WO2016092839A1 - 電池 - Google Patents

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吉田 和司
佳也 坂口
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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

電池
 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

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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