JPH10261401A

JPH10261401A - 電池

Info

Publication number: JPH10261401A
Application number: JP9063158A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Yoshida; 賢介吉田; Tamotsu Yamamoto; 保山本; Tsutomu Miyashita; 勉宮下; Isao Watanabe; 勲渡辺; Shinobu Akashi; 忍明石
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】この発明は、大容量の電池の安全性に関する
ものであり、電池内圧力の上昇で、電気的切断を行う手
段を提供する。【解決手段】正極または負極の少なくとも一方を分割
し、電池内の圧力の上昇によって切断される電気伝導体
からなる遮断接続部を介して、分割された電極を電気的
に接続構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池の安全性に関
するものであって、特に非水電解液を用いる電池に好適
なものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の小型化、軽量化、コードレス
化の進展にともない、機器の電源としての電池の高性能
化が強く望まれている。また、自然環境保護の視点から
も、排ガスの排出のない電気自動車の開発が急務であ
り、やはり電源としての電池の高性能化、特に大容量化
が強く望まれている。

【０００３】この要望に答えるべく、高電圧、高エネル
ギ密度が期待できるリチウムを活物質とする非水電解液
二次電池について、近年数多くの研究がされているが、
まだ実用化されていない。この理由は、非水電解液二次
電池では、反応性の高い金属リチウムを電極に使用し、
可燃性の有機溶媒を電解液として使用するために、ショ
ートをした場合の熱暴走などの危険に対する安全対策の
確立が難しいためである。

【０００４】この安全性の問題を解決する手段として、
金属リチウムに代えて、リチウムを吸蔵、放出しうる炭
素材料を負極に使用したリチウムイオン二次電池が開発
され、実用化されている。このリチウムイオン二次電池
においても電解液に有機溶媒を用いているために、たと
えば、芳尾、小沢編「リチウムイオン二次電池」（日刊
工業新聞社刊、１９９６年５月２４日初版２刷）の第２
６頁から２７頁に、安全対策として、高温時に溶融して
電流を遮断するセパレータや、高温で電流を遮断するＰ
ＴＣ（Positive Temperature Coefficientの略語) 素
子、電池内の内圧上昇を開放する安全弁、電流遮断機構
や充電時の保護回路などが記載されており、安全対策
は、電池が大容量化になればなるほど、ますます重要な
技術となってきている。

【０００５】電池の大容量化にともない、ますます、安
全対策が必要になることを、リチウム電池を模式化した
図９を用いて説明する。リチウム電池では、非水電解液
９１が充たされた電池容器９０中に、リチウム含有複合
酸化物（ＬｉＣｏＯ₂やＬｉＭｎ₂Ｏ₄など）からなる
正極９２が設けられ、電極リード線９３を介して、電池
容器９０の外部に設けられた正極端子９４に電気的に接
続されるとともに、金属リチウムまたはリチウム金属間
化合物または炭素などからなる負極９５が電極リード線
９６を介して、電池容器９０の外部に設けられた負極端
子９７に電気的に接続されている。このような構成の電
池において、正極９２と負極９５間で短絡が生じると、
正極および負極の全面積が寄与する短絡電流９８が短絡
部を介して流れることになり、ジュール熱が発生し、電
解液として通常よく使用される有機溶媒の発火点以上に
なると非水電解液９１が発火して、この燃焼による発熱
が電池構成物質の化学反応を誘発し、電池の破裂などを
引き起こす。したがって、電池容量が大きいほど、短絡
電流９８が大きくなり、危険性が増すのである。

【０００６】この大容量化の電池の安全性に関する従来
技術として、特開平７−２４９４０４号公報に記載の発
明がある。この発明を、図８を用いて説明する。図８
で、電池容器１０１内に電解液を含んだセパレータ１０
４とｎ個に分割された正極１０２₁〜１０２_nとｎ個に
分割された負極１０３₁〜１０３_nとを設け、正極１０
２₁〜１０２_nは電極リード線１０５を介し、正極端子
１０６に接続され、負極１０３₁〜１０３_nはＰＴＣ素
子１０８₁〜１０８_nを介在させて、電極リード線１０
７を介し、負極端子１０９に接続されている。すなわ
ち、電池素子を構成する電極の正極および負極の少なく
とも何れかは、電気伝導に基づく電気的つながりのない
二つ以上に分割し、分割された各電極はそれぞれＰＴＣ
効果を有する抵抗体を介してのみ電気的接続がなされて
いる構成の電池が開示されている。このような構成の効
果は、分割した電極間をＰＴＣ素子を介してのみ電気的
に接続しているために、もし、電池内で短絡が生じて
も、分割された小面積電極間の小電流しか流れないよう
にして、かつ、ＰＴＣ効果によって更に、安全性を確保
したものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、誤操作
などによっては、ＰＴＣ素子の動作電流以下の電流値で
あっても、電池の安全許容値電流を超え、電池内圧力が
上昇したり、発火、爆発に至ることが、特開平６−２１
５７４７号公報の第３頁右欄４７行目以降に記載されて
いる。すなわち、大容量電池の安全対策として、電極を
分割することに加え、正負電極間の短絡時などの異常時
に分割電極間の電気的接続を遮断することが課題であっ
た。

【０００８】その他に、ＰＴＣ素子は厚さが数ｍｍあ
り、電池の小型化にとっては必ずしも十分な形状ではな
く、電気的接続の遮断部の薄型化が課題であった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明は、正極または負極の少なくとも一方が分
割された電極を有した電池であって、電池内の内圧の上
昇によって電気伝導を遮断する遮断接続部を介して前記
分割された電極が接続されていることを特徴とする電池
を要旨とした。

【００１０】特に本発明は、リチウムを吸蔵および放出
しうる材料からなる正極と、リチウムあるいはリチウム
合金あるいはリチウムを吸蔵および放出しうる材料から
なる負極と非水電解液を備えた二次電池に好適である。

【００１１】ここで、遮断接続部とは、通常状態では結
線状態にあり、電池容器内の圧力が上昇する場合に、電
気的接続を遮断する機能を有したものである。つぎに、
本発明の原理をリチウム電池を例に、正極のみを２分割
した場合を図１にもとづき説明する。

【００１２】電池容器１には、電解液２、分割された正
極３ａと３ｂ、負極４が設けられており、正極３ａおよ
び３ｂは電極リード線５ａと５ｂを介し、各々遮断接続
部６ａと６ｂに接続しており、遮断接続部６ａと６ｂ
は、正極端子７に接続している。負極４は、電極リード
線８を介し負極端子９に接続している。

【００１３】分割された正極３ｂと負極４間で短絡等が
生じると、矢印で示した過大電流が電極間で流れて、ジ
ュール熱が発生し、電池容器１内の圧力が上昇すると、
遮断接続部６ａと６ｂが開放となり、電気伝導を遮断す
る。この遮断後は、短絡によって流れる電流は、分割さ
れた正極３ｂと負極４間のみが寄与する電流となり、発
熱は逓減し、過大な損傷を防止することができる。図１
では、遮断接続部６ａと６ｂの開放で、電池容器１内の
圧力を開放する構造を示したが、別途に防爆弁を設けて
も良く、遮断接続部の開放動作の圧力を防爆弁の動作圧
よりも低圧とすることが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施形態を図面
にもとづき説明する。〔第１実施例〕図２は、本発明の第１実施例の電池の断
面図であり、図３（ａ）は遮断接続部を含む保護板の平
面図であり、図３（ｂ）は保護板と他の部材との位置関
係を明瞭にするために示したものである。また、図２お
よび図３では本発明の主旨を明瞭にするために、寸法関
係は必ずしも正確に記していなく、また図２では本発明
の主旨の説明に必要でない部材、たとえばセンターピン
などを省略してある。

【００１５】本実施例では、正極を４分割し、負極は分
割を行っていない構成とし、正極の分割幅は以下の様に
して定めた。正極は、ＬｉＣｏＯ₂と導電材であるアセ
チレンブラックと結着剤であるポリフッ化ビニリデンと
を適当量混練し、スラリー状にしたものをアルミニウム
集電体に塗布し製作し、負極は、金属リチウムを銅集電
体に圧着し製作した。電解液は、エチレンカーボネート
とジエチルカーボネートの等量混合溶媒に、電解質とし
てＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／リットル溶解させたものを用
いた。つぎに、電極幅が各々４０、３０、２０、１０ｍ
ｍで電極長さが２５０ｍｍの正極、負極、セパレータか
らなる構成体を巻回し、外径１４ｍｍの電池容器に収納
し、４種類の電池を構成した。各々の電池容器の高さ、
電極幅、電池の体積エネルギー密度を表１に示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】電池容器の高さが短くなるに従い、体積エ
ネルギー密度が減少するのは、電池容器内部の電池部以
外に必要な容積は常に一定であり、高さが短くなるに従
い、電池部の体積比率が減少するためである。

【００１８】これらの電池について、４．２Ｖまで充電
した後、圧縮試験を行った結果は、電極幅が４０、３
０、２０ｍｍのものは、圧縮にともない大きな破裂音及
び発火を発生したが、電極幅が１０ｍｍのものについて
は、破裂音及び発火の発生は無かった。

【００１９】以上の結果から、本実施例では、分割した
正極幅を１０ｍｍ、電極長さを２５０ｍｍにし、外径が
１４ｍｍ、高さが５０ｍｍの電池を作成した。図２にお
いて、２０は電池容器であり、２１は前記の電解液を含
んだセパレータであり、２２ａ〜２２ｄは分割正極であ
り、２３は負極であり、負極２３は負極体２３ａと負極
体２３ａの片面に設けた集電体である負極タブ２３ｂか
ら構成されている。

【００２０】分割正極２２ａ〜２２ｄは電極リード線２
４ａ〜２４ｄを介し、絶縁板２５に設けられている正極
リード板２６ａ〜２６ｄ（２６ａは図示していない）に
各々電気的に接続されている。正極リード板２６ａ〜２
６ｄは、保護板２８、Ｕ字板２９を介して正極端子３０
に電気的に接続されている。負極２３は電極リード線２
７を介して、本実施例では負極端子として使用する電池
容器２０に電気的に接続されている。

【００２１】保護板２８と正極端子３０の間は、Ｕ字板
２９を介してのみ電気的接続を行うために、絶縁板３１
とガスケット３２が設けられている。また、ガスケット
３２は、電池容器を密閉構造とするための役目も果たし
ている。正極端子３０に設けた孔３３は、電池内の圧力
が上昇し、次に詳細に記載する遮断接続部が動作した後
の電池内の残留蒸気を開放するための孔である。

【００２２】ここで、セパレータ２１、分割正極２２ａ
〜２２ｄ、負極２３は巻回状に構成されているが、図２
では断面のみ示し、電極リード線２４ａ〜２４ｄも接続
が明瞭に分かる様に示した。

【００２３】つぎに、図３を用いて本発明の主要な機能
である、電池内の内圧の上昇によって電気伝導を遮断す
る遮断接続部の説明をする。図３（ａ）は、扇形部３５
ａ〜３５ｄと遮断接続部３６ａ〜３６ｄと中央部３７と
切り込み３８ａ〜３８ｄからなる保護板２８の平面図で
ある。保護板２８は電気伝導性のある個々の部材から構
成しても良いが、本実施例では、加工性や信頼性の点か
ら１枚のアルミニウム板を加工したものである。

【００２４】保護板２８は、外周から中央付近まで切り
込み３８ａ〜３８ｄを設け、中央部３７を押し出し加工
で、突起状に加工してある。扇形部３５ａ〜３５ｄと中
央部３７との間の遮断接続部３６ａ〜３６ｄは、本実施
例では、細い幅でかつ前記の押し出し加工時に薄肉化さ
れた形状となっている。切り込み３８ａ〜３８ｄ、およ
び遮断接続部３６ａ〜３６ｄの周辺の切り込み部分は、
扇形部３５ａ〜３５ｄと中央部３７の短絡を防止しする
ことと、電池容器を密閉構造とすることと、電池内部の
圧力が上昇した際に、遮断接続部３６ａ〜３６ｄが最初
に切断されるようにすることのために接着剤で埋められ
ている。

【００２５】前記正極リード板２６ａ〜２６ｄは、各々
扇形部３５ａ〜３５ｄに電気的に接続されており、電池
内の圧力が上昇した際に、脆弱部である遮断接続部３６
ａ〜３６ｄが切断するために、分割正極２２ａ〜２２ｄ
間の電気的な遮断をなすことが可能となる。

【００２６】以上の説明で省略した各部材の接合方法に
ついては、たとえば正極リード板２６ａ〜２６ｄについ
ては、扇形部３５ａ〜３５ｄと接続するためにスポット
溶接やプロジェクション溶接などの溶着を利用してもよ
く、また正極リード板２６ａ〜２６ｄにバネ用リン青銅
材や薄いステンレス材などを使用し、弾性を利用して扇
形部３５ａ〜３５ｄと接続してもよく、また銅線などを
各部材に「かしめ」て接続してもよい。

【００２７】また、本実施例では、正極としてＬｉＣｏ
Ｏ₂を用いたが、この材料以外に、たとえばＬｉＭｎ₂
Ｏ₄やＬｉＮｉＯ₂などのように非水電解液二次電池に
用いる正極用の材料であれば使用することができる。負
極としては、金属リチウムを銅集電体に圧着したものを
用いたが、たとえばカーボン、金属酸化物、リチウム合
金などのようにリチウムを吸蔵、放出することのできる
材料であれば使用することができる。

【００２８】電解液溶媒は、たとえばプロピレンカーボ
ネート、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、
γ−ブチロラクトン、１．２−ジメトキシエタンなどの
ように非水電解液二次電池に用いられるものであれば使
用でき、また単独や組み合わせの使用でもよい。

【００２９】電解質については、電解液中でリチウムイ
オンを形成するものであれば、使用することができる。
たとえば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、Ｌ
ｉＡｓＦ₆、ＬｉＡｌＣｌ₄、ＣＦ₃ＳＯ₂Ｌｉ、Ｌｉ
ＳｂＦ₆などであり、これらの電解質を単独、または組
み合わせて使用してもよい。

【００３０】また、保護板の構造としては、図３で開示
した構造以外に、中央部３７を突起状とせず、保護板全
体を平板状とすることもでき、また図４、図５の構造の
ものも本発明に好適である。図４は保護板４０の平面図
と断面図を示したものであり、図３中の同じ番号の部材
は、同一の機能を持っている。図４の保護板４０と図３
の保護板２８の違いは、保護板２８では遮断接続部３６
ａ〜３６ｄが、ほぼ中央部３７の外周に均等間隔で設け
られていたが、保護板４０では、図４の（ａ）に示すよ
うに遮断接続部４１ａ〜４１ｄを互いに隣接させた点に
ある。

【００３１】この様な構造にすることによって、電池の
内圧が上昇した場合に、各遮断接続部４１ａ〜４１ｄが
ほぼ同時に切断されるという効果がある。保護板４０の
中央部３７の加工や各切り込み部分の処置は保護板２８
の説明と同じである。

【００３２】図５は保護板５０の平面図と断面図を示し
たもので、この保護板５０の特徴は、扇形部５１ａ〜５
１ｄの内の１個が、中央部３７を支える構造としたこと
であり、この構造によって、中央部３７の支持が強固に
なり、たとえば、図２に示したＵ字板２９にバネ用金属
を使用し、中央部３７と正極端子３０との電気接続がで
き易く、したがって組み立てが容易になるなどの効果が
ある。

【００３３】本実施例では、防爆弁または安全弁など図
示しなかったが、別途にこれらの弁を設けて、遮断接続
部の動作後、すなわち切断後に防爆弁または安全弁が作
動する様に構成してもよい。

【００３４】本発明を適用した第１実施例においては以
下の効果がある。１．電極間の短絡などの原因で電池内
部の圧力の上昇が生じた場合には、分割された電極間を
電気的に接続している経路中に設けた遮断接続部の脆弱
部分が切断し、各分割された電極が独立し、前記の表１
で示した電極幅１０ｍｍの電池と同様のサイズの電池が
短絡したのと同じ結果となり、破裂および発火の危険を
回避することができる。

【００３５】２．本実施例で示したごとく、遮断接続部
は、一枚のアルミニウムを成形加工して、分割した電極
との接続を行ったのみであり、従来の分割を行わない電
池とほぼ変わらない体積で破裂および発火などの危険を
回避することが可能となり、外形寸法を同一とすればＰ
ＴＣ素子を使用する場合は、本発明を使用した電池に比
してＰＴＣ素子の厚み分に依存する体積分だけ電池容量
が小さくなる。

【００３６】〔第２実施例〕本実施例では、本発明の遮
断接続部が正極と負極と電解液などを収納した電池容器
の密閉構造の一部を構成せずとも、電池内の内圧の上昇
によって電気伝導を遮断する機能を果たすことができ
る。本実施例を、図６を用いて説明する。

【００３７】本実施例は正極を４分割した場合の例であ
り、図６は正極端子付近の断面を示しており、図２と同
じ部材については、同一番号を付してある。図６で、分
割された正極からの電極リード線６０ａ〜６０ｄ（６０
ａのみを図示した）は、絶縁板６１に設けられた端子６
２ａ〜６２ｄ（図では端子６２ａのみを図示した）を介
して、第１実施例の遮断接続部に相当する遮断接続部６
３ａ（図では遮断接続部６３ａ〜６３ｄの内、６３ａの
みを図示した）に接続されている。この遮断接続部６３
ａ〜６３ｄは、絶縁板６１に一端を固着された弾性と電
気伝導性を有するＬ板６４の一端に接合されており、Ｌ
板６４は、Ｕ字板２９を介して正極端子３０に電気的に
接続されている。一方、電池内の内圧の上昇によって、
図６の矢印方向に一端が移動する蛇腹部６５にＬ板６４
は接している。電池内の内圧の上昇によって、蛇腹部６
５の上端面は、矢印方向に移動し、Ｌ板６４を変形さ
せ、遮断接続部６３ａ〜６３ｄが切断される。本実施例
では、遮断接続部６３として電気伝導性のある線材、箔
などを用いてもよく、またバネ状に成形し端子６２とＬ
板６４間にはめ込む様に取り付けてもよい。

【００３８】本発明を適用した第２実施例においては、
前記第１実施例の効果に加え、以下の効果がある。１．遮断接続部を密閉構造にするための接着剤などを遮
断接続部近傍に塗布する必要がなく、遮断接続部の切断
強度が遮断接続部の材質や形状のみに依存し、電池内の
内圧に対する切断のバラツキが減少する。

【００３９】〔第３実施例〕第１実施例と第２実施例で
は、正極のみを分割し、分割された一つの正極と負極間
で構成された単位電池を並列状に接続した実施例を記載
した。本第３実施例では、正極および負極を各々４分割
し、分割された一対の電極間で構成される単位電池を直
列状に接続したことを特徴とする。

【００４０】図７（ａ）と（ｂ）を用いて説明する。図
７（ａ）は電池断面を簡略化して示したものであり、正
極は７０ａ〜７０ｄに、負極は７２ａ〜７２ｄに各々４
分割されている。各分割された電極には、各々電極リー
ド線７１ａ〜７１ｄ、７３ａ〜７３ｄが接続されてお
り、各電極リード線の他端は、図７（ｂ）に示す保護板
７４の各扇形部７６〜８０の各部に第１実施例で示した
正極リード板および同様の形状機能をもつ負極リード板
を介し電気的に接続され、正極７０ａは扇形部７６に、
負極７２ａと正極７０ｂは扇形部７７ａと扇形部７０ｂ
に各々接続され、負極７２ｂと正極７０ｃは扇形部７８
ａと扇形部７８ｂに各々接続され、負極７２ｃと正極７
０ｄは扇形部７９ａと扇形部７０ｂに各々接続され、負
極７２ｄは扇形部８０に接続され、扇形部７６、８０は
各々、図示しない正極端子および負極端子に接続されて
いる。

【００４１】扇形部７７〜７９には、遮断接続部８１ａ
〜８１ｃが設けられており、各切り込み部には接着剤が
塗布されていることや遮断接続部の作用効果も、第１実
施例と同じである。

【００４２】本発明を適用した第３実施例においては、
前記第１実施例の効果に加え、以下の効果がある。１．
正極と負極の分割数に応じた高電圧の電池を構成でき
る。

【００４３】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、電極間の短絡
などの原因で電池内部の圧力の上昇が生じた場合には、
分割された電極間を電気的に接続している経路中に設け
た遮断接続部が切断し、各分割された電極が独立した状
態となり、破裂および発火の危険を回避することができ
る。さらに、遮断接続部と従来使用されていたＰＴＣ素
子と比較した場合に、電池形状を同一とすればＰＴＣ素
子を使用した場合よりも、本発明を使用した電池は、Ｐ
ＴＣ素子の厚み分に依存する体積分だけ電池容量が大き
くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の原理図

【図２】発明の基本構成

【図３】保護板

【図４】保護板

【図５】保護板

【図６】本発明の他の実施例

【図７】本発明の他の実施例

【図８】従来例

【図９】短絡を示す図

【符号の説明】

２０電池容器２２ａ〜２２ｄ分割正極２３負極２８保護板３０正極端子３６ａ〜３６ｄ遮断接続部４０保護板４１ａ〜４１ｄ遮断接続部５０保護板６３ａ〜６３ｄ遮断接続部６５蛇腹部７４保護板８１ａ〜81ｃ遮断接続部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮下勉神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者渡辺勲神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者明石忍神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極または負極の少なくとも一方が分
割された電極を有した電池であって、電池内の内圧の上昇によって電気伝導を遮断する遮断接
続部を介して前記分割された電極が接続されていること
を特徴とする電池。