JPH10172574A

JPH10172574A - 電池

Info

Publication number: JPH10172574A
Application number: JP8353548A
Authority: JP
Inventors: Mikio Okada; 幹雄岡田
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】電極表面積の大きい大型電池において、充電状
態で釘差し試験、圧壊試験などの安全性試験をおこなっ
た場合においても、内部短絡電流を小さくし、急激な発
熱、電解液の気化及びそれに伴う電池の内圧上昇を抑
え、爆発及び発火などが生じ難い電池を提供する。【解決手段】電気的に複数に分離された集電体を有する
電極を備えた電池、又は、電気的に複数に分離された集
電体を有する電極を備え、前記の分離された集電体同士
を電気的に接続する保護回路、ＰＴＣ素子、ヒューズな
どの電気的な切り放し機能を有する素子を備えた電池と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気的に複数に分
離された集電体を有する電極を備えたことを特徴とする
電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の発展に伴って、高エネ
ルギー密度の電池が市場から強く求められており、ニッ
ケル・水素電池、リチウムイオン電池などのエネルギー
密度の高い二次電池が実用化されてきた。また、自動車
の排気ガスによる環境問題などから、電気自動車の開発
が盛んにおこなわれており、電気自動車用の高エネルギ
ー密度大型二次電池の開発も併せて各社で進められてい
る。一個の電池を大容量とした場合には、複数の小容量
の電池を並列に接続した場合よりも、容量当たりのコス
トを削減することができ、また、電池全体に占める電池
ケースの体積、重量の比を小さくすることができるた
め、より高エネルギー密度の電池を製作することができ
る。

【０００３】しかし、充電状態で釘差し試験、圧壊試験
などの安全性試験をおこなった場合には、内部短絡箇所
に流れる電流は電極表面積に比例して大きくなる。した
がって、電極表面積の大きい大型の高エネルギー密度電
池では、充電状態で釘差し試験、圧壊試験などの安全性
試験をおこなった場合に、電池内の短絡箇所に非常に大
きな電流が流れて急激な発熱が生じ、電解液が気化して
電池の内圧が急速に上昇するため、電池の爆発及び発火
などの危険性があった。特に、非水電解質を用いる電池
は、水による電池内の消火作用が期待できないため、水
溶液電解質を使用した電池と比較して内部短絡による安
全性に問題があった。その中でも、特に電解液に可燃性
有機溶媒を用いるリチウム電池は、内部短絡における安
全性に問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電極表面積
の大きい大型電池において、充電状態で釘差し試験、圧
壊試験などの安全性試験をおこなった場合においても、
内部短絡電流を小さくし、急激な発熱、電解液の気化及
びそれに伴う電池の内圧上昇を抑え、爆発及び発火など
が生じ難い電池を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の一つは、電気的
に複数に分離された集電体を有する電極を備えたことを
特徴とする全く新しい原理に基づく電池の発明によっ
て、内部短絡が生じた場合でも内部短絡電流を小さく
し、急激な発熱、電解液の気化及びそれに伴う電池の内
圧上昇を抑え、爆発及び発火などが生じ難い電池を提供
するものである。

【０００６】本発明の一つは、電気的に複数に分離され
た集電体を有する電極を備え、前記の分離された集電体
同士を電気的に接続する、保護回路、ＰＴＣ素子、ヒュ
ーズなどの電気的な切り放し機能を有する素子を備えた
ことを特徴とする、全く新しい原理に基づく電池の発明
によって、内部短絡が生じた場合でも内部短絡電流を小
さくし、急激な発熱、電解液の気化及びそれに伴う電池
の内圧上昇を抑え、爆発及び発火などが生じ難い電池を
提供するものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】従来の単セル電池においては、集
電体が電気的に複数に分離されていないため、電池内の
一カ所で内部短絡が生じた場合であっても、電池内の電
極の全体において電極反応が進行した。したがって、電
池を大型化し、電極表面積が大きくなるのに比例して、
内部短絡電流が大きくなり、内部短絡箇所の発熱、温度
上昇も激しくなり、電解液の気化による電池の内圧の急
速な上昇、電池の爆発及び発火などの危険性があった。
特に、電解液に可燃性有機溶媒を用いるリチウム電池
は、水溶液電解質を用いた電池と比較して内部短絡にお
ける安全性に問題があった。

【０００８】本発明の一つは、電気的に複数に分離され
た集電体を有する電極を備えたことを特徴とする電池を
提供することによって、上記の問題を解決する。本発明
においては、釘刺し、圧壊、その他の要因によって電池
に内部短絡が生じた場合であっても、集電体が電気的に
複数に分離されているために、電池内の電極全体で電極
反応がおこるわけではない。集電体が電気的に分離され
ているため、分離された集電体のうちの、内部短絡が生
じた集電体に対応する電極の部分のみにおいて電極反応
が進行し、それ以外の集電体に対応する電極の部分にお
いては電極反応が進行しない。したがって、１枚の電極
に用いられる集電体を、極力多数に電気的に分離し、１
個の分離された集電体の面積を極力小さくすることによ
って、内部短絡電流を極めて小さくし、内部短絡が生じ
た場合であっても安全な大型電池を得ることができる。

【０００９】本発明の一つは、電気的に複数に分離され
た集電体を有する電極を備え、前記の分離された集電体
同士を電気的に接続する、保護回路、ＰＴＣ素子、ヒュ
ーズなどの電気的な切り放し機能を有する素子を備えた
ことを特徴とする電池を提供することによって、上記の
問題を解決する。本発明においては、釘刺し、圧壊、そ
の他の要因によって電池に内部短絡が生じた場合であっ
ても、集電体が電気的に複数に分離されているために、
電池内の電極全体で電極反応がおこるわけではない。分
離された集電体を電気的に接続する保護回路、ＰＴＣ素
子、ヒューズなどの電気的な切り放し機能を有する素子
が、内部短絡発生時の大電流を検出し、瞬時に分離され
た集電体を電気的に切り放すことによって、分離された
集電体のうちの、内部短絡が生じた集電体に対応する電
極の部分のみにおいて電極反応が進行し、それ以外の集
電体に対応する電極の部分においては電極反応を阻止す
ることができる。したがって、１枚の電極に用いられる
集電体を、極力多数に電気的に分離し、１個の分離され
た集電体の面積を極力小さくすることによって、内部短
絡電流を極めて小さくし、内部短絡が生じた場合であっ
ても安全な大型電池を得ることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を好適な実施例を用いて説明す
る。

【００１１】電気的に分離された集電体の製作について
説明する。正極集電体は、大きさ５７ｍｍ×１５００ｍ
ｍ、厚さ２０μｍのポリプロピレンのシート１上に、真
空蒸着によってアルミニウム薄膜２を図１に示す形状で
両面に形成して製作した。負極集電体は、大きさ６０ｍ
ｍ×１６００ｍｍ、厚さ２０μｍのポリプロピレンのシ
ート１上に、真空蒸着によって銅薄膜２を図１に示す形
状で両面に形成して製作した。図１のポリプロピレンシ
ート１上に蒸着したアルミニウム又は銅の薄膜２は、図
１の左側の細く塗布された部分と、それ以外の太く塗布
された部分とからなり、太く塗布された部分の上に活物
質層を塗布する。電極は巻いて電池ケースに挿入する
が、その際、図１の左側が中心となるように巻き、図１
の左側の細く塗布されたアルミニウム又は銅の薄膜の部
分はリードとなる。

【００１２】正極活物質層の塗布について説明する。ま
ず、コバルト酸リチウム７０ｗｔ％、アセチレンブラ
ック６ｗｔ％、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤ
Ｆ）９ｗｔ％、ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）
１５ｗｔ％を混合したものを、図２に示すように、上記
の正極集電体上に塗布し、１５０℃で乾燥してＮＭＰを
蒸発させて正極活物質層３を形成した。以上の操作を正
極集電体の両面におこなった後にプレスをして正極とし
た。プレス後の正極の厚さは５１０μｍであり、単位面
積当たりに充填された活物質、導電剤及び結着剤の重量
は、６９μｇ／ｃｍ²であった。

【００１３】負極は次のようにして製作した。グラファ
イト８１ｗｔ％、ＰＶＤＦ９ｗｔ％、ＮＭＰ１０ｗｔ％
を混合したものを図２に示すように、上記の負極集電体
上に塗布し、１５０℃で乾燥してＮＭＰを蒸発させて負
極活物質層３を形成した。以上の操作を負極集電体の両
面におこなった後にプレスをして負極とした。プレス後
の負極の厚さは５７０μｍであった。

【００１４】このようにして準備した正極及び負極を、
図２の左端にある、正極及び負極のリード部が巻きの中
心になるようにして、多孔度４０％のポリエチレンセパ
レータを介在させて重ねて巻き、安全弁を備えた、高さ
１４１ｍｍ、幅６６．６ｍｍ、厚さ１９．２ｍｍのステ
ンレスケース１３中に挿入して、角形電池を組み立て
た。巻いた正・負極及びセパレータの積層体の最外周
は、ポリエチレンセパレータで覆い、正・負極と電池ケ
ースとが電気的に接触しないようにした。

【００１５】この電池は、電気的に分離された正・負極
の集電体に対応する、正・負極各５個の外部端子４と５
を有している。電気的に分離された正・負極の集電体２
は、表と裏で対となる集電体同士は電気的に接続し、結
果として正・負極の集電体２は各５個に分離された状態
となった。それらの正・負極の集電体２を、リード線に
よって個別に電池の外部端子４と５に電気的に接続し
た。

【００１６】この電池の内部に、エチレンカーボネート
（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比
率１：１で混合し、１ｍｏｌ／ｌのＬｉＰＦ₆を加えた
電解液６７ｇを真空注液によって加えた。このようにし
て、公称容量１１Ａｈ程度の、本発明による電池（Ａ）
を製作した。正・負極の５個ずつの外部端子４と５は、
電池ケース上に設置された保護回路６を介して正・負極
のそれぞれにおいて電気的に接続し、正・負極の各１個
の外部端子９と１０にまとめた。

【００１７】電池内の一部において内部短絡が生じた場
合には保護回路６中を大電流が流れるため、保護回路６
がその大電流を検出した場合には、保護回路６を介して
電気的に接続された集電体２同士を、一瞬で電気的に切
り放す仕組みとした。図３に本発明による電池（Ａ）の
外観図を示す。

【００１８】比較例として、正極集電体にアルミニウム
箔、負極集電体に銅箔を使用し、正・負極各１個の外部
端子を有すること以外は、本発明による電池（Ａ）と同
様にして公称容量１１Ａｈ程度の、従来から公知の電池
（Ｂ）を製作した。

【００１９】本発明による電池（Ａ）及び従来から公知
の比較例の電池（Ｂ）とを用いてつぎのような安全性の
比較試験をおこなった。これらの電池を、室温におい
て、１ＣＡの電流で４．５Ｖまで充電し、続いて４．５
Ｖの定電圧で２時間充電した後、３ｍｍ径の釘を電池に
刺して貫通させた。表１はその結果を示したものであ
る。

【００２０】

【表１】表１からわかるように、本発明による電池（Ａ）におい
ては安全弁が作動して発煙がなかったのに対し、従来か
ら公知の電池（Ｂ）においては電池ケースが破裂し、発
火および発煙が生じた。これらの結果から、本発明によ
る電池（Ａ）は、従来から公知の比較例の電池（Ｂ）よ
りも安全性に優れていることがわかる。

【００２１】正極及び負極の積層体を巻いた状態で電池
ケースに挿入した電池における釘刺し試験においては、
巻きの軸に対して垂直方向から釘を刺した場合に、短絡
箇所が多くなることから、最も安全性上問題となる。本
発明による電池（Ａ）においては、集電体が、正極及び
負極の積層体の巻きの軸に垂直な面で電気的に分離され
ているため、巻きの軸に対して垂直方向から釘を刺した
場合に、電気的に分離された集電体同士が釘によって短
絡する可能性が低くなっており、釘刺しに対してより安
全な電池となっている。

【００２２】また、釘刺し試験をおこなった場合に、電
気的に分離された集電体と、電池端子または電気的な切
り放し機能を有する素子とを結ぶ複数のリード間で短絡
が生じた場合には、本発明による安全化機構は十分に作
用しない。本発明における電池（Ａ）においては、前記
のリードが電池の中心部に配置されているため、電池の
中心部まで届かない程度に釘が刺さった場合には、前記
の複数リード間での短絡が生じず、釘刺しに対してより
安全な電池となっている。

【００２３】前記実施例においては、リチウムイオン電
池に本発明を適用しているが、負極に金属リチウムを使
用した金属リチウム電池であってもよい。また、本発明
は、リチウム電池などの非水電池に制限されるものでな
く、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、
鉛電池などの水溶液系電池であってもよい。

【００２４】前記実施例における非水電解質電池では、
有機電解液として、ＥＣとＤＥＣとの混合溶液を用いて
いるが、これに限定されるものではなく、エチレンカー
ボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネ
ート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、ス
ルホラン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジ
メチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、１，２−
ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラ
ヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキ
ソラン、メチルアセテート等の極性溶媒、もしくはこれ
らの混合物を使用してもよい。

【００２５】さらに、前記実施例においては、有機電解
液に含有させるリチウム塩としてＬｉＰＦ₆を使用して
いるが、その他に、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣｌ
Ｏ₄、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＩ、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣ
ｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣＦ₃ＣＯ₂等のリチウム塩、もしく
はこれらの混合物を用いてもよい。

【００２６】さらに、前記実施例においては、正極材料
たるリチウムを吸蔵放出可能な化合物としてＬｉＣｏ
Ｏ₂を使用したが、これに限定されるものではない。こ
れ以外にも、無機化合物としては、組成式Ｌｉ_xＭ
Ｏ₂、又はＬｉ_yＭ₂Ｏ₄（ただし、Ｍは遷移金属、０≦ｘ
≦１、０≦ｙ≦２）で表される、複合酸化物、トンネル
状の空孔を有する酸化物、層状構造の金属カルコゲン化
物を用いることができる。その具体例としては、ＬｉＣ
ｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、Ｌｉ₂Ｍｎ₂Ｏ₄、
ＭｎＯ₂、ＦｅＯ₂、Ｖ₂Ｏ₅、Ｖ₆Ｏ₁₃、ＴｉＯ₂、ＴｉＳ
₂等が挙げられる。また、有機化合物としては、例えば
ポリアニリン等の導電性ポリマー等が挙げられる。さら
に、無機化合物、有機化合物を問わず、上記各種活物質
を混合して用いてもよい。

【００２７】さらに、前記実施例においては、負極材料
たる化合物としてグラファイトを使用しているが、その
他に、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｄ等とリチウ
ムとの合金、ＬｉＦｅ₂Ｏ₃、ＷＯ₂等の遷移金属複合酸
化物、ＷＯ₂、ＭｏＯ₂等の遷移金属酸化物、高結晶性グ
ラファイト等の炭素質材料、Ｌｉ₅（Ｌｉ₃Ｎ）等の窒化
リチウム、もしくは金属リチウム、又はこれらの混合物
を用いてもよい。

【００２８】さらに、前記実施例においては、正・負極
間に介在させるセパレータとしてポリエチレンの多孔膜
を使用しているが、これに限定されるものではなく、ポ
リプロピレンの多孔膜、ポリエチレンとポリプロピレン
とを積層した多孔膜、ガラスマット又はポリマー電解質
などを用いてもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明による電池の
一つは、電気的に複数に分離された集電体を有する電極
を備えたことを特徴とする。これによって、大容量の電
池において内部短絡が生じた場合においても内部短絡電
流を小さくし、急激な発熱、電解液の気化及びそれに伴
う電池の内圧上昇を抑え、爆発及び発火などが生じ難い
電池を提供することができる。

【００３０】また、本発明による電池の一つは、電気的
に複数に分離された集電体を有する電極を備え、前記の
分離された集電体同士を電気的に接続する、保護回路、
ＰＴＣ素子、ヒューズなどの電気的な切り放し機能を有
する素子を備えたことを特徴とする。これによって、大
容量の電池において内部短絡が生じた場合においても内
部短絡電流を小さくし、急激な発熱、電解液の気化及び
それに伴う電池の内圧上昇を抑え、爆発及び発火などが
生じ難い電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例における本発明による電池（Ａ）の正・
負極集電体を示す図である。

【図２】実施例における本発明による電池（Ａ）の正・
負極を示す図である。

【図３】実施例における本発明による電池（Ａ）の外観
図である。

【符号の説明】

１ポリプロピレンシート２ポリプロピレンシート上に蒸着したアルミニウム又
は銅の薄膜３活物質塗布層４電気的に分離された正極集電体に対応する外部端子５電気的に分離された負極集電体に対応する外部端子６保護回路７電気的に分離された正極集電体に対応する外部端子
と保護回路とを接続するリード８電気的に分離された負極集電体に対応する外部端子
と保護回路とを接続するリード９正極端子１０負極端子１１正極端子と保護回路とを接続するリード１２負極端子と保護回路とを接続するリード１３電池ケース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気的に複数に分離された集電体を有する
電極を備えたことを特徴とする電池。
【請求項２】電気的に複数に分離された集電体を有する
電極を備え、前記の分離された集電体ごとに、個別に電
池端子を備えたことを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項３】電気的に複数に分離された集電体を有する
電極を備え、前記の分離された集電体同士を電気的に接
続する、保護回路、ＰＴＣ素子、ヒューズなどの電気的
な切り放し機能を有する素子を備えたことを特徴とする
請求項１又は２記載の電池。
【請求項４】電気絶縁体シート上に配置された電子電導
性膜からなる集電体を備えたことを特徴とする請求項
１、２又は３記載の電池。
【請求項５】電気的に複数に分離された集電体を有する
電極を備えたことを特徴とする電池であって、前記の分
離された集電体ごとに、活物質層が分離されて充填又は
塗布された電極を備えたことを特徴とする請求項１、
２、３又は４記載の電池。
【請求項６】巻回式発電要素を備えた電池であって、正
極及び負極の積層体の巻きの軸に垂直な面で電気的に分
離された集電体を有する電極を備えたことを特徴とする
請求項１、２、３、４又は５記載の電池。
【請求項７】巻回式発電要素を備えた電池であって、電
気的に複数に分離された集電体を有する電極を備えたこ
とを特徴とする電池であって、前記の電気的に分離され
た集電体と、電池の外部端子または電気的な切り放し機
能を有する素子とを結ぶリードを、正極及び負極の積層
体の巻きの中心に備えたことを特徴とする請求項１、
２、３、４、５又は６記載の電池。
【請求項８】角形電池であって、電池ケースの最も面
積の広い面に対して垂直な面で電気的に分離された集電
体を有する電極を備えたことを特徴とする請求項１、
２、３、４、５、６又は７記載の電池。
【請求項９】非水電解質を備えたことを特徴とする請
求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の電池。
【請求項１０】電解質にリチウムイオンを有すること
を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８又
は９記載の電池。