JP2000260474A - リチウム２次電池 - Google Patents
リチウム２次電池Info
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- lithium secondary
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Abstract
(57)【要約】
【課題】電力貯蔵用または電気自動車用の安全性の優れ
た２次電池の提供。 【解決手段】リチウムイオンが挿入脱離可能な正極およ
び負極、並びに、上記正負極を電気的に分離するセパレ
ータを有する充放電可能なリチウム２次電池であって、
渦状に倦回された電極集合体４を電池容器３内に支持す
る空洞の中心軸が、電池容器と開口部を一体に形成され
ていることを特徴とするリチウム２次電池。
た２次電池の提供。 【解決手段】リチウムイオンが挿入脱離可能な正極およ
び負極、並びに、上記正負極を電気的に分離するセパレ
ータを有する充放電可能なリチウム２次電池であって、
渦状に倦回された電極集合体４を電池容器３内に支持す
る空洞の中心軸が、電池容器と開口部を一体に形成され
ていることを特徴とするリチウム２次電池。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解液を用い
たリチウム２次電池に関する。
たリチウム２次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年では、環境面での要請から二酸化炭
素の削減、エネルギー消費の抑制などが強く求められて
いる。このために、電池を用いた電力貯蔵システムや電
気自動車などが新しい環境技術として注目されている。
素の削減、エネルギー消費の抑制などが強く求められて
いる。このために、電池を用いた電力貯蔵システムや電
気自動車などが新しい環境技術として注目されている。
【０００３】こうした電池として非水電解液を用いたリ
チウム二次電池は、電池電圧が高く、高エネルギー密度
であるため、コンピュータや携帯用電話器等の情報機器
用として実用化が進んでいる。しかし、こうした産業用
途の電池システムでは、民生機器以上に安全性が重視さ
れる。
チウム二次電池は、電池電圧が高く、高エネルギー密度
であるため、コンピュータや携帯用電話器等の情報機器
用として実用化が進んでいる。しかし、こうした産業用
途の電池システムでは、民生機器以上に安全性が重視さ
れる。
【０００４】リチウムイオン電池では、過充電、短絡、
圧壊等により電池が発火、破裂を起こすと云う問題があ
る。これに対応するために、電池内部の圧力上昇時の安
全を図る手段（機構）が設けられ、発生ガス等を外部に
放出することで、電池の破裂を防ぐなどが試みられてい
る。これについては、特開平９−１９９１０４号公報が
知られている。
圧壊等により電池が発火、破裂を起こすと云う問題があ
る。これに対応するために、電池内部の圧力上昇時の安
全を図る手段（機構）が設けられ、発生ガス等を外部に
放出することで、電池の破裂を防ぐなどが試みられてい
る。これについては、特開平９−１９９１０４号公報が
知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】リチウム２次電池は、
破裂、燃焼等の安全性に問題があり、安全弁等の従来の
安全手段では本質的な解決にはなっていない。
破裂、燃焼等の安全性に問題があり、安全弁等の従来の
安全手段では本質的な解決にはなっていない。
【０００６】本発明の目的は、従来の問題点を解決し、
より安全なリチウム２次電池を提供することにある。
より安全なリチウム２次電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。
明の要旨は次のとおりである。
【０００８】〔１〕 リチウムイオンが挿入脱離可能な
正極および負極、並びに、上記正極と負極とを電気的に
分離するセパレータを有する充放電可能なリチウム２次
電池であって、渦状に倦回された電極集合体を電池容器
内に支持する空洞の中心軸が、電池容器と開口部を一体
に形成されていることを特徴とするリチウム２次電池。
正極および負極、並びに、上記正極と負極とを電気的に
分離するセパレータを有する充放電可能なリチウム２次
電池であって、渦状に倦回された電極集合体を電池容器
内に支持する空洞の中心軸が、電池容器と開口部を一体
に形成されていることを特徴とするリチウム２次電池。
【０００９】〔２〕 前記空洞の中心軸が内部に冷媒を
循環できるよう構成されて前記のリチウム２次電池。
循環できるよう構成されて前記のリチウム２次電池。
【００１０】〔３〕 前記開口部が放熱手段を備えてい
る前記のリチウム２次電池。
る前記のリチウム２次電池。
【００１１】〔４〕 前記正極を構成する材料がＣｏ，
Ｎｉ，Ｍｎの１種以上を含有し、前記負極を構成する材
料が非晶質炭素または黒鉛である前記のリチウム２次電
池。
Ｎｉ，Ｍｎの１種以上を含有し、前記負極を構成する材
料が非晶質炭素または黒鉛である前記のリチウム２次電
池。
【００１２】〔５〕 前記正極を構成する材料が導電性
高分子，硫黄を含有する有機化合物、バナジウムを含有
する酸化物、または、ＴｉＳ2を含有し、負極を構成す
る材料がリチウム金属、または、リチウム合金であり、
電解質としてポリマ、または、ゲル電解質を用いた前記
のリチウム２次電池。
高分子，硫黄を含有する有機化合物、バナジウムを含有
する酸化物、または、ＴｉＳ2を含有し、負極を構成す
る材料がリチウム金属、または、リチウム合金であり、
電解質としてポリマ、または、ゲル電解質を用いた前記
のリチウム２次電池。
【００１３】
【発明の実施の形態】リチウム２次電池は、正極にはＬ
ｉと、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ等の遷移金属との複合酸化物を
用い、負極には黒鉛や炭素等を用いたものである。ま
た、電解質としてはＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ
4を含む有機電解液を用い、該液中をリチウムイオンが
移動することにより充放電するものである。
ｉと、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ等の遷移金属との複合酸化物を
用い、負極には黒鉛や炭素等を用いたものである。ま
た、電解質としてはＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ
4を含む有機電解液を用い、該液中をリチウムイオンが
移動することにより充放電するものである。
【００１４】従来の電池構造は、円筒状の電池密閉容器
の中央部に、電流取り出し用の正極端子が設置されてい
るのが一般的である。
の中央部に、電流取り出し用の正極端子が設置されてい
るのが一般的である。
【００１５】電極集合体は、正極、セパレータ、負極の
順に重ねてセンターピンと呼ばれるピンを軸として、巻
き付けることによって形成される。正極、および、負極
にはタブ状の引き出し部分が形成されており、これが取
り出し電極に取り出しリードで接続されている。安全性
を高めるためには、内部圧力の上昇による電池の破裂を
防ぐために、安全弁を設けるのが一般的である。
順に重ねてセンターピンと呼ばれるピンを軸として、巻
き付けることによって形成される。正極、および、負極
にはタブ状の引き出し部分が形成されており、これが取
り出し電極に取り出しリードで接続されている。安全性
を高めるためには、内部圧力の上昇による電池の破裂を
防ぐために、安全弁を設けるのが一般的である。
【００１６】上記に対し、本発明のリチウム２次電池で
は、電極集合体を冷却する手段を有することが特徴であ
る。センターピンに当る電極集合体の支持部が、密閉容
器と一体となった中空のもので、これが電池密閉容器を
貫通して外部に対して開口部を形成している。該開口部
を設置するために、正極および負極の電極取り出し端子
は、従来の電池のように中心軸状にあるのではなく、こ
れよりも外れた部位に設置される。
は、電極集合体を冷却する手段を有することが特徴であ
る。センターピンに当る電極集合体の支持部が、密閉容
器と一体となった中空のもので、これが電池密閉容器を
貫通して外部に対して開口部を形成している。該開口部
を設置するために、正極および負極の電極取り出し端子
は、従来の電池のように中心軸状にあるのではなく、こ
れよりも外れた部位に設置される。
【００１７】また、開口部は必ずしも電池密閉容器の中
心部に位置する必要はなく、外部から冷却媒体を流すこ
とが可能であれば、どのような位置にあってもよい。こ
の開口部には、冷却媒体、例えば、冷却水、空気、不活
性ガス、液体窒素などを循環させて充放電時に発生する
熱を除去できる構造になっている。
心部に位置する必要はなく、外部から冷却媒体を流すこ
とが可能であれば、どのような位置にあってもよい。こ
の開口部には、冷却媒体、例えば、冷却水、空気、不活
性ガス、液体窒素などを循環させて充放電時に発生する
熱を除去できる構造になっている。
【００１８】また、前記開口部には、フィラやヒートパ
イプなどの機械的な放熱手段を設置することもできる。
これら放熱手段を形成する材料は、銅やアルミなどの熱
伝導率の高いものが望ましい。
イプなどの機械的な放熱手段を設置することもできる。
これら放熱手段を形成する材料は、銅やアルミなどの熱
伝導率の高いものが望ましい。
【００１９】リチウム２次電池では、充放電時に発熱が
生じることが知られている。これによる温度上昇によっ
て電極からガス発生が起こったり、活物質が分解するこ
とにより急激な発熱が生じ、これが原因となって電池の
発火や破裂が起こる。
生じることが知られている。これによる温度上昇によっ
て電極からガス発生が起こったり、活物質が分解するこ
とにより急激な発熱が生じ、これが原因となって電池の
発火や破裂が起こる。
【００２０】電池の温度分布は、電極集合体の中心部で
より高くなっており、本発明のように電極集合体中心部
を冷却することにより、電池の安全性を飛躍的に高める
ことができる。
より高くなっており、本発明のように電極集合体中心部
を冷却することにより、電池の安全性を飛躍的に高める
ことができる。
【００２１】本発明の電池の作製方法は、次のとおりで
ある。ここでは、円筒型電池について記述するが、角形
電池であっても、同様に電池中心部に開口部を設けるこ
とで、同様に安全性を高めることができる。
ある。ここでは、円筒型電池について記述するが、角形
電池であっても、同様に電池中心部に開口部を設けるこ
とで、同様に安全性を高めることができる。
【００２２】まず、金属箔の集電体上に正極および負極
の活物質を、有機結着剤および導電剤と共に混合塗布す
る。正極活物質としては、スピネル型構造のＬｉ−Ｍｎ
−Ｏ酸化物、例えば、Ｌｉ／Ｍｎ比が０.５２より高い
ものや、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2やこれらの置換材量
を用いるのが望ましく、また、負極活物質としては、非
晶質炭素および黒鉛との混合物を用いるのが望ましい。
の活物質を、有機結着剤および導電剤と共に混合塗布す
る。正極活物質としては、スピネル型構造のＬｉ−Ｍｎ
−Ｏ酸化物、例えば、Ｌｉ／Ｍｎ比が０.５２より高い
ものや、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2やこれらの置換材量
を用いるのが望ましく、また、負極活物質としては、非
晶質炭素および黒鉛との混合物を用いるのが望ましい。
【００２３】電解質として、ポリエチレンオキシドやＰ
(ＰＯ6)ＬｉＣＦ3ＳＯ3のようなゲル電解質を用いる場
合には、正極としてＴｉＳ2や硫黄を含む有機化合物を
用いることもできる。
(ＰＯ6)ＬｉＣＦ3ＳＯ3のようなゲル電解質を用いる場
合には、正極としてＴｉＳ2や硫黄を含む有機化合物を
用いることもできる。
【００２４】これに導電材および結着剤を混合し、圧
延、乾燥した後に、中空管を支持体のセンターピンとし
て、電極集合体を倦回する。上記中空管は、必ずしも円
筒状のものである必要はなく、電池形状に応じて断面が
楕円形、あるいは、角形のものを用いることもできる。
延、乾燥した後に、中空管を支持体のセンターピンとし
て、電極集合体を倦回する。上記中空管は、必ずしも円
筒状のものである必要はなく、電池形状に応じて断面が
楕円形、あるいは、角形のものを用いることもできる。
【００２５】電極集合体は、正極、微細孔を有するセパ
レータ材料、および、負極をこの順に重ねてセンターピ
ンの周囲に巻き付けて形成する。
レータ材料、および、負極をこの順に重ねてセンターピ
ンの周囲に巻き付けて形成する。
【００２６】電池密閉容器の上部および底部のほぼ中心
に、予め、前記中空のセンターピンを取り付けることが
できる穴が設けておき、ここに電極集合体を取り付け
て、センターピンと電池密閉容器の上部および底部を溶
接し電池容器を形成する。
に、予め、前記中空のセンターピンを取り付けることが
できる穴が設けておき、ここに電極集合体を取り付け
て、センターピンと電池密閉容器の上部および底部を溶
接し電池容器を形成する。
【００２７】この後、上記密閉容器中に電解液を注入す
ることにより２次電池を完成する。また、固体電解質を
用いる場合には、セパレータに固体電解質を塗布、また
は、重合させて同時に巻き込むようにすることで、後か
ら電解液を注入しない方法もある。
ることにより２次電池を完成する。また、固体電解質を
用いる場合には、セパレータに固体電解質を塗布、また
は、重合させて同時に巻き込むようにすることで、後か
ら電解液を注入しない方法もある。
【００２８】電池容器の中心部に開口部を形成し電池中
心部を冷却する冷却手段を設けることにより、電池内部
の発熱を緩和し発火、破裂等を防止する。また、開口部
に冷却媒体を流通して冷却することで、電池内部の発熱
をより緩和し発火、破裂等の防止を更に向上することが
できる。次に、本発明を実施例に基づき具体的に説明す
る。
心部を冷却する冷却手段を設けることにより、電池内部
の発熱を緩和し発火、破裂等を防止する。また、開口部
に冷却媒体を流通して冷却することで、電池内部の発熱
をより緩和し発火、破裂等の防止を更に向上することが
できる。次に、本発明を実施例に基づき具体的に説明す
る。
【００２９】〔実施例 １〕本発明の円筒型電池の模式
断面構造を図１に示す。放熱手段としてヒートパイプ１
が、電池容器のほぼ中心のセンターピン２に挿入されて
いる。電池容器３と中空部２は溶接によって密閉を保つ
ようになっている。
断面構造を図１に示す。放熱手段としてヒートパイプ１
が、電池容器のほぼ中心のセンターピン２に挿入されて
いる。電池容器３と中空部２は溶接によって密閉を保つ
ようになっている。
【００３０】電極集合体４は、電極リード５によって正
極端子６、および、負極端子７に接続されている。電極
集合体４で、発生した熱はヒートパイプ１から外部に放
出され、電極の発熱が抑制される。
極端子６、および、負極端子７に接続されている。電極
集合体４で、発生した熱はヒートパイプ１から外部に放
出され、電極の発熱が抑制される。
【００３１】〔比較例 １〕従来の電池構造における冷
却システムの一例と本発明の冷却システムの一例との比
較を図２に示す。
却システムの一例と本発明の冷却システムの一例との比
較を図２に示す。
【００３２】従来構造の電池（図２−ａ）では、その冷
却は電池外部からのみであり、冷却ファン１５等によっ
て電池容器３を空冷するのみであった。従って、冷却効
率はあまり良好とは云えなかった。
却は電池外部からのみであり、冷却ファン１５等によっ
て電池容器３を空冷するのみであった。従って、冷却効
率はあまり良好とは云えなかった。
【００３３】これに比べ、本発明の電池（図２−ｂ）で
は、最も温度上昇の大きい中心部を中空部２内に設けた
ヒートパイプ１を循環する冷媒を介して直接冷却するた
めに冷却効率が高く、電池の安全性向上に大きな効果が
ある。また、ヒートパイプ１内の冷媒は循環ポンプ１７
により冷却パイプ１６を循環させることで、より一層冷
却効率を高めることができる。なお、図示していない
が、冷媒は循環ライン内に設けた熱交換器等により冷却
する。
は、最も温度上昇の大きい中心部を中空部２内に設けた
ヒートパイプ１を循環する冷媒を介して直接冷却するた
めに冷却効率が高く、電池の安全性向上に大きな効果が
ある。また、ヒートパイプ１内の冷媒は循環ポンプ１７
により冷却パイプ１６を循環させることで、より一層冷
却効率を高めることができる。なお、図示していない
が、冷媒は循環ライン内に設けた熱交換器等により冷却
する。
【００３４】〔実施例 ２〕本発明による電池を製法を
図３の模式図により説明する。まず、底部蓋１３が予め
溶接された中空管をセンターピン２として、正極９、多
孔質樹脂からなるセパレータ１０、負極１１を重ねて倦
回し、電極集合体４を形成する（図３−ａ）。
図３の模式図により説明する。まず、底部蓋１３が予め
溶接された中空管をセンターピン２として、正極９、多
孔質樹脂からなるセパレータ１０、負極１１を重ねて倦
回し、電極集合体４を形成する（図３−ａ）。
【００３５】次に、と上部蓋１２と底部蓋１３に設けら
れた電極端子６、７に電極リード５を接続する（図３−
ｂ）。
れた電極端子６、７に電極リード５を接続する（図３−
ｂ）。
【００３６】上部蓋１２，底部蓋１３，電池容器３、中
空センターピン２をそれぞれ溶接して電池容器を密閉す
る（図３−ｃ）。次いで、予め設けた注液孔１４から電
解液を注入し密栓することにより電池を作成することが
できる。この電池の中空センターピン２内に、ヒートパ
イプ１を挿通して本発明の電池が完成される。
空センターピン２をそれぞれ溶接して電池容器を密閉す
る（図３−ｃ）。次いで、予め設けた注液孔１４から電
解液を注入し密栓することにより電池を作成することが
できる。この電池の中空センターピン２内に、ヒートパ
イプ１を挿通して本発明の電池が完成される。
【００３７】〔実施例 ３〕実施例１，２では、円筒型
電池を例示したが、角形電池においても中空構造を有す
る電池とすることで、実施例１，２と同様の効果を得る
ことができる。角形電池の概略図を図４に示す。
電池を例示したが、角形電池においても中空構造を有す
る電池とすることで、実施例１，２と同様の効果を得る
ことができる。角形電池の概略図を図４に示す。
【００３８】電池容器３に設けた中空のセンターピン２
を介してヒートパイプ（図示省略）を挿通し、電池内部
を冷却するように構成されている。
を介してヒートパイプ（図示省略）を挿通し、電池内部
を冷却するように構成されている。
【００３９】次に、前記実施例で示す本発明の冷却手段
を有する電池の半径方向の温度分布を、従来電池と比較
し図５に示す。
を有する電池の半径方向の温度分布を、従来電池と比較
し図５に示す。
【００４０】雰囲気温度を５０℃とし、１０Ｃのレート
で急速パルス充放電を繰り返した場合の電池内部温度の
半径方向の分布を計測した。
で急速パルス充放電を繰り返した場合の電池内部温度の
半径方向の分布を計測した。
【００４１】中心部に水を強制循環させて冷却した本発
明の電池では、その温度上昇は１５℃以下であった。こ
れに比べて、従来型の電池の中心部の温度は周辺温度よ
り約３５℃上昇していた。
明の電池では、その温度上昇は１５℃以下であった。こ
れに比べて、従来型の電池の中心部の温度は周辺温度よ
り約３５℃上昇していた。
【００４２】
【発明の効果】本発明により充放電時の電池内部の温度
上昇が抑制され、安全性の高い２次電池を提供すること
ができる。
上昇が抑制され、安全性の高い２次電池を提供すること
ができる。
【図１】本発明の円筒型電池の模式断面図である。
【図２】本発明および従来の２次電池冷却システムの比
較説明図である。
較説明図である。
【図３】本発明の２次電池の製法を示す模式図である。
【図４】本発明の角形電池の模式構成図である。
【図５】本発明および従来の２次電池のパルス充放電時
の温度分布を示すグラフである。
の温度分布を示すグラフである。
１…ヒートパイプ、２…センターピン、３…電池容器、
４…電極集合体、５…電極リード、６…正極端子、７…
負極端子、９…正極、１０…セパレータ、１１…負極、
１２…上部蓋、１３…底部蓋、１４…電解液注液孔、１
５…冷却ファン、１６…冷却パイプ、１７…循環ポン
プ。
４…電極集合体、５…電極リード、６…正極端子、７…
負極端子、９…正極、１０…セパレータ、１１…負極、
１２…上部蓋、１３…底部蓋、１４…電解液注液孔、１
５…冷却ファン、１６…冷却パイプ、１７…循環ポン
プ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永沼 義男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 5H003 AA04 AA10 BB01 BB02 BB04 BB05 BB06 BB12 BB32 5H022 AA09 AA18 BB06 KK00 KK03 5H028 AA01 AA06 BB08 CC08 CC12 EE01 EE04 EE05 EE06 FF09 5H029 AJ12 AK02 AK03 AK05 AK15 AK16 AL06 AL07 AL12 AM00 AM07 AM16 BJ00 BJ02 BJ14 BJ22 CJ07 DJ04 5H031 AA02 AA08 CC01 CC05 EE01 EE02 EE03 EE04 KK01 KK06 KK08
Claims (5)
- 【請求項１】 リチウムイオンが挿入脱離可能な正極お
よび負極、並びに、上記正極と負極とを電気的に分離す
るセパレータを有する充放電可能なリチウム２次電池で
あって、渦状に倦回された電極集合体を電池容器内に支
持する空洞の中心軸が、電池容器と開口部を一体に形成
されていることを特徴とするリチウム２次電池。 - 【請求項２】 前記空洞の中心軸が内部に冷媒を循環で
きるよう構成されている請求項１に記載のリチウム２次
電池。 - 【請求項３】 前記開口部が放熱手段を備えている請求
項１に記載のリチウム２次電池。 - 【請求項４】 前記正極を構成する材料がＣｏ，Ｎｉ，
Ｍｎの１種以上を含有し、前記負極を構成する材料が非
晶質炭素または黒鉛である請求項１に記載のリチウム２
次電池。 - 【請求項５】 前記正極を構成する材料が導電性高分
子，硫黄を含有する有機化合物、バナジウムを含有する
酸化物、または、ＴｉＳ2を含有し、負極を構成する材
料がリチウム金属、または、リチウム合金であり、電解
質としてポリマ、または、ゲル電解質を用いた請求項１
に記載のリチウム２次電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5876799A JP2000260474A (ja) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | リチウム２次電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5876799A JP2000260474A (ja) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | リチウム２次電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000260474A true JP2000260474A (ja) | 2000-09-22 |
Family
ID=13093711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5876799A Pending JP2000260474A (ja) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | リチウム２次電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000260474A (ja) |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7264902B2 (en) | 2001-07-04 | 2007-09-04 | Nissan Motor Co., Ltd. | Battery system with excellent controllability for temperature |
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