JP2012038522A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、外装設計に制約を与えない安全弁構造を具備する電池を提供することを課題とする。
【解決手段】電池１は、貫通孔２１を有する外装２０と、一部を外装２０の外方へ突出させた状態で貫通孔２１に固定される電極端子３０と、外装２０と電極端子３０との間に介装される絶縁部材４０と、貫通孔２１の周縁に、外装２０の内方へ向けて突出するバーリング部２２と、を具備し、バーリング部２２をプレスして塑性変形させて、かしめ部２３を形成し、かしめ部２３により電極端子３０と貫通孔２１との間に圧迫力を発生させることによって電極端子３０を貫通孔２１に固定する。外装２０内側面のバーリング部２２近傍に溝２４を形成し、外装２０内の内圧が上昇する際に溝２４によってその圧力を受け、外装２０の一部を変形させて電極端子３０と貫通孔２１との間の圧迫力を弱めることによって、固定部位を開放する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電池の安全弁構造に関する。

密閉型の電池内部で短絡、過放電等の不具合が発生すると、充放電要素の反応が急激に進んで内部ガスが大量に発生し、内圧が異常上昇することが知られている。従来、この内圧上昇を受けて開弁することによって、ガスを外部に放出し電池の膨張、破裂を防止する安全弁構造を具備する電池が公知である。
例えば、特許文献１には、外装の蓋部の中央部にスリット状の薄肉部を形成し、係る部位の強度を他の部位よりも弱くすることによって、内圧上昇時に開弁する安全弁ユニットが開示されている。

一方で、電池の外装においては、外装平面部にフィン等の突起部を設けて剛性・放熱性を向上する、又は、外装角部に湾曲部を設けて剛性を高める等の形状の工夫が種々提案されている。このような外装形状の多様化に伴い、上記のような安全弁ユニットを設けるエリアを自由に確保することが困難になっている。
また、電池外装の剛性及び耐久性を向上するために、電池の外装を構成する材質の高強度化（例えば、鉄等の安価かつ高強度材料を用いること）が検討されている。これに伴い、安全弁ユニットを薄肉のスリット構造として形成する従来の手法を用いた場合、同程度の内圧で開弁するように設定するためには、外装の高強度化に応じて薄肉スリットの付与エリアを大きくする必要が生じ、外装設計の制約となってしまう。

特開２０１０−９７８２２号公報

本発明は、外装設計に制約を与えない安全弁構造を具備する電池を提供することを課題とする。

本発明に係る電池は、貫通孔を有する外装と、一部を前記外装の外方へ突出させた状態で前記外装の貫通孔に固定される電極端子と、前記外装と電極端子との間に介装される絶縁部材と、前記外装の貫通孔の周縁に、当該外装の内方又は外方へ向けて突出するバーリング部と、を具備し、前記バーリング部をプレスして塑性変形させて、当該塑性変形されたバーリング部の一部により前記電極端子と前記貫通孔との間に圧迫力を発生させることによって電極端子を貫通孔に固定する電池であって、前記外装内側面のバーリング部近傍に溝を形成し、前記外装内の内圧が上昇する際に前記溝によってその圧力を受け、外装の一部を変形させて前記電極端子と前記貫通孔との間の圧迫力を弱めることによって、固定部位を開放する。
電極端子の取り出し部では、バーリング部の一部を内側に膨出させて電極端子を締結固定している。この締結固定部において、電池内部の気密性を確保する機能に加えて、安全弁構造として利用することが可能となる。

本発明の一実施形態において、前記溝の深さは、前記外装における前記貫通孔が形成される部位の厚みの半分程度であることが好ましい。

本発明の一実施形態において、前記溝は、前記バーリング部の外周側部に沿って形成されることが好ましい。

本発明によれば、外装設計に制約を与えない安全弁構造を具備する電池を提供できる。

電池の概略構成を示す図である。 電極端子の固定部を示す拡大断面図である。 電池の安全弁構造を示す図である。 電池の安全弁構造を示す図であり、内圧上昇時の動作を示す図である。 外装に形成される溝に関するシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の電池の一実施形態である電池１について説明する。
図１に示すように、電池１は、発電要素１０と、発電要素１０を内部に収容する外装２０と、外装２０から外方に向けて突出する電極端子３０・３０を具備する。

発電要素１０は、正極、負極及びセパレータを積層又は巻回してなる電極体に電解液を含浸させたものである。電池１の充放電時に発電要素１０内で化学反応が起こる（厳密には、正極と負極との間で電解液を介したイオンの移動が起こる）ことによって電流の流れが発生する。

外装２０は、角型缶であり、略一定の厚みを有する箱状の部材である。外装２０は、アルミニウム、鉄等を材料としている。外装２０の一面からは電極端子３０・３０が外方に向けて突出して設けられる。
電極端子３０・３０は、正極端子又は負極端子として構成される集電端子であり、外装２０に固定されている。各電極端子３０は、適宜のリード端子等を介して発電要素１０の正極又は負極と電気的に接続されており、電極端子３０・３０を介して電池１の内部と外部との電力のやり取りが行われる。

以下では、図２を参照して、外装２０と電極端子３０・３０との固定形態について説明する。
外装２０は、電極端子３０・３０が貫通可能な貫通孔２１・２１を有し、各貫通孔２１の周囲に外装２０の内側に向けて突出するバーリング部２２が形成される。

貫通孔２１は、所定の内径を有する孔であり、外装２０の厚み方向に貫通している。
バーリング部２２は、貫通孔２１の周縁に、外装２０の外側から内側へ向けて垂直に突出して設けられる厚肉部位である。バーリング部２２は、外装２０の一部を塑性加工して形成される厚肉部位であり、公知のバーリング処理、深絞り法、寄せ肉法等、又はこれらの組み合わせによって適宜形成される。

電極端子３０の軸方向中途部には、気密溝３１が形成される。気密溝３１は、電極端子３０の周方向に沿って、その外周全周に亘って形成される半円（又は半楕円等、溝端部にエッジラインを有する）形状の溝であり、所定の溝幅を有する。

電極端子３０は、絶縁部材４０を介して貫通孔２１に固定される。絶縁部材４０は、電極端子３０の周囲を巻装し、外装２０と電極端子３０とを電気的に絶縁するとともに、外装２０と電極端子３０との間を気密する。
絶縁部材４０の材料としては、高温クリープ特性に優れる材料、つまり、電池１の冷熱サイクルに対する長期の耐クリープ性を有する材料が好ましく、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等が挙げられる。

具体的には、図２に示すように、貫通孔２１内に絶縁部材４０を巻装した電極端子３０を配置し、バーリング部２２の突出側端面の内周部を押圧してかしめることによって、バーリング部２２の内周面（つまり貫通孔２１の内周面）から径方向内側に向けて膨出するかしめ部２３が形成されている。
内側に膨出したかしめ部２３は、絶縁部材４０を圧迫し、この圧迫力が絶縁部材４０への面圧として付与される。絶縁部材４０においてかしめ部２３によって上記面圧が付与される箇所は内側に向けて弾性変形し、この弾性変形により生じる外力が電極端子３０への面圧として付与される。
このように、バーリング部２２の端面の内周部をプレスし、かしめることによって、バーリング部２２から内側に向けて膨出するかしめ部２３が形成され、かしめ部２３からの面圧が絶縁部材４０を介して電極端子３０に伝達される。係る面圧によって電極端子３０が圧迫されて、外装２０の貫通孔２１に固定される。

以下では、図３及び図４を参照して、電池１における安全弁構造について説明する。
図３に示すように、外装２０の内側面における、各バーリング部２２の周囲近傍には、溝２４が形成されている。溝２４は、バーリング部２２の外周側部に沿って形成される円環状の凹部であり、方形の底部を有する四角溝に形成されている。また、溝２４は、外装２０の内側面から外側面に向けて所定の溝深さにて形成されている。
このように、外装２０において、溝２４が形成される部位は、他の部位よりも厚みが小さい薄肉部として形成されており、一定の厚みをもって形成されている外装２０の他の部位に比べて強度が低くなっている。

外装２０の内側面に溝２４が形成されることにより、電池１の内圧が異常上昇した場合に溝２４が内圧を受け易くなり、受圧部として機能する。これによって、図４に示すように、溝２４の周囲から優先的に変形する、つまり、バーリング部２２付近が外側に向けて変形し、外装２０、電極端子３０及び絶縁部材４０の間に発生する圧迫力が小さくなり、かしめ部２３によるかしめ固定部が緩む。
こうして、気密溝３１に食い込んだ絶縁部材４０と電極端子３０の周囲との間に間隙が生じ、その間隙から内部ガスが流出することによって外装２０の破断・破裂が防止される。

以上のように、外装２０の一部をかしめることによって電極端子３０を固定する電池１において、電極端子３０がかしめ固定される位置近傍であって、外装２０の内側に溝２４を形成することによって部分的に強度の低い部位を設けて係る部位を内圧上昇時の受圧部として構成している。
これにより、電池１の内圧が異常上昇した場合に、溝２４に圧力が集中してその周囲が優先的に変形してかしめ固定が弛む、つまり、電極端子３０と外装２０との間の気密部位が弛められて、内圧が開放される。
このようにして、電極端子３０の固定部が安全弁としての役割を果たすこととなる。すなわち、薄肉のスリット部等の従来の安全弁構造を別途付与する必要がなく、付与エリアを確保する必要がないため、外装２０の形状を設計する際の制約が無くなる。また、安全弁構造を設けるためのコストを削減できる。

なお、溝２４の形状は、四角溝に限定されず、Ｖ字形状の底部を有する三角溝としても良い。三角溝として形成した場合も最も強度が低下する箇所が共通するため、四角溝の場合と同様に、溝深さは外装２０の半分程度に設定されることが好ましい。
また、電池１の安全弁構造、つまり、電極端子３０の取り出し部の近傍に溝２４を形成することによって、外装２０内部の受圧部とし、内圧上昇時に溝２４の周囲を変形させて電極端子３０の気密を開放する構成は、円筒型電池、フィン、湾曲部等を有する角シェル型電池、その他異なる形状の密閉型電池に対しても適用可能である。

また、本実施形態では、溝２４をバーリング部２２の周囲全周に亘って設ける実施形態を示したが、これに限定されず、バーリング部２２の周囲に断続的に設けても良い。例えば、バーリング部２２の周囲の同一面に存在する外装２０の幅が小さい部分については溝２４を形成せずに、幅が大きい部分のみに形成することも可能であり、内圧上昇時の外装２０の変形可能な範囲内で設けられていれば良い。

また、本実施形態では、電極端子３０の固定部を確実に変形させるため、溝２４をバーリング部２２の直近である外周側部に沿って形成する形態を示したが、これに限定されず、バーリング部２２の外側部からある程度離れた位置に形成しても良い。この場合、かしめ固定時に材料の逃げが少なくなるため、絶縁部材４０及び電極端子３０に対してより大きな圧迫力を付与することができ、気密性を向上することができる。ただし、溝２４にかかる内圧によってバーリング部２２の周囲が外側に変形される程度の距離以内に設ける必要がある。

図３に示すように、溝２４は、電極端子３０を締結固定する際にプレスされる部位であるバーリング部２２の近傍に形成されているため、溝２４の深さが大きすぎる場合、つまり、プレス領域の近傍の厚みが小さくなりすぎると、バーリング部２２に対するプレス時に内側に向けて膨出するかしめ部２３の一部が外側に逃げる可能性があるとともに、プレスによってバーリング部２２の周辺が変形する虞があり、電極端子３０を気密した状態で固定できなくなってしまう。
他方、溝２４の深さが浅すぎる場合には、溝２４が形成される部位で内圧を受けたとしても、係る部位の強度が大きすぎることによって、かしめ固定部が内圧の異常上昇に耐えてしまう虞がある。
以上の観点から、溝２４の深さは、バーリング部２２へのプレスに際して、かしめ部２３を十分に内側へ膨出させて気密性を確保できる程度、かつ、電池１の通常の使用に耐え得る内圧を満足する程度に設定され、溝２４の形成による外装２０全体の強度低下は防止されているとともに、溝２４において所定の内圧上昇を受けたときに、電極端子３０と外装２０との間の気密が開放される程度に設定されることが好ましい。

例えば、溝２４の深さは、外装２０の厚みの半分程度に設定されることが好ましい。
図５に、（１）溝２４がない場合、並びに、溝２４の深さを外装２０の厚みに対して（２）１／６、（３）１／２、（４）５／６とし、それぞれプレスすることによって、かしめ固定した場合に、（ａ）各かしめ固定部の面圧、及び、（ｂ）外装２０に所定の内圧（１ＭＰａ）を付与した時の各かしめ固定部の面圧を計算したシミュレーション結果を示す。
なお、（ａ）に示す計算結果においては、気密性を確保するために十分な面圧が発生している場合は（○）、不十分な場合は（×）として示し、（ｂ）に示す計算結果においては、面圧が残っている場合は（×）、微小な面圧が残っている場合は（△）、面圧が残っていない場合は（○）として示している。

図５に示す結果によれば、（４）の場合には、かしめ不良となり、電池１の気密性を確保できないこと、（１）の場合には、内圧付与時にもかしめ固定が弛まずに残っていること、並びに、（２）の場合には、内圧付与時に若干の締結が残っていることが分かる。そして、（３）の場合には、かしめ固定時には十分な面圧が発生し、かつ、内圧付与時にはかしめ固定が開放されることが分かる。
つまり、（３）の場合には、十分な締結力を確保できるとともに、所望の内圧で締結を開放することが可能である。以上のことより、溝２４の深さは、外装２０の厚みの１／２程度に設定することが好ましいことが分かる。

また、溝２４を三角形又は他形状の底部を有する溝として形成した場合も、厚みが最も小さくなる部位は変わらないため、内圧付与時の変形は同様に生じるものと考えられる。このため、溝底部の厚みが外装２０の厚みの半分程度とすることが好ましい。

本実施形態では、バーリング部２２を外装２０の内方に向けて突出するように設けているが、外側に向けて設けた場合にも、同様に外装２０の内側面において、バーリング部２２に対応する箇所（バーリング部２２を外装２０の外側面から内側面に投影した箇所）近傍に溝２４を形成し薄肉部位とすることによって、係る部位を内圧上昇時の受圧部として構成することが可能である。

１ 電池
２０ 外装
２１ 貫通孔
２２ バーリング部
２４ 溝
３０ 電極端子
４０ 絶縁部材

Claims (3)

1. 貫通孔を有する外装と、
   一部を前記外装の外方へ突出させた状態で前記外装の貫通孔に固定される電極端子と、
   前記外装と電極端子との間に介装される絶縁部材と、
   前記外装の貫通孔の周縁に、当該外装の内方又は外方へ向けて突出するバーリング部と、を具備し、
   前記バーリング部をプレスして塑性変形させて、当該塑性変形されたバーリング部の一部により前記電極端子と前記貫通孔との間に圧迫力を発生させることによって電極端子を貫通孔に固定する電池であって、
   前記外装内側面のバーリング部近傍に溝を形成し、
   前記外装内の内圧が上昇する際に前記溝によってその圧力を受け、外装の一部を変形させて前記電極端子と前記貫通孔との間の圧迫力を弱めることによって、固定部位を開放する電池。
2. 前記溝の深さは、前記外装における前記貫通孔が形成される部位の厚みの半分程度である請求項１に記載の電池。
3. 前記溝は、前記バーリング部の外周側部に沿って形成される請求項１又は２に記載の電池。

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