JP6027262B2 - 電池 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、以下の出願の優先権および利益を主張する。
１）２０１２年１２月２５日に中華人民共和国国家知識産権局に出願された中国特許出願第２０１２１０５６６５０６．Ｘ号
２）２０１２年１２月２５日に中華人民共和国国家知識産権局に出願された中国特許出願第２０１２１０５６６９３２．３号
３）２０１２年１２月２５日に中華人民共和国国家知識産権局に出願された中国特許出願第２０１２２０７２０６３８．９号
上記出願の内容の全体が、参照により本明細書に援用される。

本開示は、電池の分野に関し、より詳しくは、リチウムイオン電池に関する。

近年では、石油などの再生不可能な資源が次第に枯渇していること、および環境破壊がますます深刻になっていることから、新エネルギー車両がますます注目されるようになっている。新エネルギー車両の重要な役割として、今日では、動力用の電池がますます注目されるようになってきている。

しかしながら、動力用の電池の稼働の最中に、電池の内部の短絡を引き起こしかねない多数の制御不可能かつきわめて不都合な状況が存在する。短絡は、大量の熱を生み出す可能性があり、そのような熱が、電池を傷め、あるいはユーザに害を及ぼし、したがって動力用の電池の安全性および信頼性を損なう可能性がある。したがって、安全かつ信頼できる電池が、この分野において必要とされている。

本開示の実施形態は、先行技術に存在する問題のうちの少なくとも１つを少なくとも或る程度まで解決しようとし、たとえ好ましくない状況で使用されても信頼性があって安全である電池が提供される。

本開示の実施形態によれば、電池が提供される。電池は、シェルと、前記シェル内に収容され、第１および第２の電極タブと、前記第１の電極タブへと接続された第１の集電体と、前記第２の電極タブへと接続された第２の集電体とを有するコアと、２つの絶縁層と、２つの絶縁層の間に配置された導電層とを有する保護要素と、を備え、前記導電層は、前記第１の電極タブに電気的に接続された第１の端部と、自由端として構成された第２の端部とを定め、前記コアの最も外側の集電体は、前記第２の集電体によって構成される。

本開示のいくつかの実施形態においては、前記電池は、１つのコアを備え、前記保護要素は、前記シェルと前記コアとの間に配置される。

本開示のいくつかの実施形態においては、前記電池は、少なくとも２つのコアと、前記シェルと前記コアとの間、および／または、２つの隣り合うコアの間に配置された少なくとも２つの保護要素とを備える。

本開示のいくつかの実施形態においては、前記導電層は、金属によって形成される。

本開示の一実施形態においては、前記絶縁層は、絶縁セラミック材料、絶縁コーティング材料、および絶縁プラスチック材料で構成される群から選択された少なくとも１つの材料によって形成される。

本開示のさらに一実施形態においては、前記絶縁層と、前記コアのセパレータとは、同じ材料によって形成される。

本開示のいくつかの実施形態においては、前記第１の電極タブは、前記コアの第１の端部に配置され、前記第２の電極タブは、前記コアの第２の端部に配置される。

本開示の一実施形態においては、前記第１および第２の電極タブは、前記コアの同じ端部に配置される。

本開示の実施形態によれば、電池は、コアへと接続された保護要素を備え、とりわけ保護要素の導電層の第１の端部が、コアの第１の電極タブへと接続される。電池が外力に起因して変形するときに、保護要素は、例えば正極および負極の集電体の間の短絡など、電池において短絡を自動的に形成することができる。したがって、短絡によって生じる熱を、最小限の量へと減らすことができる。加えて、電池における熱伝導の経路を、短縮することができる。すなわち、熱の発生の速度を下げることができるだけでなく、放熱の時間も増やすことができる。したがって、より悪い状況下でも、電池の安全性および信頼性を改善することができる。加えて、本開示の実施形態による電池が正常に働いているとき、放熱の速度を高めることができ、したがって電池の内部の熱的な平衡の達成を促進することができる。

本開示のこれらの態様および利点ならびに他の態様および利点が、添付の図面を参照しつつ行われる以下の説明から明らかになり、より容易に理解されるであろう。
本開示の一実施形態による電池の概略図である。 本開示の一実施形態による電池の概略図であり、電池は第１の好ましくない状況にある。 本開示の一実施形態による電池の概略図であり、電池は第２の好ましくない状況にある。

本開示の実施形態を詳しく参照する。図面を参照して本明細書において説明される実施形態は、例示および説明のためのものであり、本開示を大まかに理解するために使用される。実施形態を、本開示を限定するものと解釈してはならない。同一または類似の構成要素ならびに同一または類似の機能を有する構成要素は、説明の全体を通して、類似の参照番号によって指し示される。

用語「電池」が、本開示において、リチウムイオン電池などを指すことができることを、理解すべきである。

本開示の実施形態によれば、図１〜図３に示されるように、電池が提供される。電池は、シェル１と、シェル１内に収容され、第１および第２の電極タブ４１，４２と、第１の電極タブ４１へと接続された第１の集電体（図示せず）と、第２の電極タブ４２へと接続された第２の集電体（図示せず）とを有しているコア４と、２つの絶縁層２２と、２つの絶縁層２２の間に配置された導電層２１とを備える保護要素２と、を備えており、導電層２１は、第１の電極タブ４１に電気的に接続された第１の端部（例えば、図１の左端）と、自由端として構成された第２の端部（例えば、図１の右端）とを定めており、コアの最も外側の集電体は、第２の集電体によって構成されている。

本開示において、電池は、１つ以上のコアを備えることができる。コアは、巻き構造またはいくつかの層によって形成される積層構造を有することができるが、本開示はこれらに限られない。本開示のいくつかの実施形態において、第１の電極タブは、コアの第１の端部に配置され、第２の電極タブは、コアの反対側の第２の端部に配置される。いくつかの実施形態において、第１および第２の電極タブは、コアの同じ端部に配置される。

一実施形態において、第１の電極タブは、正の電極タブであり、第２の電極タブは、負の電極タブである。別の実施形態においては、第１の電極タブが、負の電極タブであり、第２の電極タブが、正の電極タブである。第１および第２の電極タブの極性に特別な限定は存在しないことに、注意すべきである。

いくつかの実施形態においては、保護要素２の自由端を、絶縁層２２によって覆うことができ、すなわち導電層２１の自由端を、絶縁層２２によって封じることができる。あるいは、導電層２１の自由端を、絶縁層２２によって封じなくてもよい。

３つのコア４，５，６を備えており、各々の保護要素が、２つの絶縁層と、これらの絶縁層の間に配置された１つの導電層とによって形成されており、積層構造とも呼ばれる電池を、例として以下で詳しく説明する。図１に示されるとおり、この例では、各々のコアが、第１の電極タブおよび第２の電極タブを備えており、第１の電極タブが、正の電極タブであり、第２の電極タブが、負の電極タブである。

図１に示されるとおり、電池は、シェル１と、シェル１と一緒に空洞を定めるように構成された２つのカバー板７，８（正のカバー板８および負のカバー板７）と、空洞内に収容された３つのコア４，５，６とを備える。電池が、空洞内に入れられた電解質溶液をさらに備えることは、公知である。

本開示のいくつかの実施形態においては、シェル１を、金属または他の導電性材料で形成することができる。

いくつかの実施形態において、コアは、自身の第１の端部に第１の電極タブ（例えば、正の電極タブ）を定め、自身の第２の端部に第２の電極タブ（例えば、負の電極タブ）を定めている。図１に示されるとおり、コア４は、正および負の電極タブ４１，４２を備え、コア５は、正および負の電極タブ５１，５２を備え、コア６は、正および負の電極タブ６１，６２を備える。

いくつかの実施形態において、電池は、少なくとも２つのコアと、シェルとコアとの間および／または２つの隣接するコアの間に配置される少なくとも２つの保護要素とを備える。

一実施形態においては、各々のコアが、１つの保護要素に接続される。図１に示されるとおり、コア４へと接続された保護要素２が、シェル１とコア４との間に配置され、コア５へと接続された保護要素３が、コア４とコア５との間に配置され、コア６へと接続された保護要素２が、コア６とシェル１との間に配置される。

本開示において、３つのコアにそれぞれ接続された３つの保護要素は、同じ構造を有しており、具体的には３つの層（すなわち、２つの絶縁層および絶縁層の間に配置された導電層）を積み重ねることによって形成された構造を有している。図１を参照すると、保護要素２は、２つの絶縁層２２と、これら２つの絶縁層２２の間に配置された導電層２１とを備え、保護要素３は、２つの絶縁層３２と、これら２つの絶縁層３２の間に配置された導電層３１とを備えている。

いくつかの実施形態において、保護要素の導電層は、正の電極タブへと接続され、その場合、保護要素は、正極の保護要素であり、コアの最も外側の集電体が、負の集電体（負の電極タブ、すなわち図１の第２の電極タブに接続されている）である。いくつかの実施形態において、保護要素の導電層が負の電極タブへと接続される場合には、保護要素は、負極の保護要素であり、コアの最も外側の集電体が、正の集電体（正の電極タブ、すなわち図１の第１の電極タブに接続されている）である。

図１に示されるとおり、この例では、コア４へと接続され、シェル１とコア４との間に配置された保護要素２が、正極の保護要素であり、導電層２１の第１の端部が正の電極タブ４１へと電気的に接続され（すなわち、導電層２１の第１の端部がコア４の正極の集電体へと接続され）、導電層２１の第２の端部が自由端である。最も外側の集電体が、コア４の負極の集電体（負の電極タブに接続されている）である。

図１に示されるとおり、コア５へと接続され、コア４とコア５との間に配置された保護要素３は、負極の保護要素であり、導電層３１の第１の端部が負の電極タブ５２へと電気的に接続され（すなわち、導電層３１の第１の端部がコア５の負極の集電体へと接続され）、導電層３１の第２の端部が自由端である。最も外側の集電体が、コア５の正極の集電体（正の電極タブに接続されている）である。

図１に示されるとおり、コア６へと接続され、シェル１とコア６との間に配置された保護要素２は、正極の保護要素であり、導電層２１の第１の端部が正の電極タブ６１へと電気的に接続され（すなわち、導電層２１の第１の端部がコア６の正極の集電体へと接続され）、導電層２１の第２の端部が自由端である。最も外側の集電体が、コア６の負極の集電体（負の電極タブに接続されている）である。

本開示のいくつかの実施形態においては、導電層を、優れた熱伝導性を有する金属によって形成することができる。いくつかの実施形態においては、導電層と、導電層へと接続される電極タブとが、同じ金属で形成される。例えば、金属は、銅またはアルミニウムであってよいが、本開示はこれらに限られるわけではない。

本開示のいくつかの実施形態において、絶縁層は、絶縁セラミック材料、絶縁コーティング材料、および絶縁プラスチック材料で構成される群から選択される少なくとも１つの材料によって形成される。本開示のいくつかの実施形態において、絶縁層は、低い変形温度を有する材料によって形成される。本開示の一実施形態においては、絶縁層と電池のセパレータ層とが、同じ材料によって形成される。保護要素がシェルとコアとの間に配置される場合、シェルとコアとの間の絶縁層を、コアを囲むセパレータ層によって置き換えることができることに、注意すべきである。

驚くべきことに、電池が好ましくない状況にある（例えば、深刻な衝撃、押し出し、または圧迫に曝される）ときにコアに生じる短絡が、正極の集電体と負極材料との間の短絡、負極の集電体と正極材料との間の短絡、正極材料と負極材料との間の短絡、ならびに正極および負極の集電体の間の短絡など、きわめて複雑であることが、本開示の発明者によって発見された。異なる短絡は、異なる熱の発生速度を有する可能性がある。本開示の発明者は、同じ状況下で、正極材料と負極材料との間の短絡によって生じる第１の熱が最大である一方で、正極および負極の集電体の間の短絡によって生じる第２の熱が最小であり、第１の熱が第２の熱の１０倍であることを発見した。さらに、第１の熱の熱発生速度は、第２の熱の熱発生速度の約２倍、または３倍にもなる。

上述のように、本開示の改良の実施形態による電池においては、電池が外力によって変形を被るときに、電池の内部で生じる複雑な短絡を、変化させることができる。生じる熱および熱の発生速度の両方が最小である正極および負極の集電体の間の短絡を、最初に生じさせることができ、したがって電池の安全性および信頼性を改善することができる。

具体的には、本開示の実施形態による電池の動作原理が、以下で詳しく説明される。

（１）電池が正常に働いている場合

コア４，５，６の各々が、保護要素にそれぞれ接続され、保護要素は、優れた熱伝導性を有する導電層を備えている。したがって、電池の内部の放熱の経路は、集電体−保護要素の導電層−保護要素の絶縁層−シェルとなることができる。一方では、熱伝導の経路が大幅に短縮され、他方では、熱伝導の経路が、より小さい熱抵抗を有することができる。したがって、電池の熱伝導性を改善でき、放熱速度を高めることができ、したがって（きわめて高い値に至る）局所的な温度上昇を避けることができるように、電池の内部の熱的平衡の形成が促進される。

（２）電池が第１の好ましくない状況において働いている場合（例えば、図２に示されるように、電池が外部の物質９によって押し出され、あるいは圧迫される場合）

この例では、生じた熱および外部の物質９からの外力の作用により、シェル１とコア４との間に位置する保護要素２の２つの絶縁層２２が速やかに破壊され、保護要素２の導電層２１の中央部分が変形し、コア４の最も外側の集電体（負極の集電体）に接触する。導電層２１の第１の端部がコア４の正の電極タブ４１へと電気的に接続されている（したがって、正極の集電体に接続されている）ため、コア４の正極および負極の集電体の間の短絡が、最初に生じることができる。この種類の短絡の状況において、発生する熱は最小であり、伝統的な電池において生じる熱の約１０分の１〜約３分の１である。加えて、この例においては、熱の発生速度も比較的低い。したがって、好ましくない状況において生じる熱をさらに減らすために、電池の放熱時間が増やされると考えられる。正極および負極の集電体の間の短絡において、電池の内部のエネルギーの大部分を、電池の内部で複雑な短絡が発生するよりも前に、消費することができる。電池の内部のエネルギーがほぼ使い尽くされるため、後の複雑な短絡によって生じる熱も少なくなり、したがって電池の過熱、発火、および爆発の恐れも効果的に減らされる。

加えて、保護要素２の導電層２１とコア４の最も外側の集電体との間の導通状態が、図３に示されるように特定の時間期間にわたって維持される。導電層２１の第２の端部が自由端であるため、この自由端が、導電層２１が破られるまで外部の物質９の侵入に応じた振る舞いを示す（例えば、上方へと曲がる）。導電層２１を破るために特定の時間期間が必要であり、したがって保護要素２の短絡が、電池の内部のエネルギーがほぼ消費される特定の時間期間にわたって保たれる。このようにして、電池の安全性を大きく改善することができる。

本開示のいくつかの実施形態によれば、他のコア（コア５、コア６など）へと接続された保護要素は、コア４へと接続された保護要素の動作原理と同様の動作原理を有するため、ここでは詳しい説明を省略する。

図３に示されるように、外部の物質９が電池へとさらに侵入すると、シェル１が最終的に保護要素２の導電層２１に電気的に接触する。このやり方で、電池の内部の放熱の経路は、集電体−保護要素の導電層−シェルとなることができる。放熱の経路がさらに短縮される。放熱の経路に関係するすべての材料が良好な熱伝導性を有しているため、放熱の速度がより速くなり、きわめて好ましくない状況下での電池の安全性および信頼性がさらに向上する。

上述のように、電池は、コアへと接続された保護要素を備え、とりわけ保護要素の導電層の第１の端部が、コアの第１の電極タブへと接続される。電池が外力に起因して変形するときに、保護要素は、例えば正極および第２の電極の集電体の間の短絡など、電池において短絡を自動的に形成することができる。したがって、短絡によって生じる熱を、最小限の量へと減らすことができる。加えて、電池における熱伝導の経路を、短縮することができる。すなわち、熱の発生の速度を下げることができるだけでなく、放熱の時間も増やすことができる。したがって、より悪い状況下でも、電池の安全性および信頼性を改善することができる。本開示の実施形態による電池が正常に働いているとき、放熱の速度を高めることができ、したがって電池内部の熱的な平衡の達成が促進される。

本明細書の全体を通して、「実施形態」、「いくつかの実施形態」、「一実施形態」、または「実施例」への言及は、その実施形態または実施例に関連して説明された個々の特徴、構造、材料、または特性が、本開示の少なくとも１つの実施形態または実施例に含まれることを意味している。したがって、本明細書の種々の箇所に現れる「いくつかの実施形態において」、「一実施形態において」、「実施形態において」、または「実施例において」などの表現は、必ずしも本開示の同じ実施形態または実施例を指してはいない。さらに、個々の特徴、構造、材料、または特性を、１つ以上の実施形態または実施例において任意の適切なやり方で組み合わせることができる。

説明用の実施形態を図示および説明したが、上述の実施形態を、本開示を限定するものと解釈することはできず、それらの実施形態において、本開示の技術的思想、原理、および技術的範囲から離れることなく、変更、代案、および修正が可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。

Claims (8)

1. シェルと、
   前記シェル内に収容され、第１および第２の電極タブと、前記第１の電極タブへと接続された第１の集電体と、前記第２の電極タブへと接続された第２の集電体とを有するコアと、
   ２つの絶縁層と、前記２つの絶縁層の間に配置された導電層とを有し、前記導電層が前記２つの絶縁層と密着して且つ一体化して構成される保護要素と、を備え、
   前記導電層は、前記第１の電極タブに電気的に接続された第１の端部と、自由端として構成された第２の端部とを定め、前記コアの最も外側の集電体は、前記第２の集電体によって構成される電池。
2. 前記電池は、１つのコアを備え、前記保護要素は、前記シェルと前記コアとの間に配置される請求項１に記載の電池。
3. 前記電池は、少なくとも２つのコアと、前記シェルと前記コアとの間、および／または、２つの隣り合うコアの間に配置された少なくとも２つの保護要素とを備える請求項１に記載の電池。
4. 前記導電層は、金属によって形成される請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池。
5. 前記絶縁層は、絶縁セラミック材料、絶縁コーティング材料、および絶縁プラスチック材料で構成される群から選択された少なくとも１つの材料によって形成される請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池。
6. 前記絶縁層と、前記コアのセパレータとは、同じ材料によって形成される請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池。
7. 前記第１の電極タブは、前記コアの第１の端部に配置され、前記第２の電極タブは、前記コアの第２の端部に配置される請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池。
8. 前記第１および第２の電極タブは、前記コアの同じ端部に配置される請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池。

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