JP2009295565A - 電流遮断機構を備えた電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】正負の電極を有する電極体80がケース3に収容された電池2が提供される。電池2は、上記電極の少なくとも一方と外部端子30とを結ぶ導電経路を分断することによって電極体80と電池外部との導通を遮断する電流遮断機構4を備える。上記導電経路は、電極体側から第一導電部材24および第二導電部材22を経て外部端子側に至り、且つ両導電部材22,24はケース3内において溶接部Wで接合されている。電流遮断機構4は、電池の異常時に、例えば感熱変形部材32の変形によって溶接部Wに対して溶接面に沿う方向への力(剪断力)を加えることにより、溶接部Wを破断させて導電経路を分断するように構成されている。
【選択図】図1
Description
なお、ここに開示される電池は、該電池の異常時に上記溶接部に対して剪断力を含む力を加えるものであればよく、該溶接部に対して剪断力とともに引張力が加わる構成であり得る。好ましい一態様では、電池の異常時に上記溶接部に対して加わる力(溶接部の破断に寄与する力)が主として(すなわち、上記力の主成分が)剪断力である。上記溶接部に加わる力が実質的に剪断力のみであってもよい。
前記電極体収容空間から前記溶接部を気密に隔てる態様としては、例えば、前記第一導電部材と前記第二導電部材との間に前記溶接部を囲むシール部材(典型的には、Oリング等の環状シール部材)を配置する態様を好ましく採用し得る。
本実施形態は、電池の温度が所定の作動温度以上に上昇した場合に、第一導電部材と第二導電部材との溶接部Wに回転剪断力を加えて該溶接部Wを破断させるタイプの電流遮断機構を備えたリチウムイオン電池の一例に関する。図1〜4を参照しながら、本実施形態に係るリチウムイオン電池2の構成および作動を説明する。図1は正常時(電流遮断機構4が作動する前の状態)、図4は異常時(電流遮断機構4が作動して電流が遮断された状態)における電池2の断面形状を示している。
筒部26の内周には、感熱変形部材32を支持する支持部26A(例えば、筒部26の外周部分と同質の樹脂製)が、略180度間隔で二箇所に設けられている。本実施形態の感熱変形部材32は、上記作動温度に対応する変態温度を有する形状記憶材料(例えば形状記憶合金)により、正常時(電流遮断機構4の作動前)には概ね丸リベット状を呈するように成形されている。図2に示すように、感熱変形部材32は、その脚部Bが支持部26Aに固定され、頭部32Aの先端が係合部24Bに当接するように配置されている。
このように温度上昇により作動するタイプの電流遮断機構4は、ケース3内の空間の大きさや内圧上昇に関与する材料(電極活物質、電解質等)の種類を問わず、種々の電池に同様の構成を適用し得る。したがって部品の共通化や設計の効率化が容易である。
また、上記では二つの感熱変形部材32を用い、該部材32の変形に伴う押圧力が溶接部Wに対して回転対称な二箇所に加わるように構成された例につき説明したが、三つ以上の感熱変形部材32を用い、それらの部材32を溶接部Wに対して好ましくは概ね放射状に(典型的には回転対称に)配置してもよい。このように感熱変形部材32の数を多くすることにより、溶接部Wの溶接面積をより大きくしても該溶接部Wを適切に破断させることができ、あるいは、より余裕をもって該破断を行うことができる。
本実施形態は、電池の温度が所定の作動温度以上に上昇した場合に、第一導電部材と第二導電部材との溶接部Wに単純剪断力を加えて該溶接部Wを破断させるタイプの電流遮断機構を備えたリチウムイオン電池の一例に関する。
図5および図6(電流遮断機構104が作動して電流が遮断された状態)に示すように、本実施形態に係る電池102は、第一接続部材としての接続部材124の形状、感熱変形部材132の形状および変形態様、および該部材132を支持する筒部126(支持部126A)の形状を除いては、実施態様1に係る電池2と概ね同様に構成されている。したがって、以下の説明では主に上記相違部分について述べる。
なお、感熱変形部材132の形状は上述のようなコイルバネ状に限定されず、温度上昇により変形することで係合部124Bに押圧力を加え得る種々の形状を適宜採用することができる。例えば、本実施態様の電池102において、感熱変形部材132の形状を実施態様1と同様の丸リベット形状としてもよい。同様に、実施態様1の電池2における感熱変形部材32の形状も丸リベット形状に限定されず、コイルバネ状その他の種々の形状を適宜採用することができる。
本実施形態は、電池ケースの内圧が所定の作動圧力以上に上昇した場合に、第一導電部材と第二導電部材との溶接部Wに回転剪断力を加えて該溶接部Wを破断させるタイプの電流遮断機構を備えたリチウムイオン電池の一例に関する。
図7〜9を参照しつつ、本実施形態に係る電池202の構成および作動につき、実施形態1に係る電池との相違点を中心に説明する。図7は正常時(電流遮断機構204が作動する前の状態)、図9は異常時(電流遮断機構204が作動して電流が遮断された状態)における電池202の断面形状を示している。
このように、電極体80を構成する正極は、該電極体80側から順に、正極集電板82、リード部材236、感圧ディスク228、接続部材224および封口板222を経て正極外部端子30と電気的に接続されている。電池202の正常時には、かかる導電経路を介して電極体80の正極と外部端子30との導通が確保されている。その他の部分の構成は実施形態1に係る電池2(図1参照)と概ね同様である。
本実施形態は、電池ケースの内圧が所定の作動圧力以上に上昇した場合に、第一導電部材と第二導電部材との溶接部Wに回転剪断力を加えて該溶接部Wを破断させるタイプの電流遮断機構であって、実施形態3とは異なる電流遮断機構を備えたリチウムイオン電池の一例に関する。
このように、電極体80を構成する正極は、該電極体80側から順に、正極集電板82、リード部材236、底面328B(第一筒体328)、接続部材224および封口板222を経て正極外部端子30と電気的に接続されている(図9参照)。その他の部分の構成は実施形態3に係る電池202と概ね同様である。
本実施形態は、電池ケースの内圧が所定の作動圧力以上に上昇した場合に、第一導電部材と第二導電部材との溶接部Wに単純剪断力を加えて該溶接部Wを破断させるタイプの電流遮断機構を備えたリチウムイオン電池の一例に関する。
図11,12を参照しつつ、本実施形態に係る電池402の構成および作動につき、実施形態3に係る電池との相違点を中心に説明する。図11は正常時(電流遮断機構404が作動する前の状態)、図12は異常時(電流遮断機構404が作動して電流が遮断された状態)における電池402の断面形状を示している。
電極体80を構成する正極は、該電極体80側から順に、正極集電板82、リード部材436、感圧ディスク428、接続部材224および封口板222を経て正極外部端子30と電気的に接続されている。その他の部分の構成は実施形態3に係る電池202(図9参照)と概ね同様である。
本実施形態は、電池の温度が所定の作動温度以上に上昇した場合に、第一導電部材と第二導電部材との溶接部Wに回転剪断力を加えて該溶接部Wを破断させるタイプの電流遮断機構であって、実施形態1とは異なる電流遮断機構を備えたリチウムイオン電池の一例に関する。
図13〜15を参照しつつ、本実施形態に係る電池502の構成および作動につき、実施形態1に係る電池との相違点を中心に説明する。図13は正常時(電流遮断機構504が作動する前の状態)における電池502の断面形状を示している。
電極体80を構成する正極は、該電極体80側から順に、正極集電板82、リード部材536および封口板522を経て正極外部端子30と電気的に接続されている。その他の部分の構成は実施形態1に係る電池2(図1参照)と概ね同様である。
なお、凸部の頂面同士を溶接して溶接部Wを形成することにより得られる上記効果は、本実施態様のほか、例えば上述した実施態様1〜5にも適用可能である。すなわち、これら実施態様に係る溶接部Wを凸部の頂面同士を溶接して形成することにより、本実施態様と同様の効果が実現され得る。
本実施形態は、図17に示すように、実施形態1に係る電池(図1参照)においてケース10内の電極体80が収容された空間S1から溶接部Wが気密に隔てられるように構成した一例である。本実施形態に係る電池602の他の部分の構成および該電池602に具備された電流遮断機構604の作動により電流が遮断される機構自体は実施態様1に係る電池2と同様であるので、以下の説明では主に上記相違部分について述べる。
本実施形態は、実施形態1に係る電池(図1参照)において電極体80が収容された空間S1から溶接部Wが気密に隔てられるように構成した他の例である。すなわち、図19に示すように、本実施形態に係る電池702(電流遮断機構704が作動する前の状態を示している。)では、筒部26の下端開口部が隔壁735で塞がれている。この筒体26および隔壁735によって、筒部26内の空間S3(封口板22と接続部材24との溶接部Wに隣接する空間)と電極体収容空間S1とが気密に隔てられている。リード部材36は、隔壁735を貫通して(その貫通部は気密に封止されている。)集電板82と接続部材24とを連結している。なお、隔壁735の構成材料としては、例えば、筒部26の構成材料と同様の樹脂材料を好ましく採用し得る。本実施形態の構成によると、実施形態1の構成により得られる効果に加えて、感熱変形部材32が変形して溶接部Wが破断する瞬間にその破断部で火花が発生したとしても、溶接部Wと電極体収容空間S1とは筒体26および隔壁735によって物理的に隔てられているので、電極体収容空間S1内に存在し得る可燃性ガスに上記火花が引火する事象を防止できるという効果が得られる。
本実施形態は、実施形態3に係る電池(図7参照)において空間S2に面する位置に溶接部Wを設定することにより、電極体収容空間S1から溶接部Wが気密に隔てられるように構成した例である。すなわち、図20に示すように、本実施形態に係る電池802(電流遮断機構804が作動する前の状態を示している。)は、電極体収容空間S1の内圧上昇により感圧ディスク828が案内ライン226A沿いに回転しつつ案内筒226の軸方向(図20の上側)へ移動するとき、感圧ディスク(第一導電部材)828と接続部材(第二導電部材)824との溶接部Wが破断する(ねじ切られる)ことで導電経路が分断されるように構成されている。本実施形態の構成によると、実施形態3の構成により得られる効果に加えて、溶接部Wが破断する瞬間にその破断部で火花が発生したとしても、溶接部Wと電極体収容空間S1とは筒体226および感圧ディスク828により物理的に隔てられているので、電極体収容空間S1内に存在し得る可燃性ガスに上記火花が引火する事象を防止できるという効果が得られる。
なお、上記分断を効率よく行うために、接続部材824には剛性の高い金属部材を用い、リード部材836には感圧ディスク828の移動に追随して変形しやすい(相対的に柔軟な)金属部材を用いることが好ましい。
なお、アルミニウム(正極側の導電経路に使用される金属材料の典型例)に比べて銅は導電性に優れることから、第一導電部材および第二導電部材が銅製である場合には、所定の大電流を放電するために必要な溶接部W(抵抗溶接等の溶接方法により好ましく形成され得る。)の断面積をより小さくし得る。例えば、上記溶接面積を例えば2mm2以上(より好ましくは8mm2以上、典型的には20mm2以下)とし得る。したがって、電流遮断機構が正極側に設けられた態様の電池では、溶接部Wの面積をより大きくとることが望まれる傾向にあるため、ここに開示される技術を適用することによる効果がよりよく発揮され得る。
2,102,202,402,502,602,702,802 リチウムイオン電池(電池)
3 電池ケース(ケース)
4,104,204,304,404,504,604,704,804 電流遮断機構
10 ケース本体
20 蓋体
22,522 封口板(第二導電部材)
24,524 接続部材(第一導電部材)
26,526 筒部
30 外部端子
32,132,532 感熱変形部材
32A 頭部
32B 脚部
36,536 リード部材
80 捲回電極体(電極体)
82,84 集電板104 電流遮断機構
124 接続部材(第一導電部材)
222 封口板
224 接続部材
226 案内筒(スパイラルリング)
226A,426A 案内ライン
228,428 感圧ディスク(第二導電部材)
228A 凹部
236,436 リード部材(第一導電部材)
328 第一筒体(第二導電部材)
328A ラチェット刃(ガイド機構)
328B 底面
329 第二筒体
329A ラチェット刃(ガイド機構)
426 案内筒
428A 接続部
523,525 凸部
625 Oリング(シール部材)
735 隔壁
824 接続部材(第二導電部材)
828 感圧ディスク(第一導電部材)
Claims (11)
- 正負の電極を有する電極体がケースに収容された電池であって、
前記電極の少なくとも一方と前記ケース外部に露出する外部端子とを結ぶ導電経路を分断することで前記電極体と該電池外部との導通を遮断する電流遮断機構を備え、
前記導電経路は、前記電極体側から第一導電部材および第二導電部材を経て前記外部端子側に至り、且つ前記第一導電部材と前記第二導電部材とは前記ケース内において両導電部材の溶接部で接合されており、
前記電流遮断機構は、前記電池の異常時に、前記溶接部に対して該溶接部の溶接面に沿う方向への力を加えることにより該溶接部を破断させて前記導電経路を分断するように構成されている、電池。 - 前記溶接面に沿う方向への力は、前記第二導電部材に対して前記第一導電部材を前記溶接部の周りに回転させる方向への回転剪断力である、請求項1に記載の電池。
- 前記電流遮断機構は、前記電池の温度が所定値以上に上昇した場合に前記溶接部を破断させるように構成されている、請求項1または2に記載の電池。
- 前記電流遮断機構は、温度に応じて形状が変化する感熱変形部材を含み、該感熱変形部材の形状変化により前記溶接部に前記溶接面に沿う方向への力が加わるように構成されている、請求項3に記載の電池。
- 前記電流遮断機構は、前記ケースの内圧が所定値以上に上昇した場合に前記溶接部を破断させるように構成されている、請求項1または2に記載の電池。
- 前記電流遮断機構は、
内周に案内ラインが設けられた案内筒と、
前記案内筒の内周に嵌め込まれて前記ケース内の一部空間を前記電極体が収容された空間から気密に区画する感圧ディスクであって前記電極体収容空間の圧力上昇に伴う押圧力を受けて前記案内ラインに沿って移動する感圧ディスクとを備え、
前記感圧ディスクの移動により前記溶接部に前記溶接面に沿う方向への力が加わるように構成されている、請求項5に記載の電池。 - 前記案内ラインはスパイラル状に形成されており、前記押圧力を受けて前記感圧ディスクが前記案内ラインに沿ってスパイラル状に移動することにより前記溶接部に回転剪断力が加わるように構成されている、請求項6に記載の電池。
- 前記電流遮断機構は、
前記ケース内の一部空間を前記電極体が収容された空間から気密に区画する第一筒体と、
前記第一筒体の軸方向の端部に係合して該第一筒体と同軸に配置された第二筒体とを備え、
両筒体の対向する端部には、前記電極体収容空間の圧力上昇に伴う押圧力を受けて該第一筒体を軸周りに回転させつつ軸方向に案内するガイド機構が設けられており、
前記第一筒体の回転により前記溶接部に回転剪断力が加わるように構成されている、請求項5に記載の電池。 - 前記ケース内において、前記溶接部は前記電極体が収容された空間から気密に隔てられている、請求項1から8のいずれか一項に記載の電池。
- 前記溶接部は、該溶接部を囲んで前記第一導電部材と前記第二導電部材との間に配置されたシール部材によって前記電極体収容空間から気密に隔てられている、請求項9に記載の電池。
- 請求項1から10のいずれか一項に記載の電池を備えた車両。
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