JP2012156404A - 防爆機能付き蓄電デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】金属ラミネートフィルム製の容器の信頼性を確保しつつ、ガス発生時に加わる容器の内圧を確実に解放することができる蓄電デバイスを提供すること。
【解決手段】蓄電デバイスとしてのリチウムイオンキャパシタ10は、刃支持体61と刃部材62とを有する穴あけ装置60を備える。刃支持体61は、金属ラミネートフィルム製の容器51の外周縁の部位を挟み込んだ状態で取り付け固定される。刃部材62は、刃支持体61に支持されるとともに容器51において熱封止部52よりも中心部側の位置に配置される。ガス発生時において、刃支持体61は、膨張変形する容器51に押し出されることにより容器51の外周方向に移動する。刃部材62は、刃支持体61とともに移動することで容器51を切り裂く。
【選択図】図2
【解決手段】蓄電デバイスとしてのリチウムイオンキャパシタ10は、刃支持体61と刃部材62とを有する穴あけ装置60を備える。刃支持体61は、金属ラミネートフィルム製の容器51の外周縁の部位を挟み込んだ状態で取り付け固定される。刃部材62は、刃支持体61に支持されるとともに容器51において熱封止部52よりも中心部側の位置に配置される。ガス発生時において、刃支持体61は、膨張変形する容器51に押し出されることにより容器51の外周方向に移動する。刃部材62は、刃支持体61とともに移動することで容器51を切り裂く。
【選択図】図2
Description
本発明は、正極と負極とがセパレータを介して積層されてなる電極積層体を有し、その電極積層体が電解液とともに金属ラミネートフィルム製の容器内に密封封止された防爆機能付き蓄電デバイスに関するものである。
太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。
現在、急速充放電や長寿命化が可能な蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタが提案されている。このリチウムイオンキャパシタは、正極、負極及びセパレータを積層してなる電極積層体を備えている。かかる電極積層体は例えば柔らかいアルミラミネート箔からなる金属ラミネートフィルム製の容器内に収容され、その容器内はリチウムイオンを含んだ有機電解質で満たされている。なお、この容器は、外周縁に沿って金属ラミネートフィルムを熱融着してなる熱封止部が設けられており、その熱封止部によって容器内部が密封封止されている。このリチウムイオンキャパシタにおいて、過充電等の異常時に容器内でガスが発生すると、容器の内圧が上昇し容器が膨らむ。従来では、その異常時において、容器の破裂を未然に防止するために容器内の内圧を解放するための内圧解放機構が設けられている。
内圧解放機構の従来例としては、図11に示されるように、金属ラミネートフィルム製の容器70において、外周縁に設けられている熱封止部71の一部71aを他の部位よりも融着幅を狭くして融着強度を弱く形成した安全機構72が提案されている(例えば、特許文献1等参照)。また、別の手法としては、図12に示されるように、金属ラミネートフィルム製の容器70の一部に円筒型の安全弁74を取り付けた安全機構75が提案されている。
ところが、図11の安全機構72では、容器70における熱封止部71の融着幅を部分的に狭くしているため、その部分から水分が透過するといった問題が懸念される。また、図13に示されるように、容器70の熱封止部71では、熱融着された融着部分76が端部からはみ出すように厚みをもって形成されており、その部分の融着強度が他の部分よりも強くなる。このため、熱封止部71では、融着幅に比例して融着強度が変化することはなく、例えば融着幅を半分にしても実際の融着強度は殆ど変化しない。従って、図11の安全機構72では、作動圧を正確に制御すことが困難となっていた。さらに、図12の安全機構75では、厚みのある円筒型の安全弁74を挟み込んだ形で容器70を封止しているため、その安全弁74と容器70と境界部分での封止を確実に行うことができず、その境界部分から水分が透過するといった問題が懸念される。容器70内に水分が入り込むと、リチウムが反応してキャパシタ性能を劣化させる原因となってしまう。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属ラミネート製の容器の信頼性を確保しつつ、ガス発生時に容器の内圧を確実に解放することができる防爆機能付き蓄電デバイスを提供することにある。
上記課題を解決するための手段[1]〜[3]を以下に列挙する。
[1]シート状に成形された正極と負極とがセパレータを介して積層されてなる電極積層体を有し、前記電極積層体が電解液とともに金属ラミネートフィルム製の容器内に収容され、前記容器の外周縁に沿って前記金属ラミネートフィルムを帯状に熱融着してなる熱封止部により前記容器が密封封止された防爆機能付き蓄電デバイスであって、前記容器の外周縁の部位を挟み込んだ状態で取り付け固定される刃支持体と、前記刃支持体に支持されるとともに前記容器において前記熱封止部よりも中心部側の位置に配置される刃部材とを有する穴あけ装置を備え、前記刃支持体は、ガス発生時に膨張変形する前記容器に押し出されることにより前記容器の外周方向に移動し、前記刃部材は、前記刃支持体とともに移動することで前記容器を切り裂くことを特徴とする防爆機能付き蓄電デバイス。
手段1に記載の発明によると、金属ラミネートフィルム製の容器の熱封止部に変更を加えることなく穴あけ装置を設置可能となる。このため、容器の熱封止部において、従来技術のように部分的に融着強度を弱くしたり安全弁を設けたりする必要がない。従って、容器の外周縁に沿って熱封止部を均一の強度で融着することができ、容器内への水分の浸入を確実に防ぐことができる。また、薄型の容器であっても、容器の外周縁の部位を刃支持体で挟み込むことで穴あけ装置を確実に固定することができる。さらに、ガス発生時には、膨張変形した容器によって刃支持体が押し出されることで、刃支持体が容器の外周方向に移動される。このとき、熱封止部よりも中心部側の位置にて刃支持体に支持されている刃部材がその刃支持体とともに移動する。これにより、ガス発生時に膨らんだ容器が刃部材によって切り裂かれ、容器の内圧を確実に解放することができる。
[2]手段1において、前記熱封止部と前記積層体収納部との間において前記金属ラミネートフィルムを熱融着してなる融着部を備えるとともに、前記刃部材は、前記融着部を貫通した状態で配置されていることを特徴とする防爆機能付き蓄電デバイス。
手段2に記載の発明によると、ガス発生時に膨張変形した容器によって刃支持体が外周方向に押し出されると、その刃支持体とともに刃部材が移動して、熱封止部と融着部との間の未融着部が刃部材により切り裂かれる。この結果、容器に穴が開き、容器内で発生したガスが外部に放出されることで、容器の内圧を確実に解放することができる。
[3]手段2において、前記刃支持体は、前記穴あけ装置の取り付け固定時に前記融着部上に重ねて配置される刃挿通部を有し、前記刃部材は、前記刃挿通部を介して前記融着部を貫通した状態で配置されていることを特徴とする防爆機能付き蓄電デバイス。
手段3に記載の発明によると、穴あけ装置の取り付け固定時には、刃支持体の刃挿通部が融着部上に重ねて配置され、その刃挿通部を介して刃部材が融着部に貫通される。このようにすると、容器への穴あけ装置の装着を迅速にかつ簡単に行うことができる。またこの場合、刃支持体をコンパクトに形成することができるため、穴あけ装置の部品コストを抑えることができる。
以上詳述したように、手段1乃至3に記載の発明によると、容器の信頼性を確保しつつ、ガス発生時に容器の内圧を確実に解放することができる防爆機能付き蓄電デバイスを提供することができる。
以下、本発明を防爆機能付のリチウムイオンキャパシタに具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタ10を示す側面図であり、図2はそのリチウムイオンキャパシタ10の平面図である。また、図3は上記リチウムイオンキャパシタ10を構成する電極積層体11を示す断面図である。
図1〜図3に示されるように、リチウムイオンキャパシタ10は、シート状に成形された正極21と負極31とがセパレータ41を介して交互に積み重ねられた構造を有する電極積層体11を備えている。リチウムイオンキャパシタ10において、電極積層体11は、リチウム塩を含んだ電解液とともに容器51内に密封封止されている。本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ10は、電極積層体11の厚さが6mm程度であり、薄型の蓄電デバイスとして構成されている。
セパレータ41は、電解液や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。通常、ガラス繊維、ポリエチレン、ポリプロピレン等、セルロース等からなる不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータ41の厚さは、キャパシタの内部抵抗を小さくするために薄いほうが好ましいが、電解液の保持量、流通性、強度等を勘案して適宜設定することができる。
正極21は、炭素材料からなる正極材22を正極集電体23上に形成した構造を有している。正極材22を形成する炭素材料としては、活性炭が用いられる。この炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。
正極集電体23は、正極材22を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウムからなる導電性金属箔を用いて形成されている。正極集電体23は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブ24が突出している。各正極集電体23から突出するタブ24は、同じ辺の側に配置されるとともに、それらタブ24はアルミニウムからなる1枚の正極用外部端子25に溶接されている(図2参照)。その結果、各正極21が正極用外部端子25に対して電気的に接続されている。
負極31は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極材32を負極集電体33上に形成した構造を有している。負極材32の形成材料としては、黒鉛系炭素、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素等の炭素材料がある。これらの炭素材料は、可逆性が高い等の性質を有するため、負極材料として好適である。負極材32用の炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。
負極集電体33は、負極材32を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅からなる導電性金属箔を用いて形成されている。負極集電体33は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブ34が引き出されている。各負極集電体33から突出するタブ34は、同じ辺の側に配置されるとともに、それらタブ34は、銅からなる1枚の負極用外部端子35に溶接されている(図2参照)。その結果、負極31が負極用外部端子35に対して電気的に接続されている。
図1及び図2に示されるように、リチウムイオンキャパシタ10の容器51は、アルミ箔を樹脂フィルムにラミネートしてなるアルミニウム・ラミネートフィルムを用いて矩形袋状に加工した金属ラミネートフィルム製の容器である。なお、アルミ箔以外の他の金属箔からなる金属ラミネートフィルムを用いて、容器51を形成してもよい。容器51では、外周縁に沿ってラミネートフィルムを帯状に熱融着することで熱封止部52が形成されており、熱封止部52により容器51が密封封止されている。熱融着による封止は、表裏のラミネートフィルムに正極用外部端子25及び負極用外部端子35を挟み込んだ状態で行われる。本実施の形態では、容器51の熱封止部52は、融着幅が等しくかつ融着力が均一となるように形成されている。
このように、平面視で矩形状の容器51内に電極積層体11を収容した場合、正極用外部端子25の一端及び負極用外部端子35の一端が容器51の一辺から引き出される。より詳しくは、図2に示される容器51において、右辺における下側から正極用外部端子25の一端が突出しており、右辺における上側から負極用外部端子35の一端が突出している。また、容器51における各外部端子25,35が突出する辺において、正極用外部端子25と負極用外部端子35とに挟まれた中央部分には、穴あけ装置60が装着されている。
穴あけ装置60は、容器51において電極積層体11を収納する積層体収納部53よりも外周側の部位を挟み込んだ状態で取り付け固定される刃支持体61と、刃支持体61に支持されるとともに熱封止部52よりも中心部側の位置に配置される刃部材62とを備える。図4に示されるように、刃支持体61は、膨張変形した容器51に当接する2つの長腕部63と、それら長腕部63の間に配置され刃部材62を支持する短腕部64(刃挿通部)とを有し、平面視がE字状に形成されている。
図5に示されるように、刃支持体61は、容器51の外周端部を挟み込むための隙間をもって2枚のE字状部が配置されそれらの端部が連結されることで、断面形状が略コ字状となるように形成されている。つまり、刃支持体61は、表裏対称の形状となっている。本実施の形態の刃支持体61は、ポリプロピレン樹脂を用いた射出成形によって一体的に形成されている。また、刃部材62は、薄く板状に形成された鋼製の小型刃であり、容器51を開封するために用いられる。
図2及び図6に示されるように、容器51において、外周縁に沿って形成された熱封止部52と積層体収納部53との間には、表裏のラミネートフィルムを熱融着させてなる島状の融着部55が設けられている。容器51に穴あけ装置60を取り付け固定する際には、先ず、図7に示されるように、刃支持体61の短腕部64を融着部55の位置に重なるように配置する。なおこのとき、容器51表面に接着剤を塗布しておき、刃支持体61を容器51表面に接着固定する。その後、図8に示されるように、刃支持体61の短腕部64に外側から刃部材62を突き刺しその短腕部64を介して融着部55に刃部材62を貫通させることで、穴あけ装置60を容器51に装着する。
上記のように構成したリチウムイオンキャパシタ10において、過充電等の異常時に容器51内でガスが発生すると、図9に示されるように、容器51が膨らむ。このとき、穴あけ装置60の刃支持体61は、ガス発生時に膨張変形した容器51に押出されることにより容器51の外周方向に移動する。刃部材62は、刃支持体61とともに容器51の外周方向に移動することにより、融着部55と熱封止部52との間の未融着部分まで容器51を切り裂く。この結果、容器51に穴が開き、容器51内で発生したガスが外部に放出され、容器51の内圧が解放される。
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
(1)本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ10では、金属ラミネートフィルム製の容器51の熱封止部52に変更を加えることなく、穴あけ装置60を設置することができる。このため、容器51の熱封止部52において、従来技術のように部分的に融着強度を弱くしたり安全弁を設けたりする必要がない。従って、容器51の外周縁に沿って熱封止部52を均一の強度で融着することができ、容器51内への水分の浸入を確実に防ぐことができる。さらに、リチウムイオンキャパシタ10では、従来技術と比較して容器51の密閉封止を容易に行うことができ、生産性を高めることができる。また、薄型の容器51であっても、容器51の外周縁の部位を刃支持体61で挟み込むことで穴あけ装置60を固定することができる。
(2)本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ10では、容器51において、熱封止部52と積層体収納部53との間において島状の融着部55が設けられており、その融着部55を貫通した状態で刃部材62が配置されている。この場合、ガス発生時に膨張変形した容器51によって刃支持体61が外周方向に押し出されると、その刃支持体61とともに刃部材62が移動して、熱封止部52と融着部55との間の未融着部が刃部材62によって切り裂かれる。この結果、容器51に穴が開き、容器51内で発生したガスが外部に放出されることで、容器51の内圧を確実に解放することができる。なお、刃部材62は島状の融着部55を当初から貫通して配置されているが、基本的に融着された部分であることから、刃部材62に移動が生じなければ容器51の内外が連通することはない。また、島状の融着部55は、容器51において熱封止部52を形成する際に同時に形成可能である点で有利である。
(3)本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ10において、穴あけ装置60の取り付け固定時には、刃支持体61の短腕部64が融着部55上に重ねて配置され、その短腕部64を介して刃部材62が融着部55に貫通される。このようにすると、容器51への穴あけ装置60の装着を迅速にかつ簡単に行うことができる。またこの場合、刃支持体61をコンパクトに形成することができるため、穴あけ装置60の部品コストを抑えることができる。さらに、刃支持体61は、E字形状で表裏対称の形状であるので、膨張変形したケース51に確実に当接して外周方向に動くことができる。また、刃支持体61において、ケース51が接触する長腕部63ではなく短腕部64に刃部材62を設けているので、ケース51の膨らみの影響を受けることなく、刃部材62を確実に固定することができる。さらに、この刃支持体61は、2つの長腕部63間に短腕部64を有した構造となっているため、刃部材62をその平面方向(切断方向)に沿って直線的に移動させやすい構造となっている。よって、ケース51を確実に切り裂くことができる。
(4)本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ10において、刃支持体61は、軟化点が100℃以上であるポリプロピレン樹脂を用いている。従って、ガス発生時に容器51表面が100℃程度の高温となった場合でも、刃支持体61が軟化することなく、その刃支持体61によって刃部材62が確実に支持される。そして、その刃部材62によって、膨張変形した容器51を確実に切断することができる。
(5)本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ10では、容器51表面に刃支持体61が接着剤を用いて固定されている。従って、振動が頻繁に加わる場所(例えば、自動車内)にリチウムイオンキャパシタ10を設置した場合でも、刃支持体61が容器51からずれ落ちることがなく、振動によって刃部材62が移動して容器51が開裂されるといった穴あけ装置60の誤作動を防止することができる。
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、穴あけ装置60の刃支持体61を平面視でE字形状に形成していたが、この形状は適宜変更することができる。例えば、平面視で四角形状やT字形状などの形状に刃支持体を変更し、膨張変形した容器51に当接する部位の面積を大きくすることで、刃支持体を確実に移動させるように穴あけ装置60を構成してもよい。
・上記実施の形態のリチウムイオンキャパシタ10では、正極用外部端子25及び負極用外部端子35が同一方向に(即ちケース51における同一の辺から)引き出されていたが、正極用外部端子25及び負極用外部端子35を互いに反対方向に引き出す構成としてもよい。上記実施の形態のように同一方向に各外部端子35を引き出す場合、異常時に容器51内でガスが発生すると、容器51は、積層体収納部53よりも外部端子25,35側の一方の領域が膨らんでいく。これに対して、正極用外部端子25及び負極用外部端子35を互いに反対方向に引き出す構成とする場合、容器51は、正極用外部端子25と負極用外部端子35とが設けられる両側の領域が膨らんでいく。従って、穴あけ装置60は、正極用外部端子25及び負極用外部端子35が設けられているいずれかの辺に装着してもよいし、両側の辺にそれぞれ設けてもよい。
また、図10に示されるリチウムイオンキャパシタ10Aのように、正極用外部端子25及び負極用外部端子35を互いに反対方向に引き出す構成とする場合、融着部55及び刃部材62を一方の外部端子(図10では右側の正極用外部端子25)の近傍に設け、刃支持体61Aを他方の外部端子(図10では左側の負極用外部端子35)の近傍に設けてもよい。なお、ここで用いられる穴あけ装置60Aは、刃支持体61Aと刃部材62とが細長い連結部材65によって連結されている。そして、異常時に容器51が膨らむと、刃支持体61Aは、膨張変形した容器51によって外周側に押出されるように移動する。刃部材62は、連結部材65によって引っ張られ、刃支持体61Aと連動して内側に動くことで、融着部55から積層体収納部53側の未融着部分まで容器51を切り裂く。この結果、容器51に穴が開き、容器51内で発生したガスが外部に放出される。
・上記実施の形態では、膨張変形した容器51によって刃支持体61,61Aが外周側に押出され、それに連動して刃部材62が直線的に容器51を切り裂くように穴あけ装置60,60Aを構成したが、これに限定されるものではない。例えば、刃支持体61,61Aの直線的な動きを円運動等に変換する部材を設け、刃部材62を円周方向に動かすことで容器51を曲線的に切り裂くように穴あけ装置を構成してもよい。
・上記実施の形態では、容器51に島状の融着部55を設け、その融着部55に刃部材62を突き刺して貫通させていたがこれに限定されるものではない。例えば、島状の融着部55の内側に貫通穴を形成しておき、その貫通穴内に刃部材62を貫通させた状態で配置させてもよい。この場合、容器51が膨張変形して刃支持体61が移動すると、その刃支持体61に連動して刃部材62が貫通穴からその外側に移動する。そして、その刃部材62が融着部55を切り裂くとともにその外側の未融着部まで切り裂くことで容器51が開裂され、容器51の内圧が開放される。
・上記実施形態では、本発明をリチウムイオンキャパシタ10に具体化したが、金属ラミネートフィルム製の容器51を備える蓄電デバイスであれば他の蓄電デバイスに本発明を具体化することができる。例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオン二次電池などに本発明を具体化してもよい。
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
(1)手段1乃至3のいずれか1項において、前記刃支持体は、軟化点が100℃以上である樹脂材料を用いて形成されることを特徴とする防爆機能付き蓄電デバイス。
(2)手段1乃至3のいずれか1項において、前記刃支持体は、前記容器の表面に接着剤を用いて固定されることを特徴とする防爆機能付き蓄電デバイス。
(3)手段1において、前記熱封止部と前記積層体収納部との間において前記金属ラミネートフィルムを熱融着してなる融着部を備えるとともに、前記融着部には貫通孔が形成され、前記刃部材は、前記貫通孔を貫通した状態で配置されていることを特徴とする防爆機能付き蓄電デバイス。
(4)手段1乃至3のいずれか1項において、前記刃支持体は、2つの長腕部と、それら長腕部の間に配置され前記刃部材を支持する短腕部とを有し、平面視がE字状に形成されていることを特徴とする防爆機能付き蓄電デバイス。
(5)手段1乃至3のいずれか1項において、前記容器は平面視で矩形状であり、その矩形状の容器における同一の辺から、前記正極に接続された正極端子と前記負極に接続された負極端子とが引き出され、前記正極端子と前記負極端子との間に前記穴あけ装置が装着されることを特徴とする防爆機能付き蓄電デバイス。
10,10A…防爆機能付蓄電デバイスとしてのリチウムイオンキャパシタ
11…電極積層体
21…正極
31…負極
41…セパレータ
51…容器
52…熱封止部
53…積層体収納部
55…融着部
60,60A…穴あけ装置
61,61A…刃支持体
62…刃部材
64…刃挿通部としての短腕部
11…電極積層体
21…正極
31…負極
41…セパレータ
51…容器
52…熱封止部
53…積層体収納部
55…融着部
60,60A…穴あけ装置
61,61A…刃支持体
62…刃部材
64…刃挿通部としての短腕部
Claims (3)
- シート状に成形された正極と負極とがセパレータを介して積層されてなる電極積層体を有し、前記電極積層体が電解液とともに金属ラミネートフィルム製の容器内に収容され、前記容器の外周縁に沿って前記金属ラミネートフィルムを帯状に熱融着してなる熱封止部により前記容器が密封封止された防爆機能付き蓄電デバイスであって、
前記容器の外周縁の部位を挟み込んだ状態で取り付け固定される刃支持体と、前記刃支持体に支持されるとともに前記容器において前記熱封止部よりも中心部側の位置に配置される刃部材とを有する穴あけ装置を備え、
前記刃支持体は、ガス発生時に膨張変形する前記容器に押し出されることにより前記容器の外周方向に移動し、前記刃部材は、前記刃支持体とともに移動することで前記容器を切り裂く
ことを特徴とする防爆機能付き蓄電デバイス。 - 前記熱封止部と前記積層体収納部との間において前記金属ラミネートフィルムを熱融着してなる融着部を備えるとともに、前記刃部材は、前記融着部を貫通した状態で配置されていることを特徴とする請求項1に記載の防爆機能付き蓄電デバイス。
- 前記刃支持体は、前記穴あけ装置の取り付け固定時に前記融着部上に重ねて配置される刃挿通部を有し、前記刃部材は、前記刃挿通部を介して前記融着部を貫通した状態で配置されていることを特徴とする請求項2に記載の防爆機能付き蓄電デバイス。
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