JP2008171678A

JP2008171678A - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: JP2008171678A
Application number: JP2007003708A
Authority: JP
Inventors: Masatsugu Arai; 雅嗣荒井; Kenji Nakai; 賢治中井; Hideki Shinohara; 英毅篠原; Akinori Tada; 明徳多田; Hideyuki Hasegawa; 英行長谷川
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】電池内の圧力上昇時に電流を遮断するとともに、通常使用時に電気抵抗が低く、かつ量産性に優れた高性能な非水電解質二次電池を提供すること。
【解決手段】電池内の圧力が上昇した際の圧力を受ける部材である蓋６と、蓋６と電気的に導通した接続板である集電板５からなり、電池内の圧力上昇時に蓋６と集電板５との導通部１０が切断して、電流を遮断する電流遮断機構を備えた非水電解質二次電池において、蓋６の断面形状が波状又は矩形状を有している。また、蓋６の板厚が外周部に比べ中心部で厚くなった構造であり、さらに蓋６の外周部の一部の板厚がリング状に薄くなっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、非水電解質二次電池及に係わり、特に電気自動車等に用いられる高出力、高密度の非水電解質二次電池の内圧上昇時に電気的な導通を遮断する安全機構部の性能向上に関する。

現在のハイブリッド自動車等に搭載されている二次電池は、ニッケル水素電池が主流であるが、今後は高出力で高密度のリチウムイオン電池（非水電解質二次電池）が普及すると予測されている。そのため、非水電解質二次電池には、高密度化及び電気抵抗の低減、小型・軽量化、量産性向上が要求されている。

リチウムイオン電池は、活性物質が塗布された帯状の正極（数〜数十ミクロンの厚さ）と負極間に樹脂製のセパレータを挟んで渦巻き状に巻かれた電極群とこれらが浸される電解液、前記電極群と電気的に導通した集電板、さらに外部への導通を図る部材と蓋、収納用の電池ケースから構成される。

このようなリチウムイオン電池は密閉されているので、たとえば、充電装置の不都合等によって過充電に陥ると、材料特性上電解液が分解しガスが発生し、リチウムイオン電池の内圧が上昇することがある。このため、リチウムイオン電池の内圧を利用して、集電板と蓋との電気的な導通を機械的に遮断して、過充電を防止する機械的な電流遮断機構が、従来から提案されている。

このような集電板と蓋との電気的な導通を機械的に遮断する電流遮断構造としては、たとえば、特許文献１に示すように、薄板金属板の中央部を下方に突出させた突起部が集電板に溶接され、これら部材の外周部がかしめ固定された構造の実施例が既に提案されている。この実施例では、内圧の上昇により、薄板金属板の中央部が上方向に変形して、集電板との溶接部が切断して、電気的な導通が絶たれる。

また、同様に薄板金属板の中央部を下方に突出させた突起部が集電板に溶接され、さらに反発力を有する反発材料を、薄板金属板と集電板の間に設けた構造が、例えば、特許文献２に開示されている。この特許文献２の実施例では、切断後に薄板金属板の中央部が下方へ変形する（戻る）のを反発材料で抑制したものである。
特許第３５６５５８０号明細書特開２００５−１０８５０３号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に開示されている実施例では、薄板金属板の中央部を下方に突出させた突起部が集電板と溶接されているので、リチウムイオン電池の内圧が上昇すると、内圧力で電気的導通は遮断できるが、集電板との溶接部に作用する内圧力について配慮がなされておらず、電気抵抗が高くなることが懸念される。すなわち、薄板金属板と集電板の溶接部に生じる力を大きくする配慮がなされていないので、溶接部の面積が小さくなり、通常使用時における電気抵抗が高くなるという課題が生じる。

本発明の目的は、電池内の圧力上昇時に電流を遮断するとともに、通常使用時に電気抵抗が低い電流遮断機構を有するリチウムイオン電池を提案することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。

電池内の圧力が上昇した際の圧力を受ける受圧部材と、電極群の端部に固着されるとともに前記受圧部材と溶接部を介して電気的に接続する接続板と、を備えた非水電解質二次電池において、
前記非水電解質二次電池内の圧力上昇時に、前記受圧部材と前記接続板とを電気的接続する前記溶接部が切断して、電流を遮断する電流遮断機構を備え、前記受圧部材は、その断面形状が波状または矩形状を形成する非水電解質二次電池。

また、電池内の圧力が上昇した際の圧力を受ける受圧部材と、電極群の端部に固着されるとともに前記受圧部材と溶接部を介して電気的に接続する接続板と、を備えた非水電解質二次電池において、
前記非水電解質二次電池内の圧力上昇時に、前記受圧部材と前記接続板とを電気的接続する前記溶接部が切断して、電流を遮断する電流遮断機構を備え、前記受圧部材は、ほぼ円形形状であり、前記円形形状の中央部で前記溶接部を介して前記接続板と接続し、前記円形形状の前記圧力の方向にそった板厚は、外周部から中央部に向かって連続的に厚くなっている非水電解質二次電池。

また、電池内の圧力が上昇した際の圧力を受ける受圧部材と、電極群の端部に固着されるとともに前記受圧部材と溶接部を介して電気的に接続する接続板と、を備えた非水電解質二次電池において、
前記非水電解質二次電池内の圧力上昇時に、前記受圧部材と前記接続板とを電気的接続する前記溶接部が切断して、電流を遮断する電流遮断機構を備え、前記受圧部材は、ほぼ円形形状であり、前記円形形状の中央部で前記溶接部を介して前記接続板と接続し、前記円形形状の前記圧力の方向にそった板厚は、外周部の板厚が部分的に薄くなっている非水電解質二次電池。

本発明によれば、電池内の圧力が上昇した際の圧力を受ける受圧部材に発生する内圧力が高くなるので、受圧部材と接続板（集電板）との導通部の導通面積を広くでき、電池内の電気抵抗を格段に減少することができ、電池の放電容量を増大することができる。また、電流遮断機構に生じる力を大きくすることができるので、部材を小さくできリチウムイオン電池の小型化が可能となる。

本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池について、図１〜図１１を参照しながら以下詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池における集電板と蓋から構成される電流遮断機構を含む斜視図である。図２は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における正極側の電流遮断機構を含む断面図である。図３は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における負極側の断面図である。

また、図４は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における過充電時の電池の内圧上昇を示す説明図である。図５は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における電流遮断機構の溶接部を示す断面図である。図６は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における過充電時の内圧上昇によって蓋に生じる内圧力を示す説明図である。図７は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における電流遮断機構の溶接部に生じる応力を説明するグラフである。図８は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における蓋の剛性と内圧力との関係を示す説明図である。

また、図９は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における蓋外周部の剛性を小さくし、集電板の中央に生じる内圧力を大きくするための蓋形状の一例を示す断面図である。図１０は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における蓋外周部の剛性を小さくし、集電板の中央に生じる内圧力を大きくするための蓋形状の他例を示す断面図である。図１１は、本実施形態に係る非水電解質二次電池における蓋外周部の剛性を小さくし、集電板の中央に生じる内圧力を大きくするための蓋形状の別例を示す断面図である。

次に、本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池について、リチウムイオン電池を例として取り上げ、その基本的構成と動作原理について以下説明する。イオン電池に関する動作原理について簡単に説明する。リチウムイオン電池の正極及び負極は、金属製の箔（たとえば、正極：アルミニウム、負極：銅）に電極材料（活性物質）を塗布した構造を有し、正極はＬｉＣｏＯ_２やＬｉＭｎ_２Ｏ_４、負極はＣからなる。これら正極と負極はＬｉイオンを含んだ有機電解液に浸されている。正極及び負極に用いられている活性物質は、Ｌｉイオンの受け渡しが可能な特性を有しており、Ｌｉイオンが結晶中の原子間に出入りすることで、電池として動作する。

図１は、本実施形態のリチウムイオン電池の電流遮断機構を含む正極側を示したものである。リチウムイオン電池は、正極１及び負極２の間にセパレータ３ａ，３ｂを挟み込んで巻かれた電極群４と、電極群４の幅方向の端部と電気的に導通するために溶着された集電板５と、集電板５と中央部が溶接され電気的に導通した蓋６と、さらに電池容器７絶縁を兼ねたパッキン８と、集電板５と蓋６とを絶縁する絶縁リング９と、から構成される。集電板５と蓋６の中央部１０はレーザ溶接法で溶接されており、この溶接部１０（電気的接続機能を果たす導通部でもある）が電池内の圧力上昇時に切断して電流が遮断される。

次に、本実施形態に係るリチウムイオン電池の製法について簡単に説明する。図２に本実施形態に係る非水電解質二次電池における電流遮断機構を含む正極側の断面図、図３に本実施形態に係る非水電解質二次電池の負極側の断面図を示す。厚さ２０μｍのアルミニウム箔からなる正極１と厚さ１０μｍの銅箔からなる負極２のそれぞれに電極材料を塗布した。塗布後の正極１、負極２は乾燥処理を施し、次に厚さ２５μｍのポリエチレン製微多孔薄膜であるセパレータ３ａ、３ｂを介して正極１／セパレータ３ａ／負極２／セパレータ３ｂの順に積層した状態で渦巻き状に巻いて電極群４を製造する。

ここで、電極群４の一方の端部は、正極１の活性物質の未塗布部、もう一方の端部は負極の活性物質の未塗布部が飛び出すように捲回する。この未塗布部が集電板５との電気的な接続部となる。次に、未塗布部の電極群４の端に厚さ１．５ミリの集電板５を押し当て、レーザ溶接法で溶接する。

続いて、電極群４の上下に溶接した集電板５から構成される電極群を金属製の円筒状電池容器７内に収納し、図３に示すように負極側の電池容器７の中央部と負極側の集電板５とを溶接する。次に、電池容器７に電解液を注入し、その後電池容器７の外周部にパッキン８、さらに正極側集電板５の上部に絶縁リング９を設置し、厚さ０．７ｍｍの蓋６の外周部をかしめて締結する。最後に、蓋６の中心部１０と集電板５の中央部をレーザ溶接し、電気的導通を図る。

次に、本実施形態に係わるリチウムイオン電池の電流遮断機構の構造について説明する。図４にリチウムイオン電池に過充電が生じ、電池内の内圧が上昇した際の状態を模式的に示す。さらに、図５に集電板５と蓋６との電気的な導通部である溶接部１０の断面を示す。図４に示すように、リチウムイオン電池内の内圧が上昇すると、大気と遮断されている電池容器７内と蓋６の内面には、均一の内圧Ｐが負荷される。この内圧Pが所定の圧力に達すると、図５に示す溶接部１０より切断し、電気的な導通が遮断される。

図６に過充電時の内圧上昇によって蓋に生じる内圧力（Ｆ，Ｆ１，Ｆ２）を示す。図６に示すように、過充電時に電解液からガスが発生すると、蓋６には内圧Ｐによって内圧力Ｆが生じる。この内圧力Ｆは蓋６の表面積に内圧Ｐ（単位面積当たりの圧力）を積した値となる。さらに、図６に示すように、蓋６に生じた内圧力Ｆは蓋６と集電板５の溶接部１０のＦ１と、蓋６と電池ケース７の外周部の溶接部Ｆ２に分散される（Ｆ１のかかる溶接部１０とＦ２のかかる外周部で固定しているから）。このような力のバランスで生じる内圧力Ｆ１により、電流遮断機構となる集電板５と蓋６との溶接部１０が切断する。

したがって、電流遮断機構の溶接部１０の溶接強度は内圧力Ｆ１（過充電時の蓋への内圧力）より小さくする必要がある。そのため、内圧力Ｆ１が小さい場合は、溶接部１０の面積Ｓを充分に確保することができず、結果的に電気抵抗が高くなる。たとえば、本実施形態に示すリチウムイオン電池では、内圧Ｐ（単位面積当たりの圧力）が負荷される蓋６の外径は約２５ミリであり、電流が遮断する圧力を１０気圧とすれば、電流遮断機構の溶接部の断面積は１平方ミリメートルとなる。この溶接部１０の断面積を大きくして、電気抵抗を低くするには、内圧力Ｆ１を大きくすれば良いこととなる。

次に、内圧力Ｆ１を大きくする手段について説明する。内圧力Ｆ１を大きくするには、２つの方法が挙げられる。その一つは、所定の内圧Ｐに対して、蓋６に発生する内圧力Ｆを高くすれば、結果的に内圧力Ｆ１と内圧力Ｆ２を高くすることができる。その方法としては、蓋６の表面積を大きくすれば良いが、小型化の観点から蓋６の径の拡大には限界が生じる。そこで、図６に示すように、蓋６の断面形状を波状にして表面積を広くすれば、溶接部に生じる内圧力Ｆ１が高くなる。

図７に蓋６の断面形状を波状にした際の解析結果を示す。図７は、材質がアルミニウムからなる蓋の直径２５ミリ（φＤ）の範囲に内圧が生じた場合の解析結果で、横軸が溶接部１０の溶接部中心０からの長さ、縦軸が内圧力Ｆ１によって生じる溶接部の引張方向の応力を示す。図７に示すように、蓋６の断面形状を波状にして表面積を大きくすれば、溶接部に生じる内圧力Ｆ１を大きくすることができる。

ここで、蓋６の内圧力ＦをφＤより求め（φＤ×内圧Ｐ）、溶接部（電流遮断部）１０に生じる引張応力から内圧力Ｆ１（荷重）を換算して荷重比（Ｆ１／Ｆ）を計算して比較すると、蓋６の断面形状が一様の厚さを有する平面板の場合は、荷重比０．１７であるが、蓋６の断面形状が波状（３山）の場合は荷重比が０．２６になる結果が得られている。この効果は、蓋６の表面積が広くなっていることによるためである。なお、図７に示す横軸の「中心」は、溶接箇所の平坦部の中心位置であり、「外周側」は平坦部の長さをφｄとするとφｄ／２である。

したがって、蓋６の内圧Ｐを受ける表面積を大きくするために、波状にすれば良く、矩形状にしても同様な効果は得られる。また、蓋６の波状又は矩形状にする部分は蓋６の全体としても良いが、蓋６の外周に生じる内圧力Ｆ２を小さくした方が蓋６の外周部の溶接部の応力を小さくできるので、内圧力Ｆ１が生じる中心部に断面の形状を波状とした方が好ましい。

次に、内圧力Ｆ１を大きくするもう一つの方法について説明する。蓋６の内圧力Ｆは、集電板５と蓋６との溶接部１０に生じるＦ１と蓋６の外周部に生じるＦ２に分散されているが、この分散割合を調整して、蓋６に負荷される内圧力Ｆ１が高くなるようにすれば良い。その方法としては、図８に示すように、蓋６の外周部Ａ近傍の剛性を小さくして、蓋６の外周部を変形し易くし、蓋６の中心部で内圧Ｐによる変形を抑制させれば良い。すなわち、Ｆ１とＦ２の分散の割合を変更して（蓋に加わる内圧力Ｆを蓋の中心部でより一層支え持つことで）、Ｆ１を大きくする。したがって、電流遮断力は一定なので溶接部の面積を大とすることができる。

図９に蓋６の外周部の剛性を低くする構成例（形状例）を示す。図９は、蓋６の中心の板厚を厚くした例であり、蓋６の中心の厚さｔ２は１ｍｍ、外周部の厚さｔ１が０．５ｍｍになっており、その間は連続的に板厚が厚くなっている。このような形状とすることで、図７と同様の計算をすると、荷重比が０．３６まで増加する結果が得られている。前述した蓋６の板厚が一定で平板を有する場合の荷重比は０．１７であり（図７に示す点線グラフを参照）、蓋６と集電板５との溶接部の面積を２．１倍（０．３６／０．１７）にすることができ、電気抵抗を約１／２にすることができる。このような効果は、図１０及び図１１に示すように、蓋６の外周部の一部の厚さを薄くしても得られる。

図１０及び図１１は、蓋６の外周部にリング状の溝を有した構成例である。リング状の溝は、できるだけ外周部に設けた方が蓋６の中心部に生じる内圧力Ｆ１を大きくできる。また、その板厚を薄くするための断面形状は四角形の溝のみならず、丸形でも良い。ただし、リチウムイオン電池の開裂弁のような鋭角な三角溝は溝の先端に応力が集中するので好ましくない。換言すると、蓋の外周部の一部の厚さを薄くすることが構成例であるが、この外周部の一部には応力集中が大となる断面三角形の形状というよりもむしろ、応力集中が小さくなるような断面矩形状や断面略半円状が望ましい。

以上のように、本発明は次のような構成を備え、機能ないし作用を奏するものを特徴としている。すなわち、電池内の圧力が上昇した際の圧力を受ける受圧部材（蓋）と、この受圧部材（蓋）と電気的に導通した接続板（集電板）からなり、電池内の圧力上昇時に前記受圧部材と接続板との導通部が切断して、電流を遮断する電流遮断機構を備えた非水電解質二次電池おいて、前記圧力を受ける受圧部材の断面形状が波状又は矩形状を有しているもの。また、圧力を受ける受圧部材の板厚が外周部に比べ中心部で厚くなった構造であり、さらに圧力を受ける部材の外周部の一部の板厚がリング状に薄くなっているいるもの。

本実施形態における蓋と集電板から構成される電流遮断機構を採用すると、過充電時の内圧に対して、電流遮断機構に生じる力を大きくすることができるので、蓋６における接続板（集電板）との導通部の導通面積を広くでき、電池内の電気抵抗を格段に減少することができ、電池の放電容量を増大することができる。また、電流遮断機構に生じる力を大きくすることができるので、部材を小さくできリチウムイオン電池の小型化が可能となる。

本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池における集電板と蓋から構成される電流遮断機構を含む斜視図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池における正極側の電流遮断機構を含む断面図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池における負極側の断面図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池における過充電時の電池の内圧上昇を示す説明図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池における電流遮断機構の溶接部を示す断面図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池における過充電時の内圧上昇によって蓋に生じる内圧力を示す説明図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池における電流遮断機構の溶接部に生じる応力を説明するグラフである。本実施形態に係る非水電解質二次電池における蓋の剛性と内圧力との関係を示す説明図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池における蓋外周部の剛性を小さくし、集電板の中央に生じる内圧力を大きくするための蓋形状の一例を示す断面図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池における蓋外周部の剛性を小さくし、集電板の中央に生じる内圧力を大きくするための蓋形状の他例を示す断面図である。本実施形態に係る非水電解質二次電池における蓋外周部の剛性を小さくし、集電板の中央に生じる内圧力を大きくするための蓋形状の別例を示す断面図である。

符号の説明

１正極
２負極
３ａ，３ｂセパレータ
４電極群
５集電板
６蓋
７電池ケース
８パッキン
９絶縁リング
１０溶接部（電流遮断部）

Claims

電池内の圧力が上昇した際の圧力を受ける受圧部材と、電極群の端部に固着されるとともに前記受圧部材と溶接部を介して電気的に接続する接続板と、を備えた非水電解質二次電池において、
前記非水電解質二次電池内の圧力上昇時に、前記受圧部材と前記接続板とを電気的接続する前記溶接部が切断して、電流を遮断する電流遮断機構を備え、
前記受圧部材は、その断面形状が波状または矩形状を形成する
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
請求項１において、
前記受圧部材は、ほぼ円形形状であり、前記円形形状の中央部で前記溶接部を介して前記接続板と接続し、前記円形形状の中央部の周辺にのみその断面形状が前記波状または矩形状を形成する
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
二次電池の内圧を受ける蓋と、電極群の端部に固着されるとともに前記蓋と溶接部を介して電気的に接続する集電板と、を備えた非水電解質二次電池において、
前記非水電解質二次電池の内圧が上昇したときに、前記上昇した内圧を受けて前記蓋が変位することによって前記蓋の中央部に設置された前記溶接部が切断して電気的導通が遮断され、
前記蓋は、前記溶接部を設置した蓋中央部の周辺部が前記非水電解質二次電池内圧を受ける表面積を広くするような、平面形状とは異なる断面形状を有する
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
電池内の圧力が上昇した際の圧力を受ける受圧部材と、電極群の端部に固着されるとともに前記受圧部材と溶接部を介して電気的に接続する接続板と、を備えた非水電解質二次電池において、
前記非水電解質二次電池内の圧力上昇時に、前記受圧部材と前記接続板とを電気的接続する前記溶接部が切断して、電流を遮断する電流遮断機構を備え、
前記受圧部材は、ほぼ円形形状であり、前記円形形状の中央部で前記溶接部を介して前記接続板と接続し、
前記円形形状の前記圧力の方向にそった板厚は、外周部から中央部に向かって連続的に厚くなっている
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
電池内の圧力が上昇した際の圧力を受ける受圧部材と、電極群の端部に固着されるとともに前記受圧部材と溶接部を介して電気的に接続する接続板と、を備えた非水電解質二次電池において、
前記非水電解質二次電池内の圧力上昇時に、前記受圧部材と前記接続板とを電気的接続する前記溶接部が切断して、電流を遮断する電流遮断機構を備え、
前記受圧部材は、ほぼ円形形状であり、前記円形形状の中央部で前記溶接部を介して前記接続板と接続し、
前記円形形状の前記圧力の方向にそった板厚は、外周部の板厚が部分的に薄くなっている
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
請求項５において、
前記円形形状の外周部における前記圧力の方向にそった板厚が、その断面形状を矩形状又は半円状とすることで薄くなっている
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
二次電池の内圧を受ける蓋と、電極群の端部に固着されるとともに前記蓋と溶接部を介して電気的に接続する集電板と、を備えた非水電解質二次電池において、
前記非水電解質二次電池の内圧が上昇したときに、前記上昇した内圧を受けて前記蓋が変位することによって前記蓋の中央部に設置された前記溶接部が切断して電気的導通が遮断され、
前記蓋は、蓋外周部が前記非水電解質二次電池内圧を受けて蓋中央部に比べて変形しやすいような、蓋中央部とは異なる断面形状を有する
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
請求項１ないし７のいずれか１つの請求項に記載された非水電解質二次電池を搭載したことを特徴とする自動車、鉄道車両または産業機器。