JP2013062113A - 二次電池およびそれを用いた組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】異常時に電池内部で発生する大量のガスを効率的に電池ケース外へ排出される構造の二次電池を提供する。
【解決手段】封口体は、圧力の上昇に伴い開口する弁体と、端子キャップ８とを少なくとも備える。また、端子キャップ８の少なくとも一部には、前記弁体の開口から排出されたガスにより溶断することで電池外部にガスを開放する溶断部２０ｂが設けられる。したがって、異常時に大量のガスが発生した場合、溶断部２０ｂが溶断することで、ガス排出部が拡大し、より速やかにガスを排出することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池ケースに発電要素を挿入して封口体で封口する二次電池に関し、特にその封口体の構造を改良することで安全性を向上した二次電池およびそれを用いた組電池に関する。

近年、電子機器のポータブル化およびコードレス化が急速に進んでおり、このような機器に用いる駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望が高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵装置や電気自動車用途としての二次電池の需要も拡大し、高出力特性、長期にわたる耐久性、および安全性などの特性も要求されている。

ところで、二次電池は、充電器を含む機器の故障や過充電あるいは誤使用などが生じた場合、電解質や活物質が分解して多量のガスが発生し、電池の内部圧力が過大となる危険性がある。そのような場合には、電池が破裂したり、使用機器に損傷を与えたりするなどのおそれがあるため、二次電池の封口体には、発生したガスを速やかに外部に排出することで、電池内部のガスの圧力を低下させる安全機能が付加されている。具体的には、封口体は、電池内部の圧力で開口する弁体を備えており、その開口部から排出したガスは、端子キャップに設けられた開放部から電池外部へ放出される。このような機構によって、異常時の電池内部の圧力上昇を抑え、電池の破裂を防いでいる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１３５３２０号公報

しかしながら、弁体の作動により形成された開口部を通してガスが放出されても、そのガスが端子キャップの開放部から速やかに排出できない場合には、電池が破損し、不安全となる危険性がある。特に高容量、高出力特性を有する二次電池においては、多量のガスが発生するおそれがあることから、その危険性は高くなる。

また、端子キャップの開放部からのガス排出能力を向上するために、開放部の面積を大きくした場合は、端子キャップの強度が弱くなる。したがって、端子キャップに、他の電池や負荷と電気的に接続する接続板を接続する際に、その接続部の変形による接触不良が起こり易くなり、信頼性の観点で問題が生じる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、信頼性を確保しつつ、異常時に電池内部で発生したガスを速やかに電池外部へ排出することで安全性を向上した二次電池を提供することにある。

本発明に係る二次電池は、発電要素を電解質とともに電池ケースに収容し、前記電池ケースの開口部を封口体で封口した二次電池であって、前記封口体は、端子キャップと、電池内部の圧力の上昇に伴い開口する弁体と、を少なくとも備え、前記端子キャップの少なくとも一部には、前記弁体の開口から排出されたガスにより溶断することで電池外部にガ
スを開放する開口を形成する溶断部を備えることを特徴とする。

このような構成の二次電池によれば、通常使用時においては、端子キャップの強度が確保されることで接続の信頼性を維持しつつ、異常時においては、端子キャップの溶断部の溶断により形成されたた開口により、速やかにガスを開放することができるため、電池の破損を防ぎ、安全性を向上することができる。

本発明によれば、接続の信頼性を確保しつつ、異常時に電池内部で発生したガスを速やかに電池外部へ排出することで安全性を向上した二次電池を実現できる。

本発明の一実施形態に係る二次電池の断面図 本発明の一実施形態の端子キャップの斜視図 本発明の他の実施形態に係る二次電池の断面図 本発明の他の実施形態の端子キャップの斜視図 （ａ）本発明の他の実施形態の端子キャップの斜視図、（ｂ）上記端子キャップのＡ―Ａ断面における断面図 （ａ）本発明の他の実施形態の端子キャップの斜視図、（ｂ）上記端子キャップのＡ―Ａ断面における断面図、（ｃ）接続板が接続された上記端子キャップの斜視図 （ａ）本発明の他の実施形態の端子キャップの斜視図、（ｂ）上記端子キャップのＡ―Ａ断面における断面図、（ｃ）接続板が接続された上記端子キャップの斜視図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池の断面図である。本発明の二次電池は、例えば、図１に示すような、円筒形のリチウムイオン二次電池を用いることができる。このリチウムイオン二次電池は、内部短絡等の発生により電池内の圧力が上昇したとき、ガスを電池外部に放出する安全機構を備えている。

以下、図１を参照しながら、電池１００の具体的な構成を説明する。

図１に示すように、正極１と負極２とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、非水電解液（不図示）とともに、有底で筒状の電池ケース７に収容されている。電極群４の上側には、上部絶縁板９、下側には下部絶縁板１０が配され、正極１は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極２は、負極リード６を介して電池ケース７の底部に接合されている。電池ケースの外側面は、絶縁材（不図示）で覆われており、電池ケース７の底面が負極の外部端子となっている。

電池ケース７の開口部には、封口体１５が配置されて、電池ケース７とかしめられることで電池１００は封口される。封口体１５は、フィルタ１２、インナーキャップ１３、弁体１４、端子キャップ８、及びガスケット１１からなる。フィルタ１２は、インナーキャップ１３に接続され、インナーキャップ１３の突起部は、金属製の弁体１４に接合されている。さらに、弁体１４は、端子キャップ８に接続されている。正極１は、正極リード５を介してフィルタ１２と接続され、端子キャップ８が正極の外部端子となっている。

電池１００に内部短絡等の異常が発生して、電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が端子キャップ８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と弁体１４との接合がはずれると、電流経路が遮断される。さらに電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が破断する。これによって、電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２の貫通孔１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁体１４の裂け目、そして、端子キャップ８の開放部２０ａを介して、電池外部へ排出される。さらに、本実施形態においては、端子キャップ８に溶断部（図１では不図示）が設けられており、この溶断部が溶断することで形成される開口からもガスを電池外部へ排出することができる。

なお、本発明において、電池１００内に発生したガスを外部に排出する安全機構は、図１に示した構造に限定されず、他の構造のものであってもよい。

本実施形態について、以下、図２を用いてさらに詳細に説明する。図２は、本実施形態の封口体１５に用いられる端子キャップ８を示している。端子キャップ８は円形状の底面２２から、その中央部が電池外部側へ押し出された凸部２３を有している。本実施形態では、凸部２３の側面２０に複数の開放部２０ａが配置され、さらに隣接する開放部２０ａの間には、溶断部２０ｂを有している。

電池の異常時において、多量のガスが発生すると、弁体１４が作動することで、電池内部のガスが、フィルタ１２の貫通孔１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁体１４の裂け目を通り、端子キャップ８の開放部２０ａから外部へ排出される。このとき、電池内部のガスは、非常に高温であり、そのガスが溶断部２０ｂを押圧することで、溶断部２０ｂが溶断し、ガスの排出面積が拡大する。さらに、隣接する開放部２０ａが連結することによって圧力損失も解消され、より速やかにガスを電池外部へ排出できることができる。

また、この溶断部２０ｂは、異常時のみ溶断する。したがって、通常使用時においては溶断部２０ｂによって端子キャップの強度が保持されるため、端子キャップに接続板を接続する際も、その接続部の変形による接触不良を防ぐことができる。

また、異常時に溶断部２０ｂを溶断させることで、十分なガスの排出面積を確保できるよう溶断部２０ｂの面積を設定すれば、予め設ける開放部２０ａの面積を低減することができる。よって、通常使用時の端子キャップの強度をさらに上げることができる。

なお、開放部２０ａ及び溶断部２０ｂの位置、形状、個数は限定されるものではなく、端子キャップの強度および排気能力より設定される。また、溶断部２０ｂの肉厚は、溶断を確実にするために、端子キャップ８の他の部分の肉厚に対し、相対的に薄肉化することが好ましい。

（実施の形態２）
次に、本発明に係る他の実施形態について、図３〜図５を用いて説明する。図３は、本発明の他の実施形態に係る二次電池の断面図、図４は、その封口体１５に用いられる端子キャップ８の斜視図を示している。

本実施形態の端子キャップ８は、図４に示すように、底面２２に薄肉形成された複数の溶断部２２ｂを有している。

以下、本実施形態において、異常時に発生したガスを電池外部へ排出する方法について、図を参照しながら説明する。上述したように、電池の異常時において電池内部の圧力が増加すると、弁体１４が作動することで、電池内部のガスが、フィルタ１２の貫通孔１２
ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁体１４の裂け目を通り、端子キャップ８の開放部２０ａから外部へ排出される。本実施形態によれば、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａから排出された高温のガスの一部が、弁体の貫通孔１４ａを通り、端子キャップ８の底面２２に薄肉形成された溶断部２２ｂを押圧する。よって、溶断部２２ｂが破断をすることで新たな開口が形成される。したがって、本実施形態によれば、端子キャップ８の開放部２０ａに加えて、溶断部２２ｂによる開口からもガスの排出が可能となり、ガスの排出能力が向上する。

なお、溶断部２２ｂの位置、個数は限定されるものではなく、端子キャップの強度および排気能力により適宜設定される。また、溶断部２２ｂの形状は、平面視矩形、またはその他の多角形であっても良いし、略円形であっても良いし、直線部分と円弧部分とを含む形状であっても良い。

また、異常時に溶断部２２ｂを溶断させることで、十分なガスの排出面積を確保できるよう溶断部２２ｂの面積を設定すれば、予め設ける開放部２０ａの面積を低減、又は無くすことができる。このような構成にすることで、通常使用時の端子キャップの強度をさらに上げることができる。

また、溶断部２２ｂにより開口する領域は、溶断部２２ｂとして薄肉形成された領域に限定されるものではない。たとえば、開口させる領域の周縁部のみに切り込み（溶断部）を形成し、この切り込みを溶断させることで、切り込みに囲まれた領域を損失させ開口するように構成してもよい。その場合は、開口する領域の全てを薄肉化する場合と比較して、薄肉化による端子キャップ８の強度低下を抑制しつつ、異常時に開口する面積を大きくすることが可能となる。

図５は、本実施形態の変形例に係る端子キャップの（ａ）斜視図、及び（ｂ）（ａ）のＡ―Ａ断面図を示している。図５の端子キャップ８においても、底面２２に薄肉形成された溶断部２２ｂを有しているが、その溶断部２２ｂは、端子キャップ８の底面２２の周縁に円状に形成されている。このように溶断部２２ｂを形成した場合は、電池の異常時において、溶断部２２ｂが破断をすることで、その内側に位置する底面２２および凸部２３が損失し、開口する。したがって、より大きなガス排出面積が確保でき、排気能力を向上させることができる。

ところで、複数の二次電池を電気的に並列接続して組電池とする場合、各二次電池の正負極の外部端子を、それぞれ対応する接続板に接続して構成される。例えば図５に示した端子キャップ８を有する二次電池を用いた場合、正極の外部端子である端子キャップ８の凸部の天面２１に接続板が溶接されて組電池が構成される。このような組電池では、１個の電池で異常による内部圧力の増加が発生すると、その電池の溶断部２２ｂが破断し、接続板が接続されている端子キャップ８の凸部が損失することで、異常電池への電流が遮断される。したがって、このような本実施形態の二次電池を用いた組電池においては、異常電池のガス排出能力を上げるとともに、異常電池への電流を遮断することにより組電池としての安全性を向上することができる。

（実施の形態３）
さらに、本発明に係る他の実施形態について図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は、本発明の他の実施形態に係る二次電池の封口体１５に用いられる端子キャップ８の（ａ）斜視図、（ｂ）（ａ）のＡ―Ａ断面図、及び（ｃ）接続板を接続した端子キャップの概念図を示している。

本実施形態の端子キャップ８は、図６及び図７に示すように、その凸部２３の天面２１
に薄肉形成された溶断部２１ｂを有している。

本実施形態によれば、内部圧力が所定以上となった場合、端子キャップ８の凸部２３の天面２１に薄肉形成された溶断部２１ｂが溶断することで開口が形成される。したがって、通常使用時においては端子キャップ８の強度が保持され接続不良を防ぎつつ、異常時には新たに形成された開口からガスが排出されることで、電池の異常過熱を防ぎ、電池の安全性を向上することができる。

また、端子キャップ８の凸部の天面２１に接続板２４を接続する場合、溶接面積が大きいほど接続強度は大きくなるが、溶断部２１ｂの上部にも接続板２４が配置されると、異常時のガス排出が接続板２４によって妨げられてしまう。したがって、溶接面積を確保し、かつ異常時のガスの排気能力を速やかにするため、図６（ｃ）、または図７（ｃ）のように溶断部２１ｂに対応する部分に開口を有する接続板２４を用いることが好ましい。

なお、本実施形態においても、溶断部２１ｂの位置、個数は、図６及び図７に限定されるものではなく、端子キャップ８の強度および排気能力により適宜設定される。また、溶断部２１ｂの形状は、略円形であっても良いし、直線部分と円弧部分とを含む形状であっても良いし、平面視矩形、またはその他の多角形であっても良い。

また、本実施形態のように端子キャップ８の凸部の天面２１に溶断部２１ｂを形成する場合であっても、溶断部２１ｂにより開口する領域は、溶断部２１ｂとして薄肉形成された領域に限定されるものではない。たとえば、開口させる領域の周縁部のみに切り込み（溶断部）を形成し、この切り込みを溶断させることで切り込みに囲まれた領域を損失させ開口するように構成してもよい。このような構造の端子キャップ８とすることで、凸部２３の天面２１の強度が上がり、負荷又は他の電池と接続させる接続板との溶接が容易となる。

また、天面２１に切り込みを形成し、その切り込みの内側に接続板を溶接することで組電池を構成した場合は、１個の電池が異常により溶断部２１ｂが破断することで、接続板が接続されている端子キャップ８の凸部の天面２１が損失し、その異常電池への電流を遮断することができる。したがって、このような本実施形態の二次電池を用いた組電池においては、異常電池のガス排出能力を確保するとともに、異常電池への電流を遮断することにより組電池としての安全性を向上することができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、本発明における溶断部は、例えば、低融点金属を配置したり、薄肉形成したりすることで構成することができる。低融点材料を用いる場合は、溶断性能の観点から、１１００℃以下で溶融する材料が好ましく、特にアルミニウム又はアルミニウム合金等からなることが好ましい。また、端子キャップをアルミニウム又はアルミニウム合金で構成し、溶断部の肉厚を相対的に薄く形成する場合は、溶断部の肉厚を０．２ｍｍ以上、１．８ｍｍ以下とすることが好ましい。肉厚が薄すぎると端子強度の維持が困難となり、肉厚が厚すぎると溶断性能が確保できない可能性があるためである。

また、以上の実施形態の記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。

二次電池は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池であっても良いし、ニッケル水素二次電池等であっても良い。

二次電池の構成要素（正極板、負極板、セパレータ及び電解質等）の材料及び厚み等は
、それぞれ、二次電池の構成要素として公知の材料及び厚み等を特に限定されることなく採用できる。また、正極板及び負極板の構成（例えば、集電板の厚み、合剤層の厚み及び合剤層における各材料の含有量等）は、それぞれ、二次電池の正極板及び負極板の構成として公知の構成を特に限定されることなく採用できる。

以上説明したように、本発明は、携帯型電子機器、移動体通信機器又は車両等の駆動用電源として有用である。

１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４ 電極群
５ 正極リード
６ 負極リード
７ 電池ケース
８ 端子キャップ
９ 上部絶縁板
１０ 下部絶縁板
１１ ガスケット
１２ フィルタ
１３ インナーキャップ
１４ 弁体
１５ 封口体
２０ 側面
２０ａ 開放部
２１ 天面
２２ 底面
２３ 凸部
２０ｂ、２１ｂ、２２ｂ 溶断部
１００ 電池

Claims (7)

1. 発電要素を電解質とともに電池ケースに収容し、前記電池ケースの開口部を封口体で封口した二次電池であって、
   前記封口体は、端子キャップと、電池内部の圧力の上昇に伴い開口する弁体と、を少なくとも備え、
   前記端子キャップの少なくとも一部には、前記弁体の開口から排出されたガスにより溶断することで電池外部にガスを開放する開口を形成する溶断部を備えることを特徴とする二次電池。
2. 前記端子キャップは、電池外部にガスを開放する開放部を複数有し、前記溶断部は隣接する２つの開放部の間に位置するよう配置されている請求項１に記載の二次電池。
3. 前記端子キャップは凸部を有し、前記凸部の天面に前記溶断部が形成された請求項１に記載の二次電池。
4. 前記端子キャップは、前記溶断部が溶断することで、前記溶断部で囲まれた領域が開口する請求項１に記載の二次電池。
5. 前記溶断部は薄肉化されて形成される請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池。
6. 前記溶断部は、アルミニウム、またはアルミニウム合金によって形成される請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池。
7. 二次電池を電気的に並列接続してなる組電池において、前記二次電池を請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池を用いて構成したことを特徴とする組電池。