WO2011145608A1 - 双極型二次電池 - Google Patents

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Abstract

　ケースに収装された電池本体は電解質層を介して積層された複数の双極型電極からなる単数または複数の直列接続された積層体で構成される。一面をケースの内周面に接合し、もう一面を電池本体の一端に接合する正極集電板と負極集電板とが、それぞれケースから外側へ延出する。ケースの伸長変形に応じて、電池本体を介した正極集電板と負極集電板との電気的接続を切断する切断メカニズムを備えることで、短絡電流の発生時に双極型二次電池内の電流通路を遮断して、双極型二次電池を短絡電流から保護する。

Description

双極型二次電池
　この発明は、双極型二次電池の短絡電流からの保護に関する。
　日本国特許庁が２００９年に発行したＪＰ２００９－２５２５４８Ａは、積層された複数層のセルからなるリチウムイオン電池などの双極型二次電池に用いる流動性封止剤に関する提案を行っている。
　セルの積層方向の一端には正極活物質が、もう一端には負極活物質を配置されている。流動性封止剤は、セルの電解質が空気中の水分により劣化しないよう、電解質の周りに配置され、セルを空気から遮断する役割をもつ。
　パラフィンなどの流動性封止剤は高電圧のもとで電気分解を起こす。電気分解した流動性封止剤は必要な絶縁性を保てない。従来技術は流動封止剤を密閉された複数の層に分割することで、流動封止剤に高電圧が加わるのを防止し、電気分解が起きにくい構造を実現している。
　双極型二次電池に接続された外部回路が短絡を起こすと、電池内部に短絡電流が流れ続け、電池が発熱する。
　従来技術による双極型二次電池は、こうした状況でも流動封止剤への高電圧の負荷防止効果をもたらすが、短絡電流を遮断したり、電池それ自体の発熱を防止する作用を持たない。
　この発明の目的は、したがって、双極型二次電池を短絡電流から保護することである。
　以上の目的を達成するために、この発明による双極型二次電池は、電池本体と、電池本体を内部に収装するケースと、一面をケースの内周面に接合し、もう一面を電池本体の一端に接合すると共にケース外部に延出した正極集電板と、一面をケースの内周面に接合し、もう一面を電池本体のもう一端に接合すると共にケース外部に延出した負極集電板と、を備えている。
　電池本体は単数または複数の直列接続された積層体からなる。積層体は、板状の集電体と、集電体の一面に配置された正極活物質層、及び集電体のもう一面に配置された負極活物質層、とからなる双極型電極を電解質層を介して複数積層することで構成される。
　双極型二次電池はさらに、ケースの伸長変形に応じて、電池本体を介した正極集電板と負極集電板との電気的接続を切断する切断メカニズム、を備えている。　
　この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以下の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
ＦＩＧ．１はこの発明による双極型二次電池の斜視図である。 ＦＩＧ．２はＦＩＧ．１のＡ－Ａ線に沿って切り取った双極型二次電池の縦断面図である。 ＦＩＧ．３はこの発明の第２の実施例による双極型二次電池の概略縦断面図である。 ＦＩＧ．４はＦＩＧ．３に類似するが、折り返し部に関するバリエーションを示す。 ＦＩＧ．５はＦＩＧ．３に類似するが、折り返し部に関する別のバリエーションを示す。 ＦＩＧ．６はＦＩＧ．３に類似するが、この発明の第３の実施例を示す。 ＦＩＧ．７はこの発明の第３の実施例による集電板の縦断面図である。 ＦＩＧ．８はＦＩＧ．６に類似するが、折り返し部に関するバリエーションを示す。 ＦＩＧ．９はＦＩＧ．６に類似するが、折り返し部に関する別のバリエーションを示す。 ＦＩＧ．１０はこの発明の第４の実施例による双極型二次電池の概略縦断面を含む概略構成図である。 ＦＩＧＳ．１１Ａ－１１Ｃはこの発明による双極型電極の正面図と背面図と縦断面図である。 ＦＩＧＳ．１２Ａと１２Ｂはシール前駆体を取り付けた双極型電極の正面図と横断面図である。 ＦＩＧＳ．１３Ａと１３Ｂはセパレータを取り付けた双極型電極の正面図と横断面図である。 ＦＩＧ．１４は双極型二次電池の最終形成プロセスを説明するプレス機の概略側面図である。 ＦＩＧ．１５は折り返し部を形成しない双極型二次電池の縦断面図である。 ＦＩＧ．１６はこの発明の第５の実施例による双極型二次電池の概略縦断面図である。 ＦＩＧ．１７はこの発明の第５の実施例による双極型二次電池内部の平面図である。
　図面のＦＩＧ．１を参照すると、双極型二次電池１００は、略矩形横断面のケース１０３と、ケース１０３の相対する２つの辺を介してケース１０３の内側から外側へ取り出される正極集電板１０１と負極集電板１０２とを備える。
　ＦＩＧ．２を参照すると、双極型二次電池１００は、ケース１０３の内側に電池本体３００を備える。電池本体３００は複数のセル２６を積層した積層体３０を２個直列接続することで構成される。正極集電板１０１と負極集電板１０２は電池本体３００を挟持する形で、ケース１０３の内周面にそれぞれ接合される。より詳しくは、正極集電板１０１と負極集電板１０２はケース１０３の内周面に接着により固定される。
　ケース１０３は、電池本体３００を外気から遮断し、電池本体３００を保護する役割を持つ。ケース１０３は一対のケース部材１０３ａと１０３ｂからなる。ケース部材１０３ａと１０３ｂは、電池本体３００を収容する凹部と凹部を囲むフランジ部とをそれぞれ有する
　ケース１０３は、ケース１０３の内側から外側へ至る正極集電板１０１と負極集電板１０２とを挟む形で、一対のケース部材１０３ａと１０３ｂのフランジ部同士を溶着させることで一体に構成される。ケース１０３には内外に生じる圧力差に対して積層体３０を損傷させない強度と、変形可能な可撓性とを備えたシート状素材が用いられる。シート状素材は、さらに電解液や気体を透過させず、電気絶縁性を有し、電解液などの材料に対して化学的に安定であることが望ましい。
　シート状素材には、好ましくはラミネートフィルム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどが用いられる。ラミネートフィルムは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの合金を含む金属の金属箔を、ポリプロピレンフィルムなどの絶縁性の合成樹脂膜で被覆したものである。
　積層体３０を構成するセル２６は、電解質層２５と、電解質層２５の両側に積層された正極活物質層２３と負極活物質層２４と、さらに積層方向に関して正極活物質層２３と負極活物質層２４の外側に積層された板状の集電体２２とで構成される。ただし、図に示すように複数のセル２６を積層する場合には、集電体２２は隣接するセル２６の間に一枚のみ挟持される。
　集電体２２には公知の材料か使用される。例えば、アルミニウムやステンレス（ＳＵＳ）を使用することができる。集電体２２の材料に高分子材料を含むこともできる。すなわち、ポリオレフィン（ポリプロピレン、ポリエチレン）、ポリエステル（ＰＥＴ、ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を用いることができる。これらの高分子材料に導電性をもたせるために、好ましくは高分子材料中にケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラックなどのカーボンや、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、チタニウム（Ｔｉ）などの金属、の粒子を分散させる。
　正極活物質層２３は、正極活物質を含み、さらに導電助剤やバインダーなどを含み得る。正極活物質には、溶液系のリチウムイオン電池で使用される、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を使用できる。
　負極活物質層２４は、負極活物質を含み、さらに導電助剤やバインダーなどを含み得る。負極活物質には、溶液系のリチウムイオン電池で使用される負極活物質を用いることができる。
　特に、正極活物質層２３の正極活物質にリチウム－遷移金属複合酸化物を用い、負極活物質層２４の負極活物質にカーボンまたはリチウム－遷移金属複合酸化物を用いることで、容量と出力特性に優れた電池を構成することができる。
　電解質層２５は、イオン伝導性を有する高分子を含む層または液体電解質である。この実施例では電解質に、基材としてのセパレータにプレゲル溶液を含浸させた後、化学架橋または物理架橋により得た高分子ゲル電解質を用いている。電解質に含まれる電解液は、ポリプレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機溶媒を含有し、温度上昇により沸騰してガス化する。この実施例において、セパレータの融点は約摂氏１２０度（℃）である。電解質溶媒の沸点は約１４０℃である。
　セル２６の外周はシール部４０に覆われる。シール部４０は、隣接する集電体２２の外周部の間に充填され、正極活物質層２３と電解質層２５と負極活物質層２４の外気との接触を遮断する。シール部４０はセル２６を密封することにより、電解質のイオン伝導度の低下を防止する。また、液体または半固体のゲル状の電解質を使用する場合の、液漏れによる液絡を防止する。
　シール前駆体には、例えば加圧変形により集電体２２に密着するゴム系樹脂、または加熱加圧して熱融着させることで集電体２２に密着するオレフィン系樹脂などの熱融着可能な樹脂を使用することができる。
　ゴム系樹脂には特に制限はないが、好ましくは、シリコン系ゴム、フッ素系ゴム、オレフィン系ゴム、ニトリル系ゴムよりなる群から選択される。これらのゴム系樹脂は、シール性、耐アルカリ性、耐薬品性、耐久性、耐候性、耐熱性などに優れ、二次電池の使用環境においてもこれらの優れた性能と品質を長期間維持することができる。
　熱融着可能な樹脂は、積層体３０のあらゆる使用環境下で優れたシール効果を発揮できるものが好ましい。熱融着可能な樹脂は、例えばシリコン、エポキシ、ウレタン、ポリブタジエン、オレフィン系樹脂（ポリプロピレン、ポリエチレンなど）、パラフィンワックスよりなる群から選択される。これらの熱融着可能な樹脂は、シール性、耐アルカリ性、耐薬品性、耐久性・耐候性、耐熱性などに優れ、二次電池の使用環境においてもこれらの優れた性能と品質を長期間維持することができる。
　積層体３０の製造プロセスにおいては、集電体２２の一方の面に正極活物質層２３を形成し、もう一方の面に負極活物質層２４を形成した複数の双極型電極２１と電解質層２５とが交互に６層に渡って積層される。積層方向に関する積層体３０の両端には正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂが積層される。集電体２２と異なり、正極集電体２２ａは一方の面に正極活物質層２３を形成し、もう一方の面には何も形成しない。負極集電体２２ｂは一方の面に負極活物質層２４を形成し、もう一方の面には何も形成しない。正極集電体２２ａは正極活物質層２３を電解質層２５に接した状態で積層される。負極集電体２２ｂは負極活物質層２４を電解質層２５に接した状態で積層される。
　以上のようにして積層された所定数のセル２６を熱プレス機を用いてシール部４０が所定の厚さとなるように熱プレスし、さらに未硬化のシール部４０を硬化させることで双極型の積層体３０が完成する。
　電池本体３００は、一方の積層体３０の正極集電体２２ａがもう一方の積層体３０の負極集電体２２ｂに接するように、直列に配置された２個の積層体３０によって構成される。
　正極集電板１０１と負極集電板１０２は、電池本体３００からケース１０３の外側へ電流を取り出し、あるいはケース１０３の外側から電池本体３００に電流を供給する役割を持つ。正極集電板１０１と負極集電板１０２の材料には、特に制限はなく、公知の材料を使用することができる。好ましくは、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、高分子材料などが使用される。
　電池本体３００を構成する２個の積層体３０の隣接する正極集電体２２ａと２２ｂは導電性接着剤で接着される。また、電池本体３００の一端に位置する正極集電体２２ａと正極集電板１０１、及び電池本体３００のもう一端に位置する負極集電体２２ｂと負極集電板１０２も、導電性接着剤で接着される。接着剤には、剥離強度１２０％のブチルゴム系導電性両面テープ、剥離強度１００％のアクリル系導電性両面テープ、剥離強度９０％の導電性エポキシ接着剤のいずれかを用いる。
　さらに、正極集電板１０１のケース部材１０３ａの内周面への接合と、負極集電板１０２のケース部材１０３ｂの内周面への接合も、それぞれ接着剤を用いた接着によって行われる。接着には、剥離強度１２０％のブチルゴム系両面テープ、または剥離強度１００％のアクリル系両面テープを用いる。
　各剥離強度は、アクリル両面テープの剥離強度を１００％とした場合の各接着剤の剥離強度をパーセンテージで表したものである。
　２個の積層体３０の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの接着は必須の用件ではなく、これらを接着せずに単に当接させるだけでも良い。
　この発明による双極型二次電池１００において、以上の接着は下記の条件を満たすように行われる。
　すなわち、２個の積層体３０の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの剥離強度をＫ４，正極集電体２２ａと正極集電板１０１の剥離強度をＫ３、負極集電体２２ｂと負極集電板１０２の剥離強度をＫ５、正極集電板１０１とケース１０３の剥離強度をＫ１、負極集電板１０２とケース１０３の剥離強度をＫ２とした場合に次のいずれかの条件を満たすものとする。
　Ｋ１．Ｋ２＞Ｋ３または
　Ｋ１．Ｋ２＞Ｋ４または
　Ｋ１．Ｋ２＞Ｋ５
　なお、２個の積層体３０の正極集電体２２ａと２２ｂを接着しない場合には、剥離強度Ｋ４はゼロとなる。
　上記の関係は次の文章で表される。すなわち、ケース１０３の内周面と正極集電板１０１との剥離強度及びケース１０３の内周面と負極集電板１０２との剥離強度がともに、正極集電板１０１と正極集電体２２ａの剥離強度、負極集電板１０２と負極集電体２２ｂの剥離強度、及び積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの剥離強度の少なくとも一つより大きく設定される。
　以上の処理の後、ケース１０３を構成する一対のケース部材１０３ａと１０３ｂのフランジ状の外周部同士を真空状態で融着させることで双極型二次電池１００が完成する。ケース部材１０３ａと１０３ｂの外周部同士を一部を残して融着し、未融着部からケース１０３内の空気を誘引することでケース１０３内を真空状態としても良い。
　ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）においては、車体に強い衝撃が加わった場合には、車載バッテリからの電力供給により動作する各種電気回路に故障が生じることがある。そして、故障した電気回路にバッテリから電力が供給され続けると、故障した電気回路に過大な電流が流れて回路が発熱し、強電ラインが短絡することがある。また、車載バッテリ内の強電ライン同士が短絡することも考えられる。
　このようなケースでは、双極型二次電池１００内に過大な短絡電流が流れ、双極型二次電池１００の内部抵抗による発熱で双極型二次電池１００の温度上昇が起こる。この温度上昇により積層体３０の電解質層２５の電解液に含まれるポリプレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機溶媒が沸騰し、ガス化すると、ケース１０３の内圧が上昇し、ケース１０３が膨らむ。
　ケース１０３の膨張は、ケース１０３の内周面に接着された正極集電板１０１及び負極集電板１０２を介して２個の積層体３０に引っ張り荷重を及ぼす。
　この引っ張り荷重は、ケース１０３の内周面と正極集電板１０１との間及びケース１０３の内周面と負極集電板１０２との間だけでなく、２個の積層体３０の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの間、電池本体３００の一端に位置する正極集電体２２ａと正極集電板１０１の間、及び電池本体３００のもう一端に位置する負極集電体２２ｂと負極集電板１０２の間に引き剥がし力として作用する。
　この双極型二次電池１００においては、ケース１０３の内周面と正極集電板１０１との剥離強度及びケース１０３の内周面と負極集電板１０２との剥離強度がともに、電池本体３００の一端の正極集電体２２ａと正極集電板１０１の剥離強度、電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂと負極集電板１０２の剥離強度、及び２基の積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの剥離強度の少なくとも一つより大きく設定される。したがって、引き剥がし力の作用により、正極集電板１０１と正極集電体２２ａ、負極集電板１０２と負極集電体２２ｂ、及び電池本体３００を構成する２個の積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂ、のいずれかが剥離する。そして、剥離したこれらの部材間の接触が弱まることで、短絡電流の流れが抑制される。さらに、部材間が完全に剥離することで短絡電流は遮断される。
　このようにして、この発明により双極型二次電池１００に接続された外部回路の短絡電流から双極型二次電池１００を保護することができる。
　この実施例では、各積層体３０が６個のセルで構成され、さらに２基の積層体３０を直列に接続することで電池本体３００を構成している。しかし、積層体３０を構成するセル２６の数及び直列に接続される積層体３０の個数は、双極型二次電池１００に要求される電圧や容量に応じて任意に設定可能である。
　したがって、電池本体３００を、例えば積層体３０間の接続部が存在しない単一の積層体３０で構成しても良い。その場合には、ケース１０３の内周面と正極集電板１０１との剥離強度及びケース１０３の内周面と負極集電板１０２との剥離強度がともに、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａの剥離強度及び負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの剥離強度の少なくとも一つより大きくなるように設定すれば良い。
　ＦＩＧＳ．３－５を参照して、この発明の第２の実施例を説明する。なお、これらの図は特徴を分かりやすく示すために、要部をデフォルメして描いている。
　第１の実施例において、双極型二次電池１００内に生じる引き剥がし力はもっぱらケース１０３の温度膨張によってのみ生まれる構造であった。この実施例では、ケース１０３内のガス圧力の上昇に応じてケース１０３がセル２６の積層方向に伸長するように、ケース１０３を構成する一方のケース部材１０３ａに、ケース１０３の伸び代として折り返し部１１を設ける。
　ＦＩＧ．３を参照すると、折り返し部１１は、ケース部材１０３ａのセル２６の積層方向に関する端面から電池本体３００から遠ざかる向きに円筒状に突出する。突出端は略１８０度に折り返され、クレスト部を形成する。折り返し部１１はケース１０３の内圧の上昇に応じて折り返し部１１の内側のケース部材１０３ａの端面を電池本体３００から遠ざかる向きに変位させることで、ケース１０３の伸長変形を容易にする。
　ケース１０３以外の双極型二次電池１００の構成は剥離強度の設定を含めて第１の実施例と同一である。この実施例により、内圧の上昇に対するケース１０３の伸長が容易になる。その結果、ケース１０３の内圧の上昇時に、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａ、負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂ、及び電池本体３００を構成する２個の積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂ、のいずれかの剥離が促進される。そのため、外部回路の短絡電流に対して双極型二次電池１００をより早くかつ確実に保護することができる。
　折り返し部１１の形成位置や個数についてはさまざまなバリエーションが可能である。
　ＦＩＧ．４を参照すると、ここではケース１０３を構成する一方のケース部材１０３ａのセル２６の積層方向に関する外周面にクレスト部を有する折り返し部１１を３６０度に渡って設けている。
　ＦＩＧ．５を参照すると、ここではケース１０３を構成する一方のケース部材１０３ａのセル２６の積層方向に関する外周面にクレスト部を有する折り返し部１１を３６０度に渡って二重に設けている。
　折り返し部１１の形成位置や個数によらず、このように伸縮可能に構成されたケース１０３のもとでは、双極型二次電池１００に短絡電流が流れて電池温度が上昇し、ケース１０３の内圧が上昇すると、セル２６の積層方向に関してケース１０３が容易に膨張変形する。好ましくは、ケース１０３は、０．１－１０キログラム（ｋｇ）／平方センチメートル（ｃｍ２）（≒キロパスカル（ｋＰａ））の内圧で破壊することなく容易に変形し得るものとする。このような内圧でケース１０３が容易に変形すると、正極集電板１０１または負極集電板１０２と電池本体３００との間、あるいは電池本体３００を構成する２個の積層体３０の間を容易に切り離すことができる。
　すなわち、双極型二次電池１００に接続された外部回路に過大な短絡電流が流れると、双極型二次電池１００の電池温度が上昇し、各セル２６の電解質層２５に含まれる電解液が沸騰する。電解液の沸騰にともなって発生する有機媒体の気化ガスによりケース１０３の内圧が上昇し、ケース１０３がセル２６の積層方向、すなわち折り返し部１１を伸ばす向き、に伸長する。
　ケース１０３の伸長に伴い、剥離強度の大きな接着剤でケース１０３に接着された正極集電板１０１及び負極集電板１０２はケース１３９と一体に互いに離間方向に変位する。この引き剥がし力は、接着力の相対的に弱い、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電板２２ａの間、負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの間、及び電池本体３００を構成する２個の積層体３０の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの間に作用し、これらのいずれかが切り離される。その結果、双極型二次電池１００内部の短絡電流が遮断される。
　この実施例では、ケース部材１０３ａに折り返し部１１を形成しているが、ケース部材１０３ｂに折り返し部１１を形成しても良い。ケース部材１０３ａとケース部材１０３ｂの双方に折り返し部１１を形成しても良い。
　ＦＩＧＳ．６－９を参照して、この発明の第３の実施例を説明する。これらの図も特徴を分かりやすく示すために、要部をデフォルメして描いている。
　ＦＩＧ．６を参照すると、この実施例では、第２の実施例の構成に加えて、正極集電板１０１のケース部材１０３ａ及び電池本体３００への接着部位からケース１０３の外への取り出し部に至る区間の長さをあらかじめ長く設定する。
　ＦＩＧ．７を参照すると、具体的には、正極集電板１０１のケース部材１０３ａ及び電池本体３００への接着部位からケース１０３の外への取り出し部に至る区間であって、かつ電池本体３００の偶部に対応する位置に折り返し部１２を形成する。好ましくは、折り返し部１２による正極集電板１０１の変位可能な範囲が、折り返し部１１によるケース１０３の伸長可能変位量と等しくなるように、折り返し部１２の寸法を設定する。
　折り返し部１２は、折り返し部１１の内側に設けることが好ましい。
　すなわち、ＦＩＧ．８を参照すると、ケース部材１０３ａの外周面に折り返し部１１を設ける場合には、折り返し部１２を折り返し部１１の内側に設けることが好ましい。
　ＦＩＧ．９を参照すると、ケース部材１０３ａの外周面に複数の折り返し部１１を設ける場合には、折り返し部１２を複数の折り返し部１１の内側にそれぞれ設けることが好ましい。
　双極型二次電池１００の他の構成は第２の実施例と同一である。
　第２の実施例では、ケース１０３の伸長変形に追随しようとする正極集電板１０１の変位が、セル２６の積層方向の正極集電板１０１の寸法に起因して拘束される可能性がある。しかしながら、この実施例では正極集電板１０１に折り返し部１２を設けることで、ケース１０３の伸長変形に追随した正極集電板１０１の変位が容易になる。したがって、ケース１０３の伸長変形に伴う、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａ、または負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂ、または電池本体３００を構成する２個の積層体３０の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂ、の切り離しをより確実に行うことができる。
　この実施例では、ケース部材１０３ａに折り返し部１１を形成し、正極集電板１０１に折り返し部１２を形成しているが、ケース部材１０３ｂに折り返し部１１を形成し、負極集電板１０２に折り返し部１２を形成することも可能である。さらに、ケース部材１０３ａとケース部材１０３ｂの双方に折り返し部１１を形成し、正極集電板１０１と負極集電板１０２の双方に折り返し部１２を形成することも可能である。
　ＦＩＧ．１０を参照して、この発明の第４の実施例を説明する。
　この実施例による双極型二次電池１００はケース１０３の内側にガスを発生させるインフレータ１４を備える。
　インフレータ１４は、化学反応によりガスを発生させる。インフレータ１４はイグナイタ、着火剤、ガス発生剤などを内蔵する。インフレータ１４にはケース１０３の外に配置したコントローラ１５が接続される。コントローラ１５はインフレータ１４のイグナイタを作動させて、着火剤に点火してガス発生剤を燃焼させる。
　インフレータ１４に関する別の構成として、高圧ガスを充填した高圧容器と、高圧容器を開口するアクチュエータを内蔵し、ケース１０３外に配置したコントローラ１５がアクチュエータを作動させて、高圧容器のガスを放出するようにすることも可能である。両者を組合わせたハイブリッドタイプを用いても良い。
　コントローラ１５には積層体３０の温度を検出する温度センサ１６が接続される。コントローラ１５は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１５は、積層体３０の温度が例えば１００℃以上になると、インフレータ１４を作動させるようにあらかじめプログラムされる。
　温度センサ１６の代わりに、正極集電板１０１または負極集電板１０２の電流を検出する電流センサを設け、電流センサの検出電流が短絡電流相当値を超える場合に、コントローラ１５がインフレータ１４を作動させるようにプログラムすることも可能である。
　さらに、温度センサ１６の代わりに、正極集電板１０１と負極集電板１０２の電位差を検出する電圧センサを設け、電圧センサの検出電圧が通常作動時相当の電圧値から外れた場合に、コントローラ１５がインフレータ１４を作動させるようにプログラムすることも可能である。通常作動時相当の電圧値は例えば４．２Ｖ－２．５Ｖである。
　さらに、温度センサ１６の代わりに、ケース１０３の内圧を検出する圧力センサを設け、ケース１０３の内圧が所定圧力以上になった場合に、コントローラ１５がインフレータ１４を作動させるようにプログラムすることも可能である。
　以上の各センサは、いずれも双極型二次電池１００内の短絡電流と関連を有するパラメータを検出するセンサである。
　この実施例によれば、双極型二次電池１００に短絡電流が流れると、インフレータ１４が作動してガスを発生させ、ケース１０３をガス圧力で膨張させる。その結果、ケース１０３がいちはやく伸長し、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａ、または負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂ、または電池本体３００を構成する２個の積層体３０の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂ，の切り離しを早期に行うことができる。
　ＦＩＧＳ．１６と１７を参照してこの発明の第５の実施例を説明する。
　この実施例では、電池本体３００を構成するいずれかのセル２６の電解質層２５の基材であるセパレータＳＰをセル２６の外形寸法より大きく形成し、セパレータＳＰの外周部をケース１０３の内側においてケース部材１０３ａの端面に融着する。
　正極集電板１０１との干渉を避けるために、セパレータＳＰの外周部の一部に正極集電板１０１を通過させるための切欠を正極集電板１０１形成しておく。ケース１０３の仕様は第１の実施例と同一である。
　ケース１０３が伸長変形するのに伴い、ケース部材１０３ａに外周部を融着したセパレータＳＰを含む積層体３０はケース部材１０３ａと一体に変位する。その結果、ケース１０３の伸長変形に伴って電池本体３００に作用する引っ張り荷重は、この積層体３０とケース部材１０３ｂに固定された負極集電板１０２との間に集中的に作用し、積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの剥離、もしくは負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂ、の剥離が促進される。
　なお、セパレータＳＰをケース部材１０３ｂの端面に固定しても良い。また、ケース部材１０３ａまたは１０３ｂに固定するセパレータＳＰはいずれの積層体３０のいずれのセル２６のものでも良い。
　次にＦＩＧＳ．１１Ａ－１１Ｃ，ＦＩＧＳ．１２Ａと１２Ｂ，ＦＩＧＳ．１３Ａと１３Ｂ，ＦＩＧ．１４，及びＦＩＧ．１５を参照して、双極型二次電池１００の製造と得られた製品の電流遮断能力に関して、発明者らが行った実験について説明する。
　まず、双極型電極の制作について説明する。
　正極層を下記の要領により作成した。すなわち、正極活物質としてＬｉＭｎ２Ｏ４を８５重量パーセント（ｗｔ％）に、導電助剤としてアセチレンブラックを５ｗｔ％、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を１０ｗｔ％含む正極基剤を作成した、正極基剤にスラリー粘度調整溶媒としてＮメチルピロドリン（ＮＭＰ）を塗布作業に最適な粘度になるまで添加することで、正極スラリーを作製した。
　ＦＩＧ．１１Ａに示すように、集電体２２としての厚さ２０ミクロン（μｍ）のＳＵＳ箔の片面に正極スラリーを塗布し、乾燥させて３０μｍの正極活物質層２３を形成した。
　負極層を下記要領により作成した。すなわち、負極活物質としてハードカーボンを９０ｗｔ％、バインダーとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ％を含む負極基剤を作成した。負極基剤にスラリー粘度調整溶媒としてＮＭＰを塗布作業に最適な粘度になるまで添加することで、負極スラリーを作製した。ＦＩＧ．１１Ｂに示すように、正極を塗布した集電体２２としてのＳＵＳ箔の反対面に、負極スラリーを塗布し、乾燥させて３０μｍの負極活物質層２４を形成した。
　ＦＩＧ．１１Ｃに示すように集電体２２としてのＳＵＳ箔の両面に正極活物質層２３と負極活物質層２４を形成することで、双極型電極２１の基材を得た。
　次いで、基材を１６０×１３０ミリメートル（ｍｍ）に切り取り、正極、負極ともに外周部を幅１０ｍｍずつ剥がし取ることにより、ＳＵＳの表面を露出させた。結果として、１４０×１１０ｍｍの電極面と、その外周に露出する１０ｍｍ幅のＳＵＳが構成する集電体２２とを有する双極型電極２１の構造体を作製した。
　次に、プロピレンカーボネート－エチレンカーボネート（ＰＣ－ＥＣ）の混合溶媒に１モルの六フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を含有する電解液を９０ｗｔ％と、ホストポリマーとしてヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）コポリマーを１０％含むＰＶｄＦ－ＨＦＰを１０ｗｔ％含む電解質基剤を作成した。電解質基剤に粘度調製溶媒として、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を塗布作業に最適な粘度になるまで添加して、プレゲル電解質を作製した。このプレゲル電解質電解質を構造体の正極、負極電極部の両面に塗布し、ＤＭＣを乾燥させることで、ゲル電解質の染み込んだ双極型電極２１を完成させた。
　次にシール部前駆体の形成について説明する。
　ＦＩＧＳ．１２Ａと１２Ｂを参照すると、双極型電極２１の正極外周部の露出部にディスペンサを用いて、１液性未硬化エポキシ樹脂からなるシール前駆体４０Ａを塗布した。
　ＦＩＧ．１３Ａと１３Ｂを参照すると、次に、１２μｍ厚のポリエチレンフィルムからなる１７０×１４０（ｍｍ）のセパレータＳＰをＳＵＳを含む集電体２２の全面を覆うように正極側に配置した。その後に、セパレータＳＰのシール前駆体４０Ａと重なる位置にディスペンサを用いて、１液性未硬化エポキシ樹脂からなるシール前駆体４０Ａを塗布した。
　以上の双極型電極２１とセパレータＳＰとを積層することで、セル２６が１２個積層された積層体３０の構造体を作製した。
　次に双極型電池のプレス成型について説明する。
　ＦＩＧ．１４を参照すると、以上のように構成された積層体３０の構造体を、熱プレス機により面圧１ｋｇ／ｃｍ２（≒ｋＰａ）で８０℃で１時間熱プレスすることにより、シール前駆体４０Ａを硬化させて、シール部４０を得た。この工程により、シール部４０を所定の厚みまでプレスでき、さらに硬化させることが可能になる。以上のプロセスでセル２６を１２層積層した積層体３０を完成させた。
　次にパッケージングについて説明する。
　上記プロセスで作成した３個の積層体３０を互いに導電性両面テープにより接着することで、直列接続された３個の積層体３０、言い換えれば３６層のセル２６からなる電池本体３００を得た。電池本体３００の一端の正極集電体２２ａに導電性両面テープにより正極集電板１０１を接着した。電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂに負極集電板１０２を接着した。正極集電板１０１の電池本体３００と反対側の面をケース部材１０３ａの内周面に両面テープで接着した。同様に、負極集電板１０２の電池本体３００と反対側の面をケース部材１０３ｂの内周面に両面テープで接着した。正極集電板１０１と負極集電板１０２の取り出し部をケース部材１０３ａと１０３ｂのフランジ部が挟む形で、ケース１０３が真空密封されるようにフランジ部を溶着した。
　以上のプロセスにより、双極型二次電池１００に関するこの発明による用例＃１－＃８とこの発明によらない比較例＃１－＃３を作成した。
　正極集電板１０１とケース部材１０３ａ及び負極集電板１０２とケース部材１０３ｂとの接着には、剥離強度１２０％のブチルゴム系両面テープ、剥離強度１００％のアクリル系両面テープ、及び剥離強度９０％のエポキシ接着剤、のいずれかを使用した。
　また、電池本体３００を構成する３個の積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの接着、正極集電板１０１と電池戦隊３００の一端の正極集電体２２ａの接着、及び負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの接着には、剥離強度１２０％のブチルゴム系両面テープ、剥離強度１００％のアクリル系両面テープ、及び剥離強度９０％のエポキシ接着剤、のいずれかを使用した。剥離強度は、いずれもアクリル両面テープの剥離強度を１００％とした場合の、相対的な剥離強度をパーセンテージで表す。
　用例＃１－＃８と比較例＃１－＃３の各部の剥離強度に関する仕様をＴＡＢＬＥ－１に示す。なお、用例＃１－＃４は第１の実施例に相当し、用例＃５は第２の実施例に相当し、用例＃６は第３の実施例に相当し、用例＃７は第４の実施例に相当し、用例＃８は第５の実施例に相当する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　この発明によらない比較例＃１－＃３では、電池本体３００を構成する積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの接着、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａとの接着、及び負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電板２２ｂとの接着に剥離強度１００％のアクリル系導電性両面テープを使用している。
　比較例＃１では、正極集電板１０１とケース部材１０３ａの接着及び負極集電板１０２とケース部材１０３ｂの接着に、剥離強度９０％のエポキシ接着剤を使用している。比較例＃２では正極集電板１０１とケース部材１０３ａの接着に剥離強度１２０％のブチルゴム系両面テープを使用し、負極集電板１０２とケース部材１０３ｂの接着に剥離強度９０％のエポキシ接着剤を使用している。比較例３では正極集電板１０１とケース部材１０３ａの接着に剥離強度９０％のエポキシ接着剤を使用し、負極集電板１０２とケース部材１０３ｂの接着に剥離強度１２０％のブチルゴム系両面テープを使用している。
　一方、この発明による用例＃１と＃２では、電池本体３００を構成する積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの接着に剥離強度９０％のエポキシ接着剤を使用し、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａの接着及び負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの接着に剥離強度１００％のアクリル系導電性両面テープを使用している。
　用例＃１では、正極集電板１０１とケース部材１０３ａの接着及び負極集電板１０２とケース部材１０３ｂの接着に剥離強度１２０％のブチルゴム系両面テープを使用している。
　用例＃２では、正極集電板１０１とケース部材１０３ａの接着及び負極集電板１０２とケース部材１０３ｂの接着に剥離強度１００％のアクリル系両面テープを使用している。
　この発明による用例＃３では、電池本体３００を構成する積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの接着に剥離強度１２０％のブチルゴム系導電性両面テープを使用し、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａの接着に剥離強度１００％のアクリル系導電性両面テープを使用し、負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの接着に剥離強度１２０％のブチルゴム系導電性両面テープを使用し、正極集電板１０１とケース部材１０３ａの接着及び負極集電板１０２とケース部材１０３ｂの接着に剥離強度１２０％のブチルゴム系両面テープを使用している。
　この発明による用例＃４では、電池本体３００を構成する積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの接着及び正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａの接着に剥離強度１００％のアクリル系導電性両面テープを使用し、負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの接着に剥離強度９０％のエポキシ接着剤を使用し、正極集電板１０１とケース部材１０３ａの接着及び負極集電板１０２とケース部材１０３ｂの接着に剥離強度１００％のアクリル系両面テープを使用している。
　この発明による用例＃５－＃８では、電池本体３００を構成する積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの接着に剥離強度９０％のエポキシ接着剤を使用し、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａの接着、負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの接着、正極集電板１０１とケース部材１０３ａの接着、及び負極集電板１０２とケース部材１０３ｂの接着に剥離強度１００％のアクリル系両面テープを使用している。
　さらに、この発明による用例＃８においては、特定のセル２６のセパレータＳＰの外形寸法を大きく形成し、このセパレータＳＰの外周部を剥離強度１２０％のブチルゴム系導電性両面テープを介してケース部材１０３ａに接着している。
　次にケース１０３の材質並びに形状の違い及びインフレータ１４の有無を説明する。
　用例＃１のケース１０３はアルミニウム合金製の缶で構成され、比較例＃１－＃３と用例＃２－７のケース１０３はアルミニウムのラミネートフィルムで構成される。
　用例＃１－＃４と＃８、及び比較例＃１－＃３の双極型二次電池１００のケース１０３はＦＩＧ．１５に示す形状に形成される。これは、基本的に第１の実施例のケース１０３に相当する。
　用例＃５の双極型二次電池１００のケース１０３はＦＩＧ．３に示す形状に形成される。すなわち一方のケース部材１０３ａの頂面の両端に、セル２６の積層方向に突出する１個のクレスト部を有する折り返し部１１がそれぞれ設けられている。
　用例＃６の双極型二次電池１００は、ＦＩＧＳ．６と７に示す形状に形成される。すなわち、用例＃５と同様のケース１０３を用いるとともに、折り返し部１１の内側に折り返し部１２を形成している。
　用例＃７のケース１０３は、ＦＩＧ．１０に示すように、ケース１０３内にインフレータ１４を備え、ケース１０３の外側にコントローラ１５を備えている。
　発明者らは、比較例＃１－＃３のケース１０３と用例＃１－＃６のケース１０３に、空気を圧送する管を接続し、正極集電板１０１と負極集電板１０２間の電気抵抗を測りながら空気を圧送し、電気抵抗が急増したときのケース１０３の内圧を測定した。用例＃７に関してはケース１０３の内部に配置したインフレータ１４を作動させた状態で、正極集電板１０１と負極集電板１０２の間の電気抵抗が急増したときのケース１０３の内圧を測定した。
　比較例＃１－＃３と用例＃１－＃６及び＃８についての測定結果をＴＡＢＬＥ－２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　ＴＡＢＬＥ－２を参照すると、この発明によらない比較例＃１－＃３は、正極集電板１０１とケース１０３及び負極集電板１０２とケース１０３の間の剥離強度が、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａの間、または負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの間、または積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの間、のいずれの剥離強度よりも低い。そのため、正極集電板１０１とケース１０３の間または負極集電板１０２とケース１０３の間で剥離が生じており、双電極二次電池１００内部における短絡電流の遮断ができない。
　この発明による用例＃１－＃６及び＃８は、正極集電板１０１とケース部材１０３ａの剥離強度及び負極集電板１０２とケース部材１０３ｂの剥離強度が、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａの剥離強度、負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの剥離強度、及び電池本体３００を構成する積層体３０間の正極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの剥離強度の少なくとも一つよりも高い。つまり、剥離強度の最も弱い接着部が正極集電板１０１と負極集電板１０２の間に存在する。したがって、ケース１０３が伸長すると正極集電板１０１と負極集電板１０２の間のどこかで剥離が発生し、双極型二次電池１００内部の短絡電流が遮断がされる。
　用例＃２－＃４の結果からは、正極集電板１０１と電池本体３００の一端の正極集電体２２ａの剥離強度、負極集電板１０２と電池本体３００のもう一端の負極集電体２２ｂの剥離強度、及び積層体３０間の極集電体２２ａと負極集電体２２ｂの剥離強度の少なくとも１つが、正極集電板１０１とケース１０３の剥離強度及び負極電極板１０２とケース１０３の剥離強度を下回れば良いことがわかる。このようにして、ケース１０３の内圧を上昇させることで電流が遮断されることがわかる。
　用例＃１と用例＃２－＃６及び＃８とを比較すると、用例＃１では内圧が１２ｋｇ／ｃｍ２（≒ｋＰａ）で抵抗が急増したが、同時に内圧でケース１０３が破損した。この事実から、内圧が１０ｋｇ／ｃｍ２（≒ｋＰａ）以上に達してもケース１０３が変形しない場合には、内圧によりケース１０３が破損する可能性が高いと考えられる。
　用例＃２－＃４及び＃８と用例＃５－＃６とを比較すると、用例＃２－＃４及び＃８ではケース１０３に体積変化のための伸び代に相当する折り返し部１１が形成されていない。こうしたケースでは、比較的大きな内圧をかけなければ電力遮断をすることができない。
　さらに、用例＃５と用例＃６を比較すると、折返し部１１と折り返し部１２を形成することで、折返し部１１のみを形成する場合より小さな内圧で電流を遮断できることが分かる。
　ＴＡＢＬＥ－２に示されない実施例７に関しては、コントローラ１５がインフレータ１４を作動させることで、ケース１０３に５ｋｇ／ｃｍ２（≒ｋＰａ）の内圧をかけると、正極集電板１０１と負極集電板１０２との間の電気抵抗が他の用例＃１－＃６と同様に急増した。これにより、双極型二次電池１００の内部電流を遮断できることが確認された。
　用例＃１－＃８により、アルミニウム等のラミネートフィルムのケース１０３を用いることで、短絡電流を容易に遮断できることが確認された。
　以上の説明に関して２０１０年５月１９日を出願日とする日本国における特願２０１０－１１５１１３号、の内容をここに引用により合体する。
　以上、この発明をいくつかの特定の実施例を通じて説明してきたが、この発明は上記の各実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施例にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。
　例えば、この発明はリチウムイオン電池を含む、いかなる双極型二次電池にも適用可能である。
　以上説明した各実施例においては、アルミ缶もしくはアルミラミネートフィルムによるケース部材１０３ａと１０３ｂとを互いに融着させることで密閉されたケース１０３を得ている。しかしながら、ケース１０３は、温度上昇に応じて伸長する特性を有する限り、いかなる構造や材質であっても良い。
　以上のように、この発明によれば双極型二次電池内に大量の電流が流れるのを遮断することができる。したがって、電気自動車の二次電池の保護に好ましい効果をもたらす。
　この発明の実施例が包含する排他的性質あるいは特長は以下のようにクレームされる。

Claims (7)

  1. 　板状の集電体（２２）と集電体（２２）の一面に配置された正極活物質層（２３）及び集電体（２２）のもう一面に配置された負極活物質層（２４）とからなる双極型電極（２１）が電解質層（２５）を介して複数積層された積層体（３０）が、単数または複数直列接続されてなる電池本体（３００）と；
    　電池本体（３００）を内部に収装するケース（１０３）と；
    　一面をケース（１０３）の内周面に接合し、もう一面を電池本体（３００）の一端に接合すると共にケース（１０３）外部に延出した正極集電板（１０１）と；
    　一面をケース（１０３）の内周面に接合し、もう一面を電池本体（３００）のもう一端に接合すると共にケース（１０３）外部に延出した負極集電板（１０２）と；
    　ケース（１０３）の伸長変形に応じて、電池本体（３００）を介した正極集電板（１０１）と負極集電板（１０２）との電気的接続を切断する切断メカニズムと、
    　を備える、双極型二次電池（１００）。
  2. 　切断メカニズムは、正極集電板（１０１）と電池本体（３００）との剥離強度、負極集電板（１０２）と電池本体（１０３）との剥離強度、及び複数積層された積層体（３０）の的相対同士間の剥離強度、の少なくとも一つよりも、正極集電板（１０１）とケース（１０３）の内周面との剥離強度もしくは負極集電板（１０２）とケース（１０３）の内周面との剥離強度が大きく設定されることにより構成される、請求項１の双極型二次電池（１００）。
  3. 　ケース（１０３）の内周面と正極集電板（１０１）、ケース（１０３）の内周面と負極集電板（１０２）、正極集電板（１０１）と電池本体（３００）の一端、負極集電番（１０２）と電池本体（３００）のもう一端、がそれぞれ接着により接合される、請求項１または２の双極型二次電池（１００）。
  4. 　ケース（１０３）はシート状のケース部材（１０３ａ，１０３ｂ）で形成され、該ケース（１０３）は前記ケース部材（１０３ａ，１０３ｂ）をケース（１０３）の内外方向に折り曲げて形成された折り返し部（１１）を有する、請求項１から３のいずれかの双極型二次電池（１００）。
  5. 　正極集電板（１０１）と負極集電板（１０２）のいずれかに、正極集電板（１０１）もしくは負極集電板（１０２）をケース（１０３）の内外方向に折り曲げて形成された折り返し部（１２）を有する請求項３の双極型二次電池（１００）。
  6. 　切断メカニズムは、ケース（１０３）に接続されたガスを発生させるインフレータ（１４）と、電池本体（３００）内部の短絡電流を検出するセンサ（１６）と、電池本体（３００）の内部に短絡電流が発生した場合に、インフレータ（１４）を制御してケース（１０３）内にガスを供給するようにプログラムされたコントローラ（１５）と、をさらに備える請求項２の双極型二次電池（１００）。
  7. 　ケース（１０３）は金属箔を合成樹脂膜で被覆したラミネートフィルムで形成される、請求項１から６のいずれかの双極型二次電池（１００）。
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