(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-31
(45)【発行日】2022-11-09
(54)【発明の名称】二次電池
(51)【国際特許分類】
H01M 10/0587 20100101AFI20221101BHJP
H01M 10/04 20060101ALI20221101BHJP
H01M 10/613 20140101ALI20221101BHJP
H01M 10/647 20140101ALI20221101BHJP
H01M 10/653 20140101ALI20221101BHJP
H01M 10/654 20140101ALI20221101BHJP
H01M 10/659 20140101ALI20221101BHJP
H01M 50/474 20210101ALI20221101BHJP
H01M 50/48 20210101ALI20221101BHJP
H01M 50/486 20210101ALI20221101BHJP
【FI】
H01M10/0587
H01M10/04 W
H01M10/613
H01M10/647
H01M10/653
H01M10/654
H01M10/659
H01M50/474
H01M50/48
H01M50/486
(21)【出願番号】P 2018186894
(22)【出願日】2018-10-01
【審査請求日】2021-05-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社SOKEN
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100117606
【氏名又は名称】安部 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100136423
【氏名又は名称】大井 道子
(74)【代理人】
【識別番号】100121186
【氏名又は名称】山根 広昭
(72)【発明者】
【氏名】上田 賢治
(72)【発明者】
【氏名】神谷 正人
【審査官】小森 重樹
(56)【参考文献】
【文献】特開2005-259567(JP,A)
【文献】特開平07-192753(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/0587
H01M 10/04
H01M 10/613
H01M 10/647
H01M 10/653
H01M 10/654
H01M 10/659
H01M 50/474
H01M 50/48
H01M 50/486
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
シャットダウン機能を有するセパレータを介して正極および負極が重ね合わされ軸芯の周りに捲回された電極体と、電解質と、を備えた二次電池であって、
前記軸芯は、
前記二次電池の発熱を吸熱する吸熱部材と、
前記二次電池の発熱によって膨張する熱膨張部材と、
を備え
ており、
前記吸熱部材には、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、および、セルロースの少なくともいずれかが使用されており、
前記熱膨張部材には、液体または液状ガスを内包する熱膨張カプセルが使用されており、
前記熱膨張部材は前記吸熱部材よりも内側に設けられていることを特徴とする、二次電池。
【請求項2】
前記吸熱部材は、
高密度ポリエチレンである第1吸熱部材と
ポリプロピレンおよびセルロースの少なくともいずれかである第2吸熱部材とを備えており、
前記第1吸熱部材が吸熱反応を生じる温度域には、前記セパレータのシャットダウン温度が含まれており、
前記第2吸熱部材が吸熱反応を生じる温度域は、前記第1吸熱部材が吸熱反応を生じる温度域よりも高い温度域であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項3】
前記第2吸熱部材は、前記第1吸熱部材よりも前記軸芯における内側に設けられていることを特徴とする、請求項2に記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、捲回電極体を備えた二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、誤操作等によって所定以上の電流が供給されると、通常使用時の電圧を超えて過充電となることがある。過充電が進行すると、活物質(典型的には正極活物質)の発熱や電解液の分解等が顕著となる。その結果、電池内部の温度が過度に上昇して、電池自体に不具合を生じることがあり得る。過充電の進行を停止する安全機構の一例として、所謂シャットダウン機能を有するセパレータが知られている。かかるセパレータでは、電池内部の温度がシャットダウン温度まで上昇すると、構成材料が軟化(溶融)あるいは熱収縮(以下、纏めて「収縮」という場合もある)して、微細孔が閉塞する。その結果、正負極間の電荷担体の移動が遮断されて、充放電反応が停止する。
【0003】
また、特許文献1に記載されている二次電池は、捲回電極体の軸芯に、セパレータのシャットダウン温度以上であって正極の熱分解温度よりも低い温度域で吸熱反応を生じる金属材料を備える。特許文献1の二次電池では、セパレータのシャットダウン後の温度上昇が、金属材料の吸熱反応によって抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前述したように、セパレータの温度がシャットダウン温度まで上昇すると、セパレータの構成材料は収縮する。本願の発明者は、セパレータがシャットダウンして収縮することで、電極間に隙間が生じて電極体内部の放熱経路が減少し、電極体の放熱性が低下するという課題を見出した。二次電池の不具合を抑制するためには、セパレータのシャットダウン後の放熱性の低下もより適切に抑制できることが望ましい。
【0006】
本発明の典型的な目的は、シャットダウン機能を有するセパレータを使用しつつ、良好な放熱性を発揮することが可能なリチウムイオン二次電池等の二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様の二次電池は、シャットダウン機能を有するセパレータを介して正極および負極が重ね合わされ軸芯の周りに捲回された電極体と、電解質と、を備えた二次電池であって、上記軸芯は、二次電池の発熱を吸熱する吸熱部材と、二次電池の発熱によって膨張する熱膨張部材と、を備えたことを特徴とする。
【0008】
上記構成の二次電池では、軸芯に設けられた吸熱部材によって、電極体の温度上昇が抑制される。さらに、電極体の温度が上昇し、セパレータがシャットダウンして収縮した場合でも、軸芯に設けられた熱膨張部材が膨張することで、電極間に隙間が生じることが抑制される。その結果、電極体内部の放熱経路が減少することが抑制される。よって、電極体の放熱性が良好に発揮される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】本実施形態の二次電池1の内部構成を模式的に示す縦断面図である。
【
図2】
図1におけるA-A線矢視方向断面図である。
【
図3】
図2に示す捲回電極体10の、厚み方向の中央部Oの近傍の拡大断面図である。
【
図4】本実施形態の吸熱部材に用いられる部材のDSC測定結果を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本開示における典型的な実施形態の1つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚み等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
【0011】
図1に示す二次電池1は、捲回電極体10、電解質(ここでは電解液)29、および電池ケース20を備えた密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池ケース20は、捲回電極体10および電解液29を内部に密閉した状態で収容する。本実施形態における電池ケース20の形状は、扁平な箱型、即ち直方体形状(いわゆる角形形状)である。具体的には、本実施形態に係る電池ケース20は、一端に開口部を有する箱型の本体22と、該本体22の開口部を塞ぐ板状の蓋体24を備える。電池ケース20(詳細には蓋体24)には、外部接続用の正極端子26および負極端子28が設けられている。電池ケース20の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。ただし、電池ケースの構成を変更することも可能である。例えば、電池ケースとして、可撓性を有するラミネートが用いられてもよい。また、電池ケースの形状は、角形以外の形状(例えば円筒状等)であってもよい。
【0012】
捲回電極体10の構造は、正極11および負極15(
図3参照)がセパレータ19(
図3参照)を介して重ね合わされて(積層されて)、軸芯30の周りに捲回された構造である。典型的には、長尺状の正極シートと長尺状の負極シートが、長尺状のセパレータシートを介して重ね合わされて、軸芯30の周りに長尺方向に捲回されている。
図1および
図2に示すように、本実施形態の捲回電極体10の全体および軸芯30の形状は、扁平形状である。換言すると、
図2に示すように、捲回軸に直交する断面における捲回電極体10の全体および軸芯30の形状は、略角丸長方形状である。軸芯30は、捲回電極体10の厚み方向(
図2における左右方向)の中央部Oの近傍に位置する。軸芯30の詳細については後述する。
【0013】
正極11は、典型的には、長尺状の正極集電体12と、正極集電体12の表面に形成された正極活物質層を備える。正極集電体12としては、良好な導電性を有する金属材(例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)を採用できる。正極活物質層は、典型的には、正極集電体12の表面に長尺方向に沿って所定の幅で(帯状に)形成されている。正極集電体12の長手方向に直交する幅方向の一方の端部は、正極活物質層が形成されていない正極活物質層非形成部分13となっている。正極活物質層非形成部分13には正極集電板14が電気的に接続され、正極集電板14には正極端子26が電気的に接続されている。正極活物質層の正極活物質としては、例えば層状構造やスピネル構造等のリチウム複合金属酸化物(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiCoO2、LiFeO2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4,LiCrMnO4、LiFePO4等)が挙げられる。正極活物質層は、正極活物質と必要に応じて用いられる材料(導電材、バインダ等)とを適当な溶媒(例えばN-メチル-2-ピロリドン:NMP)に分散させ、ペースト状(またはスラリー状)の組成物を調製し、該組成物の適当量を正極集電体12の表面に付与し、乾燥することによって形成することができる。
なお、ここに開示される二次電池がリチウムイオン二次電池以外の二次電池の場合は、それぞれの電池に適する正極活物質が用いられる。例えば、ナトリウムイオン二次電池の場合はナトリウム遷移金属複合酸化物、マグネシウム二次電池の場合はマグネシウム遷移金属複合酸化物、硫化物等が用いられる。
【0014】
負極15は、典型的には、長尺状の負極集電体16と、負極集電体16の表面に形成された負極活物質層を備える。負極集電体16としては、良好な導電性を有する金属材(例えば、銅、ニッケル等)を採用できる。負極活物質層は、典型的には、負極集電体16の表面に、長尺方向に沿って正極活物質層よりも広い幅で(帯状に)形成されている。負極集電体16における幅方向の両端部のうち、正極活物質層非形成部分13が位置する側と反対側の端部は、負極活物質層が形成されていない負極活物質層非形成部分17となっている。負極活物質層非形成部分17には負極集電板18が電気的に接続され、負極集電板18には負極端子28が電気的に接続されている。負極活物質層の負極活物質としては、例えば、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状(或いは球状、鱗片状)の炭素材料、リチウム遷移金属複合酸化物、リチウム遷移金属複合窒化物等が挙げられる。負極活物質層は、負極活物質と必要に応じて用いられる材料(バインダ等)とを適当な溶媒(例えばイオン交換水)に分散させ、ペースト状(またはスラリー状)の組成物を調製し、該組成物の適当量を負極集電体16の表面に付与し、乾燥することによって形成することができる。なお、ここに開示される二次電池がリチウムイオン二次電池以外の二次電池の場合は、それぞれの電池に適する負極活物質が用いられる。
【0015】
セパレータ19は、シャットダウン温度で軟化(溶融)あるいは熱収縮(以下、纏めて「収縮」という場合もある)して微細孔が閉塞するシャットダウン機能を有する。例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド、ポリイミド等の樹脂から成る多孔質樹脂シート(フィルム、不織布等)が挙げられる。典型的には、セパレータ19を構成する樹脂の融点は、100℃以上、例えば110℃以上、あるいは120℃以上であり、170℃以下、例えば150℃以下、あるいは140℃以下である。捲回電極体10の内部温度が過度に上昇する前にセパレータ19がシャットダウンすることで、正負極間の充放電反応が停止される。
【0016】
電解液29は、典型的には溶媒と支持塩を含む。溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の非水溶媒を用いることができる。支持塩としては、種々のリチウム塩を用いることができ、なかでもLiPF6、LiBF4等のリチウム塩が好適である。なお、ここに開示される二次電池がリチウムイオン二次電池以外の二次電池の場合は、それぞれの電池に適する溶媒と支持塩(例えばナトリウムイオン二次電池の場合はナトリウム塩、マグネシウム二次電池の場合はマグネシウム塩等)が用いられる。なお、電解質としては、上述したような電解液(液体電解質)のほか、所定のポリマーに電解液を含ませてゲル化したポリマー電解質、あるいは電解質が全て固体からなる固体電解質であってもよい。
【0017】
図3を参照して、捲回電極体10における厚み方向中央部Oの近傍の構成について説明する。前述したように、捲回電極体10では、正極11および負極15がセパレータ19を介して積層された状態で、軸芯30の周りに捲回されている。
図3に示す例では、軸芯30に隣接する位置において4つのセパレータ19が重ね合わされて捲回された後、中心部から外側に向けて順に負極15、セパレータ19、正極11、およびセパレータ19が積層されて捲回されている。ただし、軸芯30に隣接する位置におけるセパレータ19の構成を変更することも可能である。
【0018】
軸芯30は、吸熱部材40と熱膨張部材50を備える。吸熱部材40は、二次電池1の発熱を吸熱する。従って、捲回電極体10の温度上昇が抑制される。また、熱膨張部材50は、二次電池1の発熱によって膨張する。捲回電極体10の温度が上昇し、セパレータ19がシャットダウンして収縮した場合でも、熱膨張部材50が膨張することで、電極間(つまり、正極11、負極15、およびセパレータ19の間)に隙間が生じることが抑制される。その結果、捲回電極体10の内部の放熱経路が減少することが抑制されて、放熱性が良好に発揮される。
【0019】
吸熱部材40および熱膨張部材50を備えた軸芯30の全体、または軸芯30の表面は、耐電解液性および絶縁性を有する部材(例えば、樹脂またはセラミック等)によって形成されている。従って、捲回電極体10の内部に組み込まれる軸芯30は、充放電および電池寿命に影響を与え難い。本実施形態では、吸熱部材40および熱膨張部材50自体が耐電解液性および絶縁性を有する。以下、本実施形態における吸熱部材40および熱膨張部材50について詳細に説明する。
【0020】
本実施形態の吸熱部材40は、吸熱反応を生じる温度域が互いに異なる複数の吸熱部材を備えている。詳細には、本実施形態の吸熱部材40は、第1吸熱部材42と第2吸熱部材44を備える。
【0021】
第1吸熱部材42が吸熱反応を生じる温度域には、セパレータ19のシャットダウン温度が含まれる。従って、第1吸熱部材42が吸熱することで、セパレータ19がシャットダウンするタイミングを遅延させることができる。より詳細には、第1吸熱部材42における吸熱のピーク温度は、セパレータ19のシャットダウン温度未満である。従って、第1吸熱部材における吸熱のピーク温度がシャットダウン温度以上である場合に比べて、より効率良くシャットダウンのタイミングが遅延される。
【0022】
第2吸熱部材44が吸熱反応を生じる温度域には、第1吸熱部材42が吸熱反応を生じる温度域よりも高い温度域が含まれる。詳細には、第2吸熱部材44における吸熱のピーク温度は、セパレータ19のシャットダウン温度以上である。従って、第2吸熱部材44が吸熱することで、セパレータ19のシャットダウン後における捲回電極体10の温度上昇が適切に抑制される。
【0023】
図3に示すように、第2吸熱部材44は、第1吸熱部材42よりも軸芯30における内側に設けられている。つまり、吸熱反応を生じる温度域が互いに異なる複数の吸熱部材が用いられる場合、吸熱反応を生じる温度域が高い吸熱部材は、吸熱反応を生じる温度域が低い吸熱部材よりも内側に配置されることが望ましい。この場合、軸芯30よりも外側で発生する熱は、吸熱反応を生じる温度域が低い吸熱部材に伝導された後、吸熱反応を生じる温度域が高い吸熱部材に伝導される。従って、複数の吸熱部材の吸熱反応が、徐々に上昇する温度に応じて効率よく発揮される。つまり、本実施形態では、シャットダウンのタイミングが第1吸熱部材42によって遅延された後に、シャットダウン後における温度上昇が効率よく第2吸熱部材44によって抑制される。ただし、複数種類の吸熱部材の配置を変更することも可能である。
【0024】
吸熱部材40の材質には種々の材質を採用できる。本実施形態では、耐電解液性、絶縁性、および適切な吸熱性を有する樹脂材料が、吸熱部材40として用いられている。詳細には、本実施形態では、第1吸熱部材42には高密度ポリエチレンが使用されている。また、第2吸熱部材44には、ポリプロピレンおよびセルロースの少なくともいずれかが使用されている。ただし、吸熱部材40の材質はこれに限定されない。例えば、吸熱部材として、インジウム等の低融点金属材料が使用されてもよい。この場合、前述したように、吸熱部材のうち、少なくとも軸芯30の表面に位置する部分が、耐電解液性および絶縁性を有する材料によって覆われていてもよい。
【0025】
図4に示すチャートは、本実施形態の吸熱部材40(第1吸熱部材42および第2吸熱部材44)に用いられる部材の、DSC(Differential Scanning Calorimetry:示差走査熱量測定)による測定結果を示す。
図4に示すチャートでは、横軸が温度、縦軸が熱量を示す。また、高密度ポリエチレンおよびポリプロピレンは電解液を含まない状態で測定され、セルロースは電解液を含む状態で測定されている。
【0026】
図4に示すように、高密度ポリエチレンが吸熱反応を生じる温度域には、シャットダウン温度が含まれている。また、高密度ポリエチレンにおける吸熱のピーク温度は、セパレータ19のシャットダウン温度未満である。従って、高密度ポリエチレンは、第1吸熱部材42の材質として適している。
【0027】
ポリプロピレンが吸熱反応を生じる温度域には、第1吸熱部材42(本実施形態では高密度ポリエチレン)が吸熱反応を生じる温度域よりも高い温度域が含まれている。また、ポリプロピレンにおける吸熱のピーク温度は、セパレータ19のシャットダウン温度以上であり、且つ、捲回電極体10の上限温度以下である。従って、ポリプロピレンは、第2吸熱部材44の材質として適している。
【0028】
セルロースが吸熱反応を生じる温度域には、第1吸熱部材42(本実施形態では高密度ポリエチレン)が吸熱反応を生じる温度域よりも高い温度域が含まれている。また、セルロースは、高温で溶解して消滅するのではなく、炭化して残存し、その後熱容量として機能する。従って、セルロースの吸熱ピーク量はポリプロピレンの吸熱ピーク量よりも小さいが、セルロースも第2吸熱部材44の材質として適している。
【0029】
熱膨張部材50について説明する。本実施形態では、熱膨張部材50自身が耐電解液性および絶縁性を有している。熱膨張部材50には種々の部材を採用できる。熱膨張部材50は、自身が膨張してもよいし、膨張するフィラー等を含有していてもよい。例えば、ダイフォームV(登録商標)、マツモトマイクロスフェアー(登録商標)、クレハマイクロスフェアー(登録商標)、Expancel(登録商標)等、液体または液状ガスを内包する熱膨張マイクロカプセル等が、熱膨張部材50として使用されてもよい。
【0030】
図3に示すように、本実施形態では、熱膨張部材50は吸熱部材40よりも内側に設けられている。従って、軸芯30よりも外側で発生する熱は、吸熱部材40に伝導された後に、吸熱部材40から熱膨張部材50に伝導される。この場合、吸熱部材40(特に、第1吸熱部材42)によってセパレータ19のシャットダウンのタイミングが遅延された後に、吸熱部材40よりも内側に設けられた熱膨張部材50が膨張し、シャットダウンによって電極間に隙間が生じることが抑制される。よって、発熱による影響がより効率よく抑制される。ただし、軸芯30における熱膨張部材50および吸熱部材40の配置を変更することも可能である。
【0031】
なお、捲回電極体10の製造方法は適宜選択できる。一例として、本実施形態では、吸熱部材40となる部材(例えば樹脂フィルム等)が巻きつけられた捲回軸の表面に、セパレータ19、負極15、および正極11が重ねられた状態で捲回される。次いで、作成された捲回体から捲回軸が引き抜かれた後、中心部への熱膨張部材50の挿入工程、および、捲回体の整形工程が行われることで、捲回電極体10が製造される。ただし、製造方法を変更することも可能である。例えば、熱膨張部材50および吸熱部材40によって形成された捲回軸に、セパレータ19、負極15、および正極11が捲回されてもよい。
【0032】
<比較試験>
図5を参照して、上記実施形態の二次電池1の効果を確認するための過充電試験の結果について説明する。
図5は、捲回電極体における軸芯の構成が互いに異なり、他の構成は共通する4つの二次電池の各々に対して行われた過充電試験の結果を示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は捲回電極体の温度を示す。B1は、吸熱部材および熱膨張部材が共に軸芯に含まれていない従来の二次電池に対する試験結果を示す。B2は、高密度ポリエチレン(上記実施形態における第1吸熱部材42)のみが軸芯に含まれた二次電池に対する試験結果を示す。B3は、高密度ポリエチレンと、ポリプロピレン(上記実施形態における第2吸熱部材44)が軸芯に含まれた二次電池に対する試験結果を示す。B3の試験対象となった二次電池の軸芯には、熱膨張部材は含まれていない。B4は、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、および熱膨張部材が軸芯に含まれた、上記実施形態の二次電池1に対する評価試験を示す。なお、温度CSは、各々の二次電池に用いられていたセパレータのシャットダウン温度を示す。また、捲回電極体の軸芯の構成以外の試験条件は、全て同一である。
【0033】
図5に示すように、B1の試験では、時間T1でセパレータがシャットダウンした後も温度が上昇し続けて、短絡が発生した。これに対し、B2の試験では、セパレータのシャットダウン時間T2は、B1の試験におけるシャットダウン時間T1よりも遅延し、且つ、短絡も発生しなかった。これにより、第1吸熱部材42によってセパレータのシャットダウンのタイミングが遅延することが分かる。
【0034】
また、B3の試験では、セパレータのシャットダウン後のピーク温度C3が、B2の試験におけるピーク温度C2よりも低くなった。これにより、第2吸熱部材44によって、セパレータのシャットダウン後における捲回電極体の温度上昇が適切に抑制されることが分かる。
【0035】
また、B4の試験では、セパレータのシャットダウン後のピーク温度C4が、B3の試験におけるピーク温度C3よりもさらに低くなった。これにより、熱膨張部材によって捲回電極体の放熱性がさらに良好に発揮されることが分かる。なお、B4の試験では、セパレータのシャットダウン時間T4も、B3の試験におけるシャットダウン時間T3よりも遅延した。これは、熱膨張部材が吸熱部材としても機能しているためであると考えられる。
【0036】
上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記実施形態で例示された技術を変更することも可能である。例えば、上記実施形態では2種類の吸熱部材(第1吸熱部材42および第2吸熱部材44)が用いられた。しかし、3種類以上の吸熱部材が用いられてもよい。また、第1吸熱部材42および第2吸熱部材44のうちの一方のみが用いられてもよい。
【符号の説明】
【0037】
1 二次電池
10 捲回電極体
11 正極
15 負極
19 セパレータ
29 電解液
30 軸芯
40 吸熱部材
50 熱膨張部材