JPH11345630A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPH11345630A JP15325698A JP15325698A JPH11345630A JP H11345630 A JPH11345630 A JP H11345630A JP 15325698 A JP15325698 A JP 15325698A JP 15325698 A JP15325698 A JP 15325698A JP H11345630 A JPH11345630 A JP H11345630A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 サイクル充放電特性に優れ、かつ、外部短絡
等により過電流が発生した場合にも、電池が爆発、発火
することのないように電流遮断が行われて安全性が確保
される、特に電気自動車等のモータ駆動用として好適に
用いられるリチウム二次電池を提供する。 【解決手段】 正極板２と負極板３とがセパレータ４を
介して直接に接触しないように捲回もしくは積層されて
なる内部電極体１および有機電解液を用いたリチウム二
次電池である。リチウム二次電池に少なくとも１００Ａ
の電流が流れた場合に、正負各電極板２・３に接続され
る少なくとも複数の集電用のタブ５のそれぞれが溶断す
ることのないように、タブ５の総断面積をタブ５に使用
される材質に応じて一定面積以上とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、サイクル充放電
特性に優れ、かつ、外部短絡等により過電流が発生した
場合にも、電池が爆発、発火することのないように電流
遮断が行われて安全性が確保される、特に電気自動車等
のモータ駆動用として好適に用いられるリチウム二次電
池に関する。
【０００２】
【従来の技術】 近年、環境保護運動の高まりを背景と
して、二酸化炭素その他有害物質を含む排気ガスの排出
規制が切に望まれる中、自動車業界ではガソリン車等の
化石燃料を使用する自動車に替えて、電気自動車（Ｅ
Ｖ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入を促進
する動きが活発になっている。このＥＶ、ＨＥＶ実用化
の鍵を握るモータ駆動用電池としてのリチウム二次電池
には、電池容量が大きいことのみならず、自動車の加速
性能や登坂性能に大きな影響を及ぼす電池出力もまた大
きいことが求められているが、一方で、高エネルギー密
度を有するために、安全性の確保の点から厳しい安全基
準が定められている。
【０００３】 一般的に、リチウム二次電池の内部電極
体は、正極板と負極板とを多孔性ポリマーフィルムから
なるセパレータを介して正極板と負極板とが直接に接触
しないように捲回または積層して構成されている。たと
えば、図１に示すように、捲回型の内部電極体１は、正
極板２と負極板３とをセパレータ４を介して捲回して作
製され、正負各電極板２・３（以下、「電極板２・３」
という。）のそれぞれにタブ５が配設される。そして、
各タブ５の、電極板２・３と接続された反対側の端部
は、外部端子（図示せず）もしくは外部端子に導通する
電流取出端子（図示せず）に取り付けられる。すなわ
ち、タブ５は、電極板２・３からの集電を行うととも
に、外部端子等と導通するリード線（電流路）としての
役割を担っている。
【０００４】 ここで、図２に、内部電極体１を展開し
たときの電極板２・３の平面図を示す。電極板２・３
は、正極板２についてはアルミニウム等、負極板３につ
いては銅等の金属箔１５を集電体とし、それぞれの金属
箔１５には、電極活物質を塗布することにより電極活物
質層１６が形成されている。
【０００５】 タブ５は、このような金属箔１５の一辺
に配設されるが、内部電極体１を作製した際に、電極板
２・３のタブ５が取り付けられた部分が外周側へ膨らむ
ことのないように、薄帯状のものを用いることが好まし
い。また、１つのタブ５が電極板２・３における一定面
積からの集電を行うように、ほぼ等間隔に配設されるこ
とが好ましい。なお、一般的に、タブ５の材質として
は、タブ５が取り付けられる金属箔１５の材質と同じも
のが用いられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】 ところで、ＥＶもし
くはＨＥＶにあっては、モータ駆動のために一定電圧が
必要とされるため、単電池の電圧が高々４Ｖ程度のリチ
ウム二次電池では、複数の単電池を直列に接続して用い
る必要があるが、ここで所望の加速性能や登坂性能を得
るためには、１００Ａ以上の大電流の放電が必要とされ
る場合がある。たとえば、２００Ｖ、１００Ａが必要と
仮定し、その放電時の平均端子電圧を３．６Ｖとする
と、５６本の単電池を直列接続する必要があり、このと
き各単電池に１００Ａの電流が流れることとなる。
【０００７】 このような大電流が流れた場合にも、出
力ロスをなるべく小さく抑えつつ、電池が正常に作動す
ることができるように、電池の内部構造を設計しなけれ
ばならない。そこで、前述した内部電極体１と外部端子
までの電流路に着目すると、電極板２・３および電極板
２・３を構成する金属箔１５、あるいはタブ５、外部端
子等といった部材そのものの抵抗が小さいことが好まし
いと考えられる。
【０００８】 しかしながら、電池容量の確保および電
極板の機械的強度の確保の点から、電極板２・３を構成
する電極活物質層１６の量や金属箔１５の大きさの設定
についての自由度はほとんどなく、一方、電流取出端子
１３についても、通常は、電池形状やエネルギー密度、
最大放電電流の大きさを考慮して、設定可能な範囲で、
所定の抵抗値以下となる軽量の低抵抗部材が用いられ
る。
【０００９】 これに対し、タブ５は、その形状が内部
電極体１を収容する電池ケースと内部電極体１との隙間
に納まる限りにおいて、自由に形状を設定することがで
きる点で抵抗値の設定に許容幅がある。タブ５には金属
部材が用いられることから、その抵抗値は一般的には小
さなものではあるが、リチウム二次電池の全内部抵抗に
占めるタブの抵抗値の割合は必ずしも小さなものではな
く、無視することはできない。
【００１０】 前述した複数の箔帯状のをタブ５を用い
ることを前提とすれば、タブ５の断面積を大きく採って
抵抗値を小さくすることは、内部抵抗の低減と出力ロス
の低減に効果がある反面、タブ５の全重量が大きくなる
ことで、電池のエネルギー密度が低下する事態を招くこ
ととなる。
【００１１】 これとは反対に、タブ５の断面積を小さ
くすると、タブ５の全重量が軽くなって電池のエネルギ
ー密度が大きくなる反面、タブ５の抵抗値が大きくな
り、内部抵抗の増大による出力ロスの増大、あるいは電
流による発熱によりタブ５が溶断し、電池として機能し
なくなるといった問題が生ずる。したがって、このよう
な問題を回避し、出力ロスの低減とエネルギー密度の向
上を両立させる観点から、タブ５には一定値以上の断面
積が必要とされる。
【００１２】 一方、上述した問題に対して、リチウム
二次電池は高エネルギー密度を有することから外部短絡
等により一度に大電流が放電された場合には爆発や発火
の事故が生ずる可能性が危惧されており、このような事
態を事前に回避すべく、電池工業会発行のリチウム二次
電池安全評価基準ガイドライン（以下、「ＳＢＡガイド
ライン」という。）には、リチウム二次電池は外部短絡
試験により破裂、発火のないものであるべきことが規定
されている。このような規格を満足すべく、リチウム二
次電池には、ＰＴＣ素子による限流機構や、安全弁によ
る電池の内部圧力解放機構、圧力接点等の種々の安全装
置が組み込まれ、また、提案されている。
【００１３】 ここで電流ヒューズは、種々の電気器具
に用いられているものであるが、その大きさや形状には
制限があることから、リチウム二次電池の内部に配設す
る電流遮断機構としてはこれまで用いられていない。し
かしながら、タブ５を電流ヒューズとして機能させるこ
とができれば、既存の安全装置に代えて、あるいは併設
することで、安全性の向上が図られると考えられる。
【００１４】 このようにタブ５を電流ヒューズとして
使用する場合には、所定の大きさの過電流に対してタブ
５が溶断するように電流遮断値を決定しなければならな
いが、前述の通り、当然にタブ５には構造的な形状の制
限がある。すなわち、タブ５を電流ヒューズとして用い
るためには、タブ５の断面積は所定値以下としなければ
ならないが、同時に、過電流の大きさは単電池の内部抵
抗の大きさによっても異なってくることを考えれば、単
電池の内部抵抗の大きさに応じてタブ５の断面積を設定
することが必要とされる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】 本発明は、上述した従
来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その第１
の目的は、出力ロスの低減とエネルギー密度の向上を実
現したリチウム二次電池を提供することであり、第２の
目的は、タブを電流ヒューズとして組み込み、従来の安
全機構に代えて、もしくは併設することにより安全性の
確保と向上を図ったリチウム二次電池を提供することに
あり、さらに、第３の目的として、これらの特徴、すな
わち、出力ロスの低減とエネルギー密度の向上、タブに
電流ヒューズ機能を持たせた安全性の確保を同時に実現
するリチウム二次電池を提供することにある。
【００１６】 すなわち、本発明によれば、正極板と負
極板とがセパレータを介して直接に接触しないように捲
回もしくは積層されてなる内部電極体および有機電解液
を用いたリチウム二次電池であって、当該リチウム二次
電池に少なくとも１００Ａの電流が流れた場合に、当該
正負各電極板に接続される少なくとも複数の集電用のタ
ブのそれぞれが溶断することのないように、当該タブの
総断面積を、当該タブに使用される材質に応じて一定面
積以上としたことを特徴とするリチウム二次電池、が提
供される。
【００１７】 このような本発明のリチウム二次電池に
おいては、タブの材質と総断面積との関係が、アルミニ
ウムでは０．００９ｃｍ2以上、銅では０．００５ｃｍ2
以上、ニッケルでは０．００４ｃｍ2以上であることが
好ましいが、より好ましい条件は、アルミニウムでは
０．０１４ｃｍ2以上、銅では０．００８ｃｍ2以上、ニ
ッケルでは０．００８ｃｍ2以上である。そして、タブ
の厚みはタブが溶接される電極板における電極活物質層
の厚みの２倍以下、より好ましくは電極活物質層の厚み
以下であること、すなわち、タブを電極板に取り付けて
捲回若しくは積層したときに、タブの取り付けられた部
分が膨らむことがない範囲内とすることが好ましい。な
お、内部抵抗の低減の観点から、電池１本当たりのタブ
の抵抗値の合計は１ｍΩ以下とすることが好ましい。
【００１８】 また、本発明によれば、正極板と負極板
とがセパレータを介して直接に接触しないように捲回も
しくは積層されてなる内部電極体および有機電解液を用
いたリチウム二次電池であって、当該正負各電極板に接
続される少なくとも複数の集電用のタブが、電流ヒュー
ズとして機能することを特徴とするリチウム二次電池、
が提供される。
【００１９】 このようなリチウム二次電池あっては、
電池１本当たりの内部抵抗をＲ（ｍΩ）としたときのタ
ブの材質と総断面積との関係が、アルミニウムでは０．
３６／Ｒ（ｃｍ2）以下、銅では０．１８／Ｒ（ｃｍ2）
以下、ニッケルでは０．１４／Ｒ（ｃｍ2）以下である
ことが好ましく、さらに、アルミニウムでは０．１８／
Ｒ（ｃｍ2）以下、銅では０．０９／Ｒ（ｃｍ2）以下、
ニッケルでは０．０７／Ｒ（ｃｍ2）以下であることが
より好ましい。また、タブにくびれ部が設けられている
と、タブが電流ヒューズとして機能しやすく、好まし
い。
【００２０】 上述した本発明のリチウム二次電池にお
ける内部抵抗は、電池１本当たり１０ｍΩ以下であるこ
とが好ましい。また、タブの材質と総断面積との関係
を、アルミニウムでは０．００８ｃｍ2以上０．３６／
Ｒｃｍ2以下、銅では０．００５ｃｍ2以上０．１８／Ｒ
ｃｍ2以下、ニッケルでは０．００４ｃｍ2以上０．１４
／Ｒｃｍ2以下とすること、さらに好ましくは、アルミ
ニウムでは０．０１４ｃｍ2以上０．１８／Ｒｃｍ2以
下、銅では０．００８ｃｍ2以上０．０９／Ｒｃｍ2以
下、ニッケルでは０．００８ｃｍ2以上０．０７／Ｒｃ
ｍ2以下とすることで、上述した２種類のリチウム二次
電池の双方の特徴を有する電池を得ることができる。
【００２１】 なお、タブのそれぞれの抵抗値のばらつ
きが平均値の±２０％以内にあると、タブに係る電流の
大きさの差が小さいために、一つのタブに優先的に大き
な電流が流れることなく、１つのタブが溶断することに
よって他のタブに流れる電流が大きくなり、これにより
タブの溶断が連鎖的に発生することを抑制することがで
きる。このようなタブの抵抗値のばらつきを小さくする
ためには、それぞれのタブの形状にばらつきがないこと
が好ましいことは言うまでもないが、さらに、タブの電
極板と接続されない側の端部が、圧着もしくは溶接もし
くはハトメにより接続されていると、各タブの電池とし
たときの抵抗のばらつき低減することができ、好まし
い。
【００２２】 上述した本発明のリチウム二次電池の特
徴は、電池容量が５Ａｈ以上のリチウム二次電池に好適
に採用され、また、本発明のリチウム二次電池は、電気
自動車（ＥＶ）用もしくはハイブリッド電気自動車（Ｈ
ＥＶ）用として好適に用いられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】 本発明におけるリチウム二次電
池（以下、「電池」という。）の内部電極体は、正極板
と負極板とが多孔性ポリマーフィルムからなるセパレー
タを介して直接に接触しないように捲回または積層して
構成される。具体的には、捲回型の内部電極体１は、先
に図１に示したように、正極板２と負極板３とをセパレ
ータ４を介して捲回して形成され、電極板２・３のそれ
ぞれにタブ５が設けられる。なお、このタブ５の電極板
２・３への取付は、電極板２・３をセパレータ４ととも
に捲回する時点で、超音波溶接等の手段により行うこと
ができる。
【００２４】 一方、積層型の内部電極体７は、図３に
示すように、正極板８と負極板９とをセパレータ１０を
介しながら交互に積層し、正負各電極板８・９（以下、
「電極板８・９」という。）のそれぞれにタブ６が接続
される。このような内部電極体１・７は、基本的に、対
向する正極板２・８および負極板３・９からなる複数の
要素電池が並列に接続された構造である。
【００２５】 正極板２・８および負極板３・９は、と
もに集電体としての金属箔にそれぞれの電極活物質を塗
布して電極活物質層を形成することにより作製される。
ここで、正極板２・８用の集電体としてはアルミニウム
箔が、負極板３・９用の集電体としては銅箔がそれぞれ
好適に用いられるが、正極板２・８用集電体としてはチ
タン箔、負極板３・９用の集電体としてはニッケル箔を
用いることもできる。
【００２６】 上記いずれの構造を有する電池であって
も、一般的に、正極活物質としては、コバルト酸リチウ
ム（ＬｉＣｏＯ2）やニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉ
Ｏ2）あるいはマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2Ｏ4）等
のリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。なお、こ
れら正極活物質の導電性を向上させるために、アセチレ
ンブラックやグラファイト粉末等のカーボン粉末を電極
活物質に混合することが好ましい。一方、負極活物質と
しては、ソフトカーボンやハードカーボンといったアモ
ルファス系炭素質材料や人造黒鉛、天然黒鉛等の炭素質
粉末が用いられる。これらの電極活物質はスラリー化さ
れ、集電体へ塗布、固着されて電極板２・３・８・９が
作製される。
【００２７】 セパレータ４・１０としては、マイクロ
ポアを有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィ
ルムを、多孔性のリチウムイオン透過性のポリプロピレ
ンフィルムで挟んだ三層構造としたものが好適に用いら
れる。これは、内部電極体１・７の温度が上昇した場合
に、ポリエチレンフィルムが約１３０℃で軟化してマイ
クロポアが潰れてリチウムイオンの移動、すなわち電池
反応を抑制する安全機構を兼ねたものである。そして、
このポリエチレンフィルムを、より軟化温度の高いポリ
プロピレンフィルムで挟持することによって、セパレー
タ４・１０と電極板（２・３）・（８・９）との接触・
溶着を防止することができる。
【００２８】 以下、捲回型の内部電極体１を用いた場
合を例として本発明を説明する。図４は、電池構造の一
実施形態を示す断面図である。内部電極体１は電池ケー
ス１１に挿入され、正極板２のタブ５は正極蓋１２に取
り付けられたリベット１３に、負極板３のタブ５は負極
蓋１４に取り付けられたリベット１３にそれぞれ圧着さ
れて接続されている。
【００２９】 電池ケース１１内には、電解液が注入さ
れており、電解液としては、エチレンカーボネート（Ｅ
Ｃ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカー
ボネート（ＤＭＣ）といった炭酸エステル系のもの、プ
ロピレンカーボネート（ＰＣ）やγ−ブチロラクトン、
テトラヒドロフラン、アセトニトリル等の有機溶媒の単
独溶媒もしくは混合溶媒に、電解質としてのＬｉＰＦ6
やＬｉＢＦ4等のリチウム錯体フッ素化合物、あるいは
ＬｉＣｌＯ4といったリチウムハロゲン化物等を１種類
もしくは２種類以上を溶解した非水系の有機電解液が好
適に用いられる。このような電解液は、電池ケースの一
端の密封した後、開口した他端から注入し、その後、開
口している端部を閉塞することで注入することができ
る。
【００３０】 なお、電池ケース１１としては、一般的
に金属材料が使用されることから、電池ケース１１の内
壁には、内部電極体１と電池ケース１１との絶縁を確保
するために、絶縁シート１７が配設されていることが好
ましい。但し、この絶縁シート１７の機能を、セパレー
タ４で代替することもできる。
【００３１】 また、図４の電池においては、正極蓋１
２、負極蓋１４に金属材料を用いる場合には、電池ケー
ス１１とこれら正極蓋１２および負極蓋１４とを絶縁す
る必要があり、かつ、電池の密閉を完全なものとするた
め、封止材２０が用いられている。さらに、正極蓋１２
および負極蓋１３の外側にはそれぞれ外部端子１８が設
けられると共にＶ溝１９が形成されており、Ｖ溝１９は
電池の内部圧力が上昇した場合に安全弁（圧力解放弁）
として機能する。
【００３２】 このような電池の通常の使用電流範囲に
おいて、タブ５は溶断することなく電流路としての機能
を果たさなければならない。ＥＶ、ＨＥＶ用電池では、
１００Ａといった大きな電流が通常に必要とされる電流
として流れる場合が稀ではない。したがって、このよう
な大電流が流れた場合にも、電極板２・３に接続される
少なくとも複数の集電用のタブ５のそれぞれが溶断する
ことのないように、本発明においては、タブ５の総断面
積はタブ５に使用される材質に応じて一定面積以上とさ
れる。材質によって所定の面積が異なるのは、材質によ
って融点および抵抗率が異なることによる。
【００３３】 具体的には、１本の電池において、タブ
５の材質と総断面積との関係は、後述する実施例におい
て詳説されるように、アルミニウムでは０．００９ｃｍ
2以上、銅では０．００５ｃｍ2以上、ニッケルでは０．
００４ｃｍ2以上であることが好ましい。このような断
面積が確保されていれば、内部電極体の抵抗値に関係な
く、１００Ａの電流が流れたときにも、タブ５が溶断し
て電池が機能しなくなることを回避することができる。
【００３４】 一方、電流値が大きい場合には、電池の
内部抵抗（以下、「内部抵抗」という。）に依存する電
圧降下が大きくなるが、このような場合に閉回路電圧が
３Ｖを下回っては実用上、問題となる場合が多い。そこ
で、内部抵抗は大きくとも１０ｍΩ以下に抑えることが
必要であり、このためにはタブ５全体の抵抗値を電池１
本当たり１ｍΩ以下とすることが好ましい。このような
観点から、タブ５の総断面積は、さらに、アルミニウム
では０．０１４ｃｍ2以上、銅では０．００８ｃｍ2以
上、ニッケルでは０．００８ｃｍ2以上とすることが好
ましい。
【００３５】 また、タブ５の厚みは、タブ５が溶接さ
れる電極板２・３における電極活物質層１６の厚みの２
倍以下、より好ましくは電極活物質層１６の厚み以下で
あることが好ましい。ここで、電極活物質層１６の厚み
とは、図２を参照すれば、金属箔１５の片面に形成され
た１層の電極活物質層１６の厚さ、すなわち、片面塗工
厚みを指す。
【００３６】 図５（ａ）、（ｂ）は、図４における電
極板２・３へのタブ５の正極側での取付部分の一実施形
態を示す拡大図である。但し、負極側についても同様に
考えることができることはいうまでもない。図５（ａ）
に示すように、タブ５の厚みがタブ５が取り付けられる
正極板２における電極活物質層１６の２倍以下の厚みで
あれば、電極活物質層１６が形成されていない端部空間
を利用して金属箔１５およびセパレータ４がしなること
によって、タブ５が負極板２と接触する危険性が小さく
なる。また、タブ５の取り付けられた部分が外周へ向け
て膨らんで内部電極体１の外径が部分的に広がるような
状態を回避することができるので、電池ケース１１への
内部電極体の収容に支障が生じにくい。さらに、図５
（ｂ）に示されるように、タブ５の厚みが電極活物質層
１６の厚み以下である場合には、前述した対極との短絡
あるいはタブ５の取付部分に膨らみが生ずることがな
く、より好ましい。
【００３７】 なお、タブ５の長さが一定の場合にタブ
５の総断面積が大きくなると、タブ５の電池に占める重
量割合が増加するため、エネルギー密度の点からは不利
となる。従って、タブ５の断面積は、上述した所定電流
値に対して溶断しない範囲で、しかも、タブ５の厚みお
よび重量を考慮して決定されることが好ましい。
【００３８】 さて、図４に示した電池においては、短
絡電流等の過電流に対する安全機構として正負各極蓋１
２・１４にＶ溝１９による安全弁が設けられているのみ
であるが、その他に、リベット１３と外部端子１８との
間にＰＴＣ素子を設ける、あるいは圧力接点を設けると
いった安全機構を併設することができることはいうまで
もない。しかし、これらの安全機構が作動する時点で
は、既に大電流が流れた後である。そこで、大電流の発
生とほぼ同時に電流を瞬時に遮断する機構として、電池
外部の回路において、電流ヒューズを配設することが考
えられる。
【００３９】 しかしながら、ＳＢＡガイドラインにお
いて、リチウム二次電池は外部短絡試験により破裂、発
火のないものであるべき旨規定されている。そこで、電
流ヒューズを電池内に組み込む、つまり、電流の発生源
である内部電極体に異常が生じた場合に、内部電極体に
接続されているタブ５を電流ヒューズとして兼用するこ
とができれば、安全性の向上が図られると考えられる。
【００４０】 このような考え方に基づき、本発明にお
いては電極板２・３に接続される少なくとも複数の集電
用のタブ５を、電流ヒューズとして機能させるが、この
場合に、内部抵抗が電流ヒューズを溶断する電流値に大
きな影響を及ぼす。つまり、内部短絡や外部短絡が起こ
っても内部抵抗が大きい場合には短絡電流は大きくなら
ず、一方、内部抵抗が小さい場合には、より大きな過電
流が流れる。したがって、電流ヒューズの溶断電流値
は、内部抵抗に呼応して設定することが好ましい。ここ
で、タブ５は同一形状であっても材質が異なれば異なる
融点、抵抗値を示すこととなるので、この電流遮断値は
タブ５の材質に応じて設定されることが好ましく、タブ
５の総断面積により定めることができる。
【００４１】 すなわち、本発明においては、電流ヒュ
ーズは電池１本当たりの内部抵抗をＲ（ｍΩ）としたと
き、後述する実施例において詳説される通り、タブ５の
材質と総断面積との関係を、アルミニウムでは０．３６
／Ｒ（ｃｍ2）以下、銅では０．１８／Ｒ（ｃｍ2）以
下、ニッケルでは０．１４／Ｒ（ｃｍ2）以下とするこ
とが好ましい。また、外部短絡抵抗が、内部抵抗の１倍
程度でもタブ５が電流ヒューズとして機能させるために
は、アルミニウムでは０．１８／Ｒ（ｃｍ2）以下、銅
では０．０９／Ｒ（ｃｍ2）以下、ニッケルでは０．０
７／Ｒ（ｃｍ2）以下とすることが好ましい。タブ５の
抵抗値のこのような範囲に設定することにより、安全弁
を作動させることなく、つまり、電池内部から電解液等
の気化ガスを放出させることなく、電流を遮断すること
ができる。
【００４２】 なお、図６に示すように、タブ５にくび
れ部２１が設けられていると、タブ５が電流ヒューズと
して機能しやすくなり、好ましい。この場合、タブ５の
総断面積とは、くびれ部２１の最も断面積が小さくなる
部分の総断面積を指す。
【００４３】 タブ５に電流ヒューズとしての機能を持
たせたこのような電池にあっても、内部抵抗は、電池１
本当たり１０ｍΩ以下であることが好ましい。これは、
通常使用時の電圧降下をできるだけ小さくし、出力ロス
を小さくすることが好ましい実用面からの要請による。
【００４４】 上述した本発明による２種類の電池の特
徴、すなわち、電池の通常使用条件における大電流によ
るタブ５の溶断がなく、一方、短絡電流等の過電流が流
れた場合には、タブ５が電流ヒューズとして溶断する機
能を有する電池を得るためには、タブ５の材質と総断面
積との関係を、アルミニウムでは０．００８ｃｍ2以上
０．３６／Ｒｃｍ2以下、銅では０．００５ｃｍ2以上
０．１８／Ｒｃｍ2以下、ニッケルでは０．００４ｃｍ2
以上０．１４／Ｒｃｍ2以下とすればよく、さらに好ま
しくは、アルミニウムでは０．０１４ｃｍ2以上０．３
６／Ｒｃｍ2以下、銅では０．００８ｃｍ2以上０．１８
／Ｒｃｍ2以下、ニッケルでは０．００８ｃｍ2以上０．
１４／Ｒｃｍ2以下とすればよい。
【００４５】 なお、本発明に限らず、１本の電池内に
おいて、各タブ５に抵抗値のばらつきがある場合には、
各タブ５に流れる電流値に差が生じて最初に抵抗値の小
さいタブ５に大きな電流が流れてタブ５が溶断し、この
結果、電流路が減少して他のタブ５に電流が集中するこ
ととなるので、連鎖的にタブ５の溶断が起こるようにな
る。このような連鎖的なタブ５の溶断を回避するため、
タブ５のそれぞれの抵抗値は、平均値の±２０％以内の
ばらつきの範囲に納められていることが好ましい。
【００４６】 たとえば、タブ５の抵抗値のばらつきを
小さくするためには、それぞれのタブ５の形状にばらつ
きがないことが好ましいことは言うまでもないが、さら
に、タブ５の電極板と接続されない側の端部が、圧着も
しくは溶接もしくはハトメにより接続されていると、１
本の電池におけるタブ５の抵抗のばらつき低減すること
ができ、好ましい。このような接続方法にあっては、ア
ルミニウム製タブ（以下、「Ａｌタブ」と記す。）では
表面に形成されたアルミナ被膜が、銅製タブ（以下、
「Ｃｕタブ」と記す。）では酸化銅被膜がそれぞれ破壊
されてタブ５どうしの接触抵抗が低減され、タブ５本来
の金属部分による接続が可能となり、抵抗値のばらつき
が抑制されるものと考えられる。
【００４７】 上述した本発明のリチウム二次電池の特
徴は、電池容量が５Ａｈ以上のリチウム二次電池に好適
に採用され、また、リチウム二次電池は、電気自動車
（ＥＶ）用もしくはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）
用として好適に用いられる。以上、捲回型内部電極体１
を用いた場合を例に本発明の実施の形態を説明してきた
が、積層型内部電極体７を用いた場合にも、上述した条
件が適用可能であることは明らかである。次に、本発明
を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明が上述
した実施の形態および以下の実施例に限定されるもので
ないことはいうまでもない。
【００４８】
【実施例】 （タブの抵抗値および耐電流値の測定）タ
ブの材質および断面積とそのタブが溶断しない電流値を
調べるために、幅が１０ｍｍ、長さが５０ｍｍで厚さの
異なる種々の材質のタブについて、その両端を把持して
定電流電源を用いて、所定の電流を流し、２分間通電し
た時点で溶断の有無を調べた。表１に試験条件および結
果を記す。
【００４９】
【表１】
【００５０】 表１に示す結果より、１００Ａでタブが
溶断しないためには、タブがアルミニウム製の場合、厚
さ２０μｍで４枚（総断面積：０．００８ｃｍ2）、厚
さ５０μｍで約１．７枚（総断面積：０．００８５ｃｍ
2）が必要となることがわかる。したがって、Ａｌタブ
の場合、総断面積が０．００９ｃｍ2以上であれば１０
０Ａの電流で溶断されないこととなる。
【００５１】 同様に、タブが銅製の場合、厚さ１０μ
ｍで４枚（総断面積：０．００４ｃｍ2）、厚さ２０μ
ｍで２．５枚（総断面積：０．００５ｃｍ2）、厚さ３
０μｍで１．７枚（総断面積：０．００５ｃｍ2）が必
要となることがわかる。したがって、Ｃｕタブの場合、
総断面積が０．００５ｃｍ2以上であれば１００Ａの電
流で溶断されないこととなる。なお、ニッケル製タブ
（以下、「Ｎｉタブ」と記す。）についても上記と同様
の実験を行ったところ、１００Ａの電流で溶断しない総
断面積は、０．００４ｃｍ2以上であった。
【００５２】 一方、タブの１枚の抵抗値を測定したと
ころ、その平均値は厚さ２０μｍのＡｌタブ（断面積：
０．００２ｃｍ2）で７ｍΩ、厚さ１０μｍのＣｕタブ
（断面積：０．００１ｃｍ2）で８ｍΩ、厚さ１０μｍ
のＮｉタブ（断面積：０．００１ｃｍ2）で８ｍΩであ
った。したがって、内部抵抗低減の点からタブの抵抗値
を１ｍΩ以下に抑えるためには、厚さ２０μｍのＡｌタ
ブでは７枚、すなわち総断面積では０．０１４ｃｍ2以
上、厚さ１０μｍのＣｕタブもしくはＮｉタブでは８
枚、すなわち総断面積では０．００８ｃｍ2以上であれ
ばよい。材質を変えずに厚さの異なるタブを用いる場合
には、このような所定の総断面積を有するように、厚さ
に応じて使用する枚数を設定すればよい。
【００５３】 なお、ＥＶもしくはＨＥＶ用電池におい
ては、２００Ａに近い電流値が流れることも想定される
が、タブの抵抗を１ｍΩ以下とするこのような総断面積
は、前述した１００Ａで溶断しない総断面積の約２倍で
あることから、約２００Ａの電流に耐えることができる
ことがわかる。
【００５４】 （電池の作製と通電試験）次に、図４に
示した構造を有する実施例および比較例に係る電池を以
下の方法にて作製した。まず、ＬｉＭｎ2Ｏ4粉体を正極
活物質として、これに導電性を付与するためのアセチレ
ンブラックを添加し、さらに、バインダおよび溶媒を混
合してペーストを作製し、このペーストを厚さ２５μｍ
のアルミニウム箔の両面に塗布して、捲回方向長さ３６
００ｍｍ×幅２００ｍｍの電極面形状を有する正極板２
を作製した。一方、高黒鉛化炭素粉末を負極活物質とし
て、これにバインダ、溶媒を混合してペーストを作製
し、厚さ２０μｍの銅箔の両面に塗布し、捲回方向長さ
４０００ｍｍ×幅２００ｍｍの電極面形状を有する負極
板３を作製した。
【００５５】 続いて、作製した正極板２と負極板３と
を、幅２２０ｍｍのポリプロピレン製セパレータ４を用
いて絶縁しながら捲回しつつ、同時に、幅１０ｍｍ、長
さ５０ｍｍ、厚さ２０μｍのＡｌタブおよび幅１０ｍ
ｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ１０μｍのＣｕタブを、表２に
示す枚数ほど内部電極体１の径方向にほぼ直線上に並
び、かつ、各電極板２・３を展開したときに等間隔に配
設されるように、しかも、内部電極体１の一端に一方の
電極が形成されるように、電極板２・３のそれぞれに超
音波溶接により取り付けた。
【００５６】
【表２】
【００５７】 次に、実施例および比較例１に係る電池
おいては、作製した内部電極体１をアルミニウム製の電
池ケース１１に嵌挿し、タブ５を正負各電極ごとに図７
に示すようにして、１ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力にて電流取
出端子たるリベット１３に圧着し、負極側のリベット１
３に銅製の負極蓋１４を、正極側のリベット１３にアル
ミニウム製の正極蓋１２をそれぞれ取り付けて、まず、
電池ケース１１の負極側を封止した後、開口した正極側
からＥＣとＤＥＣの混合溶媒に電解質ＬｉＰＦ6を１ｍ
ｏｌ％濃度となるように溶解した電解液を注入し、その
後正極側を密封した。
【００５８】 一方、比較例２に係る電池においては、
図８に示すように、ボルト２４とナット２５からなる電
流取出端子を用いてタブ５をこのボルト２４とナット２
５の間に挟み込んで固定した。その他の条件は、実施例
に係る電池と同じとした。こうして作製した実施例およ
び比較例に係る電池の初期容量は、いずれも２５Ａｈで
あった。
【００５９】 なお、実施例および比較例１、２の電池
の作製に当たって、予めタブ５と電流取出部材との接続
方法の違いによって生ずるタブ５の抵抗ばらつき（抵抗
分布）を、実施例および比較例１の場合にあっては、図
９に示すように、１Ａの電流を各タブ５およびリベット
１３に導通する外部端子１８に流したときの電圧を測定
することで調べた。また、比較例２の場合においてもタ
ブ５とボルト２４との間において、同様の方法によりタ
ブ５の抵抗のばらつきを測定した。その結果、実施例お
よび比較例１では、タブ５の抵抗値のばらつきは、平均
値の±２０％以内に納まっていたのに対し、比較例２の
場合には平均値の±２０％以内に納まらない、より大き
なばらつきを有していた。
【００６０】 続いて、作製した電池に１００Ａおよび
２００Ａの電流を放電することにより電池の作動試験を
行った。結果を表２に並記する。実施例の電池において
は、タブ５の溶断は観察されず、１００Ａ、２００Ａの
いずれの電流値においても正常に作動した。しかし、比
較例１の電池においては、１００Ａの放電においてもタ
ブ５が溶断し、電池が正常に作動しなかった。一方、比
較例２の電池では、１００Ａの放電では問題は生じなか
ったが、２００Ａの放電でタブ５が溶断した。
【００６１】 比較例２の電池は、タブ５の総断面積は
実施例と同じであるが、タブ５の電流取出端子との接続
方法が異なる。アルミニウム箔や銅箔には、表面に酸化
被膜が形成されやすく、このため比較例２では実施例の
場合と比較して圧着圧力が小さいために酸化被膜の影響
を受け、タブ５の接続状態に斑が生じて各タブ５の抵抗
値にばらつきが生じた結果、あるタブ５に電流集中が起
こって溶断し、さらにこの溶断による電流路の減少に起
因して連鎖的にタブ５の溶断が起こったものと考えられ
る。この結果、タブ５のそれぞれの抵抗値のばらつき
は、平均値の±２０％以内であると好ましいことがわか
る。
【００６２】 （外部短絡試験）次に、上記実施例と同
じ構造を有し、タブ５の断面積を十分に大きくした電池
を複数個ほど作製し、外部短絡試験を行った。このと
き、外部短絡回路の抵抗値（以下、「外部回路抵抗」と
記す。）を内部抵抗に相応して変化させた。その結果、
外部回路抵抗を内部抵抗の１．５倍とした場合には、短
絡後通常放電と同様に安全弁は作動しなかった。また、
外部回路抵抗を内部抵抗の１倍とした場合には、短絡後
に安全弁が作動したが、電池の破裂や発火は認められな
かった。これに対し、外部回路抵抗を内部抵抗の０．１
倍とした場合には、短絡後に安全弁が作動したにもかか
わらず、安全弁以外の部位に亀裂の発生が確認された。
【００６３】 外部短絡試験においては、このように外
部回路抵抗によって電池の挙動が異なることから、タブ
を電流ヒューズとして兼用させるためには、この試験結
果を考慮し、特に外部回路抵抗が内部抵抗の０．１倍以
下を想定して電流ヒューズの電流遮断値を設計すること
が好ましい。たとえば、電池が満充電の状態において、
電圧が４Ｖ、電流容量が２５Ａｈ、内部抵抗が５ｍΩで
ある場合には、約８００Ａの短絡電流が流れることにな
るので、８００Ａの電流でタブが溶断するためには、前
述したタブの溶断試験の結果から、Ａｌタブでは総断面
積を電流値が１００Ａの場合の８倍の０．０６４ｃｍ2
以下とすればよく、同様に、Ｃｕタブでは０．０４０ｃ
ｍ2以下、Ｎｉタブでは０．０３２ｃｍ2以下とすればよ
いこととなる。
【００６４】 そこで、次に、Ａｌタブの総断面積が
０．０６ｃｍ2でＣｕタブの総断面積が０．０３５ｃｍ2
の電池と、Ａｌタブの総断面積が０．１ｃｍ2でＣｕタ
ブの総断面積が０．０５ｃｍ2の電池をそれぞれ作製
し、外部短絡抵抗を内部抵抗の０．１倍として外部短絡
試験を行った。その結果、Ａｌタブの総断面積が０．０
６ｃｍ2のものでは、短絡直後にＡｌタブ、Ｃｕタブが
溶断し、電流、電圧ともに０となったが、一方のＡｌタ
ブの総断面積が０．１ｃｍ2のものでは、短絡後に安全
弁が作動し、安全弁以外の部位に亀裂が発生しているこ
とが確認された。
【００６５】 次に、上述した電池の作製方法と同様の
方法により、電極板の面積や幅等を変化させて、電池容
量と内部抵抗の異なった種々の電池を、Ａｌタブ、Ｃｕ
タブ、Ｎｉタブを用いることで作製し、外部短絡試験を
行った。その結果、内部抵抗をＲ（ｍΩ）とすると、Ａ
ｌタブでは０．３６／Ｒ（ｃｍ2）以下とすれば、外部
短絡回路が内部抵抗の０．１倍のときに電流ヒューズと
してはたらき、ＳＢＡガイドラインを満足することが明
らかとなった。同様に、Ｃｕタブでは０．１８／Ｒ（ｃ
ｍ2）以下、Ｎｉタブでは０．１４／Ｒ（ｃｍ2）以下と
すればよいことが明らかとなった。
【００６６】 さらに、外部回路抵抗が内部抵抗の１倍
の外部短絡時にも安全弁が作動することなく、安全に電
池反応が停止することが好ましい。そこで、先の外部短
絡試験と同様に、電流容量が２５Ａｈ、内部抵抗が５ｍ
Ωの電池を用いて、Ａｌタブの総断面積が０．１８／Ｒ
より小さい０．０３ｃｍ2の電池と、０．１８／Ｒより
も大きい０．０５ｃｍ2の電池とを作製して、外部短絡
試験を行った。その結果、Ａｌタブの総断面積が０．０
３ｃｍ2の電池においては、短絡後、通常放電と同様に
安全弁は作動しなかったが、Ａｌタブの総断面積が０．
０５ｃｍ2の電池においては、短絡後に安全弁が作動し
た。但し、この場合であっても、安全弁以外の部位での
電池の破裂や発火は発生しなかった。
【００６７】 以上の結果より、Ａｌタブの総断面積を
０．１８／Ｒｃｍ2以下とすれば、外部回路抵抗が内部
抵抗の１倍であるような外部短絡時においても安全弁が
作動せず、好ましいことがわかった。同様に、Ｃｕタブ
については、総断面積を０．０９／Ｒｃｍ2以下、Ｎｉ
タブについては０．０７／Ｒｃｍ2以下とすればよいこ
とが明らかとなった。
【００６８】
【発明の効果】 上述の通り、本発明のリチウム二次電
池によれば、タブの総断面積が適切な範囲に設定されて
いるため、使用電流範囲においてタブが溶断することな
く、しかも出力ロスの低減とエネルギー密度の向上が図
られるという優れた効果を奏し、一方、タブを電流ヒュ
ーズとして電池に組み込むことで、安全性の確保と安全
性の向上が図られるという優れた効果を奏する。また、
これらの特徴を同時に兼ね備えることでより信頼性に優
れる電池が提供されるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 捲回型内部電極体の構造を示す斜視図であ
る。
【図２】 捲回型内部電極体における正負各電極板を展
開した状態を示す平面図である。
【図３】 積層型内部電極体の構造の一実施形態を示す
斜視図である。
【図４】 捲回型内部電極体を用いたリチウム二次電池
の一実施形態を示す断面図である。
【図５】 電極板へのタブの取付部分の拡大断面図であ
る。
【図６】 本発明のリチウム二次電池に好適に用いられ
るタブの形状の一実施形態を示す平面図である。
【図７】 タブのリベットへの圧着方法を示す説明図で
ある。
【図８】 タブのネジ止めの方法を示す説明図である。
【図９】 タブの抵抗ばらつきを測定するための方法を
示す説明図である。
【符号の説明】
１…内部電極体、２…正極板、３…負極板、４…セパレ
ータ、５…タブ、６…タブ、７…内部電極体、８…正極
板、９…負極板、１０…セパレータ、１１…電池ケー
ス、１２…正極蓋、１３…リベット、１４…負極蓋、１
５…金属箔、１６…電極活物質層、１７…絶縁シート、
１８…外部端子、１９…Ｖ溝、２０…封止材、２１…く
びれ部、２４…ボルト、２５…ナット。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 正極板と負極板とがセパレータを介して
    直接に接触しないように捲回もしくは積層されてなる内
    部電極体および有機電解液を用いたリチウム二次電池で
    あって、 当該リチウム二次電池に少なくとも１００Ａの電流が流
    れた場合に、当該正負各電極板に接続される少なくとも
    複数の集電用のタブのそれぞれが溶断することのないよ
    うに、当該タブの総断面積を当該タブに使用される材質
    に応じて一定面積以上としたことを特徴とするリチウム
    二次電池。
  2. 【請求項２】 当該タブの材質と総断面積との関係が、
    アルミニウムでは０．００９ｃｍ2以上、銅では０．０
    ０５ｃｍ2以上、ニッケルでは０．００４ｃｍ2以上であ
    り、より好ましくは、アルミニウムでは０．０１４ｃｍ
    2以上、銅では０．００８ｃｍ2以上、ニッケルでは０．
    ００８ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項１記載
    のリチウム二次電池。
  3. 【請求項３】 当該タブの厚みが、当該タブが溶接され
    る電極板における電極活物質層の厚みの２倍以下であ
    り、より好ましくは当該電極活物質層の厚み以下である
    ことを特徴とする請求項１または２記載のリチウム二次
    電池。
  4. 【請求項４】 電池１本当たりの当該タブの抵抗値の合
    計が１ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１〜３の
    いずれか一項に記載のリチウム二次電池。
  5. 【請求項５】 正極板と負極板とがセパレータを介して
    直接に接触しないように捲回もしくは積層されてなる内
    部電極体および有機電解液を用いたリチウム二次電池で
    あって、 当該正負各電極板に接続される少なくとも複数の集電用
    のタブが、電流ヒューズとして機能することを特徴とす
    るリチウム二次電池。
  6. 【請求項６】 電池１本当たりの内部抵抗をＲ（ｍΩ）
    としたとき、当該タブの材質と当該タブの総断面積との
    関係が、アルミニウムでは０．３６／Ｒ（ｃｍ2）以
    下、銅では０．１８／Ｒ（ｃｍ2）以下、ニッケルでは
    ０．１４／Ｒ（ｃｍ2）以下であり、より好ましくは、
    アルミニウムでは０．１８／Ｒ（ｃｍ2）以下、銅では
    ０．０９／Ｒ（ｃｍ2）以下、ニッケルでは０．０７／
    Ｒ（ｃｍ2）以下であることを特徴とする請求項５記載
    のリチウム二次電池。
  7. 【請求項７】 当該タブにくびれ部が設けられているこ
    とを特徴とする請求項６記載のリチウム二次電池。
  8. 【請求項８】 電池１本当たりの内部抵抗が１０ｍΩ以
    下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項
    に記載のリチウム二次電池。
  9. 【請求項９】 電池１本当たりの内部抵抗をＲ（ｍΩ）
    としたとき、当該タブの材質と総断面積との関係が、ア
    ルミニウムでは０．００８ｃｍ2以上０．３６／Ｒｃｍ2
    以下、銅では０．００５ｃｍ2以上０．１８／Ｒｃｍ2以
    下、ニッケルでは０．００４ｃｍ2以上０．１４／Ｒｃ
    ｍ2以下、より好ましくは、アルミニウムでは０．０１
    ４ｃｍ2以上０．１８／Ｒｃｍ2以下、銅では０．００８
    ｃｍ2以上０．０９／Ｒｃｍ2以下、ニッケルでは０．０
    ０８ｃｍ2以上０．０７／Ｒｃｍ2以下であることを特徴
    とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のリチウム二
    次電池。
  10. 【請求項１０】 当該タブのそれぞれの抵抗値のばらつ
    きが、平均値の±２０％以内にあることをことを特徴と
    する請求項１〜９のいずれか一項に記載のリチウム二次
    電池。
  11. 【請求項１１】 当該タブの当該電極板と接続されない
    側の端部が、圧着もしくは溶接もしくはハトメにより接
    続されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれ
    か一項に記載のリチウム二次電池。
  12. 【請求項１２】 電池容量が５Ａｈ以上であることを特
    徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のリチウ
    ム二次電池。
  13. 【請求項１３】 電気自動車用もしくはハイブリッド電
    気自動車用として用いられることを特徴とする請求項１
    〜１２のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
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