(57)【要約】【課題】  安全性を向上可能な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内収容された電極組立体２０と、ケース１０と電極組立体２０との間に配置された短絡ユニット６０とを備える。電極組立体２０は、セパレータ５０と、セパレータ５０を介して所定の方向に沿って交互に積層された複数の正極３０及び負極４０とを有する。短絡ユニット６０は、絶縁部材６３と、絶縁部材６３を介して所定の方向に沿って互いに積層された金属箔６１，６２とを有する。金属箔６１は、正極３０及び負極４０の一方と電気的に接続されている。金属箔６２は、正極３０及び負極４０の他方と電気的に接続されている。絶縁部材６３には、所定の方向に交差する方向に延在するメッシュ状の金属体６４が埋設されている。【選択図】図３
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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た電極組立体と、
前記ケースと前記電極組立体との間に配置された第１の短絡ユニットと、を備え、
前記電極組立体は、セパレータと、前記セパレータを介して所定の方向に沿って交互に積層された複数の正極及び負極とを有し、
前記第１の短絡ユニットは、第１の絶縁部材と、前記第１の絶縁部材を介して前記所定の方向に沿って互いに積層された第１及び第２の金属箔とを有し、
前記第１の金属箔は、前記正極及び前記負極の一方と電気的に接続されており、
前記第２の金属箔は、前記正極及び前記負極の他方と電気的に接続されており、
前記第１の絶縁部材には、前記所定の方向に交差する方向に延在するメッシュ状の金属体が埋設されている、
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
第２の絶縁部材と、前記第２の絶縁部材を介して前記所定の方向に沿って互いに積層された前記第１及び第２の金属箔とを有し、前記電極組立体と前記第１の短絡ユニットとの間に配置された第２の短絡ユニットをさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記金属体は、エキスパンドメタルである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記金属体におけるメッシュの開口部分の寸法は、針刺試験に用いられる針の寸法よりも小さい、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項５】
二次電池である、ことを特徴とする請求項１〜４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】
特許文献１，２には、正極活物質層が形成された正極と、負極活部物質層が形成された負極とをセパレータを介して積層してなる電極組立体を備える電池が記載されている。特許文献１，２に記載の電池は、電極組立体の外側に配置された短絡用のユニットをさらに備えている。短絡用のユニットは、一例として、正極及び負極の一方に電気的に接続された金属板と、正極及び負極の他方に電気的に接続された金属板との間にセパレータを介在させて構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３５１６７０号公報
【特許文献２】特開２００１−６８１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１，２に記載の電池は、上述したように、電極組立体の外側に短絡用のユニットを配置している。特許文献１，２に記載の電池においては、そのような構成を採用することによって、例えば釘等が刺さった場合や圧壊が生じた場合に、電極組立体の内部における正極と負極との短絡に先立って、短絡用のユニットの活物質層が形成されていない金属板同士の短絡を生じさせることにより、当該電池の発熱の抑制を図っている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２に記載の電池にあっては、例えば釘刺しや圧壊等の際に、必ずしも活物質層が形成されていない金属板同士の短絡が先に生じるとは限らず、活物質層が形成された正極と負極との短絡が先に生じるおそれがある。そのような場合には、当該電池の発熱が十分に抑制されない。したがって、上述した技術分野においては、さらなる安全性の向上が望まれている。
【０００６】
本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、安全性を向上可能な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】
【０００７】
本発明に係る蓄電装置は、ケースと、ケース内に収容された電極組立体と、ケースと電極組立体との間に配置された第１の短絡ユニットと、を備え、電極組立体は、セパレータと、セパレータを介して所定の方向に沿って交互に積層された複数の正極及び負極とを有し、第１の短絡ユニットは、第１の絶縁部材と、第１の絶縁部材を介して所定の方向に沿って互いに積層された第１及び第２の金属箔とを有し、第１の金属箔は、正極及び負極の一方と電気的に接続されており、第２の金属箔は、正極及び負極の他方と電気的に接続されており、第１の絶縁部材には、所定の方向に交差する方向に延在するメッシュ状の金属体が埋設されていることを特徴とする。
【０００８】
この蓄電装置においては、セパレータを介して積層された正極及び負極を有する電極組立体と、絶縁部材を介して積層された一対の金属箔を有する短絡ユニットとがケース内に収容されている。特に、短絡ユニットが、ケースと電極組立体との間に配置されている（すなわち、短絡ユニットが電極組立体の外側に配置されている）。このため、釘等が刺さった場合や圧壊が生じた場合には、電極組立体における正極と負極との短絡に先立って、短絡ユニットの金属箔同士の短絡が生じやすい。さらに、この蓄電装置においては、短絡ユニットの絶縁部材に対してメッシュ状の金属体が埋設されている。このため、釘等が刺さった場合や圧壊が生じた場合に、メッシュ状の金属体に圧力がかかる結果、その金属体を起点として絶縁部材の破断を生じさせることができる。したがって、その絶縁部材の破断部分を介して、短絡ユニットの金属箔同士を迅速かつ確実に短絡させることができる。よって、この蓄電装置によれば、安全性が向上される。
【０００９】
本発明に係る蓄電装置においては、第２の絶縁部材と、第２の絶縁部材を介して所定の方向に沿って互いに積層された第１及び第２の金属箔とを有し、電極組立体と第１の短絡ユニットとの間に配置された第２の短絡ユニットをさらに備えることができる。この場合、蓄電装置は、電極組立体の外側に配置された複数の短絡ユニット（第１及び第２の短絡ユニット）を備えることとなる。したがって、より確実に、電極組立体における正極と負極との短絡に先立って短絡ユニットの金属箔同士の短絡を生じさせることが可能となる。特に、この場合にも、メッシュ状の金属体が埋設された第１の絶縁部材を有する第１の短絡ユニットが、第２の短絡ユニットよりも外側に配置されるので、金属体による絶縁部材の破断を好適に生じさせることができる。
【００１０】
本発明に係る蓄電装置においては、金属体は、エキスパンドメタルとすることができる。一般に、エキスパンドメタルは、その製法上、メッシュの開口部分を規定する枠部分の角部が鋭利になり、尚且つ、メッシュの延在方向に対して傾斜した状態（すなわち、角が立った状態）となる。このため、金属体に圧力がかかった場合に、その金属体を起点とした絶縁部材の破断がより生じやすくなる。
【００１１】
本発明に係る蓄電装置においては、金属体におけるメッシュの開口部分の寸法は、針刺試験に用いられる針の寸法よりも小さくすることができる。この場合、針刺試験に用いられる針や同程度の寸法の釘等が絶縁部材に刺されたときに、確実に金属体に接触することになる。このため、金属体に確実に圧力をかけて絶縁部材の破断を生じさせることが可能となる。なお、ここでの針刺試験の詳細については後述する。
【００１２】
本発明に係る蓄電装置は、二次電池とすることができる。この場合、二次電池の安全性が向上される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、安全性を向上可能な蓄電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係る二次電池の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】図１のII−II線に沿った部分的な断面図である。
【図３】図２に示された絶縁部材の構成を示す図である。
【図４】図１に示された二次電池の作用を説明するための部分的な断面図である。
【図５】図１に示された二次電池の変形例の部分的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る蓄電装置の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素同士、或いは、相当する要素同士には、互いに同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、各図における寸法比率は、実際のものと異なる場合がある。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る二次電池の構成を示す模式的な断面図である。図２は、図１のII−II線に沿った部分的な断面図である。図１，２に示される二次電池（蓄電装置）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。二次電池１００は、ケース１０を備えている。ケース１０は、例えば、アルミニウム等の金属から構成することができる。ケース１０内には、電解液Ｓが充填されている。電解液Ｓ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。ケース１０の内壁面上には、絶縁フィルム１１が設けられている。
【００１７】
二次電池１００は、電極組立体２０を備えている。電極組立体２０は、ケース１０内に収容されている。電極組立体２０は、複数の正極３０及び複数の負極４０と、正極３０と負極４０との間に配置された複数のセパレータ５０とを備えている。正極３０及び負極４０は、セパレータ５０を介して所定の方向（図中の上下方向）に沿って交互に積層されている。正極３０及び負極４０は、シート状である。セパレータ５０は、ここではシート状であるが、袋状としてもよい。セパレータ５０が袋状である場合には、例えば正極３０がセパレータ５０内に収容される。
【００１８】
正極３０は、金属箔３１と、金属箔３１の両面に設けられた正極活物質層３２とを有している。金属箔３１は、例えばアルミニウム箔である。正極活物質層３２は、例えば、正極活物質とバインダを含んで構成される。正極活物質としては、例えば、複合酸化物、金属リチウム、及び硫黄等が挙げられる。複合酸化物は、例えば、マンガン、ニッケル、コバルト、及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとを含む。
【００１９】
正極３０は、縁に形成されたタブ３３を有する。タブ３３には、正極活物質が担持されていない。正極３０は、タブ３３を介して導電部材３４に接続されている。導電部材３４は、正極端子３５に接続されている。したがって、正極３０は、タブ３３及び導電部材３４を介して正極端子３５に電気的に接続されている。正極端子３５は、絶縁リング３６を介してケース１０に取り付けられている。
【００２０】
負極４０は、金属箔４１と、金属箔４１の両面に設けられた負極活物質層４２とを有している。金属箔４１は、例えば銅箔である。負極活物質層４２は、例えば、負極活物質とバインダとを含んで構成される。負極活物質としては、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、及びソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、並びに、ホウ素添加炭素等が挙げられる。
【００２１】
負極４０は、縁に形成されたタブ４３を有する。タブ４３には、負極活物質が担持されていない。負極４０は、タブ４３を介して導電部材４４に接続されている。導電部材４４は、負極端子４５に接続されている。したがって、負極４０は、タブ４３及び導電部材４４を介して負極端子４５に電気的に接続されている。負極端子４５は、絶縁リング４６を介してケース１０に取り付けられている。
【００２２】
セパレータ５０としては、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、並びに、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、及びメチルセルロース等からなる織布や不織布等が挙げられる。
【００２３】
二次電池１００は、短絡ユニット（第１の短絡ユニット）６０をさらに備えている。短絡ユニット６０は、正極３０及び負極４０の積層方向（所定の方向）について、ケース１０と電極組立体２０との間に配置されている。したがって、短絡ユニット６０は、電極組立体２０よりも外側（すなわち、ケース１０内における最外部）に位置している。
【００２４】
短絡ユニット６０は、金属箔（第１の金属箔）６１及び金属箔（第２の金属箔）６２と、金属箔６１と金属箔６２との間に配置された絶縁部材６３とを有している。金属箔６１及び金属箔６２は、正極３０及び負極４０の積層方向に沿って、絶縁部材６３を介して互いに積層されている。金属箔６１は、例えばアルミニウム箔である。金属箔６２は、例えば銅箔である。
【００２５】
金属箔６１は、縁に形成されたタブ６１ａを有している。金属箔６２は、縁に形成されたタブ６２ａを有している。金属箔６１は、タブ６１ａを介して正極３０及び負極４０の一方に電気的に接続されており、金属箔６２は、タブ６２ａを介して正極３０及び負極４０の他方に電気的に接続されている。
【００２６】
ここでは、一例として、金属箔６１のタブ６１ａが正極３０のタブ３３と重なるように配置されて電気的に接続されており、金属箔６２のタブ６２ａが負極４０のタブ４３と重なるように配置されて電気的に接続されている。このような金属箔６１，６２は、活物質層が形成されておらず（すなわち、正極活物質及び負極活物質が担持されておらず）、安全対策用の未塗工電極とされている。なお、金属箔６１，６２は、そのタブ６１ａ，６２ａにおいて、他の部分よりも薄く形成されてもよい。
【００２７】
図３は、図２に示された絶縁部材の構成を示す図である。特に、図３の（ａ）は、短絡ユニットの拡大断面図であり、図３の（ｂ）は、金属体の拡大平面図である。図３に示されるように、絶縁部材６３には、メッシュ状の金属体６４が埋設されている。金属体６４は、絶縁部材６３（及び金属箔６１，６２）の延在方向に沿って（すなわち、正極３０及び負極４０の積層方向に交差する方向に沿って）、絶縁部材６３の略全面にわたって延在している。金属体６４は、外部から電気的に絶縁されている。
【００２８】
ここでは、金属体６４は、ダイヤ型のメッシュ状を呈するエキスパンドメタルである。金属体６４におけるメッシュの開口部分６５を規定する枠部分６６の断面形状は、略直方体状である。また、枠部分６６は、その角部（エッジ）６７が略直角と鋭利であり、且つ、金属体６４の延在方向Ａに対して傾斜している（すなわち、角が立った状態となっている）。金属体６４の各部の寸法の一例は以下の通りである。
【００２９】
枠部分６６の幅Ｗ１：４０μｍ
枠部分６６同士の接合部分の幅Ｗ２：８０μｍ
メッシュの短手の寸法ＳＷ：０．７５ｍｍ
メッシュの長手の寸法ＬＷ：１．９３ｍｍ
メッシュの開口率：９０％
【００３０】
特に、メッシュの開口部分６５の寸法（互いに対向する一対の枠部分６６同士の間隔）Ｄは、針刺試験に用いられる針の寸法よりも小さいことが望ましい。ここでの針刺試験とは「中華人民共和国自動車業界標準，国家発展改革委員会２００６年３月７日発布」の「電動自動車用リチウム・イオン蓄電池」において規定される試験であり、φ３ｍｍ〜φ８ｍｍの耐高温性鋼針を１０ｍｍ／ｓ〜４０ｍｍ／ｓの速度で蓄電池極板に垂直方向から貫通させる試験である。したがって、本実施形態においては、メッシュの開口部分６５の寸法Ｄは、３ｍｍよりも小さいことが好ましい。
【００３１】
このような絶縁部材６３においては、金属体６４は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、インバー等の金属材料から構成することができる。また、金属体６４が埋設される絶縁部材６３の本体部分（金属体６４以外の部分）６８は、金属箔６１と金属箔６２との電気的な絶縁を確保可能な材料であればよく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン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、メチルセルロース等の織布や不織布等の材料から構成することができる。なお、絶縁部材６３は多孔質である必要はなく、空孔率０％の樹脂でもよい。
【００３２】
以上説明した二次電池１００においては、セパレータ５０を介して積層された正極３０及び負極４０を有する電極組立体２０と、絶縁部材６３を介して積層された一対の金属箔６１，６２を有する短絡ユニット６０とがケース１０内に収容されている。特に、短絡ユニット６０が、ケース１０と電極組立体２０との間に配置されている（すなわち、短絡ユニット６０が電極組立体２０の外側に配置されている）。
【００３３】
このため、釘等が刺さった場合や圧壊が生じた場合には、図４に示されるように、電極組立体２０における正極３０と負極４０との短絡に先立って、短絡ユニット６０の絶縁部材６３が破断することにより金属箔６１，６２同士の短絡が生じやすい。正極３０と負極４０との短絡に先立って、活物質層が形成されていない金属箔６１，６２に短絡電流が流れれば、二次電池１００の発熱が抑制される。
【００３４】
特に、本実施形態に係る二次電池１００においては、短絡ユニット６０の絶縁部材６３に対してメッシュ状の金属体６４が埋設されている。このため、釘等が刺さった場合や圧壊が生じた場合に、メッシュ状の金属体６４に圧力がかかる結果、その金属体６４を起点として絶縁部材６３の破断が生じやすくなる。したがって、その絶縁部材６３の破断部分を介して、短絡ユニット６０の金属箔６１，６２同士を迅速かつ確実に短絡させることができる。よって、二次電池１００によれば、安全性が向上される。
【００３５】
なお、絶縁部材６３の破断が生じた場合には、その破断部分を介して金属箔６１と金属箔６２とが直接に接触して短絡電流が流れる場合もあるし、金属体６４を介して金属箔６１と金属箔６２との間に短絡電流が流れる場合もある。
【００３６】
また、二次電池１００においては、金属体６４としてエキスパンドメタルを用いているので、その枠部分６６の角部６７が鋭利になると共に、枠部分６６がメッシュの延在方向Ａに対して傾斜した状態（すなわち、角が立った状態）となる。このため、金属体６４に圧力がかかった場合に、その金属体６４を起点として絶縁部材６３の破断がより生じやすくなる。
【００３７】
さらに、二次電池１００においては、金属体６４のメッシュの開口部分６５の寸法Ｄが、針刺試験の針の寸法よりも小さい（すなわち、３ｍｍよりも小さい）。このため、例えば針刺試験に用いられる針や同程度の寸法を有する釘等が絶縁部材６３に刺されたときに、確実に金属体６４に接触することになる。その結果、金属体６４に確実に圧力をかけて絶縁部材６３の破断を生じさせることが可能となる。
【００３８】
なお、二次電池１００においては、絶縁部材６３に埋設する金属体６４のメッシュの開口率を大きくすれば（すなわち、枠部分６６の面積を小さくすれば）、絶縁部材６３に対する破断圧が大きくなる。したがって、二次電池１００においては、金属体６４のメッシュの開口率を９０％以上とすることが好適である。
【００３９】
以上の実施形態は、本発明に係る蓄電装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係る蓄電装置は、上述した二次電池１００に限定されない。本発明に係る蓄電装置は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述した二次電池１００を任意に変更し、或いは、他のものに適用することができる。
【００４０】
例えば、二次電池１００は、複数の短絡ユニットを備えることができる。より具体的には、二次電池１００は、図５に示されるように、上述した短絡ユニット６０に加えて、短絡ユニット（第２の短絡ユニット）７０をさらに備えることができる。短絡ユニット７０は、電極組立体２０と短絡ユニット６０との間に配置されている。換言すれば、短絡ユニット６０がケース１０内において最外部に位置するように、短絡ユニット６０及び短絡ユニット７０が積層されている。
【００４１】
短絡ユニット７０は、絶縁部材６３に代えて絶縁部材７３を有する点で短絡ユニット６０と相違している。絶縁部材７３は、絶縁部材６３と同様の材料から構成することができるが、メッシュ状の金属体６４が埋設されていない。したがって、絶縁部材７３としては、例えばセパレータ５０を用いることができる。なお、金属体６４が埋設された絶縁部材６３を有する短絡ユニット６０を複数用いれば、より確実に、正極３０と負極４０との短絡に先立って短絡ユニット６０の金属箔６１，６２同士の短絡を生じさせることができる。
【００４２】
一方、図５に示されるように、最外部のみに短絡ユニット６０を配置するように短絡ユニット６０と短絡ユニット７０とを組み合わせて複数用いれば、全体の厚みが増してしまうことを避けつつ、正極３０と負極４０との短絡に先立って金属箔６１，６２同士の短絡を好適に生じさせることができる。
【００４３】
ただし、二次電池１００における短絡ユニットの数及び組み合わせは、上述したものに限定されない。二次電池１００は、短絡ユニット６０及び短絡ユニット７０を任意の組み合わせで３つ以上備えることができる。
【００４４】
また、二次電池１００においては、電極組立体２０における正極３０及び負極４０の積層方向の一方の側のみに短絡ユニット６０（及び短絡ユニット７０）を設けてもよいし、電極組立体２０における正極３０及び負極４０の積層方向の両側に短絡ユニット６０（及び短絡ユニット７０）を設けてもよい。
【００４５】
また、二次電池１００における金属体６４は、エキスパンドメタルに限定されない。金属体６４としては、パンチングメタルやエッチング加工により形成した任意のメッシュ状の金属体を用いることができる。
【００４６】
また、二次電池１００は、車両に搭載されていてもよい。二次電池１００が搭載される車両としては、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、電動アシスト自動車、及び、電動二輪車等が挙げられる。
【００４７】
さらに、本発明は、二次電池１００の他に、例えば電気二重層キャパシタ等の任意の蓄電装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…ケース、２０…電極組立体、３０…正極、４０…負極、５０…セパレータ、６０…短絡ユニット（第１の短絡ユニット）、６１…金属箔（第１の金属箔）、６２…金属箔（第２の金属箔）、６３…絶縁部材（第１の絶縁部材）、６４…金属体、７０…短絡ユニット（第２の短絡ユニット）、７３…絶縁部材（第２の絶縁部材）、１００…二次電池（蓄電装置）。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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