(57)【要約】      （修正有）【課題】電池の放熱性を向上させることができ、誤使用による内部発熱の場合にも高い安全性を発揮することができる電池を提供する。【解決手段】  外装部材１０の内部に電池素子２０を有する。外装部材１０は、ステンレス鋼などの電池缶１１の側面を、ポリプロピレンなどの熱可塑性シートよりなる被覆部材１８で覆ったものである。外装部材１０の側表面、すなわち被覆部材１８の外表面の面積の７０％以上を輻射率０．６以上にし、輻射による放熱性を向上させ、温度上昇を抑えて熱暴走の開始を遅らせる。被覆部材１８の外表面には必要に応じて文字や模様などが記載されていてもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下面に外部接続端子を有する電池素子と、
前記電池素子の側面を覆うと共に、当該側表面の面積の７０％以上が輻射率０．６以上持つ外装部材と
を備えたことを特徴とする電池。
【請求項２】
前記外装部材は、電池缶の側面を被覆部材により覆ったものであり、
前記被覆部材の外表面積の７０％以上が輻射率０．６以上もつ
ことを特徴とする請求項１記載の電池。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池素子を電池缶などの外装部材に収納した電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ），携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が多く登場し、その小型軽量化が図られている。これらの電子機器のポータブル電源として用いられている電池、特に二次電池はキーデバイスとして、エネルギー密度の向上を図る研究開発が活発に進められている。中でも、非水電解質二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池）は、従来の水系電解液二次電池である鉛電池、ニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度が得られるので、その改良に関する検討が各方面で行われている。
【０００３】
従来のリチウムイオン電池に関する安全性の技術開発は、様々な誤使用時の状況を想定して行われてきた。発熱抑制の観点では、さらに大きく二つに分けられて、電池材料物性の改善と、電池の構造・機構の利用とがある。難燃性の電解液の開発、発熱量の小さい正極・負極活物質の採用などが前者の領域に入り、外部の保護回路による過充電・過放電の防止、安全弁によるガス噴出時の内圧減少などが後者に入る。
【特許文献１】特開２００２−２０８４３９号公報
【非特許文献１】ティ．ディ．ハッチャー（T.D.Hatchard ）著「熱濫用時のリチウムイオン電池における放射による熱伝達の重要性（Importance of Heat Transfer by Radiation in Li-ion Batteries during Thermal Abuse）」、エレクトロケミカル  アンド  ソリッド  ステート  レターズ（Electro Chemical and Solid State Letters ）、２０００年、第３巻、第７号、ｐ．３０５−３０８
【特許文献２】特開昭６２−１１９８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、安全性の高い電池材料の採用は、電池の容量といった性能面とのトレードオフの関係や新物質探索にかかる期間を考えるとなかなか難しいのが現状であった。一方、新たな電池構造・機構による発熱の防止も次の一手が待たれていた。
【０００５】
安全性技術開発のもう一つのアプローチである放熱促進という観点では、熱伝導率の良い電池材料を採用することがこの目的につながると考えられる。しかし、これも性能面とのトレードオフ関係のため、そうたやすく変更することはできなかった。
【０００６】
熱伝導を改善するための構造に関し、陽極および陰極の一方を金属パッケージと熱接触させるようにしたものがある（特許文献１参照。）。放熱促進に関しては、従来ではもっぱら電池内部の熱伝導および電池外表面と外部雰囲気との熱伝達のみ目が向けられていたため、新たな一手が出せずじまいの状況であった。また、電池の耐久性、電池能力、電池の製造におけるコストダウン等を目的として、電池外装材の改良が行われていた。（特許文献２参照。）
【０００７】
ところで、放熱には、熱伝導および熱伝達という、温度差に比例した熱流束によって熱を逃がすほかに、温度の４乗の差に比例した熱流束を与える熱輻射という現象が知られているが、この現象を利用しようとする試みはほとんどなされてこなかった。その背景には、熱輻射は問題としている温度が室温に比べて極めて大きい数千度という場合に支配的になるので、せいぜい数百度の電池の内部発熱には効果がないのではないかという先入観があったと推測される。ちなみに、非特許文献１では、リチウムイオン電池の外缶にラベルがある場合とステンレス缶むき出しの状態とでは輻射率（熱輻射の効率を示す指標：０から１の値をとる）、ラベルがある方がホットボックス試験において熱暴走しにくかったことが報告されている。また、黒いインクをステンレス缶に塗布した場合の輻射率は０．９程度、であることも併せて報告されている。しかし、黒いインクを外缶に塗布することは、製造工程上難しいという問題があった。  
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電池の放熱性を向上させることができ、誤使用による内部発熱の場合にも高い安全性を発揮することができる電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による電池は、上下面に外部接続端子を有する電池素子と、電池素子の側面を覆うと共にその側表面の面積の７０％以上が輻射率０．６以上持つ外装部材とを備えたものである。
【００１０】
また、輻射率は外装部材（主に高分子の熱収縮チューブ）の材料組成・厚みによって変わり、この輻射率の値自体は反射測定法で測定した値を採用する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電池によれば、外装部材の側表面の面積の７０％以上を輻射率０．６以上としたので、側表面からの熱輻射で外気へ熱を効率的に逃がすことができる。よって、誤使用により何らかの内部発熱が発生した場合でも、熱暴走によるガス噴出や破裂などの危険性を抑制し、高い安全性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図において各構成要素は本発明が理解できる程度の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示したものであり、実寸とは異なっている。
【００１３】
図１は本発明の一実施の形態に係る電池の外観を表し、図２はその断面構造を表すものである。この電池は、いわゆる円筒型のリチウムイオン二次電池であり、ほぼ中空円柱状の外装部材１０の内部に、電池素子２０を有している。
【００１４】
外装部材１０は、電池缶１１の側面を被覆部材１８で覆ったものである。電池缶１１は、電池素子２０を収納するためのものであり、例えばステンレス鋼により構成され、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶１１の内部には、電池素子２０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板１２，１３がそれぞれ配置されている。電池缶１１の開放端部には、電池蓋１４と、この電池蓋１４の内側に設けられた安全弁機構１５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient；ＰＴＣ素子）１６とが、ガスケット１７を間にしてかしめられることにより取り付けられており、電池缶１１の内部は密閉されている。電池蓋１４は、例えば、電池缶１１と同様の材料により構成されている。安全弁機構１５は、熱感抵抗素子１６を介して電池蓋１４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板１５Ａが反転して電池蓋１４と電池素子２０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子１６は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット１７は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
【００１５】
なお、ここでは、電池缶１１の開放端部の端面、すなわち電池蓋１４で閉鎖された端面を上面、電池缶１１の閉鎖端部の端面、すなわち電池蓋１４に対向する端面を下面とし、これら電池缶１１の上面および下面に直交するすべての面を側面という。
【００１６】
被覆部材１８は、例えばポリ塩化ビニルなどの熱可塑性シートにより構成されている。なお、被覆部材１８は、脱落などを防ぐため、電池缶１１の側面全体を覆い、上面および下面の縁に少しかかるように設けられていてもよい。
【００１７】
外装部材１０の側表面、すなわち被覆部材１８の外表面は、電池素子２０の温度上昇を効果的に抑制するために、その面積の７０％以上が例えば黒色となっており、輻射率０．６以上となっている。これにより、この電池では、熱輻射性を向上させて安全性を高めることができるようになっている。ここで、外装部材１０の側表面とは電池素子２０から最も遠い側面をいい、被覆部材１８の外表面とは電池缶１１との接触面の反対側の面をいう。
【００１８】
このような被覆部材１８としては、例えば、外表面の面積の７０％以上が黒色に着色されているものが好ましい。輻射は表面の性質が大きく効く物理現象だからである。また、被覆部材１８自体が黒色樹脂などの黒色の材料により構成され、かつ被覆部材１８の外表面はなめらかで凹凸がない面であることが望ましい。
【００１９】
黒色であるということは、ＣＭＹカラーモデルにおいて、Ｃ（ｃｙａｎ），Ｍ（ｍａｇｅｎｔａ），Ｙ（ｙｅｌｌｏｗ）のいずれも７０以上である色をいう。
【００２０】
被覆部材１８の外表面には必要に応じて文字や模様などが記載されていてもよい。文字や模様の色，形状あるいは配置は特に限定されず、文字や模様が外表面の一部に集中している必要もない。これらの文字や模様の態様にかかわらず、外表面全体の面積の７０％が輻射率０．６以上であればよい。
【００２１】
電池素子２０は、正極２１と負極２２とをセパレータ２３を間にして積層し、渦巻き状に巻回したものであり、中心にはセンターピン２４が挿入されている。正極２１は、例えば、アルミニウム箔等よりなる正極集電体にリチウム含有化合物等の正極活物質を含む電極層が設けられたものであり、負極２２は、例えば、銅箔等よりなる負極集電体にリチウムを吸蔵・離脱可能な炭素材料等の負極活物質を含む電極層が設けられたものである。また、セパレータ２３は、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）等の多孔質膜により構成されており、セパレータには、例えば、リチウム塩などの電解質塩を炭酸エステルなどの非水溶媒に溶解させた電解液が含浸されている。電池素子２０の正極２１にはアルミニウム（Ａｌ）などよりなる正極リード２５が接続されており、負極２２にはニッケル（Ｎｉ）などよりなる負極リード２６が接続されている。正極リード２５は安全弁機構１５に溶接されることにより電池蓋１４と電気的に接続されており、負極リード２６は電池缶１１Ａに溶接され電気的に接続されている。すなわち、この電池素子２０では、上面の電池蓋１４が正極側の外部接続端子、電池缶１１Ａの下面すなわち裏面部分が負極側の外部接続端子となっている。
【００２２】
この電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００２３】
まず、上述した熱可塑性シートよりなる被覆部材１８を用意し、例えばプリントにより、外表面の面積の７０％以上を黒色に着色し、輻射率０．６以上にすると共に必要に応じて文字や模様などを記載する。あるいは、黒色樹脂などの高輻射率の樹脂材料よりなる被覆部材１８を用いる場合には、プリントにより必要に応じて文字や模様などを記載し、その際、外表面の面積の７０％以上を高輻射率の樹脂のままにしておき、輻射率０．６以上とする。
【００２４】
次いで、この被覆部材１８を、例えば熱収縮により、上述した材料よりなる電池缶１１の側面に被せ、外装部材１０を形成する。
【００２５】
また、電池素子２０を作製する。例えば、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）などの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体にドクタブレードあるいはバーコーターなどを用いて均一に塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮、加熱成型して正極活物質層を形成し、正極２１を作製する。
【００２６】
次いで、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーとする。続いて、この負極合剤スラリーを負極集電体にドクタブレードあるいはバーコーターなどを用いて均一に塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機により圧縮、加熱成型して負極合剤層を形成し、負極２２を作製する。ロールプレス機は加熱して用いてもよい。また、目的の物性値になるまで複数回圧縮成型してもよい。更に、ロールプレス機以外のプレス機を用いてもよい。
【００２７】
正極２１および負極２２を作製したのち、正極２１に正極リード２５を溶接などにより取り付けると共に、負極２２に負極リード２６を溶接などにより取り付ける。そののち、正極２１と負極２２とをセパレータ２３を間にして積層し多数回巻回して電池素子２０を作製する。
【００２８】
電池素子２０を作製したのち、電池素子２０を一対の絶縁板１２，１３で挟み、負極リード２６を電池缶１１に溶接すると共に、正極リード２５を安全弁機構１５に溶接して、電池素子２０を電池缶１１の内部に収容し、電解液を電池缶１１の内部に注入し、セパレータ２３に含浸させる。そののち、電池缶１１の開口端部に電池蓋１４，安全弁機構１５および熱感抵抗素子１６をガスケット１７の間にしてかしめることにより固定する。これにより、図１に示した電池が完成する。
【００２９】
この電池では、充電を行うと、正極２１からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を介して負極２２に吸蔵される。放電を行うと、負極２２からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を介して正極２１に吸蔵される。このとき、電池外部への熱の移動は、熱伝達と熱輻射との２種類があり、熱伝達は雰囲気の種類や流動状態に依存し、電池自体が持つパラメータにより制御することはできない。一方、熱輻射は外装部材１０の側表面、すなわち電池缶１１の側面を覆う被覆部材１８の外表面の材料や形状に依存する。熱伝達と熱輻射による外部への熱の移動は、熱輻射が最も効率の良い黒体放射の場合を仮定すると熱伝達と同程度の大きさがあるので、熱輻射を効率良く利用することにより安全性が向上する。
【００３０】
ここでは、外装部材１０の側表面、すなわち被覆部材１８の外表面の面積の７０％以上が輻射率０．６以上とされているので、側表面からの熱輻射で外気へ熱が効率的に逃がされる。また、誤使用により何らかの内部発熱が発生した場合でも、電池内部に発生した熱がより多く逃がされ、熱暴走の開始が遅くなり、ガス噴出や破裂などの危険性が抑制される。
【００３１】
このように本実施の形態によれば、外装部材１０の側表面の面積の７０％以上を輻射率０．６以上としたので、熱輻射性を向上させることができ、誤使用による内部発熱の場合にも高い安全性を発揮することができる。
【００３２】
なお、上記実施の形態では、電池缶１１の側面を被覆部材１８で覆い、この被覆部材１８の外表面の面積の７０％以上を輻射率０．６以上とするようにしたが、被覆部材１８は必ずしも設けられていなくてもよい。この場合、外装部材１０の側表面、すなわち電池缶１１の側表面の面積の７０％以上が輻射率０．６以上であれば、側表面の熱輻射性が増大し、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。この場合、電池缶１１の側表面を輻射率０．６以上とするには、例えばスプレーを塗布して着色するなどの方法が可能である。
【実施例】
【００３３】
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００３４】
（実施例１〜３）
上記実施の形態で説明した電池を作製した。実施例１では、ステンレス鋼よりなる電池缶１１の側表面の全体に黒色スプレーを塗布した。実施例２では、側表面の面積の７０％に黒色スプレーを塗布した。実施例３では、緑色のポリプロピレン／ポリエチレン混合のチューブよりなる被覆部材１８を電池缶１１に被せることで、側表面の面積の７０％を輻射率０．６以上にした。輻射率の値は反射測定により、実施例１，２のスプレー塗布部分において０．９１、実施例３のチューブ被覆部において０．６であった。電池の寸法・形状は、直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒形とした。
【００３５】
実施例１〜３に対する比較例１として、ステンレス鋼よりなる電池缶の側表面にスプレーを塗布せず、むき出しの状態にしたことを除いては、上記実施例１，２と同様にして電池を作製した。比較例１の輻射率を反射測定法により測定したところ、０．１２であった。
【００３６】
また、比較例２および３として、ステンレス鋼よりなる電池缶の側表面に黒色スプレーを塗布することにより、比較例３では側表面の面積の６０％、比較例４では５０％を黒色としたことを除いては、上記実施例１および２と同様にして電池を作成した。
【００３７】
得られた実施例１〜３および比較例１〜３の電池について、電池電圧が４．３５Ｖに達するまで充電した後、１３０℃のホットボックス試験を行い、電池の表面温度の変化を測定した。この表面温度の変化の測定は、安立計器株式会社製の表面用温度センサを用いて、センサのヘッド部（熱電対）を電池表面に押し当てることで、電池の表面温度を測定した。オーブン内における電池の配置は、図３に示すようにした。実施例１，３および比較例１の結果を図４に、実施例１，２と比較例２，３の結果を図５に示す。
【００３８】
図４から分かるように、実施例１および３では、比較例１よりも温度上昇が抑えられて熱暴走が回避されている。つまり、輻射率を０．６以上とすれば、温度上昇が抑えられる。さらに、図５から側表面積が黒色に塗布してある部分の割合を５０％〜７０％で変化させたところ、７０％以上であれば、電池表面温度の上昇が始まり出す時の経過時間が、実施例と比較例の間で約１０分間位の差がある。つまり、側表面積の７０％以上を黒色にすることで、温度上昇が抑えることができる。以上のことから、側表面の面積の７０％以上を輻射率０．６以上となるようにすれば、電池の熱暴走を抑え、安全性を向上させることができることが分かった。
【００３９】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、被覆部材１８が、電池缶１１の側面全体を覆い、上面および下面の縁に少しかかるように設けられている場合について説明したが、電池缶１１の側面の一部だけを覆うようにしてもよい。その場合、被覆部材１８は電池缶１１の側面のうち少なくとも電池素子の下端に対応する位置からかしめ部分の下端までを覆っていれば足りる。
【００４０】
また、上記実施の形態および実施例では、被覆部材１８自体に文字や模様などを記載する場合について説明したが、被覆部材１８は、文字や模様などを記載したラベルとは別に設けられていてもよい。
【００４１】
更に、例えば、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または製造方法および条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の製造方法および条件としてもよい。例えば、電池缶１１はステンレス以外の他の材料、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄（Ｆｅ）により構成されていてもよいし、被覆部材１８の文字または模様は、プリント以外の他の方法で記載されていてもよい。
【００４２】
加えて、上記実施の形態および実施例では、円筒型の電池缶１１を用いた二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明は、角型の電池缶１１を有する二次電池についても同様に適用することができる。また、上記実施の形態では、二次電池について説明したが、一次電池などの他の電池についても同様に適用することができる。更に、本発明は充電電圧によらず効果があり、実施例によって規定されるものではない。
【００４３】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、正極２１および負極２２を巻回するようにしたが、正極および負極を折り畳むあるいは積み重ねてもよい。
【００４４】
加えて、また、例えば、上記実施の形態および実施例では、溶媒に液状の電解質である電解液を用いる場合について説明したが、電解液に代えて、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質、イオン伝導性を有する固体電解質、固体電解質と電解液とを混合したもの、あるいは固体電解質とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。
【００４５】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの長周期型周期表における他の１族の元素、またはマグネシウムあるいはカルシウム（Ｃａ）などの長周期型周期表における２族の元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極活物質、正極活物質あるいは溶媒などは、その電極反応物質に応じて選択される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電池の外観を表す斜視図である。
【図２】図１に示した電池の縦断面図である。
【図３】本発明の実施例および比較例におけるオーブン内の電池の配置を表す斜視図である。
【図４】電池の被覆部材に係る温度上昇の結果を表す図である。
【図５】電池の側表面面積に対する黒色面積に係る温度上昇の結果を表す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…外装部材、１１…電池缶、１２，１３…絶縁板、１４…電池蓋、１５…安全弁機構、１６…熱感抵抗素子、１７…ガスケット、１８…被覆部材、２０…電池素子、２１…正極、２２…負極、２３…セパレータ、２４…センターピン、２５…正極リード、２６…負極リード。
【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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