(57)【要約】【課題】  信頼性に優れた非水二次電池の電池モジュールを提供する。【解決手段】  リチウムイオンを吸蔵・放出できる活物質を有する負極とリチウム含有酸化物を含有する正極とセパレータとを有する電極体および非水電解質をアルミニウムラミネート製の収容容器に収容してなる単位セルを、複数有してなる非水二次電池の電池モジュールであって、隣り合う単位セル同士の間に、紙製の隔離材が配置されていることを特徴とする非水二次電池の電池モジュールにより、上記課題を解決する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオンを吸蔵・放出できる活物質を有する負極とリチウム含有酸化物を含有する正極とセパレータとを有する電極体および非水電解質をアルミニウムラミネート製の収容容器に収容してなる単位セルを、複数有してなる非水二次電池の電池モジュールであって、
隣り合う単位セル同士の間に、紙製の隔離材が配置されていることを特徴とする非水二次電池の電池モジュール。
【請求項２】
隣り合う単位セル同士の間に配置されている隔離材は、厚みが０．１ｍｍ以上で、目付けが６０ｇ／ｍ２以上である請求項１に記載の非水二次電池の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単位セルにより構成される非水二次電池の電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として小形・軽量で、且つ高容量、高電圧を有する二次電池への要望が高い。このような点で非水電解質系の二次電池、特にリチウムイオン二次電池は、とりわけ高エネルギー密度を有する電池として期待が大きい。
【０００３】
その反面、非水二次電池では、高エネルギー密度化に伴って、異常事態となった際の信頼性確保が重要な課題となっている。非水二次電池単体については、満足のいく信頼性・安全性を確保できるように各種の技術的工夫がなされている。
【０００４】
また、更なる高エネルギー化を目指して、単体の非水二次電池を単位セルとし、これらを複数組み合わせて電池モジュールとすることも提案されている（例えば、特許文献１）。しかし、このような場合には、信頼性の確保は非水二次電池単体よりも困難であり、例えば、電池モジュールの輸送や電池モジュールを用いた機器のクラッシュ事故などの際に、釘やプラスチック片などの鋭利物によって単位セルが破損した電池モジュールを、そのまま使用してしまうと、異常動作する虞がある。
【０００５】
上記のような異常動作を防止して、電池モジュールの信頼性を高める方法としては、電池モジュールを肉厚の厚い外装ケースや、破損し難い金属製の外装ケースに装填することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、電池モジュールを用いた機器のクラッシュ事故の際に変形や破損が生じないような非常に強固な外装ケースを用いると、電池モジュールの重量が増してエネルギー密度の低下を招くといった問題が残る。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００-１９５４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性に優れた非水二次電池の電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成し得た本発明の非水二次電池の電池モジュールは、リチウムイオンを吸蔵・放出できる活物質を有する負極とリチウム含有酸化物を含有する正極とセパレータとを有する電極体および非水電解質をアルミニウムラミネート製の収容容器に収容してなる単位セルを、複数有してなるものであって、隣り合う単位セル同士の間に、紙製の隔離材が配置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の非水二次電池の電池モジュール（以下、「電池モジュール」と省略する場合がある）では、隣り合う単位セル同士の間に、隔離材として紙を配置することにより、単位セルに異常が生じたとしても、他の単位セルへの影響を可及的に抑制することができ、電池モジュールの異常動作を防止して、その信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、信頼性に優れた非水二次電池の電池モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に、本発明の電池モジュールを構成する単位セルとなる非水二次電池の一例を模式的に示している。図の（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図であり、点線で示した箇所は、電池の内部の構成要素であることを意味している。非水二次電池１０は、リチウムイオンを吸蔵・放出できる活物質を有する負極とリチウム含有酸化物を含有する正極とセパレータとを有する電極体１１と、非水電解質（図示しない）とが、アルミニウムラミネート製の収容容器１２に封入されることで構成されている。１３は正極リード端子、１４は負極リード端子である。なお、図１の電極体１１では、これを構成する負極、正極およびセパレータを図示していない。
【００１３】
非水二次電池１０における電極体は、負極と正極とをセパレータを介して交互に積層した積層電極体であってもよく、該積層電極体を渦巻状に巻回した巻回電極体であってもよい。
【００１４】
非水二次電池に係る負極は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質、導電助剤およびバインダ［ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）など］を含む負極合剤を、溶剤に分散させて負極合剤含有ペーストを調製し（バインダは溶剤に溶解していてもよい）、この負極合剤含有ペーストを負極集電体上に塗布し乾燥して、３０〜３００μｍ厚の負極活物質含有層を形成することにより作製できる。
【００１５】
負極活物質としては、特に限定はされないが、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な炭素材料（黒鉛類、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類など）を使用するのが好ましい。また、負極集電体には、５〜６０μｍ厚の銅箔を用いるのが好適である。負極集電体には、負極リード端子１４が電気的に接続され、収容容器１２の外部に導出される。
【００１６】
なお、本発明に係る負極の製法は上記の製法に限定される訳ではなく、他の製法により製造してもよい。
【００１７】
非水二次電池に係る正極も、負極と同様に、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なリチウム含有酸化物である正極活物質、導電助剤およびバインダ（ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥなど）を含む正極合剤を、溶剤に分散させて正極合剤含有ペーストを調製し（バインダは溶剤に溶解していてもよい）、この正極合剤含有ペーストを正極集電体上に塗布し乾燥して、３０〜３００μｍ厚の正極活物質含有層を形成することにより作製できる。
【００１８】
正極活物質であるリチウム含有酸化物としては、例えば、ＬｉＣｏＯ２などのリチウムコバルト酸化物、ＬｉＭｎ２Ｏ４などのリチウムマンガン酸化物、ＬｉＮｉＯ２などのリチウムニッケル酸化物などのリチウム複合酸化物が好適に用いられる。これら活物質のＣｏ、ＭｎまたはＮｉは、それぞれ他の元素で置換されていてもよい。また、上記の正極活物質はそれぞれ１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。正極集電体としては、５〜６０μｍ厚のアルミニウム箔を用いるのが好適である。正極集電体には、正極リード端子１３が電気的に接続され、収容容器１２の外部に導出される。
【００１９】
なお、本発明に係る正極の製法は上記の製法に限定される訳ではなく、他の製法により製造してもよい。
【００２０】
上記正極と負極の間には、セパレータを介在させる。セパレータについては特に制限はないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンとポリプロピレンの融合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどで構成された多孔質フィルムや不織布が挙げられる。また、セパレータは、その透気度がＪＩＳ  Ｐ  ８１１７に規定の方法により測定されるガーレー値で６００（ｓ／１００ｍｌ）以下で、厚みが５〜５０μｍであり、空孔率が３０％以上８０％以下であるものが好ましい。特に、透気度は３００（ｓ／１００ｍｌ）以下であるものがより好ましく、セパレータ厚みは３０μｍ以下であるものがより好ましく、空孔率は、４５％以上７０％以下であるものがより好ましい。
【００２１】
非水電解質としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどの有機溶媒に、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３などの溶質を溶解した溶液が挙げられる。また、上記の溶液に、樹脂、架橋剤を混合してゲル状化若しくは固形化させたものを非水電解質に用いても構わない。
【００２２】
負極および正極を、上記の通り、セパレータを間に介在させて積層電極体とするか、またはこれを巻回して巻回電極体とし、この電極体１１を、非水電解質と共に収容容器１２の内部に封入して、非水二次電池１０（単位セル）が作製される。収容容器１２としては、アルミニウムの薄い箔にナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどをラミネートしたアルミニウムラミネート製の外装材を用いる。
【００２３】
上記の非水二次電池を単位セルとして、これを複数直列、並列または直並列に接続して電池モジュールとする。図２に、本発明の電池モジュールの一例を模式的に表す斜視図を示している。図２中、図１に係る構成要素と機能が共通する構成要素については、図１と同じ符号を付している。図２の電池モジュール２０は、７個の単位セル１０を直列に接続することで構成されており、隣り合う単位セルの正極リード端子１３と負極リード端子１４とが、単位セル接続リード線２２で接続されている。なお、図２では、電池モジュールの構成要素の理解を容易にするために図示していないが、通常は、形態を保持するなどの理由から、電池モジュール２０全体を外装ケースなどに収容する。
【００２４】
そして、電池モジュール２０では、隣り合う単位セル１０同士の間に、紙製の隔離材２１が配置されている。
【００２５】
上記の隔離材によって、鋭利物の接触などにより単位セルに異常が生じたとしても、他の単位セルへの影響を可及的に抑制することができ、電池モジュール全体の異常動作を防止できるため、電池モジュールの信頼性を高めることができる。紙製の隔離材によって上記の効果が確保できる理由は定かではないが、例えば釘などの鋭利物が単位セルに刺さるなどしても、隔離材である紙のかみ込みによって、かかる単位セルの短絡箇所を減らすことができ、また、この短絡箇所の減少によって、異常が生じた単位セルから発生する熱が隣の単位セルに伝わり難くなるために、各単位セルの発熱が瞬時に集中することによる電池モジュールの温度上昇が抑制できるからではないか、と考えられる。
【００２６】
紙製の隔離材は、その効果をより有効に発揮させる観点から、厚みが０．１ｍｍ以上であることが好ましく、また、目付けが６０ｇ／ｍ２以上であることが好ましい。隔離材が薄すぎたり、隔離材の目付けが小さすぎると、電池モジュールの信頼性向上効果が小さくなることがある。隔離材の厚みは、０．３ｍｍ以上であることがより好ましく、また、隔離材の目付けは、１７０ｇ／ｍ２以上であることがより好ましい。
【００２７】
隔離材の好適厚みは、電池モジュールを構成する単位セルの個数によって変動する。単位セルの個数と隔離材の好適厚みとの明確な関係は定かではないが、例えば、電池モジュールを構成する単位セルが２個の場合には、隔離材の厚みは０．１ｍｍ以上であることが好ましく、単位セルが７個の場合には、隔離材の厚みは０．２５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２８】
なお、隔離材が厚すぎたり、隔離材の目付けが大きすぎると、電池モジュールが大きくなって、体積当たりのエネルギー密度が低下するため、隔離材の厚みは１ｍｍ以下であることが好ましく、また、隔離材の目付けは５６０ｇ／ｍ２以下であることが好ましい。
【００２９】
なお、これまで、本発明の電池モジュールおよび該電池モジュールを構成する単位セル（非水二次電池）について、図１および図２を用いて説明したが、図１に示す単位セルおよび図２に示す電池モジュールはあくまで一例に過ぎず、本発明の電池モジュールおよび本発明に係る単位セルは、図１および図２に示すものに限定される訳ではない。例えば、本発明の電池モジュールは、これを構成する単位セルの個数が２個以上であればよく、電池モジュールに要求される特性に応じて、単位セルの個数を適宜変更することができる。
【００３０】
本発明の電池モジュールは、エネルギー密度を高めつつ良好な信頼性を確保することが可能であり、かかる特性を生かして、高エネルギー密度であることが要求される各種機器の電源用途を始めとして、従来の非水二次電池が適用されている各種用途に適用することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。
【００３２】
実施例１
＜非水二次電池の作製＞
正極活物質であるＬｉＣｏＯ２：９０質量部、導電助剤であるアセチレンブラック：５質量部、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）：５質量部を、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に均一に分散させて正極合剤含有ペーストを調製した。正極集電体となる厚みが１５μｍのアルミニウム箔の両面に、正極タブとなる部分を残して正極合剤含有ペーストを塗布し、乾燥させた後、厚みが１２０μｍとなるようにプレスして、正極シートを作製した。
【００３３】
負極活物質であるメソカーボンマイクロビーズ：９０質量部、およびバインダであるＰＶＤＦ：５質量部を、ＮＭＰに均一に分散させて負極合剤含有ペーストを調製した。負極集電体となる厚みが１０μｍの銅箔の両面に、負極タブとなる部分を残して負極合剤含有ペーストを塗布し、乾燥させた後、厚みが１１５μｍとなるようにプレスして、負極シートを作製した。
【００３４】
上記の正極シート１４枚と上記の負極シート１５枚とを、セパレータを介して交互に重ねて積層電極体とした。次に、積層電極体の正極タブに、幅１５ｍｍ、厚み０．２ｍｍのアルミニウム製の正極リード端子を、負極タブに、幅１５ｍｍ、厚み０．２ｍｍのニッケルメッキした銅製の負極リード端子を、それぞれ超音波溶接により溶接し、それぞれの溶接箇所に４０ｍｍ×１５ｍｍのポリイミドテープを貼り付けて保護した。
【００３５】
正極リード端子および負極リード端子を取り付けた後の積層電極体を、非水電解質と共にアルミニウムラミネート製の収容容器に収容し、該収容容器を封止して、図１に示す構造の非水二次電池を得た。なお、非水電解質には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを１：１の割合（質量比）で混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌの濃度で溶解し、芳香族化合物であるビフェニルを２質量％、ビニレンカーボネートを０．５質量％、ホスファゼン系化合物であるホスライトを５質量％添加し、更に、ゲル化剤である脂環エポキシアクリルを２質量％添加したものを用いた。
【００３６】
上記の非水二次電池について、７０℃で１５時間保存し、ゲル化剤をポリマー化して電解液をゲル状とした。その後、室温まで冷却し、０．８Ａ（０．２Ｃ）の定電流および４．２Ｖの定電圧にて満充電にした後、０．８Ａの定電流により３Ｖまで放電することで化成検査を行った。得られた非水二次電池の容量は４Ａｈである。
【００３７】
＜電池モジュールの作製＞
上記の非水二次電池７個を単位セルに用い、図２に示すように、隣り合う単位セル同士の間に隔離材２１を配置しつつ、単位セル接続リード線２２で７個の単位セルを直列に接続して電池モジュールとした。隔離材２１には、厚みが０．２５ｍｍで、目付けが１４０ｇ／ｍ２の紙を用いた。
【００３８】
実施例２〜４
隔離材となる紙を、表１に示すものに変更した以外は、実施例１と同様にして電池モジュールを作製した。
【００３９】
実施例５
単位セルとなる非水二次電池の個数を２個とし、隣り合う単位セル同士の間に配置する隔離材を、厚みが０．１０ｍｍで目付けが６０ｇ／ｍ２の紙とした以外は、実施例１と同様にして電池モジュールを作製した。
【００４０】
比較例１
隣り合う単位セル同士の間に隔離材を配置しなかった以外は、実施例１と同様にして電池モジュールを作製した。
【００４１】
比較例２
隔離材を厚みが０．２５ｍｍのゴム板に変更した以外は、実施例１と同様にして電池モジュールを作製した。
【００４２】
比較例３
隔離材を厚みが０．２５ｍｍのアクリル板に変更した以外は、実施例１と同様にして電池モジュールを作製した。
【００４３】
実施例１〜４および比較例１〜３の電池モジュールを各５個用意し、それぞれ２９．４Ｖまで充電し、続いて２９．４Ｖの定電圧で電流値が０．２Ａになるまで充電して満充電状態とした。また、実施例５の電池モジュールを５個用意し、それぞれ８．４Ｖまで充電し、続いて８．４Ｖの定電圧で電流値が０．２Ａになるまで充電して満充電状態とした。
【００４４】
上記のようにして満充電状態とした各電池モジュールに、直径３ｍｍの釘を１ｍｍ／ｓｅｃの速度で貫通させ、その後に温度が大きく上昇した電池モジュールの個数を調べた。なお、上記の試験は環境温度を２０℃とし、電池モジュールの下に木板を敷いて行った。結果を表１に示すが、表１では、上記の試験によって温度が大きく上昇した電池モジュールの個数を記載している。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１から分かるように、隔離材として紙を用いた実施例１〜５の電池モジュールでは、釘の貫通試験において温度が大きく上昇したものがなく、信頼性が良好である。これに対して、隔離材を用いなかった比較例１、ゴム板を隔離材に用いた比較例２、アクリル板を隔離材に用いた比較例３の各電池モジュールでは、釘の貫通試験において、温度が大きく上昇しており、信頼性が劣っていた。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の非水二次電池の電池モジュールを構成するための非水二次電池（単位セル）の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の非水二次電池の電池モジュールの一例を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０    非水二次電池（単位セル）
１１    電極体
１２    収容容器
１３    正極リード端子
１４    負極リード端子
２０    非水二次電池の電池モジュール
２１    隔離材
２２    単位セル接続リード線
【図１】
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【図２】
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