JP2008218193A - 電流遮断機構および非水電解質電池 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒型非水電解質電池において、電池内圧上昇の際に電流遮断機構が動作して電流が遮断した後、電池内圧の低下にともなって再度導通が起こるのを防止する。
【解決手段】安全弁と、略中央部に孔部を有するディスクホルダと、略中央部に孔部を有し、孔部の内周にサブディスク引き込み抑制用の凸部が設けられた遮断ディスクと、電池素子と電気的に接続可能なようにしたサブディスクとを順に配置し、安全弁とサブディスクとが、ディスクホルダの孔部と、遮断ディスクの孔部とを介して接続されるようにした電流遮断機構を電池缶の開放端部に設ける。また、遮断ディスクの孔部の内周に凸部を設ける代わりに、孔部を有する他の部材を用い、この部材を遮断ディスクとサブディスクとの間に設けるようにしてもよい。サブディスクと電池素子から導出された電極端子とが接続されることにより、電池蓋と電池素子とが電気的に接続される。
【選択図】図３

Description

この発明は、電池内圧上昇時に電池内の電流を遮断する電流遮断機構およびこれを用いた非水電解質電池に関する。

近年、携帯電子技術の目覚しい発達により、携帯電話やノートブック型パーソナルコンピューター、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯型情報端末機器）等の電子機器は高度情報化社会を支える基盤技術と認知されてきた。さらに、これらの機器の高機能化に関する研究開発は精力的に進められており、それに比例して電子機器の消費電力も増加の一途を辿っている。その反面、これらの電子機器は長時間駆動が求められており、必然的に駆動電源である二次電池の高エネルギー密度化が望まれてきた。

電子機器に内蔵される電池の占有体積や重量等の観点より、電池のエネルギー密度は高いほど望ましい。そこで現在ではこの要求に応えるべく、リチウムイオンのドープ・脱ドープを利用したリチウムイオン二次電池に関して、種々の提案がなされている。これら電池は、正極および負極をセパレータを介して積層し、例えば渦巻き状に巻回した巻回構造を有しており、これによって高い保存特性、低温特性、負荷特性等を示している。

一方、電池は過充電や誤使用等により大電流が流れることにより電池内の温度が上昇する。これらの電池は電解液として非水系の溶媒を用いていることから、電池内温度上昇時に熱暴走のおそれがある。また、ガスが発生して電池内圧が上昇する可能性もある。

そこで、このような問題に対処すべく、以下の特許文献１のように、電池内温度が上昇した際や大電流が流れた際に、電池内で物理的に回路を遮断する電流遮断機構を設けた電池が提案されている。

特許２７０１３７５号公報

また、以下の特許文献２のように、電流遮断機構とともに、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限する熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient；ＰＴＣ素子）が用いられている電池もある。

特開２００４−０３１１６５号公報

特許文献１および特許文献２では、電流遮断機構として、図１に示すような電池内圧の上昇時に内圧方向に変形を生じる安全弁３と、安全弁３が変形を生じる側と逆側に設けられた略中央に孔部７ａを有する遮断ディスク７と、安全弁３と遮断ディスク７の間に設けられた絶縁性を有するディスクホルダ６とを有し、正極端子１５が遮断ディスク７の孔部７ａを通じて安全弁３と接続された構成を有している。

安全弁３には、遮断ディスク７側に向けて突出部３ａが形成されており、この突出部３ａが遮断ディスク７の孔部７ａが重ねあわされた部分に位置するように構成されている。また、遮断ディスク７には、略中央に設けた孔部７ａの他、ガス抜き孔７ｂが設けられる。

上述のような電流遮断機構を有する電池は、電池蓋２の内側面に安全弁３を設け、安全弁３の突出部３ａと、電池素子１０から導出した正極端子１５が接続されたサブディスク８とを遮断ディスク７の孔部７ａを通じて接続する。この後、電池素子１０を収容した電池缶１と、電池蓋２とを、電池缶１の開放端部内側に設けたリング状の絶縁封口ガスケット５を介してかしめることにより作製される。

図２Ａおよび図２Ｂに、このような電池における電流遮断機構の電流遮断前後の動作を示す。図２Ａのように構成された電流遮断機構は、電池内圧上昇時に図２Ｂに示すように、安全弁３が内圧方向に変形し、安全弁３と接続されていたサブディスク８が破断して電流が遮断され、それ以上の発熱および内圧上昇が抑制される。

しかしながら、このような電流遮断機構では、図２Ｃに示すように、電流遮断後に電池温度および電池内圧の低下により安全弁３が再び変形し、安全弁３が反転して破断する際に安全弁３側に立ち上がったサブディスク８の破断部分と安全弁３とが接触して再度電流が流れ、過充電状態が繰り返し起こってしまう。

したがって、この発明の目的は、上記問題点に鑑み、確実に電流遮断が可能な安全性の高い電流遮断機構および非水電解質電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、安全弁と、略中央部に孔部を有するディスクホルダと、略中央部に孔部を有し、該孔部の内周に凸部が設けられた遮断ディスクと、電池素子と電気的に接続可能なようにしたサブディスクとを備え、安全弁と、ディスクホルダと、遮断ディスクと、サブディスクとが、遮断ディスクの孔部のサブディスク側の内径が安全弁側の内径よりも小さくなるように順に配置され、安全弁とサブディスクとが、ディスクホルダの孔部と、遮断ディスクの孔部とを介して接続されたことを特徴とする電流遮断機構である。

第２の発明は、安全弁と、略中央部に孔部を有するディスクホルダと、略中央部に孔部を有する遮断ディスクと、略中央部に孔部を有する有孔部材と、電池素子と電気的に接続可能なようにしたサブディスクとを備え、安全弁と、ディスクホルダと、遮断ディスクと、有孔部材と、サブディスクとが順に配置され、安全弁とサブディスクとが、ディスクホルダの孔部と、遮断ディスクの孔部と、有孔部材の孔部とを介して接続されたことを特徴とする電流遮断機構である。

第３の発明は、電池素子と、電池素子と電気的に接続された電流遮断機構とを有する非水電解質電池であって、電流遮断機構は、非水電解質電池の内圧上昇により変形する安全弁と、略中央部に孔部を有するディスクホルダと、略中央部に孔部を有し、孔部の内周の一部に凸部が設けられた遮断ディスクと、電池素子から導出された電極端子と接続されたサブディスクとを備え、安全弁と、ディスクホルダと、遮断ディスクと、サブディスクとが、遮断ディスクの孔部のサブディスク側の内径が安全弁側の内径よりも小さくなるように順に配置され、安全弁とサブディスクとが、ディスクホルダの孔部と、遮断ディスクの孔部とを介して接続されたことを特徴とする非水電解質電池である。

上述の凸部は、断面略三角形状または断面略四角形状であることが好ましい。

また、凸部の内径は、遮断ディスクの孔部の内径に対して３０％以上９０％以下であることが好ましく、凸部の厚みは、０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。

さらに、遮断ディスクは、アルミニウム（Ａｌ）からなることが好ましい。

第４の発明は、電池素子と、電池素子と電気的に接続された電流遮断機とを有する非水電解質電池であって、電流遮断機構は、非水電解質電池の内圧上昇により変形する安全弁と、略中央部に孔部を有するディスクホルダと、略中央部に孔部を有する遮断ディスクと、略中央部に孔部を有する有孔部材と、電池素子から導出された電極端子と接続されたサブディスクとを備え、安全弁と、ディスクホルダと、遮断ディスクと、有孔部材と、サブディスクとが順に配置され、安全弁とサブディスクとが、ディスクホルダの孔部と、遮断ディスクの孔部と、有孔部材の孔部とを介して接続されたことを特徴とする非水電解質電池である。

上述の有孔部材の孔部の内径は、遮断ディスクの孔部の内径に対して３０％以上９０％以下であり、有孔部材の厚みは、０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、有孔部材は、アルミニウム（Ａｌ）からなることが好ましい。

第１の発明では、遮断ディスクの孔部の内周に凸部を設け、この凸部がサブディスク側に延設されるようにすることで、電池内圧が上昇して安全弁が変形した際、凸部がサブディスクを押さえて安全弁側に引き込まれるのを抑制することができる。これにより、サブディスクが破断した際にサブディスクの破断端部が立ち上がりにくくすることができる。

第２の発明では、遮断ディスクとサブディスクとの間に有孔部材を設けることにより、電池内圧が上昇して安全弁が変形した際、有孔部材がサブディスクを押さえて安全弁側に引き込まれるのを抑制することができる。これにより、サブディスクが破断した際にサブディスクの破断端部が立ち上がりにくくすることができる。

第３の発明では、遮断ディスクの孔部の内周に凸部を設け、この凸部がサブディスク側に延設されるようにすることで、電池内圧が上昇して安全弁が変形した際、凸部がサブディスクを押さえて安全弁側に引き込まれるのを抑制することができる。これにより、サブディスクが破断した際にサブディスクの破断端部が立ち上がりにくくすることができ、電池内圧が低下して安全弁が電池素子側に再度変形した際に、安全弁とサブディスクの破断端部との接触を防止することができる。

なお、凸部の形状は、断面略四角形状または断面略三角形状が好ましいが、遮断ディスクの孔部の内周との接触面積が大きく、サブディスクが安全弁によって引き込まれる際の圧力によって変形しにくいことから、断面三角形状の凸部が設けられることがより好ましい。

また、凸部の内径を遮断ディスクの孔部の内径に対して３０％以上９０％以下とし、厚みを０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下とすることにより、安全弁とサブディスクとの接続を阻害することなくサブディスクの引き込み防止効果を得ることができる。

また、遮断ディスクをアルミニウム（Ａｌ）で構成することにより、凸部の強度を向上させて有孔部材の変形を生じにくくすることができる。

第４の発明では、遮断ディスクとサブディスクとの間に有孔部材を設けることにより、電池内圧が上昇して安全弁が変形した際、有孔部材がサブディスクを押さえて安全弁側に引き込まれるのを抑制することができる。これにより、サブディスクが破断した際にサブディスクの破断端部を立ち上がりにくくすることができ、電池内圧が低下して安全弁が電池素子側に再度変形した際に、安全弁とサブディスクの破断端部との接触を防止することができる。

なお、有孔部材の孔部の内径を遮断ディスクの孔部の内径に対して３０％以上９０％以下とし、厚みを０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下とすることにより、安全弁とサブディスクとの接続を阻害することなくサブディスクの引き込み防止効果を得ることができる。

また、有孔部材をアルミニウム（Ａｌ）で構成することにより、有孔部材の強度を向上させて有孔部材の変形を生じにくくすることができる。

この発明によれば、一旦電流遮断が起こった後に、再度電流が流れることがない確実な電流遮断を起こすことができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

（１）非水電解質二次電池の構成
図３は、この発明の一実施形態による非水電解質二次電池２０を示す。図３に示す非水電解質二次電池２０は、いわゆる円筒型と呼ばれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶２１の内部に電池素子３０を有し、電池蓋２２により密封されてなる。

電池缶２１は、例えばニッケルメッキが施された鉄により構成されており、一端部が閉鎖され、他端部が開放されている。電池缶２１の内部には、電池素子３０を挟み込むように、周面に対して垂直に一対の絶縁板２９ａおよび絶縁板２９ｂがそれぞれ配置されている。

電池蓋２２は、略中央部に電池外部方向に突出した突起２２ａを有するように構成されており、非水電解質二次電池２０の使用時には、突起２２ａが電子機器の端子に接触される。電池蓋２２は、例えば電池缶２１と同様の材料により構成される。

電池缶２１の開放端部には、電池蓋２２と、この電池蓋２２の内側に設けられた熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient；ＰＴＣ素子）２４と、安全弁２３、ディスクホルダ２６、遮断ディスク２７およびサブディスク２８からなる電流遮断機構とが備えられている。この電流遮断機構は、安全弁２３と遮断ディスク２７とが絶縁材料からなるディスクホルダ２６を介して配置されており、安全弁２３が熱感抵抗素子２４とともに絶縁封口ガスケット２５を介してかしめられることにより取り付けられることにより非水電解質二次電池２０の内部が密閉されている。

［電流遮断機構］
以下、電流遮断機構について、図３ないし図７を参照して詳しく説明する。なお、図３は、電池缶２１の開放端部の構成を示す断面図であり、図４Ａおよび図４Ｂは電流遮断機構の構成を詳しく示す模式図、図５は電池缶２１の開放端部に設けられる電流遮断機構の各部品の半部の斜視図である。また、図６Ａおよび図６Ｂは、電流遮断機構の他の例であり、図７は図６Ａの電流遮断機構の各部品の半部の斜視図である

電流遮断機構は、安全弁２３と、ディスクホルダ２６と、遮断ディスク２７と、電池素子３０から導出された正極端子３５が接続されたサブディスク２８とからなる。

安全弁２３は、アルミニウム（Ａｌ）等の導電性を有する金属材料等からなり、例えば熱感抵抗素子２４を介して電池蓋２２と電気的に接続されている。安全弁２３は、電池の内側方向に段差をもって円形状に形成された凸部の略中央部が電池素子３０側に突出した突出部２３ａを有する円板状であり、突出部２３ａの外側面は、サブディスク２８が電気的に接続されるようになされた接触面とされている。

また、安全弁２３には図示しない開裂弁が設けられ、過充電、内部短絡または外部からの加熱・加圧等により電池内圧が一定以上となった場合には、内圧によって安全弁２３に設けられた開裂弁が開裂し、この開裂弁から非水電解質二次電池２０内で発生したガスが開放されるようにしてもよい。また、突出部２３ａは反転して、電池蓋２２方向に変形可能な形状とされており、開裂弁の開裂とともに、突出部２３ａとサブディスク２８との接続が解除されて安全弁２３が反転し、電流が遮断されるような構造とされている。

サブディスク２８は、安全弁２３と同様にアルミニウム（Ａｌ）等の導電性を有する金属材料等からなり、遮断ディスク２７を介して安全弁２３の突出部２３ａと電気的に接続されている。サブディスク２８と安全弁２３とは、例えば溶接により接続される。なお、サブディスク２８と安全弁２３との接続部が電気的遮断部となることから、接続不良が生じない程度の接続強度を確保しつつ、過充電等による内圧上昇に際しては速やかに接続が解除されるような接続強度となるようにする。また、サブディスク２８の安全弁２３との接触面と反対の面には、電池素子３０から導出された正極端子２５が溶接等により接続されている。

遮断ディスク２７は、安全弁２３と同様にアルミニウム（Ａｌ）等の導電性を有する金属材料等からなり、電池内圧が上昇して安全弁２３が反転した際に、容易にサブディスク２８との接続が解除されるように配置されるものである。遮断ディスク２７は略中心部に安全弁２３とサブディスク２８を接続するための孔部２７ａを有しており、孔部２７ａの周辺には複数のガス抜き孔２７ｂが設けられている。電池素子３０においてガスが発生した際には、このガス抜き孔２７ｂを通じて電池内圧の上昇が安全弁２３に伝えられる。

また、遮断ディスク２７の孔部２７ａ内周部においては、サブディスク２８側の一部が突出した凸部２７ｃが設けられている。凸部２７ｃは、例えば図４Ａに示すような断面四角形状もしくは図４Ｂに示すような断面三角形状となるように遮断ディスク２７と一体に設けられる。凸部２７ｃの形状は、断面三角形状とすることがより好ましい。孔部２７ａの内周部分に対する凸部２７ｃの接触面積が大きくなり、電池内圧上昇時にサブディスク２８が引き込まれた際でも変形しにくくなるためである。また、安全弁２３とサブディスク２８との距離が大きくなることから、電流遮断後に内圧の低下によって安全弁２３が下がってきてもサブディスク２８と接触しにくくなるため好ましい。

なお、凸部２７ｃの内径は、遮断ディスク２７の孔部２７ａの内径に対して３０％以上９０％以下であることが好ましい。凸部２７ｃの内径が３０％未満の場合、安全弁２３とサブディスク２８との接続が困難となる。また、凸部２７ｃの内径が９０％を超えた場合、電池内圧上昇時にサブディスク２８の引き込みを抑制することが困難となり、サブディスク２８の破断端部２８ａが立ち上がって、電流遮断後に電池内圧が低下した際に再度導通が起こりやすくなる。

また、凸部２７ｃの厚みは０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。凸部２７ｃの厚みが０．１ｍｍ未満となると、凸部２７ｃの強度が低くなり、電池内圧上昇時にサブディスク２８の引き込みを抑制することが困難となる。また、凸部２７ｃの厚みが１０．０ｍｍを超えると、安全弁２３とサブディスク２８との接続を阻害してしまう。

サブディスク２８は、破断直前まで反転した安全弁２３に引っ張られて遮断ディスク２７の孔部２７ａに引き込まれるが、このような凸部２７ｃを設けることによりサブディスク２８が引き込まれにくくなる。このため、サブディスク２８の破断端部２８ａを立ち上がりにくくし、電池内圧低下時に安全弁２３とサブディスクの破断端部２８ａとの接触を防止することができる。このような部品からなる電流遮断機構は、図５に示すようにして重ね合わされる。

なお、凸部２７ｃは、その外周が孔部２７ａの内周に沿うような形状とされた別部品の部材とされてもよい。また、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、遮断ディスク２７とサブディスク２８との間に、略中心部に孔部を有する有孔部材であるリング状のプレート２９を配置しても同様の効果を得ることができる。また、このようなプレート２９を用いる場合、プレート２９の外形は円形状に限らず、電流遮断機構の遮断効果を阻害しない範囲で任意の形状を用いることができる。このように、プレート２９を用いる電流遮断機構は、図７に示すようにして重ね合わされる。

このようなプレート２９は、アルミニウム（Ａｌ）等の導電性を有する金属材料等を用いることができる。また、プレート２９の孔部２９ａの内径は、遮断ディスク２７の孔部２７ａの内径に対して３０％以上９０％以下であることが好ましい。また、プレート２９の厚みは、０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。

ディスクホルダ２６は、安全弁２３が反転して安全弁２３とサブディスク２８との接続が解除された後、導通が起こらないように設けられるものであり、絶縁性を有する樹脂材料等からなる。ディスクホルダ２６は略中心部に安全弁２３とサブディスク２８との接続を阻害しない大きさの孔部２６ａを有しており、必要に応じて遮断ディスク２７のガス抜き孔２７ｂと重なる部分に、同様のガス抜き孔を設ける。

熱感抵抗素子２４は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものであり、例えば、チタン酸バリウム系半導体セラミックスにより構成されている。熱感抵抗素子２４は、電池内温度が例えば約１１０℃以上に上昇すると抵抗値が急激に上昇するものであり、上述のような機械的な電流遮断機構が動作する前に電池が異常に温度上昇した場合には、この熱感抵抗素子２４の抵抗値上昇によって電流が遮断される。

絶縁封口ガスケット２５は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）等からなる絶縁材料により構成されており、表面には、例えばアスファルトが塗布されている。

［電池素子］
このような電流遮断機構を用いる非水電解質二次電池２０に収容される電池素子３０としては、正極活物質を有する帯状の正極３１と、負極活物質を有する帯状の負極３２とが、イオン透過性を有するセパレータ３３を介して積層され、多数回巻回されてなる。

以下、電池素子３０および電池素子３０の巻回端面に配置する絶縁板２９ａおよび２９ｂについて詳細に説明する。

［正極］
正極３１は、帯状の形状を有する正極集電体３１ｂと、この正極集電体３１ｂの両面に形成された正極活物質層３１ａとからなり、正極集電体３１ｂには正極端子３５が接続されている。正極集電体３１ｂは、例えばアルミニウム（Ａｌ）箔、ニッケル（Ｎｉ）箔、ステンレス（ＳＵＳ）箔等の金属箔からなる。また、正極端子３５はアルミニウム（Ａｌ）等の金属箔であり、正極端子３５は、正極活物質層３１ａが設けられていない正極集電体３１ｂの一部に接続されることが好ましい。正極端子３５は、安全弁２３と溶接されることにより電池蓋２２と電気的に接続される。

正極活物質層２１ａは、例えば正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。

正極活物質としては、目的とする電池の種類に応じて、金属酸化物、金属硫化物または特定の高分子等、従来用いられてきたいずれの材料も用いることができる。例えばリチウムイオン電池を構成する場合、Ｌｉ_XＭＯ₂（式中、Ｍは、一種以上の遷移金属を表し、ｘは、電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５以上１．１０以下である）を主体とする、リチウムと遷移金属との複合酸化物が用いられる。リチウム複合酸化物を構成する遷移金属としては、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）等が用いられる。

このようなリチウム複合酸化物として、具体的には、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉ_yＣｏ_1-yＯ₂（０＜ｙ＜１）等が挙げられる。また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能である。ＬｉＮｉ_0.5Ｃｏ_0.5Ｏ₂、ＬｉＮｉ_0.8Ｃｏ_0.2Ｏ₂等がその例として挙げられる。これらのリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度が優れたものである。さらに、正極活物質としてＴｉＳ₂、ＭｏＳ₂、ＮｂＳｅ₂、Ｖ₂Ｏ₅等のリチウムを有しない金属硫化物または酸化物を使用しても良い。これらの正極活物質は、単独で用いるか、もしくは複数種を混合して用いてもよい。

また、導電剤としては、例えばカーボンブラックあるいはグラファイトなどの炭素材料等が用いられる。また、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が用いられる。

［負極］
負極３２は、帯状の形状を有する負極集電体３２ｂと、この負極集電体３２ｂの両面に形成された負極活物質層３２ａとからなり、負極集電体３２ｂには負極端子３６が接続されている。負極集電体３２ｂは、例えば銅（Ｃｕ）箔、ニッケル（Ｎｉ）箔あるいはステンレス（ＳＵＳ）箔などの金属箔からなる。また、負極端子３６は銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属箔であり、負極端子３６は、負極活物質層３２ａが設けられていない負極集電体３２ｂの一部に接続されることが好ましい。負極端子３６は、電池缶２１と溶接されて電気的に接続される。

負極活物質層２２ａは、例えば負極活物質と、必要であれば導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。

負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金またはリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料または金属系材料と炭素系材料との複合材料等、従来用いられてきたいずれの材料も用いることができる。具体的に、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としてはグラファイト、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等が挙げられる。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス）、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭等の炭素材料を使用することができる。さらに、リチウムをドープ、脱ドープできる材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール等の高分子やＳｎＯ₂等の酸化物を使用することができる。

また、リチウムを合金化可能な材料としては多様な種類の金属元素、半金属元素が使用可能であるが、これらは単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの１種または２種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、この発明において、合金には２種以上の金属元素からなるものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体、共晶（共融混合物），金属間化合物あるいはそれらのうちの２種以上が共存するものがある。

このような金属元素あるいは半金属元素としては、具体的には、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ケイ素、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、パラジウム（Ｐｄ）あるいは白金（Ｐｔ）などが挙げられる。

中でも、このような元素としては長周期型周期表における１４族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。具体的には、例えば、ケイ素の単体，合金，あるいは化合物、またはスズの単体，合金，あるいは化合物、またはこれらの１種あるいは２種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。

また、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）および炭素（Ｃ）を含む合金等も用いることができる。

結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等が用いられる。

［セパレータ］
セパレータ３３は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）あるいはポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリエチレン、ポリプロピレンの多孔質フィルムが最も有効である。

セパレータ３３の厚みは５μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、７μｍ以上３０μｍ以下がより好ましい。セパレータ３３は、厚すぎると活物質の充填量が低下して電池容量が低下するとともに、イオン伝導性が低下して電流特性が低下する。逆に薄すぎると、膜の機械的強度が低下する。

［非水電解質］
また、上述のセパレータ３３には、液状の非水電解質である非水電解液が含浸されている。非水電解液には、非水電解質電池に一般的に使用される電解質塩と有機溶媒が使用可能である。

非水溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、またはこれらの炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は１種類を単独で用いてもよく、また複数種を所定の組成で混合してもよい。

また、電解質塩としては通常の非水電解液に用いられる材料を使用することが可能である。具体的には、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ₃、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＮＯ₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣ（ＳＯ₂ＣＦ₃）₃、ＬｉＡｌＣｌ₄、ＬｉＳｉＦ₆等を挙げることができるが、酸化安定性の点からＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄が望ましい。これらリチウム塩は単独で用いても複数種を混合して用いても良い。リチウム塩を溶解する濃度として、上記溶媒に溶解することができる濃度であれば問題ないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して０．４ｍｏｌ／ｋｇ以上、２．０ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲であることが好ましい。

ゲル状のゲル電解質を用いる場合には、上述の電解液をマトリクスポリマーでゲル化して用いる。マトリクスポリマーは、上記非水溶媒に上記電解質塩が溶解されてなる非水電解液に相溶可能であり、ゲル化できるものであればよい。このようなマトリクスポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンとの共重合体などのフッ素系子高分子化合物、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリルを繰り返し単位に含むポリマーが挙げられる。このようなポリマーは、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。

その中でも酸化還元安定性の点から特に好ましいのは、フッ素系高分子化合物が望ましい。例えば、ポリフッ化ビニリデンにヘキサフルオロプロピレンが７５．０重量％以下の割合で導入された共重合体を用いることができる。このようなポリマーは、数平均分子量が５．０×１０⁵から７．０×１０⁵（５０万〜７０万）の範囲であるか、または重量平均分子量が２．１×１０⁵から３．１×１０⁵（２１万〜３１万）の範囲であり、固有粘度が１．７（ｄｌ／ｇ）から２．１（ｄｌ／ｇ）の範囲とされている。

［絶縁板］
絶縁板２９ａは、電池缶１の閉鎖部側において電池素子２０と電池缶２１との間に配置されており、電池缶２９ｂは、電池素子３０と電流遮断機構との間に配置されている。絶縁板２９ａおよび２９ｂとしては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）などの樹脂材料により構成されており、その厚みは、例えば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。

絶縁板２９ａおよび２９ｂには、必要に応じて孔部が設けられており、これらの孔から正極端子３５もしくは負極端子３６を導出して正極端子３５と安全弁２３もしくは負極端子３６と電池缶２１とを接続する。また、孔部を有することにより、電解液の注液性を向上させるとともに、ガス発生時にガスを通過させて電流遮断機構の動作を確実にすることができる。

（２）非水電解質二次電池の作製
このような非水電解質二次電池２０は、以下のようにして作製される。

［正極の作製］
上述の正極活物質、結着剤、導電剤を均一に混合して正極合剤とし、この正極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。次いで、このスラリーをドクターブレード法等により帯状の正極集電体３１ｂ上に均一に塗布した後、高温で乾燥させて溶剤を飛ばし、さらにローラプレス機などにより圧縮成型することにより正極活物質層３１ａが形成される。なお、溶剤としては、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン等が用いられる。正極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は均一に分散していればよく、その混合比は問わない。

［負極の作製］
負極活物質層は、例えば負極活物質と、必要であれば導電剤と結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して負極合剤とし、この負極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。次にこのスラリーをドクターブレード法等により帯状の負極集電体３２ｂ上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばし、さらにローラプレス機などにより圧縮成型することにより負極活物質層３２ａが形成される。ここで、負極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、正極活物質と同様に、その混合比は問わない。

［電池素子の作製］
上述のようにして得られた帯状の形状を有する正極３１と、負極３２とを、例えば正極３１、セパレータ３３、負極３２、セパレータ３３の順に積層した後、長手方向に多数回巻することにより、電池素子３０を作製する。

次に、このような電池素子３０を用いて非水電解質二次電池２０を作製する。

［非水電解質二次電池の作製］
まず、底部に絶縁板２９ａが予め挿入され、内側に例えばニッケルメッキが予め施された電池缶２１に、センターピン３４が巻回中心に挿入された電池素子３０を収納する。そして、電池素子３０の上面に絶縁板２９ｂを配設する。その後、負極３２の集電をとるために、電池素子３０から導出された負極端子３６の一端を抵抗溶接または超音波溶着等により電池缶２１に溶接する。

これにより、電池缶２１は負極３２と導通をもつことになり、外部負極となる。また、正極３１の集電をとるために、電池素子３０から導出された正極端子３５の一端をサブディスク２８に接続し、このサブディスク２８を遮断ディスク２７およびディスクホルダ２６を介して安全弁２３に接続することにより、正極端子３５と電池蓋２２とを電気的に接続する。これにより、電池蓋２２は正極３１と導通をもつこととなり、外部正極となる。

続いて、電池缶２１の中に電解液を注入した後に、遮断ディスク２７およびディスクホルダ２６を介してサブディスク２８と接続した安全弁２３と、熱感抵抗素子２４と、電池蓋２２とを挿入し、アスファルトを塗布した絶縁封口ガスケット２５を介して電池蓋２２をかしめることにより電池缶２１を密封する。これにより、円筒型の非水電解質二次電池２０が作製される。

このようにして作製された非水電解質二次電池２０では、電池内圧が上昇して安全弁２３が反転し、サブディスク２８が破断して電流を遮断する際、遮断ディスク２７の凸部２７ｃによりサブディスク２８の破断端部２８ａの立ち上がりを抑制し、電池内圧が低下しても安全弁２３とサブディスク２８の破断端部２８ａとの接触による通電を防止することができるため、高い安全性を得ることができる。

（実施例１−１〜１−３、比較例１−１）
以下、実施例によりこの発明を具体的に説明する。なお、この発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。以下の実施例では、遮断ディスクの構成を変えて円筒型リチウムイオン電池を作製し、電流遮断状態の確認を行う。

＜実施例１−１＞
［正極の作製］
コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）９２重量％と、粉状ポリフッ化ビニリデン３重量％と、粉状黒鉛５重量％とを均一に混合して正極合剤を作製し、これをＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状に調製した。この正極合剤を正極集電体となるアルミニウム（Ａｌ）箔の両面に均一に塗布し、１００℃で２４時間減圧乾燥することにより正極活物質層を形成した。

次いで、これをロールプレス機で加圧成形することにより正極シートとし、当該正極シートを帯状に切り出して正極とし、活物質の不塗布部分にアルミニウム（Ａｌ）リボンの正極端子を溶接した。

［負極の作製］
人造黒鉛９１重量％と、粉状ポリフッ化ビニリデン９重量％とを均一に混合して負極合剤を作製し、これをＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状に調製した。次に、この負極合剤を負極集電体となる銅箔の両面に均一に塗布し、１２０℃で２４時間減圧乾燥することにより負極活物質層を形成した。

次いで、これをロールプレス機で加圧成形することにより負極シートとし、当該負極シートを帯状に切り出して負極とし、物質の不塗布部分にニッケル（Ｎｉ）リボンの負極端子を溶接した。

［電解液の作製］
エチレンカーボネート（ＥＣ）とプロピレンカーボネート（ＰＣ）とを６：４の重量比で混合し、０．８ｍｏｌ／ｋｇのＬｉＰＦ₆と０．２ｍｏｌ／ｋｇのＬｉＢＦ₄を溶解して電解液を作製した。

［円筒型リチウムイオン電池の作製］
続いて、上述のようにして作製された帯状の正極と負極とを、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に積層してから多数回巻回し、電池素子を作製した。

以上のようにして得られた電池素子を、ニッケルメッキを施した鉄製電池缶に収納した。このとき、電池素子の巻回中心にはセンターピンを挿入し、下面には絶縁板が配設されるようにした。次に、負極端子を抵抗溶接により電池缶に接続し、電池素子の上面にも絶縁板を配設した後、正極端子とサブディスクとを接続した。続いて、遮断ディスクとディスクホルダとを介してサブディスクと安全弁とを接続した後、電解液を注液した。最後に、電池蓋と安全弁とを熱感抵抗素子を介した状態で電池缶の開放端部に配置し、アスファルトが表面に塗布された絶縁封口ガスケットを介して電池蓋を電池缶にかしめて円筒型リチウムイオン電池を作製した。なお、実施例１では図４Ａに示すような断面四角形状の凸部を有する遮断ディスクを用いた。遮断ディスクの孔部の内径を１．７ｍｍ、遮断ディスクの凸部の内径を１．１ｍｍ、厚み（電池底面から電池蓋方向の寸法）を０．３ｍｍとした。

＜実施例１−２＞
遮断ディスクとして図４Ｂに示すような断面三角形状の凸部を有し、遮断ディスクの凸部の内径を１．１ｍｍ、厚みを０．５ｍｍとしたものを用いた以外は実施例１と同様にして円筒形リチウムイオン電池を作製した。なお、厚さ方向の寸法は、断面の三角形状の最も高い部分とする。

＜実施例１−３＞
遮断ディスクとサブディスクの間にリング状プレートを配置して、図６Ａに示すような構成とした以外は実施例１と同様にして円筒形リチウムイオン電池を作製した。なお、リング状プレートは、直径２．３ｍｍ、内径１．１ｍｍ、厚みを０．０５ｍｍとしたものを用い、遮断ディスクの孔部内周から０．３ｍｍ内側にリング状プレートの孔部内周が配置されるようにした。

＜比較例１−１＞
遮断ディスクとして図１および図２Ａに示すような構成のものを用いた以外は実施例１と同様にして円筒形リチウムイオン電池を作製した。

［過充電試験］
上述のような実施例１−１〜１−３および比較例１−１の電池をそれぞれ１０個ずつ作製し、過充電試験を行った。過充電試験では、２３．４５℃の環境下で、作製した各電池において（公称容量×１．２５）充電を行い、電流遮断機構が作動して電流が遮断された後、３時間放置した後に遮断が維持された電池個数を確認し、遮断維持率を求めた。

以下の表１に、結果を示す。

表１に示すように、この発明を適用した実施例１−１ないし実施例１−３の電流遮断機構を用いた電池では、過充電が生じて電流が遮断された後遮断状態が維持された。一方、従来の電流遮断機構を用いた電池では電池内圧の低下とともにすべての電池で遮断状態が解除され、再度導通が起こってしまった。

また、実施例１−１および実施例１−２から分かるように、遮断ディスクの孔部に凸部を設けた場合、実施例１−２のように、凸部を断面三角形状とした方がより確実に遮断を維持することができた。実施例１−１の各電池において、遮断状態が解除された１０％の電池は、凸部が遮断ディスクの内周部分から安全弁方向に折れ曲がっていた。

したがって、遮断ディスクの孔部の内側に凸部を設けるか、もしくは遮断ディスクとサブディスクとの間にリング状プレートを配置することにより、電流遮断後に遮断状態の解除が生じるのを防止することができることが分かる。

また、遮断ディスクの孔部の内側に凸部を設ける場合は、凸部を断面三角形状とすることにより、より高い遮断維持効果を得ることができることがわかる。なお、断面三角形状の凸部は、上述のように、遮断ディスクの孔部の内周との接触面積が大きいため、サブディスクが安全弁によって引き込まれる際の圧力によって変形しにくい、という効果が得られる。このため、断面三角形状に限らず、凸部と遮断ディスクの孔部の内周との接触面積が大きく、安全弁とサブディスクとの接続を阻害しない形状であれば同様の効果が得られると考えられる。

（実施例２−１〜２−３、比較例２−１〜２−２）
図４Ａに示すような、断面四角形状の凸部を有する遮断ディスクを用い、遮断ディスクの孔部の内径を変化させて遮断効果を確認した。

＜実施例２−１＞
遮断ディスクの孔部の内径を２．０ｍｍ、遮断ディスクの凸部の内径を０．６ｍｍとした以外は実施例１−１と同様にして円筒型リチウムイオン電池を作製した。

＜実施例２−２＞
遮断ディスクの孔部の内径を２．０ｍｍ、遮断ディスクの凸部の内径を１．２ｍｍとした以外は実施例１−１と同様にして円筒型リチウムイオン電池を作製した。

＜実施例２−３＞
遮断ディスクの孔部の内径を２．０ｍｍ、遮断ディスクの凸部の内径を１．８ｍｍとした以外は実施例１−１と同様にして円筒型リチウムイオン電池を作製した。

＜比較例２−１＞
遮断ディスクの孔部の内径を２．０ｍｍ、遮断ディスクの凸部の内径を０．５ｍｍとした以外は実施例１−１と同様にして円筒型リチウムイオン電池を作製した。

＜比較例２−２＞
遮断ディスクの孔部の内径を２．０ｍｍ、遮断ディスクの凸部の内径を１．９ｍｍとした以外は実施例１−１と同様にして円筒型リチウムイオン電池を作製した。

［過充電試験］
上述のような実施例２−１〜２−３および比較例２−１〜２−２の電池をそれぞれ１０個ずつ作製し、過充電試験を行った。過充電試験では、２３．４５℃の環境下で、作製した各電池において（公称容量×１．２５）充電を行い、電流遮断機構が作動して電流が遮断された後、３時間放置した後に遮断が維持された電池個数を確認し、遮断維持率を求めた。

以下の表２に、結果を示す。

表２に示すように、この発明を適用した実施例２−１ないし実施例２−３の電流遮断機構を用いた電池では、過充電が生じて電流が遮断された後遮断状態が維持された。一方、遮断ディスクの孔部の内径に対する遮断ディスクの凸部の内径が２５％である比較例２−１の円筒型リチウムイオン二次電池では、安全弁とサブディスクとの接続ができず、円筒型リチウムイオン二次電池を作製することができなかった。また、遮断ディスクの孔部の内径に対する遮断ディスクの凸部の内径が９５％である比較例２−３の円筒型リチウムイオン二次電池では、凸部を設けることによるサブディスクの引き込み抑制効果が小さく、電流遮断状態が解除されてしまった。

したがって、上記結果から、遮断ディスクの孔部の内径に対する遮断ディスクの凸部の内径は３０％以上９０％以下とすることが好ましいことが分かった。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述の実施形態において挙げた数値・材料はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値・材料を用いてもよい。

また、この発明の一実施形態にかかる電流遮断機構は、上述のような構成を有していれば、大容量の電池等、いずれの電池にも用いることができる。

従来の電池構成を示す断面図である。 従来の電流遮断機構の構成および動作を示す模式図である。 この発明の一実施形態にかかる非水電解質電池の構成を示す断面図である。 この発明の一実施形態にかかる電流遮断機構の構成を示す模式図である。 この発明の一実施形態にかかる電流遮断機構の構成を示す斜視半図である。 この発明の他の実施形態にかかる電流遮断機構の構成および動作を示す模式図である。 この発明の他の実施形態にかかる電流遮断機構の構成を示す斜視半図である。

符号の説明

１，２１・・・電池缶
２，２２・・・電池蓋
３，２３・・・安全弁
３ａ，２３ａ・・・突出部
４，２４・・・熱感抵抗素子
５，２５・・・絶縁封口ガスケット
６，２６・・・ディスクホルダ
７，２７・・・遮断ディスク
７ａ，２７ａ・・・ガス抜き孔
８，２８・・・サブディスク
９ａ，９ｂ，２９ａ，２９ｂ・・・絶縁板
１０，３０・・・電池素子
１１，３１・・・正極
１１ａ，３１ａ・・・正極活物質層
１１ｂ，３１ｂ・・・正極集電体
１２，３２・・・負極
１２ａ，３２ａ・・・負極活物質層
１２ｂ，３２ｂ・・・負極集電体
１３，３３・・・セパレータ
１４，３４・・・センターピン
１５，３５・・・正極端子
１６，３６・・・負極端子
２０・・・非水電解質電池
２６ａ，２７ａ・・・孔部
２７ｂ・・・ガス抜き孔
２７ｃ・・・凸部
２９・・・プレート
２９ａ・・・孔部

Claims (12)

1. 安全弁と、
   略中央部に孔部を有するディスクホルダと、
   略中央部に孔部を有し、該孔部の内周に凸部が設けられた遮断ディスクと、
   電池素子と電気的に接続可能なようにしたサブディスクと
   を備え、
   上記安全弁と、上記ディスクホルダと、上記遮断ディスクと、上記サブディスクとが、上記遮断ディスクの上記孔部の上記サブディスク側の内径が上記安全弁側の内径よりも小さくなるように順に配置され、
   上記安全弁と上記サブディスクとが、上記ディスクホルダの孔部と、上記遮断ディスクの孔部とを介して接続されたこと
   を特徴とする電流遮断機構。
2. 安全弁と、
   略中央部に孔部を有するディスクホルダと、
   略中央部に孔部を有する遮断ディスクと、
   略中央部に孔部を有する有孔部材と、
   電池素子と電気的に接続可能なようにしたサブディスクと
   を備え、
   上記安全弁と、上記ディスクホルダと、上記遮断ディスクと、上記有孔部材と、上記サブディスクとが順に配置され、
   上記安全弁と上記サブディスクとが、上記ディスクホルダの孔部と、上記遮断ディスクの孔部と、上記有孔部材の孔部とを介して接続されたこと
   を特徴とする電流遮断機構。
3. 電池素子と、該電池素子と電気的に接続された電流遮断機構とを有する非水電解質電池であって、
   上記電流遮断機構は、
   上記非水電解質電池の内圧上昇により変形する安全弁と、
   略中央部に孔部を有するディスクホルダと、
   略中央部に孔部を有し、該孔部の内周の一部に凸部が設けられた遮断ディスクと、
   上記電池素子から導出された電極端子と接続されたサブディスクと
   を備え、
   上記安全弁と、上記ディスクホルダと、上記遮断ディスクと、上記サブディスクとが、上記遮断ディスクの上記孔部の上記サブディスク側の内径が上記安全弁側の内径よりも小さくなるように順に配置され、
   上記安全弁と上記サブディスクとが、上記ディスクホルダの孔部と、上記遮断ディスクの孔部とを介して接続されたこと
   を特徴とする非水電解質電池。
4. 上記凸部は、断面略三角形状であることを特徴とする請求項３に記載の非水電解質電池。
5. 上記凸部は、断面略四角形状であることを特徴とする請求項３に記載の非水電解質電池。
6. 上記凸部の内径は、上記遮断ディスクの孔部の内径に対して３０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項３に記載の非水電解質電池。
7. 上記凸部の厚みは、０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の非水電解質電池。
8. 上記遮断ディスクは、アルミニウム（Ａｌ）からなることを特徴とする請求項３に記載の非水電解質電池。
9. 電池素子と、該電池素子と電気的に接続された電流遮断機とを有する非水電解質電池であって、
   上記電流遮断機構は、
   上記非水電解質電池の内圧上昇により変形する安全弁と、
   略中央部に孔部を有するディスクホルダと、
   略中央部に孔部を有する遮断ディスクと、
   略中央部に孔部を有する有孔部材と、
   上記電池素子から導出された電極端子と接続されたサブディスクと
   を備え、
   上記安全弁と、上記ディスクホルダと、上記遮断ディスクと、上記有孔部材と、上記サブディスクとが順に配置され、
   上記安全弁と上記サブディスクとが、上記ディスクホルダの孔部と、上記遮断ディスクの孔部と、上記有孔部材の孔部とを介して接続されたこと
   を特徴とする非水電解質電池。
10. 上記有孔部材の孔部の内径は、上記遮断ディスクの孔部の内径に対して３０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項９に記載の非水電解質電池。
11. 上記有孔部材の厚みは、０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の非水電解質電池。
12. 上記有孔部材は、アルミニウム（Ａｌ）からなることを特徴とする請求項９に記載の非水電解質電池。

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