JPWO2016092839A1 - 電池 - Google Patents

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Abstract

電池は、収容容器と、収容容器の中に配置された第１の電池セルおよび第２の電池セルの少なくとも一方と、収容容器と第１の電池セルとの間および第１の電池セルと第２の電池セルとの間の少なくとも一方の間に配置されたグラファイトシートとを備え、グラファイトシートは電気信号を取り出すための端子部を有する。

Description

本開示は、各種電子機器あるいは車載用として用いられるリチウム二次電池等の電池に関するものである。
リチウムイオン二次電池などに代表される積層型の二次電池は、正負の電極板が交互に積層された積層体と、この積層体を収容するセルケースと、セルケース内部に充填された電解液などによって構成されている。
このような二次電池は、一般的に複数の電池セルを一つの電池収容容器に収容して、組電池として使用される。電池を使用するにあたり複数の電池セル間で温度差が大きくなると、相対的に低温の電池セルよりも高温の電池セルの充放電が加速し劣化がしやすくなる。また、電池セルは、劣化すると膨張する可能性がある。この電池セルの膨張を検知する方法としては電池にストレインゲージを取り付ける方法がある。
なお、上記の電池にストレインゲージを取り付けて電池の膨張を検地する技術は特許文献１に開示されている。
特開２００３−５９４８４号公報
特許文献１に開示されている技術は、電池の外形が大きくなるとともに、電池が高温になるため劣化しやすいという課題を有している。
本開示の電池は、収容容器と、収容容器の中に配置された第１の電池セルおよび第２の電池セルの少なくとも一方と、収容容器と第１の電池セルとの間および第１の電池セルと第２の電池セルとの間の少なくとも一方の間に配置されたグラファイトシートとを備え、グラファイトシートは、電気信号を取り出すための端子部を有する。
本開示の電池は、上記課題を解決するものであり、複数の電池セル間で均熱化が図れるとともに電池セルの膨張を検出することができる。
図１は、実施の形態１における電池の断面図である。 図２Ａは、実施の形態１におけるキャパシタ部の分解斜視図である。 図２Ｂは、実施の形態１におけるキャパシタ部の分解斜視図である。 図３は、実施の形態１における電池セルが膨張したときの断面図である。 図４は、実施の形態２における電池の断面図である。 図５は、実施の形態２におけるキャパシタ部の分解斜視図である。 図６は、実施の形態２における電池セルが膨張したときの断面図である。 図７Ａは、実施の形態３における電池の断面図である。 図７Ｂは、実施の形態３の変形例における電池の断面図である。 図７Ｃは、実施の形態３の変形例における電池の断面図である。
上記、課題を解決する電池について、以下、図面を参照ながら説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明では、全ての図を通じて同一または相当する要素には同じ符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
以下、実施の形態１における電池について、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態１における電池１０の断面図である。図２Ａは電池１０の収容容器１１内におけるキャパシタ部１００の分解斜視図である。
図１に示す電池１０は、リチウムイオン二次電池である。この電池１０は、金属製の収容容器１１と、収容容器１１の中に配置された３つの電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃと、これら電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのそれぞれの間をキャパシタ部１００が間を縫うように配置されている。
図２Ａに示すように、キャパシタ部１００は、端部に電気信号を検出するための端子１４を備えるグラファイトシート１３ａと、グラファイトシート１３ａの上面に断熱シート１７と、下面に絶縁層１６が設けられている。さらに断熱シート１７の上面に誘電体層１５を備える。
なお、本明細書で説明するキャパシタ部は、少なくともグラファイトシートを含み複数の電池セルの間および電池セルと収容容器との間に介在する構成要素を指すものであり、構成要素が限定されるものではない。
グラファイトシート１３ａは、電極として用いられる導電体である。グラファイトシート１３ａは、高分子を熱分解することで得られる熱分解グラファイトシートであり、厚さは約２５μｍである。熱分解グラファイトシートは、例えばグラファイト片を押し固めることで得られるグラファイトシートよりも柔軟性が高いため容易に電池セル間に配置することができる。この熱分解グラファイトシートの熱伝導率は、約１２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、例えば電極として多用される銅の熱伝導率よりも極めて高い。以上より、熱分解グラファイトシートは、特に狭スペースで使用される放熱部材として有用である。
図２Ａに示すグラファイトシート１３ａの端子１４は、グラファイトシート１３ａの端部の一部分が突出している部分を指す。グラファイトシート１３ａの端子１４は、グラファイトシート１３ａを電極とし、このグラファイトシート１３ａと外部端子とを接続するための接続端子であればよい。端子１４の変形例としては、グラファイトシート１３ａと外部端子とを接続し、グラファイトシート１３ａとは異なる構成材料からなる端子１４としてもよい。
誘電体層１５を構成する材料は、ウレタンであり、厚さは約１００μｍである。
絶縁層１６を構成する材料は、ポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと記す。）であり、厚さは約１０μｍである。
断熱シート１７は、不織布からなる繊維シートの繊維間にシリカキセロゲルが担持されている。シリカキセロゲルは、空気分子の運動を規制するナノサイズの空隙構造を有しており熱伝導率が低い。このシリカキセロゲルを用いた断熱シート１７の熱伝導率は約０．０１８〜０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋである。断熱シート１７は、熱分解グラファイトシートと同様に特に狭スペースで使用される断熱部材として有用である。この断熱シート１７の熱伝導率は、空気の熱伝導率よりも低いため、例えば電池セルの間に断熱層として空気の層を設けた場合よりも断熱性能が高い。以上、断熱シートは、例えば複数の電池セルにおける類焼等が懸念される場合に有用であり、狭スペースでの使用用途に有用であることから電池の小型化に寄与する。
なお、図１に示す断熱シート１７は、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのそれぞれの間に設けたが、キャパシタ部１００と同様に単一の断熱シートとして電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃ間を縫うように配置されていてもよい。
また、収容容器１１は、金属製の収容容器１１以外に例えばアルミニウムの金属層でラミネートされていてもよい。
電池１０において、キャパシタ部１００内に設けられているグラファイトシート１３ａは、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃで発生する熱を伝熱することで電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃにおける温度差を低減させることができる。すなわち、グラファイトシート１３ａは、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのそれぞれの内部あるいは電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃ間を均熱化させることができる。
次に電池の収容容器内に配置される電池セルの膨張検知について説明する。
電池セルは、劣化することで体積が膨張する。この電池セルの膨張によって、収容容器内の部材には圧縮応力がかかり歪んでしまう。本開示の電池は、この部材の歪を静電容量値の変化として検出することで電池セルの膨張を検知するものである。
図３は、電池セル１２ｂと電池セル１２ｃが膨張したときのキャパシタ部１００の断面図である。図３に示すように、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃが劣化して体積が膨張すると、キャパシタ部１００に圧縮応力がかかりキャパシタ部１００は歪む。電池１０は、このキャパシタ部１００が歪むことによるキャパシタ部１００の静電容量値の変化を検出することが可能な構成である。
静電容量値の測定は、導電体であるグラファイトシート１３ａと、電池セル１２ｂとを一対の電極とし、一対の電極間に配置されている誘電体層１５の静電容量値を電気信号に変換して検出される。このとき電極として用いられる電池セル１２ｂの外装体表面は、金属等の導電体からなる。絶縁層１６は、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのそれぞれの間に設けられ電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃ間のそれぞれを絶縁する。
同様に、導電体であるグラファイトシート１３ａと、収容容器１１とを一対の電極とし、一対の電極間に配置されている誘電体層１５の静電容量値を電気信号に変換して検出することもできる。このとき電極として用いられる収容容器１１の内側面は金属等の導電体からなる。
熱分解グラファイトシートは、一般的に電極として用いられる銅等の金属よりも熱伝導率が高く線膨張係数も小さい。さらに銅等と比較して温度による電気伝導度等の物性値の変化が小さいため温度による静電容量値の変化の影響を低減させることができるため精度良く電池セルの膨張を検知することができる。
誘電体層１５を構成する材料の比誘電率は、３以上が好ましい。誘電体層１５の比誘電率を３以上にすることで一対の電極間における静電容量値大きくなり、少ない歪み量でも精度良く電池セルの膨張を検知することができる。
絶縁層１６を構成する材料のヤング率は、誘電体層１５を構成する材料のヤング率よりも大きい方が好ましい。絶縁層１６を構成する材料を誘電体層１５を構成する材料のヤング率よりも大きくする方が好ましい。このようにすることで圧縮応力による歪量は、絶縁層１６よりも誘電体層１５の方が大きくなり静電容量値の変化量も大きくなり、精度良く電池セルの膨張を検知することができる。また、より好ましい絶縁層１６のヤング率は、２ＧＰａ以上であり、さらに精度良く電池セルの膨張を検出することができる。
次に、実施の形態１における電池１０の変形例について説明する。
図２Ｂは、図２Ａのキャパシタ部１００の構成とは異なるキャパシタ部２００を示す。図２Ｂに示すキャパシタ部２００は、端部に電気信号を検出するための端子１４を備えるグラファイトシート１３ａと、グラファイトシート１３ａの上面に断熱シート１７と、グラファイトシート１３ａの下面と断熱シート１７の上面にそれぞれ誘電体層１５を備える。図２Ｂのキャパシタ部２００は、グラファイトシート１３ａの上方と下方の両方に誘電体層を備えることで、グラファイトシート１３ａを共通電極とした二対の電極を構成することができる。すなわち、二対の電極ともに一方の電極をグラファイトシート１３ａとし、もう一方の電極を電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃもしくは収容容器１１のいずれかから選択し２つの誘電体層１５の静電容量値の変化を電気信号として検出することができるため、より精度良く電池セルの膨張を検知することができる。
（実施の形態２）
以下、実施の形態２における電池２０について図面を参照しながら説明する。
なお、実施の形態１と同様の構成についてはその説明を省略し、同一または相当する要素には同じ符号を付して、その重複する説明を省略する。
図４は、実施の形態２における電池２０の断面図である。図５は電池２０の収容容器１１内におけるキャパシタ部３００の分解斜視図である。
電池２０は、実施の形態１の電池１０とは異なり、端部に電気信号を検出するための端子１４を備える２つのグラファイトシート１３ａおよび１３ｂを備える。
キャパシタ部３００は、グラファイトシート１３ａおよび１３ｂと、グラファイトシート１３ａおよび１３ｂの間に設けられている誘電体層１５および断熱シート１７と、グラファイトシート１３ａおよび１３ｂの誘電体層１５が設けられている面とは反対側の面のそれぞれに２つの絶縁層１６を備える。電池２０は、２つのグラファイトシート１３ａおよび１３ｂを備えるため、実施の形態１の電池１０と比較して、より多く熱を伝熱することができ電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃにおける温度差をさらに低減させることができる。
次に電池の収容容器内に配置される電池セルの膨張検知について説明する。
図６は、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃが膨張したときのキャパシタ部３００の断面図である。図６に示すように、例えば電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃが劣化して体積が膨張すると、キャパシタ部３００に圧縮応力がかかりキャパシタ部３００は歪む。電池２０は、このキャパシタ部３００が歪むことによるキャパシタ部３００の静電容量値の変化を検出することが可能な構成である。
静電容量値の測定は、導電体であるグラファイトシート１３ａおよび１３ｂを一対の電極とし、一対の電極間に配置されている誘電体層１５の静電容量値を電気信号に変換して検出される。
絶縁層は、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのそれぞれの間に設けられ電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃ間のそれぞれを絶縁する。
また、導電体であるグラファイトシート１３ａおよび１３ｂのいずれか一方と、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのいずれかまたは収容容器１１とを一対の電極として、この一対の電極間に配置される誘電体層１５の静電容量値を電気信号に変換して検出することもできる。このとき、一対の電極として用いたいずれかの電池セルにおける外装体表面または収容容器１１の内側面は金属等の導電体とする。
（実施の形態３）
以下、実施の形態３における電池について図面を参照しながら説明する。
なお、実施の形態１および２と同様の構成についてはその説明を省略し、同一または相当する要素には同じ符号を付して、その重複する説明を省略する。
実施の形態１の電池１０では、記載の単一のキャパシタ部１００を電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃの間を縫うように配置された構成を示したが、キャパシタ部の構成は、この構成に限らない。以下、電池セル間に複数のキャパシタ部を有する電池について説明する。
図７Ａは、実施の形態３における電池３０の断面図である。
電池３０は、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃの間のそれぞれに複数のキャパシタ部４００を備え、複数のキャパシタ部４００は、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのそれぞれに貼り付けられている。
このキャパシタ部４００は、グラファイトシート１３ａとグラファイトシート１３ｂとを有し、グラファイトシート１３ａとグラファイトシート１３ｂの間に誘電体層と断熱シートを備える。電池３０は、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのいずれかが劣化して膨張したときに、導電体であるグラファイトシート１３ａとグラファイトシート１３ｂとを一対の電極とし、一対の電極間に配置されている誘電体層１５の静電容量値を電気信号に変換して検出される。
図７Ｂは、実施の形態３における電池の変形例である。
電池４０は、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃの間のそれぞれに複数のキャパシタ部５００を備え、複数のキャパシタ部５００は電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのそれぞれに貼り付けられている。
このキャパシタ部５００は、グラファイトシート１３ａとグラファイトシート１３ｂと、グラファイトシート１３ａとグラファイトシート１３ｂとの間に２つの誘電体層１５と、２つの誘電体層１５の間にスペース１８が設けられている。電池４０は、キャパシタ部５００にスペース１８を設けることで、電池セルの膨張量が小さい場合と、大きい場合とを区別して大きい場合のみを電池セルの膨張として検知することができる。
例えばキャパシタ部５００にスペース１８を設けない電池は、通常通りに行われる電池の充放電によって生じてしまう電池セルの軽微な膨張でも誘電体層１５が歪み、誘電体層１５の静電容量値が変化する。一方、キャパシタ部５００にスペース１８を設けた電池４０において、電池セルの軽微な膨張による圧縮応力でスペース１８が優先的に潰れ、誘電体層１５に圧縮応力がかからないため誘電体層１５の静電容量値が変化することがない。すなわち、電池４０は、電池セルの膨張が軽微な場合と、例えば電池が過充電されることで発生するガスが起因して生じる急激な膨張とを区別して検出することができる。
図７Ｃは、実施の形態３における電池の変形例である。電池５０の複数のキャパシタ部６００は、電池４０における複数のキャパシタ部５００のスペース１８の領域に断熱シート１７が設けられている。この断熱シート１７は、電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃの間のそれぞれに設けられ、例えば電池セル１２ａ、電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃのそれぞれの間における類焼等が懸念される場合に有用であり電池の小型化に寄与する。さらに断熱シート１７は、例えば空気層からなるスペース１８よりも熱伝導率が低く、断熱部材として好ましい。
本開示の電池は、電池セルの劣化を低減し、小型の電池が得られるとともに、電池セルの膨張を検知することにより、安全な電池を提供することができ、産業上有用である。
１０ 電池
１１ 収容容器
１２ａ 電池セル
１２ｂ 電池セル
１２ｃ 電池セル
１３ａ グラファイトシート
１３ｂ グラファイトシート
１４ 端子
１５ 誘電体層
１６ 絶縁層
１７ 断熱シート
１８ スペース
２０ 電池
３０ 電池
４０ 電池
５０ 電池
６０ 電池
１００ キャパシタ部
２００ キャパシタ部
３００ キャパシタ部
４００ キャパシタ部
５００ キャパシタ部
なお、上記の電池にストレインゲージを取り付けて電池の膨張を検知する技術は特許文献１に開示されている。
図２Ａに示すように、キャパシタ部１００は、端部に電気信号を検出するための端子部１４を備えるグラファイトシート１３ａと、グラファイトシート１３ａの上面に断熱シート１７と、下面に絶縁層１６が設けられている。さらに断熱シート１７の上面に誘電体層１５を備える。
図２Ａに示すグラファイトシート１３ａの端子部１４は、グラファイトシート１３ａの端部の一部分が突出している部分を指す。グラファイトシート１３ａの端子部１４は、グラファイトシート１３ａを電極とし、このグラファイトシート１３ａと外部端子とを接続するための接続端子であればよい。端子部１４の変形例としては、グラファイトシート１３ａと外部端子とを接続し、グラファイトシート１３ａとは異なる構成材料からなる端子部１４としてもよい。
図２Ｂは、図２Ａのキャパシタ部１００の構成とは異なるキャパシタ部２００を示す。図２Ｂに示すキャパシタ部２００は、端部に電気信号を検出するための端子部１４を備えるグラファイトシート１３ａと、グラファイトシート１３ａの上面に断熱シート１７と、グラファイトシート１３ａの下面と断熱シート１７の上面にそれぞれ誘電体層１５を備える。図２Ｂのキャパシタ部２００は、グラファイトシート１３ａの上方と下方の両方に誘電体層を備えることで、グラファイトシート１３ａを共通電極とした二対の電極を構成することができる。すなわち、二対の電極ともに一方の電極をグラファイトシート１３ａとし、もう一方の電極を電池セル１２ｂおよび電池セル１２ｃもしくは収容容器１１のいずれかから選択し２つの誘電体層１５の静電容量値の変化を電気信号として検出することができるため、より精度良く電池セルの膨張を検知することができる。
電池２０は、実施の形態１の電池１０とは異なり、端部に電気信号を検出するための端子部１４を備える２つのグラファイトシート１３ａおよび１３ｂを備える。
１０ 電池
１１ 収容容器
１２ａ 電池セル
１２ｂ 電池セル
１２ｃ 電池セル
１３ａ グラファイトシート
１３ｂ グラファイトシート
１４ 端子部
１５ 誘電体層
１６ 絶縁層
１７ 断熱シート
１８ スペース
２０ 電池
３０ 電池
４０ 電池
５０ 電池
６０ 電池
１００ キャパシタ部
２００ キャパシタ部
３００ キャパシタ部
４００ キャパシタ部
５００ キャパシタ部

Claims (11)

  1. 収容容器と、
    前記収容容器の中に配置された第１の電池セルおよび第２の電池セルの少なくとも一方と、
    前記収容容器と前記第１の電池セルとの間および前記第１の電池セルと前記第２の電池セルとの間の少なくとも一方の間に配置されたグラファイトシートと、を備え、
    前記グラファイトシートは、電気信号を取り出すための端子部を有する電池。
  2. 前記第１の電池セルと前記収容容器とのうちの一方と前記グラファイトシートとの間における静電容量値を電気信号に変換して検出するキャパシタ部をさらに備えた、請求項１に記載の電池。
  3. 前記第１の電池セルと前記収容容器とのうちの一方と前記グラファイトシートとの間に配置された誘電体層をさらに備え、
    前記キャパシタ部は、前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルの少なくとも一方が膨張することで歪む前記誘電体層の静電容量値の変化を電気信号に変換して検出する、請求項２に記載の電池。
  4. 前記第１の電池セルと前記第２の電池セルとの間に配置されている断熱シートと誘電体層とをさらに備える、請求項１に記載の電池。
  5. 前記第１の電池セルと前記第２の電池セルとの間において前記グラファイトシートは、前記断熱シートと前記誘電体層との間に配置されている、請求項４に記載の電池。
  6. 収容容器と、
    前記収容容器の中に配置された電池セルと、
    前記収容容器の中に配置された第１のグラファイトシートおよび第２のグラファイトシートと、を備え、
    前記第１のグラファイトシートと前記第２のグラファイトシートとは電気信号を取り出すための第１の端子部と第２の端子部とをそれぞれ有する、電池。
  7. 前記第１のグラファイトシートと前記第２のグラファイトシートとの間における静電容量値を電気信号に変換して検出するキャパシタ部をさらに備えた、請求項４に記載の電池。
  8. 前記第１のグラファイトシートと前記第２のグラファイトシートとの間に配置されている誘電体層をさらに備え、
    前記キャパシタ部は、前記電池セルが膨張することで歪む前記誘電体層の静電容量値の変化を電気信号に変換して検出する、請求項６に記載の電池。
  9. 前記第１のグラファイトシートと前記第２のグラファイトシートとの間に配置されている断熱シートと誘電体層とを、さらに備え、
    前記電池セルは少なくとも第１の電池セルと第２の電池セルとを有し、
    前記第１のグラファイトシートおよび前記第２のグラファイトシートは前記第１の電池セルと前記第２の電池セルの間に配置されている、請求項６に記載の電池。
  10. 前記断熱シートは、不織布と、前記不織布に坦持されたキセロゲルとを有する、請求項４または９のいずれかに記載の電池。
  11. 前記誘電体層のヤング率は前記断熱シートのヤング率よりも低い、請求項４または９のいずれかに記載の電池。
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