JP4496582B2

JP4496582B2 - リチウム二次電池

Info

Publication number: JP4496582B2
Application number: JP37526999A
Authority: JP
Inventors: 幹夫岩田
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP2001185225A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大容量を有するリチウム二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等に用いられる大容量のリチウム二次電池の従来の構成例を説明する。このリチウム二次電池は、図５に示されるように、方形箱型の電池ケース１内に巻回型の発電要素７が収納されている。発電要素７は、帯状の正負の電極を帯状のセパレータを介して円筒形に巻回したものである。これらの正負の電極は、それぞれ巻回軸方向に少しずつずらして巻回することにより、一方の端面には正極の端部を突出させ、他方の端面には負極の端部を突出させている。そして、この発電要素７の一方の端面に正極端子４の集電体４ａが配置され、ここに突出する正極の端部が接続されると共に、他方の端面に負極端子３の集電体３ａが配置され、ここに突出する負極の端部が接続されている。また、これらの正極端子４と負極端子３の先端部は、電池ケース１の端面から封止材等によって絶縁封止されて外部に出されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電池の容量を大きくする為には、電池内部に収納されている発電要素を大きくすることが必要であるが、大きくなればなるほど発電要素を構成する電極等の面積も大きくなり、均一な集電状態を保つのが難しくなり、また、巻回機の性能に左右されるような製造技術上の問題もあり、大きな発電要素を製造するのは難しい。そして、発電要素の性能、製造技術等を考慮した場合、リチウム二次電池の場合で４００Ａｈが限界値である。
【０００４】
また、方形箱型の電池ケース内に円筒形の発電要素を収納すると、電池ケースと発電要素との間に隙間が生じ、電池としてのエネルギー密度が低下するという問題もあった。
【０００５】
そこで、このような隙間を減らす為に、発電要素を長円筒形にすることが考えられ、さらに、大きな発電要素を使用せずに大容量の電池を作製する方法として、この長円筒形の発電要素を複数個その側面平坦部を合わせるようにして電池ケース内に収納するという方法が考えられた。そして、このような構造の電池を採用することによって、電池ケース内の隙間が少なく容量密度が大きい、かつ、発電要素を複数収納することで容量の大きな電池の製造が可能となった。
【０００６】
しかしながら、電池の容量が大きくなることにより、これまでの電池ではなかったような大きな電流が電池内を流れるようになって電池内部での発熱量が多くなり、さらに、発電要素を複数並べることにより、一つの場合に比べて発電要素からの放熱が悪くなって温度上昇を生じ易くなるという問題が生じるようになった。
【０００７】
以上に鑑み、本発明は、複数個の発電要素が収納された電池における放熱性を向上させることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のリチウム二次電池は、円筒形の発電要素が複数個、長円筒形の平坦な側面同士が合わさるように電池ケース内に収納され、前記発電要素と前記電池ケースとの間に放熱用の固体部材が配置されていることを特徴とする。
【０００９】
このように、電池ケースと発電要素との間に放熱用の固体部材が配置されることによって、固体部材を通して発電要素で発生した熱が電池ケースへと効率よく伝わるようになり、放熱性能が改善する。さらに、固体の部材を用いることによって、発電要素の動きが制限され、電池が振動等した場合にも発電要素の動きが抑制されるようになる。なお、放熱用の固体部材は、電池ケースと発電要素との間の隙間を埋めるように配置するのが良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
具体的な実施形態について説明することにより、本発明についてさらに説明する。
【００１１】
本発明のリチウム二次電池は、長円筒形の発電要素が複数個、長円筒形の平坦な側面同士が合わさるように電池ケース内に収納され、前記発電要素と前記電池ケースとの間の隙間を埋めるように放熱用の固体部材が配置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
長円筒形の発電要素とは、例えば、円筒型の発電要素の側面を平板で挟んで変形させて得られるような形状の発電要素を意味し、巻軸方向に垂直な断面の形状が長円を有するものをいい、平坦な側面はこの長円の曲率の大きい部分（または直線部分）によって形成される側面部をいう。そして、この長円の形としては、隙間を少なくするという理由から、直線部と円弧部とから形成されるような形状であるのがより好ましい。
【００１３】
図４は従来例と本実施形態での無駄なスペースの割合を比較した図である。この図からも理解されるように、円筒形の発電要素７が１個だけ配置される場合（同図（Ａ））には、この発電要素をできるだけ隙間なく方形箱型の電池ケース１に収納しても、約２２％のスペース（Ｇ１）の無駄が生じるのに比べ、このような長円筒形の発電要素２を２個以上配置（同図（Ｂ））することで、同じ方形箱型の電池ケース１にできるだけ隙間なく収納すれば、スペース（Ｇ２）の無駄を約１１％以下に減少させることができる。さらに、４個以上配置（同図（Ｃ））することで、スペース（Ｇ３）の無駄をさらに約５％以下まで減少させることができ、１０個以上配置することで、さらに約２％以下まで減少させることができる。
【００１４】
固体部材は、例えば、隙間形状に合わせて成形され、その材質としては、ＰＰ、ＰＥ、ＰＰＳ等の合成樹脂、金属等を用いることができるが、できるだけ軽く、熱伝導率の大きいものが良い。また、電池内に電解液が存在する場合には、耐電解液性を有するものを用いるのが良い。そしてこれらの条件を満たす材質として、中でもアルミニウムまたはアルミニウム合金が適している。なお、金属を用いる場合には、発電要素との間の電気的絶縁に注意を払う必要が有り、これは例えば、発電要素表面にポリイミドフィルム等の絶縁フィルムを形成する等して行うことが出来る。また、固体部材と発電要素または容器との接触も熱的に良好、すなわち熱伝達が良好なものとなるようにするのが好ましく、例えば、互いに密着するようにするのが良い。
【００１５】
本発明で用いられる発電要素の大きさとしては、好ましくは４０Ａｈ以上のもので４００Ａｈ以下のものを用いるのが良く、電池容量としては、１００Ａｈ以上、より好ましくは４００Ａｈ以上であるのが好ましい。これは、従来の発電要素が1個収納された電池に比べて本発明の電池は構造が複雑となるのであるが、このような大きさのものを用いた場合に、このような構造の複雑さを考慮してもなお、容量の大きさ、容量密度の点でより有利な電池とすることが出来るからである。そして、これら発電要素は互いに並列接続されるようにして用いられるのが、このような容量の観点から好ましい。なお、上記容量は、いわゆる定格容量と同じものと考えて良いが、定格容量が明確でない場合には、その電池の通常の使用状態における満充電状態から１００Ａの大きさの電流で放電を行い、放電中の電池電圧が２．７Ｖ未満になるまでの放電持続時間から計算される容量で判断する。例えば、1時間放電が持続されれば１００Ａｈ、０．４時間であれば４０Ａｈである。
【００１６】
発電要素間の接続、または、発電要素と電池の外部端子との接続は集電体を用いて行われるが、本電池は特に大容量を目指した電池である為、例えば電池が外部で短絡された場合には、非常に大きな電流が流れる。そこで、このような場合にも安全性を損なわないように、発電要素から電流を取出す為の集電体を、その一部に他の部分よりも電流の通過する断面積が小さくなっている部分を有し、所定の電流値を越えた場合にこの部分が断線するように構成するのが好ましい。例えば、断線が生じる電流値を決め、集電体の材質を決めれば、この部分での発熱量が求められる為、これらに基き断面積を決めるようにすれば良い。なお、材質としては融点の低いアルミニウムまたはこれの合金が好ましい。例えば、Ｃｕの場合には、その融点は約1000℃であり、これに対しＡｌの場合には約660℃と低く、短絡電流による発熱での切断を行い易いからである。
【００１７】
さらに、集電体に所定以上の電流が流れた場合に断線する部分を設ける場合、このような断線部を設けるのは正極側の集電体とするのがより好ましい。これは、正極集電体材質として上記Ａｌが適しており、上記切断の容易な材質と一致させることができるからである。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例により本発明についてさらに説明する。
【００１９】
図１〜図３は本発明電池の実施例を示すものであって、図１はリチウム二次電池の電池ケース内に２個の発電要素を収納した場合の構造を示す説明図、図２はこの電池の外観を示す斜視図、図３はリチウム二次電池の電池ケース内に１０個の発電要素を収納した場合の構造を示す断面図である。
これらリチウム二次電池は、図２に示す方形箱型の電池ケース１内に、図１に示すように、長円筒形の巻回型の発電要素２を２個（または10個）収納している。電池ケース１は、ステンレス鋼板の方形容器状の上端開口部に同じステンレス鋼板の方形の蓋板を溶接で接合したものである。そして、この電池ケース１の蓋板の両端部に正極端子４と負極端子３の上端部を突出させている。
【００２０】
発電要素２は、帯状の正負の電極を帯状のセパレータを介して長円筒形に巻回したものである。正極は、薄い帯状のアルミニウム箔の一方の端部を除く表面にリチウムコバルト複合酸化物の正極活物質を塗布したものであり、負極は、薄い帯状の銅箔の他方の端部を除く表面にグラファイトの負極活物質を塗布したものである。電解液には、ＥＣ：ＤＭＣ：ＤＥＣ＝２：２：１の混合比の混合溶媒にＬｉＰＦ₆を1モル／ｌ含有させたものを用いている。これらの正負の電極は、それぞれ巻回軸方向に少しずつずらして巻回することにより、一方の端面には正極のアルミニウム箔を露出させ、他方の端面には負極の銅箔を露出させている。
このように構成された発電要素２は、例えば、図１に示されるように、長円筒形の平坦な側面同士を合わせた形状で、かつ合わせたことによって発生する隙間に、円弧状の金属アルミニウム固体部材７（図１では省略されているが、下部にも同様の形状で上部のものよりも長いものが挿入されている。上部の固体部材は端子を避ける為短くなっている。）を挿入した後、電池ケース１内に収納される。なお、発電要素２の最外面は、ポリイミドフィルムで覆われて絶縁処理されている。
【００２１】
図2に示される電池では、発電要素２は2個であるが、これら２個の発電要素２は、一方の端面側に共通の正極集電体６（アルミＪＩＳＨ４０００製）を配置して、ここに突出する正極端部のアルミニウム箔をそれぞれこの正極集電体６に接続すると共に、他方の端面側に共通の負極集電体５（銅製）を配置して、ここに突出する負極端部の銅箔をそれぞれこの負極集電体５に接続する。従って、これら２個の発電要素２は、電池ケース１内で並列に接続されて１個の単電池を構成する。正極集電体６と負極集電体５は、それぞれアルミニウム板と銅板を波板状に繰り返し屈曲させたものであり、これらの波板状の各間隙に正極のアルミニウム箔や負極の銅箔を多数枚ずつ挟み込んで両側から押さえ付け超音波溶接やレーザー溶接等により溶着させることにより接続を行う。また、これらの正極集電体６と負極集電体５には、それぞれ波板状の部分から突出した接続部５ａ，６ａが形成され、２個の発電要素２の間に挿入される。そして、正極集電体６の接続部６ａの上方に突出する端部を正極端子４の下端部に接続固定すると共に、負極集電体５の接続部５ａの上方に突出する端部を負極端子３の下端部に接続固定する。
【００２２】
図3に示される電池の場合には、発電要素２が１０個であり、この場合、正極端子部の接続構造は、上記図2に示される構造と同じである。そして、残りの部分の発電要素２は、接続部も切断部も備えない集電体本体のみからなる正極集電体６により、上記同様にして接続され、これら正極集電体６が互いに接続されて１０個の発電要素２が並列に接続された構造となっている。負極側も同様である。
【００２３】
図2に示される電池の正極集電体６と図10に示される電池の端部の正極集電体６は、図２に示されるように、接続部６ａが、切断部６ｂを介して正極集電体本体６Ｃとつながっており、図10に示される電池の端部の正極集電体６では、接続部６ａは、端子方向に垂直な断面で厚さ１ｍｍ、幅５０ｍｍ、断面積５０ｍｍ²であり、切断部６ｂは、３ｍｍの長さで接続部６ａと正極集電体本体６Ｃとをつなぎ、その断面で厚さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍ、断面積５ｍｍ²である。
【００２４】
そして、正極集電体６は、電池が短絡されて５０００Ａの電流が流れた場合、切断部６ｂが６６０℃以上に昇温して切断するようになっている。なお、この場合でも接続部６ａの温度は200℃程度である。
【００２５】
上記正極端子４と負極端子３は、それぞれ予め電池ケース１の蓋板の両端部の開口孔に上端部を挿入し、封止材を介してナットでネジ止めすることによって絶縁封止しておく。そして、この後に２個の発電要素２に接続された正極集電体６と負極集電体５の接続部５ａ，６ａの上端部をそれぞれ正極端子４と負極端子３の下端部に接続固定し、2個の発電要素２を長円筒形の平坦な側面同士をあわせ、かつそのために発生した隙間に円弧状の金属アルミニウム固体部材７を挿入したものを、最後に電池ケース１の方形容器に収納して蓋板を接合する。
【００２６】
下記表１に図5に示すのと同じ構造を有する、巻回形の発電要素単体を一つ用いた電池容量４００Ａｈの方形電池（比較例品）と、上記図3に示す構造で同じ容量の長円筒形の発電要素２を10個用いてなる電池容量４００Ａｈの方形電池（実施例品）とについての、外部短絡試験の結果を示す。なお、電池の容量は、電池の開放端子電圧が４．１Ｖになるまで充電し、この後、１００Ａの大きさの電流で定電流放電を行い、放電時の電池電圧が２．７５Ｖになるまでの間に放電できる電気量で表している。また、これらの電池は、発電要素の数とその集電方法が異なるだけで、活物質等その他の構成は基本的に同じで上記の通りである。
【００２７】
【表１】
外部短絡試験結果

【００２８】
正極集電体部の温度は、この部分に熱電対を装着することにより試験時の温度を測定した。
【００２９】
実施例品では、外部短絡試験直後に通電が停止し、解体の結果、正極集電体が切断部で切断されているのが確認された。
【００３０】
下記表2に、８００Ａで３０分連続放電した場合の、電池内温度、電池外表面温度の測定結果を示す。
【００３１】
【表２】

【００３２】
実施例品では、発電要素の数が増えているにも拘わらず、従来の構造を有する比較例品より温度上昇が少なく、放熱高率が非常に良くなっていることが確認された。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、放熱性が良好で安全性に優れた電池の製造が可能となる。また、集電体に断面積の小さい部分を設けることにより、短絡時に自動的に電流を遮断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２個の発電要素を収納した場合の構造を示す説明図。
【図２】図1の電池の外観を示す斜視図。
【図３】１０個の発電要素を収納した場合の構造を示す断面図。
【図４】従来例と実施形態の無駄なスペースの割合を比較した図。
【図５】発電要素1個が収納された電池の構造を示す構造説明図。
【符号の説明】
１：電池ケース２：発電要素３：負極端子
４：正極端子５：負極集電体６：正極集電体
６ａ：接続部６ｂ：切断部６ｃ：集電体本体
７：固体部材

Claims

長円筒形の発電要素が複数個、長円筒形の平坦な側面同士が合わさるように電池ケース内に収納され、前記発電要素と前記電池ケースとの間に放熱用の固体部材が配置されていることを特徴とするリチウム二次電池。
前記発電要素の長円筒形の円弧部と前記電池ケースとの間に放熱用の固体部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。