JP4301340B2 - Assembled battery - Google Patents
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Description
本発明は、正極と負極とが交互に積層されてなる電池を用いた組電池に関する。 The present invention relates to a battery pack with batteries in which a positive electrode and a negative electrode are laminated alternately.
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(以下、EVともいう)やハイブリッド電気自動車(以下、HEVともいう)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of the amount of carbon dioxide has been strongly desired. In the automobile industry, there are high expectations for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (hereinafter also referred to as EVs) and hybrid electric vehicles (hereinafter also referred to as HEVs). Secondary batteries have been actively developed.
モータ駆動用二次電池としては、非水電解質電池(非水系溶媒型二次電池とも称される)、中でも全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 As secondary batteries for motor drive, non-aqueous electrolyte batteries (also called non-aqueous solvent-type secondary batteries), among them lithium-ion secondary batteries having the highest theoretical energy among all batteries, have attracted attention. Currently, development is progressing rapidly.
かかるリチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続されてなる積層体(発電要素)を有する。また、外部へ電力を取り出す目的で、発電要素には電極端子(正極端子および負極端子)が電気的に接続されている。発電要素はさらに、アルミニウム等の軽量金属からなる箔の両面に樹脂シートが積層されてなる金属−樹脂ラミネートシート中に、電極端子が外部に導出するように収容されるのが一般的である。 Such a lithium ion secondary battery generally includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of the negative electrode current collector using a binder. Have a laminate (power generation element) connected via an electrolyte layer. In addition, electrode terminals (a positive terminal and a negative terminal) are electrically connected to the power generation element for the purpose of extracting electric power to the outside. Furthermore, the power generation element is generally housed in a metal-resin laminate sheet in which a resin sheet is laminated on both sides of a foil made of a lightweight metal such as aluminum so that the electrode terminals are led out to the outside.
リチウムイオン二次電池の集電体として、例えば、正極集電体にはアルミニウムなどの金属箔が用いられ、負極集電体には銅などの金属箔が用いられるのが一般的である。 As a current collector of a lithium ion secondary battery, for example, a metal foil such as aluminum is used for the positive electrode current collector, and a metal foil such as copper is generally used for the negative electrode current collector.
そして、これらの箔を集電体として用いて正極および負極電極を製造する際には、電極活物質やバインダ等を溶媒に分散させたスラリーを当該集電箔の表面に塗布し、乾燥させた後、ロールプレス等の手法を用いてプレス処理を施す。これにより、平坦でかつ所望の厚さの活物質層が、金属箔の表面に形成される。 And when manufacturing these positive electrodes and negative electrodes using these foils as a current collector, a slurry in which an electrode active material, a binder or the like was dispersed in a solvent was applied to the surface of the current collector foil and dried. Thereafter, a pressing process is performed using a method such as a roll press. As a result, a flat active material layer having a desired thickness is formed on the surface of the metal foil.
リチウムイオン二次電池においては、内部短絡が発生した場合においても、その短絡部位に流れる短絡電流によりアルミニウム薄膜が発熱し、飛散することによって短絡部位の絶縁を回復させ、電池の温度上昇を防止するようにした先行技術がある(特許文献1)。
しかしながら、特許文献1に開示されている電池であっても、これを複数電気的に直列に接続して組電池を構成した場合に、複数の電池の間で短絡が発生すると、正極の短絡部位において絶縁が回復しても依然として短絡電流の流れは消失せず、これに伴って電池の温度が上昇する可能性があることを本発明者らは研究の過程で見出した。 However, even if it is a battery currently disclosed by patent document 1, when a short circuit generate | occur | produces between several batteries, when this is electrically connected in series and comprises an assembled battery, the short circuit part of a positive electrode still flow of the short circuit current does not disappear even if the insulation is recovered in the present invention we have found that the temperature of the battery is likely Ru on Noborisu accompanying this has been found in the course of the study.
本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであり、複数の電池の間で短絡が発生した場合においても、短絡電流の流れを遮断可能な電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a battery capable of interrupting the flow of a short-circuit current even when a short circuit occurs between a plurality of batteries. .
本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、少なくとも2つの電池に対して外部から直径3mmの導電体が貫通した場合に、前記2つの電池のそれぞれの内部において、前記第1集電体、前記導電体および前記第2集電体から形成される第1短絡回路を流れる短絡電流によって当該電池の前記第1集電体の短絡部位が融解して第1導通破断部が形成され、前記2つの電池の2つの第2集電体および前記導電体から形成される第2短絡回路を流れる短絡電流によって前記2つの電池の少なくとも一方の前記第2集電体の短絡部位が融解して第2導通破断部が形成されるように、前記第1集電体および前記第2集電体の厚さおよび材料を選択することで、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied. As a result, when a conductor having a diameter of 3 mm penetrates at least two batteries from the outside, the first current collector, the conductor, and the second current collector are disposed inside each of the two batteries. The short-circuit portion of the first current collector of the battery is melted by the short-circuit current flowing through the first short-circuit formed from the first current-breaking portion, and the two second current collectors of the two batteries are formed. and as the second conductive fracture portion shorted portions of at least one of the second current collector of said two battery by short-circuit current flowing through the second short circuit formed from said conductor to melt is formed, The inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by selecting the thickness and material of the first current collector and the second current collector, and have completed the present invention.
より詳細には、本発明の組電池は、積層型電池が複数電気的に接続されてなる。当該電池は、発電要素と外装材とを有する。発電要素は、第1電極と第2電極と電解質層とからなる単電池層を含む。第1電極は、第1集電体に正極活物質層または負極活物質層の一方が形成されてなる。第2電極は、第2集電体に正極活物質層または負極活物質層の他方が形成されてなる。電解質層は、第1電極と第2電極との間に位置する。そして、本発明の組電池は、少なくとも2つの積層型電池が電気的に直列に接続され、直列に接続された2つの電池に外部から直径3mmの導電体が貫通した場合に、前記2つの電池のそれぞれの内部において、前記第1集電体、前記導電体および前記第2集電体から形成される第1短絡回路を流れる短絡電流によって当該電池の前記第1集電体の短絡部位が融解して第1導通破断部が形成され、前記2つの電池の2つの第2集電体および前記導電体から形成される第2短絡回路を流れる短絡電流によって前記2つの電池の少なくとも一方の前記第2集電体の短絡部位が融解して第2導通破断部が形成されるように、前記第1集電体および前記第2集電体の厚さおよび材料が選択されてなる点に特徴を有する。 More specifically, the assembled battery of the present invention is formed by electrically connecting a plurality of stacked batteries. The battery includes a power generation element and an exterior material. The power generation element includes a single battery layer including a first electrode, a second electrode, and an electrolyte layer. The first electrode is formed by forming either the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer on the first current collector. The second electrode is formed by forming the other of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer on the second current collector. The electrolyte layer is located between the first electrode and the second electrode. The assembled battery according to the present invention is configured such that when at least two stacked batteries are electrically connected in series and a conductor having a diameter of 3 mm penetrates the two batteries connected in series from the outside, the two batteries Each of the first current collector of the battery is melted by a short-circuit current flowing through a first short-circuit formed from the first current collector, the conductor, and the second current collector. The first conduction break portion is formed, and the second current collector of the two batteries and the second short circuit current formed from the conductor cause a short-circuit current to flow at least one of the two batteries. 2 The current collector is characterized in that the thickness and material of the first current collector and the second current collector are selected such that the short-circuited portion of the current collector is melted to form the second conduction fracture portion. Have.
本発明によれば、複数の電池の間で短絡が発生した場合においても、短絡部位が融解することにより、短絡電流の流れが遮断されうる。その結果、電池の温度上昇が抑えられる。 According to the present invention, even when a short circuit occurs between a plurality of batteries, the flow of the short circuit current can be interrupted by melting the short circuit part . As a result, the temperature rise of the battery is suppressed et be.
まず、本発明の組電池の好ましい実施形態を説明するが、以下の実施形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 First is a description of preferred embodiments of the battery pack of the present invention is not limited only to the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
本発明の組電池を構成する電池の種類は、特に制限されないが、例えば、非水電解質電池である。また、非水電解質電池の構造・形態で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など特に制限されず、従来公知のいずれの構造にも適用されうる。 Although the kind of battery which comprises the assembled battery of this invention is not restrict | limited in particular, For example, it is a nonaqueous electrolyte battery. Further, when distinguished by the structure and form of the non-aqueous electrolyte battery, it is not particularly limited, such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery, and can be applied to any conventionally known structure. .
同様に非水電解質電池の電解質の形態で区別した場合にも、特に制限はない。例えば、非水電解液をセパレータに含浸させた液体電解質型電池、ポリマー電池とも称される高分子ゲル電解質型電池および固体高分子電解質(全固体電解質)型電池のいずれにも適用されうる。高分子ゲル電解質および固体高分子電解質に関しては、これらを単独で使用することもできるし、これら高分子ゲル電解質や固体高分子電解質をセパレータに含浸させて使用することもできる。 Similarly, there is no particular limitation in the case of distinguishing by the form of the electrolyte of the nonaqueous electrolyte battery. For example, the present invention can be applied to any of a liquid electrolyte type battery in which a separator is impregnated with a nonaqueous electrolytic solution, a polymer gel electrolyte type battery also called a polymer battery, and a solid polymer electrolyte (all solid electrolyte) type battery. With respect to the polymer gel electrolyte and the solid polymer electrolyte, these can be used alone, or the polymer gel electrolyte or the solid polymer electrolyte can be used by impregnating the separator.
また、本発明の組電池を構成する電池は、一次電池および二次電池のいずれであってもよい。さらに、電池の電極材料ないし電極間を移動する金属イオンで見た場合にも、特に制限されず、公知のいずれの電極材料等にも適用されうる。例えば、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、カリウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素電池などが挙げられ、好ましくは、リチウムイオン二次電池である。これは、リチウムイオン二次電池では、セル(単電池層)の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成でき、車両の駆動電源用や補助電源用として優れているためである。 Moreover, the battery which comprises the assembled battery of this invention may be either a primary battery or a secondary battery. Furthermore, when it sees with the electrode material of a battery, or the metal ion which moves between electrodes, it does not restrict | limit in particular, It can apply to any well-known electrode material. Examples include lithium ion secondary batteries, sodium ion secondary batteries, potassium ion secondary batteries, nickel metal hydride secondary batteries, nickel cadmium secondary batteries, nickel metal hydride batteries, and the like, preferably lithium ion secondary batteries. . This is because in the lithium ion secondary battery, the voltage of the cell (single cell layer) is large, high energy density and high output density can be achieved, and it is excellent as a vehicle driving power source or an auxiliary power source.
したがって、以下の説明では、代表的な実施形態として本発明の組電池を構成する電池がリチウムイオン二次電池である場合を例に挙げて説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。 Therefore, in the following description, the case where the battery constituting the assembled battery of the present invention is a lithium ion secondary battery will be described as a representative embodiment. However, the technical scope of the present invention is as follows. Is not limited to only.
<第1実施形態>
図1は、本発明の組電池を構成する電池の代表的な一実施形態である、積層型の非双極型リチウムイオン二次電池(以下、単に「リチウムイオン電池」とも称する)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 shows an overall structure of a stacked non-bipolar lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “lithium ion battery”), which is a typical embodiment of a battery constituting the assembled battery of the present invention. It is the cross-sectional schematic represented typically.
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン電池10では、電池外装材22に高分子−金属を複合したラミネートフィルムを用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合する。かようにして発電要素17を収納し密封した構成を有する。発電要素17の具体的な構成要素は以下の通りである。
As shown in FIG. 1, in the
発電要素17は、正極集電体11の両面に正極活物質層12が形成されてなる正極と、電解質層13と、負極集電体14の両面に負極活物質層15が形成されてなる負極とからなる単電池層16が複数積層された構成を有する。この際、一の正極の片面の正極活物質層12と前記一の正極に隣接する一の負極の片面の負極活物質層15とが、電解質層13を介して向き合うように、正極、電解質層13、負極がこの順に積層されている。なお、単電池層16の積層数に特に制限はなく、例えば、好ましくは5〜40層、より好ましくは10〜30層である。
The power generation element 17 includes a positive electrode in which a positive electrode
上述した構成とすることにより、隣接する正極集電体11、正極活物質層12、電解質層13、負極活物質層15および負極集電体14は、一つの単電池層16を構成する。従って、本実施形態のリチウムイオン電池10は、単電池層16が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素17の両最外層に位置する最外層負極集電体14aには、いずれも片面のみに負極活物質層15が形成されている。
With the above-described configuration, the adjacent positive electrode
また、上記の各電極(正極および負極)と導通される正極タブ18および負極タブ19が、正極端子リード20および負極端子リード21を介して各電極の正極集電体11および負極集電体14に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられている。これにより正極タブ18および負極タブ19は、上記ラミネートフィルムの周辺部の熱融着にて接合された部位より上記の電池外装材22の外部に露出される構造を有している(図2も参照のこと)。
Further, the
[集電体]
集電体は導電性材料から構成され、その両面に活物質層が形成されて電池の電極となり、最終的には電池を構成する。本実施形態において、集電体は、それぞれの層の表面に極性(正極・負極)の同じ活物質層が形成された電池に用いられうる。ただし、複数の単電池層が積層されてなる発電要素を有する電池において最外層に位置する電極は電池反応に関与しないため、最外層に位置する集電体においては、発電要素の内側のみに活物質層が存在すればよい。
[Current collector]
The current collector is made of a conductive material, and an active material layer is formed on both sides thereof to serve as a battery electrode, and finally forms a battery. In the present embodiment , the current collector can be used in a battery in which the same active material layer having the same polarity (positive electrode / negative electrode) is formed on the surface of each layer. However, in a battery having a power generation element in which a plurality of single battery layers are stacked, the electrode located in the outermost layer does not participate in the battery reaction, and therefore the current collector located in the outermost layer is active only inside the power generation element. It is sufficient that a material layer exists.
また、集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。 Further, the size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used.
本実施形態の電池は、集電体(11、14)が所定の厚さで形成されている点に特徴を有する。すなわち、本実施形態の電池において、集電体(11、14)は、正極および負極の双方において、従来の技術よりも比較的薄いのである。特に、好ましい形態においては、負極集電体14が、従来の技術よりも極めて薄く構成される。
The battery of this embodiment is characterized in that the current collectors (11, 14) are formed with a predetermined thickness. That is, in the battery of this embodiment , the current collectors (11, 14) are relatively thinner than the conventional technique in both the positive electrode and the negative electrode. In particular, in a preferred embodiment, the negative electrode
正極集電体11および負極集電体14を構成する材料に特に制限はない。例えば、金属や導電性高分子が採用されうる。具体的には、例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、銅などの金属材料が挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、アルミニウム、銅が好ましい。
There are no particular restrictions on the materials constituting the positive electrode
好ましい形態においては、正極集電体11および負極集電体14を構成するそれぞれの金属材料の融解温度(融点)が異なる場合には、融解温度が低い方(第1集電体とする)の厚さを、他方の厚さよりも厚くする。より好ましくは、第1集電体を正極集電体11とし、第2集電体を負極集電体14とするとよい。すなわち、正極集電体11を比較的融解温度の低い材料(例えば、アルミニウムなど)から構成し、負極集電体14を比較的融解温度の高い材料(例えば、銅など)から構成するとよい。
In a preferred embodiment, when the melting temperatures (melting points) of the respective metal materials constituting the positive electrode
正極集電体11および負極集電体14の具体的な厚さについて特に制限はない。正極集電体11の厚さは、好ましくは1〜26μmであり、より好ましくは1〜20μmである。また、負極集電体14の厚さは、好ましくは1〜9μmである。さらに、本実施形態の作用効果を十分に得るという観点からは、集電体がアルミニウムから構成される場合の厚さは好ましくは26μm以下であり、より好ましくは20μm以下であり、さらに好ましくは15μm以下であり、さらにより好ましくは10μm以下であり、特に好ましくは6μm以下であり、最も好ましくは4μm以下である。集電体がアルミニウムから構成される場合、当該集電体は正極集電体11であることが好ましい。また、集電体が銅から構成される場合の厚さは好ましくは9μm以下であり、より好ましくは6μm以下であり、さらに好ましくは4μm以下であり、特に好ましくは3μm以下であり、最も好ましくは2μm以下である。集電体が銅から構成される場合、当該集電体は負極集電体14であることが好ましい。
There are no particular restrictions on the specific thicknesses of the positive electrode
本発明の一実施形態によれば、正極集電体11および負極集電体14の厚さを上述した範囲内の値とすることにより、本実施形態の作用効果を十分に得ることが可能となる。すなわち、後に図4を参照しつつ説明するように、少なくとも2つの電池に外部から導電体が貫通した場合に特有の短絡現象を、素早く(電池の温度が所定値に達する前に)解消することが可能となる。集電体の厚さの下限値について特に制限はない。電極製造時の集電体の破損を防止して生産性を向上させるという観点からは、集電体がアルミニウムから構成される場合の下限値は好ましくは6μm以上であり、集電体が銅から構成される場合の下限値は好ましくは4μm以上である。ただし、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、上述したような具体的な形態のみに制限されることはない。
According to one embodiment of the present invention, by setting the thicknesses of the positive electrode
[正極(正極活物質層)及び負極(負極活物質層)]
活物質層12、15は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
[Positive electrode (positive electrode active material layer) and negative electrode (negative electrode active material layer)]
The active material layers 12 and 15 include an active material, and further include other additives as necessary.
正極活物質層12は、正極活物質を含む。正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni−Co−Mn)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
The positive electrode
負極活物質層15は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えば、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム−遷移金属複合酸化物(例えば、Li4Ti5O12)、金属材料、リチウム−金属合金材料などが挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、炭素材料またはリチウム−遷移金属複合酸化物が、負極活物質として用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
The negative electrode
各活物質層12、15に含まれるそれぞれの活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜20μmであり、より好ましくは1〜5μmである。ただし、この範囲を外れる形態が採用されても、勿論よい。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、活物質粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 The average particle diameter of each active material contained in each of the active material layers 12 and 15 is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 μm and more preferably 1 to 5 μm from the viewpoint of increasing output. However, it goes without saying that a form outside this range may be adopted. In the present specification, “particle diameter” means the maximum distance L among the distances between any two points on the contour line of the active material particles. As the value of “average particle diameter”, the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The calculated value shall be adopted.
正極活物質層12および負極活物質層15に含まれうる添加剤としては、例えば、バインダ、導電助剤、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等が挙げられる。
Examples of the additive that can be included in the positive electrode
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、合成ゴム系バインダ等が挙げられる。 Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and a synthetic rubber binder.
導電助剤とは、正極活物質層12または負極活物質層15の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層(13、15)が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
The conductive auxiliary agent is an additive that is blended to improve the conductivity of the positive electrode
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N)、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。 Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N), LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。 Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.
正極活物質層12および負極活物質層15中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。
The compounding ratio of the components contained in the positive electrode
各活物質層12、15の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層(12、15)の厚さは、2〜100μm程度である。 The thicknesses of the active material layers 12 and 15 are not particularly limited, and conventionally known knowledge about the battery can be appropriately referred to. As an example, the thickness of each active material layer (12, 15) is about 2 to 100 μm.
[電解質層]
電解質層13を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
[Electrolyte layer]
As the electrolyte constituting the
液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。可塑剤として用いられうる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)等のカーボネート類が例示される。また、支持塩(リチウム塩)としては、LiBETI等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent that can be used as the plasticizer include carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). Further, as the supporting salt (lithium salt), a compound that can be added to the active material layer of the electrode, such as LiBETI, can be similarly employed.
一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質に分類される。 On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.
ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。 The gel electrolyte has a configuration in which the above liquid electrolyte is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.
なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜が挙げられる。 In addition, when an electrolyte layer is comprised from a liquid electrolyte or a gel electrolyte, you may use a separator for an electrolyte layer. Specific examples of the separator include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene or polypropylene.
真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。 The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.
ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。 The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for polymer electrolyte formation using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.
[タブ(正極タブおよび負極タブ)]
電池外部に電流を取り出す目的で、各集電体に電気的に接続されたタブ(正極タブ18および負極タブ19)が電池外装材の外部に取り出されている。具体的には、図1に示すように各正極集電体11に電気的に接続された正極タブ18と各負極集電体14に電気的に接続された負極タブ19とが、電池外装材22であるラミネートシートの外部に取り出される。
[Tab (positive tab and negative tab)]
Tabs (
タブ(正極タブ18および負極タブ19)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン電池用のタブとして従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。タブの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極タブ18と負極タブ19とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。また、各集電体11、14を延長することにより正極タブ18および負極タブ19としてもよいし、別途準備した正極タブ18および負極タブ19を各集電体11、14に接続してもよい。
The material which comprises a tab (the
[正極および負極端子リード]
正極端子リード20および負極端子リード21に関しても、必要に応じて使用する。例えば、各集電体11、14から出力電極端子となる正極タブ18および負極タブ19を直接取り出す場合には、正極端子リード20および負極端子リード21は用いなくてもよい。
[Positive electrode and negative electrode lead]
The positive
正極端子リード20および負極端子リード21の材料は、公知のリチウムイオン電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材22から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。
As the material of the positive
[電池外装材]
電池外装材22としては、公知の金属缶ケースを用いることができほか、発電要素(電池要素)を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。本実施形態では、高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるラミネートフィルムが望ましい。
[Battery exterior materials]
As the
[リチウムイオン電池の外観構成]
図2は、本発明の組電池を構成する電池の代表的な実施形態である積層型の扁平な(非双極型の)リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
[External structure of lithium-ion battery]
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a stacked flat (non-bipolar) lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of the battery constituting the assembled battery of the present invention.
図2に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素(電池要素)57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれる。その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58及び負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、先に説明した図1に示すリチウムイオン二次電池10の発電要素17に相当するものである。正極活物質層12、電解質層13および負極活物質層15で構成される単電池層(単セル)16が複数積層されたものである。
As shown in FIG. 2, the laminated flat lithium ion
なお、本発明の組電池を構成する電池は、図1や図2に示すような積層型の扁平な形状のものに制限されるものではなく、巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状、角型形状のものであってもよい。こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよい。上記円筒型や角型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。 The battery constituting the assembled battery of the present invention is not limited to the laminated flat shape as shown in FIGS. 1 and 2, and in the wound type lithium ion battery, the cylindrical shape is used. It may be of a square shape. Such a cylindrical shape may be deformed into a rectangular flat shape. In the case of the cylindrical shape or the rectangular shape, a laminate film may be used as the exterior material, and a conventional cylindrical can (metal can) may be used.
また、図2に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではなく、正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよい。正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。
Further, the
[組電池]
本実施形態の電池は、複数電気的に接続されて組電池とされる。
[Battery]
Battery of this embodiment, Ru is a plurality electrically connected to and assembled battery.
図3は、本実施形態の電池から構成される組電池の代表的な実施形態の外観図であって、図3Aは組電池の平面図であり、図3Bは組電池の正面図であり、図3Cは組電池の側面図である。 FIG. 3 is an external view of a typical embodiment of an assembled battery including the battery of the present embodiment, FIG. 3A is a plan view of the assembled battery, FIG. 3B is a front view of the assembled battery, FIG. 3C is a side view of the assembled battery.
図3に示すように、組電池300は、第1実施形態のリチウムイオン電池が複数、直列および並列に接続されて装脱着可能な組電池250が形成されている。そして、この組電池250をさらに複数、直列および並列に接続している。これにより、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した組電池300を形成することもできる。
As shown in FIG. 3, the assembled
作成した装脱着可能な組電池250は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、この組電池250は接続治具310を用いて複数段積層される。何個の電池を接続して組電池250を作成するか、また、何段の組電池250を積層して組電池300を作製するかは、搭載される車両(電気自動車など)の電池容量や出力に応じて決めればよい。
The prepared assembled / removable assembled
本発明者らは、前述した従来技術における課題を解決し、更にEV、HEV等の大型機器用電池にも適用し得る技術を開発すべく、鋭意研究を行った。その過程で、複数の電池に亘って短絡が発生した場合には、短絡電流が流れ続ける場合があることを見出した。以下、詳細に説明する。 The present inventors have intensively studied to solve the above-described problems in the prior art and to develop a technique that can be applied to batteries for large equipment such as EV and HEV. In the process, it was found that when a short circuit occurs across a plurality of batteries, a short circuit current may continue to flow. This will be described in detail below.
図4は、2つの電池を直列に接続した場合において、これら2つの電池に外部から導電体が貫通し、この導電体を介して2つの電池間に短絡回路が形成された場合の例として、これら2つの電池を連通して短絡を発生させて試験を行った際の状況を模式的に示す断面概略図である。 FIG. 4 shows an example in which when two batteries are connected in series, a conductor passes through the two batteries from the outside, and a short circuit is formed between the two batteries via the conductor. It is the cross-sectional schematic which shows typically the condition at the time of testing by making these two batteries connect and generating a short circuit.
図4を参照すると、2個のリチウムイオン電池(10a、10b)が、電気的に直列に接続されてなる組電池40に、導電性部材30が貫通している。
When FIG. 4 is referred, the
ここで、他の電池と無関係な個々の電池における短絡の発生を考えると、従来は正極集電体または負極集電体の少なくとも一方が発熱によって融解により焼切れて飛散すれば、短絡現象が解消するものと考えられていた。しかしながら、図4に示す通り、一方の集電体11または14が融解により焼切れたとしても(図4では正極集電箔11が焼切れた場合を図示する)、直列に接続された2つの電池40においては、各電池(10a、10b)間での短絡が生じ、電流の流れが遮断できない虞がある。本発明者らは、上記知見を初めて見出し、直列に接続された複数の電池間で短絡が発生した際に電流の流れを遮断しうる手段を提供することができたのである。
Here, considering the occurrence of short circuits in individual batteries unrelated to other batteries, conventionally, if at least one of the positive electrode current collector or the negative electrode current collector burns out due to heat generation and is scattered, the short circuit phenomenon is eliminated. It was thought to be. However, as shown in FIG. 4, even if one of the
例えば、2つの電池(10a、10b)を連通するように導電性部材30が貫通した場合を考えると、従来技術でも導電性部材30に接する正極集電体11を融解させて短絡部位に電流を流さない導通破断部27を形成することができる。これにより、個々の電池(10a、10b)内部で発生した短絡回路(電流の流れ)については遮断することができる(図4中の×印は導通破断部=電流の流れの遮断箇所を示す)。
For example, when the case where the
一方、2つの電池が電気的に直列に接続された状態(図4に示す40の状態)では、従来想到し得なかったことであるが、電池(10a、10b)間の連結端子25を通じて、複数の電池(10a、10b)の融解していない負極集電体14同士の間で新たな短絡回路が形成される。これにより、電池間の連結端子25、および導電性部材30を通って短絡電流Iが流れ続けてしまう(図4に示す短絡電流iおよびイオンの流れを示す矢印を参照)。その結果、当該短絡の継続に起因して電池性能が損なわれることがあるのである。これに対し、本実施形態によれば、上述したように集電体の厚さを比較的薄く設定することで、正極集電体11および負極集電体14双方の導電性部材30に接する部位(短絡部位)が、短絡電流に起因して発生した熱によって融解し、最終的には焼切れる。その結果、導電性部材30を介した短絡電流の流れを遮断することができる。ここで、従来知られていなかった電池間での短絡が集電体の厚さを薄くすることで遮断されうるのは以下のメカニズムによるものと推定される。すなわち、集電体の厚さが薄くなったことで集電体の熱容量が減少し、短絡電流由来の熱量が一定の場合の集電体の温度上昇が大きくなる結果、集電体が融解し易くなったものと考えられる。ただし、かようなメカニズムには限定されない。
On the other hand, in the state where the two batteries are electrically connected in series (the state of 40 shown in FIG. 4), it has not been conceivable in the past, but through the
なお、一般的な電池では、規格容量に対し一定容量のマージンを持たせた設計がなされている。そのため、短絡部位の周囲が融解により焼切れても、電池全体の反応面積に占める、当該短絡部位およびその周辺の融解により反応に寄与しなくなる面積は比較的小さく、当該マージンの範囲内で補うことができる。その結果、その後、充放電使用に支障なく利用できる。 A general battery is designed with a certain capacity margin with respect to the standard capacity. Therefore, even if the periphery of the short-circuited part burns out due to melting, the area that does not contribute to the reaction due to melting of the short-circuited part and its surroundings, which occupies the reaction area of the entire battery, is relatively small and should be compensated within the margin. Can do. As a result, after that, it can be used without any problem for charging and discharging.
以上、本実施形態の作用効果を得るための具体的な実施形態を例示したが、かような形態のみには制限されず、種々の変形も勿論可能である。変形させようとする場合には、例えば、本実施形態の作用効果が得られる集電体の厚さが変動しうるが、アルミニウムや銅について上述したように集電体の厚さをある程度薄くすることによって、同様の作用効果を得ることが可能である。他の材料を用いて集電体を構成する場合に、本実施形態の作用効果が得られる集電体の厚さの上限値を得るに当たっては、以下の指針を参考にすればよい。 As mentioned above, although the specific embodiment for obtaining the operation and effect of the present embodiment has been illustrated, the present invention is not limited to such a form, and various modifications are possible. When trying to deform, for example, the thickness of the current collector from which the effects of the present embodiment can be obtained may vary, but as described above for aluminum and copper, the thickness of the current collector is reduced to some extent. As a result, it is possible to obtain the same effect. In the case where the current collector is configured using other materials, the following guidelines may be referred to in order to obtain the upper limit value of the current collector thickness in which the effects of the present embodiment can be obtained.
すなわち、短絡によって集電体が融解により焼切れて短絡回路の遮断に寄与するか否かは、短絡によって短絡部位に流れる電流によって当該短絡部位で発生した熱の量(発熱量Q)と、集電体を融解させるために必要な熱量(融解熱量C)との大小関係によって決定される。換言すれば、QがCを上回る(Q>C)と、集電体の短絡部位が融解して焼切れる。 That is, whether or not the current collector is burned out by melting due to a short circuit and contributes to the interruption of the short circuit depends on the amount of heat (heat generation amount Q) generated in the short circuit site by the current flowing through the short circuit site due to the short circuit and the current collection. It is determined by the magnitude relationship with the amount of heat required to melt the electric body (the amount of heat of fusion C). In other words, when Q exceeds C (Q> C), the short-circuit portion of the current collector is melted and burned out.
ここで発熱量Q[J]は、短絡部位の電気抵抗値(Rn[Ω])に比例し、短絡電流値(I[A])の2乗に比例する。そして、Rnは、集電体の構成材料の比抵抗率(λ[Ω・cm])に比例し、集電体の体積に反比例する。 Here, the calorific value Q [J] is proportional to the electrical resistance value (Rn [Ω]) of the short-circuited part and proportional to the square of the short-circuit current value (I [A]). Rn is proportional to the specific resistivity (λ [Ω · cm]) of the constituent material of the current collector and inversely proportional to the volume of the current collector.
一方、集電体の融解熱量C[J]は、集電体の密度(ρ[g/cm3])、集電体の比熱(Cp[J/g・℃])、集電体の融解温度(Tm[℃])、集電体の体積に比例する。 On the other hand, the heat of fusion C [J] of the current collector is the density of the current collector (ρ [g / cm 3 ]), the specific heat of the current collector (Cp [J / g · ° C.]), the melting of the current collector. The temperature (Tm [° C.]) is proportional to the volume of the current collector.
以上のことから、集電体の構成材料が固定されている場合には、集電体の厚さを薄くすれば、集電体の体積が減少する結果、Qが増加しCが減少して、最終的にはQ>Cとすることが可能となる。 From the above, when the current collector material is fixed, if the current collector thickness is reduced, the current collector volume decreases, resulting in an increase in Q and a decrease in C. Finally, it is possible to satisfy Q> C.
また、上述した集電体の厚さの具体的な数値範囲は、電池が後述する実施例に記載した形態を有する場合に対応する好ましい範囲である。電池の具体的な構成(電極活物質層の厚さや単電池層の積層数)が変化すると、これに伴って本実施形態の作用効果が得られる厚さの上限値も変化する。例えば、電極活物質層の厚さや積層数が増加すると、電池容量が増大するとともに電極抵抗(Rb[Ω])も増加する。そうすると、短絡が発生した場合に流れる短絡電流値(I)は電池の電圧(E[V])をRbで割った値であるから、Rbが増加すると相対的にIは減少する。Iの減少に伴ってQも減少することから、かような場合にQ>Cとするには、Cをより一層減少させることが必要となる。例えば、集電体の厚さをより一層薄くすることによって、最終的にはQ>Cとすることが可能となる。 Moreover, the specific numerical range of the thickness of the current collector described above is a preferable range corresponding to the case where the battery has a form described in Examples described later. When the specific configuration of the battery (the thickness of the electrode active material layer and the number of single battery layers) is changed, the upper limit value of the thickness at which the effect of the present embodiment is obtained also changes accordingly. For example, as the thickness of the electrode active material layer and the number of stacked layers increase, the battery capacity increases and the electrode resistance (Rb [Ω]) also increases. Then, since the short-circuit current value (I) that flows when a short-circuit occurs is a value obtained by dividing the battery voltage (E [V]) by Rb, I decreases relatively as Rb increases. Since Q also decreases as I decreases, it is necessary to further reduce C in order to satisfy Q> C in such a case. For example, it is possible to finally satisfy Q> C by further reducing the thickness of the current collector.
上述した通り、QやCの具体的な値は集電体の構成材料などの種々の条件によって変化するが、上記指針に従えば、本実施形態の作用効果が得られるように集電体の厚さを適宜調整することが可能である。仮にQおよびCの具体的な値が理論的に算出可能であれば、Q/C>1.2とすることが好ましく、Q/C>1.5とすることがより好ましい。 As described above, the specific values of Q and C vary depending on various conditions such as the material constituting the current collector. However, according to the above guidelines, the current collector's effect is obtained so that the effects of the present embodiment can be obtained. It is possible to adjust the thickness as appropriate. If specific values of Q and C can be calculated theoretically, Q / C> 1.2 is preferable, and Q / C> 1.5 is more preferable.
特に本実施形態では、正極及び負極集電体1の双方が上述したQ>Cの関係式を満足することで、組電池で使用する場合、従来想定されていなかった、電池間を通じて組電池に短絡電流が流れ続ける特異な現象に対応し得るのである。 In particular, in the present embodiment , both the positive electrode and the negative electrode current collector 1 satisfy the relational expression of Q> C described above. It can cope with a unique phenomenon in which a short-circuit current continues to flow.
なお、本実施形態の電池によれば、図4のように外部要因によって短絡回路が形成された場合であっても、短絡回路を流れる電流によって発生する熱によって電池の温度が所定値に達する前に、正極集電体11および負極集電体14の短絡部位が融解して当該短絡回路が遮断される。ここで、電池の温度の所定値とは、電池の機能が停止する虞がある温度である。この所定値は電池の具体的な仕様(電極活物質、電解液、セパレータなどの材料)に応じて変動しうるため一義的に規定することは困難であり、具体的な仕様に応じて適宜設定することが可能である。一例としては、所定値を60〜70℃程度に設定すればよい(実施例を参照)。また、例えば電池を比較的耐熱性の高い材料によって構成すれば、所定値は高くなる。逆に、電池を比較的耐熱性の低い材料によって構成すれば、所定値は低くなる。
According to the battery of the present embodiment , even when the short circuit is formed by an external factor as shown in FIG. 4, the temperature of the battery reaches a predetermined value due to the heat generated by the current flowing through the short circuit. In addition, the short circuit portion of the positive electrode
[車両]
本実施形態の電池は、例えば上述した組電池の形態で、車両に搭載されうる。車両に搭載された電池は、例えば、車両のモータを駆動する電源として用いられうる。
[vehicle]
The battery of this embodiment can be mounted on a vehicle, for example, in the form of the assembled battery described above. A battery mounted on a vehicle can be used as a power source for driving a motor of the vehicle, for example.
図5は、図3に示す組電池を搭載した車両の概念図である。 FIG. 5 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with the assembled battery shown in FIG.
図5に示すように、組電池300を電気自動車400のような車両に搭載するには、電気自動車400の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池300を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池300を用いた電気自動車400は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。
As shown in FIG. 5, in order to mount the assembled
[電池の製造方法]
なお、本実施形態の電池の製造方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の方法を適用して作製することができる。
[Battery manufacturing method]
The battery manufacturing method of the present embodiment is not particularly limited, and can be manufactured by applying a conventionally known method.
電解質が液体電解質である場合の電池の作製は、活物質や導電助剤などの電極材料を含む電極スラリーを集電箔の両表面に塗布(コーティング)して作製した正極と負極から、少し負極を大きくして切り出す。そして、それぞれを90℃の真空乾燥機にて1日乾燥して用いる。正極と負極の間に、適当な厚さ(例えば、25μm程度)のポリプロピレン等の多孔質膜を介して最外側が負極になるようにして正極と負極を交互に積層させる。そして、各正極と負極を束ねてリードを溶接して、この積層体を正負極のリードを取り出した構造にて、アルミニウムのラミネートフィルムバッグに収めて、注液機により電解液を注液して、減圧下で端部をシールして電池とする。 When the electrolyte is a liquid electrolyte, the battery is made from a positive electrode and a negative electrode, which are prepared by applying (coating) an electrode slurry containing an electrode material such as an active material or a conductive aid to both surfaces of the current collector foil. Increase to cut out. Each of them is used after being dried for one day in a 90 ° C. vacuum dryer. Between the positive electrode and the negative electrode, the positive electrode and the negative electrode are alternately laminated so that the outermost side becomes a negative electrode through a porous film such as polypropylene having an appropriate thickness (for example, about 25 μm). Then, each positive electrode and negative electrode are bundled and leads are welded, and this laminate is placed in an aluminum laminate film bag with a structure in which the positive and negative electrode leads are taken out, and an electrolytic solution is injected with a liquid injector. The end is sealed under reduced pressure to obtain a battery.
電解質が電解液の電池のほか、電解質がゲルの電池、全固体ポリマーの電池の作製は、公知になった我々の技術を参照して実施可能であるため、ここでは説明を省略する。 In addition to batteries with electrolyte as electrolyte, batteries with gels as electrolytes and batteries with all solid polymers can be manufactured with reference to our well-known technology, so the description is omitted here.
<第2実施形態>
第2実施形態は、負極集電体が多層構造を有すること以外は第1実施形態と同様である。具体的には、負極集電体が、導電性層と補強層とが積層された構造を有する。「補強層」とは、集電体の剛性を補強するための層である。
Second Embodiment
The second embodiment is the same as the first embodiment except that the negative electrode current collector has a multilayer structure. Specifically, the negative electrode current collector has a structure in which a conductive layer and a reinforcing layer are stacked. The “reinforcing layer” is a layer for reinforcing the rigidity of the current collector.
図6は、本実施形態のリチウムイオン電池における負極集電体の面方向に垂直な方向で切断した断面図である。図6に示すように、本実施形態の負極集電体14は、補強層14cと、補強層14cの両表面に形成されてなる金属層14bとを含む構造を有する。
FIG. 6 is a cross-sectional view taken along a direction perpendicular to the surface direction of the negative electrode current collector in the lithium ion battery of this embodiment. As shown in FIG. 6, the negative electrode
本実施形態における負極集電体14は、一般的な電池用集電体と同様に、その一方の面または両面に活物質層が形成されて電極(負極)となり、最終的には電池を構成する。なお、図6には補強層14cの両面に金属層14bが形成されてなる構成を図示したが、本実施形態においては、補強層の片面のみに金属層が形成された負極集電体14もまた、場合によっては用いられうる。なお、金属層を金属以外の導電性材料(例えば、導電性高分子)からなる導電性層としてもよい。
In the present embodiment, the negative electrode
本実施形態のような構成とすることで、第1の実施形態の効果に加えて、金属層の薄膜化を行った場合に、電池製造時(特に集電体への電極塗布時)に金属層の破断も起こりにくく、電池製造の歩留まりを向上させるというメリットがある。さらには、電池が振動(車載搭載時)した際に電池内の振動を補強層が吸収するため、耐振動性が向上するというメリットがある。なお、本実施形態において、「負極集電体14の短絡部位」が負極集電体14の金属層14bにおける短絡部位を意味することはいうまでもない。
By adopting the configuration of this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, when the metal layer is thinned, the metal is produced during battery production (particularly during electrode application to the current collector). Layer breakage is unlikely to occur, and there is an advantage that the yield of battery manufacturing is improved. Further, when the battery vibrates (when mounted in a vehicle), the reinforcing layer absorbs the vibration in the battery, so that there is an advantage that vibration resistance is improved. In addition, in this embodiment, it cannot be overemphasized that "the short circuit part of the
本実施形態において、多層構造を有する負極集電体14の金属層14bを構成する金属や補強層14cを構成する材料の具体的な種類は特に制限されず、電池用の集電体材料として従来用いられている金属や、公知の絶縁体が適宜採用されうる。
In the present embodiment, the specific types of the metal constituting the
一例を挙げると、金属層14bを構成する金属としては、上述した第1実施形態の欄において集電体の構成材料として例示した材料が同様に用いられうる。
As an example, as the metal constituting the
また、補強層14cを構成する材料としては、樹脂、セラミック、セラミックと樹脂の複合体などの絶縁性材料が挙げられ、なかでも、補強層の軽量化という観点からは、補強層の構成材料は樹脂であることが好ましい。樹脂としても、特に制限はないが、例えば、ポリイミド(PI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)などが用いられうる。なかでも、耐熱性という観点からは、ポリイミドまたはポリエチレンテレフタレートが好ましく、ポリイミドが特に好ましい。なお、ポリイミドの具体的な名称としては、カプトン(登録商標)が挙げられる。
In addition, examples of the material constituting the reinforcing
本実施形態において、負極集電体14の金属層14bおよび補強層14cの厚さも特に制限されない。ただし、本実施形態の作用効果を得るためには、すなわち、少なくとも2つの電池に外部から導電体が貫通して短絡回路が形成された場合に短絡回路が遮断されるようにするためには、補強層14cの厚さを制御するとよい。ここで、短絡回路が遮断されるためには、短絡回路に流れる電流(短絡電流)によって発生した熱によって、正極集電体11と併せて負極集電体14の金属層14bが融解する必要がある。このときに補強層14cが必要以上に厚いと、補強層14cの熱容量の増大に伴って短絡電流によって発生した熱が奪われ、金属層14bの融解に必要な熱が十分に確保されなくなってしまうことが推測される。よって、本実施形態の好ましい形態においては、補強層14cの厚さを、短絡時に負極集電体14の短絡部位(の金属層14b)が融解するのに必要な熱量を奪いすぎないような厚さに制御することで、本実施形態の作用効果が得られると推測される。
In the present embodiment, the thickness of the
本実施形態における負極集電体14の金属層14bや補強層14cの厚さの具体的な値については、上述した作用効果が得られるのであれば特に制限はなく、適宜調整することが可能である。ただし、一例を挙げると、金属層14bの厚さ(補強層14cの両面に形成される場合には合計厚さ)は、上述した第1実施形態の集電体の欄に記載した範囲内の厚さであることが好ましい。また、補強層14cの厚さは、おおよそ4〜20μm程度とすればよい。なお、本実施形態において、負極集電体14の全体厚さは、好ましくは6〜12μmであり、より好ましくは8〜10μmである。特に好ましい形態として、金属層14bが銅から構成される場合には、金属層14bの厚さは好ましくは0.1〜6μmであり、より好ましくは0.1〜2μmである。
The specific values of the thickness of the
以上、負極集電体14が多層構造を有する場合を例に挙げて説明したが、本実施形態においては、正極集電体11が同様の多層構造を有するものであってもよい。かような形態において、正極集電体11の金属層および補強層の厚さも特に制限されない。ただし、少なくとも2つの電池に外部から導電体が貫通して短絡回路が形成された場合に短絡回路が遮断されるようにするという本実施形態の作用効果を得るためには、上述したように金属層および補強層の厚さを制御するとよい。
The case where the negative electrode
多層構造を有する正極集電体11の金属層や補強層の厚さの具体的な値についても、上述した作用効果が得られるのであれば特に制限はなく、適宜調整することが可能である。ただし、一例を挙げると、金属層の厚さ(補強層の両面に形成される場合には合計厚さ)は、上述した第1実施形態の集電体の欄に記載した範囲内の厚さであることが好ましい。また、補強層の厚さは、おおよそ8〜19μm程度とすればよい。なお、かような形態において、正極集電体11の全体厚さは、好ましくは5〜20μmであり、より好ましくは5〜10μmである。特に好ましい形態として、金属層がアルミニウムから構成される場合には、金属層の厚さは好ましくは1.4〜12μmであり、より好ましくは1.4〜8μmである。
The specific values of the thickness of the metal layer and the reinforcing layer of the positive electrode
なお、上述した各種の厚さの値は、従来公知の手法(例えば、断面のSEM観察)により測定されうる。 The various thickness values described above can be measured by a conventionally known technique (for example, SEM observation of a cross section).
上述したように、集電体が補強層を備える形態に関する第2実施形態において、第1実施形態の欄で説明した指針に従って集電体(の金属層)の厚さを決定する際には、補強層の厚さをも考慮する必要がある。すなわち、短絡回路が遮断されるためには金属層14bが融解する必要がある。このときに補強層14cが必要以上に厚いと、金属層14bが融解しないことが推測される。これは、補強層14cの熱容量の増大に伴って短絡電流によって発生した熱が奪われ、金属層14bの融解に必要な熱が十分に確保されなくなってしまうためと推測される。よって、第2実施形態の集電体の設計においては、補強層14cの厚さを、短絡時に負極集電体14の短絡部位(の金属層14b)が融解するのに必要な熱量を奪いすぎないような厚さに制御することで、本実施形態の作用効果が得られると推測される。
As described above, in the second embodiment relating to the form in which the current collector includes the reinforcing layer, when determining the thickness of the current collector (the metal layer thereof) according to the guidelines described in the column of the first embodiment, It is also necessary to consider the thickness of the reinforcing layer. That is, in order to interrupt the short circuit, the
以下の実施例および比較例では、集電体の厚さを変えて作製した非水電解質電池を用いて組電池を構成し、短絡放電時の温度上昇を確認した。 In the following examples and comparative examples, assembled batteries were formed using non-aqueous electrolyte batteries produced by changing the thickness of the current collector, and temperature rise during short-circuit discharge was confirmed.
具体的には、比較例1及び実施例1〜5の組電池を、下記のようにして作製した。 Specifically, the assembled batteries of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5 were produced as follows.
(負極の作製)
負極集電体として表1に示す厚さの銅箔をそれぞれ準備した。
(Preparation of negative electrode)
Copper foils having thicknesses shown in Table 1 were prepared as negative electrode current collectors.
負極活物質であるハードカーボン(90質量部)、およびバインダであるPVdF(10質量部)を、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の適量に分散させて、負極活物質スラリーを調製した。 Hard carbon (90 parts by mass), which is a negative electrode active material, and PVdF (10 parts by mass), which is a binder, are dispersed in appropriate amounts of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent. A material slurry was prepared.
調製した負極活物質スラリーを、上記で準備した負極集電体の両表面にコーティング装置を用いて塗布し、乾燥させ、ロールプレス機を用いてプレス処理を施し、負極活物質層(片面厚さ75μm)を形成した。そして、10cm×5cmのサイズにカットし、負極集電体にNi製の負極リードを溶接して、負極を作製した。 The prepared negative electrode active material slurry is applied to both surfaces of the negative electrode current collector prepared above using a coating apparatus, dried, and subjected to a press treatment using a roll press, and the negative electrode active material layer (single-side thickness) 75 μm) was formed. Then, it was cut into a size of 10 cm × 5 cm, and a negative electrode lead made of Ni was welded to the negative electrode current collector to produce a negative electrode.
(正極の作製)
正極集電体として表1に示す厚さのアルミニウム箔をそれぞれ準備した。
(Preparation of positive electrode)
Aluminum foils having thicknesses shown in Table 1 were prepared as positive electrode current collectors.
正極活物質であるLiMn2O4(85質量部)、導電助剤のアセチレンブラック(5質量部)およびバインダのPVdF(10質量部)を、スラリー粘度調整溶媒であるNMPの適量に分散させて、正極活物質スラリーを調製した。 LiMn 2 O 4 (85 parts by mass) as a positive electrode active material, acetylene black (5 parts by mass) as a conductive additive, and PVdF (10 parts by mass) as a binder are dispersed in an appropriate amount of NMP as a slurry viscosity adjusting solvent. A positive electrode active material slurry was prepared.
調製した正極活物質スラリーを、上記で準備した正極集電体の両表面にコーティング装置を用いて塗布し、乾燥させ、ロールプレス機を用いてプレス処理を施し、正極活物質層(片面厚さ110μm)を形成した。そして、9.5cm×4.5cmのサイズにカットし、正極集電体にAl製の正極リードを溶接して、正極を作製した。 The prepared positive electrode active material slurry is applied to both surfaces of the positive electrode current collector prepared above using a coating apparatus, dried, and subjected to press treatment using a roll press machine, and the positive electrode active material layer (single-side thickness) 110 μm). And it cut into the size of 9.5 cm x 4.5 cm, and welded the positive electrode lead made from Al to the positive electrode electrical power collector, and produced the positive electrode.
(電池および組電池の作製)
セパレータとして、ポリエチレン製微多孔質膜(厚さ:30μm、サイズ:10.5cm×5.5cm)を準備した。また、電解液として、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との等体積混合液にリチウム塩であるLiPF6が1Mの濃度に溶解した溶液を準備した。
(Production of batteries and assembled batteries)
A polyethylene microporous film (thickness: 30 μm, size: 10.5 cm × 5.5 cm) was prepared as a separator. Further, as the electrolyte, LiPF 6 is a lithium salt in an equal volume mixture of ethylene carbonate (EC) di methyl carbonate (DMC) was prepared a solution of a concentration of 1M.
上記で作製した正極11枚、負極10枚およびセパレータ11枚を、隣接する正極及び負極同士の正極活物質層と負極活物質層とがセパレータを介して向き合うように順次積層して積層体(発電要素)を作製した(図1参照)。 The 11 positive electrodes, 10 negative electrodes, and 11 separators prepared above were sequentially laminated so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer of the adjacent positive electrode and negative electrodes face each other with the separator interposed therebetween. Element) (see FIG. 1).
次いで、各正極リードおよび負極リードを正極および負極タブに溶接し、正極タブ及び負極タブが外部に導出するように、得られた積層体(発電要素)をアルミラミネートシートからなる外装体中に入れた。その後上記で準備した電解液を注入して、封止することにより、積層型のリチウムイオン電池を完成させた(図2参照)。 Next, each positive electrode lead and negative electrode lead are welded to the positive electrode and negative electrode tab, and the obtained laminate (power generation element) is placed in an exterior body made of an aluminum laminate sheet so that the positive electrode tab and the negative electrode tab are led out to the outside. It was. Thereafter, the electrolytic solution prepared above was injected and sealed to complete a stacked lithium ion battery (see FIG. 2).
その後、上記で得られた積層型のリチウムイオン電池を図3に示すようにセル接続バスバーを用いて3直列に連結して、組電池を作製し、後述する短絡試験に用いた。 Then, the laminated lithium ion battery obtained above was connected in series using a cell connection bus bar as shown in FIG. 3 to produce an assembled battery, which was used in a short circuit test described later.
<短絡試験による放電時の温度上昇確認試験>
実施例1〜5および比較例1それぞれの組電池を、組み立て後0.5Cで満充電状態(4.2V:電池端子電圧)まで初回充電し、満充電状態で1週間エージング後、1Cで2.0V(電池端子電圧)まで初回放電して容量測定を行った。その後、各組電池又は電池は、0.5Cで満充電状態まで充電後、図4に示すように、短絡試験として組電池全体に直径3mmの導電性部材を貫通させた。次いで、100Cの放電を2.0V(電池端子電圧)まで行い、放電時の電池表面温度を測定した。電池表面温度は、電池のラミネート外装材の中央部(図2の符号Gの箇所)に熱電対を取り付けて電池の最大上昇温度を測定した。組電池では、3つの電池全てに熱電対を取り付け、各電池の最大上昇温度の平均値を電池表面温度とした。実験結果を表1に示す。
<Temperature rise confirmation test during discharge by short circuit test>
The assembled batteries of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were initially charged to 0.5 C after assembly to a fully charged state (4.2 V: battery terminal voltage), aged for 1 week in a fully charged state, and 2 at 1 C. The capacity was measured by first discharging to 0.0 V (battery terminal voltage). Thereafter, each assembled battery or battery was charged to a fully charged state at 0.5 C, and then a conductive member having a diameter of 3 mm was passed through the entire assembled battery as a short circuit test as shown in FIG. Subsequently, 100C discharge was performed to 2.0V (battery terminal voltage), and the battery surface temperature at the time of discharge was measured. The battery surface temperature was measured by measuring the maximum temperature rise of the battery by attaching a thermocouple to the central portion (location indicated by symbol G in FIG. 2) of the laminate outer packaging material. In the assembled battery, thermocouples were attached to all three batteries, and the average value of the maximum rising temperatures of each battery was defined as the battery surface temperature. The experimental results are shown in Table 1.
表1に示すように実施例1〜5の組電池では、温度上昇は75℃以下に留まった。このことから、短絡電流はその発生から500msec以内に遮断されたと予想される。また、再度電池を使用することが可能であった。これに対し、比較例1の組電池では、短絡電流は遮断されず120℃まで温度上昇が観察され、電池を再度使用することはできなかった。 As shown in Table 1, in the assembled batteries of Examples 1 to 5, the temperature rise remained at 75 ° C. or lower. From this, it is expected that the short-circuit current was interrupted within 500 msec from the occurrence. It was also possible to use the battery again. On the other hand, in the assembled battery of Comparative Example 1, the short-circuit current was not interrupted and a temperature increase was observed up to 120 ° C., and the battery could not be used again.
なお、比較例1で用いた電池が単独で短絡した場合に、当該短絡は遮断されうることを示す目的で、参考例を実施した。具体的には、比較例1で用いた電池を組電池とせずに単独で用い、参考例1とした。また、正極集電体としてのアルミニウム箔の厚さを20μmとしたこと以外は参考例1と同様の手法により、参考例2を実施した。表1に示すように、参考例1〜2では電池の温度上昇が60〜65℃に留まり、再度電池を使用することが可能であった。 In addition, the reference example was implemented in order to show that the short circuit can be interrupted when the battery used in Comparative Example 1 is short-circuited alone. Specifically, the battery used in Comparative Example 1 was used as a reference example without being used as an assembled battery. Reference Example 2 was carried out by the same method as Reference Example 1 except that the thickness of the aluminum foil as the positive electrode current collector was 20 μm. As shown in Table 1, in Reference Examples 1 and 2, the temperature rise of the battery remained at 60 to 65 ° C., and the battery could be used again.
<集電体の焼切れ(破断)の有無の確認>
実施例1〜5及び比較例1それぞれの組電池および参考例1〜2の電池につき、100Cの放電後に、更に充放電可能か確認した後、これらの組電池及び電池を解体して、集電箔の焼切れ(破断)の有無を確認した。
<Confirmation of current collector burnout (breakage)>
For each of the assembled batteries of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 and the batteries of Reference Examples 1 and 2, after confirming whether charging / discharging was possible after discharging at 100 C, these assembled batteries and batteries were disassembled to collect current. The presence or absence of burnout (breakage) of the foil was confirmed.
実施例1〜5の組電池では、全ての集電体の短絡部位の周辺が焼切れて導通破断部が形成されていることが確認できた。一方、比較例1の組電池および参考例1〜2の電池では、アルミニウム箔の短絡部位の周辺が焼切れて、アルミニウム箔の短絡部位への電流の流れを遮断していたが、銅箔の短絡部位の周辺は、焼切れていなかった。 In the assembled battery of Examples 1-5, it has confirmed that the periphery of the short circuit site | part of all the collectors burned out and the conduction fracture | rupture part was formed. On the other hand, in the assembled battery of Comparative Example 1 and the batteries of Reference Examples 1 and 2, the periphery of the short-circuited portion of the aluminum foil was burned out and the current flow to the short-circuited portion of the aluminum foil was interrupted. The area around the short circuit area was not burned out.
以上のことから、電池の構成が全く同じである参考例1と比較例1とで、電池温度の上昇が異なったのは以下の理由によると考えられる。すなわち、比較例1のように組電池にした場合には、図4に示すように各電池の銅箔と短絡部材と電池間端子との間に新たな導通経路が形成され、組電池全体で短絡電流が流れ続けたため、電池の温度が120℃まで上昇したものと考えられる。一方、比較例1と同様のアルミニウム箔の焼切れ(破断)が確認された参考例1〜2の電池では、図4に示すような組電池における新たな導通経路が形成されない。そのため、アルミニウム箔のみが焼切れることで、集電箔の短絡部位への電流の流れを遮断することができ、電池の温度上昇を60〜65℃に抑えることができたものと考えられる。 From the above, it is considered that the rise in battery temperature was different between Reference Example 1 and Comparative Example 1 in which the battery configurations were exactly the same, for the following reason. That is, when an assembled battery is used as in Comparative Example 1, a new conduction path is formed between the copper foil, the short-circuit member, and the inter-battery terminal of each battery as shown in FIG. It is considered that the temperature of the battery rose to 120 ° C. because the short circuit current continued to flow. On the other hand, in the batteries of Reference Examples 1 and 2 in which the burnout (breakage) of the aluminum foil as in Comparative Example 1 was confirmed, a new conduction path in the assembled battery as shown in FIG. 4 was not formed. Therefore, it is considered that only the aluminum foil is burned out, whereby the current flow to the short-circuited portion of the current collector foil can be cut off, and the temperature rise of the battery can be suppressed to 60 to 65 ° C.
以上から、単独では短絡を遮断可能な従来の電池であっても解決し得ない、組電池とした際の電池間での短絡の遮断という課題が、本実施例の組電池によれば解決されうることが示される。 From the above, not be solved by a conventional battery can block the short circuit alone problem blocking a short circuit between the battery when the assembled battery, is resolved according to the assembled battery of this embodiment It can be shown.
<実施例6>
(負極の作製)
Cu(膜厚3μm)/PI(膜厚4μm)/Cu(膜厚3μm)の順に積層されてなる負極集電体を準備した。
<Example 6>
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode current collector was prepared by laminating Cu (film thickness 3 μm) / PI (film thickness 4 μm) / Cu (film thickness 3 μm) in this order.
負極活物質であるハードカーボン(90質量部)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量部)を、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の適量に分散させて、負極活物質スラリーを調製した。 Disperse hard carbon (90 parts by mass) as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride (PVdF) (10 parts by mass) as a binder in appropriate amounts of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent. Thus, a negative electrode active material slurry was prepared.
調製した負極活物質スラリーを、上記で準備した負極集電体の両表面にコーティング装置を用いて塗布し、乾燥させた。次いで、ロールプレス機を用いて、得られた積層型電極にプレス処理を施し、負極活物質層(厚さ:75μm)を形成した。そして、10cm×5cmのサイズにカットし、負極集電体にNi製の負極リードを溶接して、負極板を作製した。 The prepared negative electrode active material slurry was applied to both surfaces of the negative electrode current collector prepared above using a coating apparatus and dried. Next, using a roll press machine, the obtained laminated electrode was pressed to form a negative electrode active material layer (thickness: 75 μm). Then, it was cut into a size of 10 cm × 5 cm, and a negative electrode lead made of Ni was welded to the negative electrode current collector to produce a negative electrode plate.
(正極の作製)
正極集電体として、Al箔(膜厚20μm)を準備した。
(Preparation of positive electrode)
An Al foil (
正極活物質であるLiMn2O4(85質量部)、導電助剤であるアセチレンブラック(5質量部)およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量部)を、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の適量に分散させて、正極活物質スラリーを調製した。 LiMn 2 O 4 (85 parts by mass) as a positive electrode active material, acetylene black (5 parts by mass) as a conductive auxiliary agent, and polyvinylidene fluoride (PVdF) (10 parts by mass) as a binder are slurry viscosity adjusting solvents. A positive electrode active material slurry was prepared by dispersing an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
調製した正極活物質スラリーを、上記で準備した正極集電体の両表面にコーティング装置を用いて塗布し、乾燥させた。次いで、ロールプレス機を用いて、得られた積層型電極にプレス処理を施し、正極活物質層(厚さ:110μm)を形成した。そして、9.5cm×4.5cmのサイズにカットし、正極集電体の端部をAl製の正極リードを溶接して、正極を作製した。 The prepared positive electrode active material slurry was applied to both surfaces of the positive electrode current collector prepared above using a coating apparatus and dried. Next, using a roll press machine, the obtained multilayer electrode was pressed to form a positive electrode active material layer (thickness: 110 μm). And it cut into the size of 9.5 cm x 4.5 cm, the positive electrode lead made from Al was welded to the edge part of a positive electrode electrical power collector, and the positive electrode was produced.
(組電池の作製)
セパレータとして、ポリエチレン製微多孔質膜(PEセパレータ)(厚さ:30μm、サイズ:10.5cm×5.5cm)を準備した。また、電解液として、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との等体積混合液にリチウム塩であるLiPF6が1Mの濃度に溶解した溶液を準備した。
(Production of assembled battery)
A polyethylene microporous membrane (PE separator) (thickness: 30 μm, size: 10.5 cm × 5.5 cm) was prepared as a separator. Further, as an electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 as a lithium salt was dissolved at a concentration of 1M in an equal volume mixed solution of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) was prepared.
上記で作製した積層型電極10枚(正極11枚、負極10枚)およびセパレータ11枚を、隣接する積層型電極どうしの正極活物質層と負極活物質層とが向き合うように順次積層した。 Ten stacked electrodes (11 positive electrodes, 10 negative electrodes) and 11 separators prepared above were sequentially stacked so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer of adjacent stacked electrodes face each other.
なお、最外層に位置する積層型電極の活物質層の形成は割愛し、さらに正極側の最外層に位置する積層型電極の集電体(Al面)にはAl製の正極リードを溶接し、負極側の最外層に位置する積層型電極の集電体(Cu面)にはNi製の負極リードを溶接した。 In addition, the formation of the active material layer of the multilayer electrode located in the outermost layer is omitted, and an Al positive electrode lead is welded to the current collector (Al surface) of the multilayer electrode located in the outermost layer on the positive electrode side. A negative electrode lead made of Ni was welded to the current collector (Cu surface) of the laminated electrode located in the outermost layer on the negative electrode side.
次いで、正極リードおよび負極リードがそれぞれ外部に導出するように、得られた積層体(発電要素)をアルミラミネートシートからなる外装中に入れ、上記で準備した電解液を注入して、封止することにより、積層型電池を完成させた。 Next, the obtained laminate (power generation element) is placed in an exterior made of an aluminum laminate sheet so that the positive electrode lead and the negative electrode lead are led out to the outside, and the electrolytic solution prepared above is injected and sealed. As a result, a laminated battery was completed.
その後、上記で得られた積層型電池2つを図3に示すようにセル接続バスバーを用いて直列に連結して、組電池を作製した。 Thereafter, the two stacked batteries obtained above were connected in series using a cell connection bus bar as shown in FIG. 3 to produce an assembled battery.
<実施例7>
負極集電体にCu/PI/Cu箔(膜厚2.5μm/5μm/2.5μm)を用いたこと以外は実施例1と同様の電極組成、積層数の電池及び組電池を作製した。
<Example 7>
A battery and an assembled battery having the same electrode composition and number of layers as those of Example 1 were prepared except that Cu / PI / Cu foil (film thickness 2.5 μm / 5 μm / 2.5 μm) was used for the negative electrode current collector.
<実施例8>
負極集電体にCu/PI/Cu箔(膜厚1μm/8μm/1μm)を用いたこと以外は実施例1と同様の電極組成、積層数の電池および組電池を作製した。
<Example 8>
A battery and an assembled battery having the same electrode composition and number of layers as those of Example 1 were prepared except that Cu / PI / Cu foil (film thickness: 1 μm / 8 μm / 1 μm) was used for the negative electrode current collector.
<実施例9>
負極集電体にCu/PI/Cu箔(膜厚0.5μm/9μm/0.5μm)を用いたこと以外は実施例1と同様の電極組成、積層数の電池及び組電池を作製した。
<Example 9>
A battery and an assembled battery having the same electrode composition and the same number of layers as those of Example 1 were prepared except that Cu / PI / Cu foil (film thickness 0.5 μm / 9 μm / 0.5 μm) was used for the negative electrode current collector.
<実施例10>
負極集電体にCu/PI/Cu箔(膜厚0.3μm/9.4μm/0.3μm)を用いたこと以外は実施例1と同様の電極組成、積層数の電池および組電池を作製した。
<Example 10>
A battery and an assembled battery having the same electrode composition and the same number of layers as those of Example 1 were prepared except that Cu / PI / Cu foil (film thickness: 0.3 μm / 9.4 μm / 0.3 μm) was used for the negative electrode current collector. did.
<実施例11>
負極集電体にCu/PI/Cu箔(膜厚0.1μm/9.8μm/0.1μm)を用いたこと以外は実施例1と同様の電極組成、積層数の電池及び組電池を作製した。
<Example 11>
A battery and an assembled battery having the same electrode composition and the same number of layers as those of Example 1 were prepared except that Cu / PI / Cu foil (film thickness: 0.1 μm / 9.8 μm / 0.1 μm) was used for the negative electrode current collector. did.
<実施例12>
負極集電体にCu/PI/Cu箔(膜厚0.05μm/9.9μm/0.05μm)を用いたこと以外は実施例1と同様の電極組成、積層数の電池および組電池を作製した。
<Example 12>
A battery and an assembled battery having the same electrode composition and the same number of layers as those of Example 1 were prepared except that Cu / PI / Cu foil (film thickness 0.05 μm / 9.9 μm / 0.05 μm) was used for the negative electrode current collector. did.
<実施例13>
負極集電体にCu/PET/Cu箔(膜厚1μm/8μm/1μm)を用いたこと以外は実施例1と同様の電極組成、積層数の電池及び組電池を作製した。
<Example 13>
A battery and an assembled battery having the same electrode composition and number of layers as those of Example 1 were prepared except that Cu / PET / Cu foil (film thickness: 1 μm / 8 μm / 1 μm) was used for the negative electrode current collector.
<比較例2>
負極集電体にCu箔(膜厚10μm)を用いたこと以外は実施例6と同様の電極組成、積層数の電池および組電池を作製した。
<Comparative example 2>
A battery and an assembled battery having the same electrode composition and the same number of layers as those of Example 6 were prepared except that a Cu foil (film thickness: 10 μm) was used for the negative electrode current collector.
<比較例3>
負極集電体にCu/PET/Cu箔(膜厚2μm/6μm/2μm)を用いたこと以外は実施例1と同様の電極組成、積層数の電池及び組電池を作製した。
<Comparative Example 3>
A battery and an assembled battery having the same electrode composition and number of layers as those of Example 1 were prepared except that Cu / PET / Cu foil (film thickness: 2 μm / 6 μm / 2 μm) was used for the negative electrode current collector.
<(容量測定)短絡試験>
実施例6〜13、比較例2および3のそれぞれの組電池について、電池組み立て後0.5Cで初回充電放電後、満充電状態(4.2V)で1週間エージングし、1Cレートで容量測定をおこなった。その後、各組電池とも100Cの放電を行い、放電時の電池表面温度(ラミネート外装部の中央部に熱電対を設置;図2の符号Gの箇所に設置)を測定した。結果を下記表2に示す。また、比較例2を基準とした相対エネルギー密度を表すグラフを図7に示し、比較例2を基準とした相対温度上昇を表すグラフを図8に示す。
<(Capacitance measurement) Short-circuit test>
For each of the assembled batteries of Examples 6 to 13 and Comparative Examples 2 and 3, the battery was first charged and discharged at 0.5 C after battery assembly, and then aged in a fully charged state (4.2 V) for 1 week, and the capacity was measured at a 1 C rate. I did it. Thereafter, each assembled battery was discharged at 100 C, and the battery surface temperature at the time of discharge (a thermocouple was installed at the center of the laminate exterior part; installed at a position indicated by symbol G in FIG. 2) was measured. The results are shown in Table 2 below. A graph showing the relative energy density based on the comparative example 2 is shown in FIG. 7, and a graph showing the relative temperature rise based on the comparative example 2 is shown in FIG.
<金属層の焼切れ(破断)の有無の確認>
実施例6〜13、比較例2および3のそれぞれの組電池につき、上述した100Cの放電後に、更に充放電可能か確認した後、これらの組電池および電池を解体して、集電箔の焼切れ(破断)の有無を確認した。
<Confirmation of metal layer burnout (breakage)>
For each of the assembled batteries of Examples 6 to 13 and Comparative Examples 2 and 3, after confirming whether charging / discharging was possible after the discharge of 100 C described above, these assembled batteries and batteries were disassembled, and the current collector foil was baked. The presence or absence of cutting (breaking) was confirmed.
その結果、すべての実施例において、全ての集電体の短絡部位の周辺が焼切れて導通破断部が形成されていることが確認できた。一方、比較例2および3の組電池では、アルミニウム箔の短絡部位の周辺が焼切れて、アルミニウム箔の短絡部位への電流の流れを遮断していたが、銅箔の短絡部位の周辺は、焼切れていなかった。 As a result, in all of the examples, it was confirmed that the periphery of the short-circuited portion of all the current collectors was burnt out and a conductive fracture portion was formed. On the other hand, in the assembled batteries of Comparative Examples 2 and 3, the periphery of the short-circuited portion of the aluminum foil was burned out, and the current flow to the short-circuited portion of the aluminum foil was interrupted. It was not burned out.
1 集電体(集電箔)、
10、10a、10b リチウムイオン電池、
11 正極集電体、
12 正極活物質層、
13 電解質層、
14 負極集電体、
14a 最外層負極集電体、
14b 金属層、
14c 補強層、
15 負極活物質層、
16 単電池層、
17、57 発電要素、
18、58 正極タブ、
19、59 負極タブ、
20 正極端子リード、
21 負極端子リード、
22、52 電池外装材(ラミネートフィルム)、
25 電池間の連結端子、
27 導通破断部(空間部)、
30 導電性部材、
40 組電池、
50 リチウムイオン電池、
250 小型の組電池、
300 組電池、
310 接続治具、
400 電気自動車、
D 集電体の厚さ、
E 電池電圧、
I 短絡電流、
Rb 電極抵抗、
Rn 短絡部位の抵抗。
1 current collector (current collector foil),
10, 10a, 10b lithium ion battery,
11 positive electrode current collector,
12 positive electrode active material layer,
13 electrolyte layer,
14 negative electrode current collector,
14a outermost layer negative electrode current collector,
14b metal layer,
14c reinforcing layer,
15 negative electrode active material layer,
16 cell layer,
17, 57 Power generation element,
18, 58 positive electrode tab,
19, 59 negative electrode tab,
20 positive terminal lead,
21 negative terminal lead,
22, 52 Battery exterior material (laminate film),
25 Connection terminal between batteries,
27 conduction breaking part (space part),
30 conductive member,
40 battery packs,
50 lithium ion battery,
250 small battery pack,
300 battery packs,
310 connection jig,
400 electric car,
D thickness of current collector,
E battery voltage,
I short circuit current,
Rb electrode resistance,
Rn Resistance of the short circuit part.
Claims (16)
第2集電体に正極活物質層または負極活物質層の他方が形成されてなる第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に位置する電解質層と、
を有する単電池層を含む発電要素と、
前記発電要素を封入する外装材と、
を有する積層型電池が、複数電気的に接続されてなる組電池であって、
少なくとも2つの電池が電気的に直列に接続され、
直列に接続された2つの電池に外部から直径3mmの導電体が貫通した場合に、
前記2つの電池のそれぞれの内部において、前記第1集電体、前記導電体および前記第2集電体から形成される第1短絡回路を流れる短絡電流によって当該電池の前記第1集電体の短絡部位が融解して第1導通破断部が形成され、
前記2つの電池の2つの第2集電体および前記導電体から形成される第2短絡回路を流れる短絡電流によって前記2つの電池の少なくとも一方の前記第2集電体の短絡部位が融解して第2導通破断部が形成されるように、前記第1集電体および前記第2集電体の厚さおよび材料が選択されてなる、組電池。 A first electrode in which one of a positive electrode active material layer or a negative electrode active material layer is formed on a first current collector;
A second electrode in which the other of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is formed on the second current collector;
An electrolyte layer positioned between the first electrode and the second electrode;
A power generation element comprising a cell layer having
An exterior material enclosing the power generation element;
Is a battery pack in which a plurality of stacked batteries are electrically connected,
At least two batteries are electrically connected in series;
When a conductor with a diameter of 3 mm penetrates two batteries connected in series from the outside,
In each of the two batteries, a short-circuit current flowing in a first short circuit formed from the first current collector, the conductor, and the second current collector causes the first current collector of the battery to The short-circuited portion is melted to form the first conduction break portion,
Melts the two two shorted portions of the second current collector and at least one of the second current collector of said two battery by short-circuit current flowing through the second short circuit formed from the conductor of the battery An assembled battery in which thicknesses and materials of the first current collector and the second current collector are selected so that a second conduction break portion is formed.
前記第1集電体がアルミニウムから構成され、前記第1集電体の厚さが1〜26μmであり、 The first current collector is made of aluminum, and the thickness of the first current collector is 1 to 26 μm;
前記第2集電体が、集電体の剛性を補強するための補強層と、前記補強層の両表面に形成されてなる銅から構成される導電性層とからなり、前記導電性層の合計厚さが0.1〜6μmである、請求項1に記載の組電池。 The second current collector comprises a reinforcing layer for reinforcing the rigidity of the current collector, and a conductive layer made of copper formed on both surfaces of the reinforcing layer. The assembled battery according to claim 1, wherein the total thickness is 0.1 to 6 μm.
前記第1集電体がアルミニウムから構成され、前記第2集電体が銅から構成され、
前記第1集電体の厚さが1〜26μmであり、前記第2集電体の厚さが1〜9μmである、請求項1に記載の組電池。 The stacked battery is a lithium ion secondary battery,
The first current collector is composed of aluminum, the second current collector is composed of copper,
The assembled battery according to claim 1 , wherein the thickness of the first current collector is 1 to 26 µm, and the thickness of the second current collector is 1 to 9 µm.
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