JP2010186786A - 蓄電デバイスおよび蓄電デバイスモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を招くことなく、かつ内部で発生したガスによってラミネート外装に大きな変形を生じる前に、確実に当該ガスを外部に放出することが可能になる開裂治具を備えた蓄電デバイスを提供する。
【解決手段】ラミネートフィルムからなり、内部に正極板３、負極板６およびセパレータ７が複数組積層されて組み込まれ、電解液９が注液されて封止され、外観略平板状に形成された収納部１５の少なくとも一側面１５ａに、当該側面に沿う外観略角柱状に形成され、内部に側面１５ａに向けて開口する凹部２１が形成されるとともに、凹部２１の内壁に側面１５ａ側に向けて突出し、かつその先端と側面１５ａとの間に隙間が形成されることにより、側面１５ａが凹部２１内に膨出した際に側面に穿孔可能な突起部２２が設けられた開裂治具２０が固定されてなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、キャパシタや二次電池等のラミネートフィルムからなる外装を有する蓄電デバイスに関し、より詳しくは、上記ラミネート外装内で発生したガスを円滑に排出する機構を備えた蓄電デバイスおよび複数の当該蓄電デバイスを用いたモジュールに関するものである。

近年、蓄電デバイスの一種であるリチウムイオンキャパシタは、従来のバッテリと比較して小型・軽量であるにも拘わらず、急速な充放電が可能であるとともに、さらに所望のエネルギー容量も得られることから、風力発電の負荷平準化装置、電圧の瞬低対策装置、ハイブリッド電気自動車や燃料電池車等におけるバックアップ用電源装置等の広い分野において使用されつつある。

このようなリチウムイオンキャパシタは、一般に、集電体の両面に正極を形成した複数の平板状の正極板と、集電体の両面にリチウムイオンの吸蔵および放出が可能な物質からなる負極を形成した複数の平板状の負極板とを、セパレータを間に介して交互に積層し、得られた積層体の両端部間に圧縮方向の荷重を付与して一体化した後に、ポリエチレン等の合成樹脂製のシートとアルミニウム箔等の金属箔等を積層したラミネートフィルムからなる外装内に配設して、これらの間にリチウム塩を含む電解液を注液して内部を真空封止することにより構成されている。

ところで、上記リチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスにあっては、荷充電等に起因して内部の電解液が分解することによりガスが発生する。そして、このガスが内部に充満して上記ラミネート外装を膨張させる結果、大きな変形を生じ、最終的に破裂を生じて上記ガスが噴出したり、あるいは漏液したりする等の安全上の問題を発生する。
このため、一般に、上記蓄電デバイスには、そのラミネート外装が膨張した際に、内部のガスを排出する機構が設けられている。

例えば、下記特許文献１においては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極および負極と、これら正負極間に介在されたリチウムイオン伝導性電解質層とを備えた素電池をラミネートフィルムで密閉したリチウム二次電池を、樹脂ケース内に収納し、この樹脂ケースの内面に凹部を形成するとともに、この凹部内に、鋭利な突起部を、その先端が上記樹脂ケースの内面よりも僅かに上記凹部側に位置するように形成した電池パックが提案されている。

特開平１０−２０８７２０号公報

しかしながら、上記従来の蓄電デバイスにおけるガスの排出機構にあっては、ラミネートフィルムで密閉したリチウム二次電池を、さらに樹脂ケース内に収納しているために、電池パック全体が大型化するという欠点があり、特に複数のリチウム二次電池を組み合わせてモジュールを構成した場合には、モジュール全体が嵩張るものとなって、近年における小型化の要請に逆行することになる。

また、樹脂ケースの内面に形成した凹部内に、先端が当該凹部内に位置する突起部を形成しているために、膨張したラミネートフィルムを上記凹部内に侵入させて突起部によって穿孔させるためには、凹部の大きさや突起部の先端位置等の設定が難しいという問題点もある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、大型化を招くことなく、かつ内部で発生したガスによってラミネート外装に大きな変形を生じる前に、確実に当該ガスを外部に放出することが可能になる開裂治具を備えた蓄電デバイスおよび当該蓄電デバイスを複数組み合わせた蓄電デバイスモジュールを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の蓄電デバイスは、ラミネートフィルムからなる収納部に、集電体の両面に正極が形成された正極板と集電体の両面に負極が形成された負極板とがセパレータを間に介して複数組積層されて組み込まれ、電解液が注液されて封止されるとともに、当該収納部が上記正極板および負極板に沿う幅広の上下面と、これら上下面間に位置する四側面とを有する外観略平板状に形成された蓄電デバイスにおいて、上記収納部の少なくとも一の上記側面に、当該側面に沿う外観略角柱状に形成され、内部に上記側面に向けて開口する凹部が形成されるとともに、当該凹部の内壁に、上記側面側に向けて突出し、かつその先端と上記側面との間に隙間が形成されることにより、上記側面が上記凹部内に膨出した際に当該側面に穿孔可能な突起部が設けられた開裂治具が固定されてなることを特徴とするものである。

ここで、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記開裂治具には、上記凹部内を外部に連通させるガス抜き口が形成されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記ラミネートフィルムは、絞り加工によって上記正極板、負極板およびセパレータを収納する外観略平板状の収納部と、この収納部を囲繞する鍔部とが形成されるとともに、長手方向の一端部に上記正極板の集電体に接続された端子が外部に延出され、かつ他端部に上記負極板の集電体に接続された端子が外部に延出されることにより、上記長手方向の両端部に位置する上記鍔部には、上記集電体と上記端子との接続部を間に挟む非接着部と、この非接着部の外周側の封止部とが形成され、上記開裂治具は、上記長手方向の一端部および他端部の少なくとも一方であって、かつ上記鍔部上に固定されていることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、上記鍔部が、上記収納部の厚さ方向の中間部に形成され、かつ２つの上記開裂治具が、上記鍔部を間に挟んで設けられるとともに、これら開裂治具は、両者の外周間に巻回されたバンド、または上記収納部の外周を覆う樹脂モールドによって固定されていることを特徴とするものである。

そして、請求項５に記載の蓄電デバイスモジュールは、請求項１〜４のいずれかに記載の複数の蓄電デバイスが、互いの上記収納部の上記上下面を当接させて積層され、少なくとも上記収納部の厚さ方向に固定されていることを特徴とするものである。

請求項１〜４のいずれかに記載の蓄電デバイスにおいては、正極板、負極板およびセパレータが複数組積層されて組み込まれ、電解液が注液されて封止されるとともに外観略平板状に形成されたラミネートフィルムからなる収納部の少なくとも一の側面に、開裂治具を固定しているために、全体の厚さ寸法を増加させることなく、上記開裂治具を備えた蓄電デバイスを構成することができる。

そして、上記開裂治具の内部に、上記側面に向けて開口する凹部を形成し、この凹部の内壁に、上記側面側に向けて突出するとともに、先端と上記側面との間に隙間が形成された突起部を設けているために、収納部内でガスが発生して、膨張したラミネートフィルムが上記凹部内に侵入した際に、当該ラミネートフィルムに上記突起部によって孔を開けることにより、上記収納部が大きく変形する前に、上記ガスを外部に放出することができる。

この際に、上記ラミネートフィルムに穿孔することにより、収納部内で発生したガスは、開裂治具の凹部内に排出され、当該開裂治具と収納部との間の隙間から外部に放出させることも可能であるが、請求項２に記載の発明のように、上記開裂治具に上記凹部内を外部に連通させるガス抜き口を形成しておけば、より速やかに凹部内に排出された上記ガスを、上記ガス抜き口を通じて外部に放出させることが可能になる。

さらに、請求項３に記載の発明のように、収納部の長手方向の端部に、正極側の端子または負極側の端子が延出されている場合には、上記長手方向の両端部に位置する鍔部に、上記正極側の集電体または負極側の集電体と端子との接続部を間に挟む非接着部と、この非接着部の外周側の封止部とが形成されている。

この結果、上記収納部内においてガスが発生すると、先ず当該収納部の長手方向両端部において、鍔部の上記接続部を間に挟む非接着部におけるラミネートフィルムが、上面側および下面側に向けて膨出する。

そこで、これら長手方向の両端部に位置する上記端部の少なくとも一方の鍔部上に開裂治具を固定すれば、収納部におけるラミネートフィルムの変形量が大きくなる前のガス発生の初期段階に、上記鍔部の非接着部において、上記開裂治具の突起部によってラミネートフィルムに穿孔して、速やかに内部のガスを排出することができる。

なお、上記開裂治具は、１つの蓄電デバイスに対して１つ設置することにより内部で発生したガスを排出させることが可能であるが、請求項４に記載の発明のように、鍔部が収納部の厚さ方向の中間部に形成されている場合には、２つの上記開裂治具を上記鍔部を間に挟んで設け、さらにこれら開裂治具を、両者の外周間に巻回されたバンド、または上記収納部の外周を覆う樹脂モールドによって固定すれば、当該部分におけるラミネートフィルムが膨張して変形した際にも、双方の開裂治具に位置ズレや浮き上がり等を生じることなく、確実にラミネートフィルムの穿孔およびガスの排出を行うことができる。

以上のことから、請求項５に記載の蓄電デバイスモジュールにあっても、当該モジュールを構成する各々の蓄電デバイスについて、請求項１〜４に記載の蓄電デバイスと同様の効果が得られる。

加えて、上記モジュールにおいては、複数の蓄電デバイスを、互いの収納部の幅広な上下面を当接させて積層し、収納部の厚さ方向に固定しているために、内部でガスが発生した場合においても、収納部の上下面の膨張が阻止される結果、ガス発生の初期段階において、当該収納部の側面のみを膨張させて、一層確実に開裂治具の突起部によるラミネートフィルムの穿孔を行うことができるという効果が得られる。

本発明に係る蓄電デバイスの一実施形態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 図１の開裂治具を示す斜視図である。 図１の縦断面図である。 図３の蓄電デバイス内でガスが発生した際の状態を示す縦断面図である。 図１の第１の変形例を示す正面図である。 図１の第２の変形例を示す正面図である。 図１の第３の変形例を示す正面図である。 本発明に係る蓄電デバイスモジュールの一実施形態を示す正面図である。 図８の変形例を示す一部断面視した正面図である。 図１の第４の変形例を示す平面図である。

図１〜図４は、本発明に係る蓄電デバイスをリチウムイオンキャパシタに適用した一実施形態を示すものであり、図５〜図７は、その第１〜第３の変形例を示すものである。

図１〜図４において、このリチウムイオンキャパシタは、集電体１の両面に正極２が形成された複数の正極板３と、集電体４の両面に負極５が形成された複数の負極板６とが、セパレータ７を間に介して交互に積層されてラミネートフィルムからなる外装８内に収納されるとともに、内部に電解液９が注液されて真空封止することにより概略構成されたものである。

ここで、正極板３の集電体１は、２５μｍ〜３５μｍの厚さ寸法のニッケル箔やアルミニウム箔等の耐酸化性を有して化学的に溶出しない金属箔を（５０ｍｍ〜１５０ｍｍ）×（５０ｍｍ〜１５０ｍｍ）の長方形に打ち抜くことによって形成されたものであり、当該打ち抜き加工を行う際に、その長手方向の一端部には接続用舌部１ａが一体に形成されている。そして、この集電体１の両面に、それぞれ活性炭等からなる炭素材料からなる上記正極２が形成されている。

他方、負極板６の集電体４は、１２〜１６μｍの厚さ寸法の銅箔を、正極側の集電体１とほぼ同形の（５０ｍｍ〜１５０ｍｍ）×（５０ｍｍ〜１５０ｍｍ）の長方形に打ち抜くことによって形成されたものであり、同様に上記打ち抜き加工を行う際に、正極側の集電体１における接続用舌部１ａと逆の長手方向の他端部に、接続用舌部４ａが一体に形成されている。そして、この集電体４の両面に、難黒鉛化性炭素材料を主成分とする上記負極５が形成されている。

また、セパレータ７は、ポリエチレン、ポリプロピレン等の合成樹脂やガラス繊維等からなる通液性および非電子伝導性を有するシート材からなるもので、正極板３および負極板６の集電体１、４と等しいか、あるいはこれらより大きな外形寸法の方形に形成されている。

さらに、電解液９としては、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆等のリチウム塩を含む液が注液されている。
なお、図３および図４においては、図示の便宜から、ラミネートケース８内に３組ずつの正極板３および負極板６が、セパレータ７を間に介して交互に積層されて収納されている状態を示しているが、実際の製品においては、各々４０〜９０枚の正極板３および負極板６が、同様にセパレータ７を間に介して収納されている。

そして、このような多数枚の正極板３は、互いの集電体１の接続舌部１ａが積層されて、外部接続端子となる集電タブ（端子）１０に接続されるとともに、多数枚の負極板６は、互いの集電体４の接続舌部４ａが積層されて集電タブ（端子）１１に接続されている。

このようにして、積層された複数の正極板３、負極板６およびセパレータ７が収納され、内部に電解液９が注液されて真空引きされ、外周部の封止部１８において封止された外装８は、絞り加工によって、正極板３等を収納する外観略平板状の収納部１５と、この収納部１５を囲繞する鍔部１６とが形成されている。

これにより、外装８の長手方向の一端部に、正極板３の集電体１に接続された集電タブ１０が外部に延出され、かつ他端部に負極板６の集電体４に接続された集電タブ１１が外部に延出されている。

また、これら集電タブ１０、１１が延出する上記長手方向の両端部に位置する鍔部１６には、各々接続舌部１ａ、４ａと集電タブ１０、１１との接続部を間に挟む結果、対向するラミネートフィルム同士が接着されていない非接着部１７と、この非接着部１７の外周側にあって対向するラミネートフィルム同士が接着された上記封止部１８とが形成されている。

そして、集電タブ１０が延出する上記長手方向の一方の端部の鍔部１６上に、開裂治具２０が収納部１５の側面１５ａに沿うようにして固定されている。
この開裂治具２０は、金属あるいは合成樹脂等の所定の剛性を有する硬質な素材によって、側面１５ａの全長に沿う長さ寸法を有する外観略角柱状に形成されている。

ここで、開裂治具２０の内面には、側面１５ａ側および鍔部１６側の全面が開口する凹部２１が形成されるとともに、この凹部２１の内壁には、側面１５ａと鍔部１６との交差部に向けて突出する平刃状の開裂刃（突起部）２２が一体に設けられている。また、この開裂刃２２は、その先端と側面１５ａおよび鍔部１６との間に、隙間が形成される長さ寸法に形成されている。

なお、本実施形態においては、開裂刃２２を設けた場合について示しているが、ラミネートフィルムを開裂可能な形状および強度を有するものであれば、針状、鋸刃状等の各種形状の突起部を設けることが可能である。

さらに、この開裂治具２０においては、凹部２１と外部とを連通させるガス抜き口２３が、長手方向に等間隔をおいた複数箇所（図では６箇所）に形成されている。そして、この開裂治具２０は、凹部２１の開口の周縁部２１ａ、２１ｂが、それぞれ側面１５ａおよび鍔部１６に密着するように、強固に接着固定されている。

以上の構成からなる開裂治具２０を備えたリチウムイオンキャパシタにおいては、積層された複数組の正極板３、負極板６およびセパレータ７ならびに電解液９を収納して封止された外装８における収納部１５の側面１５ａに、開裂治具２０を固定しているために、全体の厚さ寸法を増加させることなく、上記開裂治具を備えた蓄電デバイスを構成することができる。

ここで、特に上記開裂治具２０を、正極側の集電タブ１０が延出する収納部１５の長手方向の端部に設けているために、図４に示すように、収納部１５内においてガスが発生すると、先ず接続舌部１ａと集電タブ１０との接続部を間に挟む鍔部１６の非接着部１７において、対向するラミネートフィルム間に上記ガスが侵入して側面１５ａおよび非接着部１７のラミネートフィルムが外方へと膨出する。

そして、このラミネートフィルムが、開裂治具２０の開裂刃２２によって穿孔されることにより開裂され、内部のガスが凹部２１内へと排出される。そしてさらに、この凹部２１内のガスは、速やかにガス抜き口２３から開裂治具２０の外部へと排出されてゆく。

このように、上記開裂治具２０を備えたリチウムイオンキャパシタによれば、収納部内でガスが発生した際に、ラミネート外装に大きな変形を生じる前に、その初期段階において、確実に当該ガスを外部に放出することができる。

なお、開裂治具２０は、図１〜図４に示したもののように、１つのリチウムイオンキャパシタに対して１つ設置することにより内部で発生したガスを排出させることが可能であるが、図５〜図７に示す第１〜第３の変形例のように、２つの開裂治具２０を鍔部１６を間に挟んで設ければ、ガス発生の初期段階において、より確実に上記端部において膨出するラミネートフィルムを開裂くして内部のガスを排出することができる。

また、特に図６に示す第２の変形例のように、鍔部１６を間に挟む２つの開裂治具２０を、両者の外周間に巻回されたバンド２５によって固定すれば、ラミネートフィルムが膨張して変形した際にも、双方の開裂治具２０に位置ズレや浮き上がり等を生じることなく、確実にラミネートフィルムの穿孔およびガスの排出を行うことができる。

さらに、図７に示す第３の変形例のように、収納部１５の外周に、当該収納部を覆う樹脂モールド２６を形成し、この樹脂モールド２６の開口部周縁によって２つの開裂治具２０を挟み込むようにすれば、図６に示したものの効果に加えて、外装８の内部でガスが発生した場合においても、収納部１５の上下面の膨張が阻止される結果、ガス発生の初期段階において、収納部１５の側面１５ａのみを膨張させて、一層確実に開裂治具２０の開裂刃２２によるラミネートフィルムの穿孔を行うことができる。

次いで、図８および図９は、本発明に係る蓄電デバイスモジュールを、リチウムイオンキャパシタモジュール（以下、単にモジュールと略す。）に適用した一実施形態およびその変形例を示すものである。なお、リチウムイオンキャパシタおよび開裂治具２０の構成については、図１〜図７に示したものと同一であるために、同一符号を付してその説明を簡略化する。

図８に示すように、このモジュールは、図５に示した２つの開裂治具２０を取り付けたリチウムイオンキャパシタを、互いの収納部１５の上下面を当接させて、４組積層するとともに、開裂治具２０同士をバンド３０によって厚さ方向（積層方向）に固定したものである。

また、図９に示すモジュールは、同様にして積層した４組のリチウムイオンキャパシタの収納部１５の外周全体を、樹脂モールド３１によって覆うとともに、この樹脂モールド３１の開口部周縁によって、８つの開裂治具２０を一体的に保持したものである。

これらのモジュールによれば、当該モジュールを構成する各々のリチウムイオンキャパシタについて、図１〜図４に示したものと同様の作用効果が得られることに加えて、さらに図６あるいは図７に示したものと同様に、互いの収納部１５の上下面の膨張が阻止される結果、ガス発生の初期段階において、収納部１５の側面１５ａのみを膨張させて、一層確実に開裂治具２０の開裂刃２２によるラミネートフィルムの穿孔を行うことができる。

なお、上記実施の形態においては、本発明に係る蓄電デバイスを、リチウムイオンキャパシタに適用した場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、セパレータを介して対向配置された複数層の正極板と負極板との間に、リチウム塩を含む電解液が注液されて封止されたラミネート外装によるリチウムイオン二次電池等の他の蓄電デバイスに対しても、同様に適用することができる。

また、上記蓄電デバイスおよびこれを用いたモジュールにおいては、いずれも収納部１５の側面１５ａの全長に沿う長さ寸法に形成されるとともに、側面１５ａ側および鍔部１６側の全面が開口する凹部２１が形成された開裂治具２０を用いた場合についてのみ説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば図１０に示すように、側面１５ａの全長よりも短い長さ寸法に形成され、かつ側面１５ａ側の全面または一部に開口する凹部４１が形成された開裂治具４０を用いることもできる。

１ 正極側の集電体
１ａ、４ａ 接続舌部
２ 正極
３ 正極板
４ 負極側の集電体
５ 負極
６ 負極板
７ セパレータ
８ 外装
１０ 正極側の集電タブ（端子）
１１ 負極側の集電タブ（端子）
１５ 収納部
１５ａ 側面
１６ 鍔部
１７ 非接着部
１８ 封止部
２０、４０ 開裂治具
２１、４１ 凹部
２２ 開裂刃（突起部）
２５、３０ バンド
２６、３１ 樹脂モールド

Claims (5)

1. ラミネートフィルムからなる収納部に、集電体の両面に正極が形成された正極板と集電体の両面に負極が形成された負極板とがセパレータを間に介して複数組積層されて組み込まれ、電解液が注液されて封止されるとともに、当該収納部が上記正極板および負極板に沿う幅広の上下面と、これら上下面間に位置する四側面とを有する外観略平板状に形成された蓄電デバイスにおいて、
   上記収納部の少なくとも一の上記側面に、当該側面に沿う外観略角柱状に形成され、内部に上記側面に向けて開口する凹部が形成されるとともに、当該凹部の内壁に、上記側面側に向けて突出し、かつその先端と上記側面との間に隙間が形成されることにより、上記側面が上記凹部内に膨出した際に当該側面に穿孔可能な突起部が設けられた開裂治具が固定されてなることを特徴とする蓄電デバイス。
2. 上記開裂治具には、上記凹部内を外部に連通させるガス抜き口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
3. 上記ラミネートフィルムは、絞り加工によって上記正極板、負極板およびセパレータを収納する外観略平板状の収納部と、この収納部を囲繞する鍔部とが形成されるとともに、長手方向の一端部に上記正極板の集電体に接続された端子が外部に延出され、かつ他端部に上記負極板の集電体に接続された端子が外部に延出されることにより、上記長手方向の両端部に位置する上記鍔部には、上記集電体と上記端子との接続部を間に挟む非接着部と、この非接着部の外周側の封止部とが形成され、
   上記開裂治具は、上記長手方向の一端部および他端部の少なくとも一方であって、かつ上記鍔部上に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電デバイス。
4. 上記鍔部は、上記収納部の厚さ方向の中間部に形成され、かつ２つの上記開裂治具が、上記鍔部を間に挟んで設けられるとともに、これら開裂治具は、両者の外周間に巻回されたバンド、または上記収納部の外周を覆う樹脂モールドによって固定されていることを特徴とする請求項３に記載の蓄電デバイス。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の複数の蓄電デバイスが、互いの上記収納部の上記上下面を当接させて積層され、少なくとも上記収納部の厚さ方向に固定されていることを特徴とする蓄電デバイスモジュール。

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