(57)【要約】【課題】電流遮断装置を適切なタイミングで動作させることができる蓄電装置を提供する。【解決手段】ケース２内に電極組立体３と電解液とを収容してなる蓄電装置１であって、ケース２内には、ケース２の内圧が所定の作動圧以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置１６と、ケース２内でのガスの発生量及び電極組立体３の膨張量に応じて体積が収縮すると共に、ガスの発生量が電流遮断装置１６の作動圧に基づいて定められた閾値以上となった場合に体積の収縮が停止する内圧調整部材２１と、が配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース内に電極組立体と電解液とを収容してなる蓄電装置であって、
前記ケース内には、
前記ケースの内圧が所定の作動圧以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置と、
前記ケース内でのガスの発生量及び前記電極組立体の膨張量に応じて体積が収縮すると共に、前記ガスの発生量が前記電流遮断装置の作動圧に基づいて定められた閾値以上となった場合に体積の収縮が停止する内圧調整部材と、が配置されている蓄電装置。
【請求項２】
前記内圧調整部材は、内部が真空状態の弾性体である請求項１記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記内圧調整部材は、真空ベローズである請求項１又は２記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記ケース内には、前記電極組立体を構成する電極を前記ケースの壁部に設けられた電極端子に接続する導電部材と、
前記ケースの壁部に対して前記導電部材を遮蔽するように設けられた絶縁カバーと、が配置され、
前記内圧調整部材は、前記絶縁カバーに保持されている請求項１〜３のいずれか一項記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池などの蓄電装置では、密封されたケース内に電極組立体と電極体とが収容されている。蓄電装置では、過充電などの異常に起因してケース内でガスが発生した場合に蓄電装置の電流経路を遮断する電流遮断装置（ＣＩＤ：Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ  Ｄｅｖｉｃｅ）が内蔵されている。電流遮断装置は、ガスの発生によってケースの内圧が予め設定された閾値に到達した場合に蓄電装置の電流経路を物理的に遮断するように作動する。
【０００３】
例えば特許文献１に記載の蓄電装置は、電極端子と電極組立体とを接続する通電経路と、ケースの内圧が閾値を超えて上昇した場合に変形する変形板とを有する電流遮断装置を備えている。この電流遮断装置では、ケースの内圧の上昇によって変形板が変形すると、当該変形板によって通電経路が物理的に破断されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１２０３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した蓄電装置では、劣化などによって電極組立体に膨張が生じる場合がある。電極組立体に膨張が生じると、ケース内部の体積が減少するため、通常の充放電時に発生するガスに対してケースの内圧が過剰に上昇してしまうことが考えられる。このため、過充電等の異常が発生していないタイミングで電流遮断装置が動作してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、電流遮断装置を適切なタイミングで動作させることができる蓄電装置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】
【０００７】
上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る蓄電装置は、ケース内に電極組立体と電解液とを収容してなる蓄電装置であって、ケース内には、ケースの内圧が所定の作動圧以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置と、ケース内でのガスの発生量及び電極組立体の膨張量に応じて体積が収縮すると共に、ガスの発生量が電流遮断装置の作動圧に基づいて定められた閾値以上となった場合に体積の収縮が停止する内圧調整部材と、が配置されている。
【０００８】
この蓄電装置では、ケース内に内圧調整部材が配置されている。この内圧調整部材は、ケース内でのガスの発生量及び電極組立体の膨張量に応じて体積が収縮し、ガスの発生量が電流遮断装置の作動圧に基づいて定められた閾値以上となった場合に体積の収縮が停止するようになっている。かかる内部調整部材により、通常の充放電時のガス発生に対するケースの内圧の上昇が抑制される一方、過充電時のガス発生に対するケースの内圧の上昇が許容される。したがって、この蓄電装置では、電流遮断装置を適切なタイミングで動作させることができる。
【０００９】
また、内圧調整部材は、内部が真空状態の弾性体であってもよい。このような内圧調整部材を用いることにより、体積の収縮及び収縮の停止を好適に実施できる。また、内部が真空状態であることにより、ケース内部の温度の影響を排除できる。
【００１０】
また、内圧調整部材は、真空ベローズであってもよい。真空ベローズを用いることにより、体積の収縮及び収縮の停止を好適に実施できる。また、内部が真空状態であることにより、ケース内部の温度の影響を排除できる。
【００１１】
また、ケース内には、電極組立体を構成する電極をケースの壁部に設けられた電極端子に接続する導電部材と、ケースの壁部に対して導電部材を遮蔽するように設けられた絶縁カバーと、が配置され、内圧調整部材は、絶縁カバーに保持されていてもよい。この場合、内圧調整部材をケース内部でしっかりと保持できる。また、ケース内の空きスペースを内圧調整部材の配置領域として利用できるため、ケース内部における電極組立体の配置領域が縮小せず、電池容量の低下を招くこともない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一側面に係る蓄電装置によれば、電流遮断装置を適切なタイミングで動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る蓄電装置を示す断面図である。
【図２】図１に示す蓄電装置の電極組立体の構成を示す断面図である。
【図３】蓄電装置における通常時及び過充電時のガスの発生の様子を示すグラフである。
【図４】内圧調整部材の有無によるケースの内圧上昇の差異を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る蓄電装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置を示す断面図である。同図に示すように、蓄電装置１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、例えば略直方体形状をなす中空のケース２と、ケース２内に収容された電極組立体３とを備えている。
【００１６】
ケース２は、例えばアルミニウム等の金属によって形成され、ケース２の内部には、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液が注入されている。ケース２の頂面には、正極端子５と負極端子６とが互いに離間して配置されている。正極端子５は、絶縁部材７を介してケース２の頂面における幅方向の一方側に固定され、負極端子６は、絶縁部材８を介してケース２の頂面における幅方向の他方側に固定されている。
【００１７】
電極組立体３は、図２に示すように、例えば正極１１と、負極１２と、正極１１と負極１２との間に配置されたセパレータ１３とによって構成されている。電極組立体３では、袋状のセパレータ１３内に正極１１が収容されており、この状態で正極１１と負極１２とがセパレータ１３を介して交互に積層された状態となっている。
【００１８】
正極１１は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔１１ａと、金属箔１１ａの両面に形成された正極活物質層１１ｂとを有している。正極活物質層１１ｂは、正極活物質とバインダとを含んで形成されている。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとが含まれる。また、正極１１の上縁部には、正極端子５の位置に対応してタブ１１ｃが形成されている。タブ１１ｃは、正極１１の上縁部から上方に延び、導電部材１４を介して正極端子５に接続されている。
【００１９】
一方、負極１２は、例えば銅箔からなる金属箔１２ａと、金属箔１２ａの両面に形成された負極活物質層１２ｂとを有している。負極活物質層１２ｂは、負極活物質とバインダとを含んで形成されている。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。また、負極１２の上縁部には、負極端子６の位置に対応してタブ１２ｃが形成されている。タブ１２ｃは、負極１２の上縁部から上方に延び、導電部材１５を介して負極端子６に接続されている。
【００２０】
セパレータ１３は、例えば袋状に形成され、内部に正極１１のみを収容している。セパレータの形成材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。なお、セパレータ１３は、袋状に限られず、シート状のものを用いてもよい。
【００２１】
蓄電装置１において、ケース２内に注入される電解液には、過充電添加剤が添加されている。過充電添加剤は、蓄電装置１が過充電状態となった場合に反応を開始して過充電ガスを発生させる添加剤である。過充電添加剤としては、例えばシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）、ビフェニル（ＢＰ）、又はこれらの混合物などが用いられる。蓄電装置１において、通常の充放電時に発生するガスは、例えば一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、エタン等であり、過充電ガスは例えば水素である。過充電添加剤は、通常の充放電時に発生するガスの発生量に関わらず、蓄電装置１の電池電位が過充電となったときに過充電ガスを発生させる。
【００２２】
また、図１に示すように、ケース２内には、過充電添加剤の反応で発生したガスによってケース２の内圧が作動圧以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置（ＣＩＤ）１６が設けられている。電流遮断装置１６は、不図示の通電経路を有し、当該通電経路によって負極端子６と導電部材１５とを直列に接続している。電流遮断装置１６は、ケース２の内圧が予め設定された作動圧以上に上昇した場合に、通電経路を物理的に遮断して電極組立体３と負極端子６との間の通電を遮断する。電流遮断装置１６で設定される作動圧は、例えば過充電添加剤の添加量やケース２内の体積といった条件に基づいて適宜設定されている。
【００２３】
さらに、蓄電装置１のケース２内には、図１に示すように、ケース２の内圧を調整する内圧調整部材２１が配置されている。内圧調整部材２１としては、例えば真空ベローズ２２が用いられる。内圧調整部材２１は、電極組立体３における正極１１及び負極１２の積層部分の上方のスペースに配置されている。より具体的には、本実施形態では、正極１１のタブ１１ｃを正極端子５に接続する導電部材１４と、負極１２のタブ１２ｃを負極端子６に接続する導電部材１５とを跨ぐように、ケース２の壁部に対して導電部材１４，１５を遮蔽する絶縁カバー２３が設けられている。そして、絶縁カバー２３の中央部分において、一対の内圧調整部材２１，２１が互いに離間した状態で固定され、導電部材１４，１５間に保持されている。なお、本実施形態では、一対の内圧調整部材２１，２１を例示しているが、内圧調整部材２１の配置数は適宜変更可能である。
【００２４】
内圧調整部材２１は、付加される圧力に応じて体積が収縮し、かつ付加される圧力が電流遮断装置１６の作動圧以下の所定の圧力に到達したときに体積の収縮が停止する部材である。ケース２内に配置された内圧調整部材２１の体積は、ガスの発生量及び電極組立体３の膨張量に比例して収縮する。また、内圧調整部材２１の体積は、ガスの発生量が電流遮断装置１６の作動圧に基づいて定められた閾値以上となった場合に収縮が停止する。内圧調整部材２１において体積の収縮が停止する閾値は、内圧調整部材２１の形状や寸法などを変更することで調整される。
【００２５】
なお、ここでのガスの発生量とは、ケース２内で発生したガスの量であり、通常の充放電時に発生したガスの量と、過充電時に発生した過充電ガスの量との総和を指す。内圧調整部材２１として真空ベローズ２２を用いる場合、電極組立体３の膨張量が最大となり、かつガスの発生量が閾値に達するまでは、真空ベローズ２２の蛇腹状の本体部分２２ａが収縮して体積が収縮する。また、電極組立体３の膨張量が最大となり、かつガスの発生量が閾値以上となった場合に、真空ベローズ２２の蛇腹状の本体部分２２ａの収縮が停止する。
【００２６】
続いて、上述した構成を有する蓄電装置１の作用効果について説明する。
【００２７】
図３は、蓄電装置における通常時及び過充電時のガスの発生の様子を示すグラフである。また、図４は、内圧調整部材の有無によるケースの内圧上昇の差異を示すグラフである。図３に示すように、蓄電装置１における通常の充放電時では、時間の経過（繰り返しの充放電）によってケース２内でのガスの発生量が増加する。更に時間が経過すると、ガスの発生量は徐々に飽和する。時間ｔ０において過充電が生じた場合、過充電添加剤の反応が開始して過充電ガスが発生し、ケース２内でのガスの発生量が通常の充放電時に比べて急激に増加する。
【００２８】
このようなガスの発生に対し、図４に示すように、電極組立体３に膨張が生じていない場合、ケース２の内圧は、通常の充放電時及び過充電時のいずれの場合もガスの発生量に応じて上昇する（グラフＡ）。この場合の電流遮断装置１６の作動圧Ｐ０は、例えば過充電ガスが発生するときのケース２の内圧に応じて予め設定される。
【００２９】
一方、劣化などによって電極組立体３に膨張が生じると、電極組立体３の膨張分だけケース２内部の体積が減少する。このため、通常の充放電時及び過充電時のいずれの場合においても、ケース２の内圧の上昇率がグラフＡの場合に比べて大きくなる（グラフＢ）。この場合、通常の充放電時に発生するガスに対してケース２の内圧が過剰に上昇するため、過充電が生じる時間ｔ０よりも前の時間ｔ１においてケース２の内圧が電流遮断装置１６の作動圧Ｐ０に達し、過充電等の異常が発生していないタイミングで電流遮断装置１６が動作してしまうおそれがある。
【００３０】
これに対し、上述した蓄電装置１では、ケース２内に内圧調整部材２１が配置されている。この内圧調整部材２１は、付加される圧力に応じて体積が収縮し、かつ付加される圧力が電流遮断装置１６の作動圧Ｐ０以下の所定の圧力に到達したときに体積の収縮が停止する。すなわち、内圧調整部材２１は、ケース２内でのガスの発生量及び電極組立体３の膨張量に応じて体積が収縮し、ガスの発生量が閾値Ｋ０（図３参照）以上となった場合に体積の収縮が停止する。かかる内圧調整部材２１により、蓄電装置１では、電極組立体３の膨張の有無にかかわらず、通常の充放電時のガス発生に対するケース２の内圧の上昇が抑制される一方、過充電時のガス発生に対するケース２の内圧の上昇が許容される（グラフＣ）。
【００３１】
このように、通常の充放電時のガス発生に対するケース２の内圧の上昇が抑制されることで、過充電が生じる時間ｔ０よりも前の時間ｔ１においてケース２の内圧が電流遮断装置１６の作動圧Ｐ０に達してしまうことを防止できる。また、過充電時のガス発生に対するケース２の内圧の上昇が許容されることで、過充電時にはケース２の内圧が電流遮断装置１６の作動圧Ｐ０に達して電流遮断装置１６が作動する。したがって、この蓄電装置１では、電流遮断装置１６を適切なタイミングで動作させることができる。
【００３２】
蓄電装置１では、図３に示すように、内圧調整部材２１の体積の収縮が停止するガスの発生量の閾値Ｋ０は、過充電状態に移行したときのケース２内のガスの発生量（すなわち、過充電ガスの発生が開始されたときのケース２内のガスの発生量）と一致している。このような閾値Ｋ０を設定した場合、内圧調整部材２１を用いることで、過充電時にケース２の内圧が電流遮断装置１６の作動圧Ｐ０に達するまでの時間が時間ｔ０よりも後の時間となることが考えられる。この時間の遅延は、実際には無視できる程度に小さく、電流遮断装置１６の動作に殆ど影響しないが、遅延を小さくする観点から、内圧調整部材２１の体積の収縮が停止するガスの発生量の閾値Ｋ０を、過充電状態に移行したときのケース２内のガスの発生量よりも僅かに小さく設定してもよい。
【００３３】
閾値Ｋ０は、電極組立体３を構成する正極１１及び負極１２の種類・積層数、電解液の種類、通常の充放電時に発生するガスの種類、過充電ガスの種類、ケース２の容量、電流遮断装置１６の作動圧Ｐ０といった蓄電装置１の各種仕様に基づいて予め算出される。なお、電流遮断装置１６の動作の遅延を小さくする観点から、電流遮断装置１６の作動圧Ｐ０を図４に示した値よりも小さくしてもよい。
【００３４】
また、蓄電装置１では、内圧調整部材２１として真空ベローズ２２が用いられている。真空ベローズ２２を用いることにより、体積の収縮及び収縮の停止を好適に実施できる。また、真空ベローズ２２では、蛇腹の本体部分の内部が真空状態であることにより、ケース２内部の温度の影響を排除できる。
【００３５】
また、蓄電装置１では、正極１１側の導電部材１４と負極１２側の導電部材１５とを跨ぐように、ケース２の壁部に対して導電部材１４，１５を遮蔽する絶縁カバー２３が設けられ、内圧調整部材２１は、導電部材１４，１５間において絶縁カバー２３に固定されている。このような構成により、内圧調整部材２１をケース２内部でしっかりと保持できる。また、ケース２内の空きスペースを内圧調整部材２１の配置領域として利用できるため、ケース２内部における電極組立体３の配置領域が縮小せず、電池容量の低下を招くこともない。
【００３６】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、内圧調整部材２１として真空ベローズ２２を例示しているが、内圧調整部材２１は、付加される圧力に応じて体積が収縮し、かつ付加される圧力が電流遮断装置１６の作動圧以下の所定の圧力に到達したときに体積の収縮が停止する部材であればよい。例えば内部が真空状態のゴムなどの弾性体を内圧調整部材２１としてもよい。弾性体の形状は、球状、円筒状、柱状など、任意の形状であってよい。また、内圧調整部材２１の内部は必ずしも真空でなくてもよく、大気と同等の状態となっていてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１…蓄電装置、２…ケース、３…電極組立体、５…正極端子（電極端子）、６…負極端子（電極端子）、１１…正極（電極）、１２…負極（電極）、１４，１５…導電部材、１６…電流遮断装置、２１…内圧調整部材、２２…真空ベローズ、２３…絶縁カバー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2016207558.tif 000006