(57)【要約】【課題】外部から力が加えられたときに短絡部が短絡し易い蓄電装置を提供する。【解決手段】二次電池１は、電極組立体５と、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との間に配置される絶縁層４４とを有し、絶縁層４４は、シート５０と、当該シートの一面に接合されると共にスリットＳを有する破断部材５２とを備え、シート５０及び破断部材５２の少なくとも一方が絶縁性を有する。【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、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、一対の金属箔と、一対の前記金属箔の間に配置された絶縁層と、を有し、
前記絶縁層は、シートと、当該シートの一方の面に接合されると共に破断部を有する破断部材と、を備え、
前記シート及び前記破断部材の少なくとも一方が絶縁性を有することを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記破断部材は、前記シートよりも引張破断伸度が低いことを特徴とする請求項１記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記破断部材は、シート状の基材に前記破断部が形成されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記破断部材は、前記破断部により複数に分割されていることを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記シートが絶縁性を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の蓄電装置。
【請求項６】
前記シート及び前記破断部材が絶縁性を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の蓄電装置。
【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に記載されたものが知られている。特許文献１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。短絡部は、一対の電極箔と、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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蓄電装置では、釘刺しや圧壊時など外部から力が加えられたときに、電極組立体に先んじて短絡部の一対の電極箔が短絡することにより、安全性が確保されている。そのため、蓄電装置では、外部から力が加えられたときに、短絡部において一対の電極箔の短絡を確実に生じさせることが望まれている。
【０００５】
本発明は、外部から力が加えられたときに短絡部が短絡し易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、一対の金属箔と、一対の金属箔の間に配置された絶縁層と、を有し、絶縁層は、シートと、当該シートの一方の面に接合されると共に破断部を有する破断部材と、を備え、シート及び破断部材の少なくとも一方が絶縁性を有することを特徴とする。
【０００７】
この蓄電装置では、短絡部を備えている。短絡部の絶縁層は、シートと、当該シートの一方の面に接合されると共に破断部を有する破断部材とを備え、シート及び破断部材の少なくとも一方が絶縁性を有する。このような構成により、絶縁層では、通常時には一対の金属箔を絶縁すると共に、外部から力が加えられたときには、破断部材が破断部を起点として破断し、この破断部材に接合されたシートに引張応力が集中する。これにより、絶縁層では、シートが破ける。したがって、短絡部では、絶縁性を確保しつつ、外部から力が加わったときには絶縁層が容易に破れ、一対の金属箔が短絡する。このように、蓄電装置では、外部から力が加えられたときに短絡部を確実に短絡させることができる。
【０００８】
一実施形態においては、破断部材は、シートよりも引張破断伸度が低いものを用いることができる。これにより、絶縁層では、破断部を起点にシートよりも破断部材を先に破断させることが可能となる。したがって、外部から力が加えられたときに、短絡部における一対の金属箔の短絡をより良好に実現できる。
【０００９】
一実施形態においては、破断部材は、シート状の基材に破断部が形成されてなる構成とすることができる。このような構成により、絶縁層では、破断部材が破断する構成を実現できる。また、絶縁層では、破断部材を一体に設けることにより、操作性の向上が図れる。
【００１０】
一実施形態においては、破断部材は、破断部により複数に分割されていてもよい。このような構成により、絶縁層では、外部から力が加えられたときに、分割された破断部材が押圧され、その破断部材がシートを押圧することによりシートの一部（分割部分）に引張応力が集中する。これにより、絶縁層のシートをより破れ易くできる。
【００１１】
一実施形態においては、シートが絶縁性を有していてもよい。このような構成により、絶縁層では、破断部材としてシートよりも引張破断伸度の低い例えば金属等の材料を用いることができる。
【００１２】
一実施形態においては、シート及び破断部材が絶縁性を有していてもよい。このような構成により、絶縁層では、絶縁距離を確保できるため、一対の金属箔を確実に絶縁できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外部から力が加えられたときに短絡部が短絡し易い。これにより、蓄電装置の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】一実施形態に係る蓄電装置の分解斜視図である。
【図２】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正面図である。
【図４】絶縁層を示す正面図である。
【図５】図４におけるＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】絶縁層の破断を説明する図である。
【図７】他の実施形態に係る蓄電装置に用いられる絶縁層を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、一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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。図４は、絶縁層を示す正面図である。図５は、図４におけるＶ−Ｖ線断面図である。図４及び図５に示すように、絶縁層４４は、シート５０と、破断部材５２と、を備えている。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。
【００３７】
シート５０は、絶縁性を有するシート状の部材であり、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、本実施形態ではポリエチレンからなる。シート５０の厚みは、破断部材５２の厚みよりも薄くすることが好ましい。シート５０の一方の面には、破断部材５２が設けられている。
【００３８】
破断部材５２は、絶縁性を有する部材であり、例えば延伸ポリプロピレン（ＰＰ）、ＰＥＴ等の材料から構成することができ、本実施形態ではポリプロピレンからなる。破断部材５２は、シート５０よりも引張破断伸度（伸長性）が低い部材であることが好ましい。
【００３９】
破断部材５２は、スリット（破断部）Ｓを有している。破断部材５２は、シート状の基材に複数（ここでは１５個）のスリットＳが形成されて構成されている。スリットＳは、破断部材５２の一端から他端（図４の上下方向）にわたって直線状に伸び、所定の間隔をあけて複数形成されている。スリットＳは、基材を貫通しており、これにより各破断部材５２を分断している。スリットＳにより、破断部材５２のそれぞれは、分割可能とされている。破断部材５２のそれぞれは、シート５０の一方の面に接合されている。破断部材５２とシート５０とは、例えば接着剤による接着や溶着により接合されている。
【００４０】
本実施形態では、絶縁層４４は、破断部材５２が外側に位置するように、正極金属箔４０と負極金属箔４２との間に配置されている。つまり、短絡部７は、絶縁層４４の破断部材５２が外側に位置するように、電極組立体５の外側に配置されている。これにより、絶縁層４４は、外部から力が加えられたときに、最初に破断部材５２に力が加えられる。なお、絶縁層４４の破断部材５２の向きは、特に限定されるものではない。
【００４１】
続いて、絶縁層４４が破断するメカニズムについて説明する。図６は、絶縁層の破断を説明する図である。図６（ａ）に示すように、絶縁層４４では、短絡部７に対して釘刺し等の力が外部から加えられると、最初に破断部材５２が押圧され、スリットＳにより破断部材５２が分割される。そして、絶縁層４４では、分割された破断部材５２がシート５０の一部を押圧する。これにより、絶縁層４４では、図６（ｂ）に示すように、シート５０の一部（図中矢印で示す分割部分）に引張応力が集中し、シート５０が破れる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態の二次電池１では、短絡部７を備えている。短絡部７の絶縁層４４は、シート５０と、このシート５０の一方の面に接合されると共にシート５０よりも伸長性の低い破断部材５２とを備え、シート５０及び破断部材５２が絶縁性を有する。このような構成により、絶縁層４４では、通常時には正極金属箔４０と負極金属箔４２とを絶縁すると共に、外部から力が加えられたときには、破断部材５２がスリットＳを起点として破断し、この破断部材５２に接合されたシート５０に引張応力が集中する。
【００４３】
これにより、絶縁層４４では、シート５０が破ける。したがって、短絡部７では、絶縁性を確保しつつ、外部から力が加わったときには絶縁層４４が容易に破れ、正極金属箔４０と負極金属箔４２とが短絡する。このように、二次電池１では、外部から力が加えられたときに、短絡部７を確実に短絡させることができる。その結果、二次電池１では、正極１０と負極１２との短絡に先立って短絡部７が短絡するため、正極１０と負極１２とが短絡して発熱することを抑制でき、安全性の向上を図ることができる。
【００４４】
また、絶縁層４４は、シート５０と破断部材５２との２層で構成されている。本実施形態では、シート５０及び破断部材５２の両方が絶縁性を有している。これにより、絶縁層４４では、絶縁距離が確保されているため、正極金属箔４０と負極金属箔４２とを良好に絶縁できる。また、絶縁層４４は、シート５０と破断部材５２とが一体に設けられているため、組み付けるときの操作性に優れている。
【００４５】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、絶縁層は、図７に示すような構成であってもよい。図７は、他の実施形態に係る蓄電装置に用いられる絶縁層を示す図である。図７（ａ）に示すように、絶縁層４４Ａは、破断部材５２Ａを備えている。破断部材５２Ａには、シート状の基材にミシン目状に切込みＣが形成されている。切込みＣは、第１方向に沿って直線状に形成されると共に、第１方向に交差（直交）する第２の方向に沿って格子状に設けられている。
【００４６】
また、図７（ｂ）に示すように、絶縁層４４Ｂは、破断部材５２Ｂを備えている。破断部材５２Ｂには、切込み部Ｌが形成されている。切込み部Ｌは、破断部材５２Ｂを完全に分割しておらず、破断部材５２Ｂが一体に設けられるように、破断部材５２Ｂにおいて所定の方向に沿って形成されている。
【００４７】
また、上記実施形態では、絶縁層４４においてシート５０及び破断部材５２の両方が絶縁性を有しているが、絶縁層４４では、シート５０及び破断部材５２の少なくとも一方が絶縁性を有していればよい。シート５０と破断部材５２との密着性の観点からは、シート５０と破断部材５２とが同じ樹脂材料であることが好ましい。また、シート５０及び破断部材５２の一方が絶縁性を有する場合には、シート５０を絶縁材料とし、破断部材５２を例えば金属材料（シート５０よりも引張破断伸度が低い材料）とすることができる。
【００４８】
また、シート５０及び破断部材５２の一方を金属材料とする場合には、正極金属箔４０及び負極金属箔４２の材料に応じて、シート５０及び破断部材５２の材料が選択されることが好ましい。シート５０又は破断部材５２の材料は、接触する正極金属箔４０又は負極金属箔４２の材料と同じ材料であることが好ましい。上記実施形態では、正極金属箔４０をアルミニウム、負極金属箔４２を銅としているため、シート５０を金属材料とする場合には銅、破断部材５２を金属材料とする場合にはアルミニウムとすることが好ましい。なお、ＳＵＳの場合には、いずれの場合にも適用できる。
【００４９】
また、上記実施形態では、破断部であるスリットＳが破断部材５２を分割しているが、破断部は、基材を貫通しない非貫通部（例えば、溝）であってもよい。
【００５０】
また、積層型の電極組立体５に代えて巻回型の電極組立体が用いられてもよい。巻回型の電極組立体は、帯状の正極１０、負極１２及びセパレータ１４を軸線の周りに巻回することによって作製される。短絡部は、巻回型の電極組立体の外側に巻回して配置される。
【００５１】
蓄電装置として、二次電池１の他に、例えば電気二重層キャパシタ等が挙げられる。
【００５２】
例えば二次電池１等の蓄電装置は、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。
【符号の説明】
【００５３】
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、４２…負極金属箔、４４，４４Ａ，４４Ｂ…絶縁層、５０…シート、５２，５２Ａ，５２Ｂ…破断部材、Ｓ…スリット（破断部）。
【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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