JP2008066207A

JP2008066207A - 電池

Info

Publication number: JP2008066207A
Application number: JP2006244921A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kuratomi; 純一倉富; Takaaki Iguchi; 隆明井口; Noritomo Kamata; 教友鎌田; Kenji Kono; 健次河野
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】異常時、電池の内圧上昇を検知して電池のエネルギーを低下させることにより安全性を向上した電池を提供する。
【解決手段】発電要素を内蔵する外装体の一部又は全部が前記外装体の内圧上昇に伴って変位可能とされ、正極又は負極の一方と電気的に接続された導電部材が前記変位に伴って移動可能とされ、前記移動の結果、前記導電部材を正極又は負極の他方と電気的に当接可能とした電池。また、前記外装体は前記導電部材を内蔵している。
【選択図】図１

Description

本発明は、異常時、電池の内圧上昇を検知して電池のエネルギーを低下させることにより安全性を向上した電池に関する。

近年、産業の発展に伴い、産業分野への電池の用途が拡大している。例えばリチウムイオン二次電池に代表される非水電解質電池は、従来小型民生機器用途が中心であったが、近年、無停電電源用、電力貯蔵用、HEV用等の中型、大型用途に拡大する検討が加速している。例えばHEV用電池は、電池容量が３Ah以上という高容量、高出力の電池である。

民生機器用の小型電池では、PTC素子、即ち、温度の上昇を検知して抵抗値が上昇する素子を設置することにより、過充電を防止し、安全を確保する技術が周知である。

しかしながら、PTC素子は抵抗値が大きいことから、HEV用電池等においては最も重要な特性である高出力性能を阻害するため、採用することができなかった。

特許文献１には、電池内圧の上昇に伴って変形する部品としてダイヤフラム弁を用いて正極端子と負極端子を短絡する構成が開示されている。

しかしながら、この技術をHEV用等の３Aｈ以上の大型高出力電池に適用すると、短絡電流が大きいため、過大な短絡電流による温度上昇によって破断する等の問題により、うまく動作しないという問題点があった。また、ダイヤフラム弁は蓋に取り付ける他ないため、蓋にダイヤフラム弁を取り付けることのできるための十分なスペースが必要となり、高エネルギー密度設計の点で問題点があった。加えて、ダイヤフラム弁では、過大な発熱によって破壊されてしまうため、大型電池に適用するには問題があった。

特許文献２には、異常時に電極間を解放する従来の方法では、熱暴走などの反応を抑制することができず、すなわち蓄電池内部での異常に対し保護ができなかった（段落0006〜0009参照）という問題点を課題として認識し、圧力を検出し電極間を短絡する構成（請求項２参照）が示され、代表図には、圧力検出器に連動して正負極間を短絡させる構成図が記載されている。

しかしながら、同公報に記載されている短絡機構は外部回路によるものであるため、外部回路の故障等に対応できないため信頼性が確保できず、また装置が大型化するといった問題点があった。

特許文献３には、温度上昇を検知して回路を短絡させる素子を設けた電池が記載されている。しかしながら、HEV用等の３Aｈ以上の大型高出力電池に対してこの素子を適用しても、過度な過充電を行った場合には、電池内部が急激に温度上昇するため、前記素子が装着されている電池表面にまで電池内部の温度が伝わる前に、即ち前記素子が作動する前にHEV電池の熱暴走反応が開始してしまうこととなり、安全性を確保できないといった問題があった。即ち、HEV用等の３Aｈ以上の大型高出力電池においては、温度検知による回路短絡機構を採用することができなかった。
特開平０７−２０１３７２号公報特開平１１−１９１４３６号公報特開２００１−２８３８２８号公報

本発明は上記問題点を解決するために成されたものであり、異常時、電池の内圧上昇を検知して電池のエネルギーを低下させることにより安全性を向上した電池を提供することを目的とする。

本発明は、発電要素を内蔵する外装体の一部又は全部が前記外装体の内圧上昇に伴って変位可能とされ、正極又は負極の一方と電気的に接続された導電部材が前記変位に伴って移動可能とされ、前記移動の結果、前記導電部材を正極又は負極の他方と電気的に当接可能とした電池である。

また、前記外装体は前記導電部材を内蔵していることを特徴とする。

一実施例に基づき本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明電池の一実施例を示す概念図である。図１において、（ａ）は通常使用時の状態を示し、（ｂ）は異常を検知して本発明の機構が作動した状態を示している。

正極及び負極を備えた発電要素２が外装体１に収容され、前記外装体１の一部１ａ（本実施例では図中上部）が前記外装体の内圧上昇に伴って上方に膨れるように変位可能とされている。負極と電気的に接続された導電部材４が、移動補助部材３と固着されている。また、前記移動補助部材３は前記外装体の一部１ａと接触している。前記外装体の一部１ａが図中上方に変位した場合、移動補助部材３及び該移動補助部材と固着している導電部材４が弾性体6の弾性力によって上方に移動する。そして、前記移動の結果、負極と電気的に接続された前記導電部材４の上端部が、正極と電気的に接続された導電部材５と電気的に当接する。前記当接により、外装体１の内部で正極と負極との間に電流が流れることにより、電池が放電され、電池のエネルギーを低下させる。

上記実施例では、移動補助部材３及び該移動補助部材と固着している導電部材４が弾性体6の弾性力によって上方に移動するものとしたが、前記移動補助部材３と前記外装体の一部１ａとを固着させておくことにより、弾性体６を不要とすることもできる。

また、上記実施例では、負極と電気的に接続された導電部材４を移動補助部材３に固着させ、前記導電部材４及び移動補助部材３を前記変位に伴って移動させるようにしたが、図２に示すように、導電部材４については固定しておき、導電部材５を移動補助部材３と固着するようにして前記変位に伴って前記移動補助部材３及び前記導電部材５とが移動して前記導電部材４と当接するようにしてもよい。

また、以上の実施例において、正極と負極の関係が入れ替わった設計にしてもよいことはいうまでもない。

外装体の一部又は全部の変位については、３Aｈ以上の大型高出力電池にあっては、前記外装体の内圧が１０⁵〜１０⁶Ｐａに達したときにするように前記変位が生じるように設計することが好ましい。

内圧上昇に伴う変位に伴う移動の結果として電気的に当接する部位の抵抗値は０．３ｍΩ以下であることが好ましい。

正極板は、結着剤であるポリフッ化ビニリデン６重量％と導電剤であるアセチレンブラック６重量％と正極活物質ＬｉＭｎ_0.02Ｎｉ_0.03Ｃｏ_0.95Ｏ₂８８重量％とを混合してなる正極合材に、Ｎ−メチルピロリドンを加えてペースト状に調製した後、これを厚さ２０μｍのアルミニウム箔集電体両面に塗布、乾燥、プレスすることによって作製し、正極リードを取り付けた。

負極板は、非晶質ハードカーボン９０重量％とポリフッ化ビニリデン１０重量％をＮ−メチルピロリドンに加えてペースト状に調製した後、これを厚さ１０μｍの銅箔集電体両面に塗布、乾燥、プレスすることによって製作した。

セパレータには、ポリエチレン微多孔膜を用い、また、電解液には、エチルカーボネート（ＥＣ）：ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）：エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）＝３：２：５（体積比）の混合溶媒に、更にＬｉＰＦ₆を調整後に１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解したものを用いた。

中空棒状の負極導電部材4を芯材として、前記セパレータを介して前記正極板及び前記負極板を重ね合わせたものを捲回した。なお、捲回に先立ち、負極板を前記負極導電部材4と電気的に接続した。このようにして、設計容量６Ａｈの円筒状の発電要素2を作製した。前記負極導電部材4の一端部に、直径が前記負極導電部材4と略同寸法の弾性体6を溶接し、前記負極導電部材4の他端部の一部を引き抜くことにより、前記引き抜きによって前記発電要素2の捲回中心部に生じた空間に前記バネ6を収納した。このようにしてバネ6を取り付けた発電要素2を直径４０ｍｍ、高さ１２０ｍｍのステンレス鋼製の円筒型電槽缶に挿入した。前記負極導電部材4の中空部に溶接用電極を挿入し、バネ6の解放端部を前記電槽缶底部に溶接固定した。前記円筒型電槽缶は外装体1の底部及び側部を構成している。

一方、断面コの字状の移動補助部材3の円盤中心部に前記負極導電部材4の他端解放端部4aを固定した。図３の概略図に示すように、ポリテトラフルオロエチレン製の移動補助部材3は、円盤部3aと、該円盤部の円周の一部が垂直方向に屹立した屹立部3bとが一体となった形状を呈している。また、前記負極導電部材4の他端解放端部4aは、移動補助部材3の円盤部3aを貫通し突出するように固定されている。

外装体の一部1aを構成することとなるアルミニウム製の蓋は、図４の概略図に示すように、内圧の上昇に伴って変位可能な平板部7aを備えたコの字状の蓋本体部7と、開口部8aを備えた円盤部8とが組み合わされてなり、前記円盤部8に設けられた開口部8aは、前記移動補助部材3の屹立部3bを挿入可能な形状となっている。前記蓋本体部7と前記円盤部8とは電気的に接続されている。前記円盤部8は完成電池において正極導電部材5を構成する。前記蓋本体部7の平板部7aは肉薄とされ、10Paの圧力で膨れるように設計され、完成電池において外装体の一部1aを構成する。また、前記移動補助部材3の屹立部3bの上端は、完成電池において前記蓋本体部7の平板部7aに当接する。

前記蓋の円周部7bに絶縁性のガスケットを配置し、正極リード板を前記蓋に電気的に接続した後、前記電解液を注液し、前記移動補助部材3の屹立部を前記開口部に挿入するよう前記蓋を被せ、前記前記円筒型電槽缶との接触部をかしめて固定し、密閉した後、初期充放電工程を経て本発明に係る電池を完成した。

上記実施例におけるアルミニウム製の蓋に代えて、従来技術に従ってダイヤフラム弁を備えた蓋を用いたことを除いては、上記実施例と同様の手法で電池を組み立て、比較例とした。

このようにして本発明電池及び比較電池をそれぞれ５０個作製し、表１に示した通り、それぞれ５種類の条件で過充電試験に供した。ひとつの条件に対して、各１０個の電池を供試し、実施例電池及び比較例電池のそれぞれにおける安全機構が正常に作動した個数を記録した。結果を表１に併せて示した。

表１の結果からわかるように、比較例電池では過充電条件が厳しくなると共に安全機構が正常に作動した個数が減少したが、本発明電池では、いずれの試験条件に対しても全個数について安全機構が作動した。

本発明の一実施形態を示す概念図である。本発明の他の実施形態を示す概念図である。本実施例における移動補助部材の形状と使用方法を示す概略図である。本実施例における蓋の形状を示す概略図である。

符号の説明

１外装体
１ａ外装体の一部
２発電要素
３移動補助部材
４負極導電部材
５正極導電部材

Claims

発電要素を内蔵する外装体の一部又は全部が前記外装体の内圧上昇に伴って変位可能とされ、正極又は負極の一方と電気的に接続された導電部材が前記変位に伴って移動可能とされ、前記移動の結果、前記導電部材を正極又は負極の他方と電気的に当接可能とした電池。
前記外装体は前記導電部材を内蔵している請求項１記載の電池。