WO2003092097A1 - Pile secondaire comportant une troisieme borne autre que des bornes d'electrodes positive et negative, et pile contenant celle-ci - Google Patents

Description

明細書 正負極端子以外の第 3の端子を有する二次電池およびそれを用いたバッテリ一 技術分野 本発明は、 二次電池および二次電池で構成されるバッテリーに関する。 背景技術 近年、 二次電池を用いた大容量バッテリーの需要が増大している。 特に、 電 動自転車、 電動バイク、 電気自動車への用途における需要が増大しており、 1 0 0 W〜 1 0 0 0 Wクラスのバッテリ一や 1 0 0 0 W以上のバッテリ一が注目 を集めている。

二次電池を用いた従来の大容量バッテリ一は、 鉛電池やニッケル水素電池を 多く組み合わせたものであり、 大型で、 重量密度および体積密度の小さく、 高 価なものが主流であった。そこで、小型で、重量密度および体積密度が大きく、 安価な大容量バッテリ一の登場が望まれている。

近年、 バッテリーのもとになる素電池として、 軽量なラミネートフィルムを 外装体とする、 高電位タイプのリチウムイオン二次電池が登場している。 そこ で、 このリチウムイオン二次電池を用いたバッテリーを開発すれば、 小型で、 重量密度および体積密度が大きく、 安価な大容量バッテリーを実現できる可能 性がある。

小型で、 重量密度および体積密度が大きく、 安価な大容量バッテリーが実現 できたとしても、 その他に解決すべき問題が山積している。 特に、 自動車用バ ッテリーとして用いられる場合、 急速充放電特性お'よび高サイクル寿命が要求 されるため、 バッテリーの低抵抗化、 急速充電による発熱問題、 バッテリー内 部のセルバランス制御、 精度の高いサイクル寿命推定回路等、 早期に解決すベ き課題が多い。

これらの課題を解決するためには、 セル内部の温度を精度よく測定すること が不可欠である。 従来型二次電池の場合、 内部温度の測定は、 二次電池表層に 温度センサを取り付ける力、 正負極端子に温度センサを取り付けるかのいずれ かの方法を用いて行われることが多かった。

しかしながら、 二次電池表層に温度センサを取り付けた場合、 バッテリー構 築時に二次電池を複数積層して組み上げることが困難となる。 なぜなら、 ラミ ネートフィルムを外装体とする扁平型二次電池を積層するため、 二次電池間に 温度センサが挟まれてしまい、 積層した二次電池間の平均的な温度を検出した り、 二次電池自体が損傷したりしてしまうことがあるからである。 温度センサ を避け二次電池同士を積層するために、 二次電池間にスポンジシートなどの弾 性材を挟む場合もあるが、 体積密度および重量密度が低下することになる。 さ らに、 ノ ッテリ一構築時に工程が増えるともに部材コストも増加してしまう。 一方、 正負極端子に温度センサを取り付ける場合は、 温度センサを取り付け るために、 余分に長い端子が必要となる。 このため、 バッテリー構築時にその 分広い体積を必要とすることから体積密度の低下を招く。 さらに、 急速充放電 を行った場合には端子が発熱するため、 セル内部の^度ではなく端子の温度を 検出してしまい、 二次電池の寿命推定にずれを生じさせる原因となっていた。 さらに、 従来、 バッテリーにセルバランサー回路等を接続する際には、 セル 間の接続時に、 充放電用正負極端子からセルバランサ一回路用リード線を引き 出したり、 セル間をバスバー接続した後、 バスバーからセルバランサ一回路用 リード線を引き出したりしなくてはならなかったため、 セルバランサー回路等 の制御系の取り付けも容易ではなかった。 加えて、 充放電用正負極端子からセ ルバランサー回路用リ一ド線を取り出すため、 電極端子を短くすることはでき ず、 バッテリーとしての内部抵抗も低下させることができなかった。 発明の開示 本発明の目的は、 急速充放電時に生じる二次電池の温度上昇 （発熱） を従籴 よりも精度良く測定できるとともに、 バッテリーの低抵抗化を実現し、 バッテ リ一を容易に構築可能な二次電池およびそれを用いたバッテリ一を提供するこ とにある。

上記目的を達成するために、 本発明の二次電池は、 二次電池を構成する発電 要素体の正負電極集電部のいずれか一方から、 充放電用正負極端子とは別に、 直接引き出された第 3の端子を有している。 第 3の端子は、 正負電極のいずれ か一方の電位に等しい電位を有する。 このように従来の二次電池形状を大きく 損なうことなく、 かつ、 二次電池作製工程に一工程を追加するのみで上記目的 を達成できる。

そして、この第 3の端子に温度センサを取り付ければ、二次電池の内部温度、 すなわち、 発電要素体の温度を、 充放電用正負極端子の発熱を避けて精度よく 検出することが可能となる。

さらに、 この第 3の端子を正負極端子とは直角に引き出すことによって、 ノく ッテリ一構築時のセルバランサー回路の取り付けが容易となる。 なぜなら、 第 3の端子に正負電極のいずれか一方に等しい電位を持たせているため、 バッテ リー構築時のセル間の接続には二次電池の正負極端子を用いて直接セル同士を 接続することができるとともに、 セルバランサ一回路等の制御系には第 3の端 子を用いることが可能となるためである。

このように、 本発明によれば、 充放電用の正負極端子の他に、 正負電極いず れか 1つと等しい電位を持った第 3の端子を発電要素体より引き出し、 第 3の 端子の温度を測定することによって、 扁平型ラミネートフィルム二次電池の内 部温度を精度よく測定でき、 バッテリーとしてのサイクル寿命を精度よく推定 することができるようになる。 さらに、 バッテリー構築の際の二次電池の積層 をコンパク 卜にできる。

また、 第 3の端子が電位を有し、 セルバランサ一回路用のリード線取り付け 部としても兼用できることから、 バッテリー構築時の制御用配線の引き回しが 簡単に行えるようになるため、 セルバランサ一回路等の制御系も容易に取り付 けることが可能となる。 その結果、 バッテリーの製造工程を簡素化することも 可能となり、 製造コストを低減できる。

また、 充放電用正負極端子に温度センサとセルバランサー回路用リード線を 取り付ける必要が無くなるため、 電極端子を短く最適化でき、 かつ、 端子同士 を直接的に接続することが容易となるため、 バッテリーとしての内部抵抗も低 下させることができるようになる。 図面の簡単な説明 図 1は本発明の一実施形態の扁平型ラミネ一トフイルム二次電池の斜視図、 図 2は従来技術の扁平型ラミネ一トフィルム二次電池の斜視図、

図 3は発電要素体の内部構成図、

図 4は扁平型二次電池の斜視図、

図 5は扁平型ラミネートフィルム二次電池の構成図、

図 6は別の実施形態の扁平型二次電池の斜視図、

図 7は本発明の一実施形態の、 扁平型ラミネートフィルム二次電池を用いた バッテリーの構成図、

図 8は扁平型ラミネートフィルム二次電池を用いたバッテリー構築例を示す 図、

図 9は従来技術の扁平型ラミネ一トフィルム二次電池を用いたバッテリーの 構成図である。 発明を実施するための最良の形態 図 1を参照すると、 本発明の一実施形態の扁平型ラミネ一トフイルム二次電 池 1は、正極端子 2と負極端子 3以外に、第 3の端子 4を有している。図 2は、 従来技術の扁平型ラミネートフィルム二次電池を示している。

本実施形態の葶平型ラミネートフィルム二次電池 1は、 以下のように作製さ れる。

まず、 図 3に示すように、 正極体 5と負極体 6を、 セパレータ 7を挟みなが ら交互に積層して発電要素体 8を形成する。

次に、 図 4に示すように、 発電要素体 8の正極体 5と負極体 6の活物質が無 い未塗布部 （電極集電部） 2 aと 3 aに、 正極端子 2と負極端子 3をそれぞれ 取り付ける。

次に、 図 4に示すように、 発電要素体 8の正極体 5または負極体 6の未塗布 部部分 2 aまたは 3 aのいずれか一方に、 第 3の端子 4を直接接続する。 図 4 では、 発電要素体 8の正極体 5の未塗布部 2 aに第 3の端子 4が接続されてい る。 この際、 第 3の端子 4は、 正極端子 2と接触しないように取り付ける。 急 速充電時に生じる正極端子 2の発熱の影響を極力抑えるため、 できるだけ両端 子は離して取り付けるのが望ましい。

次に、 図 5に示すように、 通常のラミネートフィルム作製工程と同様に、 ラ ミネートフィルム外装体 9で正負極端子 2 3と第 3の端子 4を取り付けた発 電要素体 8を包み、 3方向を熱融着封止した後、 非水系電解液を注入し、 減圧 下で完全封止を行う。

なお、 図 6に示すように、 発電要素体 8の正極体 5と負極体 6の活物質が無 い未塗布部 （電極集電部） 2 aと 3 aは、 対向するようにしてもよレ、： 次に、 本実施形態の扁平型ラミネートフィルム二次電池 1の例について詳細 に説明する。

本発明の第 1の例では、 まず、 リチウムイオンを吸蔵，放出するリチウムィ ォン含有金属酸化物のリチウムマンガン複合酸化物を 2 0 ;u mの厚さのアルミ 箔シートに 7 0 μ πι程度両面塗布した正極体 5と、 リチウムイオンを吸蔵 ·放 出する ドカーボン系の負極活物資を 1 5 mの厚さの銅箔シ一卜に 5 0 μ m程度両面塗布した負極体 6と、 2 5 mの厚さの多孔性絶縁樹脂薄膜シート であるポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムの積層型セパレ一タ とを、 電極集電部 （未塗布部） 2 a 3 aが同一辺より取り出せるように交互 に積層し、 正極体 5と負極体 6の電極集電部 2 aと 3 aに、 1 0 0 mの厚さ のアルミ正極端子 2と 100 μ mの厚さのニッケル負極端子 3を、 超音波溶接 によりそれぞれ取り付ける。

次に、 正極集電部 （未塗布部） 2 aより 100 zmの厚さのアルミ端子を、 正負極端子の延びる方向とは垂直方向に引き出すように、 超音波溶接にて取り 付け、 第 3の端子 4とする。 第 1の例では超音波溶接を用いたが、 抵抗溶接で あっても、 リベット固定であっても、 電気的導通がとれる方法であれば何でも よい。

次に、 こうしてできた発電要素体 8を、 100 μηι程度の厚さのアルム箔の ラミネートフイルム 9で包み、 内部にプロピレンカーボネートとメチルェチル カーボネートの非水系溶媒に六フッ化リン酸リチウムを溶解させた電解液を注 入し、 減圧下で熱融着封止を行う。

使用した正極体 5の寸法は 65mmX 1 20mni、 負極体 6の寸法は 70m mX 1 25 mm, セパレータ 7の寸法は 75mmX 1 3 Omm、 正極端子 2お よび負極端子 3の寸法は 4 OmmX 1 Omm, 第 3の端子 4の寸法は 3 Omm X 5 mm, 外装体のラミネートフイルム 9の寸法は 95 mmX 1 60 mm、 熱 融着封止幅は 1 Ommである。

第 2の例では、 負極の電極集電部 3 aより、 エッケルの第 3の端子 4を取り 出す。

第 3の例では、 図 6に示すように、 電極集電部 （未塗布部） 2 aと 3 aが対 向するように、 正極体 5と負極体 6を、 セパレ一タ 7を挟みながら交互に積層 し、正極体の電極集電部（未塗布部） 2 aの端より、 ァノレミの第 3の端子 4を、 正負極端子 2、 3の延びる方向とは垂直に、 正極端子 2より十分離した位置か ら取り出す。

第 4の例では、 第 3の例の要素発電体 8の負極体 6の電極集電部 （未塗布部） 3 aの端より、 ニッケルの第 3の端子 4を、 正負極端子 2、 3の延びる方向と は垂直に、 負極端子 3より十分離した位置から取り出す。

第 2の例から第 4の例の部材および部材寸法は、 第 1の例と同様である。 正 負極端子 2、 3の取り出し方向および第 3の端子 4の電位をそれぞれ変更した だけである。第 1の例から第 4の例の扁平型ラミネートフィルム二次電池 1は、 4. 2 V (2 Ah) の特性を有する。 なお、 厚みは 4mm、 重量は 80 gであ る。

第 1の例から第 4の例の扁平型ラミネ一トフイルム二次電池 1を用いて、 二 次電池内部の温度を測定した結果を表 1に示す。 測定条件としては、 20°Cの 周囲温度の下で、 5 OAの強制放電を 5秒間実施し、このときの正負極端子 2、 3、 第 3の端子 4、 扁平型ラミネートフィルム二次電池 1の表面の 3箇所にお ける最大到達温度を熱電対により測定し、 表面温度を基準に各部位の温度上昇 分 （差分） を求めた。 表 1は、 この温度上昇分を示している。

なお、扁平型ラミネ一トフイルム二次電池 1の表面は、内部と熱平衡にあり、 表面の温度は、 およそ内部の温度を示しているものと考えられる。 また、 従来 技術においては、 正負極端子 2、 3の温度を、 扁平型ラミネートフィルム二次 電池 1の内部の温度とみなしていた。

(表 1)

表 1からわかるように、 第 1の例と第 2の例の正負極端子差分温度 （セル表 面温度との差） は、 正極端子で 30°C程度、 負極端子で 50 C弱と非常に大き い。 一方、 第 3の端子差分温度は、 正極電位側で 3. 5°C、 負極端子側で 9. 0°Cであり、 従来よりも大幅にセル内部温度を精度よく測定できている。 第 3 の例と第 4の例についても、正負極端子差分温度（セル表面温度との差）は正、 極端子で 30°C程度、 負極端子で 50°C弱と非常に大きい。

—方、 第 3の端子差分温度は、 正極電位側で 0° (：、 負極端子側で 1. 0°Cで あり、 第 1の例、 第 2の例の第 3の端子差分温度よ.り、 さらにセル内部温度に 近い値を示している。 これは、 第 3の例、 第 4の例の第 3端子が、 正負極端子 より十分離れた位置に取り付けられているため、 正負極端子の発熱の影響を、 第 1の例および第 2の例よりも受けにくいためであると考えられる。

本実施形態の第 3の端子を有する扁平型ラミネ一トフィルム二次電池 1は、 第 1の例から第 4の例のいずれにおいても、 従来のものより格段に精度よくセ ル内部温度を測定することが可能となる。 さらに、 第 3の端子の差分温度は、 正極電位側が負極電位側より低い傾向を示すことから、 第 3の例が最もセル内 部温度に近い値を第 3の端子から得ることができるとわかつた。

図 7を参照すると、 本実施形態の扁平型ラミネートフィルム二次電池 1を用 いた、 本発明の一実施形態のバッテリーが示されている。 1 0個の扁平型ラミ ネートフィルム二次電池 1を用いて積み重ねながら、 充放電用正負極端子を直 接、 直列接続したものであり、 かつ、 第 3の端子 4を一方向に揃えた構造であ る。 この構造は、 第 4の例の扁平型ラミネートフィルム二次電池 1の第 3の端 子 4に、 温度検出センサ 1 0とセルバランサ一回路用リード線 1 1を接続した 後、 充放電用正負極端子を直列接続になるよう端子同士を直接接続しながら重 ねて構築したものである。 扁平型ラミネートフィルム二次電池 1の間には、 温 度検出センサゃ弾性体のスポンジシートなどはなく、 最も体積効率が良くなる よう積層されている。

図 8を参照すると、 このように組み上げられた扁平型ラミネートフィルム二 次電池 1を、 第 3の端子 4から延びる温度検出センサ 1 0とセルバランサ一回 路用リード線 1 1をそれぞれ制御用回路 1 2に接続し、 厚さ 2 m mのアルミ外 装体 1 3で覆って作製されたバッテリ一が示されている。

図 9を参照すると、 比較のために、 従来技術のバッテリーが示されている。 第 4の例の扁平型ラミネートフィルム二次電池 1から第 3の端子が無い二次電 池を用い、 温度検出センサ 1 0を二次電池の中央表面部に取り付け、 セルバラ ンサ一回路用リード線 1 1を充放電用正負極端子の正極端子側に接続した後、 二次電池を直列に接続するよう、 充放電正負極端子同士を直接接続し、 弾性体 スポンジシート 1 4 (重量 1 5 g、 寸法 2 mm X 7 0 mm X 1 2 0 m m).. を挟 みながら積み上げた。 このように二次電池を組み上げた後、 温度検出センサ 1 0とセルバランサー回路用リード線 1 1をおのおの制御用回路 1 2に接続し、 図 8と同様に、厚さ 2 mmのアルミ外装体 1 3で覆ってバッテリーを作製した。 その結果、 本実施形態のバッテリーの方が、 従来技術のバッテリーより、 体 積比で 3 5 %減、 重量比で 1 0 %減となり、 バッテリーとしての体積密度およ ぴ重量密度を向上させることができた。

本実施形態においては、 第 3の端子は、 充放電用正負極端子が取り付けられ ていない、 長方形の扁平型ラミネ一トフイルム二次電池の一辺から、 充放電正 負極端子が延びる方向とは垂直に引き出されている。 充放電用正負極端子が引 き出される方向と第 3の端子が引き出される方向のなす角度は、 第 3の端子に 接続されるセルバランサ一回路等が余分なスペースを取らずにコンパク トに取 り付けられるのであれば、 必ずしも垂直である必要はない。

さらに、 扁平型ラミネートフィルム二次電池の形状も、 セルバランサー回路 等が余分なスペースを取らずにコンパク 卜に取り付けられるのであれば、 長方 形以外の形状であつてもよい。

Claims

請求の範囲

1 . 正負電極集電部を有する発電要素体と、

前記発電要素体の前記正負電極集電部からそれぞれ引き出された充放電用正 負極端子と、

前記正負電極集電部のいずれか一方から、前記充放電用正負極端子とは別に、 直接引き出される第 3の端子を有する扁平型二次電池。

2 . 前記第 3の端子は、 前記充放電用正負極端子の延びる方向とは別の方 向に引き出されている、 請求項 1に記載の扁平型二次電池。

3 . 前記第 3の端子が引き出される前記方向は、 前記充放電用正負極端子 の延びる方向と垂直である、 請求項 2に記載の扁平型二次電池。

4 . 前記第 3の端子には温度センサが取り付けられている、 請求項 1から 3のいずれか 1項に記載の扁平型二次電池。

5 . 前記第 3の端子はセルバランサー回路に接続されている、 請求項 1か ら 3のいずれか 1項に記載の扁平型二次電池。

6 . 前記発電要素体は、 セパレータを挟みながら、 正極体と負極体を交互 に積層して構成されている、 請求項 1カゝら 3のいずれか 1項に記載の扁平型二 次電池。

7 . ラミネートフィルムの外装をさらに有する、 請求項 1から 3のいずれ か 1項に記載の扁平型二次電池。

8 . 請求項 1カゝら 3のいずれか 1項に記載の扁平型二次電池を複数個用い た直列タイプのバッテリー。