JP2001256944A - 電池の安全弁及びその製造方法 - Google Patents

電池の安全弁及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池毎の安全弁の作動圧力差を小さくしつ
つ、安全弁作動時に十分な開放面積を確保し、しかも電
解液が漏れたりするのを防止することができる電池の安
全弁及びその製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 電池を封口する板状の封口板6の開放孔
17に薄肉の弁体が形成されて、電池内部圧力が所定値
以上となったときに上記弁体が破砕して電池内のガスを
電池外に放出する電池の安全弁9において、上記弁体は
電池外側方向に膨らんでドーム形状を成し、且つ弁体全
体が、上記封口板6の外側面と面一の仮想面18aと上
記封口板の内側面と面一の仮想面18bとの間にあるこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電池を封口する板
状の封口板の開放孔に薄肉の弁体が形成されて、電池内
部圧力が所定値以上となったときに上記弁体が破砕して
電池内のガスを電池外に放出する電池の安全弁及びその
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、金属リチウム又はLiCoO2
のリチウム含有複合酸化物を正極材料とする一方、リチ
ウムイオンを吸蔵、放出し得るリチウム−アルミニウム
合金、炭素材料等を負極材料とする非水電解液電池が、
高容量化が可能な電池として注目されている。
【0003】上記非水電解液電池では、電池温度が急激
に上昇する等の異常時に電池内で多量のガスが発生する
ことがあるが、この場合、電池内のガスを速やかに電池
外に放出しないと、電池が破裂したり、発火したりする
という不都合がある。そこで、上記電池には、異常時
に、電池内のガスを速やかに電池外に放出するための安
全弁が設けられている。このような安全弁としては、以
下に示すようなものが提案されている。
【0004】(1)特開平10−106524号公報
(図13〜図16参照)に示されるように、リング状の
基材21の開放孔21aに、2枚のアルミニウム系材料
から成り弁体を構成するクラッド材(厚みは、基材の1
0%程度である)22を溶接又は圧接して安全弁を23
作製し、この安全弁23を封口板24に取り付けるとい
うもの(所謂、安全弁クラッド材仕様のもの)。
【0005】(2)特開平11−250885号公報
(図17及び図18参照)に示されるように、封口板2
5の開放孔25aの中程に、破砕溝26が設けられた弁
体27を有するもの。 (3)特開平11−273640号公報(図19及び図
20参照)に示されるように、封口板28の開放孔28
aの下端部から、ドーム状を成す薄肉の弁体29が形成
されたもの。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の安全弁では、以下に示すような課題を有していた。 (1)の安全弁の課題 このような安全弁23では、基材21とクラッド材22
との溶接又は圧接時に溶接強度等にバラツキが生じた
り、安全弁23を封口板24に取り付ける際にクラッド
材22を傷つけるおそれがあるということから、電解液
が漏れたり、電池毎の安全弁の作動圧力差が大きくなる
という課題がある。
【0007】(2)の安全弁の課題 このような安全弁では、電池毎の安全弁の作動圧力差は
小さくなるものの、安全弁が破砕する場合に、弁体27
の開放面積にバラツキが生じ、開放面積が小さい場合に
は、ガス放出量よりガス発生量が多くなることがある。
このため、安全弁としての機能を十分に発揮することが
できず、電池の発火、破裂等を生じることがあるという
課題を有していた。
【0008】(3)の安全弁の課題 このような安全弁では、弁体29の開放面積は大きくな
るため、電池の発火、破裂等は阻止できるが、開放孔2
8aの下端部から薄肉の弁体29が形成されているた
め、電池の組立時に振動、衝撃が加わった場合、治具等
により弁体29が傷ついてクラック等が生じ、電解液が
漏れたりすることがあるという課題を有していた。
【0009】本発明は、以上の事情に鑑みなされたもの
であって、電池毎の安全弁の作動圧力差を小さくしつ
つ、安全弁作動時に十分な開放面積を確保し、しかも電
解液が漏れたりするのを防止することができる電池の安
全弁及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうちで請求項1記載の発明は、電池を封口
する板状の封口板の開放孔に薄肉の弁体が形成されて、
電池内部圧力が所定値以上となったときに上記弁体が破
砕して電池内のガスを電池外に放出する電池の安全弁に
おいて、上記弁体は電池外側方向に膨らんでドーム形状
を成し、且つ弁体全体が、上記封口板の外側面と面一の
仮想面と上記封口板の内側面と面一の仮想面との間にあ
ることを特徴とする。
【0011】このように、弁体が電池外側方向に膨らむ
ドーム形状であれば、ガスによる応力が最も加わる弁体
の周縁部から確実に破砕する。したがって、若干弁体の
厚みにバラツキがあっても電池毎の安全弁の作動圧力差
が小さくなると共に、安全弁作動時に十分な開放面積を
確保することができる。加えて、弁体全体が、封口板の
外側面と面一の仮想面と封口板の内側面と面一の仮想面
との間にあるので、治具等と弁体とが直接接することは
ない。したがって、電池の組立時に振動、衝撃が加わっ
た場合でも、治具等により弁体が傷つくのを防止でき、
電解液が漏れたりするのを抑制することができる。
【0012】また、請求項2記載の発明は、請求項1記
載の発明において、上記弁体の厚みは、上記封口板の厚
みに対して、0.1〜10%に規制されることを特徴と
する。上記の如く弁体の厚みを規制するのは、弁体の厚
みが封口板の厚みに対して0.1%未満であれば、弁体
が余りに薄くて、電解液の漏れ等が生じることがある一
方、弁体の厚みが封口板の厚みに対して10%を超える
と、弁体が余りに厚すぎて、電池毎の安全弁の作動圧力
差が大きくなるからである。
【0013】また、請求項3記載の発明は、請求項1又
は2記載の発明において、上記弁体の平面形状が、真円
状、楕円状、又は四角形状であることを特徴とする。弁
体の平面形状としては、真円状、楕円状、又は四角形状
が例示されるが、この中でも楕円状、又は四角形状であ
ることが望ましい。これは、弁体が真円状の場合には、
弁体の周縁部に加わる応力が均一であるため、弁体が破
砕し難い場合があり、電池毎の安全弁の作動圧力差が大
きくなる場合があるが、弁体が楕円状、又は四角形状で
あれば、長辺方向の応力が大きく、長辺方向から確実に
弁体が破砕するので、電池毎の安全弁の作動圧力差が小
さくなるからである。
【0014】また、請求項4記載の発明は、請求項1、
2又は3記載の発明において、上記弁体には、弁体の破
砕を容易にするための破砕溝が形成されていることを特
徴とする。このように、破砕溝が形成されていれば、弁
体の破砕がより容易になるので、電池毎の安全弁の作動
圧力差を更に小さくすることができる。
【0015】また、請求項5記載の発明は、請求項1、
2、3又は4記載の発明において、上記弁体と封口板と
が一体的に形成されていることを特徴とする。このよう
な構造であれば、安全弁の部品点数が減少するので、電
池の製造コストを低減することができる。
【0016】また、上記目的を達成するために、本発明
のうちで請求項6記載の発明は、電池を封口する板状の
封口板の開放孔に、電池外側方向に膨らんでドーム形状
を成す薄肉の弁体を、しぼり加工法により、上記封口板
の外側面と面一の仮想面と上記封口板の内側面と面一の
仮想面との間に形成する弁体形成工程を有することを特
徴とする。このような方法であれば、請求項1記載の電
池の安全弁を容易に作製することができる。
【0017】また、請求項7記載の発明は、請求項6記
載の発明において、上記弁体形成工程の後工程に、弁体
にアニール処理を施すアニール処理工程を有することを
特徴とする。しぼり加工により薄肉の弁体を形成する
と、弁体の材料の硬度が高くなって、材料自体の機械的
強度が大きくなる結果、電池毎の安全弁の作動圧力差が
大きくなることがある。しかし、上記の如く、弁体形成
工程の後工程で、弁体にアニール処理を施せば、弁体の
材料の硬度が低くなって、材料自体の機械的強度が小さ
くなる結果、電池毎の安全弁の作動圧力差が小さくな
る。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図1〜図
12に基づいて、以下に説明する。図1は本発明に係る
安全弁の平面図、図2は図1のA−A線矢視断面図、図
3は本発明に係る安全弁を用いた非水電解液電池の平面
図、図4は図3のB−B線矢視断面図、図5は弁体に破
砕溝を設けた安全弁の平面図、図6は図5のC−C線矢
視断面図、図7は他の例に係る安全弁の平面図、図8は
他の例に係る安全弁の平面図、図9は他の例に係る安全
弁の平面図、図10は図9のD−D線矢視断面図、図1
1は本発明の他の例に係る安全弁を用いた非水電解液電
池の平面図、図12は図11のE−E線矢視断面図であ
る。
【0019】〔第1の形態〕図3に示すように、本発明
の非水電解液電池は、有底円筒状の外装缶8を有してお
り、この外装缶8内には、アルミニウム合金から成る芯
体にLiCoO2 を主体とする活物質層が形成された正
極と、銅から成る芯体に黒鉛を主体とする活物質層が形
成された負極と、これら両電極を離間するセパレータと
から成る偏平渦巻き状の発電要素7が収納されている。
また、上記外装缶8内には、エチレンカーボネート(E
C)とジメチルカーボネート(DMC)とが体積比で
4:6の割合で混合された混合溶媒に、LiPF6 が1
M(モル/リットル)の割合で溶解された電解液が注入
されている。更に、上記外装缶8の開放孔にはアルミニ
ウム合金から成る封口板6(厚さ:1mm)がレーザー
溶接されており、これによって電池が封口される。
【0020】上記封口板6は、ガスケット11、絶縁板
12及び導電板14と共に、挟持部材16により挟持さ
れており、この挟持部材16上には負極端子キャップ1
0が固定されている。また、上記負極から延設される負
極タブ15は、上記導電板14と挟持部材16とを介し
て、上記負極端子キャップ10と電気的に接続される一
方、上記正極は正極タブ(図示せず)を介して、上記外
装缶8と電気的に接続されている。
【0021】ここで、上記封口板6と上記絶縁板12と
には、開放孔17が形成されており、この開放孔17に
は、図1及び図2に示すように、薄肉の弁体(厚み50
μmであり、封口板6の厚みの5.0%となっている)
から成り上記封口板6と一体形成された安全弁9(封口
板6と同様にアルミニウム合金から成る)が設けられて
いる。この安全弁9は、電池内部圧力が所定値以上とな
ったときに破砕して電池内のガスを電池外に放出する構
造となっている。また、上記安全弁9は、電池外側方向
に膨らむドーム形状を成し、しかも安全弁9全体が、上
記封口板6の外側面6aと面一の仮想面18aと上記封
口板6の内側面6bと面一の仮想面18bとの間に形成
されている。
【0022】上記構造の非水電解質電池を、以下のよう
にして作製した。先ず、正極活物質としてのLiCoO
2 を90重量%と、導電剤としてのカーボンブラックを
5重量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを5
重量%と、溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドン
(NMP)溶液とを混合してスラリーを調製した後、上
記スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔の両面
に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の
厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように
切断し、更にアルミニウム合金製の正極集電タブを溶接
した。
【0023】これと並行して、負極活物質としての黒鉛
粉末を95重量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリ
デンを5重量%と、溶剤としてのNMP溶液とを混合し
てスラリーを調製した後、上記スラリーを負極集電体と
しての銅箔の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、
ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び
長さになるように切断し、更にニッケル製の負極集電タ
ブを溶接した。
【0024】次に、上記正極と負極とをポリエチレン製
微多孔膜から成るセパレータを介して巻回して偏平渦巻
き状の発電要素7を作製した後、この発電要素7を外装
缶8内に挿入した。一方、上記の工程と並行して、しぼ
り加工により安全弁9を封口板6と一体形成した後、こ
の封口板6、ガスケット11、絶縁板12及び導電板1
4を挟持部材16により挟持した。
【0025】しかる後、外装缶8と封口板6とをレーザ
ー溶接した後、外装缶8内に電解液を注入し、更に挟持
部材16上に負極端子キャップ10を固定することによ
り非水電解液電池を作製した。
【0026】〔第2の形態〕図5及び図6に示すよう
に、安全弁9の弁体に、安全弁9の破砕を容易にするた
めの破砕溝4を形成する他は、上記第1の形態と同様の
構成である。
【0027】尚、上記2つの形態においては、安全弁9
の平面形状を楕円状としたが、これに限定するものでは
なく、図7及び図8に示すように、真円状又は四角形状
等としても良い。また、安全弁9は封口板6と一体形成
しているが、このような構造に限定するものではなく、
図9及び図10に示すように、枠体1と安全弁9の弁体
とを一体形成し、枠体1と外装缶8とをレーザー溶接等
により固定するような構造であっても良い。
【0028】更に、破砕溝4は上記のように安全弁9の
周縁に形成するものに限定するものではなく、図11及
び図12に示すように、安全弁9の中央部で交差するよ
うな破砕溝19・19を設けても良い。このような構成
とすれば、安全弁9がより確実に破砕する。但し、破砕
溝19が安全弁9の中央部で交差するようなものとして
は、このような構成のものに限定されるものではない。
加えて、上記実施の形態では安全弁9のアニール処理を
行っていないが、安全弁9の形成後にアニール処理を行
って電池を形成するような方法であっても良い。
【0029】また、安全弁9の弁体の厚みは、封口板6
の厚みの5.0%に限定するものではなく、0.1〜1
0%の範囲であれば、良好な結果を得ることができる。
更に、封口板6及び安全弁9の材質としてはアルミニウ
ム合金に限定するものではなく、金属アルミニウム等を
用いても良く、また本発明は上記非水電解液電池に限定
するものではなく、封口板6及び安全弁9にアルミニウ
ム材料等の傷つき易い材料を用いた電池であれば適用し
うることは勿論である。
【0030】但し、本発明を上記非水電解液電池に適用
する場合には、正極材料としては上記LiCoO2
他、例えば、LiNiO2 、LiMn2 4 或いはこれ
らの複合体等が好適に用いられ、また負極材料としては
上記炭素材料の他、リチウム金属、リチウム合金、或い
は金属酸化物(スズ酸化物等)等が好適に用いられる。
更に、電解液の溶媒としては上記のものに限らず、プロ
ピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ビニレン
カーボネート、γ−ブチロラクトンなどの比較的比誘電
率が高い溶液と、ジエチルカーボネート、ジメチルカー
ボネート、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフ
ラン、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジオキソラ
ン、2−メトキシテトラヒドロフラン、ジエチルエーテ
ル等の低粘度低沸点溶媒とを適度な比率で混合した溶媒
を用いることができる。また、電解液の電解質として
は、上記LiPF6 の他、LiAsF6 、LiCl
4 、LiBF4 、LiCF3 SO3 等を用いることが
できる。
【0031】
【実施例】〔第1実施例〕 (実施例1)実施例1としては、上記発明の実施の形態
における第1の形態に示す方法と同様の方法にて作製し
た電池を用いた。このようにして作製した電池を、以
下、本発明電池A1と称する。
【0032】(実施例2)安全弁9の平面形状を、真円
状とする他は、上記実施例1と同様にして電池を作製し
た。このようにして作製した電池を、以下、本発明電池
A2と称する。
【0033】(比較例1)従来の技術の特開平10−1
06524号公報(図13〜図16参照)に示されるも
のを用いた。このようにして作製した電池を、以下、比
較電池X1と称する。
【0034】(比較例2)従来の技術の特開平11−2
50885号公報(図17及び図18参照)に示される
ものを用いた。このようにして作製した電池を、以下、
比較電池X2と称する。
【0035】(比較例3)従来の技術の特開平11−2
73640号公報(図19及び図20参照)に示される
ものを用いた。このようにして作製した電池を、以下、
比較電池X3と称する。
【0036】(実験1)上記本発明電池A1、A2及び
比較電池X1〜X3について、70℃で1時間保持した
後−30℃で1時間保持するという1サイクルのヒート
ショックを100サイクル繰り返して、100サイクル
経過後に電解液の漏れ数を調べるというヒートショック
試験、バーナーで電池を加熱して電池の破裂、発火を調
べる加熱試験、及び安全弁の作動圧力の差を調べる作動
圧力差試験を行ったので、それらの結果を下記表1に示
す。
【0037】
【表1】
【0038】上記表1から明らかなように、比較電池X
1では、ヒートショック試験で電解液の漏れが発生する
と共に、作動圧力差試験で作動圧力差が大きくなってお
り、また比較電池X2では、加熱試験で電池の破裂、発
火が生じており、更に比較電池X3では、ヒートショッ
ク試験で電解液の漏れが発生している。これに対して、
本発明電池A1、A2では、ヒートショック試験で電解
液の漏れが発生せず、加熱試験で電池の破裂、発火が生
じず、しかも作動圧力差試験で作動圧力差が小さくなっ
ていることが認められる。
【0039】これらのことから、本発明電池A1、A2
は比較電池X1〜X3に比べて、安全弁9に要求される
各種の性能が向上していることがわかる。但し、本発明
電池A1は本発明電池A2に比べて、作動圧力差試験で
作動圧力差がより小さくなっていることが認められる。
したがって、安全弁9の平面形状は真円状より楕円状の
方が好ましいことがわかる。
【0040】(実験2)安全弁の厚みを種々変化させ、
上記実験1と同様の条件でヒートショック試験、及び作
動圧力差試験を行ったので、それらの結果を下記表2に
示す。尚、封口板の厚みは1.0mmであり、安全弁9
のアニール処理は行っていない。
【0041】
【表2】
【0042】上記表2から明らかなように、安全弁の厚
みが0.5μm(封口板の厚みに対する安全弁の厚みが
0.05%)のものは、ヒートショック試験で電解液の
漏れが発生し、また、安全弁の厚みが150μm(封口
板の厚みに対する安全弁の厚みが15.0%)のもの
は、作動圧力差試験で作動圧力差が大きくなっている。
これに対して、安全弁の厚みが1〜100μm(封口板
の厚みに対する安全弁の厚みが0.1〜10.0%)の
ものは、ヒートショック試験で電解液の漏れが発生せ
ず、しかも作動圧力差試験で作動圧力差が小さくなって
いることが認められる。したがって、封口板の厚みに対
する安全弁の厚みは、0.1〜10.0%であることが
好ましいことがわかる。
【0043】〔第2実施例〕 (実施例1)実施例1としては、上記発明の実施の形態
における第2の形態に示す方法と同様の方法にて作製し
た電池を用いた。このようにして作製した電池を、以
下、本発明電池B1と称する。
【0044】(実施例2)実施例2としては、上記発明
の実施の形態における第1の形態に示す電池において、
安全弁にアニール処理を施す他は、第1の形態に示す電
池と同様の方法にて作製した電池を用いた。このように
して作製した電池を、以下、本発明電池B2と称する。
【0045】(実施例3)実施例3としては、上記発明
の実施の形態における第2の形態に示す電池において、
安全弁にアニール処理を施す他は、第2の形態に示す電
池と同様の方法にて作製した電池を用いた。このように
して作製した電池を、以下、本発明電池B3と称する。
【0046】(実験1)上記本発明電池B1〜B3にお
いて、前記第1実施例の実験1と同様の条件で作動圧力
差試験を行ったので、その結果を下記表3に示す。尚、
封口板の厚みは全て1.0mmであり、安全弁の厚みは
50μm(封口板の厚みに対する安全弁の厚みが5.0
%)である。尚、下記表3には、前記第1実施例の実施
例1で示した本発明電池A1の値についても記載してい
る。
【0047】
【表3】
【0048】上記表3から明らかなように、破砕溝が形
成された本発明電池B1及びアニール処理が施された本
発明電池B2は、これらの形成及び処理がなされていな
い本発明電池A1に比べて、作動圧力差が小さくなって
おり、更に破砕溝が形成されると共にアニール処理が施
された本発明電池B3では、更に作動圧力差が小さくな
っていることが認められる。したがって、作動圧力差を
小さくするには、安全弁に破砕溝を形成したり、安全弁
にアニール処理を施すのが好ましく、特に両者を実施す
るのが更に好ましいことがわかる。
【0049】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電池毎の安全弁の作動圧力差を小さくしつつ、安全弁作
動時に十分な開放面積を確保し、しかも電解液が漏れた
りするのを防止することができるといった優れた効果を
奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る安全弁の平面図。
【図2】図1のA−A線矢視断面図。
【図3】本発明に係る安全弁を用いた非水電解液電池の
平面図。
【図4】図3のB−B線矢視断面図。
【図5】弁体に破砕溝を設けた安全弁の平面図。
【図6】図5のC−C線矢視断面図。
【図7】他の例に係る安全弁の平面図。
【図8】他の例に係る安全弁の平面図。
【図9】他の例に係る安全弁の平面図。
【図10】図9のD−D線矢視断面図。
【図11】本発明の他の例に係る安全弁を用いた非水電
解液電池の平面図。
【図12】図11のE−E線矢視断面図。
【図13】従来例に係る非水電解液電池の安全弁の平面
図。
【図14】図13のF−F線矢視断面図。
【図15】従来例に係る非水電解液電池の平面図。
【図16】図15のG−G線矢視断面図。
【図17】従来例の他の例に係る安全弁の平面図。
【図18】図17のH−H線矢視断面図。
【図19】従来例の他の例に係る安全弁の平面図。
【図20】図19のI−I線矢視断面図。
【符号の説明】
4:破砕溝 7:発電要素 8:外装缶 6:封口板 9:安全弁 17:開放孔 18a:仮想面 18b:仮想面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H011 AA13 FF02 JJ04 JJ25 KK01 KK02 5H012 AA01 AA03 AA07 BB02 DD02 DD05 FF01 GG01 JJ06 JJ10

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電池を封口する板状の封口板の開放孔に
    薄肉の弁体が形成されて、電池内部圧力が所定値以上と
    なったときに上記弁体が破砕して電池内のガスを電池外
    に放出する電池の安全弁において、 上記弁体は電池外側方向に膨らんでドーム形状を成し、
    且つ弁体全体が、上記封口板の外側面と面一の仮想面と
    上記封口板の内側面と面一の仮想面との間にあることを
    特徴とする電池の安全弁。
  2. 【請求項2】 上記弁体の厚みは、上記封口板の厚みに
    対して、0.1〜10%に規制される、請求項1記載の
    電池の安全弁。
  3. 【請求項3】 上記弁体の平面形状が、真円状、楕円
    状、又は四角形状である、請求項1又は2記載の電池の
    安全弁。
  4. 【請求項4】 上記弁体には、弁体の破砕を容易にする
    ための破砕溝が形成されている、請求項1、2又は3記
    載の電池の安全弁。
  5. 【請求項5】 上記弁体と封口板とが一体的に形成され
    ている、請求項1、2、3又は4記載の電池の安全弁。
  6. 【請求項6】 電池を封口する板状の封口板の開放孔
    に、電池外側方向に膨らんでドーム形状を成す薄肉の弁
    体を、しぼり加工法により、上記封口板の外側面と面一
    の仮想面と上記封口板の内側面と面一の仮想面との間に
    形成する弁体形成工程を有することを特徴とする電池の
    安全弁の製造方法。
  7. 【請求項7】 上記弁体形成工程の後工程に、弁体にア
    ニール処理を施すアニール処理工程を有する、請求項6
    記載の電池の安全弁の製造方法。
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