(57)【要約】【課題】電池が、外部からの強い衝撃を受けた場合に、電池ケースの破壊によって、電池内部で短絡が起こり、大電流が流れることによる危険を回避する。【解決手段】正極と負極とをセパレータを介して対向配置した発電部を電解質とともに電池ケース３に封入してなる電池において、前記電池ケース３の外表面または内表面の少なくともいずれか一方にダイラタンシー特性を付与する有機物質を含有し衝撃を受けることにより硬くなる保護層２を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極とをセパレータを介して対向配置した発電部を電解質とともに電池ケースに封入してなる電池において、前記電池ケースの外表面または内表面の少なくともいずれか一方にダイラタンシー特性を付与する有機物質を含有し衝撃を受けることにより硬くなる保護層を設けたことを特徴とする電池。
【請求項２】
前記保護層を電池ケースの外表面に設けた請求項１記載の電池。
【請求項３】
前記保護層を外装ラベルと兼用とした請求項２記載の電池。
【請求項４】
前記保護層の外側に外装ラベルを設けた請求項２記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報端末や電動工具、移動用車体などに用いる電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、省資源や省エネルギーの観点から、繰り返し使用できるニッケル水素、ニッケルカドミウムやリチウムイオンなどの二次電池の需要が高まっている。中でもリチウムイオン二次電池は、軽量でありながら起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有しているため、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源、また、コードレス化した電動工具の動力用電源としての需要が拡大している。一方、石油などの化石燃料の使用量の低減やＣＯ２の排出量を削減するために、自動車などのモータ駆動用の電源として組み合わせることにより、所望の電圧や容量を得ることができる電池も開発されている。
【０００３】
電池の高エネルギー密度化が進むに伴って、電池自体の安全性がより重要となっている。例えば短絡等の原因で電池内圧が上昇し、電池そのものが破損し電池の機能を失ったり、周辺の機器を破損することがある。
【０００４】
この弊害を防止するために、衝撃吸収シートを電池ケースの表面に設けることにより耐衝撃性を高めた電池の提案が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、電池保護素子を電池ケース内に配置し、過充電時や外部短絡時等の異常時の発熱を利用し充電回路を切断することで二次電池の充電を強制的に停止させて熱暴走による破裂、発火を防ぐ方策が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１２９２４４号公報
【特許文献２】特開２００２−２９８８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に示す電池は、電池ケースの表面に柔軟性を有する衝撃吸収シートを設けるものであり、電池ケースが破損しない程度に充分な保護性能を有するためには、衝撃吸収シートの厚みを大きくする必要があった。即ち、電池容積に占める衝撃吸収シートの割合が増すことから、高エネルギー密度の電池の実現は難しく、電池重量の増大や電池形状が制限される等の課題がある。
【０００８】
また、特許文献２に示す電池は、電池保護素子を電池ケース内に配置することから、電池内の発電部のためのスペースが少なくなり、寸法的に不利となる。さらには、電池ケースは通常の強度のものを使用することから、衝撃等による電池の破壊・破砕は免れない。即ち、電解質漏出による周辺機器への汚染等の課題については、なんら対策が施されていない。
【０００９】
本発明は前述の問題点を解決するためになされたものであり、通常時は柔軟性が高く、大きな衝撃を受けたときには保護層として機能する材料を、電池ケースの一部に用いることにより、自由度の高い形状と高い安全性を有した電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の目的を達成するために、本発明にかかる電池は、正極と負極とをセパレータを介して対向配置した発電部を電解質とともに電池ケースに封入してなる電池において、前記電池ケースの外表面または内表面の少なくともいずれか一方にダイラタンシー特性を付与する有機物質を含有し衝撃を受けることにより硬くなる保護層を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
ここでダイラタンシー特性とは、小さい剪断応力には液体のようにふるまい、大きい剪断応力には固体のようにふるまう性質のことである。本発明では、ダイラタンシー特性を有する有機物質を含有した保護層を設けることで、この保護層が瞬間的な衝撃において硬化し、電池ケースの破損や形状変化を防ぐことができるため、電池ケース内部の発電部を保護することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、電池ケースの内外表面の少なくともいずれかの一部に、ダイラタンシー特性を付与する有機物質を含有し衝撃を受けることで硬くなる保護層を設けることで、電池ケース内部の発電部を保護することができる。
【００１３】
この保護層は、電池ケース材料や形状に左右されないため、電池の形状に規制を加えることなく、軽量で、且つ安全性の高い電池を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電池の構成を示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態１に係る電池の断面図
【図３】本発明の実施の形態１に係る電池の内部構成を示す一部切欠斜視図
【図４】本発明の実施の形態２に係る電池の断面図
【図５】本発明の実施の形態３に係る電池の構成を示す斜視図
【図６】本発明の実施の形態４に係る電池の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の第１の発明は、正極と負極とをセパレータを介して対向配置した発電部を電解質とともに電池ケースに封入してなる電池において、前記電池ケースの外表面または内表面の少なくともいずれか一方にダイラタンシー特性を付与する有機物質を含有し衝撃を受けることにより硬くなる保護層を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明は、突然の衝撃によって引き起こされるような著しく高い変形速度において、その材料が硬くまたは硬直になる有機物質を選定し、電池に応用することにより、明らかな外傷効果を低下するための保護層としての効果が得られる。
【００１７】
本発明の第２の発明は、前記保護層を電池ケースの外表面に設けた電池である。電池ケースの外表面に、ダイラタンシー特性を有する有機材料を含有した保護層を配置し、保護層としての効果を持たせることで、性能を高めながら高安全性の電池を得ることができる。
【００１８】
本発明の第３の発明は、前記保護層を電池ケースの外表面に設ける外装ラベルとした電池である。ダイラタンシー特性を有する有機材料を含有する保護層をフィルム状とし、意匠やその他表示物を印刷することにより、表示ラベルとしての機能を有することができる。
【００１９】
本発明の第４の発明は、前記保護層の外側に外装ラベルを設けた電池である。ダイラタ
ンシー特性を有する有機材料を含有した保護層の外側に外装ラベルを設けることにより、より自由に保護層の形状を設定することが可能となる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態１に係る電池の構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す電池１のＸ−Ｘ断面を示す断面図である。電池１は、正極と負極とをセパレータを介して対向配置して構成した発電部および電池ケース３と保護層２とから構成されている。
【００２２】
電池ケース３は、例えば鉄、ニッケル、アルミニウム、チタン、銅、ステンレス等、不燃材料である金属や、液晶性全芳香族ポリエステル、ポリエーテルサルホン、芳香族ポリアミドなどの耐熱性のある樹脂、または金属と樹脂との積層体を用いて構成されている。保護層２は、例えば発泡体、好ましくはポリウレタン発泡体又はセルロース発泡体等の連続気泡発泡体の発泡中にダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させた複合材料を延伸もしくはスライスして薄膜シート化したもので構成されている。
【００２３】
ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料は、例えば、シリコーン・バウンシング・パテ（ｓｉｌｉｃｏｎｅ  ｂｏｕｎｃｉｎｇ  Ｐｕｔｔｉｅｓ）の一般名で市場に出され、ホウ素化合物とシリコーンオイルや反応性シリコーンオイルなどと加熱反応処理させてホウ素含有シロキサンポリマーとし、充填剤を加えてパテ状物質としたものである。
【００２４】
パテ状製品としては、例えば、ダウコーニング社製のダイラタントコンパウンド、信越化学工業株式会社製のＫＥ?ＳＡ?Ｐを用いることができる。
【００２５】
市場では、ダイラタンシー特性を有する衝撃防護システム、もしくはエネルギー吸収材料として、シリコーン・パテ材料（シリコーンダイラタントとしても知られている）がある。この材料は、変形速度に敏感な、せん断増粘性の材料であり、低速のひずみ変形では粘性流になるが、高められたひずみ変形速度では変形の変化速度につれ、十分な粘度上昇を果たす材料である。
【００２６】
ダイラタンシー特性を有する有機材料としては、粘性流体中の固体粒子の分散液とした液状もしくはゲル状のものであり、自己形状保持性がないため、外包中に収めなければならない。外包材料としては、軽量で柔軟性を持ち、比較的加工が容易な材料が望ましく、樹脂材料との組み合わせが電池に適するとの考えに至った。樹脂材料は、目的物の用途に応じ、フィルム、シート、およびファイバーのような様々な形状のものに加工できる。例えば、中空や発泡性の加工方法を施した樹脂内部にダイラタンシー特性を有する有機材料を内封させることが可能であり、その材料を電池ケースの外表面に設置することで保護層としての効果が達成される。
【００２７】
図３は、電池の構造を示す概略断面図である。図に示す電池は、発電部として巻回構造の極板群２８を有する非水電解質二次電池、例えば円筒形１８６５０サイズのリチウムイオン二次電池である。極板群２８は、正極リード１８を備えた正極板１７と負極リード２０を備えた負極板１９とがセパレータ２１を介して渦巻き状に巻回された構造を有している。極板群２８の上部には上部絶縁板２２が、下部には下部絶縁板２３がそれぞれ取り付けられている。そして、極板群２８及び電解質としての非水電解液（図示省略）が入れられ外表面に保護層２を設けた電池ケース３は、ガスケット２５と封口板２６と正極端子２７とで封口されている。
【００２８】
そして、封口板２６の略中央には、略円形の溝２９が形成されており、電池ケース３内
でガスが発生して内部圧力が所定の圧力を超えると、溝２９が破断して電池ケース３内のガスを外部へ放出するようになっている。また、正極端子２７の略中央部には、外部接続用の凸部が設けられ、この凸部に電極開口部３０（放出口）が設けられており、溝２９が破断して放出されたガスを、電極開口部３０から電池１の外部へ放出させるようになっている。
【００２９】
図３に示す正極板１７は、例えばアルミニウム箔等の金属箔からなる正極集電体の表面に、正極活物質が略均一に塗着されて構成されている。
【００３０】
正極活物質は、リチウムを含む遷移金属含有複合酸化物、例えば、非水電解質二次電池に使用されるＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２等の遷移金属含有複合酸化物を含有する。これらの遷移金属含有複合酸化物の中でも、高い充電終止電圧を使用でき、また高電圧状態で添加剤がその表面に吸着あるいは分解して良質な被膜を形成しうるＣｏの一部を他の元素で置換した遷移金属含有複合酸化物が好ましい。このような遷移金属含有複合酸化物としては、具体的には、例えば、一般式ＬｉａＭｂＮｉｃＣｏｄＯｅ（ＭはＡｌ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、およびＭｏからなる群から選択される少なくとも一種の金属であり、且つ０＜ａ＜１．３、０．０２≦ｂ≦０．５、０．０２≦ｄ／ｃ＋ｄ≦０．９、１．８＜ｅ＜２．２の範囲であって、更にｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、０．３４＜ｃである）で表される遷移金属含有複合酸化物が挙げられる。
【００３１】
また、図３に示す負極板１９は、例えば銅箔等の金属箔からなる負極集電体の表面に、負極活物質が略均一に塗着されて構成されている。
【００３２】
負極活物質としては、炭素材料、リチウム含有複合酸化物、リチウムと合金化可能な材料等、リチウムを可逆的に吸蔵放出可能な材料、及び金属リチウムを用いることができる。炭素材料としては、例えば、コークス、熱分解炭素類、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、黒鉛化メソフェーズ小球体、気相成長炭素、ガラス状炭素類、炭素繊維（ポリアクリロニトリル系、ピッチ系、セルロース系、気相成長炭素系）、不定形炭素、有機物の焼成された炭素材料等が挙げられる。これらは単独または二種以上を混合して使用してもよい。これらの中でもメソフェーズ小球体を黒鉛化した炭素材料や、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛材料が好ましい。また、リチウムと合金化可能な材料としては、例えば、Ｓｉ単体あるいはＳｉとＯとの化合物（ＳｉＯｘ）等が挙げられる。これらは単独または二種以上を混合して使用してもよい。上記のようなケイ素系の負極活物質を使用することにより、さらに高容量の非水電解質二次電池が得られる。
【００３３】
図３に示すように、極板群２８を渦巻き状に巻回することで電池を構成すると、極板面積を増大させつつコンパクトな形状にすることが容易となる。そのため、極板群２８を渦巻き状に巻回することで電池を構成することが、一般的に広く行われている。そして、このように極板群２８を渦巻き状に巻回して電池１を構成すると、電池は必然的に円筒形状となる。
【００３４】
上述のように形成された電池１は、電池に衝撃が加えられると、電池ケース３の表面に取り付けられた保護層２が硬化し、衝撃から電池１を保護するため高い安全性を有する。
【００３５】
図４は、本発明の実施の形態２に係る電池の断面図である。電池ケース３の内表面に保護層２を設けた場合においても、電池に衝撃が加えられると保護層２が硬化し、発電部を保護する効果があるため高い安全性を有する。
【００３６】
図５は、本発明の実施の形態３に係る電池の構成を示す斜視図である。電池１の電池ケース３の外表面に保護層２を取り付けたものである。保護層２には、ダイラタンシー特性
を与える成分に加えて、着色剤などを混合することにより、意匠性を増すことができる。また、この保護層２に、印字や凹凸をつけることにより、表示ラベルとしての機能を付与することができる。
【００３７】
図６は、本発明の実施の形態４に係る電池の断面図である。電池１の電池ケース３の外表面に保護層２を取り付け、さらに保護層２の外表面に外装ラベル４を取り付けたものである。外装ラベル４には印刷が施しやすい樹脂フィルム等を用いることにより、色彩豊かで鮮明な印字を施すことができる。
【実施例】
【００３８】
図３に示す構成の電池１を、以下のようにして作製した。すなわち、正極板１７にアルミニウム箔からなる集電体に正極合剤を塗着したものを用い、負極板１９に銅箔からなる集電体に負極合剤を塗着したものを用いた。また、セパレータ２１の厚みを２５μｍとした。正極リード１８とアルミニウム箔集電体とはレーザ溶接した。また、負極リード２０と銅箔集電体とは抵抗溶接した。負極リード２０は金属製有底の電池ケース３の底部と抵抗溶接により電気的に接続した。正極リード１８は電池ケース３の開放端から防爆弁を有した封口板２６の金属製フィルターにレーザ溶接により電気的に接続した。それから電池ケース３の開放端から非水電解液を注入した。電池ケース３の開放端には溝を入れて座を形成し、正極リード１８を折り曲げ、電池ケース３の座部に樹脂製のガスケット２５と封口板２６とを装着して、電池ケース３の開放端全周囲をかしめて封口した。
【００３９】
さらに詳細に説明する。
【００４０】
（１）正極板１７の作製
正極板１７は以下のようにして作製する。正極合剤として、コバルト酸リチウム粉末を８５重量部、導電剤として炭素粉末を１０重量部、および結着剤としてポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略す）のＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略す）溶液を、ＰＶＤＦを５重量部相当となるようにして混合する。この混合物を厚み１５μｍのアルミニウム箔からなる集電体に塗布し、乾燥させた後、圧延して厚みが１００μｍの正極板１７を作製する。
【００４１】
（２）負極板１９の作製
負極板１９は以下のようにして作製する。負極合剤として人造黒鉛粉末を９５重量部、及び結着剤としてＰＶＤＦのＮＭＰ溶液を、ＰＶＤＦが５重量部相当になるようにして混合する。この混合物を厚み１０μｍの銅箔からなる集電体に塗布し、乾燥させた後、圧延して厚みが１１０μｍの負極板１９を作製する。
【００４２】
（３）非水電解液の調整
非水電解液は以下のように調製する。非水溶媒として、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを体積比１：１で混合し、これに溶質として、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）が１ｍｏｌ／Ｌになるように溶解させる。このように調製した非水電解液を１５ｍｌ用いる。
【００４３】
（４）密閉型二次電池の作製
正極板１７と負極板１９の間に厚み２５μｍのセパレータ２１を配置して巻回し、円筒状の極板群２８を構成した後、金属製有底状の電池ケース３に挿入、非水電解液を注入し、封口して密閉型非水電解質二次電池を得た。この電池１は直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒型電池で、電池の設計容量は２０００ｍＡｈであった。
【００４４】
（実施例１）
図２に示すように、電池ケース３の外表面に保護層２を設けた構造の電池を構成した。保護層２としてダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたマイクロセルラープラスチック（微細発泡体）を使用して構成した。マイクロセルラープラスチック（微細発泡体）は高圧化・温度（超臨界状態）で炭酸ガスを塩化ビニール中に溶解させたあと、急激に冷却、大気圧まで減圧することにより０．５μｍの気泡を生じるようにして生成したポリ塩化ビニールを使用した。電池ケース３にはステンレス缶を用い、厚みを０．２ｍｍとした。保護層２にはダイタランシー特性を示すポリマーベース材料として、デカメチルシクロペンタシロキサンとシリコーン変性アクリル樹脂〔信越化学工業株式会社製ＫＰ−５４５〕との混合液に窒化ホウ素を加えたグリース状材を用い、マイクロセルラープラスチック（微細発泡体）の発泡体中に真空浸漬させたものを用い、厚みは０．０１ｍｍとした。
【００４５】
（実施例２）
図４に示すように、電池ケース３の内表面に保護層２として、実施例１と同様の方法で得られた、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたマイクロセルラープラスチック（微細発泡体）を使用して構成した。
【００４６】
（実施例３）
図５に示すように、電池ケース３の外表面に保護層２として、実施例１と同様の方法で得られた、ダイラタンシーを示すポリマーベース材料を含有させたマイクロセルラープラスチック（微細発泡体）を使用し、その表面に印字したものを用いて構成した。
【００４７】
（実施例４）
図６に示すように、電池ケース３の外表面に保護層２として、実施例１と同様の方法で得られた、ダイラタンシーを示すポリマーベース材料を含有させたマイクロセルラープラスチック（微細発泡体）を設置し、さらにその外表面に外装ラベル４として厚み０．０８ｍｍのポリエチレンテレフタレート製の印字表示のある熱収縮チューブを頂面外縁部まで覆い、９０℃の温風で熱収縮させ完成電池とした。
【００４８】
（比較例１）
図１において、保護層２を取り除いた構成にして比較例１の電池を作製した。
以上の実施例および比較例で得られた各電池パックについて、以下の評価を行った。
【００４９】
（５）落下試験
安全性を確認するために、高さ１６ｍからコンクリート壁へ落下させる落下試験を実施した。その結果、破壊（ひび割れを含む）が発生しなかったものを○、破壊してしまったものを×で、（表１）に示した。
【００５０】
【表１】
2012195259.tif 000003
【００５１】
実施例１〜４は落下試験によって破壊が発生しなかったが、比較例１では破壊されたことから、電池ケースの外表面または内表面に保護層を有することで、安全性が向上することが分かる。
【００５２】
今回、電池のみの落下試験を行ったが、実際に機器本体へ搭載した電池が衝撃を受けた場合においても、電池が破壊されることにより発生する発熱や漏液等による機器本体の損傷も最小限に抑制される。特に落下破損しやすい携帯型電子機器や移動体通信機器、衝突により強い衝撃を受ける自動車には高い安全性の効果が見込まれる。
【００５３】
なお、本実施例は円筒形電池について記載したが、角型電池でも同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、優れた衝撃吸収性を有し、小型化および軽量化とともに安全性が要求される電池、および電池を備えた電子機器および電池収納部を備えた電子機器として有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１  電池
２  保護層
３  電池ケース
４  外装ラベル
１７  正極板
１８  正極リード
１９  負極板
２０  負極リード
２１  セパレータ
２２  上部絶縁板
２３  下部絶縁板
２５  ガスケット
２６  封口板
２７  正極端子
２８  極板群
２９  溝
３０  電極開口部
【図１】
2012195259.tif 000004
【図２】
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【図３】
2012195259.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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