(57)【要約】【課題】電極板を効果的に冷却する。【解決手段】二次電池１は、電解質を貯蔵する電池容器２と、電池容器２に収容され、互いに積層された複数の電極板３、４と、複数の電極板３、４を積層方向に貫通して複数の電極板３、４と接触しているとともに積層方向の端が電池容器２の内壁と接触しており、電極板３、４と接触する接触部が絶縁性とされ、電解質よりも熱伝導率が高い放熱部材６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を貯蔵する電池容器と、
前記電池容器に収容され、互いに積層された複数の電極板と、
前記複数の電極板を積層方向に貫通して前記複数の電極板と接触しているとともに前記積層方向の端が前記電池容器の内壁に接触しており、前記電極板と接触する接触部が絶縁性とされ、前記電解質よりも熱伝導率が高い放熱部材と、を備える二次電池。
【請求項２】
前記放熱部材は、金属材料からなり前記積層方向と直交する方向に延びる芯体を備え、
前記放熱部材の接触部は、前記芯体と前記電極板との間を充填するように設けられている請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記接触部は、前記芯体の材料よりも同じ荷重に対する変形量が大きい材料からなり、変形することによって前記芯体と前記電極板とに密着している請求項２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記放熱部材の前記接触部は、前記電極板と前記電解質との充放電反応による前記電極板の温度の上昇値が前記積層方向と直交する面内で相対的に高い部位と接触している請求項１ないし３のいずれか一項に記載の二次電池。
【請求項５】
前記電池容器に設けられた電極端子を備え、
前記電極板は、電極活物質からなる層が設けられた本体部と、前記本体部から前記電極端子へ延びて前記電極端子と電気的に接続されたタブと、を有し、
前記放熱部材の前記接触部は、前記本体部のうち前記タブに近接する部位と接触している請求項１ないし４のいずれか一項に記載の二次電池。
【請求項６】
前記電極板は、前記電極板の外周よりも内側に収まる貫通孔を有し、
前記放熱部材の前記接触部は、前記貫通孔の縁端と接触している請求項１ないし５のいずれか一項に記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
繰り返し充放電することが可能な二次電池は、電気自動車や定置用電源装置、発電装置等の各種のシステムに用いられている。二次電池は、温度上昇による電解質の劣化や電池性能の低下を抑制する観点で、電池容器内の熱の放熱を促進するように構成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１の積層型電池（二次電池）は、互いに積層された電極板を積層方向に貫通する貫通部（貫通孔）を備える。貫通部は、電極板の積層方向に直交する面内の中央部に設けられている。電池外装は、貫通部と干渉しないように貫通部の内側に挿入された凹部を有する。この二次電池は、電池容器内の熱が凹部から外部へ放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の二次電池は、凹部が貫通部と干渉しないように構成されているので、電極板の熱が電解質を介して凹部へ伝わることになる。したがって、電解質の熱抵抗がボトルネックになり、電極板の放熱性をさらに向上させることが難しい。
【０００６】
本発明は、上述の事情に鑑み成されたものであって、電極板を効果的に冷却することが可能な二次電池を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の二次電池は、電解質を貯蔵する電池容器と、前記電池容器に収容され、互いに積層された複数の電極板と、前記複数の電極板を積層方向に貫通して前記複数の電極板と接触しているとともに前記積層方向の端が前記電池容器の内壁に接触しており、前記電極板と接触する接触部が絶縁性とされ、前記電解質よりも熱伝導率が高い放熱部材と、を備える。
【０００８】
上記の二次電池は、電解質よりも熱伝導率が高い材料からなる放熱部材が複数の電極板のそれぞれと接触しており、放熱部材のうち電極板に接触する接触部が絶縁性とされているので、複数の電極板が放熱部材を介して互いに短絡することなく、複数の電極板のそれぞれの熱が放熱部材へ効果的に伝わるようになる。放熱部材の端が電池容器の内壁と接触しているので、結果として、複数の電極板の熱が放熱部材を介して電池容器へ効果的に伝わるようになる。このように、上記の二次電池は、複数の電極板のそれぞれを放熱部材及び電池容器を介して効果的に冷却することができる。また、放熱部材が複数の電極板を積層方向に貫通して複数の電極板と接触しているので、複数の電極板の間の位置ずれの発生を抑制することもできる。
【０００９】
上記の二次電池において、前記放熱部材は、金属材料からなり前記積層方向と直交する方向に延びる芯体を備え、前記放熱部材の接触部は、前記芯体と前記電極板との間を充填するように設けられていてもよい。
【００１０】
このようにすれば、放熱部材と電極板との接触面積を増すことができ、電極板から放熱部材へ伝わる熱量を増すことができるので、電極板を効果的に冷却することができる。
【００１１】
上記の二次電池において、前記接触部は、前記芯体の材料よりも同じ荷重に対する変形量が大きい材料からなり、変形することによって前記芯体と前記電極板とに密着していてもよい。
【００１２】
このようにすれば、接触部が変形することによって芯体と電極板とに密着しているので、放熱部材と電極板との接触熱抵抗を減らすことができ、電極板から放熱部材へ伝わる熱量を増すことができるので、電極板を効果的に冷却することができる。
【００１３】
上記の二次電池において、前記放熱部材の前記接触部は、前記電極板と前記電解質との充放電反応による前記電極板の温度の上昇値が前記積層方向と直交する面内で相対的に高い部位と接触していてもよい。
【００１４】
このようにすれば、電極板の温度の上昇値が積層方向と直交する面内で相対的に高い部位を、効果的に冷却することができる。
【００１５】
上記の二次電池は、前記電池容器に設けられた電極端子を備え、前記電極板は、電極活物質からなる層が設けられた本体部と、前記本体部から前記電極端子へ延びて前記電極端子と電気的に接続されたタブと、を有し、前記放熱部材の前記接触部は、前記本体部のうち前記タブに近接する部位と接触していてもよい。
【００１６】
本体部のうちタブに近い部位であるほど、充放電時に電荷が集中して流れやすく発熱が顕著であるが、放熱部材が本体部のうちタブに近接する部位と接触しているので、電極板を効果的に冷却することができる。
【００１７】
上記の二次電池において、前記電極板は、前記電極板の外周よりも内側に収まる貫通孔を有し、前記放熱部材の前記接触部は、前記貫通孔の縁端と接触していてもよい。
【００１８】
このようにすれば、電極板を効果的に冷却することができるとともに、積層方向に直交する方向において複数の電極板の間の位置ずれの発生を格段に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電極板を効果的に冷却することが可能な二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態の二次電池の概略構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の二次電池の積層方向に直交する断面を示す図である。
【図３】第１実施形態の二次電池の積層方向に平行な断面を示す図である。
【図４】第２実施形態の二次電池の積層方向に平行な断面を示す図である。
【図５】第３実施形態の二次電池の積層方向に平行な断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態及び実施例について図面を参照しながら説明するが、本発明は下記の実施形態及び実施例に限定されない。説明に用いる図面中の構造の寸法や縮尺は、実際と異なることがある。
【００２２】
［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態の二次電池の概略構成を示す図である。図２は、第１実施形態の二次電池の積層方向に直交する断面を示す図である。図３は、第１実施形態の二次電池の積層方向に平行な断面を示す図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図に相当し、図３は図１のＢ−Ｂ’線断面図に相当する。
【００２３】
図１ないし図３に示す二次電池１は、積層型のリチウムイオン二次電池である。二次電池１は、電池容器２と、正極板（電極板）３と負極板（電極板）４が互いに積層されてなり電池容器２に収容された積層電極体５と、電極板の積層方向に積層電極体５を貫通して積層電極体５及び電池容器２の内壁に接触している放熱部材６と、電池容器２に取付けられた正極端子（電極端子）７及び負極端子（電極端子）８と、を備える。
【００２４】
本実施形態の積層電極体５は、電極板の積層方向に周りの外周に設けられて積層方向の一端と他端とを結ぶ凹部５ａを有する。放熱部材６は、凹部５ａにはめ込まれており、凹部５ａの内面と面接触している。なお、各実施形態の説明において、電極板の積層方向を単に積層方向ということがある。
【００２５】
電池容器２は、箱状の容器であり、その内部に電解質を貯蔵している。本実施形態の電解質は、リチウムイオンを含有する液状の非水電解質（電解液）である。電池容器２は、開口９ａを有する容器本体９と、開口９ａを塞いで容器本体９と溶接等で接合された蓋１０とを有する。電池容器２は、例えばアルミニウム製である。電池容器２が導電材料で形成されている場合に、電池容器２と積層電極体５の短絡を防止するために、電池容器２と積層電極体５との間にポリプロピレン板等の絶縁性のスペーサが設けられることや、電池容器２の内壁に塗膜等の絶縁膜が設けられることがある。
【００２６】
正極端子７及び負極端子８は、絶縁性のスリーブ１１を介して、蓋１０に取り付けられている。スリーブ１１は、正極端子７及び負極端子８が蓋１０と短絡しないように、設けられている。正極端子７及び負極端子８は、それぞれ、一部が電池容器２の外側に配置されており、他の一部が電池容器２の内部に配置されている。二次電池１は、正極端子７及び負極端子８を介して、充放電することができる。
【００２７】
積層電極体５は、正極板３と負極板４とがセパレータ１２を介して互いに積層された構造である。積層電極体５は、複数の正極板３及び複数の負極板４を有しており、正極板３及び負極板４は交互に繰り返し配置されている。正極板３及び負極板４は、電池容器２に貯蔵されている電解液に浸漬されている。正極板３、負極板４、及びセパレータ１２は、積層方向に直交する面内のほぼ同じ位置に設けられ、互いに積層された状態で凹部５ａを構成する切欠を有する。
【００２８】
なお、図１ないし図３に示すＸＹＺ直交座標系において、Ｘ方向は積層電極体５における電極板の積層方向であり、Ｙ方向及びＺ方向は、それぞれＸ方向に直交し、互いに直交する方向である。本実施形態において、Ｙ方向は、正極端子７と負極端子８とが並ぶ方向である。本実施形態において、Ｚ方向は、正極端子７と負極端子８とが電池容器Ａから突出する方向である。二次電池１は、例えば、Ｘ方向及びＹ方向が水平方向、Ｚ方向が鉛直方向となるように配置されて、使用される。
【００２９】
正極板３は、アルミニウム等からなるシート状の集電材１３を基材として、形成されている。正極板３は、正極活物質層１４が設けられた正極本体部（本体部）１５と、正極本体部１５を基端として正極本体部１５の外側に帯状に延びて正極端子７と電気的に接続された正極タブ（タブ）１６とを有する。
【００３０】
正極活物質層１４は、例えばマンガン酸リチウム等の電極活物質からなる層である。正極活物質層１４は、正極本体部１５における集電材１３の両面に形成されている。正極本体部１５は、外形が矩形状である。正極本体部１５は、外周から内側に向って窪んだ切欠状の凹部１７を有する。積層方向から見た放熱部材６は、凹部１７の内側に配置されており、凹部１７の縁端と接触している。凹部１７の縁端は、矩形状の正極本体部１５の外周のうち、短辺に相当する外周と連続している。
【００３１】
正極タブ１６は、正極本体部１５の外周のうち凹部１７の縁端と連続する辺（短辺）を基端として延びている。すなわち、放熱部材６は、正極本体部１５から正極タブ１６が突出する方向に関して、放熱部材６は正極タブ１６と同じ側の正極本体部１５の端部と接触している。このように、放熱部材６は、正極タブ１６と近接する位置に配置されている。
【００３２】
正極タブ１６は、集電材１３の一部であり、正極活物質層１４が設けられていない部分の集電材１３によって構成されている。複数の正極板３は、いずれも同様の形状及び寸法である。複数の正極板３は、積層方向に重なり合う正極タブ１６が束ねられて、電池容器２の内部で正極端子７と電気的に接続されている。
【００３３】
負極板４は、銅等からなるシート状の集電材１８を基材として形成されている。負極板４は、カーボン等の電極活物質からなる負極活物質層１９が設けられた負極本体部（本体部）２０と、負極本体部２０を基端として負極本体部２０の外側に帯状に延びて負極端子８と電気的に接続された負極タブ（タブ）２１とを有する。
【００３４】
負極板４は、正極板３と同様の構造であり、Ｙ方向に平行な対称軸に関して正極板３と対象的に配置されている。複数の負極板４は、積層方向に重なり合う負極タブ２１が束ねられて、電池容器２の内部で負極端子８と電気的に接続されている。負極本体部２０は、積層方向から見た正極本体部１５の凹部１７とほぼ同じ位置に、凹部２２を有している。積層方向から見た放熱部材６は、凹部２２の内側に配置されており、凹部２２の縁端と接触している。
【００３５】
放熱部材６は、電極板の積層方向に延びる柱状である。放熱部材６は、積層方向に対して側方の外周面が正極板３の凹部１７の縁端及び負極板４の凹部２２の縁端と接触している。放熱部材６は、積層方向から見て正極タブ１６と負極タブ２１が並ぶ方向（Ｙ方向）において正極タブ１６と負極タブ２１の中央に配置されている。
【００３６】
本実施形態の放熱部材６は、積層方向の第１の端面２３及び第２の端面２４がいずれも電池容器２の内壁９ｂと溶接等で接合されており、積層方向の両端がいずれも電池容器２の内壁９ｂと接触している。なお、放熱部材６は、積層方向の一端と他端の少なくとも一方が電池容器２の内壁９ｂと接触していればよい。放熱部材６は、板バネ等の付勢部によって積層方向に付勢されており、第１の端面２３と第２の端面２４の少なくとも一方が電池容器２の内壁９ｂと押し合わされて密着していてもよい。
【００３７】
放熱部材６は、電池容器２の内部に貯蔵されている電解質よりも熱伝導率が高い。放熱部材６は、外周面２５を含んだ表層（接触部２６）と、接触部２６よりも径方向の内側の芯体２７とを備える。
【００３８】
本実施形態の放熱部材６は、接触部２６の熱伝導率と芯体２７の熱伝導率が、いずれも電解質の熱伝導率よりも高い。なお、放熱部材６は、接触部２６の熱伝導率が電解質の熱伝導率よりも低くなっているとともに芯体２７の熱伝導率が電解質の熱伝導率よりも高くなっており、接触部２６と芯体２７とを合わせた１つの部材としての熱伝導率が、電解質の熱伝導率よりも高くてもよい。
【００３９】
芯体２７は、アルミニウムや銅、タングステン、ジルコニウム等の金属材料からなる。芯体２７の材料としてタングステンを採用すれば、アルミニウムよりも電解質に対する化学的な安定性を高めることができる。また、芯体２７の材料としてジルコニウムを採用すれば、ジルコニウムよりも電解質に対する化学的な安定性を高めることができる。
【００４０】
接触部２６は、絶縁性塗料からなる塗膜や金属酸化物等からなる皮膜等で構成される。接触部２６の形成材料としては、電解質に対する化学的な安定性が高く熱伝導率が高い材料、例えばポリプロピレンや炭化ケイ素、上記の金属材料を酸化した酸化物、各種セラミックス等が挙げられる。
【００４１】
また、接触部２６の形成材料は、金属粒子の表面を絶縁化した粒子等の電解質よりも熱伝導率が高い粒子を、バインダーに分散させた分散液等でもよい。また、放熱部材６は、アルミニウムや銅等の金属材料からなる柱状部材を母材とし、その表層を陽極酸化法等で絶縁化して接触部２６とし、接触部２６の内側で酸化されてない部分を芯体２７としたものでもよい。
【００４２】
以上のような構成の二次電池１は、電池容器２の内部の電解液と電極板（正極板３及び負極板４）とが充放電反応することによって、正極端子７及び負極端子８を介して、二次電池１を充電あるいは放電することができる。
【００４３】
一般に、電極板は、電解液と充放電反応することによって発熱する。二次電池１において、正極板３及び負極板４の熱は、正極板３及び負極板４が放熱部材６と接触していることによって、放熱部材６へ直接的に運ばれる。放熱部材６は、電解液よりも熱伝導率が高いので、正極板３及び負極板４の熱を電解液よりも効果的に受け取ることができる。
【００４４】
放熱部材６へ運ばれた熱は、放熱部材６の第１の端面２３及び第２の端面２４が電池容器２の内壁９ｂと面接触していることにより、電池容器２へ効果的に運ばれる。電池容器２へ運ばれた熱は、電池容器２の外部に散逸する。このように、正極板３及び負極板４は、放熱部材６及び電池容器２を介して効果的に冷却される。
【００４５】
本実施形態の二次電池１は、放熱部材６が積層方向に積層電極体５を貫通して複数の正極板３及び複数の負極板４のそれぞれと接触しているので、複数の正極板３及び複数の負極板４のそれぞれを効果的に冷却することができる。また、複数の正極板３及び複数の負極板４は、積層方向と交差する方向に移動することが放熱部材６によって抑制されるので、積層方向と交差する方向に電極板の間の位置ずれが発生することが抑制される。
【００４６】
ところで、本体部からタブが突出する方向と直交する方向（Ｙ方向）において、タブの寸法（幅）が電極板の寸法（幅）よりも小さいので、本体部のうちタブに近い部位であるほど、充放電時に電荷が集中して流れることになり、充放電時の電極板の発熱量が多くなる。本実施形態において、放熱部材６がタブの近傍、すなわち積層方向と直交する面内で相対的に発熱量が多い部位に接触しているので、電極板を効果的に冷却することができる。
【００４７】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態の二次電池の積層方向に平行な断面を示す図である。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素は、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化することがある。
【００４８】
図４に示す第２実施形態の二次電池１Ｂは、積層電極体５を積層方向に貫通して複数の正極板３及び複数の負極板４のそれぞれと接触する放熱部材２８を備える。放熱部材２８は、金属材料からなる芯体２７と、芯体２７と各電極板（正極板３又は負極板４）との間を充填するように設けられた接触部２９とを備える。
【００４９】
本実施形態の接触部２９は、芯体２７の材料よりも同じ荷重に対する変形量が大きい材料（柔軟性を有する材料）からなる。また、接触部２９は、正極板３と負極板４のいずれよりも、同じ荷重に対する変形量が大きい材料からなる。
【００５０】
このような接触部２９の材料としては、電極板の本体部における凹部の縁端に追従して塑性変形あるいは弾性変形する材料が挙げられる。接触部２９の材料の具体例としては、例えばゲル状の伝熱シート、シリコーンゴム、金属系セラミックスパテ等が挙げられる。接触部２９は、自身が変形することによって芯体２７と電極板との間を充填するとともに、芯体２７と密着し、かつ正極板３及び負極板４と密着している。
【００５１】
以上のような構成の二次電池１Ｂは、接触部２９と電極板との接触面積を増すことができ、電極板の熱が接触部２９を介して芯体２７へ効果的に運ばれるので、電極板を効果的に冷却することができる。
【００５２】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態の二次電池の積層方向に平行な断面を示す図である。第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素は、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化することがある。
【００５３】
図５に示す第３実施形態の二次電池１Ｃは、正極板３０及び負極板３１が互いに積層されてなる積層電極体３２と、積層電極体３２を積層方向に貫通して複数の正極板３０及び複数の負極板３１のそれぞれと接触する放熱部材３３を備える。
【００５４】
本実施形態において、正極板３０は、外周の内側に収まる貫通孔３４を有し、負極板３１も外周の内側に収まる貫通孔３５を有する。正極板３０の貫通孔３４と負極板３１の貫通孔３５は、積層方向に連通している。本実施形態の貫通孔３４及び貫通孔３５は、いずれも内周の形状がほぼ円形である。貫通孔３４及び貫通孔３５の内周の形状は、楕円形や多角形でもよい。
【００５５】
放熱部材３３は、貫通孔３４及び貫通孔３５に挿通されて、積層方向の側方の外周面は、貫通孔３４の縁端及び貫通孔３５の縁端と接触している。放熱部材３３は、積層方向の側方の外周面を含む表層（接触部）が絶縁性になっている。本実施形態の放熱部材３３は、積層方向に直交する断面形状が、貫通孔３４及び貫通孔３５の内周と同様にほぼ円形である。放熱部材の断面形状は、楕円や多角形でもよい。
【００５６】
以上のような構成の二次電池１Ｃは、第１実施形態と同様に理由により、電極板を効果的に冷却することができる。また、電極板の外周の内側に収まる貫通孔に放熱部材３３が挿通されているので、積層方向に直交する方向で複数の電極板の間の位置ずれの発生を格段に抑制することができる。
【００５７】
また、貫通孔３４の形状と、放熱部材３３の断面形状は、円形すなわち外周の長さに対する面積の比が最小の図形であるので、貫通孔が設けられていることによる電極活物質層の表面積の減少をおさえつつ、電極板と放熱部材３３との接面積を増すことができ、電極板を効果的に冷却することができる。
【００５８】
なお、本発明の技術範囲は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。例えば、二次電池１は、リチウムイオン以外のイオンを用いた二次電池、例えばナトリウム系の二次電池でもよい。上記の各実施形態において、１つの二次電池に対して１つの放熱部材６が設けられている例を説明したが、１つの二次電池に複数の放熱部材６が設けられていてもよい。また、上記の第１ないし第３実施形態で説明した各要件は、適宜、組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１、１Ｂ、１Ｃ・・・二次電池、２・・・電池容器、３・・・正極板（電極板）、４・・・負極板（電極板）、６・・・放熱部材、７・・・正極端子（電極端子）、８・・・負極端子（電極端子）、１０ａ・・・内壁、１３・・・集電材、１４・・・正極活物質層、１５・・・正極本体部（本体部）、１６・・・正極タブ（タブ）、１８・・・集電材、１９・・・負極活物質層、２０・・・負極本体部（本体部）、２１・・・負極タブ（タブ）、２６・・・接触部、２７・・・芯体、２８・・・放熱部材、２９・・・接触部、３０・・・正極板（電極板）、３１・・・負極板（電極板）、３３・・・放熱部材、３４、３５・・・貫通孔
【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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