(57)【要約】【課題】過充電状態に陥ったときに破裂ないし発火を確実に防止することができるリチウムイオン電池を提供する。【解決手段】リチウムイオン電池は、正極１と負極２との間に非水電解液４に浸潤されたセパレータが配されている。非水電解液４中には、熱膨張カプセル５が添加されている。熱膨張カプセル５が、過充電による電池温度上昇時に膨張し、正極１、負極２間に配されたセパレータ３内で非水電解液４のない空間を形成することでリチウムイオン６の移動を物理的にシャットアウトし、電池の過剰な反応を抑制する。熱膨張カプセル５には、塩化ビニリデン、アクリロニトリルなどの熱可塑性樹脂中に、低沸点炭化水素や発泡剤をインサイト重合したもので、熱膨張前の粒径が数ミクロン〜数十ミクロン、熱膨張作動温度が６０〜１５０°Ｃ、熱膨張率が数倍〜数百倍のものを用いることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極との間に電解液に浸潤されたセパレータを配したリチウムイオン電池において、前記電解液中に熱膨張カプセルが添加されていることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項２】
前記熱膨張カプセルは、熱可塑性樹脂中に低沸点炭化水素または発泡剤をインサイト重合することで形成され、熱膨張前の粒径が数ミクロンないし数十ミクロン、熱膨張作動温度が６０°Ｃないし１５０°Ｃ、熱膨張率が数倍ないし数百倍であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３】
前記熱可塑性樹脂は塩化ビニリデンまたはアクリロニトリルであることを特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４】
所定圧で開裂する開裂弁をさらに備え、過充電による電池温度上昇時に、前記熱膨張カプセルが膨張し、電池内圧の上昇を促進することで、前記開裂弁が作動することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のリチウムイオン電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウムイオン電池に係り、特に、正極と負極との間に電解液に浸潤されたセパレータを配したリチウムイオン電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、高電圧・高エネルギ密度であり、かつ、貯蔵性能や低温動作性に優れ、広く民生用の携帯型電気製品に使われている。また、この電池を大型化し、電気自動車用や家庭用の夜間電力貯蔵装置として活用していくための研究・開発が盛んに行われている。しかし、これらの電池は、充電時に電池制御部または充電器で異常が生じ、過充電となった場合に、電池自身の温度上昇によって、電解液が分解し、その分解ガスによる内圧上昇のために、電池が破裂するおそれがある。
【０００３】
従来、これらの問題に対して、分解ガスによる内圧上昇を利用して、電池缶に設けた開裂弁や電流遮断弁を作動させることで、電池が破裂する前に内圧を下げる、発火する前に電流を遮断して充電反応を止めるなどの対策がなされている（例えば、特許文献１、２参照）。さらには、添加剤を使用して、過充電初期のあまり高くない電圧で、電極に含有させた添加剤を分解させ、その分解ガスによる内圧上昇で、電池缶が破裂・発火する前に開裂弁を開裂させるなどの対策もとられている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１-２１９６９２号公報
【特許文献２】特開２００５-１０８５０３号公報
【特許文献３】特許第３０１０７８１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、過充電の状況によっては、開裂弁が作動した時には、すでに電池内に大きなエネルギが蓄積されていたり、電流遮断弁が作動しても、しばらくは電極内の温度上昇が止まらなかったりするため、破裂・発火の危険性がある。
【０００６】
本発明は上記事案に鑑み、過充電状態に陥ったときに破裂ないし発火を確実に防止することができるリチウムイオン電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、正極と負極との間に電解液に浸潤されたセパレータを配したリチウムイオン電池において、前記電解液中に熱膨張カプセルが添加されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、電解液中に熱膨張カプセルが添加されており、この熱膨張カプセルが、過充電による電池温度上昇時に膨張し、電極間に配されたセパレータ内で電解液のない空間を形成することでリチウムイオンの移動を物理的にシャットアウトし、電池の過剰な反応、すなわち、いわゆる熱暴走反応、を抑制する。
【０００９】
本発明において、熱膨張カプセルは、熱可塑性樹脂中に低沸点炭化水素または発泡剤をインサイト重合することで形成され、熱膨張前の粒径が数ミクロンないし数十ミクロン、熱膨張作動温度が６０°Ｃないし１５０°Ｃ、熱膨張率が数倍ないし数百倍であることが好ましく、熱可塑性樹脂が塩化ビニリデンまたはアクリロニトリルであることがさらに好ましい。また、所定圧で開裂する開裂弁をさらに備え、過充電による電池温度上昇時に、熱膨張カプセルが膨張し、電池内圧の上昇を促進することで、開裂弁が作動することがさらに望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電解液中に熱膨張カプセルが添加されており、この熱膨張カプセルが、過充電による電池温度上昇時に膨張し、電極間に配されたセパレータ内で電解液のない空間を形成することでリチウムイオンの移動を物理的にシャットアウトし、電池の過剰な反応を抑制するので、リチウムイオン電池が過充電状態に陥ったときに破裂ないし発火を確実に防止することができる、という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明を円柱状リチウムイオン電池に適用した実施の形態について説明する。
【００１２】
（構成）
図４に示すように、本実施形態のリチウムイオン電池１０は、有底円筒状の電池缶９内に、正負極を、これら両極が直接接触しないように、所定厚（例えば、４０μｍ）のポリエチレン製微多孔性セパレータを介して捲回した発電要素の電極群８を収容している。電極群８を電池缶９内で固定するために、捲回の中心に、例えば、ポリプロピレン製の中空円筒状の軸芯を用いるようにしてもよい。なお、正極から導出された正極リード片と負極から導出された負極リード片とは、それぞれ電極群８の互いに反対側の両端面に位置する配置されている。
【００１３】
正極には、例えば、正極活物質としてリチウムマンガン複酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）と、を重量比８５：１０：５で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に塗布し、その後、乾燥、プレス、裁断することにより、所定厚（例えば、１７０μｍ）の正極を用いることができる。このような態様では、アルミニウム箔の長手方向一側を矩形状に切り欠き、切り欠き残部を正極リード片とすることができる。
【００１４】
負極には、例えば、負極活物質として非晶質炭素粉末９０質量部に対し、結着剤としてＰＶＤＦを負極活物質に対し１０質量部添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加、混練したスラリを、厚さ１０μｍの電解銅箔の両面に塗布し、その後乾燥プレス、裁断することにより、所定厚（例えば、１３０μｍ）の負極を用いることができる。このような態様では、正極と同様に、電解銅箔の長手方向一側を矩形状に切り欠き、切り欠き残部を負極リード片とすることができる。
【００１５】
電極群８は非水電解液に浸潤されている。非水電解液には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比１：１：１の割合で混合した混合溶液中へ６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットル溶解したものを用いることができるが、本実施形態の特徴は、この非水電解液中に熱膨張カプセルが添加されていることである。
【００１６】
すなわち、図１に示すように、リチウムイオン電池１０は、正極１と負極２との間にセパレータ３が配されており、セパレータ３は熱膨張カプセル５が添加された非水電解液４に浸潤されている。熱膨張カプセル５には、塩化ビニリデン、アクリロニトリルなどの熱可塑性樹脂中に、低沸点炭化水素や発泡剤をインサイト重合したものであり、熱膨張前の粒径が数ミクロンないし数十ミクロン、熱膨張作動（開始）温度が６０°Ｃないし１５０°Ｃ、熱膨張率が数倍ないし数百倍であるものを用いることができる。
【００１７】
電池缶９の上部開口部は、例えば、ＥＰＤＭ樹脂製ガスケットを介して、開裂弁７を有する電池蓋でかしめ封口されている。このような電池蓋には、例えば、特許文献２のものを用いることができる。なお、正極リード片、負極リード片は、リング状の集電部材および導電部材を介して、それぞれ、電池蓋、電池缶９に接続されている。
【００１８】
（動作）
次に、充電時に電池制御部等で異常が生じ過充電となった場合のリチウムイオン電池１０の挙動（動作）について説明する。
【００１９】
リチウムイオン電池１０が過充電状態となると、公知のように、電池自身に温度上昇が生じる。図２に示すように、リチウムイオン電池１０は、この過充電による電池温度上昇時に、非水電解液４中に添加された熱膨張カプセル５が膨張し、電極間に非水電解液４のない空間を形成することで、図３に示すように、非水電解液４中のリチウムイオン６の移動を物理的にシャットアウトし、電池の過剰な反応を抑制する。
【００２０】
また、電池自身の温度上昇によって、非水電解液４が分解し、その分解ガスによる内圧の上昇を、開裂弁７が開裂することで、電池缶９が破裂することを抑制する。このとき、熱膨張カプセル５が膨張し、電池内の圧力を上昇させるため、図４に示すように、電池内に過剰なエネルギが蓄積する前に、開裂弁７を作動させる。
【００２１】
（効果等）
次に、本実施形態のリチウムイオン電池１０の効果等について説明する。
【００２２】
本実施形態のリチウムイオン電池１０は、非水電解液４中に熱膨張カプセル５が添加されている。この熱膨張カプセル５が、過充電による電池温度上昇時に膨張し、正極１、負極２間に配されたセパレータ３内で非水電解液４のない空間を形成することでリチウムイオン６の移動を物理的にシャットアウトし、電池の過剰な反応を抑制する。このため、リチウムイオン電池１０が過充電状態に陥ったときに破裂ないし発火を確実に防止することができる。従って、リチウムイオン電池１０によれば、過充電状態に陥ったときに破裂ないし発火を確実に防止することができる。
【００２３】
また、本実施形態のリチウムイオン電池１０では、過充電によって、非水電解液４が分解して内圧の上昇により開裂弁７が開裂するが、このとき、熱膨張カプセル５が膨張し、電池内の内圧の上昇を促進する。このため、リチウムイオン電池１０によれば、単に開裂弁を有する従来のリチウムイオン電池と比べ、開裂弁７を確実に作動させることができる。
【００２４】
なお、本実施形態では捲回した電極群８を備えた円柱状リチウムイオン電池１０を例示したが、本発明はこれに限らず、正負極を、セパレータを介して積層した角型リチウムイオン電池に適用するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は過充電状態に陥ったときに破裂ないし発火を確実に防止することができるリチウムイオン電池を提供するものであるため、リチウムイオン電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン電池の電極群の正極、負極、セパレータおよびセパレータに含浸され熱膨張カプセルが添加された非水電解液を模式的に示す説明図である。
【図２】熱膨張カプセルが熱によって膨張した際の、実施形態のリチウムイオン電池の電極群の正極、負極、セパレータおよび熱膨張カプセルを模式的に示す説明図である。
【図３】熱膨張カプセルが熱によって膨張した際、リチウムイオンが正負極間で移動できない状態を模式的に示す説明図である。
【図４】熱膨張カプセルが熱によって膨張した際、リチウムイオン電池の内圧が上昇し、開裂弁が作動した状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  正極
２  負極
３  セパレータ
４  非水電解液（電解液）
７  開裂弁
１０  リチウムイオン電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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