(57)【要約】【課題】  短絡が解消する事態が抑制された蓄電装置を提供する。【解決手段】  二次電池１００においては、正極２０の正極集電箔２２と正極活物質層２４との間にＰＴＣ層２３を配置して、短絡解消を抑制している。すなわち、釘刺し時の短絡で正極２０が高温になったときに、ＰＴＣ層２３の抵抗を増加させて短絡回路を流れる電流を減少させることにより、釘の温度上昇を抑制して、第１導電板４２や第２導電板４４が溶解することに起因する短絡解消を抑制している。【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、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を有する電極組立体と、
前記ケースと前記電極組立体との間に配置され、前記正極及び前記負極の一方と電気的に接続された第１導電板と、
前記ケースと前記第１導電板との間に配置され、前記正極及び前記負極の他方と電気的に接続されている第２導電板と、
前記第１導電板と前記第２導電板との間に配置された絶縁部材と
を備え、
前記正極が、正極集電箔と、該正極集電箔上の正極活物質層とを有し、
前記負極が、負極集電箔と、該負極集電箔上の負極活物質層とを有し、
前記正極集電箔と前記正極活物質層との間および前記負極集電箔と前記負極活物質層との間の少なくともいずれか一方に、温度の上昇とともにその抵抗が増加するＰＴＣ層が配置されている、蓄電装置。
【請求項２】
前記ＰＴＣ層が炭素を含有している、請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記ＰＴＣ層において抵抗が増加する温度が、前記電極組立体において熱暴走が発生する温度より低い、請求項１または２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記蓄電装置が二次電池である、請求項１−３の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】
従来より、金属箔と絶縁層とが交互に積層された短絡ユニットを、電極組立体の外側に配した電池が知られている。このような電池では、釘などの鋭利な物が刺さる、いわゆる釘刺し時に、短絡ユニットを短絡させることで、電極組立体の電池残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）を低下させることができる。それにより、もし釘が短絡ユニットを貫いて電極組立体の内部にまで達し、電極組立体の正極と負極との間で短絡が生じた場合であっても、その短絡に起因する電極組立体の過剰な発熱を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−６８１５６号公報
【特許文献２】特許第４０１１６３５号公報
【特許文献３】特許第４０１１６３６号公報
【特許文献４】特開昭６３−１２１２６５号公報
【特許文献５】特開２０１０−２１２１６７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、電極組立体の正極と負極との間で短絡が生じた場合には、正極や負極の活物質が発熱して、その熱が釘に伝わる。すると、短絡ユニットにおいて、釘周りの金属箔が溶解し、短絡回路が断線して短絡が解消する事態が生じうる。その結果、短絡ユニットが機能しなくなり、電極組立体の過剰な発熱を抑制することが困難となる。
【０００５】
そこで、本発明は、短絡が解消する事態が抑制された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】
本発明の一態様に係る蓄電装置は、ケースと、ケース内に収容され、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を有する電極組立体と、ケースと電極組立体との間に配置され、正極及び負極の一方と電気的に接続された第１導電板と、ケースと第１導電板との間に配置され、正極及び負極の他方と電気的に接続されている第２導電板と、第１導電板と第２導電板との間に配置された絶縁部材とを備え、正極が、正極集電箔と、該正極集電箔上の正極活物質層とを有し、負極が、負極集電箔と、該負極集電箔上の負極活物質層とを有し、正極集電箔と正極活物質層との間および負極集電箔と負極活物質層との間の少なくともいずれか一方に、温度の上昇とともにその抵抗が増加するＰＴＣ層が配置されている。
【０００７】
この蓄電装置においては、釘刺し時に、釘が第１導電板および第２導電板を貫いて電極組立体の内部にまで達すると、電極組立体の正極および負極の少なくともいずれか一方が短絡し、発熱が生じる。このとき、正極の正極集電箔と正極活物質層との間、および、負極の負極集電箔と負極活物質層との間の少なくともいずれか一方に配置されたＰＴＣ層の温度が上昇して、その抵抗が増加する。その結果、系全体を流れる短絡電流が減少し、第１導電板や第２導電板における溶解が抑制されるとともに、その溶解に起因する短絡解消も抑制される。
【０００８】
また、ＰＴＣ層が炭素を含有している態様であってもよい。この場合、ＰＴＣ層が含有する炭素により抵抗が増加する。
【０００９】
さらに、ＰＴＣ層において抵抗が増加する温度が、電極組立体において熱暴走が発生する温度より低い態様であってもよい。この場合、熱暴走が発生するより前に、ＰＴＣ層の抵抗が増加するため、熱暴走が発生する事態が効果的に抑制される。
【００１０】
なお、蓄電装置は二次電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、短絡が解消する事態が抑制された蓄電装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る二次電池の構成を示した概略断面図である。
【図２】図２は、図１の二次電池における正極の構成を示した図である。
【図３】図３は、釘刺し時における短絡の状況を示した模式図である。
【図４】図４は、短絡時における二次電池の回路を簡略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００１４】
図１に示すように、本発明の一態様に係る蓄電装置である二次電池１００は、リチウムイオン二次電池であり、電極組立体５０、一対の短絡ユニット４０、ケース１１、及び、電極組立体５０に接続されたリード７、８を備えている。
【００１５】
（電極組立体５０）
電極組立体５０は、負極１０、正極２０、セパレータ３０をそれぞれ複数有し、負極１０及び正極２０がセパレータ３０を介して交互に積層されている。
【００１６】
（負極１０）
負極１０は、負極集電箔１２と、この負極集電箔１２の両面に形成された負極活物質層１４とを有している。負極集電箔１２は、その端部に負極活物質層１４が形成されていない負極タブ部１３を有する。
【００１７】
負極集電箔１２は導電材料からなる。負極集電箔１２の構成材料としては、銅が好適であるが、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム、銅などの金属材料または導電性樹脂を採用することもできる。負極集電箔１２の厚みは特に限定されないが、例えば、５〜２５μｍとすることができる。また、負極活物質層１４の厚みも特に限定されないが、例えば、４０〜１００μｍとすることができる。
【００１８】
負極活物質層１４は、負極活物質およびバインダを含み、必要に応じて導電助剤を含むことができる。
【００１９】
負極活物質の例は、リチウムを吸蔵、放出可能な炭素系材料、リチウムと合金化可能な元素、リチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物、あるいは高分子材料である。
【００２０】
炭素系材料の例は、難黒鉛化性炭素、人造黒鉛、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭あるいはカーボンブラック類である。ここで、有機高分子化合物焼成体とは、フェノール類やフラン類などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。
【００２１】
高分子材料の例は、ポリアセチレン、ポリピロールである。
【００２２】
バインダの例は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂である。バインダの量は、活物質を１００質量部とすると、１〜３０質量部とすることができる。
【００２３】
導電助剤の例は、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック(ＡＢ)、ケッチェンブラック(登録商標)（ＫＢ）、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber :ＶＧＣＦ)等の炭素系粒子である。これらは、単独で、または二種以上組み合わせて添加することができる。導電助剤の使用量については、特に限定されないが、例えば、１００質量部の活物質に対して、１〜３０質量部とすることができる。
【００２４】
（正極２０）
正極２０は、正極集電箔２２と、この正極集電箔２２の両面に形成された正極活物質層２４とを有している。正極集電箔２２は、その端部に正極活物質層２４が形成されていない正極タブ部２３を有する。
【００２５】
正極集電箔２２は導電材料からなる。正極集電箔２２の構成材料としては、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属を採用することができる。
【００２６】
正極活物質層２４は、正極活物質およびバインダを含み、必要に応じて導電助剤を含むことができる。バインダや導電助剤の例及び配合量は、負極１０で記載したものと同様とすることができる。
【００２７】
正極活物質は、リチウム二次電池用の正極活物質であれば特に限定されない。正極活物質の例は、リチウム化合物である。例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物などのリチウム金属複合酸化物などを用いることが出来る。また正極活物質として他の金属化合物あるいは高分子材料を用いることも出来る。他の金属化合物としては、例えば酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物、または硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物が挙げられる。高分子材料としては例えばポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子が挙げられる。
【００２８】
正極２０は、図２に示すように、正極集電箔２２及び正極活物質層２４に加えて、ＰＴＣ層２３を有している。ＰＴＣ層２３は、正極集電箔２２と正極活物質層２４との間に配置されている。
【００２９】
このＰＴＣ層２３は、温度の上昇とともにその抵抗が増加する機能（いわゆる、ＰＴＣ機能）を有しており、たとえば電子導電性充填材と樹脂とで構成されている。
【００３０】
導電性充填材とは、例えば炭素材料、導電性非酸化物といったものである。
【００３１】
炭素材料とは、例えばカーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバー等である。カーボンブラックとは、例えばアセチレンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等である。
【００３２】
また、導電性非酸化物とは、例えば金属炭化物、金属窒化物、金属ケイ素化物、金属ホウ化物といったものである。金属炭化物とは例えば、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｍｏ２Ｃ、ＷＣ、Ｂ４Ｃ、Ｃｒ３Ｃ２等である。金属窒化物とは、例えばＴｉＮ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、Ｃｒ２Ｎ等である。金属ホウ化物とは、例えばＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＮｂＢ２、ＴａＢ２、ＣｒＢ、ＭｏＢ、ＷＢ等である。
【００３３】
また、樹脂とは、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン、ポリウレタンエラストマー、ポリ塩化ビニル等の重合体である。
【００３４】
ＰＴＣ層２３において、ＰＴＣ機能が発現する温度は１００℃に調整されており、この温度は、二次電池１００の電極組立体５０の熱暴走が発生する温度（２００℃）よりも低い。なお、ＰＴＣ機能が発現する温度は、上述した樹脂の融点に依存し、樹脂の種類を適宜変更することで、ＰＴＣ機能が発現する温度を調節することが可能である。
【００３５】
（セパレータ３０）
セパレータ３０は、正極２０と負極１０とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させる。セパレータ３０の例は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、あるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミックス製の多孔質膜である。正極２０の正極活物質層２４及び負極１０の負極活物質層１４がセパレータ３０に接触し、正極活物質層２４及び負極活物質層１４はセパレータ３０を介して対向している。
【００３６】
セパレータ３０は、図１に示すように、正極活物質層２４及び負極活物質層１４の端よりも外側に延びていることが好ましい。また、一対のセパレータ３０が、正極２０又は負極１０を取り囲むように袋を形成していても良い。
【００３７】
（短絡ユニット４０）
一対の短絡ユニット４０は、電極組立体５０の外側（図１の上側および下側）それぞれに、セパレータ３０を介して積層されている。一対の短絡ユニット４０はいずれも、２枚の導電板４２、４４と、２層の絶縁層４１、４３とで構成されており、導電板４２、４４と絶縁層４１、４３とが交互に積層された積層構造を有している。２枚の導電板４２、４４は、外側から順に、第１導電板４２、第２導電板４４となっている。そして、第１導電板４２と第２導電板４４との間に絶縁層４３が介在している。
【００３８】
第１の導電板４２は、正極２０の正極集電箔２２を構成する金属箔と同一種類の金属で構成された金属箔であって、正極活物質層２４が塗工されていない金属箔（未塗工箔）である。第１の導電板４２は、正極２０の正極集電箔２２が接続されたリードと同じリード８に接続された、極性が正極である金属箔である。
【００３９】
第２の導電板４４は、負極１０の負極集電箔１２を構成する金属箔と同一種類の金属で構成された金属箔であって、負極活物質層１４が塗工されていない金属箔（未塗工箔）である。第２の導電板４４は、負極１０の負極集電箔１２が接続されたリードと同じリード７に接続された、極性が負極である金属箔である。
【００４０】
絶縁層４１、４３の構成材料は、電気絶縁性を有すれば特に限定されないが、樹脂材料が好ましい。樹脂材料としては、上述したセパレータ３０で挙げたものを使用できる。絶縁層４１、４３は、多孔質でもよいが、多孔質である必要はない。
【００４１】
（ケース１１）
ケース１１は、電極組立体５０、一対の短絡ユニット４０および電解液（図示せず）を収容する。ケース１１の材料や形態は特に限定されず、樹脂、金属（例えばステンレスやアルミニウム）など、公知の種々の物を使用できる。ケース１１が導電性である場合には、その内側面に絶縁層が形成される。電解液は、電解質と、この電解質を溶解する溶媒とを含む。電解質は、負極活物質層１４、セパレータ３０、正極活物質層２４内に含浸されている。
【００４２】
（リード）
リード７は、電極組立体５０の全ての負極集電箔１２、短絡ユニット４０の第２の導電板４４に接続されており、これらの電位が全て同一とされている。一方、リード８は、電極組立体５０の全ての正極集電箔２２、短絡ユニット４０の第１の導電板４２に接続されており、これらの電位が全て同一とされている。リード７、８の端部は、ケース１１の外部に出ている。
【００４３】
（二次電池における釘刺し時の短絡）
続いて、上述した二次電池１００において生じる釘刺し時の短絡について、図３を参照しつつ説明する。図３は、釘６０が、電極組立体５０の積層方向に沿って、二次電池１００を貫通する様子を示している。
【００４４】
図３に示すように、釘６０が、短絡ユニット４０の第１導電板４２、第２導電板４４および電極組立体５０の正極２０、負極１０を貫通すると、二次電池１００の短絡が生じ、電子ｅ−の移動で示したような短絡電流が流れる。
【００４５】
このとき、二次電池１００には、図４に示すような回路（短絡回路）が形成される。図４に示すように、短絡回路における全抵抗Ｒは、短絡の有無に関しない電池固有の内部抵抗Ｒｉ、短絡によって生じた抵抗Ｒｓ（第１導電板４２における抵抗Ｒｓ１１、第２導電板４４における抵抗Ｒｓ１２、および、負極１０と正極２０における抵抗Ｒｓ２）で構成される。
【００４６】
短絡ユニット４０の第１導電板４２および第２導電板４４は、上述したように活物質が塗工されていない金属箔であるため、活物質が塗工された負極１０および正極２０よりも、低い抵抗値を有している。そのため、短絡電流は、短絡ユニット４０側である、図４の短絡回路の直列に繋いだ抵抗Ｒｓ１１、Ｒｓ１２側（図の右側）を主に流れる。
【００４７】
短絡電流は、負極１０および正極２０側である、抵抗Ｒｓ２側（図の左側）にはあまり流れないものの、活物質が塗工された負極１０および正極２０は比較的高抵抗であるため、短絡ユニット４０の第１導電板４２および第２導電板４４に比べて発熱しやすい。
【００４８】
正極２０が発熱して、正極２０のＰＴＣ層２３のＰＴＣ機能発現温度（１００℃）に達すると、ＰＴＣ層２３のＰＴＣ機能が発現して抵抗が増加し、内部抵抗Ｒｉおよび正極２０自体の抵抗も増加する。
【００４９】
正極２０の抵抗は、図４に示した短絡回路の抵抗Ｒｓ２に含まれており、上述のように正極２０の抵抗が増加すると、抵抗Ｒｓ２が増加する。その結果、抵抗Ｒｓの合成抵抗が増加する。また、上述のように、内部抵抗Ｒｉも増加する。したがって、短絡回路全体の抵抗Ｒも増加する。それにより、短絡回路を流れる電流が減少し、電流減少に伴い、正極２０における発熱が抑制される。
【００５０】
このように、正極２０は、１００℃を超える高温時には、ＰＴＣ層２３のＰＴＣ機能により、発熱が抑制される。
【００５１】
一方、正極２０にＰＴＣ層２３が存在しない場合には、正極２０の発熱が高温時において抑制されないため、正極２０の熱が釘６０に伝わり、釘６０が過剰に温度上昇する。すると、釘６０周りの第１導電板４２や第２導電板４４が溶解する事態が生じる。それにより、抵抗Ｒｓ１１、Ｒｓ１２の箇所において短絡回路が断線して短絡が解消される。すなわち、短絡ユニット４０が機能しなくなる。
【００５２】
そして、抵抗Ｒｓ１１、Ｒｓ１２の箇所において短絡回路が断線すると、当然に、電流は短絡回路の抵抗Ｒｓ２側（図の左側）のみを流れることとなり、抵抗値の大きい抵抗Ｒｓ２を構成する負極１０および正極２０の部分における発熱が著しく増大する。その結果、電極組立体５０が過剰発熱し、場合によっては熱暴走が生じる温度（たとえば、２００℃）に達する。
【００５３】
そこで、上述した二次電池１００においては、正極２０の正極集電箔２２と正極活物質層２４との間にＰＴＣ層２３を配置して、短絡解消を抑制している。すなわち、釘刺し時の短絡で正極２０が高温になったときに、ＰＴＣ層２３のＰＴＣ機能を発現させて、正極２０の抵抗および内部抵抗Ｒｉを増加させることで短絡回路を流れる電流を減少させることにより、釘の温度上昇を抑制して、第１導電板４２や第２導電板４４が溶解することに起因する短絡解消を抑制している。
【００５４】
また、上述した二次電池１００においては、ＰＴＣ層２３の抵抗が増加するＰＴＣ機能発現温度（１００℃）を、熱暴走が発生する温度よりも低くなるように調整されており、そのため、電極組立体５０の熱暴走が発生するより前に、ＰＴＣ層２３の抵抗が増加して短絡電流が減少するため、熱暴走が発生する事態が効果的に抑制されている。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００５６】
ＰＴＣ層２３は、正極２０の正極集電箔２２の一方面に設けてもよく、両面に設けてもよい。また、ＰＴＣ層２３は、負極１０の負極集電箔１２と負極活物質層１４との間に設けてもよい。さらに、ＰＴＣ層２３は、正極２０および負極１０の両方に設けてもよく、いずれか一方に設けてもよい。ただし、ＰＴＣ機能の効果は正極２０のほうが大きいため、少なくとも正極２０に設けることが好ましい。また、ＰＴＣ層のＰＴＣ機能が発現する温度は、１００℃に限らず、目的に応じて適宜増減してもよい。
【００５７】
蓄電装置は、リチウムイオン二次電池に限らず、その他の蓄電装置（たとえば電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等）であってもよい。このような蓄電装置は、車両に搭載されてもよい。車両としては、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動二輪車等が挙げられる。
【００５８】
また、短絡ユニットは、必ずしも電極組立体の上下両側に設ける必要はなく、上下一方の側にだけ設けてもよい。さらに、短絡ユニットの金属箔の枚数は、２枚に限らず、適宜３枚以上に増加してもよい。また、電極組立体における、正極と負極との積層数も特に上記実施形態に限定されない。電極組立体は、上記実施形態で示したような積層タイプではなく、帯状の正極、負極及びセパレータを軸線周りに捲回して構成した捲回タイプであってもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０…負極、２０…正極、３０…セパレータ、４０…短絡ユニット、４２…第１導電板、４４…第２導電板、４１、４３…絶縁層、５０…電極組立体、１００…二次電池。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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