二次電池
【課題】外装フィルム３０の内部にガスが発生する前に、積層素子１０への通電状態を未然に遮断する。
【解決手段】二次電池１は、負極シート１１と正極シート１２とがセパレータ１３を挟んで交互に積層された積層素子１０と、積層素子１０を密封している外装フィルム３０と、積層素子１０の負極シート１１又は正極シート１２に導通され、外装フィルム３０の外部へ延出された一対の電極端子１５とを備えている。そして、積層素子１０の積層方向の厚みが、最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなったときに、一対の電極端子１５の少なくとも一方と積層素子１０との通電状態を遮断する遮断機構４０を備えている。
【解決手段】二次電池１は、負極シート１１と正極シート１２とがセパレータ１３を挟んで交互に積層された積層素子１０と、積層素子１０を密封している外装フィルム３０と、積層素子１０の負極シート１１又は正極シート１２に導通され、外装フィルム３０の外部へ延出された一対の電極端子１５とを備えている。そして、積層素子１０の積層方向の厚みが、最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなったときに、一対の電極端子１５の少なくとも一方と積層素子１０との通電状態を遮断する遮断機構４０を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に関し、特に、過充電が生じたときの安全対策に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノート型パソコンや携帯電話等のモバイル機器の開発が急速に進められている。これらのモバイル機器には、電源としてリチウムイオン電池等の二次電池が適用されることが多い。二次電池は、機器の駆動時間や携帯性の向上を図るために、軽量、小型、大容量等の特性が求められている。
【０００３】
二次電池であるリチウムイオン電池は、外装材の内部に封止された積層素子を有している。積層素子は、交互に積層される複数の正極シート及び負極シートを備え、各正極シートと負極シートとの間には、セパレータ及び電解質がそれぞれ介在されている。セパレータ及び電解質には、両者の機能を一つに兼ね備えている固体又はゲル状電解質と、セパレータに液体電解質を含浸させたものとがある。
【０００４】
正極シートは、例えばＬｉＣｏＯ2等の正極活物質が塗布され、負極シートは、例えばグラファイト（Ｃ）等の負極活物質が塗布されている。こうして、積層素子では、正極シートと負極シートとの間でリチウムイオン（Ｌｉ+）が移動することにより、充電又は放電を行うようになっている。
【０００５】
また、外装材には、アルミラミネート等の外装フィルムや金属缶を適用することが知られているが、特に、外装フィルムは、軽量である点、薄型化が容易である点、及び形状の自由度が高い点などで有利である。
【０００６】
ところで、リチウムイオン電池が誤って過剰に充電されると、正極シートと負極シートとの間に大電流が流れることにより、電解質が分解したり気化してガスが発生する。その結果、外装フィルムが膨張して破裂したり、発火に至るという問題が生じる。
【０００７】
これに対し、発火を防止する目的で、外装フィルムの内部に難燃性ゲルを充填することが知られている。しかし、難燃性ゲルは、過充電時における発火を抑制できるものの、外装フィルム内におけるガスの発生を抑制するものではないため、外装フィルムの破裂を防止することはできない。
【０００８】
そこで、従来より、外装フィルムに安全弁（ラプチャー）を形成し、外装フィルムの内部でガス圧力が大きくなったときに安全弁を作動させて、外装フィルム内のガスを外部へ放出することが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００９】
特許文献１には、フィルム外装材の熱融着による封止部の少なくとも一箇所に安全弁として機能する低温融着部を設けることが記載されている。また、特許文献２には、袋状の外装フィルムにより封止された二次電池に対し、集電リードが取り付けられている熱溶着封口部の幅を、集電リードの取り付けられていない熱溶着封口部（安全弁として用いられる）の幅よりも大きくすることが開示されている。
【００１０】
しかし、これらの安全弁では、外装フィルムの内部圧力がかなり高くならなければ安全弁が作動せず、また電解質が漏出して発火する虞れがあり、安全性が十分ではなかった。また、充電電流が流れ続けるため、ガスの発生を止めることはできない。
【００１１】
これに対し、外装フィルムの膨張により通電を遮断する遮断機構を設けることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【００１２】
すなわち、遮断状態の断面図である図１０に示すように、積層素子１０１は、外装フィルム１２１の内部に密封され、負極シート１０２と正極シート１０３とがセパレータ１０４を挟んで交互に積層して構成されている。
【００１３】
積層素子１０１の積層最外面に設けられた導電部材１２５には、粘着テープ１１４を介して負極端子１１２が接続されている。負極端子１１２の一端には、外装フィルム１２１の内面に固定された接続部１１１が形成されている。一方、負極端子１１２の他端は、外装フィルム１２１の外部へ延出されている。
【００１４】
そして、外装フィルム１２１が膨張していない通常時には、接続部１１１は、外装フィルム１２１により押し付けられて導電部材１２５に接触し、通電している。一方、過充電によりガスが発生したときには、外装フィルムがガスによって膨張することにより、接続部１１１が導電部材１２５から離れる。その結果、積層素子１０１への通電状態が遮断されるため、ガスの発生を停止させることが可能となる。
【特許文献１】特開２０００−１００３９９号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７０６５号公報
【特許文献３】特開２００３−２０８８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、上記特許文献３の二次電池は、安全弁を用いる特許文献１，２のものに比べて、外装フィルム内のガス圧力が比較的低い段階で通電状態を遮断することができるものの、ガスの発生自体を防止することはできない。言い換えれば、ガスが発生する前に未然に通電状態を遮断することはできないという問題がある。
【００１６】
さらに、外装フィルム１２１内の温度が低下すると、電解質のガスが液化して外装フィルム１２１が収縮するため、上記負極端子１１２の接続部１１１が導電部材１２５に再接触してしまう。その結果、再び通電状態となって過充電が行われ、ガスが再発生する虞れもあった。
【００１７】
本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外装フィルムの内部にガスが発生する前に、積層素子への通電状態を未然に遮断することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、この発明では、積層素子の積層方向の厚みが所定の厚みよりも大きくなったときに、通電状態を遮断する遮断機構を備えるようにした。
【００１９】
具体的に、本発明に係る二次電池は、負極シートと正極シートとがセパレータを挟んで交互に積層された積層素子と、上記積層素子を密封している外装フィルムと、上記積層素子の負極シート又は正極シートに導通され、上記外装フィルムの外部へ延出された一対の電極端子とを備えた二次電池であって、上記積層素子の積層方向の厚みが、最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなったときに、上記一対の電極端子の少なくとも一方と上記積層素子との通電状態を遮断する遮断機構を備えている。
【００２０】
上記積層素子には、積層方向に延びる貫通孔が形成され、上記遮断機構は、上記貫通孔の内部に配置されて導電性を有するピンと、上記積層素子の一方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの一端に接触している第１導電部材と、上記積層素子の他方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの他端に接触している第２導電部材とを備え、上記第１導電部材は、上記負極シート又は上記正極シートに導通している集電電極に接続され、上記第２導電部材は、上記第１導電部材が接続されている上記集電電極と同じ極性を有する上記電極端子に接続されていることが好ましい。
【００２１】
また、上記積層素子には、積層方向に延びる貫通孔が形成され、上記遮断機構は、上記貫通孔の内部に配置されて導電性を有するピンと、上記積層素子の一方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの一端に溶接されている第１導電部材と、上記積層素子の他方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの他端に溶接されている第２導電部材とを備え、上記第１導電部材は、上記負極シート又は上記正極シートに導通している集電電極に接続され、上記第２導電部材は、上記第１導電部材が接続されている上記集電電極と同じ極性を有する上記電極端子に接続されていてもよい。
【００２２】
−作用−
次に、本発明の作用について説明する。
【００２３】
過充電が生じていない正常時には、遮断機構が作動せず、一対の電極端子と積層素子との通電状態が維持されている。その結果、外部電源から上記電極端子を介して積層素子の負極シートに電荷が供給されるため、二次電池は正常に充電される。
【００２４】
ところで、充電時には、正極シートから正イオンが放出される。その結果、正極シートの結晶格子に伸びが生じるため、正極シートは膨張する。また、負極シートには正極シートから放出された正イオンが取り込まれるため、負極シートも膨張する。すなわち、積層素子は、充電に伴って膨張するようになっている。
【００２５】
過充電が生じた異常時には、積層素子の積層方向の厚みが、二次電池の最大容量（例えば４．２５Ｖの電圧）まで充電されたときの厚みよりも大きくなる。このとき、遮断機構が作動して、上記一対の電極端子の少なくとも一方と、上記積層素子との通電状態を遮断させる。その結果、積層素子の負極シートへの電荷の供給が阻止されて、外装フィルム内におけるガスの発生が未然に防止される。
【００２６】
また、上記遮断機構は、積層素子に形成された貫通孔の内部に設けられたピンと、ピンの両端に接触又は溶接された第１導電部材及び第２導電部材とにより構成することができる。例えば、各負極シートには集電電極が導通しており、集電電極は、積層素子の一方の積層最外面に固着された第１導電部材に接続される。第２導電部材は、ピンを介して第１導電部材に導通しており、負極の電極端子が接続されている。すなわち、正常時には、負極の電極端子から供給される電荷は、第２導電部材、ピン、第１導電部材、及び集電電極を介して、積層素子の各負極シートへ供給され、このことにより充電が行われる。
【００２７】
一方、異常時には、積層素子の積層方向の厚みが増大して、第１導電部材及び第２導電部材の少なくとも一方が、ピンの端部から外れて離脱する。その結果、第１導電部材及び第２導電部材の少なくとも一方とピンの端部との間で充電される電荷の経路が分断されるため、電極端子から負極シートへの電荷の供給が阻止され、ガスの発生が未然に防止される。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、過充電により積層素子の積層方向の厚みが最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなった異常時には、一対の電極端子の少なくとも一方と、積層素子との通電状態を遮断機構により遮断するようにしたので、外装フィルム内におけるガスの発生を未然に防止し、過充電時の安全性を飛躍的に高めることができる。
【００２９】
さらに、積層素子の貫通孔に設けたピンと、ピンの両端に接触又は溶接された第１導電部材及び第２導電部材とによって遮断機構を構成することにより、異常時において、第１導電部材及び第２導電部材の少なくとも一方をピンの端部から離脱させることができる。その結果、充電経路を分断することができるため、ガスの発生を未然に防止することが可能となる。
【００３０】
また、ガスが発生しないので、従来の安全弁を用いる二次電池のように、温度低下に伴うガスの液化によって通電遮断部分が再接触するという問題は生じないため、十分に安全性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３２】
《発明の実施形態１》
図１〜図７は、本発明に係る二次電池の実施形態１を示している。本実施形態の二次電池は、いわゆるシート状電池であって、例えば、リチウムイオン（Ｌｉ+）が電極間で移動することにより充電及び放電を行うリチウムイオン電池である。
【００３３】
断面図である図１に示すように、二次電池１は、積層素子１０と、積層素子１０を内部に密封している外装フィルム３０と、積層素子１０に導通された一対の電極端子１５，１６とを備えている。
【００３４】
上記積層素子１０は、図１及び斜視図である図３に示すように、複数の負極シート１１と複数の正極シート１２とがセパレータ１３を挟んで交互に積層された構造を有している。
【００３５】
負極シート１１及び正極シート１２は、図４に示すように、シート状の電極本体１１ａ，１２ａと、電極タブ１１ｂ，１２ｂとにより構成されている。
【００３６】
負極シート１１の電極本体１１ａの略中央には、円状の第１開口部３１が形成されている。一方、正極シート１２の電極本体１２ａの略中央には、円状の第２開口部３２が形成されている。第１開口部３１の中心は、負極シート１１及び正極シート１２が積層された状態で、第２開口部３２の中心に一致するようになっている。さらに、セパレータ１３にも円状の第３開口部３３が形成されている。第３開口部３３の中心は、上記第１開口部３１及び第２開口部３２の中心に一致している。
【００３７】
図１に示すように、上記各開口部３１，３２，３３のうち、セパレータ１３の第３開口部３３の内径が最も小さい。負極シート１１の第１開口部３１の内径は、上記第３開口部３３よりも大きい。そして、正極シート１２の第２開口部３２の内径は、上記第１開口部３１よりも大きく、最も大きくなっている。これらの第１〜第３開口部３１，３２，３３により、積層素子１０の積層方向に延びる貫通孔１９が形成されている。
【００３８】
負極シート１１は、厚さが５〜１００μｍ、特に８〜５０μｍである銅、ニッケル、銀、及びＳＵＳ等の導電体の箔により形成されている。負極シート１１の電極本体１１ａは、表面に負極活物質が塗工される一方、電極タブ１１ｂは負極活物質が塗工されずに露出している。
【００３９】
負極活物質は、炭素質材料であって、グラファイトである各種の天然黒鉛や人造黒鉛、例えば、繊維状黒鉛、鱗状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛類が好ましい。このような黒鉛類にポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン系ポリマー等の結着剤を混合し、上記導電体箔の両面に塗工する。負極活物質の厚みは、２０〜５００μｍが好ましく、５０〜２５０μｍがさらに好ましい。また、製品電池となったときの負極活物質層の密度は、１．２〜１．８ｇ／ｃｍ3程度の高密度にすると、電池特性が優れるので好ましい。
【００４０】
正極シート１２は、厚さが１０〜１００μｍ、特に１５〜５０μｍであるアルミニウム、アルミニウム合金、及びチタン等の導電体の箔や、厚さが２５〜３００μｍ、特に３０〜１５０μｍであるエキスパンドメタルやメッシュメタル等により形成されている。上記負極シート１１と同様に、正極シート１２の電極本体１２ａは、表面に正極活物質が塗工される一方、電極タブ１２ｂは正極活物質が塗工されずに露出している。
【００４１】
正極活物質には、ＬｉＣｏＯ2が適用されている。その他に、正極活物質としては、負極との電位差が少なくとも１Ｖであるもの、例えば、Ｖ2Ｏ5、ＭｎＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＮｉ0.5Ｃｏ0.5Ｏ2、ＬｉＮｉＯ2、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｐ系複合酸化物（ＬｉＣｏ0.5Ｐ0.5Ｏ2、ＬｉＣｏ0.4Ｐ0.6Ｏ2、ＬｉＣｏ0.6Ｐ0.4Ｏ2、ＬｉＣｏ0.3Ｎｉ0.3Ｐ0.4Ｏ2、ＬｉＣｏ0.2Ｎｉ0.2Ｐ0.6Ｏ2等）、ＴｉＳ2、ＭｏＳ2、ＭｏＯ3等を適用することもできる。
【００４２】
特に、電池の起電力や充放電電圧を高めることができるため、Ｌｉ−Ｃｏ系複合酸化物が好ましい。正極活物質は、粒子径が１〜５０μｍであると、電池特性が向上するので好ましい。このような正極活物質は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン系ポリマーなどの結着剤を混合して塗工する。正極活物質の厚みは、２０〜５００μｍが好ましく、５０〜２５０μｍがさらに好ましい。また、製品電池となったときの正極活物質層の密度は、２．５〜３．５ｇ／ｃｍ3程度の高密度にすると、電池特性が優れるので好ましい。
【００４３】
負極活物質及び正極活物質の塗工方法は、特に限定されないが、ロールコーティング法やダイコーティング法等が好ましい。
【００４４】
上記各電極タブ１１ｂ，１２ｂは、図３及び図５に示すように、積層素子１０の一方の側面から突出している。そして、負極の各電極タブ１１ｂは、上下に揃って配置され負極の集電電極２１にまとめて接続されている。また、正極の各電極タブ１２ｂについても、上下に揃って配置され正極の集電電極２２にまとめて接続されている。つまり、各負極シート１１は、負極の集電電極２１に導通する一方、各正極シート１２は、正極の集電電極２２に導通している。
【００４５】
上記セパレータ１３は、複数のシート形状のものを負極シート１１と正極シート１２との間に個別に介装してもよく、その他に、図５に示すように、１枚の帯状のものをつづら折り状にして、各負極シート１１及び正極シート１２の間に介装させるようにしてもよい。
【００４６】
また、セパレータ１３は、正極と負極の短絡を防いで、イオン電導性を有しているものであればどのようなものでも構わないが、取り扱い易さや、電気特性や電解液に対する安定性等の観点から、多孔性を有するなポリマフィルムであることが好ましい。ポリマフィルムを構成するポリマとしては、例えば、ポリスチレン、ポリブタジエン及びそれらの共重合体、ポリエチレンオキサイド誘導体、ポリプロピレンオキサイド誘導体、上記誘導体を含むポリマ、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリビニリデンフルオライド、ビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体等を適用することができる。このようなポリマを適当な溶剤に溶解させて、成膜、乾燥させてフィルムとする。尚、フィルム成膜用の溶液に可塑剤等の添加剤を加えてもよい。このようにして、多孔性を有するセパレータ１３を作製する。セパレータ１３の厚みは５〜１００μｍが好ましく、特に２０〜６０μｍとすると電池特性が良好となるため、さらに好ましい。
【００４７】
尚、電池として完成したときには、セパレータ１３には非水系の電解液が含浸されている。上記電解液には、塩類を有機溶媒に溶解させた電解液を適用することができる。上記塩類としては、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＡｌＣｌ4、Ｌｉ（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎなどが例示され、これらの一種あるいは二種以上の混合物を適用できる。有機溶媒としては、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、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジエチルエーテルなどが例示され、これらの一種あるいは二種以上の混合物を適用することができる。
【００４８】
また、セパレータ１３として、負極シート１１と正極シート１２とを実質的に隔離する公知の固体電解質層を用いてもよい。
【００４９】
上記外装フィルム３０は、平面図である図２に示すように、ブリスター包装容器に形成されている。外装フィルム３０は、図示を省略するが、厚さ３０〜５０μｍのアルミ箔層と、アルミ箔層の一面に積層された樹脂よりなる外部保護層と、アルミ箔の他面に積層された樹脂よりなる耐電解液層と、耐電解液層の上に積層された熱可塑性樹脂よりなる接着層とにより構成され、四層構造を有している。外部保護層の樹脂としては、ナイロン樹脂やポリエステル樹脂等を挙げることができ、接着層の樹脂としては、変性ポリオレフィン樹脂等の熱融着により封止することのできる樹脂を挙げることができる。
【００５０】
外装フィルム３０の厚みは、全体として、８０〜２００μｍであることが好ましい。外装フィルム３０は、矩形のフィルムに、積層素子１０の外形よりやや大きい矩形のブリスター（窪み）が成形されている。そして、積層素子１０をブリスターの内部に収容すると共に電解液を導入した状態で、外装フィルム３０を二つ折りにして熱融着等により接着し、積層素子１０を密封する。
【００５１】
上記一対の電極端子１５，１６は、図３に示すように、一端が正極シート１２又は負極シート１１に導通され、図１及び図２に示すように、外装フィルム３０の外部へ延出されている。
【００５２】
すなわち、電極端子１５，１６は、負極端子１５と正極端子１６とにより構成されている。負極端子１５の一端は、図３に示すように、後述の第２導電部材２５に導通されている。一方、正極端子１６の一端は、正極の集電電極２２に接続されている。
【００５３】
そして、本発明の特徴として、二次電池１は、上記積層素子１０の積層方向の厚みが、最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなったときに、上記一対の電極端子１５，１６の少なくとも一方と積層素子１０との通電状態を遮断する遮断機構４０を備えている。
【００５４】
遮断機構４０は、ピン４１と、第１導電部材２４と、第２導電部材２５とを有している。
【００５５】
上記ピン４１は、積層素子１０の貫通孔１９の内部に配置され、導電性を有する例えば銅等の材料により形成されている。ピン４１は、積層素子１０の膨張力では変形しない程度の剛性を有している。本実施形態では、ピン４１は、積層素子１０の積層方向の厚みと同じ長さを有している。また、ピン４１の外径は、上記セパレータ１３の第３開口部３３の内径よりも僅かに小さくなっている。
【００５６】
上記第１導電部材２４は、図１に示すように、積層素子１０の一方の積層最外面である下面に固着して設けられ、ピン４１の一端である下端に接触している。一方、第２導電部材２５は、積層素子１０の他方の積層最外面である上面に固着して設けられ、ピン４１の他端である上端に接触している。つまり、第１導電部材２４と第２導電部材２５とは、ピン４１を介して導通している。
【００５７】
第１導電部材２４及び第２導電部材２５は、それぞれ例えば銅箔等により構成されている。また、図１に示すように、上記負極シート１１と同様に、第１導電部材２４には電極タブ２６が形成される一方、第２導電部材２５には電極タブ２７が形成されている。各電極タブ２６，２７は、上記負極の集電電極２１に上下に重なるように配置されている。
【００５８】
上記第１導電部材２４の電極タブ２６は、負極の集電電極２１に接続されている。一方、第２導電部材２５の電極タブ２７は、負極の集電電極２１と同じ極性を有する電極端子である上記負極端子１５に接続されている。
【００５９】
−充電時の反応−
次に、正極活物質にＬｉＣｏＯ2が適用された二次電池１の充電時の正極及び負極の反応ついて説明する。
【００６０】
充電時に、正極では、次の式（1）の化学反応が行われる。
【００６１】
ＬｉＣｏＯ2 → Ｌｉ1-xＣｏＯ2＋ｘＬｉ+＋ｘｅ- ・・・（1）
また、負極では、次の式（2）の化学反応が行われる。
【００６２】
Ｃy＋ｘＬｉ+＋ｘｅ- → ＣyＬｉx ・・・（2）
その結果、負極シート１１及び正極シート１２の全体としては、次の式（3）の化学反応が行われることとなる。
【００６３】
ＬｉＣｏＯ2＋Ｃy → Ｌｉ1-xＣｏＯ2＋ＣyＬｉx ・・・（3）
以上の反応により、充電が行われる。このとき、ＣＣＣＶ充電方式で最大容量まで充電されたときの積層素子１０の内部電圧は、例えば４．２５Ｖになっている。
【００６４】
充電時には、正極活物質からリチウムイオン（Ｌｉ+）が放出されるため、正極活物質の結晶格子に伸びが生じて、正極シート１２は膨張する。また、負極活物質には正極活物質から放出されたリチウムイオン（Ｌｉ+）が取り込まれるため、負極シート１１も膨張する。すなわち、積層素子１０は、充電に伴って積層方向に膨張する。
【００６５】
−異常時における遮断機構の作動−
次に、過充電が生じた異常時における遮断機構４０の作動について説明する。
【００６６】
積層素子１０の厚みは、異常時においても過剰な充電に伴って大きくなる。これに対し、ピン４１は、最大容量まで充電されたときの積層素子１０の厚みと同じ長さに規定されているため、充電量が最大容量を超えたときには、積層素子１０の厚みがピン４１の長さよりも大きくなる。その結果、それまで接触して互いに導通していたピン４１と、第１導電部材２４及び第２導電部材２５の少なくとも一方とが離れる。図６は、ピン４１が第２導電部材２５のみから離脱した状態を示し、図７は、ピン４１が第１導電部材２４及び第２導電部材２５の双方から離脱した状態を示している。
【００６７】
このことにより、外部電源から積層素子１０への充電経路が分断されるため、通電状態が遮断され、充電は停止する。
【００６８】
−実施形態１の効果−
したがって、この実施形態１によると、遮断機構４０を設けるようにしたので、過充電により積層素子１０の積層方向の厚みが最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなった異常時には、遮断機構４０のピン４１を第１導電部材２４及び第２導電部材２５の少なくとも一方から離脱させ、負極端子１５と積層素子１０との通電状態を遮断することができる。
【００６９】
その結果、電解液がガス化する前に通電状態を遮断できるため、外装フィルム３０内におけるガスの発生を未然に防止し、過充電時の安全性を飛躍的に高めることができる。
【００７０】
また、ガスが発生しないので、従来の安全弁を用いる二次電池のように、温度低下に伴うガスの液化によって通電遮断部分が再接触するという問題は生じないため、十分に安全性を確保することができる。
【００７１】
《実施形態２》
図８は、本発明に係る二次電池の実施形態２を示している。尚、図１〜図７と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７２】
本実施形態の遮断機構４０は、上記実施形態１におけるピン４１に代えて、ピン４１と第３導電部材４６とを備えている。第３導電部材４６は、例えば、ピン４１とほぼ同じ径を有する円柱状に形成されている。そして、第３導電部材４６及びピン４１の長さの和は、上記実施形態１におけるピン４１の長さと同じであって、二次電池１が最大容量まで充電されたときの積層素子１０の厚みと同じ長さに規定されている。
【００７３】
第３導電部材４６は、正常時において、第２導電部材２５の下面と、ピン４１の上面との双方に接触している。そして、過充電が生じた異常時には、積層素子１０の厚みが最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなることにより、第３導電部材４６と第２導電部材２５又はピン４１との間、又はピン４１と第１導電部材２４との間に隙間が生じる。その結果、外部電源から積層素子１０への充電経路が分断され、通電状態が遮断される。
【００７４】
したがって、この実施形態２によっても、上記実施形態１と同様に、外装フィルム３０内でのガスの発生を未然に防止することができる。
【００７５】
尚、第３導電部材４６は、例えば、第２導電部材２５の下面に固着して設けるようにしてもよい。このことにより、過充電が生じた異常時には、第３導電部材４６の下面がピン４１の上面から離脱させて通電状態を遮断することが可能となる。
【００７６】
≪実施形態３≫
図９は、本発明係る二次電池の実施形態３を示している。この実施形態は、上記実施形態２と同様に、第３導電部材４６をピン４１の上端側に設けることに加え、第４導電部材４７をピン４１の下端側に設けたものである。
【００７７】
すなわち、第４導電部材４７は、第３導電部材４６と同様に、例えば、ピン４１とほぼ同じ径を有する円柱状に形成されている。そして、第４導電部材４７、第３導電部材４６及びピン４１の長さの和は、上記実施形態１におけるピン４１の長さと同じであって、二次電池１が最大容量まで充電されたときの積層素子１０の厚みと同じ長さに規定されている。
【００７８】
第３導電部材４６は、正常時において、第２導電部材２５の下面と、ピン４１の上面との双方に接触している。一方、第４導電部材４７は、正常時において、ピン４１の下面と、第１導電部材２４の上面との双方に接触している。
【００７９】
そして、過充電が生じた異常時には、積層素子１０の厚みが最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなることにより、第３導電部材４６と第２導電部材２５又はピン４１との間、又は第４導電部材４７とピン４１又は第１導電部材２４との間に隙間が生じる。その結果、外部電源から積層素子１０への充電経路が分断され、通電状態が遮断される。したがって、この実施形態３によっても、上記各実施形態と同様に、外装フィルム３０内でのガスの発生を未然に防止することができる。
【００８０】
尚、第４導電部材４７は、例えば、第１導電部材２４の上面に固着して設けるようにしてもよい。このことにより、過充電が生じた異常時には、第４導電部材４７の上面がピン４１の下面から離脱させて通電状態を遮断することが可能となる。
【００８１】
《その他の実施形態》
上記各実施形態では、正常時において、ピン４１を第１導電部材２４と第２導電部材２５との間で狭持して固定するようにしたが、本発明はこれに限らず、例えばスポット溶接等により固定するようにしてもよい。
【００８２】
すなわち、上記実施形態１において、ピン４１の上端と第２導電部材２５の下面とを溶接すると共に、ピン４１の下端と第１導電部材２４の上面とを溶接して、ピン４１を固定することが可能である。また、上記実施形態２において、ピン４１の上端と第３導電部材４６の下面とを溶接してもよい。さらに、上記実施形態３において、ピン４１の上端と第３導電部材４６の下面とを溶接すると共に、ピン４１の下端と第４導電部材４７の上面とを溶接して固定してもよい。
【００８３】
このように溶接固定する場合には、ピン４１の長さを、最大容量まで充電されたときの積層素子１０の厚みよりも僅かに短くすることが可能である。このことにより、異常時におけるピン４１と各導電部材との離脱のし易さを調節することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上説明したように、本発明は、外装フィルムに密封された積層素子を有する二次電池について有用であり、特に、外装フィルムの内部にガスが発生する前に、積層素子への通電状態を未然に遮断させる場合に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】実施形態１の二次電池を模式的に示す断面図である。
【図２】二次電池の外観を示す平面図である。
【図３】実施形態１の積層素子を示す斜視図である。
【図４】負極シート（正極シート）の外観を示す斜視図である。
【図５】セパレータをつづら折り状に設けた状態を示す斜視図である。
【図６】ピンが第２導電部材から離脱した遮断機構の遮断状態を示す断面図である。
【図７】ピンが第１及び第２導電部材から離脱した遮断機構の遮断状態を示す断面図である。
【図８】実施形態２の二次電池の要部を示す断面図である。
【図９】実施形態３の二次電池の要部を示す断面図である。
【図１０】従来の二次電池を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１ 二次電池
１０ 積層素子
１１ 負極シート
１２ 正極シート
１３ セパレータ
１５ 負極端子（電極端子）
１６ 正極端子（電極端子）
１９ 貫通孔
２１ 集電電極
２２ 集電電極
２４ 第１導電部材
２５ 第２導電部材
３０ 外装フィルム
４０ 遮断機構
４１ ピン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に関し、特に、過充電が生じたときの安全対策に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノート型パソコンや携帯電話等のモバイル機器の開発が急速に進められている。これらのモバイル機器には、電源としてリチウムイオン電池等の二次電池が適用されることが多い。二次電池は、機器の駆動時間や携帯性の向上を図るために、軽量、小型、大容量等の特性が求められている。
【０００３】
二次電池であるリチウムイオン電池は、外装材の内部に封止された積層素子を有している。積層素子は、交互に積層される複数の正極シート及び負極シートを備え、各正極シートと負極シートとの間には、セパレータ及び電解質がそれぞれ介在されている。セパレータ及び電解質には、両者の機能を一つに兼ね備えている固体又はゲル状電解質と、セパレータに液体電解質を含浸させたものとがある。
【０００４】
正極シートは、例えばＬｉＣｏＯ2等の正極活物質が塗布され、負極シートは、例えばグラファイト（Ｃ）等の負極活物質が塗布されている。こうして、積層素子では、正極シートと負極シートとの間でリチウムイオン（Ｌｉ+）が移動することにより、充電又は放電を行うようになっている。
【０００５】
また、外装材には、アルミラミネート等の外装フィルムや金属缶を適用することが知られているが、特に、外装フィルムは、軽量である点、薄型化が容易である点、及び形状の自由度が高い点などで有利である。
【０００６】
ところで、リチウムイオン電池が誤って過剰に充電されると、正極シートと負極シートとの間に大電流が流れることにより、電解質が分解したり気化してガスが発生する。その結果、外装フィルムが膨張して破裂したり、発火に至るという問題が生じる。
【０００７】
これに対し、発火を防止する目的で、外装フィルムの内部に難燃性ゲルを充填することが知られている。しかし、難燃性ゲルは、過充電時における発火を抑制できるものの、外装フィルム内におけるガスの発生を抑制するものではないため、外装フィルムの破裂を防止することはできない。
【０００８】
そこで、従来より、外装フィルムに安全弁（ラプチャー）を形成し、外装フィルムの内部でガス圧力が大きくなったときに安全弁を作動させて、外装フィルム内のガスを外部へ放出することが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００９】
特許文献１には、フィルム外装材の熱融着による封止部の少なくとも一箇所に安全弁として機能する低温融着部を設けることが記載されている。また、特許文献２には、袋状の外装フィルムにより封止された二次電池に対し、集電リードが取り付けられている熱溶着封口部の幅を、集電リードの取り付けられていない熱溶着封口部（安全弁として用いられる）の幅よりも大きくすることが開示されている。
【００１０】
しかし、これらの安全弁では、外装フィルムの内部圧力がかなり高くならなければ安全弁が作動せず、また電解質が漏出して発火する虞れがあり、安全性が十分ではなかった。また、充電電流が流れ続けるため、ガスの発生を止めることはできない。
【００１１】
これに対し、外装フィルムの膨張により通電を遮断する遮断機構を設けることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【００１２】
すなわち、遮断状態の断面図である図１０に示すように、積層素子１０１は、外装フィルム１２１の内部に密封され、負極シート１０２と正極シート１０３とがセパレータ１０４を挟んで交互に積層して構成されている。
【００１３】
積層素子１０１の積層最外面に設けられた導電部材１２５には、粘着テープ１１４を介して負極端子１１２が接続されている。負極端子１１２の一端には、外装フィルム１２１の内面に固定された接続部１１１が形成されている。一方、負極端子１１２の他端は、外装フィルム１２１の外部へ延出されている。
【００１４】
そして、外装フィルム１２１が膨張していない通常時には、接続部１１１は、外装フィルム１２１により押し付けられて導電部材１２５に接触し、通電している。一方、過充電によりガスが発生したときには、外装フィルムがガスによって膨張することにより、接続部１１１が導電部材１２５から離れる。その結果、積層素子１０１への通電状態が遮断されるため、ガスの発生を停止させることが可能となる。
【特許文献１】特開２０００−１００３９９号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７０６５号公報
【特許文献３】特開２００３−２０８８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、上記特許文献３の二次電池は、安全弁を用いる特許文献１，２のものに比べて、外装フィルム内のガス圧力が比較的低い段階で通電状態を遮断することができるものの、ガスの発生自体を防止することはできない。言い換えれば、ガスが発生する前に未然に通電状態を遮断することはできないという問題がある。
【００１６】
さらに、外装フィルム１２１内の温度が低下すると、電解質のガスが液化して外装フィルム１２１が収縮するため、上記負極端子１１２の接続部１１１が導電部材１２５に再接触してしまう。その結果、再び通電状態となって過充電が行われ、ガスが再発生する虞れもあった。
【００１７】
本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外装フィルムの内部にガスが発生する前に、積層素子への通電状態を未然に遮断することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、この発明では、積層素子の積層方向の厚みが所定の厚みよりも大きくなったときに、通電状態を遮断する遮断機構を備えるようにした。
【００１９】
具体的に、本発明に係る二次電池は、負極シートと正極シートとがセパレータを挟んで交互に積層された積層素子と、上記積層素子を密封している外装フィルムと、上記積層素子の負極シート又は正極シートに導通され、上記外装フィルムの外部へ延出された一対の電極端子とを備えた二次電池であって、上記積層素子の積層方向の厚みが、最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなったときに、上記一対の電極端子の少なくとも一方と上記積層素子との通電状態を遮断する遮断機構を備えている。
【００２０】
上記積層素子には、積層方向に延びる貫通孔が形成され、上記遮断機構は、上記貫通孔の内部に配置されて導電性を有するピンと、上記積層素子の一方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの一端に接触している第１導電部材と、上記積層素子の他方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの他端に接触している第２導電部材とを備え、上記第１導電部材は、上記負極シート又は上記正極シートに導通している集電電極に接続され、上記第２導電部材は、上記第１導電部材が接続されている上記集電電極と同じ極性を有する上記電極端子に接続されていることが好ましい。
【００２１】
また、上記積層素子には、積層方向に延びる貫通孔が形成され、上記遮断機構は、上記貫通孔の内部に配置されて導電性を有するピンと、上記積層素子の一方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの一端に溶接されている第１導電部材と、上記積層素子の他方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの他端に溶接されている第２導電部材とを備え、上記第１導電部材は、上記負極シート又は上記正極シートに導通している集電電極に接続され、上記第２導電部材は、上記第１導電部材が接続されている上記集電電極と同じ極性を有する上記電極端子に接続されていてもよい。
【００２２】
−作用−
次に、本発明の作用について説明する。
【００２３】
過充電が生じていない正常時には、遮断機構が作動せず、一対の電極端子と積層素子との通電状態が維持されている。その結果、外部電源から上記電極端子を介して積層素子の負極シートに電荷が供給されるため、二次電池は正常に充電される。
【００２４】
ところで、充電時には、正極シートから正イオンが放出される。その結果、正極シートの結晶格子に伸びが生じるため、正極シートは膨張する。また、負極シートには正極シートから放出された正イオンが取り込まれるため、負極シートも膨張する。すなわち、積層素子は、充電に伴って膨張するようになっている。
【００２５】
過充電が生じた異常時には、積層素子の積層方向の厚みが、二次電池の最大容量（例えば４．２５Ｖの電圧）まで充電されたときの厚みよりも大きくなる。このとき、遮断機構が作動して、上記一対の電極端子の少なくとも一方と、上記積層素子との通電状態を遮断させる。その結果、積層素子の負極シートへの電荷の供給が阻止されて、外装フィルム内におけるガスの発生が未然に防止される。
【００２６】
また、上記遮断機構は、積層素子に形成された貫通孔の内部に設けられたピンと、ピンの両端に接触又は溶接された第１導電部材及び第２導電部材とにより構成することができる。例えば、各負極シートには集電電極が導通しており、集電電極は、積層素子の一方の積層最外面に固着された第１導電部材に接続される。第２導電部材は、ピンを介して第１導電部材に導通しており、負極の電極端子が接続されている。すなわち、正常時には、負極の電極端子から供給される電荷は、第２導電部材、ピン、第１導電部材、及び集電電極を介して、積層素子の各負極シートへ供給され、このことにより充電が行われる。
【００２７】
一方、異常時には、積層素子の積層方向の厚みが増大して、第１導電部材及び第２導電部材の少なくとも一方が、ピンの端部から外れて離脱する。その結果、第１導電部材及び第２導電部材の少なくとも一方とピンの端部との間で充電される電荷の経路が分断されるため、電極端子から負極シートへの電荷の供給が阻止され、ガスの発生が未然に防止される。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、過充電により積層素子の積層方向の厚みが最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなった異常時には、一対の電極端子の少なくとも一方と、積層素子との通電状態を遮断機構により遮断するようにしたので、外装フィルム内におけるガスの発生を未然に防止し、過充電時の安全性を飛躍的に高めることができる。
【００２９】
さらに、積層素子の貫通孔に設けたピンと、ピンの両端に接触又は溶接された第１導電部材及び第２導電部材とによって遮断機構を構成することにより、異常時において、第１導電部材及び第２導電部材の少なくとも一方をピンの端部から離脱させることができる。その結果、充電経路を分断することができるため、ガスの発生を未然に防止することが可能となる。
【００３０】
また、ガスが発生しないので、従来の安全弁を用いる二次電池のように、温度低下に伴うガスの液化によって通電遮断部分が再接触するという問題は生じないため、十分に安全性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３２】
《発明の実施形態１》
図１〜図７は、本発明に係る二次電池の実施形態１を示している。本実施形態の二次電池は、いわゆるシート状電池であって、例えば、リチウムイオン（Ｌｉ+）が電極間で移動することにより充電及び放電を行うリチウムイオン電池である。
【００３３】
断面図である図１に示すように、二次電池１は、積層素子１０と、積層素子１０を内部に密封している外装フィルム３０と、積層素子１０に導通された一対の電極端子１５，１６とを備えている。
【００３４】
上記積層素子１０は、図１及び斜視図である図３に示すように、複数の負極シート１１と複数の正極シート１２とがセパレータ１３を挟んで交互に積層された構造を有している。
【００３５】
負極シート１１及び正極シート１２は、図４に示すように、シート状の電極本体１１ａ，１２ａと、電極タブ１１ｂ，１２ｂとにより構成されている。
【００３６】
負極シート１１の電極本体１１ａの略中央には、円状の第１開口部３１が形成されている。一方、正極シート１２の電極本体１２ａの略中央には、円状の第２開口部３２が形成されている。第１開口部３１の中心は、負極シート１１及び正極シート１２が積層された状態で、第２開口部３２の中心に一致するようになっている。さらに、セパレータ１３にも円状の第３開口部３３が形成されている。第３開口部３３の中心は、上記第１開口部３１及び第２開口部３２の中心に一致している。
【００３７】
図１に示すように、上記各開口部３１，３２，３３のうち、セパレータ１３の第３開口部３３の内径が最も小さい。負極シート１１の第１開口部３１の内径は、上記第３開口部３３よりも大きい。そして、正極シート１２の第２開口部３２の内径は、上記第１開口部３１よりも大きく、最も大きくなっている。これらの第１〜第３開口部３１，３２，３３により、積層素子１０の積層方向に延びる貫通孔１９が形成されている。
【００３８】
負極シート１１は、厚さが５〜１００μｍ、特に８〜５０μｍである銅、ニッケル、銀、及びＳＵＳ等の導電体の箔により形成されている。負極シート１１の電極本体１１ａは、表面に負極活物質が塗工される一方、電極タブ１１ｂは負極活物質が塗工されずに露出している。
【００３９】
負極活物質は、炭素質材料であって、グラファイトである各種の天然黒鉛や人造黒鉛、例えば、繊維状黒鉛、鱗状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛類が好ましい。このような黒鉛類にポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン系ポリマー等の結着剤を混合し、上記導電体箔の両面に塗工する。負極活物質の厚みは、２０〜５００μｍが好ましく、５０〜２５０μｍがさらに好ましい。また、製品電池となったときの負極活物質層の密度は、１．２〜１．８ｇ／ｃｍ3程度の高密度にすると、電池特性が優れるので好ましい。
【００４０】
正極シート１２は、厚さが１０〜１００μｍ、特に１５〜５０μｍであるアルミニウム、アルミニウム合金、及びチタン等の導電体の箔や、厚さが２５〜３００μｍ、特に３０〜１５０μｍであるエキスパンドメタルやメッシュメタル等により形成されている。上記負極シート１１と同様に、正極シート１２の電極本体１２ａは、表面に正極活物質が塗工される一方、電極タブ１２ｂは正極活物質が塗工されずに露出している。
【００４１】
正極活物質には、ＬｉＣｏＯ2が適用されている。その他に、正極活物質としては、負極との電位差が少なくとも１Ｖであるもの、例えば、Ｖ2Ｏ5、ＭｎＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＮｉ0.5Ｃｏ0.5Ｏ2、ＬｉＮｉＯ2、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｐ系複合酸化物（ＬｉＣｏ0.5Ｐ0.5Ｏ2、ＬｉＣｏ0.4Ｐ0.6Ｏ2、ＬｉＣｏ0.6Ｐ0.4Ｏ2、ＬｉＣｏ0.3Ｎｉ0.3Ｐ0.4Ｏ2、ＬｉＣｏ0.2Ｎｉ0.2Ｐ0.6Ｏ2等）、ＴｉＳ2、ＭｏＳ2、ＭｏＯ3等を適用することもできる。
【００４２】
特に、電池の起電力や充放電電圧を高めることができるため、Ｌｉ−Ｃｏ系複合酸化物が好ましい。正極活物質は、粒子径が１〜５０μｍであると、電池特性が向上するので好ましい。このような正極活物質は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン系ポリマーなどの結着剤を混合して塗工する。正極活物質の厚みは、２０〜５００μｍが好ましく、５０〜２５０μｍがさらに好ましい。また、製品電池となったときの正極活物質層の密度は、２．５〜３．５ｇ／ｃｍ3程度の高密度にすると、電池特性が優れるので好ましい。
【００４３】
負極活物質及び正極活物質の塗工方法は、特に限定されないが、ロールコーティング法やダイコーティング法等が好ましい。
【００４４】
上記各電極タブ１１ｂ，１２ｂは、図３及び図５に示すように、積層素子１０の一方の側面から突出している。そして、負極の各電極タブ１１ｂは、上下に揃って配置され負極の集電電極２１にまとめて接続されている。また、正極の各電極タブ１２ｂについても、上下に揃って配置され正極の集電電極２２にまとめて接続されている。つまり、各負極シート１１は、負極の集電電極２１に導通する一方、各正極シート１２は、正極の集電電極２２に導通している。
【００４５】
上記セパレータ１３は、複数のシート形状のものを負極シート１１と正極シート１２との間に個別に介装してもよく、その他に、図５に示すように、１枚の帯状のものをつづら折り状にして、各負極シート１１及び正極シート１２の間に介装させるようにしてもよい。
【００４６】
また、セパレータ１３は、正極と負極の短絡を防いで、イオン電導性を有しているものであればどのようなものでも構わないが、取り扱い易さや、電気特性や電解液に対する安定性等の観点から、多孔性を有するなポリマフィルムであることが好ましい。ポリマフィルムを構成するポリマとしては、例えば、ポリスチレン、ポリブタジエン及びそれらの共重合体、ポリエチレンオキサイド誘導体、ポリプロピレンオキサイド誘導体、上記誘導体を含むポリマ、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリビニリデンフルオライド、ビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体等を適用することができる。このようなポリマを適当な溶剤に溶解させて、成膜、乾燥させてフィルムとする。尚、フィルム成膜用の溶液に可塑剤等の添加剤を加えてもよい。このようにして、多孔性を有するセパレータ１３を作製する。セパレータ１３の厚みは５〜１００μｍが好ましく、特に２０〜６０μｍとすると電池特性が良好となるため、さらに好ましい。
【００４７】
尚、電池として完成したときには、セパレータ１３には非水系の電解液が含浸されている。上記電解液には、塩類を有機溶媒に溶解させた電解液を適用することができる。上記塩類としては、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＡｌＣｌ4、Ｌｉ（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎなどが例示され、これらの一種あるいは二種以上の混合物を適用できる。有機溶媒としては、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、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジエチルエーテルなどが例示され、これらの一種あるいは二種以上の混合物を適用することができる。
【００４８】
また、セパレータ１３として、負極シート１１と正極シート１２とを実質的に隔離する公知の固体電解質層を用いてもよい。
【００４９】
上記外装フィルム３０は、平面図である図２に示すように、ブリスター包装容器に形成されている。外装フィルム３０は、図示を省略するが、厚さ３０〜５０μｍのアルミ箔層と、アルミ箔層の一面に積層された樹脂よりなる外部保護層と、アルミ箔の他面に積層された樹脂よりなる耐電解液層と、耐電解液層の上に積層された熱可塑性樹脂よりなる接着層とにより構成され、四層構造を有している。外部保護層の樹脂としては、ナイロン樹脂やポリエステル樹脂等を挙げることができ、接着層の樹脂としては、変性ポリオレフィン樹脂等の熱融着により封止することのできる樹脂を挙げることができる。
【００５０】
外装フィルム３０の厚みは、全体として、８０〜２００μｍであることが好ましい。外装フィルム３０は、矩形のフィルムに、積層素子１０の外形よりやや大きい矩形のブリスター（窪み）が成形されている。そして、積層素子１０をブリスターの内部に収容すると共に電解液を導入した状態で、外装フィルム３０を二つ折りにして熱融着等により接着し、積層素子１０を密封する。
【００５１】
上記一対の電極端子１５，１６は、図３に示すように、一端が正極シート１２又は負極シート１１に導通され、図１及び図２に示すように、外装フィルム３０の外部へ延出されている。
【００５２】
すなわち、電極端子１５，１６は、負極端子１５と正極端子１６とにより構成されている。負極端子１５の一端は、図３に示すように、後述の第２導電部材２５に導通されている。一方、正極端子１６の一端は、正極の集電電極２２に接続されている。
【００５３】
そして、本発明の特徴として、二次電池１は、上記積層素子１０の積層方向の厚みが、最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなったときに、上記一対の電極端子１５，１６の少なくとも一方と積層素子１０との通電状態を遮断する遮断機構４０を備えている。
【００５４】
遮断機構４０は、ピン４１と、第１導電部材２４と、第２導電部材２５とを有している。
【００５５】
上記ピン４１は、積層素子１０の貫通孔１９の内部に配置され、導電性を有する例えば銅等の材料により形成されている。ピン４１は、積層素子１０の膨張力では変形しない程度の剛性を有している。本実施形態では、ピン４１は、積層素子１０の積層方向の厚みと同じ長さを有している。また、ピン４１の外径は、上記セパレータ１３の第３開口部３３の内径よりも僅かに小さくなっている。
【００５６】
上記第１導電部材２４は、図１に示すように、積層素子１０の一方の積層最外面である下面に固着して設けられ、ピン４１の一端である下端に接触している。一方、第２導電部材２５は、積層素子１０の他方の積層最外面である上面に固着して設けられ、ピン４１の他端である上端に接触している。つまり、第１導電部材２４と第２導電部材２５とは、ピン４１を介して導通している。
【００５７】
第１導電部材２４及び第２導電部材２５は、それぞれ例えば銅箔等により構成されている。また、図１に示すように、上記負極シート１１と同様に、第１導電部材２４には電極タブ２６が形成される一方、第２導電部材２５には電極タブ２７が形成されている。各電極タブ２６，２７は、上記負極の集電電極２１に上下に重なるように配置されている。
【００５８】
上記第１導電部材２４の電極タブ２６は、負極の集電電極２１に接続されている。一方、第２導電部材２５の電極タブ２７は、負極の集電電極２１と同じ極性を有する電極端子である上記負極端子１５に接続されている。
【００５９】
−充電時の反応−
次に、正極活物質にＬｉＣｏＯ2が適用された二次電池１の充電時の正極及び負極の反応ついて説明する。
【００６０】
充電時に、正極では、次の式（1）の化学反応が行われる。
【００６１】
ＬｉＣｏＯ2 → Ｌｉ1-xＣｏＯ2＋ｘＬｉ+＋ｘｅ- ・・・（1）
また、負極では、次の式（2）の化学反応が行われる。
【００６２】
Ｃy＋ｘＬｉ+＋ｘｅ- → ＣyＬｉx ・・・（2）
その結果、負極シート１１及び正極シート１２の全体としては、次の式（3）の化学反応が行われることとなる。
【００６３】
ＬｉＣｏＯ2＋Ｃy → Ｌｉ1-xＣｏＯ2＋ＣyＬｉx ・・・（3）
以上の反応により、充電が行われる。このとき、ＣＣＣＶ充電方式で最大容量まで充電されたときの積層素子１０の内部電圧は、例えば４．２５Ｖになっている。
【００６４】
充電時には、正極活物質からリチウムイオン（Ｌｉ+）が放出されるため、正極活物質の結晶格子に伸びが生じて、正極シート１２は膨張する。また、負極活物質には正極活物質から放出されたリチウムイオン（Ｌｉ+）が取り込まれるため、負極シート１１も膨張する。すなわち、積層素子１０は、充電に伴って積層方向に膨張する。
【００６５】
−異常時における遮断機構の作動−
次に、過充電が生じた異常時における遮断機構４０の作動について説明する。
【００６６】
積層素子１０の厚みは、異常時においても過剰な充電に伴って大きくなる。これに対し、ピン４１は、最大容量まで充電されたときの積層素子１０の厚みと同じ長さに規定されているため、充電量が最大容量を超えたときには、積層素子１０の厚みがピン４１の長さよりも大きくなる。その結果、それまで接触して互いに導通していたピン４１と、第１導電部材２４及び第２導電部材２５の少なくとも一方とが離れる。図６は、ピン４１が第２導電部材２５のみから離脱した状態を示し、図７は、ピン４１が第１導電部材２４及び第２導電部材２５の双方から離脱した状態を示している。
【００６７】
このことにより、外部電源から積層素子１０への充電経路が分断されるため、通電状態が遮断され、充電は停止する。
【００６８】
−実施形態１の効果−
したがって、この実施形態１によると、遮断機構４０を設けるようにしたので、過充電により積層素子１０の積層方向の厚みが最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなった異常時には、遮断機構４０のピン４１を第１導電部材２４及び第２導電部材２５の少なくとも一方から離脱させ、負極端子１５と積層素子１０との通電状態を遮断することができる。
【００６９】
その結果、電解液がガス化する前に通電状態を遮断できるため、外装フィルム３０内におけるガスの発生を未然に防止し、過充電時の安全性を飛躍的に高めることができる。
【００７０】
また、ガスが発生しないので、従来の安全弁を用いる二次電池のように、温度低下に伴うガスの液化によって通電遮断部分が再接触するという問題は生じないため、十分に安全性を確保することができる。
【００７１】
《実施形態２》
図８は、本発明に係る二次電池の実施形態２を示している。尚、図１〜図７と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７２】
本実施形態の遮断機構４０は、上記実施形態１におけるピン４１に代えて、ピン４１と第３導電部材４６とを備えている。第３導電部材４６は、例えば、ピン４１とほぼ同じ径を有する円柱状に形成されている。そして、第３導電部材４６及びピン４１の長さの和は、上記実施形態１におけるピン４１の長さと同じであって、二次電池１が最大容量まで充電されたときの積層素子１０の厚みと同じ長さに規定されている。
【００７３】
第３導電部材４６は、正常時において、第２導電部材２５の下面と、ピン４１の上面との双方に接触している。そして、過充電が生じた異常時には、積層素子１０の厚みが最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなることにより、第３導電部材４６と第２導電部材２５又はピン４１との間、又はピン４１と第１導電部材２４との間に隙間が生じる。その結果、外部電源から積層素子１０への充電経路が分断され、通電状態が遮断される。
【００７４】
したがって、この実施形態２によっても、上記実施形態１と同様に、外装フィルム３０内でのガスの発生を未然に防止することができる。
【００７５】
尚、第３導電部材４６は、例えば、第２導電部材２５の下面に固着して設けるようにしてもよい。このことにより、過充電が生じた異常時には、第３導電部材４６の下面がピン４１の上面から離脱させて通電状態を遮断することが可能となる。
【００７６】
≪実施形態３≫
図９は、本発明係る二次電池の実施形態３を示している。この実施形態は、上記実施形態２と同様に、第３導電部材４６をピン４１の上端側に設けることに加え、第４導電部材４７をピン４１の下端側に設けたものである。
【００７７】
すなわち、第４導電部材４７は、第３導電部材４６と同様に、例えば、ピン４１とほぼ同じ径を有する円柱状に形成されている。そして、第４導電部材４７、第３導電部材４６及びピン４１の長さの和は、上記実施形態１におけるピン４１の長さと同じであって、二次電池１が最大容量まで充電されたときの積層素子１０の厚みと同じ長さに規定されている。
【００７８】
第３導電部材４６は、正常時において、第２導電部材２５の下面と、ピン４１の上面との双方に接触している。一方、第４導電部材４７は、正常時において、ピン４１の下面と、第１導電部材２４の上面との双方に接触している。
【００７９】
そして、過充電が生じた異常時には、積層素子１０の厚みが最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなることにより、第３導電部材４６と第２導電部材２５又はピン４１との間、又は第４導電部材４７とピン４１又は第１導電部材２４との間に隙間が生じる。その結果、外部電源から積層素子１０への充電経路が分断され、通電状態が遮断される。したがって、この実施形態３によっても、上記各実施形態と同様に、外装フィルム３０内でのガスの発生を未然に防止することができる。
【００８０】
尚、第４導電部材４７は、例えば、第１導電部材２４の上面に固着して設けるようにしてもよい。このことにより、過充電が生じた異常時には、第４導電部材４７の上面がピン４１の下面から離脱させて通電状態を遮断することが可能となる。
【００８１】
《その他の実施形態》
上記各実施形態では、正常時において、ピン４１を第１導電部材２４と第２導電部材２５との間で狭持して固定するようにしたが、本発明はこれに限らず、例えばスポット溶接等により固定するようにしてもよい。
【００８２】
すなわち、上記実施形態１において、ピン４１の上端と第２導電部材２５の下面とを溶接すると共に、ピン４１の下端と第１導電部材２４の上面とを溶接して、ピン４１を固定することが可能である。また、上記実施形態２において、ピン４１の上端と第３導電部材４６の下面とを溶接してもよい。さらに、上記実施形態３において、ピン４１の上端と第３導電部材４６の下面とを溶接すると共に、ピン４１の下端と第４導電部材４７の上面とを溶接して固定してもよい。
【００８３】
このように溶接固定する場合には、ピン４１の長さを、最大容量まで充電されたときの積層素子１０の厚みよりも僅かに短くすることが可能である。このことにより、異常時におけるピン４１と各導電部材との離脱のし易さを調節することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上説明したように、本発明は、外装フィルムに密封された積層素子を有する二次電池について有用であり、特に、外装フィルムの内部にガスが発生する前に、積層素子への通電状態を未然に遮断させる場合に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】実施形態１の二次電池を模式的に示す断面図である。
【図２】二次電池の外観を示す平面図である。
【図３】実施形態１の積層素子を示す斜視図である。
【図４】負極シート（正極シート）の外観を示す斜視図である。
【図５】セパレータをつづら折り状に設けた状態を示す斜視図である。
【図６】ピンが第２導電部材から離脱した遮断機構の遮断状態を示す断面図である。
【図７】ピンが第１及び第２導電部材から離脱した遮断機構の遮断状態を示す断面図である。
【図８】実施形態２の二次電池の要部を示す断面図である。
【図９】実施形態３の二次電池の要部を示す断面図である。
【図１０】従来の二次電池を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１ 二次電池
１０ 積層素子
１１ 負極シート
１２ 正極シート
１３ セパレータ
１５ 負極端子（電極端子）
１６ 正極端子（電極端子）
１９ 貫通孔
２１ 集電電極
２２ 集電電極
２４ 第１導電部材
２５ 第２導電部材
３０ 外装フィルム
４０ 遮断機構
４１ ピン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極シートと正極シートとがセパレータを挟んで交互に積層された積層素子と、
上記積層素子を密封している外装フィルムと、
上記積層素子の負極シート又は正極シートに導通され、上記外装フィルムの外部へ延出された一対の電極端子とを備えた二次電池であって、
上記積層素子の積層方向の厚みが、最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなったときに、上記一対の電極端子の少なくとも一方と上記積層素子との通電状態を遮断する遮断機構を備えている
ことを特徴とする二次電池。
【請求項２】
請求項１において、
上記積層素子には、積層方向に延びる貫通孔が形成され、
上記遮断機構は、上記貫通孔の内部に配置されて導電性を有するピンと、上記積層素子の一方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの一端に接触している第１導電部材と、上記積層素子の他方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの他端に接触している第２導電部材とを備え、
上記第１導電部材は、上記負極シート又は上記正極シートに導通している集電電極に接続され、
上記第２導電部材は、上記第１導電部材が接続されている上記集電電極と同じ極性を有する上記電極端子に接続されている
ことを特徴とする二次電池。
【請求項３】
請求項１において、
上記積層素子には、積層方向に延びる貫通孔が形成され、
上記遮断機構は、上記貫通孔の内部に配置されて導電性を有するピンと、上記積層素子の一方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの一端に溶接されている第１導電部材と、上記積層素子の他方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの他端に溶接されている第２導電部材とを備え、
上記第１導電部材は、上記負極シート又は上記正極シートに導通している集電電極に接続され、
上記第２導電部材は、上記第１導電部材が接続されている上記集電電極と同じ極性を有する上記電極端子に接続されている
ことを特徴とする二次電池。
【請求項１】
負極シートと正極シートとがセパレータを挟んで交互に積層された積層素子と、
上記積層素子を密封している外装フィルムと、
上記積層素子の負極シート又は正極シートに導通され、上記外装フィルムの外部へ延出された一対の電極端子とを備えた二次電池であって、
上記積層素子の積層方向の厚みが、最大容量まで充電されたときの厚みよりも大きくなったときに、上記一対の電極端子の少なくとも一方と上記積層素子との通電状態を遮断する遮断機構を備えている
ことを特徴とする二次電池。
【請求項２】
請求項１において、
上記積層素子には、積層方向に延びる貫通孔が形成され、
上記遮断機構は、上記貫通孔の内部に配置されて導電性を有するピンと、上記積層素子の一方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの一端に接触している第１導電部材と、上記積層素子の他方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの他端に接触している第２導電部材とを備え、
上記第１導電部材は、上記負極シート又は上記正極シートに導通している集電電極に接続され、
上記第２導電部材は、上記第１導電部材が接続されている上記集電電極と同じ極性を有する上記電極端子に接続されている
ことを特徴とする二次電池。
【請求項３】
請求項１において、
上記積層素子には、積層方向に延びる貫通孔が形成され、
上記遮断機構は、上記貫通孔の内部に配置されて導電性を有するピンと、上記積層素子の一方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの一端に溶接されている第１導電部材と、上記積層素子の他方の積層最外面に固着して設けられ、上記ピンの他端に溶接されている第２導電部材とを備え、
上記第１導電部材は、上記負極シート又は上記正極シートに導通している集電電極に接続され、
上記第２導電部材は、上記第１導電部材が接続されている上記集電電極と同じ極性を有する上記電極端子に接続されている
ことを特徴とする二次電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−７３２６０（Ｐ２００６−７３２６０Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５２８９４（Ｐ２００４−２５２８９４）
【出願日】平成１６年８月３１日（２００４．８．３１）
【出願人】（０００００３２６３）三菱電線工業株式会社 (734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月３１日（２００４．８．３１）
【出願人】（０００００３２６３）三菱電線工業株式会社 (734)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]