JP2000294226A - 密閉式二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池使用中の過充電や逆充電等による異常発
熱を感知して電解液の分解ガス圧の上昇に伴う電池破損
を阻止することのできる密閉式二次電池を提供するこ
と。 【解決手段】 電池ケース１２内にシート状の正極１４
と負極１６とが、セパレータ１８を介して軸芯２０に巻
回状態で積層状に配置され、電池ケース１２内には電解
液が充填されると共に、電池蓋２４が密閉状に被着され
た密閉式二次電池１０において、その電池ケース１２の
内底壁面、電池蓋２４の裏面、電池ケース１２の内周側
面、あるいは軸芯２０内のいずれかの位置に電池破裂防
止部材３０を設け、その感熱応動片３４が電池の発熱に
感応して変形するとその感熱応動片３４の動きに協動し
て導電性の金属ピン３６が突出し、正極・負極間に貫通
されて自らの導電性によりこの正極・負極間が短絡され
るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオン電
池、ニッカド(Ｎｉ−Ｃｄ)電池、ニッケル水素電池など
の密閉式二次電池に関し、更に詳しくは、これらの二次
電池の使用中に過充電や逆充電などによって電池が破損
するのを有効に防止する安全機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の密閉式二次電池では、例
えば、リチウムイオン電池の場合には、非水系の有機電
解液が用いられ、この有機電解溶液中での充放電により
電池出力が得られるものであるから、この電解液が漏出
しないように電池容器（ケース）を密閉しておく必要が
ある。また、ニッカド電池やニッケル水素電池の場合に
は、アルカリ電解溶液中での充放電が行われるものであ
るが、この場合も同様に電池ケースをシールしておく必
要がある。

【０００３】そこで、これらの二次電池では、例えば、
電池使用中に過充電になったり、あるいは短絡状態にな
ったりすると電解液が分解してガスが発生し、電池の内
圧が上昇することがある。また過充電や短絡により電池
温度が急激に上昇することがあり、そのような状態では
電池が破損するおそれがある。

【０００４】そこで、このような危険を回避するため、
電池ケースあるいは封口キャップにガス抜き用の穴を設
け、そこに薄い肉厚の金属箔又は樹脂プレートを接着剤
により、あるいは溶接により貼り付け、破裂弁として用
いたものが、例えば、特公昭６２−２５９３４２号公
報、特開平１−３１１５５０号公報、あるいは特開平１
−２２０３６８号公報などにより知られている。これら
の公報に示される技術は、電池の異常発熱あるいは電解
液の分解により内圧が上昇した場合にその破裂弁が破裂
し、電池内の圧力を外に逃して電池の破損を未然に防止
しようというものである。

【０００５】また、この種の二次電池では、一般にシー
ト状の正極と負極とセパレータを挟んで巻き回し、電池
ケース内に収納した構成としているが、このセパレータ
にポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）など
の低融点の樹脂フィルムを用いることにより過充電や逆
充電等による電池自身の異常発熱、及び外部からの急激
な加熱に際してセパレータの溶解によるシャットダウン
効果と呼ばれる現象を起こし、正極・負極間の絶縁、あ
るいは更に温度が高くなった場合には短絡状態とするこ
とにより電池の持つエネルギーを短時間で低下させ、電
池の異常状態をその時点で終了させるというものであ
る。

【０００６】その他、使用電池が数アンペア程度の二次
電池では、過電流が流れた時の加熱ヒューズとなるポリ
スイッチ板（ＰＴＣ素子）を取り付けたり、破裂弁の作
動と共に通電が遮断されたりするものも実用化されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
電池ケースあるいは封口キャップのガス抜き穴に金属箔
や樹脂プレートによる破裂弁を設けただけでは、電池異
常により内圧が上昇して破裂弁が作動した際に、噴出す
るガスとともに電池内容物も吹き出すため、内容物によ
りガス抜き穴が遮蔽され、内圧を外に逃すことができな
くなる場合がある。

【０００８】また、セパレータのシャットダウン効果に
より、電池の通電状態を終了させるとするものでも、そ
の通電状態は一時的に絶たれるが、それまでの通電によ
る温度の上昇が急であると、すぐにまた通電状態とな
り、更に急激な内圧上昇を伴い十分に効果を発揮できな
い。

【０００９】更に、ＰＴＣ素子や、破裂弁の作動により
通電が遮断される機構は、使用する電流が数アンペア程
度と、比較的小型の電池であれば問題ないが、使用する
電流が数十から百数十アンペア程度になると、ＰＴＣ素
子や機構自体の抵抗が問題となって電池の性能を低下さ
せるため用いることができないという問題があった。

【００１０】本発明の解決しようとする問題は、電池使
用中に過充電や逆充電等により電池が異常発熱した場合
に、正極・負極間の強制的な短絡状態を起こさせること
により電池エネルギーの増大を抑制し、電池の破損を未
然に防止することのできる密閉式二次電池を提供するこ
とにある。また、これにより二次電池の高容量化、高密
度化に対応できるようにすることを目的とするものでも
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、電池ケース内にシート状の正極と負極とが
セパレータを介して積層状の配置されると共に、電解液
が充填され、該電池ケースには電池蓋が密閉状に被着さ
れた密閉式二次電池において、電池ケース内に電池の発
熱に感応して変形する感熱応動片と、該感熱応動片の動
きに協動して正極・負極間に貫通され自らの導電性によ
り該正極・負極間を短絡させる導電性ピンとからなる電
池破裂防止部材が設けられていることを要旨とするもの
である。

【００１２】上記構成を有する密閉式二次電池によれ
ば、電池使用中に過充電あるいは逆充電等によって電池
が異常に発熱した場合、その電池の発熱が電池破裂防止
部材により感知され、感熱応動片の熱変形に協動して導
電性ピンが正極・負極間に貫通されることにより正極・
負極間がその導電性ピンを介して短絡させられる。その
ために電池の内部エネルギーが速やかに低下し、電解液
の分解によりガスが発生して電池の内圧が上昇してもそ
のガスの発生は停止する。

【００１３】この場合に、前記電池破裂防止部材は、電
池ケースの内底壁面、該電池ケースに被着される電池蓋
の裏面、電池ケースの内周側面、前記シート状の電極が
軸芯の周りに巻回されている場合には該軸芯内を含め、
少なくともいずれかの位置に設けるようにするとよい。
望ましくは、電極上に活物質のない未塗工部で短絡を行
わせることが可能な箇所、すなわち電池ケースの内周側
面又は電池蓋の裏面に前記電池破裂防止部材を設けると
効果的である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好適な実施の形態
を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実
施例に係る密閉式二次電池の代表例としてリチウムイオ
ン電池の概略構成を示したものである。この密閉式二次
電池１０は、有底筒状をした電池ケース１２内にシート
状の正極１４と負極１６とがセパレータ１８を介して筒
状の軸芯２０周りに巻回された状態で収容されている。
そして電池ケース１２内には非水系の電解液が充填さ
れ、電池ケース１２の上端開口部にはプラス側の電極棒
２２が突出した状態で電池蓋（封口キャップ）２４が密
閉状に被着シールされている。この場合負極１６は、負
極リード線２６を介して電池ケース１２の内底面に接続
され、正極１４は正極リード線２８を介して電池蓋２４
の裏面に接続されている。

【００１５】この実施例では、正極活物質にはマンガン
酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）系のものが用いられ、こ
の正極活物質に導電剤としてグラファイトを配合し、更
にＮ−メチルピロリドンを分散剤として配合したものを
アルミ（Ａ１）箔の両面に塗布乾燥して正極１４として
いる。Ａ１箔の厚みは１μｍで、正極活物質の塗工厚さ
は片側およそ５５μｍ、トータルの厚みは１２５μｍ程
度である。正極活物質には、コバルト酸リチウム（Ｌｉ
ＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ _２）系の
ものを用いてもよい。

【００１６】また負極活物質には黒鉛系のものが用いら
れ、この負極活物質に結着剤としてポリフッ化ビニリデ
ンを混合し、更にＮ−メチルピロリドンを分散剤として
配合したものを銅（Ｃｕ）箔の両面に塗布乾燥して負極
１６としている。Ｃｕ箔の厚みは１０μｍで、負極活物
質の塗工厚さは片側５５μｍ、トータルの厚みは１２０
μｍ程度である。

【００１７】更に、セパレータ１８には、ポリオレフィ
ン系の多孔質樹脂フィルム（ポリプロピレン、ポリエチ
レン又は両者をハイブリッドしたもの）を用い、これを
正極１４及び負極１６よりも幅広に裁断し、正極シート
と負極シートとの間の装着するようにしたもので、その
セパレータシートの厚みは１０〜３５μｍ程度であっ
て、正極・電解液間、及び電解液・負極間のリチウムイ
オンのイオン伝導性を考慮し、気孔率３０〜７０％の範
囲のものを使用している。

【００１８】そして、非水系の電解液には、このリチウ
ムイオン電池の場合、エチレンカーボネート（ＥＣ）と
ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比３：７に混
合し、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１ｍｏ
ｌ／１溶解させたものを用いている。ニッカド電池やニ
ッケル水素電池などの場合には、水酸化リチウムと水酸
化カリウムとを混合したアルカリ電解液などが用いられ
る。

【００１９】かくして本発明では、この図１の実施例図
面に示されるように、電池ケース１２の内底面、電池蓋
２４の裏側（電池内部側）、電池ケース１２の内周側
面、あるいは軸芯２０の内側の、少なくともいずれかの
位置に電池破裂防止部材３０（３０ａ〜３０ｆ）を備え
るようにしている。この図１では、全ての箇所に設けた
状態を示しているが、そうではない。

【００２０】これらの電池破裂防止部材３０（３０ａ〜
３０ｆ）はいずれも同一構造であるから、代表的に電池
蓋２４の裏面に設けた電池破裂防止部材３０ｂについて
説明すると、この電池破裂防止部材３０ｂは、膨張係数
の異なる２枚の金属板３２ａ、及び３２ｂを貼り合わせ
たバイメタル式の感熱応動片３４の膨張係数の小さい方
の金属板３２ｂ面の先端寄り位置に先端が尖った錐形の
導電性を有する金属ピン３６を耐熱性接着剤等を用いて
取り付けたものである。

【００２１】そして、この電池破裂防止部材３０ｂを電
池蓋２４の裏面に取り付けるにあたっては、感熱応動片
３４の膨張係数の大きい方の金属板３２ａ側の一端側を
電池蓋２４の裏面に耐熱性接着剤等を用いて取り付け、
この時感熱応動片３４の先端位置の金属ピン３６が軸芯
２０に巻回される正極１４及び負極１６の上端縁に対向
するように配置されている。そのため感熱応動片３４が
電池の発熱に感応して変形することによりその先端部分
の金属ピン３６が動いた時にはこの金属ピン３６の尖っ
た先端部分が正・負極電極間を貫通し、正極１４と負極
１６とがこの導電性ある金属ピンを介して短絡的に導通
されるように構成されている。

【００２２】同じように電池ケース１２の内底面に設け
られる電池破裂防止部材３０ａについても、膨張係数の
異なる２枚の金属板３２ａ、３２ｂを貼り合わせた感熱
応動片３４の膨張係数の大きい方の金属板３２ａ面の一
端側を電池ケース１２の内底面に取り付け、膨張係数の
小さい方の金属板３２ｂ面の先端位置に設けられる金属
ピン３６がやはり軸芯２０に巻回される正極１４及び負
極１６の下端縁に対向するように配置されている。

【００２３】更に、電池ケース１２の内周側面に設けら
れる電池破裂防止部材３０ｃ、３０ｄの場合には、その
感熱応動片３４の先端位置に設けられる金属ピン３６が
軸芯２０に巻回される電極シートの最外周面の電極シー
ト面に対向して配置され、更にまた、軸芯２０の内側に
設けられる電池破裂防止部材３０ｅ、３０ｆの場合に
は、その感熱応動片３４の先端位置に設けられる金属ピ
ン３６が軸芯２０に巻回される電極シートの最内周面の
電極シート面に軸芯の薄肉なケーシングを介して対向す
るように配置されている。

【００２４】したがってこのような構成から、各電池破
裂防止部材３０ａ〜３０ｆの感熱応動片３４は、電池の
発熱に感応した時にその先端部分の金属ピン３６により
正極１４−負極１６間が貫通される程度のバネ強度を有
している金属板料を選択し、一方、金属ピン３６も、感
熱応動片３４の熱変形によって正極１４−負極１６間を
貫通し得る材料強度を有している導電性（金属）材料を
選択するのが望ましい。この実施例では、感熱応動片３
４の膨張係数の大きい金属板３２ａには黄銅板を使用
し、膨張係数の小さい金属板３２ｂにはアンバ板を使用
している。また金属ピン３６には、しんちゅうやステン
レス材などが用いられている。

【００２５】そして、このように構成された密閉式二次
電池によれば、電池使用中に過充電あるいは逆充電など
によって電池温度が上昇し、ある限界温度を超えると電
池破裂防止部材３０がその発熱に感応して変形し、つま
り図２に示したように感熱応動片３４の黄銅板３２ａの
方がアンバ板３２ｂよりも熱膨張することによって感熱
応動片３４の先端部分がアンバ板３２ｂ側に屈曲し、そ
の感熱応動片３４の先端位置に設けられる金属ピン３６
が電極シート面に突き刺さることによってその金属ピン
３６を介して正極１４と負極１６間が電気的に導通し、
短絡（ショート）した状態になる。

【００２６】そのために正極１４−負極１６間の充放電
による電気化学反応は停止されて電池の持つエネルギー
が低下していき、電池の異常加熱は回避され、また電解
液の分解によるガスの発生も抑制されることにより電池
の爆発が回避されることになる。

【００２７】図４（ａ）（ｂ）は、上述した電池破裂防
止部材３０の変形例を示したものである。この図４に示
した電池破裂防止部材４０は、黄銅板３２ａとアンバ板
３２ｂとを一体的に貼り合わせた感熱応動片３４のアン
バ板３２ｂ面の中央位置に前述した錐形の金属ピン３６
を取り付け、感熱応動片３４の両端部分である黄銅板３
２ａの両端寄り面を電池ケース１２の内底面、電池蓋２
４の裏面、電池ケース１２の内周側面、あるいは軸芯２
０内に接着剤等により取り付けるようにしたものであ
る。

【００２８】この図４（ａ）（ｂ）に示した実施例の場
合には、電池使用中に過充電あるいは逆充電などによっ
て電池温度が上昇した時にはやはり電池破裂防止部材４
０がその発熱に感応するが、この場合には感熱応動片３
４の両端部分が固定されているために、図４（ｂ）に示
したように、感熱応動片３４の中央部分がアンバ板３２
ｂ側に突出し、そのアンバ板３２ｂ面の中央位置に設け
られる金属ピン３６が電極シート面に突き刺さることに
よってその金属ピン３６を介して正極１４と負極１６間
が電気的に短絡（ショート）状態となるものである。

【００２９】そして、この場合にも正極１４−負極１６
間の電気化学反応は停止されて電池の持つエネルギーが
低下していき、電池の異常加熱は回避されると共に、電
解液の分解によるガスの発生も抑止され、電池の爆破が
回避されることになる。

【００３０】図５（ａ）（ｂ）は、更に電池破裂防止部
材の変形例を示したものである。この図５に示した電池
破裂防止部材５０は、黄銅板３２ａとアンバ板３２ｂと
を一体的に貼り合わせた感熱応動片３４の一端が電池ケ
ース１２の内壁面などに片持ち支持される一方、錐形の
金属ピン３６は電池ケース１２の壁面などに設けた取付
基板５２に取付軸板５４を介して進退動自在に設けら
れ、該金属ピン３６がスプリング５６を介して突出が規
制される方向に付勢された状態で前記感熱応動片の先端
部が取付軸板に常態では係止された構成とされている。
尚、この場合にも電池破裂防止部材５０の金属ピン３６
は、電極シートの端縁あるいは電極シート面に対向する
ように配置されている。

【００３１】この図５（ａ）（ｂ）に示した実施例で
は、電池使用中に過充電あるいは逆充電などによって電
池温度が上昇し、電池破裂防止部材５０がその発熱に感
応して変形した時には、図５（ｂ）に示したようにその
感熱応動片３４による取付軸板５４の係止状態が外れて
金属ピン３６がスプリング５６の付勢力により突出し、
電極シートに突き刺さることによって正極１４と負極１
６間が電気的に短絡（ショート）状態となる。これによ
って電池の持つエネルギーが低下し、電池の異常加熱が
回避されると共に、電解液の分解によるガスの発生も抑
止されるものである。

【００３２】そして、各実施例について説明したよう
に、電池使用中の過充電や逆充電等によって電池温度が
上昇し、ある限界温度を超えた時には、感熱作動部材３
０、４０、５０の感熱応動片３４がその発熱に感応して
変形し、それによって金属ピン３６が突出して正極１
４、負極１６間に突き刺さる。そして、これによって正
極１４と負極１６とがこの金属ピン３６の導電性により
短絡（ショート）状態となり、この段階から電池のエネ
ルギーは低下していき、電池の異常加熱が回避され、ま
た電解液の分解ガスの発生も抑止されるものである。

【００３３】本発明は上記した実施の形態に何等限定さ
れるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種
々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、密閉
式二次電池の代表例としてリチウムイオン電池について
説明したが、その他のニッカド電池やニッケル水素電池
などのアルカリ電解液を用いるものにも勿論適用でき
る。

【００３４】そして、この密閉式二次電池に適用される
感熱作動部材の構成としては、上記実施例のように、感
熱応動片の先端部分や途中部分に金属ピンを一体的に設
けたものや、感熱応動片と金属ピンとを別体に設け、感
熱応動片の感熱変形により金属ピンがスプリング等によ
り突出されるようにしたものの他に、各種の変形例が考
えられることは言うまでもない。

【００３５】また感熱応動片も上記実施例ではバイメタ
ルを用いているが、それ以外に形状記憶合金板を用い、
電池温度がある限界温度を超えた時に、その形状記憶合
金板が熱に感応して変形し、その形状記憶合金板に設け
られる金属ピンにより正極・負極間を短絡させるように
してもよいし、あるいは形状記憶合金板が熱に感応して
変形することにより金属ピンの係合が解除され、スプリ
ング等の付勢力によりその金属ピンが突出して正極・負
極間を短絡させるようにしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】本発明の密閉式二次電池によれば、電池
使用中に過充電や逆充電等によって電池温度が上昇した
時に電池内に設けられる感熱破裂防止部材がその異常発
熱に感応し、感熱応動片の感熱変形に協動して突出され
る導電性ピンを介して正極・負極間が短絡（ショート）
させられる。そして、その時点で電池の異常発熱に伴う
電池エネルギーの高まりはおさまり、電解液の分解によ
るガスの発生もなくなりガス圧の上昇による電池トラブ
ルは未然に回避されるものである。したがって本発明の
二次電池によれば、電池使用上の安全性が担保され、ま
た電池の高容量化、高密度化にも対応できるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る密閉式二次電池の
概略構成図である。

【図２】図１に示した二次電池における感熱作動部材の
作動を説明する図である。

【図３】図１に示した二次電池に発熱異常が生じた時に
感熱作動部材の作動状態を示した図である。

【図４】本発明の二次電池に適用される感熱作動部材の
他の構成例を示した図であり、（ａ）は電池の発熱異常
前、（ｂ）は電池の発熱異常時の状態を示している。

【図５】同じく本発明の二次電池に適用される感熱作動
部材の他の構成例を示した図であり、（ａ）は電池の発
熱異常前、（ｂ）は電池の発熱異常時の状態を示してい
る。

【符号の説明】

１０ 密閉式二次電池 １２ 電池ケース １４ 正極 １６ 負極 １８ セパレータ ２０ 軸芯 ２４ 電池蓋 ３０（３０ａ〜３０ｆ） 電池破裂防止部材 ３２ａ 金属板（膨張係数大−黄銅板） ３２ｂ 金属板（膨張係数小−アンバ板） ３４ 感熱応動片 ３６ 金属ピン（導電性ピン） ４０ 電池破裂防止部材 ５０ 電池破裂防止部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐伯 徹 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 三浦 房美 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 黒柳 考司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 粟野 直実 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H022 AA04 AA09 AA18 CC08 CC12 CC13 CC16 KK01 5H028 AA01 AA07 AA08 BB08 CC05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電池ケース内にシート状の正極と負極と
   がセパレータを介して積層状に配置されると共に、電解
   液が充填され、該電池ケースには電池蓋が密閉状に被着
   された密閉式二次電池において、電池ケース内に電池の
   発熱に感応して変形する感熱応動片と、該感熱応動片の
   動きに協動して正極・負極間に貫通され自らの導電性に
   より該正極・負極間を短絡させる導電性ピンとからなる
   電池破裂防止部材が設けられていることを特徴とする密
   閉式二次電池。
2. 【請求項２】 前記電池破裂防止部材は、電池ケースの
   内底壁面、該電池ケースに被着される電池蓋の裏面、電
   池ケースの内周側面、前記シート状の電極が軸芯の周り
   に巻回されている場合には該軸芯内を含め、少なくとも
   いずれかの位置に設けられていることを特徴とする請求
   項１に記載の密閉式二次電池。