WO2017130715A1

WO2017130715A1 - 蓄電装置

Info

Publication number: WO2017130715A1
Application number: PCT/JP2017/000791
Authority: WO
Inventors: 厚志南形; 泰有秋山
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2017-08-03

Abstract

蓄電装置は、異なる極性を有する電極が互いに絶縁した状態で積層された電極組立体を備える。前記電極の各々が集電体を有するとともに、前記集電体上に活物質を有し、かつ前記集電体の一辺から突出した形状のタブを有する。蓄電装置は、各極性において前記タブと接合された導電部材を備える。いずれか一方の極性における前記タブと前記導電部材との接合部は、短絡電流が流れた場合に溶断する溶断部を構成している。

Description

蓄電装置

　本発明は、タブと接合された導電部材を備える蓄電装置に関する。

　ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。例えば、特許文献１に開示の二次電池は、電極組立体（電極体）をケース（外装缶）内に備える。電極組立体は、正極の電極と、負極の電極とを互いに絶縁した状態で積層した構造を有する。また、特許文献１の二次電池は、電極組立体から電気を取り出すための正極の電極端子及び負極の電極端子を備える。負極の電極端子は、外装缶が兼用している。各電極端子は、同じ極性の電極のタブ（金属リード）と溶接され、電気的に接続されている。

　このような二次電池では、過大な電流が流れたときに二次電池での通電を遮断するヒューズ機能を持たせることがある。特許文献１のように各電極の集電体から突出した形状のタブを備えた二次電池においては、タブと電極端子との溶接箇所が、大きい電気抵抗を有することから、この溶接箇所にヒューズ機能を持たせる場合が多い。この場合、二次電池に過大な電流が流れると、タブと電極端子との溶接箇所にジュール熱が発生する。その熱によって溶接箇所が溶断される結果、通電が遮断される。これによって、二次電池に過大な電流が流れ続けることが回避される。

特開平９－１２０８３６号公報

　ヒューズ機能を持たせた二次電池においては、正極の電極と負極の電極が短絡した場合、短絡箇所で活物質が自発熱で昇温し、熱暴走する虞があるため、短絡した場合にはヒューズ機能を適切に発揮させることが望まれている。

　本発明の目的は、短絡時にヒューズ機能を発揮させることができる蓄電装置を提供することにある。

　上記目的を達成するための蓄電装置は、異なる極性を有する電極が互いに絶縁した状態で積層され、前記電極の各々が集電体を有するとともに、前記集電体上に活物質を有し、かつ前記集電体の一辺から突出した形状のタブを有する、電極組立体と、各極性において前記タブと接合された導電部材と、を備える。いずれか一方の極性における前記タブと前記導電部材との接合部は、短絡電流が流れた場合に溶断する溶断部を構成している。

　これによれば、電極組立体において、異なる極性の電極同士が短絡した場合、短絡箇所は電気的な抵抗が小さくなり、短絡箇所に電流が集中し、蓄電装置には過大な短絡電流が流れる。そして、短絡箇所では活物質が自発熱で昇温し続け、短絡箇所に熱暴走が生じる虞がある。しかし、蓄電装置においては、タブと導電部材の接合部に短絡電流が流れると接合部にジュール熱が発生する。その熱によって接合部が昇温して融点に達すると、接合部が溶断される。すると、溶断によって蓄電装置の通電が遮断され、ヒューズ機能が発揮される。このため、短絡箇所に電流が流れ続けることが回避され、熱暴走が生じることを回避できる。

　また、蓄電装置について、前記溶断部は、急速充電時に溶断しない体積を有する。
　これによれば、溶断部の体積が小さすぎると、蓄電装置の通常使用時に流れる電流で溶断部が溶断してしまう虞がある。このため、溶断部の体積の下限値は、蓄電装置の通常使用時に流れる電流の中の最大値である急速充電時に流れる電流でも溶断しない体積に設定されている。よって、蓄電装置にヒューズ機能を持たせつつも通常使用に支障がない。

　また、蓄電装置について、前記溶断部は、正極の前記タブと前記導電部材との接合部に存在し、前記タブを含む前記集電体及び前記導電部材はアルミニウム又はアルミニウム合金製であるのが好ましい。

　これによれば、正極の集電体及び導電部材がアルミニウム又はアルミニウム合金製であると、負極の集電体及び導電部材は銅製の場合が多い。アルミニウムの融点は、銅の融点より低い。このため、短絡電流が流れた場合、融点の低い正極が負極より先に溶断してヒューズ機能を発揮することができる。

　前記蓄電装置は二次電池である。

　本発明によれば、短絡時にヒューズ機能を発揮させることができる。

一実施形態の二次電池を示す斜視図。電極組立体の分解斜視図。二次電池内を示す部分断面図。第１溶接部及び第２溶接部付近を示す平面図。

　以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態について図１～図４を用いて説明する。
　図１に示すように、二次電池１０はケース１１を備える。ケース１１には電極組立体１４及び電解液（図示せず）が収容されている。ケース１１は、有底四角筒状のケース本体１２と、ケース本体１２に電極組立体１４を挿入するための挿入口１２ａを塞ぐ矩形平板状の蓋体１３とを有する。ケース本体１２の内壁面は絶縁フィルムＺによって覆われ、ケース本体１２と電極組立体１４とは絶縁フィルムＺによって絶縁されている。ケース本体１２と蓋体１３とは、いずれも金属製、例えばステンレス製やアルミニウム製である。二次電池１０は角型電池である。また、二次電池１０は、リチウムイオン電池である。電極組立体１４において、電極としての複数の正極電極２４と、電極としての複数の負極電極２１とが、樹脂製のセパレータ２７を介して互いに絶縁された状態で交互に積層されている。

　図２に示すように、負極電極２１は、集電体としての矩形状の負極金属箔２２（銅箔）と、負極金属箔２２の両面に負極活物質を塗工して構成された負極活物質層２３と、を有する。負極電極２１は、その一辺２１ａに沿って、負極金属箔２２で構成された負極未塗工部２２ｄを有する。負極電極２１は、その一辺２１ａの一部から突出した形状の負極タブ２９を有する。

　正極電極２４は、集電体としての矩形状の正極金属箔２５と、正極金属箔２５の両面に正極活物質を塗工して構成された正極活物質層２６と、を有する。正極金属箔２５は、例えば、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔である。正極電極２４は、その一辺２４ａに沿って、正極金属箔２５で構成された正極未塗工部２５ｄを有する。正極電極２４は、その一辺２４ａの一部から突出した形状の正極タブ２８を有する。

　図１及び図３に示すように、負極電極２１及び正極電極２４は、正極タブ２８が積層方向に沿って一列に配置され、且つ正極タブ２８と重ならない位置にて負極タブ２９が積層方向に沿って一列に配置されるように積層される。そして、各正極タブ２８は、電極組立体１４における積層方向の一端から他端までの範囲内で集められた状態、即ち束ねられた状態で折り曲げられている。

　各正極タブ２８が重なっている箇所を溶接することによって全ての正極タブ２８が電気的に接続されている。全ての正極タブ２８には導電部材としての矩形板状の正極導電部材１６ａが接続されている。正極導電部材１６ａは、アルミニウム又はアルミニウム合金製である。全ての正極タブ２８と、正極導電部材１６ａとは接合部としての第１溶接部３０で接合されている。第１溶接部３０は、全ての正極タブ２８が溶接された部位であり、全ての正極タブ２８と正極導電部材１６ａとが溶接された部位である。また、蓋体１３には正極端子１６が固定されている。この正極端子１６は、正極導電部材１６ａと電気的に接続されている。よって、正極端子１６と正極タブ２８とは正極導電部材１６ａを介して接続されている。

　全ての負極タブ２９は、各負極タブ２９が重なっている箇所を溶接することによって電気的に接続されている。全ての負極タブ２９には、導電部材としての矩形板状の負極導電部材１５ａが接続されている。負極導電部材１５ａは銅製である。全ての負極タブ２９と、負極導電部材１５ａとは接合部としての第２溶接部３１で接合されている。第２溶接部３１は、全ての負極タブ２９が溶接された部位であり、全ての負極タブ２９と負極導電部材１５ａとが溶接された部位である。また、蓋体１３には負極端子１５が固定されている。この負極端子１５は、負極導電部材１５ａと電気的に接続されている。よって、負極端子１５と負極タブ２９とは負極導電部材１５ａを介して接続されている。

　図１に示すように、正極端子１６及び負極端子１５は、蓋体１３の貫通孔１３ｃを介してケース１１の外に突出した状態で蓋体１３に固定されている。正極端子１６及び負極端子１５には、それら正極端子１６及び負極端子１５を蓋体１３から電気的に絶縁するためのリング状の絶縁リング１７ａが取り付けられている。

　次に、二次電池１０のヒューズ機能及び作用について説明する。
　まず、正極電極２４における正極金属箔２５について説明する。正極金属箔２５はアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔製であることから、正極タブ２８及び正極導電部材１６ａの融点は６６０℃である。次に、負極電極２１における負極金属箔２２について説明する。負極金属箔２２は銅箔製であることから、負極タブ２９及び負極導電部材１５ａの融点は１０８５℃である。

　図４に示すように、正極導電部材１６ａを蓋体１３の外面から見た平面視での第１溶接部３０の面積を「Ｓ１」と定義し、負極導電部材１５ａを蓋体１３の外面から見た平面視での第２溶接部３１の面積を「Ｓ２」と定義する。また、図３に示すように、正極導電部材１６ａと正極タブ２８との重なり方向に沿う第１溶接部３０の寸法を深さ「Ｌ１」と定義し、負極導電部材１５ａと負極タブ２９との重なり方向に沿う第２溶接部３１の寸法を深さ「Ｌ２」と定義する。

　第１溶接部３０の深さＬ１は、正極導電部材１６ａの厚みと全ての正極タブ２８の厚みとの和となる。同様に、第２溶接部３１の深さＬ２は、負極導電部材１５ａの厚みと全ての負極タブ２９の厚みとの和となる。そして、第１溶接部３０の体積を「Ｖ１」と定義すると、体積Ｖ１は、面積Ｓ１と深さＬ１の積で算出される。同様に、第２溶接部３１の体積を「Ｖ２」と定義すると、体積Ｖ２は、面積Ｓ２と深さＬ２の積で算出される。第１溶接部３０の体積Ｖ１と第２溶接部３１の体積Ｖ２は同じに設定されている。

　本実施形態では、一方の極性である正極において、その正極タブ２８と正極導電部材１６ａとの接合部である第１溶接部３０を溶断部として機能させ、第１溶接部３０にヒューズ機能を持たせている。正極タブ２８の融点は６６０℃であり、負極タブ２９の融点が１０８５℃であることから、ヒューズ機能は、負極タブ２９よりも融点の低い正極タブ２８の第１溶接部３０に設けられている。

　第１溶接部３０の体積Ｖ１は、負極電極２１と正極電極２４が短絡し、過大な短絡電流が流れた場合に溶断する体積に設定されている。なお、電極組立体１４において負極電極２１と正極電極２４の短絡は、例えば二次電池１０に外部からの衝突等による衝撃が加わった場合に発生する。そして、負極電極２１と正極電極２４が短絡した場合に二次電池１０に流れる電流を「短絡電流」と定義する。この短絡電流は、二次電池１０の通常使用時に流れる電流より大きい。

　電極組立体１４において、負極電極２１と正極電極２４が短絡した場合、短絡箇所は電気的な抵抗が小さくなるため、短絡箇所には電流が集中し、過大な短絡電流が流れる。そして、短絡箇所に短絡電流が流れ続けると、活物質が自発熱で昇温し続け、短絡箇所に熱暴走が生じる虞がある。よって、二次電池１０においては、熱暴走が生じる前に、第１溶接部３０を溶断させてヒューズ機能を発揮させる必要がある。なお、短絡電流が流れ続けた場合、第２溶接部３１は、第１溶接部３０より時間的に後であるが溶断する。

　ただし、第１溶接部３０の体積が大きすぎると、短絡電流が流れても溶断しない虞がある。このため、短絡電流が流れたときに溶断するように、第１溶接部３０の体積Ｖ１に上限値が設定されている。上限値は、短絡電流が流れ始めてから一定時間内に第１溶接部３０が溶断する体積に設定されている。「一定時間」とは、短絡電流が流れ始めてから熱暴走に至るまでに要する時間よりも短い時間のことである。

　短絡電流値は、二次電池１０の出力によって変化するため、二次電池１０の出力によって、短絡電流が流れてから溶断に至るまでの時間が変化する。ただし、短絡電流が流れてから溶断に至るまでの時間は短いほど、熱暴走を回避しやすく、好ましい。なお、二次電池１０の出力は、二次電池１０の内部抵抗によって決まる。

　その一方で、第１溶接部３０の体積Ｖ１が小さすぎると、二次電池１０の通常使用時に流れる電流で第１溶接部３０が溶断してしまう虞がある。このため、第１溶接部３０の体積Ｖ１の下限値は、二次電池１０の通常使用時に流れる電流の中の最大値でも溶断しない体積に設定されている。

　通常使用時に流れる電流とは、短絡が発生していない状態で二次電池１０に流れる電流のことである。通常使用時に流れる電流の最大値は、二次電池１０の急速充電時に流れる電流である。よって、第１溶接部３０の体積Ｖ１の下限値は、急速充電時に流れる電流値であっても溶断しない体積に設定されている。

　以下に、上記実施形態をさらに具体化して説明する。
　二次電池１０の容量を５０Ａｈとし、第１溶接部３０の体積Ｖ１及び第２溶接部３１の体積Ｖ２をそれぞれ１．３８ｍｍ^３とする。

　表１に、第１溶接部３０及び第２溶接部３１に電流が流れてから溶断に至るまでの時間を示す。ここで、二次電池１０に対し、釘刺し試験を行った場合、釘刺しして短絡が発生し、短絡箇所に２０００Ａの短絡電流が流れてから二次電池１０が熱暴走に至るまでに４秒要したとする。

　表１に示すように、第１溶接部３０に２０００Ａの短絡電流が流れた場合、第１溶接部３０は１秒で溶断することが示されている。また、第２溶接部３１に２０００Ａの電流が流れた場合、第２溶接部３１は３．５５秒で溶断することが示されている。第１溶接部３０は、短絡電流が流れると速やかに溶断し、第２溶接部３１も第１溶接部３０が溶断した後、直ぐに溶断することが分かる。そして、第１溶接部３０及び第２溶接部３１ともに、短絡電流が流れてから熱暴走するまでの時間（４秒）より短い時間で溶断する。よって、熱暴走する前に第１溶接部３０を溶断することができ、短絡箇所に短絡電流が流れ続けることを回避し、熱暴走に至ることを防ぐことができる。

　その一方で、５０Ａｈの二次電池１０において３０分で充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）が８０％になるまで充電することを急速充電と定義する。第１溶接部３０では、８０Ａの電流を流した場合、２０７９秒で溶断しており、３０分である１８００秒では溶断せず、１８００秒経過した後に溶断している。第２溶接部３１は７３８０秒で溶断しており、３０分である１８００秒では溶断せず、１８００秒経過した後に溶断している。このため、第１溶接部３０及び第２溶接部３１は共に、急速充電に耐えることができる。

　なお、短絡電流が大きいほど、短絡してから熱暴走に至るまでに要する時間が短くなり、短絡電流が小さいほど、短絡してから熱暴走に至るまでに要する時間が長くなる。よって、第１溶接部３０の体積Ｖ１及び第２溶接部３１の体積Ｖ２の上限値は、流れ得る短絡電流の大きさに応じて適宜変更される。また、二次電池１０をより早い時間で充電する場合、又はより高容量の二次電池１０を想定する場合、急速充電を行うために必要な電流値は大きくなる。そのため、各溶接部３０，３１の体積Ｖ１，Ｖ２の下限値は大きくなる。このため、急速充電を行う際の条件によって、各溶接部３０，３１の体積Ｖ１，Ｖ２の大きさは適宜変更される。

　第１溶接部３０の体積Ｖ１及び第２溶接部３１の体積Ｖ２の変更は、各面積Ｓ１，Ｓ２の大きさを調節することで変更されるのが好ましい。これは、二次電池１０の容量によって各タブ２８，２９の枚数は既定値となっており、タブ２８，２９の枚数で決定する深さＬ１，Ｌ２を調節しにくいためである。

　なお、比較例として、熱暴走が生じやすくなる場合について説明する。第１溶接部３０の面積Ｓ１又は第２溶接部３１の面積Ｓ２を大きくすると、熱暴走が生じやすくなる。
　具体的には、二次電池１０において、第１溶接部３０の面積Ｓ１及び第２溶接部３１の面積Ｓ２をそれぞれ２倍又は３倍にした場合、表１に示される溶断時間はそれぞれ４倍又は９倍となる。

　例えば、第１溶接部３０の面積Ｓ１及び第２溶接部３１の面積Ｓ２をそれぞれ２倍にした場合、２０００Ａの短絡電流が流れると、第１溶接部３０の溶断時間が４秒となり、第２溶接部３１の溶断時間が１４．２秒となる。この場合、第１溶接部３０の溶断時間は、短絡電流が流れてから熱暴走に至るまでに要する時間と等しいため、熱暴走が発生するリスクが高まる。

　また、同じ面積Ｓ１を有する第１溶接部３０を２箇所又は３箇所に設けた場合にも、面積Ｓ１，Ｓ２を２倍又は３倍に大きくした場合と同様に、溶断時間は４倍又は９倍となり、熱暴走が発生するリスクが高まる。

　このような点を考慮して、本実施形態では、以下の二つの条件を満たすように、第１溶接部３０及び第２溶接部３１の体積が決定されている。
・第１溶接部３０の溶断時間　＜　短絡電流が流れてから熱暴走に至るまでに要する時間
・第２溶接部３１の溶断時間　＜　短絡電流が流れてから熱暴走に至るまでに要する時間
　上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

　（１）溶断部である第１溶接部３０の体積Ｖ１の上限値を設定することにより、短絡電流が流れると、一定時間内に第１溶接部３０を溶断させることができる。このため、二次電池１０に短絡が発生しても、熱暴走する前に第１溶接部３０を溶断させることができ、短絡箇所に短絡電流が流れ続けることを回避し、熱暴走に至ることを防ぐことができる。

　（２）第１溶接部３０の体積Ｖ１の下限値を設定することにより、二次電池１０の通常使用時の電流値の最大値である急速充電時の電流が流れても、第１溶接部３０が溶断してしまうことを防止でき、第１溶接部３０にヒューズ機能を持たせつつも通常使用に支障がない。

　（３）正極の第１溶接部３０にヒューズ機能を持たせた。このため、短絡電流が二次電池１０に流れた際、融点の低い第１溶接部３０が第２溶接部３１より先に溶断してヒューズ機能を発揮することができる。

　（４）負極の第２溶接部３１の体積Ｖ２について上限値を設定した。このため、二次電池１０に短絡が発生しても、熱暴走する前に第２溶接部３１を溶断させることができる。したがって、短絡発生時に、万一、第１溶接部３０が溶断しなくても、熱暴走前に第２溶接部３１を溶断させることができ、熱暴走に至ることを防ぐことができる。

　（５）第２溶接部３１の体積Ｖ２の下限値を設定することにより、二次電池１０の通常使用時の最大値である急速充電時の電流が流れても、第２溶接部３１が溶断してしまうことを防止でき、二次電池１０の通常使用に支障がない。

　なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
　○　正極タブ２８と正極導電部材１６ａ、及び負極タブ２９と負極導電部材１５ａとの接合方法は溶接としたが、正極タブ２８と正極導電部材１６ａ、及び負極タブ２９と負極導電部材１５ａとの接合方法は、例えば圧接やろう接等の溶接以外の任意の方法であってもよい。

　○　溶断部は、正極ではなく、負極の負極タブ２９と負極導電部材１５ａとの接合部に備えていてもよい。この場合、負極タブ２９の融点が正極タブ２８の融点より低いのが好ましい。

　○　実施形態では、熱暴走する前に第１溶接部３０及び第２溶接部３１が溶断するように、第１溶接部３０の体積Ｖ１及び第２溶接部３１の体積Ｖ２の上限値を設定した。しかし、これに限らず、熱暴走する前に第１溶接部３０だけが溶断するように、第１溶接部３０の体積Ｖ１及び第２溶接部３１の体積Ｖ２の上限値を設定してもよい。

　○　正極タブ２８の融点が負極タブ２９の融点より低ければ、それら各タブの材料を変更してもよい。
　○　負極電極２１は、負極金属箔２２の両面に負極活物質層２３を有するとしたが、負極金属箔２２の片面のみに負極活物質層２３を有していてもよい。同様に、正極電極２４は、正極金属箔２５の両面に正極活物質層２６を有するとしたが、正極金属箔２５の片面のみに正極活物質層２６を有していてもよい。

　○　蓄電装置は、二次電池１０でなく、電気二重層キャパシタ等の他の蓄電装置に適用してもよい。
　○　実施形態では、電極組立体１４として積層型を記載したが、捲回型でもよい。

　○　二次電池１０は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であってもよい。要するに、正極活物質と負極活物質との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。

　次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
　（１）前記溶断部は、前記短絡電流が流れてから一定時間内に溶断する蓄電装置。
　（２）両方の極性における前記タブと前記導電部材との接合部は、短絡電流が流れた場合に溶断する蓄電装置。

　１０…蓄電装置としての二次電池、１４…電極組立体、１５ａ…負極導電部材、１６ａ…正極導電部材、２１…電極としての負極電極、２２…集電体としての負極金属箔、２４…電極としての正極電極、２５…集電体としての正極金属箔、２８…正極タブ、２９…負極タブ、３０…溶断部を構成する接合部としての第１溶接部、３１…第２溶接部。

Claims

　異なる極性を有する電極が互いに絶縁した状態で積層され、前記電極の各々が集電体を有するとともに、前記集電体上に活物質を有し、かつ前記集電体の一辺から突出した形状のタブを有する、電極組立体と、
　各極性において前記タブと接合された導電部材と、を備える蓄電装置であって、
　いずれか一方の極性における前記タブと前記導電部材との接合部は、短絡電流が流れた場合に溶断する溶断部を構成している蓄電装置。
　前記溶断部は、急速充電時に溶断しない体積を有する請求項１に記載の蓄電装置。
　前記溶断部は、正極の前記タブと前記導電部材との接合部に存在し、前記タブを含む前記集電体及び前記導電部材はアルミニウム又はアルミニウム合金製である請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
　前記蓄電装置は二次電池である請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。