JP2011003400A

JP2011003400A - 二次電池

Info

Publication number: JP2011003400A
Application number: JP2009145525A
Authority: JP
Inventors: Isao Abe; 勲阿部
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: JP5392951B2

Abstract

【課題】寿命性能を改善することを課題とする。
【解決手段】二次電池本体の１面以上に、厚み方向に比べて幅方向の熱伝導率が高いシート４，５を取り付けたことを特徴とする二次電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱伝導率の高いシートを備えた二次電池に関する。

周知の如く、コードレス機器や携帯機器に、ニッケルカドミウム蓄電池やニッケル水素蓄電池及びリチウムイオン電池などの二次電池が使用されている。このような用途では、小型・軽量化・高容量化が進む一方、最近、自動車や鉄道、搬送車などの用途では、二次電池の大容量・大型化が進んでいる。

更に、近年は、前記二次電池を急速充電や高率放電にて使用される用途が増大している。ところで、二次電池を急速充電や高率放電にて使用すると、極板中を電流が均一に流れず、集電部付近に電流が集中し、その近辺が高温になり、単電池内での温度ばらつきが大きくなる。そのため、集電部付近の極板劣化が部分的に加速し、早期に寿命に至ってしまう。大容量・大型の電池では、電流が大きいため、更に電流集中が起き、単電池内の温度ばらつきが増大する。

また、多様な負荷電圧や負荷容量に対し共通化された二次電池で対応するために、二次電池を直列接続や並列接続、またはそれらを組み合わせた接続をし、組電池を構成することが多い。組電池構成方法としては、複数の電池をテープで固定したり、熱収縮チューブで固定したり、ハードケースに収納する方法が一般的である。しかし、ただ単にテープで固定したり、熱収縮チューブで固定したり、ハードケースに収納するだけでは、電池自体の発熱による熱が放出し難い。特に、単電池の端子を同方向に向けて組電池にした場合、単電池内の温度バラツキが増長され、早期に寿命に至ってしまう。

このような課題を解決するため、特許文献１や特許文献２が提案されている。特許文献１では、単電池間に隙間を開け、そこに冷却風を流して冷却する空冷方式が開示されている。特許文献２には、単電池間に冷却液を循環させる水冷方式が開示されている。

特開２００５−１０８７５０号公報特開２００３−３４６９２４号公報

しかしながら、上記方式では、単電池間に冷却風や冷却液を循環させるための隙間が必要になり、その分組電池の大きさが大きくなってしまう。また、これらの方式の組電池を、自動車や航空機などの常に大きな衝撃が加わる移動体に使用した場合、単電池間に隙間を設けているために、耐振設計が複雑になり、十分な耐振構造を得ることが難しい。

また、外装材としてアルミニウムなどの金属箔と高分子フィルムからなるラミネートフィルムに発電素子を封入してなるラミネート形電池は、ラミネートフィルムで密封した簡単な構造である。そのため、機械的強度が非常に弱く、ただ単にテープで固定したり、熱収縮チューブで固定したりするだけでは、振動などによりリードタブの破断やラミネートフィルムの破れなどが発生してしまうことがある。

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、従来と比べて寿命性能を改善しうる二次電池を提供することを目的とする。

本発明に係る二次電池は、二次電池本体の１面以上に、厚み方向に比べて幅方向の熱伝導率が高いシートを取り付けたことを特徴とする。

本発明によれば、従来と比べて寿命性能を改善できる二次電池が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る二次電池の概略的な斜視図。本発明の第２の実施形態に係る二次電池の概略的な斜視図。図２の展開図。

本発明に係る二次電池について以下に詳細に説明する。
本発明において、厚み方向に比べて幅方向の熱伝導率が高いシートとしては、厚み方向に結晶を積層させたカーボンシートやヒートプレートなどがあるが、ヒートプレートに比べ安価で軽量なカーボンシートが適している。ここで、カーボンシートは、結晶の配列方向により熱伝導率が異なり、厚み方向に結晶を積層させることにより、幅方向の熱伝導率は２００〜５００Ｗｈ／ｃｍ^２と非常に高く、厚み方向の熱伝導率は１０Ｗｈ／ｃｍ^２以下と幅方向の熱伝導率に比べて低くできる。このようなカーボンシートを使用することで、温度が高いところから温度が低いところへ効率的に熱を移動、拡散することができる。

このため、電池を急速充電や高率放電したときに起こる集電部付近の局部的な発熱を、他の発熱していない部分に、熱を移動、拡散することができ、電池内の温度バラツキを少なくすることができる。そのため、集電部付近の部分的極板劣化が抑制され、電池寿命を延ばすことができる。

本発明において、ラミネート形電池に対しては、厚み方向に比べ幅方向の熱伝導率が高いシートを取り付けたハードケースに収納することが可能である。これにより、電池内の温度ばらつきを少なくさせることができるとともに、耐震性を持たせることができる。また、ラミネート形電池とハードケースの接する面に、両面粘着性であるゴム弾性体シートを配置することが好ましい。これにより、振動、衝撃によるハードケース内でのラミネート形電池の移動防止、振動及び衝撃吸収ができ、高耐震性を持たせることができる。

本発明におけるハードケースとしては、金属（例えば、アルミニウム、ステンレス、スチール、鉄−ニッケルメッキ、マグネシウム）製のハードケース、合成樹脂（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、あるいはポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド系樹脂等の高融点樹脂）製のハードケース、熱伝導性プラスチック等を用いることができる。
また、本発明におけるゴム弾性体シートとしては、例えばシリコーンゴムシート、エチレンプロピレンゴムシート（ＥＰＴまたはＥＰＤＭとも言う）、ブチルゴムシート（IIＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴムシート（ＮＢＲ）等を用いることができる。

次に、本発明に係る二次電池について図１を参照して説明する。但し、図１では角形電池について説明するが、他の形状、例えば円筒型電池にも適用できる。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る角形電池の概略的な斜視図を示す。図中の符番１は二次電池本体である。この二次電池本体１の上部には、柱状の正極端子２，柱状の負極端子３が夫々取付けられている。前記二次電池本体１の両主面（最大面積面）には、厚み方向に比べて幅方向の熱伝導率が高いシート４，５が夫々貼り合わされている。

（第２の実施形態）
図２及び図３は本発明の第２の実施形態に係る角形電池であり、図２は概略的な斜視図、図３は図２の展開図である。なお、本実施形態はラミネート形電池をハードケースに収納した例であるが、収納形態はこの限りではない。
図中の１１は二次電池本体であり、その上部に角柱状の正極端子１２，角柱状の負極端子１３が夫々取り付けられている。前記二次電池本体１１の両主面（最大面積面）には、厚み方向に比べて幅方向の熱伝導率が高いシート１４，１５が夫々貼り合わされている。

二次電池本体１１は、複数枚のラミネート形電池２１と、正極端子１２，負極端子１３に相当する部分が開口されたハードケース２２と、熱伝導シード２３，２４から構成されている。前記正極端子１２，負極端子１３は、ラミネート形電池２１の端子に夫々接続されている。

次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
発電素子を直接アルミ製ケースに収納、密封し、長さ１４０ｍｍ，幅８０ｍｍ，厚み１０ｍｍの定格容量１０Ａｈの角型リチウムイオン蓄電池を作製し、作製した角型リチウムイオン蓄電池の４周側面の内最大面積の２側面に、厚み方向に比べ幅方向の熱伝導率が高いカーボンシートを、熱伝導性接着剤を用いて貼り付けた。この二次電池（組電池）をＡとした。

（実施例２）
発電素子をラミネートパックに収納、密封し、長さ１２０ｍｍ，幅７５ｍｍ，厚み４ｍｍの定格容量５Ａｈのラミネート形リチウムイオン蓄電池を作製した。また、厚み方向に比べ幅方向の熱伝導率が高いカーボンシートを、熱伝導性接着剤を用いて貼り付けたアルミ製ケースを作製した。次に、そのアルミ製ケースの中に、ラミネート形リチウムイオン蓄電池を２個積層し、端子にて並列接続して収納し、長さ１４０ｍｍ，幅８０ｍｍ，厚み１０ｍｍの定格容量１０Ａｈの角型リチウムイオン蓄電池を作成した。この電池をＢとした。

（実施例３）
発電素子をラミネートパックに収納、密封し、長さ１２０ｍｍ，幅７５ｍｍ，厚み４ｍｍの定格容量５Ａｈのラミネート形リチウムイオン蓄電池を作製した。また、厚み方向に比べ幅方向の熱伝導率が高いカーボンシートを、熱伝導性接着剤を用いて貼り付けたアルミ製ケースを作製した。次に、そのアルミ製ケースの中に、ラミネート形リチウムイオン蓄電池を２個積層し、端子にて並列接続してラミネート形リチウムイオン蓄電池がアルミ製ケースと当接する面の最大面積の２側面に、ゴム弾性両面粘着性の熱伝導性シリコーンゴムシートを貼り、収納して、長さ１４０ｍｍ，幅８０ｍｍ，厚み１０ｍｍの定格容量１０Ａｈの角型リチウムイオン蓄電池を作成した。この電池をＣとした。

なお、弾性両面接着性の熱伝導性シリコーンゴムシートは、アルミ製ケースと当接する円に設ける例を示したが、蓄電池間に設けてもよい。その際、蓄電池間に設ける熱伝導性シリコーンゴムシートは、少なくとも一部がアルミ製ケースと当接するように配置することが好ましい。

（実施例４）
カーボンシートに替えて、ヒートプレートを使用した以外は実施例３と同様に、長さ１４０ｍｍ、幅８０ｍｍ、厚み１０ｍｍの定格容量１０Ａｈの角型リチウムイオン蓄電池を作成した。この電池をＤとした。

（比較例１）
カーボンシート及び熱伝導接着剤を使用しなかった以外は、実施例１と同様に発電素子をアルミ製ケースに収納、密封し、長さ１２０ｍｍ，幅８０ｍｍ，厚み１０ｍｍの定格容量１０Ａｈの角型リチウムイオン蓄電池を作製した。この電池をＥとした。

（比較例２）
カーボンシート及び熱伝導接着剤を使用しなかった以外は、実施例２と同様に発電素子をラミネートパックに収納、密封し、長さ１２０ｍｍ，幅７５ｍｍ，厚み４ｍｍの定格容量５Ａｈのラミネート形リチウムイオン蓄電池を作製した。次に、そのラミネート形リチウムイオン蓄電池を、アルミ製ケースの中に２個積層し、端子にて並列接続して収納し、長さ１４０ｍｍ，幅８０ｍｍ，厚み１０ｍｍの定格容量１０Ａｈの角型リチウムイオン蓄電池を作成した。この電池をＦとした。

［実験１］
上述した本発明による電池Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと比較例による電池Ｅ，Ｆを、以下の条件で充放電を繰り返した。１０００回繰り返した後の容量維持率は、下記表１に示すとおりである。但し、充電条件、放電条件は、次のとおりである。
充電条件：ＣＣ−ＣＶ１．０ＣＡ，３．６５Ｖ，０．０５ＣＡＣｕｔ−ｏｆｆ
放電条件：ＣＣ３．０ＣＡ，２．０ＶＣｕｔ−ｏｆｆ

上記結果から分かるように、本発明の電池は、急速充放電を１０００回繰り返した後でも約９０％の容量を維持することができた。
なお、電池Ｃと電池Ｄは熱伝導性の高いシートとしてカーボンシート（電池Ｃ）とヒートプレート（電池Ｄ）とを夫々用いたものであるが、容量維持率は略同等であり、コストの面からカーボンシートを使用することが好ましい。

［試験２］
上述した本発明による電池Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと比較例による電池Ｅ，Ｆを、以下の条件で振動試験を行った。前記振動試験は、夫々の電池（Ａ〜Ｆ）の両端の側面を固定具によって固定して行った。その結果を下記表２に示す。表２中の「良好」は、前記振動試験によりリードタブの破断やラミネートフィルムの破れが発生しなかったもの、「不良」は破断や破れが発生したものである。但し、振動条件は次のとおりである。
（振動条件）
規格：ＭＩＬ−ＳＴＤ−８１０ＦＩＧＵＲＥＣ−８
パワースペクトル密度：０．０７７ｇ^２／Ｈｚ
方向：Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向
時間：各方向３時間

上記結果から分かるように、本発明の電池は十分な耐振構造であることを示した。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…二次電池本体、２，１２…陽極端子、３，１３…陰極端子、４，５…熱伝導率が高いシート、２１…ラミネート形の電池、２２…ハードケース、２３，２４…熱伝導シート。

Claims

二次電池本体の１面以上に、厚み方向に比べて幅方向の熱伝導率が高いシートを取り付けたことを特徴とする二次電池。
前記二次電池本体はラミネート形の電池を１個以上配置して構成され、前記電池がハードケースに収納されていることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
ラミネート形の二次電池本体とハードケースの接する面に熱伝導シートが配置されていることを特徴とする請求項２記載の二次電池。
前記ハードケースが金属製であることを特徴とする請求項２若しくは３記載の二次電池。
前記熱伝導シートが両面粘着性を有するゴム弾性体シートであることを特徴とする請求項３記載の二次電池。