JPH1186843A - 電 池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安全性をより向上させた非水電解質二次電池
を提供する。 【解決手段】 本発明になる電池は、負極又は正極と電
気的に接続された導電体からなる又は導電体を有する第
１の導電手段と、正極と電気的に接続された導電体から
なる又は導電体を有する第２の導電手段と、第１の導電
手段と第２の導電手段とが電気的に非接触状態を保持す
る絶縁性の保持手段とを少なくとも備えてなる短絡手段
が電池ケース内に設けられており、第１の導電手段が巻
回された電極群の最外周に配された正極板であって、第
２の導電手段が第１の導電手段の内側に配された負極板
であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電
池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の急激な小形軽量化に伴い、そ
の電源である電池に対して小形で軽量かつ高エネルギー
密度、更に繰り返し充放電が可能な二次電池開発への要
求が高まっている。また、大気汚染や二酸化炭素の増加
等の環境問題により、電気自動車の早期実用化が望まれ
ており、高効率、高出力、高エネルギー密度、軽量等の
特徴を有する優れた二次電池の開発が要望されている。

【０００３】これらの要求を満たす二次電池として、非
水電解質を使用した二次電池が実用化されている。この
電池は、従来の水溶液電解液を使用した電池の数倍のエ
ネルギー密度を有している。その例として、非水電解質
二次電池の正極にコバルト複合酸化物、ニッケル複合酸
化物又はスピネル型リチウムマンガン酸化物を用い、負
極にリチウムが吸蔵・放出可能な炭素材料などを用いた
長寿命な４Ｖ級非水電解質二次電池が実用化されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この非水電解質二次電
池では、負極に高容量のアモルファスカーボン、又は／
及び酸化物などを用いた高容量の非水電解質二次電池が
開発されてきており、小型高容量化の技術開発が急速に
進んでいる。

【０００５】このように、小型高容量化、すなわち体積
エネルギー密度の飛躍的な増大にともなう、過充電、過
放電の防止や内部短絡の防止等が大きな課題となってい
る。過充電の防止対策としては充電器による充電電圧の
制御、過放電の防止対策としては放電時の終止電圧の制
御を行う方法が主流となっている。

【０００６】また、充電器等の制御が故障した場合、あ
るいは内部短絡による大電流の発生に備え、電池側に所
定の電池内圧に達したときに開裂する安全弁や電流遮断
手段を持たせている。さらに他の方法としては、電池製
造時、常温以上の雰囲気で放置処理を行い、安全化対策
を施している。

【０００７】しかしながら、これらの対策を施してたと
しても内部短絡時の大電流に伴う発熱などが生じること
に変わりなく、加えてエージング処理においても量産速
度の低下およびコストがかさむといった欠点を有してお
り、根本的な解決には至っていないのが現状である。な
お、このような問題は、非水電解質二次電池に限られた
ものではなく、ニッケルカドミウム電池や金属水素化物
電池などに共通する問題でもある。

【０００８】そこで、本発明の目的とするところは、た
とえ、貫通による内部短絡が生じても発熱等を効果的に
抑止し得る電池を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明になる電池は、負
極と電気的に接続された導電体からなる又は導電体を有
する第１の導電手段と、正極と電気的に接続された導電
体からなる又は導電体を有する第２の導電手段と、第１
の導電手段と第２の導電手段とが電気的に非接触状態を
保持する絶縁性の保持手段とを少なくとも備えてなる短
絡手段が電池ケース内に設けられており、第２の導電手
段が巻回された電極群の最外周に配された正極板又は正
極集電体であって、第１の導電手段が第２の導電手段の
内側に配された負極板又は負極集電体であることを特徴
とする。

【００１０】第２の発明になる電池は、負極と電気的に
接続された導電体からなる又は導電体を有する第１の導
電手段と、正極と電気的に接続された導電体からなる又
は導電体を有する第２の導電手段と、第１の導電手段と
第２の導電手段とが電気的に非接触状態を保持する絶縁
性の保持手段とを少なくとも備えてなる短絡手段が電池
ケース内に設けられたており、第２の導電手段が積層さ
れた発電要素の最外側に配された正極板であって、第１
の導電手段が第２の導電手段の内側に配された負極板で
あることを特徴とする。

【００１１】第１又は第２の発明にかかる第３の発明に
なる電池は、絶縁性の保持体がセパレータであることを
特徴とする請。

【００１２】第１又は第２の発明にかかる第４の発明に
なる電池は、前記保持体が無機固体粒子の造粒物又は成
形物であることを特徴とする。

【００１３】第４の発明にかかる第５の発明になる電池
は、リチウムイオンを吸蔵放出可能なリチウム含有金属
酸化物を有する正極合剤層が形成された正極と、リチウ
ムイオンを吸蔵放出可能なホスト物質を有する負極合剤
層が形成された負極とを備えた非水電解質二次電池であ
ることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】電池、ここでは特に非水電解質二
次電池を用いて説明するとして、外部から過大な応力や
加速度を加えて電池を変形させると、内部短絡を生じ電
池が発熱、最悪の場合発火に至ることがありうる。本発
明者らは、この原因を詳しく調査した結果、内部短絡箇
所において、リチウムイオンを吸蔵放出する、正極のリ
チウム含有金属酸化物（以下、正極ホスト物質とする）
自身を経由する過大な短絡電流によって正極ホスト物質
が加熱され、非常に大きな発熱分解反応を起こすことが
最大の要因であることを明らかにした。

【００１５】そこで、本発明者らは、とくに先端が鋭利
なもの（釘や串など）による貫通が電池外部から起こっ
たときに、上記内部短絡よりも先に、外部からの貫通に
対して正極側から負極に接する構造、本発明にいうとこ
ろの短絡手段を備えることにより、仮に電子伝導性の異
物（釘や串など）が貫通してデッドショートが起こる場
合においても、異物はまず正極板を貫通した後負極板に
接するため、異物と正極板との接触が点接触とならず、
接触面積が増大するので、内部短絡時の大電流を速やか
に分散させることを可能にした。

【００１６】それゆえに、内部短絡時の瞬間的な大電流
を、分散して正極ホスト物質に流すことができるため、
従来電池のような貫通による内部短絡に伴う発熱等を効
果的に抑止することができる。

【００１７】また、本発明において、非水電解質リチウ
ムイオン二次電池の場合、負極のホスト物質はリチウム
イオンを吸蔵、放出できるものであればいかなるもので
もかまわないし、たとえば、グラファイト、コークス、
カーボン、アモルファスカーボン、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、
Ｓｎ１−ｘＭｘＯ（Ｍ＝Ｈｇ，Ｐ，Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ又は
Ｓｂ、ただし０≦Ｘ＜１）、Ｓｎ１−ｘＭｘＯ２（Ｍ＝
Ｈｇ，Ｐ，Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ又はＳｂ、ただし０≦Ｘ＜
１）、Ｓｎ３Ｏ２（ＯＨ）２、Ｓｎ３−ｘＭｘＯ２（Ｏ
Ｈ）２（Ｍ＝Ｍｇ，Ｐ，Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｂ，Ａｓ又
はＭｎ、ただし０≦Ｘ＜３）、ＬｉＳｉＯ２、ＳｉＯ
２、ＳiＯ、ＳiＯ２−ｘ（０≦Ｘ＜１）、Ｓi１−ｘＭ
ｘＯ（Ｍ＝Ｈｇ，Ｐ，Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ又はＳｂ、ただし
０≦Ｘ＜１）、Ｓi１−ｘＭｘＯ２（Ｍ＝Ｈｇ，Ｐ，
Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ又はＳｂ、ただし０≦Ｘ＜１）、Ｓi１
−ｘＭｘＯ２ーｙ（Ｍ＝Ｈｇ，Ｐ，Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ又は
Ｓｂ、ただし０≦Ｘ＜１、０≦ｙ＜１）又はＬｉＳｎＯ
２の中から選ばれる１種又は２種以上であることを例示
することができる。このように、負極の容量が大きいも
のを用い、高容量な電池としても、本発明を適用するこ
とによって安全性の向上が可能である。

【００１８】尚、本発明になる非水電解質二次電池にお
いては、その構成として正極、負極及びセパレータと非
水電解液との組み合わせ、正極、負極、セパレータとし
ての有機又は無機固体電解質及び非水電解液との組み合
わせ、あるいは正極、負極、セパレータ、有機又は無機
固体電解質及び非水電解液との組み合わせであっても構
わない。

【００１９】本発明にかかるセパレータあるいはセパレ
ータとしての有機又は無機固体電解質もしくは有機バイ
ンダーによって決着された無機固体粉末などを意味して
おり、いずれも公知のものの使用が可能である。また、
非水電解液も公知のものの使用が可能であることはいう
までもない。加えて、正極合剤層又は／及び負極合剤層
の上面に有機固体電解質（特に、ＰＡＮやＰＥＯなど）
を形成させた構成であっても構わない。

【００２０】以下に、好適な実施例を用いて本発明を説
明する。

【００２１】

【実施例１】以下に、本発明になる短絡手段を電池内部
に設けた一実施例を用いて本発明を説明する。

【００２２】図１は、本発明になる非水電解液二次電池
の断面説明図である。

【００２３】図において、１は非水電解液電池、２は扁
平巻電極群、３は正極板、４は負極板、５はセパレー
タ、６は電池ケースである。非水電解液電池１の構成
は、正極板３、負極板４、セパレータ５からなる扁平巻
状の電極群２及び電解液がアルミラミネートフィルムか
ら形成された電池ケース６に収納された電池である。

【００２４】１０は正極端子、１０’は負極端子、１１
は正極リード、１１’は負極リードである。ただし、こ
こでは端子１０とリード１１、及び１０’と１１’とは
一体に形成されている。

【００２５】気密封口用の電池ケース６は、図２のよう
に最外層に表面保護層１５として１２μｍのＰＥＴフィ
ルムを有し、その下にバリア層１６として９μｍのアル
ミニウム箔をウレタン系接着剤で接着している。さら
に、その下に熱融着層１７として１００μｍの酸変性Ｌ
ＤＰＥ（低密度ポリエチレン）を有するラミネートフィ
ルムからなっている。

【００２６】また、端子１０、１０’、１１、１１’
は、５０から１００μｍの銅、アルミニウム、ニッケル
などの金属導体であり、その金属導体とケース６との間
には、金属導体との接着を行う接着層１８としての５０
μｍの酸変性ＬＤＰＥと、その外側に電解液バリア層１
９としての７０μｍのエバール樹脂（クラレ製のエチレ
ンビニルアルコール共重合樹脂）層を設けている。ここ
では、正極にアルミニウム、負極に銅を用いている。た
だし、電池ケース６や端子の構成及び電池ケースからの
引出し等はこれらに限るものでないことはいうまでもな
い。

【００２７】正極板３は、集電体に活物質としてリチウ
ムコバルト複合酸化物が保持されたものである。集電体
は、厚さ６μｍのＰＥＴ膜の両面に厚さ４μｍのアルミ
ニウム箔を重ね合わせて接着剤で接着することによって
得たものである。正極板３は、結着剤であるポリフッ化
ビニリデン８部と導電剤であるアセチレンブラック５部
とを活物質８７部とともに混合し、適宜Ｎ−メチルピロ
リドンを加えてペースト状に調製した後、その集電体材
料の両面に塗布、乾燥することによって製作した。

【００２８】負極板４の集電体は、厚さ１２μｍのＰＥ
Ｔ膜の両面に銅をスパッタリングした後、厚さ１μｍの
銅を電解メッキすることによって得た。

【００２９】負極板４は、その集電体の両面に、ホスト
物質としてのグラファイト（黒鉛）８６部と結着剤とし
てのポリフッ化ビニリデン１４部とを混合し、適宜Ｎ−
メチルピロリドンを加えてペースト状に調製したものを
塗布、乾燥することによって製作された。

【００３０】セパレータ５は、ポリエチレン微多孔膜で
ある。また、電解液は、ＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌ含む
エチレンカーボネート：ジエチルカーボネート＝１：１
（体積比）の混合液である。

【００３１】それぞれの寸法は、正極板が厚さ１８０μ
ｍ、幅２９ｍｍで、セパレータが厚さ２５μｍ、幅３３
ｍｍで、負極板が厚さ１７０μｍ、幅３１ｍｍとなって
おり、正極板３及び負極板４にそれぞれリード端子（１
０、１１、１０’、１１’）を溶着し、順に重ね合わせ
てポリエチレンの長方形状の巻芯を中心として、長辺が
電極体の巻き軸と平行となるよう、その周囲に巻き、扁
平巻状電極群２とした。

【００３２】次に、アルミニウムラミネートフィルムを
袋状に成形した電池ケース６に電極群２を収納し、端子
を固定して密封し、電解液を各電極、セパレータが十分
湿潤し、電極群外にフリーな電解液が存在しない量を真
空注液した。

【００３３】次に、密封溶着を行って設計容量８００ｍ
Ａｈの電池（Ａ）を１０個作製した。ただし、電解液量
を４ｍｌとした。

【００３４】本発明になる短絡手段は、電極群２の最外
周に位置する、正極板２２が第２の導電手段を構成し、
正極板２２の内側に対向するセパレータが保持体２１を
構成し、保持体２１の内側に対向する負極板２０が第１
の導電手段を構成している。よって、ここでは正極板２
２と負極板２０と保持体２１とで短絡手段を構成してい
る。よって、両者が貫通によって接触すれば外部短絡と
同様の短絡となる。

【００３５】また、保持体２１としては絶縁性を有し、
かつ導電手段２０，２２同士の接触がないよう間隔を保
持できるものであればよく、上記以外にも紙、セラミッ
ク、セパレータ、及びこれらの複合体などが例示され、
形状についても様々なものが適用できることは言うまで
もない。

【００３６】短絡手段を持たない従来の電池Ｂ（ただ
し、本発明電池の構成と異なる点は、電極群２の最外周
が負極板となるよう、すなわち負極板の内側にセパレー
タ、正極板の配置となるよう巻回されている点である）
を同様に１０個作製した。

【００３７】［試験および結果］これらの電池Ａ及び
Ｂ、それぞれにおいて、０．５Ｃの電流で３時間、４．
１Ｖまで定電流定電圧充電を行って満充電状態とした。

【００３８】これらの電池１０個を用いて電池ケースの
側面より直径２．５ｍｍの鉄釘を貫通させ、様子を観察
したところ、本発明電池では全てにおいて１１０℃以下
の発熱が認められたものの、それ以外の異常は全く認め
られなかった。しかしながら、従来電池では電池温度が
２００℃以上に上昇すると同時に発煙が見られた。

【００３９】上記実施例において、正極のリチウム含有
金属酸化物としてリチウムコバルト複合酸化物を用いる
場合を説明したが、リチウムコバルト系複合酸化物、リ
チウムニッケル又はリチウムニッケル系複合酸化物、二
硫化チタンをはじめとしてマンガン系、たとえばスピネ
ル型リチウムマンガン酸化物あるいは五酸化バナジウム
および三酸化モリブデンなどの種々のものを用いること
ができることはいうまでもない。加えて、電池形状も角
形、円筒形、コイン形またはペーパー形等形状はどんな
ものであってもよいし、電池の種類に関係なく、適用可
能であることは、いうまでもない。

【００４０】さらに、有機溶媒も基本的に限定されるも
のではない。従来リチウム電池に用いられているもので
あれば本発明と同様の効果が得られる。例えば溶媒とし
ては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネー
ト、γ−ブチロラクトン、スルホランなどの高誘電率溶
媒に１，２−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネー
ト、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネー
ト、メチルフォルメートなどの低粘度溶媒を混合したも
のが用いることができる。加えて、エネルギー密度が最
も高い金属リチウム又はその合金を用いたリチウム二次
電池にも適用可能である。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、貫通内部短絡時の瞬間
的な大電流を分散して正極ホスト物質に流すことができ
るため、従来電池の内部短絡に伴う発熱等を効果的に抑
止することができる。加えて、電池の製造条件等の変更
をすることもなく、しかも常温以上の雰囲気での放置な
どの煩雑な工程を省くことができ、量産性に優れた、安
価な電池が提供できる。

【００４２】さらに、高容量化が可能であるばかりでな
く、安全性のさらなる向上ができうる非水電解質二次電
池等の電池を提供することもできる。

【００４３】よって、本発明の工業的価値は極めて高
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例１にかかる本発明品の非水電解液二次
電池の断面説明図である。

【図２】本実施例１にかかる本発明品の非水電解液二次
電池端子部の断面拡大図である。

【符号の説明】

１ 非水電解液二次液電池 ２ 電極群 ５ セパレータ ６ ケース １０ 端子 １１ リード ２０ 第１の導電体 ２１ 保持体 ２２ 第２の導電体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負極と電気的に接続された導電体からな
   る又は導電体を有する第１の導電手段と、正極と電気的
   に接続された導電体からなる又は導電体を有する第２の
   導電手段と、第１の導電手段と第２の導電手段とが電気
   的に非接触状態を保持する絶縁性の保持手段とを少なく
   とも備えてなる短絡手段が電池ケース内に設けられてお
   り、 第２の導電手段が巻回された電極群の最外周に配された
   正極板であって、第１の導電手段が第２の導電手段の内
   側に配された負極板であることを特徴とする電池。
2. 【請求項２】 負極と電気的に接続された導電体からな
   る又は導電体を有する第１の導電手段と、正極と電気的
   に接続された導電体からなる又は導電体を有する第２の
   導電手段と、第１の導電手段と第２の導電手段とが電気
   的に非接触状態を保持する絶縁性の保持手段とを少なく
   とも備えてなる短絡手段が電池ケース内に設けられてお
   り、 第２の導電手段が積層された発電要素の最外側に配され
   た正極板であって、第１の導電手段が第２の導電手段の
   内側に配された負極板であることを特徴とする電池。
3. 【請求項３】 絶縁性の保持体がセパレータであること
   を特徴とする請求項１又は２記載の電池。
4. 【請求項４】 前記保持体が無機固体粒子の造粒物又は
   成形物であることを特徴とする請求項１又は２記載の電
   池。
5. 【請求項５】 リチウムイオンを吸蔵放出可能なリチウ
   ム含有金属酸化物を有する正極合剤層が形成された正極
   と、リチウムイオンを吸蔵放出可能なホスト物質を有す
   る負極合剤層が形成された負極とを備えた非水電解質二
   次電池であることを特徴とする請求項１、２、３又は４
   記載の電池。