(57)【要約】本発明は、高安全性の積層型リチウムイオン電池を公開する。本発明の技術案は、コアと、バッテリーシェルと、蓋板とを含み、コアはバッテリーシェルに設置され、蓋板はバッテリーシェルに密封接続され、前記コアは、互いに積み重ねられた正極板と負極板とを含み、正極板と負極板との間には隔膜が設けられている、高安全性の積層型リチウムイオン電池であって、ここで、少なくとも二層の隔膜の延伸方向における挟角は５〜１７５度である。延伸方向が異なる隔膜を採用することにより、各延伸方向から受ける張力をバッテリー全体でほぼ一致させ、力を受ける能力が低い箇所で隔膜が破れて、正極板と負極板とが直接に電気的に接続されることによる電池のショートなどが生ずることを防止することで、バッテリーの安全性能が大幅に向上される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと、バッテリーシェルと、蓋板とを含み、コアはバッテリーシェルに設置され、蓋板はバッテリーシェルに密封接続され、前記コアは、互いに積み重ねられた正極板と負極板とを含み、正極板と負極板との間に隔膜が設けられている高安全性の積層型リチウムイオン電池であって、少なくとも二層の隔膜における延伸方向の挟角は５〜１７５度であることを特徴とする、高安全性の積層型リチウムイオン電池。
【請求項２】
隣接する二層の隔膜の延伸方向における挟角は５〜１７５度であることを特徴とする、請求項１に記載の高安全性の積層型リチウムイオン電池。
【請求項３】
前記隣接する二層の隔膜の延伸方向における挟角は６０〜１２０度であることを特徴とする、請求項２に記載の高安全性の積層型リチウムイオン電池。
【請求項４】
前記隣接する正極板と負極板との間の隔膜は二層以上であることを特徴とする、請求項１に記載の高安全性の積層型リチウムイオン電池。
【請求項５】
前記正極板は上下二層の隔膜からなる正極板隔膜袋に設置されることにより、正極板複合体を構成し、正極タグは密封された正極板隔膜袋から突き出て、蓋板における正極に電気的に接続され、
負極板は上下二層の隔膜からなる負極板隔膜袋に設置されることにより、負極板複合体を構成し、負極タグは密封された負極板隔膜袋から突き出て、蓋板における負極に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の高安全性の積層型リチウムイオン電池。
【請求項６】
隣接する正極板と負極板との間の二層の隔膜の延伸方向における挟角は５〜１７５度であることを特徴とする、請求項５に記載の高安全性の積層型リチウムイオン電池。
【請求項７】
前記二層の隔膜の延伸方向における挟角は９０度であることを特徴とする、請求項６に記載の高安全性の積層型リチウムイオン電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型リチウムイオン電池の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、比エネルギーが高い、自己放電が小さい、リサイクル寿命が長い、記憶効果がない、環境汚染が小さいなどの利点を有するので、携帯型電気機器及び電気自動車の理想的な電源である。構成が相対的に小さく、容量が高くないバッテリーについて、コアには一般に巻き付け構成が採用されており、製造プロセスは相対的に簡便である。高容量のリチウムイオン電池は、より大きい散熱面積及びより高い容量を備える必要性があるので、一般には積層型構成が採用される。
【０００３】
積層型バッテリーは、一般には正極板と、隔膜と、負極板とを重ねて設置して構成されるが、大きい動力バッテリーにおいて、極板の外を隔膜袋で包み、正極板複合体と負極板複合体を形成してから、正、負極板複合体を積層する構成も採用されることがある。リチウムイオン電池に最も常用されている隔膜は三層隔膜であり、PP/PE/PPの三層隔膜が接合されることで構成される。このような隔膜の利点は、閉鎖温度が低い、熔融温度が高い、侵入強度が高いことであり、リチウムイオン電池の分野において既に広く汎用されている。
【０００４】
しかし、このような隔膜は、製造時に、単軸延伸法が多く採用されるので、隔膜において、延伸方向と延伸方向に垂直な方向の両方向での、延伸強度の差を大きくさせる。今のところ、隔膜で採用される延伸方向は単一の延伸方向である。このように積層できたコアの隔膜は、その延伸方向のみに大きい張力を受ける。一方、他の方向、例えば延伸方向に垂直な方向では、延伸に抵抗する能力は相対的に弱い。延伸の力が大きくなると、隔膜が破れ、正負極板間が直接電気的に接続され、バッテリーのショートを招く。また、バッテリーを無理な条件又は極端な条件で使用した場合、例えば、落下、振動、高温保存、押圧、衝撃などの場合、コアの各平面ごとに内部又は外部からの大きい圧力を受けると共に、コアの隔膜の各方向にも大きな張力を受ける。この時、隔膜の、延伸強度が弱い方向では、隔膜が破れて、バッテリーがショートする可能性があり、バッテリーの安全性能の低下を招く。
【発明の概要】
【０００５】
前記技術的問題を解決するために、本発明は、高安全性の積層型リチウムイオン電池を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の技術案は以下のようである。即ち：コアと、バッテリーシェルと、蓋板とを含み、コアはバッテリーシェルに設置され、蓋板はバッテリーシェルに密封接続され、前記コアは、互いに積み重ねられた正極板と負極板とを含み、正極板と負極板との間に隔膜が設けられている高安全性の積層型リチウムイオン電池であって、そのうち、少なくとも二層の隔膜の延伸方向における挟角は５〜１７５度である。
【０００７】
本発明の効果は、各隔膜の延伸方向が完全に同じ延伸方向ではなく、各延伸方向に受けた張力をバッテリー全体でほぼ一致させ、力を受ける能力が薄い箇所で隔膜が破れて、正極板と負極板とが直接電気的に接続されることによるバッテリーのショートなどが生ずることを防止することにより、バッテリーの安全性能が大幅に向上することである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来技術の隔膜の延伸方向を示す図である。
【図２】本発明の隔膜の延伸方向を示す図である。
【図３】従来技術の正極板複合体を示す図である。
【図４】従来技術の負極板複合体を示す図である。
【図５】本発明の正極板複合体を示す図である。
【図６】本発明の負極板複合体を示す図である。
【図７】本発明の正極板複合体を示す図である。
【図８】本発明の負極板複合体を示す図である。
【図９】従来技術の正負極板の積層を示す図である。
【図１０】本発明の正負極板の積層を示す図である。
【図１１】１３０℃の炉温度まで持続加熱したときの、従来技術の各バッテリー電圧、バッテリー温度、炉温度を示す曲線図である。
【図１２】１３０℃の炉温度まで持続加熱したときの、本発明の各バッテリー電圧、バッテリー温度、炉温度を示す曲線図である。
【図１３】１５０℃の炉温度まで持続加熱したときの、従来技術の各バッテリー電圧、バッテリー温度、炉温度を示す曲線図である。
【図１４】１５０℃の炉温度まで持続加熱したときの、本発明の各バッテリー電圧、バッテリー温度、炉温度を示す曲線図である。
【０００９】
図３〜図８において、矢印に示す方向は隔膜の延伸方向である。Ａ方向は正極板複合体隔膜の延伸方向である。Ｂ方向は負極板複合体隔膜の延伸方向である。
【００１０】
図１１〜図１４において、Ｘ軸は時間、単位は分であり、左Ｙ軸は電圧、単位はボルテージであり、右Ｙ軸は温度、単位はセ氏温度である。
【００１１】
また、それぞれの図面にはいずれも五本の電圧曲線と、五本の炉温度曲線と、五本のバッテリー温度曲線があり、具体的には以下の表１のとおりである。
【００１２】
【表１】
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【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の積層型リチウムイオン電池によれば、コアと、バッテリーシェルと、蓋板とを含み、コアはバッテリーシェルに設置され、蓋板はバッテリーシェルに密封接続され、前記コアは、互いに積み重ねられた正極板と負極板とを含み、正極板と負極板との間に隔膜が設けられている。
【００１４】
前記隣接する二層の隔膜の延伸方向における挟角は６０〜１２０度である。前記二層の隔膜の延伸方向における挟角は９０度である。
【００１５】
好ましくは、隣接する正極板と負極板との間の隔膜は二層以上である。例えば、動力バッテリーでは、通常、極板は隔膜袋に包まれて、一つの正極板複合体と一つの負極板複合体とを形成する。そして、正負極板複合体は順次積層配置される。
【００１６】
前記正極板は上下二層の隔膜からなる正極板隔膜袋に設置されることにより、正極板複合体を構成し、正極タグは密封された正極板隔膜袋から突き出て、蓋板における正極に電気的に接続され、負極板は上下二層の隔膜からなる負極板隔膜袋に設置されることにより、負極板複合体を構成し、負極タグは密封された負極板隔膜袋から突き出て、蓋板における負極に電気的に接続されている。このような配置によれば、隣接する正極板と負極板との間には、二層の隔膜があり、そのうち、一層の隔膜は、正極板の隔膜袋として用いられ、もう一つの隔膜は、負極板の隔膜袋として用いられる。二層の隔膜間の延伸方向における挟角は５〜１７５度であり、好ましくは、６０〜１２０度であり、さらに好ましくは９０度である。
【００１７】
（実施例１）
水平方向をＸ方向に設定して、水平方向に垂直の方向をＹ方向に設定する。
【００１８】
裁断又は切断により、被膜の無い正極タグおよび負極タグを各々有する、正極板１１および負極板２１を得る。そして、単軸延伸法で得た隔膜を裁断することにより、正極板および負極板よりやや大きいサイズの隔膜３を得る。得られた隔膜３の延伸方向はそれぞれ水平方向（Ｘ方向）と垂直方向（Ｙ方向）に分ける。図２に示すように、裁断で得られた互いに垂直の隔膜３を正極板および負極板に順次重ねてバッテリーコアを構成する。具体的に例を挙げると：Ｘ方向延伸隔膜３／正極板１１／Ｙ方向延伸隔膜３／負極板２１／Ｘ方向延伸隔膜３／正極板１１……である。その後、バッテリーコアをバッテリーシェルに設置して、正負極タグを蓋板の正負極にスポット溶接する。その後、蓋板を押圧し、超音波溶接によりバッテリーを密封する。蓋板の注液口より電解液を注入した後、注液口を密封して、パッケージすることにより完成品のバッテリーが得られる。
【００１９】
（実施例２）
具体的な実施形態は、実施例１と基本的に同じであるが、正極板および負極板の間に二層の隔膜３を設置しており、二層の隔膜３の延伸方向は異なり、好ましくは、互いに垂直である９０度の角を有する。
【００２０】
（実施例３）
一定の形状の単層の隔膜３をＸ方向に裁断し、隔膜３の縦横の長さを正極板１１の縦横の長さより１〜３ｍｍ長くして、同じ大きさの二層の隔膜３を重ね、隔膜３の長辺および短辺のそれぞれを一つ溶接して正極隔膜袋１２を作成する。切断された正極板１１を正極隔膜袋１２の中に置いて、さらに正極隔膜袋１２のほかの二つの辺を溶接して正極板複合体１を作成する。
【００２１】
負極隔膜袋２２と正極隔膜袋１２の制作方法は同じであるが、ただ負極隔膜袋２２を裁断する際には、Ｙ方向に裁断する。正極板複合体１と負極板複合体２は図５〜図８に示す通りである。図５は正極板複合体１であり、その延伸方向はＡ方向である水平方向（Ｘ方向）である。図６は負極板複合体２であり、その延伸方向はＢ方向である垂直方向（Ｙ方向）である。図７は正極板複合体１であり、その延伸方向はＸ方向と−４５度を成すＡ方向である。図８は負極板複合体２であり、その延伸方向はＸ方向と４５度を成すＢ方向である。
【００２２】
このように得られた正、負極板複合体を重ねてバッテリーコアが構成される。正負極板の間の隔膜の延伸方向は互いに直交する。バッテリーコアをバッテリーシェルに置いて、正極タグ１３を蓋板の正極に電気的に接続し、負極タグ２３を蓋板の負極に電気的に接続する。その後、蓋板とバッテリーシェルとを超音波溶接により密封する。
【００２３】
前記実施例において説明していない内容は同業者にとって公知であるので、詳しく述べない。隔膜の延伸方向が異なり、その延伸方向の角度は５〜１７５度であり、好ましくは６０〜１２０度であり、さらに好ましくは９０度であれば、順序間隔を問わず、多少の隔膜の延伸方向の角度が異なっていようと、いずれも本発明の保護範囲に属する。
【００２４】
（比較例）
図３、図４に示すように、正極板複合体１と負極板複合体２を作製した。得られた正極板複合体１と負極板複合体２の延伸方向は同じである。そのほかのステップは実施例３の通りである。
【００２５】
（試験）
実施例３の方法で本発明の完成品のバッテリーを１０個、比較例の方法で従来技術の完成品のバッテリーを１０個製作して、これらに対してそれぞれ１３０℃の炉温度でのテストと１５０℃の炉温度でのテストを行う。
【００２６】
（１．１３０℃の炉温度での試験）
５個の本発明の完成品のバッテリーと５個の従来技術の完成品のバッテリーを用いてテストを行う。なお、バッテリー間で互いに干渉してテスト結果に影響することを防止したり、全部のバッテリーの爆発すると衝撃が大きすぎるので、それを防止したりするために、一回に一つのバッテリーに対してテストを行う。２５±２℃で、バッテリーを１．０Ｃで４．２０Ｖまで充電する。カットオフ電流０．０２Ｃとして、１０分間放置する。その後、バッテリーをオーブンに置いて、５℃／分の速度で加熱する。加熱過程において、炉温度、バッテリー温度及び電圧を記録して、炉温度曲線、バッテリー温度曲線及び電圧曲線を製作する。バッテリーが１３０℃に達してからバッテリーの状態を観察し、バッテリーの表面温度と持続時間を記録する。バッテリーを１３０℃で１時間以上保持して、爆発や発火などの特殊な異常がなければ、該バッテリーはテストを合格したと判断する。測定試験結果を表２及び図１１、図１２に示す。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
表２によれば、従来技術と本発明では、いずれも１３０℃の試験に合格したが、図１１を見ると、従来技術の５個のバッテリーのうち、４個のバッテリーは電圧が０Ｖ前後に降下しており、バッテリーにショートが発生したことを表している。また図１２では、本発明の５個のバッテリーは電圧がいずれも４Ｖ以上に保持され、バッテリー温度が安定しており、１３０℃の炉温度でショートが発生せず、電圧は正常であることがわかった。これにより、本発明のバッテリーにおける隔膜は強い延伸抵抗強度を有して破れず、正極と負極との接触が回避されたことが証明された。従って、本発明を適用したバッテリーの安全性能はより優れている。
【００２９】
（２．１５０℃の炉温度での試験）
残り５個の従来技術のバッテリー及び５個の本発明のバッテリーを用いて、バッテリーごとに１５０℃の炉温度でのテストを行う。２５±２℃で、バッテリーを１．０Ｃで４．２０Ｖまで充電する。カットオフ電流０．０２Ｃとし、１０分間放置する。その後、バッテリーをオーブンに置いて、５℃／分の速度で加熱する。加熱過程において、炉温度、バッテリー温度及び電圧を記録して、炉温度曲線、バッテリー温度曲線及び電圧曲線を製作する。バッテリーが１５０℃に達してから、バッテリーの状態を観察し、バッテリーの表面温度と持続時間を記録する。バッテリーは１５０℃で１時間以上保持して、爆発や発火などの特殊な異常がなければ、該バッテリーは合格したものとする。測定試験結果を表３及び図１３、図１４に示す。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
表３に示すように、従来技術の５個のバッテリーはいずれも爆発したが、本発明のバッテリーは膨らむだけであった。また、図１３を見ると、従来技術での５個のバッテリーの電圧はいずれも０Ｖ前後に降下したが、図１４では、本発明の５個のバッテリーは電圧がやはり３．７Ｖ以上に保持され、ショートが生じなかったことがわかった。
【００３２】
前記した二種の安全試験結果によれば、本発明の技術によるバッテリーは、隔膜の延伸抵抗強度が強いので、バッテリーの濫用又は極端な条件でのショートを有効に回避することができる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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