は省略するが、ケース10の内部には、電極体20の他に非水電解質(典型的には、非水電解液)も収容されている。非水電解質は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられ得るものを特に制限なく使用することができ、本発明を特徴付けるものでないため説明を省略する。
図3に示すように、電極体20は、セパレータ70を介して複数の電極シート50、60を重ねることによって形成されている。本実施形態において用いられる電極体20は、扁平形状の捲回電極体である。この扁平形状の捲回電極体20は、2枚のセパレータ70を介して正極および負極の一対の電極シート50、60を積層させた積層体を形成し、この積層体を巻き重ねた捲回体を押し潰すことによって形成される。なお、扁平形状の捲回電極体を形成する手段は、これに限定されず、例えば、矩形の板状の軸芯の周囲にセパレータと電極シートを巻き重ねるという手段を採用することもできる。
電極シート50、60は、集電箔52、62の表面に電極合材層54、64が形成されたシート状の電極である。さらに、各々の電極シート50、60の幅方向Xにおける一方の側縁部には、電極合材層54、64が形成されずに、集電箔52、62が露出した集電箔露出部52a、62aが形成されている。なお、本明細書では、正極側の電極シート50を「正極シート50」と称し、負極側の電極シート60を「負極シート60」と称する。以下、正極シート50と負極シート60について具体的に説明する。
正極シート50は、正極集電箔52と、当該正極集電箔52の両面に形成された正極合材層54とを有している。この正極シート50の幅方向Xの一方の側縁部には、正極合材層54が形成されず、正極集電箔52が露出した正極露出部52aが形成されている。正極集電箔52には、この種の二次電池の正極集電箔として用いられる材料を特に制限なく使用できる。典型的には、正極集電箔52は、安価であり、かつ、良好な導電性を有する金属、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等の金属、またはこれらの金属を含む合金等から構成されていることが好ましい。
負極シート60は、負極集電箔62と、当該負極集電箔62の両面に形成された負極合材層64とを有している。上述した正極シート50と同様に、負極シート60にも集電箔露出部が設けられている。具体的には、負極シート60では、幅方向Xの他方の側縁部に、負極合材層64が形成されずに負極集電箔62が露出した負極露出部62aが形成されている。負極集電箔62には、この種の二次電池の負極集電箔として用いられる材料を特に制限なく使用できる。典型的には、負極集電箔62は、安価であり、かつ、良好な導電性を有する金属、例えば、銅や銅を主体とする合金を用いることができる。
セパレータ70は、電極シート50、60の間に介在する絶縁性のシート状部材である。本実施形態における電極体20では、負極合材層64の幅w2よりも長い幅w3を有した2枚のセパレータ70が使用されている。そして、一方のセパレータ70は、正極シート50の背面に配置され、他方のセパレータ70は、負極シート60の背面に配置されている。このように、セパレータ70、負極シート60、セパレータ70、正極シート50の順で各々のシート状部材を積層させた積層体を捲回することによって、2枚のセパレータ70を介して正極シート50と負極シート60とが巻き重ねられた捲回電極体20が形成される。
以上、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池について説明した。なお、上述した実施形態は、本発明を限定することを意図したものではなく、種々の変更を行うことができる。以下、本発明の他の実施形態に係る非水電解質二次電池について説明する。
上述の実施形態では、コア部22の側縁に沿った長尺な溝状の短絡促進部72がセパレータ70に形成されている。しかし、短絡促進部は、セパレータの厚みに対して30%以上の深さを有する凹部であればよく、当該短絡促進部の正面視における形状は特に限定されない。例えば、合材層非対向部のセパレータに、ドット状の凹部(短絡促進部)を複数形成してもよい。また、合材層非対向部のセパレータに、電極体の幅方向に沿った溝状の短絡促進部を複数本形成してもよい。これらの場合でも、大きな温度上昇が生じた際に、合材層非対向部からセパレータの溶融を開始させ、電極合材層と集電箔との内部短絡を生じさせることができる。
上述の実施形態では、コア部22の側縁に沿った溝状の短絡促進部72が捲回電極体20の全周に亘って形成されている。しかし、短絡促進部は、捲回電極体の全周に亘って形成されている必要はなく、周方向の特定の位置にのみ形成されていてもよい。この場合、セパレータの強度を十分に確保することができる。例えば、扁平形状の捲回電極体20は、図5に示すように、側面視において対向する一対の平坦部20aと、高さ方向Zにおける捲回電極体20の両端部に形成され、電極シートが湾曲している一対のR部20bとを備えている。かかる扁平形状の捲回電極体20において、短絡促進部は、平坦部20aに配置されたセパレータのみに形成されていてもよいし、R部20bに配置されたセパレータのみに形成されていてもよい。なお、一般的な扁平形状の捲回電極体20では、R部20bで生じた熱が放熱されにくい傾向がある。この点を考慮すると、R部20bに配置されたセパレータに短絡促進部を形成することが好ましい。
図3に示すように、上述の実施形態では、正極合材層54の幅w1よりも、負極合材層64の幅w2が長いため、正極接続部24とコア部22との間に、負極合材層64と正極露出部52aとが対向する合材層非対向部27が形成される。そして、この正極接続部24とコア部22との間の合材層非対向部27におけるセパレータ70に短絡促進部72が形成されている。
しかしながら、短絡促進部が形成される合材層非対向部は、負極合材層と正極露出部とが対向する合材層非対向部に限定されない。例えば、正極と負極の各々の電極合材層の塗工幅や、正極シートと負極シートとの積層位置などを調節することによって、正極合材層と負極露出部とが対向する合材層非対向部を形成することもできる。この場合には、正極合材層と負極露出部とが対向する合材層非対向部におけるセパレータに短絡促進部を形成してもよい。この場合でも、大きな温度上昇が生じた際に、電極合材層と集電箔との内部短絡を意図的に生じさせ、電極合材層同士の内部短絡による高温域への急激な温度上昇を防止できる。また、合材層非対向部は、一対の端子接続部とコア部との境界の両方に形成されている必要はない。例えば、一方の端子接続部とコア部との境界に、電極合材層と集電箔露出部とが対向した合材層非対向部が形成されていれば、当該合材層非対向部におけるセパレータに短絡促進部を形成することによって、電極合材層同士の内部短絡による高温域への急激な温度上昇を防止できる。加えて、両方の合材層非対向部において電極合材層と集電箔露出部とが対向している場合は、両方の合材層非対向部のセパレータに短絡促進部を形成してもよい。
なお、正極合材層の幅と負極合材層の幅とは、同じであってもよい。このような場合でも、正極シートと負極シートとの積層位置を調節することによって、合材層非対向部を形成することができる。
また、セパレータの表面には、HRL層(Heat Resistant Layer)が形成されていてもよい。かかるHRL層は、耐熱性の高い無機粒子(例えば、アルミナ粒子など)を含む層である。このようなHRL層を形成することによって、温度上昇によるセパレータの溶融・収縮を抑制できるため、コア部における電極合材層同士の内部短絡をより好適に防止できる。なお、このHRL層付セパレータを使用する場合、短絡促進部は、HRL層が形成されていない側の面と、HRL層が形成されている側の面の何れに形成されていてもよい。何れの場合でも、短絡促進部が形成された位置から好適にセパレータの溶融を開始させることができる。なお、短絡促進部の形成を容易にするという観点からは、HRL層が形成されていない側の面に短絡促進部を形成した方が好ましい。一方、短絡促進部からの溶融を生じさせやすくするという観点からは、HRL層が形成されている側の面に短絡促進部を形成した方が好ましい。
上述した実施形態では、図3に示すような捲回電極体20を備えた二次電池を対象としている。しかしながら、ここに開示される技術の効果を阻害しない限りにおいて、電極体は、従来公知の種々の構造を制限なく採用できる。換言すると、ここに開示される技術における電極体は、複数の電極シートがセパレータを介して重ねられることによって形成されており、かつ、電極合材層と集電箔露出部とが対向する合材層非対向部を有していればよく、電極シートとセパレータを巻き重ねる捲回電極体に限定されない。かかる電極体の他の例として、セパレータを介して複数の電極シートを積み重ねた積層型電極体が挙げられる。図6は他の実施形態における積層型電極体の構成を模式的に示す斜視図であり、図7は当該積層型電極体を構成する各部材を模式的に示す説明図である。
以下、本発明に関係する試験を説明するが、以下の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
1.サンプルの作製
(1)サンプル1
サンプル1では、先ず、正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)と、導電材(AB)と、バインダ(PVdF)とを質量比で94:3:3の割合で溶媒(NMP)に分散させた正極スラリーを調製した。そして、この正極スラリーを正極集電箔(アルミニウム製)の両面に塗布した後に乾燥させることによって正極シートを作製した。次に、負極活物質(グラファイト)と、増粘剤(CMC)と、バインダ(SBR)とを質量比で98:1:1の割合で溶媒(水)に分散させた負極スラリーを調製した。そして、負極スラリーを負極集電箔(銅製)の両面に塗布した後に乾燥させることによって負極シートを作製した。そして、無機粒子(ベーマイト)と、バインダ(PVdF)とを質量比で98:2の割合で溶媒(NMP)に分散させたHRLスラリーを調製した。そして、厚さ20μmの三層樹脂フィルム(PP-PE-PP)の片面にHRLスラリーを塗布した後に乾燥させることによって、HRL層付セパレータを作製した。
サンプル2では、HRL層とは反対側の面に、当該HRL層の厚みを除いたセパレータの厚み(三層樹脂フィルムの厚み)の10%の深さの凹部(短絡促進部)を形成したことを除いて、サンプル1と同じ条件で試験用電池を作製した。なお、本サンプルでは、負極合材層と正極露出部とが対向する合材層非対向部に短絡促進部が配置されるように、各シート状部材の積層位置を調節した。また、本サンプルでは、捲回後の電極体の厚み方向の最外側、かつ、R部に配置されるように、短絡促進部の位置を調節した。
サンプル3~5では、短絡促進部の深さを異ならせたことを除いて、サンプル2と同じ条件で試験用電池を作製した。サンプル3~5における短絡促進部の深さは、後述の表1に示す。
本試験では、各サンプルのケース内部に熱電対を挿入して過充電試験を行った。なお、熱電対は、ケース内部のコア部近傍に配置した。そして、過充電試験では、-10℃の環境に試験用電池を設置し、上限電圧を25Vに設定した上で、SOC(State of Charge)が10%の状態から、10Cの充電レートで定電流充電(CC充電)を行った。そして、充電期間中のケース内部の温度を測定して最大温度(℃)を調べると共に、内部短絡による充電停止が生じたタイミングを調べた。結果を表1に示す。
1.サンプルの作製
セパレータにおける短絡促進部の形成位置を異ならせたことを除いて、第1の試験のサンプル5と同じ条件で5種類の試験用電池(サンプル6~10)を作製した。各サンプルにおける短絡促進部の形成位置を表2に示す。
第1の試験と同様の条件で過充電試験を実施し、充電期間中の最大温度(℃)と、充電停止時期を調べた。結果を表2に示す。なお、表2では、比較検討のために、第1の試験におけるサンプル1、5の結果も示す。
10 ケース
12 ケース本体
14 蓋体
16 正極端子(電極端子)
18 負極端子(電極端子)
20 電極体(捲回電極体)
20A 積層型電極体
20a 平坦部
20b R部
22、22A コア部
24、24A 正極接続部(端子接続部)
26、26A 負極接続部(端子接続部)
27、28、27A 合材層非対向部
42、44 接合部
50 正極シート(電極シート)
52 正極集電箔(集電箔)
52a 正極露出部(集電箔露出部)
54 正極合材層(電極合材層)
60 負極シート(電極シート)
62 負極集電箔(集電箔)
62a 負極露出部(集電箔露出部)
64 負極合材層(電極合材層)
70 セパレータ
72 短絡促進部
Claims (5)
- 複数の電極シートがセパレータを介して重ねられた電極体と、前記電極体に電気的に接続される一対の電極端子とを備えた非水電解質二次電池であって、
前記電極シートは、集電箔の表面に電極合材層が形成されたシート状の電極であって、幅方向の一方の側縁部に前記集電箔が露出した集電箔露出部が形成され、
前記電極体は、
前記幅方向の中央部に形成されており、前記複数の電極シートの前記電極合材層同士が重ねられたコア部と、
前記幅方向の両側縁部の各々に形成されており、前記集電箔露出部が重ねられ、前記電極端子が接続される端子接続部と、
前記端子接続部と前記コア部との境界の少なくとも一方に形成されており、前記電極合材層と前記集電箔露出部とが対向する合材層非対向部と
を備えており、
前記合材層非対向部において前記電極シートの間に介在するセパレータに、当該セパレータの厚みに対して30%以上の深さの凹部からなる短絡促進部が形成されている、非水電解質二次電池。 - 前記短絡促進部は、前記コア部の側縁に沿って延びる長尺の溝である、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記端子接続部と前記電極端子との接続箇所に、前記端子接続部と前記電極端子とを接合した接合部が形成されており、前記短絡促進部の総面積が、近接する方の前記接合部の面積の25%以上である、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記短絡促進部は、前記電極体の厚み方向の最外側に配置されたセパレータに形成されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記短絡促進部は、前記電極体の厚み方向の内側に配置されたセパレータに形成されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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