JP2008117534A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】開弁する安全弁から排出される高温ガスの温度を低下して安全性を向上させる。
【解決手段】密閉型電池は、凸部電極６を有する封口板１に、安全弁２の排気開口７を設けており、外装缶１０の内圧が上昇して安全弁２が開弁する状態では、排気開口７から電池内の内容物を排出する。さらに密閉型電池は、排気開口７の内側に、通気性のある金属又は無機質材からなる多孔質材３を設けている。開弁する安全弁２から排出される内容物を多孔質材３に通過させて排気開口７から外部に排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、封口板の凸部電極に、安全弁の排気開口を設けており、外装缶の内圧が上昇して安全弁が開弁する状態で、排気開口から電池内の内容物を排出するようにしてなる密閉電池に関する。

密閉電池は、電池の内圧が異常に高くなるときに外装缶が破壊されるのを防止するために安全弁を設けている。安全弁は、内圧が設定圧力よりも高くなると開弁して、内部のガスや電解液等を排出して内圧を低下させる。この安全弁は、封口板に設けた凸部電極に内蔵される。安全弁を内蔵する凸部電極は、開弁した安全弁を通過したガス等の流体を排気するために排気開口を設けている。

安全弁は、電池が異常な状態となったときに開弁する。安全弁が開弁すると、排気開口からガスや電解液が排出される。排気開口から排出される電解液、特に、リチウムイオン二次電池の電解液は、可燃性の有機溶媒を含んでいることから、これが外界に漏れ出すと、火災や爆発の起きやすい極めて危険な状態になる。この弊害を防止するために、排気開口の内側に液漏れ防止部材を設ける密閉型電池が開発されている。（特許文献１参照）
特開平１０−３０２７４６号公報

排気開口の内側に設けられる液漏れ防止部材は、安全弁が開弁する状態で電池内部のガスを通過させるが、電解液の通過を防止して、電解液が外部に漏れるのを阻止する。ガスを透過させて電解液の漏れを阻止するために、液漏れ防止部材には、具体的には、耐油性（耐電解液性）に優れたポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ガラス繊維強化フェノール樹脂、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂材料で形成した不織布、セパレータに使用される微多孔性フィルム等が使用される。

この構造の密閉型電池は、液漏れ防止部材で開弁した安全弁から電解液が外部に漏れるのを防止できる。しかしながら、この密閉型電池は、液漏れ防止部材に合成樹脂を使用することから、開弁する安全弁から排出される高温ガスの温度を下げることができず、高温ガスが排気されてこれが発火の原因となる弊害を解消できない。たとえば、電池の内部ショート等が原因で安全弁が開いて、２００℃を超えるガスや電解液が排出されるとき、合成樹脂製の液漏れ防止部材が熱で熔融されるからである。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、開弁する安全弁から排出される高温ガスの温度を低下して安全性を向上できる密閉型電池を提供することにある。

本発明の密閉型電池は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
密閉型電池は、凸部電極６を有する封口板１、２１に、安全弁２、２２の排気開口７を設けており、外装缶１０の内圧が上昇して安全弁２、２２が開弁する状態では、排気開口７から電池内の内容物を排出する。さらに密閉型電池は、排気開口７の内側に、通気性のある金属又は無機質材からなる多孔質材３、２３を設けている。開弁する安全弁２、２２から排出される内容物を多孔質材３、２３に通過させて排気開口７から外部に排出する。

さらに、本発明の請求項２の密閉型電池は、請求項１の構成に加えて、多孔質材３、２３を、焼結金属と、積層金網焼結と、発泡金属と、金属繊維の集合体と、無機質材の焼結体のいずれかとする。多孔質材３、２３である焼結金属や積層金網焼結は、３００℃以上の優れた耐熱性を有し、また、均一に設けた微細な空隙から内容物を減圧しながらスムーズに排出できる。また、多孔質材３、２３である発泡金属は、優れた耐熱特性に加えて、空隙率を高くできることから、内容物を通過させる空隙を小さくしながら、効率よく減圧してスムーズに排気できる。また、多孔質材３、２３である無機質材の焼結体は、優れた耐熱特性と耐久性を有し、微細な空隙から内容物を減圧して排気できる。さらに、金属繊維の集合体も優れた耐熱特性に加えて、金属繊維の間にできる微細な空隙から内容物を減圧してスムーズに排気できる。

また、本発明の請求項３の密閉型電池は、請求項１の構成に加えて、多孔質材３、２３を、ガスを透過させる状態で排気開口７の内面を塞ぐ形状に成形している。この構造は、所定の形状に成形された多孔質材３、２３を、封口板１、２１に固定して、排気開口７の内側をガスを透過させる状態で塞ぐことができる。

さらに、本発明の請求項４の密閉型電池は、リチウムイオン二次電池であるから、可燃性の電解液を安全に排気できる。

また、本発明の請求項５の密閉型電池は、請求項１の構成に加えて、封口板１を、凸部電極６を中央部に設けている電極キャップ４と、この電極キャップ４の周囲にカシメ構造で気密に固定しているカシメ金属板５とで製作し、さらに、カシメ金属板５と電極キャップ４との間に、安全弁２のラプチャー板１１とＰＴＣ８を積層状態で挟着しており、さらにまた、ＰＴＣ８と電極キャップ４に密着して多孔質材３を固定している。この構造は、安全弁２とＰＴＣ８と多孔質材３を所定の位置に設けて封口板１を組み立て、この封口板１を外装缶１０に固定して製造できる。このため、独特の密閉型電池を能率よく多量生産できる。

本発明の密閉型電池は、開弁する安全弁から排出される高温ガスの温度を低下して安全性を向上できる。それは、本発明の密閉型電池が、排気開口の内側に、通気性のある金属又は無機質材からなる多孔質材を設け、安全弁が開弁して排気開口から排出される内容物を多孔質材に通過させて外部に排出するからである。多孔質材の隙間を通過して排気開口から外部に排気される内容物は、多孔質材で減圧して排出されて、断熱膨張によって温度が低下して排出される。排気開口の内側に設けている多孔質材は、冷媒を断熱膨張させて冷却する、冷却器のキャピラリーチューブと同じ作用で、加圧された内容物を減圧して排出することで、内容物を断熱膨張させることで温度を低下させる。この構造の密閉型電池は、内部短絡などの事故で電解液が加熱され、ガス化して内圧が上昇して安全弁が開弁されるとき、ガス化した電解液は多孔質材を通過して、減圧して排気され、断熱膨張して温度が低下して排出される。電池内に残留する電解液は次々と加熱されてガス化されて、ガス化された電解液は次々と多孔質材を通過して、断熱膨張で温度が低下して排出される。また、同じように電池の内部燃焼によっても、温度上昇して圧力が上昇して安全弁が開弁する。このときも、電解液は一気には排出されず、多孔質材で減圧して、断熱膨張で温度を低下させながら排出し、電池内部の酸素が燃焼された後に鎮火する。又内部の電解液がガス化され、多孔質材を通過して低温状態で安全に排出される。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための密閉型電池を例示するものであって、本発明は密閉型電池を以下の構造に特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

本発明の密閉電池は、リチウムイオン二次電池において特に有効である。それは、リチウムイオン二次電池の電圧が、電解液が非水系の有機溶媒からなり、また内部短絡などで電池温度が異常に高くなるからである。ただ、本発明は、密閉電池をリチウムイオン二次電池には特定しない。電池には、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等、安全弁を備える全ての二次電池とすることができる。

図１に示す電池は、封口板１の凸部電極６の内部に安全弁２を内蔵している。図の安全弁２は、内圧が設定圧力まで上昇すると破壊して開弁するラプチャー板１１を備える。ラプチャー板１１は、アルミニウムやアルミニウム合金の薄膜である。このラプチャー板１１は、局部的に薄くして、設定圧力で破壊しやすくしており、あるいは図に示すように、下方に突出させる形状として破壊しやすくできる。図に示すように、凸部電極６の内部にアルミニウムやアルミニウム合金からなるラプチャー板１１を設けている安全弁２は、設定圧力で確実に破壊されて安全性を向上できる。

ただし、本発明は、安全弁の構造をラプチャー板を破壊するタイプには特定しない。たとえば、図２に示すように、弁体２６を弾性体２７で弁座２８に押圧している安全弁２２を内蔵する電池にも使用できる。この安全弁２２は、電池の内圧が設定圧力よりも低いときは、弾性体２７が弁体２６を弁座２８に押圧して閉弁している。しかしながら、電池の内圧が設定圧力よりも高くなると、弾性体２７で押されるいる弁体２６が弁座２８から離れて開弁される。また、いずれの構造の安全弁であっても、凸部電極の内部に水が侵入して、金属部分が腐食されると電池として正常に動作しなくなるので、本発明の電池は、安全弁の構造を特定しない。

図１と図２の密閉型電池は、封口板１、２１の排気開口７の内側に、多孔質材３、２３を設けている。この密閉型電池は、開弁する安全弁２、２２から排出される内容物を多孔質材３、２３に通過させて排気開口７から外部に排出する。多孔質材３、２３を内蔵する封口板１、２１を、図３と図４に示す。これらの図に示す封口板１、２１は、凸部電極６を中央部に設けている電極キャップ４、２４と、この電極キャップ４の周囲にカシメ構造で気密に固定しているカシメ金属板５、２５とを備える。

電極キャップ４、２４は、円筒状の凸部電極６の周囲に鍔を設ける形状に金属板をプレス加工している。この電極キャップ４、２４は、凸部電極６の周壁に排気開口７を開口している。円筒状の凸部電極６は、排気開口７の内面に多孔質材３、２３を隙間なく密着するのに好都合である。ただ、本発明の密閉型電池は、凸部電極を円筒状には特定しない。凸部電極は、四角形等の多角筒状とすることもできる。円筒や角筒等の筒状の凸部電極６は、多孔質材３、２３を内面に密着して、排気開口７の内側に多孔質材３、２３を配置する。さらに、本発明の密閉型電池は、凸部電極を筒状には特定せず、凸部電極を上端に向かって細くなるテーパー状とすることもできる。

カシメ金属板５、２５は、外周縁を上方に折り曲げて、電極キャップ４、２４を挟着するようにカシメ加工している。さらに、封口板１、２１は、カシメ金属板５、２５と電極キャップ４、２４との間に、ＰＴＣ８を積層状態で挟着している。さらに、図３の封口板１は、カシメ金属板５と電極キャップ４との間に、安全弁２のラプチャー板１１も積層状態で挟着している。図３の封口板１は、ラプチャー板１１の中央部をカシメ金属板５の中央部に溶着すると共に、この溶着部の周囲に開口部１２を設けている。図４の封口板２１は、電極キャップ２４の円筒状の凸部電極６の内部に、弁体２６と弾性体２７とを配設している。この封口板２１は、カシメ金属板２５の中央部に弁孔２９を開口しており、この弁孔２９の開口縁部を弁座２８として、弁体２６で閉塞している。

図３と図４の封口板１、２１は、ＰＴＣ８と電極キャップ４、２４に密着するように多孔質材３、２３を固定して、カシメ金属板５、２５を電極キャップ４、２４にカシメ加工している。カシメ金属板５、２５は、内面にガスケット９を設けて、気密にカシメ加工している。

この構造の封口板１、２１は、安全弁２、２２と多孔質材３、２３を内蔵する状態に組み立てられる。したがって、安全弁２、２２と多孔質材３、２３を内蔵する封口板１、２１を外装缶１０の外周にカシメ加工して能率よく製造できる。

多孔質材３、２３は、排気開口７をガスを通過できる状態で内側から閉塞する。すなわち、安全弁２、２２が開弁する状態で、外装缶１０内の内容物を、多孔質材３、２３に通過させて排気開口７から外部に排気する。多孔質材３、２３は、通気性のある金属又は無機質材からなる、無数の微細な空隙を有する多孔質なフィルタである。多孔質材３、２３は、開弁する安全弁２、２２から排出される内容物を、微細な空隙に通過させて減速し、また減圧して、断熱膨張させて温度を低下させる。多孔質材３、２３は、高温に加熱された内容物を通過させて熱で熔融されないように、少なくとも２００℃で変形しない耐熱特性を有するフィルタが使用される。耐熱特性に優れた多孔質材３、２３として、焼結金属と、積層金網焼結と、発泡金属と、無機質材の焼結体と、金属繊維の集合体のいずれかが使用される。また、これらのを積層したものも使用できる。

多孔質材３、２３は、無数の微細な空隙で内容物を減速、減圧して排気する。この多孔質材３、２３は、内容物を速やかに排気するために、これで微細な粉末をろ過する状態として、ろ過粒度を１μｍ以上、好ましくは３μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上とするものを使用する。また、多孔質材３、２３は、内容物を減速し、また減圧して排気できるように、これで微細な粉末をろ過する状態として、ろ過粒度を５００μｍ以下、好ましくは３００以下、さらに好ましくは２００μｍ以上とするものを使用する。

多孔質材に使用される焼結金属は、ステンレスや青銅を焼結して、空隙率を３０％〜４５％、としたものが使用できる。焼結金属は、焼結する金属粉体の粒径で空隙の大きさをコントロールできる。したがって、焼結金属からなる多孔質材は、空隙が前述の大きさとなる粒径の金属粉末を焼結して製造される。

多孔質材の積層金網焼結は、ステンレス網等の金網を積層し、真空炉で焼結して製造される。積層金網焼結は、金網のメッシュと積層枚数で空隙の大きさがコントロールされる。

多孔質材の発泡金属は、銅、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス等の金属を連続気泡を有する状態に加工したものである。発泡金属は、空隙率を９０％以上と高くできるので、空隙を小さくして、スムーズにガスを透過できる。したがって、多孔質材に使用される発泡金属は、空隙を小さくして、ガスを効率よく減速、減圧して、より安全に排気できる。

多孔質材である無機質材の焼結体は、処決する無機粉体の粒径で空隙の大きさをコントロールできる。したがって、無機質の焼結体からなる多孔質材は、空隙が前述の大きさとなる粒径の無機粉末を焼結して製造される。

多孔質材である金属繊維の集合体は、ステンレス等の微細な繊維、あるいは金属結晶繊維などの極細繊維を立体的に方向性なく集合して製作される。この多孔質材は、集合する繊維の太さと積層する密度で空隙の大きさをコントロールする。

焼結金属、積層金網焼結、発泡金属、無機質材の焼結体からなる多孔質材３、２３は、製造工程で、凸部電極６の内側に密着状態で嵌着できる形状に成形される。このように多孔質材３、２３を成形して、封口板１、２１の組み立て工程で、挟着して固定する構造は、多孔質材３、２３を隙間なく密着する形状として、多孔質材３、２３を通過しないで排気開口７から排気されるガス漏れを防止できる。

図１と図３に示す多孔質材３は、内面に凹部を設けた円盤状、すなわち、外周のリング部３Ａを上プレート３Ｂで閉塞する形状に成形している。この形状の多孔質材３は、リング部３Ａの下面を密着して、内容物を多孔質材３に透過して排気開口７から外部に排気できる。いいかえると、多孔質材３の上面を上プレート３Ｂで閉塞するので、仮に多孔質材３の上面が凸部電極６の内面から多少離れ、あるいは排気開口７を設けている凸部電極６の内面から離れて密着しなくても、内容物は多孔質材３を透過して排気開口７から排気される。

ただし、多孔質材は、必ずしもリング部を上プレートで閉塞する形状に成形する必要はなく、図２と図４に示すように、全体をリング部とするリング形状とすることもできる。この多孔質材２３は、上面を凸部電極６の内面に隙間なく密着し、下面をＰＴＣ８等に隙間なく密着させて、内容物を多孔質材２３に透過させて排気開口７から排気できる。

本発明の一実施例にかかる密閉型電池の断面斜視図である。 本発明の他の実施例にかかる密閉型電池の断面斜視図である。 図１に示す密閉型電池の封口板の拡大断面図である。 図３に示す密閉型電池の封口板の拡大断面図である。

符号の説明

１、２１…封口板
２、２２…安全弁
３、２３…多孔質材
３Ａ…リング部
３Ｂ…上プレート
４、２４…電極キャップ
５、２５…カシメ金属板
６…凸部電極
７…排気開口
８…ＰＴＣ
９…ガスケット
１０…外装缶
１１…ラプチャー板
１２…開口部
２６…弁体
２７…弾性体
２８…弁座
２９…弁孔

Claims (5)

1. 凸部電極(6)を有する封口板(1)、(21)に、安全弁(2)、(22)の排気開口(7)を設けており、外装缶(10)の内圧が上昇して安全弁(2)、(22)が開弁する状態では、排気開口(7)から電池内の内容物を排出するようにしてなる密閉型電池であって、
   排気開口(7)の内側に、通気性のある金属又は無機質材からなる多孔質材(3)、(23)を設けており、開弁する安全弁(2)、(22)から排出される内容物を多孔質材(3)、(23)に通過させて排気開口(7)から外部に排出するようにしてなる密閉型電池。
2. 多孔質材(3)、(23)が、焼結金属と、積層金網焼結と、発泡金属と、無機質材の焼結体と、金属繊維の集合体のいずれかである請求項１に記載される密閉型電池。
3. 多孔質材(3)、(23)を、ガスを透過させる状態で排気開口(7)の内面を塞ぐ形状に成形してなる請求項１に記載される密閉型電池。
4. 密閉型電池がリチウムイオン二次電池である請求項１に記載される密閉型電池。
5. 封口板(1)が、凸部電極(6)を中央部に設けている電極キャップ(4)と、この電極キャップ(4)の周囲にカシメ構造で気密に固定しているカシメ金属板(5)とを備え、このカシメ金属板(5)と電極キャップ(4)との間に、安全弁(2)のラプチャー板(11)とＰＴＣ(8)を積層状態で挟着しており、さらに、ＰＴＣ(8)と電極キャップ(4)に密着して多孔質材(3)を固定している請求項１に記載される密閉型電池。

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