JP2015115203A - ラミネート型電池を用いた組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、過充電状態においても熱暴走に至らない強固な外装ケースで覆うフルパック構造を用いた組電池を提供するものである。【解決手段】 複数枚にて組んだラミネート型電池の組電池に於いて、組電池内或いはその強固な外装ケースとの間に予め隙間を設けることで、たとえ過充電や外部加熱のような誤動作によって発熱したとしても、セルの膨張バッファを設けるとことで、セルが膨張しても表面積をふやして放熱を促すことで、熱暴走による発火を防止することが可能となる。【選択図】 図２

Description

本発明は、複数のラミネート型電池を用いた組電池に関し、さらに詳細には、特別な冷却機構を設けずとも、過充電状態においても熱暴走しない組電池の構造に関するものである。

近年、携帯電話、ノート型パソコンなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、高エネルギー密度の非水二次電池などの電気化学素子の需要が急激に伸びている。現在、こうした要求に応え得る非水二次電池は、例えば、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能なリチウム複合酸化物を使用した正極と、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な材料やリチウム金属などを使用した負極と、電解質塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液とを、ラミネート材や金属製の外装材に封入して構成されたリチウム二次電池が広く用いられており、特に電池自動車や蓄電用の大型の電池では、複数のリチウム二次電池を用いて組電池として使用されている。

複数のリチウム二次電池を用いた組電池では、複数のラミネート型電池を外装ケースで覆って使用する場合が多い。例えば特許文献１に記載されているように、まずは積み重ねた電池群を簡便な外装ケースで覆い（コアパック）、必要に応じてこれに保護回路等の電気基板を接続し、特許文献２のように、強固な外装ケースで覆う（フルパック）事によって最終的な組電池とする場合がある。

特開２００９−２５９５８１号公報 特開２０１３−１６８３８７号公報

リチウム二次電池は非水電解液として可燃性の有機溶媒を使用している為、安全性対策が重要であり、その為、過度の使用状態の試験条件用いて安全性を確認している。例えば過充電試験では、保護回路が故障した場合を想定して電池の満充電状態以上の充電を行っても発火などの危険な状態に至らないかを確認するが、組電池の場合、電池パックの過充電試験を行うと、外装ケースへの組み込み状態によって、電池パック安全性が大きく異なり、コアパックのような簡便な外装ケースでは発火しないが、フルパックのような強固な外装ケースでは発火してしまうという事象がある。コアパックの場合、過充電により温度が上昇すると、セルの膨張によって外装ケースが破壊され、パック内で束ねられている各セルがアコーディオン状にばらけてしまう。フルパックの場合は外装ケースが強固なので破壊されずに形状が維持される。コアパックではばらける事によって、空気との接触面積が増え放熱されるので、それによって熱暴走には至らずに発火しないが、フルパックでは放熱されないので熱暴走に至ってしまうものと考えられる。

本発明は、この現象を利用し、逆に膨張出来るような空間をバッファとして予め設ける事により、発火を防ぐものである。

前記目的を達成するために、本発明は、複数のラミネート型電池を用いた組電池において、組電池内、或いはその外装ケースとの間に予め隙間を設けることを特徴とするものである。たとえ過充電や外部加熱のような誤動作によって電池が異常発熱したとしても、膨張バッファとなる隙間を設けるとことで、異常発熱により膨張したラミネート型電池の間隔が広がることで放熱を促し、熱暴走による発火を防止することが可能となる。複数のラミネート型電池を用いた組電池のうち、組電池を構成する一部の単電池の周囲のみ間隔を拡げる事により、放熱を促して熱暴走による発火を防止する事が出来る。

また、複数のラミネート型電池を用いた組電池のうち、組電池を構成する最も外端に位置する片面或いは両面の単電池の周囲のみの間隔を拡げる事により、放熱を促して熱暴走を防止する事が出来る。膨張バッファとなる隙間を設ける部分を、最外端となる単電池の位置とする事により、その他の単位電池が一体となって構成される為、組電池単位としての剛性を出来るだけ損なわないようにすることが可能になる。

また、複数のラミネート型電池を用いた組電池のうち、組電池を構成する最も中央に位置する単数或いは複数枚の単電池の周囲のみの間隔を拡げる事により、放熱を促して熱暴走を防止する事が出来る。組電池中で最も蓄熱されて最も放熱がしにくいのは中央部なので、膨張バッファとなる隙間を設ける部分を組電池のうちの中央部近傍とすることにより、組電池の高温部を集中的に放熱することができ、熱暴走を防止することが可能になる。

更には、複数のラミネート型電池を用いた組電池の一部に、単数あるいは複数の低容量のラミネート型電池が存在している場合、低容量の単数或いは複数枚の単電池の周囲のみ間隔を拡げる事により、放熱を促して熱暴走を防止する事が出来る。通常、組電池中で過充電となり易いのは最も容量の少ない単電池なので、組電池の中に過充電となりやすい低容量の電池を組み込み、その部分に膨張バッファとなる隙間を設けることで、低容量以外の他の電池が過充電となることを避け、低容量の電池周辺は放熱効率が高い為、過充電による熱暴走を防止することができる。

本発明によれば、組電池のパックの一部に膨張出来るような空間をバッファとして予め設ける事により、過充電などで電池が膨張した際に放熱が効率よくおこなわれ、電池の熱暴走を防ぐことが可能になる。

ラミネート型電池の模式図である。 本発明による複数のラミネート型電池をパック化して組電池とした模式図である。 電池が膨張した際の模式図である。 中央部に隙間を設けた実施形態を示す模式図である。 低容量電池を組み込んだ実施形態を示す模式図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。

本発明で使用するリチウム二次電池は、正極、負極、セパレータおよび非水電解質および外装にアルミラミネートを備えたラミネート型電池である。図１にラミネート型電池の模式図を示す。正極２は正極活物質と導電助剤および結着剤を有機溶媒中で混合し、その組成物をアルミニウム箔上に塗布、乾燥、圧延して正極層としたものである。負極３も正極２と同様にして、主に炭素物質からなる負極活物質と結着剤、必要に応じて導電助剤を混合し、その組成物を銅箔上に塗布、乾燥、圧延したものを負極層としたものである。正極層と負極層の間にはポリマーから成るセパレータが配置される。

正極、負極、セパレータから構成される電極体は例えば所定の大きさに切り出された正極と負極とを、帯状のセパレータを折り返しながら積層していく積層電極体構造をとる。その電極体の正極２から正極リード４が、負極３から負極リード５が外装アルミラミネート１の外に引き出される。注液用にセルの一辺だけシールせずに開口部を作り、それ以外の部分は熱溶着し、注液前電池を準備する。次に非水電解液を注液し、注液部の開口している一辺を熱融着にて封口し、それから初回充電を実施する。初回充電により、初期のガス発生が起こり、２０〜８０℃の環境下で数時間セルを静置するエージング工程、発生したガスを抜き、さらに真空に引きながら熱融着を行った後、予定している電池電圧まで満充電を実施し、リチウム二次電池を作成する。

リチウム二次電池のその他の構成および構造については特に制限はなく、従来から知られている構成および構造を適用することができる。

図２は、複数のラミネート型電池をパック化して組電池とした模式図である。外装ケース６内には、ラミネート型電池の単位セル８が複数個収納されており、単位セルの集合体の上側、下側の双方には外装ケースとの隙間が設けられており、電池が異常発熱等により膨張した際、膨張バッファ８として機能する。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。

（実施例１）
＜正極の作製＞
ＬｉＣｏＯ_２で表される正極活物質９４質量部と、結着剤であるＰＶＤＦ（１０％ＮＭＰ溶液）を４質量部（固形分として）と、導電助剤である人造黒鉛１質量部およびケッチェンブラック１質量部とを、プラネタリーミキサーを用いて混練し、更にＮＭＰを加えて粘度を調節して、正極合剤含有組成物を調製した。

前記の正極合剤含有組成物を、厚みが１５μｍのアルミニウム箔（正極集電体）の両面に塗布した後、１２０℃で１２時間の真空乾燥を行って、アルミニウム箔の両面に正極合剤層を形成した。その後、プレス処理を行って、正極合剤層の厚みおよび密度を調節した。できた正極を所定の寸法にトムソン刃を用いて切り出し、正極とした。

＜負極の作製＞
負極活物質である平均粒子径が１０μｍの天然黒鉛９７．５質量部と、結着剤であるスチレンブタジエンゴム１．５質量部と、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース１質量部とに、水を加えて混合し、負極合剤含有ペーストを調製した。この負極合剤含有ペーストを厚みが８μｍの銅箔の両面に塗布した後、１２０℃で１２時間の真空乾燥を行って、銅箔の両面に負極合剤層を形成した。その後、プレス処理を行って、負極合剤層の厚みおよび密度を調節した。できた負極を所定の寸法にトムソン刃を用いて切り出し、負極とした。

＜電解液の調製＞
エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとジエチルカーボネートとの容積比２：３：１の混合溶媒に、ＬｉＰＦ_６を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させ、ビニレンカーボネート２．５質量％を添加して、電解液を調製した。

＜電池の組み立て＞
前記切り出した正極、および負極を厚みが１６μｍの片面に無機粒子を塗布した耐熱セパレータ（空孔率：４３％）をつづら折りしながら正極と負極を交互に積層していき、電極積層体を作製した。前記セパレータは１２μｍのポリエチレン層と４μｍのベーマイト層からなり、ベーマイト層が正極側を向くように積層し、正極７枚、負極８枚の積層体を作製した。この時、セパレータ幅方向の負極からのはみ出し長さを０．７５ｍｍとした。このセパレータの長手方向の末端をポリプロピレン製の絶縁テープで固定した。正極のアルミニウム箔の露出部にアルミニウム製のリードを溶接した。リードには熱溶着性を向上させるためのプロピレン性の樹脂フィルムをとりつけた。負極も正極と同様にして銅箔の露出部にニッケル製のリードを溶接した。リードには熱溶着性を向上させるためのプロピレン性の樹脂フィルムをとりつけた。その後、積層体のセパレータの幅方向両端部をヒートシーラーを用いて熱溶着し、１１４μｍのアルミラミネートの外装シートにあらかじめ積層体が収まるサイズの窪みを作製しておき、その中に前記電極積層体を収納した。電極積層体を収納後、開口部分をヒートシーラーで熱溶着した。できた注液前電池を１２時間６０℃で真空乾燥した。その後、一辺開口している３部分から非水電解液を注液し、すぐに３部分を熱溶着により封止した。作成したラミネート型リチウム二次電池の寸法は、縦１６１ｍｍ、横７８ｍｍ、厚み６．５ｍｍである。

次にこのラミネート型二次電池８個を直列に接続し、外装ケースに収納した。外装ケースへは、電池１〜８を結束し、結束した電池の上下と外装ケースとの空間を設け、組電池を作成した。

（実施例２）
外装ケースに収納する８個のラミネート型二次電池のうち、図４に示すように中央部に配置する２個のラミネート型電池の周辺に空間を設けた以外は実施例１と同様に組電池を作成した。

（実施例３）
外装ケースに収納する８個のラミネート型二次電池のうち、本発明の効果を確認する為に図５に示すように、中央部に配置する２個のラミネート型電池を敢えて低容量のものに変更し、さらに周辺に空間を設けた以外は実施例１と同様に組電池を作成した。

（比較例１）
結束した電池の上下と外装ケースとの空間を設けなかったこと以外は実施例１と同様に組電池を作成した。

＜過充電試験＞
過充電の条件として、最大充電電流で上限充電電圧の１２０％まで定電流充電としたところ、一部のセルが発熱により膨張し、実施例１の組電池は図３に示すような状態となったが、発火には至ることはなかった。また、実施例２、３の組電池も同様に、熱暴走は起きず、発火に至ることはなかった。一方で比較例１の電池は外装ケース内に膨張バッファを設けていない為、一部または全てのセルの膨張により外層ケ−スを破損した。

１ ラミネート外装材
２ 正極
３ 負極
４ 正極リード
５ 負極リード
６ 外装ケース
７ 膨張バッファ
８ 単位セル
９ 膨張したセル
１０ 低容量セル

Claims (5)

1. 複数のラミネート型電池を用いた組電池において、前記組電池は外装ケースに収納されており、前記外装ケース内に前記ラミネート電池が膨張した際、膨張部を納める隙間を設けたことを特徴とする組電池。
2. 前記組電池を構成する一部の単電池の周囲のみ間隔を拡げたことを特徴とする請求項１記載の組電池。
3. 前記組電池を構成する最も外端に位置する片面或いは両面の単電池の周囲のみの間隔を拡げたことを特徴とする請求項２記載の組電池。
4. 前記組電池を構成する最も中央に位置する単数或いは複数枚の単電池の周囲のみの間隔を拡げたことを特徴とする請求項２記載の組電池。
5. 前記組電池を構成する単電池のうち、他の単電池と比較して低容量の単電池の周囲のみの間隔を拡げたことを特徴とする請求項４記載の組電池。

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