説明

電池

【課題】発電要素からの熱を放熱する機能が向上された電池を提供することを課題とする。
【解決手段】電解質層及び該電解質層を挟持する一対の電極を備えた発電要素と、該発電要素を収容する容器と、該容器の外面に接して設けられた放熱器とを有し、容器内において、容器の内面及び発電要素に接触した熱伝導部材を備え、発電要素と熱伝導部材との接触部、熱伝導部材と容器との接触部、及び、容器と放熱器との接触部が一直線上にある電池とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電池に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池(以下において、「リチウム二次電池」ということがある。)は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、リチウムイオン二次電池は小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されている。また、近年は電気自動車やハイブリッド自動車用等の大型機器の動力用としても、リチウムイオン二次電池の需要が高まっている。
【0003】
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられている。当該電解質層に用いられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質が知られている。液体状の電解質(以下において、「電解液」という。)は、正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、電解液が用いられる場合には、正極層や負極層に含有されている活物質と電解質との界面が形成され易いので、電池の性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、不燃性である固体状の電解質(以下において、「固体電解質」という。)を用いると、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層(以下において、「固体電解質層」という。)が備えられる形態のリチウムイオン二次電池(以下において、「固体電池」という。)が提案されている。
【0004】
上記のようにリチウム二次電池は優れた特徴を有している。しかしながら、充放電時の電池反応や電池の内部抵抗によって発熱するという問題があることも知られている。電池が高温になった状態が続くと、該電池が劣化するという問題を生じる。かかる問題の解決を目的として、特許文献1には、帯状の正負極電極を帯状のセパレータを介して捲回した捲回形の発電要素を電池ケース内に収納した電池において、発電要素の正負いずれか一方の電極を発電要素の外周側面と電池ケース内面との間に沿って配置したリード板を介して引き出し、直接又は他のリード材を介して当該極性の端子に接続したことを特徴とする電池が記載されている。また、特許文献2には、リチウムイオンが出入り可能な正極板とリチウムイオンが出入り可能な負極板とを、電気的に分離する多孔質のセパレータを介して渦状に巻く捲回体を、電池缶に挿入して形成する捲回型のリチウムイオン二次電池において、電池缶の内部であって、電池缶と接する様に放熱板を設けることを特徴とするリチウムイオン二次電池が記載されている。さらに、特許文献3には、冷却風を供給して電池を冷やすことについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平11−339757号公報
【特許文献2】特開2011−113895号公報
【特許文献3】特開2003−338308号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1〜3に記載された技術によれば、電池の温度を下げることができると考えられる。しかしながら、特許文献1〜3のような従来の技術では、放熱効果が不十分であった。例えば、特許文献1に記載された電池は、図7に示した電池50のように、発電要素51の正負いずれか一方の電極を発電要素51の外周側面と電池ケース53内面との間に沿って配置したリード板52を介して引き出し、直接又は他のリード材を介して当該極性の端子に接続している。このような形態とした場合、図7における電池ケース53の紙面左右に放熱器54、54を設けたとしても、図7中に矢印で示したように発電要素51から放熱器54までの熱伝達経路が長くなる。なお、通常、電池50は図7の紙面上下方向に積層して用いられると考えられるため、放熱器を設ける場合は、図7に示したように発電要素51の左右に設ける。
【0007】
そこで本発明は、発電要素からの熱を放出する機能が向上された電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、電解質層及び該電解質層を挟持する一対の電極を備えた発電要素と、該発電要素を収容する容器と、該容器の外面に接して設けられた放熱器とを有し、容器内において、容器の内面及び発電要素に接触した熱伝導部材を備え、発電要素と熱伝導部材との接触部、熱伝導部材と容器との接触部、及び、容器と放熱器との接触部が一直線上にある電池である。
【0009】
ここに「一対の電極」とは、正極及び負極を意味する。また、「容器の外面に接して設けられた放熱器」とは、容器の外面に放熱器が直接接している、又は、容器から放熱器へと熱伝導が可能な形態で他の部材を介して放熱器が容器に間接的に接していることを意味する。なお、他の部材を介して放熱器が容器に間接的に接している場合、当該他の部材を放熱器の一部とみなし、当該他の部位と容器との接触部を、容器と放熱器との接触部とみなす。さらに、「発電要素と熱伝導部材との接触部、熱伝導部材と容器との接触部、及び、容器と放熱器との接触部が一直線上にある」とは、発電要素と熱伝導部材とが接触している部分の少なくとも一部、熱伝導部材と容器とが接触している部分の少なくとも一部、及び、容器と放熱器とが接触している部分の少なくとも一部が一直線上にあることを意味する。
【0010】
また、上記本発明の電池において、熱伝導部材が、容器の内面に沿って形成された部分を有し、該部分の少なくとも一部が容器の内面に面接触していることが好ましい。
【0011】
さらに、上記本発明の電池において、発電要素より放熱器側で、容器の内面が内側に突出した凸部を有し、該凸部によって容器内に固定された固定部材を有し、該固定部材によって熱伝導部材が容器の内面に押さえつけられていることが好ましい。
【0012】
また、上記固定部材を備える本発明の電池において、該固定部材が、発電要素側から放熱器側に貫通した孔を有し、熱伝導部材が当該孔を通して配設されていることが好ましい。
【発明の効果】
【0013】
本発明の電池によれば、発電要素と熱伝導部材との接触部、熱伝導部材と容器との接触部、及び、容器と放熱器との接触部が一直線上にあることによって、発電要素から放熱器までの熱伝達経路が短くなるため、発電要素からの熱を放出する機能が向上された電池とすることができる。
【0014】
また、本発明の電池において、熱伝導部材が容器の内面に沿って形成された部分を有し、該部分の少なくとも一部が容器の内面に面接触している形態とすることによって、熱伝導部材と容器との接触面積を大きくすることができるため、熱伝導部材から容器へと熱を伝え易くなり、発電要素からの熱を放熱し易くなる。
【0015】
また、本発明の電池において、発電要素より放熱器側で、容器の内面が内側に突出した凸部を有し、該凸部によって容器内に固定された固定部材を有し、該固定部材によって熱伝導部材が容器の内面に押さえつけられている形態とすることによって、熱伝導部材と容器の内面との接触面積を安定して確保することができる。
【0016】
また、上記固定部材を備えた形態の本発明の電池において、固定部材が、発電要素側から放熱器側に貫通した孔を有し、熱伝導部材が当該孔を通して配設されている形態とすることによって、後に詳述するように、電池の製造過程において熱伝導部材が破損することを防止し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】電池10を概略的に示した斜視図である。
【図2】電池10断面を概略的に示した図である。
【図3】電池10断面を概略的に示した図である。
【図4】電池20の一部の断面を概略的に示した図である。
【図5】電池20の製造方法を説明する図である。
【図6】電池30の一部の断面を概略的に示した図である。
【図7】電池50の断面を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照しつつ、本発明の電池が、固体電解質層を用いたリチウムイオン二次電池(固体電池)である場合について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。
【0019】
<電池10>
図1は、本発明の電池の一つの実施形態例である電池10を概略的に示した斜視図である。以下の本発明の説明において、図1の上下方向及び他の図において当該方向に相当する方向を鉛直方向という場合がある。また、図1の左右方向及び他の図の当該方向に相当する方向を水平方向という場合がある。図2は、電池10の鉛直方向断面を概略的に示した図である。図3は、電池10の水平方向断面を概略的に示した図である。図1〜図3を参照しつつ、電池10について説明する。
【0020】
図1に示したように、電池10は容器3と該容器3の外面に接して設けられた放熱器4とを備えおり、容器3からは正極端子6及び負極端子7が突出している。また、図2及び図3に示したように、容器3には発電要素1が収容されており、容器3内において、容器3の内面及び発電要素1に接触するように熱伝導部材2が配設されている。以下、電池10を構成するこれらの部材について詳細に説明する。
【0021】
(発電要素1)
発電要素1は、電解質層及び該電解質層を挟持する一対の電極を備えている。このような発電要素1としては、公知の電池に備えられるものを特に限定することなく用いることができる。すなわち、発電要素1は、少なくとも電解質層と、該電解質層の一方の面側に設けられた正極層と、該電解質層の他方の面側に設けられた負極層とを有している。また、発電要素1は、正極層と、負極層と、正極層及び負極層に挟持された固体電解質層とを備える積層体を捲回してなる捲回体であることが好ましい。
【0022】
発電要素1に備えられる正極層に含有させる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の正極活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)等の層状化合物を例示することができる。また、正極層には、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜含有させることができる。そのような固体電解質としては、LiPO等の酸化物系固体電解質のほか、LiPSや、LiS:P=50:50〜100:0となるようにLiS及びPを混合して作製した硫化物系固体電解質(例えば、モル比で、LiS:P=75:25となるようにLiS及びPを混合して作製した硫化物固体電解質)等を例示することができる。このほか、正極層には、正極活物質と固体電解質とを結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。正極層に含有させることが可能なバインダーとしては、ブチレンゴム等を例示することができ、正極層に含有させることが可能な導電材としては、カーボンブラック等を例示することができる。また、正極層の作製時には、リチウムイオン二次電池の正極層作製時に用いるスラリーを調整する際に使用可能な公知の溶媒を適宜用いることができる。そのような溶媒としては、ヘプタン等を例示することができる。
【0023】
また、発電要素1に備えられる負極層に含有させる負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の負極活物質を適宜用いることができる。そのような負極活物質としては、グラファイト等を例示することができる。また、負極層には固体電解質を含有させることができ、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜含有させることができる。そのような固体電解質としては、正極層に含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。このほか、負極層には、負極活物質と固体電解質とを結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。負極層に含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極層に含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。また、負極層の作製時には、正極層の作製時に使用可能な上記溶媒等を適宜用いることができる。
【0024】
また、発電要素1に備えられる電解質層に含有させる固体電解質としては、正極層に含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。また、電解質層の作製時には、正極層の作製時に使用可能な上記溶媒等を適宜用いることができる。
【0025】
発電要素1において、上記正極層は正極集電体を介して正極端子6に接続されており、上記負極層は負極集電体を介して負極端子7に接続されている。また、正極端子6及び負極端子7は、その一端が容器3の外側に位置している。このような正極集電体、負極集電体、正極端子6及び負極端子7は、リチウムイオン二次電池の正極集電体、負極集電体、正極端子及び負極端子として使用可能な公知の導電性材料によって構成することができる。そのような導電性材料としては、Cu、Ni、Al、V、Au、Pt、Mg、Fe、Ti、Co、Cr、Zn、Ge、Inからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。
【0026】
(熱伝導部材2)
熱伝導部材2は、発電要素1で発した熱を容器3へと伝える部材である。熱伝導部材2は、熱を伝え易い部材であれば特に限定されない。また、熱伝導部材2は複数の部材を組み合わせて構成されていてもよく、例えば、発電要素1に備えられた正極層又は負極層に接する集電体が熱伝導部材2の一部を構成していてもよい。
【0027】
電池10では、図3に示した断面において、熱伝導部材2が容器3の短手方向の面に接するように配置されており、発電要素1と熱伝導部材2との接触部5a、熱伝導部材2と容器3との接触部5b、及び、容器と放熱器との接触部5cが一直線上にある。従来の電池では、図7に示したように、容器53の長手方向に熱伝導部材52を沿わせて熱を外部に伝えていたのに対して、電池10では上記のように短い経路で発電要素1の熱を放熱器4へと伝えることができる。よって、電池10は、発電要素1からの熱を放出し易い。
【0028】
また、熱伝導部材2は、図3に示したように、容器3の内面に沿って形成された部分を有し、該部分の少なくとも一部が容器3の内面に面接触していることが好ましい。かかる形態とすることによって、熱伝導部材2と容器3との接触面積を大きくすることができるため、熱伝導部材2から容器3へと熱を伝えやすくなり、発電要素1の熱を放出し易くなる。また、熱伝導部材2から容器3を介して放熱器4へと熱を伝え易くするという観点からは、容器3の放熱器4と接する部分に対向する部分に熱伝導部材2が接していることが好ましい。
なお、図2には、発電要素1の左右それぞれに、発電要素1の鉛直方向全長に接するようにして連続した熱伝導部材2が備えられる形態を例示しているが、本発明はかかる形態に限定されない。発電部材2は鉛直方向に沿って断続的に形成された複数の部材で構成されていてもよい。ただし、発電要素1の熱を容器3へと伝え易くするという観点からは、発電部材2は図2に示したように鉛直方向に連続して形成されていることが好ましい。
【0029】
(容器3)
容器3は、発電要素1を収容する部材である。容器3は、電池10の作動時の環境に耐え得る材料によって構成されていれば、その構成材料は特に限定されない。ただし、発電要素1からの熱を放熱器4に伝え易くするという観点からは、容器3は熱伝導率が高い材料で構成されていることが好ましい。これらの観点から、容器3は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属製とすることができる。なお、短絡を防止する観点からは、容器3の内側において、少なくとも熱伝導部材2が接する部分には、絶縁部材を配置することが好ましい。
【0030】
(放熱器4)
放熱器4は、容器3から伝達した熱を放出する部材である。放熱器4としては、公知の放熱器を特に限定することなく用いることができる。放熱器4は容器3の外面に直接取り付けられていてもよく、他の部材を介して間接的に取り付けられていてもよい。
なお、図2には、容器3の短手の面において容器3の略鉛直方向全長に接するようにして連続した放熱器4が備えられる形態を例示しているが、本発明はかかる形態に限定されない。放熱器4は鉛直方向に沿って断続的に形成された複数の部材で構成されていてもよい。ただし、容器3の熱を放出し易くするという観点からは、放熱器4は図2に示したように鉛直方向に連続して形成されていることが好ましい。
【0031】
(電池10の製造方法)
このような電池10の製造方法は特に限定されないが、例えば以下の工程を経て製造することができる。電池10を製造する際には、まず、正極層及び負極層の間に固体電解質層を配置する過程を経て発電要素1を作製する。正極層は、例えば、少なくとも正極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した正極用組成物を、正極集電体の表面に塗布する過程を経て作製することができる。負極層は、例えば、負極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した負極用組成物を、負極集電体の表面に塗布する過程を経て作製することができる。また、固体電解質層は、例えば、固体電解質を溶媒に分散して作製した電解質用組成物を、正極層の表面に塗布する過程を経て作製することができる。こうして、固体電解質層を作製したら、固体電解質層が正極層及び負極層で挟まれるように、例えば、正極層の表面に形成した固体電解質層の上に、負極集電体の表面に形成した負極層を積層し、積層方向の両端側から圧縮力を付与する過程を経て積層体を作製し、当該積層体を捲回することによって発電要素1を作製することができる。こうして発電要素1を作製したら、端部が容器3の外側に配置された正極端子6と正極集電体とが接続されるとともに、端部が容器3の外側に配置された負極端子7と負極集電体とが接続され、且つ、熱伝導部材2が発電要素1と容器3の内面とに接するようにしながら、発電要素1及び熱伝導部材2を容器3内に収容する。なお、放熱器4を容器3の取り付ける工程は、発電要素1及び熱伝導部材2を容器3に収容する前であっても後であってもよい。
【0032】
<電池20>
図4は、電池20の一部の断面を概略的に示した図である。図4おいて、図3に示した電池10と同様の構成のものには同符号を付し、適宜説明を省略する。
【0033】
図4に示したように、電池20は、主に、容器23が凸部24を有する点、及び該容器23内に固定部材25が備えられている点において電池10と異なる。電池20は、発電要素1より放熱器4側において、容器23が内側に突出した凸部24を有している。凸部24は容器の鉛直方向全長に渡って形成されていても良く、断続的に複数形成されていても良い。また、図4では凸部24の断面形状を略三角形で示しているが、凸部24の形状は当該形状に限定されず、固定部材25を容器23内に固定可能な形状であればよい。例えば、凸部24の断面形状は、矩形であってもよい。
【0034】
また、電池20は、凸部24によって容器23内に固定された固定部材25を有している。固定部材25は連続した1つの部材で構成されていてもよく、複数の部材で構成されていてもよい。さらに、電池20では、固定部材25によって熱伝導部材22が容器23の内面に押さえつけられている。固定部材25の形状は、凸部24によって容器23内に固定可能であり、容器23内に固定された状態で熱伝導部材22を容器23の内面に押さえつけられる形状であれば特に限定されない。図4に例示した固定部材25では、断面を略台形とすることによって、該台形の斜辺に相当する部分が凸部24によって押さえられることにより、容器23内に固定されている。また、このように凸部24によって固定部材25が押さえられていることにより、固定部材25によって熱伝導部材22を容器23の内面に押さえつけることができる。このような固定部材25を構成する材料は、電池10の作動時の環境に耐え得るものであれば特に限定されない。
【0035】
電池20によれば、上述した電池10と同様の効果を奏することができる。さらに、電池20によれば、熱伝導部材22が固定部材25によって容器23の内面に押さえつけられているため、熱伝導部材22と容器23の内面との接触面積を安定して確保することができ、熱伝導部材22から容器23へと熱を伝え易くなる。
【0036】
電池20の製造方法は特に限定されないが、例えば以下の工程を経て製造することができる。図5を参照しつつ、電池20の製造方法例を説明する。図5は、電池20の製造方法を説明する図であって、図4に対応する図である。電池20を製造する際には、図5に示したように、まず、上述した電池10と同様にして容器23’(凸部24が形成される前の容器23を容器23’とする。)内に発電要素1及び熱伝導部材22を収容する。このとき、固定部材25も容器23’に収容する。その後、図5に矢印で示した部分を押圧することによって、容器23’に凸部24を形成する。以上の過程を経て、電池20を製造することができる。
【0037】
<電池30>
図6は、電池30の一部の断面を概略的に示した図である。図6おいて、図3及び図4に示した電池10及び電池20と同様の構成のものには同符号を付し、適宜説明を省略する。
【0038】
図6に示したように、電池30は、主に、固定部材35が発電要素1側から放熱器4側に貫通した貫通孔を有し、熱伝導部材32が当該貫通孔を通して配設されている点において、電池20と異なる。固定部材35は、連続した1つの部材で構成されていてもよく、複数の部材で構成されていてもよい。固定部材35が複数の部材によって構成される場合、固定部材35自体に上記貫通孔が形成される形態に限定されない。例えば、発電要素1側から放熱器4側に連通した空間の周りに固定部材35を構成する部材を配置することによって、当該空間を上記貫通孔とみなすことができる。
【0039】
電池30によれば、上述した電池10及び電池20と同様の効果を奏することができる。さらに、電池30によれば以下の効果を奏することもできる。電池20では、固定部材25の略台形断面における斜辺に相当する部分にも接するように熱伝導部材22が配設されていた。一方、電池30では、固定部材35の略台形断面における斜辺に相当する部分には熱伝導部材32が配設されていない。そのため、電池30によれば、上述したようにして凸部24を形成する際に熱伝導部材32にせん断力が加わり難くなり、上述したようにして凸部24を形成しても熱伝導部材32が破損し難いという効果を奏する。
【0040】
これまでの本発明の電池に関する説明では、容器内に1つの発電要素を備えた電池を例示したが、本発明の電池において容器内に備えられる発電要素の数は特に限定されない。複数の発電要素を備えた形態とする場合、容器に収容された隣接する2つの発電要素は、電気的に直列又は並列に接続すれば良い。
【0041】
また、これまでの本発明の電池に関する説明では、捲回された発電要素を備えた電池を例示したが、本発明の電池は当該形態に限定されない。本発明の電池には、正極層と負極層との間に固体電解質層が配設されるように、正極層と固体電解質層と負極層とを積層した、捲回されていない発電要素を有する形態であっても良い。
【0042】
また、本発明に関する上記説明では、リチウムイオン二次電池に本発明が適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、正極層と負極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とすることも可能である。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、固体電解質、及び、負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。
【0043】
また、本発明に関する上記説明では、固体電解質層を有する固体電池に本発明が適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、電解液を用いた電解質層を有する電池であっても良い。
【0044】
また、本発明に関する上記説明では、充放電可能な二次電池に本発明が適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、いわゆる一次電池であっても良い。
【符号の説明】
【0045】
1 発電要素
2、22、32 熱伝導部材
3、23 容器
4 放熱器
5a 発電要素と熱伝導部材との接触部
5b 熱伝導部材と容器との接触部
5c 容器と放熱器との接触部
6 正極端子
7 負極端子
10、20、30 電池
24 凸部
25、35 固定部材

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質層及び該電解質層を挟持する一対の電極を備えた発電要素と、該発電要素を収容する容器と、該容器の外面に接して設けられた放熱器とを有し、
前記容器内において、前記容器の内面及び前記発電要素に接触した熱伝導部材を備え、
前記発電要素と前記熱伝導部材との接触部、前記熱伝導部材と前記容器との接触部、及び、前記容器と前記放熱器との接触部が一直線上にある、電池。
【請求項2】
前記熱伝導部材が、前記容器の内面に沿って形成された部分を有し、該部分の少なくとも一部が前記容器の内面に面接触している、請求項1に記載の電池。
【請求項3】
前記発電要素より前記放熱器側において、前記容器が内側に突出した凸部を有し、該凸部によって前記容器内に固定された固定部材を有し、該固定部材によって前記熱伝導部材が前記容器の内面に押さえつけられている、請求項1又は2に記載の電池。
【請求項4】
前記固定部材が、前記発電要素側から前記放熱器側に貫通した孔を有し、前記熱伝導部材が当該孔を通して配設されている、請求項3に記載の電池。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2013−69455(P2013−69455A)
【公開日】平成25年4月18日(2013.4.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−205604(P2011−205604)
【出願日】平成23年9月21日(2011.9.21)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】