JPWO2012111752A1

JPWO2012111752A1 - 二次電池

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Publication number: JPWO2012111752A1
Application number: JP2012558010A
Authority: JP
Inventors: 田中　明; 明田中
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2014-07-07
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: JP5617940B2; EP2677587A4; KR20130123445A; KR101530803B1; CN103718366A; WO2012111752A1; US20130323573A1; EP2677587A1

Abstract

本発明は、表面に負極活物質層が形成された金属集電体と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層が形成された他の金属集電体とを短冊形状に交互に配置した積層体を有底の電池缶に密閉した二次電池である。この二次電池において、電池缶に複数収納された積層体間のうち、積層体の幅広面に対向して電池缶の内部空間を分割する仕切り板が少なくとも一つ形成されている。

Description

本発明は、二次電池の構造に関する。

近年、環境問題を背景にして、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、フォークリフト、ショベルカー等の移動体のみならず、ＵＰＳ（無停電電源装置）、太陽光発電の電力貯蔵などの産業用用途にも、リチウムイオン電池を代表とする二次電池の適用が図られている。このような二次電池の用途拡大に伴って、大容量化、高エネルギー密度化が求められている。

また、これら高性能化に加えて、高安全性化も重要な課題となっている。二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等がある。ニッケルカドミウム電池はカドミウムが有毒であることなどから、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池への転換が進んでいる。現存する二次電池の中でも、特にリチウムイオン二次電池は高エネルギー密度化に適しており、現在でもその開発が盛んに進められている。

このニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池の主要な構成は、表面に負極活物質層を形成した金属集電体（負極）と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層を形成した他の金属集電体（正極）である。ニッケル水素電池は、正極にニッケル酸化物、負極に水素吸蔵合金を採用している。また、リチウムイオン二次電池は、正極にリチウム金属酸化物、負極に黒鉛などのカーボン材料を採用している。電池構造としては、帯状の負極、セパレータ、正極を順次渦巻き状に巻いた円筒型構造と、短冊状の負極、セパレータ、正極を交互に配置した積層型構造とに大別される。帯状の負極、セパレータ、正極を巻き取るための軸芯等の発電に関与しない体積部分が多くある円筒型構造よりも、短冊状の負極、セパレータ、正極を交互に配置した積層型構造の方が、一般的に高体積エネルギー密度化に適している。これは、積層型は、巻取りのための軸芯が不要であることや、外部出力用の正極及び負極端子を同一面に形成し易いことから、発電に寄与する部分以外の体積を少なくできるからである。

また、電池缶内の圧力上昇に対して、円筒型と積層型とでは電池缶の膨らみ方に違いが見られる。電池缶内の圧力上昇には、一般に、充電時にリチウムイオンが負極層間に入り込むことによる容積膨張に起因するもの、余剰のＬｉ_２ＣＯ₃の分解によるガスの発生に起因するもの、過充電によるジュール熱等を要因とした温度上昇による電解液の分解反応に起因するもの等がある。円筒型は帯状の負極、セパレータ、正極を順次渦巻き状に巻いてあるので、電池缶内の圧力上昇に対して、円周方向や半径方向に対する膨らみは少ないが、積層型は、電池缶内での圧力上昇に伴い、積層してある極板などの隙間にガスが滞留し、積層した極板の幅広面方向に膨らみ易い傾向にある。電池の膨らみは、電極間の距離の増大を意味するため、電池性能に悪影響をもたらす。即ち、イオン伝導経路が長くなるため、高い放電容量が得にくくなる。

また、円筒型と積層型とでは、放熱性に違いが見られる。円筒型は、軸芯を中心軸として、正極、セパレータ、負極からなる発電要素は軸対称形状と見なすことができ、半径方向に伝わる熱は、一般的に、軸に並行な、どの軸対称断面でも同じ熱分布を示す。一方、積層型は、極板を積み重ねた構造のため、積層方向と平面方向とでは熱抵抗が異なり、熱伝導に異方性を示す。一般に、極板を積み重ねた積層方向の熱伝導が、平面方向の熱伝導よりも低くなる。電池の大容量化に伴い、極板の枚数が増大するため、積層型の場合、積層厚みが増大する。このため、電池缶表面からの電池缶中央までの距離が増大し、電池缶中央にある極板の放熱性が低下し、極板の温度上昇が増大する。これにより、電池特性の低下や信頼性や安全性の低下を招く恐れがある。

このように、高エネルギー密度化が可能な積層型電池においては、電池の膨らみを抑制し、放熱性を高める必要がある。電池の膨らみの抑制に対しては、従来、以下の提案がなされている。例えば、電池缶の相対する一組の広側面の厚さが、相対する一組の狭側面の厚さより厚く形成するような発明が特許文献１に開示されている。また、電池缶の厚さが０．５ｍｍ以下の隔壁を有するモノブロックで構成される発明が特許文献２に開示されている。

電池の放熱性に関しては、以下の提案がなされている。例えば、特許文献３では、積層電極体に高熱伝導シートを巻くことで放熱性を高めようとしている。また、特許文献４では、固体電解質内に熱伝導性の優れた電気絶縁性無機物を含有して放熱性を高めようとしている。

特許３１１４７６８号公報特開２０００−１８２５７２号公報特開平１０−４０９５９号公報特開平８−２５５６１５号公報

積層型電池において、電池容量が大きくなると、極板の積層枚数が増加するため、充電時にリチウムイオンが負極層間に入り込むことによる容積膨張が増大する。この負極の容積膨張は、積層方向の膨張に影響を与える。そして、電池容量の増大に伴い、電解液量も増加するため、電解液の分解等によるガス圧も増大する。このガス圧は、電池缶側面に等方的にかかるため、電池缶の内部の全方向の膨張に影響を与える。また、大容量の電池は、極板枚数の増加に伴い、発熱量が増大するため、放熱性は大容量電池の重要な課題の一つであり、電池内部の熱抵抗の増大を極力抑えて、放熱性を高めることが重要である。

特許文献１のように、電池缶の広側面の厚みを狭側面の厚みより厚くした構造は、露出している外壁の広側面の缶厚を厚くしたことによって、熱伝導距離が長くなり、熱抵抗の増加を招く恐れがある。また、電池缶に収納される積層体の幅広面と電池缶の広側面の対応関係が示されておらず、大容量化に伴い、極板の積層枚数が増大し、積層体の幅広面に相対する面が電池缶の広側面と一致しない場合、電池缶の広側面の板厚を厚くしても、積層体の積層方向に対する膨張には効果が期待できない。

また特許文献２では、電池缶の厚さが０．５ｍｍ以下の隔壁を有するモノブロック構造が提案されているが、厚さが０．５ｍｍ以下では、大容量電池の膨張を抑制することは困難であると共に、膨張が大きい積層体の幅広面に対応する方向に対する膨張抑制の対策がなされておらず、発電要素が一つの場合でも、また、複数の発電要素を隔壁があるモノブロック缶に入れた場合でも、どちらも積層体の幅広面に対応する方向の膨張は同じくなり、電池の大容量化に伴う膨張対策は考慮されていない。

そして特許文献３のように、積層電極体に高熱伝導シートを巻いても、積層電極体中心部分の熱を高熱伝導シートがある周辺部まで伝える熱伝導経路が改善されていないため、大容量電池のように極板数が増大した場合、放熱性の向上の効果があまり期待できない。また、積層体の膨らみ防止を考慮しておらず膨張を抑制するような期待はできない。

さらに特許文献４のように、固体電解質に無機物を含有させても、金属に比べ熱伝導率が低く、また、発電に寄与していない無機物の含有量を増大させると電池性能の低下を招く恐れがあり、放熱性の向上はそれほど期待できない。また、積層体の膨らみ防止を考慮しておらず膨張を抑制するような期待はできない。

このように、大容量積層型電池では、負極の容積膨張や電池缶内部のガスの発生による内圧の上昇に起因する電池缶の膨らみを抑制し、且つ、放熱性を向上させることが重要な課題となっている。
本発明の目的の一つは、電池内圧上昇に対して電池缶の膨らみを効果的に抑制すると共に、電池缶内部の極板で発生する熱を効果的に外部に伝え、体積エネルギー密度が高い大容量の電池を提供することにある。

一つの手段として、表面に負極活物質層が形成された金属集電体と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層が形成された他の金属集電体とを短冊形状に交互に配置した積層体を有底の電池缶に密閉した電池であって、電池缶に複数収納された積層体間のうちの少なくとも一つに、積層体の幅広面に対向して電池缶の内部空間を分割する仕切り板が形成されている構成とした二次電池とする。

その際、積層体の幅広面に対向した電池缶の外壁と仕切り板との合計の厚みが、積層体の平面方向の合計の厚みよりも大きくなるように構成することが好ましい。

また、電池缶の仕切り板の板厚が電池缶の外壁の板厚よりも大きくなるように構成することも好ましい。

さらに、仕切り板には、仕切り板の表裏を貫通する開口部が形成されていると、より好ましい。

本発明によれば、充放電によって積層体電極群が膨張した場合であっても、電池缶が外方向へ膨らむ際の電池缶側面の変形を抑制し、且つ、積層体からの発熱を効果的に放熱できる、サイクル特性や信頼性が高く、大容量でエネルギー密度が高い二次電池を提供できる。

本発明の一実施例を説明する電池の一部切り欠き斜視図である。本発明の一実施例を説明する電池の概略平面断面図である。本発明の一実施例を説明する電池の概略側面断面図である。本発明の一実施例を説明する電池の概略平面断面図である。本発明の一実施例を説明する電池の概略平面断面図である。本発明の一実施例を説明する仕切り板の模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

＜実施例１＞
図１は本発明の一実施形態を示す二次電池の一部切り欠き斜視図であり、図２は図１の二次電池の概略平面断面図であり、図３は図１の二次電池の概略側面断面図である。図２および図３では本発明に係る積層体２と電池缶１との配置を示し、積層体のタブや蓋や通電部品等は省略している。図示しているのは、電池容量２１０Ａｈの積層型リチウムイオン二次電池である。積層体２が電池缶１に収納され、積層体２はタブ３を介して外部端子４と電気的に接続されている。外部端子４はナットなどの締結部品５で蓋板８に固定されている。また、蓋板８には電解液を注入する注入孔を封止した注入孔栓６や、過充電などの非定常時に、電池缶１の内圧を開放するための安全弁７が配置されている。

図１において、積層体２は、表面に負極活物質層が形成された第１の金属集電体（銅）と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層が形成された第２の金属集電体（アルミニウム）とを備える。積層体２を電池缶１内に作成する場合、第１の金属集電体とセパレータと第２の金属集電体とを短冊形状に形成し、これらを交互に積層する。積層体２の厚み等の寸法や積層枚数は、必要な電池容量によって決まる。

電池缶１は矩形の積層体２を内包するため、角形をしている。角形電池は、帯状の金属集電体やセパレータを円柱状に巻いて円筒形の電池缶に入れる場合にくらべて、巻き取るための軸芯等がないため、体積エネルギー密度を高くできる利点がある。電池缶１はアルミニウム合金をインパクトプレス成形で形成している。電池缶１の材質はアルミ系金属の場合、ダイキャスト成形で作製してもよい。電池缶１の材質は、例えば、アルミニウム系やステンレス鋼などの金属材料が機械的強度の面から好ましいが、金属材料に限らず、電解液に侵食されない樹脂、例えば、ふっ素系、ポリエチレン、ポリプロピレン、エポキシ系、ＰＯＭ、ＰＥＥＫなどの樹脂を用いてもよい。樹脂系の電池缶は、金属系の電池缶に比べ、材質の密度が小さいため軽くなる利点がある。一方、樹脂系は強度的に弱く、また、熱伝導性が小さいため放熱性に劣るなどの欠点がある。

積層体２の構成材料である金属集電体の長手方向の端部に、電気接続用タブ３が形成されている。タブ３は、通電部品（図示せず）を介して外部端子４に接続されている。積層体２に形成されているタブ３の枚数は、容量によって決まり、数十Ａｈから数百Ａｈの容量の電池は数十枚から数百枚のタブ枚数に及ぶ。本実施例の図では、複数に束ねたタブを簡便に表すため、例えば、図１のタブ３のように、１つの図形として表している。

図２および図３に示すように、電池缶１の内部に収納された複数の積層体２は、１つの群の容量が７０Ａｈになるように、３つの群に分けられている。電池缶内部にある仕切り板９を境界として、それぞれ仕切り板９で分割された空間に積層体２が配置されている。積層体２の幅広面は仕切り板９と並行に配置されている。本実施例では、電池缶内の仕切り板を２つとし、積層体２を３群配置したが、電池容量や極板の枚数に応じて、積層体を２群以上に分けてあれば良く、それに応じて、仕切り板９も複数配置すれば良い。仕切り板９があることによって、積層体２の積層方向の変位が抑制される。また、仕切り板９があることによって、積層体２の積層方向と直角方向にある電池缶１の側面の膨らみも抑制できる。本実施例においては、仕切り板９と電池缶１とは連続している部材であり一体成形となっている。仕切り板９を一体成形できない材質や製造方法の場合、仕切り板９を別途作製し、電池缶１に溶接や接着等により固着してもよい。仕切り板９は電池缶１と同じ材質が好ましいが、異なる材質の部材でも良い。

仕切り板９があることによって、積層体２からの熱が仕切り板９を通って外壁に伝わって放熱される。放熱性の観点から、仕切り板９の厚さｔ３が厚い方が、熱伝導面積が大きいため効果的である。しかしながら、仕切り板９の厚さの増大は体積エネルギー密度の低下を招く恐れがあるため、仕切り板９の厚さｔ３は、電池缶１の外壁の厚さｔ１の２倍以下に押えた方がよい。仕切り板９が複数ある場合、積層体２を構成する極板枚数を少なくでき、それによって極板の枚数に応じて膨らみによる変位量も少なくなり、積層体当たりの発熱量も少なくなるので、１枚当たりの仕切り板９の厚さを薄くできる。本実施例では、電池缶１の厚さｔ１およびｔ２を１ｍｍに、仕切り板９の厚さｔ３を各１.５ｍｍとした。積層方向の電池缶１を構成する部材の厚さを足し合わせた合計、すなわち、電池缶１の外壁の厚さｔ１と仕切り板９の厚さｔ３の総計は５ｍｍであり、その厚さの総計は、積層方向と直角方向の厚さｔ２の総計の２ｍｍよりも厚くなっている。また、本実施例では、図２に示すように、積層体２の幅広面に対応する電池缶１の面の幅Ｗは１３０ｍｍであり、積層方向の電池缶１の奥行Ｄは１５５ｍｍであり、電池缶１の高さＨは２２０ｍｍとした。

また、比較例１として、仕切り板が無く、積層方向の板厚の総計が同じ５ｍｍになるように、積層方向の電池缶の板厚を２.５ｍｍとし、積層方向と直角方向の板厚を１ｍｍとした電池を作製した。比較例１と本実施例１の外形寸法とは同じである。本実施例１により作製した電池と比較例１として作製した電池を用いて、充放電を５回繰り返した後の膨らみ量と温度を測定した。膨らみ量は、充放電前後の電池の積層体２の幅広面に対応した積層方向の電池缶１の最大厚さの変化を測定した。温度は、充放電前後の電池内部中央の温度の変化を測定した。その結果、仕切り板９がある本実施例１は、仕切り板が無い比較例１と比べて、膨らみ量と温度とを共に低く抑えることができた。

＜実施例２＞
図４は本発明の一実施形態を示す二次電池の概略平面断面図である。図５は図４の概略側面断面図である。積層体２が４群からなる２８０Ａｈ積層型リチウムイオン二次電池である。積層体２の１つの群の容量は７０Ａｈである。電池缶１の外形寸法は、幅Ｗは１３０ｍｍ、奥行Ｄは２０５ｍｍ、高さＨは２２０ｍｍである。電池缶１はステンレス鋼からなる外周体１１と複数の仕切り板９から構成されている。仕切り板９は、外周体１１に溶接で固着されている。図５に示すように、電池缶１の外周体１１よりも仕切り板９の高さを低くすると共に、電池缶１の外周体１１の底面１１ａと仕切り板９とは接しておらず、電解液が積層体２の各群の間を自由に行き来できる構造となっている。

本実施例では、仕切り板９に、穴が開いていない平板を用いたが、図６に示すように、複数の貫通孔を設けた仕切り板９を用いても良い。また、エキスパンドメタル等の網目状の仕切り板９を用いても良いが、開口率が大きいと熱伝導の低下を招くので、開口率５０％以下であることが望ましい。また、本実施例では、仕切り板９は平板形状を用いたが、波型形状や表面に凹凸が形成された形状でも良い。電池缶１の外周体１１の板厚ｔ１と、仕切り板９の板厚ｔ３は、それぞれ、１ｍｍである。積層体２の幅広面に対応する積層方向の板厚の総計は、仕切り板９は３枚配置されているので、仕切り板９の板厚と外周体１１の板厚とを合わせて５ｍｍである。一方、積層方向に直角方向の板厚の合計は２ｍｍである。

比較例２として、仕切り板が無く、積層方向の板厚の総計が実施例２と同じ５ｍｍになるように、積層方向の板厚を２．５ｍｍとして、実施例２と同じ材質で、実施例２と同じ外形寸法の電池を作製した。実施例１で示した測定と同様に、充放電前後の電池の積層体２の幅広面に対応した電池缶の膨らみと電池内部中央の温度を測定した。その結果、仕切り板９がある本実施例では、仕切り板が無い比較例２と比べて、膨らみ量と温度とを共に低く抑えることができた。

１…電池缶、２…積層体、３…タブ、４…端子、５…締結部品、６…注液孔栓、７…安全弁、８…蓋、９…仕切り板、１０…孔、１１…電池缶外周体。

【０００５】
積エネルギー密度が高い大容量の電池を提供することにある。
課題を解決するための手段
［００１６］
一つの手段として、表面に負極活物質層が形成された金属集電体と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層が形成された他の金属集電体とを短冊形状に交互に配置した積層体を有底の金属製電池缶に密閉した角型二次電池であって、電池缶に複数収納された積層体間のうちの少なくとも一つに、積層体の幅広面に対向して電池缶の内部空間を分割する仕切り板が形成されている構成とした角型二次電池とする。
［００１７］
その際、積層体の幅広面に対向した電池缶の外壁と仕切り板との合計の厚みが、積層体の平面方向の電池缶の外壁の合計の厚みよりも大きくなるように構成することが好ましい。
［００１８］
また、電池缶の仕切り板の板厚が電池缶の外壁の板厚よりも大きくなるように構成することも好ましい。
［００１９］
さらに、仕切り板には、仕切り板の表裏を貫通する開口部が形成されていると、より好ましい。
発明の効果
［００２０］
本発明によれば、充放電によって積層体電極群が膨張した場合であっても、電池缶が外方向へ膨らむ際の電池缶側面の変形を抑制し、且つ、積層体からの発熱を効果的に放熱できる、サイクル特性や信頼性が高く、大容量でエネルギー密度が高い二次電池を提供できる。
図面の簡単な説明
［００２１］
［図１］本発明の一実施例を説明する電池の一部切り欠き斜視図である。
［図２］本発明の一実施例を説明する電池の概略平面断面図である。
［図３］本発明の一実施例を説明する電池の概略側面断面図である。
［図４］本発明の一実施例を説明する電池の概略平面断面図である。
［図５］本発明の一実施例を説明する電池の概略平面断面図である。
［図６］本発明の一実施例を説明する仕切り板の模式図である。

一つの手段として、表面に負極活物質層が形成された金属集電体と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層が形成された他の金属集電体とを短冊形状に交互に配置した積層体を有底の金属製電池缶に密閉した角型二次電池であって、電池缶に複数収納された積層体間のうちの少なくとも一つに、積層体の幅広面に対向して電池缶の内部空間を分割する仕切り板が形成されている構成とした角型二次電池とする。

その際、積層体の幅広面に対向した電池缶の外壁と仕切り板との合計の厚みが、積層体の平面方向の電池缶の外壁の合計の厚みよりも大きくなるように構成することが好ましい。

Claims

表面に負極活物質層が形成された第１の金属集電体と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層が形成された第２の金属集電体とを短冊形状に形成し、前記第１の金属集電体と前記セパレータと前記第２の金属集電体とを交互に配置した積層体を有底の電池缶に密閉した二次電池であって、
前記電池缶に複数収納された前記積層体間のうちの少なくとも一つに、前記積層体の幅広面に対向して前記電池缶の内部空間を分割する仕切り板が形成されていることを特徴とする二次電池。
前記積層体の幅広面に対向した前記電池缶の外壁と仕切り板との合計の厚みが、前記積層体の平面方向の合計の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記電池缶の仕切り板の板厚が前記電池缶の外壁の板厚よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記仕切り板には、仕切り板の表裏を貫通する開口部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。