JP2010097729A - 二次電池用電極、二次電池およびこれを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】通常使用時の特性を犠牲にせず、内部短絡による局所的かつ継続的な電流集中および温度上昇を防止する、二次電池用電極、二次電池およびこれを搭載した車両を提供する。
【解決手段】複数に分割された集電体３００と分割された集電体上にそれぞれ形成された活物質層３４０とを含む複数の電極要素３２０と、電極要素の集電体を連結する導電要素３３０と、を有する。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は二次電池用電極、これを有する二次電池、および該二次電池を搭載した車両に関する。

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（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）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。

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、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。

リチウムイオン二次電池は、一般的には、バインダーを用いて正極活物質層などを正極集電体の両面に塗布した正極、リチウムイオンの移動を許容する電解質層、および負極活物質層などを負極集電体の両面に塗布した負極、を積層した積層体を有してなる。

ところが、リチウムイオン二次電池は、電池への外力による圧縮によって内部短絡が発生すると、短絡電流による局所的な温度上昇が発生する可能性がある。

このような内部短絡による局所的な温度上昇を緩和する技術としては、次のようなものが提案されている。すなわち、貫通孔を格子状に配列形成した集電体を用いることにより、短絡部に向かう電流経路の電気抵抗値を大きくし、短絡部へ集中する電流を小さくすることにより短絡部における局所的な温度上昇を緩和するリチウム二次電池が提案されている（特許文献１）。
特許第３６９６７９０号明細書

しかし、大出力、大容量の要求される自動車用などの二次電池用電極においては、貫通孔を格子状に配列形成した集電体を用いることで、短絡部に向かう電流経路の電気抵抗値を大きくすると、二次電池の通常使用時の特性劣化が生じうる。一方、通常使用時の特性を優先すれば局所的な温度上昇を十分抑制することができないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、通常使用時の特性を犠牲にせず、局所的な温度上昇を防止する、二次電池用電極、二次電池およびこれを搭載した車両を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る二次電池用電極は、複数に分割された集電体と分割された集電体上にそれぞれ形成された活物質層とを含む複数の電極要素と、少なくとも２つ以上の電極要素の集電体を連結する導電要素と、を有することを特徴とする。

本発明に係る二次電池用電極は、通常使用時の特性を犠牲にせず、電極要素を連結する導電要素に短絡電流を経由させることで導電要素を溶断し、短絡が発生した電極要素から他の電極要素を遮断することにより、通常使用時の特性を犠牲にせずに内部短絡による局所的かつ継続的な電流集中を抑制することで、局所的な温度上昇を防止する。

以下に、本発明の実施形態に係る二次電池用電極、二次電池およびこれを搭載した車両について詳細に説明する。

図１は、第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外観図である。図２Ａおよび図２Ｂは、図１に示すリチウムイオン二次電池であって、集電体の構造がそれぞれ異なる２つのリチウムイオン二次電池の断面図を、それぞれ示した図（外装材を除く）である。

図１に示すように、リチウムイオン二次電池１００は、たとえば、長方形状の扁平な形状を有し、その両側部からそれぞれ電力を取り出すための正極タブ１１０Ａおよび負極タブ１１０Ｂが引き出される。電極要素１２０は、リチウムイオン二次電池１００の外装材（たとえば、ラミネートフィルム）１３０によって包まれ、その周囲は熱融着されており、正極タブ１１０Ａおよび負極タブ１１０Ｂを引き出した状態で密封される。

図２Ａに示すリチウムイオン二次電池は、正極集電体２１０および正極集電体２１０の両面に形成された正極活物質層２１１からなる正極と、負極集電体２２０および負極集電体２２０の両面に形成された負極活物質層２２１からなる負極と、を有する。発電要素は、正極および負極が電解質層２３０を介して複数積層されてなる。後述するように、正極集電体２１０および負極集電体２２０は、それぞれ導電性を有する材料により構成する。

図２Ｂに示すリチウムイオン二次電池もまた、図２Ａと同様に、正極集電体２１０および正極集電体２１０の両面に形成された正極活物質層２１１からなる正極と、負極集電体２２０および負極集電体２２０の両面に形成された負極活物質層２２１からなる負極と、を有する。発電要素は、正極および負極が電解質層２３０を介して複数積層されてなる。しかし、図２Ｂに示すリチウムイオン二次電池は、図２Ａに示すリチウムイオン二次電池と比較すると、正極集電体２１０および負極集電体２２０の構造が異なる。すなわち、図２Ｂに示すリチウムイオン二次電池の正極集電体２１０は、絶縁層２１０ａおよび絶縁層２１０ａの両表面に形成された導電層２１０ｂからなる三層構造を有する。また、負極集電体２２０は、絶縁層２２０ａおよび絶縁層２２０ａの両表面に形成された導電層２２０ｂからなる三層構造を有する。導電層２１０ｂと導電層２２０ｂは、後述するように、それぞれ導電性を有する材料により構成する。

図２Ｂに示すリチウムイオン二次電池の正極集電タブ部２４１Ａは、発電要素の複数の正極集電体２１０の端部を延長させたものであり、電気を取り出すための正極タブ２４０Ａと接続する。また、負極集電タブ部２４１Ｂは、発電要素の複数の負極集電体２２０の端部を延長させたものであり、電気を取り出すための負極タブ２４０Ｂと接続する。正極タブ２４０Ａと、負極集電タブ部２４１Ｂの負極集電体２２０とが接触して短絡することを防止するために、正極タブ２４０Ａと負極集電体２２０との間に絶縁層２５０を設ける。同様に、負極タブ２４０Ｂと、正極集電タブ部２４１Ａの正極集電体２１０とが接触して短絡することを防止するために、負極タブ２４０Ｂと正極集電体２１０との間に絶縁層２５０を設ける。絶縁層２５０は、たとえば、カプトンテープのような電気絶縁テープまたは絶縁紙からなる。

以下、発電要素を構成する正極集電体、正極活物質層、電解質層、負極活物質層および負極集電体について説明する。

[正極集電体]
正極集電体は導電性材料から構成され、正極集電体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。

あるいは、正極集電体２１０は、絶縁層２１０ａおよび絶縁層２１０ａの両表面に形成された導電層２１０ｂからなる。

絶縁層２１０ａは、高い絶縁性を有する樹脂材料であるポリイミドから形成される。なお、絶縁層２１０ａは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、フェノール樹脂、およびエポキシなどの熱硬化性樹脂、または、ゴム、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン、およびポリプロピレンなどの伸展性樹脂からなってもよい。また、絶縁層２１０ａは、上記材料からなる薄膜が２つ以上組み合わされた多層構造からなってもよい。

導電層２１０ｂには、アルミニウムが好適に用いられるが、これに限られず、ニッケル、銅、その他の金属を用いることもできる。

[正極活物質層]
正極活物質層２１１は、リチウムイオン二次電池の充放電反応の中心を担う正極活物質を含む層である。正極活物質としては、リチウム−遷移金属酸化物が好適に用いられる。また、正極活物質として、リチウム−遷移金属酸化物以外にも、リチウム−遷移金属リン酸化合物、または、リチウム−遷移金属酸化化合物を用いることもできる。

正極活物質層２１１は、正極活物質の他、結着剤（バインダー）、導電助剤などの添加物を含む。バインダーとしては、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を用いる。導電助剤は、活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物であって、好適には炭素繊維である。

[電解質層]
電解質層２３０は、電解質を含浸させたセパレータで構成されうる。セパレータを含浸させることのできる電解質としては、ＬｉＰＦ６，ＬｉＢＦ４などのリチウム塩がある。セパレータは、電解質を吸収保持するポリマーからなる多孔性シートを用いうる。

[負極活物質層]
負極活物質層２２１は、リチウムイオン二次電池の充放電反応の中心を担う負極活物質を含む層である。負極活物質としては、炭素材料が好適に用いられる。負極の充填効率や、導電性の確保のために、大きさの異なる炭素材料を用いることが望ましい。炭素材料としては、たとえば、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛系炭素材料、カーボンブラック、活性炭を用いうる。負極活物質は、炭素材料に限られず、たとえば、Ｓｉ系材料、Ｓｎ系材料を用いてもよい。

負極活物質層２２１は、負極活物質の他、バインダー、導電助剤などの添加物を含む。バインダーとしては、官能基を導入したフッ素系樹脂が用いられる。たとえば、バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデンを用いる。導電助剤としては、正極活物質層２１１と同様に、好適には炭素繊維が用いられる。

ここで、負極活物質層２２１に含まれる負極活物質、接着剤、および導電助剤に対する接着剤の重量比率は６％以下であることが望ましい。負極活物質層２２１内のバインダーを、負極集電体２２０の基材となる絶縁物（絶縁層２２０ａ）との接着性の良い樹脂を用いることで、バインダーの添加量を少なくしても結着性を保つことができる。したがって、負極集電体２２０を覆い、反応を阻害するバインダーを６％以下にすることで、負極の出力を向上させることができ、負極活物質の含有量を増やせることから、エネルギー密度も増加させることができる。

[負極集電体]
正極集電体は導電性材料から構成され、負極集電体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。

あるいは、負極集電体２２０は、絶縁層２２０ａおよび絶縁層２２０ａの両表面に形成される導電層２２０ｂからなる。

絶縁層２２０ａは、高い絶縁性を有する樹脂材料であるポリイミドから形成される。絶縁層２２０ａは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、フェノール樹脂、およびエポキシなどの熱硬化樹脂、または、ゴム、演歌ビニル樹脂、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン、および、ポリプロピレンといった伸展性樹脂からなることができる。あるいは、絶縁層２２０ａは、上記材料からなる薄膜が２つ以上組み合わされた多層構造でありうる。

導電層２２０ｂは、リチウムと合金化しない銅からなり、蒸着法などによって絶縁層２２０ａと一体的に形成される。導電層２２０ｂは、銅に限られず、たとえば、ニッケルといったリチウムと合金化しない金属を用いることもできる。

以下、本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電極として用いられる二次電池用電極について実施形態ごとに詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図３Ａ、図４、図５は、それぞれ、本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第１、第２、第３実施例を示す図である。これらの図の左図（ａ）にはこれらの実施例の集電体を示し、右図（ｂ）には該集電体に形成された電極要素および導電要素を含む二次電池用電極を示している。

図３Ａ〜図５に示すように、集電体３００に幅δの分割ギャップ３１０を形成することで集電体３００を分割し、略三角形（図３Ａ参照）、略四角形（図４参照）、略六角形（図５参照）の領域を形成する。このとき、図２Ｂに示すリチウムイオン二次電池のように、集電体３００が上記絶縁層２２０ａおよび絶縁層２２０ａの両表面に形成される導電層２２０ｂから構成される場合は、分割ギャップは、少なくとも導電層に形成されればよい。そして、該領域上に活物質を分割塗布して活物質層を形成することにより複数の電極要素３２０を形成する。ここで、分割ギャップを形成することにより、隣接する前記電極要素３２０の集電体３００間の距離はδとなる。これに伴い、活物質層３４０が形成されない部分には分割ギャップ３１０を除き複数の導電要素３３０が形成される。これにより、複数の電極要素の一部をなす集電体は、集電体からなる導電要素３３０により連結される。本実施形態に係る二次電池用電極の第１、第２、第３実施例においては、それぞれ略三角形、略四角形、略六角形の角部を中心に隣接する電極要素３２０の集電体３００は該角部において導電要素３３０により連結される。したがって、各電極要素３２０の集電体３００は、互いに電気的に接続される。

集電体への分割ギャップ３１０の形成は、たとえば、転造、プレス打ち抜き、レーザ加工により行うことができるが、これらに限定されない。また、集電体上への活物質の塗布は、たとえば、スクリーン印刷やインクジェット法により行うことができるが、これらに限定されない。

図３Ｂは、本実施形態に係る二次電池用電極の第１実施例の断面構造を示した図である。図３Ｂにおいては、集電体３００は、絶縁層３０１および絶縁層３０１の両表面に形成される導電層３０２から構成されるものを示しているが、本実施形態に係る二次電池用電極はこれに限定されない。すなわち、集電体３００は導電性材料のみから構成されてもよいことは勿論である。以下、第１実施例について説明する。なお、第２実施例および第３実施例については、電極要素の形状を除き第１実施例と同様であるため説明は省略する。

図３Ｂの左図（ａ）は電極要素３２０および導電要素３３０を含む二次電池用電極を示しており、ａ−ａ’における断面図を右図（ｂ）に示した。右図（ｂ）には、本実施例の二次電池用電極の構造を明確に示すために電解質層（セパレータ）３５０をも併せて示した。集電体３００は、導電層３０２および絶縁層３０１からなり、分割ギャップ３１０は、集電体３００の導電層３０２および絶縁層３０１が存在しない隙間を指す。ただし、分割ギャップ３１０は、前述したように、導電層３０２のみを除去することで絶縁層３０１のみから構成されてもよい。導電要素３３０は、集電体３１０の導電層３０２の一部であってその上に活物質層３４０が形成されない部分を指す。したがって、導電要素３３０の上には活物質が載っていないため、導電要素３３０は低熱容量となる。また、導電要素の幅ｗは電極要素の繰り返しピッチＰよりも小さいため、導電要素３３０の電気抵抗は電極要素の電気抵抗より大きくなる。

導電要素３３０の表面は、該表面に電解質などの熱容量の大きい物質が付着しないように、薄くコーティングすることが望ましい。コーティング３３１は、たとえば、フッ素系樹脂、ＰＥＴ、ＰＰ、ＰＡ、ＰＡＩ、ＰＩ、ＰＡＮ、ＰＥＮのいずれかにより形成しうる。

本実施形態に係る二次電池用電極によれば、二次電池の内部で短絡が発生した場合、その発生箇所を含む電極要素に向かって、周りの電極要素から、導電要素を経由して短絡電流が流れ込む。このとき、上述したように、導電要素は低熱容量であり、かつ、電極要素に比べて電気抵抗が大きいため、電極要素において局所的に温度が上昇し、短時間に導電要素の融点にまで達する。複数の導電要素の一つが溶断すると、他の導電要素を流れる電流が増加するため、発熱密度が増加し、次々に導電要素が溶断する。そして、最終的に、短絡発生箇所を含む電極要素が他の電極要素から電気的に遮断される。このような状態になると、短絡発生箇所を含む電極要素自身の放電が終了するとともに短絡電流は継続して流れなくなり、異常発熱が緩和される。この電流遮断効果は、大出力、大容量の二次電池ほど短絡箇所に集中する短絡電流が大きくなるため速やかに生じる。したがって、二次電池の大出力化、大容量化を達成するとともに、二次電池の内部短絡による異常発熱を緩和することができる。

図３Ａ〜図５には電極要素の繰り返しピッチＰ、導電要素３３０の幅ｗ、分割ギャップ３１０の幅δをそれぞれ示している。短絡電流により導電要素３３０が溶断されるためには、分割ギャップ３１０の幅δは大きいほど良く、導電要素３３０の幅ｗは小さいほど良い。それは、導電要素３３０の電気抵抗が大きい方が、導電要素において局所的に温度上昇させることが容易になるからである。

しかし、分割ギャップ３１０の幅δを大きくすると、活物質を塗布した電極要素の面積が小さくなるため、二次電池の電池容量が小さくなってしまう。また、分割ギャップ３１０の幅δを大きく、導電要素３３０の幅ｗを小さくすると、集電体の面内の電気抵抗が大きくなるため、二次電池の出力が小さくなってしまう。したがって、分割ギャップ３１０の幅δ、導電要素３３０の幅ｗ、および、電極要素の繰り返しピッチＰは、導電要素の溶断され易さの観点、二次電池の電池容量の観点、二次電池の出力の観点から、最適な組合せを選択する必要がある。以下、これらの観点から、分割ギャップ３１０の幅δ、導電要素３３０の幅ｗ、および、電極要素の繰り返しピッチＰに関する検討を行う。

図６は、本実施形態に係る二次電池用電極の第１〜第４実施例に関して、分割ギャップを形成したことによる、集電体の見かけの体積抵抗率r’を、集電体を構成する材料の体積抵抗率rを用いて計算した計算値を二次電池用電極の構造とともに示す図である。

ここで、第４実施例は第２実施例と同様に電極要素の集電体は略四角形の形状を有するが、電極要素と導電要素の相対位置を異ならせている。すなわち、第４実施例においては、略四角形の辺部で隣接する電極要素の集電体は該辺部において導電要素により連結される。これにより、各電極要素の集電体は、互いに電気的に接続されている。

図７は、電極要素の繰り返しピッチＰが０．０１[ｍ]のときの導電要素の幅ｗ[ｍ]と、集電体を構成する材料の体積抵抗率r[Ωｍ]に対する集電体の見かけの体積抵抗率r’[Ωｍ]の比r’／rと、の関係を示す図である。ここで、二次電池の容量は、分割ギャップの無い集電体を用いた二次電池の容量の０．９倍を維持するようにしている。

図８は、電極要素の繰り返しピッチＰが０．１[ｍ]のときの導電要素の幅ｗ[ｍ]とr’／rとの関係を示す図である。ここで、二次電池の容量は、分割ギャップの無い集電体を用いた二次電池の容量の０．９倍を維持するようにしている。

ここで、下記表１に示す活物質および集電体で、一辺０．０５[ｍ]〜１．０[ｍ]の大きさの一層の二次電池を作製したとする。この二次電池を４．０[Ｖ]に充電し、中心部付近の電極要素で短絡（短絡抵抗は０．００１[Ω]とする）が生じた場合の、導電要素に集中する短絡電流を、分布乗数回路解析の手法を用いて算出する。なお、このような二次電池は、たとえば、Ｍｎ系正極活物質とハードカーボン負極活物質を用いることによって容易に作製することができるが、これらの材料の組み合わせに限定されない。

図９は、本実施形態に係る二次電池用電極の第１実施例における、二次電池の大きさ（一辺）[ｍ]と１つの導電要素に集中する短絡電流[ｍＡ]との関係の計算結果を示す図である。ここで、r’／rの値は約４とし、電極要素の繰り返しピッチＰを０．００５[ｍ]〜０．３[ｍ]まで変化させて計算した。

図１０は、本実施形態に係る二次電池用電極の第２実施例における、二次電池の大きさ（一辺）[ｍ]と１つの導電要素に集中する短絡電流[ｍＡ]との関係の計算結果を示す図である。ここで、r’／rの値は約１．４とし、電極要素の繰り返しピッチＰを０．００５[ｍ]〜０．３[ｍ]まで変化させて計算した。

図１１は、本実施形態に係る二次電池用電極の第１実施例および第２実施例おける、二次電池の大きさ（一辺）[ｍ]と最大出力時電流[Ａ]との関係の計算結果を示す図である。ここで、最大出力時電流とは、電池の内部抵抗と同じ電気抵抗を、電池と直列に接続して閉回路としたときの閉回路に流れる電流を指す。r’／rの値は、第１実施例は約４で、第２実施例は約１．４とした。

図１２は、陽解法による過度熱解析によって、正極集電体の導電要素（Ａｌ：融点は約６６０[℃]）にどの程度の電流が流れると０．５[ｓ]以内に溶断が起るかを調べるための１／４モデルを示す図である。第１実施例においてr’／rの値を約４、第２実施例においてr’／rの値を約１．４とし、電極要素の繰り返しピッチＰ、導電要素の幅ｗ、分割ギャップの幅δの組み合わせを用いて計算すると、下記表２に示す溶断電流の値で、溶断時間に示す概ね０．５[ｓ]の時間で、正極集電体の導電要素（Ａｌ）の溶断が起ることが判った。

図１３は、本実施形態に係る二次電池用電極の第１実施例において、r’／rの値が約４のときの、電極要素の繰り返しピッチＰと１箇所の導電要素に流れる短絡電流との関係に、表２の結果（一点破線）を重ねて示した図である。ここで、二次電池の大きさ（一辺）[ｍ]を０．０５[ｍ]〜１．００[ｍ]まで変化させて計算した。

図１３において、一点破線で示した０．５[ｓ]で溶断する溶断電流よりも大きい短絡電流の得られる電極要素の繰り返しピッチＰおよび電池の大きさ（一辺）の組み合わせは、本実施形態の範囲に含まれる。

図１４は、本実施形態の第２実施例において、r’／rの値が約１．４のときの、電極要素の繰り返しピッチＰと１箇所の導電要素に流れる短絡電流との関係に、０．５[ｓ]で溶断する溶断電流の値（一点破線）を重ねて示した図である。ここで、二次電池の大きさ（一辺）[ｍ]を０．０５[ｍ]〜１．００[ｍ]まで変化させて計算した。

０．５[ｓ]で溶断する溶断電流よりも大きい短絡電流の得られる電極要素の繰り返しピッチＰおよび電池の大きさ（一辺）の組み合わせは、本実施形態の範囲に含まれる。

上記の検討結果を踏まえた、二次電池の容量および最大出力時電流が、分割ギャップの無い集電体を用いた電池の、それぞれ９０％以上および７５％以上で、内部短絡による短絡電流を約０．５[ｓ]で遮断できる好適な条件の例を以下の表３に示す。ここで、集電体と導電要素は、例えば、１０〜３０μｍの金属箔からなりうる。

以下に、本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の効果を示す。
・二次電池の通常使用時の特性を犠牲にせずに内部短絡による局所的かつ継続的な電流集中によるジュール熱の発生を抑制しすることで、局所的な温度上昇を防止することができる。
〔第２実施形態〕
図１５Ａ、図１５Ｂは本発明の第２実施形態に係る二次電池用電極を示す図である。図１５Ａの左図（ａ）には本実施形態の集電体を示し、右図（ｂ）には該集電体に形成された電極要素１５２０および導電要素１５３０を含む二次電池用電極を示している。図１５Ｂは、本実施形態に係る二次電池用電極の断面構造を示す図である。本実施形態に係る二次電池用電極が前述した第１実施形態と異なる点は、集電体を分割する分割ギャップに活物質層が存在するという点である。以下、本実施形態に係る二次電池用電極について詳細に説明するが、第１実施形態と重複する説明は省略する。

図１５Ａに示すように、集電体１５００に幅δの分割ギャップ１５１０を形成することにより集電体１５００を分割し、略四角形の領域を形成する。ここで、該領域は略四角形に限定されず、略三角形、略六角形であってもよい。そして、該領域上および分割ギャップ１５１０上に活物質を塗布して活物質層を形成することにより複数の電極要素１５２０を形成する。これに伴い、活物質層が形成されない部分には、複数の導電要素１５３０が形成される。これにより、複数の電極要素１５２０の一部をなす集電体１５００は、集電体１５００の一部からなる導電要素１５３０により連結される。

図１５Ｂは、本実施形態に係る二次電池用電極の断面構造を示す図である。図１５Ｂにおいては、集電体１５００は、絶縁層１５０１および絶縁層１５０１の両表面に形成される導電層１５０２から構成されるものを示しているが、本実施形態に係る二次電池用電極はこれに限定されない。すなわち、集電体１５００は導電性材料のみから構成されてもよいことは勿論である。図１５Ｂの左図（ａ）には集電体上に形成された電極要素１５２０および導電要素１５３０を示しており、ａ−ａ’における断面図を右図（ｂ）に示した。右図（ｂ）には、構造を明確に示すために電解質層１５５０も併せて示した。集電体１５００は、導電層１５０２および絶縁層１５０１からなる。導電要素１５３０上には活物質層１５４０を形成しない。

分割ギャップ１５１０は、集電体１５００の導電層１５０２が除去された部分からなる。ただし、分割ギャップ１５１０は、集電体１５００の導電層１５０２および絶縁層１５０１の双方が除去された部分（隙間）からなってもよい。前述したように、分割ギャップ１５１０には活物質層１５４０を形成する。このような構造を有する本実施形態に係る二次電池用電極は、集電体１５００の両面に同種の活物質を塗布する場合に好適に用いうる。

本実施形態においては、分割ギャップ１５１０に活物質が存在するが、このような構造であっても、導電要素１５３０上には活物質が載っていないため、導電要素１５３０は低熱容量となる。また、導電要素の幅ｗは電極要素の繰り返しピッチＰよりも小さいため、導電要素３３０の電気抵抗は電極要素の電気抵抗より大きくなる。したがって、本実施形態は、第１実施形態と同様の、内部短絡発生時における電極要素の電気的遮断性能を有する。

本発明の第２実施形態に係る二次電池用電極は第１実施形態と同様の効果を奏する。
〔第３実施形態〕
図１６Ａ、図１６Ｂは本発明の第３実施形態に係る二次電池用電極を示す図である。図１６Ａの左図（ａ）には本実施形態の集電体を示し、右図（ｂ）には該集電体に形成された電極要素１６２０および導電要素１６３０を含む二次電池用電極を示している。図１６Ｂは、本実施形態に係る二次電池用電極の断面構造を示した図である。本実施形態に係る二次電池用電極が前述した第１実施形態と異なる点は、導電要素１６３０に、電極要素１６２０の集電体部分よりも低融点の材料を用いる点である。以下、本実施形態に係る二次電池用電極について詳細に説明するが、第１実施形態と重複する説明は省略する。

図１６Ａに示すように、集電体１６００に幅δの分割ギャップ１６１０を形成することで集電体１６００を分割し、略四角形の領域を形成する。ここで、該領域は略四角形に限定されず、略三角形、略六角形であってもよい。そして、略四角形の形状を有する電極要素１６２０の角部に相当する集電体１６００の部分に、電極要素１６２０の集電体部分より低融点の材料を用いて導電要素１６３０を形成する。集電体１６００の一部への低融点材料からなる導電要素１６３０の形成は、たとえば、メカニカルアロイング法により行うことができる。このように、導電要素１６３０を低融点材料により形成するのは、導電要素１６３０の良好な溶断性を得るためである。

また、導電要素１６３０のさらに良好な溶断性を得るためには、導電要素１６３０の電流密度を大きくして短絡電流による発熱量を増加させることが有効である。たとえば、導電要素１６３０の厚さを電極要素１６２０の集電体部分よりも薄くすることが有効である。ただし、導電要素１６３０の薄膜化は電池の内部抵抗を増大させうるため、導電要素１６３０の厚さは、電極要素１６２０の集電体部分の厚さの概ね７０％〜８０％とすることが望ましい。このようにすることで、r’／rの上昇を概ね１５％未満に抑えつつ導電要素の発熱量を２〜１．５倍にすることができる。

分割ギャップ１６１０により分割された集電体１６００上には活物質を分割塗布して活物質層を形成する。これにより複数の電極要素１６２０が形成されるとともに、複数の電極要素１６２０の一部をなす集電体は、集電体の一部として形成された低融点材料からなる導電要素１６３０により連結される。

図１６Ｂは、本実施形態に係る二次電池用電極の断面構造を示した図である。図１６Ｂにおいては、集電体１６００は、絶縁層１６０１および絶縁層１６０１の両表面に形成される導電層１６０２から構成されるものを示しているが、本実施形態に係る二次電池用電極はこれに限定されない。すなわち、集電体１６００は導電性材料のみから構成されてもよいことは勿論である。図１６Ｂの左図（ａ）は集電体上に形成された電極要素１６２０および導電要素１６３０を示しており、ａ−ａ’における断面図を右図（ｂ）に示した。右図（ｂ）には、構造を明確に示すために電解質層１６５０も併せて示した。集電体１６００は、導電層１６０２および絶縁層１６０１からなる。導電要素１６３０上には活物質層１６４０を形成しない。

本実施形態においては、第１実施形態と同様に導電要素１６３０上には活物質が載っていないため、導電要素１６３０は低熱容量となる。また、導電要素の幅ｗは電極要素の繰り返しピッチＰよりも小さいため、導電要素１６３０の電気抵抗は電極要素の電気抵抗より大きくなる。さらに、導電要素１６３０を低融点材料で形成し、導電要素１６３０を電極要素１６２０の集電体部分の厚さの概ね７０％〜８０％に薄膜化することで電気抵抗を増大させている。したがって、本実施形態によれば、内部短絡発生時における電極要素の電気的遮断性能を第１実施形態よりも、さらに向上させることができる。

本発明の第３実施形態に係る二次電池用電極は第１実施形態が有する効果に加え、以下の効果を奏する。
・二次電池の内部短絡発生時における電極要素の電気的遮断性能をさらに向上させることができる。
〔第４実施形態〕
図１７Ａ、図１７Ｂは本発明の第４実施形態に係る二次電池用電極を示す図である。図１７Ａの左図（ａ）には本実施形態の集電体を示し、右図（ｂ）には該集電体に形成された電極要素１７２０および導電要素１７３０を含む二次電池用電極を示している。図１７Ｂは、本実施形態に係る二次電池用電極の断面構造を示した図である。本実施形態に係る二次電池用電極が前述した第１実施形態と異なる点は、各電極要素１７２０を分割する分割ギャップ１７１０が緻密でリチウムイオンを透過しない樹脂材料１７１１で塞がれた構造を有する点である。また、第２実施形態と同様に、集電体を分割する分割ギャップに活物質層が存在してもよい。

本実施形態は、直列型の双極型二次電池の電極として好適に用いうる。図１７Ｂには、例として、直列型の双極型二次電池の電極に用いられる集電体１７００を示した。すなわち、集電体１７００は絶縁層を有さずに導電層のみから構成されている。以下、本実施形態に係る二次電池用電極について詳細に説明するが、第１実施形態と重複する説明は省略する。

図１７Ａに示すように、集電体１７００に幅δの分割ギャップ１７１０を形成することで集電体１７００を分割し、略四角形の領域を形成する。ここで、該領域は略四角形に限定されず、略三角形、略六角形であってもよい。

分割ギャップ１７１０により分割された集電体１７００上には活物質を分割塗布して活物質層を形成する。これにより複数の電極要素１７２０が形成されるとともに、複数の電極要素１７２０の一部をなす集電体は、分割ギャップ１７１０を除き活物質層が形成されない集電体の部分からなる導電要素１７３０により連結される。

図１７Ｂは、本実施形態に係る二次電池用電極の断面構造を示した図である。図１７Ｂにおいては、集電体１７００は、導電性材料の一層で構成されているが、本実施形態に係る二次電池用電極はこれに限定されない。すなわち、集電体１７００は、絶縁層および絶縁層の両表面に形成される導電層から構成されてもよいことは勿論である。図１７Ｂの左図（ａ）は集電体に形成された電極要素１７２０および導電要素１７３０を示しており、左図（ａ）のａ−ａ’における断面図を右図（ｂ）に示した。右図（ｂ）には、構造を明確に示すために電解質層１７５０も併せて示した。集電体１７００は、導電層１７０２および絶縁層１７０１からなる。導電要素１７３０上には活物質層１７４０を形成しない。

本実施形態においては、第１実施形態と同様に導電要素１７３０上に活物質が載っていないため、導電要素１７３０は低熱容量となる。また、導電要素の幅ｗは電極要素の繰り返しピッチＰよりも小さいため、導電要素１６３０の電気抵抗は電極要素の電気抵抗より大きくなる。したがって、本実施形態は、第１実施形態と同様の、内部短絡発生時における電極要素の電気的遮断性能を有する。

図１７Ｂに示すように、本実施形態は、分割ギャップ１７１０を、緻密でリチウムイオンを透過しない樹脂材料１７１１で塞いだ構造を有する。両面に異種の活物質を塗布した集電体１７００がセパレータを介して積層された構造を有する直列型の双極型二次電池においては、集電体１７００の表裏の活物質層は厳密に分離する必要がある。したがって、分割ギャップ１７１０を、緻密でリチウムイオンを透過しない樹脂材料１７１１で塞いだ構造を有する本実施形態は、直列型の双極型二次電池の電極として好適に用いうる。

樹脂材料１７１１としては、例えば、フッ素系樹脂、ＰＥＴ、ＰＰ、ＰＡ、ＰＡＩ、ＰＩ、ＰＡＮ、ＰＥＮを用いる。

本発明の第４実施形態に係る二次電池用電極は第１実施形態が有する効果に加え、以下の効果を奏する。
・集電体の両面に異種の活物質が塗布される構造を有する直列型の双極型二次電池の電極としても使用できる。

図１８は、本発明の実施形態に係る二次電池用電極を用いたリチウムイオン二次電池を搭載した電気自動車を示す図である。本発明に係る二次電池用電極を用いたリチウムイオン二次電池１８１０は、図１８に示すように、電気自動車１８００の車体中央部の座席下１８２０に搭載しうる。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とることができるメリットを有する。なお、本発明に係る二次電池を搭載する場所は、座席下に限られない。すなわち、本発明に係る二次電池は、後部トランクルームの下部や車両前方のエンジンルームにも搭載しうる。本発明に係る二次電池用電極を用いたリチウムイオン二次電池を電気自動車の電源として搭載することにより、電気自動車の信頼性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外観図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池の断面図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第１実施例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第１実施例の断面構造を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第２実施例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第３実施例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第１〜第４実施例に関する、r’の計算値を二次電池用電極の構造とともに示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極のＰが０．０１[ｍ]のときのｗ[ｍ]とr’／rとの関係を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極のＰが０．１[ｍ]のときのｗ[ｍ]とr’／rとの関係を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第１実施例における、二次電池の大きさと１つの導電要素に集中する短絡電流との関係の計算結果を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第２実施例における、二次電池の大きさと１つの導電要素に集中する短絡電流との関係の計算結果を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第１実施例および第２実施例おける、二次電池の大きさと最大出力時電流との関係の計算結果を示す図である。 正極集電体の導電要素にどの程度の電流が流れると０．５[ｓ]以内に溶断が起るかを調べるための１／４モデルを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第１実施例において、r’／rの値が約４のときの、電極要素の繰り返しピッチＰと１箇所の導電要素に流れる短絡電流との関係に、溶断電流の値を重ねて示した図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用電極の第２実施例において、r’／rの値が約１．４のときの、電極要素の繰り返しピッチＰと１箇所の導電要素に流れる短絡電流との関係に、溶断電流の値を重ねて示した図である。 本発明の第２実施形態に係る二次電池用電極を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る二次電池用電極の断面構造を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る二次電池用電極を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る二次電池用電極の断面構造を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る二次電池用電極を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る二次電池用電極の断面構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る二次電池用電極を用いたリチウムイオン二次電池を搭載した電気自動車を示す図である。

符号の説明

１００、１８１０ リチウムイオン二次電池（二次電池）、
１２０ 電極要素、
１３０ 外装材、
２１０ 正極集電体、
２１１ 正極活物質層、
２２０ 負極集電体、
２２１ 負極活物質層、
２３０、３５０、１５５０、１６５０、１７５０ 電解質層、
２５０ 絶縁層、
３００、１５００、１６００、１７００ 集電体、
３０１、１５０１、１６０１、１７０１ 絶縁層、
３０２、１５０２、１６０２、１７０２ 導電層、
３１０、１５１０、１６１０、１７１０ 分割ギャップ、
３２０、１５２０、１６２０、１７２０ 電極要素、
３３０、１５３０、１６３０、１７３０ 導電要素、
３３１ コーティング、
３４０、１５４０、１６４０、１７４０ 活物質層、
１８００ 電気自動車（車両）。

Claims (11)

1. 複数に分割された集電体と前記分割された集電体上にそれぞれ形成された活物質層とを含む複数の電極要素と、
   前記電極要素の前記集電体を連結する導電要素と、
   を有することを特徴とする二次電池用電極。
2. 前記導電要素上は前記集電体が露出しているか、前記活物質層より熱容量の小さいコーティング物質でコーティングされたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池用電極。
3. 前記電極要素の前記集電体は三角形状、四角形状、六角形状からなる群から選択されたいずれか１つの形状を有し、
   前記導電要素は、前記形状の角部を中心に隣接する前記電極要素の前記集電体を前記角部で連結するか、もしくは、前記形状の辺部で隣接する前記電極要素の前記集電体を前記辺部の一部で連結する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次電池用電極。
4. 一辺の長さが２００〜１０００ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池用電極であって、
   前記集電体と前記導電要素は厚さ１０〜３０μｍの金属箔からなり、前記電極要素の一辺の長さは５〜３００ｍｍであり、前記導電要素の幅は０．６〜３７ｍｍであり、隣接する前記電極要素の集電体間の距離が０．２〜１６ｍｍであることを特徴とする二次電池用電極。
5. 前記導電要素の厚さは、前記電極要素の前記集電体の厚さの７０〜８０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池用電極。
6. 前記導電要素は、前記電極要素の前記集電体よりも融点の低い金属からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池用電極。
7. 前記導電要素の表面は、フッ素系樹脂、ＰＥＴ、ＰＰ、ＰＡ、ＰＡＩ、ＰＩ、ＰＡＮ、ＰＥＮからなる群から選択された少なくとも１つでコーティングされたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池用電極。
8. 前記分割された集電体相互間の隙間からなる分割ギャップは、リチウムイオンを透過しない樹脂材料で塞がれたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池用電極。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の二次電池用電極を有する、一辺の長さが２００〜１０００ｍｍである二次電池であって、
   前記電極要素の前記集電体および前記導電要素は厚さ１０〜３０μｍの金属箔からなり、前記電極要素の前記集電体の一辺の長さは５〜３００ｍｍであり、前記導電要素が前記電極要素の前記集電体を連結する連結幅は０．６〜３７ｍｍであり、隣接する、前記電極要素の前記集電体の隣接間隔は０．２〜１６ｍｍであることを特徴とする二次電池。
10. 正極または負極の少なくともいずれか一方が請求項１〜８のいずれかの二次電池用電極であることを特徴とする二次電池。
11. 請求項９または請求項１０に記載の二次電池を搭載した車両。