(57)【要約】【課題】出力電圧が高い電池に釘などの導電体が刺されても、発電要素外での外部短絡による電力消費を確保して、発電要素内における内部短絡による熱の発生を確実に抑制する双極型二次電池を提供する。【解決手段】本発明の双極型電池１は、釘のような導電体５０が貫通したときに、発電要素１０外に配置された外短部材３３、３４または正極・負極導電材１６、１７が貫通方向に変形して、外短部材３３、３４と正極・負極導電材１６、１７が電気的に導通する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体の一面に第一活物質層、他面に第二活物質層が形成された複数の双極型電極がセパレータを介して積層されてなる発電要素と、
前記発電要素を収容する外装体と、
前記発電要素の一方の最外層において前記発電要素と電気的に接続され、前記外装体の外部に導出される第一導電材と、
前記発電要素の他方の最外層において前記発電要素と電気的に接続され、前記外装体の外部に導出される第二導電材と、
前記外装体の内部で前記第一導電材に積層される絶縁部材と、
前記絶縁部材を介して前記第一導電材に積層され、前記第二導電材と電気的に接続される外短部材と、
を有し、
導電体が前記外装体を貫通したときに、前記外短部材または前記第一導電材が貫通方向に変形して、前記外短部材と前記第一導電材が電気的に導通する、双極型二次電池。
【請求項２】
前記外短部材は、前記第二導電材と直接接触し前記絶縁部材を介して前記第一導電材に積層される導電接続材と、前記導電接続材に積層される導電性の導電シートとを有しており、
導電体が貫通したときに、前記導電シートまたは前記第一導電材が貫通方向に変形して、前記導電シートと前記第一導電材が電気的に導通する、請求項１に記載の双極型二次電池。
【請求項３】
前記導電シートは、熱硬化性樹脂と導電粒子を含む、請求項２に記載の双極型二次電池。
【請求項４】
前記第一導電材および前記第二導電材は、融点が６０℃以上３００℃以下、沸点が１３００℃以上、電気抵抗率が１×１０−５Ω・ｍ以下である材料により形成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【請求項５】
前記第一導電材および前記第二導電材は、ウッドメタル、半田、スズ、ビスマス、ガリウム、およびインジウムのうちの少なくとも一つを含む材料により形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【請求項６】
前記第一導電材および前記第二導電材は、厚みが０．０２ｍｍ以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【請求項７】
前記第一導電材および前記第二導電材は、前記集電体よりも電気抵抗が低い、請求項１〜６のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【請求項８】
前記第一導電材および前記第二導電材は、前記セパレータ、前記外装体よりも融点が低い、請求項１〜７のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【請求項９】
前記第一導電材および前記第二導電材は、前記集電体上に形成された前記正極活物質層または前記負極活物質層の塗工面積を全て覆う、請求項１〜８のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【請求項１０】
前記絶縁部材は、前記第一導電材、前記第二導電材よりも厚みが薄い、請求項１〜９のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【請求項１１】
前記導電接続材は、融点が６０℃以上３００℃以下、沸点が１３００℃以上、電気抵抗率が１×１０−５Ω・ｍ以下である材料により形成される、請求項２〜１０のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【請求項１２】
前記導電接続材は、ウッドメタル、半田、スズ、ビスマス、ガリウム、およびインジウムのうちの少なくとも一つを含む材料により形成される、請求項２〜１１のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【請求項１３】
前記導電接続材は、厚みが０．０２ｍｍ以上である、請求項２〜１２のいずれか一項に記載の双極型二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双極型二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の開発が進められている。これらのモータ駆動用電源としては繰り返し充放電可能な二次電池等のモータ駆動用電気デバイスが適している。特に高容量、高出力が期待できるリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。
【０００３】
電気デバイスとしてのリチウムイオン二次電池は、たとえば、発電要素を外装体によって封止して構成されている。発電要素は、正極と、負極と、セパレータとを含んでいる。正極は、集電体の表面に、正極活物質やバインダーを含む電極材が形成されている。負極は、集電体の表面に、負極活物質やバインダーを含む電極材が形成されている。
【０００４】
以上のようなリチウムイオン二次電池は、さらなる高容量化が望まれている。これに伴い、リチウムイオン二次電池に貯蔵される化学エネルギー量が増大するため、安全性の確保がより重要になる。
【０００５】
そのため、一般的に、リチウムイオン二次電池が外部から破壊された場合の安全性を評価する外部破壊試験が行われる。外部破壊試験の一つとして、たとえば、釘刺し試験がある。釘刺し試験とは、平板状の外装体の厚さ方向に導電性の釘（以下、「導電体」と称する）を刺して電池を貫通させ、発電要素内で内部短絡が生じたときの温度上昇、発煙、発火などの現象を観察する試験である。
【０００６】
通常、導電体が電池を貫通することにより発電要素内で内部短絡が生じると、発電要素に大電流が流れる。このとき、ジュール熱が発生し、温度上昇が起こる。また、内部短絡が生じた箇所では、瞬間的なスパークが生じることもあり、これらの発熱により正極活物質の熱分解などが起こることもある。
【０００７】
このような過度な発熱を防止するため、引用文献１では、外装内においてセパレータと負極の間に多孔性絶縁層を設けている。これにより、導電体が発電要素を貫通するとき絶縁層の繊維が巻き込まれて電気抵抗になるとともに、導電体が発電要素を貫通する前に電池の外部に放電されるため、内部短絡に基づくジュール熱が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−５３１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、引用文献１に記載の構成にしたとしても、単電池が電気的に直列接続されて構成される双極型電池のような、出力電圧が高い電池では、導電体が電池を貫通した時の電池外部への放電に際し大電流が流れ、スパークが発生する。そして、このとき生じるジュール熱は非常に大きくなるため、導電体と接触する部材が焼き切れるなどして、電池外部への放電を行う経路が遮断し、電池外部への放電が不十分になる場合がある。その結果、発電要素内での内部短絡による熱の発生を十分に抑制できず、発電要素内の材料の劣化が促進され、電池機能が喪失するおそれがある。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものである。すなわち、出力電圧が高い電池に釘などの導電体が刺されても、発電要素外での外部短絡による電力消費を確保して、発電要素内における内部短絡による熱の発生を確実に抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明は、双極型二次電池である。双極型二次電池は、集電体の一面に第一活物質層、他面に第二活物質層が形成された複数の双極型電極がセパレータを介して積層されてなる発電要素と、前記発電要素を収容する外装体と、前記発電要素の一方の最外層において前記発電要素と電気的に接続され、前記外装体の外部に導出される第一導電材と、前記発電要素の他方の最外層において前記発電要素と電気的に接続され、前記外装体の外部に導出される第二導電材と、前記外装体の内部で前記第一導電材に積層される絶縁部材と、前記絶縁部材を介して前記第一導電材に積層され、前記第二導電材と電気的に接続される外短部材と、を有し、導電体が前記外装体を貫通したときに、前記外短部材または前記第一導電材が貫通方向に変形して、前記外短部材と前記第一導電材が電気的に導通する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、導電体が電池を貫通した時、上記の外短部材または第一導電材が貫通方向に変形して、外短部材と第一導電材が電気的に導通する。これにより、発電要素外での外部短絡による電力消費を確保して、発電要素内における内部短絡による熱の発生を確実に抑制できる。その結果、発熱による電池機能の喪失を防止するとともに安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る電池の全体構造を模式的に示す概略断面図である。
【図２】第１実施形態に係る電池に導電体が貫通したときの状態を示す図である。
【図３Ａ】図２に示す太線枠Ａ内を拡大した図である。
【図３Ｂ】図２に示す太線枠Ｂ内を拡大した図である。
【図４】第２実施形態に係る電池の全体構造を模式的に示す概略断面図である。
【図５】第２実施形態に係る電池に導電体が貫通したときの状態を示す図である。
【図６Ａ】図５に示す太線枠Ａ内を拡大した図である。
【図６Ｂ】図５に示す太線枠Ｂ内を拡大した図である。
【図７】第１実施形態に係る電池の変形例を示す図である。
【図８】第２実施形態に係る電池の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る電池１について説明する。
【００１６】
＜電池１＞
図１は、第１実施形態に係る電池の全体構造を模式的に示す概略断面図である。図１に示すとおり、電池１は、充放電を行う発電要素１０を外装体２０の内部に密封した構造を有する。
【００１７】
発電要素１０は、一枚の集電体（集電箔）１１の一方の面に正極電極１２が形成され他方の面に負極電極１３が形成されてなる双極型電極１４ａが、セパレータ１５を介して複数直列に積層されて構成される。したがって、発電要素１０は、セパレータ１５を挟んで設けられた一対の正極電極１２および負極電極１３からなる単電池１４ｂが、電気的に直列接続された構造ともいえる。このように、第１実施形態の電池１は、いわゆる双極型とよばれる構造の電池である。なお、図１に示す例では、５層分の単電池１４ｂが積層されているが、これに限定されず、所望する出力電圧に応じて調整してよい。
【００１８】
集電体１１は、高分子材料を含む集電箔と、導電性を有する導電材とによって構成されている。たとえば、集電体１１は、導電材が集電箔上に配置される構造としてもよいし、二枚の集電箔の間に導電材を挟む構造としてもよい。ここで、高分子材料は必ずしも導電性を有している必要はないが、集電箔全体では、集電箔としての機能を果たすために導電性を有していなければならない。したがって、高分子材料が導電性を持たない場合には、集電箔には、高分子材料の他に、導電性を有する導電性フィラー（導電性粒子）が当然に含まれる。
【００１９】
導電性フィラーとしては、導電性を有するが、電荷移動媒体として用いられるイオンに関しては伝導性を有さない材料から選択される。当然のことながら、導電性フィラーは、印加される正極電位および負極電位に耐えうる材料から選択されなければならない。導電性フィラー（導電性粒子）は、金属粒子およびカーボン粒子の少なくともいずれかであり、たとえば、アルミニウム粒子、ＳＵＳ粒子、銀粒子、金粒子、銅粒子、チタン粒子、カーボン粒子、カーボンナノチューブなどが用いられる。
【００２０】
また、高分子材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリロニトリル、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、またはこれらの混合物である。
【００２１】
なお、複数の集電体１１のうち最外層に位置する集電体を、以下では最外層集電体１１ａ、１１ｂと称する。ただし、電池１の正極側の最外層集電体を正極側最外層集電体１１ａとし、負極側の最外層集電体を負極側最外層集電体１１ｂとして区別する。
【００２２】
正極側最外層集電体１１ａは、図１に示すとおり、最外層の正極電極１２を介して、正極導電材１６に接合している。また、負極側最外層集電体１１ｂは、最外層の負極電極１３を介して、負極導電材１７に接合している。なお、この構成に限定されず、正極側最外層集電体１１ａは、片面のみに負極電極１３が形成される構成としてもよい。この場合、最外層の正極電極１２は設けられず、正極側最外層集電体１１ａは、直接、正極導電材１６に接合される。また、負極側最外層集電体１１ｂについても、片面のみに正極電極１２が形成される構成としてもよい。この場合、最外層の負極電極１３は設けられず、負極側最外層集電体１１ｂは、直接、負極導電材１７に接合される。
【００２３】
正極電極１２は、正極活物質、導電助剤、バインダー、支持塩（リチウム塩）などを含む正極活物質層が形成されている。
【００２４】
正極電極１２に含まれる正極活物質は、電極反応において正極電極１２と負極電極１３との間を往来する物質（イオン）を蓄積および放出できる正極材料である。たとえば、電池１がリチウムイオン二次電池である場合には、リチウム−遷移金属複合酸化物が好ましく、正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ２Ｏ４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などが挙げられる。この他、ＬｉＦｅＰＯ４などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物、Ｖ２Ｏ５、ＭｎＯ２、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＭｏＯ３などの遷移金属酸化物や硫化物、ＰｂＯ２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどが挙げられる。また、場合によっては、二種以上の正極活物質が併用されてもよい。
【００２５】
正極電極１２に含まれる導電助剤は、正極活物質の導電性を改善する機能を有し、たとえば、黒鉛などのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）などの種々の炭素繊維により構成される。
【００２６】
正極電極１２に含まれるバインダーは、集電体１１と正極電極１２との結着材としての機能を有する。たとえば、バインダーとしては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、またはこれらの混合物が挙げられる。
【００２７】
正極電極１２に含まれる支持塩は、支持電解質としての機能を有する。たとえば、支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ（ＬｉＢＥＴＩ）、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎなどが挙げられる。
【００２８】
負極電極１３は、負極活物質、導電助剤、バインダー、支持塩などを含む負極活物質層が形成されている。
【００２９】
負極電極１３に含まれる負極活物質は、電極反応において正極電極１２と負極電極１３との間を往来する物質（イオン）を蓄積および放出できる負極材料である。たとえば、負極活物質としては、炭素材料が好ましい。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛系炭素材料（黒鉛）、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどが挙げられる。より好ましくは、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などの黒鉛である。天然黒鉛は、たとえば、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛などが使用できる。人造黒鉛としては塊状黒鉛、気相成長黒鉛、鱗片状黒鉛、繊維状黒鉛が使用できる。これらの中で、特に好ましい材料としては、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛である。鱗片状黒鉛、塊状黒鉛を用いた場合、充填密度が高くなるため、特に有利である。また、場合によっては、二種以上の負極活物質が併用されてもよい。
【００３０】
負極電極１３に含まれる導電助剤は、負極活物質の導電性を改善する機能を有し、たとえば、黒鉛などのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）などの種々の炭素繊維により構成される。
【００３１】
負極電極１３に含まれるバインダーは、集電体１１と負極電極１３との結着材としての機能を有し、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）によって構成されている。また、ポリフッ化ビニリデンのような溶剤系バインダー以外に、ポリマー微粒子、ゴム材料を水に分散させた水系バインダー（たとえば、スチレン−ブタジエンゴム）を用いてもよい。
【００３２】
負極電極１３に含まれる支持塩は、支持電解質としての機能を有する。たとえば、負極電極１３の支持塩には、正極電極１２に含まれる支持塩と同一の物質が用いられる。
【００３３】
セパレータ１５は、正極電極１２と負極電極１３の間に設けられ、正極電極１２と負極電極１３を電気的に隔離している。セパレータ１５は、正極電極１２と負極電極１３との間に電解液を保持して、イオンの伝導性を担保している。たとえば、セパレータ１５は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン製の多孔質膜、セラミック製の多孔質膜などを用いる。また、耐熱性を有するアラミドなどを用いてもよい。
【００３４】
正極導電材１６は、図１に示すように、発電要素１０の一方の最外層において発電要素１０と電気的に接続されつつ、外装体２０の外部に導出される。たとえば、正極導電材１６には、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、ステンレス鋼、これらの合金などを用いる。
【００３５】
負極導電材１７は、図１に示すように、発電要素１０の他方の最外層において発電要素１０と電気的に接続されつつ、外装体２０の外部に導出される。たとえば、負極導電材１７には、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、ステンレス鋼、これらの合金などを用いる。
【００３６】
また、発電要素１０は、集電体１１の外周縁と接するシール部１８を有している。シール部１８は、絶縁性のシール材によって形成してある。シール部１８は、集電体１１の外周部である端部に固定されると共に、二つのセパレータ１５の間に配置される。シール部１８は、発電要素１０において隣り合う集電体１１同士の接触や、単電池１４ｂの端部のわずかな不揃いに起因する短絡を防止する。
【００３７】
電解液は、非水（系）電解液である。電解液を介して正極電極１２と負極電極１３の間をイオンが移動することで、発電要素１０の電気が充放電される。たとえば、電解液は、有機溶媒に支持塩であるリチウム塩等が溶解した形態である。有機溶媒としては、支持塩を十分に溶解させ得るものであればよく、たとえば、（１）プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどの環状カーボネート類、（２）ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、（３）テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジブトキシエタン等のエーテル類、（４）γ−ブチロラクトン等のラクトン類、（５）アセトニトリル等のニトリル類、（６）プロピオン酸メチル等のエステル類、（７）ジメチルホルムアミド等のアミド類、（８）酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから一種類または二種以上を混合した非プロトン性溶媒等の可塑剤などが挙げられる。これら有機溶媒は、単独で用いても二種類以上を組み合わせて用いてもよい。支持塩としては、従来公知のものが用いられる。たとえば、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ（ＬｉＢＥＴＩ）、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ等が用いられる。
【００３８】
また、正極導電材１６の外側（外装体２０側）には、少なくとも絶縁部材３１ａが積層される。図１に示す例では、正極導電材１６の外側には、導電材３２ａおよび絶縁部材３１ａが積層されている。そして、絶縁部材３１ａのさらに外側には、外短部材３３が積層される。すなわち、正極導電材１６には、少なくとも絶縁部材３１ａを介して外短部材３３が積層される。
【００３９】
絶縁部材３１ａは、正極導電材１６と外短部材３３の接触を防止し、電気的に隔てる。絶縁部材３１ａには、絶縁性、個体電解質の脱落に対するシール性（密封性）や外部からの水分の透湿に対するシール性、電池動作温度下での耐熱性などを有する材料が用いられる。たとえば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられる。特に、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ（製膜性）、経済性などの観点から、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂を使用することが好ましい。
【００４０】
導電材３２ａは、正極導電材１６と絶縁部材３１ａの間に配置される。導電材３２ａには、たとえば、導電性を有する金属または高分子が用いられる。
【００４１】
外短部材３３は、釘刺し時に外装体２０の外部へ放電を行うために設けられた部材である。第１実施形態では、図１に示すとおり、外短部材３３は、負極導電材１７と電気的に直接接続する導電接続材３３ａからなる。なお、外短部材３３は、電池本来の機能である充放電が行われる際には、絶縁部材３１ａによって発電要素１０とは電気的に隔てられている。
【００４２】
また、負極導電材１７の外側（外装体２０側）には、少なくとも絶縁部材３１ｂが積層される。図１に示す例では、負極導電材１７の外側には、導電材３２ｂおよび絶縁部材３１ｂが積層されている。そして、絶縁部材３１ｂのさらに外側には、外短部材３４が積層される。すなわち、負極導電材１７には、少なくとも絶縁部材３１ｂを介して外短部材３４が積層される。
【００４３】
絶縁部材３１ｂは、負極導電材１７と外短部材３４の接触を防止し、電気的に隔てる。絶縁部材３１ｂには、絶縁性、個体電解質の脱落に対するシール性（密封性）や外部からの水分の透湿に対するシール性、電池動作温度下での耐熱性などを有する材料が用いられる。たとえば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられる。特に、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ（製膜性）、経済性などの観点から、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂を使用することが好ましい。
【００４４】
導電材３２ｂは、負極導電材１７と絶縁部材３１ｂの間に配置される。導電材３２ｂには、たとえば、導電性を有する金属または高分子が用いられる。
【００４５】
外短部材３４は、釘刺し時に外装体２０の外部へ放電を行うために設けられた部材である。第１実施形態では、図１に示すとおり、外短部材３４は、正極導電材１６と電気的に直接接続する導電接続材３４ａからなる。なお、外短部材３４は、電池本来の機能である充放電が行われる際には、絶縁部材３１ｂによって発電要素１０とは電気的に隔てられている。
【００４６】
外装体２０は、たとえば、内部に金属板を備えたラミネートシートから構成され、発電要素１０を両側から被覆して封止する。これにより、外装体２０は、発電要素１０を収容する。
【００４７】
なお、第１実施形態では、正極導電材１６、負極導電材１７、導電接続材３３ａ、３４ａには、それぞれ、他の部材（外装体２０、絶縁部材３１ａ、３１ｂ、導電材３２ａ、３２ｂ、発電要素１０など）よりも溶融しやすい金属（低溶融金属）が用いられる。たとえば、正極導電材１６、負極導電材１７、導電接続材３３ａ、３４ａは、融点が６０℃以上３００℃以下、沸点が１３００℃以上、電気抵抗率が１×１０−５Ω・ｍ以下である材料により形成される。具体的には、正極導電材１６、負極導電材１７、導電接続材３３ａ、３４ａは、ウッドメタル、半田、スズ、ビスマス、ガリウム、およびインジウムのうちの少なくとも一つを含む材料により形成される。また、好ましくは、正極導電材１６、負極導電材１７、導電接続材３３ａ、３４ａは、厚みが０．０２ｍｍ以上あるとよい。
【００４８】
第１実施形態に係る電池１は、以上のような構成を有する。
【００４９】
次に、第１実施形態に係る電池１に釘などの導電体が貫通したときの動作について、図２、３Ａ、３Ｂを参照して説明する。
【００５０】
図２は、第１実施形態に係る電池に導電体が貫通したときの状態を示す図である。また、図３Ａは、図２に示す太線枠Ａ内を拡大した図である。また、図３Ｂは、図２に示す太線枠Ｂ内を拡大した図である。
【００５１】
釘刺し試験等が実施される際には、図２に示すように、導電体５０が電池１を貫通する。このとき、導電体５０を介して、外短部材３３と正極導電材１６が短絡（外部短絡）するとともに、外短部材３４と負極導電材１７も短絡（外部短絡）する。そのため、導電体５０には大電流が流れ、スパークが発生する場合もある。
【００５２】
ここで、図３Ａに示すように、導電接続材３３ａは、溶融しやすい金属（低溶融金属）であるため、導電体５０に生じたジュール熱により溶融して、導電体５０との摩擦力によって貫通方向に変形する。これにより、導電接続材３３ａと正極導電材１６が直接接触するようになり、導電体５０を介さなくても電気的に導通した状態となる。
【００５３】
また、図３Ｂに示すように、負極導電材１７も、溶融しやすい金属（低溶融金属）であるため、導電体５０に生じたジュール熱により溶融して、導電体５０との摩擦力によって貫通方向に変形する。これにより、負極導電材１７と導電接続材３４ａが直接接触するようになり、導電体５０を介さなくても電気的に導通した状態となる。
【００５４】
また、図２、３には示していないが、導電体５０が逆方向から貫通した場合には、太線枠Ａ内では、正極導電材１６が導電体５０の貫通方向に変形して、導電接続材３３ａと正極導電材１６が電気的に導通する。太線枠Ｂ内では、導電接続材３４ａが導電体５０の貫通方向に変形して、負極導電材１７と導電接続材３４ａが電気的に導通する。
【００５５】
以上のように、第１実施形態では、電池１を貫通した導電体５０に大きなジュール熱が発生したとしても、太線枠Ａ内において、外装体２０の外部へ放電するための経路（外部短絡状態）を維持できる。これは、その導電体５０の貫通方向によらない。すなわち、太線枠Ａ内において、導電体５０が外装体２０の外側へ向かって貫通するか、内側へ向かって貫通するかによらず、外部短絡状態を維持できる。さらに、太線枠Ｂ内においても、外装体２０の外部へ放電するための経路（外部短絡状態）を維持できる。これも、その導電体５０の貫通方向によらない。すなわち、太線枠Ｂ内において、導電体５０が外装体２０の外側へ向かって貫通するか、内側へ向かって貫通するかによらず、外部短絡状態を維持できる。このように、第１実施形態では、導電体５０の貫通方向によらず、外部短絡状態を維持できるため、電池１に導電体５０が刺されたとき、電池１に蓄電された電力を確実に外装体２０の外部に放電できる。したがって、導電体５０の先端が発電要素１０に到達するときには、既に外部への放電が完了しており、導電体５０が貫通して発電要素１０において内部短絡が生じても、発電要素１０内に大電流は流れない。よって、発電要素１０の内部短絡によって大きなジュール熱が発生することもない。このように、第１実施形態の電池１では、発電要素１０外での外部短絡による電力消費が確保され、発電要素１０内での内部短絡によるジュール熱の発生が抑制される。したがって、電池機能の喪失を防止でき、安全性も確保できる。
【００５６】
また、第１実施形態に係る電池１では、外短部材３３、３４や絶縁部材３１ａ、３１ｂが外装体２０によってカバーされているため、外装体２０の表層にダメージを受けても壊れにくい。
【００５７】
また、第１実施形態に係る電池１では、正極導電材１６と絶縁部材ａの間、および、負極導電材１７と絶縁部材３１ｂの間に、それぞれ、導電材３２ａ、３２ｂが配置されている。導電材３２ａ、３２ｂの厚みがある分、釘刺しを開始してから導電体（釘）の先端が発電要素１０に到達するまでの時間を確保できる。そのため、導電体（釘）が発電要素１０に到達するまでに確実に外短部材３３、３４を介して放電できる。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る電池１について説明する。以下では、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５９】
図４は、第２実施形態に係る電池の全体構造を模式的に示す概略断面図である。図４に示すように、第２実施形態では、外短部材３３は、負極導電材１７と直接接触する導電接続材３３ａの他に、導電シート３３ｂを有している。また、外短部材３４は、正極導電材１６と直接接触する導電接続材３４ａの他に、導電シート３４ｂを有している。これらの導電シート３３ｂ、３４ｂが設けられている点が、第１実施形態とは異なる。
【００６０】
導電シート３３ｂは、図４に示すように、導電接続材３３ａの外側（外装体２０側）に積層される。導電シート３３ｂは、導電性を有しており、熱硬化性樹脂と導電粒子を含む。たとえば、導電シート３３ｂには、ベークライト樹脂が用いられる。
【００６１】
導電シート３４ｂは、図４に示すように、導電接続材３４ａの外側（外装体２０側）に積層される。導電シート３４ｂは、導電性を有しており、熱硬化性樹脂と導電粒子を含む。たとえば、導電シート３４ｂには、ベークライト樹脂が用いられる。
【００６２】
なお、第２実施形態に係る導電接続材３３ａ、３４ａには、第１実施形態のような溶融しやすい金属（低溶融金属）を用いる必要はない。
【００６３】
次に、第２実施形態に係る電池１に釘などの導電体が貫通したときの動作について、図５、６Ａ、６Ｂを参照して説明する。
【００６４】
図５は、第２実施形態に係る電池に導電体が貫通したときの状態を示す図である。また、図６Ａは、図５に示す太線枠Ａ内を拡大した図である。また、図６Ｂは、図５に示す太線枠Ｂ内を拡大した図である。
【００６５】
釘刺し試験等が実施される際には、図５に示すように、導電体５０が電池１を貫通する。このとき、導電体５０を介して、外短部材３３と正極導電材１６が短絡（外部短絡）するとともに、外短部材３４と負極導電材１７も短絡（外部短絡）する。そのため、導電体５０には大電流が流れ、スパークが発生する場合もある。
【００６６】
ここで、図６Ａに示すように、導電シート３３ｂは、変形しやすい材料であるため、導電体５０に連動して貫通方向に変形する。これにより、導電接続材３３ａの代わりに導電シート３３ｂが正極導電材１６と直接接触するようになり、第１実施形態と同様に外短部材３３と正極導電材１６は導電体５０を介さなくても電気的に導通した状態となる。
【００６７】
また、図６Ｂに示すように、負極導電材１７は、溶融しやすい金属（低溶融金属）であるため、導電体５０に生じたジュール熱により溶融して、導電体５０との摩擦力によって貫通方向に変形する。これにより、負極導電材１７と外短部材３４が直接接触するようになり、導電体５０を介さなくても電気的に導通した状態となる。
【００６８】
また、図５、６には示していないが、導電体５０が逆方向から貫通した場合には、太線枠Ａ内では、正極導電材１６が導電体５０の貫通方向に変形して、外短部材３３と正極導電材３３ａが電気的に導通する。太線枠Ｂ内では、導電接続材３４ａの代わりに導電シート３４ｂが導電体５０の貫通方向に変形して、負極導電材１７と外短部材３４が電気的に導通する。
【００６９】
以上のように、第２実施形態では、電池１を貫通した導電体５０に大きなジュール熱が発生したとしても、太線枠Ａ内において、外装体２０の外部へ放電するための経路（外部短絡状態）を維持できる。これは、その導電体５０の貫通方向によらない。すなわち、太線枠Ａ内において、導電体５０が外装体２０の外側へ向かって貫通するか、内側へ向かって貫通するかによらず、外部短絡状態を維持できる。さらに、太線枠Ｂ内においても、外装体２０の外部へ放電するための経路（外部短絡状態）を維持できる。これも、その導電体５０の貫通方向によらない。すなわち、太線枠Ｂ内において、導電体５０が外装体２０の外側へ向かって貫通するか、内側へ向かって貫通するかによらず、外部短絡状態を維持できる。このように、第２実施形態では、導電体５０の貫通方向によらず、外部短絡状態を維持できるため、電池１に導電体５０が刺されたとき、電池１に蓄電された電力を確実に外装体２０の外部に放電できる。したがって、導電体５０の先端が発電要素１０に到達するときには、既に外部への放電が完了しており、導電体５０が貫通して発電要素１０において内部短絡が生じても、発電要素１０内に大電流は流れない。よって、発電要素１０の内部短絡によって大きなジュール熱が発生することもない。このように、第２実施形態の電池１においても、発電要素１０外での外部短絡による電力消費が確保され、発電要素１０内での内部短絡によるジュール熱の発生が抑制される。したがって、電池機能の喪失を防止でき、安全性も確保できる。
【００７０】
また、第２実施形態に係る電池１では、外短部材３３、３４や絶縁部材３１ａ、３１ｂが外装体２０によってカバーされているため、外装体２０の表層にダメージを受けても壊れにくい。
【００７１】
また、第２実施形態に係る電池１では、正極導電材１６と絶縁部材ａの間、および、負極導電材１７と絶縁部材３１ｂの間に、それぞれ、導電材３２ａ、３２ｂが配置されている。導電材３２ａ、３２ｂの厚みがある分、釘刺しを開始してから導電体（釘）の先端が発電要素１０に到達するまでの時間を確保できる。そのため、導電体（釘）が発電要素１０に到達するまでに確実に外短部材３３、３４を介して放電できる。
【００７２】
また、第２実施形態では、導電接続材３３ａ、３４ａの代わりに導電シート３３ｂ、３４ｂを導電体５０の貫通方向に変形させている。そのため、導電接続材３３ａ、３４ａには、耐熱性の高い材料を使用することができ、電池本来の機能である充放電が行われる際に発電要素１０や正極、負極導電材１６、１７に生じた熱を受けて変形、破損などすることがない。
【００７３】
＜変形例＞
上記実施形態は、本発明の要旨を例示することを意図し、本発明を限定するものではない。多くの代替物、修正、変形例は当業者にとって明らかである。変形例としては、以下のようなものがある。
【００７４】
たとえば、上記各実施形態では、正極導電材１６と絶縁部材３１ａの間に導電材３２ａが配置され、負極導電材１７と絶縁部材３１ｂの間に導電材３２ｂが配置されている。しかし、本発明は、必ずしも導電材３２ａ、３２ｂを配置する必要はない。
【００７５】
図７は、第１実施形態に係る電池の変形例を示す図である。図７に示すように、第１実施形態に係る電池１（図１に示す電池１）の導電材３２ａ、３２ｂを配置しない構成としてもよい。これにより、第１実施形態に係る電池１の積層方向の厚みを薄型化できるとともに、軽量化できる。
【００７６】
また、図８は、第２実施形態に係る電池の変形例を示す図である。図８に示すように、第２実施形態に係る電池１（図４に示す電池１）の導電材３２ａ、３２ｂを配置しない構成としてもよい。これにより、第２実施形態に係る電池１の積層方向の厚みも薄型化できるとともに、軽量化できる。
【００７７】
また、上記各実施形態では、正極導電材１６と導電材３２ａを別部材として説明しているが、本発明は、これに限定されず、正極導電材１６と導電材３２ａを同一材料によって一体形成してもよい。この場合、導電材３２ａと一体形成された正極導電材１６を、折り畳み構造にしてもよい。また、負極導電材１７と導電材３２ｂについても同様に、同一材料によって一体形成してもよい。この場合、導電材３２ｂと一体形成された負極導電材１７を折り畳み構造にしてもよい。
【００７８】
また、正極導電材１６、負極導電材１７の折り畳み回数を二回以上としてもよい。これにより、正極導電材１６、負極導電材１７の厚みが増し、釘刺しを開始してから導電体（釘）の先端が発電要素１０に到達するまでの時間を確保できる。そのため、導電体（釘）が発電要素１０に到達するまでに確実に外短部材３３、３４を介して放電できる。
【００７９】
また、上記各実施形態では、集電体１１に高分子材料が含まれる例について説明した。そのような集電体１１は、金属材料のみから構成される金属集電体よりも軽量化でき、これにより重量あたりの出力密度を従来の金属集電体よりも高められる。しかし、本発明の集電体１１は、これに限定されず、金属集電体であってもよい。
【００８０】
また、本発明の正極導電材１６および負極導電材１７には、集電体１１よりも電気抵抗が低い金属材が用いられてもよい。このような性質の正極導電材１６および負極導電材１７が採用されることにより、電池１に導電体５０が刺されたときに、発電要素１０ではなく、正極導電材１６および負極導電材１７に電流が流れ、外部への放電を容易にする。
【００８１】
また、本発明の正極導電材１６および負極導電材１７には、セパレータ１５、外装体２０よりも融点が低い材料が用いられることが好ましい。そのため、セパレータ１５および外装体２０が、正極導電材１６や負極導電材１７よりも先に溶融することはない。したがって、導電体５０が刺されても、電池１の構造が壊れる前に、正極導電材１６または負極導電材１７が熱により変形し、外装体２０の外部への放電が継続されて、発電要素１０内の内部短絡による発熱を抑制できる。
【００８２】
また、本発明の正極導電材１６および負極導電材１７は、集電体１１上に形成された正極活物質層（正極電極１２）または負極活物質層（負極電極１３）の塗工面積を全て覆うようにするとよい。これにより、導電体５０がどの方向から刺されても外部短絡状態を維持でき、発電要素１０内の内部短絡による発熱を抑制できる確率が高まる。
【００８３】
また、本発明の絶縁部材３１ａ、３１ｂは、それぞれ、正極導電材１６、負極導電材１７より厚みを薄くしてもよい（図１〜３、７等）。これにより、釘刺しによって変形した正極導電材１６または負極導電材１７が、絶縁部材３１ａ、３１ｂを介して対向する外短部材３３、３４まで到達しやすくなる。反対に、絶縁部材３１ａ、３１ｂを、それぞれ、正極導電材１６、負極導電材１７より厚くしてもよい（図４〜６、８等）。
【００８４】
また、上記各実施形態および変形例では、外短部材３３、３４は、発電要素１０の積層方向の両面（最外層）に形成されている。しかし、本発明は、これに限定されず、外短部材３３、３４のいずれかが、発電要素１０の積層方向の一面側にのみ形成される構成としてもよい。これにより、電池１は、薄型化および軽量化され、製造コストも削減される。
【００８５】
また、上記各実施形態および変形例では、集電体１１の集電箔に含まれる導電性フィラーの例を挙げたが、上記例に限定されない。たとえば、導電性フィラーとして合金粒子が用いられてもよい。また、いわゆるフィラー系導電性樹脂組成物として実用化されている材料を用いることができる。特に、電池において導電助剤としてよく用いられているカーボン粒子が好ましい。というのも、カーボンブラックやグラファイトなどのカーボン粒子は、電位窓が非常に広く、それゆえに、正極電位および負極電位の双方に対して幅広い電位領域において安定であり、導電性にも優れているためである。また、カーボン粒子は、非常に軽量なため、電池全体の質量も最小限に抑えられる。
【００８６】
また、上記各実施形態および変形例では、正極導電材１６および負極導電材１７は、それぞれ、外装体２０の内外にわたって、単一の部材により形成されている。しかし、本発明は、これに限定されず、複数の部材により形成されてもよい。たとえば、外装体２０内部では、集電タブとして従来から使用されている部材を使用し、外装体２０の外部では上記各実施形態の部材を使用してもよい。たとえば、集電タブとしては、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、ステンレス鋼、これらの合金などが使用される。
【００８７】
また、上記各実施形態および変形例では、電池１の例としてリチウムイオン二次電池を挙げている。しかし、導電体５０が電池１を貫通したときに、外短部材３３、３４や、正極導電材１６、負極導電材１７が貫通方向に変形する電池であれば、その名称や構造に依らない。
【００８８】
また、上記各実施形態および変形例では、特に説明していないが、使用時の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素１０は外装体２０に減圧封入される。
【００８９】
また、上記各実施形態および変形例の外装体２０には、断熱材として機能する材料が用いられることが好ましい。
【００９０】
また、上記各実施形態および変形例の電池１を用いて組電池としてもよい。複数個の電池１を、電気的に直列および並列の少なくともいずれかで接続することによって、容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
【００９１】
また、上記各実施形態および変形例の電池１は、そのままの形態で、あるいは上述した組電池の形態で、車両に搭載され得る。車両に搭載された電池１は、たとえば、車両のモータを駆動する電源として用いられる。なお、電池１が車両に搭載される場合には、発電要素１０の位置に対して外短部材３３または３４が、車両の進行方向側に配置されるのが好ましい。
【００９２】
＜実施例１＞
実施例１として、上記第１実施形態において説明した構造の電池１を作製した。具体的には、正極導電材１６および負極導電材１７として、融点が６０℃以上３００℃以下、沸点が１３００℃以上、電気抵抗率が１×１０−５Ω・ｍ以下の低溶融合金に分類される厚み０．２ｍｍのウッドメタルを用いた。また、外短部材３３、３４にも、正極導電材１６および負極導電材１７と同一材料、同一厚みのウッドメタルを用いた。このように作製された電池１に対して、外気温２０℃で釘刺し試験を行ったところ、外短部材３３、３４または正極、負極導電材１６、１７が貫通方向に変形して外部短絡状態が維持され、電池１は電池機能を喪失することなく、良好な結果が得られた。
【００９３】
＜実施例２＞
実施例２として、上記第２実施形態において説明した構造の電池１を作製した。具体的には、導電シート３３ｂ、３４ｂとして、厚み０．６ｍｍのベークライト樹脂を用いた。また、正極導電材１６および負極導電材１７として、融点が６０℃以上３００℃以下、沸点が１３００℃以上、電気抵抗率が１×１０−５Ω・ｍ以下の低溶融合金に分類される厚み０．２ｍｍのウッドメタルを用いた。このように作製された電池１に対して、外気温２０℃で釘刺し試験を行ったところ、導電シート３３ｂ、３４ｂまたは正極、負極導電材１６、１７が貫通方向に変形して外部短絡状態が維持され、電池機能を喪失することなく、良好な結果が得られた。
【００９４】
＜比較例１＞
また、比較例１では、正極導電材１６および負極導電材１７の厚みを０．０１８ｍｍとし、それ以外の部材については上記実施例１と同一の電池１を作製した。このように作製された電池１に対して、外気温２０℃で釘刺し試験を行ったところ、正極導電材１６または負極導電材１７が、蒸発するなどして、絶縁部材３１ａ、３１ｂを介して対向する外短部材３３、３４に到達するまで変形することはなかった。そのため、外部短絡状態を維持できず、内部短絡によるジュール熱が発生し、電池機能が喪失してしまった。なお、正極導電材１６および負極導電材１７の厚みを０．０２ｍｍ以上にすれば、比較例１のような現象がみられることはなかった。
【００９５】
＜比較例２＞
また、比較例２では、正極導電材１６および負極導電材１７の厚みを０．０１８ｍｍとし、それ以外の部材については上記実施例２と同一の電池１を作製した。このように作製された電池１に対して、外気温２０℃で釘刺し試験を行ったところ、正極導電材１６または負極導電材１７が、蒸発するなどして、絶縁部材３１ａ、３１ｂを介して対向する導電シート３３ｂ、３４ｂに到達するまで変形することはなかった。そのため、外部短絡状態を維持できず、内部短絡によるジュール熱が発生し、電池機能が喪失してしまった。なお、正極導電材１６および負極導電材１７の厚みを０．０２ｍｍ以上にすれば、比較例２のような現象がみられることはなかった。
【００９６】
以上のことから、上記各実施形態に係る電池１では、正極導電材１６および負極導電材１７の厚みを０．０２ｍｍ以上にすればよいことがわかった。
【符号の説明】
【００９７】
１  電池、
１０  発電要素、
１１  集電体、
１１ａ  正極側最外層集電体、
１１ｂ  負極側最外層集電体、
１２  正極電極、
１３  負極電極、
１４ａ  双極型電極、
１４ｂ  単電池、
１５  セパレータ、
１６  正極導電材、
１７  負極導電材、
１８  シール部、
２０  外装体、
３１ａ、３１ｂ  絶縁部材、
３２ａ、３２ｂ  導電材、
３３、３４  外短部材、
３３ａ、３４ａ  導電接続材、
３３ｂ、３４ｂ  導電シート。
【図１】
2015156323.tif 000003
【図２】
2015156323.tif 000004
【図３Ａ】
2015156323.tif 000005
【図３Ｂ】
2015156323.tif 000006
【図４】
2015156323.tif 000007
【図５】
2015156323.tif 000008
【図６Ａ】
2015156323.tif 000009
【図６Ｂ】
2015156323.tif 000010
【図７】
2015156323.tif 000011
【図８】
2015156323.tif 000012