JP7167447B2

JP7167447B2 - ラミネート型電池

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Publication number: JP7167447B2
Application number: JP2018019236A
Authority: JP
Inventors: 隆行北條
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2022-11-09
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: JP2019139844A

Description

本開示は、ラミネート型電池に関する。

従来のラミネート型電池に関して、たとえば、特表２０１６－５２９６８３号公報（特許文献１）には、金属層および第１樹脂層を含むラミネートシートからなる電池セルケースと、電池セルケースに内蔵される電極組立体とを備えるパウチ型電池セルが開示されている。電極組立体の電極タブは、電極リードと接続されている。電極リードは、電極セルケース内からその外部に突出している。パウチ型電池セルは、第１樹脂層と同じ素材から形成され、電極タブと電極リードとの接続部位を覆うフィルム部材をさらに備える。

特表２０１６－５２９６８３号公報

上述の特許文献１に開示されるように、ラミネートシートからなる電池セルケース（ラミネートケース）に電極組立体（電極体）が収容されたパウチ型（ラミネート型）電池セルが知られている。このようなラミネート型電池においては、外部短絡などにより電池に大電流が流れた場合の発熱に起因して、ラミネートケースの樹脂層が溶融する可能性がある。これにより、ラミネートケースの金属層が露出し、ラミネートケース内で短絡が発生するおそれが生じる。

そこで本開示の目的は、上記の課題を解決することであり、ラミネートケース内で短絡が発生することを抑制するラミネート型電池を提供することである。

本開示に従ったラミネート型電池は、複数枚の集電箔を積層してなる電極体と、電極体を収容するラミネートケースとを備える。電極体は、集電箔に電極活物質層が設けられた電極部と、電極部から延出し、集電箔に電極活物質層が設けられていない延出部とを有する。ラミネートケースは、金属層と、金属層に対して、ラミネートケースの内側から重ね合わされた第１樹脂層とを有する。ラミネート型電池は、ラミネートケース内において延出部に接続され、ラミネートケースの外部に突出する端子と、第１樹脂層よりも高い融点または熱分解温度を有し、少なくとも、第１樹脂層が、ラミネートケース内で延出部および端子と対向する領域において、第１樹脂層と、電極体および前記端子との間に介挿される第２樹脂層とを備える。

このように構成されたラミネート型電池によれば、仮に延出部および端子の接続部位の発熱に起因して、ラミネートケースの第１樹脂層が溶融することがあっても、第１樹脂層よりも高い融点または熱分解温度を有する第２樹脂層によって、ラミネートケースの金属層と、延出部または端子とが接触することを防止できる。これにより、ラミネートケース内で短絡（内部短絡）が発生することを抑制できる。

以上に説明したように、本開示に従えば、ラミネートケース内で短絡が発生することを抑制するラミネート型電池を提供することができる。

実施の形態におけるラミネート型電池を示す正面図である。図１中のラミネート型電池の内部構造を示す断面図である。図１中のＩＩＩ－ＩＩＩ線上の矢視方向から見たラミネート型電池を示す断面図である。図３中の電極体を示す分解組み立て図である。図３中の２点鎖線Ｖで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。実施例１～２および比較例１～４における、樹脂テープ（第２樹脂層）の種類と、集電領域におけるラミネートケースと延出部および端子との接触率と、試験結果とを示す表である。実施例１～２および比較例１～４における試験方法を示す概要図である。比較例２におけるラミネート型電池を示す断面図である。比較例３におけるラミネート型電池を示す断面図である。比較例４におけるラミネート型電池を示す断面図である。

本開示の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、実施の形態におけるラミネート型電池を示す正面図である。図２は、図１中のラミネート型電池の内部構造を示す断面図である。図３は、図１中のＩＩＩ－ＩＩＩ線上の矢視方向から見たラミネート型電池を示す断面図である。

図１から図３を参照して、本実施の形態におけるラミネート型電池１０は、車両駆動用であり、たとえば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能なバッテリから電力供給されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車や、外部充電が可能なプラグインハイブリッド自動車、電気自動車などに搭載される。

ラミネート型電池１０は、非水電解質二次電池である。ラミネート型電池１０は、リチウムイオン電池である。

ラミネート型電池１０は、電極体２１と、ラミネートケース１２とを有する。ラミネートケース１２は、ラミネート型電池１０の外観をなす外装体である。ラミネートケース１２は、袋形状を有する。電極体２１は、ラミネートケース１２に収容されている。

図４は、図３中の電極体を示す分解組み立て図である。図１から図４を参照して、電極体２１は、複数枚の集電箔２２と、複数枚のセパレータ２４とを有する。

複数枚の集電箔２２は、矢印１０１に示す方向に積層されている（以下、矢印１０１に示す方向を「集電箔２２の積層方向」という）。集電箔２２には、電極活物質層２３が設けられている。電極活物質層２３は、集電箔２２の両面に設けられている。セパレータ２４は、積層方向において互いに隣り合う集電箔２２の間に介挿されている。

より具体的には、集電箔２２は、正極用集電箔２２ｐと、負極用集電箔２２ｎとを有する。正極用集電箔２２ｐと、負極用集電箔２２ｎとは、セパレータ２４を介しながら交互に配置されている。

正極用集電箔２２ｐは、たとえば、アルミニウム箔から形成されている。正極用集電箔２２ｐは、本体部１２６と、タブ状部１２７とを有する。本体部１２６は、矩形形状の平面視を有する。タブ状部１２７は、本体部１２６の一辺から突出するタブ形状を有する。タブ状部１２７は、その突出方向に直交する幅方向において一定の長さを有する。集電箔２２の積層方向において、複数枚の正極用集電箔２２ｐのタブ状部１２７は、互いに重なり合っている。

負極用集電箔２２ｎは、たとえば、銅箔から形成されている。負極用集電箔２２ｎは、正極用集電箔２２ｐと同様の形状を有する。集電箔２２の積層方向において、複数枚の負極用集電箔２２ｎのタブ状部１２７は、複数枚の正極用集電箔２２ｐのタブ状部１２７からずれた位置において互いに重なり合っている。

電極活物質層２３は、正極活物質層２３ｐと、負極活物質層２３ｎとを有する。正極活物質層２３ｐは、正極用集電箔２２ｐの両面に設けられている。正極活物質層２３ｐは、正極活物質を含有するペーストが正極用集電箔２２ｐの本体部１２６に塗工されることにより構成されている。正極活物質としては、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₃等、リチウムイオン電池に用いられる正極活物質の１種もしくは２種以上を特に限定することなく使用できる。正極活物質を含有するペーストは、正極用集電箔２２ｐのタブ状部１２７には塗工されていない。

負極活物質層２３ｎは、負極用集電箔２２ｎの両面に設けられている。負極活物質層２３ｎは、負極活物質を含有するペーストが負極用集電箔２２ｎの本体部１２６に塗工されることにより構成されている。負極活物質としては、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン等、リチウムイオン電池に用いられる負極活物質の１種もしくは２種以上を特に限定することなく使用できる。負極活物質を含有するペーストは、負極用集電箔２２ｎのタブ状部１２７には塗工されていない。

セパレータ２４は、正極用集電箔２２ｐおよび負極用集電箔２２ｎの本体部１２６に対応する矩形形状を有する。セパレータ２４は、集電箔２２の積層方向において互いに隣り合う正極用集電箔２２ｐの本体部１２６と、負極用集電箔２２ｎの本体部１２６との間に介挿されている。セパレータ２４は、たとえば、多孔質のポリプロピレン樹脂シートから形成されている。

電極体２１は、電極部２６と、延出部２７とを有する。延出部２７は、電極部２６から延出している。電極体２１を集電箔２２の積層方向から見た場合に、延出部２７は、電極部２６の端辺から、電極部２６の端辺の延伸方向と、集電箔２２の積層方向とに直交する方向に延出している。電極部２６においては、集電箔２２に電極活物質層２３が設けられている。延出部２７においては、集電箔２２に電極活物質層２３が設けられていない。

より具体的には、電極部２６は、正極活物質層２３ｐが設けられた正極用集電箔２２ｐの本体部１２６と、負極活物質層２３ｎが設けられた負極用集電箔２２ｎの本体部１２６とが、セパレータ２４を介して積層されることにより構成されている。

延出部２７は、正極活物質層２３ｐが設けられていない正極用集電箔２２ｐのタブ状部１２７が、集電箔２２の積層方向に集箔されることにより構成されている。延出部２７は、負極活物質層２３ｎが設けられていない負極用集電箔２２ｎのタブ状部１２７が、集電箔２２の積層方向に集箔されることにより構成されている。集電箔２２の積層方向における延出部２７の長さ（厚み）は、本体部１２６から、延出部２７の延出方向に離れるに従って小さくなる。

ラミネート型電池１０は、端子３１をさらに有する。端子３１は、ラミネートケース１２の内部において延出部２７に接続されている。端子３１は、ラミネートケース１２内からその外部に延出している。

より具体的には、端子３１は、正極端子３１ｐと、負極端子３１ｎとを有する。正極端子３１ｐは、矩形の平板形状を有する。正極端子３１ｐは、たとえば、アルミニウムから形成されている。正極端子３１ｐは、溶接により、正極用集電箔２２ｐのタブ状部１２７が集箔されてなる延出部２７に接続されている。

負極端子３１ｎは、矩形の平板形状を有する。負極端子３１ｎは、たとえば、銅から形成されている。負極端子３１ｎは、溶接により、負極用集電箔２２ｎのタブ状部１２７が集箔されてなる延出部２７に接続されている。

図５は、図３中の２点鎖線Ｖで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図１から図５を参照して、ラミネートケース１２は、金属層１３と、第１樹脂層１４とを有する。

金属層１３は、金属から形成されている。第１樹脂層１４は、金属層１３に対して、ラミネートケース１２の内側から重ね合わされている。第１樹脂層１４は、金属層１３の内側で電極体２１を取り囲むように設けられている。

ラミネートケース１２は、溶着部１７を有する。溶着部１７は、ラミネートケース１２の周縁に沿って帯状に設けられている。溶着部１７は、金属層１３および第１樹脂層１４からなる２枚のシートを、各シートの第１樹脂層１４同士が向かい合わせとなるように重ね合わせ、シートの周縁に沿って第１樹脂層１４同士を熱溶着することにより構成されている。端子３１は、ラミネートケース１２内から溶着部１７を貫通してラミネートケース１２の外部に達している。

ラミネート型電池１０は、第２樹脂層４１をさらに有する。第２樹脂層４１は、少なくとも、第１樹脂層１４が、ラミネートケース１２内で延出部２７および端子３１と対向する領域（図４中の集電領域１１０）において、第１樹脂層１４と、電極体２１および端子３１との間に介挿されている。

より具体的には、第２樹脂層４１は、耐熱性の樹脂テープが、延出部２７の全体と、ラミネートケース１２内に位置する端子３１の全体とに、巻き付けられることにより構成されている。第２樹脂層４１は、電極部２６および溶着部１７の間における延出部２７および端子３１の全体を覆うように設けられている。

第２樹脂層４１の厚みは、第１樹脂層１４の厚み以上であってもよいし、第１樹脂層１４の厚みよりも小さくてもよい。

第２樹脂層４１は、樹脂から形成されている。第２樹脂層４１は、第１樹脂層１４よりも高い融点または熱分解温度を有する。たとえば、第１樹脂層１４を形成する樹脂として、ポリプロピレン（融点１６０℃）が用いられている場合に、第２樹脂層４１を形成する樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン（融点３２０℃）またはポリイミド（熱分解温度５００℃以上）などを用いることができる。

外部短絡などによりラミネート型電池１０に高電流が流れると、延出部２７と端子３１との接続部位２５が発熱する。電池が高容量になると、高電流が流れる時間が長くなるため、発熱によってラミネートケース１２の第１樹脂層１４が溶融し、金属層１３が露出する場合が想定される。この場合、金属層１３と、延出部２７または端子３１とが接触して、ラミネートケース１２内で短絡が発生する可能性がある。

これに対して、本実施の形態では、第１樹脂層１４よりも高い融点または熱分解温度を有する第２樹脂層４１が、少なくとも、第１樹脂層１４が、ラミネートケース１２内で延出部２７および端子３１と対向する集電領域１１０において、第１樹脂層１４と、電極体２１および端子３１との間に介挿されている。このような構成により、仮に第１樹脂層１４が溶融することがあっても、第２樹脂層４１によって、金属層１３と、延出部２７または端子３１とが接触することを防止できる。これにより、ラミネートケース１２内で短絡が発生することを抑制できる。

なお、第２樹脂層４１は、上記の集電領域１１０だけに留まらず、集電領域１１０から、第１樹脂層１４が電極部２６と対向する領域に侵入するように設けられてもよい。

以上に説明した、本実施の形態におけるラミネート型電池１０の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態におけるラミネート型電池１０は、複数枚の集電箔２２を積層してなる電極体２１と、電極体２１を収容するラミネートケース１２とを備える。電極体２１は、集電箔２２に電極活物質層２３が設けられた電極部２６と、電極部２６から延出し、集電箔２２に電極活物質層２３が設けられていない延出部２７とを有する。ラミネートケース１２は、金属層１３と、金属層１３に対して、ラミネートケース１２の内側から重ね合わされた第１樹脂層１４とを有する。ラミネート型電池１０は、ラミネートケース１２内において延出部２７に接続され、ラミネートケース１２の外部に突出する端子３１と、第１樹脂層１４よりも高い融点または熱分解温度を有し、少なくとも、第１樹脂層１４が、ラミネートケース１２内で延出部２７および端子３１と対向する領域としての集電領域１１０において、第１樹脂層１４と、電極体２１および端子３１との間に介挿される第２樹脂層４１とを備える。

このように構成された、本実施の形態におけるラミネート型電池１０によれば、ラミネートケース１２内で短絡が発生することを抑制できる。

続いて、本実施の形態におけるラミネート型電池１０によって奏される作用効果を確認するために行なった実施例について説明する。

図６は、実施例１～２および比較例１～４における、樹脂テープ（第２樹脂層）の種類と、集電領域におけるラミネートケースと延出部および端子との接触率と、試験結果とを示す表である。図７は、実施例１～２および比較例１～４における試験方法を示す概要図である。

図８は、比較例２におけるラミネート型電池を示す断面図である。図９は、比較例３におけるラミネート型電池を示す断面図である。図１０は、比較例４におけるラミネート型電池を示す断面図である。図８（Ａ）、図９（Ａ）および図１０（Ａ）には、図２に対応するラミネート型電池の断面が示され、図８（Ｂ）、図９（Ｂ）および図１０（Ｂ）には、図３に対応するラミネート型電池の断面が示されている。

図６から図１０を参照して、実施例１～２および比較例１～４において、容量２５Ａｈを有するラミネート型の全固体電池を用いて、以下に説明する試験を行なった。実施例１～２および比較例１～４に共通して、ラミネートケース１２の第１樹脂層１４を形成する樹脂として、ポリプロピレンを用いた。

実施例１および実施例２におけるラミネート型電池は、図２および図３におけるラミネート型電池１０に対応しており、集電領域１１０におけるラミネートケース１２と延出部２７および端子３１との接触率が０％となるように樹脂テープ（第２樹脂層４１）を設けた。実施例１では、ポリイミド製の樹脂テープを用い、実施例２では、ポリテトラフルオロエチレン製の樹脂テープを用いた。

比較例１におけるラミネート型電池では、集電領域１１０におけるラミネートケース１２と延出部２７および端子３１との接触率が０％であるが、第１樹脂層１４と同じ材質のポリプロピレン製の樹脂テープを用いた。

比較例２および比較例３におけるラミネート型電池では、それぞれ、集電領域１１０におけるラミネートケース１２と延出部２７および端子３１との接触率を２５％および５０％とした。比較例２および比較例３では、ポリイミド製の樹脂テープを用いた。

比較例４におけるラミネート型電池では、延出部２７および端子３１を樹脂テープにより巻かない構成とすることにより、集電領域１１０におけるラミネートケース１２と延出部２７および端子３１との接触率を１００％とした。

図７に示されるように、配線５２を用いて正極端子３１ｐおよび負極端子３１ｎをスイッチ５１に接続した。スイッチ５１をオン操作することにより、正極端子３１ｐおよび負極端子３１ｎ間で外部短絡を生じさせた。この際の試験条件を、温度２５℃、ＳＯＣ１００％、短絡抵抗１．８ｍΩとした。スイッチのオン操作後に、各実施例および比較例において、発熱および発煙の発生を確認した。

比較例１～４では、発煙が発生する結果となった。一方、実施例１および実施例２においては、第２樹脂層４１として、それぞれ、ポリイミド製およびポリテトラフルオロエチレン製の樹脂テープを設けることにより、発熱のみが発生する結果となった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本開示は、たとえば、車両駆動用のラミネート型電池に適用される。

１０ラミネート型電池、１２ラミネートケース、１３金属層、１４第１樹脂層、１７溶着部、２１電極体、２２集電箔、２２ｎ負極用集電箔、２２ｐ正極用集電箔、２３電極活物質層、２３ｎ負極活物質層、２３ｐ正極活物質層、２４セパレータ、２５接続部位、２６電極部、２７延出部、３１端子、３１ｎ負極端子、３１ｐ正極端子、４１第２樹脂層、５１スイッチ、５２配線、１１０集電領域、１２６本体部、１２７タブ状部。

Claims

複数枚の集電箔を積層してなる電極体と、
前記電極体を収容するラミネートケースとを備え、
前記電極体は、電極活物質層が設けられた複数枚の前記集電箔がセパレータを介して積層されてなる電極部と、前記電極部から延出し、前記集電箔に電極活物質層が設けられていない延出部とを有し、
前記ラミネートケースは、金属層と、前記金属層に対して、前記ラミネートケースの内側から重ね合わされた第１樹脂層とを有し、さらに、
前記ラミネートケース内において前記延出部に接続され、前記ラミネートケースの外部に突出する端子と、
前記第１樹脂層よりも高い融点または熱分解温度を有し、少なくとも、前記第１樹脂層が、前記ラミネートケース内で前記延出部および前記端子と対向する領域において、前記第１樹脂層と、前記電極体および前記端子との間に介挿される第２樹脂層とを備え、
前記第２樹脂層は、前記延出部および前記端子を覆い、かつ、前記集電箔の積層方向において前記セパレータと重なり合わないように設けられる樹脂テープである、ラミネート型電池。