(57)【要約】【課題】積層体内部で熱暴走が生じても速やかに冷却することができ、外部へ噴出するガスの温度を低下させるとともにガス量を抑えることができる二次電池を提供すること。【解決手段】二次電池１０は、内部に電解液を貯蔵する容器１１と、交互に積層されたシート状の正極板１８及び負極板２０と、正極板１８及び負極板２０との間に配されたセパレータ２１と、を有して容器１１内に配された積層体と、積層体の正極板１８と負極板２０との何れかの間に介装されるとともに、縁部が容器１１と伝熱可能に接触した放熱板１３と、放熱板１３に配され、消火剤を内部に収容して所定温度で破壊する消火剤収容構造体２２と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に電解液を貯蔵する容器と、
交互に積層されたシート状の正極板及び負極板と、前記正極板及び前記負極板との間に配されたセパレータと、を有して前記容器内に配された積層体と、
該積層体の前記正極板と前記負極板との何れかの間に介装されるとともに、縁部が前記容器と伝熱可能に接触した放熱板と、
該放熱板に配され、消火剤を内部に収容して所定温度で破壊する消火剤収容構造体と、
を備えていることを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記放熱板及び前記消火剤収容構造体が、前記積層体の積層方向の中央部に配されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記消火剤収容構造体が、１００〜３００℃の温度で破壊されて前記消火剤を放出するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記放熱板が、前記積層体の前記正極板と前記負極板との間に配されたシート状の放熱板本体と、
前記容器の内面に沿った接触面を有して、該接触面にて前記放熱板本体が前記内面と接触した接触部と、
を備え、
前記消火剤収容構造体が、前記放熱板本体に配されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の二次電池。
【請求項５】
前記放熱板には、前記電解液を両側に流通させることが可能な孔が形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電を繰り返し行うことができる二次電池は、近年、各種の分野で広範囲にわたって利用されている。例えば、小型タイプであれば、携帯電話やビデオカメラ等の電子機器の電源として利用され、大型タイプであれば、電気自動車の電源や家庭用の蓄電装置等として利用されている。このような二次電池として、積層型のリチウムイオン二次電池のような非水電解質二次電池が開発されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
このような二次電池は、正極板及び負極板の少なくとも一方がセパレータで包装された状態で、正極板及び負極板が互いに交互に積層されて積層体を構成している。そして、正極板及び負極板を収納する容器外壁及び端子部分から、充放電等の際に容器内部の正極板や負極板などで発生する熱を放熱させている。
【０００４】
一方、リチウムイオン二次電池の内部で短絡が発生した場合、大きな電流が流れて発熱し、電池の温度が急上昇する、いわゆる熱暴走と呼ばれる状態となる場合がある。この際、電解液が可燃性の有機溶媒を含むため、電解液が気化して内圧が上昇して容器が破裂したり、電解液が発火したりするおそれがある。このような破裂・発火を抑制するために、正極板や負極板に吸熱物質を添加したもの（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−４５４９８号公報
【特許文献２】特開２００７−２７３３４８号公報
【特許文献３】特開平１１−１５４５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の二次電池の場合、正極板及び負極板を収納する容器外壁及び端子部分から、充放電等の際に内部の正極板や負極板などで発生する熱を放熱させている。そのため、容器外壁に直接接触しない電池内部中央の熱を十分に外部へ放熱させることができず、破裂・発火の要因となる電池の温度の上昇を効果的に抑えることができない。また、吸熱物質を添加しても、添加量に限界があって熱暴走が生じた際に速やかに破裂・発火を抑制することができないといった問題がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、積層体内部で熱暴走が生じても速やかに冷却することができ、外部へ噴出するガスの温度を低下させるとともにガス量を抑えることができる二次電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る二次電池は、内部に電解液を貯蔵する容器と、交互に積層されたシート状の正極板及び負極板と、前記正極板及び前記負極板との間に配されたセパレータと、を有して前記容器内に配された積層体と、該積層体の前記正極板と前記負極板との何れかの間に介装されるとともに、縁部が前記容器と伝熱可能に接触した放熱板と、該放熱板に配され、消火剤を内部に収容して所定温度で破壊する消火剤収容構造体と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
この発明は、放熱板と消火剤とが正極板と負極板との何れかの間に介装されているので、積層体内部で発生する熱を、放熱板を介して容器に伝達させて効果的に放熱させて温度上昇を抑えることができる。そして、内部短絡等により発熱・熱暴走した場合でも、所定温度で消火剤収容構造体が破壊することによって、消火剤を放出させることができ、速やかに消火することができる。また、放熱板を介して積層体内部の熱を容器へ好適に放熱させることができ、積層体の温度を低下させることができる。
【００１０】
また、本発明に係る二次電池は、前記二次電池であって、前記放熱板及び前記消火剤収容構造体が、前記積層体の積層方向の中央部に配されていることを特徴とする。
この発明は、熱のこもりやすい積層体中央部で発熱・熱暴走が生じても、好適に消火・放熱することができる。
【００１１】
また、本発明に係る二次電池は、前記二次電池であって、前記消火剤収容構造体が、１００〜３００℃の温度で破壊されて前記消火剤を放出するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明は、昇温後速やかに消火剤収容構造体が破壊するので、消火剤収容構造体から放出された消火剤によって熱暴走の初期段階から熱暴走を抑制させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る二次電池は、前記二次電池であって、前記放熱板が、前記積層体の前記正極板と前記負極板との間に配されたシート状の放熱板本体と、前記容器の内面に沿った接触面を有して、該接触面にて前記放熱板本体が前記内面と接触した接触部と、を備え、前記消火剤収容構造体が、前記放熱板本体に配されていることを特徴とする。
【００１４】
この発明は、積層体内に配された放熱板本体が接触部を介して容器と接触しているので、積層体内に発生した熱を放熱板から容器外へとより好適に伝導させることができる。
【００１５】
また、本発明に係る二次電池は、前記二次電池であって、前記放熱板には、前記電解液を両側に流通させることが可能な孔が形成されていることを特徴とする。
この発明は、放熱板の孔に電解液を通過させることができ、放熱板を介しても正極・負極間のイオン移動を可能にすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、積層体内部で熱暴走が生じても速やかに冷却することができ、外部へ噴出するガスの温度を低下させるとともにガス量を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次電池を示す一部破断斜視図である。
【図２】図１のII−II断面概要図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る二次電池の消火剤収容構造体を示す一部断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る二次電池の放熱板の他の例を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る二次電池の放熱板の他の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に係る二次電池１０は、内部に有機材料からなる電解液を貯蔵する容器１１と、容器１１内に配された積層体１２と、積層体１２内に配された放熱板１３と、放熱板１３に配された消火剤１４と、を備えている。
【００１９】
容器１１は例えばアルミニウム製とされ、上部には正極端子１５、負極端子１６、及びアルミニウム製の安全弁１７がそれぞれ配されている。積層体１２は、電解液に浸漬するようにして積層方向Ｘに交互に複数積層された正極板１８及び負極板２０と、正極板１８と負極板２０とのそれぞれの間に配された複数のセパレータ２１と、を備えている。なお、図１及び図２では、正極板１８、負極板２０及びセパレータ２１は、図を見やすくするために十分に厚さを有するものとして表示されているが、何れもシート状に構成されている。
【００２０】
正極板１８及び負極板２０の正極端子１５及び負極端子１６側となる各縁部には、タブ１８Ａ，２０Ａがそれぞれ配されている。ここで、正極板１８及び負極板２０において、各タブ１８Ａ，２０Ａは、縁部中央から何れかの側に偏るように配されている。そして、正極板１８及び負極板２０は、互いのタブ１８Ａ，２０Ａが縁部中央から異なる側に偏って重ならないようにして積層されている。正極板１８のタブ１８Ａは正極端子１５と、負極板２０のタブ２０Ａは負極端子１６とそれぞれ接続されている。
【００２１】
セパレータ２１は、隣り合う正極板１８と負極板２０とを絶縁するためのものであり、例えば、ポリプロピレン等のシート状の樹脂製とされている。なお、正極板１８及び負極板２０の少なくとも一方が、タブ１８Ａ又はタブ２０Ａを突出させた状態でセパレータ２１に封着されることで、隣り合う正極板１８と負極板２０とを絶縁するようにしてもよい。
【００２２】
放熱板１３は、積層体１２の積層方向Ｘの中央部となる正極板１８と負極板２０との間に介装され、縁部が容器１１と伝熱可能に接触している。放熱板１３は、アルミニウムや銅といった熱伝導率の高い金属で構成されている。なお、放熱板１３が介装された部分では、放熱板１３と正極板１８及び負極板２０のそれぞれとの間の絶縁をするために、放熱板１３の両側にセパレータ２１が配されている。
【００２３】
消火剤１４は、消火剤収容構造体２２内に収納されている。この消火剤１４は、吸熱や反応物被覆により、電池の熱暴走反応を抑制する作用を有する物質を有し、吸熱しても温度上昇せず、空気を遮断することができるものであればよい。例えば、消火剤１４としては、吸熱物質、アルカリ、酸、炭素化合物、炭酸化合物、窒素化合物、水、界面活性剤のうち少なくとも一つ以上の材料を含む２種以上の混合物が使用され得る。ここで、吸熱物質とは、加熟されたときに吸熱反応を起こす物質のことである。吸熱物質は、二次電池１０の温度が上昇しようとするときに、吸熱反応を起こして吸熱し、熱暴走を有効に抑制する。
【００２４】
より具体的には、炭酸水素カリウムを主成分とするＫ型ＢＣ消火剤、炭酸水素ナトリウムを主成分とするＮａ型ＢＣ消火剤、炭酸水素カリウムと尿素の反応生成物を主成分とするＫＵ型ＢＣ消火剤、リン酸二水素アンモニウムを主成分とするＡＢＣ消火剤が使用され得る。
【００２５】
他にも、下記の薬剤が消火剤収容構造体２２に充填される消火剤として使用可能である：
（１）アルカリ性吸熟物質
炭酸水素カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、アロファン酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム
（２）酸性吸熱物質
リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素アンモニウム、リン酸アンモニウム、硫酸アンモニウム
（３）水と界面活性剤との混合物
アルキル硫酸エステル塩水溶液、パーフルオロオクタン酸塩水溶液
（４）エチレングリコール
（５）水和金属化合物
水酸化アルミニウム水和物、水酸化マグネシウム水和物、炭酸マグネシウム水和物、酸化アンチモン水和物
（６）ホウ素化合物
ホウ酸、ホウ酸亜鉛
（７）リン化合物
トリフェニルフオスフェート、ビスフェノールＡ、トリクレジルホスフェート、トリキシレニルホスフェート、ポリリン酸アンモニウム
（８）ハロゲン化合物
塩素化パラフィン、デカブロムジフェニルエーテル
また、水は、二次電池１０の温度上昇を抑制し、熱暴走を有効に抑制する。更に、界面活性剤は、二次電池１０の内容物やその反応物を被覆し、二次電池１０の発火を有効に防止する。
【００２６】
消火剤１４の形態は、消火剤収容構造体２２に収容可能なものであればよく、固体、液体の何れの消火剤も使用可能である。ただし、液状体は流動性が高いため、消火剤収容構造体２２にわずかの欠陥が生じた際に、消火剤収容構造体２２の外に消火剤１４が容易に漏出して電池性能に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、消火剤収容構造体２２に収容される消火剤１４としては、固形物が使用されることが好ましい。固形物としては、粉末状又はゲル状のものが取り扱いやすく、粉末状又はゲル状のまま消火剤収容構造体２２に収容されてもよく、粉末を圧縮・成型して得られる圧縮成型体として消火剤収容構造体２２に収容されてもよい。消火剤１４が圧縮・成型された後で消火剤収容構造体２２に収容されることは、消火剤の充填量を増加させ、消火剤収容構造体２２の熱暴走抑制作用を向上させるために有効である。
【００２７】
消火剤収容構造体２２は、適切な温度で破れるように構成される。消火剤収容構造体２２が余りにも低温で破れるように構成されていると、二次電池１０が通常に動作している場合にも消火剤収容構造体２２が破れて消火剤１４が放出され、二次電池１０の動作に支障をきたす。一方、消火剤収容構造体２２が破れる温度が高すぎると、消火剤による二次電池１０の破裂・発火の抑制効果が薄れる。消火剤収容構造体２２は、好適には、１００〜３００℃の温度で破れるように構成されることが好ましい。
【００２８】
この消火剤収容構造体２２は、図３（ａ）に示すように、消火剤１４をラミネートして、１００〜３００℃の温度で破壊されて消火剤１４を外部へ放出するように構成されている。この消火剤収容構造体２２は、正極板１８及び負極板２０と略同一の大きさ及び厚さで形成され、放熱板１３の両面中央部に偏りのないように粘着剤等によって固定されている。
【００２９】
消火剤収容構造体２２のより好適な構造を図３（ｂ）により具体的に示す。図３（ｂ）に示す消火剤収容構造体２２は、ＰＰ（ポリプロピレン）フィルム２２Ａと、アルミニウムフィルム２２Ｂと、ＰＰフィルム２２Ｃと、外装フィルム２２Ｄとで構成されている。外装フィルム２２Ｄは、例えば、ナイロンやＰＥＴ（ポリエチレンテレフラレート）で形成される。消火剤収容構造体２２の４つのフィルムのうち、ＰＰフィルム２２Ｃが消火剤１４の側に位置しており、外装フィルム２２Ｄが電解液の側に位置している。ＰＰフィルム２２Ｃが融着されることにより、消火剤収容構造体２２が袋状に形成される。図３（ｂ）に示す消火剤収容構造体２２が、ＰＰフィルム２２Ｃ、アルミニウムフィルム２２Ｂ、ＰＰフィルム２２Ａ，２２Ｃの三層構造を含んでいることにより、消火剤収容構造体２２が破れる温度が適切に調節され、更に、消火剤収容構造体２２の突刺強度が適切に調節されている。外装フィルム２２Ｄは、ＰＰフィルム２２Ａを融着する際の離型を容易にするために使用される。
【００３０】
消火剤収容構造体２２の他の好適な構造を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）に示す消火剤収容構造体２２は、ＰＰ（ポリプロピレン）フィルム２２Ａと、アルミニウムフィルム２２Ｂと、ナイロンフィルム２２Ｅと、ＰＥＴフィルム２２Ｆとで構成されている。ＰＰフィルム２２Ａが消火剤１４の側に位置しており、ＰＥＴフィルム２２Ｆが電解液の側に位置している。ただし、ＰＥＴフィルム２２Ｆは、必ずしも必要とされず、ナイロンフィルム２２Ｅが電解液に面していてもよい。この構造でも、消火剤収容構造体２２が破れる温度が適切に調節され、更に、消火剤収容構造体２２の突刺強度が適切に調節される。
【００３１】
この二次電池１０によれば、放熱板１３と消火剤１４を収容する消火剤収容構造体２２とが正極板１８と負極板２０との何れかの間に介装されている。そのため、積層体１２内部で発生する熱を、放熱板１３を介して容器１１に伝達させて効果的に放熱させて温度上昇を抑えることができる。そして、内部短絡等により発熱・熱暴走した場合、１００〜３００℃の温度で消火剤収容構造体２２が破壊することによって、消火剤１４を外部へ放出させることができ、内部温度が５００℃になる前の速やかな消火を、より効果的に行うことができる。また、放熱板１３を介して積層体１２内部の熱を容器へ好適に放熱させることができ、積層体１２の温度を低下させることができる。したがって、積層体１２内部で熱暴走が生じても速やかに冷却することができ、外部へ噴出するガスの温度を低下させるとともにガス量を抑えることができる。
【００３２】
特に、放熱板１３及び消火剤収容構造体２２が、積層体１２の積層方向Ｘの中央部に配されているので、特に高温となりやすい電池内部中央においてもすぐに消火することができ、発生した熱も好適に容器１１外部へ放熱することができる。
【００３３】
また、消火剤収容構造体２２が、１００〜３００℃の温度で破壊されるので、昇温後速やかに消火剤収容構造体２２が破壊され、消火剤収容構造体２２から放出された消火剤１４によって熱暴走の初期段階から熱暴走を抑制させることができる。
【００３４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図４に示すように、積層体１２の正極板１８と負極板２０との間に配されるシート状の放熱板本体２３と、接触面２５Ａにて放熱板本体２３が容器１１の内面と接触した接触部２５と、を備えた放熱板２６としてもよい。この場合、消火剤収容構造体２２は、放熱板本体２３の表面に固定される。
【００３５】
接触部２５は、容器１１の内面に沿った接触面２５Ａを有し、容器１１の上部側以外の側面及び底面側に、かつ、接触面２５Ａと放熱板本体２３とが断面略Ｔ字状に、すなわち、接触面２５Ａが放熱板本体２３に配された面に対して直交するように配されている。そして、接触面２５Ａで容器１１の内面を押圧するようにして容器１１内に配される。
【００３６】
ここで、放熱板本体２３と接触部２５とは、一体に形成されていてもよく、例えば押し出し成形や、互いを溶接等で接続するなどしてもよい。
また、接触部２５は、容器１１の両側面及び底面の少なくとも何れかの面に設けられていればよく、当該接触面２５Ａを介して効果的に放熱することができる。ここで、一部の面に接触部２５を設けつつ、設けていない箇所で放熱板本体２３と容器１１の内面との間に隙間を形成してもよい。これにより、当該隙間から放熱板本体２３の両側に電解液を流通させてイオンの受け渡しが可能となり、電池効率の向上も図ることができる。
【００３７】
この放熱板２６によれば、正極板１８及び負極板２０で発生した熱を、放熱板本体２３から接触部２５を介して容器１１へと好適に伝導させることができる。この際、接触部２５が、接触面２５Ａで容器１１の内面に面接触し、さらに放熱板本体２３から押圧されて隙間を最小限として密着していることから、効率良く熱伝達させて容器１１を介して放熱することができる。
【００３８】
また、図５に示すように、両側に電解液を流通可能な孔２７Ａを有する構成の放熱板２７としても良い。孔２７Ａを有する放熱板２７としては、機械加工等によって穿孔しても良いし、あるいは、孔を有する多孔質の材質で構成される放熱板を選択しても良い。
【００３９】
この放熱板２７によれば、孔２７Ａを介して電解液を通過させることができ、放熱板２７の両側の正極板１８と負極板２０との間でも、イオンの受け渡しをすることができ、放熱性を高めつつ、電池効率の向上を図ることができる。また、放熱板は一枚に限らず、複数枚が積層体１２の積層方向Ｘに対して分散して配されていても構わない。
【００４０】
また、放熱板の表面に絶縁膜が配されたものでも構わない。この場合、放熱板が正極板１８又は負極板２０と接触しても通電しないので、正極板１８及び負極板２０の枚数を増やすことができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  二次電池
１１  容器
１２  積層体
１３，２６，２７  放熱板
１４  消火剤
１８  正極板
２０  負極板
２１  セパレータ
２２  消火剤収容構造体
２３  放熱板本体
２５  接触部
２７Ａ  孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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