JP2008123726A

JP2008123726A - 密閉型電池の安全弁

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Publication number: JP2008123726A
Application number: JP2006303362A
Authority: JP
Inventors: Akira Ikeda; 章池田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: CN101179119A; CN101179119B; KR20080041996A; JP4676947B2; TW200836444A; KR101164285B1; TWI413328B

Abstract

【課題】開放圧力(作動圧)を小さく(高感度化)し、開放面積を大きくする一方で、落下強度を高くし、コストを下げた密閉型電池の安全弁を提供する。
【解決手段】略直交するラジアル方向容易破裂溝を設けるなどした、破裂容易部強度調節の容易な弁体ループ形状と、各種容易破裂溝断面構造とを組合せて金属板より加工する密封型電池の安全弁。製造法は往復動する割型プレスを用いる。容易破裂溝断面構造には、少なくともVノッチ、一方向剪断加工型容易破裂溝、往復剪断加工型容易破裂溝の３つがある。
【選択図】図１

Description

本発明は密閉型電池の安全弁に関し、より詳しくは破裂容易部強度調節の容易な連続または半連続の弁体ループ形状並びに各種破裂容易部断面形状とを組み合わせた密閉型電池の安全弁に関する。

Liイオン電池等において、電池内部で何らかの原因により異常反応が発生し、電池内部圧力が上昇した場合、密閉型電池では、電池自体の爆発により人的、物的損害を生じる可能性がある。その対策として、爆発に至る前に電池内部のガスを放出する必要があり、そのために電池外装部に安全弁を備えるのが普通である。

この安全弁は、予め設計準備された内圧で破裂開放される弁体を持つが、この弁体に要求される特性上、開放圧力は通常の電池内部圧力よりは高いことは当然であるが、出来る限り低い開放圧力である事が安全上望ましい(この臨界開放圧力を作動圧と呼ぶ事がある。)。また、電池内部でのガス発生量が多いと、このガスを放出する弁体の面積が小さければ、一時的に電池内部圧力が増加してなお爆発にいたる危険性がある。

従って、破裂容易溝の破裂によって生じるガス放出部の面積は発生ガス量を放出するに充分な面積を有する事が重要である(我々の経験では７mm^２以上が必要)。また、このLiイオン電池は、携帯電話やデジカメ等に使用されるため、取り扱いによってはこれを使用者が地上または床上に落として弁体部が破損し、電解液が漏洩するなどの可能性がある。このためこういう事故落下に対して、弁体が損傷し難い事が重要である(これを落下強度と呼ぶ。)。

以上のような目的のために、Liイオン電池は安全機構として安全弁を有する。この安全弁には、電池側面や底部に直線又は曲線又はそれらの組合せにより幅２mm以下のプレスやエッチングにより薄い弁体を構成する場合(刻印タイプ又はプレス弁と呼ぶ)と、封口板上に開放口を設けてそこに薄い弁体を形成する場合がある。この弁体の平面形状は長円、楕円もしくは飲料缶のイージーオープン缶蓋もしくはその集合体のような形状をしている。

電池ケースの蓋に付与する断面Vノッチ刻印タイプの安全弁は、作動圧を２０kgf/cm^２以下には出来ず、また、ガス放出時充分な開口面積を確保出来ないので落下に対して弱いことから、次第に使用されなくなってきている。

封口板に開放口を設けてそこに薄い弁体を形成する手段としては、最初に封口板面内に所定の大きさを有する開放孔を開けておき、その開放孔へ厚さ２０〜６０μの薄い薄膜を弁体としてクラッドもしくは溶接により貼りつける手段がある(これは一般にクラッド弁と呼ばれる)。また、封口板面内にプレスまたはエッチング等により所定の大きさを有する薄膜を有する安全弁を形成する手段もある(これは一般にプレス弁と呼ばれる)。

前者のクラッド弁は、安全弁の要求特性である低い作動圧、広めの放出面積および強めの落下強度を保つという長所を有するが、プレス３回とクラッド工程を要するなど製造工程が複雑で、かつ製造技術が難しく歩留が悪いため、コストが高いというマイナス面がある。

これに対し、プレス弁はプレス(割型プレスを含む)のみによって封口板内面に弁体を形成する事が可能なため安価に出来る。また、ガス放出に充分な所定の大きさ以上の安全弁面積を容易に確保出来るが、クラッド弁に比して、安定した低い作動圧を得る事が困難であった。

そのためプレス弁の開発は、プレス装置の精密な下死点制御や適応素材の改良開発によって進められてきている。上記２つはプレス装置メーカーと弁体材料メーカーで開発中である。そして弁体である封口板を生産するプレスメーカーやこれを使用する電池メーカーにおいては、プレス弁の形状を工夫する事によって望ましい低作動圧のプレス弁を得る努力がなされ、少なからず特許も出願されているが、いまだ安定して充分に低い作動圧を得るまでには至っていない。

特開平１１−２７３６４０に示されるように封口板２の開放口２１にドーム状をなす薄肉の弁体２３が形成され、この弁体３の周辺近傍に容易破裂溝を形成したものである。一般に封口板に平面連続もしくは不連続ループでなる薄肉部を設けて、その薄肉部に破裂溝を形成するタイプの安全弁においては、電池内部圧力が上昇した時に、薄肉の弁体が電池内部の圧力を受けて変形する事により安全弁を作動させるため、比較的低圧で安全弁が作動し、本来の目的を達する(特許文献１参照)。

また特開２００５−１３５８７３号図２(b)に示されるように封口板6に薄肉の弁体が形成されており、この弁体には電池内側に向かって突出した少なくとも一つのドーム部２が形成され、前記ドーム部の少なくとも一つの周縁山には弁体の破裂を容易にするための破裂溝４が形成されている一般的には変形が大きい箇所は、従来は弁体中央部付近であり弁体周縁部に行くに従って変形量は小さくなる。通常破裂溝は弁体の周縁にあるあるため電池内部圧力が上昇した時に弁体内部で最も変形が小さい箇所にある(特許文献２参照)。

特公昭５８−２３１６５には一方向剪断加工及び往復方向剪断加工による分離容易な金属片連続体の製造法(従来技術)(特許文献３参照)が記載されている。

特開平１１−２７３６４０特開２００５−１３５８７３号特公昭５８−２３１６５

従来、密閉型電池、就中リチウムイオン型電池等の安全弁については、三洋電機、ミヤマツール等で開発・改良され一部では実用されている。

しかし、通常は落下等の比較的軽いショックや想定内の低内圧では安定していて容易に開口せず、一方で急に内圧上昇が生じた時は確実に開口して破壊を防ぎ得る、安全性の高い密閉型電池の安全弁は未だ充分に商品化されていない。

本発明により、
環境異変に伴って異常ガスを生じ、槽内ガス圧の急上昇を招く事のある密閉型電池の安全弁において、平面連続又は不連続ループ型の内周容易破裂溝に略直交して外縁に向かって延びる略ラジアル方向容易破裂溝を備え、槽全体の事故落下等に対しては、容易に破裂せず、一方で槽内異常ガスの発生による内圧上昇に対しては、設計通りの比較的低内圧で破裂して内圧を解放し得る事を特徴とする密閉型電池の安全弁(請求項１)、
略ラジアル方向容易破裂溝断面が、Vノッチ型、一方向剪断加工型容易破裂溝もしくは往復剪断加工型容易破裂溝のいずれかである請求項１に記載の密閉型電池の安全弁(請求項２)、
容易破裂溝の交点が以下の組合せである請求項２に記載の密閉型電池の安全弁。
（１）Vノッチ型容易破裂溝同志の組合せ、
（２）Vノッチ型容易破裂溝と一方向剪断加工型または往復剪断加工型容易破裂溝の組合せ、
（３）一方向剪断加工型容易破裂溝同志の組合せ、
（４）往復剪断加工型容易破裂溝同志の組合せ、
（５）一方向剪断加工型容易破裂溝と往復剪断加工型容易破裂溝の組合せ、(請求項３)
および
開口中央部輪郭をなす内周容易破裂溝の残厚をt_1、ラジアル方向容易破裂溝の残厚をt_２とするとき、安全弁部板厚Tが、1.2(t₁,t₂)≦T≦2.0(t₁,t₂)である請求項１〜３に記載の密閉型電池の安全弁(請求項４)
が提供される。

[発明の作用効果]
以上の本発明を実施する事により、
電池を封口する板状の封口板の開放孔に薄肉の弁体が形成されており、電池内部圧力が所定値以上になった時に、上記弁体が周縁部の一部又は全部が破裂して電池のガスを電池外に放出する電池の安全弁が提供され弁体形状は円形、楕円形又は四角形等形状は任意の閉じられた形状(連続又は不連続ループ状もしくは中抜き放射状)で破裂溝は弁体の周縁より離れた場所に位置しているため小さな力で変形が起きるという効果が得られる。

また、中央破裂溝より略直角方向に弁体周縁部に向かって、例えば4本以上のほぼ放射状の補助破裂溝を有するため、破裂溝との交点(容易破裂溝同士の交点)において応力が集中するので低い圧力でも破断が開始し、また一旦破裂が開始すると電池の外側方向への圧力とは別に破裂溝は補助破裂溝によって電池側面方向への圧力も受ける。即ち破裂伝幡(crack propagation)は比較的小さな圧力で進行する。従って上述の如く従来のプレス弁に比して、はるかに低い作動圧を得ることが出来る。

本発明プレス弁は一部にＶノッチ型容易破裂溝同志または一方向または往復剪断加工容易破裂溝またはこれらの組合せで、略直角な交点をクラックの出発点とする破裂伝幡(crack propagation)を利用した破裂容易溝同士の交点を破裂開始点とする容易破裂溝で連なる破裂片連続体でなる弁体が含まれる。

この中で一方向剪断加工容易破裂溝(1way shering easy open ditch;１WAY SEOD)または往復剪断加工容易破裂溝(２way shearing easy open ditch;２WAY SEOD)は夫々図２,図３と図４,図５に記載されているような割型しわ押さえ型を用いたプロセスで作られ、中心部の加工硬化した残存接続部のみで繋がっている。図３と図４に夫々示される残存接続部分は特に転位密度が高く、加工硬化しているのでもろくてクラックが生じ易く、破裂し易い。いづれもBauschinger効果によって容易に破裂し、破断する。

なお本発明における破裂とは容易破裂部例えば塑性加工密度が高く、破壊時に応力が集中し易い破裂溝の交点ないしその付近で先ず内圧によってクラックが生じ<クラックが破裂溝に沿って伝幡して弁体の破裂が生じ、内部の高圧ガスを気中に逃がす現象を云い、実際には破裂片(弁体)の一部はまくれ上がるが、破裂溝の一部（主として延性変形部）は破断せずに残存するのが普通である。この特性により、破裂時分離弁体の飛散による危険を防止する事が出来る。

また、破裂の開始にあたっては、破裂溝と補助破裂溝の交点よりクラックが始まり、２つの補助破裂溝とこれらと略直交する破裂溝で囲まれた部分は電池の外側方向へ屈曲し、そのため弁体作動時には十分なガス放出のための面積を確保出来る。

なお、従来例１，２本発明実施例１，２の順に同一厚み、同一素材(軟鋼板または耐食Al合金板)で比較したとき、その作動圧YA,YB,YC,YDを比較するとYA>YB>YC>YDとなる。

上記のように、弁体は電池外側方向と側面方向の２方向の力によって破裂するため、通常のプレス弁と比較した場合容易破裂溝および補助破裂溝の厚みを、設計作動圧が同じ場合は厚く出来るため落下強度も強くなる。また、落下強度を同じくすれば作動圧が低く出来る。そのため、任意の作動圧、落下強度の品質設計が容易に出来る。但し、略直交する容易破裂溝の交点付近には極端な応力集中が生じないよう、応力緩和を考慮した形状設計が必要であろう。これは金属素材の加工硬化係数と開尖強度の研究によって精密な適正解が得られるものと思われる。

以上説明したように本発明によれば、電池内部圧力上昇時、速やかに作動し、電池内部のガスを速やかに排出出来ると共に、落下強度に優れ、且つ生産性を向上させる事が出来るといった優れた効果を奏する。

本発明は前述のように、各種破裂容易溝の交点で生じたクラックが伝幡し、即ち破裂が進行して、一部は連結状態を残しながら、より大面積のガス抜き開口部が得られるという優れた作用効果が得られる一方で、取扱者が手を滑らせて密閉型電池等の金属製缶容器を床上に落としても、落下衝撃に耐えて容易に開口(破裂)しないという効果が得られる。なお、このような作用効果は、実際に使用してみれば明らかであるが、理論的には前述の通りなお未解決の部分もなしとしない。

以下図１を用いて、従来例と対比して本発明を詳細に説明する。ここに図１は従来例1,２と本発明実施例１,２の平面図、断面図、及び歪/作動圧を示すグラフである。図２,図３は夫々一方向剪断加工容易破裂溝(11)の製造工程を示す断面図及び断面顕微鏡写真であり、図４,図５は夫々往復方向剪断加工容易破裂溝(12)の製造工程を示す断面図及び断面顕微鏡写真である。図１において、Ａは従来例１、Ｂは従来例２、Ｃは本発明実施例１、Ｄは本発明実施例２を示し、夫々の作動圧はYA,YB,YC,YDとして表すと、YA>YB>YC>YDである。なお、YAは従来例１の作動圧、YBは従来例２の作動圧、YCは本発明実施例１、YDは本発明実施例２の作動圧である。EODは容易破裂溝、EODRは略ラジアル方向の容易破壊溝、EOPは破裂開始点(交点)である。図２,３,４において、Aは圧下圧力、Lは剪断加工ストローク、t₁は一方向剪断加工残厚、t₂は往復剪断加工残圧、10は素材鋼板、１１は一方向剪断加工容易破壊溝、１２は往復剪断加工容易破壊溝、２０はプレス押型(もしくは剪断刃)、３０はしわ押さえである。

従来例１は平面図上を単なるＶノッチ断面で長円状に連続ループとして輪郭した安全弁であり、この連続ループは点線状の半連続とすることも出来る。この場合内圧がかかっても全体が膨らむだけで外周容易開放溝が破裂するが、開口場所は特定されないし、歪（ないし応力）が大きく、容易開放されにくい。従来例２は従来例１の平面長円状の容易開放蓋の中央部に縦溝を入れ、上下２ヶ所に容易破裂開始点を設けたものである。これは従来例１よりも本発明に近く、縦線と外環部との交点部は低い作動圧で破裂が始まる。
しかし、従来例２ではまだ臨界歪ないし作動圧はなお大きい。

これに対し、本発明実施例１では略円形の平面形状をしているが、内環と外環を略ラジアル方向に結ぶラジアル方向容易破裂溝と内環、外環容易破裂溝との交点（容易破裂開始点EOP）から、低い圧力で破裂が生じてクラックが伝幡する。

本発明実施例２ではラジアル方向に４本の容易破裂溝がスポーク状に内環と外環を繋いでいるが、８個の容易破裂点が起点になって破裂が生じ各点３方にクラックが伝幡し、低い内圧（作動圧）で低歪のまま低圧で破裂する。

なお、本発明実施例では２段環状のみならず、長円形、楕円形、扇形、多角形等特に形状は制限されない。要は、略直交するEODRを含むことである。開口中央部輪郭をなす環状容易破裂溝の残厚をt₁,t₂とし従来の容易破裂溝最小板厚をTとするとき、1.2(t₁,t₂)≦T≦2.0(t₁,t₂)である。

本発明の基本原理は、手近な軟鋼線（針金）を手で以て折曲げ続けると加工硬化が生じて（この時若干発熱するが）次第に硬くなり、遂には折れてしまう軟質金属特有の性質を、応力集中と共に維持して、剪断応力から脆性破壊に至る破裂特性を電池安全弁の望ましい性質と結びつけたところにあり、断面形状の異なる複数の容易破裂溝を、例えば略直角に交わらせる事などにより、クラック発生容易性とクラック伝幡特性を変化させる処に特徴がある。更にこれに（低中温）熱処理を加えて回復、再結晶プロセスによって微妙に要求特性を制御可能な事を示唆している。

従って本発明思想は従来は思いもよらなかった各種の分離容易な金属片連続体に応用可能である。例えば分離容易な半導体電子部品連続体やその他医療用サンプルや薬剤単位等の各種精密部品の中間プロセス用分離容易な連続体など、用途には限りないものと思われる。

従来例と本発明実施例一方向剪断加工一方向剪断加工容易破裂溝往復剪断加工往復剪断加工容易破裂溝

符号の説明

Ａ従来例１
Ｂ従来例２
Ｃ本発明実施例１
Ｄ本発明実施例２
YA 従来例１の作動圧
YB 従来例２の作動圧
YC 本発明実施例１
YD 本発明実施例２
EOD 容易破裂溝
EODR 略ラジアル方向の容易破壊溝
EOP 破裂開始点(交点)
A 圧下圧力
L 剪断加工ストローク
t₁ 一方向剪断加工残厚
t₂ 往復剪断加工残圧
10 素材鋼板
１１一方向剪断加工容易破裂溝
１２往復剪断加工容易破裂溝
２０プレス押型(もしくは剪断刃)
３０しわ押さえ

Claims

環境異変に伴って異常ガスを生じ、槽内ガス圧の急上昇を招く事のある密閉型電池の安全弁において、平面連続又は不連続ループ型の内周容易破裂溝に略直交して外縁に向かって延びる略ラジアル方向容易破裂溝を備え、槽全体の事故落下等に対しては、容易に破裂せず、一方で槽内異常ガスの発生による内圧上昇に対しては、設計通りの比較的低内圧で破裂して内圧を解放し得る事を特徴とする密閉型電池の安全弁。
略ラジアル方向容易破裂溝断面が、Vノッチ型、一方向剪断加工型容易破裂溝もしくは往復剪断加工型容易破裂溝のいずれかである請求項１に記載の密閉型電池の安全弁。
容易破裂溝の交点が以下の組合せである請求項２に記載の密閉型電池の安全弁。
（１）Vノッチ型容易破裂溝同志の組合せ、
（２）Vノッチ型容易破裂溝と一方向剪断加工型または往復剪断加工型容易破裂溝の組合せ、
（３）一方向剪断加工型容易破裂溝同志の組合せ、
（４）往復剪断加工型容易破裂溝同志の組合せ、
（５）一方向剪断加工型容易破裂溝と往復剪断加工型容易破裂溝の組合せ、
開口中央部輪郭をなす内周容易破裂溝の残厚をt_1、ラジアル方向容易破裂溝の残厚をt_２とするとき、安全弁部板厚Tが、1.2(t₁,t₂)≦T≦2.0(t₁,t₂)である請求項１〜３に記載の密閉型電池の安全弁。