JP2013004212A - 電池短絡素子、二次電池、および二次電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】異常により二次電池内部の温度が過度に上昇した場合に、正極と負極とを確実に短絡させて安定的に放電させることのできる電池短絡素子を提供することを目的とする。
【解決手段】第一電極と第二電極とを有する二次電池に接続される電池短絡素子であって、第一電極側に接続され、箔状部材または板状部材から成る第一電気伝導体と、第二電極側に接続され、箔状部材または板状部材から成る第二電気伝導体と、第一電気伝導体と第二電気伝導体との間であって、第一電気伝導体と第二電気伝導体とが重なり合う領域に少なくとも配置される絶縁体とを備え、第一電気伝導体は、絶縁体を介して第二電気伝導体によって挟み込まれる挟込部分を少なくとも有し、絶縁体は、所定温度以上になると変形することにより第一電気伝導体と第二電気伝導体とを短絡させる電池短絡素子。
【選択図】図４Ｃ

Description

本発明は、二次電池に異常な温度上昇が起こった場合に、正極端子と負極端子とを短絡させることにより安全に放電させる電池短絡素子、並びに電池短絡素子を利用した二次電池および二次電池システムに関する。

近年、電気自動車の電源や電力貯蔵用の電池として、エネルギー密度が高く、かつ安全性の高いリチウムイオン二次電池が求められている。

このような、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が過充電などの異常時に、電池内部の温度が過度に上昇する場合があり、過度な温度上昇を抑えるために安全にエネルギーを放出させることが必要となる。

特許文献１では、板状の正極端子と、板状の負極端子と、正極端子と負極端子とに挟み込まれて接続される絶縁層とからなる短絡機構を二次電池に設けている。この絶縁層は、所定温度以上において溶融することにより正極端子と負極端子とを導通させる機能を有する。これにより短絡機構は、二次電池に異常が発生して所定温度以上となった場合に、二次電池の正極と負極とを短絡させる。

また、特許文献２では、正極端子と負極端子とを短絡させる絶縁部材として温度上昇により抵抗値が減少するＮＴＣ素子を利用している。さらに、特許文献２では、バイメタルを利用することにより二次電池の温度が上昇した場合に正極端子と負極端子とを短絡させるスイッチを利用するものが開示されている。

以上の特許文献１、２のように、電池の異常によって過度な熱が発生した場合に、短絡機構において絶縁層が正極端子と負極端子とを接続して短絡させることにより、安全にエネルギーを二次電池から放出させている。

特開２００８−１３０４５８号公報 特開２００５−０４４６２６号公報

しかしながら、特許文献１または特許文献２のような技術では、二次電池の異常時において、電池を速やかに安全化するために大電流で放電することは以下の観点から難しい。

特許文献１のような技術では、板状の正極端子と板状の負極端子とにより絶縁層を挟み込んだ構造であるため、振動などの衝撃を与えられた場合に絶縁層が外れて予期せぬ短絡が起こることは否定できず、耐振動性や耐衝撃性における信頼性の点で問題がある。また、この短絡機構は、正極端子および負極端子に外部から付勢力を与えられることを前提としており、絶縁層が溶融しても外部からの付勢力を与えられないと抵抗値が低減しにくい構成となっている。このため、この構成では、確実に短絡させて放電させることが難しい。このように、確実に短絡させるために外部から付勢力を与えるためのクリップなどが必要となることから、生産コストが増加する、構造が大型化するなどの問題がある。また、特許文献１のような技術では短絡機構（短絡素子）の短絡時の抵抗値の安定性および再現性の問題があるため、二次電池の異常時に緊急的に放電させることは難しい。

また、特許文献２のＮＴＣ素子を利用する技術では、少しの温度上昇によって抵抗値が低下するため、温度が高めの環境下において無用な放電をしてしまうという欠点がある。さらに、特許文献２の技術では、通常時においても電池の充電および放電に係る電流の一部が常にこの素子部分を流れるために電池抵抗が大きくなり、電池の高出力化を妨げることとなる。

同じく特許文献２のバイメタルスイッチを利用する技術では、バイメタルスイッチにより正極端子と負極端子とを短絡させるため、短絡する箇所が構造的に一点となる。しかし、バイメタルスイッチでは、上述のように短絡する箇所が構造的に一点となるため大電流を流せるような低い抵抗値とすることが難しく、短絡性能を確保することが困難である。バイメタルスイッチの短絡する箇所の面積を大きくし電池の安全化を図ろうとすると、バイメタルスイッチを大きくする必要があり、生産コストが増加してしまうといった問題がある。さらに、バイメタルスイッチの場合には、元々接触していない部分が、温度上昇があってスイッチ部分が変形し接触する事により短絡する。このため、短絡部分において振動や衝撃が与えられた場合に、短絡部分は、互いに接触しているのみで固着していないため、その抵抗値が変化しやすい。つまり、耐振動性や耐衝撃性が求められる用途においては、安定した抵抗値を得ることは難しく、短絡素子の信頼性にも問題があると考えられる。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、二次電池に異常が発生して電池内部の温度が過度に上昇した場合に、正極端子と負極端子とを確実に短絡させて安定的に放電させることのできる電池短絡素子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、本発明の一形態に係る電池短絡素子は、第一電極と第二電極とを有する二次電池に接続される電池短絡素子であって、前記第一電極側に電気的に接続され、箔状部材または板状部材から成る第一電気伝導体と、前記第二電極側に電気的に接続され、箔状部材または板状部材から成る第二電気伝導体と、少なくとも前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とが重なり合う領域において、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体との間に配置される絶縁体とを備え、前記第一電気伝導体は、前記絶縁体を介して前記第二電気伝導体によって挟み込まれる挟込部分を少なくとも有し、前記絶縁体は、所定温度以上になると前記絶縁体の一部又は全部が変形することにより前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とを短絡させる。

これによれば、第一電気伝導体が、絶縁体を介して第二電気伝導体によって挟みこまれる部分を少なくとも有しているため、絶縁体が振動などの衝撃によって外れることを防ぐことができる。このため、意図しない条件において第一電気伝導体と第二電気伝導体とが短絡することを防ぐことができる。また、第一電気伝導体と第二電気伝導体とは箔状部材または板状部材から成るため、絶縁体が所定温度以上となって変形した場合に、第一電気伝導体と第二電気伝導体とが接触する面積を大きくすることができる。このため、短絡時の短絡素子の抵抗を制御することが可能となる。さらに、一旦短絡が始まると、短絡点から発生するジュール熱により短絡面積が逐次的に拡大していくため、確実かつ安定した短絡性能を得ることができる。

また、好ましくは、前記挟込部分は、前記第一電気伝導体および前記第二電気伝導体が前記絶縁体を介して積層された状態で巻回されることにより形成される。

これによれば、第一電気伝導体および第二電気伝導体と絶縁体とが積層された状態で巻回されることにより挟み込み部分が形成されるため、第一電気伝導体と第二電気伝導体とが短絡時に接触する面積を十分に確保しつつ電池短絡素子をコンパクトにすることができる。また、短絡素子は、巻回構造から成るため、第一電気伝導体と第二電気伝導体とが平面に戻ろうとする復元力を利用することができ、第一電気伝導体と第二電気伝導体とが復元力により互いに密着した状態とすることができる。このため、絶縁体が所定温度以上となって変形した場合に、第一電気伝導体と第二電気伝導体とを確実に短絡させることができる。さらに、巻回構造の巻き数を調整することによって、第一電気伝導体と第二電気伝導体とが短絡時に接触する面積を調整することが容易である。つまり、第一電気伝導体と第二電気伝導体とに挟まれる絶縁体の面積を調整することにより、電池短絡素子の抵抗値を任意の値に設定することが容易となる。

また、前記絶縁体は複数枚であり、前記第二電気伝導体は複数枚であり、前記挟込部分は、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とが前記絶縁体を介して交互に積層されることにより形成されるようにすることもできる。

また、前記第一電気伝導体は複数枚であり、前記挟込部分は、前記複数枚の第一電気伝導体と、前記複数枚の第二電気伝導体とが、前記複数枚の絶縁体を介して交互に積層されることにより形成されるようにすることもできる。

また、前記挟込部分は、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とが前記絶縁体を挟んで、蛇腹状に折りたたまれることにより形成されるようにすることもできる。

また、好ましくは、前記所定温度は、前記二次電池が有するセパレータがシャットダウンする温度以下である。

これによれば、セパレータがシャットダウンする前に二次電池を正極端子と負極端子との間で短絡させることができるため、二次電池内のエネルギーを安全に放出させることができる。

また、好ましくは、前記絶縁体は、前記所定温度以上になると軟化、収縮、断裂または融解することにより、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とを接触させる。

これによれば、絶縁体は、所定温度以上になると軟化、収縮、断裂または融解するため、確実に第一電気伝導体と、第二電気伝導体とを接触させて、短絡させることができる。

また、好ましくは、第一電極と第二電極とを有する二次電池に接続される電池短絡素子であって、前記第一電極側に接続され、箔状部材または板状部材から成る第一電気伝導体と、前記第二電極側に接続され、箔状部材または板状部材から成る第二電気伝導体と、少なくとも前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とが重なり合う領域において、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体との間に配置される複数枚の絶縁体と、前記複数枚の絶縁体の間に配置され、箔状部材または板状部材から成る中間電気伝導体とを備え、前記絶縁体は、所定温度以上になると前記絶縁体の一部又は全部が変形することにより前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とを短絡させる。

これによれば、第一電気伝導体と第二電気伝導体との間に絶縁体フィルムを介して中間電気伝導体を挟み込んだ構造としても、絶縁体が所定温度になった場合に絶縁体が所定温度以上となって変形した場合に、第一電気伝導体と第二電気伝導体とが接触する面積を大きくすることができ確実に短絡させることができる。

また、好ましくは、前記第一電極は正極であり、前記第二電極は負極であり、前記第二電気伝導体と前記第二電極との第二距離は、前記第一電気伝導体と前記第一電極との第一距離よりも短い。

例えば二次電池おいて発生した熱は負極端子の素材の熱伝導率が大きいことが多く、負極端子から効率良く伝わる。このため、短絡素子部材を正極端子より負極端子に近づけて配置することにより、正極接続部材または負極接続部材において放出される熱による温度低下の影響がほとんどなくなる。このため、短絡素子部材は、より早く、正確に二次電池において異常な熱が発生していることを検知して、二次電池の正極端子と負極端子とを短絡させることができる。

また、本発明は、このような短絡素子として実現できるだけでなく、短絡素子を第一電極側と第二電極側とに配置した二次電池として実現することもできる。さらに、本発明は、複数の二次電池が接続されて成る二次電池モジュールと、二次電池モジュールの第一電極側と第二電極側とを接続する短絡素子とから成る二次電池システムとして実現することもできる。

本発明に係る電池短絡素子によれば、二次電池に異常が発生して電池内部の温度が過度に上昇した場合にのみ、正極端子と負極端子とを確実に短絡させて安定的に放電させることができる。

本発明の一実施形態に係る電池短絡素子を含む二次電池の概観を模式的に示す斜視図である。 筐体の壁部の一部を省略して二次電池の内部を模式的に示す斜視図である。 電池短絡素子の構成を示す斜視図である。 巻回構造とする前の過程における電池短絡素子の構成を示す図である。 巻回構造の電池短絡素子の外観図である。 正極接続部材または負極接続部材の長手方向に直交する面における巻回構造の短絡素子部材の断面図である。 他の実施形態に係る巻回構造とする前の過程における電池短絡素子の構成を示す図である。 他の実施形態に係る巻回構造の電池短絡素子の外観図である。 他の実施形態に係る正極接続部材または負極接続部材の長手方向に直交する面における巻回構造の短絡素子部材の断面図である。 他の実施形態に係る巻回構造とする前の過程における電池短絡素子の構成を示す図である。 他の実施形態に係る巻回構造の電池短絡素子の外観図である。 他の実施形態に係る正極接続部材または負極接続部材の長手方向に直交する面における巻回構造の短絡素子部材の断面図である。 他の実施形態に係る電池短絡素子の構成を示す斜視図である。 積層構造の短絡素子部材の外観図である。 正極接続部材または負極接続部材の長手方向に沿っておりかつ短手方向に直交する面における積層構造の短絡素子部材の断面図である。 折りたたみ構造の短絡素子部材の外観図である。 正極接続部材または負極接続部材の長手方向に直交する面における折りたたみ構造の短絡素子部材の断面図である。 正極接続部材または負極接続部材の長手方向に沿っておりかつ短手方向に直交する面における中間電気伝導体を有する短絡素子部材の断面図である。

本願発明の実施の形態における電池短絡素子について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本願発明に係る電池短絡素子の一例を示したものに過ぎない。したがって本願発明は、以下の実施の形態を参考に請求の範囲の文言によって範囲が画定されるものであり、以下の実施の形態のみに限定されるものではない。

図１は、電池短絡素子を含む二次電池の概観を模式的に示す斜視図である。図２は、筐体の壁部の一部を省略して二次電池の内部を模式的に示す斜視図である。

これらの図に示すように、二次電池１００は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる蓄電池であり、より具体的には、非水電解液二次電池（例えばリチウムイオン二次電池）等である。二次電池１００は、発電要素１０１と、筐体１０２と、電極端子１０３である第一電極としての正極端子１３１および第二電極としての負極端子１３２と、集電部材１０４である正極集電部材１４１および負極集電部材１４２と、電池短絡素子１０とを備えている。

電池短絡素子１０は、図３に示すように、正極接続部材１１と、負極接続部材１２と、短絡素子部材１３とにより構成される。図３は、電池短絡素子１０の構成を示す斜視図である。

正極接続部材１１は、二次電池１００の正極端子１３１と短絡素子部材１３とを接続する板状の金属部材である。つまり、正極接続部材１１は、正極端子１３１から短絡素子部材１３まで伸びる長方形状の板状部材である。負極接続部材１２は、二次電池１００の負極端子１３２と短絡素子部材１３とを接続する板状の金属部材である。つまり、負極接続部材１２は、負極端子１３２から短絡素子部材１３まで伸びる長方形状の板状部材である。正極接続部材１１および負極接続部材１２は、金属部材であり、本実施の形態ではアルミニウムから成る。

以下、図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃを用いて電池短絡素子１０について説明する。図４Ａは、巻回構造とする前の過程における電池短絡素子の構成を示す図である。図４Ｂは、巻回構造の電池短絡素子の外観図である。図４Ｃは、正極接続部材または負極接続部材の長手方向に直交する面における巻回構造の短絡素子部材１３の断面図である。

短絡素子部材１３は、図４Ａに示すように、絶縁体フィルム１４と、第一電気伝導体１５と、第二電気伝導体１６とから成る。第一電気伝導体１５および第二電気伝導体１６は、長方形の箔状の金属部材であり、本実施の形態ではアルミニウムから成る。第一電気伝導体１５の１辺の全てにおいて、正極接続部材１１が接続されており、第一電気伝導体１５は正極接続部材１１により正極端子１３１に電気的に接続される。第二電気伝導体１６の１辺の全てにおいて、負極接続部材１２が接続されており、第二電気伝導体１６は負極接続部材１２により負極端子１３２に電気的に接続される。なお、正極接続部材１１が第一電気伝導体１５に接続される箇所は第一電気伝導体１５の１辺の全てでなくとも電気的に接続されていればよく、当該１辺の一部であってもよい。これと同様に、負極接続部材１２についても、第二電気伝導体１６に接続される箇所は第二電気伝導体１６の１辺の全てでなくとも電気的に接続されていればよく、当該１辺の一部であってもよい。実施形態ですのでここでは一形態のみとなるように、接続部材が電気伝導体に接続される箇所を、１辺の全ての場合と１辺の一部の場合とに分けて記載しています。

絶縁体フィルム１４は、薄膜状の絶縁体であり、本実施の形態ではポリエチレンから成る。絶縁体フィルム１４は、図４Ａに示すように、２つ折りの状態で２つ折りの間に第一電気伝導体１５の全体が挟まれる。このように第一電気伝導体１５を絶縁体フィルム１４で挟み込んだものの外側に第二電気伝導体１６を配置することにより、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とが絶縁体フィルム１４を介して積層された状態としている。そして、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とが絶縁体フィルム１４を介して積層された状態で、短絡素子部材１３は、正極接続部材１１および負極接続部材１２を中心に、かつ、絶縁体フィルム１４が外側に、なるように１巻き以上巻き込むように巻回されることにより形成される。このように短絡素子部材１３を構成することで、第一電気伝導体１５は、絶縁体フィルム１４を介して第二電気伝導体１６によって挟み込まれる挟込部分を有することになる。

また、絶縁体フィルム１４は、短絡素子部材１３として構成される際に、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６との間であって、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とが重なり合う領域に少なくとも配置される。このように絶縁体フィルム１４を配置することにより、短絡素子部材１３内部において第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とは電気的に絶縁された状態となる。

そして、絶縁体フィルム１４は、所定温度（本実施の形態では８５℃）以上になると軟化、収縮、断裂または融解することにより変形し、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とを短絡させる。このとき、短絡素子部材１３の抵抗値（Ω）は、短絡前に比べて５桁以上低下する。

このように、本実施の形態の二次電池１００によれば、第一電気伝導体１５が、絶縁体フィルム１４を介して第二電気伝導体１６によって挟みこまれる部分を少なくとも有している。このため、絶縁体フィルム１４が振動などの衝撃によって外れることを防ぐことができる。このため、意図しない条件において第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とが短絡することを防ぐことができる。

また、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とは箔状部材から成るため、２枚の絶縁体フィルム１４が所定温度以上となって軟化、収縮、断裂または融解した場合に、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とが接触する面積を大きくすることができ確実に短絡させることができる。

また、本実施の形態における短絡素子部材１３は、１枚の絶縁体フィルム１４に第一電気伝導体１５が挟まれた状態で、第二電気伝導体１６と積層されて、巻回されて成るこのため、短絡素子部材１３の巻回構造の中心側部分が外側に広がろうとする復元力によって、短絡素子部材１３の外側の部分と中心側の部分とが近づこうとする。つまり、第一電気伝導体１５と、第二電気伝導体１６との間には、互いに近づくような付勢力が働いている。このような状態で、絶縁体フィルムが変形すると、さらに確実に第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とを短絡させることができる。また、短絡素子部材１３を巻回構造とすることにより、後述する積層構造や折りたたみ構造の短絡素子部材よりも耐震性および耐衝撃性が優れたものすることができる。

また、本実施の形態における短絡素子部材１３は、正極接続部材１１および負極接続部材１２を中心にして、第一電気伝導体１５、第二電気伝導体１６、および絶縁体フィルム１４を巻き込んだ巻回構造としている。このように、二次電池１００からの熱を伝導する正極接続部材１１および負極接続部材１２を短絡素子部材１３の中心に配置することにより、短絡素子部材１３における正極接続部材１１および負極接続部材１２からの放熱を防ぐことができる。このため、二次電池１００から異常な熱が発生した場合に、短絡素子部材１３に伝わった熱が放熱されることを軽減でき、確実に絶縁体フィルム１４に伝えることができる。これにより、より確実に短絡素子部材１３の内部において、二次電池１００において異常が発生したことを検知して、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とを短絡させることができる。

本実施の形態における短絡素子部材１３は、長方形状の第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６との間に、同じく長方形状の絶縁体フィルム１４を配置することにより、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とを絶縁している。このため、第一電気伝導体１５、第二電気伝導体１６、および絶縁体フィルム１４の面積（つまり、接触する面積）を調整することにより、絶縁状態における抵抗値と、短絡状態を想定した抵抗値とを容易に調整することができる。このため、二次電池１００の容量の大きさに応じて、最適な抵抗値をもつ短絡素子部材１３を製造することが容易となる。

このように、本実施の形態における電池短絡素子１０は、所定温度以上になると、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とを確実に短絡させることができるため、二次電池１００が過充電時などに異常な温度になった場合に、過充電中の入力電流を逃がしつつ、電池のエネルギーを安全に放出させることができる。

上記実施の形態では、短絡素子部材１３は、１枚の絶縁体フィルム１４を使用して構成しているが、絶縁体フィルム１４を２枚使用してもよい。この場合には、短絡素子部材１３の製造時に、図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃに示すように、絶縁体フィルム１４（１枚目：第一絶縁体）、第一電気伝導体１５、絶縁体フィルム１４（２枚目：第二絶縁体）、および第二電気伝導体１６がこの順に積層される。そして、積層された状態で、短絡素子部材１３は、正極接続部材１１および負極接続部材１２を中心に、かつ、１枚目の絶縁体フィルム１４（第一絶縁体）が外側に、なるように１巻き以上巻き込むように巻回して、少なくとも外側の辺が留められることにより形成される。このように短絡素子部材１３を構成することで、第一電気伝導体１５は、２枚の絶縁体フィルム１４を介して第二電気伝導体１６によって挟み込まれる挟込部分を有することになる。

上記実施の形態では、短絡素子部材１３は、正極接続部材１１および負極接続部材１２の両方が巻回構造の中心となるように形成されているがこれに限らずに、図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃのように、正極接続部材１１および負極接続部材１２のうちの一方を巻回構造の中心となるように形成してもよい。また、図示しないが、正極接続部材１１および負極接続部材１２の両方を巻回構造の外側となるように形成してもよい。

上記実施の形態では、特に言及していないが、短絡素子部材１３は、図７のように負極側に配置されるように構成してもよい。つまり、第二電気伝導体１６と負極端子１３２との第二距離は、第一電気伝導体１５と正極端子１３１との第一距離よりも短い。なお、この場合の第一距離は、第一電気伝導体１５と正極端子１３１とを電気的（または熱的）に接続する物質における距離であり、本実施の形態では正極接続部材１１の長さである。このことは、第二距離についても同じことが言え、第二距離は、第二電気伝導体１６と負極端子１３２とを電気的（または熱的）に接続する物質における距離であり、本実施の形態では負極接続部材１２の長さである。二次電池１００において、負極端子１３２は正極端子１３１よりも熱伝導性の大きい銅で構成されることが多い。このような場合には特に、二次電池１００において発生した熱は負極端子から効率良く伝わるため、短絡素子部材１３を正極端子より負極端子に近づけて配置することにより、正極接続部材１１または負極接続部材１２において放出される熱による温度低下の影響がほとんどなくなる。このため、短絡素子部材１３は、より早く、正確に二次電池１００において異常な熱が発生していることを検知して、二次電池１００の正極端子と負極端子とを短絡させることができる。

また、第二電気伝導体１６と負極端子１３２との距離を第一電気伝導体１５と正極端子１３１との距離よりも近づける事に限定されない。例えば、負極端子１３２に接続される第二電気伝導体１６を素早く高温にするために、負極接続部材１２の熱伝導性を高めてもよい。具体的には、負極接続部材１２の素材を銅にすることにより、負極接続部材１２の熱伝導率を正極接続部材１１の熱伝導率よりも大きくするような構成としてもよい。なお、この場合には、二次電池１００に生じた熱を第二電気伝導体１６へ伝えて、第二電気伝導体１６の温度を上げることにより、絶縁体フィルム１４が所定温度以上にすることが目的である。このため、第二電気伝導体１６と負極端子１３２とを接続する負極接続部材１２には、第二電気伝導体１６以外の部分への熱の放出を避けるために断熱処理または遮熱処理を行うこともできる。

上記実施の形態では、特に言及していないが、短絡素子部材１３は、その外側がラミネート部材で覆われて構成されてもよい。このように、短絡素子部材１３が構成されることにより、短絡素子部材１３は、外側に配置される絶縁体フィルム１４の辺を留めなくともよい。つまり、短絡素子部材１３の外側にラミネート部材をかぶせることにより、短絡素子部材１３の中心から働く復元力を利用して抑えつけることが容易にできる。また、短絡素子部材１３の全体を覆うため第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とが予期せずに短絡することを確実に防ぐことができる。

上記実施の形態では、短絡素子部材１３は、第一電気伝導体１５と、第二電気伝導体１６と、絶縁体フィルム１４とが積層されて巻きつけられて巻回構造を形成することにより、第一電気伝導体１５において絶縁体フィルム１４を介して第二電気伝導体によって挟み込まれる挟込部分が生じているが巻回構造に限定されない。

例えば、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、複数の（３枚の）第一電気伝導体１５ａと、複数の（３枚の）第二電気伝導体１６ａとを複数の絶縁体フィルム１４ａを介して交互に積層させることにより、挟込部分を形成した短絡素子部材１３ａとしてもよい。なお、図８Ａは、積層構造の短絡素子部材１３ａの外観図であり、図８Ｂは、正極接続部材または負極接続部材の長手方向に沿っておりかつ短手方向に直交する面における積層構造の短絡素子部材１３ａの断面図である。なお、この場合に、積層される複数の第一電気伝導体１５ａは、正極側接続部分２０により導通された状態とされ、正極側接続部分２０が正極接続部材１１と接続される。これにより、複数の第一電気伝導体１５ａは、正極端子１３１と接続される。同様にして、積層される複数の第二電気伝導体１６ａは、負極側接続部分２１により導通された状態とされ、負極側接続部分２１が負極接続部材１２と接続される。これにより、複数の第二電気伝導体１６ａは、負極端子１３２と接続される。なお、正極側接続部分２０および負極側接続部分２１は、金属部材であり、第一電気伝導体１５ａおよび第二電気伝導体１６ａと同様の材料から成る。

また、例えば、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、１枚の箔状の第一電気伝導体１５ｂと、１枚の箔状の第二電気伝導体１６ｂとを１枚の薄膜状の絶縁体フィルム１４ｂを介して積層し、積層した状態で蛇腹状に折りたたむことにより、挟込部分を形成してもよい。なお、図９Ａは、折りたたみ構造の短絡素子部材１３ｂの外観図であり、図９Ｂは、正極接続部材または負極接続部材の長手方向に直交する面における折りたたみ構造の短絡素子部材１３ｂの断面図である。なお、この場合に、第一電気伝導体１５ｂの１辺には正極接続部材１１が接続され、第二電気伝導体１６ｂの１辺には負極接続部材１２が接続される。

また、例えば、図１０に示すように、１枚の中間電気伝導体１７を２枚の絶縁体フィルム１４ｃで挟みこんで形成した絶縁体層をさらに、１枚の箔状の第一電気伝導体１５ｃと、１枚の第二電気伝導体１６ｃとにより挟んだ短絡素子部材１３ｃとしてもよい。また、中間電気伝導体１７を図１０のように積層した状態から、上述したような巻回構造や、折りたたみ構造の短絡素子部材を形成してもよい。

図１０は、正極接続部材１１または負極接続部材１２の長手方向に沿っておりかつ短手方向に直交する面における中間電気伝導体１７を有する短絡素子部材１３ｃの断面図である。なお、中間電気伝導体１７の素材は電気伝導性を有するものであればよく、第一電気伝導体１５ｃおよび第二電気伝導体１６ｃと同じであってもよいし、異なる素材であってもよい。また、中間電気伝導体１７は、正常時の二次電池において、第一電気伝導体１５ｃ及び第二電気伝導体１６ｃとは電気的に絶縁状態となる。そして、電池の異常時においては、２枚の絶縁体フィルム１４ｃが変形することにより第一電気伝導体１５ｃ及び第二電気伝導体１６ｃと電気的に接続され、第一電気伝導体１５ｃと第二電気伝導体１６ｃとを短絡させる。なお、中間電気伝導体１７は、第一電気伝導体１５ｃおよび第二電気伝導体１６ｃと電気的に絶縁状態となっていればよく、その位置は限定されるものではない。

また、第一電気伝導体１５ｃと第二電気伝導体１６ｃとによって挟まれる中間電気伝導体１７は、１枚に限らずに２枚以上であっても良い。なお、中間電気伝導体１７が２枚以上の場合には、以下の２通りの場合のいずれであってもよい。そのひとつは、それぞれの中間電気伝導体１７の間に絶縁体フィルム１４ｃが挟み込まれ、中間電気伝導体１７と第一電気伝導体１５ｃおよび第二電気伝導体１６ｃとの間にも絶縁体フィルム１４ｃが挟み込まれる場合である。もうひとつは、複数の中間電気伝導体１７が絶縁体フィルム１４ｃを介すること無く積層され、複数の中間電気伝導体１７と第一電気伝導体１５ｃおよび第二電気伝導体１６ｃとの間にも絶縁体フィルム１４ｃが挟み込まれる場合である。

図８Ａおよび図８Ｂ、または、図９Ａおよび図９Ｂのように、短絡素子部材を構成するようにしても、箔状部材および薄膜状部材を積層させて短絡素子部材を構成しているため、絶縁体フィルム１４ａ、１４ｂが所定温度以上となって軟化、収縮、断裂または融解した場合に、第一電気伝導体１５ａ、１５ｂと第二電気伝導体１６ａ、１６ｂとが接触する面積を大きくすることができ確実に短絡させることができる。また、上記実施形態と同様に、第一電気伝導体１５ａ、１５ｂが、絶縁体フィルム１４ａ、１４ｂを介して第二電気伝導体１６ａ、１６ｂによって挟みこまれる挟込部分を少なくとも有している。このため、絶縁体フィルム１４ａ、１４ｂが振動などの衝撃によって外れることを防ぐことができる。このため、意図しない条件において第一電気伝導体１５ａ、１５ｂと第二電気伝導体１６ａ、１６ｂとが短絡することを防ぐことができる。

上記実施の形態の電池短絡素子１０は、所定温度として８５℃以上で絶縁体フィルム１４が変形して第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とが短絡しているが、８５℃以上であって電池に使用するセパレータのシャットダウン温度以下であることが好ましい。電池に用いられるセパレータのシャットダウン温度としては、１２０〜１３０℃のものが多いが、この温度域よりも低温あるいは高温でシャットダウンが起こるものもある。これにより、二次電池１００が電池セパレータによりシャットダウンする以前に電池短絡素子１０が短絡することにより二次電池１００を放電させることができる。このため、より安全に二次電池１００のエネルギーを放出させることができる。

上記実施の形態の電池短絡素子１０は、２枚の絶縁体フィルム１４が第一電気伝導体１５および第二電気伝導体１６とともに積層されることにより形成されており、その積層方法について特に言及していないが例えば以下の方法が考えられる。

例えば第一電気伝導体１５および第二電気伝導体１６のいずれか一方においていずれかの面に絶縁体フィルムを接着し、絶縁体フィルムが接着された状態の第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とを積層することにより電池短絡素子１０を形成してもよい。つまり、第一電気伝導体１５において第二電気伝導体１６と接触する側の面、または、第二電気伝導体１６において第一電気伝導体１５と接触する側の面に絶縁体フィルムを接着する。

また、例えば、第一電気伝導体１５および第二電気伝導体１６のいずれか一方においていずれかの面に所定温度以上になると軟化、収縮、断裂または融解する塗布膜を絶縁体として塗布することにより、電池短絡素子１０を形成してもよい。つまり、第一電気伝導体１５において第二電気伝導体１６と接触する側の面、または、第二電気伝導体１６において第一電気伝導体１５と接触する側の面に絶縁体である塗布膜が塗布される。

これらのように電池短絡素子を構成すれば、第一電気伝導体１５または第二電気伝導体１６の少なくともいずれか一方と絶縁体フィルムとを密着させた状態に維持することができる。

また、例えば、袋状の絶縁体フィルムを第一電気伝導体１５または第二電気伝導体１６のいずれかにかぶせることにより第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とを積層させてもよい。これにより、確実に第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とを絶縁させることができ、容易に製造することができる。

上記実施の形態の電池短絡素子１０では、第一電気伝導体１５および第二電気伝導体１６はアルミニウムから成るが、これに限らずに、熱伝導性が高いものであればよい。例えば、第一電気伝導体１５および第二電気伝導体１６の少なくともどちらか一方が、アルミニウム、ニッケル、鉄、銅、およびステンレスのいずれかであればよい。また、同様に、正極接続部材１１および負極接続部材１２はアルミニウムから成るが、これに限らずに、熱伝導性が高いものであればよい。例えば、正極接続部材１１および負極接続部材１２の少なくともどちらか一方が、アルミニウム、ニッケル、鉄、銅、およびステンレスのいずれかであればよい。

上記実施の形態の電池短絡素子１０では、絶縁体フィルム１４は、ポリエチレンから成るが、これに限らずに、ポリプロピレンであってもよいし、パラフィンであってもよいし、ナイロンであってもよいし、ポリエチレン、ポリプロピレン、パラフィン、ナイロン、およびその他の樹脂のいずれかを混合した混合物であってもよい。また、絶縁体フィルム１４は、多孔質な材料から成るものであってもよい。

さらに、上記実施形態の絶縁体フィルム１４は、連続した面を有する薄膜状の部材であるが、面が連続していなくともよく、例えば、貫通した穴を有する形状であってもよい。このような形状の絶縁体フィルムを採用することにより、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６との間に絶縁体が挿入される領域と、空隙が挿入される領域とを設けることになる。これにより、第一電気伝導体１５と第二電気伝導体１６とを容易に短絡させることができるようになるため、電池短絡素子１０全体の抵抗を穴の大きさを変えることにより調整することができる。

上記実施の形態の電池短絡素子１０は、一つの二次電池１００の負極端子１３２と正極端子１３１とを短絡させるものであるが、一つの二次電池１００に限らずに、複数の二次電池を組み合わせたものに対して適用してもよい。例えば、電池短絡素子１０は、複数の二次電池が直列に接続された二次電池システムに対して適用してもよいし、複数の二次電池が並列に接続された二次電池システムに対して適用してもよいし、複数の二次電池が直並列に接続された二次電池システムに対して適用してもよい。

上記実施の形態の二次電池１００では、負極端子１３２と正極端子１３１とを一つの電池短絡素子１０により短絡可能な状態に接続しているが、これに限らずに、負極端子１３２と筐体１０２との間と、正極端子１３１と筐体１０２との間とをそれぞれ一つずつの電池短絡素子１０により短絡可能な状態に接続してもよい。筐体１０２は、電気導電性のある例えば金属部材により構成されている。このため、上記のような構成としても、二次電池１００に異常な熱が生じた場合に、負極端子１３２と筐体１０２とが短絡し、かつ、正極端子１３１と筐体１０２とが短絡することにより、負極端子１３２と正極端子１３１とを短絡させることができる。また、このように、２つの電池短絡素子１０により負極端子１３２と正極端子１３１とを短絡可能な状態に接続することで、何らかの異常により一方の電池短絡素子１０が短絡してしまっても、正常な状態の二次電池１００を短絡して放電することを防ぐことができる。

上記実施の形態の電池短絡素子１０では、特に言及していないが、さらに、例えば短絡素子部材１３の表面に一定温度以上になったら色が変化するサーモテープを貼ってもよい。このように、電池短絡素子１０を構成することにより、サーモテープの色の変化を、二次電池１００に異常が発生して電池短絡素子１０が作動したか否かを判定するための指標に利用することができる。

上記実施の形態の電池短絡素子１０では、第一電気伝導体１５は正極端子１３１と正極接続部材１１を介して接続され、第二電気伝導体１６は負極端子１３２と負極接続部材１２を介して接続されているが、これに限らずに、第一電気伝導体１５が負極端子１３２と接続され、第二電気伝導体１６が正極端子１３１と接続されるようにしてもよい。

上記実施の形態の電池短絡素子１０では、特に言及していないが、さらに、短絡素子部材１３の表面に外部の空気への放熱を促す伝熱フィンを設けてもよい。これにより、短絡素子部材１３に伝導してきた熱を放熱することができるため、二次電池１００が過熱することを防止することができる。なお、この構成は、正極接続部材１１または負極接続部材１２とは離れた位置に設けることが好ましい。なぜなら、正極接続部材１１または負極接続部材１２の近くに伝熱フィンを設けると、二次電池１００に異常が発生したときに生じる熱を絶縁体フィルム１４に伝えることができず、電池短絡素子１０を迅速に作動させることが困難に成るからである。その一方で、伝熱フィンを正極接続部材１１もしくは負極接続部材１２とは離れた位置に設ける、または、正極接続部材１１および負極接続部材１２を短絡素子部材１３の中心に配置することにより、二次電池１００の異常による発熱を効率よく放熱することができる。

本発明は、二次電池に異常が発生して電池内部の温度が過度に上昇した場合にのみ、正極端子と負極端子とを確実に短絡させることができる電池短絡素子、二次電池、および二次電池システム等として利用することができる。

１０ 電池短絡素子
１１ 正極接続部材
１２ 負極接続部材
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 短絡素子部材
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 絶縁体フィルム
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 第一電気伝導体
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 第二電気伝導体
１７ 中間電気伝導体
２０ 正極側接続部分
２１ 負極側接続部分
１００ 二次電池
１０１ 発電要素
１０２ 筐体
１０３ 電極端子
１０４ 集電部材
１３１ 正極端子
１３２ 負極端子
１４１ 正極集電部材
１４２ 負極集電部材

Claims (11)

1. 第一電極と第二電極とを有する二次電池に接続される電池短絡素子であって、
   前記第一電極側に電気的に接続され、箔状部材または板状部材から成る第一電気伝導体と、
   前記第二電極側に電気的に接続され、箔状部材または板状部材から成る第二電気伝導体と、
   少なくとも前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とが重なり合う領域において、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体との間に配置される絶縁体と
   を備え、
   前記第一電気伝導体は、前記絶縁体を介して前記第二電気伝導体によって挟み込まれる挟込部分を少なくとも有し、
   前記絶縁体は、所定温度以上になると前記絶縁体の一部又は全部が変形することにより前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とを短絡させる
   電池短絡素子。
2. 前記挟込部分は、前記第一電気伝導体および前記第二電気伝導体が前記絶縁体を介して積層された状態で巻回されることにより形成される
   請求項１に記載の電池短絡素子。
3. 前記絶縁体は複数枚であり、
   前記第二電気伝導体は複数枚であり、
   前記挟込部分は、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とが前記絶縁体を介して交互に積層されることにより形成される
   請求項１に記載の電池短絡素子。
4. 前記第一電気伝導体は複数枚であり、
   前記挟込部分は、前記複数枚の第一電気伝導体と、前記複数枚の第二電気伝導体とが、前記複数枚の絶縁体を介して交互に積層されることにより形成される
   請求項３に記載の電池短絡素子。
5. 前記挟込部分は、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とが前記絶縁体を挟んで、蛇腹状に折りたたまれることにより形成される
   請求項１に記載の電池短絡素子。
6. 前記所定温度は、前記二次電池が有するセパレータがシャットダウンする温度以下である
   請求項１から５のいずれか１項に記載の電池短絡素子。
7. 前記絶縁体は、前記所定温度以上になると軟化、収縮、断裂または融解することにより、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とを接触させる
   請求項１から６のいずれか１項に記載の電池短絡素子。
8. 第一電極と第二電極とを有する二次電池に接続される電池短絡素子であって、
   前記第一電極側に接続され、箔状部材または板状部材から成る第一電気伝導体と、
   前記第二電極側に接続され、箔状部材または板状部材から成る第二電気伝導体と、
   少なくとも前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とが重なり合う領域において、前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体との間に配置される複数枚の絶縁体と、
   前記複数枚の絶縁体の間に配置され、箔状部材または板状部材から成る中間電気伝導体と
   を備え、
   前記絶縁体は、所定温度以上になると前記絶縁体の一部又は全部が変形することにより前記第一電気伝導体と前記第二電気伝導体とを短絡させる
   電池短絡素子。
9. 前記第一電極は正極であり、
   前記第二電極は負極であり、
   前記第二電気伝導体と前記第二電極との第二距離は、前記第一電気伝導体と前記第一電極との第一距離よりも短い
   請求項１から８のいずれか１項に記載の電池短絡素子。
10. 第一電極と、
    第二電極と、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の電池短絡素子とを備える
    二次電池。
11. 第一電極と第二電極とを有する複数の二次電池が接続されてなる二次電池モジュールと、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の電池短絡素子とを備える
    二次電池システム。

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