JP3952093B2

JP3952093B2 - 電池

Info

Publication number: JP3952093B2
Application number: JP33661996A
Authority: JP
Inventors: 久和樋口; 剛文井上
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: JPH10172534A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正負電極をセパレータを介して巻回又は積層し、これらの正負電極をリードを介して正負極端子に接続した電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
巻回型のリチウムイオン２次電池は、図３に示すように、帯状の正極１と負極２と２枚のセパレータ３，３を重ね合わせて巻回する。正極１は、帯状のアルミニウム箔１ａの表裏面に正極活物質１ｂを塗布したものであり、負極２は、帯状の銅箔２ａの表裏面に負極活物質２ｂを塗布したものである。そして、正極１上辺部の適宜箇所には、複数本の正極リード４が下端部を接続固定され、負極２の適宜箇所には、複数本の負極リード５が下端部を接続固定されている。正極リード４は、縦に細長いアルミニウムの箔からなり、負極リード５は、縦に細長い銅の箔からなる。セパレータ３，３は、これら正負電極１，２よりも少し幅広の帯状の薄い絶縁性の不織布等を用いる。
【０００３】
上記正負電極１，２と２枚のセパレータ３，３は、互い違いに重ね合わせて巻回することにより、図４に示すような電池エレメント６を構成する。この際、複数本の正負極リード４，５は、この電池エレメント６の上端からランダムに突出する。そこで、図５に示すように、正極リード４は、これらの上端部をまとめて、図示しない電池ケースに取り付けられた正極端子７に接続固定する。また、複数本の負極リード５も、これらの上端部をまとめて、負極端子８に接続固定する。ただし、これらの正極リード４と負極リード５は、ランダムな位置から突出するので、正負極端子７，８に接続する際に互いに接触する場合がある。このため、これらの正負極リード４，５は、予めポリプロピレン等の絶縁テープを両面に貼って、接触による短絡を防止するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記リチウムイオン２次電池は、正負極端子７，８が外部で短絡すると、電池内部の正負極リード４，５に大きな外部短絡電流が流れることになる。ところが、従来は、正負極リード４，５がこの外部短絡電流に耐え得るような設計になっていなかった。従って、外部短絡が発生し正負極リード４，５に外部短絡電流が流れると、発熱によってアルミニウムや銅の箔が溶融して切断されることにより溶断し、この際に絶縁テープも溶融飛散するので、切断部分がむき出しとなる。しかも、正負極リード４，５のいずれか一方のみが溶断するとは限らず、双方が共に溶断する場合もあるので、これら正極リード４と負極リード５の露出した切断部分が互いに接触して内部短絡を起こすおそれがある。
【０００５】
このため、従来のリチウムイオン２次電池では、外部短絡が発生した場合に、電池内部の正負極リード４，５が共に溶断することがあり、このために内部短絡を起こすおそれがあるという問題があった。
【０００６】
なお、この問題は、上記巻回型のリチウムイオン２次電池に限らず、正負極リード４，５が電池エレメント６の一端からランダムに突出する構造の電池一般に共通するものであり、この電池エレメント６を楕円状に巻回した楕円型の電池にも共通する。
【０００７】
ただし、正負電極１，２とセパレータ３，３を巻回する際に、正極リード４と負極リード５をそれぞれ電池エレメント６の上端の左右に振り分けて突出させた場合や、正極リード４と負極リード５をそれぞれ電池エレメント６の上下端に分けて突出させた場合には、上記のように正負極リード４，５が共に溶断しても、これらが直接接触することはない。また、正負電極１，２をセパレータ３，３を介して積層する積層型の電池の場合にも、正極リード４と負極リード５の突出位置を容易に分離できるので、これらが直接接触するのを簡単に防止できる。しかし、このような電池であっても、正負極リード４，５が共に溶断すると、これらの露出した切断部分がそれぞれ異なる箇所で導電性の電池ケース等に接触する可能性があるので、この電池ケース等を介して内部短絡を起こすおそれがあるという問題は生じる。
【０００８】
また、上記従来の電池は、外部短絡が発生した場合に、正負極リード４，５がいずれも溶断しない場合があり、この場合には外部短絡電流が流れ続けることになる。外部短絡のみが発生した場合には、外部短絡電流がそれぞれ複数本ずつの正負極リード４，５に分割されて流れるが、さらに内部短絡が発生すると、内部短絡電流が実際に接触した１本ずつの正負極リード４，５に集中的に流れるので、発熱量が増大し安全弁作動や電池破裂のおそれが高くなる。従って、このような内部短絡の発生を防止するために、従来から上記問題の解消が強く望まれていた。しかし、外部短絡のみが発生した場合にも、電池内部に大きな外部短絡電流が流れるので、これによる発熱によって安全弁作動や電池破裂のおそれを完全に回避することはできず、このために外部短絡電流も確実に遮断したいという要請が従来からある。そして、このような外部短絡電流を遮断するためにはＣＩＤと称される電流回路遮断装置を設ければよいが、電池内部に別途ＣＩＤと称される電流回路遮断装置を取り付けると、電池スペースが圧迫されると共に、製造コストも上昇するという問題が発生する。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、外部短絡が発生した場合に正負いずれか一方のリードのみを積極的に溶断させることにより、双方のリードの溶断による内部短絡の発生を防止できる電池を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、正負電極がセパレータを介して近接配置され、かつ、これらの正負電極がそれぞれ１本又は２本以上のリードを介して正負極端子に接続された電池において、正負いずれか一方の電極に接続されるリードを、その材質と総断面積に基づく溶断限界電流が外部短絡電流未満の値となるように設定し、他方の電極に接続されるリードを、その材質と総断面積に基づく溶断限界電流が外部短絡電流を超える値となるように設定することにより、正負極のリードに外部短絡電流が流れた場合に、一方の電極に接続されるリードのみが溶断し、他方の電極に接続されるリードは溶断されないようにしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明によれば、電池の外部で正負極端子間が短絡し、正負電極に接続されるリードにそれぞれ外部短絡電流が流れると、一方の電極に接続されるリードは、このリードの溶断限界電流を超える電流が流れることになるので、全て溶断して電極と端子間が遮断される。しかし、他方の電極に接続されるリードは、外部短絡電流が流れてもこのリードの溶断限界電流を超えることがないので、いずれも溶断することはない。従って、外部短絡が発生すると、確実に一方の電極に接続されるリードが溶断して外部短絡電流を遮断するので、これらのリードをヒューズとして機能させることができる。しかも、外部短絡が発生しても、他方の電極に接続されるリードが溶断することはないので、正負電極に接続されるリードが共に溶断して互いに直接又は電池ケース等を介して短絡することにより内部短絡を発生するおそれもなくすことができる。
【００１２】
なお、溶断限界電流は、一方又は他方の電極に接続される１本又は２本以上のリードが溶断に至る限界の電流値であり、これらのリードの材質と総断面積に基づいて定まる値である。また、外部短絡電流は、その電池の端子電圧や内部抵抗によって定まる値である。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１〜図２は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は巻回型のリチウムイオン２次電池における電池エレメントの斜視図、図２は正負極リードを接続固定した正負電極とセパレータの展開斜視図である。なお、図３〜図５に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００２０】
本実施形態は、巻回型のリチウムイオン２次電池について説明する。図２に示すように、本実施形態のリチウムイオン２次電池も、図３に示した従来例と同じ構成の正極１と負極２と２枚のセパレータ３，３を用いる。また、正極１と負極２の上辺部に、それぞれ従来例と同様の複数本の正極リード４と負極リード５が接続固定されている。
【００２１】
ただし、負極リード５は、正極リード４に比べて箔の幅が半分以下に狭く形成されている。負極リード５は、厚さ７０μｍ程度の銅の箔からなり、正極リード４は、厚さ１００μｍ程度であるが、導電率が銅の７割程度のアルミニウムの箔からなるので、箔の幅が同じであれば、これらの許容電流もほぼ同一になる。従って、実際の負極リード５の許容電流は、正極リード４の許容電流の半分以下となる。また、正負極リード４，５が溶断に至る限界の溶断限界電流は、それぞれの許容電流に応じてこれよりも大きな値となるので、負極リード５の溶断限界電流は、正極リード４の溶断限界電流よりも十分に小さくなる。そして、負極リード５の溶断限界電流は、本実施形態のリチウムイオン２次電池が外部短絡を発生した場合に流れる外部短絡電流よりも小さく、かつ、正極リード４の溶断限界電流は、この外部短絡電流よりも大きくなるように設定されている。なお、これら正負極リード４，５の溶断限界電流や許容電流は、それぞれ複数本ずつの各正負極リード４，５における個々の溶断限界電流や許容電流を合計したものである。
【００２２】
上記正負極リード４，５をそれぞれ接続固定した正負電極１，２は、２枚のセパレータ３，３を介して互い違いに重ね合わせて巻回し、図１に示すような電池エレメント６を構成させる。そして、この電池エレメント６の上端からランダムに突出した正極リード４の上端部をまとめて、正極端子７に接続固定すると共に、同じ上端からランダムに突出した負極リード５の上端部をまとめて、負極端子８に接続固定する。この際、各正負極リード４，５は、従来と同様に予めポリプロピレン等の絶縁テープを両面に貼っているので、互いに接触しても短絡するようなことはない。そして、これらの正負極端子７，８の上端部のみを外部に突出させてこの電池エレメント６を図示しない電池ケース内に収納し電解液を充填して密封することによりリチウムイオン２次電池を完成する。
【００２３】
上記構成のリチウムイオン２次電池は、外部で正負極端子７，８の間が短絡し外部短絡電流が流れると、負極リード５に溶断限界電流を超える電流が流れることになるので、これらの負極リード５が全て溶断して負極２と負極端子８との間が遮断される。従って、外部短絡が発生した場合には、確実に負極リード５が溶断して外部短絡電流を遮断するので、これらの負極リード５を電流遮断手段として機能させることができる。また、正極リード４は、溶断限界電流が外部短絡電流よりも大きいので、外部短絡が発生しても溶断することはない。従って、負極リード５が溶断し絶縁テープが溶融飛散して露出した切断部分が正極リード４に接触するようなことがあったとしても、この正極リード４は絶縁テープによって被覆されているので、内部短絡が発生するおそれはない。
【００２４】
なお、本実施形態では、外部短絡電流が負極リード５の溶断限界電流と正極リード４の溶断限界電流との間になるように設定したが、外部短絡電流とは無関係に負極リード５の許容電流が正極リード４の許容電流の半分以下となるように設定してもよい。この場合、外部短絡の発生により流れる外部短絡電流が負極リード５の許容電流を大きく超えた場合にのみ、これらの負極リード５が溶断して負極２と負極端子８との間を遮断する。しかし、正極リード４の許容電流は負極リード５の許容電流の２倍以上あるため、外部短絡電流がこの正極リード４の許容電流を超えていたとしても、負極リード５の方が先に溶断して外部短絡電流を遮断するので、正極リード４の溶断は回避される。従って、この場合には、外部短絡が発生した場合に必ず外部短絡電流を遮断できるとは限らないが、正負極リード４，５が共に溶断するおそれはないので、内部短絡の発生を確実に防止することができる。
【００２５】
また、上記実施形態では、負極リード５側の溶断限界電流や許容電流を小さくしたが、正極リード４側を小さくしても同様の効果を得ることができる。正負極リード４，５の溶断限界電流や許容電流は、本実施例のような箔の幅だけでなく、箔の厚さや箔の材質又は正負極リード４，５の本数によって調整することができる。さらに、上記実施形態では、各正負極リード４，５をそれぞれ１枚ものの均質なアルミニウムや銅の箔で構成したが、これらの材質は任意であり、この材質や断面積が途中で変更されるものであってもよい。この場合、正負極リード４，５の溶断限界電流や許容電流は、各正負極リード４，５における個々の溶断限界電流や許容電流が最も小さい部分に基づいて定まる。また、正極リード４と負極リード５は、本実施形態のように複数本ずつに限らず、１本ずつのみの場合であってもよい。
【００２６】
さらに、上記実施形態では、リチウムイオン２次電池について説明したが、正負電極１，２を正負極リード４，５を介して正負極端子７，８に接続する電池であれば、他の種類の２次電池や１次電池にも同様に実施可能である。また、巻回型に限らず楕円型の電池にも同様に実施可能である。ただし、正負極リード４，５をそれぞれ電池エレメント６の上端の左右に振り分けて突出させた電池の場合や、正負極リード４，５をそれぞれ電池エレメント６の上下端に分けて突出させた電池の場合、又は、正負電極１，２をセパレータ３，３を介して積層した積層型の電池であって正負極リード４，５をそれぞれ分離して突出させたものの場合には、もともと正負極リード４，５の双方が溶断したとしても、これらが直接接触して内部短絡が生じることはない。しかし、このような電池であっても、正負極リード４，５が共に溶断した場合には、これらの露出した切断部分がそれぞれ異なる箇所で導電性の電池ケース等に接触する可能性はあるので、本発明により正負極リード４，５双方の溶断を防止すれば、電池ケース等を介した間接的な内部短絡を防止することができるようになる。
【００２７】
さらに、上記実施形態では、正負極リード４，５の両面に従来と同様の絶縁テープを貼り付けているが、いずれか一方又は両方の正負極リード４，５の周囲を隙間を開けて絶縁部材で覆うようにしてもよい。絶縁部材は、正負極リード４，５の箔の幅と同じかこれより大きい内径のものを用いれば、少なくともこの箔の表裏面側に隙間を開けることができる。絶縁材としてこのような絶縁部材を用いると、正負極リード４，５が溶断した場合に、箔の縁が接触する内径部分には多少の熱損傷を受けることがあっても、隙間部分によって絶縁部材全体が溶融するようなことはなくなるので、これら正負極リード４，５の絶縁は保持される。従って、この場合には、外部短絡電流により正負極リード４，５の双方が溶断したとしても、少なくとも正負極リード４，５のいずれか一方の切断部分は絶縁部材で絶縁されて露出することはないので、内部短絡の発生を確実に防止することができる。また、この場合には、正負極リード４，５の双方が溶断しても内部短絡を防止できるので、上記実施形態のように正負極リード４，５のいずれか一方の溶断限界電流や許容電流を小さくする必要もなくなる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の電池によれば、外部短絡が発生した場合に、いずれか一方のリードの電流遮断機能により外部短絡電流を確実に遮断できるので、別途電池内に電流遮断装置を設ける必要がなくなる。
【００２９】
また、外部短絡が発生してリードが溶断する場合に、正負電極に接続されるリードのいずれか一方のみが溶断するようにして、双方のリードが溶断することにより内部短絡が発生するおそれをなくし、安全弁作動や電池破裂を確実に防止することができる。
【００３０】
さらに、外部短絡が発生してリードが溶断した場合に、少なくとも正負電極に接続されるリードのいずれか一方の周囲が隙間を開けて絶縁部材で覆われるので、このリードが溶断しても切断部分が露出するようなことがなくなり、内部短絡が発生するおそれをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、巻回型のリチウムイオン２次電池における電池エレメントの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、正負極リードを接続固定した正負電極とセパレータの展開斜視図である。
【図３】従来例を示すものであって、正負極リードを接続固定した正負電極とセパレータの展開斜視図である。
【図４】従来例を示すものであって、正負電極とセパレータを巻回して構成した電池エレメントの斜視図である。
【図５】従来例を示すものであって、巻回型のリチウムイオン２次電池における電池エレメントの斜視図である。
【符号の説明】
１正極
２負極
３セパレータ
４正極リード
５負極リード
７正極端子
８負極端子

Claims

正負電極がセパレータを介して近接配置され、かつ、これらの正負電極がそれぞれ１本又は２本以上のリードを介して正負極端子に接続された電池において、
正負いずれか一方の電極に接続されるリードを、その材質と総断面積に基づく溶断限界電流が外部短絡電流未満の値となるように設定し、他方の電極に接続されるリードを、その材質と総断面積に基づく溶断限界電流が外部短絡電流を超える値となるように設定することにより、正負極のリードに外部短絡電流が流れた場合に、一方の電極に接続されるリードのみが溶断し、他方の電極に接続されるリードは溶断されないようにしたことを特徴とする電池。