JP2013131430A - 密閉型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出する。
【解決手段】正極板及び負極板がセパレータを介して捲回または積層された電極群が、電池ケース内に収容され、前記電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板によって封口されており、前記電極群には、前記電池ケースの開口部側に絶縁板が配設されており、前記電極群の一方の極の極板は、リードを介して、前記封口板に接続された密閉型二次電池において、前記リードは絶縁板に配置された少なくとも一つの穴の間を通過して接続され、前記絶縁板は円型であり、円外周部の厚みが中心部の厚みに対して１３０％以上３００％以下であることにより、電池内の圧力が異常に上昇しても安全にガスを排出可能にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、密閉型二次電池に関し、特に電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁の改良に関する。

充放電可能な密閉型二次電池は、エネルギー密度が高いため、内部短絡または外部短絡が発生した場合、あるいは、異常加熱や異常衝撃等が発生した場合、電池内部で急激な充放電反応または化学反応により急激なガス発生が起こり、これにより、電池ケースが膨張したり、さらには破裂したりするおそれがある。そのため、多くの密閉型二次電池には、電池内の圧力が所定値に達すると、電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁等の防爆機構が設けられている。

一方、エネルギー密度を高めた密閉型二次電池としては、正極板及び負極板を、セパレータを介して捲回または積層した電極群を、電解液とともに電池ケース内に収容した構成が知られている。ここで、電池ケースの開口部は、ガスケットを介して安全弁を備えた封口板で封口され、正極板は、正極リードを介して封口板に接続され、負極板は、負極リードを介して電池ケースの底部に接続されている。このとき、電極群が電池ケース内で移動または変形するのを防止するとともに、正極板または負極板が、正極リードおよび負極リードまたは電池ケースと接触して内部短絡が生じるのを防止するために、電極群の上下には、絶縁板が配置されている。

ところで、エネルギー密度を高めた密閉型二次電池では、内部短絡等の異常時に、電池内の温度及び圧力が急激に増加することによって変形した電極群が、安全弁を閉塞してしまうと、電池ケースが破裂する畏れがある。

そこで、特許文献１には、電極群の変形を防止するために、電極群の上部に配置する絶縁板を、耐熱性及び強度に優れた、ガラスクロスを基材としたフェノール樹脂で構成する技術が記載されている。

特開２００２−２３１３１４号公報

しかしながら、電極群の上部に配置する絶縁板に、耐熱性及び強度に優れた材料を用いても、電池内の圧力が急激に上昇した場合、たとえ安全弁が作動しても、電池内の圧力を素早く開放することができなければ、電池ケース自身が破裂してしまう畏れがある。また、急激に上昇した圧力が、直接封口板に作用すると、封口板自身が電池ケースから外れてしまう畏れがある。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出することのできる密閉型二次電池を提供することにある。

本発明に係る密閉型二次電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回または積
層された電極群が、電池ケース内に収容され、電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板によって封口されており、電極群には、電池ケースの開口部側に絶縁板が配設されており、電極群の一方の極の極板は、リードを介して、封口板に接続された密閉型二次電池において、リードは絶縁板に配置された少なくとも一つの穴の間を通過して接続され、前記絶縁板は円型であり、円外周部の厚みが中央の厚みに対して１３０％以上３００％以下であることを特徴とする。

また、上記絶縁板の開口面積は、絶縁板面積に対して３０％以上６０％以下であることが好ましい。

さらに、上記絶縁板は、電池ケースの側壁に形成された窪み部によって保持されているのも好ましい。

そして、上記絶縁板は、ガラスフェノール樹脂からなることが好ましい。

本発明によれば、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出することのできる密閉型二次電池を提供することができる。

本発明の一実施形態における密閉型二次電池の構成を示した断面図 絶縁板中央の厚みと円外周部の厚みの関係を変化させたときの安全性試験の結果を示す図 絶縁板中央の厚みと開口面積との関係を変化させたときの安全性試験の結果を示す図 （ａ）本発明の一実施例の絶縁板の形状を示す模式上面図、（ｂ）本発明の他の実施例の絶縁板の形状を示す模式上面図、（ｃ）実施例で用いた一比較例の絶縁板の形状を示す模式上面図、（ｄ）実施例で用いた他の比較例の絶縁板の形状を示す模式上面図

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。

図１は、本発明の一実施形態における密閉型二次電池１００の構成を模式的に示した断面図である。

図１に示すように、正極板１及び負極板２がセパレータ３を介して捲回された電極群４が、電解液とともに、電池ケース５内に収納されている。電池ケース５の開口部は、ガスケット１４を介して封口板１０で封口されている。封口板１０は、上部金属板（正極端子を兼ねる）１１、弁体１２、及び下部金属板１３が積層された構成をなしている。正極板１は、正極リード８を介して下部金属板１３に接続され、負極板２は、負極リード９を介して電池ケース５の底部に接続されている。また、電極群４の上下には、絶縁板６、絶縁板７が、それぞれ配置されている。なお、電極群４の上方に配置された絶縁板６は、電池ケース５の側壁に形成された窪み部５ａによって保持されている。

下部金属板１３及び絶縁板６には、それぞれ、第１の開口部１３ａ及び第２の開口部６ａが形成されている。また、上部金属板１１にも、電池外に通じる排気孔１１ａが形成されている。ここで、電池ケース５内に異常ガスが発生し、電池ケース５内の圧力が所定値
を超えると、弁体１２が破断し、電池ケース５内に発生したガスは、絶縁板６の第２の開口部６ａ、下部金属板１３の第１の開口部１３ａ、弁体１２の開口部１２ａ、及び上部金属板１１の排気孔１１ａを介して、電池外に排気される。

過熱などの電池異常時において、電池ケース５内で発生した異常ガスは高温状態となり、電池内の正極や負極などの活物質、あるいは銅箔、アルミ箔などの様々な構成部材を溶融し、それらを含んだ状態で急激な圧力上昇をひき起こす。このような混合ガスが樹脂製の絶縁板に衝突すると、絶縁板が変形あるいは溶解し、混合ガスの圧力によって吹き上げられた絶縁板が封口板へ衝突して排気を妨げるおそれがあることを、本願発明者等は見出した。

本願発明は、かかる知見に基づきなされたもので、過熱などの電池異常時において電池内の圧力が異常に上昇した状態においても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するために、絶縁板の形状および開口率を定めることで上記排気機構における最適な排気設計を実現したものである。

以下、本発明の具体例について実施例を用いて説明する。

図１に示した密閉型二次電池を作製し、電池内の圧力が異常に上昇したときのガスの排気能力と、絶縁板の厚み、円外周部の厚み、そして開口面積との関係を検討した。

検討には、以下のような構成のリチウムイオン二次電池を作製した。

正極板１は、アルミニウムからなる集電体上に、ニッケル酸リチウムからなる正極活物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる結着剤、及びアセチレンブラックからなる導電剤を、それぞれ溶剤に分散させたスラリーを塗布、乾燥した後、圧延して作製した。

負極板２は、銅箔からなる集電体上に、黒鉛からなる負極活物質、及びスチレン−ブタジエンゴムからなる結着剤を、それぞれ溶媒に分散させたスラリーを塗布、乾燥した後、圧延して作製した。

得られた正極板１及び負極板２を、ポリエチレンからなるセパレータ３を介して捲回して電極群４を作製し、これを外径１８ｍｍの円筒形の電池ケース５内に収容し、電池ケース５の開口部をガスケット１４を介して封口板１０で封口して、密閉型二次電池１００を作製した。

絶縁板６は、ガラスフェノール樹脂を用いて作製した。

ここで、絶縁板を板厚みおよび円外周部の厚み、そして開口面積をそれぞれ変えた電池を作成し、安全性の試験を行った。

ここで、安全性の試験は、各電池に外部から２００℃の熱を加えて強制的に電池を熱暴走状態にして、封口板の飛散及び電池ケースの破裂の有無を調べることにより行った。

図２および図３は、その結果を示したグラフで、図中の黒丸印が、封口板の飛散及び電池ケースの破裂が生じなかった電池で、×印が、封口板の飛散、または電池ケースの破裂の生じた電池である。

図２は絶縁板厚みと円外周部の厚みをそれぞれ変えたときの安全性試験の結果を示す。このとき絶縁板の開口面積は絶縁板面積に対して４５％のものを用いた。また円外周部は最外周端から中心に向かって１．５ｍｍまでの範囲を指す。

図２の結果から、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するためには、少なくとも最外周部の厚みが絶縁板の厚みに対して１３０％以上であることが好ましいことがわかる。また絶縁板厚みが０．７ｍｍ以上では、最外周部と絶縁板との厚みが同じであっても封口板の飛散及び電池ケースの破裂はなかった。しかしながら絶縁板の厚みが０．６ｍｍを越えると電池内容積に占める絶縁板の比率が高くなり、電極量あるいは電解液量を減らす必要がでる。前者は容量の低下を、後者は長期寿命の劣化を引き起こすため、本発明では絶縁板の厚みは０．６ｍｍ以下が望ましいといえる。

図３は絶縁板の中央厚み、開口面積をそれぞれ変えたときの安全性試験の結果を示す。このとき絶縁板の円外周部の厚みは絶縁板中央厚みに対して１５０％のものを用いた。また円外周部は最外周端から中心に向かって１．５ｍｍまでの範囲を指す。

図３の結果から、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するためには、開口面積が絶縁板面積に対して３０％以上６０％以下であることが望ましいことがわかる。また絶縁板厚みが０．８ｍｍ以上では、開口面積の比が７０％であっても封口板の飛散及び電池ケースの破裂はなかった。しかしながら上述の通り絶縁板の厚みが０．６ｍｍを越えると電池内容積に占める絶縁板の比率が高くなるため不適と考えられる。また、３０％より小さい開口面積比を有する絶縁板を用いた電池では、どの絶縁板中央厚みを用いても電池ケースの破裂が生じた。安全性試験後の電池を分解・検証すると、絶縁板が異常ガスによって持ち上げられ、封口板の排気口を封じるように衝突していた。これは絶縁板の開口面積が小さいために充分に排気ができず、電池ケース側面のくぼみ部から外され、封口板に衝突したものと考えられる。

図４は、絶縁板の形状の一例を示した平面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の絶縁板の形状を示した図で、図４（ｃ）、（ｄ）は、比較の例の絶縁板の形状を示した図である。

表１に、図４に示すように絶縁板の開口部形状を変えたときの安全性試験の結果を示す。このとき絶縁板の中央厚みは０．３ｍｍのものを用いた。また円外周部は最外周端から中心に向かって１．５ｍｍまでの範囲を指す。また開口面積の比は全て５０％になるように設計した。そして全ての絶縁板形状において、電池ケース側面の窪み部と接する部分は絶縁板中央厚みに対して１５０％の厚みに成型した。また外周領域は最外周端から中心に向かって１．５ｍｍまでの範囲を指す。

表１の結果をから、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するためには、絶縁板の形状は円形であることが望ましい。円形かつ最外周部が厚くなることによって絶縁板は圧力増加に対しても電池ケース側面の窪み部から外れることがなく、安全性を高めることが可能になる。

本発明において、各開口部形状も、任意の形状を取り得る。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした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。例えば、上記実施形態において、密閉型二次電池として、リチウムイオン二次電池を例に説明したが、これに限定されず、例えば、ニッケル水素蓄電池等の他の非水電解質二次電池にも適用することができる。

また、上記実施形態において、電極群として、正極板及び負極板を、セパレータを介して捲回したものを用いたが、正極板及び負極板を、セパレータを介して積層したものを用いてもよい。

また、上記実施形態において、密閉型二次電池として、円筒形の二次電池を例に説明したが、これに限定されず、例えば、角形の二次電池であってもよい。

本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。

１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４ 電極群
５ 電池ケース
５ａ 窪み部
６、７ 絶縁板
６ａ 第２の開口部
８ 正極リード
９ 負極リード
１０ 封口板
１１ 上部金属板
１１ａ 排気孔
１２ 弁体
１２ａ 開口部
１３ 下部金属板
１３ａ 第１の開口部
１４ ガスケット
１００ 密閉型二次電池

Claims (4)

1. 正極板及び負極板がセパレータを介して捲回または積層された電極群が、電池ケース内に収容され、前記電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板によって封口されており、前記電極群には、前記電池ケースの開口部側に絶縁板が配設されており、 前記電極群の一方の極の極板は、リードを介して、前記封口板に接続された密閉型二次電池において、
   前記リードは絶縁板に配置された少なくとも一つの穴の間を通過して接続され、前記絶縁板は円型であり、円外周部の厚みが中心部の厚みに対して１３０％以上３００％以下であることを特徴とする密閉型二次電池。
2. 下部金属板の第１の開口部は、前記絶縁板の開口面積は、絶縁板面積に対して３０％以上６０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の密閉型二次電池。
3. 前記絶縁板は、前記電池ケースの側壁に形成された窪み部によって保持されている、請求項１または２に記載の密閉型二次電池。
4. 前記絶縁板は、ガラスフェノール樹脂からなる、請求項１から３のいずれか１項に記載の密閉型二次電池。