JP2005158644A

JP2005158644A - 電池の安全構造

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Publication number: JP2005158644A
Application number: JP2003398842A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Hashimoto; 達也橋本; Masatomo Hase; 昌朋長谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: JP4762490B2

Abstract

【課題】簡単で安価な構成にて電池筐体内が所定以上の圧力状態になるとガスを外部に放出するとともに電流を遮断できる電池の安全構造を提供する。
【解決手段】電池筐体１Ａ内に極板群３を収容し、電池筐体１Ａの一端側に電池筐体１Ａ内が所定以上の内圧になった時に電池筐体１Ａ内を外部に開放する安全弁２７などの開放機構を設けた電池において、極板群３の両端間の圧力差により極板群３が一端側に移動し、極板群３の他端と電池筐体１Ａを構成する下部蓋体７との接続状態を解消し、電流を遮断するようにした。
【選択図】図７

Description

本発明は電池の安全構造に関し、特に電池筐体内圧上昇時に電池筐体内を外部に開放する機構の作動時に電流路を遮断する電池の安全構造に関するものである。

リチウムイオンなどの密閉電池においては、短絡や逆充電が発生したり、過充電状態が長時間継続すると、電解液や活物質の分解によって電池筐体内でガスが発生して内圧が上昇し、さらには電池温度が急激に上昇する熱暴走を生起する恐れもある。このような事態の発生を未然に防止するため、従来から電池筐体内圧が一定以上になると、電池筐体内を大気に開放して内圧上昇を防止する安全機構が設けられ、またその安全機構の作動に連動して電流路を遮断する機構を設けたものも知られている。

例えば、電池ケースの一端開口を封口する封口板に、所定圧力で反転するとともにそれ以上の圧力で破断する薄肉部を有する弁体と、ガス排出口を有する金属板と、弁体と金属板の間に配された絶縁ガスケットとを設け、弁体と金属板を絶縁ガスケットに形成された開口内で溶着し、電池筐体内圧が所定以上になると弁体が反転し、溶着部が離れて接続が遮断され、さらに電池筐体内圧が上昇すると弁体の薄肉部が破断してガスを外部に放出するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、封口体に電池筐体内圧上昇時に変形する安全弁体を設け、極板群から導出したリード線と安全弁体に設けた突起を、極板群と封口板の間に介装した絶縁板に形成されている開口を通して溶接接続し、電池筐体内圧が所定以上になると弁体が変形して溶接を破断し、接続を遮断するようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、所定の作動温度特性と感応温度係数を有するＰＴＣ素子を装着することで、過大電流に伴う温度上昇時に電流を効果的に遮断するようにしたものも知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平９−１４７８２１号公報特開平７−２５４４０２号公報特開平５−７４４９３号公報

ところで、特許文献１及び特許文献２に開示された安全機構は、電池筐体内圧の上昇に伴う弁体の変形によって溶接を破断して接続を遮断するものであるため、電池が熱暴走に至る前に電流を遮断できて安全に対して比較的高い信頼性が得られるが、何れも構成が複雑であり、特に特許文献１に開示された構成では封口板の構造が複雑になってコスト高になるという問題があり、特許文献２に開示された安全機構でも、特許文献１に開示されたものに比しては構造は簡単であるが、その分組み付けに手間がかかり、コスト高になるという問題がある。

また、特許文献３に開示されたＰＴＣ素子を用いたものでは、電池の内部抵抗が大きくなるため高出力の電池には適さず、また電池温度の上昇によって動作するものであるため熱暴走が開始された後に有効に作動するが、熱暴走は極めて短時間に進行するので、ＰＴＣ素子のみでは安全機構としての信頼性が十分でないという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、簡単で安価な構成にて電池筐体内が所定圧力状態になるとガスを外部に放出するとともに電流を遮断できる電池の安全構造を提供することを課題とする。

本発明の電池の安全構造は、電池筐体内に極板群を収容し、電池筐体の一端側に電池筐体内が所定以上の内圧になった時に電池筐体内を外部に開放する開放機構を設けた電池において、極板群の両端間の圧力差により極板群が一端側に移動し、極板群の他端の接続状態を解消し、電流を遮断するようにしたものである。

この構成によると、電池筐体内が所定以上の内圧になると開放機構が作動して電池筐体内の一端側が外部に開放され、その結果極板群の他端との間に生じた圧力差によって極板群が一端側に移動して極板群の他端の接続状態が解消されて電流が遮断され、したがって特別な構成部品を必要としない簡単で安価な構成にて、電池筐体内が所定圧力状態になるとガスを外部に放出しかつ電流を遮断することができる。

また、極板群は電池筐体の一端側に空間を設け、かつ電池筐体の内周面に対して絶縁状態で収容し、極板群の一端は電池筐体と絶縁状態で電極端子に接続し、極板群の他端と電池筐体の間に、開放機構作動時の極板群の両端間の圧力差によって極板群に作用する移動力で切断可能な接続部を設けると、電池筐体と電池筐体一端の電極端子を互いに異なる極性の電極端子とし、電池筐体一端側に開放機構を設けた電池において、安価な構成にて電池筐体内が所定圧力状態にになるとガスを外部に放出しかつ電流を遮断することができる。

本発明の電池の安全構造によれば、電池筐体内が所定以上の内圧になった時に電池筐体内の一端側を外部に開放し、それによって生じた極板群の両端間の圧力差により極板群を一端側に移動させて極板群の他端の接続状態を解消させることにより、特別な構成部品を必要としない簡単で安価な構成にて、電池筐体内が所定圧力状態になるとガスを外部に放出しかつ電流を遮断することができる。

以下、本発明の電池の安全構造を角形電池に適用した一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

図１、図２において、１はリチウムイオン電池から成る角形電池で、横断面形状が扁平な長方形、若しくは隅丸長方形ないし長円形の角筒状のケース２内に、発電要素としての極板群３が電解液とともに収容されている。また、ケース２の両端開口が、後述の正極集電体兼用の下部蓋体７と上部蓋体８にて密封されて電池筐体１Ａが構成されている。

図３に示すように、極板群３は、帯状の正極板４とセパレータ６と負極板５とセパレータ６を順次重ねた状態で薄板状の巻芯材の外周に巻回し、巻回終了後に巻芯材を引き抜いて扁平に圧縮することで構成されており、正極板４と負極板５がそれらの間にセパレータ６を介装した状態で積層された構成となっている。正極板４はアルミ箔から成る芯材４ａに正極合剤を塗着・乾燥して構成され、負極板５は銅箔から成る芯材５ａに負極合剤を塗着・乾燥して構成され、セパレータ６は多孔性ポリプロピレンフィルムなどにて構成されている。また、この極板群３の外周は短絡防止の必要に応じて外周セパレータ（図示せず）にて覆われ、若しくはケース２の内周に絶縁樹脂層（図示せず）が形成されている。

極板群３において、正極板４のアルミ箔から成る芯材４ａと負極板５の銅箔から成る芯材５ａは互いに反対側に突出されており、突出した正極の芯材４ａに正極集電体７がレーザビーム溶接や電子ビーム溶接にて接合され、突出した負極の芯材５ａに負極集電体８がレーザビーム溶接や電子ビーム溶接にて接合されている。

正極集電体７は、図１に示すように、ケース２の下端開口を閉鎖する下部蓋体を兼用しており、図５に示すように、平面形状がケース２の下端部内周に嵌合する長円形で、その外周縁の全周に環状立ち上げ部９が外側（極板群３とは反対側）に向けて立ち上げ形成され、この正極集電体７をケース２の下端部に嵌合させ、ケース２の下端縁と環状立ち上げ部９の端縁をレーザビーム溶接などで溶接し、その溶接部１０にて密封状態で一体接合されている。また、長辺方向の両端の半円部では周方向の略中央部に、内側（極板群３側）に向けて突出する半径方向の接合突部１１が突出形成され、両端部間では長辺方向に適当間隔置きに複数のほぼ全幅にわたる接合突部１２が突出形成され、これら接合突部１１、１２を極板群３から突出している正極の芯材４ａに圧接させた状態で、これらの接合突部１１、１２の部分でレーザビーム溶接や電子ビーム溶接を行って正極の芯材４ａと接合されている。

負極集電体８は、図１に示すように、ケース２の上端開口を閉鎖する上部蓋体１３と極板群３の上端との間に形成された電池筐体１Ａの一端部の空間に配設されており、図６に示すように、平面形状がケース２内に収容配置される平面形状がほぼ長円形の平板にて構成され、長辺方向の両端の半円部では周方向の略中央部に、内側（極板群３側）に向けて突出する半径方向の接合突部１４が突出形成され、両端部間では長辺方向に適当間隔置きに複数のほぼ全幅にわたる接合突部１５が突出形成され、これら接合突部１４、１５を極板群３から突出している負極の芯材５ａに圧接させた状態で、これらの接合突部１４、１５の部分でレーザビーム溶接や電子ビーム溶接を行って負極の芯材５ａに接合されている。

また、負極集電体８には、その長辺方向の一端近傍部に、上面が平坦な略Ω字状ないしパンタグラフ形状の緩衝部１６が一体的に屈曲成形されている。なお、この緩衝部１６は別途に成形したものを平板状の負極集電体８に一体接合しても良い。また、この緩衝部１６の上面中央部には、図４及び図６に詳細に示すように、バーニング加工による筒状突部１７が形成され、この筒状突部１７に負極端子としての電極柱１８の下端面に形成した嵌合穴１９が嵌合され、電極柱１８が精度良く位置決めされた状態で抵抗溶接等にて緩衝部１６に一体接合されている。かくして、電極柱１８は緩衝部１６を介して水平方向及び垂直方向の変位及び水平方向の揺動を許容する状態で負極集電体８に接続されている。

電極柱１８の上部には、接続用平面２０ａを形成するＤカット部２０が形成され、その下方に適当距離の位置に断面円弧状の浅い密封用の環状凹部２１が形成されている。この環状凹部２１は、場合によっては形成しなくても良く、あるいは非常に浅い多条の環状溝を所定範囲にわたって形成しても良い。

上部蓋体１３は、平面形状がケース２の上端部内周に嵌合する長円形で、その外周縁の全周に環状立ち上げ部２２が外側（極板群３とは反対側）に向けて立ち上げ形成されており、この上部蓋体１３がケース２の上端部に嵌合され、ケース２の上端縁と環状立ち上げ部２２の端縁がレーザビーム溶接などで溶接され、その溶接部２３にて密封状態で一体接合されている。

図１に示すように、上部蓋体１３には、電極柱１８が貫通する保持筒部２４が一体的に立ち上げ形成されており、保持筒部２４の内周と電極柱１８の外周との間に絶縁ガスケット２５を介装した状態で、保持筒部２４の環状溝２１に対応する部分をかしめて縮径変形部２６を形成し、絶縁ガスケット２５を圧縮させることで、電極柱１８と保持筒部２４の間が密封されている。また、上部蓋体１３には、電池筐体１Ａ内の内圧が一定以上になると破断して外部に開放する安全弁２７、及び電池筐体１Ａ内に電解液を注液する注液口２８とその封止栓２９が設けられている。

また、緩衝部１６が電池筐体１Ａと接触して短絡するのを防止するため、緩衝部１６を覆う緩衝部カバー３０が絶縁ガスケット２５と一体形成されて設けられている。なお、絶縁ガスケット２５と緩衝部カバー３０は別々に構成しても良い。また、極板群３の上端部に露出している負極板５の芯材５ａ及び負極集電体８の外周部がケース２と接触して短絡するのを防止するため、負極集電体８及び負極板５の芯材５ａの露出部の少なくとも外周部を覆う絶縁枠３１が設けられている。

以上の本実施形態の構成において、過充電状態が継続する等の原因によってガスが発生すると、電池筐体１Ａ内の圧力が上昇し、図７（ａ）に示すように、極板群３の両端において、電池筐体１Ａ内の圧力Ｐ₁が、Ｐ₁＞＞Ｐ₀（＝外部の圧力）の所定の圧力以上になる。すると、図７（ｂ）に示すように、安全弁２７が作動して電池筐体１Ａの一端側が外部に開放され、電池筐体１Ａ内の一端部の圧力が外部の圧力Ｐ₀に近い圧力に急激に低下する。一方、電池筐体１Ａ内に極板群３は移動可能に収容されるとともに極板群３はガスがすばやく流動するのに十分なガス通路を有していないため、電池筐体１Ａの他端の圧力Ｐ₂はＰ₁よりは多少小さくなっても、Ｐ₀に対してはＰ₂＞＞Ｐ₀となっているため、白抜き矢印の如く、極板群３が電池筐体１Ａの一端側に向けて移動する。その結果、極板群３の他端と正極集電体７との接合が分離され、電流が遮断される。なお、極板群３の一端側への移動に伴って、極板群３の一端に接合された負極集電体８と上部蓋体１３及びそれに結合固定された電極柱１８との間に介在されている緩衝部１６と緩衝部カバー３０が比較的容易に圧縮変形されることで、この極板群３の移動は許容される。

したがって、本実施形態ではＰ₂とＰ₀の圧力差によって極板群３に作用する移動力が、極板群３とケース２内周面との間の移動抵抗力と極板群３と正極集電体７との接合強度と緩衝部１６と緩衝部カバー３０を圧縮変形させるのに必要な力の和よりも大きくなるように設定されている。

このように本実施形態の電池の安全構造によれば、電池筐体１Ａ内が所定以上の内圧になると安全弁２７が作動して電池筐体１Ａ内の一端側が大気に開放され、その結果極板群３が上部蓋体１３側に移動して極板群３の正極集電体（下部蓋体）７との接続状態が解消されて電流が遮断されるので、特別な構成部品を必要としない簡単で安価な構成にて、電池筐体１Ａ内が所定圧力状態になるとガスを外部に放出しかつ電流を遮断することができる。

以上の実施形態では、外周縁の全周にわたって環状立ち上げ部２２を設けた上部蓋体１３に、周囲を薄肉部で取り囲んで構成した安全弁２７を配設した例を示したが、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、上部蓋体１３の一端部で環状立ち上げ部２２を形成せずに、上部蓋体１３の一端部の板面を倒立Ｌ字状に屈曲させてその水平部を環状立ち上げ部２２の上端縁とほぼ同一面とした易変形部３７を形成し、この易変形部３７の外周縁をケース２の開口縁内周に突き合わせて溶接部３８にて接合した開放機構３６を設けても良い。

この開放機構３６においては、易変形部３７の外周縁とケース２の開口縁内周とを突き合わせて比較的接合強度の小さい溶接部３８にて接合しているので、電池筐体１Ａの内圧が所定以上になると、図８（ｃ）に示すように、溶接部３８が容易に破断して易変形部３７が外側に向けて変形し、電池筐体１Ａの一端部が外部に開放される。その結果、上記実施形態と同様に電池筐体１Ａ内の一端と他端の圧力差によって極板群３が一端側に移動し、電流が遮断される。

このように、電池筐体１Ａ内の圧力が所定以上になった時に電池筐体１Ａ内の一端部を外部に開放する開放機構としては、電池筐体１Ａの内圧が所定以上になった時に破断して開口する弱強度部を電池筐体１Ａの一端部に設けた構造であれば良く、具体的には種々の構造のものを適用することができる。

以上の実施形態の説明では、角形電池の例について説明したが、本発明は角形電池に限定されるものではなく、円筒形電池等の任意の形状の密閉形電池においても、電池筐体内で極板群が移動できる空間を有する電池に有効に適用することができる。

本発明の電池の安全構造は、電池筐体内が所定以上の内圧になった時に電池筐体内の一端側を外部に開放し、それによって生じた極板群の両端間の圧力差により極板群を一端側に移動させ、極板群の他端の接続状態を解消させて電流を遮断することができ、各種の密閉形電池における安全構造として有用である。

本発明の電池の安全構造を適用した一実施形態の角形電池の全体構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。同実施形態の角形電池の分解斜視図である。同実施形態の角形電池の極板群の構成を示す模式図である。同実施形態の角形電池の電極柱配設部の詳細断面図である。同実施形態の角形電池の正極集電体を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。同実施形態の角形電池の負極集電体と電極柱を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分断面正面図である。同実施形態の作用を示し、（ａ）は安全弁作動前の状態を示す縦断面図、（ｂ）は安全弁作動作後の状態を示す縦断面図である。本発明の電池の安全構造を適用した他の実施形態の角形電池を示し、（ａ）は要部の縦断面図、（ｂ）は同平面図、（ｃ）は作動状態の要部の縦断面図である。

符号の説明

１角形電池
１Ａ電池筐体
２ケース
３極板群
７正極集電体（下部蓋体）
１３上部蓋体
１８電極柱（電極端子）
２７安全弁（開放機構）
３６開放機構

Claims

電池筐体内に極板群を収容し、電池筐体の一端側に電池筐体内が所定以上の内圧になった時に電池筐体内を外部に開放する開放機構を設けた電池において、極板群の両端間の圧力差により極板群が一端側に移動し、極板群の他端の接続状態を解消し、電流を遮断するようにしたことを特徴とする電池の安全構造。
極板群は電池筐体の一端側に空間を設け、かつ電池筐体の内周面に対して絶縁状態で収容し、極板群の一端は電池筐体と絶縁状態で電極端子に接続し、極板群の他端と電池筐体の間に、開放機構作動時の極板群の両端間の圧力差によって極板群に作用する移動力で切断可能な接続部を設けたことを特徴とする請求項１記載の電池の安全構造。