JP2011071045A - 積層式電池および組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の内部抵抗を上げることなく内部短絡等で異常電流が流れた場合の電池の安全性を確保することが可能な積層式電池を提供すること。
【解決手段】複数枚の正極板１と負極板とをセパレータを介して交互に積層し、各極板から延出した正極リード１１および負極リードを正極集電端子および負極集電端子にそれぞれ積層し接合して積層式電池とし、正極リード１１に切れ込み３５を形成し、リード１１を通過する電流Ｃ１１が切れ込み３５によって複数（２つ）の経路Ｄ１、Ｄ２に分岐して流れ、複数の経路Ｄ１、Ｄ２のうちの一方の経路Ｄ１における最大電流密度が他方の経路Ｄ２における最大電流密度の１．５倍以上となるようにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は積層式電池に関し、特に、ロボット、電気自動車、バックアップ電源などに使用される大容量でハイレート特性を有する積層式電池に関する。
特に、軽量で安全性を重視した電池であって高負荷特性に優れ、高い信頼性が要求されるリチウムイオン電池に関する。

また、本発明は、複数の電池よりなる組電池に関し、特に軽量かつ安全であって高負荷特性に優れ、信頼性の高い組電池に関する。

近年、電池は、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の電源のみならず、ロボット、電気自動車、バックアップ電源などに使用されるようになってきており、さらなる高容量化が要求されるようになってきている。このような要求に対し、リチウムイオン電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるので、上記のような駆動電源として広く利用されている。

このようなリチウムイオン電池の電池形態としては、大別して、渦巻状の電極体を外装体に封入した渦巻式のものと、方形状電極を複数積層した積層電極体を外装体またはラミネートフィルムを溶着することにより作製したラミネート外装体に封入した積層式のもの（積層タイプの角型リチウムイオン電池）とがある。

これらリチウムイオン電池のうち、積層電極体をラミネート外装体に封入した積層式電池の積層電極体の具体的な構成は、正極集電リードを有するシート状の正極板と、負極集電リードを有するシート状の負極板とを、セパレータを介して必要な数だけ積層するような構成である。

ここで、上述の如く、リチウムイオン電池は高容量、高出力のために、積層電極内の一部で内部短絡が起きると短絡部へ積層電極から大電流が流れ込むおそれがあり、この大電流が流れ込んだときは、このリチウムイオン電池自体が損傷する等の不良が生ずると共にこのリチウムイオン電池自体に発熱が起こり、多量の熱を周囲に放出する不都合があった。

そこで、特許文献１および特許文献２では、電極本体およびリード部の少なくとも一方に、電流経路を制限する幅狭のヒューズ部（抵抗部）を設け、短絡時に該ヒューズ部が溶解して短絡部分が電気的に隔離されることにより、短絡電流の局所集中を抑えるようにすることが提案されている。

また、特許文献３では、リード部にスリットを設けることで、リードの曲げ加工を容易にしている。

特開２００５−１４９７９４号公報 特開平８−１８５８５０号公報 特開２００７−１０３２１８号公報

しかしながら、上記特許文献１および特許文献２に記載の構成では、異常電流が流れた際にリードを確実に溶断させるには、ヒューズ部を狭小として断面積を小さくし、これにより抵抗値を上げる必要があるため、ハイレート充放電時のレート特性が低下することとなってしまう。

一方、特許文献３は、捲回式（渦巻式）の電池における極板を捲回する工程において、リード取付部の極板が剛性が高くて湾曲し難いとリードのエッジがセパレータを貫通して短絡を生じるといった問題を解決するために、リード部に縦方向（即ち電流方向）のスリットを設けてリードを曲がりやすくなるようにしたものであり、リードにヒューズ機能を付与することを意図したものではない。実際、同文献では、例えば段落［００２４］にあるように、スリットの間隔として好適な範囲が開示されているが、スリットにより画される各部の幅を異なるようにすることはなんら開示されていない。この場合、縦方向のスリットによりリードを複数部分に分割しただけであってこれら複数部分の幅に差がないとすれば、異常電流が流れた場合のヒューズ効果はあまり高くはならないので、リードの湾曲を容易にする手段としてならばともかく、異常電流が流れた場合の電池の安全性を確保する手段としては十分とはいえない。さらに付言すれば、特許文献３で考慮されているような、極板を捲回する工程においてリード取付部の極板が湾曲し難いという問題は、捲回式電池に特有の問題であって積層式電池の場合にはほぼ無縁であり、したがって特許文献３の開示内容は、積層式電池において異常電流が流れた場合の電池の安全性をいかに確保するかについて示唆を与えるものとはいえない。

したがって、本発明は、電池の内部抵抗を上げることなく内部短絡等で異常電流が流れた場合の電池の安全性を確保することが可能な積層式電池を提供することを目的とする。

また、本発明は、電池の抵抗を上げることなく内部短絡等で異常電流が流れた場合の電池の安全性を確保することが可能な組電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の積層式電池は、
複数枚の正極板と負極板とがセパレータを介して交互に積層され、各極板から延出した正極リードおよび負極リードが正極集電端子および負極集電端子にそれぞれ複数枚積層して接合された積層式電池であって、
上記正極リードおよび負極リードのうちの少なくとも一方のリードに切れ込みが形成され、当該リードを通過する電流が該切れ込みによって複数の経路に分岐して流れ、該複数の経路のうちのいずれかの経路における最大電流密度が、他のいずれかの経路における最大電流密度の１．５倍以上となっていることを特徴とする。

上記本発明の構成によれば、切れ込みを形成することによって、最大電流密度の差が１．５倍以上となっている一対の電流経路を含む、電流密度の不均一な複数の経路がリードに形成されているため、内部短絡が生じて大電流が流れ込んだ場合、電流が部分的に集中して流れ、その結果、電流密度が最も高い部位でリードが溶断し、この後、電流密度が次に高い部位に電流が集中することとなってこの部位でもリードが溶断することとなる。こうして、電流密度が最も高い部位から順次リードが溶断していくようにすることで、リードの断面積を小として抵抗値を上げたりすることなく、低い電流値でリードを溶断させることが可能となる。

またこのとき、リードに切れ込みを形成するだけであるため、簡潔な構成で容易に電池の安全性が確保される。

前記切れ込みが、リードの一方側縁近傍から他方側縁近傍まで、内部短絡が生じたときにリードを流れる電流を横断する方向に延びる横断部と、該横断部の一方端部から、内部短絡が生じたときに電流が流れる方向に対し実質的に反対方向へ延びる縦断部とを有して実質的に鉤形状となるように形成されていることが望ましい。

本発明において、「電流を横断する方向」とは、具体的には例えば電流方向に対し４５°〜９０°、より望ましくは７０°〜９０°程度の角度をなして交差する方向のことである。
また、「電流が流れる方向に対し実質的に反対方向」とは、具体的には例えば電流方向を０°とした場合の±１６０°〜±１８０°、より望ましくは±１７０°〜±１８０°の方向のことである。
また、「実質的に鉤形状」とは、直線状であると曲線状であるとを問わず、また屈曲の度合いを問わず、線が鉤状、くの字状等に一方側へ屈曲した形状を広汎に含意する。また、横断部および縦断部の少なくとも一方が屈曲部（交差角部）よりも多少延出したもの、換言すれば、横断部および縦断部を構成する２本の線が、横断部の一方端部において略Ｔ字状、略十字状等の形状で交差しているものであってもよい。

上記構成によれば、切れ込みとリードの両側縁との間にそれぞれ経路が形成され、リードを通過する電流がこれら両経路に分岐して流れることとなるが、このとき、切れ込みにおける横断部の一方端部には縦断部が形成されているため、この縦断部が形成された側の経路は他方側の経路よりも狭小に延びて、抵抗も高く電流が流れ込み難いものとなる。したがって、リードを通過する電流が他方側の経路に優先的に流れてこの他方側の部位でリードが溶断しやすくなり、これによりリードが容易かつ確実に溶断できることとなる。

前記切れ込みの横断部および縦断部が直線状に延び、該切れ込みが全体として実質的にＬ字形状となるように形成されていることが望ましい。

本発明において、「実質的にＬ字形状」とは、前記「実質的に鉤形状」のうち、直線が１点で一方側へ屈曲した形状を意味し、その屈曲角度は直角に限定されない。即ち、Ｌ字形状の切れ込みを構成する直線状の横断部および縦断部のそれぞれの方向は例えば前述した範囲内で変動し得る。

上記構成によれば、両経路への電流の流れ込みやすさの差がより大きくなり、したがってリードをより容易かつ確実に溶断させることができる。

前記切れ込みにおける横断部と縦断部との交差角部が曲線状に形成されていてもよい。

切れ込みが上記のように交差角部に曲線部を含むものであっても、横断部と縦断部とが形成されていれば、前述の通りリードが容易かつ確実に溶断することができる。

また、本発明の組電池は、
複数の電池が並列に接続されてなる組電池であって、
上記各電池間で正極同士を電気的に接続する導体および負極同士を電気的に接続する導体のうちの少なくとも一つの導体に切れ込みが形成され、当該導体を通過する電流が該切れ込みによって複数の経路に分岐して流れ、該複数の経路のうちのいずれかの経路における最大電流密度が、他のいずれかの経路における最大電流密度の１．５倍以上となっていることを特徴とする。

なお本発明の組電池において、「正極同士を電気的に接続する導体」および「負極同士を電気的に接続する導体」とは、組電池を構成する電池（素電池または単電池）における正負極集電リード、正負極集電端子等や素電池（単電池）同士を接続する導体等のように、各素電池（単電池）間で、発電要素である正極同士および負極同士をそれぞれ電気的に接続する導通部分であればいずれも含意する。
また、組電池を構成する電池（素電池または単電池）には、各電池内で複数の正極と複数の負極とが並列に接続された構成を有するものと、これ以外の構成を有するものとがいずれも含まれる。

複数の電池が並列に接続されてなる組電池の場合には、積層式電池の場合と同様に内部短絡等で異常電流が流れるので、この組電池を構成する各電池（素電池）間で正極同士を電気的に接続する導体および負極同士を電気的に接続する導体のうちの少なくとも一つの導体に切れ込みを形成し、当該導体を通過する電流が該切れ込みによって複数の経路に分岐して流れ、該複数の経路のうちのいずれかの経路における最大電流密度が、他のいずれかの経路における最大電流密度の１．５倍以上となるようにすると、上記積層式電池の場合と同様に、簡潔な構成により、抵抗を上昇させることなく、短絡により異常電流が生じた際に効果的に電流を遮断し得る機構を構成することができる。

上記本発明の組電池において、前記切れ込みが、導体の一方側縁近傍から他方側縁近傍まで、内部短絡が生じたときに導体を流れる電流を横断する方向に延びる横断部と、該横断部の一方端部から、内部短絡が生じたときに電流が流れる方向に対し実質的に反対方向へ延びる縦断部とを有して実質的に鉤形状となるように形成されていることが望ましい。

上記構成によれば、切れ込みと導体の両側縁との間にそれぞれ経路が形成され、導体を通過する電流がこれら両経路に分岐して流れることとなるが、このとき、切れ込みにおける横断部の一方端部には縦断部が形成されているため、この縦断部が形成された側の経路は他方側の経路よりも狭小に延びて、抵抗も高く電流が流れ込み難いものとなる。したがって、導体を通過する電流がこの他方側の経路に優先的に流れてこの他方側の部位で導体が溶断しやすくなり、これにより導体が容易かつ確実に溶断できることとなる。

上記本発明の組電池において、前記切れ込みの横断部および縦断部が直線状に延び、該切れ込みが全体として実質的にＬ字形状となるように形成されていることが望ましい。

上記構成によれば、両経路への電流の流れ込みやすさの差がより大きくなり、したがって導体をより容易かつ確実に溶断させることができる。

上記本発明の組電池において、前記切れ込みにおける横断部と縦断部との交差角部が曲線状に形成されていてもよい。

切れ込みが上記のように交差角部に曲線部を含むものであっても、横断部と縦断部とが形成されていれば、前述の通り導体が容易かつ確実に溶断することができる。

本発明によれば、リード（または導体）の断面積を小として抵抗値を上げたりすることなく、低い電流値でリード（または導体）を溶断させることが可能となり、したがって、電池の内部抵抗を上げることなくハイレート充放電性能を維持したままで、内部短絡等で異常電流が流れた場合の電池の安全性を確保することができる。

本発明の積層式電池の一部を示す図であって、同図（ａ）は正極の平面図、同図（ｂ）はセパレータの斜視図、同図（ｃ）は正極が内部に配置された袋状セパレータを示す平面図である。 本発明の積層式電池に用いる負極板の平面図である。 本発明の積層式電池に用いる正極板の正極リードを示す拡大図である。 本発明の積層式電池に用いる積層電極体の分解斜視図である。 本発明の積層式電池に用いる積層電極体の平面図である。 正負極リードと正負極集電端子とを溶着した状態を示す平面図である。 本発明の積層式電池の斜視図である。 積層式電池の正極リードが溶断する原理を示す概略回路図である。 積層式電池の正極リードにおける電流経路を模式的に示す概念図である。 アルミニウム箔の通電試験に用いた試験片を示す平面図である。 切れ込みの他の例を示す模式平面図である。 本発明の組電池の斜視図である。 本発明の組電池に用いる電池の正極集電端子を示す拡大図である。

以下、本発明に係る積層式電池を以下に説明する。なお、本発明における積層式電池は、下記の形態に示したものに限定されず、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。

〔正極の作製〕
正極活物質としてのＬｉＣｏＯ_２を９０質量％と、導電剤としてのカーボンブラックを５質量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５質量％と、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを混合して正極用スラリーを調製した後、この正極用スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔（厚み：１５μｍ）の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで厚み０.１ｍｍにまで圧縮した後、図１（ａ）に示すように、幅Ｌ１＝９５ｍｍ、高さＬ２＝９５ｍｍになるように切断して、両面に正極活物質層１ａを有する正極板１を作製した。この際、正極板１における幅方向に延びる一辺の一方端部（図１（ａ）では左端部）から幅Ｌ３＝３０ｍｍ、高さＬ４＝２０ｍｍの活物質未塗布部を延出させて正極リード１１とした。

〔正極板が内部に配置された袋状セパレータの作製〕
図１（ｂ）に示すように、２枚の方形状のポリプロピレン（ＰＰ）製のセパレータ３ａ(幅Ｌ５＝１００ｍｍ、高さＬ６＝１００ｍｍ、厚み３０μｍ）の間に正極板１を配置した後、図１（ｃ）に示すように、セパレータ３ａの周辺部を融着部４で熱溶着して、正極板１が内部に収納・配置された袋状セパレータ３を作製した。

〔負極の作製〕
負極活物質としての黒鉛粉末を９５質量％と、結着剤としてのポリフッ化ピニリデンを５質量％と、溶剤としてのＮＭＰ溶液とを混合して負極用スラリーを調製した後、この負極用スラリーを負極集電体としての銅箔(厚み：１０μｍ)の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで厚み０．０８ｍｍにまで圧縮した後、図２に示すように、幅Ｌ７＝１００ｍｍ、高さＬ８＝１００ｍｍになるように切断して、両面に負極活物質層２ａを有する負極板２を作製した。この際、負極板２の幅方向に延びる一辺において上記正極板１の正極リード１１形成側端部と反対側となる端部（図２では右端部）から幅Ｌ９＝３０ｍｍ、高さＬ１０＝２０ｍｍの活物質未塗布部を延出させて負極リード１２とした。

〔切れ込みの形成〕
上記正極板１の正極リード１１には、図１（ａ）に示すように、切れ込み３５を形成しておくようにした。具体的には、図３に示すように、正極リード１１における正極板１側端縁から距離Ｌ１１＝４ｍｍ、該正極リード１１における外側端縁（正極板１の高さ方向に延びる一端縁に連続する側端縁；図３では左側端縁）から距離Ｌ１２＝５ｍｍの位置Ｅ１と、正極リード１１における正極板１側端縁から距離Ｌ１１＝４ｍｍ、該正極リード１１における内側端縁（図３では右側端縁）から距離Ｌ１３＝５ｍｍの位置Ｅ２と、正極リード１１における延出側端縁（図３では上側端縁）から距離Ｌ１４＝８ｍｍ、該正極リード１１における内側端縁（図３では右側端縁）から距離Ｌ１３＝５ｍｍの位置Ｅ３と、の３点を結ぶようにしてＬ字形状（図３ではＬ字を反時計回りに９０°回転した形状）の切れ込み３５を入れた。この切れ込み３５における位置Ｅ１から位置Ｅ２までを構成する横断部３５Ｔの長さＬ１５は２０ｍｍ、位置Ｅ２から位置Ｅ３までを構成する縦断部３５Ｌの長さＬ１６は８ｍｍである。

〔積層電極体の作製〕
上記正極板１が内部に配置された袋状セパレータ３を５０枚、負極板２を５１枚調製し、図４に示すように、該袋状セパレータ３と負極板２とを交互に積層した。その際、両端面部に負極板２が位置するようにした。ついで、図５に示すように、この積層体の両端面を形状保持のための絶縁テープ２６で接続して、積層電極体１０を得た。

〔集電端子の溶接〕
図６に示すように、積層された正極リード１１および負極リード１２のそれぞれの延出端部に、厚み０．５ｍｍのアルミニウム板よりなる正極集電端子１５ならびに厚み０．５ｍｍの銅板よりなる負極集電端子１６を、それぞれ超音波溶接法により溶接点３１Ｗ、３２Ｗで接合した。

〔外装体への封入〕
図７に示すように、あらかじめ電極体が設置できるように成形した２枚のラミネートフィルム１７で構成した外装体１８に、上記積層電極体１０を挿入し、正極集電端子１５および負極集電端子１６のみが外装体１８より外部に突出するよう正極集電端子１５および負極集電端子１６がある辺を熱融著するとともに、残りの３辺の内、２辺を熱融着した。

〔電解液の封入、密封化〕
上記外装体１８の熱溶着していない１辺から、エチレンカーボネート（ＥＣ）とメチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）とが体積比で３０：７０の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ_６が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解された電解液を注入し、最後に熱溶着していない１辺を熱溶着することにより電池を作製した。

＜本発明電池の効果＞
１．上記発明を実施するための形態で説明した電池（以下、本発明電池Ａと称する）は、５０枚の正極板１と５１枚の負極板２とがセパレータ３ａを介して交互に積層され、各極板１、２から延出した正極リード１１および負極リード１２が正極集電端子１５および負極集電端子１６にそれぞれ積層して接合された積層式電池であって、図３に示すように、上記正極リード１１に切れ込み３５が形成され、当該リード１１を通過する電流が該切れ込み３５によって複数（２つ）の経路Ｄ１、Ｄ２に分岐して流れ、該複数の経路Ｄ１、Ｄ２のうちの一方の経路Ｄ１における最大電流密度が、他方の経路Ｄ２における最大電流密度の１．５倍以上となっている構成となっている。上記のように一方の経路Ｄ１における最大電流密度が他方の経路Ｄ２における最大電流密度の１．５倍以上となることは、後述するアルミニウム箔の通電試験の結果からも明らかである。

上記本発明電池Ａの構成によれば、切れ込み３５を形成することによって、最大電流密度の差が１．５倍以上となっている一対の電流経路Ｄ１、Ｄ２、即ち電流密度の不均一な複数（２つ）の経路Ｄ１、Ｄ２がリード１１に形成されているため、内部短絡が生じて図３に矢印Ｙ１で示す方向に大電流が流れ込んだ場合、電流が部分的に経路Ｄ１に集中して流れ、その結果、電流密度が最も高い部位（経路Ｄ１）でリード１１が溶断し、この後、電流密度が次に高い部位（経路Ｄ２）に電流が集中することとなってこの部位（経路Ｄ２）でもリード１１が溶断することとなる。こうして、電流密度が最も高い部位（経路Ｄ１）から順次リード１１が溶断していくようにすることで、リード１１の断面積を小として抵抗値を上げたりすることなく、低い電流値でリード１１を溶断させることが可能となっている。

またこのとき、正極リード１１に切れ込み３５を形成しただけとなっているため、簡潔な構成で容易に本発明電池Ａの安全性が確保されている。

図８は、本発明電池Ａと同様の積層式電池の正極リードが溶断する原理を示す概略回路図である。同図に示す積層式電池においては、多数枚の正極板Ｐ１、Ｐ２、・・・、Ｐｎが全て接続されるとともに、多数枚の負極板Ｎ１、Ｎ２、・・・、Ｎｎが全て接続された並列接続となっている。ここで、仮に、これらのうちの１対である正極板Ｐ２と負極板Ｎ２とが図中の×印で示す箇所Ｓ１で短絡したとすると、他の全ての正極板Ｐ１、Ｐ３、・・・、Ｐｎと負極板Ｎ１、Ｎ３、・・・、Ｎｎとの間でも、この短絡箇所Ｓ１で短絡して環状に閉じたショート回路がそれぞれ形成され、その結果、これら他の全ての正極板Ｐ１、Ｐ３、・・・、Ｐｎから電流Ｃ１、Ｃ３、・・・Ｃｎが一斉に集中し大電流となって短絡箇所Ｓ１を流れること（回り込み電流）となり、これにより、はじめに短絡した正極板Ｐ２の正極リードＰＬ２が切れ込みにより溶断して（図中の●印）、この短絡箇所Ｓ１における電流が遮断される。

２．また、切れ込み３５が、リード１１の一方（左）側縁近傍から他方（右）側縁近傍まで、内部短絡が生じたときにリードを流れる電流を横断する方向（即ち電流方向Ｙ１に対し９０°の角度をなして交差する幅Ｌ３方向）に延びる横断部３５Ｔと、該横断部３５Ｔの一方端部（図３では右端部）Ｅ２から、内部短絡が生じたときに電流が流れる方向Ｙ１に対し実質的に反対方向（即ち電流方向Ｙ１を０°とした場合の１８０°の方向；図３では直上方）へ延びる縦断部３５Ｌとを有して実質的に鉤形状となるように形成されているので、図９の概念図に示すように、切れ込み３５とリード１１の両側縁との間にそれぞれ経路Ｄ１、Ｄ２が形成され、リード１１を通過する電流Ｃ１１がこれら両経路Ｄ１、Ｄ２に分岐して流れるようになっているが、このとき、切れ込み３５における横断部３５Ｔの一方端部（図９では右端部）Ｅ２には縦断部３５Ｌが形成されているため、この縦断部３５Ｌが形成された側の経路Ｄ２は他方側の経路Ｄ１よりも狭小に延びており、抵抗も高くて電流Ｃ１１が流れ込み難いものとなっている。したがって、図９（ａ）に示すように、リード１１を通過する電流Ｃ１１が他方側の経路Ｄ１に優先的に流れてこの他方側の部位Ｓ１１すなわち切れ込み３５における横断部３５Ｔの他方端部（図９では左端部）Ｅ１とリード１１の一方（左）側縁との間の部位Ｓ１１でリード１１が溶断しやすくなっており、これによりリード１１が容易かつ確実に溶断できるようになっている。図９（ｂ）に示すように、上記部位Ｓ１１でリード１１が溶断した後は、縦断部３５Ｌが形成された側の経路Ｄ２が唯一の経路となってこの経路Ｄ２に電流Ｃ１１が集中して流れ込み、この経路Ｄ２内の部位でリード１１が溶断して、電流Ｃ１１が遮断されることとなる。

３．また、切れ込み３５の横断部３５Ｔおよび縦断部３５Ｌが直線状に延び、該切れ込み３５が全体としてＬ字形状、即ち直線が１点Ｅ２で一方側へ直角に屈曲した形状となるように形成されているので、両経路Ｄ１、Ｄ２への電流Ｃ１１の流れ込みやすさの差がより大きくなっており、したがってリード１１がより容易かつ確実に溶断し得るようになっている。

＜アルミニウム箔の通電試験＞
電池の正極リードないし負極リードに大電流が流れることを模擬し、アルミニウム箔よりなる試験片に電流を流してアルミニウム箔の溶断しやすさを以下のようにして調べた。

［試験片の調製］
図１０（ａ）〜（ｅ）に示すように、５種類のアルミニウム箔(厚み：１０μｍ)よりなる試験片Ｆ１１〜Ｆ１５を調製した。

試験片Ｆ１１：図１０（ａ）の試験片Ｆ１１は、幅Ｌ１７＝３０ｍｍ、長さＬ１８＝１５０ｍｍの短冊形（長方形）状であり、切れ込みは形成していない。

試験片Ｆ１２：図１０（ｂ）の試験片Ｆ１２は、上記試験片Ｆ１と同じく幅Ｌ１７＝３０ｍｍ、長さＬ１８＝１５０ｍｍの短冊形（長方形）状であるが、一方端から距離Ｌ１９＝７５ｍｍ、一方長辺から距離Ｌ２０＝５ｍｍの位置Ｅ４から、上記一方端から距離Ｌ１９＝７５ｍｍ、他方長辺から距離Ｌ２１＝５ｍｍの位置Ｅ５まで、試験片Ｆ１２の幅Ｌ１７方向に沿って直線状に延びる長さＬ２２＝２０ｍｍの切れ込みＭ１１を入れた。

試験片Ｆ１３：図１０（ｃ）の試験片Ｆ１３は、上記試験片Ｆ１と同じく幅Ｌ１７＝３０ｍｍ、長さＬ１８＝１５０ｍｍの短冊形（長方形）状であるが、一方端から距離Ｌ２３＝７５ｍｍ、一方長辺から距離Ｌ２４＝１０ｍｍの位置Ｅ６から、一方端から距離Ｌ２３＝７５ｍｍで他方長辺上にある位置Ｅ７まで、試験片Ｆ３の幅Ｌ１７方向に沿って直線状に延びる長さＬ２５＝２０ｍｍの切れ込みＭ１２を入れた。

試験片Ｆ１４：図１０（ｄ）の試験片Ｆ１４は、上記試験片Ｆ１と同じく幅Ｌ１７＝３０ｍｍ、長さＬ１８＝１５０ｍｍの短冊形（長方形）状であるが、一方端から距離Ｌ２６＝６６．３ｍｍ、一方長辺から距離Ｌ２７＝５ｍｍの位置Ｅ８から、他方端から距離Ｌ２８＝５３．７ｍｍ、上記一方長辺から距離Ｌ２７＝５ｍｍの位置Ｅ９まで、試験片Ｆ１４の長さＬ１８方向に沿って直線状に延びる長さＬ２９＝３０ｍｍの縦断部Ｍ１３Ｌと、該縦断部Ｍ１３Ｌにおける後者の位置Ｅ９から、上記他方端から距離Ｌ２８＝５３．７ｍｍ、他方長辺から距離Ｌ３０＝５ｍｍの位置Ｅ１０まで、試験片Ｆ１４の幅Ｌ１７方向に沿って直線状に延びる長さＬ３１＝２０ｍｍの横断部Ｍ１３Ｔと、から構成されるＬ字形状の切れ込みＭ１３を入れた。

試験片Ｆ１５：図１０（ｅ）の試験片Ｆ１５は、上記試験片Ｆ１と同じく幅Ｌ１７＝３０ｍｍ、長さＬ１８＝１５０ｍｍの短冊形（長方形）状であるが、一方端から距離Ｌ３２＝６６．３ｍｍ、一方長辺から距離Ｌ３３＝５ｍｍの位置Ｅ１１から、試験片Ｆ１５の長さＬ１８方向にほぼ沿って内側に僅かに湾曲するように緩やかに傾斜しながら延びて縦断部Ｍ１４Ｌを形成した後、該縦断部Ｍ１４Ｌに対し直角よりやや大きい鈍角をなす方向に向かって湾曲するように屈曲し、試験片Ｆ１５の幅Ｌ１７方向にほぼ沿って、他方端から距離Ｌ３４＝５３．７ｍｍ、他方長辺から距離Ｌ３５＝５ｍｍの位置Ｅ１２まで、内側に僅かに湾曲するように緩やかに傾斜しながら延びて横断部Ｍ１４Ｔを形成し、全体的に曲線で構成され中央部で丸く屈曲した概略Ｊ字形状をなす、実質的に鉤形状の切れ込みＭ１４を入れた。即ち、上記切れ込みＭ１４においては、横断部Ｍ１４Ｔと縦断部Ｍ１４Ｌとの交差角部が曲線状に形成されている。

［通電試験］
上記５種類の試験片Ｆ１１〜Ｆ１５のそれぞれにおける両端の幅方向中央に端子を接続し、図１０に矢印Ｙ１１で示すように、各試験片Ｆ１１〜Ｆ１５の一方端から他方端へ（図１０では左端から右端へ）電流が流れるようにして、電流値を４０Ａ、５０Ａ、８０Ａと段階的に上げていきながら通電した。また、これらの試験片Ｆ１１〜Ｆ１５の両端での１ｋＨｚの抵抗値を測定した。結果を表１に示す。

表１に示す通り、短冊形状で切れ込みを形成していない試験片Ｆ１１は、抵抗値は１５．６ｍΩと最も低いが、溶断する電流値も８０Ａと最も高い。切れ込みＭ１１〜Ｍ１４をそれぞれ入れた試験片Ｆ１２〜Ｆ１５は、抵抗値はそれぞれ１６．５ｍΩ〜１６．８ｍΩの範囲内にあってあまり変わらないが、溶断する電流値は、実質的に鉤形状の切れ込みＭ１３、Ｍ１４をそれぞれ入れた試験片Ｆ１４、Ｆ１５が４０Ａと最も低い。したがってこれら試験片Ｆ１４、Ｆ１５のほうが、切れ込みＭ１１、Ｍ１２によって単に断面積を狭くした構成の試験片Ｆ１２、Ｆ１３よりも、異常電流が流れた場合にいっそう確実に溶断することができる。また上述の通り、切れ込みＭ１１〜Ｍ１４をそれぞれ入れた試験片Ｆ１２〜Ｆ１５の抵抗値は同等であるから、これらのうち実質的に鉤形状の切れ込みＭ１３、Ｍ１４とした試験片Ｆ１４、Ｆ１５の構成によっても、ハイレート充放電特性は低下しない。

表２に、試験片Ｆ１１〜Ｆ１５に４０Ａの電流値で通電したときの、以下の各部位Ｄ１１〜Ｄ１８を通過する電流値および電流密度を示す。
Ｄ１１：試験片Ｆ１１の中央部
Ｄ１２、Ｄ１３：試験片Ｆ１２における切れ込みＭ１１の両端Ｅ４、Ｅ５と両長辺との間の部位
Ｄ１４：試験片Ｆ１３における切れ込みＭ１２と一方長辺との間の部位
Ｄ１５、Ｄ１６：試験片Ｆ１４における切れ込みＭ１３の横断部Ｍ１３Ｔの両端Ｅ９、Ｅ１０と両長辺との間の部位
Ｄ１７、Ｄ１８：試験片Ｆ１５における切れ込みＭ１４の両端Ｅ１１、Ｅ１２と両長辺との間の部位

表２に示す通り、切れ込みを形成していない試験片Ｆ１１では電流密度は１３３Ａ／ｍｍ^２と最も低くなっている。また、試験片Ｆ１２においては、切れ込みＭ１１の両側の部位Ｄ１２、Ｄ１３のそれぞれには同一幅Ｌ２０＝Ｌ２１＝５ｍｍの電流経路が形成されているから、各部位Ｄ１２、Ｄ１３における電流密度はいずれも４００Ａ／ｍｍ^２で均等となっている。また、試験片Ｆ１３においては、切れ込みＭ１２と一方長辺との間の部位Ｄ１４に形成された幅Ｌ２４＝１０ｍｍの電流経路に全電流４０Ａが集中して流れるため、電流密度は４００Ａ／ｍｍ^２となっている。

一方、実質的に鉤形状の切れ込みＭ１３、Ｍ１４をそれぞれ入れた試験片Ｆ１４、Ｆ１５においては、縦断部Ｍ１３Ｌ、Ｍ１４Ｌが形成された側の部位Ｄ１６、Ｄ１８におけるよりも、その反対側の部位Ｄ１５、Ｄ１７におけるほうが電流密度が高くなっている。具体的には、Ｌ字形状の切れ込みＭ１３を入れた試験片Ｆ１４においては、縦断部Ｍ１３Ｌ形成側と反対側の部位Ｄ１５における電流密度は５６０Ａ／ｍｍ^２で最も高く、縦断部Ｍ１３Ｌ形成側の部位Ｄ１６における電流密度２４０Ａ／ｍｍ^２の約２．３倍となっている。曲線状で概略Ｊ字形をなす実質的に鉤形状の切れ込みＭ１４を入れた試験片Ｆ１５においては、縦断部Ｍ１４Ｌ形成側と反対側の部位Ｄ１７における電流密度は４８０Ａ／ｍｍ^２であり、縦断部Ｍ１４Ｌ形成側の部位Ｄ１８における電流密度３２０Ａ／ｍｍ^２の１．５倍となっている。

（その他の事項）
（１）上記本発明電池Ａでは、切れ込み３５が、リード１１の一方側縁近傍から他方側縁近傍まで、内部短絡時の電流を直角に横断する方向（幅Ｌ３方向）に直線状に延びる横断部３５Ｔと、該横断部３５Ｔの一方端部Ｅ２から、内部短絡時の電流方向Ｙ１に対し反対方向（図３では直上方）へ直線状に延びる縦断部３５Ｌとを有してＬ字形状となるように形成されているが、横断部ないし縦断部が延びる方向は上記のような方向に限定されない。即ち、例えば図１１に示す正極板３６の正極リード３７に形成されたＬ字形状の切れ込み３８において、横断部３８Ｔが内部短絡時の電流方向Ｙ２１に対してなす角度θ２１は、４５°〜９０°、より望ましくは７０°〜９０°程度であればよく、また、電流方向Ｙ２１を０°とした場合の縦断部３８Ｌの方向をθ２２とすると、θ２２は±１６０°〜±１８０°、より望ましくは±１７０°〜±１８０°程度であればよい。

また、切れ込みの形状としては上記のようなＬ字形状以外にも、例えば前記試験片Ｆ１５の切れ込みＭ１４のように、曲線で構成された鉤形状としてもよく、さらには、当該切れ込みを入れることによりリードに複数の電流経路が形成されてこれら電流経路における電流密度が不均一となるようなものであれば、鉤形状以外にも任意の形状が可能である。

（２）上記本発明電池Ａでは、正極リード１１のみに切れ込み３５が形成されているが、切れ込みは負極リードのみに形成するようにしても、あるいは正極リードおよび負極リードの両方に形成するようにしてもよい。ただし、正極リードおよび負極リードの材質や厚みにより溶断しやすさに相違がある場合には、より溶断しやすいリードのみに切れ込みを入れるのが好ましい。

（３）上記本発明電池Ａは、複数（５０枚）の正極板１および複数（５１枚）の負極板２が電池内で並列に接続された積層式電池となっており、この積層式電池では、前記図８の概略回路図を参照して説明した通り、いずれか１箇所で正極板１と負極板２との間に短絡が生じると回り込み電流が生じるため、正極リード１１に切れ込み３５を形成しておくことによって効果的に電池の安全性が確保されるようになっている。これに対し、例えば渦巻状の電極体を有底筒状の外装体に封入した渦巻式の電池等の場合には、正極と負極が電池内で並列に接続された構成とはなっていないため、回り込み電流が生じることはない。しかしながら、このように正極と負極が電池内で並列に接続された構成とはなっていない電池であっても、この電池を複数個並列に接続して組電池として構成した場合には、この組電池を構成する素電池（単電池）のうちのいずれかに短絡が生じると、これ以外の素電池（単電池）からの回り込み電流が生じ得るので、この組電池の素電池（単電池）における正負極集電リード、正負極集電端子等や素電池（単電池）同士を接続する導体等のうちの少なくとも１箇所、即ち、各素電池（単電池）間で正極同士を電気的に接続する導体および負極同士を電気的に接続する導体のうちの少なくとも一つの導体に切れ込みを形成し、当該導体を通過する電流が該切れ込みによって複数の経路に分岐して流れ、該複数の経路のうちのいずれかの経路における最大電流密度が、他のいずれかの経路における最大電流密度の１．５倍以上となるようにすると、１個の積層式電池の場合と同様に、簡潔な構成により、抵抗を上昇させることなく、短絡により回り込み電流が生じた際に効果的に電流を遮断し得る機構を構成することができる。

組電池の場合、切れ込みは、上記積層式電池の場合と同様にして導体に形成すればよい。この場合、例えば、導体の適宜な箇所にアルミニウム箔等の金属箔よりなる薄層部を設け、この薄層部に切れ込みを入れるようにしてもよい。

図１２は、組電池の一例を示す斜視図である。同図に示す組電池Ａ１は、素電池（単電池）である複数（５個）の積層式電池Ａ１０が並列に接続された構成となっている。上記複数（５個）の積層式電池Ａ１０の正極集電端子Ａ１１は正極導体４１により電気的に接続され、負極集電端子Ａ１２は負極導体４２により電気的に接続されている。なお、図中の４３は、各積層式電池Ａ１０の間に介装されたスペーサである。

上記正極集電端子Ａ１１には、切れ込み４４が形成されている。該切れ込み４４は、図１３に示すように、幅Ｌ５１＝３０ｍｍ、長さＬ５２＝４０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの矩形（長方形）状のアルミニウム板よりなる正極集電端子Ａ１１における積層式電池Ａ１０側端縁から距離Ｌ５３＝２０ｍｍ、該正極集電端子Ａ１１における外側端縁（積層式電池Ａ１０の高さ方向に延びる一側端縁に近接する側端縁；図１３では左側端縁）から距離Ｌ５４＝５ｍｍの位置Ｅ２０と、正極集電端子Ａ１１における積層式電池Ａ１０側端縁から距離Ｌ５３＝２０ｍｍ、該正極集電端子Ａ１１における内側端縁（図１３では右側端縁）から距離Ｌ５５＝５ｍｍの位置Ｅ２１と、正極集電端子Ａ１１における延出側端縁（図１３では上側端縁）から距離Ｌ５６＝１２ｍｍ、該正極集電端子Ａ１１における内側端縁（図１３では右側端縁）から距離Ｌ５５＝５ｍｍの位置Ｅ２２と、の３点を結ぶようにして、Ｌ字形状（図１３ではＬ字を反時計回りに９０°回転した形状）の切れ込みとした。この切れ込み４４における位置Ｅ２０から位置Ｅ２１までを構成する横断部４４Ｔの長さＬ５７は２０ｍｍ、位置Ｅ２１から位置Ｅ２２までを構成する縦断部４４Ｌの長さＬ５８は８ｍｍである。なお図１３に示す矢印Ｙ４１は、内部短絡が生じたときに電流が流れる方向（図１３では下方）である。

上記のように切れ込みを形成した組電池の構成は、渦巻式の電池等のように正極と負極が電池内で並列に接続された構成とはなっていない電池を素電池（単電池）として構成される組電池の安全性を確保するのに特に有用である。ただし、正極と負極が電池内で並列に接続された積層式電池を素電池（単電池）として構成される組電池の場合にも、同様にして切れ込みを形成するようにしてもよい。この組電池において、正極集電端子および負極集電端子のうちの少なくとも一方の集電端子に切れ込みを形成し（以下、このような切れ込みを「集電端子切れ込み」とも称す）、各素電池（単電池）における正極リードおよび負極リードのうちの少なくとも一方のリードに切れ込みを形成（以下、このような切れ込みを「リード切れ込み」とも称す）しない場合、素電池（単電池）１個につき１つの切れ込みを形成するだけでもよく、そのぶん加工の手間が大幅に少なくて済むものの、内部短絡が生じたときに集電端子が溶断することにより、この短絡を生じた素電池（単電池）全体が絶縁されて機能を喪失するのに対し、リード切れ込みのみを形成した場合には、内部短絡が生じたときにリードが溶断することにより、短絡した極板のみが絶縁されるので、これ以外の極板は発電要素として機能を喪失することがなく、したがって素電池（単電池）全体としては機能を維持することができる。しかしながら、リード切れ込みおよび集電端子切れ込みの双方を形成しておくようにすれば、切れ込みが二重に形成されることとなるので、安全性の点で確実性がより高い構成とすることができる。

（４）正極活物質としては、上記ＬｉＣｏＯ₂に限定するものではなく、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄或いはこれらの複合体等であっても良い。また、負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛等が好適に用いられる。

（５）上記実施例では、全ての負極板２につき、負極集電体の両面に負極活物質層を形成したが、正極板と対向していない部位の負極活物質層（具体的には、最外に配置された負極板の外側に存在する負極活物質層）はなくても良い。このような構造とすれば、積層電極体の厚みが小さくなるので、電池をより高容量密度化できる。

本発明は、例えば、ロボット、電気自動車、バックアップ電源等に用いる電池に好適に適用することができる。

１ 正極板
１１ 正極リード
３５ 切れ込み
Ｃ１１ 電流
Ｄ１、Ｄ２ 電流経路

Claims (8)

1. 複数枚の正極板と負極板とがセパレータを介して交互に積層され、各極板から延出した正極リードおよび負極リードが正極集電端子および負極集電端子にそれぞれ複数枚積層して接合された積層式電池であって、 上記正極リードおよび負極リードのうちの少なくとも一方のリードに切れ込みが形成され、当該リードを通過する電流が該切れ込みによって複数の経路に分岐して流れ、該複数の経路のうちのいずれかの経路における最大電流密度が、他のいずれかの経路における最大電流密度の１．５倍以上となっていることを特徴とする積層式電池。
2. 前記切れ込みが、リードの一方側縁近傍から他方側縁近傍まで、内部短絡が生じたときにリードを流れる電流を横断する方向に延びる横断部と、該横断部の一方端部から、内部短絡が生じたときに電流が流れる方向に対し実質的に反対方向へ延びる縦断部とを有して実質的に鉤形状となるように形成されている、請求項１に記載の積層式電池。
3. 前記切れ込みの横断部および縦断部が直線状に延び、該切れ込みが全体として実質的にＬ字形状となるように形成されている、請求項２に記載の積層式電池。
4. 前記切れ込みにおける横断部と縦断部との交差角部が曲線状に形成されている、請求項２に記載の積層式電池。
5. 複数の電池が並列に接続されてなる組電池であって、
   上記各電池間で正極同士を電気的に接続する導体および負極同士を電気的に接続する導体のうちの少なくとも一つの導体に切れ込みが形成され、当該導体を通過する電流が該切れ込みによって複数の経路に分岐して流れ、該複数の経路のうちのいずれかの経路における最大電流密度が、他のいずれかの経路における最大電流密度の１．５倍以上となっていることを特徴とする組電池。
6. 前記切れ込みが、導体の一方側縁近傍から他方側縁近傍まで、内部短絡が生じたときに導体を流れる電流を横断する方向に延びる横断部と、該横断部の一方端部から、内部短絡が生じたときに電流が流れる方向に対し実質的に反対方向へ延びる縦断部とを有して実質的に鉤形状となるように形成されている、請求項５に記載の組電池。
7. 上記本発明の組電池において、前記切れ込みの横断部および縦断部が直線状に延び、該切れ込みが全体として実質的にＬ字形状となるように形成されている、請求項６に記載の組電池。
8. 前記切れ込みにおける横断部と縦断部との交差角部が曲線状に形成されている、請求項６に記載の組電池。

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