JP5255538B2 - 導電性シート層を備えた二次電池用単位セル及びそれを用いたリチウムイオン二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、導電性シート層を備えた二次電池用単位セル及びそれを用いたリチウムイオン二次電池に係り、さらに詳細には、単位セル内の特定層の間に一つ以上の導電性シート層を追加的に備えることによって、電気的衝撃による発火や爆発の危険性を低減させた二次電池単位セル及びそれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。

通常、ニッカド電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムイオン二次電池などが電子製品の電源として使用されており、これらのうち寿命及び容量面で有利なリチウムイオン二次電池が汎用化されている。前記リチウムイオン二次電池は、電解質の種類によって液体電解質を使用するリチウム金属電池、リチウムイオン電池及び高分子固体電解質を使用するリチウムポリマー電池に分けられる。リチウムポリマー電池は、高分子固体電解質の種類によって有機電解液が全く含まれていない完全固体型リチウムポリマー電池と、有機電解液を含むゲル型高分子電解質を使用するリチウムイオンポリマー電池とに分けられる。また、リチウムイオン二次電池は、単位セルを収容している外装材の種類によって円筒形電池、角形電池、及びポーチ型電池に分けられる。

このようなリチウムイオン二次電池は、最近、情報通信産業及び電池の力で駆動可能な運送手段（ＨＥＶ、ＥＶ ＬＥＶなど）に対する産業が発達するにつれてその需要が大幅に増加しており、このような需要に対応することができるリチウムイオン二次電池についての研究が活発に行われている。このようなリチウムイオン二次電池が補完すべき主な課題のうち一つが電池の安全性である。

図２は、従来のリチウムイオン二次電池用電極積層体２００についての模式断面図であり、図１は、これを用いた従来のポーチ型リチウムイオン二次電池についての分解斜視図である。図１および２において、リチウムイオン二次電池１００は、陽極電極２２０及び陰極電極２３０をワインディン方式でと言われる工程を通じて、分離膜２１０で巻いて一体化する方式、または分離膜２１０、陽極電極２２０、陰極電極２３０の順に所定の面積に維持しながら積層するスタッキング方式で電極積層体２００を製作した後、前記電極積層体２００を収納部３１０に載置させた後にカバー３２０で覆う。このとき、電極積層体２００の陽極端子及び陰極端子を外側と連結させる電極リード４００に電極タップ５００を連結する。電極リード４００と電極タップ５００とが連結された電極積層体２００をポーチ３００に載置させた後、カバー３２０で覆い電解液を入れた後、密封してリチウム二次電池１００を完成させる。

ワインディン方式またはスタッキング方式で製作された電極積層体は、陽極電極２２０と陰極電極２３０との間に分離膜２１０が位置し、このような構造が繰り返されて一つの電極積層体２００をなす。分離膜２１０は、電解液を入れた後、リチウムイオン二次電池１００が活性化されたとき、陽極及び陰極の短絡の発生を防止し、電池の充放電時に分離膜２１０に存在する孔を介してリチウムイオンを通過させる役割を行う。

このようなリチウムイオン二次電池を使用する機器は、使用環境及びエンドユーザーの行動によって衝撃、熱、過充電、過放電、短絡、貫通、圧搾などに露出し、このような環境ではリチウムイオン二次電池の安全性に問題が発生して、リチウムイオン二次電池が発火または爆発することがあり得る。大部分のリチウムイオン二次電池は安全性を考慮して製作されるが、ユーザーの要求に応じてリチウムイオン二次電池の容量が増加するほど保存可能なエネルギーも増加する一方、エネルギー密度の上昇によってリチウムイオン二次電池の安全性が低下する場合がある。特に、貫通及び衝撃圧搾の場合、物理的な力によって単位セルの内部の分離膜が損傷され、電池の内部で陰極電極及び陽極電極間に強制的に短絡を発生させる。内部の短絡の発生時、電池の内部の電流と電極活物質とが反応して熱エネルギーに変換され、発熱が発生して温度が急激に上昇することによって、リチウムイオン二次電池が発火や爆発などの反応を引き起こすという問題が発生する。
本発明の発明者らは、電極、分離膜、及び前記電極に連結された電極リードの備えられた単位セルに金属シート層を追加的に配置すれば、貫通、衝撃、圧搾、その他の電気的衝撃による発熱を最小化することができることに着眼して本発明を完成させるに至った。

本発明の目的は、物理的、電気的な衝撃による発火や爆発の危険性を低減させたリチウムイオン二次電池用単位セルを提供することである。

本発明の他の目的は、前記単位セルを用いたリチウムイオン二次電池を提供することである。

本発明のリチウムイオン二次電池用単位セルには、電極及び分離膜から構成された反復単位が複数個積層された電極積層体において、前記電極積層体内の特定層の間に位置し、電極リードと電気的に連結される一つ以上の導電性シート層が備えられることを特徴とする。

前記導電性シート層の材質は、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、亜鉛、鉛及びチタンからなる群から選択される一つ以上の金属であることができる。特に、前記導電性シート層が陽極電極と接触する場合、導電性シート層の材質はアルミニウムであり、前記導電性シート層が陰極電極と接触する場合には、前記導電性シート層の材質は銅であることが好ましい。また、前記導電性シート層の厚さは０．００１ないし２００ｍｍであることが好ましい。

一方、前記導電性シート層の数は二つ以上であることが好ましく、その位置は上下の最外側の電極と最外側の分離膜との間であることが好ましく、この場合、前記二つ以上の導電性シート層が電極リードの反対側で電気的に連結されることもできる。

本発明のリチウムイオン二次電池用単位セルの導電性シート層は、電池に対する物理的、電気的な衝撃などによる短絡の発生時、電流を速く外側に通電させ、金属シートの発熱量を陽極電極及び陰極電極の発熱量より減少させる役割を行う。したがって、物理的、電気的な衝撃による発火や爆発の危険を低減させて安全性を向上させたリチウムイオン二次電池を製造することができる。

ポーチ型リチウムイオン二次電池の模式的な分解斜視図である。 従来のリチウムイオン二次電池用電極積層体の模式的な断面図である。 本発明に係る導電性シート層が積層体の内部の特定層に挿入された例を示す電極積層体の模式的な断面図である。 本発明に係る導電性シート層が積層体の内部の特定層に挿入された例を示す電極積層体の模式的な断面図である。 本発明に係る導電性シート層が積層体の内部の特定層に挿入された例を示す電極積層体の模式的な断面図である。 本発明に係る導電性シート層が積層体の内部の特定層に挿入された例を示す電極積層体の模式的な断面図である。 本発明に係る導電性シート層が積層体の内部の特定層に挿入された例を示す電極積層体の模式的な断面図である。 本発明に係る導電性シート層が積層体の内部の特定層に挿入された例を示す電極積層体の模式的な断面図である。 図３Ａの電極積層体の外側に導電性シート層を挿入した後、電極リード及び電極タップと連結された単位セルを示す模式図である。

図３Ａないし図３Ｆは、本発明の導電性シートが積層体の内部の特定層に挿入された例を示す模式的な断面図である。本発明のリチウムイオン二次電池用単位セルは、電極２２０、２３０及び分離膜２１０を備える反復単位が複数個積層された電極積層体２００と、前記電極積層体２００内の特定層の間に位置し、電極リード４００と電気的に連結された一つ以上の導電性シート層２４０とを備える。

このとき、前記導電性シート層２４０の材質としては、電気が通電されうるものなら、金属材または非金属材に関係なく使用可能であるが、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、亜鉛、鉛及びチタンからなる群から選択される一つ以上の金属が使用されることが電気導電性の側面で好ましい。また、前記導電性シート層２４０が陽極電極２２０と接触する場合には、導電性シート層の材質はアルミニウムであり、前記導電性シート層２４０が陰極電極２３０と接触する場合には、前記導電性シート層２４０の材質は銅であることがさらに好ましい。電極と同じ材質を使用する場合、電池の製作性及び安全性がさらに優秀であるためである。

一方、前記導電性シート層２４０の厚さは０.００１ないし２００ｍｍであることが好ましい。電池容量が高い場合、導電性シート層の厚さが厚くなるほど安全性が向上する。したがって、高容量電池の場合、厚さが必要なだけ厚くなることができ、この場合、必ずしも一重のシート層が使用されなくてもよいため、複数枚の薄い導電性シートを重ねて厚さを厚くすることによって安全性を向上させることも可能である。導電性シート層の寸法には特別な制限はなく、電極の寸法と同じ寸法とすることが一般的であるが、リチウムイオン二次電池の製作において問題にならない範囲でその寸法は変更しても構わない。

また、本発明で使用される導電性シート層２４０の数には特別な制限はなく、電池の短絡の発生時に必要な通電効率性に照らして必要なだけ使用することができる。この場合、導電性シート層２４０が挿入される位置にも特別な制限がない。電極、分離膜及び導電性シート層を積層する方式においても、陽極電極及び陰極電極を分離膜で巻いて一体化させるワインディン方式または分離膜、陽極電極、陰極電極の順に所定の面積を維持しながら積層するスタッキング方式のうちいずれかを使用することができる。

図３Ａないし図３Ｆは、本発明の導電性シート層２４０が積層体２００の内部の特定層に挿入された例を示す模式的な断面図である。２枚の導電性シート層２４０が電極積層体２００の上下の最外側にある２枚の分離膜２１０の間にそれぞれ位置してもよく（図３Ａ）、１枚の導電性シート層２４０が電極積層体２００の内部に存在する分離膜２１０の間に位置してもよく（図３Ｂ）、電極積層体２００の上下の最外側には一つの分離膜２１０のみがあり、電極２２０と分離膜２１０との間にそれぞれ導電性シート層２４０が位置してもよく（図３Ｃ）、電池の構造や効率に照らして適当な形態を選択することができる。また、２枚以上の導電性シート層２４０が備えられた場合には、これらの末端が導電性シート層２４０の材質と同じであるか、または他の導電性物質によって電気的に連結された形態であることもできる（図３Ｄないし図３Ｆ）。

図４は、図３Ａの単位セル２００の外側に導電性シート層２４０を挿入した後、電極リード４００と電極タップ５００とが連結される状態を示す模式図である。図４では、挿入された導電性シート層の電極リードが陽極電極の電極リードと連結される。このように、連結された電極リードは再び陽極電極用の電極タップと連結され、陰極電極の電極リードは導電性シートと連結されずに陰極専用の電極タップと連結されて、導電性シートの備えられた単位セルが完成する。このような電極積層体と電極リードの電極タップとの連結方式は、図３Ａないし図３Ｆの電極積層体に同じ方式で適用されうることは言うまでもなく、導電性シートの種類によって連結される電極リードが陰極に変わることもできる。

以下、実施例を通じて本発明をさらに詳細に説明する。本実施例は、本発明をさらに具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されるものではない。

陽極電極は、陽極活物質としてのリチウム遷移金属酸化物であるリチウムコバルト酸化物と、カーボンブラック導電材、ＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）バインダー及びＮＭＰ（Ｎ−ｍｅｔｈｙ-ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）溶媒を基盤としてスラリーを製造し、アルミニウム集電体に薄膜塗布した後、乾燥して使用した。陰極電極は、黒煙（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）粉末と、カーボンブラック導電材、ＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）バインダー、及びＮＭＰ（Ｎ−ｍｅｔｈｙ−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）溶媒を基盤としてスラリーを製造し、銅集電体に塗布して乾燥した後、電極タップの部分を所定の寸法を有する凸状に裁断して使用した。

分離膜として多層ポリエチレン多孔質膜を挟んで前記陽極電極及び陰極電極をスタッキング方式で積層して電極積層体を組み立てた。このとき、導電性シート層として厚さ０．１ｍｍのアルミニウムシートを使用するが、位置は、図３Ａに示すように２枚の導電性シート層を電極積層体の上下の最外側にある２枚の分離膜の間にそれぞれ位置させた。アルミニウムシートは、単位セルの外側に位置した電極と同じ電極リードに連結し、単位セルの組み立てが完了した後、電極リードの部分に電極タップを付着させた。

アルミニウム外装材を単位セルが載置しやすい寸法にして、凹状の空間を有する形状に収納部を製作し、収納部全体を覆うことができるカバーを裁断してポーチを製作した。次いで、組み立てが完了した単位セルをアルミニウムポーチに載置させ、一面のみを残して各面をシーリング処理した。最後に、リチウムイオン二次電池用ＬｉＰＦ_６リチウム塩がエチレン・カーボネート（ＥＣ、ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）に溶解された電解液を注入し、真空下で最終のシーリングを行って密封した後、電解質を電極に十分に含浸させるように熟成させて初充電し、電池を安定化させてポーチ型リチウムイオン二次電池を製造した。

単位セルの製造において、導電性シート層として１枚のアルミニウムシート層を、図３Ｂに示すように電極積層体の内部に存在する分離膜の間に位置させた以外は実施例１と同じ方法で単位セル及びリチウムイオン二次電池を製造した。

単位セルの製造において、２枚のアルミニウムシート層を、図３Ｃに示すように電極積層体の上下の最外側には一つの分離膜のみがあり、これらの電極と分離膜との間にそれぞれ導電性シート層が位置した以外は実施例１と同様にして単位セル及びリチウムイオン二次電池を製造した。

単位セルの製造において、図３Ｄに示すように、２枚のアルミニウムシート層を実施例１のように配置するが、金属シートを電極リードの反対側で電気的に連結させたこと以外は実施例１と同様にして単位セル及びリチウムイオン二次電池を製造した。

単位セルの製造において、図３Ｅに示すように、アルミニウムシート層の配置は実施例３と同じであるが、金属シートを電極リードの反対側で電気的に連結させた。それ以外は実施例１と同様にして単位セル及びリチウムイオン二次電池を製造した。

単位セルの製造において、図３Ｆに示すように、金属シートのうち一つは最外側に存在する二つの分離膜の間に、他の一つは積層体の内部にある二つの分離膜の間に配置した後、金属リードの反対側でこれらの２枚の金属シートを電気的に連結させた。それ以外は実施例１と同様にして単位セル及びリチウムイオン二次電池を製造した。

比較例
単位セルの製造において、単位セルの内部に導電性シート層としてアルミニウムシート層を挿入しない以外は、実施例１と同じ方法で単位セル及びリチウムイオン二次電池を製造した。

貫通性の評価
充電されたポーチ型リチウムイオン二次電池に対して広い面を上に向けて位置させた後、直径５ｍｍの鋼鉄からなる針状体を使用して一定の速度で広い面の中心部を突いて、針状体に電池を貫通させて貫通性評価を行った後、その結果を表１にまとめた。

前記表１で、実施例１ないし実施例４の場合、針状体の速度が２０ｍｍ／ｓｅｃまで下がって、内部の短絡時間が長くなっても発火が起きないことが分かり、特に、実施例４の場合には、針状体の速度が１０ｍｍ／ｓｅｃまで下がっても発火が起きなかった。これは単位セルの外側にある金属シートの貫通時に、金属シートが電流を速く外側に通電させる役割を行うので、内部の短絡時に、陽極電極及び陰極電極において発生する場合の発熱量に比べて、金属シートにおける発熱量が非常に少なく、電池の安全性を向上させたためである。

一方、実施例５及び実施例６の場合にも、針状体の速度が約２０ないし４０ｍｍ／ｓｅｃまで下がって、内部の短絡時間が長くなっても発火が起きないことが分かった。金属シートが単位セルの内部にあるものは、金属シートを単位セルの外部に位置させたものより安全性向上の効果は低いものの、導電性シート層が備えられていない比較例に比べれば、リチウムイオン二次電池の安全性が向上した。

一方、比較例の場合は、高速である６０ｍｍ／ｓｅｃでも発火が起きることを確認することができる。

以上、本発明は、記載された具体例のみについて詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形及び修正が可能であるということは当業者にとっては明らかであり、このような変形及び修正は特許請求の範囲に属することは言うまでもない。

Claims (6)

1. 電極及び分離膜を備える反復単位が複数個積層された電極積層体と、
   前記電極積層体内の特定層の間に位置し、電極リードと電気的に連結された二つ以上の導電性シート層と、を備え、
   前記導電性シート層の位置は上下の最外側の電極と分離膜との間であり、
   前記二つ以上の導電性シート層は、電極リードの反対側で電気的に互いに連結されたものであることを特徴とするリチウムイオン二次電池用単位セル。
2. 導電性シート層の材質は、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、亜鉛、鉛及びチタンからなる群から選択される一つ以上の金属であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用単位セル。
3. 導電性シート層が陽極電極と接触する場合には、導電性シート層の材質はアルミニウムであり、導電性シート層が陰極電極と接触する場合には、導電性シート層の材質は銅であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用単位セル。
4. 導電性シート層は、複数枚から構成されたシート層であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用単位セル。
5. 導電性シート層の厚さは０．００１ないし２００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用単位セル。
6. 請求項１ないし請求項５のうち何れか１項に記載の単位セルを備えたリチウムイオン二次電池。