JP2012043752A - 二次電池とそれを搭載する車両 - Google Patents

Abstract

【課題】電極板の端部に集電体の露出されている箇所を残すとともに，それらの箇所を互いに反対向きに突出させた電極体を有する二次電池において，過充電等によって電池が昇温したとしても短絡することが防止されている二次電池とそれを搭載する車両を提供すること。
【解決手段】本発明の二次電池１は，セパレータの第１端部が負極板よりも突出し，正極集電体がセパレータの第１端部よりもさらに突出し，セパレータの第２端部が正極板よりも突出し，負極集電体がセパレータの第２端部よりもさらに突出し，正極非塗工部側端部におけるセパレータの第１端部の負極板からの突出量が，電極体の負極非塗工部側端部におけるセパレータの第２端部の正極板からの突出量の２倍以上であり，電極体の負極非塗工部側端部におけるセパレータの第２端部の正極板からの突出量が３ｍｍ以上であるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は，正極板と負極板とセパレータとを有する二次電池とそれを搭載する車両に関する。

従来より，正極板と負極板とセパレータとを積層または捲回してなる電極体を有する二次電池が知られている。このようなものとして例えば，リチウムイオン二次電池等がある。この二次電池の正極板や負極板として，金属箔による集電体の両面に，活物質を含む電極合剤層を塗工したものが広く用いられている。また，セパレータとしては，ポリオレフィン系の微多孔膜が広く用いられている。特に，ＰＰ（ポリプロピレン）／ＰＥ（ポリエチレン）／ＰＰの３層構成で，シャットダウン機能を有するものが好適に用いられている。

セパレータに用いられているＰＰ，ＰＥ等の材料は，熱によりある程度収縮する。つまり，電池が過充電等によって昇温した場合には，熱収縮によってセパレータの端部が後退する。そのため，セパレータの端部の配置は，セパレータが収縮した場合でも正負の電極板が短絡することのないように，余裕を持って決定されている。ただし，セパレータが大きいほどより安全ではあるものの，電池容量や外形寸法等の実用面の条件からは，過度に大きくしたくはない。そのため，安全を確保できる範囲内で必要最小限のセパレータの大きさを把握することが望まれていた。

例えば，特許文献１には，集電体の端部から４ｍｍ以上を残して活物質が塗工されている電極板に対し，集電体の端部からセパレータの端部までの距離を３．５ｍｍ以上とした二次電池が開示されている。これにより，集電体の端部に電極端子を溶接する際の熱を受けても，絶縁不良が発生するほどにセパレータが収縮することはないとされている。また例えば，特許文献２には，電池における，セパレータの熱収縮率と正負の電極板の大きさとの関係について開示されている。この文献では，負極の電極板が縦横ともに正極の電極板より大きい電池において，熱収縮後のセパレータの大きさが正極の電極板の大きさより大きい状態が維持されるように，各部材の材質や大きさを選択するとされている。

特開２００４−２５３２５３号公報 特開２００３−２１７６７４号公報

しかしながら，前記した特許文献１の技術では，一方の電極端子の溶接による熱のみが対象とされている。もう一方の電極端子とつながる電極板の端部とセパレータの端部との位置関係は規定されていない。そのため，電池として製造した後に，過充電等の原因によって使用中に発生する熱については対策されているとはいえない。つまり，完成した二次電池では，セパレータが過度に熱収縮した場合に，絶縁状態が不十分なものとなるおそれがあるという問題点があった。

また，前記した特許文献２に記載されている技術は，負極の電極板が縦横ともに正極の電極板より大きい電池に特化されたものである。つまり，この文献の条件を，電極板の形状の異なる電池にそのまま当てはめることはできない。本願の対象としているのは，電極板の端部に非塗工部を残し，そこをそれぞれ別方向に突出させて電極端子に接続することによる電池である。そのため，このタイプの電池に適切なセパレータの大きさの条件が望まれていた。

本発明は，前記した従来の二次電池が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，電極板の端部に集電体の露出されている箇所を残すとともに，それらの箇所を互いに反対向きに突出させた電極体を有する二次電池において，過充電等によって電池が昇温したとしても短絡することが防止されている二次電池とそれを搭載する車両を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の二次電池は，正極集電体に正極合剤層を部分的に塗工してなるとともに，正極合剤層が塗工されていない正極非塗工部を一端側に有し，その余の部分が，正極合剤層が塗工されている正極塗工部である正極板と，負極集電体に負極合剤層を部分的に塗工してなるとともに，負極合剤層が塗工されていない負極非塗工部を他端側に有し，その余の部分が，負極合剤層が塗工されている負極塗工部である負極板と，正極板と負極板とを絶縁するセパレータとを有し，正極板と負極板とセパレータとを，正極非塗工部と負極非塗工部とが互いに反対向きに突出するように積み重ねまたは巻き重ねてなる電極積層体を有する二次電池であって，電極積層体の正極非塗工部側端部にて，セパレータの第１端部が，正極塗工部と正極非塗工部との境目と，負極塗工部の端部とのいずれよりも突出しているとともに，正極非塗工部の端部が，セパレータの第１端部よりもさらに突出しており，電極積層体の負極非塗工部側端部にて，セパレータの第２端部が，負極塗工部と負極非塗工部との境目と，正極塗工部の端部とのいずれよりも突出しているとともに，負極非塗工部の端部が，セパレータの第２端部よりもさらに突出しており，電極積層体の正極非塗工部側端部におけるセパレータの第１端部の負極塗工部の端部からの突出量が，電極積層体の負極非塗工部側端部におけるセパレータの第２端部の正極塗工部の端部からの突出量の２倍以上であり，電極積層体の負極非塗工部側端部におけるセパレータの第２端部の正極塗工部の端部からの突出量が３ｍｍ以上であるものである。

本発明の二次電池は，電極板の端部に集電体の露出されている箇所を残すとともに，それらの箇所を互いに反対向きに突出させた電極体を有する二次電池である。そして本発明によれば，正極集電体の露出している側にセパレータの第１端部が，負極集電体の露出している側にセパレータの第２端部が配置されている。そして，セパレータの第１端部の負極塗工部の端部からの突出量が正極端子側におけるセパレータの余裕分に相当し，セパレータの第２端部の正極塗工部の端部からの突出量が負極端子側におけるセパレータの余裕分に相当する。本発明者は，このような二次電池では正極端子側において負極端子側より昇温しがちであることを見出した。本発明の二次電池は，セパレータの第１端部側の突出量をセパレータの第２端部側の突出量の２倍以上としたので，たとえ昇温したとしても，適切に短絡が防止されている。さらに，セパレータの第２端部側の突出量を３ｍｍ以上とすることにより，さらに確実に短絡が防止できる。

さらに本発明では，正極非塗工部の幅が，負極非塗工部の幅より大きいことが望ましい。このようになっていれば，それぞれの非塗工部にそれぞれ電極端子を適切に取り付けることができる。

さらに本発明は，上述の二次電池を搭載する車両にも及ぶ。

本発明の二次電池とそれを搭載する車両によれば，電極板の端部に集電体の露出されている箇所を残すとともに，それらの箇所を互いに反対向きに突出させた電極体を有する二次電池において，過充電等によって電池が昇温したとしても短絡することが防止されている。

本形態に係る二次電池を示す概略構成図である。 正極板と負極板とセパレータとの位置関係を示す説明図である。 正極板と負極板とセパレータとの位置関係を示す断面図である。 本形態に係る二次電池を搭載した車両を示す説明図である。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，捲回型のリチウムイオン二次電池に本発明を適用したものである。

本形態の二次電池１は，図１に示すように，アルミケース１１に電極体１２と電解液１３とを封入してなるリチウムイオン二次電池である。電極体１２は，後述するように，正極板と負極板とセパレータとを重ねて捲回したものである。本形態の二次電池１は，電極体１２を捲回軸に垂直な方向に扁平な形状とし，扁平角型のアルミケース１１に挿入したものである。

本形態の二次電池１の電極体１２は，図２に示すように，正極板２１と負極板２２と２枚のセパレータ２３とを有している。いずれも図中で上下方向（以下，長手方向という）に長い帯状の部材である。これらは，図示のように，図中で左右方向（以下，幅方向という）に少しずつずらして重ねられた状態で，幅方向に向いた捲回軸に沿ってまとめて捲回されている。

本形態の電解液１３は，有機溶媒に電解質を溶解させたものである。有機溶媒として例えば，プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ），ジメチルカーボネート（ＤＭＣ），メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等のエステル系溶媒や，エステル系溶媒にγ−ブチラクトン（γ−ＢＬ），ジエトキシエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒等を配合した有機溶媒が挙げられる。また，電解質である塩としては，過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄）やホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ₄），六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）などのリチウム塩を用いることができる。

正極板２１は，アルミ箔またはアルミ合金箔による正極集電体３１の両面に，リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極活物質を含む正極合剤が塗布されたものである。正極活物質としては，例えば，ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂），マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄），コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）等のリチウム複合酸化物が用いられる。正極合剤が乾燥・プレスされることにより正極合剤層３２が形成されている。正極合剤層３２は，幅方向について，正極集電体３１の全面にわたって設けられているわけではない。一方側（図中左側）は正極集電体３１の端部まで設けられているが，他方側（図中右側）は，正極集電体３１の端部を少し残して設けられている。すなわち，正極板２１の図中右端には，一定の幅で正極集電体３１が両面とも露出している。

本形態の負極板２２は，銅箔または銅合金箔による負極集電体４１の両面に，リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質による負極合剤が塗布されたものである。負極活物質としては，例えば，非晶質炭素，難黒鉛化炭素，易黒鉛化炭素，黒鉛等の炭素系物質が用いられる。負極合剤が乾燥・プレスされることにより負極合剤層４２が形成されている。負極合剤層４２は，幅方向について全面に設けられているわけではない。負極板２２の図中左端には，一定の幅で負極集電体４１が両面とも露出している。

また，セパレータ２３は，適切な電気絶縁性，機械的強度，イオン透過度を有する樹脂製の微多孔膜である。例えば，ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの複合材料からなる，いわゆるシャットダウン機能を有するものが好適に用いられる。また例えば，厚さ１０〜３０μｍのものを用いることが望ましい。２枚のセパレータ２３は同じ材質のものであり，幅方向について互いに同位置に配置されている。

本形態の二次電池１の電極体１２における，各部材の幅方向の位置関係を図３の断面図に示す。図中で左右方向が幅方向であり，図１や図２における左右方向に相当している。この図では，わかりやすさのために各部材の幅に対する厚さをかなり大きくし，また，各部材を少しずつ離して図示している。

正極板２１は，幅（Ａ＋Ｂ）の正極集電体３１に，幅Ａの正極合剤層３２が形成されたものである。従って，幅Ａの正極合剤層３２が正極塗工部であり，正極集電体３１が幅Ｂにわたって露出して正極非塗工部３３をなしている。また，負極板２２は，幅（Ｄ＋Ｅ）の負極集電体４１に，幅Ｄの負極合剤層４２が形成されたものである。従って，幅Ｄの負極合剤層４２が負極塗工部であり，負極集電体４１が幅Ｅにわたって露出して負極非塗工部４３をなしている。

ここにおいて，負極合剤層４２の幅Ｄは，正極合剤層３２の幅Ａより大きい。そして，幅方向の両端側ともに，負極合剤層４２の方が正極合剤層３２より外側まで達している。セパレータ２３の幅Ｃは，図３に示すように，負極合剤層４２の幅Ｄよりも大きい。そして，幅方向について両側とも，セパレータ２３が負極合剤層４２よりさらに外側へ突出している。

これにより，セパレータ２３は，正極板２１の合剤層（正極塗工部）と負極板２２の合剤層（負極塗工部）とのうちいずれかでも存在する範囲を完全にカバーしている。さらに，正極集電体３１は，セパレータ２３の図中右端より図中右方へ突出している。この突出部分が正極突出部３４であり，この箇所に正極の電極端子が接続される。また，負極集電体４１は，セパレータ２３の図中左端より図中左方へ突出している。この突出部分が負極突出部４４であり，この箇所に負極の電極端子が接続される。

こうしたものにおいて，図３に示すように，セパレータ２３のうち，図中右端が負極板２２の図中右端よりも図中右側へ突出する幅が第１突出幅Ｗ１である。また，セパレータ２３のうち，図中左端が正極板２１の図中左端よりも図中左側へ突出する幅が第２突出幅Ｗ２である。これらの突出幅Ｗ１，Ｗ２は，セパレータ２３のうち，正極板２１と負極板２２との重なり合う範囲Ｗ３より，それぞれ外側に突出している部分の幅である。

そして，本形態では，第１突出幅Ｗ１は，第２突出幅Ｗ２の２倍以上である。またさらに，安全を見込んだ幅として，第２突出幅Ｗ２は３．０ｍｍ以上であることが好ましい。このようになっていることにより，電池が昇温しても，正負の電極板２１，２２の間の絶縁状態を確実に保つことができる。

本形態の二次電池１と同じタイプの電池では，例えば過充電等により内部で発熱することがある。この発生した熱は，捲回の内周側に特に溜まりやすいことがわかっている。さらに，発明者らは，正極集電体３１が露出している側（図３で右側）において，負極集電体４１が露出している側（図３で左側）よりも，温度が高くなりがちであることを見出した。セパレータ２３の熱による収縮量は，到達温度が高いほど大きい。従って，このような発熱が生じた場合には，セパレータ２３は，図中右側の端部（以下，第１端部２３Ｒという）において，図中左側の端部（以下，第２端部２３Ｌという）より大きく縮むことになる。

そのため，同程度の安全幅を見込むためには，第１端部２３Ｒ側の第１突出幅Ｗ１を，第２端部２３Ｌ側の第２突出幅Ｗ２の２倍以上とすることが必要であることが分かった。逆に言えば，第２突出幅Ｗ２は，第１突出幅Ｗ１の半分程度とできる。ただし，それぞれの電極端子を接続するために，正極突出部３４と負極突出部４４とはいずれも同程度必要である。そのため，正極集電体３１の正極非塗工部３３の幅Ｂは，負極集電体４１の負極非塗工部４３の幅Ｅより大きいものとする必要がある。

本発明者らは，本形態の二次電池１において，第１突出幅Ｗ１および第２突出幅Ｗ２として最低限必要な長さを得るための実験を行った。この実験では，以下の正極板２１，負極板２２，セパレータ２３を使用し，図３に示したように配置して，実施例および比較例１〜３の各二次電池を製造した。ただし，各例において，正極板２１と負極板２２の大きさや配置は固定し，セパレータ２３の幅Ｃとその配置（Ｗ１とＷ２）を変えた。なお，これらの二次電池の定格容量は，４．６Ａｈであった。

本実験の正極板２１を以下のように製造した。正極活物質としてＬｉＮｉＣｏＡｌＯ₂複合酸化物を用い，導電材ＡＢ（アセチレンブラック）と結着剤ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）とをそれぞれ活物質１００重量部に対して５重量部ずつ加えて正極合剤とした。集電体３１として１５μｍ厚，幅６８ｍｍのアルミ箔を用いた。一方の端部から幅５０ｍｍの範囲に正極合剤層３２を形成した。従って，露出している正極集電体３１は，幅１８ｍｍである。このようにして，厚み１００μｍ，長さ３０００ｍｍの正極板２１を製造した。

また，本実験の負極板２２を以下のように製造した。負極活物質として黒鉛を用い，結着剤ＰＶｄＦを活物質１００重量部に対して７重量部を加えて負極合剤とした。負極集電体４１として１０μｍ厚，幅６５ｍｍの銅箔を用いた。一方の端部から幅５４ｍｍの範囲に負極合剤層４２を形成した。このようにして，厚み１２０μｍ，長さ３３００ｍｍの負極板２２を製造した。さらに，セパレータ２３として，ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ３層の厚み２０μｍのポリオレフィン系セパレータを用いた。

上記のように製造した正極板２１，負極板２２，セパレータ２３を，それぞれ重ね，捲回して成形し，電池ケースに封入した。このとき，第１突出幅Ｗ１，第２突出幅Ｗ２がそれぞれ以下に示した値となるようにそれぞれ重ねた。なお，ケースには，内圧が一定以上に上昇した場合に破壊されて，ガスを外部に放出するための安全弁が形成されているものを用いた。

この実験では，実施例のみがＷ１≧Ｗ２×２，かつ，Ｗ２≧３ｍｍの条件を満たしているものとした。比較例１，２は，Ｗ２≧３ｍｍであるが，Ｗ１＜Ｗ２×２である。また，比較例３は，Ｗ１≧Ｗ２×２であるが，Ｗ２＜３ｍｍである。具体的には以下の通りとした。
実施例 ： Ｗ１＝６ｍｍ，Ｗ２＝３ｍｍ
比較例１ ： Ｗ１＝３ｍｍ，Ｗ２＝３ｍｍ
比較例２ ： Ｗ１＝５ｍｍ，Ｗ２＝３ｍｍ
比較例３ ： Ｗ１＝４ｍｍ，Ｗ２＝２ｍｍ

これらの実施例および比較例１〜３に対し，以下の条件で過充電試験を実施した。ＳＯＣ３０％の状態とした電池に４６Ａ（１０Ｃに相当）の定電流で連続充電した。上限電圧２０Ｖとして，過充電状態まで充電した。環境温度は６０℃とした。充電中における電池ケース側面中央部の表面温度および電池電圧をモニターした。また，安全弁の開弁，発煙等の現象の有無を観察した。

実施例での結果は以下の通りであった。ＳＯＣ１４０％付近まで充電したとき，安全弁が開弁した。さらに充電を続けると，ＳＯＣ１６０％付近でセパレータのシャットダウンが起こり，上限の２０Ｖに到達するとともに電流値はほぼ０Ａとなった。電池表面の最高到達温度は１０２℃であった。シャットダウン後は，徐々に温度低下した。また，発煙現象は見られなかった。

さらに，実施例の電池を，試験終了後に解体し，内部の様子を観察した。セパレータ２３は熱によって収縮しており，電極体１２の捲回の内周側において特に大きく収縮していた。最も大きいところで，第１突出幅Ｗ１が約３ｍｍ，第２突出幅Ｗ２が約１ｍｍ収縮していた。正負極の短絡箇所は見当たらなかった。

これに対し，比較例１〜３に対して実施例と同様の連続充電を行った結果はいずれも以下の通りであった。安全弁の開弁とセパレータのシャットダウンまでは，実施例と同様であった。しかし，電流値がほぼ０Ａとなったさらにその数秒後に電池の表面温度は急激に上昇して３００℃を超えた。実施例では１０２℃までであったことと比較して約２００℃さらに高くまで到達した。さらに，安全弁の開弁部分から煙状の排気が見られた。すなわち，セパレータの収縮によって，シャットダウン後に短絡が発生した。

この実験から分かるように，第１突出幅Ｗ１は，第２突出幅Ｗ２の２倍以上であることが望ましい。さらに，この材質や大きさの二次電池では，第２突出幅Ｗ２が３ｍｍ以上であることが望ましい。従って，この二次電池では，第１突出幅Ｗ１は，６ｍｍ以上であることが望ましい。

なお，本形態の二次電池１は，ハイブリッド自動車その他の車両に搭載することができる。図４に本形態の二次電池１を搭載したハイブリッド自動車１００を示す。このハイブリッド自動車１００は，車体２に，エンジン３，モータ４，電池パック５，コントローラ６を搭載したものである。電池パック５とモータ４とコントローラ６とは，ケーブル７により接続されている。電池パック５には，複数個の二次電池１が内蔵されている。

ハイブリッド自動車１００は，エンジン３とモータ４とを併用して車輪を駆動するようになっている。本形態のハイブリッド自動車１００では，電池パック５からモータ４へ電池の放電電流が供給され，モータ４が動力を発生するようになっている。また，ハイブリッド自動車１００の走行状況によっては，モータ４で回生起電力が発生することがある。これにより電池パック５の電池へ充電電流が供給され，電池が充電されるようになっている。ここにおいて，コントローラ６が，電池パック５とモータ４との間の電流のやりとりを制御している。

なお本形態の車両としては，その動力源の全部あるいは一部に電池による電気エネルギを使用している車両であれば良く，ハイブリッド自動車に限られない。例えば，電気自動車，プラグインハイブリッド自動車，ハイブリッド鉄道車両，フォークリフト，電気車椅子，電動アシスト自転車，電動スクータ等であってもよい。

以上詳細に説明したように，本形態の二次電池１は，正極集電体３１の両面に正極合剤層３２が形成された正極板２１と，負極集電体４１の両面に負極合剤層４２が形成された負極板２２とを有している。それぞれの電極板には，その幅方向の一端に集電体の露出されている箇所が残されている。さらに，正極板２１と負極板２２とは，集電体の露出箇所を互いに反対向きに突出させて重ねられ，捲回されている。さらに，正極板２１と負極板２２との間には，セパレータ２３が挟まれている。このようなものにおいて，セパレータ２３の第１端部２３Ｒが幅方向に負極板２２の端部より突出している第１突出幅Ｗ１が，セパレータ２３の第２端部２３Ｌが幅方向に正極板２１より突出している第２突出幅Ｗ２の２倍以上である。これにより，過充電等によって電池が昇温したとしても短絡することが防止されている。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，本形態では捲回型の二次電池としたが，積層型でも，両側に集電体を突出させて積層するものであれば適用可能である。

１ 二次電池
１２ 電極体
２１ 正極板
２２ 負極板
２３ セパレータ
２３Ｒ 第１端部
２３Ｌ 第２端部
３１ 正極集電体
３２ 正極合剤層
４１ 負極集電体
４２ 負極合剤層

Claims (3)

1. 正極集電体に正極合剤層を部分的に塗工してなるとともに，正極合剤層が塗工されていない正極非塗工部を一端側に有し，その余の部分が，正極合剤層が塗工されている正極塗工部である正極板と，負極集電体に負極合剤層を部分的に塗工してなるとともに，負極合剤層が塗工されていない負極非塗工部を他端側に有し，その余の部分が，負極合剤層が塗工されている負極塗工部である負極板と，前記正極板と前記負極板とを絶縁するセパレータとを有し，前記正極板と前記負極板と前記セパレータとを，前記正極非塗工部と前記負極非塗工部とが互いに反対向きに突出するように積み重ねまたは巻き重ねてなる電極積層体を有する二次電池において，
   前記電極積層体の前記正極非塗工部側端部にて，
   前記セパレータの第１端部が，前記正極塗工部と前記正極非塗工部との境目と，前記負極塗工部の端部とのいずれよりも突出しているとともに，
   前記正極非塗工部の端部が，前記セパレータの第１端部よりもさらに突出しており，
   前記電極積層体の前記負極非塗工部側端部にて，
   前記セパレータの第２端部が，前記負極塗工部と前記負極非塗工部との境目と，前記正極塗工部の端部とのいずれよりも突出しているとともに，
   前記負極非塗工部の端部が，前記セパレータの第２端部よりもさらに突出しており，
   前記電極積層体の前記正極非塗工部側端部における前記セパレータの第１端部の前記負極塗工部の端部からの突出量が，前記電極積層体の前記負極非塗工部側端部における前記セパレータの第２端部の前記正極塗工部の端部からの突出量の２倍以上であり，
   前記電極積層体の前記負極非塗工部側端部における前記セパレータの前記第２端部の前記正極塗工部の端部からの突出量が３ｍｍ以上であることを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池において，
   前記正極非塗工部の幅が，前記負極非塗工部の幅より大きいことを特徴とする二次電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の二次電池を搭載する車両。

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