JP2004111300A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電要素１の正極１ａで発生した熱を効率良くアルミニウム合金製の蓋板４と電池容器９に伝えて外部に放出することができる非水電解質二次電池を提供する。
【解決手段】正極１ａと負極１ｂがセパレータ１ｃを介して巻回された発電要素１をアルミニウム合金製の電池容器９に収納し、この電池容器９の上端開口部を蓋板４で塞いだ非水電解質二次電池において、発電要素１に巻回された正極１ａがこの正極１ａの巻回の内外周における複数箇所で集電接続板２の接続板部２ｂに接続固定されると共に、この集電接続板２の本体２ａが蓋板４の内面に密着して端子５のかしめによりこの蓋板４に接続固定されたことを特徴とする。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極と負極がセパレータを介して巻回された発電要素を金属製の電池ケースに収納した非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非水電解質二次電池は、これまで一般には正極活物質のリチウム含有複合酸化物としてリチウム・コバルト系複合酸化物やリチウム・マンガン系複合酸化物を用いることが多かった。しかしながら、最近では、さらなる高エネルギー密度化を図るために、リチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物の利用が検討されている。これらのリチウム含有複合酸化物の単位重量当たりのエネルギー（エネルギー密度）を比較すると、リチウム・マンガン系複合酸化物のエネルギー密度が最も小さく、次にリチウム・コバルト系複合酸化物のエネルギー密度がこれよりも少し大きくなり、リチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物のエネルギー密度はこれらよりも十分に大きなものとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このリチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物は、リチウム・コバルト系複合酸化物やリチウム・マンガン系複合酸化物に比べ、熱安定性に劣るという欠点があった。即ち、リチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物は、これらのリチウム含有複合酸化物の中で発熱開始温度が最も低く発熱量も最も大きくなるので、正極活物質として用いた場合に、非水電解質二次電池の短絡時や過充電時等に熱逸走を起こし易くなる。このため、リチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物の材料自体の熱安定性を向上させるような改良を加える他に、発電要素内の正極での発熱を電池外部に効率良く放出する構造を用いることにより、熱逸走の発生を防止する必要があるという問題があった。
【０００４】
また、この放熱を効率よく行いたいという要請は、高エネルギー密度化のために正極活物質にリチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物を用いた場合に限らず、他の非水電解質二次電池にも共通するものであり、放熱が必要なのは正極に限らない。
【０００５】
本発明は、かかる事情に対処するためになされたものであり、発電要素の電極で発生した熱を効率良く金属製の電池ケースに伝えて外部に放出することができる非水電解質二次電池を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、正極と負極がセパレータを介して巻回された発電要素を金属製の電池ケースに収納した非水電解質二次電池において、発電要素の最外周に巻回された正負いずれかの電極が電池ケースの内面に直接接触すると共に、この接触部の一部又は全部が電池ケースの内面に溶接により接続固定されたことを特徴とする。
【０００７】
請求項１の発明によれば、発電要素の最外周の電極が電池ケースに接触し、かつ、接続固定されているので、この電極で発生した熱が直接金属製の電池ケースに伝わり広い面積から外部に効率よく放出されるようになる。従って、電池ケースが積極的にヒートシンクとしての役割を果たし、電極の発熱により電池が異常な高温になるのを防止することができるようになる。また、電池の使用に伴う内圧の上昇により電池ケースが膨れたような場合に、発電要素の最外周の電極が単に電池ケースの内面に接触していただけでは、この電極が電池ケースの内面から離れるおそれがある。しかしながら、請求項１の発明によれば、発電要素の最外周の電極が電池ケースの内面に接触するだけでなく溶接により確実に接続固定されているので、この電池ケースが膨れた場合にも電極が離れるようなことがなくなり、この電極で発生した熱を電池ケースから確実に放熱することができるようになる。
【０００８】
なお、金属製の電池ケースは、内面に接続固定される電極の極性の端子として機能するため、この電極と端子との間を接続する集電接続体は必ずしも使用する必要はない。しかしながら、大型の非水電解質二次電池の場合には、電極の最外周からだけの集電では内部抵抗が大きくなりすぎるので、集電接続体を使用して電極の巻回の内周側からも集電を行うようにすることが好ましい。
【０００９】
請求項２の発明は、正極と負極がセパレータを介して巻回された発電要素を金属製の電池ケースに収納した非水電解質二次電池において、発電要素に巻回された正負いずれかの電極がこの電極の巻回の内外周における複数箇所で集電接続体に接続固定されると共に、この集電接続体が電池ケースの内面に接続固定され、又は、この電池ケースに接続固定された端子に接続固定されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明によれば、発電要素の電極の内外周の複数箇所が集電接続体や端子を介して電池ケースに接続固定されているので、この電極で発生した熱が効率よく金属製の電池ケースに伝わり広い面積から外部に放出されるようになる。従って、電池ケースが積極的にヒートシンクとしての役割を果たし、電極の発熱により電池が異常な高温になるのを防止することができるようになる。
【００１１】
この請求項２の発明では、巻回の内外周の複数箇所で集電接続体に接続固定された電極を発電要素の最外周に巻回すると共に、この最外周の電極を電池ケースの内面に直接接触するように収納することもできる。このようにすれば、発電要素の電極が集電接続体や端子を介して電池ケースに接続固定されるだけでなく、最外周に巻回された電極が電池ケースに直接接触するので、この電極で発生した熱が直接金属製の電池ケースに伝わるようになり、放熱効率をさらに高めることができるようになる。しかも、この最外周の電極は、少なくとも一部が電池ケースの内面に溶接により接続固定することが好ましい。このようにすれば、発電要素の最外周に巻回された電極が電池ケースに接触するだけでなく、この電池ケースに接続固定されるので、放熱効率をより一層高めることができるようになる。また、電池の使用に伴う内圧の上昇により電池ケースが膨れたような場合に、発電要素の最外周の電極が単に電池ケースの内面に接触していただけでは、この電極が電池ケースの内面から離れるおそれがある。しかしながら、発電要素の最外周の電極が電池ケースの内面に接続固定されていれば、この電池ケースが膨れたような場合にも、電極が離れるようなことがなくなり、この電極で発生した熱を電池ケースから確実に放熱することができるようになる。
【００１２】
上記請求項１又は２では、従来技術で示したように、特に熱安定性が劣るリチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物を正極活物質として用いた正極を電池ケースに直接接続固定したり、集電接続体や端子を介して電池ケースに接続固定することが好ましい。また、このような正極活物質を用いる場合には、負極の負極活物質には炭素材料を用いるのが好ましい。
【００１３】
なお、上記請求項１又は２において、電極が金属箔等の集電基材の表面に活物質を担持させたものである場合には、熱伝導性をより向上させるために、この活物質が担持されていない集電基材の表面部分を電池ケースの内面に接触させると共に接続固定するのが好ましく、また、このような集電基材が露出した部分を集電接続体に接続固定することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１〜図２は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は非水電解質二次電池の構造を示す組み立て斜視図、図２は非水電解質二次電池の発電要素の電極と集電接続板と端子との接続構造を示す組み立て斜視図である。
【００１６】
本実施形態は、ＥＶ（電気自動車）等に用いられる大型の非水電解質二次電池について説明する。この非水電解質二次電池は、図２に示すように、２個の長円筒形巻回型の発電要素１，１を並べ並列接続したものである。各発電要素１は、正極１ａと負極１ｂをセパレータ１ｃを介して長円筒形に巻回したものであり、正極１ａは帯状のアルミニウム箔の表面に正極活物質を担持させ、負極１ｂは帯状の銅箔の表面に負極活物質を担持させたものである。
【００１７】
上記正極１ａの正極活物質には、高エネルギー密度化を図るために、リチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物が用いられている。ただし、このリチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物を用いた正極活物質は、一般にリチウム・コバルト系複合酸化物等を用いたものに比べ熱安定性が劣るため、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ホウ素（Ｍｏ）又はニオブ（Ｎｂ）の元素を添加することにより、この熱安定性の向上を図るようにしている。実際に、これらの元素を添加したリチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物を走査型示差熱分析（ＤＳＣ）で検査すると、発熱開始時期を高温側に推移させると共に発熱量を抑制できることが確認できる。しかも、添加する元素の量が多いほど、この熱安定性は向上するが、逆に本来の目的であるエネルギー密度は低下するので、これらを比較考量の上で、所定の範囲内の添加量に定める必要がある。即ち、本実施形態では、リチウム（Ｌｉ）・ニッケル（Ｎｉ）・コバルト（Ｃｏ）系複合酸化物の一般式を
Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭ_ｄＯ_２
とした場合に、元素ＭをＭｇ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｂ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種の元素とし、これらの組成を、
０≦ａ≦１．１
Ｏ．７≦ｂ≦０．９
０．１≦ｃ≦０．３
０．０３≦ｄ≦０．１（元素Ｍの添加量）
（ただし、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）
の範囲内とした。
【００１８】
上記負極１ｂの負極活物質には、炭素材料が用いられる。これらの正極１ａと負極１ｂは、それぞれ帯状の側端部に活物質を塗布しない未塗工部を設けておき、この未塗工部でアルミニウム箔や銅箔が露出するようにする。そして、これらの正極１ａと負極１ｂを巻回する際に、活物質の未塗工部が巻回軸方向の互いに反対方向になるようにすると共に、これら両側端部の活物質の未塗工部がより外側に配置されるようにずらして巻回することにより、長円筒形の一方（図示右下）の端面には正極１ａの側端部のアルミニウム箔のみがはみ出し、他方（図示左上）の端面には負極１ｂの側端部の銅箔のみがはみ出すようにしている。また、本実施形態では、発電要素１の最外周にセパレータ１ｃを巻回しているので、これらのアルミニウム箔や銅箔は、このセパレータ１ｃの両側端部からはみ出すことになる。
【００１９】
上記２個の発電要素１，１は、長円筒形の平坦な側面同士が直立して重なり合うように横置きに並べられる。そして、これら２個の発電要素１，１の両端部にそれぞれ集電接続板２，２が配置されている。集電接続板２，２は、発電要素１の一方の端部に配置する正極側のものはアルミニウム合金板からなり、他方の端部に配置する負極側のものは銅合金板からなる。各集電接続板２は、ほぼ台形状の水平に配置された本体２ａと、この本体２ａの台形状の底辺部から下方に向けて櫛歯状に突設された４本の細長い接続板部２ｂとからなる。そして、各発電要素１は、一方の端面から長円筒形にはみ出す正極１ａのアルミニウム箔の直線部を巻回軸を中心にして左右に二等分すると共に、これら分割されたアルミニウム箔の重なり合ったものをそれぞれ接続板部２ｂに沿わせて両側を挟持板３で挟み、この挟持板３の両側から超音波溶接を行うことにより、これら正極１ａのアルミニウム箔を接続板部２ｂに接続固定する。従って、各発電要素１に巻回された正極１ａは、一方の端面からはみ出したアルミニウム箔が長円筒形の双方の直線部で半周ごとに集電接続板２の接続板部２ｂに接続固定されることになる。また、各発電要素１の他方の端面から長円筒形にはみ出す負極１ｂの銅箔も、同様にして挟持板３に挟持されて接続板部２ｂに超音波溶接により接続固定される。従って、各発電要素１に巻回された負極１ｂも、他方の端面からはみ出した銅箔が長円筒形の双方の直線部で半周ごとに集電接続板２の接続板部２ｂに接続固定されることになる。
【００２０】
上記２個の発電要素１，１の両端部に配置された集電接続板２，２は、図１に示すように、本体２ａ，２ａに蓋板４を介して正極端子５と負極端子６が接続固定されている。蓋板４は、矩形のアルミニウム合金板であり、一方の端部の下面に正極側の集電接続板２の本体２ａが密着した状態で、正極端子５の下端部がこれら蓋板４と本体２ａを上方より貫通し下方からかしめられることにより接続固定される。従って、発電要素１，１の正極１ａ，１ａは、一方の集電接続板２を介して正極端子５に接続固定されると共に、蓋板４にも接続固定されることになる。また、この蓋板４の他方の端部には、負極端子６がセラミックリング７を介して封止貫通して絶縁固定されると共に、下面に絶縁板８を介して集電接続板２の本体２ａが配置される。そして、この蓋板４の下方に突出する負極端子６の下端部が、これら絶縁板８と本体２ａを貫通して下方からかしめられることにより接続固定される。従って、発電要素１，１の負極１ｂ，１ｂは、他方の集電接続板２を介して負極端子６に接続固定されるが、蓋板４との間はセラミックリング７と絶縁板８とによって絶縁されることになる。なお、これら正負極の端子５，６の下端部を蓋板４を介して集電接続板２，２の本体２ａ，２ａにかしめる作業は、これらの集電接続板２，２の接続板部２ｂに発電要素１，１の正極１ａと負極１ｂの金属箔を接続固定する工程の前に行われる。
【００２１】
上記のようにして集電接続板２，２や端子５，６により蓋板４の下方に取り付けられた発電要素１，１は、アルミニウム合金材からなる筐体状の電池容器９に収納される。また、この電池容器９の上端開口部に蓋板４を嵌め込んで周囲を溶接により封着することにより、発電要素１，１を収納する電池ケースが構成される。そして、この電池ケース内に電解液が充填されて図示しない注液口が封口されることにより非水電解質二次電池となる。この際、電池ケースを構成するアルミニウム合金製の電池容器９と蓋板４は、正極端子５と同電位となる。
【００２２】
上記構成によれば、２個の発電要素１，１の正極１ａ，１ａが巻回の半周ごとに一方の端面側にはみ出したアルミニウム箔によって集電接続板２の接続板部２ｂに接続固定されるので、これらの正極１ａ，１ａで発生した熱を巻回の内外周から効率よくアルミニウム合金板からなる集電接続板２に伝えることができるようになる。しかも、この正極側の集電接続板２は、本体２ａがアルミニウム合金製の蓋板４の下面に密着すると共に、正極端子５にかしめられて接続固定されるので、正極１ａの熱がこの集電接続板２を介して効率よく蓋板４から電池容器９に伝わり、これら電池ケースを構成する蓋板４と電池容器９を通じて外部に放熱させることができるようになる。従って、正極１ａの正極活物質に熱安定性の劣るリチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物を用いた本実施形態の非水電解質二次電池の場合にも、この正極１ａで発生した熱を効率よく電池ケースに伝え外部に放熱することができるので、この電池ケースをヒートシンクとして有効に利用することにより、短絡時や過充電時に熱逸走を起こすのを抑制して電池の異常な温度上昇を防止することができるようになる。
【００２３】
従来の大型の非水電解質二次電池でも、発電要素１の正極１ａの内外周に集電接続板２を接続固定して集電を行うものはあった。しかしながら、このような大型電池は、電池ケースが端子電位を持つと、蓄積エネルギーが大きいために取り扱いに注意が必要となるので、本実施形態の負極側の場合と同様に、正極側の集電接続板２や正極端子５を蓋板４とは絶縁して、この電池ケースが端子電位を持つことがないようにしていた。従って、従来の大型の非水電解質二次電池は、正極１ａで発生した熱が集電接続板２を介して正極端子５にしか効率よく伝導せず、表面積の大きい電池ケースをヒートシンクとして利用することができなかった。また、従来の小型の非水電解質二次電池には、発電要素１の正極１ａのアルミニウム箔を電池ケースの内面に接触させたり、このアルミニウム箔を接続固定した集電接続板２を電池ケースの内面に接続固定したものはあった。しかしながら、このような小型電池は、正極１ａの巻回の最外周の部分だけが電池ケースの内面に接触したり集電接続板２を介して接続固定されるので、正極１ａの巻回の内周部分で発生した熱を効率よく電池ケースに伝えることはできなかった。これに対して、本実施形態の非水電解質二次電池は、発電要素１の正極１ａの内外周から集電接続板２や正極端子５を介して電池ケースに熱を効率よく伝えることができるので、この電池ケースをヒートシンクとして有効に活用することができるようになる。従って、正極１ａの内周部分で発生した熱を効率よく放熱させる必要のある大型電池の場合に特に有効なものとなる。また、このような大型電池の場合には、蓄積エネルギーが大きくなるので、電池ケースが正極１ａの電位を持つと取り扱いに注意が必要となるが、熱を十分に通す絶縁性の樹脂シートでこの電池ケースを覆ったり、組電池にして周囲を樹脂製の枠体で囲むようにすることにより、この取り扱い上の不便を容易に解消することができる。
【００２４】
なお、上記実施形態では、各発電要素１の最外周にはセパレータ１ｃが巻回されている場合を示したが、この最外周に正極１ａを巻回しておき、これらの発電要素１を絶縁材を介することなく直接電池容器９に収納することもできる。この場合、正極１ａの最外周面がアルミニウム合金製の電池容器９の内面に直接接触するので、この正極１ａで発生した熱を、側端部に接続固定された集電接続板２を介することなく、直接電池ケースに効率よく伝えることができるようになる。この際、正極１ａは、最外周面にアルミニウム箔が露出するようにして巻回することにより、正極活物質を介することなく、熱をさらに効率よく電池容器９に伝えるようにすることが好ましい。しかも、非水電解質二次電池の正極１ａの正極活物質は、負極１ｂの負極活物質と対向していないと、充放電の繰り返しにより電析が発生するおそれがあるので、そのためにも正極１ａの最外周面には正極活物質を塗布しないことが好ましい。また、このように発電要素１の最外周に正極１ａを巻回した場合、この正極１ａの外周端部を電池容器９の内面に溶接によって接続固定するようにしてもよい。非水電解質二次電池は、使用に伴ってガスの発生等により内圧が高まって電池容器９が膨らむことがあるので、最外周の正極１ａが電池容器９の内面に接触しているだけの場合には、この接触が離れて熱をほとんど伝えることができないようになるおそれがあるが、このように電池容器９の内面に溶接によって接続固定されていれば、確実に正極１ａの熱を伝えることができるようになる。
【００２５】
また、上記実施形態では、集電接続板２の本体２ａが正極端子５と蓋板４にかしめによって接続固定される場合を示したが、溶接等の他の方法によって接続固定することもできる。さらに、正極端子５と蓋板４は、同時に集電接続板２に接続固定される必要はなく、集電接続板２を接続固定した正極端子５が他の部位で蓋板４に接続固定されるようになっていてもよい。さらに、蓋板４や電池容器９は、そのまま正極の端子となり得るので、正極端子５を省いて、集電接続板２を直接蓋板４や電池容器９に接続固定することもできる。この場合、蓋板４の上面に、内部には貫通しない正極端子５を接続固定するようにしてもよい。さらに、電池ケースの構成は任意であり、電池容器９の上端開口部を蓋板４で塞いだ構成には限定されない。また、上記実施形態では、ヒートシンクとして用いる電池ケースの熱伝導性を高めるために、蓋板４と電池容器９とをアルミニウム合金製としたが、ステンレス鋼等の他の金属製の電池ケースを用いることもできる。さらに、上記実施形態では、本体２ａの端部から４本の接続板部２ｂを櫛歯状に突設した集電接続板２を示したが、必ずしも板状である必要はなく、発電要素１の正極１ａや負極１ｂと端子５，６との間を接続するものであれば、どのような構成の集電接続体を用いてもよい。
【００２６】
また、上記実施形態では、発電要素１の正極１ａに集電接続体を介して電池ケースや正極端子５が接続固定される場合を示したが、このような集電接続体を用いる代わりに、発電要素１の最外周に巻回された正極１ａを電池ケースの内面に直接接触させると共に、この接触部の一部又は全部を電池ケースの内面に溶接により接続固定するようにしてもよい（請求項１）。この場合、発電要素１の内周部分で発生した熱を効率よく放出することにはならないが、上記のように、発電要素１の最外周から効率よく放熱すると共に、従来の小型の非水電解質二次電池とは異なり、電池の使用に伴って電池ケースが膨らんだ場合にも、この正極１ａと電池ケースの接続は維持されるので、放熱を確実に行うことができるようになる。
【００２７】
また、上記実施形態では、リチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物を正極１ａの正極活物質として用いた非水電解質二次電池について示したが、他の正極活物質を用いた非水電解質二次電池にも同様に実施可能である。高エネルギー密度化を図るために熱安定性に劣るリチウム・ニッケル・コバルト系複合酸化物を用いた場合、正極１ａの熱逸走を確実に防止する必要があるが、これよりも熱安定性の高いリチウム・コバルト系複合酸化物等を用いた場合にも、放熱効率が悪ければ正極１ａが熱逸走を起こすおそれはあるので、本発明により電池ケースをヒートシンクとして有効に利用することができる。さらに、負極１ｂにおいても発熱は生じ得るので、上記正極１ａを負極１ｂに代えた構成とすることもできる。
【００２８】
また、上記実施形態では、長円筒形に巻回された発電要素１を用いる場合を示したが、巻回の形状は任意であり、円筒形等であってもよい。さらに、２個の発電要素１，１を並列接続した非水電解質二次電池を示したが、この発電要素１の個数も任意である。さらに、上記実施形態では、大型の非水電解質二次電池について示したが、本発明は必ずしも大型の電池に限らず、電池の種類も非水電解質二次電池に限らない。即ち、本発明は、巻回型の発電要素１の電極からの放熱が必要となる全ての電池に実施可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の非水電解質二次電池によれば、発電要素の最外周に巻回された電極から電池ケースに熱が直接伝わるので、この電極から電池ケース外部への放熱効率を向上させて、この電池の異常な温度上昇を防止することができるようになる。また、本発明の非水電解質二次電池によれば、発電要素の内外周の複数箇所から集電接続体や端子を介して電池ケースに熱が効率よく伝わるので、この電極から電池ケース外部への放熱効率を向上させて、この電池の異常な温度上昇を防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を示す組み立て斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の発電要素の電極と集電接続板と端子との接続構造を示す組み立て斜視図である。
【符号の説明】
１　　発電要素
１ａ　正極
１ｂ　負極
１ｃ　セパレータ
２　　集電接続板
４　　蓋板
５　　正極端子
６　　負極端子
９　　電池容器

Claims (2)

1. 正極と負極がセパレータを介して巻回された発電要素を金属製の電池ケースに収納した非水電解質二次電池において、
   発電要素の最外周に巻回された正負いずれかの電極が電池ケースの内面に直接接触すると共に、この接触部の一部又は全部が電池ケースの内面に溶接により接続固定されたことを特徴とする非水電解質二次電池。
2. 正極と負極がセパレータを介して巻回された発電要素を金属製の電池ケースに収納した非水電解質二次電池において、
   発電要素に巻回された正負いずれかの電極がこの電極の巻回の内外周における複数箇所で集電接続体に接続固定されると共に、この集電接続体が電池ケースの内面に接続固定され、又は、この電池ケースに接続固定された端子に接続固定されたことを特徴とする非水電解質二次電池。

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