(57)【要約】【課題】内部短絡時において短絡電流を低減させる蓄電装置を提供する。【解決手段】二次電池１００は、ケース１０と、ケース１０内に収容されると共に、正極３０と、負極４０と、正極３０と負極４０との間に配置されたセパレータ５０とが積層されてなる積層部１１を有する電極組立体２０と、を備える蓄電装置であって、電極組立体２０には、セパレータ５０よりも低融点の絶縁部材１３が配置されており、絶縁部材１３は、積層部１１における正極３０と負極４０とセパレータ５０との積層方向Ａに直交する方向に延在し、絶縁部材１３は、積層方向Ａから見て積層部１１に重なる位置に存在する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースと、
前記ケース内に収容されると共に、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとが積層されてなる積層部を有する電極組立体と、を備える蓄電装置であって、
前記電極組立体には、前記セパレータよりも低融点の絶縁体が配置されており、
前記絶縁体は、
前記積層部における前記正極と前記負極と前記セパレータとの積層方向に直交する方向に延在し、かつ前記積層方向から見て前記積層部に重なる平板状の平板状部を有する蓄電装置。
【請求項２】
前記絶縁体が平板状である、請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記絶縁体は、
前記電極組立体を前記積層方向に３等分した３つの部位のうちの中央の部位に配置されている、請求項１又は２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記電極組立体には、前記積層部を少なくとも２つ有し、前記絶縁体は、前記積層部同士の間に、かつ前記負極同士の間に配置されている、請求項１〜３の何れか１項に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記蓄電装置が二次電池である、請求項１〜４の何れか１項に記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に記載されるように、正極と負極とがセパレータを介して積層されて形成された電極組立体と、この電極組立体を収容する外装ケースと、を備える蓄電装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１２０８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の蓄電装置では、釘刺しや圧壊により正極と負極との間で内部短絡が発生すると、電流が短絡箇所に集中することで発熱し、内部温度が上昇する。そして内部温度がセパレータの融点に達すると、セパレータが溶解することで、電極間抵抗が著しく減少し過大な電流が流れて発熱が助長される。
【０００５】
このような問題に鑑み、本発明は、内部短絡時において短絡電流を低減させる蓄電装置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】
【０００６】
本発明の蓄電装置は、ケースと、ケース内に収容されると共に、正極と、負極と、正極と負極との間に配置されたセパレータとが積層されてなる積層部を有する電極組立体と、を備える蓄電装置であって、電極組立体には、セパレータよりも低融点の絶縁体が配置されており、絶縁体は、積層部における正極と負極とセパレータとの積層方向に直交する方向に延在し、かつ積層方向から見て積層部に重なる平板状の平板状部を有する。
【０００７】
この蓄電装置に内部短絡が生じ内部温度が上昇していく場合、セパレータよりも先に低融点の絶縁体が溶解する。そうすると、平板状部の厚みが減少することで、正極、負極、及びセパレータの積層方向における圧縮応力が緩和され、正極と負極との間の間隔が拡がる。従ってこの場合、正極と負極との間の電極抵抗が増大し、短絡電流が低減する。
【０００８】
また、絶縁体が平板状であることとしてもよい。また、絶縁体は、電極組立体を積層方向に３等分した３つの部位のうちの中央の部位に配置されていることとしてもよい。電極組立体のうち中央部は、熱が篭りやすいので内部短絡に起因する温度上昇も発生しやすい。このように温度が上昇しやすい電極組立体の中央部に絶縁体を配置することにより、内部短絡時には特に中央部において電極抵抗を増大させ、内部温度上昇を効果的に抑えることができる。
【０００９】
また、電極組立体には、積層部を少なくとも２つ有し、絶縁体は、積層部同士の間に、かつ負極同士の間に配置されていることとしてもよい。仮に積層部の正極活物質に隣接して絶縁体が配置された場合には、正極から発生するリチウムを受容すべき負極が存在しないため、リチウムが析出するといった問題が発生する場合がある。これに対し、絶縁体を負極同士の間に設置することにより、正極活物質と絶縁体とが隣接することが避けられ、上記のリチウム析出の問題が避けられる。
【００１０】
また、蓄電装置が二次電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内部短絡時において短絡電流を低減させる蓄電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。
【図２】図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】第２実施形態に係る蓄電装置の断面図である。
【図４】第３実施形態に係る蓄電装置の断面図である。
【図５】図４の蓄電装置の変形例を示す断面図である。
【図６】図４の蓄電装置の他の変形例を示す断面図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、図２の蓄電装置の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る蓄電装置の実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１及び図２に示される蓄電装置としての二次電池１００は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。
【００１６】
二次電池１００は、ケース１０と、ケース１０内に収容された電極組立体２０とを備える。電極組立体２０は、正極３０と、負極４０と、正極３０と負極４０との間に配置されたセパレータ５０とを備える。正極３０、負極４０及びセパレータ５０は、例えばシート状である。複数の正極３０及び複数の負極４０が、セパレータ５０を介して交互に積層されてもよい。ケース１０内には電解液６０が充填され得る。
【００１７】
正極３０は、縁に形成されたタブ３０ａを有してもよい。タブ３０ａには、正極活物質が保持されていない。正極３０は、タブ３０ａを介して導電部材３２に接続され得る。導電部材３２は、正極端子３４に接続され得る。正極端子３４は、絶縁リング３６を介してケース１０に取り付けられてもよい。
【００１８】
負極４０は、縁に形成されたタブ４０ａを有してもよい。タブ４０ａには、負極活物質が保持されていない。負極４０は、タブ４０ａを介して導電部材４２に接続され得る。導電部材４２は、負極端子４４に接続され得る。負極端子４４は、絶縁リング４６を介してケース１０に取り付けられてもよい。
【００１９】
セパレータ５０としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。
【００２０】
電解液６０としては、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液等が挙げられる。有機溶媒系の電解液は、有機溶媒と電解質とを含む。非水系の電解液は、ポリマー電解質を含む。電解液６０に含まれる有機溶媒は、鎖状エステルを含んでもよい。これにより、負荷特性が向上する。鎖状エステルとしては、例えば、鎖状のカーボネート、酢酸エチル若しくはプロピロン酸メチル等の有機溶媒、又はこれらの混合液等が挙げられる。鎖状のカーボネートとしては、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等が挙げられる。
【００２１】
電解液６０は、電極組立体２０に所定の電流が流れた場合に、水素を発生する材料を含んでもよい。水素を発生する材料としては、芳香族系のモノマーが例示される。芳香族系のモノマーは、電極組立体２０に所定値以上の電流が流れた場合に重合反応を起こして水素を発生する。芳香族系のモノマーとしては、チオフェン、３−ハロゲン化チオフェン等のチオフェン類、１，２−メトキシベンゼン等のアルキルベンゼン類、１−メチル−３−（ピロル−１−イルメチル）ピリジニウムテトラフルオロボレート等の複素環式化合物、ビフェニル、フラン等が例示される。
【００２２】
次に、電極組立体２０について更に詳細に説明する。電極組立体２０は、正極３０と、負極４０と、セパレータ５０とが積層されてなる積層部１１と、積層部１１の両側において積層部１１とケース１０との間に配置された２枚の絶縁部材（絶縁体、平板状部）１３と、を有している。２枚の絶縁部材１３は、積層部１１を間に挟むように配置されている。絶縁部材１３は平板状の部材であり、正極３０、負極４０、及びセパレータ５０に対して平行に配置されている。すなわち、絶縁部材１３は、正極３０と負極４０とセパレータ５０との積層方向（矢印Ａ方向）に直交する方向に延在している。また、絶縁部材１３は、積層方向Ａから見て、積層部１１に重なる位置に配置されている。なお、図１が、積層方向Ａから見た二次電池１００の断面図に対応する。
【００２３】
また、絶縁部材１３は、セパレータ５０の材料よりも低融点の材料からなる。例えば、セパレータ５０の材料として約１５０℃の融点を示すポリプロピレン（ＰＰ）を採用し、絶縁部材１３の材料として約１３０℃の融点を示すポリエチレン（ＰＥ）を採用すればよい。また、絶縁部材１３は、積層部１１の最外層の負極４０に隣接している。
【００２４】
なお、図２及び後述する図３〜図７は模式図であるので、電極組立体に含まれる正極３０、負極４０、及びセパレータ５０の層数が少なく示されているが、実際には、正極３０、負極４０、及びセパレータ５０の層が、例えば、約７０層積層される。
【００２５】
続いて、上述した二次電池１００による作用効果について説明する。
【００２６】
この二次電池１００では、電極組立体２０は、積層方向Ａに圧縮された状態でケース１０に収容されている。このような二次電池１００において、釘刺しや圧壊により正極３０と負極４０との間で内部短絡が発生した場合を考える。内部短絡が発生すると、電流が短絡箇所に集中することで発熱し、二次電池１００の内部温度が上昇する。内部温度が上昇していくと、セパレータ５０よりも先に低融点の絶縁部材１３が溶解する。そうすると、絶縁部材１３の厚みが減少することで、正極３０、負極４０、及びセパレータ５０の積層方向における圧縮応力が緩和される。従って、特にセパレータ５０の圧縮ひずみが緩和され、セパレータ５０の厚みがやや増加し、正極３０と負極４０との間の間隔が拡がる。
【００２７】
従ってこの場合、正極３０と負極４０との間の電極抵抗が増大し、短絡電流が低減する。そして、短絡電流の低減により、内部温度の上昇が抑えられ、セパレータ５０が溶解する可能性が低減される。仮に、セパレータ５０が溶解すると、正極３０と負極４０との電極間抵抗が著しく減少し過大な電流が流れて発熱が助長されるところ、そのような事態を回避することができる。
【００２８】
（第２実施形態）
続いて、本発明の蓄電装置の第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態に係る二次電池２００の断面図であり、図２と同様に、電解液６０の液面に平行で且つ電極組立体２０を通る断面を示す図である。以下、二次電池２００と二次電池１００との間で、同一又は同等の要素については、図面に同一符号を付し重複する説明を省略する。
【００２９】
二次電池２００の電極組立体２２０は、次に説明する点において、電極組立体２０と異なっている。電極組立体２２０は、２つの積層部１１と、当該２つの積層部１１同士の間に配置された絶縁部材１３と、を備えている。そして、絶縁部材１３は、電極組立体２２０全体を積層方向Ａに３等分した３つの部位Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のうちの中央の部位Ｐ２に含まれている。特に、図３の例の場合、絶縁部材１３は、積層方向Ａにおいて、電極組立体２２０全体のちょうど中央に位置している。また、絶縁部材１３は、積層方向Ａから見て、積層部１１に重なる位置に配置されている。なお、積層方向Ａから見た二次電池２００の図は、図１とほぼ同様であるので、図示を省略している。また、絶縁部材１３は、一方の積層部１１の負極４０と、他方の積層部１１の負極４０との間に挟まれて位置している。
【００３０】
続いて、上述した二次電池２００による作用効果について説明する。
【００３１】
二次電池２００によっても、二次電池１００と同様の作用効果が奏される。また、電極組立体２２０の中央部は、熱が篭りやすいので内部短絡に起因する温度上昇も発生しやすい。このように温度が上昇しやすい電極組立体２２０の中央部に絶縁部材１３を配置することにより、内部短絡時には特に中央部において電極抵抗を増大させ、内部温度上昇を効果的に抑えることができる。
【００３２】
また、絶縁部材１３が、負極４０同士の間に位置していることによる作用効果は次の通りである。仮に正極３０の正極活物質に隣接して絶縁部材１３が配置された場合には、この正極３０から発生するリチウムを受容すべき負極４０が存在しないため、リチウムが析出するといった問題が発生する場合がある。これに対し、絶縁部材１３を負極４０同士の間に設置することにより、正極活物質と絶縁部材１３とが隣接することが避けられ、上記のリチウム析出の問題が避けられる。
【００３３】
なお、上記のようなリチウム析出の問題を避けるためには、次のような構成を採用してもよい。すなわち、電極組立体２２０において、絶縁部材１３が、一方の積層部１１の正極３０と、他方の積層部１１の正極３０との間に挟まれて位置し、かつ、各正極３０の絶縁部材１３に対向する面に正極活物質が塗布されていないようにしてもよい。
【００３４】
（第３実施形態）
続いて、本発明の蓄電装置の第３実施形態について説明する。図４に示されるように、本実施形態の二次電池３００は、捲回型の蓄電装置である。すなわち、二次電池３００の電極組立体３２０は、長尺の正極３０、負極４０、及びセパレータ５０を重ねて捲回した捲回積層体３１２を備えている。捲回積層体３１２は、長円形状の断面をなしている。そして、捲回積層体３１２は、一部平面状をなす正極３０、負極４０、及びセパレータ５０が積層方向Ａに重ねられた積層部３１１を一部として備えている。更に、電極組立体３２０は、捲回積層体３１２の周囲を取り囲むように設けられた絶縁部材３１３を備えている。絶縁部材３１３は、平板状をなす平板状部３１３ａと、湾曲形状をなす湾曲部３１３ｂと、で構成されている。平板状部３１３ａは、積層方向Ａから見て、積層部３１１に重なる位置に存在している。また、絶縁部材３１３は、セパレータ５０の材料よりも低融点の材料からなる。
【００３５】
以上のような二次電池３００においても、内部短絡時に、セパレータ５０に先立って絶縁部材３１３が溶解し、特に平板状部３１３ａの厚みが減少することで、積層部３１１の積層方向Ａにおける圧縮応力が緩和される。よって、正極３０と負極４０との間の電極抵抗が増大し、内部短絡時における短絡電流が低減する。
【００３６】
なお、図５に示されるように、絶縁部材３１３（図４参照）の湾曲部３１３ｂを省略した構成としてもよい。また、図６に示されるように、絶縁部材３１３（図４参照）に代えて、捲回積層体３１２の捲回中央に設置され積層方向Ａに直交する平板状の絶縁部材３１３’を備えてもよい。これら場合も、同様に、内部短絡時における短絡電流を低減させることができる。
【００３７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。例えば、絶縁部材１３を、積層部１１の両側を挟むように設ける（図２参照）ことは必須ではなく、図７（ａ）に示されるように、積層部１１の一方のみに絶縁部材１３を設けるようにしてもよい。同様に、図５における２つの平板状部３１３ａのうちの一方を省略してもよい。また、図７（ｂ）に示されるように、積層部１１同士に挟まれる絶縁部材１３は、複数存在してもよい。また、例えば第１実施形態では、絶縁部材１３（平板部）と、積層部１１とが、積層方向Ａから見てほぼ全部重なる形態（図１参照）を示しているが、本発明では、平板部と、積層部とが少なくとも一部分で重なるようにすればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０…ケース、１１，３１１…積層部、１３、３１３’…絶縁部材（絶縁体、平板部）、３１３…絶縁部材（絶縁体）、３１３ａ…平板部、２０…電極組立体、３０…正極、４０…負極、５０…セパレータ、１００，２００，３００…二次電池、３１３ａ…平板状部、Ａ…積層方向、Ｐ２…中央の部位。
【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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【図６】
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【図７】
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