(57)【要約】【課題】短絡部における電極箔同士の短絡が解消され難い蓄電装置を提供することを目的とする。【解決手段】二次電池１は、ケース３と、ケース３内に収容され、正極１０と、負極１２と、正極１０及び負極１２の間に配置されたセパレータ１４と、を有する電極組立体５と、正極１０、負極１２及びセパレータ１４の配置方向において電極組立体５の外側に配置された短絡部７と、を備え、短絡部７は、正極金属箔４０と、負極金属箔４２と、正極金属箔４０と負極金属箔４２との間に配置された絶縁層４４と、を有し、正極金属箔４０及び負極金属箔４２の少なくとも何れか一方には、シリコン系材料又はマグネシウム系材料からなる被覆層４１が設けられていることを特徴とする。【選択図】図４
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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、前記正極及び前記負極の間に配置されたセパレータと、を有する電極組立体と、
前記正極、前記負極及び前記セパレータの配置方向において前記電極組立体の外側に配置された短絡部と、を備え、
前記短絡部は、正極金属箔と、負極金属箔と、前記正極金属箔と前記負極金属箔との間に配置された絶縁部材と、を有し、
前記正極金属箔及び前記負極金属箔の少なくとも何れか一方には、シリコン系材料又はマグネシウム系材料からなる被覆層が設けられていることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記正極金属箔はアルミニウム箔であり、前記負極金属箔は銅箔であ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】
前記被覆層は、前記正極金属箔に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記被覆層は、前記正極金属箔の、前記絶縁部材に対向する面に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記被覆層は、
ＳｉＯ２、Ａｌ−Ｓｉ合金、又はシリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項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。
【背景技術】
【０００２】
従来の蓄電装置としては、例えば特許文献１，２に記載されたものが知られている。特許文献１，２に記載の蓄電装置は、正極、セパレータ、及び負極を有する電極組立体と、電極組立体に設けられる短絡部とを備えている。そして、短絡部は、正極電極箔と、負極電極箔と、両電極箔間に設けられた絶縁体とを有している。
【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】特開２００１−３５１６７０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、釘刺しや圧壊など外部からの力により短絡部の絶縁体が損傷して正極電極箔と負極電極箔との間に導電パスが出来る。これにより、電極組立体に先んじて短絡部が短絡し、積極的に電池残量を低下させることにより安全性が確保される。しかしながら、短絡部の発熱により電極箔が溶融して導電パスが断たれてしまい、十分に電池残量が低下する前に短絡部の短絡が解消してしまうおそれもある。
【０００５】
このような問題に鑑み、本発明は、短絡部における電極箔同士の短絡が解消され難い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、正極と、負極と、正極及び負極の間に配置されたセパレータと、を有する電極組立体と、正極、負極及びセパレータの配置方向において電極組立体の外側に配置された短絡部と、を備え、短絡部は、正極金属箔と、負極金属箔と、正極金属箔と負極金属箔との間に配置された絶縁部材と、を有し、正極金属箔及び負極金属箔の少なくとも何れか一方には、シリコン系材料又はマグネシウム系材料からなる被覆層が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
上記蓄電装置によれば、被覆層に含まれるシリコン原子又はマグネシウム原子の影響により、短絡部分の発熱で金属箔が溶融した場合に、金属箔同士が溶着しやすくなる。従って、短絡時における導電パスが断絶され難く、短絡部における短絡が解消され難い。
【０００８】
具体的には、正極金属箔はアルミニウム箔であり、負極金属箔は銅箔であることとしてもよい。この構成によれば、被覆層に含まれるシリコン原子又はマグネシウム原子の影響により、アルミニウム箔の融点が降下すると共に、アルミニウム箔と銅箔との親和性が向上する。また、被覆層は、正極金属箔に設けられていることとしてもよい。
【０００９】
また、被覆層は、正極金属箔の、絶縁部材に対向する面に設けられていることとしてもよい。この構成によれば、被覆層が、正極金属箔と負極金属箔との間に位置することになるので、被覆層が、正極金属箔と負極金属箔との溶着性に影響しやすい。
【００１０】
具体的には、被覆層は、ＳｉＯ２、Ａｌ−Ｓｉ合金、又はシリコーン樹脂からなることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の蓄電装置によれば、短絡部における電極箔同士の短絡が解消され難い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】本発明の実施形態に係る蓄電装置の分解斜視図である。
【図２】図１に示す蓄電装置の断面構成を示す図である。
【図３】短絡部を模式的に示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、短絡部の近傍を拡大して示す断面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、短絡部に釘が刺さった状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、実施形態に係る蓄電装置の分解斜視図である。図２は、蓄電装置の断面構成を示す図である。各図に示される蓄電装置としての二次電池１は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解二次電池である。図１及び図２に示すように、二次電池１は、ケース３と、ケース３に収容された電極組立体５と、短絡部７と、を備える。図１では、電極組立体５と短絡部７とが一体化され、その周囲に絶縁シート８が設けられている（図２では、絶縁シート８の図示を省略している）。ケース３は、電極組立体５を収容する空間を画成しており、例えばアルミニウム等の金属からなる。
【００１５】
図２に示すように、電極組立体５は、正極１０と、負極１２と、正極１０と負極１２との間に配置されたセパレータ１４と、を備える。本実施形態では、電極組立体５は、最外部に負極１２が配置されている。正極１０及び負極１２は、例えばシート状である。セパレータ１４は、例えば袋状であるが、シート状であってもよい。袋状のセパレータ１４内には、例えば正極１０が収容される。複数の正極１０及び複数の負極１２が、セパレータ１４を介して交互に積層されてもよい。ケース３内には電解液Ｅが充填されている。電解液Ｅ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。
【００１６】
正極１０は、正極金属箔１６と、正極金属箔１６の両面に設けられた正極活物質層１８と、を備える。正極金属箔１６は、例えばアルミニウム箔である。正極金属箔１６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、正極活物質層１８の厚みは、特に限定されないが、例えば４０〜１００μｍとすることができる。
【００１７】
正極活物質層１８は、正極活物質とバインダとを含んでもよく、必要に応じて導電助剤を含むことができる。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。正極活物質は、例えばリチウム化合物である。リチウム化合物としては、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できる。
【００１８】
また、正極活物質としては、他の金属化合物、あるいは高分子材料を用いることもできる。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、又は、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。
【００１９】
特に、正極活物質は、一般式：ＬｉＣｏｐＮｉｑＭｎｒＯ２（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０＜ｐ≦１、０≦ｑ＜１、０≦ｒ＜１）で表されるリチウム金属複合酸化物を含むことが好ましい。上記複合金属酸化物として、例えばＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２、ＬｉＮｉ０．５ＣＯ０．２Ｍｎ０．３Ｏ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．２Ｏ２、ＬｉＣｏＭｎＯ２を用いることができる。中でも、ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２は、熱安定性の点で好ましい。
【００２０】
また、正極活物質は、一般式：ＬｉＣｏｐＮｉｑＭｎｒＤｓＯ２（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０＜ｐ≦１、０≦ｑ＜１、０≦ｒ＜１、０＜ｓ＜１）で表されるリチウム金属複合酸化物を含むことも好ましい。Ｄは、Ａｌ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｗ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｎａから成る群から選択される少なくとも１つの元素である。
【００２１】
バインダは、例えば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等である。バインダの量は、活物質１００質量部に対して、１〜３０質量部とすることができる。
【００２２】
導電助剤は、例えばカーボンブラック、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、又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。
【００２３】
図１に示すように、正極１０は、縁に形成されたタブ２０を有している。タブ２０には、正極活物質が担持されていない。図１では、タブ２０は、各正極１０の複数のタブ２０が集約されて折り曲げられている。正極１０は、タブ２０を介して導電部材２２に接続されている。タブ２０と導電部材２２とは、例えば超音波溶接により接合されている。導電部材２２は、正極端子ＰＥに接続される。正極端子ＰＥは、絶縁リング２４を介してケース３に取り付けられている。
【００２４】
負極１２は、負極金属箔３０と、負極金属箔３０の両面に設けられた負極活物質層３２と、を備える。負極金属箔３０は、例えば銅箔である。負極金属箔３０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３２の厚みは、特に限定されないが、例えば４０〜１００μｍとすることができる。
【００２５】
負極活物質層３２は、負極活物質と上記バインダとを含んでもよく、必要に応じて上記の導電助剤を含んでもよい。負極活物質としては、例えば、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。
【００２６】
炭素系材料は、例えば難黒鉛化性炭素、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。
【００２７】
リチウムと合金化可能な元素は、例えば、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｇａ、１ｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉである。中でも、リチウムと合金化可能な元素は、珪素（Ｓｉ）又は錫（Ｓｎ）であるとよい。
【００２８】
リチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物は、例えばＺｎＬｉＡｌ、ＡｌＳｂ、ＳｉＢ４、ＳｉＢ６、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｓｎ、Ｎｉ２Ｓｉ、ＴｉＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＣａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、Ｃｕ５Ｓｉ、ＦｅＳｉ２、ＭｎＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＴａＳｉ２、ＶＳｉ２、ＷＳｉ２、ＺｎＳｉ２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ２Ｎ２Ｏ、ＳｉＯｖ（０＜ｖ≦２）、ＳｎＯｗ（０＜ｗ≦２）、ＳｎＳｉＯ３、ＬｉＳｉＯあるいはＬｉＳｎＯである。リチウムと合金化反応可能な元素を有する元素化合物の例は、珪素化合物又は錫化合物であることがよい。珪素化合物は、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）であることがよい。錫化合物は、例えば、スズ合金（Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｏ−Ｓｎ合金等）などが使用できる。高分子材料は、例えばポリアセチレン、ポリピロールである。
【００２９】
図１に示すように、負極１２は、縁に形成されたタブ３４を有している。タブ３４には、負極活物質が担持されていない。図１では、タブ３４は、各負極１２の複数のタブ３４が集約されて折り曲げられている。負極１２は、タブ３４を介して導電部材３６に接続されている。タブ３４と導電部材３６とは、例えば超音波溶接により接合されている。導電部材３６は、負極端子ＮＥに接続される。負極端子ＮＥは、絶縁リング３８を介してケース３に取り付けられている。
【００３０】
セパレータ１４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。セパレータ１４の厚みは、例えば１０〜５０μｍとすることができる。
【００３１】
続いて、短絡部７について説明する。図２に示すように、短絡部７は、電極組立体５の正極１０、負極１２及びセパレータ１４の配置方向（積層方向）において、電極組立体５の外側で且つケース３との間に、電極組立体５を両側から挟んで一対配置されている。短絡部７は、正極金属箔４０と、負極金属箔４２と、絶縁層（絶縁部材）４４と、を有している。短絡部７では、ケース３側から電極組立体５側に向かって正極金属箔４０、絶縁層４４及び負極金属箔４２がこの順に積層されており、負極金属箔４２は負極活物質層３２に対向している。
【００３２】
図３は、短絡部を模式的に示す正面図である。図３に示すように、正極金属箔４０は、例えばアルミニウム箔であり、タブ４１を有している。タブ４１は、電極組立体５のタブ２０と共に集約され、導電部材２２に接合されている。正極金属箔４０は、タブ４１及び導電部材２２を介して正極端子ＰＥに接続されている。
【００３３】
負極金属箔４２は、例えば銅箔であり、タブ４３を有している。タブ４３は、電極組立体５のタブ３４と共に集約され、導電部材３６に接合されている。負極金属箔４２は、タブ４３及び導電部材３６を介して負極端子ＮＥに接続されている。
【００３４】
絶縁層４４は、正極金属箔４０と負極金属箔４２との間に介在されている。絶縁層４４は、絶縁性を有するシート状の部材からなり、例えばポリエチレン（ＰＥ）、キャストポリプロピレン等の材料から構成することができる。絶縁層４４の厚みは、例えば１０〜５０μｍとすることができる。絶縁層４４は、本実施形態では例えばシート状であるが、袋状であってもよい。袋状の場合には、例えば正極金属箔４０が絶縁層４４に収容される。
【００３５】
図４（ａ）に例示されるように、短絡部７の正極金属箔４０の表面には、被覆層４１が設けられている。被覆層４１は、シリコン系材料（Ｓｉ原子を含む材料）からなり、例えば、被覆層４１は、ＳｉＯ２、Ａｌ−Ｓｉ合金、Ｓｉ原子を含む樹脂（シリコーン樹脂）、又はＳｉ（単体）を材料とするものであってもよい。上記のＡｌ−Ｓｉ合金は、Ａｌ箔とＳｉ箔とをクラッドしたものであってもよく、Ａｌ箔にＳｉをメッキしたものであってもよい。
【００３６】
被覆層４１は、正極金属箔４０の、絶縁層４４に対向する面４０ａに設けられている。なお、被覆層４１は、正極金属箔４０の、絶縁層４４側とは反対側の面４０ｂに設けられてもよく、面４０ａ，４０ｂの両面に設けられてもよい。
【００３７】
また、図４（ｂ）に例示されるように、被覆層４１は、短絡部７の負極金属箔４２の表面に設けられてもよい。図４（ｂ）の例の場合、被覆層４１は、負極金属箔４２の、絶縁層４４に対向する面４２ａに設けられているが、被覆層４１は、負極金属箔４２の、絶縁層４４側とは反対側の面４２ｂに設けられてもよく、面４２ａ，４２ｂの両面に設けられてもよい。また、正極金属箔４０及び負極金属箔４２の両方に被覆層４１が設けられてもよい。すなわち、面４０ａ、面４０ｂ、面４２ａ、及び面４２ｂのうち少なくとも何れか一つの面に被覆層４１が設けられればよい。なお、図２及び図３においては被覆層４１の図示を省略している。
【００３８】
また、被覆層４１は、マグネシウム系材料（Ｍｇ原子を含む材料）からなるものであってもよい。マグネシウム系材料の例としては、例えば、アルミ−マグネシウム合金やマグネシウム（単体）等が挙げられる。
【００３９】
正極金属箔４０又は負極金属箔４２に被膜（被覆層４１）を形成する方法としては、例えば、クラッド等の手法や、コールドスプレー法など、公知の成膜方法を採用することができる。
【００４０】
続いて、図５を参照しながら、上述の二次電池１による作用効果について説明する。ここでは、正極金属箔４０がアルミニウム箔であり、負極金属箔４２が銅箔であるものとして説明する。
【００４１】
まず、図４（ａ）に示す構成の短絡部７に釘が刺さった場合を考える。図５（ａ）に示されるように、短絡部７に釘５０が刺さると、正極金属箔４０・釘５０・負極金属箔４２といった導電パスが形成され、短絡部７における短絡が発生する。このとき、当該導電パスに大きい電流が流れアルミニウムの融点（約６６０℃）を超える発熱が発生する場合もある。この場合、釘５０の周囲で正極金属箔４０が溶解して隙間が出来、正極金属箔４０と釘５０とが非接触になる可能性がある。そうすると、上記の導電パスが断絶され、短絡部７における短絡が解消されてしまう。
【００４２】
これに対して、短絡部７に被覆層４１が存在する構成によれば、正極金属箔４０が高温になったときに、被覆層４１に含まれるＳｉ原子又はＭｇ原子が正極金属箔４０中に拡散されると考えられる。そして、拡散されたＳｉ原子又はＭｇ原子の影響により、アルミニウムからなる正極金属箔４０の融点が降下するので、正極金属箔４０は早く溶解し始めると共に溶融状態を維持しやすく、負極金属箔４２に接触しやすい。なお、正極金属箔４０が溶融する温度に達したときには、釘５０の近傍において、既に、正極金属箔４０と負極金属箔４２との間の絶縁層４４が溶解又は熱収縮によって無くなっていると考えられる。従って、正極金属箔４０が溶融する温度に達したときには、釘５０の近傍において、正極金属箔４０と負極金属箔４２とは隣接して存在していると考えられる。また、Ｓｉ原子又はＭｇ原子の存在により、アルミニウムからなる正極金属箔４０と銅からなる負極金属箔４２との親和性が向上するので、正極金属箔４０と負極金属箔４２とが溶着しやすい。
【００４３】
従って、図５（ｂ）に示されるように、釘５０と正極金属箔４０との間に隙間Ｇが出来たとしても、正極金属箔４０と負極金属箔４２との溶着部分４５が形成されやすい。よって、溶着部分４５において正極金属箔４０と負極金属箔４２とが直接接続された導電パスが形成されやすく、短絡部７における短絡が解消され難い。
【００４４】
また、図４（ｂ）の構成の短絡部７に釘５０が刺さった場合を考える。この場合、高温で正極金属箔４０が溶融したときには、既に、釘５０の近傍において絶縁層４４に孔が空いており、この孔を通じて、溶融した正極金属箔４０と負極金属箔４２とが接触する。そうすると、正極金属箔４０が負極金属箔４２上の被覆層４１に接触するので、正極金属箔４０の凝固点降下が生じ、正極金属箔４０が溶融状態を維持しやすくなる。その結果、上記したような図４（ａ）の短絡部７と同様の作用効果が奏される。
【００４５】
また、被覆層４１を、正極金属箔４０の、絶縁層４４に対向する面４０ａに設ける構成によれば、絶縁層４４が無くなったときに、被覆層４１が正極金属箔４０との間に挟まれて位置することになるので、被覆層４１が、正極金属箔４０と負極金属箔４２との溶着性に影響しやすい。特に、正極金属箔４０の、絶縁層４４に対向する面４０ａに被覆層４１が設けられる構成によれば、正極金属箔４０の融点降下を早期に生じさせるので好ましい。
【００４６】
なお、正極金属箔４０の面４０ｂに被覆層４１が設けられた場合においても、釘刺し時において、アルミニウムからなる正極金属箔４０の融点が降下する。従って、正極金属箔４０は早く溶解し始めると共に溶融状態を維持しやすく、負極金属箔４２に接触しやすい。また、負極金属箔４２の面４２ｂに被覆層４１が設けられた場合においても、釘刺し時において、アルミニウムからなる正極金属箔４０と銅からなる負極金属箔４２との親和性が向上するので、正極金属箔４０と負極金属箔４２とが溶着しやすい。
【００４７】
また、Ｓｉ又はＭｇの供給源を別途形成されたシートで構成する場合に比べて、被覆層４１を正極金属箔４０又は負極金属箔４２に設けることで、厚みを薄くすることができる。また、Ｓｉ又はＭｇの供給源として絶縁層４４に被覆層を設けた場合には、絶縁層４４の高温時の熱収縮により釘５０の周囲に絶縁層４４及び被覆層が存在しなくなり、前述の作用効果が得られない可能性もある。この問題を回避できる点において、被覆層４１を正極金属箔４０又は負極金属箔４２に設ける構成が好ましい。
【００４８】
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、正極金属箔４０は、アルミニウム箔に限られずＳＵＳ（ステンレス）からなる箔であってもよい。また、正極金属箔４０と負極金属箔４２とが、両方ともアルミニウム箔であってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…二次電池（蓄電装置）、３…ケース、５…電極組立体、７…短絡部、１０…正極、１２…負極、１４…セパレータ、４０…正極金属箔、４１…被覆層、４２…負極金属箔、４４…絶縁部材。
【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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