JP2007265656A - 角形電池ケース及び角形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】安全性に優れた角形電池を実現できる角形電池ケースの提供。
【解決手段】帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体を内部に収納する角形電池ケースである。そして、前記巻回型電極体の巻回面に対向する前記電池ケースの面は、他の面よりも肉厚であることを特徴とする。つまり、異常発生時にガスが噴出する巻回面に対向する部分の熱容量及び／又は強度を向上させることで高温ガスの噴射に対応するものである。高温ガスが直接噴射される部分を肉厚にしたり、遮蔽部材を設けるだけなので、角形電池ケースの全体の厚みを厚くする場合などと比べて材料の増加量も僅かであり、発揮される効果に対してエネルギー密度の低下やコスト上昇に与える影響は軽微である。なお、「巻回面」とは帯状の正負極を巻回した巻回軸の両端の面であり、正負極の重なりが外部から観察できる面である。
【選択図】図１

Description

本発明は、安全性に優れた角形電池ケース及びその角形電池ケースを用いた角形電池に関し、詳しくは短絡や過充放電等の異常発生時に発生する電池の内圧上昇や電池温度上昇に対する安全構造に特徴を持つ角形電池ケース及び角形電池に関する。

電池には高エネルギー密度、高出力であることが望まれており、エネルギー密度の高い電池が提供されている。それらの電池はエネルギー密度が高い故に、電池に何らかの不具合（短絡など）が発生した場合には電池内で大量のガスが発生するなどの不具合が発生するおそれがあった。そのために通常運転時の密閉性と異常発生時のガス排出性とを両立するためにガス抜き弁が設けられている（特許文献１〜３など）。

従来の角形電池ケースにおける巻回型電極体とガス抜き弁との位置関係を例示すると、図８に示すように、角形電池ケース本体部９３と蓋体９２と蓋体９２に設けられたガス抜き弁９４とを有する構成が挙げられる。図８（ａ）に示す角形電池では、巻回型電極体９１の巻回軸が角形電池ケース本体部９３に巻回型電極体９１を挿入する方向（すなわち、開口方向である）に直交する方向（Ｘ−Ｘ’方向）に向いている。図８（ｂ）に示す角形電池では、巻回型電極体９１’の巻回軸が角形電池ケース本体部９３に巻回型電極体９１’を挿入する方向に平行な方向（Ｚ−Ｚ’方向）に向いており、蓋体９２に設けられたガス抜き弁９４は巻回面９５’に対向する位置に設けられている。

そして、図９に示すように、角形電池ケース本体部９３’と蓋体９２’と角形電池ケース本体部９３’に設けられたガス抜き弁９４’とを有する構成が挙げられる。図９に示す角形電池では、巻回型電極体９１の巻回軸が角形電池ケース本体部９３に巻回型電極体９１を挿入する方向（すなわち、開口方向である）に直交する方向（Ｘ−Ｘ’方向）に向いている。そして、ガス抜き弁９４’はその巻回面９５に対向する面に設けられている。

ここで、短絡など、角形電池に異常が発生して角形電池ケース内の巻回型電極体９１及び９１’からガスが発生する場合について説明する。まず、図８（ａ）に示す角形電池について説明すると、発生する高温ガスは巻回型電極体９１の巻回面９５から巻回軸に沿って吹き出しＸ−Ｘ’方向に噴出する。噴出したガスは角形電池ケース本体部９３の側面に当たった後、角形電池ケース本体部９３と巻回型電極体９１との間を通って蓋体９２側に至り、圧力上昇により開口するガス抜き弁９４から外部に噴出する。

図８（ｂ）に示す角形電池について説明すると、発生する高温ガスは巻回型電極体９１’の巻回面９５’から巻回軸に沿って吹き出しＺ−Ｚ’方向に噴出する。噴出したガスは蓋体９２側に至り、圧力上昇により開口するガス抜き弁９４から外部に噴出する。

図９に示す角形電池についても説明すると、発生する高温ガスは巻回型電極体９１の巻回面９５から巻回軸に沿って吹き出しＸ−Ｘ’方向に噴出する。噴出したガスは角形電池ケース本体部９３’の側面に至り、圧力上昇により開口するガス抜き弁９４’から外部に噴出する。

ガス抜き弁９４及び９４’から噴出ガスが放出されることで角形電池ケース本体部９３及び９３’や蓋体９２及び９２’は破損せず、ガス抜き弁９４及び９４’から想定した方向にガスを噴射・排出することができる。
特開平７−２９６７９０号公報 特開平６−２８３３９３号公報 特許第３０１５６６７号公報

しかしながら、図８（ａ）に示した角形電池では、巻回面９５からガス抜き弁９４までの距離が長い上に、ガス流路の断面積も確保し難いため、高温の噴出ガスがスムーズに流れず電池内部の圧力が上昇し、時として破裂に至る危険性がある。また噴出ガスがスムーズに流れない場合、角形電池ケース本体部９３の直接高温ガスに曝される側面部では、角形電池ケース本体部９３が軟化・溶融することも考えられる。

図８（ｂ）や図９に示した角形電池では、ガス発生時の反力によって、巻回型電極体９１又は９１’がガス抜き弁９４又は９４’側に移動して塞いでしまうことが想定され、その場合には高温ガスが満足に排出されないおそれがあった。

この課題解決のためには、ガス抜き弁９４又は９４’を電極体９１又は９１’の巻回面９５又は９５’の両面に形成することも考えられるが、ガス抜き弁の構成が複数になるためコストアップの要因になるほか、ガス抜き弁は非常時の開弁のしやすさと通常使用時の密閉性とを両立するために取り扱いに注意が必要であり組立工程が非常に煩雑になる。

本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、簡便な構成で安全性に優れた角形電池を実現できる角形電池ケース及びその角形電池ケースを採用した角形電池を提供することを解決すべき課題とする。

（１）本発明の角形電池ケースは、帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体を内部に収納する角形電池ケースである。

（ａ）上記課題を解決する本発明の角形電池ケースは前記巻回型電極体の巻回面に対向する前記電池ケースの面は、他の面よりも肉厚であることを特徴とする。

（ｂ）また、上記課題を解決する本発明の他の角形電池ケースは前記巻回型電極体の巻回面に対向する前記電池ケースの面と該巻回面との間に該巻回面をすべて覆う形状をもつ遮蔽部材を有することを特徴とする。そして、前記遮蔽部材は、熱を伝導させないようにするために、前記巻回面に対向する面との間で隙間をもつことが望ましい。また、部品点数を減少するために、前記遮蔽部材としては、前記巻回型電極体の前記正極板又は前記負極板のいずれかに電気的に接続された導電経路を兼ねることが望ましい。

つまり、異常発生時にガスが噴出する巻回面に対向する部分の熱容量及び／又は強度を向上させることで高温ガスの噴射に対応するものである。高温ガスが直接噴射される部分を肉厚にしたり、遮蔽部材を設けたりするだけなので、角形電池ケースの全体の厚みを厚くする場合などと比べて材料の増加量も僅かであり、発揮される効果に対してエネルギー密度の低下やコスト上昇に与える影響は軽微である。

なお、「巻回面」とは帯状の正負極を巻回した巻回軸の両端の面であり、正負極の重なりが外部から観察できる面である。従って、巻回面は巻回型電極体内部で発生したガスがその隙間を通って最初に噴出する面である。

特に、通常状態では前記電池ケース内外の密閉を保ち、前記電池ケースの内圧が所定値以上に達したときに開弁するガス抜き弁を前記巻回型電極体の巻回面に対向しない面に設ける構成を採用することが望ましい。先に説明したように、巻回面に対向する部分にガス抜き弁を形成すると、ガス噴射により巻回型電極体が移動してガス抜き弁を塞ぐおそれがあるが、ガス抜き弁を巻回面に対向しない面に設けることで巻回型電極体が移動してもガス抜き弁を塞ぐおそれが無くなるからである。

（２）上記課題を解決する本発明の角形電池は、前述した本発明の角形電池ケースと、その角形電池ケース内に収納され、帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体とを有することを特徴とする。

本発明の角形電池ケースは上述の構成を有することから角形電池に適用した場合に以下の作用効果を発揮する。すなわち、万が一の異常発生時に巻回型電極体から高温ガスが発生することがあっても高温ガスが直接噴射する部分の熱容量や強度を高くしているので、同程度の質量をもつ角形電池ケースと比較して破壊されるおそれは非常に小さくできる。

また、前述したようなガス抜き弁を設けることで、高温ガスの発生量が多い場合などのように巻回型電極体が移動することがあってもガス抜き弁を塞いで角形電池ケースの内圧が高くなることを効果的に防止できる。

本発明の角形電池ケースについて以下実施形態に基づき説明を行う。本実施形態の角形電池ケースは帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体を内部に収納する角形電池ケースである。本実施形態の角形電池ケースが適用できる角形電池としては電池反応が進行する電極体が巻回型であるものであれば特に限定されない。特にエネルギー密度が高い電池に適用することが効果的である。例えば、リチウム二次電池や電気二重層キャパシタに適用することができる。

（ａ）前記電池ケースの前記巻回型電極体の巻回面に対向する面は、他の面よりも肉厚である。本実施形態の角形電池ケースを備えた角形電池は、図１に示すように、角形電池ケース本体部１３と蓋体１２と蓋体１２に設けられたガス抜き弁１４とを有する構成が挙げられる。そして巻回型電極体１１を巻回軸の中心線Ｘ−Ｘ’が角形電池ケース本体部１３の開口部と平行になるように挿入した後、角形電池ケース本体部１３の開口部を蓋体１２で閉塞及び溶着することで角形電池を形成する。

図１に示す角形電池では、巻回型電極体１１の巻回軸が角形電池ケース本体部１３に巻回型電極体１１を挿入する方向（すなわち、開口方向である）に直交する方向（Ｘ−Ｘ’方向）に向いている。

ここで、図１（ｂ）に示すように、角形電池ケース本体部１３は巻回型電極体１１の巻回面１５が対向する面１３ａ及び１３ｂが他の面より肉厚になっている。面によって肉厚を変化させる手法としては特に限定しない。例えば、多段階の深絞り加工により本実施形態の角形電池ケースを製造する場合には金型形状を変えて、徐々に面１３ａ及び１３ｂ以外の面を徐々に引き延ばして薄くするなどの方法にて面１３ａ及び１３ｂを肉厚化した角形電池ケースを実現できる。また、肉厚が異なる部材を溶接などにて組み立てることでも容易に製造できる。

ここで、短絡など、角形電池に異常が発生して角形電池ケース内の巻回型電極体１１からガスが発生する場合について説明する。発生する高温ガスは巻回型電極体１１の巻回面１５から巻回軸Ｘ−Ｘ’に沿って噴出する。噴出したガスは角形電池ケース本体部１３の側面１３ａ及び１３ｂに接触した後、角形電池ケース本体部１３と巻回型電極体１１との間を通って蓋体１２近傍に至り、圧力上昇により開口するガス抜き弁１４から外部に噴出する。面１３ａ及び１３ｂは他の面よりも肉厚化されているので、熱容量及び強度が向上しており、高温ガスが直接噴射されても軟化乃至破壊されるおそれは少ない。

（シミュレーション）
図１に示す角形電池において、開口部の短辺方向が２０ｍｍ、長辺方向が１００ｍｍ、深さ方向が１００ｍｍである角形電池ケースを採用した場合に、面１３ａ及び１３ｂの肉厚とそれ以外の面の肉厚とを変化させた場合の温度変化をシミュレーションにより検討した。面１３ａの中央部に１５ｍｍ×１５ｍｍの大きさの発熱体を仮定し１９０Ｗで４秒間加熱する条件で計算を行った。

角形電池ケースはアルミ材（融点６６０℃）として面１３ａの肉厚を０．５ｍｍから１．５ｍｍまで変化させ、それ以外の面の肉厚が０．５ｍｍであるとして計算を行った。角形電池ケースの強度はアルミ材の引張強度に比例するものとして評価を行った。結果を図２に示す。

図２より明らかなように、肉厚が０．５ｍｍの場合は最高温度が４００℃となり、強度は常温の８％にまで低下する。肉厚を０．８ｍｍに厚くすることにより、最高温度は２８０℃にまで抑制可能であり、強度は常温の２７％と肉厚が０．５ｍｍの時の３倍以上の強度を確保することが可能である。更に肉厚を１ｍｍにまで厚くした場合は最高温度は２４０℃にまで低下でき、強度は常温時の３７％と肉厚０．５ｍｍ時の５倍の強度の確保が可能である。また肉厚を増肉することによる強度向上の効果もあるため、わずかに筐体側面部の肉厚を厚くすることでも高温時の強度を著しく向上させることができることが判った。

上述の条件下で面１３ａ及び１３ｂの肉厚を０．５ｍｍから０．８ｍｍにまで厚くした場合は、電池の体積増加は０．６％程度と、殆ど無視できる程度であるが、電池ケースの強度を３倍以上にすることができ、小型化を損なわずに高温時の筐体強度を著しく向上させることが可能である。

以上のように、面１３ａ及び１３ｂの厚みのみをその他の面よりも厚くすることで、異常時に電池ケース内部に発生するガスに直接曝されて最も高温となる面１３ａ及び１３ｂの温度上昇を抑制でき、角形電池ケースの軟化・溶融を防止できる。従って、安全性に優れた電池が提供できる。

（ｂ）本実施形態では巻回型電極体の巻回面に対向する電池ケースの面とその巻回面との間に遮蔽部材を有する。遮蔽部材は巻回面をすべて覆う形状をもつ部材である。遮蔽部材は巻回面から高温ガスが直接角形電池ケースに接触しないようにする部材であるので高温ガスが噴射するおそれがある巻回面の全体を覆うような形状をもつ。

遮蔽部材は角形電池ケースに接触していない方が、高温ガスが直接噴射して高温になる遮蔽部材からの熱が伝導し難くなるので好ましい。そして、遮蔽部材としては、巻回型電極体の正極板又は負極板のいずれかに電気的に接続された導電経路を兼ねる電極端子などを採用することが部品点数削減の観点から望ましい。

例えば、図３に示すように、電極端子１６及び１７として、巻回型電極体１１の巻回面１５のすべてを覆うような形状（図３（ｂ））とした上で上下方向の中央付近を内側に窪ませて、その窪ませた部分にて巻回型電極体１１に接続することで電極端子１６及び１７にて遮蔽部材を兼ねさせることができる。電極端子１６及び１７は巻回型電極体１１と角形電池ケース本体部１３との間に配設される。そのために、異常発生時に噴出する高温ガスが直接角形電池ケース本体部１３に接触することを防止できる。また電極端子１６及び１７と巻回面との間に隙間を設けているので、噴出した高温ガスは巻回型電極体１１と電極端子１６及び１７との間を流れることが可能であり蓋体１２に設けられたガス抜き弁１４にまで到達する流路も確実に確保できる。

更に、万が一、電極端子１６又は１７が軟化・溶融した場合でも、角形電池ケース本体部１３との間に隙間を設けているので直接温度上昇が伝達されず、角形電池ケース本体部１３の温度上昇が抑制できる。従って、角形電池ケース本体部１３の軟化・溶融を防止することができる。

その他にも、図４〜図７に示すような種々の形状の電極端子１６’及び１７’とは独立して設けられる遮蔽部材１８１〜１８４を採用することも可能である。

遮蔽部材１８１及び１８３は電極端子１６’及び１７’と組み合わせられることで、巻回型電極体１１の巻回面１５のすべてを覆う形状になる。遮蔽部材１８２及び１８４は単独で巻回型電極体１１の巻回面１５のすべてを覆う形状である。遮蔽部材１８１及び１８３は巻回型電極体１１の下面側も覆うような形状であり、異常発生時に噴出する高温ガスをより確実に防御することができる。

実施例における角形電池の組み立て図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 実施例における角形電池についてシミュレーションを行った結果を示すグラフである。 実施例における角形電池の断面図である。 実施例における角形電池の断面図である。 実施例における角形電池の断面図である。 実施例における角形電池の断面図である。 実施例における角形電池の断面図である。 従来の組み立て図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 従来の組み立て図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

符号の説明

１１…巻回型電極体
１２…蓋体
１３…角形電池ケース本体部
１４…ガス抜き弁
１５…巻回面
１６、１７、１６’、１７’…電極端子（一部、遮蔽部材を兼ねる）
１８１〜１８４…遮蔽部材

Claims (6)

1. 帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体を内部に収納する角形電池ケースであって、
   前記巻回型電極体の巻回面に対向する前記電池ケースの面は、他の面よりも肉厚であることを特徴とする角形電池ケース。
2. 帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体を内部に収納する角形電池ケースであって、
   前記巻回型電極体の巻回面に対向する前記電池ケースの面と該巻回面との間に該巻回面をすべて覆う形状をもつ遮蔽部材を有することを特徴とする角形電池ケース。
3. 前記遮蔽部材は前記巻回面に対向する面との間で隙間をもつ請求項２に記載の角形電池ケース。
4. 前記遮蔽部材は、前記巻回型電極体の前記正極板又は前記負極板のいずれかに電気的に接続された導電経路を兼ねる請求項２又は３に記載の角形電池ケース。
5. 前記巻回型電極体の巻回面に対向しない面に設けられ、通常状態では前記電池ケース内外の密閉を保ち、前記電池ケースの内圧が所定値以上に達したときに開弁するガス抜き弁を有する請求項１〜４のいずれかに記載の角形電池ケース。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の角形電池ケースと、該角形電池ケース内に収納され、帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体とを有することを特徴とする角形電池。

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