JP7285814B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関する。

充放電可能な二次電池が従来から知られている。二次電池では、充放電時に化学反応によって電極体が発熱する。そのため、一部の二次電池は、この熱を外部に逃がす構成を備えている。特許文献１には、円周方向に凹部と凸部が形成された外装チューブに収容された円筒型のリチウムイオン二次電池が開示されている。特許文献１によれば、複数の電池をトレイに収納したときなどに、外装チューブの凹部により熱の流路が形成できる、とされている。

また、特許文献２には、電極捲回体とケース部材との隙間に金属製の間隙充填材が配置された二次電池が開示されている。特許文献２によれば、熱伝導率の高い金属からなる間隙充填材を介して、電極捲回体の熱をケース部材の外部に効率よく放出できる、とされている。

特開２００９－２１１９０８号公報 特開２０１２－１３８２１１号公報

電極体の発熱を電池の外部に逃がす構成を二次電池に設けると、低温域での充電時においても電極体の熱が放熱される。二次電池は、低温度域では、陽イオンの電気伝導性が低下し、充電レートが低下する。そのため、低温度域における充電では、二次電池の電極体の熱を放熱することよりも、むしろ電極体を保温することが望ましい。

そこで、ここでは、通常温度域以上の温度域での充電では電極体の放熱を促進し、低温度域での充電では電極体の放熱を抑制できる二次電池を提案する。

ここで提案される二次電池は、電極体と、電極体が収容された電池ケースと、弾性体からなる放熱体と、を備えている。放熱体は、電極体の側面と、電極体の側面に対向する電池ケースの内側面との間に配置されている。放熱体は、電極体の側面に接触した第１接触部と、第１接触部に接続され電池ケースの内側面に接触した第２接触部と、を備えている。第１接触部および第２接触部のうちの少なくとも一方は、少なくとも先端が電極体の側面または電池ケースの内側面に接触し、かつ、先端に向かって断面積が漸減する突起を有している。

上記二次電池によれば、先端に向かって断面積が漸減する弾性体の突起と電極体の側面または電池ケースの内側面との接触面積は、充電により電極体が膨張すると、突起の弾性的な潰れが大きくなることにより増加する。突起と電極体の側面または電池ケースの内側面との接触面積が増加すると、電極体と電池ケースとの間の熱伝導が良くなり、電極体の放熱が促進される。一方、低温域での充電時には、通常温度域以上の場合と比べて充電が進まないため、突起と電極体の側面または電池ケースの内側面との接触面積は、あまり増加しない。そのため、電極体の放熱が抑制される。

上記二次電池は、第１接触部が電極体の側面に面接触し、第２接触部が突起を有するように構成されていてもよい。あるいは、上記二次電池は、第２接触部が電池ケースの内側面に面接触し、第１接触部が突起を有するように構成されていてもよい。第１接触部および第２接触部のうちの一方が突起を有さなくても放熱体は機能を発揮でき、放熱の効率の観点からは、突起を有していない方の接触部と電極体の側面または電池ケースの内側面との間の接触面積は大きい方が望ましい。上記二次電池によれば、第１接触部または第２接触部は、電極体の側面または電池ケースの内側面に面接触する。そのため、第１接触部と電極体の側面との接触面積、または、第２接触部と電池ケースの内側面との接触面積が大きくなる。その結果、通常温度域での充電時の放熱効率を向上させることができる。

上記二次電池の電極体は、シート状の正極とシート状の負極とがセパレータを介して重ねられて略直方体形状に形成されていてもよく、電極体の側面は、正極と負極との積層方向を向いた電極体の外側面であってもよい。電極体の膨張収縮は、正極と負極との積層方向において大きい。よって、かかる構成によれば、放熱体の機能がより効果的に発揮される。

上記二次電池では、放熱体は、セラミック粉末が混合された樹脂によって形成されていてもよい。放熱体は、弾性を有することが必要であり、かつ、熱伝導率が高いことが好ましい。放熱体の材料として見ると、樹脂は弾性を有するが熱伝導率が低い。一方で、セラミックは熱伝導率が樹脂よりも高いが弾性を有さない。そこで、セラミック粉末が混合された樹脂によって放熱体を形成すれば、弾性を有しかつ樹脂よりも熱伝導率が高い放熱体を得ることができる。

二次電池の断面図である。 前方側の放熱体の断面図である。 二次電池のハイレート充電中における放熱体の断面図である。 通常温度域における充電と電極体の温度との関係を示すグラフである。 低温度域における充電と電極体の温度との関係を示すグラフである。 他の態様に係る二次電池の断面図である。

以下、二次電池の一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は、模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。以下では、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。ここでは、図中において、前、後、上、下は、それぞれＦ、Ｒｒ、Ｕ、Ｄで表す。ただし、前、後、上、下は説明の便宜上の方向に過ぎず、二次電池の設置態様等を限定するものではない。

［二次電池の構成］
図１は、二次電池１００の断面図である。図１に示すように、二次電池１００は、電池ケース１０と、電極体２０と、電極端子３０と、放熱体４０と、を備えている。電池ケース１０は、電極体２０と、電解液と、放熱体４０とを収容している。図１に示すように、電池ケース１０は、ケース本体１１と蓋体１２とを備えている。ケース本体１１は、略直方体の扁平な角型の容器である。図１は、扁平角型の二次電池１００の幅狭面の側からの縦断面図である。ここでは、ケース本体１１の一対の幅広面１１ａの法線方向が、二次電池１００の前後方向である。蓋体１２は、ケース本体１１の上面に開口した開口部１１ｂの周縁に溶接されている。ケース本体１１および蓋体１２は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成されている。

電極体２０は、シート状の正極シート２１とシート状の負極シート２２とがセパレータシート２３、２４を介して重ねられ、略直方体形状に形成されたものである。電極体２０は、ケース本体１１に収容されている。第１セパレータシート２３、正極シート２１、第２セパレータシート２４、負極シート２２はこの順に重ねられて捲回され、ケース本体１１内に収容されている。正極シート２１と負極シート２２との積層方向は、ここでは、電池ケース１０の幅広面１１ａの法線方向と略一致する。

正極シート２１は、予め定められた幅および厚さの金属箔（例えば、アルミニウム箔）の両面に、正極活物質を含む正極活物質層が形成された部材である。正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収しうる材料である。正極活物質は、一般的にリチウム遷移金属複合材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。

負極シート２２は、予め定められた幅および厚さの金属箔（例えば、銅箔）の両面に、負極活物質を含む負極活物質層が形成された部材である。負極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出しうる材料である。負極活物質は、一般的に天然黒鉛以外にも種々提案されており、特に限定されない。正極シート２１および負極シート２２は、それぞれ電池ケース１０の外部に設けられた電極端子３０に接続されている。

放熱体４０は、電極体２０の側面と、電極体２０の側面に対向する電池ケース１０の内側面との間に配置されている。放熱体４０が接触する電極体２０の側面は特に限定されるわけではないが、ここでは、正極シート２１と負極シート２２との積層方向を向いた電極体２０の外側面２０ａ、２０ｂである。従って、電極体２０の側面２０ａ、２０ｂに対向する電池ケース１０の内側面は、幅広面１１ａを構成する一対の壁部の内側面１１ｃ、１１ｄである。放熱体４０は、ここでは、前後一対設けられている。一対の放熱体４０は、ここでは、前後対称に構成されている。そのため、以下では、前方側の放熱体４０について詳しく説明し、後方側の放熱体４０については説明を省略することとする。

放熱体４０は、弾性体からなっている。放熱体４０は、ここでは、セラミック粉末が混合された樹脂によって形成されている。樹脂は、例えば、ポリエチレンである。セラミック粉末は、例えば、アルミナや炭化ケイ素系のセラミックの粉末である。放熱体４０を構成する材料は、絶縁物であることが好ましく、電解液の溶媒および電解質に耐え得る耐溶剤性を有していることが好ましい。また、放熱体４０は、充放電時の二次電池１００の最高温度または最高の環境温度に耐え得る耐熱性を有していることが好ましい。さらに放熱体４０は、好適には、熱伝導率が高い方が好ましい。ポリエチレンは、樹脂の中では比較的熱伝導率が高く（０．３～０．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度）、耐溶剤性も高いが、例えばアルミナと比べると熱伝導率は低い（アルミナの熱伝導率は、３０～４０Ｗ／ｍ・Ｋ）。セラミックは、熱伝導率が高いが、放熱体４０に必要な弾性を有さない。そこで、本実施形態では、樹脂にセラミック粉末を混合することにより、弾性を有し、樹脂のみよりも熱伝導率の高い放熱体４０を形成している。ただし、放熱体４０の材料は、弾性体であることを除いて特に限定されない。

図２は、放熱体４０の断面図である。図２に示すように、放熱体４０は、電極体２０の側面２０ａに接触した第１接触部４１と、電池ケース１０の内側面１１ｃに接触した第２接触部４２と、を備えている。第２接触部４２は、第１接触部４１に接続されている。放熱体４０はここでは１つの成形品であり、第１接触部４１と第２接触部４２とは連続している。なお、図２は、二次電池１００が充放電していない状態の放熱体４０を示している。

図２に示すように、第１接触部４１は、電極体２０の側面２０ａに面接触している。第１接触部４１は、平坦に構成されている。図１に示すように、第１接触部４１の上下方向の長さは、電極体２０の上下方向の長さよりも長い。図示は省略するが、第１接触部４１は、左右方向（図１の紙面奥行き方向）にも延びている。第１接触部４１の左右方向の長さは、電極体２０の左右方向の長さよりも長い。第１接触部４１は、電極体２０の側面２０ａの全面に接触している。

図２に示すように、第２接触部４２は、電池ケース１０の内側面１１ｃに接触する複数の突起４２ａを備えている。複数の突起４２ａは、上下方向に並んで設けられている。各突起４２ａは、第１接触部４１から電池ケース１０の内側面１１ｃに向かって凸している。各突起４２ａは、少なくとも先端４２ａ１が電池ケース１０の内側面１１ｃに接触するように構成されている。図２に示すように、各突起４２ａは、先端４２ａ１に向かって断面積が漸減している。ここでは、各突起４２ａは、左右方向視において電池ケース１０の内側面１１ｃの方に向かって細くなった略三角形形状を有している。図示は省略するが、各突起４２ａは、略三角形の断面形状を維持したまま左右方向に延びている。

放熱体４０は、電極体２０の側面２０ａと電池ケース１０の内側面１１ｃとの間に挟まれている。そのため、図２に示すように、突起４２ａの先端４２ａ１は、電池ケース１０の内側面１１ｃにより弾性的に潰されている。図２に示す状態（二次電池１００が充放電していない状態）では、放熱体４０と電池ケース１０の内側面１１ｃとの接触面積は、図２の長さＬ１に電極体２０の左右方向の長さを乗じた面積である。長さＬ１は、突起４２ａと電池ケース１０の内側面１１ｃとの接触面の上下方向の長さである。

［通常温度域での充電時］
次に、二次電池１００を通常温度域で充電、特に大電流でハイレート充電しているときの放熱体４０の状態について説明する。二次電池１００を充電すると、例えばリチウムイオンのような陽イオンが負極シート２２に吸蔵されて、負極シート２２が膨張する。図３は、二次電池１００のハイレート充電中における放熱体４０の断面図である。図３に示すように、充電中（特に通常温度域でのハイレート充電中）には、電極体２０が膨張して、電極体２０の側面２０ａと電池ケース１０の内側面１１ｃとの間の隙間が狭くなっている。

また、電極体２０は、二次電池１００に充電されることにより発熱する。電極体２０の発熱により二次電池１００が高温になると、電解液からのガス発生などにより、二次電池１００の劣化が進行するおそれが高まる。そのため、電極体２０が発生させる熱を二次電池１００の外部に逃がす必要が生じる。

図３に示すように、充電により電極体２０が膨張すると、放熱体４０の突起４２ａが図２の状態よりもさらに潰れる。そのため、突起４２ａと電池ケース１０の内側面１１ｃとの接触面の上下方向の長さＬ２は、充放電していないときの同長さＬ１（図２参照）よりも長くなる。言い換えると、放熱体４０と電池ケース１０の内側面１１ｃとの接触面積は、充電時には、充放電していないときよりも増加する。二次電池１００では、充電レートが大きくなるにつれて電極体２０の膨張が大きくなるため、放熱体４０と電池ケース１０の内側面１１ｃとの接触面積も、充電レートが大きくなるにつれて増加する。

放熱体４０と電池ケース１０の内側面１１ｃとの接触面積が増加すると、電極体２０と電池ケース１０との間の熱伝導が良くなり、電極体２０の放熱が促進される。特に、充電レートが大きくなるにつれて、放熱体４０と電池ケース１０の内側面１１ｃとの接触面積が増加するため、放熱体４０の放熱能力も増加する。電極体２０の発熱は、充電レートが大きくなるにつれて大きくなる。そのため、結果として、電極体２０の発熱量が増大するのに伴って、放熱体４０の放熱能力も増加する。

［低温度域での充電時］
次に、二次電池１００を低温度域で充電しているときの放熱体４０の状態について説明する。二次電池１００の電解液は、低温度域では、粘度が高くなり、陽イオンを移動させる能力（陽イオンの電気伝導性）が低下する。そのため、低温度域では、充電レートが高くなりにくい。低温度域では、充電レートを高めるために、二次電池１００の温度を下げることよりも上昇させることの方がむしろ望ましい。

低温度域では、充電があまり進行しないため、電極体２０の膨張も少ない。そのため、放熱体４０と電池ケース１０の内側面１１ｃとの接触面積があまり増加しない。それに伴って、放熱体４０の放熱能力もあまり増加しない。その結果、電極体２０の放熱が抑制される。

従来の二次電池の中には、放熱能力の高い放熱体を備えるものがあったが、そのような放熱体は、低温度域での充電時にも電極体の熱を逃がすため、低温度域では、二次電池の温度が上昇しにくかった。それに対して、本実施形態に係る二次電池１００によれば、低温度域の充電における電極体２０の放熱を抑制することができる。それにより、低温度域での充電レートを向上させることができる。

図４は、通常温度域における充電と電極体２０の温度との関係を示すグラフである。図５は、低温度域における充電と電極体２０の温度との関係を示すグラフである。図４および図５の横軸は時間である。図４および図５の縦軸は、電極体２０の温度および充電のＯＮ／ＯＦＦを表している。図４のグラフＧ１Ａおよび図５のグラフＧ２Ａは、放熱体を設けない場合の電極体２０の温度を示している。図４のグラフＧ１Ｂおよび図５のグラフＧ２Ｂは、従来の放熱体を設けた場合の電極体２０の温度を示している。図４のグラフＧ１Ｃおよび図５のグラフＧ２Ｃは、本実施形態に係る放熱体４０を設けた場合の電極体２０の温度を示している。

図４のグラフＧ１Ａに示すように、二次電池に放熱体を設けない場合、通常温度域では、電極体２０の温度は、充電開始とともに上昇する。しかし、図４のグラフＧ１ＢおよびＧ１Ｃに示すように、二次電池に従来の放熱体を設けた場合および本実施形態に係る放熱体４０を設けた場合、電極体２０の温度上昇は、放熱体を設けなかった場合と比較して抑えられる。本実施形態に係る放熱体４０は、通常温度域においては、電極体２０の熱を効率的に放出する。なお、図４は、本実施形態に係る放熱体４０の通常温度域における放熱能力の一例を示すに過ぎない。他の場合には、本実施形態に係る放熱体４０の通常温度域における放熱能力は、図４よりも小さいこと、または大きいことがあり得る。図５についても同様である。

次に、低温度域の場合の図５について説明する。図５のグラフＧ２Ｂに示すように、二次電池に従来の放熱体を設けた場合、低温度域では、電極体２０の温度上昇は低く抑えられている。電極体２０の熱は、従来の放熱体によって放熱されている。それに対し、図５のグラフＧ２ＡおよびＧ２Ｃに示すように、二次電池に放熱体を設けなかった場合および本実施形態に係る放熱体４０を設けた場合には、電極体２０の温度は、従来の放熱体を設けた場合と比べて上昇する。本実施形態に係る放熱体４０は、低温度域においては、電極体２０の放熱を抑制する。その結果、二次電池１００の温度が上昇し、充電レートも向上する。

［本実施形態の作用効果］
上記のように、本実施形態に係る二次電池１００によれば、先端に向かって断面積が漸減する弾性体の突起４２ａにより、放熱体４０と電池ケース１０の内側面１１ｃ、１１ｄとの間の熱伝導性が充電レートの増減とともに増減する。そのため、充電レートの高い通常温度域以上の温度域での充電では電極体２０の放熱を促進し、充電レートの低い低温度域での充電では電極体２０の放熱を抑制できる。

また、本実施形態に係る二次電池１００によれば、放熱体４０の第１接触部４１が電極体２０に面接触しているため、通常温度域以上の温度域における電極体２０の放熱効率を高めることができる。

本実施形態に係る二次電池１００によれば、放熱体４０は、正極シート２１と負極シート２２との積層方向を向いた電極体２０の外側面２０ａ、２０ｂと、電池ケース１０の内側面１１ｃ、１１ｄとの間に配置されている。電極体２０は正極シート２１と負極シート２２との積層方向の膨張収縮が大きい。そのため、電極体２０の膨張収縮と放熱能力とを連動させる放熱体４０の機能を効果的に発揮させることができる。また、正極シート２１および負極シート２２はシート状に構成されているため、その積層方向は、正極シート２１および負極シート２２の法線方向に略一致する。そのため、放熱体４０により、電極体２０から効率的に放熱させることができる。

本実施形態では、放熱体４０は、セラミック粉末が混合された樹脂によって形成されている。そのため、放熱体４０を、弾性を有し、かつ、熱伝導率が高いものとすることができる。

［他の実施形態］
以上、ここで提案される二次電池の一実施形態について説明した。しかし、上記実施形態は一例に過ぎず、他の態様で実施することもできる。例えば、放熱体の形状は、上記したものには限定されない。図６は、他の態様に係る二次電池１００の断面図である。図６に示すように、放熱体４５の第２接触部４６は、１つの突起４６ａだけを備えていてもよい。ここでは、突起４６ａは、二次電池１００の長手方向視において円弧状に形成されている。突起４６ａは、少なくとも先端４６ａ１が電池ケース１０の内側面１１ｃに接触し、かつ、先端４６ａ１に向かって断面積が漸減するように構成されている。かかる形状によっても、突起４６ａの潰れ具合に応じて放熱体４５と電池ケース１０の内側面１１ｃとの間の接触面積が増減する。放熱体の突起の形状は、先端に向かって断面積が漸減するような形状である限りで限定されず、突起の数量も限定されない。

また、突起は、電極体の側面に接触する第１接触部に設けられていてもよい。その場合、電池ケースの内側面に接触する第２接触部には、突起が設けられていてもよく、設けられていなくてもよい。言い換えると、放熱体では、第１接触部および第２接触部のうちの少なくとも一方が突起を有していればよい。

放熱体が配置される「電極体の側面と電池ケースの内側面との間」は、電極体の幅広面とそれに対向する電池ケースの内側面との間には限定されない。また、放熱体の数量は、１対に限定されない。放熱体は、例えば、図１における電極体２０の下方、左方（紙面手前側）、右方（紙面奥側）などにも配置されていてもよい。その他、特に言及されない限り、ここで挙げられた二次電池の実施形態は、本発明を限定しない。

１０ 電池ケース
１１ ケース本体
１１ａ 幅広面
１１ｂ 開口部
１１ｃ 電池ケースの内側面
１１ｄ 電池ケースの内側面
１２ 蓋体
２０ 電極体
２０ａ 電極体の側面（外側面）
２０ｂ 電極体の側面（外側面）
２１ 正極シート（正極）
２２ 負極シート（負極）
２３ 第１セパレータシート（セパレータ）
２４ 第２セパレータシート（セパレータ）
３０ 電極端子
４０ 放熱体
４１ 第１接触部
４２ 第２接触部
４２ａ 突起
４２ａ１ 突起の先端
４５ 放熱体（他の実施形態）
４６ 第２接触部（他の実施形態）
４６ａ 突起（他の実施形態）
４６ａ１ 突起の先端（他の実施形態）
１００ 二次電池

Claims (7)

1. シート状の正極とシート状の負極とがセパレータを介して重ねられて形成された電極体と、
   弾性体からなる放熱体と、
   前記電極体および前記放熱体が収容された電池ケースと、を備え、
   前記放熱体は、
   前記電極体の側面と、前記電極体の前記側面に対向する前記電池ケースの内側面との間に配置されており、
   前記電極体の前記側面に接触した第１接触部と、前記第１接触部に接続され前記電池ケースの前記内側面に接触した第２接触部と、を備え、
   前記第１接触部および前記第２接触部のうちの少なくとも一方は、少なくとも先端が前記電極体の前記側面または前記電池ケースの前記内側面に接触し、かつ、先端に向かって断面積が漸減する突起を有している、
   二次電池。
2. 前記電池ケース内には電解液が収容されている、
   請求項１に記載の二次電池。
3. 前記放熱体は、前記電解液に耐える耐溶液性を備えている、
   請求項２に記載の二次電池。
4. 前記第１接触部は、前記電極体の前記側面に面接触しており、
   前記第２接触部は、前記突起を有している、
   請求項１～３のいずれか一つに記載の二次電池。
5. 前記第２接触部は、前記電池ケースの前記内側面に面接触しており、
   前記第１接触部は、前記突起を有している、
   請求項１～３のいずれか一つに記載の二次電池。
6. 前記電極体は、シート状の正極とシート状の負極とがセパレータを介して重ねられて略直方体形状に形成されており、
   前記電極体の前記側面は、前記正極と前記負極との積層方向を向いた前記電極体の外側面である、
   請求項１～５のいずれか一つに記載の二次電池。
7. 前記放熱体は、セラミック粉末が混合された樹脂によって形成されている、
   請求項１～６のいずれか一つに記載の二次電池。

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