JP2013114925A

JP2013114925A - 電池

Info

Publication number: JP2013114925A
Application number: JP2011260541A
Authority: JP
Inventors: Seigo Nakamura; 成吾中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-06-10

Abstract

【課題】電池反応に影響を与えずに過充電時に電極体への電流の印加を遮断することができる電池を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係る電池は、正極及び負極を有する電極体と、電極体が収容されるケース２と、電極体に電気的に接続される外部端子３と、電流遮断機構５と、を備え、電流遮断機構５は、ケース２内に形成される密閉部５１と、密閉部５１に収容され、電極体に電気的に接続される発熱部５３と、密閉部５１に収容され、発熱部５３の発熱によって気化又は気体が放出される気体発生媒体５２と、外部端子３及び電極体に直列に電気的に接続され、密閉部５１内の圧力が上昇すると、弁機構５４２が作動して外部端子３と電極体との電気的接続を断つ電流遮断部５４と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、電池に関し、特に過充電時に電極体への電流の印加を遮断する電流遮断機構を備える電池に関する。

近年、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池その他の二次電池（蓄電池）は、車両搭載用電源、或いはパソコン及び携帯端末の電源として重要性が高まっている。二次電池は、例えば電極体及び電解質を収容したケースが密閉された構成とされている。

このような電池は、過充電時に電極体への電流の印加を良好に遮断することができる機構を備えていることが好ましい。例えば、特許文献１の電池は、電解質にガス発生添加剤を添加している。ケース内の温度が上昇すると当該ケース内にガスが放出され、ケース内の圧力が上昇する。それに伴い、電流遮断機構が作動して電極体への電流の印加を遮断する。

特開２００３−２５７４７９号公報

特許文献１の電池は、ガス発生添加剤を電解質に添加するので、電極体等への副反応を起こして電池反応に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、電池反応に影響を与えずに過充電時に電極体への電流の印加を遮断することができる、電池を提供することである。

本発明の一形態に係る電池は、正極及び負極を有する電極体と、前記電極体が収容されるケースと、前記電極体に電気的に接続される外部端子と、電流遮断機構と、を備え、前記電流遮断機構は、前記ケース内に形成される密閉部と、前記密閉部に収容され、前記電極体に電気的に接続される発熱部と、前記密閉部に収容され、前記発熱部の発熱によって気化又は気体が放出される気体発生媒体と、前記外部端子及び前記電極体に直列に電気的に接続され、前記密閉部内の圧力が上昇すると、弁機構が作動して前記外部端子と前記電極体との電気的接続を断つ電流遮断部と、を備える。

上記電池において、前記発熱部は、前記電極体と並列に電気的に接続され、且つ前記発熱部の一方の端子は、前記電流遮断部と前記電極体との間に電気的に接続されていること、が好ましい。

上記電池において、前記電流遮断部は、前記電極体に直列に電気的に接続され、前記気体発生媒体の通路及び前記通路に連通する連通孔を有する接続端子と、前記外部端子が電気的に接続され、前記連通孔を開閉する弁を有する弁機構と、を備え、前記弁は、前記密閉部内の圧力が上昇する前の状態では前記連通孔を閉じて前記接続端子と電気的に接続し、前記密閉部内の圧力が上昇すると前記連通孔を開いて前記接続端子との電気的接続を断つこと、が好ましい。

上記電池において、前記発熱部は、前記電極体の通常使用上限電圧より高電位で作動する、ツェナーダイオードを備えること、が好ましい。

上記電池において、前記気体発生媒体は、水、二酸化炭素、水素の少なくとも一つを吸着可能な、活性炭、シリカゲル、アルミナ、ゼオライト、吸収性ポリマーのいずれかであること、が好ましい。

上記電池において、前記気体発生媒体は、水、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、シメチルカーボネートのいずれかであること、が好ましい。

以上、説明したように、本発明によると、電池反応に影響を与えずに過充電時に電極体への電流の印加を遮断することができる、電池を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電池を示す模式図である。図１のII−II矢視断面図である。本発明の実施の形態に係る電池における、通常時の電流遮断機構を示す模式図である。電流遮断機構の密閉部を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る電池の回路図である。本発明の実施の形態に係る電池における、発熱部の作動時を示す図である。本発明の実施の形態に係る電池における、異常時の電流遮断機構を示す模式図である。本発明の実施の形態に係る電池における、発熱部及び電流遮断機構の作動時を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

本実施の形態の電池は、図１乃至３に示すように、電極体１、ケース２、正極外部端子３、負極外部端子４、電流遮断機構５を備えている。

電極体１は、図２に示すように、図示を省略した電解質と共にケース２内に収容されている。電極体１としては、一般的な密閉型電池と同様の電極体を用いることができる。つまり、電極体１は、図示は省略するが、正極シート、負極シート、セパレータを備えている。

詳細には、正極シートと負極シートとがセパレータと共に積層された状態で捲回されている。具体的に云うと、正極シートにおける集電箔に正極活物質が塗布された塗工部と負極シートにおける集電箔に負極活物質が塗布された塗工部とセパレータとが密に捲回されたコア部分から、正極シートの未塗工部及び負極シートの未塗工部がはみ出している。正極シートの未塗工部に正極外部端子３が電気的に接続されている。負極シートの未塗工部に負極外部端子４が電気的に接続されている。

ケース２には、電極体１及び電解質、電流遮断機構５が収容されている。ケース２は、密閉構造とされている。ケース２の上面からは、正極外部端子３及び負極外部端子４がそれぞれ突出している。ちなみに、ケース２には、電解質を注入する注入口が形成されている。注入口は、蓋部材２１によって開閉可能とされている。

正極外部端子３は、正極シートの未塗工部に電気的に接続されている。また、負極外部端子４は、負極シートの未塗工部に電気的に接続されている。

電流遮断機構５は、図３に示すように、ケース２内に収容されている。電流遮断機構５は、密閉部５１、気体発生媒体５２、発熱部５３、電流遮断部５４を備えている。

密閉部５１は、ケース２内の一部分を密閉する。本実施の形態の密閉部５１は、正極外部端子３の直下部分に形成されている。密閉部５１は、カバー部材５１１と遮蔽壁５１２と電流遮断部５４とで密閉空間を形成している。

カバー部材５１１は、上面が開放されている箱形状に形成されている。詳細には、カバー部材５１１は、第１の部屋５１１ａ、第２の部屋５１１ｂを備えている。第１の部屋５１１ａと第２の部屋５１１ｂとは、仕切り壁５１１ｃによって仕切られており、上部で相互に連通している。第１の部屋５１１ａには、気体発生媒体５２及び発熱部５３が収容されている。一方、第２の部屋５１１ｂには、電流遮断部５４の接続端子５４１が収容されている。

このようなカバー部材５１１の四側部の上端部は、ケース２の内側面における上面に連結されている。本実施の形態のカバー部材５１１は、図４に示すように、電流遮断部５４の接続端子５４１と略等しい奥行寸法（前後方向の幅寸法）Ｌ１に形成されている。そして、カバー部材５１１の右側部、前側部及び後側部の上端部は、ケース２の内側面における上面に連結されている。

ここで、カバー部材５１１の前側部及び後側部は、図４に破線で示すように、Ｌ字形状に形成されている。カバー部材５１１の前側部における左右方向に突出する部分は、電流遮断部５４の接続端子５４１の前側部を覆っている。また、カバー部材５１１の後側部における左右方向に突出する部分は、電流遮断部５４の接続端子５４１の後側部を覆っている。

カバー部材５１１の左側部は、電流遮断部５４の接続端子５４１と略等しい高さ（上下方向の高さ）Ｈ１に形成されている。カバー部材５１１の左側部は、電流遮断部５４の接続端子５４１の左側部を覆っている。

遮蔽壁５１２は、電流遮断部５４の接続端子５４１の右側部とケース２の上面との隙間を塞ぐ。詳細には、遮蔽壁５１２の前側部は、ケース２の内側面における前側面に連結されている。遮蔽壁５１２の後側部は、ケース２の内側面における後側面に連結されている。遮蔽壁５１２の上端部は、ケース２の内側面における上面に連結されている。遮蔽壁５１２の下端部は、電流遮断部５４の接続端子５４１に連結されている。
その結果、カバー部材５１１と遮蔽壁５１２とで電流遮断部５４の接続端子５４１を覆っている。

気体発生媒体５２は、発熱部５３の発熱によって気化又は気体を放出する。例えば、気体発生媒体５２としては、水、二酸化炭素、水素等の熱によって気化する媒体を吸着可能な活性炭、シリカゲル、アルミナ、ゼオライト、吸収性ポリマー等を用いることができる。または、気体発生媒体５２としては、水、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、シメチルカーボネート等の熱によって気化する媒体を用いることができる。この気体発生媒体５２は、図３に示すように、カバー部材５１１の第１の部屋５１１ａに収容されている。ちなみに、気体発生媒体５２は、ケース２に形成された挿入口２２から挿入される。挿入口２２は、気体発生媒体５２の挿入後に、図示を省略した蓋部材で塞がれる。

発熱部５３は、電極体１が過充電状態となった際に発熱し、気体発生媒体５２を気化又は気体発生媒体５２から気体を放出させる。本実施の形態の発熱部５３は、ツェナーダイオード（定電圧ダイオード）を備えている。この発熱部５３は、電極体１の通常使用上限電圧（即ち、降伏電圧）より高電位で作動する。つまり、電極体１が過電流となり、電極体１の通常使用上限電圧より高い電圧が発熱部５３に印加されると、発熱部５３は作動する。

発熱部５３は、図３乃至５に示すように、電極体１と並列に電気的に接続されている。発熱部５３の負極端子は、負極外部端子４に電気的に接続されている。発熱部５３の正極端子は、電流遮断部５４を介して正極外部端子３に電気的に接続されている。ここで、発熱部５３の正極端子は、図５に示すように、電流遮断部５４と電極体１の正極端子との間に電気的に接続されている。これにより、電極体１の状態に基づいて発熱部５３を作動させることができる。

電流遮断部５４は、接続端子５４１、弁機構５４２を備えている。電流遮断部５４は、密閉部５１内の圧力が上昇すると、弁機構５４２が作動して外部端子と電極体１との電気的接続を断つ。

詳細には、電流遮断部５４は、図３乃至５に示すように、電極体１と直列に電気的に接続されている。本実施の形態の電流遮断部５４の接続端子５４１は、左右方向から見ると、コの字形状に形成されている。つまり、接続端子５４１には、気体発生媒体５２が気化したことにより発生した気体、又は気体発生媒体５２から放出された気体が通る通路５４１ａが形成されている。ちなみに、本実施の形態の接続端子５４１は、前後方向に延在する下側の部分に左右方向に延在する接続端子５４３が一体的に接続されているが、省略しても良い。

接続端子５４１は、導電部材から成る。接続端子５４１の一端部は、正極外部端子３に電気的に接続されている。接続端子５４１の他端部は、発熱部５３の正極端子に電気的に接続されている。また、接続端子５４１の他端部は、電極体１の正極端子に電気的に接続されている。

接続端子５４１における前後方向に延在する上側の部分には、連通孔５４１ｂが形成されている。この連通孔５４１ｂは、弁機構５４２によって開閉可能とされている。

弁機構５４２としては、一般的な弁を有する電流遮断弁を用いることができる。つまり、弁機構５４２は、図３に示すように、蓋体５４２ａ、弁５４２ｂを備えている。蓋体５４２ａ及び弁５４２ｂは、導電部材から成る。蓋体５４２ａは、内部に弁５４２ｂの稼働空間を備えている。蓋体５４２ａには、正極外部端子３が電気的に接続されている。蓋体５４２ａの下部には、弁５４２ｂの外周縁部が電気的に接続されている。

弁５４２ｂは、通常時は接続端子５４１の連通孔５４１ｂを閉じ、密閉部５１内の圧力が上昇すると接続端子５４１の連通孔５４１ｂを開く。本実施の形態の弁５４２ｂは、中央部分に下方に突出する凸部５４２ｂ１を備えている。この凸部５４２ｂ１で接続端子５４１の連通孔５４１ｂが閉じられる。ちなみに、通常時において、当該凸部５４２ｂ１以外の部分が接続端子５４１に接触しないように、蓋体５４２ａ及び弁５４２ｂと接続端子５４１との間には、絶縁部材５４４が配置される。

このような構成の電池は、通常の充電時には、接続端子５４１と弁機構５４２の弁５４２ｂとが電気的に接続された状態であり、電極体１に充電が実施される。一方、過充電となると、図６に示すように、発熱部５３が発熱する。それに伴い、気体発生媒体５２が発熱部５３によって熱せられ、気体発生媒体５２が気化、又は気体発生媒体５２から気体が放出され、密閉部５１内の圧力が上昇する。このとき、密閉部５１内の圧力の上昇は、接続端子５４１の通路５４１ａ及び連通孔５４１ｂを介して弁機構５４２の弁５４２ｂに伝達される。これにより、弁５４２ｂは、図７に示すように、上方に押し上げられ、接続端子５４１との電気的接続が断たれる。つまり、図８に示すように、電流遮断機構５が作動して電極体１と正極外部端子３との電気的接続が遮断される。このように密閉部５１内に気体発生媒体５２を収容し、密閉部５１内で気体発生媒体５２を気化、又は気体発生媒体５２から気体を放出して当該密閉部５１内の圧力を上昇させて、電流遮断機構５を作動させるので、電解質に影響を与えることがない。

しかも、本実施の形態の発熱部５３は、ダイオードを用いたので、電流遮断部５４が作動して電流が遮断されても、電極体１が過充電状態の高電位であれば当該発熱部５３を介して電流が流れ、過充電状態を緩和することができる。

以上、本発明に係る電池の実施の形態を説明したが、上記に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

１電極体
２ケース、２１蓋部材
３正極外部端子
４負極外部端子
５電流遮断機構
５１密閉部
５２気体発生媒体
５３発熱部
５４電流遮断部
５１１カバー部材、５１１ａ第１の部屋、５１１ｂ第２の部屋、５１１ｃ仕切り壁
５１２遮蔽壁
５４１接続端子、５４１ａ通路、５４１ｂ連通孔
５４２弁機構、５４２ａ蓋体、５４２ｂ弁、５４２ｂ１凸部
５４３接続端子
５４４絶縁部材

Claims

正極及び負極を有する電極体と、
前記電極体が収容されるケースと、
前記電極体に電気的に接続される外部端子と、
電流遮断機構と、
を備え、
前記電流遮断機構は、
前記ケース内に形成される密閉部と、
前記密閉部に収容され、前記電極体に電気的に接続される発熱部と、
前記密閉部に収容され、前記発熱部の発熱によって気化又は気体が放出される気体発生媒体と、
前記外部端子及び前記電極体に直列に電気的に接続され、前記密閉部内の圧力が上昇すると、弁機構が作動して前記外部端子と前記電極体との電気的接続を断つ電流遮断部と、
を備える電池。
前記発熱部は、前記電極体と並列に電気的に接続され、且つ前記発熱部の一方の端子は、前記電流遮断部と前記電極体との間に電気的に接続されている請求項１に記載の電池。
前記電流遮断部は、
前記電極体に直列に電気的に接続され、前記気体発生媒体の通路及び前記通路に連通する連通孔を有する接続端子と、
前記外部端子が電気的に接続され、前記連通孔を開閉する弁を有する弁機構と、
を備え、
前記弁は、前記密閉部内の圧力が上昇する前の状態では前記連通孔を閉じて前記接続端子と電気的に接続し、前記密閉部内の圧力が上昇すると前記連通孔を開いて前記接続端子との電気的接続を断つ請求項１又は２に記載の電池。
前記発熱部は、前記電極体の通常使用上限電圧より高電位で作動する、ツェナーダイオードを備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池。
前記気体発生媒体は、水、二酸化炭素、水素の少なくとも一つを吸着可能な、活性炭、シリカゲル、アルミナ、ゼオライト、吸収性ポリマーのいずれかである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電池。
前記気体発生媒体は、水、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、シメチルカーボネートのいずれかである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電池。