JP2007287624A - 密閉型電池用安全弁 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉型電池用安全弁において、電解液による腐食や電解液への不純物混入を回避させることと、安全弁の作動圧の精度を高めることを両立して達成する。
【解決手段】密閉型電池の封口部に電池内圧を受けるように組込まれ、所定以上の電池内圧で破断して内圧を開放する金属製破裂板３５を用いた密閉型電池用安全弁であって、上記破裂板３５を銅とアルミニウムの合金を用いて形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は密閉型電池用安全弁に関し、とくに密閉型電池の封口部に電池内圧を受けるように組込まれ、所定以上の電池内圧で破断する金属製破裂板を用いたものに関する。

近年、ＡＶ機器あるいはパソコンなどの電子機器のポータブル化、コードレス化（携帯型）が進んでいるが、これらの駆動用電源として、高容量化した各種のアルカリ電池やリチウム二次電池に代表される非水電解液電池が提供されている。これらは密閉型電池として実用化されている。

このような高エネルギ密度を有する密閉型電池では、過充電や逆接続等の誤使用によってガス発生が生じるが、このガス発生に対する安全対策がなされていないと、破裂や発火などの危険が生じる。このような危険を回避するため、この種の電池では、電池内圧が異常上昇したときにその内圧を開放し、さらには過充電／過放電中の電流を強制遮断させることもできるようにした安全機構が望まれる。

この安全機構は、所定以上の電池内圧で破断する金属製破裂板（ラプチャーとも呼ばれる）を用いて構成されている。この破裂板は、密閉型電池の封口部に電池内圧を受けるように組込まれるアルミニウム製の薄板にあらかじめ刻印等によって所定パターンの薄肉部を形成し、所定以上の電池内圧を受けた場合に、その薄肉部が先行破断することにより、電池が破裂に至る前に電池内圧を開放する。さらに、この金属製破裂板を電池の一方極の端子板と集電体の間に電気的に介在させることにより、電池内圧の開放と同時に電池の過充電／過放電も同時に遮断させることができる（たとえば特許文献１参照）。
特開２００１−１９６０４３

上述した従来の密閉型電池用安全弁では、その主要部品である金属製破裂板の材質に高純度のアルミニウムを用いていた。これは、金属製破裂板が電解液によって腐食したり、電解液に不純物を混入させたりすることがないようにするためである。

破裂板の内側（電池内部側）は電解液に曝される状態にある。この破裂板が電解液で腐食したり、電解液中に不純物を溶出したりすることがないようにするため、従来は純度の高いアルミニウムが用いられていた。

しかし、純度の高いアルミニウムは、成形、絞り、刻印、溶接などの加工性が悪く、精密な部品を作製する上で障害となる。つまり、加工精度が得にくいという問題があった。

一方、上記破裂板が破断するときの作動圧は薄肉部の加工精度に大きく依存する。このため、高純度のアルミニウムを用いた従来の破裂板では、その加工精度が不十分なことにより、作動圧に大きなバラツキが生じて、安全弁の精度を高めることができなかった。

薄肉部の加工は刻印加工によって行われているが、高純度のアルミニウムではその刻印の加工性が悪く、十分な精度を出すことができなかった。また、破裂板の破裂または変形によって電流遮断を行わせる場合、電池の一方極の集電体に接続する固定導電板に上記破裂板を部分的に溶接し、破裂板が所定以上の電池内圧を受けたときにその溶接個所が剥がれるようにすることが行われているが、この場合は、その溶接の加工性が悪いため、電流遮断の作動圧に大きなバラツキが生じていた。

しかし、電解液による腐食や電解液への不純物混入を回避させるためには、高純度のアルミニウムを用いるしかないという背反する問題があった。

本発明は以上のような背反する問題を解決するものであって、その目的は、密閉型電池用安全弁において、電解液による腐食や電解液への不純物混入を回避させることと、安全弁の作動圧の精度を高めることを両立して達成することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。
（１）密閉型電池の封口部に電池内圧を受けるように組込まれ、所定以上の電池内圧で破断して内圧を開放する金属製破裂板を用いた密閉型電池用安全弁であって、上記破裂板が銅とアルミニウムの合金からなることを特徴とする密閉型電池用安全弁。
（２）上記手段（２）において、上記破裂板は、銅の含有量が３〜５％のアルミニウム合金からなることを特徴とする密閉型電池用安全弁。

密閉型電池用安全弁において、電解液による腐食や電解液への不純物混入を回避させることと、安全弁の作動圧の精度を高めることを両立して達成することができる。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。

図１は、本発明に係る安全弁を備えた密閉型電池の実施形態を示す。同図に示す密閉型電池は、有底円筒状の金属製電池缶１１内に発電要素２０が収容されるとともに、その金属缶１１の開口部が気密封止されている。

電池缶１１は負極端子を兼ね、その外底面１２が負極端子面として使用されるようになっている。発電要素２０は、正極活物質２１とセパレータ２２と負極活物質２３が集電体と共にスパイラル状に巻回された積層電極体を用いて構成され、非水電解液に浸漬された状態で電池缶１１内に収容されている。

正極活物質２１には二酸化マンガン等が使用され、負極活物質２３にはリチウムまたはリチウム遷移金属複合酸化物等が使用されている。

電池缶１１を気密封止する封口部３０は、固定導電板３２、カップ状導電破裂板３５、導電リング３６、皿状の正極端子板（電極端子板）３１、電気絶縁性の樹脂製封口ガスケット４１、および樹脂製ボス部材４５などによって形成されている。

固定導電板３２は樹脂製ボス部材４５によって保形および固定されている。この固定導電板３２は、発電要素２０の正極集電体に導電リードを介して電気接続されている。カップ状導電破裂板３５は、固定導電板３２上に積層されるとともに、その中央面部が固定導電板３２にスポット溶接されている。

カップ状導電破裂板３５の内底面には導電リング３６が着座させられ、この導電リング３６の上に正極端子板３１が着座させられている。正極端子板３１は、導電リング３６、カップ状導電破裂板３５、固定導電板３２、および導電リード３３を介して正極集電体に電気接続されている。

カップ状導電破裂板３５はラプチャーとも呼ばれ、本発明に係る安全弁の主要部をなす。この破裂板３５は、固定導電板３２との電気接続個所を囲んだ部分が、薄肉部によって破断しやすく加工されており、電池内圧が所定以上に上昇したときに電池外方へ変形させられて破断するようになっている。この破裂が生じると、図中に破線で示すように、電池内圧が開放されるとともに、固定導電板３２との電気接続が遮断されるようになっている。

カップ状導電破裂板３５の周縁部（立ち上がり部）は、導電リング３６および正極端子板３１の周縁部を包み込んだ状態で内方に折り返し加工されている。このカップ状導電破裂板３５の周縁部と電池缶１１の開口端部１４の間に封口ガスケット４１が介在している。

封口ガスケット４１は、電池缶１１の上部くびれ部（ビード加工部）１３と開口端部１４のかしめ（カール）加工部とで挟持されるとともに、電池缶１１の開口端部１４と上記積層体の周縁部との間に圧縮状態で介在することにより、電池缶１１の内部を気密封止する。

図２は、安全弁の主要部をなすカップ状導電破裂板３５の平板部の平面図を示す。同図の（ａ）または（ｂ）に示すように、カップ状導電破裂板３５の平板部には、所定の電池内圧が作用したときだけ破断を誘発する薄肉部３８が形成されている。こ薄肉部３８は、破裂板３５の平板部に線状の溝部を刻印加工することにより形成される。

薄肉部３８のパターンは、上記固定導電板３２と接続している中央面部を取り囲むような円形または円弧状のパターン部と、この円形または円弧から放射方向に伸びる直線パターン部とによって形成されている。

上記破裂板３５は、所定以上の電池内圧を受けたときに、固定導電板３２と接続している中央面部が固定導電板３２から離反する形で変形および破断する。これにより、電池内圧の開放と同時に電池の過充電／過放電も同時に遮断させることができる。

ここで、上記カップ状導電破裂板３５の材質には、高純度のアルミニウムではなく、銅とアルミニウムの合金が使用されている。この銅とアルミニウムの合金からなる導電破裂板３５は、アルミニウムだけからなる従来のものに比べて、成形、絞り、刻印、溶接などの加工性が各段に良く、精密な部品を作製する上で非常に好都合である。つまり、加工精度が得易い。

安全弁をなす破裂板３５が破断するときの作動圧は薄肉部３８の加工精度に大きく依存するが、銅とアルミニウムの合金を用いた破裂板３５は加工性が良好なので、その薄肉部３８の刻印加工も大きなバラツキ生じることなく、精度良く行わせることができる。

同様に、溶接加工性も良好なので、固定導電板３２との溶接も、大きな強度バラツキを生じることなく、精度良く行わせることができる。これにより、安全弁の作動圧にラツキが生じるのを抑えることが可能になる。

一方、上記カップ状導電破裂板３５の材質にアルミニウム以外の金属が含まれた場合、電解液による腐食や電解液への不純物混入が懸念されるが、銅とアルミニウムの合金ではその懸念が小さいことが判明した。

とくに、上記カップ状導電破裂板３５の材質として銅の含有量が３〜５％のアルミニウム合金を使用した場合には、安全弁を形成するための加工性と、電解液による腐食および電解液への不純物混入抑制の両方を最適化できることが、本発明者等によってあきらかにされた。

この場合、銅の含有量が３％未満では加工性が低下し、５％を越えると電池内で銅が溶出する可能性のあることが判明した。したがって、上記銅の含有量は３〜５％が最も望ましい。

図３は、上記安全弁を備えた密閉型電池の要部における製造工程を示す。まず、同図の（ａ）に示すように、樹脂製ボス部材４５で保形されている固定導電板３２にカップ状導電破裂板３５を重ねて中央部分を接続する。

次に、（ｂ）に示すように、正極集電体に接続している導電リード３３の先端部を固定導電板３２に接続した後、固定導電板３２とカップ状導電破裂板３５を封口ガスケット４１とともに電池缶１１の開口部に装填する。

電池缶１１の開口部付近にはくびれ部１３があらかじめ形成されていて、このくびれ部１３で封口ガスケット４１が係止および位置決めされる。固定導電板３２とカップ状導電破裂板３５は、その封口ガスケット４１の内側に嵌着する形で位置決めされる。

続いて、（ｃ）に示すように、カップ状導電破裂板３５の内底面に導電リング３６を着座させる。さらに、（ｄ）に示すように、導電リング３６の上に皿状の正極端子板３１を着座させる。

このあと、（ｅ）に示すように、電池缶１１の開口端部１４を内方にかしめ（カール）加工する。このとき、そのかしめ加工と同時に、カップ状導電破裂板３５の周縁部（立ち上がり部）が、導電リング３６および正極端子板３１の周縁部を包み込んだ状態で、内方に折り返し加工される。

以上のようにして、防爆機能と過充電／過放電に対する安全機能を備えた密閉型電池を製造することができる。

また、上述した実施形態の構成では、正極端子板３１と導電リング３６の重なり端面がカップ状導電破裂板３５の周縁部で包み込まれて塞がれることにより、電解液の漏液経路となり得る部分が封口ガスケット４１と電池缶１１の開口端部１４との圧接部と、封口ガスケット４１とカップ状導電破裂板３５の周縁部との圧接部だけとなる。両圧接部はいずれも、金属部品同士の接触ではなく、封口ガスケット４１との接触であるから、電解液が毛細管現象で染み出してしまう可能性は非常に低い。これにより、耐漏液信頼性を高くすることができる。

上述したカップ状導電破裂板３５の金属組成を変えて複数種類作製した。金属組成はアルミニウムをベースとし、これに合金として加える銅の含有量（％）を異ならせた。各組成ごとにそれぞれ同一形状のカップ状導電破裂板を作製した。各破裂板には、それぞれ所定の作動圧３．０ＭＰａとなるような薄肉部３８が形成されるように刻印加工を行った。

このようにして作製した破裂板の実際の作動圧をテストして測定したところ、表１に示すような結果が得られた。

表１は、本発明者等が行った数々の試験結果の一部であるが、作動圧のバラツキ（標準偏差）は、銅の含有量が０％（アルミニウムだけ）のものよりも、アルミニウムに銅を含有させた合金の方が確実にすぐれていることがわかる。
とくに、銅の含有量が３％以上では、作動圧のバラツキが大幅に小さく抑制されていることがわかる。
表１の結果と、電池内での銅の溶出可能性の両方を鑑みた場合、銅の含有量は３〜５％が最適である。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、安全弁の主要部をなす破裂板は、カップ状でなく、ディスク状であってもよい。また、本発明の安全弁は、図１に示したような電極構造以外の密閉型電池、あるいは非水電解質電池以外の密閉型電池にも好適に適用可能である。

密閉型電池用安全弁において、電解液による腐食や電解液への不純物混入を回避させることと、安全弁の作動圧の精度を高めることを両立して達成することができる。

本発明に係る安全弁を備えた密閉型電池の実施形態を示す断面図である。 安全弁の主要部をなすカップ状導電破裂板の平板部を示す平面図である。 安全弁を備えた密閉型電池の要部における製造工程を示す要部断面図である。

符号の説明

１１ 電池缶
１２ 外底面
１３ くびれ部（ビード加工部）
１４ かしめ（カール）加工部
２０ 発電要素
２１ 正極活物質
２２ セパレータ
２３ 負極活物質
３０ 封口部
３１ 正極端子板（電極端子板）
３２ 固定導電板
３３ 導電リード
３５ カップ状導電破裂板（安全弁）
３６ 導電リング
３８ 薄肉部（刻印加工部）
４１ 封口ガスケット
４５ ボス部材

Claims (2)

1. 密閉型電池の封口部に電池内圧を受けるように組込まれ、所定以上の電池内圧で破断して内圧を開放する金属製破裂板を用いた密閉型電池用安全弁であって、上記破裂板が銅とアルミニウムの合金からなることを特徴とする密閉型電池用安全弁。
2. 請求項１において、上記破裂板は、銅の含有量が３〜５％のアルミニウム合金からなることを特徴とする密閉型電池用安全弁。
   
   

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