(57)【要約】  本発明の電池セル１は、可撓性を有する外装体１０の内部に、電解液と、セパレータ８を挟んで正極電極６と負極電極７とが交互に積層された電池要素４と、を有している。電池セル１は、一端が正極電極６と電気的に接続され、他端が外装体１０の外部へ引き出されている正極端子２と、一端が負極電極７と電気的に接続され、他端が外装体１０の外部へ引き出されている負極端子３と、を有している。電池要素４には、正極電極６と負極電極７との積層方向にみて、一対の向かい合う側面に固定部材５が設けられている。
2015002094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する外装体の内部に収容された、セパレータを挟んで正極電極と負極電極とが交互に積層された電池要素と、
前記外装体の内部に収容された電解液と、
一端が前記正極電極と電気的に接続され、他端が前記外装体の外部へ引き出されている正極端子と、
一端が前記負極電極と電気的に接続され、他端が前記外装体の外部へ引き出されている負極端子と、
前記電池要素の、前記正極電極と前記負極電極との積層方向の上方からみて、一対の向かい合う側面にそれぞれ設けられている固定部材と、
を含む電池セル。
【請求項２】
前記固定部材は、積層された前記セパレータと前記正極電極と前記負極電極とを固定している、請求項１に記載の電池セル。
【請求項３】
前記正極電極を挟んで互いに重なり合う前記セパレータは、各周縁部の一部が互いに接合されて、内部に前記正極電極を収容可能な袋状である、請求項１または２に記載の電池セル。
【請求項４】
前記セパレータは、前記正極端子及び前記負極端子が引き出されている方向に平行な方向の熱収縮率が、前記正極端子及び前記負極端子が引き出されている方向に垂直な方向の熱収縮率より小さくなるように形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項５】
前記正極端子及び前記負極端子の幅は、前記積層方向の上方からみて、それぞれが引き出されている前記電池要素の辺の幅より小さい、請求項１から４のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項６】
前記正極端子と前記負極端子とは、前記電池要素の互いに対向する側面からそれぞれ引き出されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項７】
前記電池要素の、前記固定部材が設けられている一対の側面と、前記正極端子及び前記負極端子が引き出されている側面とが異なる、請求項１から６のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項８】
前記電池要素の一対の向かい合う側面に設けられた前記固定部材は、該側面の前記積層方向に延びる一対の辺から該側面の中心にそれぞれ向かって広がる領域に設けられており、前記領域のそれぞれの表面積は該側面の総表面積の２５％以下である、請求項１から７のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項９】
前記電池要素を収容している前記外装体の電池要素収容部の容積は、前記電池要素の体積より１０％以上大きい、請求項１から８のいずれか１項に記載の電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池に用いられる電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器、特に携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラなどの携帯用情報機器の発達や普及に伴い、小型、軽量で、かつエネルギー密度が高い二次電池の需要が大きく伸張している。そのため、二次電池の一層の高性能化の検討がなされている。【０００３】
二次電池の主な構成は、セパレータを挟んで正極電極と負極電極とが交互に積層された電池要素を電解液と共にラミネートフィルム等の外装体で封止した電池セルを複数個積層した組電池を電池パック内部に有する構成である。このような構成の二次電池において、二次電池の過充電等により定格以上の電圧が印加されると、電池セル内の温度が高温になる。電池セル内の温度が高温になり、セパレータの溶解温度に達すると、セパレータが局所的に破断し、正極電極と負極電極との間で短絡が発生して、電解液が分解されて蒸発することにより電池セル内にガスが発生してしまうことがあった。【０００４】
そこで、電池要素から発生したガスを電池要素内に溜めずに電池要素以外の領域に溜めるためのバッファ部を鉛直方向上部に備えた電池セル（フィルム外装電池）が、特許文献１に開示されている。また、電池要素（電極アセンブリー）から発生したガスを電池要素内に溜めずに電池要素以外の領域に溜めるための残留部分を電池要素の側方に備えた電池セル（二次バッテリー）が、特許文献２に開示されている。発生したガスを電池要素から逃がして、電池セル内のバッファ部や残留部分に溜めることによって、正極電極と負極電極とセパレータとが積層されている電池要素の積層状態が保たれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２６５７６２号公報
【特許文献２】特表２００９−５４５８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された発明のように、ガスを電池要素から逃がすためのバッファ部や残留部分にガスを溜め続けても、電池要素内で発生している短絡が解消されないため、電池要素からガスが発生し続ける。その結果として、発生し続けたガスの体積がバッファ部や残留部分の容積を超えてしまい、電池セル内の圧力が急激に高まる。そして、電池セル内が所定の圧力を超えた時点で電池セルが破裂して破損するおそれがあった。或いは、電池セルの一部が破損して、破損部からガスが外部へ漏れるというおそれがあった。【０００７】
そこで本発明の目的は、前記した問題を解決して、電池セル内の電極同士の間に短絡が発生しても、破裂するおそれのある圧力まで電池セル内の圧力が高まらず、短絡時の発熱を抑制しガスの発生を抑制できる電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記した目的を達成するために、本発明の電池セルは、可撓性を有する外装体の内部に収容された、セパレータを挟んで正極電極と負極電極とが交互に積層された電池要素と、外装体の内部に収容された電解液と、一端が正極電極と電気的に接続され他端が外装体の外部へ引き出されている正極端子と、一端が負極電極と電気的に接続され他端が外装体の外部へ引き出されている負極端子と、電池要素の、正極電極と負極電極の積層方向の上方からみて、一対の向かい合う側面にそれぞれ設けられている固定部材と、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、内部短絡時の短絡電流が減少し、発熱を抑制することで電池セル内のガスの発生が抑制され、電池セル内の圧力が高くなり難くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の電池セルを示す平面図である。
【図２】図１に示す実施形態の固定部材と各端子とを備えた電池要素を示す斜視図である。
【図３ａ】図１に示す実施形態の正極電極を示す平面図である。
【図３ｂ】図１に示す実施形態の負極電極を示す平面図である。
【図４】図１に示す実施形態の袋状のセパレータの構成を示す平面図である。
【図５】図１に示す実施形態のセパレータに収容された正極電極と負極電極とを積層する状態を示す平面図である。
【図６】図１に示す実施形態の電池要素を示す斜視図である。
【図７】図１に示す実施形態の電池要素を固定部材で固定した状態を示す斜視図である。
【図８ａ】図１に示す実施形態の外装体の様々な形状を示す斜視図である。
【図８ｂ】図１に示す実施形態の外装体の様々な形状を示す斜視図である。
【図９】図１に示す実施形態の外装体に電池要素を収容する状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態の電池セルを示す斜視図である。
【００１３】
電池セル１は、正極端子２と負極端子３とが引き出されている電池要素４（図２参照）と、電池要素４を内部に収容するラミネートフィルム等から構成される可撓性を有する外装体１０とから構成されている。正極端子２及び負極端子３の、電池セル１の外装体１０の外部に露出している部分は、それぞれ正極端子露出部２ａ及び負極端子露出部３ａを形成している。電池要素４は、図２と図５と図６とに示すように、絶縁性を有する袋状のセパレータ８に収容された正極電極６と、負極電極７とが積層されて形成されている。正極端子２と負極端子３は、電池要素４の互いに対向する側面からそれぞれ引き出されている。
【００１４】
セパレータ８は、正極電極６を挟んで互いに重なり合うシート状のセパレータ材の各周縁部の一部が互いに接合されて、内部に正極電極本体部６ａ（図３ａ参照）を収容可能な袋状になっている。さらに、セパレータ８は、正極集電タブ６ｂ或いは正極端子２が引き出されている方向に平行な方向の熱収縮率が、正極集電タブ６ｂ或いは正極端子２が引き出されている方向に垂直な方向の熱収縮率より小さくなるように構成されている。
【００１５】
電池要素４を収容する外装体１０の電池要素収容部９（図８ａ，８ｂ参照）は、ガスが発生して電池要素４の電極間に入り込み電池要素４が膨張した際に電池要素４を外装体１０が抑制しないように、容積が電池要素４の体積より１０％以上大きくなるように構成されている。正極端子２及び負極端子３は、電池要素４の膨張を妨げないように、平面的にみて、それぞれが引き出されている電池要素４の幅よりも幅が小さくなるように構成されている。
【００１６】
また、図２に示すように、電極の積層方向の上方からみて、電池要素４の一対の向かい合う側面に、積層されたセパレータ８に収容された正極電極６と負極電極７とをずれないように固定するテープ等の固定部材５が設けられている。この固定部材５が設けられている電池要素４の一対の向かい合う側面と、正極端子２及び負極端子３が引き出されている側面とが異なるように、固定部材５が設けられている。また、側面に設けられた固定部材５は、電極の積層方向に延びる一対の辺から当該側面の中心にそれぞれ向かって広がる領域に設けられている。これらの領域が占めるそれぞれの表面積は当該側面の総表面積の２５％以下である。
【００１７】
このように固定部材５が設けられていることで、正極電極６と負極電極７との間に短絡が発生して電解液が蒸発してガスが発生した場合に、電池要素４が膨張しやすい。特に、固定部材５によって抑えられていない部分が膨張しやすい。即ち、電池要素４の中心に対応する電池セル１の中心が膨張しやすい。また、セパレータ８の正極端子２及び負極端子３が引き出されている方向に垂直な方向の熱収縮率が大きく、その方向にセパレータ８が収縮しやすいため、各端子が引き出されている方向からみて、アーチ状に電池要素４及び電池セル１が膨張しやすい。さらに、正極端子２及び負極端子３の幅が、平面的にみて、それぞれが引き出されている電池要素４の幅より小さくなるように構成されていることで、電池セル１の膨張が妨げられにくい。
【００１８】
電池セル１が膨張している状態では、電池セル１内の正極電極６と負極電極７との間にガスが入り込み、正極電極６と負極電極７との間の間隔が広くなっている。正極電極６と負極電極７との間の間隔が広くなっていることによって、正極電極６と負極電極７との間の電気的抵抗が増加し、二極間の短絡電流が減少する。二極間の短絡電流が減少した時点から、電池セル１内のガス発生が抑えられるため、電池セル１の容積を超えるガスが発生しない。そのため、電池セル１が膨張しすぎて電池セル１内の圧力が急激に高まって破裂する可能性が低くなる。同時に、二極間の短絡電流が減少した時点から、短絡による熱エネルギーの発生が抑えられるため、電池セル１の温度上昇を抑制することができる。
【００１９】
以上の構成の電池セル１を製造する工程を説明する。
【００２０】
初めに、図３ａに示すように、アルミニウムから成り、正極活物質が両面に塗布された正極電極本体部６ａと正極活物質が塗布されていない正極集電タブ６ｂとを有する正極電極６が用意される。次に、図３ｂに示すように、銅から成り、負極活物質が両面に塗布された負極電極本体部７ａと負極活物質が塗布されていない負極集電タブ７ｂとを有する負極電極７が用意される。
【００２１】
続いて、図４に示すように、ポリオレフィン等の絶縁性を有する材料から成るシート状のセパレータ材が二枚用意される。そして、収容する正極電極６の正極集電タブ６ｂが外部に露出し、正極電極本体部６ａを内部に収容可能なように、２枚のセパレータ材の三辺が互いに熱溶着されて、正極電極６の正極電極本体部６ａを収容する袋状のセパレータ８が形成される。このとき、袋状のセパレータ８は、正極集電タブ６ｂ或いは正極端子２が引き出されている方向に平行な方向の熱収縮率が、正極集電タブ６ｂ或いは正極端子２が引き出されている方向に垂直な方向の熱収縮率より小さくなるように構成される。尚、袋状のセパレータ８の寸法は、積層した際にずれが生じないように、負極電極７の負極電極本体部７ａの寸法とほぼ等しいことが好ましい。
【００２２】
そして、図５に示すように、袋状のセパレータ８に収容された正極電極６と負極電極７とが交互に積層されて、図６に示すように、扁平状の電池要素４が形成される。このとき、正極電極６の正極集電タブ６ｂと負極電極７の負極集電タブ７ｂとが、電池要素４の互いに対向する側面からそれぞれ引き出されるように正極電極６と負極電極７とが積層される。また、電池要素４の、正極集電タブ６ｂと負極集電タブ７ｂとが引き出されていない一対の側面に、図７に示すように、積層された正極電極６と負極電極７とがずれないように固定する固定部材５が設けられる。この固定部材５は、前述したように、電池要素４の側面の、正極電極６と負極電極７との積層方向に延びる一対の辺から、電池要素４の側面の中心にそれぞれ向かって広がる領域に設けられる。この領域のそれぞれの表面積は、電池要素４の側面の総表面積の２５％以下になるように設定される。即ち、電極の積層方向に延びる電池要素４の側面の中心線を中心とした当該側面の表面積５０％の領域には、固定部材５が配置されない。尚、この固定部材５としては、テープ等が用いられる。
【００２３】
図２に示すように、電池要素４の側面から引き出されている複数の正極集電タブ６ｂを一つに束ねて、束ねられた複数の正極集電タブ６ｂと正極端子２の一端とが接続される。同様にして、複数の負極集電タブ７ｂが、一つに束ねられて負極端子３の一端と接続される。各集電タブと各端子との接続は、補助的に導電性の部材を介して行われてもよい。その場合、正極端子２及び負極端子３、または導電性の部材の一部に樹脂が形成されていてもよい。
【００２４】
作成された電池要素４は、表面及び裏面が樹脂でコーティングされた可撓性を有するアルミニウム等からなる外装体１０に収容される。外装体１０は、図８ａや図８ｂに示すようなプレス加工等によって電池要素４を収容する電池要素収容部９を有する形状や、アルミニウムの板の絞り加工等によって内部に電池要素収容部を有する缶形状等に形成されている。電池要素収容部９は、容積が電池要素４の体積より１０％以上大きくなるように構成されている。電池要素４は、図９に示すように、正極端子２の他端及び負極端子３の他端が外装体１０の外部に露出するように、外装体１０の電池要素収容部に配置される。このとき、外装体１０の外部に露出した正極端子２の他端及び負極端子３の他端は、正極端子露出部２ａ及び負極端子露出部３ａを形成する。
【００２５】
そして、電解液を注液するための開口部分を一部に残しつつその開口部分以外において、電池要素４を収容した外装体１０の周囲が熱溶着によって封止される。その後、開口部分から電解液を外装体１０の内部に注入し、開口部分が接着されることによって、図１に示すような電池セル１が形成される。
【００２６】
このような工程を経て、電池セル１が完成する。
【００２７】
尚、セパレータ８は、袋状ではなく、正極電極６と負極電極７との間にそれぞれ積層されるシート状に形成されてもよい。この場合には、シート状のセパレータ８の寸法と、正極電極６の正極電極本体部６ａと、負極電極７の負極電極本体部７ａと、の形状は、それぞれ同じになるように構成される。
【００２８】
以上のように、電池セル１の電池要素４の各端子が引き出されていない側面のみを固定部材５にて保持することによって、二極間の短絡によってガスが発生した場合に、電池要素４の中心に対応する電池セル１の中心が膨張しやすくなる。また、セパレータ８の各端子が引き出されている方向に垂直な方向の熱収縮率が大きく、その方向にセパレータ８が収縮しやすいため、端子が引き出されている方向からみて、アーチ状に電池要素４及び電池セル１が膨張しやすくなる。さらに、正極端子２及び負極端子３の幅が、平面的にみて、それぞれが引き出されている電池要素４の幅より小さくなるように構成されていることで、電池セル１の膨張が妨げられにくくなる。
【００２９】
このように、電池セル１が膨張している状態では、正極電極６と負極電極７との間にガスが入り込み、間隔が広くなるため、正極電極６と負極電極７との間の電気的抵抗が増加し、二極間の短絡電流が減少する。二極間の短絡電流が減少した時点から、電池セル１の内部の電池要素４のガス発生が抑えられるのと同時に、短絡による熱エネルギーの発生が抑えられ、電池セル１の温度上昇を抑制することができる。
【００３０】
以上、本発明の具体的な構成について一実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、前述の実施形態に対する種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【００３１】
本出願は、２０１３年７月５日に出願された日本特許出願２０１３−１４１７９９号を基礎とする優先権を主張し、日本特許出願２０１３−１４１７９９号の開示の全てをここに取り込む。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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