(57)【要約】【課題】電池特性の低下を抑制しつつ、釘等の突き刺し及び圧壊に対する安全性の向上を図ることができる蓄電装置を提供すること。【解決手段】二次電池１０は、正極電極２１及び負極電極２２がセパレータ２３を介して交互に積層された電極組立体１４と、電極組立体１４を収容するケース１１とを備えている。ここで、ケース１１内には、電極組立体１４及び電解液６１が収容された第１収容室Ｓ１と、難燃化剤６２が収容された第２収容室Ｓ２とを区画する壁部５１，５２が設けられている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極とセパレータとが交互に配置されて積層構造をなす電極組立体と、
前記電極組立体が収容されたケースと、
を備えた蓄電装置において、
前記ケース内には、前記電極組立体及び電解液が収容された第１収容室と、液体の抑制剤又は液体の難燃化剤が収容された第２収容室とを区画する壁部が設けられ、
前記第１収容室は、前記ケースの中心部を含む位置に配置され、
前記第２収容室は、前記第１収容室の外側に配置されていることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記壁部として、前記電極組立体の積層方向に対向する一対の壁部を備え、
前記第２収容室は、前記第１収容室に対して前記積層方向の両側に配置されている請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記第２収容室には、液体の難燃化剤が収容されている請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記壁部と前記ケースとは一体形成されている請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記ケースと前記壁部とは異なる材料で構成され、
前記壁部は脆性材料で構成されている請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項６】
前記蓄電装置は二次電池である請求項１〜５のうちいずれか一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。
【背景技術】
【０００２】
ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）やＰＨＶ（Ｐｌｕｇ  ｉｎ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの車両には、走行用モータへの供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。二次電池は、例えば電極とセパレータとが交互に積層された電極組立体と、電極組立体及び電解液が収容されたケースとを備えている。上記電解液として、例えば特許文献１には、リン酸エステル等の難燃化剤を混合することにより難燃性を向上させたものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０４−１８４８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、二次電池に対して釘等が突き刺さった場合や二次電池が圧壊した場合の対策として、上記難燃性の電解液を用いることが考えられる。しかしながら、電解液に難燃化剤を混合すると、サイクル特性等の電池特性が低下するという問題があった。
【０００５】
なお、上記の事情は、難燃化剤を混合させる構成に限られず、電池反応を抑制する抑制剤を混合させる構成についても同様である。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、電池特性の低下を抑制しつつ、釘等の突き刺し及び圧壊に対する安全性の向上を図ることができ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】
上記課題を解決する蓄電装置は、電極とセパレータとが交互に配置されて積層構造をなす電極組立体と、前記電極組立体が収容されたケースと、を備え、前記ケース内には、前記電極組立体及び電解液が収容された第１収容室と、液体の抑制剤又は液体の難燃化剤が収容された第２収容室とを区画する壁部が設けられ、前記第１収容室は、前記ケースの中心部を含む位置に配置され、前記第２収容室は、前記第１収容室の外側に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、通常時には電解液と、抑制剤等とは別々に収容されているため、抑制剤等に起因する電池特性の低下は回避されている。そして、釘等が突き刺さった場合又は圧壊時には、壁部が破壊され、抑制剤等と電解液とが混合する。これにより、予め抑制剤等を混合しておくことに起因する電池特性の低下を抑制することができるとともに、釘等の突き刺しや圧壊に対する安全性の向上を図ることができる。
【０００８】
上記蓄電装置について、前記壁部として、前記電極組立体の積層方向に対向する一対の壁部を備え、前記第２収容室は、前記第１収容室に対して前記積層方向の両側に配置されているとよい。かかる構成によれば、積層方向の両側から釘等が突き刺さった場合や、積層方向から圧壊に係る圧力が付与された場合に、電解液と抑制剤等とが混合する。これにより、積層方向からの釘等の突き刺し及び圧壊に対する安全性の更なる向上を図ることができる。
【０００９】
上記蓄電装置について、前記第２収容室には、液体の難燃化剤が収容されているとよい。かかる構成によれば、液体の難燃化剤が電解液に混合することにより、電解液が難燃性となる。これにより、釘等の突き刺しや圧壊に対する安全性の向上を図ることができる。
【００１０】
上記蓄電装置について、前記壁部と前記ケースとは一体形成されているとよい。かかる構成によれば、壁部を比較的容易に形成することができるとともに、ケースと壁部との境界部分から抑制剤等が漏れることを好適に抑制することができる。
【００１１】
上記蓄電装置について、前記ケースと前記壁部とは異なる材料で構成され、前記壁部は脆性材料で構成されているとよい。かかる構成によれば、釘等が突き刺さった場合、その突き刺さった箇所の周囲が破壊されることが想定される。これにより、電解液と抑制剤等とを好適に混合させることができる。
【００１２】
上記蓄電装置について、二次電池であるとよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、電池特性の低下を抑制しつつ、釘等の突き刺し及び圧壊に対する安全性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】二次電池の斜視図。
【図２】電極組立体の分解斜視図。
【図３】二次電池の分解斜視図。
【図４】二次電池の断面構造を示す断面図。
【図５】第２実施形態の二次電池の断面構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
以下、蓄電装置の第１実施形態を説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、その外形を構成するケース１１を備えている。ケース１１は、四角箱状の容器１２と、その容器１２に設けられた開口部分を塞ぐ蓋１３とを有している。このため、二次電池１０は、その外形が角型の角型電池である。なお、容器１２及び蓋１３は金属製であり、両者の境界は溶接されている。また、本実施形態の二次電池１０はリチウムイオン電池である。
【００１６】
二次電池１０は、ケース１１に収容されているものとして電極組立体１４を備えている。また、二次電池１０は、電極組立体１４と電力のやり取りを行うのに用いられる正極端子１５及び負極端子１６とを備えている。各端子１５，１６はケース１１、詳細には蓋１３に取り付けられている。正極端子１５は、絶縁リング１７によって絶縁された状態で蓋１３を貫通しており、正極端子１５の一部はケース１１外に露出し、別の一部はケース１１内にある。同様に、負極端子１６は、絶縁リング１７によって絶縁された状態でケース１１を貫通している。これにより、各端子１５，１６は、ケース１１外からアクセス可能となっている。
【００１７】
図２に示すように、電極組立体１４は、電極２１，２２と、電気伝導に係るイオン（リチウムイオン）が通過可能な多孔質膜で形成されたセパレータ２３とが交互に配置されて積層構造をなしている。詳細には、電極組立体１４は、複数の正極電極２１、複数の負極電極２２及び複数のセパレータ２３を有し、各電極２１，２２がセパレータ２３を介して交互に積層されて構成されている。各電極２１，２２及びセパレータ２３はそれぞれ、矩形のシート状である。
【００１８】
正極電極２１は、矩形状の正極金属箔（例えばアルミニウム箔）２１ａと、当該正極金属箔２１ａの両面全体に設けられた正極活物質層２１ｂと、を有する。負極電極２２は、矩形状の負極金属箔（例えば銅箔）２２ａと、当該負極金属箔２２ａの両面全体に設けられた負極活物質層２２ｂと、を有する。電極組立体１４を構成している状態において、正極活物質層２１ｂは負極活物質層２２ｂによって覆われ、且つ、各電極２１，２２はセパレータ２３によって覆われている。
【００１９】
図２に示すように、正極電極２１の端部２１ｃには、正極タブ３１が突出して設けられている。同様に、負極電極２２の端部２２ｃには、負極タブ３２が突出して設けられている。各電極２１，２２は、各タブ３１，３２の同一極性同士が積層方向に列状に配置される一方、異なる極性同士は互いに離間した位置に配置されるように積層されている。そして、各タブ３１，３２の同一極性同士は集められている。
【００２０】
図３に示すように、二次電池１０は、正極タブ３１と正極端子１５とを電気的に接続する正極導電部材４１と、負極タブ３２と負極端子１６とを電気的に接続する負極導電部材４２を備えている。各端子１５，１６にアクセスすることにより、電極組立体１４の電力をケース１１外に取り出すことができるとともに、電極組立体１４に対して電力を供給することが可能となる。
【００２１】
次に、ケース１１の詳細な構成について説明する。
図３及び図４に示すように、ケース１１内には、電極組立体１４が収容された第１収容室Ｓ１と、第１収容室Ｓ１の外側に配置される第２収容室Ｓ２とを区画する一対の壁部５１，５２が設けられている。壁部５１，５２は、ケース１１の内面１１ａに設けられており、電極組立体１４の積層方向に対向している。図３に示すように、一方の壁部５１は、容器１２の一方の積層側壁部１２ａに対して積層方向に所定の間隔を隔てた位置に配置されており、一方の積層側壁部１２ａと対向している。他方の壁部５２は、容器１２の他方の積層側壁部１２ｂに対して積層方向に所定の間隔を隔てた位置に配置されており、他方の積層側壁部１２ｂと対向している。
【００２２】
壁部５１，５２は、ケース１１、詳細には容器１２に対して一体形成されている。図３及び図４に示すように、壁部５１，５２は、四角形の板状となっており、蓋１３側の端部５１ａ，５２ａ以外の３つの端部はそれぞれ、容器１２の底部１２ｅ及び対向側壁部１２ｃ，１２ｄと連続している。壁部５１，５２によって、容器１２内が、第１収容室Ｓ１と、第１収容室Ｓ１に対して積層方向の両側に配置されている２つの第２収容室Ｓ２とに区画されている。すなわち、図３に示すように、第１収容室Ｓ１は、壁部５１，５２及び対向側壁部１２ｃ，１２ｄによって区画された室である。一方の第２収容室Ｓ２は、一方の壁部５１、一方の積層側壁部１２ａ及び対向側壁部１２ｃ，１２ｄによって区画された室である。他方の第２収容室Ｓ２は、他方の壁部５２、他方の積層側壁部１２ｂ及び対向側壁部１２ｃ，１２ｄによって区画された室である。
【００２３】
ここで、図４に示すように、第１収容室Ｓ１は、ケース１１の中心部Ｃを含む位置に配置されている。第１収容室Ｓ１の積層方向の長さＬ１は、電極組立体１４の積層方向の長さＤよりも長く設定されている。このため、ケース１１の第１収容室Ｓ１は電極組立体１４が収容可能な大きさとなっている。そして、第１収容室Ｓ１には電極組立体１４とともに電解液６１が収容されている。なお、第１収容室Ｓ１の積層方向の長さＬ１は、一対の壁部５１，５２間の距離である。また、電解液６１の組成は任意であるが、例えばエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びメチルエチルカーボネートの混合溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウムを溶解させたものがある。
【００２４】
第２収容室Ｓ２には、電解液６１と反応することによって電解液６１を難燃性にする難燃化剤６２が収容されている。難燃化剤６２は、例えば液体であって、例えばリン酸エステル化合物（ハロゲン、芳香族環を含む）の難燃性溶媒である。なお、リン酸エステル化合物としては、例えばトリメチルフォスフェート、トリエチルフォスフェート、分子内にフッ素原子がある２，２，２−トリフルオロエチルフォスフェート、分子内に芳香族環があるトリフェニルフォスフェート及びトリトリルフォスフェート等がある。また、リン酸エステル系に限られず、ホスファゼン系、フッ化アルキル基を含む化合物、イオン液体等であってもよい。
【００２５】
ここで、第２収容室Ｓ２に収容されている難燃化剤６２と、第１収容室Ｓ１内に収容されている電解液６１とが混合した場合に、難燃化剤６２の濃度が５重量％、好ましくは２０重量％以上となるように、電解液６１及び難燃化剤６２の量が設定されている。例えば、１つの第２収容室Ｓ２に収容されている難燃化剤６２が、第１収容室Ｓ１内の電解液６１に混合した場合、難燃化剤６２が１０倍希釈されるように、電解液６１及び難燃化剤６２の量が設定されている。
【００２６】
なお、電解液６１及び難燃化剤６２の量は、第１収容室Ｓ１及び第２収容室Ｓ２の容積に依存し、且つ、それらの容積は第１収容室Ｓ１の積層方向の長さＬ１、及び、第２収容室Ｓ２の積層方向の長さＬ２（図４参照）に依存している。この点に着目すれば、難燃化剤６２と電解液６１とが混合した場合に難燃化剤６２の濃度が所望の濃度となるように、各長さＬ１，Ｌ２が設定されている。
【００２７】
図３及び図４に示すように、容器１２の蓋１３側の端部１２ｆと壁部５１，５２の蓋１３側の端部５１ａ，５２ａとは同一平面上に位置する。この場合、容器１２の蓋１３側の端部１２ｆと、壁部５１，５２の蓋１３側の端部５１ａ，５２ａとによって、電極組立体１４が挿入可能な第１開口部７１と、その第１開口部７１に対して積層方向の両側にある一対の第２開口部７２とが形成されている。
【００２８】
ここで、図４に示すように、第２開口部７２の周縁部には、凹んだ溝７３が設けられている。そして、二次電池１０は、外周部がその溝７３に嵌合する嵌合板７４を備えている。嵌合板７４の外周部が溝７３に嵌合することによって、第２開口部７２が塞がれている。そして、嵌合板７４と溝７３の側壁との境界は溶接等によってシールされている。なお、嵌合板７４の厚さは溝７３の深さと同一になっているため、嵌合板７４が容器１２の蓋１３側の端部１２ｆ等から突出しないようになっている。
【００２９】
なお、嵌合板７４は、第２収容室Ｓ２に難燃化剤６２が注入された後に取り付けられる。そして、電解液６１は、蓋１３と容器１２との溶接が行われた後に、蓋１３に設けられた注液口８１を介して、第１収容室Ｓ１に注入される。電解液６１の注入後、注液口８１は、封止栓８２によって封止される。
【００３０】
次に本実施形態の作用について説明する。
二次電池１０に対して電極組立体１４の積層方向から釘等が突き刺さった場合、その釘は壁部５１，５２を貫通する。すると、第２収容室Ｓ２に収容されていた難燃化剤６２が第１収容室Ｓ１内に流れ込み、電解液６１と難燃化剤６２とが混合する。
【００３１】
以上詳述した本実施形態によれば以下の優れた効果を奏する。
（１）ケース１１内に、電極組立体１４及び電解液６１が収容された第１収容室Ｓ１と、難燃化剤６２が収容された第２収容室Ｓ２とを区画する壁部５１，５２を設けた。そして、第１収容室Ｓ１は、ケース１１の中心部Ｃを含む位置に配置され、第２収容室Ｓ２は、第１収容室Ｓ１の外側に配置されている構成とした。これにより、釘等が突き刺さった場合には、難燃化剤６２と電解液６１とが混合し、電解液６１が難燃性となる。よって、予め難燃化剤６２を混合しておくことに起因する電池特性の低下を抑制することができるとともに、釘等の突き刺しや圧壊に対する安全性の向上を図ることができる。
【００３２】
特に、第１収容室Ｓ１と第２収容室Ｓ２とを区画するものとして、ケース１１の内面１１ａに設けられた壁部５１，５２を採用したことにより、難燃化剤６２をシートで包む等といった構成と比較して、振動等によって難燃化剤６２が意図せず漏れるといった不都合を回避することができる。
【００３３】
なお、二次電池１０に対して積層方向から過剰な圧力が付与されて圧壊した場合も同様に、壁部５１，５２が破壊され、電解液６１と難燃化剤６２とが混合する。
（２）電極組立体１４の積層方向に対向する一対の壁部５１，５２により区画された第２収容室Ｓ２は、第１収容室Ｓ１に対して積層方向の両側に配置されている。これにより、積層方向のいずれから釘等が突き刺さった場合にも、電解液６１と難燃化剤６２とが混合することが想定される。よって、積層方向からの釘の突き刺し等に対する安全性の更なる向上を図ることができる。
【００３４】
（３）壁部５１，５２と、ケース１１の容器１２とは一体形成されている。これにより、各収容室Ｓ１，Ｓ２を区画するための構成を比較的容易に実現することができるとともに、壁部５１，５２と容器１２との境界から難燃化剤６２が漏れるという不都合を回避することができる。
【００３５】
（第２実施形態）
本実施形態では、壁部の材料が第１実施形態と異なっている。その異なる点について説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付すとともにその詳細な説明を省略する。
【００３６】
図５に示すように、本実施形態の壁部９１，９２は、ケース１１を構成する材料とは異なる材料で構成されている。壁部９１，９２は、脆性材料で構成されている。例えば、壁部９１，９２を構成する材料は、ケース１１を構成する材料と比較して割れ易いセラミック等が考えられる。
【００３７】
壁部９１，９２における蓋１３側の端部９１ａ，９２ａを除く各端部は、例えば金属ろう材（図示略）を用いてケース１１の内面１１ａに接合されている。また、壁部９１，９２の蓋１３側の端部９１ａ，９２ａ及び容器１２の蓋１３側の端部１２ｆによって形成される第２開口部７２の周縁部に設けられた溝７３には、当該溝７３に沿った枠状のシール材９３が設けられている。嵌合板７４は、蓋１３からの圧力によってシール材９３を押圧した状態で取り付けられており、シール材９３を潰すことにより、第２収容室Ｓ２を密閉している。
【００３８】
次に本実施形態の作用について説明する。
壁部９１，９２が脆性材料で構成されているため、釘が突き刺さった場合、壁部９１，９２が割れるように破壊される。
【００３９】
以上詳述した本実施形態によれば上述した（１）及び（２）の効果に加えて、以下の優れた効果を奏する。
（４）壁部９１，９２を脆性材料で構成した。これにより、釘等が壁部９１，９２に突き刺さった場合に、その突き刺さった箇所の周囲も破壊される。よって、壁部９１，９２を通過して難燃化剤６２が流入する開口面積を大きくすることができる。よって、難燃化剤６２と電解液６１とを、より好適に混合させることができる。
【００４０】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  各実施形態では、第２収容室Ｓ２に難燃化剤６２を収容する構成であったが、これに限られず、例えば抑制剤を収容してもよい。抑制剤は、電極組立体１４や電解液６１と混合されることによって電池反応を抑制可能なものである。抑制剤としては、例えば液状の電解液６１を固化する固化剤、電解液６１の支持電解質、例えば支持塩と反応して電解液６１の反応を停止させる電解液６１の停止剤、活物質と反応して電極組立体１４の電極反応を停止させる電極の停止剤のうち少なくとも１つを用いることができる。
【００４１】
より具体的には、固化剤としては、テトラエトキシシラン水溶液等の、金属アルコキシドと水との混合物（水溶液）等が考えられる。また、非水系の電解液６１の停止剤としては、水等が考えられる。また、リチウム系の電極の停止剤としては、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、水等が考えられる。
【００４２】
○  難燃化剤６２を袋又はカプセルに包んだ状態で第２収容室Ｓ２に収容してもよい。この場合であっても、釘が突き刺さることで袋又はカプセルが破れて、難燃化剤６２と電解液６１とが混合される。また、袋又はカプセルを、電解液６１に溶けるもので構成してもよい。
【００４３】
○  各実施形態では、第２収容室Ｓ２は第１収容室Ｓ１の積層方向の両側に設けられていたが、これに限られず、片側のみに設けられている構成であってもよい。
○  また、第１収容室Ｓ１に対して積層方向と直交する少なくとも一の方向に難燃化剤６２が収容された室を設けてもよい。例えば、容器を二重底構造にして、両底部の間に難燃化剤６２を収容する構成としてもよいし、蓋１３側から電極組立体１４側を見て、第１収容室Ｓ１を囲むように枠状となった第２収容室を設けてもよい。要は、第２収容室は第１収容室の外側にあればよい。なお、「外側」とは、第１収容室の周囲（電極組立体１４の積層方向、及びその直交する方向全てを含む）の少なくとも一部の領域である。
【００４４】
○  第２実施形態において、嵌合板７４を省略してもよい。この場合、蓋１３がシール材９３を押圧する構成にすればよい。
○  第２収容室Ｓ２を区画する壁部に、注液口８１とは別に難燃化剤６２を注入する注入口を設け、当該注入口から難燃化剤６２を注入する構成としてもよい。
【００４５】
○  第２実施形態において、壁部９１，９２における蓋１３側の端部９１ａ，９２ａを除く各端部と、ケース１１の内面１１ａとの接合態様としては任意であり、例えばシール部材を用いてシールする構成であってもよい。
【００４６】
○  二次電池１０が搭載される対象は任意である。例えば、自動車や産業用車両等の車両に搭載してもよいし、定置用の蓄電ユニットに搭載してもよい。
○  本明細書にて記載された技術を、電気二重層キャパシタ等の他の蓄電装置に適用してもよい。
【００４７】
○  各実施形態では、二次電池１０はリチウムイオン二次電池であったが、これに限られず、ニッケル水素等の他の二次電池であってもよい。要は、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。
【００４８】
○  各実施形態では、電極組立体１４は、複数の正極電極２１、複数の負極電極２２及び複数のセパレータ２３を有し、各電極２１，２２がセパレータ２３を間に挟んだ状態で交互に積層された所謂積層型であったが、これに限られない。電極組立体として、１枚の帯状の正極電極及び負極電極を、セパレータを間に挟んだ状態で捲回することによって構成された捲回型を採用してもよい。捲回型の電極組立体は、全体として捲回軸方向から見て扁平形状であり、互いに対向する一対の扁平面を有する扁平部と、当該扁平部に対して捲回軸方向及び上記対向方向の双方に直交する方向の両側に設けられた湾曲部とから構成されている。扁平部においては、各電極及びセパレータは、一対の扁平面の対向方向に積層されている。かかる構成において、電極組立体は、扁平部における各電極及びセパレータの積層方向と壁部５１，５２の対向方向とが一致するようにケース１１に収容されているとよい。すなわち、上記のような捲回型の電極組立体において積層方向とは、湾曲部ではなく、扁平部における電極及びセパレータの積層方向のことを意味する。
【符号の説明】
【００４９】
１０…二次電池（蓄電装置）、１１…ケース、１２…容器、１３…蓋、１４…電極組立体、２１，２２…電極、２３…セパレータ、５１，５２…壁部、６１…電解液、６２…難燃化剤、９１，９２…第２実施形態の壁部、Ｓ１…第１収容室、Ｓ２…第２収容室。
【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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