JP2006040626A - 密閉型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 定常的なシール性に優れ、かつ異常内圧による弁作動後にも一定のシール性能を確保可能な安全弁を備えた密閉型二次電池を提供する。
【解決手段】 二次電池１０において、極板群２５および電解液は電槽２０により密閉される。電槽２０の同一部位に対応して、第１安全弁３０および第２安全弁４０が直列に配置される。第１安全弁３０は、破壊式の非可逆式の安全弁として設けられ、所定の開弁圧以上に内圧が上昇したときに破壊されて圧力抜き経路を形成する。第２安全弁４０は、非破壊式の可逆式安全弁として設けられ、所定開弁圧を超える圧力印加時に開弁して圧力抜き経路を形成する一方で、圧力が開弁圧以下に復帰した場合に閉塞して、再びシール性能を発揮する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、密閉型二次電池に関し、より特定的には、電池内圧が異常に上昇したときに作動（開弁）して電池の破損を防止する安全弁を備えた密閉型二次電池に関する。

密閉型二次電池は、使用環境によって一時的に内圧が上昇することがある。たとえば、大電流で放電したり、あるいは過充電するとガスが発生して、電池内圧が上昇することがある。このため、異常な内圧上昇によって二次電池のカバー（電槽）が破損することを防止するために、所定圧以上で開弁して圧力抜き経路を形成可能な安全弁が設けられる。

このような安全弁を備えた密閉型二次電池としては、弁作動後に自己復帰する可逆式安全弁と弁作動後に自己復帰しない非可逆式安全弁とを備える密閉型蓄電池が開示されている（たとえば特許文献１、２および３）。これらの密閉型蓄電池では、特に、非可逆式安全弁の開弁圧を可逆式安全弁の開弁圧よりも高く設定することにより、電池ケースの破裂を有効に防止している。

また、密閉型蓄電池に作動圧の異なる２つの同種の安全弁を備えた構成（たとえば、特許文献４）や、安全弁からの漏液を防止する蓋を備えた構成が開示されている（たとえば特許文献５）。
特開平９−２７３１０号公報 特開２００１−１８５１１３号公報 特開平９−１１５４９８号公報 特開平９−９２２５１号公報 特開平９−２３１９５１号公報

上記特許文献１〜５にも開示されるように、一般的に、自己復帰型の可逆式安全弁としては、ゴムあるいはばね等の弾性体で貫通孔を閉塞する構成の安全弁が用いられる。この種の安全弁では、内圧上昇に伴って弾性体が弾性変形することにより開弁状態となって、内力を逃がす経路（圧力抜き経路）が形成される。

しかしながら、その構成上、弾性体を用いた可逆式安全弁では完全な密封は困難であり、定常的な微小リークが発生する。この微小リークにより、電池内部のガスや電解液の水分が微小に漏れ出すため、電池寿命を短くする可能性がある。

上記特許文献１〜３に開示された構成では、可逆式安全弁おとび非可逆式安全弁を異なる場所に、すなわち並列に配置するため、可逆式安全弁の開弁範囲では、圧力抜き経路の形成に伴う内部圧力復帰後に、再びある程度の密閉度を回復することができる。しかしながら、上記の可逆式安全弁による定常的な微小リークの存在により、電池寿命が短かくなる面が否めない。また、内圧の異常上昇による非可逆式安全弁の作動後には、シール能力を発揮できなくなるので、電池寿命が急激に短くなる。

特許文献４に開示された構成についても、ゴムキャップを装着した可逆型安全弁が異なる場所に並列配置される構成であるため、上記の定常的微小リークの問題が同様に存在する。

また、特許文献５に開示されたシール型蓄電池では、ゴム製の可逆型安全弁の周囲を取囲むように設けられた中蓋および上蓋の間の隙間の経路を長くすることで、電解液が安全弁から漏れても電池外部への漏れが起こりにくい構造としている。

しかしながら、特許文献５に開示された構造においても、内部ガスの定常的な微小リーク経路が存在するため、電池寿命に対する悪影響は完全には除去できない。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、定常的なシール性に優れ、かつ異常内圧による弁作動後にも一定のシール性能を確保可能な安全弁を備えた密閉型二次電池を提供することである。

この発明による密閉型二次電池は、電槽によって密閉された密閉型二次電池であって、第１および第２安全弁を備える。第１および第２安全弁は、電槽に直列に設けられる。第１安全弁は、所定開弁圧で開口して電槽内部の圧力を外部へ逃がすための非可逆式の破壊式安全弁であり、第２安全弁は、第１安全弁の外側に設けられ、該第２安全弁の内側の圧力が所定開弁圧以上の場合に開口して外部にガスを放出する一方で、内側の圧力が所定開弁圧力以下の場合には閉塞する可逆式の非破壊式安全弁である。

上記密閉型二次電池によれば、電池内圧が開弁圧以下の領域では、内側に設けられた第１安全弁（破壊式）によって高いシール性を定常的に得るとともに、電池内圧が開弁圧を超える領域に達した場合には、第１安全弁および第２安全弁の作動により圧力抜き経路を形成できる。さらに、内圧が開弁圧以下に復帰した場合には、第１安全弁がシール性能を失うものの、第２安全弁４０が閉弁状態に復帰することにより一定のシール性能を持たせることができる。

したがって、異常内圧発生時には安全弁を作動させて電槽破壊を防止するとともに、少なくとも可逆式安全弁および非可逆式安全弁を並列配置した構成と比較して、安全弁からのリークを総合的に減少させて二次電池の長寿命化を図ることができる。

好ましくは、この発明による密閉型二次電池において、第２安全弁は第１安全弁の外側に設けられ、かつ、第１および第２安全弁の開弁圧の各々は、電槽の耐圧よりも低い同等の値に設計される。

上記密閉型二次電池によれば、電槽が破損に至る異常内圧の発生前に安全弁を確実に作動させて、電槽破壊を防止できる。

また好ましくは、発明による密閉型二次電池において、記第１安全弁は、電槽に設けられた、他の部位よりも肉厚の薄い薄肉部によって構成される。

上記密閉型二次電池によれば、電槽の薄肉部への応力集中により電槽耐圧以下の圧力で薄肉部が破壊される構造とできるので、新たな部品・部材を設けることによるコスト上昇を招くことなく、非可逆式の第１安全弁を設置できる。

あるいは好ましくは、発明による密閉型二次電池において、第１安全弁は、電槽に設けられた開口部と第２安全弁の間に配置された板状部材を含み、板状部材は、他の部位よりも肉厚の薄い薄肉部を有する。

上記密閉型二次電池によれば、板状部材の薄肉部への応力集中によって電槽耐圧以下の圧力で薄肉部が破壊される機構により非可逆式の第１安全弁を配置できる。したがって、薄肉部の寸法・形状に加えて、板状部材の材質によっても開弁圧を調整できるので、開弁圧の設定可能範囲が広くなる。

好ましくは、発明による密閉型二次電池において、第２安全弁は、該第２安全弁の内側の圧力に応じて弾性変形する弾性部材を含む。

この発明による密閉型二次電池では、弾性部材を用いて、可逆式の第２安全弁を簡易に構成することができる。

この発明による密閉型二次電池では、定常的なシール性に優れ、かつ異常内圧による弁作動後にも一定のシール性能を確保可能な安全弁を備えることにより、電池の長寿命化を図ることができる。

以下において、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中における同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則として繰返さないものとする。

図１は、この発明の実施の形態による密閉型二次電池１０（以下、単に「二次電池」と称する）の構成を説明する図である。図１は、二次電池１０の断面を模式的に示すものである。

図１を参照して、この発明の実施の形態による二次電池１０は、電槽２０の内部に密閉された極板群２５を備える。

極板群２５は、連続的に積層された、図示しない正極、負極およびセパレータを含む。極板群２５内の正極群および負極群は、電槽２０の外部から電気的にコンタクト可能に設けられる電圧出力用の出力端子２１および２２とそれぞれ接続される。電槽２０の内部において、極板群２５は、図示しない電解液により浸潤されている。電槽２０は、たとえばポリプロピレン系のプラスチックで構成され、極板群２５および電解液を密閉する。

図２は、図１に示した二次電池１０の内圧変化を説明する概念図である。

図２を参照して、出力端子２１，２２からの電流出力に伴って二次電池１０の充電量は減少する。一方、出力端子２１，２２に充電電流を供給する充電器（図示せず）によって、二次電池１０は充電される。このような、二次電池１０の充電状態を管理する指標として、ＳＯＣ（State of Charge）が代表的に用いられる。ＳＯＣは、たとえば、初期充電を初期値として、出力端子２１，２２に対応して設けられた電流センサ（図示せず）によって検出した入出力電流の積算値に基づいて求められる。あるいは、出力端子２１，２２間の開放電圧や電池温度等に基づいて求めてもよい。

図２に示すように、ＳＯＣが所定の管理範囲（図２におけるＳ０〜Ｓ１）内に維持されるように、二次電池１０の充放電は制御される。たとえば、ＳＯＣが管理上限値Ｓ１を上回った場合には、過充電となるので二次電池１０への充電が禁止される。一方、ＳＯＣが管理下限値Ｓ０を下回った場合には、二次電池１０を充電するために充電器が作動される。

図２に示されるように、二次電池１０は、過充電領域（図２におけるＳＯＣ≧Ｓ１）および過放電領域（図２におけるＳＯＣ≦Ｓ０）では、その内圧が上昇する。このため、電槽２０の強度に対応する限界圧力Ｐ０を超える異常内圧が発生した場合には、電槽２０が破損するおそれがある。このため、限界圧力Ｐ０よりも低い所定圧力Ｐ１にて開弁する安全弁を設ける必要がある。

再び図１を参照して、二次電池１０においては、電槽２０に対して、開口部５０との間に第１安全弁３０および第２安全弁４０が設けられる。第１安全弁３０および第２安全弁４０は、電槽２０の同一部位に対応して、すなわち両者は直列に設けられる。

第１安全弁３０は、破壊式の非可逆式の安全弁として設けられる。すなわち、第１安全弁３０は、所定の開弁圧以上に内圧が上昇したときに破壊されて、圧力抜き経路を形成する。

これに対して、第２安全弁４０は、ゴムあるいはばね、もしくは両者の組合せによって、非破壊式の可逆式安全弁として設けられる。第１安全弁３０および第２安全弁４０の開弁圧は、図２に示した所定圧力Ｐ１に相当する。

可逆式の第２安全弁４０は、所定圧力Ｐ１を超える圧力の印加時に開弁して圧力抜き経路を形成する一方で、圧力が所定圧力Ｐ１以下に復帰した場合に閉塞して、再びシール性能を発揮できる。しかしながら、定常的な微小リークの存在により、閉弁時におけるシール性能は、非可逆式の第１安全弁３０よりも劣る。

一方、非可逆式の第１安全弁３０は、閉弁時におけるシール性能は可逆式の第２安全弁４０よりも優れる一方で、一旦開弁した後は復帰することはなく、シール性能を失う。

第１安全弁３０および第２安全弁４０を直列に配置することにより、内圧Ｐが正常範囲（図２におけるＰ≦Ｐ１）の場合には、定常的な微小リークを生じさせない破壊式の第１安全弁３０によって完全なシール性を得ることができる。このため、電槽２０に対して可逆式（非破壊式）の安全弁が直接設けられる構成と比較して、定常的なリークを抑制して二次電池の長寿命化を図ることができる。

一方、内圧の異常上昇時（図２におけるＰ＞Ｐ１）には、第１安全弁３０および第２安全弁４０の両方が開弁して、電槽２０内部からの圧力抜き経路が開口部５０との間に形成される。当該圧力抜き経路の形成によって、内圧Ｐが開弁圧Ｐ１以降に復帰した場合には、第１安全弁３０がシール性能を失うものの、第２安全弁４０が閉弁状態に復帰することにより一定のシール性能を持たせることができる。すなわち、安全弁作動後においても、少なくとも従来の密閉型二次電池と同等のシール性能を確保することができる。このため、安全弁作動後において、二次電池性能が急速に劣化することがなく電池寿命を確保できる。

このようにこの発明の実施の形態による密閉型二次電池は、異常内圧発生時には安全弁を作動させて電槽破壊を防止するとともに、少なくとも可逆式安全弁および非可逆式安全弁を並列配置した構成と比較して、安全弁からのリークを総合的に減少させて長寿命化を図ることができる。

なお、図１では、第１安全弁３０を内側（電槽側）に設け、第２安全弁４０を外側に設ける構成を例示したが、両者の配置を入換えて、第１安全弁３０を外側に設け、第２安全弁４０を内側に設ける構成としても、両者を直列に配置する限り基本的に同様の効果を得ることができる。

次に、このような第１安全弁３０および第２安全弁４０の構成例について説明する。まず、図３〜図５により可逆式の第２安全弁４０の構成例について説明する。

図３を参照して、第２安全弁４０の第１の構成例によれば、第２安全弁４０は、弾性部材であるゴム４１と、安全弁キャップ４５と、安全弁ベース４６によって構成される。キャップ４５には、開口部５０が設けられる。キャップ４５は安全弁ベース４６と結合され、あるいは一体的に形成されて、ゴム４１を第１安全弁３０が設けられる領域２６および開口部５０の間に挟持する。安全弁ベース４６としては、新たな部材を設けることなく電槽２０を用いてもよい。このように、領域２６を介して電槽２０の内部から開口部５０へ至る経路がゴム４１により閉塞される。

図４に示されるように、ゴム４１は、印加される圧力に応じて弾性変形する。ゴム４１の厚みは、内圧Ｐ＝０、すなわちゴム反力＝０のときＴ０である一方で、内圧が上昇するに伴い圧縮されて薄くなっていく。そして、開弁圧Ｐ１の印加時にゴム反力がＦ１となってゴム厚がＴ１まで圧縮されたときに、領域２６から開口部５０へ至る圧力抜き経路が形成されるように、第２安全弁４０が設計される。一方、印加圧力が開弁圧Ｐ１以下であり、ゴム厚がＴ１より大きい状態では、上記圧力抜き経路は閉塞される。なお、第２安全弁４０の開弁圧については、ゴム４１の材質（弾性係数）、厚み、形状等によって調整可能である。

あるいは、図５に示す第２の構成例にように、安全弁キャップ４５によって、ゴム４１およびばね４３を挟持することによって、第２安全弁４０を構成することも可能である。この場合には、ばね４３の材質（弾性係数）、形状等がさらに開弁圧Ｐ１に影響を与える要素となる。

次に、非可逆式の第１安全弁の構成について図６〜図９を用いて説明する。

図６（ａ）を参照して、第１安全弁３０は、電槽２０の表面に形成した溝部分によって形成することができる。

図６（ｂ）に示された、図６（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図を参照して、電槽２０の表面に設けられた薄肉部３３の肉厚Ｔｂは、周辺部位の肉厚Ｔａよりも薄い。当該薄肉部３３は、応力集中により内圧上昇に伴い破壊され易い。このように、電槽２０の表面に溝状に設けた薄肉部３３によって、電槽２０が破損される前に開弁する破壊式の非可逆式安全弁を形成できる。

同様に、図７（ａ）に示すように、電槽２０の表面にリング状の薄肉部を設けることによって第１安全弁３０を形成してもよい。

図７（ｂ）に示された図７（ａ）のＹ−Ｙ断面図を参照して、周辺部の肉厚Ｔａよりも薄肉の薄肉部３４（肉厚Ｔｂ）が設けられる。薄肉部３４への応力集中により、電槽２０の耐圧よりも低い圧力で開弁する破壊式の非可逆式安全弁を構成できる。

なお、図６に示した構成例および図７に示した構成例を組合せて非可逆式安全弁（第１安全弁）を構成してもよく、薄肉部の形状については特に限定されるものではない。

このように、電槽２０の表面の加工によって非可逆式安全弁を構成することにより、新たな部品・部材を設ける必要がないので、コスト上昇を招くことなく安全弁を設置できる。特に、このような非可逆式安全弁の開弁圧は、電槽２０の材質を考慮した上で、薄肉部３３の深さ（Ｔａ−Ｔｂ）、長さ、断面形状等によって、電槽２０の耐圧以下の任意の値に設計可能である。

あるいは、図８に示すように、電槽２０に開口部３５を設け、当該開口部３５を覆うように外側に設けられた板状部材３６を用いて第１安全弁３０を構成してもよい。

この構成では、図９（ａ）および（ｂ）に示されるように、周辺部の肉厚Ｔｃよりも肉厚の薄い薄肉部３７（肉厚Ｔｄ）を板状部材３６に設けることにより、破壊式の非可逆式安全弁（第１安全弁３０）が設けられる。このような非可逆式安全弁では、薄肉部の深さ（Ｔｃ−Ｔｄ）、断面形状および板状部材３６の材質によって、開弁圧を設計・調整することができる。したがって、板状部材３６の選択に関する自由度の面から、開弁圧の設定範囲が図６および図７に示した構成例よりも広くなる。

以上説明したこの発明の実施の形態による密閉型二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等を始め、種々の機器・システムに適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態による密閉型二次電池の概略構造を説明する図である。 図１に示した二次電池の内圧変化を説明する概念図である。 図１に示した第２安全弁（可逆式）の第１の構成例を示す断面図である。 図３に示した可逆式安全弁を構成するゴムの厚みと内圧との関係を説明する図である。 図１に示した第２安全弁（可逆式）の第２の構成例を示す図である。 図１に示した第１安全弁（非可逆式）の第１の構成例を示す図である。 図１に示した第１安全弁（非可逆式）の第２の構成例を示す図である。 図１に示した第１安全弁（非可逆式）の第３の構成例を示す図である。 図８に示した板状部材の形状を説明する図である。

符号の説明

１０ 密閉型二次電池、２０ 電槽、２１，２２ 出力端子、２５ 極板群、３０ 第１安全弁（非可逆式）、３３，３４，３７ 薄肉部、３５ 開口部（電槽）、３６ 板状部材、４０ 第２安全弁（可逆式）、４１ ゴム、４５ 安全弁キャップ、４６ 安全弁ベース、Ｐ０ 限界圧力（電槽耐圧）、Ｐ１ 開弁圧、Ｔａ，Ｔｃ 肉厚（周辺部）、Ｔｂ，Ｔｄ 肉厚（薄肉部）。

Claims (5)

1. 電槽によって密閉された密閉型二次電池であって、
   前記電槽に直列に設けられた第１および第２安全弁を備え、
   前記第１安全弁は、所定開弁圧で開口して前記電槽内部の圧力を外部へ逃がすための非可逆式の破壊式安全弁であり、
   前記第２安全弁は、前記第１安全弁の外側に設けられ、該第２安全弁の内側の圧力が所定開弁圧以上の場合に開口して外部にガスを放出する一方で、前記内側の圧力が前記所定開弁圧力以下の場合には閉塞する可逆式の非破壊式安全弁である、密閉型二次電池。
2. 前記第２安全弁は、前記第１安全弁の外側に設けられ、かつ、前記第１および第２安全弁の開弁圧の各々は、前記電槽の耐圧よりも低い同等の値に設計される、請求項１記載の密閉型二次電池。
3. 前記第１安全弁は、前記電槽に設けられた、他の部位よりも肉厚の薄い薄肉部によって構成される、請求項１記載の密閉型二次電池。
4. 前記第１安全弁は、前記電槽に設けられた開口部と前記第２安全弁の間に配置された板状部材を含み、
   前記板状部材は、他の部位よりも肉厚の薄い薄肉部を有する、請求項１記載の密閉型二次電池。
5. 前記第２安全弁は、該第２安全弁の内側の圧力に応じて弾性変形する弾性部材を含む、請求項１記載の密閉型二次電池。

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