JPH10199574A - 非水電解液電池 - Google Patents

非水電解液電池

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JPH10199574A JP8358331A JP35833196A JPH10199574A JP H10199574 A JPH10199574 A JP H10199574A JP 8358331 A JP8358331 A JP 8358331A JP 35833196 A JP35833196 A JP 35833196A JP H10199574 A JPH10199574 A JP H10199574A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】より信頼性の高い安全機構を備えた非水電解液
電池を提供する。 【解決手段】活物質を保持する導電性基体2a、3aに
導電性基体よりも高い抵抗値を有する抵抗体層2c、3
cを形成する。釘刺し試験のような過酷な状況において
も、集電体表面の抵抗層により抵抗が増大し、短絡時の
大電流放電を抑制することができるので、極めて安全性
の改良された非水電解液電池が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は非水電解液電池に関
するもので、釘刺しや電池破壊のような極めて厳しい状
況下での安全性の向上を可能とするものである。
【0002】
【従来の技術】大気汚染や二酸化炭素の増加等の環境問
題や、エネルギーの有効利用の観点から、電気自動車の
実用化や夜間発電エネルギーの貯蔵が望まれており、高
効率、高出力、高エネルギー密度、軽量等の特徴を有す
る優れた二次電池が望まれている。かかる観点から、従
来の水溶液系電解液を使用した電池の数倍のエネルギー
密度を有する、電解液に非水溶媒を使用した非水電解液
二次電池の実用化が待たれている。
【0003】非水電解液二次電池の正極活物質には、二
硫化チタンや、リチウムコバルト複合酸化物、リチウム
ニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、酸
化バナジウム、硫化モリブデン、酸化モリブデン等、種
々のものが検討されている。そして、これらの活物質を
アルミニウム、タンタル、ステンレス鋼等の箔材に保持
させることにより、正極として用いている。(特開平5
−290854号、特開平4−121962号)。
【0004】非水電解液二次電池の負極活物質として
は、従来より様々な物質が検討されてきたが、高エネル
ギー密度が期待されるものとして、リチウム系の負極が
注目を浴び、リチウム金属、リチウム合金、リチウムイ
オンを保持させた炭素やリチウムイオンを吸蔵・放出可
能な酸化物や硫化物等が検討されている。そして、これ
ら活物質を、ステンレス鋼箔材(特開平5−29021
号)、黄銅、燐青銅、アルミニウム青銅の箔材(特開平
5−36401号)、銅箔(特開平7−192724
号)等に保持させ、負極として用いている。
【0005】非水電解液は、非プロトン性の有機溶媒に
電解質となる金属塩を溶解させたものが用いられてい
る。例えば、リチウム塩に関しては、LiClO4、L
iPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3
をプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、
1,2-ジメトキシエタン、γ-ブチロラクトン、スルホ
ン、スルホラン、ジオキソラン、2-メチルテトラヒド
ロフラン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネー
ト等に溶解させたものが使用されている。
【0006】図1に、円筒形非水電解液二次電池の構成
例を示す。この図において、1は負極端子を兼ねるケー
ス、2は正極板、3は負極板、4はセパレータ、5は正
極リード、7は正極端子、8は安全弁、9はPTC素
子、10はガスケット、11は絶縁板であり、正極板2
とセパレータ4と負極板3とは巻回されてケース内に収
納されている。尚、この図では電解液の記載は省略され
ている。また、この図は円筒形リチウム二次電池のもの
であるが、角形非水電解液二次電池も本質的に類似の構
成である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】非水電解液電池は高エ
ネルギー密度であり、用いられている非水電解液の多く
は可燃性である。電池の短絡や誤使用により大電流が流
れると、異常な発熱を生じて、発火や電池破裂のおそれ
があった。
【0008】従来、このような現象を防ぐために、電気
回路にヒューズやPTC素子を用いて大電流の通電を防
止したり、電池容器内圧を下げるための安全弁が用いら
れたりしていた。また、電池内部での短絡や釘刺し試験
のような、電池内での異常な大電流に対しては、シャッ
トダウン機能と呼ばれる、ある特定温度で作動して電池
の放電電流を減少させる作用のある特殊なセパレータが
用いられていた。
【0009】釘刺し試験とは日本蓄電池工業会指針「リ
チウム二次電池の安全性評価基準ガイドラインSBAG
1101」や日本乾電池工業会の「カメラ用リチウム電
池の安全評価のためのガイドライン」に規定された試験
方法であり、電池の破損による最も激しい内部短絡を想
定したものである。
【0010】図2は釘刺し試験の概要を示す図であり、
水平に保持された非水電解液二次電池20に、油圧駆動
手段やモーター駆動手段を用いて、先端が鋭利に加工さ
れた金属製の棒状体(例えば、釘)を突き刺し、その結
果生ずる内部短絡にともなう発熱や電池内圧上昇の度合
いにより、電池の安全性を評価しようとするものであ
る。
【0011】図3は、釘刺し試験により内部短絡が生じ
た状態を示す模式図である。正極板2と負極板3とセパ
レータ4とを釘21が貫通することにより、両面に正極
活物質2bを有する正極基体2aと、両面に負極活物質
3bを有する負極基体3aとが釘21を介して電気的に
接続され、短絡状態になる。現在、一般に市販されてい
る小形非水電解液二次電池は、このような状況下でも安
全性が確保されるよう構成されている。
【0012】しかしながら、特に電気自動車用のような
大形の非水電解液二次電池では、内部短絡が起こると、
小形電池とは比較にならないような局所的に極めて異常
な大電流が流れるために、従来よりも信頼性の高い安全
機構を備えた非水電解液電池の出現が期待されていた。
本発明の目的は、そのような要請に答えうる非水電解液
電池を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】そこで、活物質が導電性
基体に保持された電極を備える非水電解液電池におい
て、導電性基体表面に、導電性基体よりも高い抵抗値を
有する抵抗体層が形成されていることを特徴とする非水
電解液電池の発明により、上記従来の課題を解決するも
のである。
【0014】
【発明の実施の形態】シャットダウン機能を有するセパ
レータは、高温にさらされると溶融破損してシャットダ
ウン機能を喪失してしまう。大容量を有する非水電解液
電池の場合、電池の破損が生じたり釘刺し試験を行った
りすると、正極と負極の導電性基体同士が接触して、い
わゆる内部短絡状態となり、局所的に大電流が流れ、ス
パークが発生したり異常温度上昇が生じたりするので、
シャットダウン機能を有するセパレータのみでは、完全
に短絡電流を低減させることはできなかった。
【0015】これに対して、導電性基体よりも高い抵抗
値を有する抵抗体層が表面に形成された導電性基体を用
いた非水電解液電池とすれば、例え内部短絡等が生じて
も導電性基体の表面の抵抗体層が抵抗になり、大電流が
流れることを防止しえるので、大容量の非水電解液電池
でも安全性は著しく改善される。
【0016】抵抗層を導電性基体に設けることは電池の
内部抵抗を増加させる作用を有しているが、抵抗値は接
触部の面積に反比例して変化するために、活物質からの
集電の妨げになることはほとんどない。釘刺し試験や局
所的なセパレータの破損による接触面積はわずかであ
り、極めて大きな抵抗値となるが、導電性基体と活物質
との集電面積(いわゆる作用面積)は極めて大きいため
に、電池の内部抵抗の増加は極めてわずかである。
【0017】
【実施例】正極にリチウムコバルト複合酸化物を、負極
にリチウムイオンを吸蔵させた炭素を、非水電解液とし
てLiPF6をエチレンカーボネートとプロピレンカー
ボネートの1:1混合溶媒に溶解させたものを使用し
て、図1に示す円筒形非水電解液電池を構成した。安全
弁として直径15mmの金属箔を使用し、電池内の圧力
が異常に上昇した場合は、外部に対して内圧を解放する
ようにした。電池寸法は直径52mm、高さ200mm
であり、電池重量は900gである。この電池の平均電
圧は3.6V、公称容量は30Ahである。これを基本
構成として、各種の正負極基体を用いて電池を構成し、
釘刺し試験を行った。
【0018】[実施例1]正極基体として、両面に抵抗
層を設けた0.02mm厚のアルミニウムを使用した。
抵抗層は炭素粉末とポリイミド樹脂との混合物を前記基
体に塗布することにより形成した。抵抗層の抵抗値とし
ては、0.1、1.0、10.0、20.0、100Ω
・cm2になるよう設定した。(本発明品)。このとき
の抵抗層の厚さは0.001〜0.01mmの間で変化
させた。。比較のため、表面に抵抗層を設けていない正
極基体(従来品)も準備した。尚、負極基体としては、
0.02mm厚の銅を用いた。用いたアルミニウム基体
の抵抗値は5.5×10-9Ω・cm2であり、、銅基体
の抵抗値は3.5×10-9Ω・cm2である。
【0019】これらの非水電解液電池を完全充電状態と
し、室温で釘刺し試験に供した。従来品は、釘刺し後3
0秒で、安全弁から電解液が噴出し、電池表面温度が3
70℃まで上昇した。一方、表面に抵抗層を設けた本発
明品は全て、7〜12分で最大115℃まで上昇した程
度であり、いずれも電解液の噴出は認められなかった。
【0020】[実施例2]負極基体として、両面に抵抗
層を設けた0.02mm厚の銅を使用した。抵抗層は炭
素粉末とポリイミド樹脂との混合物を前記基体に塗布す
ることにより形成した。抵抗層の抵抗値としては、0.
1、1.0、10.0、20.0、100Ω・cm2
なるよう設定した。(本発明品)。このときの抵抗層の
厚さは0.001〜0.01mmであった。比較のた
め、表面に抵抗層を設けていない負極基体(従来品)も
準備した。尚、正極基体としては、0.02mm厚のア
ルミニウムを用いた。用いたアルミニウム基体の抵抗値
は5.5×10-9Ω・cm2であり、、銅基体の抵抗値
は3.5×10-9Ω・cm2である。
【0021】これらの非水電解液電池を完全充電状態と
し、室温で釘刺し試験に供した。従来品は、釘刺し後2
9秒で、安全弁から電解液が噴出し、電池温度が380
℃まで上昇した。一方、表面に抵抗層を設けた本発明品
は、6〜12分で最大116℃まで上昇した程度であ
り、いずれも電解液の噴出は認められなかった。
【0022】[実施例3]両面に抵抗層を設けた実施例
1の正極基体と、両面に抵抗層を設けた実施例2の負極
基体とを用いて、非水電解液電池を構成し、同様に釘刺
し試験に供した。これらの電池は、いずれも釘刺し後1
0〜17分で最大118℃に到達した程度で、いずれも
安全弁からの電解液の噴出は認められなかった。
【0023】以上の通り、本発明によれば、釘刺し試験
のような過酷な条件においても、極めて安全性の高い非
水電解液電池を提供することができる。その理由として
は、図4の短絡状態拡大模式図に示すように、正極基体
2a表面の抵抗層2c、ないし/及び、負極基体3a表
面の抵抗層3cにより、釘21との接触部の抵抗が増大
したことにより、短絡時の大電流放電が抑制されたこと
によると推察される。
【0024】尚、本発明では、基体表面への抵抗体層の
形成を、炭素粉末とポリイミド樹脂との混合物を塗布す
ることにより形成したが、これに限らず、電解液や活物
質に耐食性のある樹脂が使用可能であり、炭素粉末の代
わりに金属粉末を使用したり、あるいは炭素粉末と金属
粉末の混合物を使用しても良い。また抵抗体層は高抵抗
の合金を使用して集電金属とのバイメタル構成(高抵抗
合金/導電性基体金属/高抵抗合金)としても良い。
【0025】抵抗体層の厚みについては、製造技術によ
って最適値が選定される。あまり薄いと極板を渦巻き状
にするとき剥離したりひび割れしたりするし、あまり厚
いと極板厚みが増大してエネルギー密度が低下してしま
う。抵抗体層の厚みは正極、負極ともに0.001〜
0.2mmが使用可能であるが、試験結果では0.00
1〜0.05mmが好適である。
【0026】抵抗体層の抵抗値は0.1〜100Ω・c
2が使用可能であった。抵抗体層の抵抗値はあまり大
きすぎると、通常の使用で要求される高率放電性能の低
下がもたらされる。電池の用途にもよるが、高率放電が
要求されるような電気自動車用では20Ω・cm2以下
が好適であった。
【0027】本発明における抵抗体層の抵抗値は単位面
積当たりの抵抗値である。一般に物質の抵抗値は比抵抗
で表示される。本発明で使用できる抵抗体の比抵抗は2
0Ωcm〜1MΩcmという広い範囲の比抵抗を示すも
のが使用できる。比抵抗の低いものは厚さが厚くてもよ
く、比抵抗の高いものは薄くする必要があり、抵抗体層
の厚さは0.001〜0.2mmの範囲で適宜変更可能
である。
【0028】
【発明の効果】以上、述べたように、本発明にかかる非
水電解液電池は、活物質を保持する導電性基体表面に導
電性基体よりも高い抵抗値を有する抵抗体層が形成され
ていることを特徴とする。これにより、釘刺し試験のよ
うな過酷な条件においても、集電体表面の抵抗層と釘と
の間の抵抗が増大し、短絡時の大電流放電を抑制するこ
とができるので、極めて安全性の改良された非水電解液
電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】円筒形非水電解液電池の構成を示す図である。
【図2】釘刺し試験の概要を示す図である。
【図3】釘刺し試験により内部短絡が生じた状態を示す
模式図である。
【図4】短絡状態拡大模式図である。
【符号の説明】
1 ケース 2 正極板 2a 正極基体 2b 正極活物質 2c 正極基体の抵抗層 3 負極板 3a 負極基体 3b 負極活物質 3c 負極基体の抵抗層 4 セパレータ 21 釘

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】活物質が導電性基体に保持された電極を備
    える非水電解液電池において、導電性基体表面に導電性
    基体よりも高い抵抗値を有する抵抗体層が形成されてい
    ることを特徴とする非水電解液電池。
  2. 【請求項2】抵抗体層の抵抗値が0.1〜100Ω・c
    2、より好ましくは、0.1〜20Ω・cm2であること
    を特徴とする請求項1記載の非水電解液電池。
  3. 【請求項3】抵抗体層の厚さが0.001〜0.2m
    m、より好ましくは0.001〜0.05mmであるこ
    とを特徴とする請求項1もしくは2記載の非水電解液電
    池。
  4. 【請求項4】抵抗体層が炭素粉末と樹脂との混合物であ
    ることを特徴とする請求項1、2もしくは3記載の非水
    電解液電池。
  5. 【請求項5】抵抗体層が金属粉末と樹脂との混合物であ
    ることを特徴とする請求項1、2もしくは3記載の非水
    電解液電池。
  6. 【請求項6】抵抗体層が高抵抗合金であることを特徴と
    する請求項1、2もしくは3記載の非水電解液電池。
  7. 【請求項7】抵抗体層が導電性樹脂であることを特徴と
    する請求項1、2もしくは3記載の非水電解液電池。
  8. 【請求項8】抵抗体層が炭素粉末と金属粉末および樹脂
    との混合物であることを特徴とする請求項1、2もしく
    は3記載の非水電解液電池。
  9. 【請求項9】抵抗体層の比抵抗は20Ωcm〜1MΩc
    mであることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、
    6、7もしくは8記載の非水電解液電池。
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