CN105591041A - 二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供二次电池，包括：容器，其收纳具有弯曲部和平面部的卷绕电极组，并具有开口；和盖，其塞住开口并设置有排气阀，容器具有与卷绕电极组的卷绕轴相对的一对侧面，在容器内设置有由卷绕电极组和一个侧面形成的第一间隙部、和由弯曲部和盖形成的第二间隙部，排气阀的面积比由第一间隙部和第二间隙部形成的间隙部的最小截面积大。

Description

二次电池

本案是申请号为201180070265.3、申请日为2011年4月18日的同名专利申请的分案申请

技术领域

本发明涉及二次电池。

背景技术

将片状的正极、负极隔着隔膜层叠来制作电极组，将该电极组收纳在填充有电解液的金属或树脂制的密闭容器内并设置与电极组两极相连接的外部端子的锂离子二次电池已广为人知。

在上述二次电池中，因异常动作导致电极组发热时，存在产生大量的气体、电池内部压力上升的情况。异常动作有过充电、加热、来自外部的压力导致的内部短路等。

以往，在电池容器设置排气阀，如果容器内压上升则从排气阀排出气体，防止电池容器的破裂。然而，存在产生气体时电极组因容器内压而移动、排气阀被堵塞的担忧。

在专利文献1中，对于在容器侧面设置有气体排出流路的二次电池，使电极组与容器侧面之间的间隙的截面积(第一截面积)大于电极组与容器底面之间的间隙的截面积(第二截面积)，使得即使电极组因电极体产生的气体而移动，排气阀也不会被堵塞。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-220418号公报

发明内容

发明要解决的课题

专利文献1记载的二次电池中，使得即使电极组移动，排气阀也不会被堵塞，排气阀能够可靠地开裂。然而，由于排气阀的开口面积与第一、第二截面积相对的大小，存在因排气阀开裂后继续产生的气体使得电池容器内的内压降低效果不足的情况。

用于解决课题的方案

本发明的第一方式的二次电池，包括：容器，其收纳具有弯曲部和平面部的卷绕电极组，并具有开口；和盖，其塞住上述开口并设置有排气阀，上述容器具有与上述卷绕电极组的卷绕轴相对的一对侧面，在上述容器内设置有由上述卷绕电极组和一个上述侧面形成的第一间隙部、和由上述弯曲部和上述盖形成的第二间隙部，上述排气阀的面积比由上述第一间隙部和上述第二间隙部形成的间隙部的最小截面积大。

本发明的第二方式的二次电池，在第一方式的二次电池中，上述第二间隙部的最大排气流量比上述第一间隙部的最大排气流量大。

本发明的第三方式的二次电池，在第一或第二方式的二次电池中，上述排气阀偏置于上述容器的一个上述侧面的一侧。

本发明的第四方式的二次电池，包括：设有排气阀和正负极外部端子的电池外壳；隔着隔膜层叠正负极板，在两端设有集电部的电极组；和构成从上述电极组的上述集电部到上述正负极外部端子的电流通路的正负极集电体，将上述电极组内部产生的气体从上述排气阀排出的排气流路形成在上述电池外壳与上述电极组之间，上述排气流路包括在从上述电极组排出的气体向着上述排气阀时在垂直方向上流动的第一排气流路；和形成在上述第一排气流路与上述排气阀之间、从上述第一排气流路流入的气体到达上述排气阀时在水平方向上流动的第二排气流路，上述排气阀开裂时的开口面积比从上述电极组到上述排气阀的上述排气流路的截面积大。

发明效果

本发明的电池在排气阀开裂后也能够抑制电池外壳内部压力的上升。

附图说明

图1是表示本发明的二次电池的第一实施方式的外观立体图。

图2是图1的二次电池的分解立体图。

图3A是表示图1的二次电池中的卷绕型电极组的立体图。

图3B是表示与集电体连接时预先压缩未涂敷部后的图3A的卷绕型电极组的立体图。

图4是表示图1的二次电池中排气阀开裂时气体的流动的纵截面图。

图5是沿着图4的V-V向视线的横截面图。

图6是沿着图4的VI-VI向视线的纵截面图。

图7是沿着图4的VII-VII向视线的纵截面图。

图8是图4的平面图。

图9是表示第一实施方式中气体流路的流路截面积为S1＜S2＜S3的示意图。

图10是表示将气体流路的流路截面积变为S1＞S2＞S3后的比较例的示意图。

图11是表示使二次电池强制内部短路时电池内部压力的变化的曲线图。

图12是表示本发明的薄型锂离子二次电池的第二实施方式中排气阀开裂时气体的流动的纵截面图。

具体实施方式

参考附图，对将本发明应用于混合动力车用锂离子二次电池的实施方式进行说明。

[第一实施方式]

如图1和图2所示，薄型锂离子二次电池外观呈大致长方体的薄型形状。该二次电池具有有底的金属制电池桶1和轮廓与电池桶1的开口部配合的平板状金属制电池盖2。电池桶1例如由铝合金材料制作成具有一对宽面1W、一对细长窄面1N和底面1B的薄型长方体。

电池盖2在本例中为铝合金制。电池盖2其外周轮廓通过激光(束)焊接接合到电池桶1的开口部10的内周部，电池桶1的开口部10被密封。电池外壳由电池桶1和电池盖2构成。

电池盖2的中央设有排气阀3，该排气阀3用于在电池外壳内的压力上升时在预先设定的压力下开裂、将气体排放到外部。排气阀3为由与电池盖2大致相同的金属材料构成的薄膜部件，通过激光焊接等接合到电池盖2上。

电池外壳的内部空间中收纳有袋状绝缘片12，卷绕型电极组6收纳在绝缘片12内。由此，卷绕型电极组6与电池外壳绝缘。此外，在电池外壳内收纳有电解液等。

此外，本实施方式的二次电池中，电池桶1和电池盖2为不具有极性的中性。

如图3A所示，卷绕型电极组6具有将带状隔膜6C、带状负极板6E、带状隔膜6C、带状正极板6D依次重叠并卷绕后的扁平卷绕构造。在卷绕型电极组6的卷绕开始端部上卷绕数圈隔膜6C，在其周面上隔着隔膜6C卷绕正负极板6D、6E。在卷绕型电极组6的卷绕结束端部上卷绕数圈隔膜6C，为了防止卷绕解开，隔膜6C的最外周(图2的最下方)利用粘合带(图中未示出)固定。

正极板6D在铝合金箔的两表面上涂敷正极活性物质混合物制作而成。例如大致均等且大致均一地涂上(涂敷)例如包含锰酸锂等含锂过渡金属复合氧化物的正极活性物质混合物。在沿着铝合金箔的长边方向(卷绕方向)的卷绕轴方向的一端部上，两表面上形成有未涂敷正极活性物质混合物的正极未涂敷部6A。即，正极未涂敷部6A上露出铝合金箔(正极集电体)。

负极板6E在铜合金箔的两表面上涂敷负极活性物质混合物制作而成。例如大致均等且大致均一地涂上例如包含可吸附、脱附锂离子的石墨等碳素材料的负极活性物质混合物。在沿着铜合金箔的长边方向(卷绕方向)的卷绕轴方向的另一端部上，两表面上形成有未涂敷负极活性物质混合物的负极未涂敷部6B。即，负极未涂敷部6B上露出铜合金箔(负极集电体)。

隔膜6C由可透过锂离子的微多孔片材构成。在本例中使用数十μm厚的聚乙烯片。

如图2所示，电池盖2的左右两端部上穿设有用于连结电池内部与外部的贯通孔(省略图示)，正极导电部件4、负极导电部件5分别隔着绝缘性密封材料7安装在贯通孔上。露出电池盖2外部的正极导电部件4、负极导电部件5分别作为正负极外部端子4T、5T，连接卷绕型电极组6与电池外部的电负载或充电电源。延伸到电池桶内部的正极导电部件4、负极导电部件5作为正极集电体4S、负极集电体5S。正极集电体4S在平面状的正极侧接合部4A上接合到正极未涂敷部6A，负极集电体5S在平面状的负极侧接合部5A上接合到负极未涂敷部6B。

卷绕型电极组6通过正负极导电部件4、5与电池盖2一体化，在单端固定的状态下被电池盖2所支承。

图3B为压缩未涂敷部6A、6B的中央区域后的电极组6的立体图。电极组6在中央部形成平面部6P，在两端部中央区域形成被压缩后的层叠体压缩平面部6S。电极组6的平面部6P的上下形成沿着卷绕的弯曲部6W。弯曲部6W由正负极箔在卷绕时弯曲而形成，正负极箔虽然层叠但并未压缩。在图3B中将弯曲部6W的四角称为层叠体弯曲端部6E。

对于图3B的电极组6，在电池桶1内，前后的平面部6P与电池桶1的一对宽面1W隔着规定间隙相对，四个弯曲端部6E与电池桶1的左右窄面1N隔着规定间隙相对。此外，弯曲部6W的上表面与电池盖2的内表面隔着规定间隙相对地配置，弯曲部6W的下表面与电池桶1的底面1B隔着规定间隙相对地配置。这四个间隙是可作为电极组6内部产生的气体的流路的地方。针对气体流路在后面说明。

卷绕型电极组6在未涂敷部6A、6B上与正负极集电体4S、5S相接合的区域为上述层叠体压缩平面部6S。卷绕多圈的正负极箔的层叠体压缩平面部6S与正负极集电体4S、5S以超声波焊接接合，正负极箔之间的间隙也接合。因此，卷绕型电极组6内部因短路、发热等产生的气体几乎不从层叠体压缩平面部6S排出到电极组外。

另一方面，电极组6的弯曲部6W由于未被压缩，在弯曲部6W的四个端部6E上，构成层叠体的正负极箔相互之间形成有微小的间隙。这些微小间隙可成为电极组内部产生的气体的排出流路。因此，电极组6四角的层叠体弯曲端部6E作为气体排出部起作用。

因卷绕型电极组6的内部短路等导致的发热而产生气体的情况下，电池外壳的内部压力上升，排气阀3开裂。由此防止电池外壳的破裂，所产生的气体经过下述气体排出流路从排气阀3排出。

针对电池桶1内产生的气体从排气阀3排出之前的气体排出流路进行说明。

弯曲部端部6E上，层叠的多张箔片之间存在流过气体的微小间隙。虚线箭头A1表示正极侧弯曲端部6E内的微小间隙的流向，虚线箭头A2表示负极侧弯曲端部6E内的微小间隙的流向。即，图4中，如虚线箭头A1、A2所示，卷绕型电极组6内部产生的气体在弯曲部端部6E内向卷绕型电极组6的卷绕轴方向流动。

从电极组6的弯曲端部6E排出的气体流入电极组6的四个弯曲端部6E与电池桶1左右窄面1N隔着规定间隙相对而形成的垂直流路中，作为气体B1、B2朝着电池盖2流动。将该垂直流路称为第一气体排出流路FL1。

流过第一气体排出流路FL1的气体经过弯曲部6W的上表面与电池盖2的内表面隔着规定间隙相对而形成的水平流路，到达排气阀3。将该水平流路称为第二气体排出流路FL2。

电极组6内部的气体A1、A2到达电极组6的两端面与电池桶窄面1N之间的空间，朝着电池盖2垂直地流过第一气体排出流路FL1。进一步地，该气体流流入电极组6的弯曲部6W与电池盖2之间的第二气体流路FL2这一水平流路，朝着排气阀3流动。图4中，正极侧、负极侧中流向电池盖2的垂直气体以虚线箭头B1、B2表示。并且，正极侧、负极侧中流向排气阀3的水平气体以虚线箭头C1、C2表示。流向排气阀3的箭头C1、C2所示的水平气体最终如箭头D所示，从排气阀3的开裂口排出到外部。

如图4、图5所示，若令电极组6的两端面与电池桶窄面1N之间的空间形成的第一气体排出流路FL1的截面积为S1A、S1B，其合计为S1，则有：

S1＝S1A+S1B公式(1)

图6是表示按图4的VI-VI剖面线剖开并展示的关键部位截面图。图7是表示按图4的VII-VII剖面线剖开并展示的关键部位截面图。从电极组6的弯曲端部6E到排气阀3的气体排出流路之中，水平气体C1、C2流过的第二气体排出流路FL2中，正负极导电部件4、5与流路正交并延伸，进一步地密封材料7也突出，为包含较多障碍物的狭窄空间。因此，第二气体排出流路FL2的最小流路截面积为水平流路的有效截面积。在此，该有效截面积是从电极组6的弯曲部6W与电池盖2围成的流路的截面积中除去上述向水平流路突出的障碍物的面积后的值。障碍物的面积为与流路正交的障碍物的面积。

如图6、图7所示，若令图4的虚线箭头C1、C2所示的水平气体流过的第二气体排出流路FL2的最小流路截面积分别为S2A、S2B，其合计为S2，则有：

S2＝S2A+S2B公式(2)

如图8所示，设于电池盖2中央的排气阀3的开口面积为S3，为开裂口的最大面积。开裂口并非一定开口至开口面积S3，但通常为开口面积S3或与其相近的值。

本发明的实施方式的二次电池中，流路截面积S1、S2、S3被设定使得S1＜S2＜S3，流路截面积向着下游依次扩大。

如果卷绕型电极组6发热，则产生气体，电池外壳的压力上升。气体压力达到排气阀3的开裂压力以上时，排气阀3开裂。由此，电池外壳内部的压力暂时下降。排气阀3开裂后，电极组6继续产生气体。该气体作为虚线箭头A1、A2、B1、B2、C1、C2、D所示的气体，从第一气体排出流路FL1流到第二气体排出流路FL2，通过排气阀3开裂后的开口排出到电池桶1的外部。

如图9所示，本实施方式的二次电池在排气阀3开裂后的气体排出时，虚线箭头C1、C2所示的气体流过的第二气体排出流路FL2的气体排出能力比虚线箭头B1、B2所示的气体流过的第一气体排出流路FL1的气体排出能力更高。此外，排气阀3开裂后的开口带来的气体排出能力比虚线箭头C1、C2所示的气体流过的第二气体排出流路FL2更高。因此，虚线箭头C1、C2所示的气体流如虚线箭头D所示从排气阀3流向外部时，能够抑制第二气体排出流路FL2的压力上升。由此，电池外壳内部的压力上升被抑制，防止了电池外壳破裂等事故。

如图10所示的比较例，如果流路截面积S1、S2、S3设定为S1＞S2＞S3，则虚线箭头C1、C2所示的气体流过的第二气体排出流路FL2的气体排出能力比虚线箭头B1、B2所示的气体流过的第一气体排出流路FL1的排气能力更低。进一步地，虚线箭头D所示的排气阀3的开口带来的气体排出能力比第二气体排出流路FL2更低。

如果像比较例那样设定从电极组(气体发生源)6流向排气阀3的多个流路的气体排出能力，则无法如下有效地降低电池桶内压。

例如，虚线箭头B1、B2所示的气体的第一气体排出流路FL1的最大气体排出流量为10L/S，产生气体量即虚线箭头A1、A2所示的气体流量为10L/S时，由于第二气体排出流路FL2的最大气体排出流量比10L/S更少，所以第一气体排出流路FL1的压力上升。

同样地，排气阀3的最大气体排出量由于比虚线箭头C1、C2所示的第二气体排出流路FL2的最大气体排出流量更少，所以第二气体排出流路FL2的压力上升。

因此，由于异常发生时产生的气体，电池外壳内部的压力上升，尽管排气阀3开裂，但仍有电池外壳的内压不降低的担忧。

对此，本实施方式的二次电池中，这些气体流路的截面积为S1＜S2＜S3，气体流路的截面积向着下游而依次增大。由此，气体排出能力越近下游越大，气体被非常顺利地排出，在排气阀3开裂后没有电池外壳内部压力上升的担忧。

[强制内部短路实验]

制造气体排出流路面积变化的锂离子电池，进行假定异常动作的强制内部短路实验，来测试本发明的效果。

强制内部短路实验中，制造流路截面积S1＜S2＜S3的薄型锂离子二次电池并作为样品1(实施方式)，制造流路截面积S1＜S2且S3＜S2的薄型锂离子二次电池并作为样品2。然后，在电池宽面中央处贯通直径5mm、尖端角度60°的钉子以造成短路，之后，测量内部压力直到气体产生现象结束。此外，样品1、2使用的电极组6的电池容量大致相等。

如图11所示，样品2的薄型锂离子二次电池中，由于强制内部短路产生的大量气体，内压上升，在预先设定的开裂压力下排气阀3开裂。然而，之后由于气体排出不能顺利进行，电池外壳内部的压力上升到稍微超过排气阀3开裂压力的压力。

一般地，虽然薄型锂离子二次电池对于开裂压力附近的压力是安全的，但在暴露在长期的反复过热、反复应力等情况下，存在因上升到开裂压力附近的压力而导致电池外壳的耐久度降低的担忧。

另一方面，样品1的薄型锂离子二次电池中，由于强制内部短路产生的大量气体，内压上升，在预先设定的压力下排气阀3开裂，之后，由于气体排出顺利进行，抑制了压力的上升。

此外，虽然样品1、样品2的排气阀3的开裂压力相互不同，但这是制品的差异。

[第二实施方式]

参考图12说明本发明的薄型锂离子二次电池的第二实施方式。其中，对图中与第一实施方式相同或相当的部分附以同一记号并省略说明。第二实施方式将第一实施方式中的排气阀的位置从电池盖的中央偏离。

如图12所示，薄型锂离子二次电池中排气阀3偏离电池盖2中央。因此，沿着电池盖2的气体流路中，虚线箭头C1的流路与虚线箭头C2的流路的长度不同。但对于混合动力车用的实用的薄型锂离子二次电池的尺寸，电池盖2上的排气阀3的偏离对气体排出性能的影响在可忽略的范围内。即，第二实施方式可达到与第一实施方式相同的效果。

[变形例]

以上的说明为一实施例，可将本发明应用于不脱离本发明主旨的各种构造的二次电池。本发明的主要特征在于，针对电极组6内部产生的气体从排气阀3排出之前的气体排出流路，设定为越靠近下游截面积越大。因此，具有该主要特征的二次电池例如可如下变形来实施。

(1)电极组6的卷绕开始端部上卷绕数圈隔膜6C作为电极组6的轴芯的替代。但本发明也可适用于在轴芯外周面上卷绕隔膜、负极板、隔膜、正极板的电极组。

(2)在以上的实施方式中，电极组6的未涂敷部6A、6B上接合了正负极导电部件4、5的一端，贯通电池盖2并突出到容器外的导电部件4、5的另一端作为外部端子4T、5T。然而，本发明的二次电池并不限于这样的导电部件的形状和构成。

(3)在以上的实施方式中，利用电池盖2覆盖与电池桶底面1B相对的细长矩形开口，在该电池盖2上设置有排气阀3。但本发明也可适用于利用电池盖2对电池桶1的宽面1W封口，在电池盖2上设置有排气阀3的二次电池。

(4)在实施方式中，以第一气体排出流路FL1的截面积比第二气体排出流路FL2的截面积更大进行了说明。但本发明也包含第一气体排出流路FL1的截面积与第二气体排出流路FL2的截面积大致相等的结构。因此，本发明可适用于从排气阀排出电极组产生的气体、排气阀开裂时的开口面积设定得比从电极组到排气阀的气体排出流路的截面积更大的所有二次电池。

(5)本发明除了锂离子二次电池之外，还可适用于镍氢二次电池等具有卷绕型电极组的各种二次电池。此外，也可适用于具有卷绕型电极组的各种锂离子电容器。

Claims (4)

1.一种二次电池，其特征在于，包括：

容器，其收纳具有弯曲部和平面部的卷绕电极组并具有开口；和

盖，其塞住所述开口并设置有排气阀，

所述容器具有与所述卷绕电极组的卷绕轴相对的一对侧面，

在所述容器内设置有由所述卷绕电极组和一个所述侧面形成的第一间隙部、和由所述弯曲部和所述盖形成的第二间隙部，

所述排气阀的面积比由所述第一间隙部和所述第二间隙部形成的间隙部的最小截面积大。

2.如权利要求1所述的二次电池，其特征在于：

所述第二间隙部的最大排气流量比所述第一间隙部的最大排气流量大。

3.如权利要求1或2所述的二次电池，其特征在于：

所述排气阀偏置于所述容器的一个所述侧面的一侧。

4.一种二次电池，其特征在于，包括：

设有排气阀和正负极外部端子的电池外壳；

隔着隔膜层叠正负极板，在两端设有集电部的电极组；和

构成从所述电极组的所述集电部到所述正负极外部端子的电流通路的正负极集电体，

将所述电极组内部产生的气体从所述排气阀排出的排气流路形成在所述电池外壳与所述电极组之间，

所述排气流路包括在从所述电极组排出的气体向着所述排气阀时在垂直方向上流动的第一排气流路；和形成在所述第一排气流路与所述排气阀之间、从所述第一排气流路流入的气体到达所述排气阀时在水平方向上流动的第二排气流路，

所述排气阀开裂时的开口面积比从所述电极组到所述排气阀的所述排气流路的截面积大。