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JP5219587B2 - ラミネート式電池及びそのラミネート式電池を備えた電池モジュール - Google Patents

ラミネート式電池及びそのラミネート式電池を備えた電池モジュール Download PDF

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Description

本発明は、例えば、ロボット、電気自動車、バックアップ電源等に使用されるラミネート式電池及びそのラミネート式電池を備えた電池モジュールに関し、特に、ハイレートでの充放電特性を向上させることができるラミネート式リチウムイオン電池及びそのラミネート式リチウムイオン電池を備えた電池モジュールに関する。
近年、電池は、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の電源のみならず、ロボット、電気自動車、バックアップ電源などに使用されるようになってきており、さらなる高容量化が要求されるようになってきている。このような要求に対し、リチウムイオン電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるので、上記のような駆動電源として広く利用されている。
このようなリチウムイオン電池の電池形態としては、大別して、外装体に円筒または角型形状の金属製の外装缶を用いたものと、ラミネートフィルムを用いたものとがある。
特に有機電解液を用いたリチウムイオン電池においては、異常反応時による内部圧力の上昇が問題となっている。そのため、外装に金属缶を用いた電池では内部ガス圧が上昇した際に、ガスを外部に放出すると共に通電を遮断するガス排出弁を設けている。一方、外装にラミネートを用いた電池では、封止部の一部に耐圧力の低い部分を設け、内部圧力の上昇時に耐圧力の低い部分からガスを放出する構造のラミネート式電池（特許文献１参照）や、複数層で封止を行うと共に、この複数層間に圧力センサや歪みセンサ等の圧力検出素子を設け、封止が剥離した時に内部圧力の上昇を検知することを可能とする構造のラミネート式電池（特許文献２参照）が提案されている。
特開平１１−８６８２３号公報 特開２００７−６６６１２号公報
しかしながら、上記特許文献１の電池では、ガスの放出前に内部圧力の上昇を検知することができないので、外部へのガス放出を未然に防止できないという問題がある。また、上記特許文献２の電池では、圧力センサや歪みセンサを電池内に設ける必要があり、そのため、電池の生産性の低下やコストの上昇を招くという問題がある。
本発明は、上記の実情を鑑みて考え出されたものであり、その目的は、圧力センサや歪みセンサ等を設けることなく、内部ガスが外部に放出される前に内部圧力の上昇を検知することが可能なラミネート式電池を提供することである。
本発明は、正極板と、負極板とが、セパレータを介して配置された電極体を有すると共に、この電極体が、金属層の両側に樹脂層を備えた２枚のラミネートフィルムの周縁同士が溶着された溶着部を備えたラミネート外装体の収納空間内に配置される構造のラミネート式電池において、上記溶着部の一部に、ラミネートフィルム同士の内側樹脂層が存在せず金属層同士が接触して導通状態となっている内部ガス圧検出部が形成され、上記溶着部の両側面には、外側樹脂層が存在せず金属層が露出している電圧検出用孔が形成されていることを特徴とする。
上記の如く、溶着部の一部の金属層同士が導通していることにより、内部圧力の上昇によりこの部分の封止が剥離すると、金属層の電圧値の変化若しくは抵抗値の変化により、そのことを検知することが可能となる。この結果、電池に対する充放電を停止することが可能となる。また、圧力センサや歪みセンサを電池内に設ける必要がないため、電池の生産性の低下を防止できると共に、コストの上昇を招くこともない。
上記金属層を導通させた溶着部の外側に、溶着部が設けられている構成とするのが好ましい。このような構成であれば、外側の溶着部が剥離する前に内部圧力の上昇を検知することが可能となる。
上記外側の溶着部が、上記金属層を導通させた溶着部の耐圧と同等か若しくは高く設定されている構成であるのが好ましい。このような構成により、確実にガス放出前に内部圧力の上昇を検知することが可能となる。
上記内部ガス圧検出部が、ラミネートフィルムの全周縁に亘って形成される溶着部のうちの集電端子が突出した辺に存在する溶着部に形成されている構成であるのが好ましい。実際には、集電端子が突出した辺に存在する溶着部は、他の辺に存在する溶着部に比べて耐圧が若干小さいので、剥離しやすい。そこで、この剥離しやすい辺に存在する溶着部に内部ガス圧検出部を形成することにより、確実に剥離前の内部圧力の上昇を検知することが可能となる。
上記金属層がアルミニウムから成り、上記両側樹脂層のうちの内側樹脂層がポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレンテレフタラートのいずれかから成り、上記両側樹脂層のうちの外側樹脂層がポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレンテレフタラートのいずれかから成るのが好ましい。
上記正極板に用いられる正極活物質と、上記負極板に用いられる負極活物質とが、リチ
ウムを吸蔵放出できる材料から構成されていることが好ましい。正極活物質と負極活物質とがリチウムを吸蔵放出できる材料から構成されるリチウムイオン電池に適用すれば、電池の信頼性を向上しつつ、電池の大容量化を図ることができる。
また、本発明は、いずれかのラミネート式電池と、上記ラミネート式電池の電圧検出用孔に電気的に接続され、電池の内部圧力の上昇を抑制する保護回路と、を備え、上記保護回路は、上記ラミネート式電池を充電する負荷装置と、負荷装置から電池に電源を供給する充電ラインに介在するスイッチング素子と、電池の内部圧力を検出する内部圧力検出装置と、内部圧力検出装置の検出結果に基づいて内部圧力が所定値以上となった場合にスイッチング素子を遮断状態とする制御装置とを備えていることを特徴とする電池モジュールである。
上記構成であれば、内部圧力の上昇時に確実に充放電を停止することができるので、安全性が向上する。
本発明に係る電池モジュールは、上記ラミネート式電池を複数配列して組電池を構成すると共に、各ラミネート式電池は個別に上記保護回路に接続されている場合もある。各ラミネート式電池それぞれについて内部圧力の上昇を検出することが可能となる。
本発明に係る電池モジュールは、上記ラミネート式電池が複数配列して組電池を構成すると共に、各ラミネート式電池の一方側表面の電圧検出孔を順次接続し且つ最後列のラミネート式電池の一方側表面の電圧検出孔を上記保護回路の一方の接続線に接続し、さらに、各ラミネート式電池の他方側表面の電圧検出孔を順次接続し且つ最前列のラミネート式電池の他方側表面の電圧検出孔を上記保護回路の他方の接続線に接続している場合もある。このような構成であれば、全てのラミネート式電池について内部圧力の上昇を検出することが可能となる。
本発明によれば、圧力センサや歪みセンサ等を設けることなく、内部ガスが外部に放出される前に内部圧力の上昇を検知することが可能なる。
［実施の形態１］
以下、本発明の一例に係る積層式電池（角型リチウムイオン電池）を、図１〜図１２に基づいて説明する。なお、本発明におけるラミネート式電池の一種の積層式電池は、下記の形態に示したものに限定されず、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
（積層式電池の構造）
図２に示すように、積層式電池４０は積層電極体４を有しており、この積層電極体４は、正極板１と負極板２とがセパレータ３を介して多数積層され、且つ、最外位置には負極板２が配置される構造となっている。このように、最外位置に負極板２が配置されることから、負極板２の枚数が正極板１の枚数より１枚多くなるように構成されている（具体的には、正極板１は５０枚、負極板２は５１枚で構成されている）。また、図３に示すように、積層電極体４（積層電極体作製直後、即ち、ラミネート外装体の収納空間内に収納される前の厚さＬ１１は１２ｍｍ）の外周部には積層電極体４を跨ぐように、各電極板１、２や正極のずれを抑制するためのテープ５が貼着されている。更に、上記積層電極体４は、図１に示すような２枚のラミネートフィルム７を溶着することにより形成したラミネート外装体６の収納空間の内部に、電解液と共に封入されており、上記ラミネート外装体６からは、アルミニウム板（厚さ：０．５ｍｍ）から成る正極集電端子８と、銅板（厚さ：０．５ｍｍ）から成る負極集電端子９とが突出する構造となっている。尚、上記ラミネートフィルム７はアルミニウム箔の両面に樹脂層が形成される構造であり、また、図１の符号１７は２枚のラミネートフィルム７同士を溶着した溶着部である。
上記正極板１は、図４に示すように、方形状のアルミニウム箔（厚さ：１５μｍ）から成る正極用導電性芯体の両面に、ＬｉＣｏＯ2から成る正極活物質と、カーボンブラックから成る導電剤と、ポリフッ化ビニリデンから成る結着剤とから構成される正極活物質層１ａが設けられる構造となっている。上記正極板１の幅Ｌ１は９５ｍｍ、高さＬ２は９５ｍｍとなっており、また、正極板１の一辺からは、上記正極用導電性芯体と一体形成されると共に上記正極活物質層１ａが設けられていない正極集電タブ１ｂ（幅Ｌ３は３０ｍｍ、高さＬ４は２０ｍｍ）が突出しており、この正極集電タブ１ｂは、上記正極集電端子８の表裏面に重ねられた状態で、上記正極集電端子８と超音波溶接法にて溶着されている。
上記負極板２は、図５に示すように、方形状の銅箔（厚さ：１０μｍ）から成る負極用導電性芯体の両面に、天然黒鉛から成る負極活物質と、ポリフッ化ビニリデンから成る結着剤とから構成される負極活物質層２ａが設けられる構造となっている。上記負極板２の幅Ｌ５は１００ｍｍ、高さＬ６は１００ｍｍであり、負極板２の一辺からは、上記負極用導電性芯体と一体形成されると共に上記負極活物質層２ａが設けられていない負極集電タブ２ｂ（幅Ｌ７は３０ｍｍ、高さＬ８は２０ｍｍ）が突出おり、この負極集電タブ２ｂは、上記負極集電端子９の表裏面に重ねられた状態で、上記負極集電端子９と超音波溶接法にて溶着されている。
また、上記セパレータ３は、厚さが３０μｍポリプロピレン（ＰＰ）から成り、図６に示すように、幅Ｌ９は１００ｍｍ、高さＬ１０は１００ｍｍの方形状を成している。
ラミネート外装体６を構成するラミネートフィルム７は、図９〜図１１に示すように、ポリプロピレン（ＰＰ）から成る内側樹脂層７ａ（厚み：５０μｍ）と、アルミニウム箔から成る金属層７ｂ（厚み：４０μｍ）と、ナイロンから成る外側樹脂層７ｃ（厚み：２０μｍ）との３層構造となっている。２枚のラミネートフィルム７の周縁同士を溶着した溶着部１７は、図７〜図９に示すように、ラミネートフィルム７の４辺全部に形成される方形枠体状の外側溶着部１７ａ（幅ｄ１：１０ｍｍ）と、外側溶着部１７ａのうちの両端子８、９が存在する辺に存在する外側溶着部１７ａの内側に形成される内側溶着部１７ｂ（幅ｄ２：５ｍｍ）とから構成されている。外側溶着部１７ａの耐圧は、内側溶着部１７ｂの耐圧と同等か若しくは高く設定されている。即ち、内側溶着部１７ｂの耐圧は１．５ｋｇｆ／ｃｍ2〜外側設定値とされ、外側溶着部１７ａの耐圧は内側設定値〜５ｋｇｆ／ｃｍ2とされている。このように下限値を１．５ｋｇｆ／ｃｍ2に、上限値を５ｋｇｆ／ｃｍ2に規制したのは、下限値が低すぎると通常充放電時や温度変化による内圧上昇で検知してしまい、上限値が高すぎると異常発生時の影響がより大きくなることによる。
また、内側溶着部１７ｂには、図９（１）に示すように、内側樹脂層７ａが存在せず金属層７ｂ同士が接触して導通状態となっている内部ガス圧検出部３０が形成されている。この内部ガス圧検出部３０を設けることにより、図９（２）に示すように、内圧上昇により内側溶着部１７ｂが剥離した場合に、金属層７ｃの電圧値又は抵抗値の変化により、内圧上昇を検知することが可能となる。
また、溶着部１７の一方側表面には、図７及び図１０に示すように、外側樹脂層７ｃが存在せず金属層７ｂが露出している電圧検出用孔３１ａが形成されており、溶着部１７の他方側表面には、図８及び図１１に示すように、外側樹脂層７ｃが存在せず金属層７ｂが露出している電圧検出用孔３１ｂが形成されている。本実施例では電圧検出用孔３１ａ，３１ｂは溶着部１７の両側表面にそれぞれ設けたが、本発明はこれに限定されず、溶着部１７以外の部位に設けても電圧を検出することが可能である。この電圧検出用孔３１ａ，３１ｂに、図１２に示す保護回路３２を接続することにより、金属層７ｃの電圧値又は抵抗値の変化をモニタして、内圧上昇時に充電電池への充電を停止することが可能となる。なお、保護回路３２の具体的構成は、後述する。
（角型リチウムイオン電池の作製方法）
〔正極板の作製〕
正極活物質としてのＬｉＣｏＯ2を９０質量％と、導電剤としてのカーボンブラックを５質量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５質量％と、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを混合して正極スラリーを調製した。次に、この正極スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔（厚み:１５μｍ）の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで厚み０．１０ｍｍにまで圧縮した後、上述した幅Ｌ１及び高さＬ２になり且つ正極集電タブ１ｂが突出するように切断して正極板１を作製した。
〔負極板の作製〕
負極活物質としての天然黒鉛粉末を９５質量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５質量％と、溶剤としてのＮＭＰ溶液とを混合してスラリーを調製した後、このスラリーを負極集電体としての銅箔（厚み：１０μｍ）の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで厚み０．０８ｍｍにまで圧縮した後、上述した幅Ｌ７及び高さＬ８になり且つ負極集電タブ２ｂが突出するように切断して負極板２を作製した。
〔電池の作製〕
上述のようにして得られた負極板２（５１枚）と正極板１（５０枚）とを、セパレータ３を介して交互に積層して積層電極体４を作製した。尚、この積層電極体４における積層方向の端部には負極板２を配置した。次に、積層電極体４の４辺に、積層電極体４を跨ぐようにして、ずれ防止用のテープ５を貼着した。
次いで、積層電極体４から突出した５０枚の正極集電タブ１ｂと正極集電端子８とを超音波溶接法にて溶着すると共に、積層電極体４から突出した５１枚の負極集電タブ２ｂと負極集電端子９とを超音波溶接法にて溶着した後、ラミネートフィルム７の収納凹部内に、積層電極体４を配置した。しかる後、正極集電端子８と負極集電端子９とがラミネートフィルム７から突出した状態で、両端子８、９が存在する辺のラミネートフィルム７同士を溶着した後、ラミネートフィルム７の残り３辺のうち２辺を溶着することにより積層電極体４をラミネート外装体６内に配置した。
次いで、集電タブがある辺の熱溶着部の内側に、幅５ｍｍで熱溶着を行う（耐圧力２ｋｇｆ／ｃｍ2）。この溶着の外側（幅：２ｍｍ、長さ：３０ｍｍ）は内側樹脂層７ａを設けないようにしており、２枚のアルミニウム箔が電気的に導通している。これにより、内部ガス圧検出部３０が設置されることになる。
次いで、アルミニウム層の電位を確認するため、１ｍｍ角の外側樹脂層７ｃがない部分を２枚のラミネートに設けた。これにより、電圧検出用孔３１ａ，３１ｂが設置されることになる。
最後に、ラミネート外装体６の開口部から非水電解液を注液した後、ラミネート外装体６の内圧が２０ｔｏｒｒとなるように規制した状態でラミネート外装体６の開口部（ラミネートフィルムの残りの１辺）を溶着することにより積層式電池４０を作製した。尚、上記非水電解液としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）とメチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）とが体積比で３０：７０の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ6が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解されたものを使用した。
［実施の形態２］
次いで、複数の積層式電池４０で構成される組電池４１に保護回路３２を接続した電池モジュールの１例を、図１３〜図１５を参照して説明する。保護回路３２は、図１３に示すように、組電池４１を充電する負荷装置４２と、負荷装置４２から組電池４１に電源を供給する充電ライン４３に介在するスイッチング素子４４と、組電池４１を構成する各積層式電池４０の内部圧力を検出する内部圧力検出装置４５と、制御装置４６とを備えている。制御装置４６は、負荷装置４２の充電動作を制御すると共に、スイッチング素子４４の導通／遮断を制御する。内部圧力検出装置４５は、定電流を各積層式電池４０の金属層７ｂに供給し、電圧値又は抵抗値の変化をモニタして内部圧力の検出を行っており、その内部圧力の検出結果に基づいて、内部圧力が所定値以上となった場合にそのことを制御装置４６に報知する。これにより制御装置４６はスイッチング素子４４の遮断状態とする。この結果、組電池４１への充電が止められることになる。
組電池４１と保護回路３２の接続方法としては、図１４に示す接続方法と、図１５に示す接続方法がある。図１４の場合は、各積層式電池４０が個別に保護回路３２に接続されている。即ち、この図１４の場合においては、各積層式電池４０の電圧検出用孔３１ａ，３１ｂは、溶着部の裏面及び表面の同一部位に形成されており、各積層式電池４０につき、それぞれ個別に電圧検出用孔３１ａ，３１ｂを介して保護回路３２に接続されている。このような接続方法により、積層式電池４０毎に検出を行うことができる。なお、電圧検出用孔３１ａ，３１ｂを、溶着部の裏面及び表面の同一部位に形成することにより、図１４に示すように、接続配線を一方側に寄せることが可能となる。
図１５の場合は、各積層式電池４０の一方側表面の電圧検出孔３１ａを順次接続し且つ最後列の積層式電池４０Ｂの一方側表面の電圧検出孔３１ａを保護回路３２の一方の接続線４５ａに接続し、さらに、各積層式電池４０の他方側表面の電圧検出孔３１ｂを順次接続し且つ最前列の積層式電池４０Ａの他方側表面の電圧検出孔３１ｂを保護回路３２の他方の接続線４５ｂに接続している。このような接続方法により、全ての積層式電池４０を同時に検出することができる。
（その他の事項）
（１）上記実施例では、内側樹脂層７ａはポリプロピレン（ＰＰ）で構成され、外側樹脂層７ｃはナイロンで構成されていたが、樹脂層７ａ，７ｂ共に、はポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレンテレフタラートのいずれかの材料で構成されていてもよい。
（２）上記実施例では正極板を５０枚、負極板を５１枚用いたがこのような構造の電池に限定するものではない。
（３）正極活物質としては、上記ＬｉＣｏＯ2に限定するものではなく、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎＯ4或いはこれらの複合体等であっても良く、負極活物質としては上記天然黒鉛に限定するものではなく、人造黒鉛等であっても良い。
（４）上記実施例では、全ての負極板２につき、負極用導電性芯体の両面に負極活物質層２ａを形成したが、正極板と対向していない部位の負極活物質層（具体的には、最外に配置された負極板の外側に存在する負極活物質層）はなくても良い。そして、このような構造とすれば、積層電極体４の厚みが小さくなるので、電池の高容量密度化を達成できる。
（５）上記実施例では、電極体として積層式のものを用いたが、渦巻状のものを用いても良い。
本発明は、例えば、ロボット、電気自動車およびバックアップ電源等に用いる電池に適用することができる。
本発明の積層式電池の斜視図。 本発明の積層式電池に用いる積層電極体の分解斜視図。 本発明の積層式電池に用いる積層電極体の側面図。 本発明の積層式電池に用いる正極の平面図。 本発明の積層式電池に用いる負極の平面図。 本発明の積層式電池に用いるセパレータの平面図。 本発明の積層式電池の平面図。 本発明の積層式電池の底面図。 図７のＡ−Ａ線矢視断面図であり、図９（１）は内側溶着部が剥離していない状態を示し、図９（２）は内側溶着部が剥離した状態を示している。 図７のＢ−Ｂ線矢視断面図。 図７のＣ−Ｃ線矢視断面図。。 本発明の積層式電池と保護回路とを備えた電池モジュールの斜視図。 保護回路の構成を示すブロック図。 組電池と保護回路とを備えた電池モジュールの斜視図。 組電池と保護回路とを備えた電池モジュールの斜視図。
符号の説明
１：正極板 １ｂ：正極集電タブ
２：負極板 ２ｂ：負極集電タブ
３：セパレータ ４：積層電極体
６：ラミネート外装体 ７：ラミネートフィルム
７ａ：内側樹脂層 ７ｂ：金属層
７ｃ：外側樹脂層 ８：正極集電端子
９：負極集電端子 １７ａ：外側溶着部
１７ｂ：内側溶着部 ３０：内部ガス圧検出部
３１ａ，３１ｂ：電圧検出用孔 ３２：保護回路
４１：組電池

Claims (9)

  1. 正極板と、負極板とが、セパレータを介して配置された電極体を有すると共に、この電極体が、金属層の両側に樹脂層を備えた２枚のラミネートフィルムの周縁同士が溶着された溶着部を備えたラミネート外装体の収納空間内に配置される構造のラミネート式電池において、
    上記溶着部の一部に、ラミネートフィルム同士の内側樹脂層が存在せず金属層同士が接触して導通状態となっている内部ガス圧検出部が形成され、
    上記溶着部の両側面には、外側樹脂層が存在せず金属層が露出している電圧検出用孔が形成されていることを特徴とするラミネート式電池。
  2. 上記金属層を導通させた溶着部の外側に、溶着部が設けられている、請求項１記載のラミネート式電池。
  3. 上記外側の溶着部が、上記金属層を導通させた溶着部の耐圧と同等か若しくは高く設定されている、請求項２記載のラミネート式電池。
  4. 上記内部ガス圧検出部が、ラミネートフィルムの全周縁に亘って形成される溶着部のうちの集電端子が突出した辺に存在する溶着部に形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のラミネート式電池。
  5. 上記金属層がアルミニウムから成り、上記両側樹脂層のうちの内側樹脂層がポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレンテレフタラートのいずれかから成り、上記両側樹脂層のうちの外側樹脂層がポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレンテレフタラートのいずれかから成る、請求項１〜４のいずれか１項に記載のラミネート式電池。
  6. 上記正極板に用いられる正極活物質と、上記負極板に用いられる負極活物質とが、リチウムを吸蔵放出できる材料から構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のラミネート式電池。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のラミネート式電池と、
    上記ラミネート式電池の電圧検出用孔に電気的に接続され、電池の内部圧力の上昇を抑制する保護回路と、
    を備え、
    上記保護回路は、上記ラミネート式電池を充電する負荷装置と、負荷装置から電池に電源を供給する充電ラインに介在するスイッチング素子と、電池の内部圧力を検出する内部圧力検出装置と、内部圧力検出装置の検出結果に基づいて内部圧力が所定値以上となった場合にスイッチング素子を遮断状態とする制御装置とを備えていることを特徴とする電池モジュール。
  8. 上記ラミネート式電池を複数配列して組電池を構成すると共に、各ラミネート式電池は個別に上記保護回路に接続されている、請求項７記載の電池モジュール。
  9. 上記ラミネート式電池が複数配列して組電池を構成すると共に、各ラミネート式電池の一方側表面の電圧検出孔を順次接続し且つ最後列のラミネート式電池の一方側表面の電圧検出孔を上記保護回路の一方の接続線に接続し、さらに、各ラミネート式電池の他方側表面の電圧検出孔を順次接続し且つ最前列のラミネート式電池の他方側表面の電圧検出孔を上記保護回路の他方の接続線に接続している、請求項７記載の電池モジュール。
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