(57)【要約】【課題】短絡ユニットと壁部との間にスペーサを備えながらも短絡ユニットの機能が損なわれることを防止することができる蓄電装置を提供すること。【解決手段】二次電池１０は、電極組立体１４の両偏平面１４ａと、長側壁１２ｃとの隙間Ｓに、短絡ユニット３０が、その一面を偏平面１４ａに対向させて配置されている。また、隙間Ｓのうち、長側壁１２ｃと短絡ユニット３０の他面との間にスペーサ５０が配置され、スペーサ５０において、短絡ユニット３０の他面（第１金属部材３１）への対向層を第１の金属シート５１ａとした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で層状に重なる電極組立体がケース内に収容され、
前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する偏平面と該偏平面に対向した前記ケースの壁部との隙間に、短絡ユニットが、該短絡ユニットの一面を前記偏平面に対向させて配置された蓄電装置であって、
前記隙間のうち、前記壁部と前記短絡ユニットの他面との間にスペーサが配置され、前記スペーサにおいて、少なくとも前記短絡ユニットの他面への対向層を金属製としたことを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記スペーサは、複数枚のシートを積層して構成されている請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記スペーサは、全て金属シートで構成されている請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記スペーサは、金属シートと樹脂シートを組み合わせて構成されている請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記蓄電装置は二次電池である請求項１〜請求項４のうち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、電極組立体の偏平面と、ケースの壁部との隙間に、短絡ユニットが配置された蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。二次電池としては、シート状の正極電極及び負極電極が、間にセパレータが介在する状態で積層された積層型の電極組立体をケース内に備えたものがある。
【０００３】
このような二次電池においては、ケースに外部から異物が刺さったりすると、その異物によって正極電極と負極電極の間のセパレータが破断し、正極電極と負極電極とがケース内において短絡してしまう虞がある。そして、短絡が発生すると、その短絡部の周辺では熱が発生し、ガスの発生による電池内の圧力上昇など、不具合の原因となる。
【０００４】
そこで、異物が刺さったとき等に電極組立体での熱の発生を防止するために、ケース内に短絡用電極を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のリチウム二次電池は、正極と負極を積層した電極組立体を備えるとともに、その電極組立体の両側に、活物質層を有しないダミー正極、短絡用セパレータ、及びダミー負極を積層したダミー積層体（短絡ユニット）を備える。そして、リチウム二次電池に外部から異物が刺さると、異物は最初にダミー積層体に刺さり、電極組立体での短絡に先立って、ダミー正極とダミー負極とが異物を介して短絡して放電し、電池電圧を低下させることができる。
【０００５】
また、二次電池では、そのケース内に収容された電極組立体の積層方向両端面と、各端面に対向したケースの壁部との間に隙間が生じた場合、樹脂製のスペーサを挿入するものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−８７６００号公報
【特許文献２】特開２００８−１０８４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１のように、電極組立体の積層方向の両側に短絡ユニットが配置された二次電池であっても、その短絡ユニットとケースの壁部との間に隙間が形成される場合がある。この場合、特許文献２のように、スペーサを隙間に挿入することが考えられる。しかし、短絡ユニットと壁部との間にスペーサが挿入された場合、短絡ユニットを速やかに短絡させることができない虞がある。二次電池の評価試験の一つである釘刺し試験を例に挙げて説明すると、釘がケースに刺さり、釘からの荷重がスペーサに加わったとき、スペーサが釘の刺さる方向へ引きずられてしまい、釘と共にスペーサが短絡ユニット内まで入り込んでしまう。その結果、ダミー正極とダミー負極の短絡が遅れたり、放電量に影響を及ぼす虞がある。
【０００８】
本発明は、短絡ユニットと壁部との間にスペーサを備えながらも短絡ユニットの機能が損なわれることを防止することができる蓄電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するための蓄電装置は、正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で層状に重なる電極組立体がケース内に収容され、前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する偏平面と該偏平面に対向した前記ケースの壁部との隙間に、短絡ユニットが、該短絡ユニットの一面を前記偏平面に対向させて配置された蓄電装置であって、前記隙間のうち、前記壁部と前記短絡ユニットの他面との間にスペーサが配置され、前記スペーサにおいて、少なくとも前記短絡ユニットの他面への対向層を金属製としたことを要旨とする。
【００１０】
これによれば、壁部に外部からの圧力が作用したり、壁部に釘が刺さったりして、外部からの荷重がスペーサに加わったとき、スペーサにおける金属製の対向層は、樹脂のように引きずられる様な変形はせず、速やかに破断される。また、荷重を受けて対向層の一部が、短絡ユニット側に引きずられた場合にも、金属層は短絡ユニット内の短絡に悪影響を及ぼすことがない。このため、スペーサが短絡ユニット内にまで破断されずに入り込むことが防止され、外部からの荷重によって短絡ユニットを速やかに短絡させることができ、樹脂製のスペーサを使用した場合よりも速く短絡を発生させることができる。
【００１１】
また、蓄電装置について、前記スペーサは、複数枚のシートを積層して構成されているのが好ましい。
これによれば、シートの積層枚数を調節することで、隙間の長さに応じたスペーサの厚み調節を簡単に行うことができる。
【００１２】
また、蓄電装置について、前記スペーサは、全て金属シートで構成されているのが好ましい。
これによれば、金属シートは、樹脂シートに比べると、外部からの荷重に引きずられる様な変形が小さい。よって、スペーサを全て金属製のシートとすることで、スペーサが、より速やかに破断され、短絡ユニットを速やかに短絡させることができる。
【００１３】
また、蓄電装置について、前記スペーサは、金属シートと樹脂シートを組み合わせて構成されていてもよい。
これによれば、樹脂シートは、金属シートより軽量であるため、スペーサを構成するシートの全てを金属シートとする場合と比べて、スペーサを軽量化することができる。
【００１４】
前記蓄電装置は二次電池である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、短絡ユニットと壁部との間にスペーサを備えながらも短絡ユニットの機能が損なわれることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】二次電池を示す分解斜視図。
【図２】二次電池内の構成要素を示す分解斜視図。
【図３】（ａ）は二次電池内を示す断面図、（ｂ）は短絡ユニット及びスペーサを示す部分拡大断面図。
【図４】（ａ）は二次電池内を示す断面図、（ｂ）は短絡ユニット及びスペーサを示す部分拡大断面図。
【図５】別例の二次電池内を示す部分拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態について、図１〜図４に従って説明する。
図１、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、二次電池１０は、四角箱状のケース１１に電極組立体１４及び電解液が収容されて構成されている。ケース１１は、有底四角箱状のケース本体１２と、当該ケース本体１２に電極組立体１４を挿入する開口部を閉塞する平板状の蓋体１３とからなる。ケース本体１２と蓋体１３は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。また、二次電池１０は、ケース本体１２が有底四角箱状であり、蓋体１３が矩形平板状であることから、その外観が角型をなす角型電池である。また、この実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池である。
【００１８】
ケース本体１２は、矩形状の底板１２ａと、底板１２ａの短側縁から立設された一対の短側壁１２ｂと、底板１２ａの長側縁から立設された一対の長側壁１２ｃを備える。ケース１１において、短側壁１２ｂ及び長側壁１２ｃの開口端は蓋体１３に接合されている。
【００１９】
図２に示すように、電極組立体１４は、複数の正極電極２１と、複数の負極電極２４とが間にセパレータ２７を介在させた状態で層状に重ねられて構成されている。正極電極２１は、矩形状の正極用金属箔（本実施形態ではアルミニウム箔）２２と、その正極用金属箔２２の両面（表面）に設けられた矩形状の正極用活物質層２３と、を有する。正極電極２１は、その一辺に沿って、正極用活物質層２３の設けられていない正極側未塗工部２２ｄを有する。そして、正極電極２１において、正極側未塗工部２２ｄの一辺の一部には、正極集電タブ２２ｆが突出する状態に設けられている。
【００２０】
負極電極２４は、矩形状の負極用金属箔（本実施形態では銅箔）２５と、その負極用金属箔２５の両面（表面）に設けられた矩形状の負極用活物質層２６と、を有する。負極電極２４は、その一辺に沿って、負極用活物質層２６の設けられていない負極側未塗工部２５ｄを有する。そして、負極電極２４において、負極側未塗工部２５ｄの一辺の一部には、負極集電タブ２５ｆが突出する状態に設けられている。負極電極２４は、正極電極２１よりも一枚多く、電極組立体１４の両端には、負極電極２４が配置されている。
【００２１】
図１に示すように、正極電極２１及び負極電極２４は、正極集電タブ２２ｆが積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極集電タブ２２ｆと重ならない位置にて負極集電タブ２５ｆが積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。そして、各正極集電タブ２２ｆは、電極組立体１４における積層方向の一端から他端までの範囲内で集められた（束ねられた）状態で折り曲げられている。各正極集電タブ２２ｆが重なっている箇所を溶接することによって各正極集電タブ２２ｆが電気的に接続されるとともに、正極集電タブ２２ｆに正極端子１６が接続されている。各負極集電タブ２５ｆが重なっている箇所を溶接することによって各負極集電タブ２５ｆが電気的に接続されるとともに、負極集電タブ２５ｆに負極端子１７が接続されている。正極端子１６及び負極端子１７は、蓋体１３を貫通してケース１１外に突出している。正極端子１６及び負極端子１７は絶縁リング１５によって蓋体１３と絶縁されている。
【００２２】
図１、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、電極組立体１４において、積層方向の両端の偏平面１４ａと、両偏平面１４ａに対向するケース本体１２の両長側壁１２ｃの内面１２ｄとの間の隙間Ｓには、短絡ユニット３０及びスペーサ５０が介装されている。よって、本実施形態では、長側壁１２ｃが偏平面１４ａと対向するケース１１の壁部を構成する。
【００２３】
短絡ユニット３０は、矩形状及びアルミニウム箔製の第１金属部材３１、矩形状の絶縁部材３２及び、矩形状及び銅箔製の第２金属部材３３を有している。そして、電極組立体１４の偏平面１４ａから長側壁１２ｃに向けて、第２金属部材３３、絶縁部材３２、及び第１金属部材３１の順で積層されている。
【００２４】
第１金属部材３１は、絶縁部材３２を間に挟んで第２金属部材３３と対向する矩形状の第１本体部３１ａと、第２金属部材３３と対向しない第１タブ部３１ｂとを有する。すなわち、第１タブ部３１ｂは、第１本体部３１ａの一辺の一部から突出する状態に設けられている。第２金属部材３３は、絶縁部材３２を間に挟んで第１金属部材３１と対向する矩形状の第２本体部３３ａと、第１金属部材３１と対向しない第２タブ部３３ｂとを有する。第２タブ部３３ｂは、第２本体部３３ａの一辺の一部から突出する状態に設けられている。なお、第１金属部材３１は、電極組立体１４における正極電極２１の正極用金属箔２２と同形状のものを使用することができ、第２金属部材３３は、電極組立体１４における負極電極２４の負極用金属箔２５と同形状のものを使用することができる。
【００２５】
短絡ユニット３０における第１金属部材３１は、その第１タブ部３１ｂが、電極組立体１４の正極集電タブ２２ｆと電気的に接続され、正極になっている。一方、第２金属部材３３は、その第２タブ部３３ｂが、電極組立体１４の負極集電タブ２５ｆと電気的に接続され、負極になっている。
【００２６】
短絡ユニット３０において、第２金属部材３３の第２本体部３３ａは、電極組立体１４の偏平面１４ａに対向している。したがって、本実施形態では、第２金属部材３３が短絡ユニット３０の一面を構成している。また、第１金属部材３１と、長側壁１２ｃとの間には、スペーサ５０が配置されている。したがって、本実施形態では、第１金属部材３１が、スペーサ５０に対向した短絡ユニット３０の他面を構成している。
【００２７】
二次電池１０で、電極組立体１４を構成する正極電極２１、負極電極２４、及びセパレータ２７の使用枚数は所定の数に定められているが、数十枚が積層されることにより、各活物質層２３，２６の厚みの製造公差等の影響を受けて、積層方向への長さが異なる。そして、電極組立体１４の偏平面１４ａと、対向する長側壁１２ｃの内面１２ｄとの隙間Ｓの長さが異なる。このため、隙間Ｓに配置されたスペーサ５０も、二次電池１０毎に厚みが異なっている。なお、スペーサ５０の厚みは、電極組立体１４の積層方向に沿った長さである。
【００２８】
次に、スペーサ５０について説明する。
図１に示すように、スペーサ５０は、アルミニウム箔製の金属シート５１を複数枚積層して構成され、金属シート５１の積層枚数を調節してスペーサ５０の厚みを調節し、スペーサ５０の厚みを隙間Ｓの長さに合わせている。各金属シート５１は、矩形状であり、その平面形状は、長側壁１２ｃの平面形状より小さく、かつ電極組立体１４の偏平面１４ａとほぼ同じである。
【００２９】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す二次電池１０では、隙間Ｓの長さが短く、スペーサ５０を２枚の金属シート５１を積層して構成している。そして、スペーサ５０を構成する２枚の金属シート５１のうち、その積層方向一端の第１の金属シート５１ａは、短絡ユニット３０の第１金属部材３１と対向しており、この第１の金属シート５１ａは、スペーサ５０の対向層を構成している。スペーサ５０を構成する２枚の金属シート５１のうち、積層方向他端の第２の金属シート５１ｂは、長側壁１２ｃの内面１２ｄと対向している。
【００３０】
一方、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す二次電池１０では、隙間Ｓの長さが、図３に示す二次電池１０よりも長く、スペーサ５０を４枚の金属シート５１を積層して構成している。そして、４枚の金属シート５１のうち、積層方向一端の第１の金属シート５１ａが短絡ユニット３０の第１金属部材３１に対向し、この第１の金属シート５１ａは、スペーサ５０の対向層を構成している。また、スペーサ５０を構成する４枚の金属シート５１のうち、積層方向他端の第２の金属シート５１ｂが長側壁１２ｃの内面１２ｄに対向している。
【００３１】
そして、電極組立体１４の積層方向両側の隙間Ｓにスペーサ５０及び短絡ユニット３０が配置されるとともに、両スペーサ５０によって、電極組立体１４は、その積層方向に沿ったケース１１内での移動が規制されるとともに、積層方向に拘束されている。
【００３２】
次に、二次電池１０の作用を、評価試験の一つである釘刺し試験を例に記載する。
二次電池１０の長側壁１２ｃに対し釘が刺さると、その釘が、第２の金属シート５１ｂからスペーサ５０を貫通する。その結果、釘が、短絡ユニット３０の第１金属部材３１を速やかに突き破り、さらに、絶縁部材３２を速やかに突き破る。これにより、第１金属部材３１と第２金属部材３３とが互いに電気的に接続され、短絡するとともに、二次電池１０の電極組立体１４に蓄えられた電気が短絡ユニット３０内で放電される。
【００３３】
仮に、釘がスペーサ５０を貫通するにあたり、特に第１の金属シート５１ａの一部が引きずられ、短絡ユニット３０内に入り込んだとしても、第１の金属シート５１ａは良導体のアルミニウム製であるため、短絡ユニット３０内では、第１の金属シート５１ａの引きずりが無い場合と同様に、放電が行われる。
【００３４】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）短絡ユニット３０と長側壁１２ｃとの間にスペーサ５０を備える二次電池１０において、スペーサ５０の第１の金属シート５１ａが、短絡ユニット３０の第１金属部材３１に対向している。この第１の金属シート５１ａは、外部からの荷重が加わったとき、破断される。第１の金属シート５１ａの一部が、短絡ユニット３０側に引きずられた場合にも、第１の金属シート５１ａは良導体であるアルミニウム箔製であるため、短絡ユニット３０内の短絡に悪影響を及ぼすことがない。このため、その第１の金属シート５１ａが対向する第１金属部材３１も、荷重によって速やかに破断され、第１金属部材３１と第２金属部材３３を速やかに短絡させることができ、樹脂製のスペーサを使用した場合よりも速く短絡を発生させることができるとともに、放電量に影響を及ぼすこともない。
【００３５】
（２）スペーサ５０は、全て金属シート５１で構成されている。例えば、同じ枚数のシートを積層したスペーサにおいて、スペーサを全て金属シート５１とする場合と、スペーサを金属シートと樹脂シートを混ぜて構成する場合と、或いは、スペーサを全て樹脂シートで構成する場合とでは、全て金属シート５１で構成されたスペーサ５０の方が熱容量が大きくなる。よって、第１金属部材３１と第２金属部材３３の短絡によって発熱したとき、その熱をスペーサ５０に逃がし、第１金属部材３１及び第２金属部材３３の温度上昇が抑えられる。その結果、短絡ユニット３０で短絡しても隣接する電極組立体１４の温度上昇が抑えられる。したがって、二次電池１０の蓄電機能等に寄与しないスペーサ５０を有効利用することができるとともに、ケース本体１２内においてスペーサ５０の占めるスペースが、蓄電機能に寄与しないデッドスペースにならずに済む。
【００３６】
（３）スペーサ５０は、複数枚の金属シート５１で構成されている。このため、隙間Ｓの長さに合わせて金属シート５１の積層枚数を調節することで、隙間Ｓの長さに応じたスペーサ５０の厚み調節を簡単に行うことができる。また、隙間Ｓを確実にスペーサ５０で埋めることができ、電極組立体１４を積層方向に拘束することができる。
【００３７】
（４）スペーサ５０は、全て金属シート５１で構成されている。金属シート５１は、樹脂シートに比べると、荷重を受けたときの変形が小さく、速やかに破断される。よって、スペーサ５０を全て金属シート５１とすることで、スペーサ５０全体が速やかに破断され、そのスペーサ５０の内側の短絡ユニット３０を速やかに短絡させることができる。
【００３８】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  図５に示すように、スペーサ５０を構成する複数のシートのうち、短絡ユニット３０の他面（第１金属部材３１）に対向するシートのみを金属シート５１とし、この金属シート５１をスペーサ５０の対向層とするとともに、残りのシートを樹脂シート５２とする。
【００３９】
すなわち、スペーサ５０は、金属シート５１と樹脂シート５２を組み合わせて構成されていてもよい。
このように構成した場合、樹脂シート５２は、金属シート５１より軽量であるため、スペーサ５０を構成するシートの全てを金属製とする場合と比べて、スペーサ５０を軽量化することができる。
【００４０】
○  短絡ユニット３０において、電極組立体１４の偏平面１４ａに対向する短絡ユニット３０を第１金属部材３１とし、スペーサ５０に対向する短絡ユニット３０を第２金属部材３３とした場合、スペーサ５０の対向層となる第１の金属シート５１ａは、銅箔としてもよい。残りの金属シート５１はアルミニウム箔製でもよいし、銅箔でもよい。
【００４１】
○  スペーサ５０は、金属シート５１を積層したものでなくてもよく、銅板であったり、アルミニウム板であったり、ステンレス板であったり、１枚の板状であってもよい。この場合、スペーサ５０は、対向する短絡ユニット３０の金属部材３１，３３と同じ金属製とするのが好ましい。また、１枚の板製のスペーサにおいて、短絡ユニット３０への対向層だけを、対向する金属部材３１，３３と同じ金属とし、その他の部位は別の金属としてもよい。
【００４２】
○  スペーサ５０は、金属シート５１を積層したものでなくてもよく、樹脂板に金属製の対向層を設けたものであってもよい。
○  スペーサ５０が１枚の金属シート５１で構成されていてもよい。
【００４３】
○  実施形態では、二次電池１０において、電極組立体１４の積層方向両側の偏平面１４ａと、両長側壁１２ｃとの間にスペーサ５０及び短絡ユニット３０を介装したが、これに限らない。例えば、電極組立体１４の積層方向一方の偏平面１４ａを一方の長側壁１２ｃに接触させ、他方の偏平面１４ａと、他方の長側壁１２ｃとの間だけに短絡ユニット３０及びスペーサ５０を介装してもよい。
【００４４】
○  短絡ユニット３０を、第１金属部材３１、絶縁部材３２、及び第２金属部材３３を一枚ずつ積層して構成したが、第１金属部材３１、絶縁部材３２、及び第２金属部材３３の積層する枚数は適宜変更してもよい。
【００４５】
○  電極組立体１４は積層型としたが、正極電極２１と負極電極２４の間にセパレータ２７を挟んでこれらを層状に捲回した捲回型としてもよい。
○  電極組立体１４を構成する正極電極２１、及び負極電極２４の枚数は適宜変更してもよい。
【００４６】
○  実施形態では、正極電極２１は、正極用金属箔２２の両面に正極用活物質層２３を有するとしたが、正極用金属箔２２の片面のみに正極用活物質層２３を有していてもよい。同様に、負極電極２４は、負極用金属箔２５の両面に負極用活物質層２６を有するとしたが、負極用金属箔２５の片面のみに負極用活物質層２６を有していてもよい。
【００４７】
○  実施形態の構成に加え、ケース本体１２と、電極組立体１４・短絡ユニット３０・スペーサ５０との間に、樹脂製の絶縁フィルムが配置されていてもよい。これによれば、荷重を受けて絶縁フィルムが破断し、一部引きずりが起きた場合にも、絶縁フィルムは金属製のスペーサ５０に留まり、短絡ユニット３０への影響が少なくなる。
【００４８】
○  蓄電装置としてのニッケル水素二次電池や、電気二重層キャパシタとして具体化してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
【００４９】
（イ）前記電極組立体は積層型である蓄電装置モジュール。
【符号の説明】
【００５０】
Ｓ…隙間、１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２ｃ…壁部としての長側壁、１４…電極組立体、１４ａ…偏平面、２１…正極電極、２４…負極電極、２７…セパレータ、３０…短絡ユニット、５０…スペーサ、５１…金属シート、５１ａ…対向層としての第１の金属シート、５２…樹脂シート。
【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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