JP2014127355A - Electric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気デバイスに関する。 The present invention relates to electrical devices.
従来から、たとえば二次電池のような電気デバイスは、外装材を用いて、充放電が行われる発電要素を封止している。発電要素は、正極と負極とをセパレータを介して積層して構成している。ここで、発電要素は、外部から異物が挿通されると、内部短絡時のジュール熱に起因して熱暴走を起こすことがある。 Conventionally, for example, an electric device such as a secondary battery uses an exterior material to seal a power generation element that is charged and discharged. The power generation element is configured by laminating a positive electrode and a negative electrode via a separator. Here, when a foreign substance is inserted from the outside, the power generation element may cause thermal runaway due to Joule heat at the time of an internal short circuit.
そこで、発電要素の最外層に金属箔を配置することによって、異物が発電要素の電極に挿通する前に、金属箔で電気的に短絡を発生させてエネルギーを消費させ、発電要素の内部短絡時のジュール熱を抑制する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。 Therefore, by arranging the metal foil on the outermost layer of the power generation element, before the foreign object is inserted into the electrode of the power generation element, the metal foil causes an electrical short circuit to consume energy, and during the internal short circuit of the power generation element The structure which suppresses Joule heat of this is disclosed (for example, refer patent document 1).
しかしながら、上記特許文献１の構成では、発電要素の最外層での短絡電流が大きいと、金属箔と異物との接点が発熱し、金属箔が溶断して導通が絶たれてしまう。この場合、外部短絡によってエネルギーが十分に消費されないまま、発電要素が内部短絡してしまうことから、内部短絡時のジュール熱が抑制できない虞がある。 However, in the configuration of Patent Document 1, if the short-circuit current in the outermost layer of the power generation element is large, the contact between the metal foil and the foreign material generates heat, the metal foil is melted and conduction is cut off. In this case, since the power generating element is internally short-circuited without sufficiently consuming energy due to the external short circuit, there is a possibility that the Joule heat at the time of the internal short circuit cannot be suppressed.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、異物が突き刺さっても、発電要素１００の内部短絡時に発生するジュール熱を抑制して、内部短絡時の信頼性を高めることができる電気デバイスの提供を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and even when a foreign object is pierced, the Joule heat generated at the time of an internal short circuit of the power generation element 100 can be suppressed and the reliability at the time of the internal short circuit can be improved. An object of the present invention is to provide an electric device that can be used.
上記目的を達成する本発明に係る電気デバイスは、発電要素、第一導電体層、第二導電体層、および絶縁層を有している。発電要素は、正極と負極とをセパレータを介して積層してなる。第一導電体層は、発電要素の積層方向の最外層よりも外側に配設し、負極または正極に電気的に接続する第一金属部を含んでいる。第二導電体層は、発電要素の最外層よりも外側で、かつ、第一導電体層に積層し、第一金属部よりも融点が低く正極または負極に電気的に接続する第二金属部を含んでいる。さらに、第二導電体層は、第二金属部よりも融点が高い導電部を含んでいる。絶縁層は、第一導電体層と第二導電体層との間に配設し、第一金属部と第二金属部とを電気的に絶縁している。 The electrical device according to the present invention that achieves the above object includes a power generation element, a first conductor layer, a second conductor layer, and an insulating layer. The power generation element is formed by laminating a positive electrode and a negative electrode via a separator. The first conductor layer is disposed on the outer side of the outermost layer in the stacking direction of the power generation elements, and includes a first metal portion that is electrically connected to the negative electrode or the positive electrode. The second conductor layer is outside the outermost layer of the power generation element, and is laminated on the first conductor layer and has a melting point lower than that of the first metal part and is electrically connected to the positive electrode or the negative electrode. Is included. Further, the second conductor layer includes a conductive part having a melting point higher than that of the second metal part. The insulating layer is disposed between the first conductor layer and the second conductor layer, and electrically insulates the first metal part and the second metal part.
上記のように構成した本発明の電気デバイスは、発電要素の外側に配設した第二導電体層が、正極または負極に電気的に接続する第二金属部と、第二金属部よりも融点が高い導電部とを有している。したがって、電気デバイスに対して外部から異物が突き刺さったときに、その異物は発電要素よりも先に第二導電体層に挿通する。異物が挿通した第二導電体層は、第二金属部が部分的に溶断しても、導電部は溶断せずに短絡を維持させることできる。このため、電気デバイスは、異物が突き刺さっても、溶断していない導電部を介して外部短絡を維持させてエネルギーを十分に消費させた後に、発電要素を内部短絡させることができる。すなわち、電気デバイスは、内部短絡時に発生するジュール熱を抑制して、内部短絡時の信頼性を高めることができる。 In the electric device of the present invention configured as described above, the second conductor layer disposed outside the power generation element is electrically connected to the positive electrode or the negative electrode, and the melting point is higher than the second metal portion. Has a high conductive part. Therefore, when a foreign object pierces the electric device from the outside, the foreign object passes through the second conductor layer before the power generation element. Even if the second metal part is partially melted, the second conductor layer through which the foreign substance has been inserted can maintain a short circuit without melting the conductive part. For this reason, even if a foreign object stabs, the electric power generation element can be internally short-circuited after the external short-circuit is maintained and the energy is sufficiently consumed via the conductive part that is not melted. That is, the electric device can suppress the Joule heat generated at the time of an internal short circuit, and can improve the reliability at the time of the internal short circuit.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の第１および第２実施形態を説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面における各部材の大きさや比率は、説明の都合上誇張され実際の大きさや比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The size and ratio of each member in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may be different from the actual size and ratio.
（第１実施形態）
第１実施形態の電気デバイス１について、図１〜図３に加えて対比例に係る図６および図７も参照しながら、説明する。
(First embodiment)
The electrical device 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7 that are in proportion to FIGS.
図１は、電気デバイス１を示す斜視図である。図２は、電気デバイス１を図１のＡ−Ａ’で図示した長手方向に沿って示す断面図である。図３は、電気デバイス１を異物２００が突き刺さった状態で長手方向に沿って示す断面図である。図６は、対比例に係る電気デバイス１０００を長手方向に沿って示す断面図である。図７は、対比例に係る電気デバイス１０００を異物２００が突き刺さった状態で長手方向に沿って示す断面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing an electric device 1. FIG. 2 is a cross-sectional view of the electrical device 1 taken along the longitudinal direction indicated by A-A ′ in FIG. 1. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the electrical device 1 along the longitudinal direction in a state where the foreign object 200 is stuck. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the electric device 1000 according to the comparison along the longitudinal direction. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the electrical device 1000 according to the comparative example along the longitudinal direction in a state where the foreign object 200 is stuck.
電気デバイス１は、図１または図２に示すように、充放電が行われる略矩形の発電要素１００の最外層の両側に、第二導電体層５０、絶縁層６０、および第一導電体層４０を積層した上で、外装材８０によって封止して構成している。発電要素１００は、正極１０と負極２０とをセパレータ３０を介して積層して構成している。ここで、たとえば、正極１０と負極２０とをセパレータ３０を介して多数積層して発電要素１００を構成した場合、外部に取り出すことが可能な電気量を示す電池容量を大きくすることができる。 As shown in FIG. 1 or FIG. 2, the electric device 1 includes a second conductor layer 50, an insulating layer 60, and a first conductor layer on both sides of the outermost layer of the substantially rectangular power generating element 100 that is charged and discharged. 40 is laminated and then sealed with an exterior material 80. The power generation element 100 is configured by laminating a positive electrode 10 and a negative electrode 20 with a separator 30 interposed therebetween. Here, for example, when the power generation element 100 is configured by laminating a large number of the positive electrodes 10 and the negative electrodes 20 via the separators 30, the battery capacity indicating the amount of electricity that can be taken out can be increased.
正極１０は、図２に示すように、正極活物質１２を導電体である正極集電体１１の両面に結着して形成している。具体的には、正極１０は、たとえば次のように形成している。すなわち、平均粒子径が２０μｍでニッケル系のリチウム金属複合酸化物（ＬｉＮｉＯ２）からなる正極活物質１２、アセチレンブラックからなる導電助剤、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる結着剤を、９０：５：５の質量比で混合することによって、正極スラリーを得た。層厚１５μｍのアルミニウム（Ａｌ）箔からなる正極集電体１１の表面に対して、粘度調整した正極スラリーを２０ｍｇ／ｃｍ２となるように塗工した。 As shown in FIG. 2, the positive electrode 10 is formed by binding a positive electrode active material 12 to both surfaces of a positive electrode current collector 11 which is a conductor. Specifically, the positive electrode 10 is formed as follows, for example. That is, a positive electrode active material 12 having an average particle size of 20 μm and made of nickel-based lithium metal composite oxide (LiNiO 2 ), a conductive auxiliary agent made of acetylene black, and a binder made of polyvinylidene fluoride (PVDF) The positive electrode slurry was obtained by mixing at a mass ratio of 5: 5. The positive electrode slurry whose viscosity was adjusted was applied to the surface of the positive electrode current collector 11 made of aluminum (Al) foil having a layer thickness of 15 μm so as to be 20 mg / cm 2 .
正極集電体１１の表面に塗工した正極スラリーを十分に乾燥させた後、正極集電体１１の裏面にも正極スラリーを塗工および乾燥させた。両面に正極スラリーを設けた正極集電体１１を、ロールプレス機を用いて総厚が１５０μｍとなるようプレス加工した。プレス加工後の正極集電体１１を、１１６ｍｍ×１９６ｍｍの矩形状に形成した。正極集電体１１の一端に、正極端子１１ａを形成している。複数積層した正極１０の正極端子１１ａは、溶接または接着によって互いに固定した。 After the positive electrode slurry applied to the surface of the positive electrode current collector 11 was sufficiently dried, the positive electrode slurry was also applied to the back surface of the positive electrode current collector 11 and dried. The positive electrode current collector 11 provided with positive electrode slurry on both sides was pressed using a roll press machine so that the total thickness became 150 μm. The positive electrode current collector 11 after press working was formed in a rectangular shape of 116 mm × 196 mm. A positive electrode terminal 11 a is formed at one end of the positive electrode current collector 11. The positive electrode terminals 11a of the stacked positive electrodes 10 were fixed to each other by welding or adhesion.
負極２０は、図２に示すように、負極活物質２２を導電体である負極集電体２１の両面に結着して形成している。具体的には、負極２０は、たとえば次のように形成している。平均粒径が２０μｍの天然黒鉛からなる負極活物質２２、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる結着材を、９５：５の質量比で混合することによって、負極スラリーを得た。層厚１０μｍの銅（Ｃｕ）箔からなる負極集電体２１の表面に対して、粘度調整した負極スラリーを１２ｍｇ／ｃｍ２となるように塗工した。 As shown in FIG. 2, the negative electrode 20 is formed by binding a negative electrode active material 22 to both surfaces of a negative electrode current collector 21 which is a conductor. Specifically, the negative electrode 20 is formed as follows, for example. A negative electrode slurry was obtained by mixing a negative electrode active material 22 made of natural graphite having an average particle size of 20 μm and a binder made of polyvinylidene fluoride (PVDF) at a mass ratio of 95: 5. The negative electrode slurry whose viscosity was adjusted was applied to the surface of the negative electrode current collector 21 made of a copper (Cu) foil having a layer thickness of 10 μm so as to be 12 mg / cm 2 .
負極集電体２１の表面に塗工した負極スラリーを十分に乾燥させた後、負極集電体２１の裏面にも負極スラリーを塗工および乾燥させた。両面に負極スラリーを設けた負極集電体２１を、ロールプレス機を用いて総厚が１７０μｍとなるようプレス加工した。プレス加工後の負極集電体２１を、１２０ｍｍ×２００ｍｍの矩形状に形成した。負極集電体２１の一端に、負極端子２１ａを形成している。複数積層した負極２０の負極端子２１ａは、溶接または接着によって互いに固定した。 After the negative electrode slurry applied to the surface of the negative electrode current collector 21 was sufficiently dried, the negative electrode slurry was also applied to the back surface of the negative electrode current collector 21 and dried. The negative electrode current collector 21 provided with the negative electrode slurry on both sides was pressed using a roll press machine so that the total thickness became 170 μm. The negative electrode current collector 21 after the press working was formed into a 120 mm × 200 mm rectangular shape. A negative electrode terminal 21 a is formed at one end of the negative electrode current collector 21. A plurality of negative electrode terminals 21a of the negative electrode 20 laminated together were fixed to each other by welding or adhesion.
セパレータ３０は、図２に示すように、正極１０と負極２０の間に設け、その正極１０と負極２０とを電気的に絶縁している。セパレータ３０は、たとえば、ポリオレフィン系樹脂材料からなり、矩形状に形成している。セパレータ３０は、正極１０と負極２０との間に電解液を保持して、イオンの伝導性を担保している。 As shown in FIG. 2, the separator 30 is provided between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 and electrically insulates the positive electrode 10 and the negative electrode 20. The separator 30 is made of, for example, a polyolefin resin material and is formed in a rectangular shape. The separator 30 holds an electrolytic solution between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 to ensure ion conductivity.
第一導電体層４０は、図２に示すように、発電要素１００の積層方向の最外層よりも外側に配設し、負極２０または正極１０に電気的に接続する第一金属部４１を含んでいる。第一金属部４１は、一例として、負極２０の負極端子２１ａに対して電気的に接続した構成で説明している。第一導電体層４０は、一例として、第一金属部４１と導電部４２とを積層した構成で説明している。第一金属部４１は、たとえば、金属箔、エキスパンドメタル、またはパンチングメタルからなり、負極２０の負極集電体２１と同様の形状に形成している。導電部４２は、たとえば、カーボンからなり、負極２０の負極活物質２２と同様の形状に形成している。導電部４２の層厚は、カーボンの平均粒径の２倍以上であって、かつ、２０μｍ以上に形成している。 As shown in FIG. 2, the first conductor layer 40 includes a first metal portion 41 that is disposed outside the outermost layer in the stacking direction of the power generation element 100 and is electrically connected to the negative electrode 20 or the positive electrode 10. It is out. As an example, the first metal portion 41 is described as being configured to be electrically connected to the negative electrode terminal 21 a of the negative electrode 20. As an example, the first conductor layer 40 is described as having a configuration in which a first metal part 41 and a conductive part 42 are laminated. The first metal portion 41 is made of, for example, metal foil, expanded metal, or punching metal, and is formed in the same shape as the negative electrode current collector 21 of the negative electrode 20. The conductive portion 42 is made of carbon, for example, and is formed in the same shape as the negative electrode active material 22 of the negative electrode 20. The layer thickness of the conductive part 42 is twice or more the average particle diameter of carbon and is 20 μm or more.
第二導電体層５０は、図２に示すように、発電要素１００の最外層よりも外側で、かつ、第一導電体層４０に積層し、第一金属部４１よりも融点が低く正極１０または負極２０に電気的に接続する第二金属部５１を含んでいる。第二金属部５１は、一例として、正極１０の正極端子１１ａに対して電気的に接続した構成で説明している。第二導電体層５０は、一例として、第二金属部５１と導電部５２とを積層した構成で説明している。第二金属部５１は、たとえば、金属箔、エキスパンドメタル、またはパンチングメタルからなり、正極１０の正極集電体１１と同様の形状に形成している。導電部５２は、第二金属部５１よりも融点が高い。したがって、導電部５２は、第二金属部５１が溶断した状態でも、溶断を免れることができる。一方、第一金属部４１よりも融点が低い第二金属部５１は、第一金属部４１が溶断していない状態で、溶断させることができる。導電部５２は、たとえば、カーボンに黒鉛を塗布したものからなり、正極１０の正極活物質１２と同様の形状に形成している。導電部５２の層厚は、カーボンの平均粒径の２倍以上であって、かつ、２０μｍ以上に形成している。 As shown in FIG. 2, the second conductor layer 50 is laminated on the first conductor layer 40 on the outer side of the outermost layer of the power generation element 100, and has a lower melting point than the first metal part 41 and the positive electrode 10. Or the 2nd metal part 51 electrically connected to the negative electrode 20 is included. The 2nd metal part 51 is demonstrated by the structure electrically connected with respect to the positive electrode terminal 11a of the positive electrode 10 as an example. As an example, the second conductor layer 50 is described as having a configuration in which a second metal part 51 and a conductive part 52 are laminated. The second metal part 51 is made of, for example, metal foil, expanded metal, or punching metal, and is formed in the same shape as the positive electrode current collector 11 of the positive electrode 10. The conductive part 52 has a higher melting point than the second metal part 51. Therefore, even if the conductive part 52 is in a state where the second metal part 51 is melted, it can escape from melting. On the other hand, the second metal part 51 having a melting point lower than that of the first metal part 41 can be fused while the first metal part 41 is not melted. The conductive portion 52 is made of, for example, carbon coated with graphite, and is formed in the same shape as the positive electrode active material 12 of the positive electrode 10. The layer thickness of the conductive portion 52 is twice or more the average particle diameter of carbon and is 20 μm or more.
絶縁層６０は、図２に示すように、第一導電体層４０と第二導電体層５０との間に配設し、第一金属部４１と第二金属部５１とを電気的に絶縁している。絶縁層６０は、前述したセパレータ３０と同様に、たとえば、ポリオレフィン系樹脂材料からなり、矩形状に形成している。 As shown in FIG. 2, the insulating layer 60 is disposed between the first conductor layer 40 and the second conductor layer 50 to electrically insulate the first metal part 41 and the second metal part 51. doing. The insulating layer 60 is made of, for example, a polyolefin-based resin material and is formed in a rectangular shape, like the separator 30 described above.
集電部７０は、図２に示すように、発電要素１００の電力を外部に供給する。集電部７０の集電板７１は、たとえば、金属からなり、矩形状に形成している。集電板７１は、一対からなる。一対のうちの一方の集電板７１は、積層された複数の負極２０の負極端子２１ａおよび第一導電体層４０の端部に、溶接または接着によってそれぞれ固定している。一対のうちの他方の集電板７１は、積層された複数の正極１０の正極端子１１ａおよび第二導電体層５０の端部に、溶接または接着によってそれぞれ固定している。一対の集電板７１は、ラミネートフィルム８１および８２の両端から突出して配設している。 As shown in FIG. 2, the current collector 70 supplies the power of the power generation element 100 to the outside. The current collector plate 71 of the current collector 70 is made of, for example, metal and is formed in a rectangular shape. The current collector plate 71 is a pair. One current collecting plate 71 of the pair is fixed to the negative electrode terminals 21a of the plurality of laminated negative electrodes 20 and the end portions of the first conductor layer 40 by welding or bonding, respectively. The other current collecting plate 71 of the pair is fixed to the positive electrode terminals 11a of the plurality of stacked positive electrodes 10 and end portions of the second conductor layer 50 by welding or bonding, respectively. The pair of current collecting plates 71 are disposed so as to protrude from both ends of the laminate films 81 and 82.
外装材８０は、たとえば、ラミネートフィルム８１および８２から構成し、発電要素１００に加えて第二導電体層５０、絶縁層６０、および第一導電体層４０を両側から被覆した状態で封止している。ラミネートフィルム８１および８２を用いて、発電要素１００、第二導電体層５０、絶縁層６０、および第一導電体層４０を封止する際に、周囲の一部を開放して、その他の周囲を熱溶着などにより封止する。ラミネートフィルム８１および８２の開放されている部分から電解液を注入し、セパレータ３０等に電荷液を含浸させる。ラミネートフィルム８１および８２の開放部から内部を減圧することで空気を抜きつつ、その開放部も熱融着して完全に密封する。 The exterior material 80 is composed of, for example, laminate films 81 and 82 and is sealed in a state where the second conductor layer 50, the insulating layer 60, and the first conductor layer 40 are covered from both sides in addition to the power generation element 100. ing. When the power generating element 100, the second conductor layer 50, the insulating layer 60, and the first conductor layer 40 are sealed using the laminate films 81 and 82, a part of the periphery is opened, and the other surroundings Is sealed by heat welding or the like. An electrolyte solution is injected from the open portions of the laminate films 81 and 82, and the separator 30 and the like are impregnated with the charge solution. While decompressing the inside from the open portions of the laminate films 81 and 82, the air is vented, and the open portions are also heat-sealed and completely sealed.
ここで、電気デバイス１を、図３に示すように、一例として４．２Ｖに充電した後、異物２００を突き刺して、その異物２００を発電要素１００まで挿通させた。異物２００は、たとえば、導電性を有する釘である。発電要素１００は、正極１０と負極２０とをセパレータ３０を介し１４組、積層させたものを用いた。異物２００が発電要素１００に挿通する前に、絶縁層６０を介して絶縁していた第一導電体層４０と第二導電体層５０とが導通する。ここで、第二導電体層５０の第二金属部５１は、異物２００が挿通された部分が溶断して溶断孔Ｓ１が形成されたが、第二金属部５１に積層し溶断していない導電部５２を介して導通を継続させることができた。したがって、電気デバイス１０００は、外部短絡によってエネルギーを十分に消費させた状態で、発電要素１００を内部短絡させることができた。したがって、電気デバイス１は、異物２００が突き刺さっても、内部短絡時に発生するジュール熱に起因した熱暴走に至らなかった。 Here, as shown in FIG. 3, the electric device 1 was charged to 4.2 V as an example, and then the foreign object 200 was pierced and inserted into the power generation element 100. The foreign material 200 is, for example, a conductive nail. As the power generation element 100, 14 pairs of the positive electrode 10 and the negative electrode 20 with the separator 30 interposed therebetween were stacked. Before the foreign material 200 is inserted into the power generation element 100, the first conductor layer 40 and the second conductor layer 50 that have been insulated through the insulating layer 60 are electrically connected. Here, the second metal portion 51 of the second conductor layer 50 has a melted hole S1 formed by fusing the portion through which the foreign material 200 is inserted, but is not laminated and fused to the second metal portion 51. The conduction could be continued through the part 52. Therefore, the electric device 1000 could internally short-circuit the power generation element 100 in a state where energy was sufficiently consumed by the external short circuit. Therefore, the electric device 1 did not reach the thermal runaway due to the Joule heat generated at the time of the internal short circuit even when the foreign object 200 was pierced.
一方、対比例に係る電気デバイス１０００は、図６に示すように、正極１０と負極２０とをセパレータ３０を介して複数積層して構成した発電要素１００を、外装材８０のラミネートフィルム８５および８６によって包装している。ただし、発電要素１００の最外層の両側に位置する正極１０は、正極活物質１２をそれぞれ省いて正極集電体１１のみとしている。同様に、発電要素１００の最外層の両側に位置する負極２０は、負極活物質２２をそれぞれ省いて負極集電体２１のみとしている。したがって、発電要素１００の最外層の両側に位置する正極１０および負極２０は、正極集電体１１と負極集電体２１とを、セパレータ３０を介して電気的に絶縁した状態で積層している。ラミネートフィルム８５および８６の仕様は、前述したラミネートフィルム８１および８２の仕様と同様である。 On the other hand, as shown in FIG. 6, the electrical device 1000 according to the comparative example includes a power generation element 100 configured by laminating a plurality of positive electrodes 10 and negative electrodes 20 with a separator 30 interposed therebetween, and laminate films 85 and 86 of an exterior material 80. Packaging. However, the positive electrode 10 positioned on both sides of the outermost layer of the power generation element 100 is configured as only the positive electrode current collector 11 by omitting the positive electrode active material 12. Similarly, the negative electrode 20 positioned on both sides of the outermost layer of the power generation element 100 is configured by only the negative electrode current collector 21 by omitting the negative electrode active material 22. Therefore, the positive electrode 10 and the negative electrode 20 located on both sides of the outermost layer of the power generation element 100 are laminated in a state where the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 21 are electrically insulated via the separator 30. . The specifications of the laminate films 85 and 86 are the same as the specifications of the laminate films 81 and 82 described above.
ここで、対比例に係る電気デバイス１０００を、図７に示すように、一例として４．２Ｖに充電した後、異物２００を突き刺して、その異物２００を発電要素１００まで挿通させた。発電要素１００は、正極１０と負極２０とをセパレータ３０を介し１４組、積層させたものを用いた。発電要素１００の最外層の両側に位置する正極１０の正極集電体１１は、異物２００が挿通された部分が溶断して溶断孔Ｓ３が形成されたことから、導通を継続させてエネルギーを十分に消費させることができず、外部短絡が不完全となった。すなわち、電気デバイス１０００は、外部短絡が維持されずエネルギーを十分に消費させることができていない状態で、発電要素１００を内部短絡させることになったことから、内部短絡時に発生するジュール熱に起因して熱暴走に至った。 Here, as shown in FIG. 7, the proportional electric device 1000 was charged to 4.2 V as an example, and then the foreign object 200 was pierced and inserted into the power generation element 100. As the power generation element 100, 14 pairs of the positive electrode 10 and the negative electrode 20 with the separator 30 interposed therebetween were stacked. The positive electrode current collector 11 of the positive electrode 10 located on both sides of the outermost layer of the power generation element 100 has a sufficient amount of energy by continuing conduction because the portion through which the foreign material 200 is inserted is melted and the blow hole S3 is formed. The external short circuit was incomplete. That is, the electric device 1000 is caused by the Joule heat generated at the time of the internal short circuit because the power generation element 100 is internally short-circuited in a state where the external short circuit is not maintained and the energy cannot be sufficiently consumed. And it led to a thermal runaway.
上述した第１実施形態に係る電気デバイス１によれば、以下の作用効果を奏する。 According to the electric device 1 which concerns on 1st Embodiment mentioned above, there exist the following effects.
電気デバイス１は、発電要素１００、第一導電体層４０、第二導電体層５０、および絶縁層６０を有している。発電要素１００は、正極１０と負極２０とをセパレータ３０を介して積層してなる。第一導電体層４０は、発電要素１００の積層方向の最外層よりも外側に配設し、負極２０または正極１０に電気的に接続する第一金属部４１を含んでいる。第二導電体層５０は、発電要素１００の最外層よりも外側で、かつ、第一導電体層４０に積層し、第一金属部４１よりも融点が低く正極１０または負極２０に電気的に接続する第二金属部５１を含んでいる。さらに、第二導電体層５０は、第二金属部５１よりも融点が高い導電部５２を含んでいる。絶縁層６０は、第一導電体層４０と第二導電体層５０との間に配設し、第一金属部４１と第二金属部５１とを電気的に絶縁している。 The electric device 1 includes a power generation element 100, a first conductor layer 40, a second conductor layer 50, and an insulating layer 60. The power generation element 100 is formed by laminating a positive electrode 10 and a negative electrode 20 with a separator 30 interposed therebetween. The first conductor layer 40 is disposed outside the outermost layer in the stacking direction of the power generating element 100 and includes a first metal portion 41 that is electrically connected to the negative electrode 20 or the positive electrode 10. The second conductor layer 50 is outside the outermost layer of the power generation element 100 and is laminated on the first conductor layer 40, and has a melting point lower than that of the first metal part 41 and is electrically connected to the positive electrode 10 or the negative electrode 20. The second metal part 51 to be connected is included. Further, the second conductor layer 50 includes a conductive portion 52 having a melting point higher than that of the second metal portion 51. The insulating layer 60 is disposed between the first conductor layer 40 and the second conductor layer 50 and electrically insulates the first metal part 41 and the second metal part 51.
このように構成した電気デバイス１によれば、発電要素１００の外側に配設した第二導電体層５０が、正極１０または負極２０に電気的に接続する第二金属部５１と、第二金属部５１よりも融点が高い導電部５２とを有している。したがって、電気デバイス１に対して外部から異物２００が突き刺さったときに、その異物２００は発電要素１００よりも先に第二導電体層５０に挿通する。異物２００は、たとえば、導電性を有する釘である。異物２００が挿通した第二導電体層５０は、第二金属部５１が部分的に溶断しても、導電部５２は溶断せずに短絡を維持させることできる。第一導電体層４０と、第二導電体層５０の導電部５２とは、異物２００を介して導通している。このため、電気デバイス１は、異物２００が突き刺さっても、導電部５２を介して外部短絡を維持させてエネルギーを十分に消費させた後に、発電要素１００を内部短絡させることができる。すなわち、電気デバイス１は、内部短絡時に発生するジュール熱を抑制することができることから、内部短絡時の信頼性を高めることができる。 According to the electric device 1 configured as described above, the second conductor layer 50 disposed outside the power generation element 100 is electrically connected to the positive electrode 10 or the negative electrode 20, and the second metal portion 51 is connected to the second metal portion 51. The conductive portion 52 has a higher melting point than the portion 51. Therefore, when the foreign material 200 pierces the electric device 1 from the outside, the foreign material 200 passes through the second conductor layer 50 before the power generation element 100. The foreign material 200 is, for example, a conductive nail. Even if the second metal part 51 is partially melted, the second conductor layer 50 through which the foreign material 200 is inserted can maintain the short circuit without the conductive part 52 being melted. The first conductor layer 40 and the conductive portion 52 of the second conductor layer 50 are electrically connected via the foreign material 200. For this reason, even if the foreign material 200 is pierced, the electric device 1 can short-circuit the power generation element 100 after maintaining the external short circuit via the conductive portion 52 and sufficiently consuming energy. That is, since the electrical device 1 can suppress the Joule heat generated at the time of an internal short circuit, the reliability at the time of the internal short circuit can be improved.
電気デバイス１は、第二金属部５１と導電部５２とを積層して構成してもよい。 The electrical device 1 may be configured by laminating the second metal part 51 and the conductive part 52.
このように構成した電気デバイス１によれば、融点の異なる第二金属部５１と導電部５２とを混在させた場合と比較して、第二金属部５１のみを部分的に溶断させ易くすることができる。導電部５２は、第二金属部５１の溶断していない箇所を介して、外部短絡を維持させることができる。 According to the electric device 1 configured as described above, it is easier to partially melt only the second metal part 51 than when the second metal part 51 and the conductive part 52 having different melting points are mixed. Can do. The conductive part 52 can maintain an external short circuit through a portion where the second metal part 51 is not melted.
電気デバイス１は、導電部５２を第二金属部５１の積層方向の両側にそれぞれ積層して構成してもよい。 The electric device 1 may be configured by laminating the conductive parts 52 on both sides of the second metal part 51 in the laminating direction.
このように構成した電気デバイス１によれば、第二金属部５１の積層方向の片側のみに導電部５２を積層した構成と比較して、２個の導電部５２を用い、より確実に外部短絡を維持させることできる。 According to the electrical device 1 configured as described above, the two conductive parts 52 are used and the external short circuit is more reliably performed as compared with the configuration in which the conductive part 52 is stacked only on one side in the stacking direction of the second metal part 51. Can be maintained.
電気デバイス１は、第二導電体層５０、絶縁層６０、および第一導電体層４０を、発電要素１００の積層方向の両側にそれぞれ配設して構成してもよい。 The electric device 1 may be configured by disposing the second conductor layer 50, the insulating layer 60, and the first conductor layer 40 on both sides in the stacking direction of the power generation element 100.
このように構成した電気デバイス１によれば、発電要素１００の積層方向の表側または裏側のどちらの方向から異物２００が突き刺さっても、外部短絡を維持させてエネルギーを十分に消費させた後に、発電要素１００を内部短絡させることができる。 According to the electric device 1 configured as described above, even if the foreign matter 200 pierces from either the front side or the back side of the stacking direction of the power generation element 100, after the external short-circuit is maintained and the energy is sufficiently consumed, the power generation Element 100 can be internally shorted.
電気デバイス１は、正極１０と負極２０とをセパレータ３０を介して複数積層して構成してもよい。 The electrical device 1 may be configured by laminating a plurality of positive electrodes 10 and negative electrodes 20 with a separator 30 interposed therebetween.
このように構成した電気デバイス１によれば、たとえば、正極１０と負極２０とをセパレータ３０を介して数十〜数百層積層した発電要素１００を設けた積層型電池に適用できる。具体的には、電気デバイス１は、たとえば、高出力を得るリチウムイオン二次電池に異物２００が突き刺さった場合でも、外部短絡を維持させて高エネルギーを十分に消費させることができる。すなわち、たとえば、正極１０と負極２０とをセパレータ３０を介して多数積層した発電要素１００を用いた場合、電池容量を大きくすることができる一方、発電要素１００の最外層での短絡電流が大きくなってしまう。電気デバイス１は、このような場合においても、外部短絡を維持させて高エネルギーを十分に消費させてから、発電要素１００を内部短絡させることができる。 The electrical device 1 configured as described above can be applied to, for example, a stacked battery provided with a power generation element 100 in which several tens to several hundreds of layers of the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are stacked via the separator 30. Specifically, for example, even when the foreign material 200 pierces a lithium ion secondary battery that obtains a high output, the electric device 1 can maintain an external short circuit and sufficiently consume high energy. That is, for example, when a power generation element 100 in which a large number of positive electrodes 10 and negative electrodes 20 are stacked via separators 30 is used, the battery capacity can be increased, while the short-circuit current in the outermost layer of the power generation element 100 increases. End up. Even in such a case, the electric device 1 can cause the power generation element 100 to be internally short-circuited after maintaining the external short-circuit and sufficiently consuming high energy.
電気デバイス１は、導電部５２をカーボンから構成してもよい。 In the electric device 1, the conductive portion 52 may be made of carbon.
このように構成した電気デバイス１によれば、耐熱性が高いカーボンを用いることによって、外部短絡した第二金属部５１が発熱して溶断しても、導電部５２は溶断することなく、電流を流し続けることができる。さらに、導電部５２は、汎用性が高く加工も容易なカーボンを用いることができ、特別な材料を用いる必要がない。 According to the electric device 1 configured as described above, by using carbon having high heat resistance, even when the second metal part 51 that is short-circuited to the outside generates heat and melts, the conductive part 52 does not melt, and the current is not blown. Can continue to flow. Furthermore, the conductive portion 52 can be made of carbon that is highly versatile and easy to process, and does not need to use a special material.
電気デバイス１は、第二金属部５１を、金属箔、エキスパンドメタル、またはパンチングメタルから構成してもよい。 In the electric device 1, the second metal part 51 may be made of metal foil, expanded metal, or punching metal.
このように構成した電気デバイス１によれば、異物２００が挿通されることによって、金属箔、エキスパンドメタル、またはパンチングメタルが部分的に溶断しても、正極１０または負極２０に与える影響が少ない。さらに、第二金属部５１は、汎用性が高く加工も容易な金属箔、エキスパンドメタル、またはパンチングメタルを用いることができ、特別な材料を用いる必要がない。 According to the electric device 1 configured as described above, even if the metal foil, the expanded metal, or the punching metal is partially melted by inserting the foreign material 200, the influence on the positive electrode 10 or the negative electrode 20 is small. Further, the second metal portion 51 can be made of a metal foil, expanded metal, or punching metal that is highly versatile and easy to process, and does not need to use a special material.
（第２実施形態）
第２実施形態の電気デバイス２について、図４および図５を参照しながら、説明する。
(Second Embodiment)
The electric device 2 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
図４は、電気デバイス２を長手方向に沿って示す断面図である。図５は、電気デバイス２を異物２００が突き刺さった状態で長手方向に沿って示す断面図である。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing the electrical device 2 along the longitudinal direction. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the electric device 2 along the longitudinal direction in a state where the foreign object 200 is stuck.
第２実施形態に係る電気デバイス２は、発電要素１００と第二導電体層５０との間に外装材８０を有する点が、前述した第１実施形態に係る電気デバイス１と異なる。 The electrical device 2 according to the second embodiment is different from the electrical device 1 according to the first embodiment described above in that an exterior member 80 is provided between the power generation element 100 and the second conductor layer 50.
第２実施形態においては、前述した第１実施形態と同様の構成からなるものについて、同一の符号を使用し、前述した説明を省略する。 In the second embodiment, the same reference numerals are used for components having the same configuration as in the first embodiment described above, and the above description is omitted.
電気デバイス２は、図４に示すように、発電要素１００を外装材８０のラミネートフィルム８３および８４で包装した上で、その外側に第二導電体層５０、絶縁層６０、および第一導電体層４０を配設している。ラミネートフィルム８３および８４の仕様は、大きさを除いて、前述したラミネートフィルム８１および８２の仕様と同様である。第一導電体層４０は、外装材９０のラミネートフィルム９１および９２で包装している。すなわち、外装材９０は電気デバイス２の最外層に配設して各部材を包装しつつ、外装材８０は発電要素１００のみを包装している。ラミネートフィルム９１および９２の仕様は、大きさを除いて、ラミネートフィルム８３および８４の仕様と同様である。 As shown in FIG. 4, the electric device 2 is formed by packaging the power generation element 100 with laminate films 83 and 84 of the exterior material 80, and then, on the outside, the second conductor layer 50, the insulating layer 60, and the first conductor. A layer 40 is provided. The specifications of the laminate films 83 and 84 are the same as the specifications of the laminate films 81 and 82 described above, except for the size. The first conductor layer 40 is packaged with laminate films 91 and 92 of the exterior material 90. That is, the exterior material 90 is disposed on the outermost layer of the electric device 2 and packages each member, while the exterior material 80 only packages the power generation element 100. The specifications of the laminate films 91 and 92 are the same as the specifications of the laminate films 83 and 84 except for the size.
電気デバイス２は、一対のうちの一方の集電板７２が、積層された複数の負極２０の負極端子２１ａおよび第一導電体層４０の端部に、それぞれ接合している。一対のうちの他方の集電板７２は、積層された複数の正極１０の正極端子１１ａおよび第二導電体層５０の端部に、それぞれ接合している。一対の集電板７２は、ラミネートフィルム８３および８４の両端から突出し、さらにラミネートフィルム９１および９２の両端から突出して配設している。集電板７２は、前述した集電板７１よりも長尺に形成している。 In the electric device 2, one current collector plate 72 of the pair is bonded to the negative electrode terminals 21 a of the stacked negative electrodes 20 and the end portions of the first conductor layer 40, respectively. The other current collecting plate 72 of the pair is joined to the positive electrode terminals 11a of the plurality of stacked positive electrodes 10 and end portions of the second conductor layer 50, respectively. The pair of current collector plates 72 protrudes from both ends of the laminate films 83 and 84, and further protrudes from both ends of the laminate films 91 and 92. The current collector 72 is formed longer than the current collector 71 described above.
電気デバイス２に突き刺さった異物２００は、図５に示すように、第二導電体層５０、絶縁層６０、および第一導電体層４０よりも積層方向の内側に配設した外装材８０を挿通してから発電要素１００を挿通することになる。したがって、外装材８０を用いて発電要素１００に対する損傷を軽減させることができる。一例として、４．２Ｖに充電した電気デバイス２に対して、異物２００を突き刺して、その異物２００を発電要素１００まで挿通させた。電気デバイス２は、外装材８０を用いて発電要素１００に対する損傷を軽減させた上で、外部短絡を維持させてエネルギーを十分に消費させた後、発電要素１００を内部短絡させることができた。電気デバイス２は、電気デバイス１と同様に、内部短絡時に発生するジュール熱に起因した熱暴走に至らなかった。第二導電体層５０の第二金属部５１は、異物２００が挿通された部分が溶断して溶断孔Ｓ２が形成されたが、溶断していない導電部５２を介して導通を継続させることができた。 As shown in FIG. 5, the foreign material 200 pierced into the electric device 2 is inserted through the second conductor layer 50, the insulating layer 60, and the exterior material 80 disposed inside the first conductor layer 40 in the stacking direction. Then, the power generation element 100 is inserted. Therefore, damage to the power generation element 100 can be reduced using the exterior material 80. As an example, the foreign material 200 was pierced into the electric device 2 charged to 4.2 V, and the foreign material 200 was inserted to the power generation element 100. The electric device 2 was able to short-circuit the power generation element 100 after reducing damage to the power generation element 100 using the exterior member 80 and maintaining an external short circuit to sufficiently consume energy. As with the electrical device 1, the electrical device 2 did not reach thermal runaway due to Joule heat generated during an internal short circuit. The second metal portion 51 of the second conductor layer 50 has the portion through which the foreign material 200 has been inserted melted to form the fusing hole S2, but it is possible to continue conduction through the conductive portion 52 that is not melted. did it.
上述した第２実施形態に係る電気デバイス２によれば、前述した第１実施形態に係る電気デバイス１の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。 According to the electric device 2 according to the second embodiment described above, in addition to the operation and effect of the electric device 1 according to the first embodiment described above, the following operation and effect are provided.
電気デバイス２は、発電要素１００の最外層よりも外側で、かつ、第二導電体層５０よりも内側に、発電要素１００を包装する外装材８０を有している。 The electric device 2 includes an exterior material 80 that wraps the power generation element 100 outside the outermost layer of the power generation element 100 and inside the second conductor layer 50.
このように構成した電気デバイス２によれば、異物２００は、第二導電体層５０、絶縁層６０、および第一導電体層４０よりも積層方向の内側に配設した外装材８０を挿通してから発電要素１００を挿通することになることから、発電要素１００に対する損傷を軽減させることができる。 According to the electric device 2 configured as described above, the foreign material 200 is inserted through the second conductor layer 50, the insulating layer 60, and the exterior material 80 disposed on the inner side in the stacking direction than the first conductor layer 40. Since the power generation element 100 is inserted later, damage to the power generation element 100 can be reduced.
そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。 In addition, the present invention can be variously modified based on the configurations described in the claims, and these are also within the scope of the present invention.
たとえば、電気デバイス１および２は、出力およびエネルギー密度に優れているリチウムイオン二次電池の構成で説明したが、このような形態に限定されることはない。具体的には、電気デバイス１および２は、ポリマーリチウム電池、ニッケル−水素電池、およびニッケル−カドミウム電池等にも適用できる。電気デバイス１および２は、電池に限定されることはない。 For example, although the electric devices 1 and 2 have been described with the configuration of a lithium ion secondary battery excellent in output and energy density, they are not limited to such a form. Specifically, the electrical devices 1 and 2 can also be applied to polymer lithium batteries, nickel-hydrogen batteries, nickel-cadmium batteries, and the like. The electrical devices 1 and 2 are not limited to batteries.
電気デバイス１および２は、第一導電体層４０に負極２０を接続し、かつ、第二導電体層５０に正極１０を接続する構成で説明したが、このような形態に限定されることはない。具体的には、電気デバイス１および２は、第一導電体層４０に正極１０を接続し、かつ、第二導電体層５０に負極２０を接続する構成としてもよい。 The electrical devices 1 and 2 have been described with the configuration in which the negative electrode 20 is connected to the first conductor layer 40 and the positive electrode 10 is connected to the second conductor layer 50. However, the electric devices 1 and 2 are not limited to such a form. Absent. Specifically, the electrical devices 1 and 2 may have a configuration in which the positive electrode 10 is connected to the first conductor layer 40 and the negative electrode 20 is connected to the second conductor layer 50.
電気デバイス１および２を複数用いることによって、たとえば組電池のようなモジュールを構成してもよく、そのようなモジュールについても本発明の範疇である。 A module such as an assembled battery may be configured by using a plurality of electric devices 1 and 2, and such a module is also included in the scope of the present invention.
１，２，１０００ 電気デバイス、
１０ 正極、
１１ 正極集電体、
１１ａ 正極端子、
１２ 正極活物質、
２０ 負極、
２１ 負極集電体、
２１ａ 負極端子、
２２ 負極活物質、
３０ セパレータ、
４０ 第一導電体層、
４１ 第一金属部、
４２ 導電部、
５０ 第二導電体層、
５１ 第二金属部、
５２ 導電部、
６０ 絶縁層、
７０ 集電部、
７１，７２ 集電板、
８０，９０ 外装材、
８１，８２，８３，８４，８５，８６，９１，９２ ラミネートフィルム、
１００ 発電要素、
２００ 異物、
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 溶断孔。
1,2,1000 electrical devices,
10 positive electrode,
11 positive electrode current collector,
11a positive terminal,
12 cathode active material,
20 negative electrode,
21 negative electrode current collector,
21a negative terminal,
22 negative electrode active material,
30 separator,
40 first conductor layer,
41 1st metal part,
42 conductive part,
50 second conductor layer,
51 second metal part,
52 conductive part,
60 insulating layer,
70 Current collector,
71, 72 current collector plate,
80, 90 exterior material,
81, 82, 83, 84, 85, 86, 91, 92 Laminated film,
100 power generation elements,
200 Foreign matter,
S1, S2, S3 Fusing holes.
Claims (8)
前記発電要素の積層方向の最外層よりも外側に配設し、前記負極または前記正極に電気的に接続する第一金属部を含む第一導電体層と、
前記発電要素の最外層よりも外側で、かつ、前記第一導電体層に積層し、前記第一金属部よりも融点が低く前記正極または前記負極に電気的に接続する第二金属部と、当該第二金属部よりも融点が高い導電部と、を含む第二導電体層と、
前記第一導電体層と前記第二導電体層との間に配設し、前記第一金属部と前記第二金属部とを電気的に絶縁する絶縁層と、を有する電気デバイス。 A power generation element in which a positive electrode and a negative electrode are stacked via a separator;
A first conductor layer including a first metal portion disposed outside the outermost layer in the stacking direction of the power generation element and electrically connected to the negative electrode or the positive electrode;
A second metal part that is outside the outermost layer of the power generation element and laminated on the first conductor layer, and has a lower melting point than the first metal part and is electrically connected to the positive electrode or the negative electrode; A second conductor layer including a conductive part having a melting point higher than that of the second metal part,
An electrical device that is disposed between the first conductor layer and the second conductor layer and has an insulating layer that electrically insulates the first metal part and the second metal part.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012283446A JP2014127355A (en) | 2012-12-26 | 2012-12-26 | Electric device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012283446A JP2014127355A (en) | 2012-12-26 | 2012-12-26 | Electric device |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014127355A true JP2014127355A (en) | 2014-07-07 |
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ID=51406688
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| JP2012283446A Pending JP2014127355A (en) | 2012-12-26 | 2012-12-26 | Electric device |
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| JP (1) | JP2014127355A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017098205A (en) * | 2015-11-27 | 2017-06-01 | トヨタ自動車株式会社 | Secondary battery having electrode body |
| CN113247962A (en) * | 2021-06-26 | 2021-08-13 | 深圳中科精研科技有限公司 | Battery anode material and method for rapidly synthesizing battery anode material |
-
2012
- 2012-12-26 JP JP2012283446A patent/JP2014127355A/en active Pending
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