JP7105081B2 - 組電池、及び、これに用いられる二次電池 - Google Patents

Description

本開示は、組電池、及び、これに用いられる二次電池に関する。

複数の二次電池を含む組電池が知られている。この組電池は、隣接する複数の二次電池を並列に接続することで出力電流を大きくすることができ、また並列接続された二次電池同士を直列に接続することで出力電力を大きくすることができる。このため、このような組電池は、大きな出力電力を必要とする用途（例えば、車両駆動用）に好適に採用されている。

このような組電池において、リチウムイオン二次電池などの高性能な二次電池を使用する場合、内部短絡すると極めて大きな電流が流れて二次電池が異常発熱することがある。特に、複数の二次電池を含む組電池は、異常発熱した二次電池によって、この二次電池と隣接する二次電池に異常発熱が誘発されると、組電池で発生する熱エネルギーが急激に増加する。

なお、二次電池の信頼性を高めるため、電流遮断機構（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ：以下「ＣＩＤ」という。）を備えた二次電池が開発されている（特許文献１参照）。ＣＩＤは、二次電池に短絡や過充電等の異常が生じ、電解液やガス発生剤等が分解した場合に、ガス発生による電池内の圧力上昇により作動して、電極体と電極端子との間の導電経路を切断して電流を遮断する機構である。

特開２０１０－１５７４５１号公報

隣接する二次電池が並列接続された組電池においては、内部短絡した二次電池（以下、適宜に「トリガー電池」と呼ぶ。）の異常発熱がトリガー電池と並列に接続されている二次電池にも誘発される虞がある。

上記のような異常発熱が誘発されるメカニズムは次の通りである。トリガー電池で内部短絡が生じてトリガー電池が異常発熱すると、トリガー電池の内部でガスが発生する。そうすると、電池内圧が所定値以上に上昇して、ＣＩＤが作動する。これにより、トリガー電池において、電極体と電極端子の間の導電経路が遮断される。しかし、ＣＩＤが作動して短絡電流が遮断されても、トリガー電池での異常発熱が続いて高温となる。これにより、トリガー電池の封口板において正極端子および負極端子を電気的に絶縁する絶縁部材が溶融して絶縁機能を果たさなくなり、正極端子および負極端子が金属板からなる封口板を介して導通した状態になる。すなわち、トリガー電池が低抵抗の導体とみなせる状態となる。その結果、トリガー電池に隣接して並列に接続されている二次電池が、トリガー電池の正極端子、封口板および負極端子を介して外部短絡する。そうすると、トリガー電池を介した外部短絡によって、隣接する二次電池に大電流が流れる。これにより、隣接する二次電池がジュール熱で発熱して異常発熱が誘発されることになる。

本開示の目的は、内部短絡して異常発熱した二次電池に隣接する並列で接続されている二次電池での異常発熱の誘発が防止された組電池及びこれに用いられる二次電池を提供することにある。

本開示の一態様である組電池は、封口板に正極および負極の各電極端子が設けられた二次電池を複数含んだ電池ユニットと、二次電池同士を並列接続するバスバーと、二次電池の封口板とバスバーとの間に配置された絶縁プレートと、を備える。そして、封口板は二次電池の内圧上昇によって外側に膨らんで絶縁プレートが押し上げられ、絶縁プレートを介してバスバーが押し上げられることで、並列接続された二次電池間導電経路を遮断する短絡遮断部を有する。封口板には所定の作動圧以上の圧力が加わったときに開放されるガス放出弁が設けられている。二次電池内の圧力がガス放出弁の作動圧に達したとき、封口板において最も膨らみが大きい部分が、封口板の外周縁部よりも１．５ｍｍ以上外側に突出する。

本開示に係る組電池及びこれに用いられる二次電池によれば、内部短絡して異常発熱した二次電池に隣接する並列で接続されている二次電池での異常発熱の誘発を防止できる。

本開示の一実施形態である組電池の斜視図である。 図１に示す組電池の並列電池ユニットの分解斜視図である。 いずれかの二次電池が内部短絡したとき並列電池に異常発熱が誘発される状態を説明するための図である。 絶縁プレートが並列電池の短絡電流経路を遮断する状態を示す図である。 並列電池ユニットの概略斜視図であって、並列電池の短絡電流経路を遮断する状態を示す図である。 図５に示す並列電池ユニットの幅方向断面図である。 図５に示す並列電池ユニットの厚み方向断面図である。 封口板で押し上げられる絶縁プレートの他の一例を示す概略断面図である。 封口板で押し上げられる絶縁プレートの他の一例を示す概略断面図である。 実施例の二次電池を用いた電池ユニットの試験方法を示す図である。

以下に、本開示に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本開示の一実施形態である組電池１００の斜視図である。図２は、図１に示す組電池の並列電池ユニットの分解斜視図である。図１および図２において、幅方向が矢印Ｘで示され、厚み方向が矢印Ｙで示され、高さ方向が矢印Ｚで示される。これらの３方向は互いに直交する。

図１に示すように、組電池１００は、複数の角形二次電池１０が積層された電池ブロック２と、電池ブロック２を構成している各々の角形二次電池１０の電極端子１３に接続されて、角形二次電池１０を並列と直列に接続するバスバー５とを備える。

組電池１００では、角形二次電池１０が並列と直列に接続されている。より詳しくは、バスバー５は、角形二次電池１０を並列に接続する並列接続のバスバー５ａと、直列に接続する直列接続のバスバー５ｂとからなる。組電池１００は、角形二次電池１０を並列に接続して出力電流を大きく、直列に接続して出力電圧を高くできる。したがって、組電池１００は、用途に最適な出力電流と出力電圧となるように、角形二次電池１０を並列と直列に接続している。

電池ブロック２は、複数の角形二次電池１０を、絶縁性のセパレータ（図示せず）を介して積層したものである。また、電池ブロック２は、積層された複数の角形二次電池１０の積層方向両側の端面に一対のエンドプレート３を配置し、エンドプレート３をバインドバー４で連結して、複数の角形二次電池１０を加圧状態に固定している。

なお、本実施形態の組電池１００では、複数の角形二次電池１０が加圧状態に固定される例を示すが、これに限定されるものではなく、角形二次電池とセパレータとが接触しているが加圧されていない状態で配置されて組電池を構成してもよい。

角形二次電池１０は、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池であることが好ましい。

角形二次電池１０は、図２に示すように、電池ケース１１と、封口板１２を備える。電池ケース１１は、扁平直方体状の外形形状をなす筐体であり、上端が上面視で長方形状に開口している。電池ケース１１は金属板を深絞り加工して形成することができる。電池ケース１１と封口板１２の材質は、金属製であることが好ましく、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなることが好ましい。

封口板１２の外周縁は、電池ケース１１の開口縁部に例えばレーザー溶接されて固定されている。また、封口板１２には、正極端子取り付け孔と負極端子取り付け孔が設けられている。正極の電極端子１３は、樹脂製の絶縁部材により封口板１２と絶縁された状態で、正極端子取り付け孔に挿入されている。負極の電極端子１３は、樹脂製の絶縁部材により封口板１２と絶縁された状態で、負極端子取り付け孔に挿入されている。

封口板１２は、角形二次電池１０の内部短絡等の異常により内圧が上昇したときに変形する可撓性を有する板材である。封口板１２は、アルミニウム（この明細書においてアルミニウムはアルミニウム合金を含む意味に使用する。）等の可撓性のある金属板が使用できる。金属製の封口板１２は、材質と厚さを調整して、内部短絡して内圧が上昇すると変形する可撓性を実現できる。

封口板１２には、ガス放出弁１４が設けられている。ガス放出弁１４は、封口板１２の長手方向において、正極の電極端子１３と負極の電極端子１３の間に設けられている。ガス放出弁１４は、封口板１２で密閉された電池ケース１１の内圧が所定値以上に上昇したときに開弁して内部のガスを放出する機能を有する。ガス放出弁１４は、後述する短絡遮断部６によって並列電池の短絡電流経路が遮断された後に開弁する作動圧に設定されている。なお、本明細書において、並列電池とは、任意の二次電池に対して、この二次電池と並列に接続されている二次電池を意味するものとする。

電池ケース１１の内部には、電極体および非水電解質が収容されている。電極体は、例えば、帯状の正極板と帯状の負極板とが、帯状のセパレータを介して巻回された扁平形状の扁平巻回型とすることができる。このような扁平巻回型の電極体は、巻回軸方向の一端部に正極芯体露出部が形成され、巻回軸方向の他端部に負極芯体露出部が形成されている。電極体は、巻回軸が角形二次電池１０の幅方向に沿った向きで電池ケース１１内に収容される。

電極体の正極芯体露出部には正極集電体が例えば超音波接合によって接続され、電極体の負極芯体露出部には負極集電体が例えば超音波接合によって接続される。正極集電体は、電池ケース１１内においてＣＩＤを介して正極の電極端子１３の電池内側端部に電気的に接続される。負極集電体は、電池ケース１１内において負極の電極端子１３の電池内側端部に電気的に接続される。

ＣＩＤは、変形板を備えることが好ましい。変形板は、正極集電体と接続されるとともに、正極集電体と正極の電極端子を電気的に接続する。角形二次電池１０の内部の圧力が所定値以上となったとき、変形板は、変形板において正極集電体と接続された部分が正極集電体から離れるように変形する。そして、この変形により変形板と正極集電体の電気的接続が切断される。これにより、電極体と正極の電極端子の電気的接続が切断され、電流が遮断される。

なお、上記では扁平巻回型の電極体が巻回軸を幅方向に沿った向きで電池ケース１１内に収容される例を説明したが、これに限定されない。扁平巻回型の電極体は巻回軸が高さ方向Ｚに沿った向きで電池ケース内に収容されてもよい。また、電極体は、各々が長方形状に形成された正極板および負極板をセパレータを挟んで多数枚積層された積層型の電極体であってもよい。

図１に示すように、組電池１００は、並列接続のバスバー５ａで複数の角形二次電池１０を並列に接続して並列電池ユニット８とし、さらに、並列接続ユニット８を直列接続のバスバー５ｂで直列に接続している。図１の組電池１００では、バスバー５を介して、隣接する２個の角形二次電池１０を並列に接続して並列電池ユニット８とし、さらに、隣接する並列電池ユニット８を直列に接続している。ただし、本開示の組電池は、必ずしも２個の角形二次電池１０を接続して並列電池ユニットとすることなく、３個以上の角形二次電池を接続して並列電池ユニットとし、あるいは、全体の角形二次電池を並列に接続することもできる。

本実施形態の組電池１００は、可撓性を有して電池内圧の上昇によって中央部が外側（上方）へ膨らむように突出変形する封口板１２と、封口板１２の表面とバスバー５との間に配置された絶縁プレート７とによって構成される短絡遮断部６を設けている。角形二次電池１０の圧力がガス放出弁１４の作動圧に達したとき、封口板１２において最も膨らみが大きい部分は、封口板１２の中央部である。封口板１２の中央部とは、封口板２において、封口板１２の長手方向における中央であり、封口板１２の短手方向における中央である。なお、角形二次電池１０の封口板１２においては、ガス放出弁１４の周囲の部分が最も膨らみが大きい部分となる。

封口板１２は、角形二次電池１０内の圧力がガス放出弁１４の作動圧に達したときの封口板１２の中央部の膨らみ量Ｐ（図４参照）が封口板１２の外周縁部に対して１．５ｍｍ以上であることが好ましい。ここで、膨らみ量Ｐは、封口板１２の中央部が、封口板１２の外周縁部から外側へ突出した突出量である。このように封口板１２の中央部が外周部に対して１．５ｍｍ以上突出して変形することで、絶縁プレート７を押し上げてバスバー５を電極端子１３から分離することによる短絡電流経路の遮断をより確実に行うことができる。封口板１２の中央部における膨らみ量Ｐは、２ｍｍ以上であることが好ましく、３ｍｍ以上であることがより好ましい。

封口板１２の中央部における１.５ｍｍ以上の膨らみ量Ｐを実現するため、封口板１２の厚さは２．５ｍｍ以下で、上面視で長方形状をなす封口板１２の長辺長さをａ、短辺長さをｂとしたときのアスペクト比ａ／ｂが６以下で、封口板１２に設けたガス放出弁１４の作動圧が０．９ＭＰａ以上であることが好ましい。さらに詳しくは、封口板１２のアスペクト比ａ／ｂが５～６であり、封口板１２の厚みが１．０～２．５ｍｍであり、封口板に設けられたガス放出弁１４の作動圧が０．９～２．５ＭＰａであることがより好ましい。なお、上面視で長方形状をなす封口板１２の短辺長さｂは、２～５ｃｍであることが好ましく、２～４ｃｍであることがより好ましい。

絶縁プレート７は、図２に示すように、封口板１２の表面であって、その一部を互いに並列に接続されている角形二次電池１０の封口板１２とバスバー５との間に配置されている。２個又は３個の角形二次電池１０を並列に接続している組電池１００では、互いに並列に接続する全ての角形二次電池１０、すなわち２個又は３個の角形二次電池１０の封口板１２との対向位置に１枚の絶縁プレート７が配置される。４個以上の角形二次電池を並列に接続している組電池では、複数に分割した複数枚の絶縁プレートが、角形二次電池の封口板の対向位置に配置されてもよい。複数の分割された各々の絶縁プレートは、少なくとも並列接続している２個以上の角形二次電池の封口板との対向位置に配置される。

組電池１００は、いずれかの角形二次電池１０が内部短絡したとき、並列接続されている角形二次電池１０、すなわち並列電池の短絡電流が流れる電流経路を遮断する短絡遮断部６を有する。図３の概略回路図は、複数の角形二次電池１０を並列に接続して構成される組電池１００において、何れかの角形二次電池Ａ（図３において最上段の角形二次電池１０）が内部短絡（矢印ａで表示）すると、この角形二次電池Ａと並列に接続されている隣の並列電池、すなわち角形二次電池Ｂ（図３において上から２段目に配置されている角形二次電池１０）にも短絡電流が流れる状態（矢印ｂで表示）を表している。図３に示すように、角形二次電池Ａが内部短絡すると、並列電池の角形二次電池Ｂは、外部にできる外部短絡回路によってショートされるからである。いずれか１つの角形二次電池１０が内部短絡して過大電流が流れて異常発熱する状態で、さらに隣の角形二次電池１０も外部短絡による過大電流で異常発熱すると、異常発熱が連鎖して複数の角形二次電池１０に誘発される。短絡遮断部６は、この弊害を防止するために、内部短絡した角形二次電池１０と並列に接続されている並列電池の短絡電流の電流経路を遮断して異常発熱の誘発を防止している。

図４は、短絡遮断部６の動作原理図を示す図である。図４に示すように、角形二次電池１０の封口板１２の表面に絶縁プレート７が配置されている。この絶縁プレート７の幅方向の両端部が、封口板１２と並列接続のバスバー５ａとの間に挿入されている。上段の角形二次電池Ａに内部短絡が生じて内圧が上昇すると、封口板１２が外側に略円弧状に膨れるように変形する。この変形によって変形量が最も大きくなる封口板１２の中央部によって絶縁プレート７が押し上げられる。

このように変形した封口板１２の中央部によって絶縁プレート７が押し上げられる。そして、封口板１２の中央部の膨らみが封口板１２の外周縁部に対して設定値以上になると、押し上げられた絶縁プレート７が並列接続のバスバー５ａを押し上げて、並列接続のバスバー５ａと電極端子１３との接続を分離する。これにより、外部短絡によって並列電池である角形二次電池Ｂの短絡電流の電流経路が遮断される。なお、図４では封口板１２の変形を利用して電極端子１３から並列接続のバスバー５ａが分離されることで短絡電流の電流経路が遮断される場合について説明したが、これに限定されるものではない。絶縁プレート７で押し上げられた並列接続のバスバー５ａが切断されることにより、短絡電流経路が遮断されてもよい。また、絶縁プレート７で押し上げられた並列接続のバスバー５ａの一部が切断されてバスバー５ａの断面積が小さくなることにより、バスバー５ａが溶断し、短絡電流経路が遮断されてもよい。

図５は、２個の角形二次電池１０を並列に接続している並列電池ユニット８の概略斜視図である。図５では、一方の角形二次電池Ａにおいて内部短絡が生じ、角形二次電池Ａの内圧が上昇して封口板１２が変形することにより、短絡電流経路を遮断する状態を示している。また、図６は図５において角形二次電池１０の幅方向に切断した概略断面図、図７は図５において角形二次電池１０の厚み方向に切断した概略断面図で、共に封口板１２で絶縁プレート７が押し上げられている状態を示している。図５ないし図７において、変形する前の平面状の封口板１２の上に配置される絶縁プレート７を破線で示し、中央部が外側に突出するように変形した封口板１２で押し上げられた絶縁プレート７を一点鎖線で示している。

図５ないし図７に示すように、封口板１２の対向面に絶縁プレート７が配置されている。絶縁プレート７は、１枚の板状で、図２に示すように、プレート部２１の両端部に一対の押圧部２２が設けられている。この絶縁プレート７は、プラスチック製の板材、あるいは表面が絶縁された金属板とすることができる。絶縁プレート７は、剛性のある絶縁板である。図５ないし図７に示すように、プレート部２１が封口板１２で押し上げられると、押圧部２２でバスバー５ａを押し上げてバスバー５ａを電極端子１３から分離する。これにより、並列接続の外部短絡経路を遮断し、並列電池である角形二次電池Ｂに流れる短絡電流を遮断する。封口板１２は外周縁を電池ケース１１に固定されているので、内部短絡等により角形二次電池１０の内部の圧力が上昇すると中央部が突出するように変形する。突出した封口板１２によって押し上げられるように、絶縁プレート７において、プレート部２１が封口板１２の中央部に配置され、押圧部２２がバスバー５と封口板１２との間に挿入されている。

再び図１を参照すると、組電池１００において、電池ブロック２の上面、すなわち、複数の角形二次電池１０の封口板１２が同一平面に配置されている面に、複数の絶縁プレート７が配置されている。複数の絶縁プレート７は、隣接する絶縁プレート７との境界に隙間１７を設けて、互いに干渉することなく押し上げられる。

図２及び図５に示すように、絶縁プレート７には、電極端子１３を挿入する貫通孔２３が形成されている。貫通孔２３は、電極端子１３の外形より内径が大きく形成されて、電極端子１３に対して移動できる状態で挿入されている。

絶縁プレート７は、図６に示すように、封口板１２の突出部１２Ａに接触する位置が力点Ｆ、バスバー５ａを押し上げて分離する位置が作用点Ｓ、バスバー５ａを押し上げて分離しない位置が支点Ｎとなって、バスバー５ａを電極端子１３から分離する。絶縁プレート７は、各々の電極端子１３（図５において４個の電極端子１３）に接続しているバスバー５ａを、電極端子１３から引き離すように押し上げるが、破断強度の最も弱い部分において、バスバー５ａは電極端子１３か分離される。

例えば、角形二次電池１０の一方の電極端子１３及びこの電極端子１３に接続されるバスバー５ａがアルミニウム製で、他方の電極端子１３及びこの電極端子１３に接続されているバスバー５ａが銅製（この明細書においてアルミニウム、銅等の金属は合金を含む意味に使用する。）とする組電池にあっては、アルミニウムの連結強度が銅よりも弱いので、アルミニウム製の電極端子１３とバスバー５との接続部分が分離される。

図６において、突出部１２Ａで押し上げられる絶縁プレート７は、突出部１２Ａで押圧される力点Ｆの両側に、作用点Ｓと支点Ｎとが配置される。封口板１２に押し上げられて、作用点Ｓでバスバー５ａを電極端子１３から分離すると絶縁プレート７は傾斜する。平面状の絶縁プレート７を突出部１２Ａの湾曲面が押圧する。この状態で、傾斜する絶縁プレート７は、力点Ｆと作用点Ｓとの間の長さが力点Ｆと支点Ｎとの間の長さよりも長くなる。絶縁プレート７が傾斜することで、力点Ｆが支点Ｎに接近するからである。力点Ｆが支点Ｎに接近するにしたがって、支点Ｎから力点Ｆまでの長さＬ１と、支点Ｎから作用点Ｓまでの長さＬ２の比率、すなわち、テコの比率Ｌ２／Ｌ１が大きくなって、作用点Ｓがバスバー５ａを電極端子１３から引き離す距離、すなわち、電極端子１３とバスバー５との間隔ｄが大きくなる。電極端子１３とバスバー５との間隔ｄを大きくすると、短絡電流をより確実に遮断できる。

組電池１００は、テコの比率Ｌ２／Ｌ１を調整して、引き離された電極端子１３とバスバー５との間隔ｄを適宜に設定できる。なお、絶縁プレート７の封口板１２との対向面の形状を変更して力点Ｆの位置を変更できる。図８と図９の断面図に示す絶縁プレート７は、突出する封口板１２に押圧される力点Ｆを幅方向に位置ずれさせるために、封口板１２との対向面を突出させている。絶縁プレート７は、図８に示すように、封口板１２側に突出する突出部２４の頂点を中央部よりも支点Ｎ側にずらしてテコの比率Ｌ２／Ｌ１を大きくでき、図９に示すように、突出部２４の頂点を中央部よりも作用点Ｓ側にずらしてテコの比率Ｌ２／Ｌ１を小さくできる。テコの比率Ｌ２／Ｌ１を大きくして、バスバー５が電極端子１３から離れる間隔ｄを大きくでき、また、テコの比率Ｌ２／Ｌ１を小さくして、作用点Ｓがバスバー５を電極端子１３から分離する力を強くできる。バスバー５が電極端子１３から離れる間隔ｄと、作用点Ｓがバスバー５を電極端子１３から分離する力とは、互いに相反する関係にある。したがって、テコの比率Ｌ２／Ｌ１は、バスバー５の分離距離と分離力を考慮して適当な位置に設定すればよい。

また、図２に示すように、絶縁プレート７には、封口板１２に設けたガス放出弁１４から放出されるガスを通過させるガス通過穴２６をガス放出弁１４と対向する位置に設けている。ガス通過穴２６が設けられていると、ガス放出弁１４から放出されたガスをスムーズに排出することができる。

電極端子１３とバスバー５ａとの連結強度は、バスバー５ａを電極端子１３に溶接する面積で調整することができる。具体的には、電極端子１３とバスバー５ａとの溶接面積を小さくして連結強度を弱くし、反対に溶接面積を大きくして連結強度を強くすることができる。ただし、バスバー５ａと電極端子１３との連結強度は、電極端子１３とバスバー５ａとの溶接部の形状で調整することができる。また、バスバー５ａと電極端子１３との連結強度は、電極端子１３とバスバー５ａの材質により調整できる。また、バスバー５ａと電極端子１３との連結強度は、バスバー５ａと電極端子１３との溶接条件により調整できる。レーザー溶接の場合は、レーザーの出力、レーザーの照射面積、照射時間等で調整できる。超音波溶接の場合は、出力、押圧力、超音波振動させる時間等で調整できる。

また、並列接続のバスバー５ａの一部を破断させて、短絡電流を遮断することもできる。図２に示すように、並列接続のバスバー５ａは、長手方向中央部で幅を狭く形成し、あるいは、図示しないが破断予定部分の薄肉に形成して、強制的に引張強度を弱くすることで短絡電流を遮断してもよい。本実施形態において並列接続のバスバー５ａは、金属板の両側に切欠部５ｄを形成して中央部に幅狭部５ｃを設け、あるいは、金属板の一部をプレス加工や切削加工で薄く形成して引張強度を弱くし、押圧部２２で押し上げられるときに、この部分で破断する構造とする。なお、並列接続のバスバー５ａの破断は、必ずしも押圧部２２による機械的な作用のみである必要はなく、押圧部２２による押圧と、並列接続のバスバー５ａの幅狭部５ｃに流れる電流による発熱が合わさって、並列接続のバスバー５ａが破断するように構成されてもよい。

次に、本開示の実施例について説明する。

＜正極板の作製＞
正極活物質としてのリチウム遷移金属複合酸化物（ＬｉＮｉ_０．３５Ｃｏ_０．３５Ｍｎ_０．３Ｏ_２）と、ガス発生剤としての炭酸リチウムと、導電剤としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンがＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）中に分散された分散液を混合し、正極活物質スラリーとした。ここで、正極活物質：ガス発生剤：導電剤：結着剤を質量比で９５．８：０．９：２．１：１．２とした。この正極活物質スラリーを、アルミニウム合金製の正極芯体（厚さ１５μｍ）の両面に塗布した。このとき、正極芯体の長手方向に沿う一方の端部（両面ともに同一方向の端部）には正極活物質スラリーを塗布せず、正極芯体を露出させて正極芯体露出部を形成した。この極板を乾燥し、正極活物質中のＮＭＰを除去した。この後、圧延ロールで圧延し、所定のサイズに裁断することで、正極板を作製した。

＜負極板の作製＞
負極活物質としての天然黒鉛と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴムと、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースとを、質量比９８：１：１で混合し、さらに水と混合して負極活物質スラリーとした。この後、この負極活物質スラリーを銅製の負極芯体（厚さ８μｍ）の両面に塗布した。このとき、負極芯体の長手方向に沿う一方の端部（両面とも同一方向の端部）には負極活物質スラリーを塗布せず、負極芯体を露出させて、負極芯体露出部を形成した。この極板を乾燥し、負極活物質スラリー中の水を除去した。この後、圧延ロールで圧延し、所定のサイズに裁断した。この後、アルミナと、アクリロニトリル系の結着剤と、ＮＭＰとを、質量比３０：０．９：６９．１で混合して保護層スラリーとし、この保護層スラリーを負極活物質層上に塗布した。この極板を乾燥し、保護層スラリー中のＮＭＰを除去して、保護層が形成された負極板を作製した。なお、保護層の厚さは、２μｍとした。

＜非水電解質＞
エチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比（２５℃、１気圧）で３：３：４となるように混合した混合溶媒を作製した。この混合溶媒に、ＬｉＰＦ_６を１ｍｏｌ／Ｌとなるように添加し、さらに非水電解質の総質量に対してビニレンカーボネート（ＶＣ）を０．３質量％添加して非水電解液とした。

＜電池の組立＞
上記正極板および負極板を、正極芯体露出部と負極芯体露出部とがそれぞれ対向する電極の合剤層と重ならないようにずらし、セパレータを挟んで互いに絶縁した状態で巻回し、扁平状にプレス成形することにより、扁平状の巻回型電極体を作製した。セパレータとしては、好ましくはポリオレフィン製の微多孔性膜が２枚あるいは長尺状の１枚を折り畳んで使用される。セパレータの幅は正極合剤層を被覆できるとともに負極合剤層の幅よりも大きいものが使用されている。

複数枚積層された正極芯体露出部は、正極集電体を介して正極の電極端子に電気的に接続されている。複数枚積層された負極芯体露出部は、負極集電体を介して負極の電極端子に電気的に接続されている。

巻回型電極体は、封口板側に位置する面を除く周囲が樹脂材料からなる絶縁シートに覆われて角形電池ケースに挿入されて収容される。そして、封口板が角形電池ケースの開口部に嵌合され、封口板と電池ケースとの嵌合部がレーザー溶接される。これにより、角形電池ケースの開口部が封口板により気密に密閉される。この後、封口板の電解液注液口から上記の非水電解液が注液され、この電解液注液口をブラインドリベット等の封止部材により封止する。これにより、実施例１の角形二次電池となる。なお、実施例１の角形二次電池は、外形寸法が幅１４８ｍｍ、高さ９１ｍｍ、厚さ２６．５ｍｍ、電池容量５０Ａｈである。

なお、実施例１の角形二次電池には、アスペクト比ａ／ｂが５．８、厚さが２ｍｍで、ガス放出弁の作動圧が１．９ＭＰａであるアルミニウム製の封口板を用いた。

アスペクト比ａ／ｂが６．０、厚さが２．５ｍｍ、ガス放出弁の作動圧が０．９ＭＰａであるアルミニウム製の封口板を用いて、これ以外は実施例１と同様にして、実施例２の角形二次電池を作製した。

＜電池ユニットの作製＞
上記のように作製した実施例１の角形二次電池を２個準備した。そして、図１０に示すように、２つの角形二次電池１０の間に絶縁性のセパレータ９を挟んで積層した。そして、各角形二次電池の封口板上に絶縁プレート７を配置し、正極の電極端子同士をアルミニウム製のバスバー５ａで並列に接続し、負極の電極端子同士を銅製のバスバー５ａで並列に接続した。バスバー５ａは、レーザー溶接によって電極端子に溶接した。このようにして実施例１の角形二次電池の電池ユニットを作製した。同様にして、実施例２の角形二次電池を２個含む電池ユニットを作製した。

＜試験方法＞
図１０に示すように、上面視で四角形状をなす厚み２０ｍｍの２枚のステンレス板３０，３２の間に電池ユニットを挟んで配置した。そして、２枚のステンレス板３０，３２を４本のボルト３４で締結して電池ユニットを固定した。ステンレス板３０の中央部には直径３ｍｍの貫通孔３６が形成されており、この貫通孔３６から上側に位置する角形二次電池Ａに直径１．２ｍｍの金属製の釘３８を刺して内部短絡による熱暴走（異常発熱）を生じさせた。そして、トリガー電池である上側の角形二次電池Ａに隣接する下側の角形二次電池Ｂに熱暴走が連鎖しないかどうか、及び、封口板１２の膨らみで絶縁プレート７が押し上げられてバスバー５ａが電極端子１３から分離されるかどうかを観察した。下側の角形二次電池Ｂに熱暴走が誘発されたか否かは、角形二次電池Ｂが発煙したかどうかで判断した。

＜試験結果＞
以下の表１に試験結果を示す。下記の表１に示すように、実施例１および２のいずれの角形二次電池を用いた電池ユニットにおいても、ガス放出弁１４が開弁する前に、トリガー電池Ａの封口板１２の膨らみ長Ｐが１．５ｍｍ以上となって絶縁プレート７を押し上げ、その結果、バスバー５ａが絶縁プレート７を介して押し上げられて電極端子１３から分離した。これにより、実施例１および２の角形二次電池１０を用いた組電池によれば、トリガー電池Ａの封口板１２を介して並列電池Ｂが外部短絡するのを有効に防止でき、熱暴走の連鎖を防止できることが確認できた。

なお、本開示に係る組電池およびこれに用いる角形二次電池は、上述した実施形態およびその変形例や実施例の構成に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。

絶縁プレートは封口板上に直接配置される必要はない。例えば、絶縁プレートと封口板の間に他の部材が配置されていてもよい。また、絶縁プレートとバスバーの間に他の部材が配置されていてもよい。

組電池において、全ての二次電池が並列接続されている必要はない。少なくとも２つの二次電池が並列接続されていればよい。

２ 電池ブロック、３ エンドプレート、４ バインドバー、５ バスバー、５ａ 並列接続のバスバー、５ｂ 直列接続のバスバー、５ｃ 幅狭部、５ｄ 切欠部、６ 短絡遮断部、７ 絶縁プレート、８ 並列電池ユニット、９ セパレータ、１０ 角形二次電池、１１ 電池ケース、１２ 封口板、１２Ａ （封口板の）突出部、１３ 電極端子、１４ ガス放出弁、１７ 隙間、２１ プレート部、２２ 押圧部、２３，３６ 貫通孔、２４ 突出部、２６ ガス通過穴、３０，３２ ステンレス板、３４ ボルト、３８ 釘。

Claims (5)

1. 封口板に正極および負極の各電極端子が設けられた二次電池を複数含んだ電池ユニットと、
   前記二次電池同士を並列接続するバスバーと、
   前記二次電池の封口板と前記バスバーとの間に配置された絶縁プレートと、を備え、
   前記封口板は前記二次電池の内圧上昇によって外側に膨らんで前記絶縁プレートが押し上げられ、前記絶縁プレートを介して前記バスバーが押し上げられることで、並列接続された前記二次電池間導電経路を遮断する短絡遮断部を有し、
   前記封口板には所定の作動圧以上の圧力が加わったときに開放されるガス放出弁が設けられており、
   前記封口板は可撓性を有する長方形状の板材で構成され、前記封口板の長辺長さ／短辺長さであるアスペクト比が６以下であり、前記封口板の厚さが２．５ｍｍ以下であり、前記封口板に設けられたガス放出弁の前記作動圧が０．９ＭＰａ以上であり、
   前記二次電池内の圧力が前記作動圧に達したとき、前記封口板において最も膨らみが大きい部分が、前記封口板の外周縁部よりも１．５ｍｍ以上外側に突出する、組電池。
2. 前記二次電池内の圧力が前記作動圧に達したとき、前記封口板において最も膨らみが大きい部分は、前記封口板の中央部である、請求項１に記載の組電池。
3. 前記短絡遮断部は、前記絶縁プレートを介して前記バスバーが押し上げられることで、前記バスバーが前記電極端子から分離されるか、あるいは前記バスバーが切断される、請求項１又は２に記載の組電池。
4. 前記封口板のアスペクト比が５～６であり、前記封口板の厚みが１．０～２．５ｍｍであり、前記封口板に設けられたガス放出弁の作動圧が０．９～２．５ＭＰａである、請求項３に記載の組電池。
5. 前記封口板はアルミニウムもしくはアルミニウム合金製の板材である、請求項１～４のいずれか一項に記載の組電池。

Images