特開 2024-108183 二次電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024108183

(43)【公開日】2024-08-13

(54)【発明の名称】二次電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/477 20210101AFI20240805BHJP

   H01M 50/474 20210101ALI20240805BHJP

   H01M 50/48 20210101ALI20240805BHJP

   H01M 10/04 20060101ALI20240805BHJP

   H01M 50/202 20210101ALI20240805BHJP

【ＦＩ】

H01M50/477

H01M50/474

H01M50/48

H01M10/04 W

H01M10/04 Z

H01M50/202 401D

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023012404

(22)【出願日】2023-01-31

(71)【出願人】

【識別番号】399107063

【氏名又は名称】プライムアースＥＶエナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】望月 裕斗

【テーマコード（参考）】

5H021

5H028

5H040

【Ｆターム（参考）】

5H021AA02

5H021AA06

5H021BB11

5H021CC07

5H021EE02

5H021HH03

5H028AA08

5H028CC08

5H028CC12

5H028HH05

5H028HH08

5H040AA14

5H040AT02

5H040CC34

5H040JJ03

5H040LL06

5H040NN01

(57)【要約】

【課題】過充電状態の検出を可能にする二次電池を提供すること。
【解決手段】二次電池１は、厚さ方向において筐体１０の各内側面１１ａ，１１ｂと電極体２０との間に配置され、幅方向に延在する細長の部材である一対の第１の部材３１と、筐体１０の各内側面１１ａ，１１ｂと電極体との間に配置され、少なくとも厚さ方向における電極体２０の外側面に対向する位置に配置された第２の部材３２とを備える。一対の第１の部材３１は、二次電池１の過充電時の筐体１０内の温度で溶融しない素材で形成される。第２の部材３２は、当該温度で溶融する素材で形成される。一対の第１の部材３１の間の距離は、二次電池１の過充電時に正極シート及び負極シートの間の距離が増加し得る距離である。高さ方向における一対の第１の部材３１の高さは、二次電池１の過充電時に正極シート及び負極シートの間の距離が増加し得る高さである。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層された正極シート及び負極シートを含む電極体が収容された筐体を備えた二次電池であって、
前記二次電池の厚さ方向において前記筐体の各内側面と前記電極体との間に配置され、前記二次電池の幅方向に延在する細長の部材である一対の第１の部材と、
前記筐体の各内側面と前記電極体との間に配置され、少なくとも前記厚さ方向における前記電極体の外側面に対向する位置に配置された第２の部材と
を備え、
前記一対の第１の部材は、前記二次電池の過充電時の前記筐体内の温度で溶融しない素材で形成され、
前記第２の部材は、前記二次電池の過充電時の前記筐体内の温度で溶融する素材で形成され、
前記一対の第１の部材の間の距離は、前記二次電池の過充電時に前記正極シート及び前記負極シートの間の距離が増加し得る距離であり、
前記二次電池の高さ方向における前記一対の第１の部材の高さは、前記二次電池の過充電時に前記正極シート及び前記負極シートの間の距離が増加し得る高さである、
二次電池。

【請求項2】

前記第１の部材は、前記筐体の内側面に接触しており、
前記筐体の内側面と接触する前記第１の部材の接触面の面積は、前記二次電池の過充電時に前記第２の部材が溶融した状態において、前記第１の部材の前記接触面から前記筐体に加わる応力によって前記筐体に損傷が生じない面積である、請求項１に記載の二次電池。

【請求項3】

前記接触面の面積は、前記二次電池の過充電時に前記第２の部材が溶融した状態において、前記接触面から前記筐体に加わる応力によって前記筐体に損傷が生じない最小の面積である、請求項２に記載の二次電池。

【請求項4】

前記厚さ方向における前記筐体の外側面には、第３の部材が隣接して配置され、
前記厚さ方向における前記第１の部材の厚さは、既定の厚さ以上であり、
前記既定の厚さは、前記二次電池の過充電時に前記正極シート及び前記負極シートの間の距離が増加し得る厚さである、請求項１又は２に記載の二次電池。

【請求項5】

前記第１の部材は、前記厚さ方向における前記電極体の外側面の中央部に対向する位置に配置された、請求項４に記載の二次電池。

【請求項6】

前記第１の部材の断面形状は、多角形又は円形である、請求項４に記載の二次電池。

【請求項7】

前記第２の部材は、前記二次電池の正常時の前記筐体内の温度で溶融しない素材を用いて、前記厚さ方向において前記電極体の外側面と接するように形成される、請求項４に記載の二次電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、二次電池に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、電気自動車やハイブリッド車、プラグインハイブリッド車等では、リチウムイオン電池等の二次電池が採用されている。二次電池は過充電によって電池性能が低下する可能性があるため、二次電池の過充電状態を検出する種々の技術が提案されている。

【0003】

このような技術の一例として、特許文献１は、ガス発生剤を二次電池内に混入した二次電池を開示する。この二次電池が過充電状態になると、二次電池内にガスが発生し、正極活物質及び負極活物質の間のイオンの移動経路を狭小化又は遮断するため、二次電池の内部抵抗が増加する。この内部抵抗の増加を検出することにより、二次電池の過充電や熱暴走を抑制することを可能にする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８－２２６８０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１が開示する二次電池は、導電性を有さないガス発生剤を二次電池内に混入するため、二次電池の電極性能が低下する虞がある。

【0006】

本開示は、このような問題を解決するためのものであり、過充電状態の検出を可能にする二次電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一実施形態に係る積層された正極シート及び負極シートを含む電極体が収容された筐体を備えた二次電池は、
二次電池の厚さ方向において筐体の各内側面と電極体との間に配置され、二次電池の幅方向に延在する細長の部材である一対の第１の部材と、
筐体の各内側面と電極体との間に配置され、少なくとも厚さ方向における電極体の外側面に対向する位置に配置された第２の部材と
を備え、
一対の第１の部材は、二次電池の過充電時の筐体内の温度で溶融しない素材で形成され、
第２の部材は、二次電池の過充電時の筐体内の温度で溶融する素材で形成され、
一対の第１の部材の間の距離は、二次電池の過充電時に正極シート及び負極シートの間の距離が増加し得る距離であり、
二次電池の高さ方向における一対の第１の部材の高さは、二次電池の過充電時に正極シート及び負極シートの間の距離が増加し得る高さと得る。

【0008】

第１の部材は、筐体の内側面に接触しており、
筐体の内側面と接触する第１の部材の接触面の面積は、二次電池の過充電時に第２の部材が溶融した状態において、第１の部材の接触面から筐体に加わる応力によって筐体に損傷が生じない面積である。

【0009】

接触面の面積は、二次電池の過充電時に第２の部材が溶融した状態において、接触面から筐体に加わる応力によって筐体に損傷が生じない最小の面積とし得る。

【0010】

厚さ方向における筐体の外側面には、第３の部材が隣接して配置され、
厚さ方向における第１の部材の厚さは、既定の厚さ以上であり、
既定の厚さは、二次電池の過充電時に正極シート及び負極シートの間の距離が増加し得る厚さである。

【0011】

第１の部材は、厚さ方向における電極体の外側面の中央部に対向する位置に配置され得る。

【0012】

第１の部材の断面形状は、多角形又は円形とし得る。

【0013】

第２の部材は、二次電池の正常時の前記筐体内の温度で溶融しない素材を用いて、厚さ方向において電極体の外側面と接するように形成され得る。

【発明の効果】

【0014】

本開示により、過充電状態の検出を可能にする二次電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】一実施形態に係る複数の二次電池を示す斜視図である。

【図2】一実施形態に係る二次電池を示す垂直断面図である。

【図3】一実施形態に係る電極体を示す斜視図である。

【図4】一実施形態に係る第１の部材及び第２の部材を示す斜視図である。

【図5】一実施形態に係る第１の部材の接触面の面積と、当該接触面から筐体に加わる応力との関係を示す図である。

【図6】一実施形態に係る第２の部材の溶融前後の二次電池を示す垂直断面図である。

【図7】一実施形態に係るスペーサを示す斜視図である。

【図8】一実施形態に係る第２の部材の溶融後の二次電池を示す垂直断面図である。

【図9】一実施形態に係る二次電池の充電時の電圧の経時変化と、従来の二次電池の充電時の電圧の経時変化を示す図である。

【図10】従来の二次電池を示す垂直断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照して、例示的な実施形態について説明する。図１は、一実施形態に係る複数の二次電池１を示す斜視図である。二次電池パックを製造する場合、複数の二次電池１が、二次電池１の厚さ方向（以下、単に「厚さ方向」とする。）に隣り合うように配置される。隣り合う二次電池１の間には、スペーサ２が二次電池１に隣接して配置される。スペーサ２は、厚さ方向から二次電池１を加圧すると共に、隣接する２つの二次電池１の間に通気風の流路を提供する。各二次電池１は、電極体を収容する筐体１０を備える。

【0017】

図２は、図１に示す断面線Ａ―Ａに沿った二次電池１の垂直断面図である。図３は、一実施形態に係る電極体２０を示す斜視図である。筐体１０には、電極体２０、一対の第１の部材３１、及び第２の部材３２が収容される。電極体２０は、正極シート、負極シート及びセパレータを積層し、厚さ方向に加圧することによって形成される。本実施形態では、電極体２０は、図２及び図３に示すように、積層された正極シート、負極シート及びセパレータを捲回及び加圧して形成される捲回型の電極体である。なお、電極体２０は、非捲回型の電極体でもよい。

【0018】

図４は、一対の第１の部材３１と第２の部材３２を示す斜視図である。第１の部材３１及び第２の部材３２は、接着材によって互いに固定することができる。

【0019】

一対の第１の部材３１は、図２及び図４に示すように、二次電池１の幅方向（以下、単に「幅方向」とする。）に延在する細長の部材である。一対の第１の部材３１は、図２に示すように、それぞれ厚さ方向において筐体１０の内側面１１ａ，１１ｂと電極体２０との間に配置される。

【0020】

第１の部材３１は、二次電池１の過充電時の筐体１０内の温度で溶融しない素材、例えば、樹脂等で形成される。第１の部材３１を形成する素材は、電解液に含まれる成分や二次電池１内で発生する物質に対する耐性を有する素材であることが好ましい。

【0021】

第１の部材３１の断面形状は、図２に示すように四角形等の多角形とすることができる。また、第１の部材３１の断面形状は、円形としてもよい。

【0022】

第１の部材３１は、図２及び図３に示すように、厚さ方向における電極体２０の外側面の中央部２１に対向する位置に配置されることが好ましい。中央部２１は、幅方向に延在する領域である。なお、第１の部材３１は、電極体２０の外側面の中央部２１に対向しない位置、具体的には、中央部２１の上側や下側に位置する電極体２０の外側面に対向する位置に配置してもよい。また、図２に示す第１の部材３１は、電極体２０に対向する第１の部材３１の側面が露出していないが、他の実施形態では、第１の部材３１の当該側面が露出してもよい。

【0023】

厚さ方向における一対の第１の部材３１の間の距離Ｘは、二次電池１の過充電時に、少なくとも第１の部材３１に対向しない電極体２０の正極シート及び負極シートの間の距離である電極間距離が増加し得る距離である。また、二次電池１の高さ方向（以下、単に「高さ方向」とする。）における第１の部材３１の高さＹは、二次電池１の過充電時に電極間距離が増加し得る高さである。

【0024】

図２に示すように、第１の部材３１は、筐体１０の内側面１１ａ，１１ｂに接触する。筐体１０の内側面１１ａ，１１ｂと接触する第１の部材３１の接触面３１ａ，３１ｂの各面積は、二次電池１の過充電時に第２の部材３２が溶融した状態において、第１の部材３１の接触面３１ａ，３１ｂから筐体１０に加わる応力によって筐体１０が損傷しない面積とすることが好ましい。この面積は、様々な大きさの接触面３１ａ，３１ｂを有する第１の部材３１を備えた二次電池１を過充電状態にして第２の部材３２を溶融させ、第２の部材３２の溶解後に筐体１０に損傷が生じるか否か観測することによって導出できる。図５は、接触面３１ａ，３１ｂの面積と、接触面３１ａ，３１ｂから筐体１０に加わる応力との関係を示す図である。図５に示す通り、接触面３１ａ，３１ｂの面積が小さいほど、接触面３１ａ，３１ｂから筐体１０に加わる応力が増加する。図５に示す最小面積は、接触面３１ａ，３１ｂから筐体１０に加わる応力によって筐体１０に損傷が生じない最小の面積である。第１の部材３１の接触面３１ａ，３１ｂの面積は、当該最小面積以上であることが好ましい。

【0025】

一方、第１の部材３１の接触面３１ａ，３１ｂの面積が大きい程、電極体２０と対向する第１の部材３１の部分が増加する。そのため、二次電池１の過充電時に一対の第１の部材３１によって、厚さ方向における電極体２０の膨張が抑制されるため、電極間距離が増加しない。したがって、第１の部材３１の接触面３１ａ，３１ｂの面積は、最小面積であることが好ましい。なお、第１の部材３１の接触面３１ａ，３１ｂの面積は、最小面積よりも大きく、かつ、厚さ方向における電極体２０の外側面の半分以下でもよい。

【0026】

第２の部材３２は、図２に示すように、筐体１０の内側面１１ａ，１１ｂと電極体２０との間に配置され、少なくとも厚さ方向における電極体２０の外側面に対向する位置に配置される部材である。本実施形態では、第２の部材３２は、電極体２０を収容する形状をしており、第２の部材３２の断面形状はＵ字型である。第２の部材３２は、二次電池１の製造時において厚さ方向における電極体２０の外側面と接するように、形成されることが好ましい。なお、他の実施形態では、第２の部材３２の底部を省略してもよい。

【0027】

第２の部材３２は、二次電池１の正常時の筐体１０内の温度で溶融せず、二次電池１の過充電時の筐体１０内の温度で溶融する素材、例えば、樹脂等で形成される。したがって、第２の部材３２の融点は、第１の部材３１の融点よりも低い。第２の部材３２を形成する素材は、電解液に含まれる成分や二次電池１内で発生する物質に対する耐性を有する素材であることが好ましい。

【0028】

第１の部材３１を、二次電池１の過充電時の筐体１０内の温度で溶融しない素材で形成し、第２の部材３２を、二次電池１の過充電時の筐体１０内の温度で溶融する素材で形成することにより、二次電池１が過充電状態になると、図６に示すように、第２の部材３２が溶融する。なお、溶融した第２の部材３２は、筐体１０の底部に溜まる。

【0029】

図７は、スペーサ２の一例を示す斜視図である。図７に示すように、スペーサ２は、複その両面に複数の突起部２ａ，２ｂを有する。これらの突起部２ａ，２ｂが、スペーサ２に隣接して配置された二次電池１を加圧する。

【0030】

図８は、二次電池１の過充電によって第２の部材３２が溶融した後の二次電池１を示す垂直断面図である。厚さ方向における第１の部材３１の厚さＺは、既定の厚さ以上とし得る。既定の厚さは、二次電池１の過充電時に、少なくとも厚さ方向の電極間距離が増加し得る厚さである。具体的には、図８に示すように、第２の部材が溶融して、厚さ方向における筐体１０の側面が内側に湾曲した場合でも、電極間距離が増加し得る厚さとすることが好ましい。換言すると、湾曲した筐体１０の外側面１２とスペーサ２とが、接触しない厚さとすることが好ましい。この厚さは、様々な厚さの第１の部材３１を有する複数の二次電池を用意し、これらの二次電池を過充電状態にした後、電極間距離が増加しているか観測することによって定めることができる。

【0031】

上述した通り、二次電池１は、一対の第１の部材３１と、第２の部材３２とを備える。一対の第１の部材３１のそれぞれは、二次電池１の厚さ方向において筐体１０の各内側面１１ａ，１１ｂと電極体２０との間に配置され、二次電池１の幅方向に延在する細長の部材である。第２の部材３２は、筐体１０の各内側面１１ａ，１１ｂと電極体２０との間に配置され、少なくとも厚さ方向における電極体２０の外側面に対向する位置に配置される。一対の第１の部材３１は、二次電池１の過充電時の筐体１０内の温度で溶融しない素材で形成される。第２の部材３２は、二次電池１の過充電時の筐体１０内の温度で溶融する素材で形成される。一対の第１の部材３１の間の距離は、二次電池１の過充電時に正極シート及び負極シートの間の距離が増加し得る距離である。また、高さ方向における一対の第１の部材３１の高さは、二次電池１の過充電時に正極シート及び負極シートの間の距離が増加し得る高さである。

【0032】

この構成により、二次電池１が過充電状態になると、図６に示すように、第２の部材３２が溶融し、正極シート及び負極シートの間の距離が増加する。図９は、本実施形態に係る二次電池１の充電時の電圧の経時変化と、第１の部材３１及び第２の部材３２を備えていない従来の二次電池の充電時の電圧の経時変化を示す図である。図９に示すように、二次電池の電圧は、時間の経過と共に増加する。また、二次電池のＳＯＣ（State Of Charge）も時間の経過と共に増加する。本実施形態に係る二次電池１が過充電状態になると、第２の部材３２が溶融するため、正極シート及び負極シートが厚さ方向に広がり易くなる。そのため、本実施形態に係る二次電池１は、図１０に示すような従来の二次電池に比べ、少なくとも厚さ方向における電極間距離が増加し、二次電池１の内部抵抗が増加して、電圧の増加の程度が大きくなる。その結果、本実施形態に係る二次電池１は、従来の二次電池よりも早く、二次電池１が過充電状態であることを示す既定の電圧に到達する。このため、二次電池１の電圧を監視することにより、本実施形態に係る二次電池１は、従来の二次電池よりも早く過充電状態が検出され得る。したがって、本実施形態に係る二次電池１は、過充電状態においてＳＯＣが過剰に高くなるのを防ぐことができる。

【0033】

また、上述した通り、第１の部材３１は、筐体１０の内側面１１ａ，１１ｂに接触する。筐体１０の内側面１１ａ，１１ｂと接触する第１の部材３１の接触面３１ａ，３１ｂの面積は、二次電池１の過充電時に第２の部材３２が溶融した状態において、第１の部材３１の接触面３１ａ，３１ｂから筐体１０に加わる応力によって筐体１０に損傷が生じない面積である。これにより、二次電池１の過充電時に第２の部材３２が溶融した場合でも、第１の部材３１の接触面３１ａ，３１ｂから筐体１０に加わる応力により、筐体１０にひびや割れ等の損傷が生じるのを防ぐことができる。

【0034】

さらに、上述した通り、厚さ方向における筐体１０の外側面には、第３の部材であるスペーサ２が隣接して配置される。厚さ方向における第１の部材３１の厚さは、既定の厚さ以上とし得る。既定の厚さは、二次電池１の過充電時に正極シート及び負極シートの間の距離が増加し得る厚さである。これにより、二次電池１の過充電時に正極シート及び負極シートが厚さ方向に確実に広がることができ、電極間距離の増加による内部抵抗及び電圧の増加を可能にする。

【0035】

さらに、上述した通り、第２の部材３２は、二次電池１の正常時の筐体１０内の温度で溶融しない素材を用いて、厚さ方向における電極体２０の外側面と接するように形成される。これにより、二次電池１の正常時において、第２の部材３２と対向する電極体２０の正極シート及び負極シートが厚さ方向に広がるのを防ぐことができる。そのため、電極間距離の増加による電極性能の低下を防止できる。

【0036】

本開示は、上述した実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

【符号の説明】

【0037】

１ 二次電池
２ スペーサ
２ａ 突起部
２ｂ 突起部
１０ 筐体
１１ａ 内側面
１１ｂ 内側面
１２ 外側面
２０ 電極体
２１ 中央部
３１ 第１の部材
３１ａ 接触面
３１ｂ 接触面
３２ 第２の部材
Ａ―Ａ 断面線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】