(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板(2A)と負極板(2B)とがセパレータ(2C)を介して渦巻状に巻かれると共に、終端縁に沿って接着テ−プ(8)が接着されてなる電極群(2)と、この電極群(2)が挿入されて、電極群(2)の最外周に位置する一方の極板の露出部(2a)が電気的に接続されている外装缶(1)とを備える電池において、
最外周の露出部(2a)と接着テ−プ(8)との境界、ないしは接着テ−プ(8)で被覆される部分にあって外装缶(1)に接続されている極板に、幅方向に延長して破断溝(9)が設けられており、極板に過大な電流が流れると破断溝(9)が切断されて電流が遮断されるように構成されてなることを特徴とする電流遮断機能を有する電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は過大な電流が流れると電流を遮断する機能を内蔵する電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池には過大な電流が流れると、種々の弊害が発生する。たとえば、リチウムイオン二次電池は、大電流で過充電すると内圧が異常に上昇する。また、ショートして過大な電流が流れるときにも内圧が上昇する性質がある。内圧が異常に上昇すると電池の外装缶が破裂する。この状態になると、電池を収納する電気機器を損傷することがある。また、破裂した外装缶から腐食性のガスや電解液が漏れると、これが電気機器を腐食する弊害もある。
【０００３】
この弊害は、電池に大電流が流れるときに電流を遮断することで解消される。このことを実現するために、ポリスイッチ（ＰＴＣ素子）を内蔵した電池が開発されている。ＰＴＣ素子は大電流が流れて温度が上昇すると、急激に抵抗が増加する性質がある。ＰＴＣ素子は電池と直列に接続されている。このため、ＰＴＣ素子を内蔵する電池は、大電流で温度が上昇するとＰＴＣ素子の抵抗が急激に増加して電流が遮断される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ただ、全ての電池にＰＴＣ素子を内蔵することは難しい。たとえば、角形のリチウムイオン電池は、構造的にＰＴＣ素子を外装缶に内蔵させるのが難しい。ＰＴＣ素子は、電池の外部に電池と直列に接続することもできる。電池の内部、あるいは外部に接続されたＰＴＣ素子は、電池温度が上昇したときには、電流を遮断できるが、温度が低下すると抵抗が低下してしまう。このため、電池が異常モードにあっても、電流を遮断して温度が低下すると、再び電流が流れる状態となってしまう。異常モードにある電池は、使用できなくするのが理想である。
【０００５】
本発明は、異常モードで電流を確実に遮断することを目的に開発したもので、本発明の重要な目的は、過大な電流が流れると電流が遮断され、しかも、一旦電流が遮断された後は電池を使用できない状態に保持する電流遮断機能を有する電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池は、種々の実験を繰り返す過程において、電池としては弊害となる現象を有効に利用して、電流を遮断することに成功したものである。本発明者等は、リチウムイオン二次電池を大電流で過充電する実験を繰り返しているとき、特異な現象が発生することを見いだした。それは、極めてまれな現象ではあるが、大きな過電流を流し続けて過充電すると、途中で電流が遮断される電池ができたのである。本発明者等は、最初、この現象が微多孔膜に起因すると考えた。プラスチック製の微多孔膜は、電池が過充電されて加熱されると、溶融状態になって多孔質でなくなり、イオンの透過性が低下して電流を急激に減少させる、いわゆるシャットダウン機能があるからである。しかしながら、電流が遮断された状態を詳細に究明すると、シャットダウン機能と全く異なる現象を示した。シャットダウン機能は電流を急激に減少させるが、完全には遮断できず、その後の温度は上昇を続ける。しかし、この状態になった電池は、電流がほぼ完全に遮断されて、その後は温度が次第に低下した。本発明者等は、電池を分解してその原因を究明した。電池を分解してその原因を詳細に分析した結果、外装缶に接続されていた極板が破断していることを発見した。極板が破断したのは、過充電されて過熱された電極群が膨張し、極板にストレスが作用したからである。破断した極板は、外装缶に接続されなくなって、電流が完全に遮断されたのである。この現象が発生すると、電池はその後に再使用できなくなってしまう。本発明者は、この現象を有効に利用して本発明を完成したものである。
【０００７】
本発明の電流遮断機能を有する電池は、電極群２と、この電極群２を挿入している外装缶１とを備える。電極群２は、正極板２Ａと負極板２Ｂとをセパレータ２Ｃを介して渦巻状に巻かれたもので、終端縁に沿って接着テ−プ８が接着されている。接着テ−プ８は電極群２を渦巻状態に保持するものである。外装缶１は、挿入された電極群２の最外周に位置する一方の極板の露出部２ａを電気的に接続している。すなわち、電極群２はリード線を介することなく、最外周の露出部２ａを外装缶１の内面に押圧して電気的に接続している。
【０００８】
さらに、本発明の電池は、過大電流が流れたときに極板の一部を切断して、電流を遮断するために、極板に破断溝９を設けている。破断溝９は、好ましくは最外周の露出部２ａと接着テ−プ８との境界に設けられる。ただ、破断溝９は、接着テ−プ８で被覆される部分であって外装缶１に接続されている極板に設けることもできる。破断溝９は、ここで極板を切断して電流を遮断できるように、極板に幅方向に延長して設けられている。極板に過大な電流が流れると破断溝９が切断されて電流が遮断される。
【０００９】
【作用】
本発明の実施例で製作した電池を大電流で充電したときの、電流と、電池温度を図１に示す。この図は、リチウムイオン二次電池の最大電圧を１０Ｖとし、充電電流を２．４Ａ（６Ｃ）として過充電したときのグラフである。この図に示すように、本発明の電池は、温度が１１０℃を越えると、破断溝９で極板が切断されて電流が遮断される。極板が破断溝９で切断されるのは、大電流で過充電されるとガスが発生し、また、電極群が膨張して極板に大きな内部応力が作用するからである。破断溝９で切断されると電流が遮断されて、電池温度は次第に低下する。電流が遮断されると、電池の内圧はその後上昇しないので、外装缶１は破裂しない。いったん極板が破断溝９で切断された電池は、その後に温度が低下しても、電流が流れることはない。このため、異常モードになった電池は、その後の電池温度が低下しても、再使用できない状態に保持される。
【００１０】
図２は、従来の電池の電流、温度特性を示すグラフである。この図は、破断溝９を設ける以外は同じ構造のリチウムイオン二次電池の特性である。さらに、この図は、図１と、同じ条件で充電したときの特性を示している。この図に示すように、従来の電池は、大電流で過充電すると、多孔質のセパレータのイオン透過性が低下するシャットダウン機構で一時的に電流は減少するが、電流を遮断することはできないので、さらに温度が上昇して外装缶が破裂した。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池を例示するものであって、本発明は電池を下記のものに特定しない。
【００１２】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、「作用の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１３】
図３に示す電池は、リチウムイオン二次電池である。本発明は電池をリチウムイオン二次電池に特定しない。電池は、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池とすることもできる。この図に示す電池は、密閉形の角形電池である。電池は、アルミニウム、あるいはアルミニウム合金の外装缶１に電極群を内蔵している。外装缶１は、外側の寸法で高さを４８ｍｍ、幅を２２ｍｍ、厚さを８．１ｍｍとし、外装缶１の肉厚は０．５ｍｍとした。ただ、本発明は電池の外装缶の形状、大きさ、肉厚をこの寸法に特定しない。
【００１４】
外装缶１は開口部を封口板４で気密に閉塞している。封口板４は、外周を外装缶１の内面にレーザー溶接等の方法で溶着して固定している。封口板４は上面に突出する負極端子３を有する。負極端子３は絶縁パッキン５で絶縁して封口板４に気密状態に固定されている。負極端子３は、封口板４の下面に固定されている集電端子６に接続されている。集電端子６と封口板４の間には絶縁板７が挟着され、絶縁板７は集電端子６を封口板４から絶縁している。集電端子６は電極群２の負極タブ１０に接続されている。電極群２の負極板２Ｂは、負極タブ１０と集電端子６とを介して負極端子３に接続される。
【００１５】
電極群２は、帯状の正極板２Ａと負極板２Ｂとをセパレータ２Ｃを介して積層して、図４の断面図で示すように、非真円形の渦巻状に巻回したものである。電極群２は、外装缶に収納されて、最外周の露出部２ａを外装缶に電気的に接触させている。電極群２は、最外周の露出部２ａを正極部材としている。したがって、外装缶は正極となる。電極群２の負極板２Ｂは、電極群２の中央部分で負極タブ１０を接続している。
【００１６】
正極板は下記のようにして製造される。
（１）  正極スラリーを作成する工程
正極活物資としてＬｉＣｏＯ２を８５重量部、人造黒鉛粉末を５重量部、カ−ボンブラック５重量部とを充分混合した後、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに溶かしたポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を固形分として５重量部となるように加えて正極スラリ−とする。
（２）  正極スラリーを芯体に塗布して活物質層を設ける工程
正極スラリ−を、長さ３２４ｍｍ、幅３７．５ｍｍ、厚さ２０μｍのアルミニウム箔である導電性の芯体の上に両面塗布する。乾燥した後、ロ−ラ−プレス機により圧延する。なお、正極板２Ａの片面は、芯体であるアルミ箔の末端部から約５０ｍｍは正極スラリ−を塗布しない、アルミニウム面の露出部２ａとした。アルミニウム面の露出部２ａは、外装缶１の内面に電気的に接触される部分となる。これを１１０℃で３時間真空乾燥処理をして、帯状正極板２Ａを作製する。芯体にはアルミニウム箔以外の金属箔も使用できる。さらに、芯体には、厚みを１０μｍ〜１００μｍ、好ましくは１５μｍ〜５０μｍとする金属箔が使用できる。
【００１７】
負極板は下記のようにして製造される。
（１）  負極スラリーを作成する工程
負極活物資として、粒子径５〜２５μｍの天然黒鉛粉末９５重量部（層間距離３．３５Ａ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに溶かしたＰＶｄＦを固形分として５重量部となるように加え、負極スラリ−とする。
【００１８】
（２）  負極スラリーを芯体に塗布して活物質層を設ける工程
負極スラリ−を、長さ３２０ｍｍ、幅３９．５ｍｍ、厚さ１８μｍの銅箔である導電性の芯体の上に両面塗布する。乾燥した後、ロ−ラ−プレス機により圧延する。なお、芯体である銅箔は、末端から３ｍｍまでは、負極スラリ−を塗布しない露出部分とした。この露出部分に、ニッケル製の負極タブ１０（幅３ｍｍ）をスポット溶接し、その後、１１０℃で３時間真空乾燥処理して、帯状の負極板２Ｂとした。芯体には銅箔以外の金属が使用できる。さらに、芯体の厚みは１８μｍ以外とすることもできる。
【００１９】
正極板２Ａと、負極板２Ｂを使用して、下記のようにして電極群２を製作した。
帯状である正極板２Ａと負極板２Ｂを、セパレ−タ２Ｃを介して円筒状に巻き取り、巻き終わり部分の表面を、図４ないし図６に示すように、ポリプロピン製の接着テ−プ８を用いて止めた。セパレータ２Ｃは、幅を４１．５ｍｍ、厚さを３４μｍのポリエチレン製の微多孔膜とした。接着テ−プ８は、幅を１０ｍｍとした。このようにして製作された電極群２は、正極板２Ａの芯体であるアルミニウム面の露出部２ａを電極群２の最外周に位置させる。露出部２ａを外装缶１の内面に電気接続するためである。その後、電極体断面が、図４の断面図で示すように、長円形になるようにプレス機で成形した。
【００２０】
その後、図５と、図７の拡大断面図に示すように、最外周の露出部２ａと接着テ−プ８との境界に沿って、幅方向に破断溝９を設けた。破断溝９は、正極板の露出部２ａの表面を刃物で約１０μｍの深さに切断して設けた。芯体のアルミニウム箔は厚さが２０μｍであるから、１０μｍの深さの破断溝９は、芯体の半分の厚さに相当する。破断溝９の深さは、破断溝９の切れやすさを決定する。破断溝９を深くすると切れやすくなり、浅くすると切れ難くなる。破断溝９の深さは、芯体の強度と、電流の遮断特性とを考慮して最適値に調整される。
【００２１】
正極板２Ａは、破断溝９よりも外側をアルミニウムの露出部２ａとしている。いいかえると、正極板２Ａは、破断溝９よりも外側、すなわち、外装缶１の内面に電気接続される部分には、活物質層がない。この構造の電極群２は、破断溝９で切断されたときに、アルミニウムの露出部２ａの裏面の活物質層以外の活物質層は、外装缶から電気的に切り離される。アルミニウム露出部２ａの裏面の活物質層は全体に比べ面積が小さく、抵抗が非常に大きいため、電流は流れない。このため、破断溝９が切断された状態で、電流を完全に遮断することができる。
【００２２】
正極板２Ａと負極板２Ｂとを渦巻状に巻いて接着テ−プ８を接着した後に破断溝９を設ける方法は、破断溝９を接着テ−プ８の境界に正確に設けることができる。ただ、本発明の電池は、正極板を製作する工程で、正極板の決められた位置に破断溝を設けることもできる。正極板の製造工程で設けられる破断溝は、芯板の一部を破断しやすい状態に加工して設けることもできる。破断溝は、刃物のよらず、正極板の表面を局部的に線状に押圧して薄く押し潰すことで設けることもできる。
【００２３】
図７に示す電極群２は、最外周の露出部２ａと接着テ−プ８との境界に破断溝９を設けているが、破断溝９を必ずしもこの位置に設ける必要はない。図７の鎖線で示すように、接着テ−プ８で被覆される部分にあって、最外周の露出部２ａに接続されている部分に設けることもできる。
【００２４】
以上のようにして製作された電極群２は、負極タブ１０を封口体４の集電端子６にスポット溶接した後、外装缶１に挿入して、電解液を注入し、封口板４と外装缶１の境界をレ−ザ−溶接して封止して製作される。
【００２５】
以上のようにして製作された本発明のリチウムイオン二次電池は、最大電圧を１０Ｖに設定して、２．４Ａで過充電すると、作用の欄で説明したように、破断溝９が切れて電流が遮断された。
【００２６】
比較のために、電極群の極板を、図８に示すように、破断溝のない構造とする以外、前記の実施例の電池し同じようにしてリチウムイオン二次電池を試作して、この電池の過充電特性を測定した。その結果は、前記の作用の欄で説明したように、図２に示す特性で、電池温度が上昇を続けて外装缶が破壊された。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の電池は、極めて簡単な構造で、ＰＴＣ素子のように特別な素子を使用することなく、過大な電流が流れたときに確実に電流を遮断できる特長がある。それは、本発明の電池が、外装缶に接続される極板に破断溝を設けているからである。破断溝のある極板は、電池に過電流が流れるとストレスで破断される。電池に過電流が流れると、電極群は膨張する。電極群と共に外装缶も膨張する。さらに、大電流で過充電されるガスも発生して、極板に大きなストレスを作用させる。このストレスは極板を破断溝で切断して、電流を確実に遮断する。
【００２８】
極板を破断溝で切断して、電流を遮断する本発明の電池は、いったん異常モードになると確実に電流を遮断して使用できなくなる。従来の電池のように、異常モードになって電流を遮断された後に、電池温度が低下するなどの状態となっても、電流が流れることがない。このため、異常モードで確実に電流を遮断して、しかも電流を遮断する状態に保持して使用不可能にし、安全を確保できる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流遮断機能を有する電池の電流、温度特性を示すグラフ
【図２】従来の電池の電流、温度特性を示すグラフ
【図３】本発明の実施例の電流遮断機能を有する電池の断面図
【図４】図３に示す電池の電極群の水平断面図
【図５】図３に示す電池の電極群の背面図
【図６】図３に示す電池の電極群の正面図
【図７】本発明の実施例に係る電池の破断溝付近を示す拡大断面図
【図８】従来の電池の破断溝のない電極板の巻き終わり部を示す拡大断面図
【符号の説明】
１…外装缶
２…電極群              ２Ａ…正極板            ２Ｂ…負極板
２Ｃ…セパレータ
２ａ…露出部
３…負極端子
４…封口板
５…絶縁パッキン
６…集電端子
７…絶縁板
８…接着テープ
９…破断溝
１０…負極タブ
【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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【図８】
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