JP2019149329A

JP2019149329A - 単電池

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Publication number: JP2019149329A
Application number: JP2018034498A
Authority: JP
Inventors: 隆行北條; Takayuki Hojo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: JP7040121B2

Abstract

【課題】簡素な構成を有する短絡素子を用いつつ、外部から熱が伝達される場合に短絡素子を素早く作動させることができる単電池を提供する。【解決手段】単電池１０は、正極４０および負極５０がセパレータ６０を介在させつつ積層方向に積層された電極体と、正極４０および負極５０を短絡可能に構成された複数の短絡素子２０と、電極体および複数の短絡素子２０を内部に収容する収容ケース１１と、を備える。短絡素子２０は、正極４０に電気的に接続される正極導電体と、負極５０に電気的に接続される負極導電体と、正極導電体および負極導電体に接触した状態で挟み込まれ、温度上昇によって抵抗値が低下する負温度特性部材と、を含み、複数の短絡素子２０は、積層方向における電極体の少なくとも両端側において電極体に対向するように配置されている。【選択図】図３

Description

本開示は、単電池に関し、特に車両に搭載される単電池に関する。

従来、短絡素子を備えた単電池が開示された文献として、たとえば特開２０１４−０２２２８４号公報（特許文献１）が挙げられる。

特許文献１に開示の単電池にあっては、正極、セパレータおよび負極が積層された状態で巻芯に巻回された電極体の中央部（巻芯の内部）に短絡素子が挿入されている。

当該短絡素子においては、電極体の正極に接続された第１導電体と電極体の負極に接続された第２導電体との間に絶縁体と低融点合金層とが挟み込まれている。第１導電体および第２導電体のうち少なくとも一方の外側には所定温度近傍で膨張する膨張部材が配置されている。

異常時に電極体が発熱し、所定温度近傍になった場合に、低融点合金層が溶融した状態で膨張部材が第１導電体と第２導電体とを近づけるように膨張することで、電極体の正極および負極が短絡する。

特開２０１４−０２２２８４号公報

しかしながら、特許文献１に開示の短絡素子にあっては、短絡素子が全体的に膨張することを抑制する膨張抑制部材が、第１導電体、第２導電体、絶縁体、および低融点合金を囲い込むように設けられている。このため、短絡素子の構成が複雑となるとともに、短絡素子が大きくなってしまう。

電池の高容量化に伴って、電極体を収容する収容ケース内を有効に利用しようとする場合には、上記のような構成を有する短絡素子を複数配置することは困難となる。省スペース化の観点において、上記短絡素子は不向きであった。

また、短絡素子は、電極体の中央部に配置されている。このため、複数の単電池が並べられて構成された組電池においては、短絡素子は、隣りに配置された単電池から相当程度離れて配置されることとなる。

この場合において、他の単電池が異常により発熱した場合には、隣りに配置された単電池から短絡素子に熱が伝わるまでに時間が掛かってしまう。これにより短絡素子の作動が遅れることが懸念される。

本開示は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、簡素な構成を有する短絡素子を用いつつ、外部から熱が伝達される場合に短絡素子を素早く作動させることができる単電池を提供することにある。

本開示に基づく単電池は、正極および負極がセパレータを介在させつつ積層方向に積層された電極体と、上記正極および上記負極を短絡可能に構成された複数の短絡素子と、上記電極体および上記複数の短絡素子を内部に収容する収容ケースと、を備える。上記短絡素子は、上記正極に電気的に接続される正極導電体と、上記負極に電気的に接続される負極導電体と、上記正極導電体および上記負極導電体に接触した状態で挟み込まれ、温度上昇によって抵抗値が低下する負温度特性部材と、を含む。上記複数の短絡素子は、上記積層方向における上記電極体の少なくとも両端側において上記電極体に対向するように配置されている。

上記のように、短絡素子が、正極導電体および負極導電体によって負温度特性部材を挟み込むように構成されることにより、短絡素子の構成を簡素にすることができる。これにより、短絡素子を薄型化することができ、収容ケース内に複数の短絡素子を配置することができる。

上記のように、複数の短絡素子を、正極、セパレータ、および負極の積層方向における電極体の少なくとも両端側において電極体に対向するように配置する場合には、複数の単電池を一方向に並べて組電池を構成する際に、隣りに配置される単電池に近づけて短絡素子を配置することができる。これにより、他の単電池が異常等により発熱し、隣りに配置された単電池から熱が伝達される場合に、当該熱を短絡素子に素早く伝えることができる。この結果、短絡素子を素早く作動させることができる。

本開示によれば、簡素な構成を有する短絡素子を用いつつ、外部から熱が伝達される場合に短絡素子を素早く作動させることができる単電池を提供することができる。

実施の形態に係る組電池を示す概略図である。実施の形態に係る単電池を示す概略図である。図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。実施の形態に係る電極体および複数の短絡素子を分解して配置した分解斜視図である。実施の形態に係る短絡素子を示す概略図である。実施の形態の効果を確認するために実施した検証実験の様子を示す図である。実施の形態の効果を確認するために実施した検証実験の条件および結果を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

（組電池）
図１は、実施の形態に係る組電池を示す概略図である。図１を参照して、実施の形態に係る組電池１について説明する。

組電池１は、ハイブリッド自動車および電気自動車等の車両に主として搭載される。組電池１は、複数の単電池１０を電気的に直列に接続することで構成されており、これにより組電池１は、大電圧を出力することができる。組電池１は、車両駆動用の電動機に電力を供給する。その一方で、組電池１は、回生制動等によって電動機で発電された電力を充電する。

組電池１は、一方向に並んで配置された複数の単電池１０を含む。複数の単電池１０の間には、スペーサ７０（図６参照）が配置されている。単電池１０は、たとえば、ニッケル水素電池、またはリチウムイオン電池等の二次電池である。単電池１０は、たとえば角型形状を有する。

単電池１０は、正極端子１２および負極端子１３を備える。互いに隣り合う単電池１０のうち一方の単電池１０の正極端子１２と他方の単電池１０の負極端子１３とが対向するように、複数の単電池１０が配列されている。複数の単電池１０は、バスバー（不図示）によって電気的に直列に接続されている。

（単電池）
図２は、実施の形態に係る単電池を示す概略図である。図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、実施の形態に係る電極体および複数の短絡素子を分解して配置した分解斜視図である。図２から図４を参照して、実施の形態に係る単電池１０について説明する。

図２に示すように、単電池１０は、電極体３０、複数の短絡素子２０、および収容ケース１１を備える。

収容ケース１１は、たとえば角型形状（扁平直方体形状）を有する。収容ケース１１には、正極端子１２および負極端子１３が設けられている。収容ケース１１は、内部に電極体３０および複数の短絡素子２０を収容する。なお、収容ケース１１は、内部に電解液等も収容していてもよい。

図２から図４に示すように、電極体３０は、正極としての正極板４０、負極としての負極板５０、およびセパレータ６０を含む。電極体３０は、正極板４０および負極板５０がセパレータ６０を介在させつつ積層方向に積層されることで構成される。

正極板４０は、正の極性を有する極板である。正極板４０の平面形状は、たとえば、矩形形状である。正極板４０は、典型的には正極集電体４１と、正極活物質層４２とを含む。正極集電体４１のうち、正極活物質層４２から露出された部分は、正極端子１２に電気的に接続される。

正極集電体４１は、たとえば、１０〜３０μｍ程度の厚さを有する。正極集電体４１は、たとえば、Ａｌ箔等であってもよい。Ａｌ箔は、純Ａｌ箔であってもよいし、Ａｌ合金箔であってもよい。

正極活物質層４２は、正極集電体４１の表面に形成されている。正極活物質層４２は、正極集電体４１の片面のみに形成されていてもよいし、両面に形成されていてもよい。正極活物質層４２は、たとえば、１０〜２００μｍ程度の厚さを有する。

正極活物質層４２は、正極活物質粒子と、導電性粒子と、バインダとを含む。正極活物質粒子は、たとえばＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、一般式ＬｉＮｉ_ａＣｏ_ｂＯ_２（ただし式中、ａ＋ｂ＝１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１である。）で表される化合物、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、一般式ＬｉＮｉ_ａＣｏ_ｂＭｎ_ｃＯ_２（ただし式中、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０＜ｃ＜１である。）で表される化合物、ＬｉＦｅＰＯ４等でよい。ここで、一般式ＬｉＮｉ_ａＣｏ_ｂＭｎ_ｃＯ_２で表される化合物としては、たとえばＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２等が挙げられる。１種の正極活物質粒子が単独で使用されてもよいし、２種以上の正極活物質粒子が組み合わされて使用されてもよい。

導電性粒子は、たとえば、アセチレンブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）、黒鉛、グラフェンフレーク等であってもよい。１種の導電性粒子が単独で使用されてもよいし、２種以上の導電性粒子が組み合わされて使用されてもよい。

バインダは、たとえば、ＰＶｄＦ、ＰＴＦＥ等であってもよい。１種のバインダが単独で使用されてもよいし、２種以上のバインダが組み合わされて使用されてもよい。

負極板５０は、負の極性を有する極板である。負極板５０の平面形状は、たとえば、矩形状である。負極板５０は、典型的には負極集電体５１と、負極活物質層５２とを含む。負極集電体５１のうち、負極活物質層５２から露出された部分は、負極端子１３に電気的に接続される。

負極集電体５１は、たとえば、１０〜３０μｍ程度の厚さを有する。負極集電体５１は、たとえば、銅（Ｃｕ）箔等であってもよい。Ｃｕ箔は、純Ｃｕ箔であってもよいし、Ｃｕ合金箔であってもよい。

負極活物質層５２は、負極集電体５１の表面に形成されている。負極活物質層５２は、負極集電体５１の片面のみに形成されていてもよいし、両面に形成されていてもよい。負極活物質層５２は、たとえば、１０〜２００μｍ程度の厚さを有する。

負極活物質層５２は、たとえば、負極活物質粒子と、バインダとを含む。負極活物質粒子は、たとえば、黒鉛粒子、易黒鉛化炭素粒子、難黒鉛化炭素粒子、珪素粒子、酸化珪素粒子、錫粒子、酸化錫粒子等であってもよい。１種の負極活物質粒子が単独で使用されてもよいし、２種以上の負極活物質粒子が組み合わされて使用されてもよい。

バインダは、たとえば、ＣＭＣ、ＳＢＲ等であってもよい。１種のバインダが単独で使用されてもよいし、２種以上のバインダが組み合わされて使用されてもよい。

セパレータ６０は、絶縁性を有する材料により構成される。セパレータ６０は、正極板４０と負極板５０との間に配置される。また、セパレータ６０は、電極体３０と短絡素子２０との間にも配置される。

セパレータ６０は多孔体構造であり、イオンおよび電子をセパレータ６０内の空孔に通過させることができる。そのため、正極活物質層４２から負極活物質層５２へ、または負極活物質層５２から正極活物質層４２へイオンおよび電子が移動することができる。

複数の短絡素子２０は、正極板４０および負極板５０を短絡可能に構成されている。複数の短絡素子２０は、正極板４０、セパレータ６０、および負極板５０の積層方向に並ぶように配置されている。複数の短絡素子２０は、上記積層方向における電極体３０の少なくとも両端側において電極体３０に対向するように配置されている。

実施の形態においては、３つの短絡素子２０が設けられている。２つの短絡素子２０が、積層方向における電極体３０の両端側に配置されている。これら２つの短絡素子２０は、それぞれ電極体３０と収容ケース１１との間に配置されている。残りの１つの短絡素子２０は、電極体３０の中央部に配置されている。

なお、短絡素子２０の数は、３つに限定されることない。上記のように、短絡素子２０が積層方向における電極体３０の少なくとも両端側において電極体３０に対向するように配置される限り、短絡素子２０の数は、２つ以上であればよい。

（短絡素子）
図５は、実施の形態に係る短絡素子を示す概略図である。図５を参照して、実施の形態に係る短絡素子２０の構成について説明する。

短絡素子２０は、正極導電体としての第１導電体２１、負極導電体としての第２導電体２２、および負温度特性部材２３を含む。

第１導電体２１は、たとえば、金属箔によって構成されている。正極用の金属箔としては、たとえば正極集電体４１と同様の部材を使用してもよい。正極用の金属箔は、たとえば、Ａｌ箔等である。当該Ａｌ箔は、純Ａｌ箔であってもよいし、Ａｌ合金箔であってもよい。

第２導電体２２は、たとえば、金属箔によって構成されている。負極用の金属箔としては、たとえば負極集電体５１と同様の部材を使用してもよい。負極用の金属箔は、たとえば、銅（Ｃｕ）箔等である。Ｃｕ箔は、純Ｃｕ箔であってもよいし、Ｃｕ合金箔であってもよい。

負温度特性部材２３は、板状形状を有する。負温度特性部材２３は、たとえば、５〜３０μｍ程度の厚さを有する。

負温度特性部材２３は、第１導電体２１および第２導電体２２に接触した状態で挟み込まれている。第１導電体２１は、負温度特性部材２３から露出する部分が、正極活物質層４２から露出する部分の正極集電体４１に重なるように配置される。第２導電体２２は、負温度特性部材２３から露出する部分が、負極活物質層５２から露出する部分の負極集電体５１に重なるように配置される。

負温度特性部材２３は、温度上昇によって抵抗値が低下する部材である。負温度特性部材２３としては、たとえば、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）を採用することができる。なお、負温度特性部材２３は、シリコンカーバイトに限定されず、ＣＴＲサーミスタ等であってもよい。

以上のように、実施の形態に係る単電池１０にあっては、短絡素子２０が、第１導電体２１および第２導電体２２によって負温度特性部材２３を挟み込むように構成されることにより、短絡素子２０の構成を簡素化することができる。これにより、短絡素子２０を薄型化することができ、高容量化に伴って電極体を厚くしたり、収容ケース１１のサイズを小さくしたりする場合であっても、収容ケース１１内に複数の短絡素子２０を配置することができる。

さらに、上記積層方向における電極体３０の少なくとも両端側において電極体３０に対向するように複数の短絡素子２０を配置することにより、複数の単電池１０を一方向に並べて組電池１を構成する際に、隣りに配置される単電池に近づくように短絡素子２０を配置することができる。これにより、他の単電池１０が異常等により発熱し、隣りに配置された単電池から熱が伝達される場合に、当該熱を短絡素子２０に素早く伝えることができる。この結果、短絡素子２０を素早く作動させることができる。

（検証実験）
図６は、実施の形態の効果を確認するために実施した検証実験の様子を示す図である。図７は、実施の形態の効果を確認するために実施した検証実験の条件および結果を示す図である。図６および図７を参照して、実施の形態の効果を確認するために行なった検証実験について説明する。

図６および図７に示すように、検証実験においては、比較例１、比較例２、および実施例１に係る組電池を準備し、これら組電池に釘刺し試験を実施した。具体的には、組電池の中央部に配置された単電池に、先端角３０度、釘径φ３ｍｍの釘８０を速度１０ｍｍ／ｓｅｃで貫通させた。

なお、単電池の収容ケースの大きさは、幅寸法１４８ｍｍ、奥行き寸法２６．４ｍｍ、高さ寸法９１ｍｍとした。単電池の容量は、５０Ａｈとした。また、正極板４０は、Ａｌ箔とし、その厚さは１２μｍとした。負極板５０は、Ｃｕ箔とし、その厚さは１０μｍとした。

単電池の充電率（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）は、１００％とし、２５℃に設定された恒温槽内に組電池を配置した。

図６は、実施例１に係る組電池１を図示している。実施例１に係る組電池１は、実施の形態に係る単電池１０を上記積層方向と平行な方向に７個並べることにより準備した。すなわち、実施例１に係る組電池１は、電極体３０の両端側および中央部に短絡素子２０が配置された単電池１０を７個並べることにより準備した。短絡素子２０における負温度毒性部材２３として、ＳｉＣを用い、その厚さは５μｍとした。

比較例１に係る組電池は、短絡素子２０が設けられていない単電池を実施例１同様に７個並べることにより準備した。比較例２に係る組電池は、短絡素子２０が電極体３０の中央部のみに配置されている単電池を実施例１同様に７個並べることにより準備した。

釘が刺された単電池においては強制的に内部短絡が生じることにより発熱し、生成された熱が隣接する単電池に順次伝達されていく。このため、釘刺しにて発生した熱が伝達されることで発煙する単電池の個数を確認することで、比較例１、比較例２、および実施例１に係る組電池を評価した。

図７に示すように、比較例１に係る組電池においては、釘を刺した単電池以外の単電池の全て（６個の単電池）が発煙した。比較例２に係る組電池においても、釘を刺した単電池以外の単電池の全て（６個の単電池）が発煙した。

一方、実施例１に係る組電池においては、釘を刺した単電池に隣接する２つの単電池が発煙しただけであり、他の単電池は発煙しなかった。

以上の結果から、上記積層方向における電極体３０の少なくとも両端側において電極体３０に対向するように複数の短絡素子２０を配置することにより、短絡素子２０を素早く作動させ、他の単電池が発煙することを抑制することが確認された。

以上、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１組電池、１０単電池、１１収容ケース、１２正極端子、１３負極端子、２０短絡素子、２１第１導電体、２２第２導電体、２３負温度特性部材、３０電極体、４０正極板、４１正極集電体、４２正極活物質層、５０負極板、５１負極集電体、５２負極活物質層、６０セパレータ、７０スペーサ、８０釘。

Claims

正極および負極がセパレータを介在させつつ積層方向に積層された電極体と、
前記正極および前記負極を短絡可能に構成された複数の短絡素子と、
前記電極体および前記複数の短絡素子を内部に収容する収容ケースと、を備え、
前記短絡素子は、前記正極に電気的に接続される正極導電体と、前記負極に電気的に接続される負極導電体と、前記正極導電体および前記負極導電体に接触した状態で挟み込まれ、温度上昇によって抵抗値が低下する負温度特性部材と、を含み、
前記複数の短絡素子は、前記積層方向における前記電極体の少なくとも両端側において前記電極体に対向するように配置されている、単電池。