(57)【要約】【課題】電池ケースの内表面にセラミックス層を配置することに伴う不具合を抑制する。【解決手段】密閉型電池は、金属製の電池ケース１０と、電池ケース１０の内部に収容されている巻回型電極群３０と、を備える。巻回型電極群３０は、巻回軸３１の周りに電極群が巻回されて構成されている。電池ケース１０は、巻回型電極群３０の軸心方向と交差する第１内表面１１と、軸心方向と交差しない第２内表面１２と、を含む。第１内表面１１には、セラミックス層１３が配置されている。第２内表面１２には、セラミックス層が配置されていない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の電池ケースと、
前記電池ケースの内部に収容されている巻回型電極群と、を備え、
前記巻回型電極群は、巻回軸の周りに電極群が巻回されて構成されており、
前記電池ケースは、前記巻回型電極群の軸心方向と交差する第１内表面と、前記軸心方向と交差しない第２内表面と、を含み、
前記第１内表面には、セラミックス層が配置されており、
前記第２内表面には、前記セラミックス層が配置されていない、密閉型電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密閉型電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０００−１０６２１５号公報（特許文献１）には、非水電解質二次電池において、金属製の電池ケースの内表面に、セラミックスコーティングを施す技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１０６２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属製の電池ケースの内表面にセラミックス層を形成することにより、電池ケースの腐食を抑制する効果、あるいは電池ケースの耐熱性を向上させる効果が期待できる。
【０００５】
しかしながら、電池ケースの内表面にセラミックス層を配置した場合、電池の放熱性が低下し、それによる不具合が生じる可能性もある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
密閉型電池は、金属製の電池ケースと、該電池ケースの内部に収容されている巻回型電極群と、を備える。巻回型電極群は、巻回軸の周りに電極群が巻回されて構成されている。電池ケースは、巻回型電極群の軸心方向と交差する第１内表面と、該軸心方向と交差しない第２内表面と、を含む。第１内表面には、セラミックス層が配置されている。第２内表面には、セラミックス層が配置されていない。
【０００７】
以下、本発明の密閉型電池について説明する。以下の説明では、密閉型電池を単に「電池」と記す場合がある。
【０００８】
本発明者は、各種密閉型電池の釘刺し試験を行い、電池ケースの損傷状態を解析した。その結果、巻回型電極群を備える密閉型電池では、巻回型電極群の軸心方向と交差する側面において損傷が激しくなる傾向が見出された。
【０００９】
この理由は次のように推定される。すなわち巻回型電極群では、軸心方向の両端部が、巻回型電極群の中心部と通じる開口部となっている。巻回型電極群に、釘刺しのような貫通衝撃が加わると、内部短絡の結果、巻回型電極群の内部で生成された高温物質が、開口部を通じて巻回型電極群の外部に噴射される。これにより、電池ケースのうち、かかる開口部と対向する内表面が、高温物質によって過熱され、当該部分の強度が局所的に低下すると推定される。
【００１０】
本発明者は、上記の知見に基づき、高温物質から電池ケースを保護するため、電池ケースの内表面に耐熱性を有するセラミックス層を配置した密閉型電池を作製し、釘刺し試験を行った。ところが、こうした態様では、期待した効果が得られないことが判明した。セラミックスは金属よりも熱伝導率が低いため、電池ケースの放熱性が低下し、電池温度が上昇しやすくなっていると考えられる。
【００１１】
そこで本発明の密閉型電池では、電池ケースにおいて、巻回型電極群の軸心方向と交差する第１内表面にはセラミックス層を配置し、該軸心方向と交差しない第２内表面には該セラミックス層を配置しない構成を採用する。
【００１２】
かかる構成によれば、第１内表面に配置されているセラミックス層が、高温物質の噴射による電池ケースの損傷を抑制する。なおかつセラミックス層が配置されていない第２内表面から放熱することができるため、電池温度の上昇も抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
上記によれば、電池ケースの内表面にセラミックス層を配置することに伴う、不具合を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る密閉型電池の構成の一例を示す概略図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における概略断面図である。
【図３】電池ケースを示す概略図である。
【図４】セラミックス層の第１配置パターンを説明するための展開図である。
【図５】セラミックス層の第２配置パターンを説明するための展開図である。
【図６】セラミックス層の第３配置パターンを説明するための展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態（以下「本実施形態」と記す）について説明する。ただし本実施形態は以下の説明に限定されるものではない。
【００１６】
＜密閉型電池＞
図１は、本実施形態の密閉型電池の構成の一例を示す概略図である。電池１００は、密閉型の非水電解質二次電池（たとえばリチウムイオン二次電池）である。本実施形態は、可燃性の電解液を用いる非水電解質二次電池に適用すると、大きな効果が期待できる。
【００１７】
電池１００は、金属製の電池ケース１０と、電池ケース１０の内部に収容されている巻回型電極群３０と、を備える。図示していないが、電池ケース１０に設けられている端子２１，２２と、巻回型電極群３０とは電気的に接続されている。また電池ケース１０内には、電解液も収容されている。電解液は、たとえばエチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）およびジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等を混合した非水溶媒に、支持塩としてＬｉＰＦ6等を溶解させた液体電解質である。
【００１８】
《電池ケース》
電池ケースは金属製である。電池ケースの外形は、角形（典型的には、扁平状の直方体）である。電池ケースは、円筒形とすることもできる。電池ケースは、たとえばアルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ合金、ステンレス（ＳＵＳ）等から構成される。電池ケースは、たとえば有底角形のケース本体（缶）と、蓋とから構成されていてもよい。さらに電池ケースには、安全弁、電流遮断機構（ＣＩＤ）、注液口等が設けられていてもよい。
【００１９】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における概略断面図である。図２に示されるように、電池ケース１０は、巻回型電極群３０の軸心方向と交差する第１内表面１１と、該軸心方向と交差しない第２内表面１２とを含む。
【００２０】
電池内スペースの有効利用の観点から、第１内表面１１は、好ましくは軸心方向と直交する。第１内表面と軸心方向とのなす角は、たとえば９０°±１０°であり、好ましくは９０°±５°であり、より好ましくは９０°±３°である。
【００２１】
第１内表面１１には、セラミックス層１３が配置されている。セラミックス層１３は、たとえば釘刺し試験時に、巻回型電極群３０の開口部３２から噴射される高温物質から第１内表面１１を保護する。これにより電池ケース１０の局所的な強度低下が抑制される。
【００２２】
第２内表面１２には、セラミックス層が配置されていない。これにより電池１００の内部で発生した熱を、第２内表面１２を通じて外部に放出できる。
【００２３】
セラミックス層は、耐熱性が高く、かつ熱伝導率が低いセラミックスを含むことが望ましい。本実施形態に適用可能なセラミックスとしては、たとえばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、サーメット（たとえばＴｉＣ・ＴｉＮ等）、チタニア（ＴｉＯ2）、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）、マグネシア（ＭｇＯ）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、カルシア（ＣａＯ）等を挙げられる。低熱伝導率であるとの理由から、セラミックス層は、ジルコニアおよびムライトの少なくとも一方を含むことが好ましい。
【００２４】
セラミックス層は、１種のセラミックスにより構成される層であってもよいし、２種以上のセラミックスにより構成される層であってもよい。またセラミックス層は、セラミックスを含む限り、たとえば樹脂製の封孔剤等を含んでいてもよい。セラミックス層の厚さは、たとえば１〜１００μｍ程度である。セラミックス層は、たとえばジルコニウムにより構成される層と、アルミナにより構成される層とが積層された多層構造を有していてもよい。
【００２５】
セラミックス層の形成方法は特に限定されない。たとえばプラズマ溶射法により、電池ケースの内表面にセラミックス層を配置することができる。セラミックスを溶射する際に、所定のマスキング（たとえば耐熱性の樹脂テープ等）を施すことにより、第１内表面となるべき部分のみにセラミックス層を配置することができる。また溶射後に、マスキングを除去することにより、セラミックス層が配置されていない第２内表面を形成することができる。
【００２６】
《巻回型電極群》
巻回型電極群３０は、巻回軸３１の周りに電極群が巻回されて構成されている。電極群は、通常、セパレータ、正極および負極を含む。セパレータ、正極および負極は、いずれも帯状のシート部材である。巻回型電極群は、セパレータを挟んで正極と負極とを積層し、さらにこれらを所定の軸の周りに巻回することにより構成できる。巻回型電極群は、たとえばプレス加工等により、扁平状に成形されていてもよい。
【００２７】
巻回型電極群を構成する各部材は、従来公知の材料を用いて作製することができる。密閉型電池がリチウムイオン二次電池である場合、正極活物質は、たとえばＬｉＮｉ1/3Ｃｏ1/3Ｍｎ1/3Ｏ2等であり、負極活物質は、たとえば黒鉛等である。セパレータは、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等から構成される微多孔膜である。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例を挙げて本実施形態を説明するが、本実施形態は以下の例に限定されるものではない。
【００２９】
＜密閉型電池の作製＞
以下のようにして、評価用の密閉型電池を作製した。
【００３０】
《試料１》
図３に示す角形の電池ケースを準備した。電池ケースは、有底角形のケース本体（缶）と、蓋とから構成されている。電池ケースは、内圧が所定の値を超えると開くように構成されている安全弁と、内圧が所定の値を超えると電流経路を遮断するように構成されているＣＩＤと、を備えるものである。ケース素材はＡｌ合金とした。当該電池ケースに、巻回型電極群を収容した。電池ケースに所定の電解液を注入し、電池ケースを密閉した。こうして、試料１に係る密閉型電池（リチウムイオン二次電池）を作製した。
【００３１】
《試料２》
試料２では、ケース本体の内表面に、第１配置パターンにてセラミックス層を配置した。セラミックスにはアルミナを用いた。図４は、セラミックス層の第１配置パターンを説明するための展開図である。かかる展開図は、ケース本体の展開図である。なお蓋（図３において「Ａ−Ｄ−Ｈ−Ｅ」に囲まれた部分）の内表面には、セラミックス層を配置していない。
【００３２】
これ以降の図４〜図６（展開図）において、たとえば「Ａ」の記号が付された位置は、図３中の電池ケース（斜視図）において「Ａ」の記号が付された角に対応している。また図４〜図６においてハッチングを付した部分は、セラミックス層が配置された内表面を示している。
【００３３】
図３および図４に示されるように、試料２では、軸心方向と交差する第１内表面（「ＡＢ−Ｆ−Ｅ」で囲まれた内表面および「Ｃ−Ｄ−Ｈ−Ｇ」で囲まれた内表面）の他、軸心方向と交差しない第２内表面（「Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ」で囲まれた内表面および「Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ」で囲まれた内表面）にもセラミックス層（アルミナ層）を配置した。すなわち試料２では、蓋を除くすべての内表面にセラミックス層を配置した。これらを除いては試料１と同様にして、試料２に係る密閉型電池を作製した。
【００３４】
《試料３》
アルミナに代えてジルコニアを用いることを除いては、試料２と同様にして試料３に係る密閉型電池を作製した。
【００３５】
《試料４》
試料４では、図５に示す第２配置パターンにて、ケース本体の内表面にセラミックス層（ジルコニア層）を配置した。図３および図５に示されるように、試料４では、軸心方向と交差する第１内表面にセラミックス層を配置せず、軸心方向と交差しない第２内表面にのみセラミックス層を配置した。これらを除いては試料３と同様にして、試料４に係る密閉型電池を作製した。
【００３６】
《試料５》
試料５では、図６に示す第３配置パターンにて、ケース本体の内表面にセラミックス層（ジルコニア層）を配置した。図３および図６に示されるように、試料５では、軸心方向と交差する第１内表面にセラミックス層を配置し、軸心方向と交差しない第２内表面にはセラミックス層を配置しなかった。これらを除いては試料３と同様にして、試料５に係る密閉型電池を作製した。
【００３７】
＜評価＞
釘刺し試験、過充電試験により各電池を評価した。試験条件を表１に、試験結果を表２にそれぞれ示す。
【００３８】
表２中、釘刺し試験の欄に示す結果は、「発煙」のみが最も良好であり、「発煙、側面開裂」、「発火、側面開裂」の順に悪い結果を示している。ここで「側面開裂」とは、図３において、「Ａ−Ｂ−Ｆ−Ｅ」で囲まれた側面および「Ｃ−Ｄ−Ｈ−Ｇ」で囲まれた側面の少なくともいずれかが裂けて、電池の内部が外部から視認できる状態となったことを示している。
【００３９】
過充電試験の欄に示す結果は、「開弁」が良好な結果を示し、「発煙」が悪い結果を示している。ここで「開弁」とは、安全弁が開くのみで、煙が生じなかったことを示している。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
【表２】
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【００４２】
＜結果と考察＞
試料１と試料２とを比較すると、電池ケースの第１内表面および第２内表面の両方に、セラミックス層を配置すると（試料２）、セラミックス層を配置しない場合（試料１）よりも過充電試験の結果が悪くなることが分かる。また第１内表面および第２内表面の両方に、セラミックス層を配置しても、側面開裂が発生している。第１内表面および第２内表面の両方に、セラミックス層を配置すると、電池の放熱性が低下するためと考えられる。
【００４３】
試料３〜５を比較すると、軸心方向と交差する第１内表面に、セラミックス層を配置した試料３および５では、側面開裂が発生せず、第１内表面にセラミックス層を配置せず、第２内表面にセラミックス層を配置した試料４では、側面開裂が発生している。これらの結果から、軸心方向に沿って、巻回型電極群から高温物質が電池ケースに向かって噴射され、高温物質の噴射を受けた部分の強度が局所的に低下していることが示唆される。
【００４４】
試料２と試料３の釘刺し試験の結果を比較すると、第１内表面にアルミナ層を配置した試料２では側面開裂が発生し、第１内表面にジルコニア層を配置した試料３では側面開裂が発生していない。この結果は、セラミックスの熱伝導率によって説明できる。すなわちアルミナの熱伝導率は４１〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕であり、ジルコニアの熱伝導率は３．０〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕である。アルミナは熱伝導率が高く、高温物質の熱を電池ケースに伝導してしまうため、電池ケースの過熱を抑制する効果が小さいと考えられる。
【００４５】
試料３と試料５の過充電試験の結果を比較すると、第２内表面にもジルコニア層を配置すると、結果が悪くなっている（試料３）。ジルコニアは熱伝導率が低いため、第２内表面にもジルコニア層を配置すると、電池ケースの放熱性が低下すると考えられる。
【００４６】
以上のように、軸心方向と交差する第１内表面にはセラミックス層を配置し、軸心方向と交差しない第２内表面にはセラミックス層を配置しない構成とすることにより（試料５）、電池ケースの損傷（側面開裂）を抑制しつつ、放熱性の低下による不具合も抑制できることが実証された。
【００４７】
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４８】
１０  電池ケース、１１  第１内表面、１２  第２内表面、１３  セラミックス層、２１，２２  端子、３０  巻回型電極群、３１  巻回軸、３２  開口部、１００  電池。
【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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