JPWO2012153752A1 - 捲回式二次電池 - Google Patents

Abstract

高温時に極板群で発生した熱を電池外部に十分に放出することができ、しかも低温時における熱の放出を阻止できる捲回式二次電池を提供する。金属製の細長い内芯部３７及び該内芯部３７の外側に設けられた絶縁材料からなる外芯部３９からなる軸芯２３に、セパレータ１５，１７を間に介して積層された正極板１９及び負極板２１を捲回して極板群３を構成する。外芯部３９を構成する絶縁材料が１〜２０Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有している。

Description

本発明は、非水電解液二次電池等の捲回式二次電池に関するものである。

セパレータを間に介して積層された正極板及び負極板が軸芯に捲回されて構成された極板群を有する捲回式二次電池が知られている。このような捲回式二次電池では、軸芯を樹脂で形成している。しかしながら、軸芯を樹脂材料のみで形成すると、軸芯の熱伝導率が低くなり、極板群で発生した熱を軸芯を介して電池外部に放出し難くなる。また、軸芯を金属材料のみで形成することも考えられるが、捲回式二次電池に振動や衝撃が与えられた際に、正極板及び負極板の配置位置がずれて、両極板が軸芯を介して短絡するおそれがある。そこで、特開平１０−１１２３３０号公報（特許文献１）に示すように、軸芯を金属製の内芯部及び該内芯部の外側に設けられた絶縁材料からなる外芯部から構成することが提案された。

特開平１０−１１２３３０号公報

しかしながら、特許文献１に示された捲回式二次電池では、外芯部を構成する絶縁材料がＰＥ、ＰＰ等の樹脂であるため、熱伝導率が低く極板群で発生した熱を金属製の内芯部に十分に伝達することができなかった。また、外芯部を構成する絶縁材料として熱伝導性の高い絶縁材料を用いることも考えられるが、このような絶縁材料を用いると、外部の温度が下がった場合に、熱が金属製の内心部に積極的に伝達されて、電池内部の温度が下がり過ぎるおそれがある。

本発明の目的は、高温時に極板群で発生した熱を電池外部に十分に放出することができ、しかも低温時における二次電池内部の温度の低下を抑制できる捲回式二次電池を提供することにある。

本発明が改良の対象とする捲回式二次電池は、金属製の細長い内芯部及び該内芯部の外側に設けられた絶縁材料からなる外芯部からなる軸芯に、セパレータを間に介して積層された正極板及び負極板が捲回されて構成された極板群を有している。本発明では、外芯部を構成する絶縁材料が、１〜２０Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有している。外芯部を構成する絶縁材料がこのような熱伝導率を有していると、高温時に極板群で発生した熱を金属製の内芯部に十分に伝達して、良好な放熱を得ることができる。しかも低温時においては、金属よりも熱伝達率が低い絶縁材料が存在するため、極板群からの内芯部への熱伝達を抑制して、電池の内部温度の低下を抑制することができる。なお、絶縁材料の熱伝導率が１Ｗ／ｍｋを下回ると、高温時に極板群で発生した熱を電池外部に十分に放出することができない。絶縁材料の熱伝導率が２０Ｗ／ｍｋを上回ると、低温時における温度低下を抑制し難くなる。

絶縁材料は、絶縁樹脂材料に熱伝導率２０Ｗ／ｍｋ以上の無機充填剤を充填して形成することができる。このようにして絶縁材料を形成すれば、無機充填剤の充填量を調整することにより、所望の熱伝導率の絶縁材料を容易に得ることができる。

絶縁樹脂材料としては、エポキシ樹脂を用いることができる。この場合、無機充填剤としては、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物、セラミックスの粉末あるいは繊維、またはこれらの混合物を用いることができる。

１〜２０Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有する絶縁材料を得るには、無機充填剤を絶縁樹脂材料１００体積部に対して１０〜１００体積部混合すればよい。

本発明の捲回式二次電池に用いる軸芯は、種々の形状の外芯部及び内芯部を備えた軸芯に適応することができる。例えば、外芯部及び内芯部が筒形状を有していてもよい。このような軸芯を用いれば、内芯部の重量を小さくでき、電池のエネルギー密度を高めることができる。また、内芯部の放熱面積を増大できるので放熱性能を高めることができる。

また、外芯部が筒形状を有しており、内芯部が円柱形状を有していてもよい。このような軸芯を用いれば、内芯部が円柱形状を有しているため、内芯部の熱伝導性を高めることができる。

また、外芯部及び内芯部が筒形状を有しており、外芯部が長手方向の中心から両端部に向かうに従って、断面積が小さくなる形状を有しており、内芯部が長手方向の中心から両端部に向かうに従って、断面積が大きくなる形状を有している軸芯を用いることができる。このような軸芯を用いれば、極板群の中心部の熱を積極的に外部に導出することが可能になり、電池の放熱特性を向上させることができる。

本発明の一実施の形態の非水電解液二次電池の断面図である。 図１に示す非水電解液二次電池に用いる極板群の分解斜視図である。 図１に示す非水電解液二次電池に用いる軸芯の斜視図である。 本発明の他の実施の形態の非水電解液二次電池に用いる軸芯の斜視図である。 本発明の更に他の実施の形態の非水電解液二次電池に用いる軸芯の斜視図である。 本発明の更に別の実施の形態の非水電解液二次電池に用いる軸芯の分解斜視図である。

以下、図面を参照して、リチウムイオン電池からなる非水電解液二次電池に適用した本発明の捲回式二次電池の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態の非水電解液二次電池の断面図である。図１に示すように、本実施の形態の非水電解液二次電池は、容器１と、容器１内に配置された極板群３と、極板群３の後述する軸芯２３に接合される正極端子５と負極端子７とを有している。容器１は、容器本体９と正極側電池蓋１１と負極側電池蓋１３とを有している。容器本体９は、ステンレスからなり、両端に開口部９ａ，９ｂを有する円筒形を有している。正極側電池蓋１１及び負極側電池蓋１３は、いずれも金属材料からなり、中央に孔１１ａ，１３ａをそれぞれ有する円板に近い形状を有している。本例では、正極側電池蓋１１は、電池内圧の上昇により開裂する開裂弁１１ｂを有している。負極側電池蓋１３は、電解液注入口１３ｂを有している。正極側電池蓋１１及び負極側電池蓋１３は、容器本体９の両端の開口部９ａ，９ｂにそれぞれ嵌合されている。

極板群３は、図２の分解斜視図に示すように、帯状の第１のセパレータ１５及び第２のセパレータ１７を間に介して積層された帯状の正極板１９及び負極板２１が軸芯２３に捲回されて構成されている。第１のセパレータ１５及び第２のセパレータ１７は、クラフト紙等の多孔質基材からなり、電解液が含浸されている。正極板１９は、例えばアルミニウム箔からなる正極集電体上に正極活物質層が塗布されて構成されている。正極板１９には、正極集電体と一体に成形されて極板群３の一方の端部側から突出する複数の正極リード片２７が接続されている。負極板２１は、例えば銅箔からなる負極集電体上に負極活物質層が塗布されて構成されている。負極板２１には、負極集電体と一体に成形されて極板群３の他方の端部側から突出する複数の負極リード片３３が接続されている。図１に示すように、正極リード片２７は、後述する正極端子５の鍔部５ｂに電気的に接続され、負極リード片３３は、負極端子７の鍔部７ｂに電気的に接続されている。

図３に示すように、軸芯２３は、内芯部３７と内芯部３７の外側に一体に設けられた外芯部３９とを有している。内芯部３７は、熱伝導率の高い金属により形成されており、細長い円筒形を有している。内芯部３７を形成する金属としては、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ等の単体の金属、または、ステンレス綱、クロムモリブデン綱、マンガンモリブデン綱、真鍮等の合金を用いることができる。

外芯部３９は、内芯部３７をインサートとして絶縁材料によりインサート成形されており、内芯部３７の外側を覆う細長い円筒形を有している。外芯部３９を形成する絶縁材料は、絶縁樹脂材料に熱伝導率２０Ｗ／ｍｋ以上の無機充填剤が充填されて構成されており、１〜２０Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有している。絶縁樹脂材料としては、下記式に示すようなエポキシ樹脂モノマを重合したエポキシ樹脂を用いることができる。

このようなエポキシ樹脂モノマは、ビフェニル骨格またはビフェニル誘導体の骨格を有し、１分子中に２以上のエポキシ基を有している。エポキシ樹脂モノマの硬化を進めるための硬化剤としては、アミン化合物またはその誘導体、酸無水物、イミダゾールまたはその誘導物、フェノール類またはその化合物や重合体を用いることができる。エポキシ樹脂モノマと硬化剤との反応を促進する硬化促進剤としては、トリフェニルホスフィン、イミダゾールまたはその誘導物、三級アミン化合物またはその誘導体を用いることができる。エポキシ樹脂には、必要に応じて難燃剤、希釈剤、可塑剤、カップリング剤等を添加することができる。

絶縁樹脂材料に充填する無機充填剤は、２０Ｗ／ｍｋ以上の熱導電率を有しており、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物、セラミックスの粉末あるいは繊維、またはこれらの混合物を用いることができる。金属酸化物としては、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、アルミナ等を用いることができる。金属窒化物としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化チタン等を用いることができる。金属炭化物としては、炭化ケイ素、炭化タングステン等を用いることができる。

無機充填剤は、絶縁樹脂材料１００体積部に対して１０〜１００体積部混合するのが好ましい。

外芯部３９の内径寸法は、軸芯２３の長手方向において一定であり、内芯部３７の外径寸法は、軸芯２３の長手方向において一定である。外芯部３９の厚み寸法Ｌ１は、内芯部３７の外径寸法Ｌ２の１０〜３０％とするのが好ましい。１０％を下回ると、低温時における熱の放出を阻止し難くなる。３０％を上回ると、高温時に極板群で発生した熱を電池外部に十分に放出することができない。

図１に示すように、軸芯２３に接合される正極端子５は、アルミにより形成されており、円筒形の端子本体５ａと端子本体５ａの長手方向の中央部に一体に成形された鍔部５ｂとを有している。負極端子７も正極端子５と同様に、円筒形の端子本体７ａと端子本体７ａの長手方向の中央部に一体に成形された鍔部７ｂとを有している。正極端子５は、正極側電池蓋１１の孔１１ａにセラミックス製の絶縁部材４１を介して嵌合されている。負極端子７は、銅により形成されており、負極側電池蓋１３の孔１３ａにセラミックス製の絶縁部材４３を介して嵌合されている。正極端子５の正極側電池蓋１１から電池外部に突出した端部５ｃの外周には螺子が形成されている。この端部５ｃには、金属製のワッシャ４５が嵌合された状態でナット４７が螺合されている。負極端子７の負極側電池蓋１３から突出した端部７ｃにも外周には螺子が形成されている。端部７ｃには、金属製のワッシャ４９が嵌合された状態でナット５１が螺合されている。正極端子５の電池内部に突出した端部５ｄは、軸芯２３の円筒形の内芯部３７の一方の端部に嵌合されている。負極端子７の電池内部に突出した端部７ｄは、軸芯２３の円筒形の内芯部３７の他方の端部に嵌合されている。また、正極端子５と軸芯２３との間には、正極端子５と負極端子７とが内芯部３７を介して短絡するのを防止するため、厚みの薄い絶縁紙５５が配置されている。

本実施の形態の非水電解液二次電池では、極板群３で発生した熱は、軸芯２３の外芯部３９→軸芯２３の内芯部３７→正極端子５及び負極端子７という経路で電池外部に放出される。本実施の形態の非水電解液二次電池では、外芯部３９を構成する絶縁材料が、１〜２０Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有しているので、高温時に極板群３で発生した熱を電池外部に十分に放出することができ、しかも低温時における極板群３から内芯部３７への放熱を抑制して二次電池の温度低下を抑制できる。

図４は、本発明の他の実施の形態の非水電解液二次電池に用いる軸芯の斜視図である。この軸芯１２３も内芯部１３７と内芯部１３７の外側に設けられた外芯部１３９とを有している。内芯部１３７及び外芯部１３９は、図３に示す内芯部３７及び外芯部３９と同じ材質により形成されている。外芯部１３９は、図３に示す外芯部３９と同じ細長い円筒形を有している。内芯部１３７は、外芯部１３９の長手方向の寸法より短い寸法の円柱形状を有しており、円筒形の外芯部１３９の長手方向の中央に配置されている。このため、外芯部１３９の両端部には、空隙部１３９ａ、１３９ｂが形成されることになる。一方の空隙部１３９ａ内には、正極端子（５）が配置され、内芯部１３７の一方の端部１３７ａは正極端子（５）の端部と接触している。他方の空隙部１３９ｂ内には、負極端子（７）が配置され、内芯部１３７の他方の端部１３７ｂは負極端子（７）の端部と接触している。

このような軸芯１２３は、内芯部１３７が円柱形状を有しているため、図３に示す軸芯２３に比べて、内芯部の熱伝導性を高めることができる。但し、内芯部の重量が大きくなり、電池のエネルギー密度が低下する。また、コストが高くなる。

図５は、本発明の更に他の実施の形態の非水電解液二次電池に用いる軸芯の斜視図である。この軸芯２２３も内芯部２３７と内芯部２３７の外側に設けられた外芯部２３９とを有している。内芯部２３７及び外芯部２３９は、図３に示す内芯部３７及び外芯部３９と同じ材質により形成されており、いずれも、長手方向の長さが等しい細長い円筒形を有している。内芯部２３７は、長手方向の中心から両端部に向かうに従って、断面積が徐々に大きくなる形状を有している。また、外芯部２３９は、長手方向の中心から両端部に向かうに従って、断面積が徐々に小さくなる形状を有している。

このような軸芯２２３は、内芯部２３７と外芯部２３９との接触面積が大きくなるため、内芯部２３７から外芯部２３９への熱伝導性が高くなり、電池の放熱特性が向上する。

図６は、本発明の更に別の実施の形態の非水電解液二次電池に用いる軸芯の分解斜視図である。この軸芯３２３も、内芯部３３７と内芯部３３７の外側に設けられた外芯部３３９とを有している。外芯部３３９は、図３に示す外芯部３９と同じ細長い円筒形を有しており、該外芯部３９と同じ材質により形成されている。内芯部３３７は、第１の金属部材３３７ｃと絶縁部材３３７ｄと第２の金属部材３３７ｅとから構成されている。第１の金属部材３３７ｃ及び第２の金属部材３３７ｅは、図３に示す内芯部３７より短い円筒形を有しており、該内芯部３７と同じ金属材質により形成されている。絶縁部材３３７ｄは、図３に示す外芯部３９と同じ絶縁材料により形成されており、第１の金属部材３３７ｃと第２の金属部材３３７ｅとの間に配置されている。絶縁部材３３７ｄは、絶縁部材本体３３７ｆと、絶縁部材本体３３７ｆの長手方向の両端に一体に設けられた一対の突出部３３７ｇ，３３７ｈとを有している。一対の突出部３３７ｇ，３３７ｈは、第１の金属部材３３７ｃ及び第２の金属部材３３７ｅの内部にそれぞれ嵌合されている。本例の軸芯３２３では、絶縁部材３３７ｄにより、正極端子（５）と負極端子（７）とが内芯部３３７を介して短絡するのを防止される。

なお、上記各例では、内芯部をインサートとしてインサート成形により外芯部を形成したが、内芯部に絶縁材料を塗布することにより外芯部を形成しても構わない。

本発明によれば、高温時に極板群で発生した熱を電池外部に十分に放出することができ、しかも低温時における極板群から金属製の内芯部への熱伝達を抑制して、電池温度の低下を抑制することができる捲回式二次電池を得ることができる。

３ 極板群
５ 正極端子
７ 負極端子
１５，１７ 第１及び第２のセパレータ
１９ 正極板
２１ 負極板
２３，１３７，２３７ 軸芯
３７，１３７，２３７ 内芯部
３９，１３９，２３９ 外芯部

Claims (8)

1. 金属製の細長い内芯部及び該内芯部の外側に設けられた絶縁材料からなる外芯部からなる軸芯に、セパレータを間に介して積層された正極板及び負極板が捲回されて構成された極板群を有する捲回式二次電池であって、
   前記外芯部を構成する前記絶縁材料が、１〜２０Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有しており、
   前記絶縁材料が、絶縁樹脂材料に熱伝導率２０Ｗ／ｍｋ以上の無機充填剤が充填されて構成されており、
   前記絶縁樹脂材料がエポキシ樹脂からなり、
   前記無機充填剤が金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物、セラミックスの粉末あるいは繊維、またはこれらの混合物からなり、
   前記無機充填剤が前記絶縁樹脂材料１００体積部に対して１０〜１００体積部混合されており、
   前記外芯部及び前記内芯部は、筒形状を有しており、
   前記外芯部は、長手方向の中心から両端部に向かうに従って、断面積が小さくなる形状を有しており、
   前記内芯部は、長手方向の中心から両端部に向かうに従って、断面積が大きくなる形状を有していることを特徴とする捲回式二次電池。
2. 金属製の細長い内芯部及び該内芯部の外側に設けられた絶縁材料からなる外芯部からなる軸芯に、セパレータを間に介して積層された正極板及び負極板が捲回されて構成された極板群を有する捲回式二次電池であって、
   前記外芯部を構成する前記絶縁材料が、１〜２０Ｗ／ｍｋの熱伝導率を有することを特徴とする捲回式二次電池。
3. 前記絶縁材料が、絶縁樹脂材料に熱伝導率２０Ｗ／ｍｋ以上の無機充填剤が充填されて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の捲回式二次電池。
4. 前記絶縁樹脂材料がエポキシ樹脂からなり、
   前記無機充填剤が金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物、セラミックスの粉末あるいは繊維、またはこれらの混合物からなることを特徴とする請求項３に記載の捲回式二次電池。
5. 前記無機充填剤が前記絶縁樹脂材料１００体積部に対して１０〜１００体積部混合されていることを特徴とする請求項４に記載の捲回式二次電池。
6. 前記外芯部及び前記内芯部が筒形状を有していることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の捲回式二次電池。
7. 前記外芯部は、筒形状を有しており、
   前記内芯部は、円柱形状を有していることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の捲回式二次電池。
8. 前記外芯部及び前記内芯部は、筒形状を有しており、
   前記外芯部は、長手方向の中心から両端部に向かうに従って、断面積が小さくなる形状を有しており、
   前記内芯部は、長手方向の中心から両端部に向かうに従って、断面積が大きくなる形状を有していることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の捲回式二次電池。