JP6753510B2 - 二次電池および二次電池の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池および二次電池の制御方法に関する。

近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の開発が進められている。これらのモーター駆動用電源としては繰り返し充放電可能な二次電池などのモーター駆動用電気デバイスが適している。特に高容量、高出力が期待できるリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。

リチウムイオン二次電池は、たとえば、発電要素として複数の単電池層を積層して、この積層体を外装材によって封止した構造である。このようなリチウムイオン二次電池は、貯蔵されるエネルギーが大きく、安全性の確保がより重要になる。

安全性の確保のための試験の一つに釘刺し試験がある。釘刺し試験は、導電体が二次電池の外装材を突き抜けて刺さる場合を想定した試験である。導電体が二次電池の外装材を突き抜けて刺さると、発電要素と導電体との間で短絡が生じ、発電要素内や導電体との間に大電流が流れる。このときジュール熱が発生して、温度が上昇する。

従来、このような導電体が刺さったときの温度上昇を防止するため、短絡形成兼放熱促進ユニットを設けた技術がある。短絡形成兼放熱促進ユニットは電池外部に設けられているもので、導電体が発電要素内に侵入して内部短絡が発生したときに、より低抵抗な外部回路を形成する。これにより短絡電流を外部の回路に誘導して、発電要素内部に侵入した導電体への流れ込み電流を減少させ、発電要素内部での発熱を抑える。短絡形成兼放熱促進ユニットの外部回路は、主に金属板であり、この金属板と電池内の電極のリード部とを接続することで、導電体の侵入などによる発電要素内部での短絡よりも先に外部短絡させて、電池電圧を低下させ、化学反応による発熱を低減させる（特許文献１）。

特開２００１−６８１５６号公報

しかしながら、発電要素内に導電体が侵入した際には、その導電体と短絡形成兼放熱促進ユニットとの接続部においても熱が発生する。この接続部における熱が内部の発電要素に伝わり、発電要素内部の温度が上昇して電池性能が劣化してしまう可能性がある。また、逆に導電体と短絡形成兼放熱促進ユニットとの接続部が外れて、外部回路へ電流を逃がすことができなくなって、結局、発電要素内部に電流が流れて温度上昇してしまう可能性もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、電池の発電要素内に導電体が侵入しても、発電要素の温度上昇を抑えることのできる二次電池を提供することである。また、本発明の他の目的は、電池の発電要素内に導電体が侵入しても、発電要素の温度上昇を抑えることのできる二次電池の制御方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の二次電池は、正極、セパレーター、および負極がこの順で積層された単電池層を少なくとも一つ有する発電要素を有する。この発電要素の単電池層が積層された方向の少なくとも一方の外側に、電気的絶縁部材を介して配置された導電部材を備える。導電部材を、発電要素のうち導電部材が配置されている側の最外層にある電極と逆極性の電極に電気的に接続する外部短絡回路を備える。そして外部短絡回路に電流が流れているか否かを検知する電流検知部を備え、電流検知部が電流を検知していないときには発電要素の正極と発電要素の負極の間を電気的に絶縁していて、電流検知部が電流を検知したときには発電要素の正極と発電要素の負極の間を発電要素の外部で短絡させる開閉器を備えた外部放電安全回路を有する。

上記目的を達成するための本発明の二次電池の制御方法は、正極、セパレーター、および負極がこの順で積層された単電池層を少なくとも一つ有する発電要素と、発電要素の単電池層が積層された方向の少なくとも一方の外側に、電気的絶縁部材を介して配置された導電部材と、導電部材を、発電要素のうち導電部材が配置されている側の最外層にある電極と逆極性の電極にそれぞれ電気的に接続する外部短絡回路と、を有する二次電池の制御方法である。この制御方法は、外部短絡回路に電流が流れたことを検知して、発電要素の正極と発電要素の負極の間を発電要素の外部で電気的に短絡させる。

本発明によれば、導電体が発電要素に侵入した場合に、発電要素の外側に設けた導電部材と、導電部材が接続されている電極との間に流れる電流を検知したときに、発電要素の正極と発電要素の負極の間を短絡させることとした。これにより、発電要素のエネルギーを開放させることができて、発電要素の温度上昇を抑えることができる。

実施形態１に係る双極型二次電池の全体構造示す概略図である。 釘刺し前の状態を示す模式図である。 釘刺し直後の状態を示す模式図である。 釘貫通後の状態を示す模式図である。 釘貫通後の別の状態を示す模式図である。 実施形態２に係る双極型二次電池の全体構造を示す概略図である。 実施形態３に係る積層型二次電池の全体構造を示す概略図である。 釘刺し前の状態を示す模式図である。 釘刺し直後の状態を示す模式図である。 釘貫通後の状態を示す模式図である。 釘貫通後の別の状態を示す模式図である。 実施形態４に係る二次電池の全体構造示す概略図である。 制御部の処理手順を説明するフローチャートである。 実施形態４に係る他の構成（変形例）である電圧センサーを用いた場合の二次電池の全体構造示す概略図である。 実施形態５に係る二次電池の全体構造示す概略図である。 釘刺し試験の結果を示すグラフである。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。また、以下の説明において「電気的に接続」とは、電気部材（部品）が直接接続されて導通する場合も、途中に他の導電性部材（例えば抵抗体や負荷、コイルなど）を介在させて導通する場合も含む。

（実施形態１）
実施形態１は、双極型二次電池である。

図１は、実施形態１に係る双極型二次電池の全体構造を示す概略図である。

図１に示すとおり、双極型二次電池１は、充放電を行う発電要素１００を外装材２０の内部に密封した構造を有する。

発電要素１００は、面状の集電体１１の一方の面に正極１２が形成され、他方の面に負極１３が形成されてなる双極型電極１４ａが、セパレーター１５を介して複数積層されている。したがって、発電要素１００は、セパレーター１５と、セパレーター１５の一方の面に位置する正極１２と、セパレーター１５の他方の面に位置する負極１３とからなる単電池層１４ｂが、集電体１１を介して積層された構造とも言える。双極型二次電池１は、単電池層１４ｂが、正極１２と負極１３とが交互になるように集電体１１を介して積層されることで各単電池層１４ｂが電気的に直列接続される。なお、積層される単電池層１４ｂの数は限定されず、所望する出力電圧に応じて調整し得る。

複数の集電体１１のうち、双極型二次電池１の正極側の最外層集電体を正極側最外層集電体１１ａとし、負極側の最外層集電体を負極側最外層集電体１１ｂとして区別する。

正極側最外層集電体１１ａは、正極集電板１６に接合している。負極側最外層集電体１１ｂは、負極集電板１７に接合している。なお、この構成に限定されず、正極側最外層集電体１１ａおよび負極側最外層集電体１１ｂは、それぞれ所定の層（たとえば、正極または負極を構成する層）を介して正極集電板１６および負極集電板１７に接合してもよい。

正極集電板１６は、発電要素１００の一方の最外層において発電要素１００と電気的に接続されていて、その一部がそのまま外装材２０の外部に導出されて正極タブ１６ａとなっている。正極タブ１６ａは、この発電要素１００の正極となる。

負極集電板１７は、発電要素１００の他方の最外層において発電要素１００と電気的に接続されていて、その一部がそのまま外装材２０の外部に導出されて負極タブ１７ａとなっている。負極タブ１７ａは、この発電要素１００の負極となる。

正極タブ１６ａおよび負極タブ１７ａには、双極型二次電池１の放電時には外部負荷が接続され、充電時には充電器（発電機を含む）が接続される。外部負荷としてはたとえば、モーターやその他の回路などである。双極型二次電池１は、これら外部負荷や充電器を通じて一方の電極（正極タブ１６ａまたは負極タブ１７ａ）が、接地（アース）される。

集電体１１、１１ａ、１１ｂ、および正極集電板１６と負極集電板１７は、いずれも二次電池に使用されている導電性材料であれば特に限定されない。具体的にはたとえば、アルミニウム、銅、ニッケル、これらを含む合金や、ステンレスなどの金属、さらに導電性樹脂なども使用可能である。

発電要素１００は、集電体１１の外周縁と接するシール部１８を有する。シール部１８は、絶縁性のシール材によって形成する。シール部１８は、集電体１１の外周部である端部に固定されるとともに、２つのセパレーター１５の間に配置する。シール部１８は、発電要素１００において隣り合う集電体１１同士の接触や、単電池層１４ｂの端部のわずかな不揃いに起因する短絡を防止する。

単電池層１４ｂが積層される方向の正極集電板１６より外側には、電気的絶縁部材（以下単に絶縁部材という）３１を介して、導電部材３２を積層している。絶縁部材３１は、正極集電板１６と導電部材３２の接触を防止し、電気的に絶縁する。

導電部材３２は、発電要素１００のうち導電部材３２が配置されている側の最外層にある電極の極性と逆極性の電極と電気的に接続される。ここでは導電部材３２は、正極側最外層集電体１１ａの外側に絶縁部材３１を挟んで配置されている。このため導電部材３２は、発電要素１００の負極である負極タブ１７ａに電気的に接続される。

導電部材３２は、その一端が外装材２０の外に導き出されていて、リード線３３によって負極タブ１７ａ（発電要素１００の負極である）に電気的に接続されている。リード線３３の途中には抵抗Ｒおよびリレー４０のコイル４１が接続されている。つまり、導電部材３２は、抵抗Ｒを介してコイル４１の一端子と接続され、コイル４１の他端子は負極タブ１７ａと接続されている。ここでは、リード線３３による導電部材３２、抵抗Ｒ、コイル４１、および負極タブ１７ａの経路を外部短絡回路３５という。

外部短絡回路３５において、導電部材３２は、負極タブ１７ａと電気的に接続されているが、絶縁部材３１によって正極集電板１６とは電気的に絶縁されている。このため、通常の状態（図１に示した状態）では、コイル４１および抵抗Ｒに電流は流れない。

抵抗Ｒは、この外部短絡回路３５に電流が流れたきに（後述）、リレー４０（特にコイル）を保護するための負荷である。また抵抗Ｒを付けることで、詳細は後述するが外部短絡回路３５に電流が流れたきに、電流を外部放電安全回路３６へ流しやすくする作用がある。外部短絡回路３５に電流が流れるのは、導電部材３２を突き抜けて導電体が侵入したときである。侵入した導電体と導電部材３２との接触抵抗は通常の配線抵抗より高い。したがって、抵抗Ｒがなくても、もともと外部放電安全回路３６の方が外部短絡回路３５よりも電流が流れやすい。このため、抵抗Ｒはリレー４０の耐圧が十分であればなくてもよい。

導電部材３２は、電極の面積（発電要素の積層方向に交差する面の面積）以上の面積とする。実質的には正極集電板１６および負極集電板１７のいずれか大きい方以上の面積である。このような大きさとすることで、仮に、導電体（たとえば釘刺し試験の釘）が発電要素１００内に侵入するようなことがあれば、必ず、導電部材３２に接触することになる。

導電部材３２は、集電体や集電板と同様に導電性を有する材料であればよく、たとえば、金属や導電性樹脂を用いることができる。

絶縁部材３１は、絶縁性、個体電解質の脱落に対するシール性（密封性）や外部からの水分の透湿に対するシール性、電池動作温度下での耐熱性などを有する材料を用いる。たとえば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられる。特に、耐蝕性、耐薬品性、製造し易さ（製膜性）、経済性などの観点から、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂を使用することが好ましい。

リレー４０は、周知のとおり、コイル４１とスイッチ４２からなり、コイル４１に電流が流れることで、コイル４１に生じる電磁気力によってスイッチ４２が開閉する。コイル４１は通常鉄心（不図示）に巻き回されているが鉄心がないものもある。コイル４１が電流検知部となり、スイッチ４２が開閉器となる。

リレー４０においては、スイッチ４２の一端子が正極タブ１６ａに接続され、他端子が負極タブ１７ａに接続されている。スイッチ４２は常時開（オフ）であり、コイル４１に電流が流れることで閉（オン）に作動するように取り付けている。

本実施形態１で用いるリレー４０は、たとえば双安定リレー（ラッチングリレー）である。双安定リレーはコイル４１に電流が流れて一旦スイッチ４２が切り替わると、コイル４１の電流が切れても、切り替わった後の状態を保持する（コイル電流が切れても、元の状態に復帰しない）。本実施形態１では、コイル４１に電流が流れていない状態でスイッチ４２は開（オフ）状態で正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを電気的に絶縁している。一方、コイル４１に電流が流れると、スイッチ４２が閉（オン）となって正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを電気的に接続する。一旦、スイッチ４２が閉（オン）となった後は、コイル４１に電流が流れなくなっても、スイッチ４２は閉状態のままでる。このため、正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを電気的に接続した状態が維持される。双安定リレー以外でも使用可能であり、コイル非通電時には正極タブ１６ａと負極タブ１７ａの間が開（オフ）、コイル通電時に閉（オン）となって、その後は復帰しないリレーや、マグネットスイッチ、電磁開閉器などを用いることができる。

このリレー４０によって、発電要素１００の外部（外装材の外）において、正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを電気的に接続する経路を外部放電安全回路３６という。

以下、そのほか発電要素各部について説明する。

正極１２は正極活物質層を構成する。正極１２は、正極活物質および導電助剤などを含む。正極１２は所定の厚さｔ１を有するシート状である。

正極活物質は、電極反応において正極１２と負極１３との間を往来する物質（イオン）を蓄積および放出できる正極材料である。正極活物質は、リチウムと遷移金属との複合酸化物（たとえば、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、およびＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、遷移金属硫化物（たとえば、ＭｏＳ_２およびＴｉＳ_２）、および導電性高分子（たとえば、ポリアニリン、ポリフッ化ビニリデン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリ−ｐ−フェニレン、およびポリカルパゾール）などが挙げられる。

導電助剤は、導電性を有する材料から選択される。導電助剤は、たとえば、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、銀、金、銅、およびチタンなどの金属、グラファイト、およびカーボンブラックなどのカーボン、もしくはこれらの混合物である。

負極１３は負極活物質層を構成する。負極１３は、負極活物質および導電助剤などを含む。負極１３は所定の厚さｔ２を有するシート状である。

負極活物質は、電極反応において正極１２と負極１３との間を往来する物質（イオン）を蓄積および放出できる負極材料である。負極活物質としては、黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、高分子化合物焼成体（たとえば、フェノール樹脂またはフラン樹脂などを焼成し炭素化したもの）、コークス類（たとえば、ピッチコークス、ニードルコークスおよび石油コークス）、炭素繊維、導電性高分子（たとえば、ポリアセチレンおよびポリピロール）、スズ、シリコン、および金属合金（たとえば、リチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−アルミニウム合金およびリチウム−アルミニウム−マンガン合金）、リチウムと遷移金属との複合酸化物（たとえば、Ｔｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）などが挙げられる。

正極１２の厚さｔ１および負極１３の厚さｔ２は、それぞれ１５０〜１５００μｍであることが好ましい。このように正極１２および負極１３の膜厚を厚くすると、電池内に多くの活物質を含ませることができ、電池を高容量化することができ、エネルギー密度向上に有効である。

なお、正極活物質および負極活物質はこれらに限定されない、通常の二次電池に使用されている材料を使用することができる、
セパレーター１５は、正極１２と負極１３との間に設けられ、正極１２と負極１３とを電気的に隔離している。セパレーター１５は、正極１２と負極１３との間に電解液を保持して、イオンの伝導性を担保している。

セパレーター１５の形態としては、たとえば、電解質（電解液）を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔質膜（多孔性シート）のセパレーターや不織布セパレーター等を挙げることができる。

ポリマーないし繊維からなる多孔質膜のセパレーター１５としては、たとえば、微多孔質（微多孔膜）を用いることができる。このポリマーないし繊維からなる多孔質膜の具体的な形態としては、たとえば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン；これらを複数積層した積層体（たとえば、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの３層構造をした積層体など）、ポリイミド、アラミド、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）等の炭化水素系樹脂、ガラス繊維などからなる微多孔質（微多孔膜）セパレーターが挙げられる。

微多孔質（微多孔膜）セパレーターの厚みは、使用用途により異なることから一義的に規定することはできない。一例を示せば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、燃料電池自動車（ＦＣＶ）などのモーター駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で４〜６０μｍであることが望ましい。微多孔質（微多孔膜）セパレーターの微細孔径は、最大で１μｍ以下（通常、数十ｎｍ程度の孔径である）であることが望ましい。

不織布セパレーターとしては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル；ＰＰ、ＰＥなどのポリオレフィン；ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。さらに、不織布セパレーターの厚さは、好ましくは５〜２００μｍであり、特に好ましくは１０〜１００μｍである。

また、セパレーター１５としては、多孔質膜などの基体に耐熱絶縁層が積層されたセパレーター（耐熱絶縁層付セパレーター）であることが好ましい。耐熱絶縁層は、無機粒子およびバインダを含むセラミック層である。耐熱絶縁層付セパレーターは融点または熱軟化点が１５０℃以上、好ましくは２００℃以上である耐熱性の高いものを用いる。耐熱絶縁層を有することによって、温度上昇の際に増大するセパレーターの内部応力が緩和されるため熱収縮抑制効果が得られる。

耐熱絶縁層における無機粒子は、耐熱絶縁層の機械的強度や熱収縮抑制効果に寄与する。無機粒子として使用される材料は特に制限されない。たとえば、ケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、チタンの酸化物（ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２）、水酸化物、および窒化物、ならびにこれらの複合体が挙げられる。これらの無機粒子は、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、マイカなどの鉱物資源由来のものであってもよいし、人工的に製造されたものであってもよい。また、これらの無機粒子は１種のみが単独で使用されてもよいし、２種以上が併用されてもよい。これらのうち、コストの観点から、シリカ（ＳｉＯ_２）またはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることが好ましく、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることがより好ましい。

耐熱性粒子の目付けは、特に限定されるものではないが、５〜１５ｇ／ｍ^２であることが好ましい。この範囲であれば、十分なイオン伝導性が得られ、また、耐熱強度を維持する点で好ましい。

耐熱絶縁層におけるバインダは、無機粒子どうしや、無機粒子と樹脂多孔質膜の基体などとを接着させる役割を有する。バインダによって、耐熱絶縁層が安定に形成され、また多孔質の基体などと耐熱絶縁層との間の剥離を防止される。

耐熱絶縁層に使用されるバインダは、特に制限はなく、たとえば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリアクリロニトリル、セルロース、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、アクリル酸メチルなどの化合物がバインダとして用いられうる。このうち、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、アクリル酸メチル、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いることが好ましい。これらの化合物は、１種のみが単独で使用されてもよいし、２種以上が併用されてもよい。

耐熱絶縁層におけるバインダの含有量は、耐熱絶縁層１００重量％に対して、２〜２０重量％であることが好ましい。バインダの含有量が２重量％以上であると、耐熱絶縁層と多孔質基体層との間の剥離強度を高めることができ、セパレーターの耐振動性を向上させることができる。一方、バインダの含有量が２０重量％以下であると、無機粒子の隙間が適度に保たれるため、十分なリチウムイオン伝導性を確保することができる。

電解質（電解液）は、非水（系）電解液である。電解液を介して正極１２と負極１３の間をイオンが移動することで、発電要素１００の電気が充放電される。たとえば、電解液は、有機溶媒に支持塩であるリチウム塩などが溶解した形態である。有機溶媒としては、支持塩を十分に溶解させ得るものであればよく、たとえば、（１）プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどの環状カーボネート類、（２）ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、（３）テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジブトキシエタン等のエーテル類、（４）γ−ブチロラクトン等のラクトン類、（５）アセトニトリル等のニトリル類、（６）プロピオン酸メチル等のエステル類、（７）ジメチルホルムアミド等のアミド類、（８）酢酸メチル、蟻酸メチルのなかから選ばれる少なくともから１種類または２種以上を混合した非プロトン性溶媒等の可塑剤などが挙げられる。これら有機溶媒は、単独で用いても２種類以上を組み合わせて用いてもよい。支持塩としては、従来公知のものを用い得る。たとえば、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ（ＬｉＢＥＴＩ）、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ（ＬｉＴＦＳＩ）、Ｌｉ（ＦＳＯ_２）_２Ｎ（ＬｉＦＳＩ）、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎなどを用いる。

外装材２０は、発電要素１００を両側から被覆して封止する。これにより、外装材２０は、発電要素１００を収容する。外装材２０は、たとえば、樹脂−アルミニウム−樹脂の３層構造のラミネートフィルムなどを使用する。

なお、本実施形態１では、導電部材３２は、正極集電板１６の外側に設けたが、これに代えて、負極集電板１７の外側に絶縁部材３１を介して設けてもよい。この場合、導電部材３２は、リード線３３によって正極タブ１６ａ（発電要素１００の正極）に電気的に接続される。

（作用）
実施形態１に係る双極型二次電池１の作用を釘刺し試験を例に説明する。釘刺し試験は、周知のように、導電体が二次電池の外装材を突き抜けて、発電要素に到達した場合を想定した安全性試験である。

図２〜５は釘刺し試験を例に実施形態１に係る双極型二次電池１の作用を説明するための図であり、図２は釘刺し前の状態を示す模式図であり、図３は釘刺し直後の状態を示す模式図であり、図４は釘貫通後の状態を示す模式図であり、図５は釘貫通後の別の状態を示す模式図である。

図２に示すように、釘５００を刺す前の状態では、コイル４１に電流は流れておらず、スイッチ４２は開いていて導通していない。

釘刺し試験が開始されて、図３に示すように、釘５００が、導電部材３２を貫通して、正極集電板１６に至ると、釘５００を介して導電部材３２と正極集電板１６が導通する。そうすると外部短絡回路３５である導電部材３２、抵抗Ｒ、コイル４１、および負極タブ１７ａの経路を電流が流れる（図中の矢印が電流の流れを示す。他の図においても同様）。電流がコイル４１に流れた瞬間、リレー４０のスイッチ４２が閉（オン）となり、外部放電安全回路３６を介して正極タブ１６ａから負極タブ１７ａへ電流が流れる。すなわち、導電部材３２とこれに接続された負極タブ１７ａとの間に電流が流れたことをコイル４１によって検知して、外部放電安全回路３６を通じて発電要素１００の正極と負極の間に電流を流すのである。

これにより外部放電安全回路３６によって、発電要素１００に蓄積されていたエネルギーが開放される。しかも、外部放電安全回路３６側は配線抵抗のみであるので、釘５００と導電部材３２との接触抵抗よりも低い。さらに、本実施形態１では抵抗Ｒがあることで、外部短絡回路３５の回路抵抗が外部放電安全回路３６の回路抵抗より高くなっている。このために釘５００を介在させた電流よりも外部放電安全回路３６に行く電流が流れやすくなる。したがって、ほとんどのエネルギーが外部放電安全回路３６を通じて接地（アース）などへ放電される。

さらに釘５００を深く刺すと、図４に示すように、釘５００が発電要素１００の内部深くまで至る。この状態では、釘５００が発電要素１００内部の各集電体や、活物質、電解液、さらに負極集電板１７にも接するようになり、釘５００を通じて内部短絡が発生する。しかし、本実施形態１では外部放電安全回路３６により正極と負極を直接短絡しているので、釘５００を通じた電流の流れは少ない（図中の破線矢印とばつ印により電流の流れが少なくなるか流れなくなったことを示す。他の図においても同様）。

また、図５に示すように、釘５００が貫通後、導電部材３２と釘５００との接触部分で、接触が弱く抵抗が高くなったり（図５中点線丸５１０で囲った部分）、接触がなくなって電気的接続が切れるたりする（図５中点線丸５１１で囲った部分）場合がある。このような状態になると、従来は外部短絡回路３５に相当する回路しかないため、釘５００との接触部分が高熱になったり、外部短絡回路３５にほとんど電流が流れなくなったりする。

本実施形態１では、外部短絡回路３５に電流が流れたことを検知して、正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを短絡している。このため導電部材３２と釘５００の接触部分が高抵抗であったり、接触が切れたりしても、発電要素１００の外で外部放電安全回路３６によってエネルギーが開放されている。このため、釘５００との接触部分での温度上昇を抑え、発電要素１００内部の温度上昇を抑えることができる。また、発電要素１００内は、電池内部抵抗により発電要素１００全体で緩やかに発熱するため発電要素１００内部の局所的な温度上昇も抑えることができる。

（実施形態２）
図６は、実施形態２に係る双極型二次電池の全体構造を示す概略図である。

図６に示すとおり、双極型二次電池２の発電要素１００は、実施形態１の発電要素１００と同じである。

本実施形態２では、単電池層１４ｂが積層される方向の正極集電板１６より外側に、絶縁部材３１ａを介して、第１導電部材３２ａを積層している。絶縁部材３１ａは、正極集電板１６と第１導電部材３２ａの接触を防止し、電気的に絶縁する。

第１導電部材３２ａは、その一端が外装材２０の外に導き出されていて、第１リード線３３ａによって負極タブ１７ａに電気的に接続されている。すなわち、第１導電部材３２ａは、発電要素１００の負極となっている負極タブ１７ａに電気的に接続されている。したがって、第１導電部材３２ａは、第１導電部材３２ａが配置されている側の最外層にある電極の極性と逆極性の電極に接続されているのである。

第１リード線３３ａの途中には抵抗Ｒ１および第１リレー４０ａの第１コイル４１ａが接続されている。つまり、第１導電部材３２ａは、抵抗Ｒ１を介して第１コイル４１ａの一端子と接続され、第１コイル４１ａの他端子は負極タブ１７ａと接続されている。ここでは、第１リード線３３ａによる第１導電部材３２ａ、抵抗Ｒ１、第１コイル４１ａ、および負極タブ１７ａの経路を第１外部短絡回路３５ａという。

第１外部短絡回路３５ａにおいて、第１導電部材３２ａは、負極タブ１７ａと電気的に接続されているが、絶縁部材３１ａによって正極集電板１６とは電気的に絶縁されている。このため、通常の状態（図６に示した状態）では、第１コイル４１ａおよび抵抗Ｒ１に電流は流れない。

抵抗Ｒ１は、この第１外部短絡回路３５ａに電流が流れたきに（後述）、第１リレー４０ａ（特にコイル）を保護するための負荷である。また抵抗Ｒ１を付けることで、詳細は後述するが第１外部短絡回路３５ａに電流が流れたきに、電流を外部放電安全回路３６へ流しやすくする作用がある。第１外部短絡回路３５ａに電流が流れるのは、第１導電部材３２ａを突き抜けて導電体が侵入したときである。侵入した導電体と第１導電部材３２ａとの接触抵抗は通常の配線抵抗より高い。したがって、抵抗Ｒ１がなくても、もともと外部放電安全回路３６の方が第１外部短絡回路３５ａよりも電流が流れやすい。このため、抵抗Ｒ１は第１リレー４０ａの耐圧が十分であればなくてもよい。

また、本実施形態２では、単電池層１４ｂが積層される方向の負極集電板１７より外側に、絶縁部材３１ｂを介して、第２導電部材３２ｂを積層している。絶縁部材３１ｂは、負極集電板１７と第２導電部材３２ｂの接触を防止し、電気的に絶縁する。

第２導電部材３２ｂは、その一端が外装材２０の外に導き出されている。第２導電部材３２ｂは、第２リード線３３ｂによって正極タブ１６ａと接続されている。すなわち、第２導電部材３２ｂは、発電要素１００の正極となっている正極タブ１６ａに電気的に接続されている。したがって、第２導電部材３２ｂは、第２導電部材３２ｂが配置されている側の最外層にある電極の極性と逆極性の電極に接続されているのである。

第２リード線３３ｂの途中には抵抗Ｒ２（後述）と第２リレー４０ｂの第２コイル４１ｂが接続されている。つまり、第２導電部材３２ｂは、抵抗Ｒ２を介して第２コイル４１ｂの一端子と接続され、第２コイル４１ｂの他端子は正極タブ１６ａと接続されている。ここでは、第２リード線３３ｂによる正極タブ１６ａ、抵抗Ｒ２、第２コイル４１ｂ、および第２導電部材３２ｂの経路を第２外部短絡回路３５ｂという。

第２外部短絡回路３５ｂにおいて、第２導電部材３２ｂは、正極タブ１６ａと電気的に接続されているが、絶縁部材３１ｂによって負極集電板１７と電気的に絶縁されている。このため、通常の状態（図６に示した状態）では、第２コイル４１ｂおよび抵抗Ｒ２に電流は流れない。

抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ１同様であり、第２外部短絡回路３５ｂに電流が流れたきに、第２リレー４０ｂを保護するための負荷であるとともに、外部放電安全回路３６へ電流を流れやすくする。この抵抗Ｒ２も、抵抗Ｒ１同様なくてもよい。

第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは、発電要素１００を挟んで対向して配置されている。第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂはともに、電極の面積（発電要素の積層方向に交差する面の面積）以上の面積とする。実質的には正極集電板１６および負極集電板１７のいずれか大きい方以上の面積である。このような大きさとすることで、仮に、導電体（たとえば釘刺し試験の釘）が発電要素１００内に侵入するようなことがあれば、必ず、第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂのいずれか一方または両方に接触することになる。

このように、第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは発電要素１００を積層方向から挟むように配置されている。また、第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは、発電要素１００のうち第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂが配置されている側の最外層にある電極の極性と逆極性の電極とそれぞれ電気的に接続される。

第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは、実施形態１同様に、集電体や集電板と同様に導電性を有する材料であればよく、たとえば、金属や導電性樹脂を用いることができる。

絶縁部材３１ａ、３１ｂも、電気的絶縁性があればよく、実施形態１同様に樹脂材料を用いる。

本実施形態２では、第１外部短絡回路３５ａと第２外部短絡回路３５ｂを電気的に絶縁するために、２つのリレー、すなわち第１リレー４０ａと第２リレー４０ｂを設けている。第１コイル４１ａおよび第２コイル４１ｂが電流検知部となり、第１スイッチ４２ａおよび第２スイッチ４２ｂが開閉器となる。

各リレー４０ａおよび４０ｂにおいては、第１スイッチ４２ａおよび第２スイッチ４２ｂの一端子が正極タブ１６ａに接続され、他端子が負極タブ１７ａに接続されている。第１スイッチ４２ａおよび第２スイッチ４２ｂは常時開（オフ）であり、第１コイル４１ａおよび第２コイル４１ｂに電流が流れることで閉（オン）に作動するように取り付けている。各リレー４０ａおよび４０ｂは、正極タブ１６ａと負極タブ１７ａに対して並列に設けられている。そして第１スイッチ４２ａまたは第２スイッチ４２ｂのどちらか一方が閉（オン）となれば正極タブ１６ａと負極タブ１７ａが短絡する。したがって、第１スイッチ４２ａまたは第２スイッチ４２ｂの動作で発電要素１００の正極と負極が短絡することになる。

本実施形態２で用いる各リレー４０ａおよび４０ｂは、たとえば双安定リレー（ラッチングリレー）である。本実施形態２では、第１コイル４１ａおよび第２コイル４１ｂに電流が流れていない状態で第１スイッチ４２ａおよび第２スイッチ４２ｂは開（オフ）状態で正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを電気的に絶縁している。一方、第１コイル４１ａおよび第２コイル４１ｂに電流が流れると、第１スイッチ４２ａおよび第２スイッチ４２ｂが閉（オン）となって正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを電気的に接続する。一旦、第１スイッチ４２ａおよび第２スイッチ４２ｂが閉（オン）となった後は、第１コイル４１ａおよび第２コイル４１ｂに電流が流れなくなっても、第１スイッチ４２ａおよび第２スイッチ４２ｂは閉状態のままでる。このため、正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを電気的に接続した状態が維持される。双安定リレー以外でも使用可能であり、コイル非通電時には正極タブ１６ａと負極タブ１７ａの間が開（オフ）、コイル通電時に閉（オン）となって、その後は復帰しないリレーや、マグネットスイッチ、電磁開閉器などを用いることができる。

各リレー４０ａおよび４０ｂによって、発電要素１００の外部（外装材の外）において、正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを電気的に接続する経路を外部放電安全回路３６が構成される。本実施形態２の第１外部短絡回路３５ａおよび第２外部短絡回路３５ｂについては、実施形態１の外部短絡回路３５と同じように動作する。

このように、本実施形態２では、第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂが発電要素２００を単電池層１４ｂの積層方向から挟むように配置されている。これにより本実施形態２においても、実施形態１同様に、導電体との接触部分での温度上昇を抑え、発電要素１００内部の温度上昇を抑えることができる。また、発電要素１００内は、電池内部抵抗により発電要素１００全体で緩やかに発熱するため発電要素１００内部の局所的な温度上昇も抑えることができる。

（実施形態３）
実施形態３は、積層型二次電池（非双極型）である。

図７は、実施形態３に係る積層型二次電池の全体構造を示す概略図である。

実施形態３の積層型二次電池３は、充放電を行う発電要素２００を外装材２０の内部に密封した構造を有する。

発電要素２００は、最外層を除き、面状の集電体の両面に同じ極性の電極が形成されている。ここでは、両面に正極１２が形成される正極集電体１１ｃ、両面に負極１３が形成される負極集電体１１ｄである。最外層においては、図７に示した形態では、積層方向の両側とも片面に負極１３が形成されている負極側最外層集電体１１ｂである。

正極１２と負極１３とがセパレーター１５を介して対向するように配置されて単電池層１４を形成し、単電池層１４が積層されている。したがって、発電要素２００は、セパレーター１５の一方の面に位置する正極１２と、セパレーター１５の他方の面に位置する負極１３とからなる単電池層１４が、集電体１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを介して積層された構造である。

複数の正極集電体１１ｃは互いに接続されて、いずれか一つの正極集電体１１ｃが外装材２０の外部に導出されて正極タブ１６ａとなっている（集電体１１ｃと正極タブ１６ａは別部材を電気的に接続したものであってもよい）。したがって、複数の正極集電体１１ｃは互いに接続されている部分である正極タブ１６ａが、この発電要素２００の正極となる。

複数の負極集電体１１ｂ、１１ｄは互いに接続されて、いずれか一つの集電体（図では１１ｂ）が外装材２０の外部に導出されて負極タブ１７ａとなっている（負極集電体１１ｂ、１１ｄと負極タブ１７ａは別部材を電気的に接続したものであってもよい）。したがって、複数の負極集電体１１ｂ、１１ｄは互いに接続されている部分である負極タブ１７ａが、この発電要素２００の負極となる。

これにより複数の単電池層１４は電気的に並列接続された構成となっている。なお、積層される単電池層１４の数は限定されず、所望する容量に応じて調整し得る。

発電要素２００は、集電体１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの外周縁と接するシール部１８を有する。シール部１８は、絶縁性のシール材によって形成する。シール部１８は、集電体１１の外周部である端部に固定されるとともに、２つのセパレーター１５の間に配置する。シール部１８は、発電要素２００において隣り合う集電体１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ同士の接触や、単電池層１４の端部のわずかな不揃いに起因する短絡を防止する。

単電池層１４の積層方向の両方の負極側最外層集電体１１ｂの外側には、それぞれ絶縁部材３１ａおよび３１ｂを介して第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂを積層している。したがって、第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂが発電要素２００を挟んで対向して配置されている。ただし、本実施形態３では、発電要素２００の最外層の電極がともに負極である。第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは、両方ともその一端が外装材２０の外に導出されたうえで、互いに電気的に接続されている（なお、第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは、外装材２０内で電気的に接続されていてもよい）。そして第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは、一つのリード線３３よって、途中に抵抗Ｒとリレー４０のコイル４１を介して正極タブ１６ａと接続されている。

このリード線３３によって形成される回路は、実施形態１の外部短絡回路３５と同様である。また、その他の構成も実施形態１と同様であるので説明は省略する。

なお、実施形態３の電池構造は図７に示した形態に限定されない。たとえば、発電要素は最外層に正極１２が来るようにしてもよい。その場合、第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは、実施形態１に示した外部短絡回路３５に相当する回路によって負極と接続されることになる。また別形態の発電要素は、一方の最外層側に正極１２、他方の最外層側に負極１３が来るようにしてもよい。この場合は、一方の最外層側に第１導電部材３２ａ、他方の最外層側に第２導電部材３２ｂを設け、互いに絶縁された第１外部短絡回路３５ａと第２外部短絡回路３５ｂを設ける。

このように第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは発電要素２００を積層方向から挟むように配置されている。そして、第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは、発電要素２００のうち導電部材３２が配置されている側の最外層にある電極の極性と逆極性の電極とそれぞれ電気的に接続される。このため第１導電部材３２ａおよび第２導電部材３２ｂは、必ずしも互いに異なる極性の電極に接続されるものではなく、発電要素の最外層にある電極の極性に応じて、同じ極性の電極に接続されることもあるし、異なる極性と電極に接続されることもある。

なお、本実施形態３の積層型二次電池（非双極型）においても、発電要素１００の、単電池層積層方向の一方の端にのみ導電部材を設けた構成としてもよい。すなわち、第１導電部材３２ａのみ、または第２導電部材３２ｂのみを設けることになる。

（作用）
実施形態３に係る積層型二次電池３の作用を釘刺し試験を例に説明する。

図８〜１０は釘刺し試験を例に実施形態３に係る積層型二次電池の作用を説明するための図であり、図８は釘刺し前の状態を示す模式図であり、図９は釘刺し直後の状態を示す模式図であり、図１０は釘貫通後の状態を示す模式図であり、図１１は釘貫通後の別の状態を示す模式図である。

図８に示すように、釘５００を刺す前の状態では、コイル４１に電流は流れておらず、スイッチ４２は開いていて導通していない。

釘刺し試験が開始されて、図９に示すように、釘５００が、第１導電部材３２ａを貫通して、負極側最外層集電体１１ｂに至ると、釘５００を介して第１導電部材３２ａと負極側最外層集電体１１ｂが導通する。そうすると外部短絡回路３５に電流が流れる。コイル４１に電流が流れた瞬間、リレー４０のスイッチ４２が閉（オン）となり、正極タブ１６ａから負極タブ１７ａへ電流が流れる。この状態となれば、発電要素２００に蓄積されていたエネルギーが開放される。

さらに釘５００を深く刺すと、図１０に示すように、発電要素２００内部に釘５００が至る。この状態では、釘５００が発電要素２００内部の各集電体や、活物質、電解液、さらに第２導電部材３２ｂにも接するようになり、釘５００を通じて内部短絡が発生する。しかし、本実施形態３でも、実施形態１および２同様に、外部放電安全回路３６により正極と負極を直接短絡しているので、釘５００を通じた電流の流れは少ない。

また、図１１に示すように、釘５００が貫通後、第１導電部材３２ａと釘５００との接触部分で、接触力が弱く抵抗が高くなったり（図１１中点線丸５１０で囲った部分）、電気的接続が切れるたりする（図１１中点線丸５１１で囲った部分）場合がある。このような状態となった場合、本実施形態３においても、実施形態１同様に、外部短絡回路３５に電流が流れたことを検知して、発電要素２００の外部で外部放電安全回路３６によって電流が流れるため、発電要素２００内に流れる電流を少なくさせることができる。したがって、釘５００との接触部分での温度上昇を抑え、発電要素２００内部の温度上昇を抑えることができる。また、本実施形態３においても、発電要素２００内は、電池内部抵抗により発電要素２００全体で緩やかに発熱するため発電要素２００内部の局所的な温度上昇も抑えることができる。

（実施形態４）
実施形態４は、外部放電安全回路を制御部によって制御する。

図１２は、実施形態４に係る二次電池の全体構造を示す概略図である。

実施形態４に係る二次電池４は、実施形態１と同じく双極型二次電池の発電要素１００を有する。また、実施形態４においても、実施形態１同様に、正極集電板１６の外側に絶縁部材３１を介して導電部材３２を積層している。なお、発電要素については実施形態３に示した積層型電池（非双極型）であってもよい。

実施形態４においては、外部短絡回路５５、および外部放電安全回路５６の構成が実施形態１とは異なる。

外部短絡回路５５は、リード線３３により導電部材３２を抵抗Ｒを介して負極タブ１７ａと電気的に接続している。リード線３３には、直流電流センサー５１が取り付けられている。

抵抗Ｒは外部短絡回路５５の急激な電圧上昇を避けるためと、外部放電安全回路５６へ電流を流しやすくするためである。本実施形態４では、外部短絡回路５５に、リレー回路のコイルは存在しないのでリード線３３の耐圧が十分であれば、抵抗Ｒはなくてもよい。

直流電流センサー５１は、たとえば、周知のものでよく、電流の検知対象である１次線（ここではリード線３３）と電気的に絶縁されて、１次線に電流が流れると信号を出力する。このような電流センサーはたとえばホール素子を用いたものなど周知のものを使用できる。

直流電流センサー５１は電流検知部であり、制御部５０と接続されている。直流電流センサー５１は、リード線３３に流れる電流を検知したときに制御部５０に信号を出力する。

外部放電安全回路５６は、途中に制御部５０からの指令によって開閉するスイッチ５２を介して、正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを電気的に接続する。スイッチ５２は通常の状態では、常に開（オフ）である。スイッチ５２としては、たとえば、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）が、高速動作できることから好ましい。

制御部５０は外部放電安全回路５６の一部である。制御部５０は、直流電流センサー５１からの信号を受けた時点で、スイッチ５２を閉（オン）して、正極タブ１６ａ（正極）と負極タブ１７ａ（負極）を短絡させる。制御部５０は、たとえばコンピューターであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されている。このような制御部５０は、直流電流センサー５１からの信号を受けてスイッチ５２を閉（オン）する動作をあらかじめ記憶されているプログラムによって実行する。

図１３は、制御部５０の処理手順を説明するフローチャートである。

制御部５０は、外部短絡回路５５内のリード線３３に電流が流れたか否かを、直流電流センサー５１からの信号によって判断する（Ｓ１０１）。

外部短絡回路５５に電流が流れたと判断されたなら（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、制御部５０は外部放電安全回路５６のスイッチ５２をオンにする（Ｓ１０２）。これにより発電要素のエネルギーが放電される（Ｓ１０３）。また、処理は終了する。

一方、外部短絡回路５５に電流が流れていないと判断されたなら（Ｓ１０１：ＮＯ）、このＳ１０１の判断を繰り返す。この状態は通常の状態であり、スイッチ５２はオフとなっている。

このように本実施形態４は、二次電池内へ導電体などが侵入した場合に、制御部５０は直流電流センサー５１からの信号により外部短絡回路５５に電流が流れたことで検知する。これにより制御部５０はスイッチ５２を作動させて発電要素１００のエネルギーを開放する。したがって、本実施形態４においても、実施形態１〜３同様に、導電体との接触部分での温度上昇を抑え、発電要素１００内部の温度上昇を抑えることができる。また、発電要素１００内は、電池内部抵抗により発電要素１００全体で緩やかに発熱するため発電要素１００内部の局所的な温度上昇も抑えることができる。

このような制御部５０は１つの二次電池に１つとしてもよいが、複数の二次電池に１つの制御部５０としてもよい。なお、外部短絡回路５５およびスイッチ５２は一つひとつの二次電池に設ける。

一つの制御部５０が複数の二次電池を制御することで、たとえば、複数の二次電池のなかの一つに、導電体が侵入するような事象が発生した場合に、その近傍に設置されている他の二次電池についても、エネルギーを安全に開放する。これにより複数の二次電池からなる電池ユニットなどにおいても、安全にエネルギーを開放することができる。

制御部５０は、二次電池専用としてもよいし、他の制御のための制御部が兼用するようにしてもよい。たとえば自動車に搭載する二次電池においては、自動車の制御部が二次電池を制御するようにもできる。また、実施形態１〜３のように、個々の二次電池には単純なリレー４０による外部放電安全回路３６を設け、さらに制御部５０と直流電流センサー５１を設けてもよい。そして、個々の二次電池の外部放電安全回路３６はそれぞれ単独で動作するとともに、制御部５０からの信号でも動作させるようにする。このようにすることで、二次電池が単体でも外部放電安全回路３６が働き、さらに自動車などに搭載されているときには、複数の二次電池のうち、一つでも外部放電安全回路３６が働いた場合は、他の二次電池も外部放電安全回路３６を働かせることができる。

（実施形態４の変形例）
本実施形態４では、直流電流センサーを用いた例を説明したが、これに代えて電圧センサーを用いてもよい。

図１４は、実施形態４に係る他の構成である電圧センサーを用いた場合の二次電池の全体構造示す概略図である。

電圧センサーを用いた場合は、抵抗Ｒの両端子間の電圧を検知するように電圧センサー５９を設ける。通常の状態では、抵抗Ｒの両端子間の電圧は、電流が流れていないため０Ｖである。そして抵抗Ｒに電流が流れることで、抵抗Ｒによる電圧降下によって両端子間に電圧差が発生する。電圧センサー５９はこの電圧差を検知して、信号を制御部５０へ送信する。制御部５０では電圧センサー５９からの信号によって、外部放電安全回路５６を作動させる。この場合の動作や作用は、電流センサーを用いた場合と同じであるので説明は省略する。

（実施形態５）
図１５は、実施形態５に係る二次電池の全体構造示す概略図である。

実施形態５の二次電池５は、実施形態２同様に、正極集電板１６の外側に絶縁部材３１ａを介して第１導電部材３２ａを積層し、負極集電板１７の外側に絶縁部材３１ｂを介して第２導電部材３２ｂを積層した構造を有する。発電要素１００の構成も実施形態２と同じである。

第１導電部材３２ａは、第１リード線３３ａにより抵抗Ｒ１を介在して負極タブ１７ａに接続されている。この第１リード線３３ａには直流電流センサー５１ａが設けられている。第１導電部材３２ａから負極タブ１７ａまでの経路を第１外部短絡回路５５ａという。

第２導電部材３２ｂは、第２リード線３３ｂにより抵抗Ｒ２を介在して正極タブ１６ａに接続されている。この第２リード線３３ｂには直流電流センサー５１ｂが設けられている。第２導電部材３２ｂから正極タブ１６ａまでの経路を第２外部短絡回路５５ｂという。

制御部５０は、直流電流センサー５１ａおよび５１ｂのうち、いずれか一方の直流電流センサーが電流の流れを検知した信号を受けて、外部放電安全回路５６のスイッチ５２をオンにして、発電要素１００の外部で正極タブ１６ａと負極タブ１７ａを短絡させる。このような制御部５０の処理は実施形態４の処理と同じである。

これにより本実施形態５においても、上述した実施形態４同様に、導電体との接触部分での温度上昇を抑え、発電要素１００内部の温度上昇を抑えることができる。また、発電要素１００内は、電池内部抵抗により発電要素１００全体で緩やかに発熱するため発電要素１００内部の局所的な温度上昇も抑えることができる。

なお、本実施形態５においても、実施形態４の変形例同様に直流電流センサー５１ａおよび５１ｂに代えて、電圧センサーを用いてもよい。電圧センサーを用いる場合は、抵抗Ｒ１およびＲ２それぞれの両端士間電圧を検出することになる。

上記実施形態を適用した実施例について説明する。

（実施例）
電池（発電要素）構造：８積層の双曲型二次電池、容量：１．３Ａｈ、電圧：３３．６Ｖのリチウムイオン二次電池の試験電池を用意した。

この試験電池の正極側に絶縁部材を挟んで導電部材を配置した。導電部材はリード線によって負極タブと接続した。またリード線にはリレーのコイルを接続しておいて、リレーのスイッチを試験電池の正極タブと負極タブの間に接続した（つまり図３の構造と同等の構造である）。

この試験電池に釘刺し試験を行い、電池電圧（セル電圧）、電池温度（セル温度）、釘温度、正極タブと負極タブの間の電流（セル電流）を測定した。なお、正極と負極タブの間には、電圧および電流を測定するためにシャント抵抗を接続した。シャント抵抗の抵抗値は配線抵抗に近いごく小さいものを用いた。

釘刺し試験は、釘：ＳＵＳ３０４／Φ３ｍｍ、釘刺し速度：８０ｍｍ／ｓｅｃ、外気温度：２５℃にて実施した。

図１６は、釘刺し試験の結果を示すグラフである。グラフにおいて、左縦軸は、温度と電圧であり、右縦軸は電流である。横軸は経過時間である。

グラフを参照して説明する。

（ａ）釘刺し前は、正極タブと負極タブの間に電流は流れていない。電池電圧は３３．６Ｖである。電池温度はほとんど室温である。釘温度も室温に近く、やや低い。

（ｂ）釘刺し時点で、電池電圧が一瞬で下がるとともに、電流も急激に流れることがわかる。

（ｃ）その後、時間の経過とともに、電流は流れるがわずかである。したがって、釘が刺さった瞬間に、ほとんどのエネルギーが放電したことがわかる。また、電池温度が、釘が刺さった時点から上昇しているが、最大温度が６４℃ていどである。その後は時間の経過とともに低下している。釘温度もほとんど上がらず、最大でも３４℃程度で収まっている。さらに目視による観察で、発煙は確認されなかった。

（比較例）
実施例同様の試験電池を用意した。正極側に絶縁体を挟んで導電部材を配置した。導電部材はリード線によって負極タブと接続した。ただし、実施例とは異なり、正極タブと負極タブを結ぶリレー回路（外部放電安全回路）は設けていない。

実施例同様に釘刺し試験を行った結果、目視によって発煙が確認された。電池温度が５００℃以上になったものと推定される。

（まとめ）実施例、比較例の結果から、本発明を適用した二次電池とすることで、釘刺し試験において、二次電池の温度上昇が抑えられることがわかった。

以上説明した実施形態（実施例含めて）によれば、以下の効果を奏する。

（１）本実施形態では、外装材を抜けて導電体が発電要素に侵入した場合には、発電要素の最外層側に設けられている導電部材と、この導電部材が設けられている側の最外層の電極と逆極性の電極との間に電流が流れる。この電流を検知することで発電要素の外部にある外部放電安全回路を通じて発電要素の正極と負極の間を短絡させる。侵入した導電体と導電部材と接触抵抗は大きいため、外部放電安全回路の方に多くの電流が流れて、発電要素のエネルギーを開放する。これにより発電要素の温度上昇を抑えることができる。また、侵入した導電体と導電部材との不安定な接触による発熱を抑えることができる。また、発電要素の内部抵抗により全体で緩やかに発熱するため発電要素内部の局所的な温度上昇が抑えられる。

また、開閉器（スイッチ）は一旦閉（オン）となった後は、正極と負極の接続を維持するため、確実にエネルギーの開放を行うことができる。

（２）コイルとスイッチからなるリレーを用い、導電部材と、その導電部材が電気的に接続されている正極または負極との間で電流が流れたことをコイルによって検知し、電流の検知によりリレーのスイッチを作動させている。したがって、導電体が発電要素内部に侵入したようなときには、このコイルに電流が流れるだけで、発電要素のエネルギーを安全に開放して、温度上昇を抑えることができる。

（３）電流センサーまたは電圧センサーを設けて、導電部材と、その導電部材が電気的に接続されている正極または負極との間で電流が流れたことを検知して、制御部が電流センサーまたは電圧センサーからの信号を受けて正極と負極を短絡させることとした。これにより発電要素の外部にある制御部が集中的に導電体の侵入などを検知して、発電要素のエネルギーを安全に開放することができる。

（４）また、第１導電部材と第２導電部材により発電要素を最外層から挟むように対向して設けた。これにより、発電要素のどの面から導電体が侵入した場合でも、発電要素のエネルギーを開放して発電要素の温度上昇を抑えることができる。また、導電体が侵入した部分における発熱も抑えることができる。

以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は上述した実施形態および実施例に限定されない。

１ 双極型二次電池、
２ 双極型二次電池、
３ 積層型二次電池、
４ 二次電池、
５ 二次電池、
１２ 正極、
１３ 負極、
１６ 正極集電板、
１６ａ 正極タブ、
１７ 負極集電板、
１７ａ 負極タブ、
３１、３１ａ、３１ｂ 絶縁部材、
３２ 導電部材、
３２ａ 第１導電部材、
３２ｂ 第２導電部材、
３３ リード線、
３３ａ 第１リード線、
３３ｂ 第２リード線、
３５、５５ 外部短絡回路、
３５ａ、５５ａ 第１外部短絡回路、
３５ｂ、５５ｂ 第２外部短絡回路、
３６、５６ 外部放電安全回路、
４０ リレー、
４０ａ 第１リレー、
４０ｂ 第２リレー、
４１ コイル、
４１ａ 第１コイル、
４１ｂ 第２コイル、
４２ スイッチ、
４２ａ 第１スイッチ、
４２ｂ 第２スイッチ、
５０ 制御部、
５１ 直流電流センサー、
５９ 電圧センサー、
５２ スイッチ。

１００、２００ 発電要素、
５００ 釘。

Claims (8)

1. 正極、セパレーター、および負極がこの順で積層された単電池層を少なくとも一つ有する発電要素と、
   前記発電要素の前記単電池層が積層された方向の少なくとも一方の外側に、電気的絶縁部材を介して配置された導電部材と、
   前記導電部材を、前記発電要素のうち前記導電部材が配置されている側の最外層にある電極と逆極性の電極に電気的に接続する外部短絡回路と、
   前記外部短絡回路に電流が流れているか否かを検知する電流検知部と、
   前記電流検知部が電流を検知していないときには前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を電気的に絶縁していて、前記電流検知部が電流を検知したときには前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を前記発電要素の外部で短絡させる開閉器を備えた外部放電安全回路と、
   を有する、二次電池。
2. 前記電流検知部および前記開閉器は、コイルおよびスイッチを有するリレーであり、
   前記コイルが前記外部短絡回路の途中に介在し、前記スイッチが前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を開閉するように設置されており、
   前記コイルに電流が流れることで前記スイッチが作動して、前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を短絡させる、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記電流検知部は、
   前記外部短絡回路に流れる電流を検知する電流センサーであり、
   前記外部放電安全回路は、前記電流センサーが電流の流れを検知した信号を受けて、前記開閉器を作動させて前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を短絡させる制御部を有する、請求項１に記載の二次電池。
4. 前記電流検知部は、
   前記外部短絡回路に電流が流れたことを、前記外部短絡回路の途中に介在させた抵抗における電圧降下により検知する電圧センサーであり、
   前記外部放電安全回路は、前記電圧センサーが電流の流れを検知した信号を受けて、前記開閉器を作動させて前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を短絡させる制御部を有する、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記導電部材は、前記発電要素の前記単電池層が積層された方向の一方の外側に電気的絶縁部材を介して配置された第１導電部材と、前記発電要素の前記単電池層が積層された方向の他方の外側に電気的絶縁部材を介して配置された第２導電部材であり、
   前記外部短絡回路は、前記第１導電部材と前記第１導電部材が配置されている側の最外層にある電極と逆極性の電極とを電気的に接続する第１外部短絡回路と、前記第２導電部材と前記第２導電部材が配置されている側の最外層にある電極と逆極性の電極とを電気的に接続する第２外部短絡回路であり、
   前記外部放電安全回路は、前記電流検知部が前記第１外部短絡回路および前記第２外部短絡回路のうち少なくともいずれか一方に電流が流れたことを検知したときに前記開閉器を作動させて前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を短絡させるものである、請求項１〜４のいずれか一つに記載の二次電池。
6. 正極、セパレーター、および負極がこの順で積層された単電池層を少なくとも一つ有する発電要素と、
   前記発電要素の前記単電池層が積層された方向の少なくとも一方の外側に、電気的絶縁部材を介して配置された導電部材と、
   前記導電部材を、前記発電要素のうち前記導電部材が配置されている側の最外層にある電極と逆極性の電極に電気的に接続する外部短絡回路と、を有する二次電池の制御方法であって、
   前記外部短絡回路に電流が流れたことを検知して、前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を前記発電要素の外部で電気的に短絡させる、二次電池の制御方法。
7. 前記外部短絡回路に電流が流れたことを検知して、前記発電要素の外部において前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間に設けられているリレーのスイッチをオンにして前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を電気的に短絡させる、請求項６に記載の二次電池の制御方法。
8. 前記導電部材は、前記発電要素の前記単電池層が積層された方向の一方の外側に電気的絶縁部材を介して配置された第１導電部材と、前記発電要素の前記単電池層が積層された方向の他方の外側に電気的絶縁部材を介して配置された第２導電部材であり、
   前記外部短絡回路は、前記第１導電部材と前記第１導電部材が配置されている側の最外層にある電極と逆極性の電極とを電気的に接続する第１外部短絡回路と、前記第２導電部材と前記第２導電部材が配置されている側の最外層にある電極と逆極性の電極とを電気的に接続する第２外部短絡回路であり、
   前記第１外部短絡回路および前記第２外部短絡回路のうち、少なくともいずれか一方に電流が流れたときに前記発電要素の正極と前記発電要素の負極の間を短絡させる、請求項６または７に記載の二次電池の制御方法。