JP2013157156A - 密閉型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイレート充放電時のジュール熱による集電板の溶断を防止する耐熱性の高い電流遮断機構を備えた密閉型二次電池を提供する。
【解決手段】本発明により提供される密閉型二次電池１０の電流遮断機構８０は、ケース１２内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に該内圧によって電流遮断弁３０が矩形プレート形状の集電板７２から離れる方向に変形して該集電板の中央薄肉部７４の環状溝７９の部分で集電板が破断するように構成されており、矩形プレート形状集電板の短辺と平行となる方向の断面を基準断面として（１）基準断面における厚肉部７８の断面積Ａ（ｍｍ^２）と中央薄肉部の断面積Ｂ（ｍｍ^２）との関係式：Ｂ／Ａが０．０５以上０．１５以下であり、且つ、（２）厚肉部と環状溝との距離Ｐ（ｍｍ）と該環状溝における残肉部の断面積Ｃ（ｍｍ^２）との関係式：Ｐ／Ｃが１．６以下である。
【選択図】図３

Description

本発明は、密閉型二次電池（典型的には全体形状が角形（直方体形状）である密閉型二次電池）に関する。詳しくは、内圧上昇により作動する電流遮断機構を備えた密閉型二次電池に関する。

リチウム二次電池、ニッケル水素電池等の二次電池は、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として好ましく用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の駆動用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。

このような二次電池の典型的な構造の一つとして、正極および負極を備える電極体を電解質とともに電池ケース内に密閉して成る密閉構造の電池（密閉型電池）が挙げられる。この種の電池を充電処理する際、不良電池の存在や充電装置の故障による誤作動等があった場合、電池に通常以上の電流が供給されて過充電状態に陥る場合が想定される。かかる過充電等の際に、電池反応が急速に進行して密閉された電池ケースの内部でガスが発生して該電池ケースの内圧が上昇し、当該異常内圧（ガス圧）によって該ケースの変形等を生じたりすることがあり得る。このような異常時に対処すべく、従来技術として、電池の異常時に伴うケース内部の圧力（ガス圧）を用いて部品を変形させ、通電部分を物理的に開裂させることにより電流を遮断する電流遮断機構を備えた電池構造が提案されている。

例えば、そのような構成の電流遮断機構を備えた二次電池に関する従来例として特許文献１が挙げられる。かかる文献に記載されている電流遮断機構は、角形状の密閉型二次電池のケース内部に収容された電極体に接続された矩形プレート状の集電板と、該集電板の一部に通電可能に溶接された反転板（電流遮断弁）とを備えており、ケース内圧（ガス圧）が上昇した際には当該ガス圧によって当該反転板が電極体および集電板から離れる方向に反転・変形し、その変形とともに上記溶接された部分を含む集電体の一部が破断されるように構成されている。このように反転板が反転・変形して集電体の本体から離脱することにより、電流遮断が実現される。

特開２０１０−２１２０３４号公報

上記特許文献１に記載されるような構成の電流遮断機構では、予め設定されたケース内圧（即ち所定のガス圧）に到達した際に正しく電流が遮断されることを実現するため、当該ケース内圧に到達した際に上記反転板（電流遮断弁）の反転・変形とともに上記溶接部分を含む集電体の一部の破断が速やかに行われるべく、集電板の当該溶接される部分およびその周囲を集電板の他の部分よりも相対的に薄肉に形成する、更に／或いは、破断させたい部位に予め溝（ノッチ：切り込み部）を形成する、等の措置が行われている。
ところで、電気自動車、ハイブリッド自動車（プラグインハイブリッド自動車を含む）等の車両の駆動電源用として使用される密閉型二次電池には、更なる高性能化のため、高出力で大容量（典型的には１時間率容量が３Ａｈ以上、例えば５〜２０Ａｈ又は２０Ａｈ以上（例えば２０〜３０Ａｈ）であるような大容量）の電池が求められる。このため、パソコンや携帯端末の電源として使用される（即ち民生用）電池とは比較にならないほどのハイレートな充放電が要求される。

しかし、従来の車両駆動電源用二次電池よりも一層のハイレートでの充放電が求められる場合、上記のような構成の電流遮断機構を備える密閉型二次電池においては、当該ハイレート充放電時においても正常に維持されて不測な動作を行わないように電流遮断機構を構築する必要がある。例えば、上記のとおり、所定のケース内圧（ガス圧）時に電流遮断弁（反転板）を速やかに反転・変形させ、集電板の一部を破断させるために当該集電板に形成された薄肉部分や溝（ノッチ）が形成された部分は、その部分の断面積が周囲の相対的に厚肉な部分の断面積よりも小さい。特に薄肉部分に更に溝を設けた場合には当該溝形成部の断面積は更に小さくなる。そのような小さい断面積の部分をハイレート充放電時に大電流が流れる際には、発生するジュール熱によって当該部分が発熱し、該発熱が過剰すぎる場合には当該箇所が過熱に伴って溶断する虞がある。かかる溶断は、電流遮断の原因となるため好ましくない。

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、電池の高出力化に伴うハイレート充放電時にも上記ジュール熱による集電板の溶断を防止し、且つ、所定のケース内圧（ガス圧）が生じた場合には精度よく電流遮断を実現する信頼性の高い電流遮断機構を備えた密閉型二次電池を提供することである。

本発明者は矩形プレート形状の集電板と電流遮断弁を使用する電流遮断機構を採用する場合において、該矩形プレート形状集電板の形状に関して所定の条件を具備するように該集電板を設計することにより、上記目的を実現し得ることを見出して本発明を完成するに至った。
即ち、ここで開示される密閉型二次電池は、正極および負極を備える電極体と、上記電極体を収容する電池ケースと、上記電池ケースの外面に設けられて上記電極体の正極および負極とそれぞれ電気的に接続される正極端子および負極端子と、上記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に電流を遮断する電流遮断機構とを備える密閉型二次電池である。
上記電流遮断機構は、上記電極体の正極と上記正極端子との間または上記電極体の負極と上記負極端子との間において、上記正負いずれかの端子と電気的に接続される電流遮断弁と、上記電極体の正負いずれかの電極と電気的に接続される矩形プレート形状の集電板とを備える。
また、上記矩形プレート形状の集電板は、相対的に薄肉に形成された中央薄肉部と該中央薄肉部の周囲であって相対的に厚肉に形成された厚肉部とから構成されており、且つ、該中央薄肉部の内側において所定の直径で環状に破断用の溝が形成されている。
また、上記電流遮断弁は、その一部が上記環状溝の内側において上記集電板の中央薄肉部に通電可能に接合されており、上記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際には、該内圧によって電流遮断弁が上記集電板から離れる方向に変形するとともに上記環状溝の部分で上記集電板の中央薄肉部が破断することによって、上記集電板から上記破断した中央薄肉部を伴う電流遮断弁が離れて電流遮断が実現するように構成されている。

そして、ここで開示される密閉型二次電池は、上記矩形プレート形状の集電板は、上記環状溝の中心点を通る断面であって矩形プレート形状集電板の短辺と平行となる方向の断面を基準断面として、以下の条件：
（１）上記基準断面における上記厚肉部の断面積Ａ（ｍｍ^２）と、上記基準断面における上記中央薄肉部の断面積Ｂ（ｍｍ^２）との関係式：Ｂ／Ａの値が０．０５以上０．１５以下であること；
（２）上記厚肉部と上記環状溝との距離Ｐ（ｍｍ）と、上記環状溝における残肉部の断面積Ｃ（ｍｍ^２）との関係式：Ｐ／Ｃの値が１．６以下であること；
をいずれも具備するように設計されていることを特徴とする。

ここで開示される密閉型二次電池に備えられる電流遮断機構は、上記の構成の矩形プレート形状の集電板と電流遮断弁とを主構成要素として構成されるとともに、当該矩形プレート形状集電板が、上記（１）の条件（即ち上記基準断面における厚肉部の断面積Ａと中央薄肉部の断面積Ｂとの関係式：Ｂ／Ａの値が０．０５以上０．１５以下であること）と、上記（２）の条件（即ち上記厚肉部と環状溝との距離Ｐと、環状溝における残肉部の断面積Ｃとの関係式：Ｐ／Ｃの値が１．６以下であること）とをともに具備するように構成される。
かかる構成の密閉型二次電池では、所定のケース内圧（ガス圧）時に電流遮断弁を速やかに変形させて集電板の一部を破断させ得るとともに、ハイレート充放電時のような大電流が流れた際に上記環状溝が形成されている部位において発生するジュール熱を効率よく厚肉部方向に逃がすことができる。このことによって溶断に対する抵抗性（耐熱性）が向上し、当該部分が溶断され難い。このため、電池の高出力化に求められるハイレート充放電に対応して電流遮断機構の信頼性を向上させ、より高品質の密閉型二次電池（例えば密閉型リチウム二次電池）を提供することができる。

好ましくは、上記Ｂ／Ａの値が０．０７以上０．１２以下であり、上記Ｐ／Ｃの値が０．５以上１．３以下であることを特徴とする。
或いはまた、好ましくは、上記環状溝における残肉部の断面積Ｃ（ｍｍ^２）が０．３以上であり、上記厚肉部と上記環状溝との距離Ｐ（ｍｍ）が０．５以下であることを特徴とする。
上記（１）の条件と（２）の条件に関して、上記数値範囲を具備することにより、電流遮断機構の溶断に対する抵抗性（耐熱性）をより向上させることができる。

また、ここで開示される密閉型二次電池の好適な他の一態様では、上記環状溝の直径が４ｍｍ以上（典型的には４ｍｍ以上６ｍｍ以下）であることを特徴とする。
このようなサイズの直径の環状溝を設けることにより、所定のケース内圧（ガス圧）時における電流遮断弁の作動（即ち集電板の破断）正確性と、耐熱性の向上とを高い次元で両立させることができる。

また、ここで開示される密閉型二次電池の好適な他の一態様では、上記中央薄肉部の厚みが０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする。
本発明によると、上記（１）の条件と（２）の条件を具備することによって、ハイレート充放電時のような大電流が流れた際に上記環状溝が形成されている部位において発生するジュール熱を効率よく厚肉部方向に逃がすことができるため、中央薄肉部の厚みが０．１５ｍｍ以下であっても溶断に対する高い抵抗性（耐熱性）を実現することができる。

また本発明によって、上記（１）の条件と（２）の条件を具備し、所定のケース内圧（ガス圧）時における電流遮断弁の作動（即ち集電板の破断）正確性と、耐熱性の向上とを高い次元で両立させ得る電池の好適な一形態として、上記電極体が長尺なシート状の正極および長尺なシート状の負極を長尺なシート状セパレータと共に捲回してなる扁平形状の捲回電極体であり、上記電池ケースが該捲回電極体の形状に対応して該捲回電極体を収容する扁平な角形状に形成されていることを特徴とする、いわゆる角形状のリチウム二次電池その他の密閉型二次電池が挙げられる。

また本発明は、ここで開示されるいずれかの密閉型二次電池を単電池とし、該単電池を相互に電気的に接続して複数個備えることを特徴とする組電池を提供する。
かかる構成の組電池は、それを構成する単電池の電流遮断機構の信頼性を維持しつつ溶断に対する抵抗性（耐熱性）にも優れるため、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両の駆動用電源として好適である。
また、本発明は、ここで開示されるいずれかの密閉型二次電池または組電池を駆動用電源として備えるプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等の車両を提供する。

一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池（リチウムイオン電池）の外形を模式的に示す斜視図である。 一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池における集電体の構造を模式的に示す図である。 一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池の正極側に設けられた電流遮断機構の構成と状態（電流遮断前）を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池の正極側に設けられた電流遮断機構の構成と状態（電流遮断後）を模式的に示す断面図である。 図２中のＶ−Ｖ線断面図であり、一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池の電流遮断機構に備えられる矩形プレート形状の集電板の基準断面を示す。 一実施形態に係る組電池の構成を示す斜視図である。 一実施形態に係る組電池を備えた車両（自動車）を模式的に示す側面図である。

本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。一般にリチウムイオン電池（若しくはリチウムイオン二次電池）等と称される二次電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。また、本明細書において「活物質」とは、正極側又は負極側において蓄電に関与する物質（化合物）をいう。即ち、電池の充放電時において電子の吸蔵および放出に関与する物質をいう。

以下、ここで開示される密閉型二次電池の一例としてリチウム二次電池（リチウムイオン電池）１０に関する好適な一実施形態を図面を参照しつつ説明する。特に限定することを意図したものではないが、以下では捲回タイプの電極体（以下「捲回電極体」という。）と非水電解液とを角形（即ち直方体の箱形状）のケースに収容した形態のリチウムイオン電池を例として説明する。各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する。
なお、本発明はここで開示される構成の電流遮断機構を有する限りにおいて、二次電池の種類はリチウム二次電池（典型的には非水電解質を備えたリチウムイオン電池）に限定されず、ニッケル水素電池その他の二次電池にも適用することができる。

本実施形態に係るリチウムイオン電池１０は、図２に示すような扁平形状の捲回電極体５０が、図示しない液状電解質（電解液）とともに、捲回電極体５０の形状に対応する図１に示すような扁平な角形状の電池ケース（即ち外装容器）１２に収容されて構成される電池である。
電池ケース１２は、一端（電池１０の通常の使用状態における上端部に相当する。）に開口部を有する箱形（すなわち有底直方体状）のケース本体１４と、その開口部に取り付けられて該開口部を塞ぐ矩形状プレート部材からなる封口板（蓋体）１６とから構成される。かかる封口板（蓋体）１６がケース本体１４の開口部周縁に溶接されることにより、扁平形状の捲回電極体５０の幅広面に対向する一対のケース幅広面と、該ケース幅広面に隣接する４つの矩形状ケース面（即ち、そのうちの一つの矩形状ケース上面が封口板１６により構成される。）との六面体形状の密閉構造の電池ケース１２が構成される。
特に制限するものではないが、この種の角形電池の六面体形状ケースの好適なサイズとして、ケース本体１４及び封口板１６の長辺側の長さ：約８０〜２００ｍｍ（例えば１００〜１５０ｍｍ）、ケース本体１４及び封口板１６の短辺側の長さ（即ちケース１２の厚み）：約８〜２５ｍｍ（例えば１０〜２０ｍｍ）、ケース１２の高さ：約７０〜１５０ｍｍを例示することができる。

ケース１２の材質は、従来の密閉型電池で使用されるものと同じであればよく、特に制限はない。軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成されたケース１２が好ましく、このような金属製材料としてアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等が例示される。本実施形態に係るケース１２（ケース本体１４および封口板１６）はアルミニウム若しくはアルミニウムを主体とする合金によって構成されている。
また、ケース１２（ケース本体１４および封口板１６）の厚みは、特に限定されないが、車両駆動電源用の密閉型電池を構成する場合、０．３ｍｍ〜２ｍｍ程度が適当であり、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度が好ましい。

図１に示すように、封口板１６には外部接続用の正極端子２０および負極端子１８が形成されている。これら外部端子１８，２０には、本実施形態に係るリチウムイオン電池１０の利用形態に応じて適当な形状の端子板若しくは外部接続端子を装着することができる。
封口板１６の両端子１８，２０間には、ケース１２の内圧が所定レベル（例えば設定開弁圧０．３〜１．０ＭＰａ程度）以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成された薄肉の安全弁４０と、注液口４２（図１は当該注液口４２が注液後に封止材４３により封止されてマスクされた状態である。）が形成されている。

図２に示すように、捲回電極体５０は通常のリチウムイオン電池の捲回電極体と同様、長尺なシート状正極（正極シート）５２と、該正極シート５２と同様の図示されない長尺シート状負極（負極シート）とを計二枚の長尺シート状セパレータ（セパレータシート）５４とともに積層して長手方向に捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製される。具体的には、正極シート５２と負極シートとは幅方向に位置をややずらしてセパレータシート５４の幅方向の一端および他端から該正負いずれかのシートの幅方向の一端がそれぞれはみ出すように積層された状態で捲回される。その結果として、捲回電極体５０の捲回軸方向の一方および他方の端部に、それぞれ、正極シート５２および負極シートの幅方向の一端が捲回コア部５５（すなわち正極シートと負極シートとセパレータシートとが密に捲回された部分）から外方にはみ出した部分が形成されている。

図２には、正極シート５２のはみ出し部分５２Ａが図示されており、かかる正極シート５２のはみ出し部分５２Ａに対して、ケース１２の内部に配置される正極集電タブ６０および正極集電体７０を介して上記外部接続用の正極端子２０と電気的に接続されている。図示しない負極側も同様に、ケース１２の内部に配置される図示しない負極集電タブおよび負極集電体を介して上記外部接続用の負極端子１８と電気的に接続されている。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン電池１０において、電流遮断機構８０は、正極端子２０の一部と正極集電体７０の一部とにより構成されている。かかる電流遮断機構８０については後述する。

捲回電極体５０を構成する材料および部材自体は、従来のリチウムイオン電池に備えられる電極体と同様でよく、特に制限はない。例えば正極シート５２は、長尺状の正極集電体（例えばアルミニウム箔）の上に正極活物質層が形成された構成であり得る。この正極活物質層の形成に用いる正極活物質としては、従来からリチウムイオン電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。好適例として、リチウムニッケル酸化物（例えばＬｉＮｉＯ_２）、リチウムコバルト酸化物（例えばＬｉＣｏＯ_２）、リチウムマンガン酸化物（例えばＬｉＭｎ_２Ｏ_４）等のリチウムと遷移金属元素とを構成金属元素として含む酸化物（リチウム遷移金属酸化物）や、リン酸マンガンリチウム（ＬｉＭｎＰＯ_４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）等のリチウムと遷移金属元素とを構成金属元素として含むリン酸塩等が挙げられる。
負極シートは、長尺状の負極集電体（例えば銅箔）の上に負極活物質層が形成された構成であり得る。この負極活物質層の形成に用いる負極活物質としては、従来からリチウムイオン電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。好適例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属窒化物等が挙げられる。また、上記セパレータシートの好適例としては、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。

液状電解質（電解液）としては、従来からリチウムイオン電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ_６，ＬｉＢＦ_４，ＬｉＡｓＦ_６，ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３，ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３，ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２，ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒（例えば質量比１：１）にＬｉＰＦ_６を約１ｍｏｌ／Ｌの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。なお、電解液の代わりに固体状やゲル状の電解質を採用してもよい。

以下、電流遮断機構８０について図面を参照しつつ詳述する。先ず、正極端子２０の内部構成について説明する
図２に示すように、捲回電極体５０の捲回軸方向の一方の端部にはみ出した正極はみ出し部分５２Ａには、アルミニウム又はアルミニウム主体の合金製の正極集電タブ６０が接続されている。かかる集電タブ６０から上方（即ち封口板方向）に延びるようにしてアルミニウム又はアルミニウム主体の合金製の正極集電体７０が形成されている。正極集電体７０は、封口板１６の内面側に近接して当該内面とほぼ平行に配置される矩形プレート形状（典型的には長方形のプレート形状）の集電体本体即ち集電板７２と、該集電板７２と正極集電タブ６０とを連結するアーム状の連結部７１とから構成されている。
集電板７２は、後述する電流遮断弁（反転板）３０の一部（中央凹部３０Ａ）が溶接される中央薄肉部７４とその周囲の相対的に厚い厚肉部７８とから構成されている。中央薄肉部は典型的には円状若しくは矩形状に形成される。また、図２に示すように、中央薄肉部７４の中心部ならびに厚肉部７８の複数箇所（本実施形態では２箇所）に、ガス流通孔７４Ａ，７８Ａが形成されている。また、中央薄肉部７４の内側において所定の直径で環状に破断用の溝（ノッチ）７９が形成されている。

特に限定されるものではないが、車両の駆動電源用として使用する電池の場合、かかる矩形プレート形状の集電板７２の短辺側の長さ（短径）は典型的には６ｍｍ〜１５ｍｍ程度であり、集電板７２の長辺側の長さ（長径）は典型的には短径の２〜５倍程度に規定される。
また、厚肉部７８の厚みは典型的には２ｍｍ以下（例えば０．４ｍｍ〜２ｍｍ）であり、１ｍｍ以下（例えば０．５ｍｍ〜１ｍｍ）が好ましい。中央薄肉部７４の厚みは典型的には０．２ｍｍ以下（例えば０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ）であり、０．１５ｍｍ以下（例えば０．０８ｍｍ〜０．１５ｍｍ）が好ましい。
なお、中央薄肉部７４の大きさは特に制限はないが、集電板７２の短径側の長さの４０〜７０％に相当する長さ（例えば集電板７２の短径が８ｍｍの場合で３．２ｍｍ〜５．６ｍｍ）を直径とする円形若しくは方形状に形成されることが適当である。
環状溝７９の直径は４ｍｍ以上（典型的には４ｍｍ以上６ｍｍ以下）であることが好ましい。また、環状溝７９の形成位置であるが、溶断に対する抵抗性（耐熱性）向上の観点から、厚肉部７８と環状溝７９との距離Ｐが０．５ｍｍ以下であることが適当であり、０．２〜０．４ｍｍ（例えば０．３ｍｍ±０．０５ｍｍ程度）が好ましい。
また、環状溝７９の切り込み深さであるが、当該環状溝７９における残肉部の厚みが少なくとも０．０２５ｍｍ程度あることが適当であり、０．０３ｍｍ以上（例えば０．０３ｍｍ〜０．０８ｍｍ程度）あることが好ましい。残肉部の厚みが少なすぎると溶断抵抗性が低くなりすぎて好ましくなく、逆に残肉部の厚みが多すぎると、所定のケース内圧発生時に上記集電板の破断が困難となるため好ましくない。

上述のとおり、本発明の実施にあたっては、上記矩形プレート形状集電板７２は、図５に示すように、環状溝７９の中心点を通る断面であって当該集電板７２の短辺と平行となる方向の断面を基準断面として、以下の（１）と（２）の条件：
（１）基準断面における厚肉部７８の断面積Ａ（ｍｍ^２）と、基準断面における中央薄肉部７４の断面積Ｂ（ｍｍ^２）との関係式：Ｂ／Ａの値が０．０５以上０．１５以下であること（さらに好ましくはＢ／Ａの値が０．０７以上０．１２以下であること）；
（２）上記 厚肉部と上記環状溝との距離Ｐ（ｍｍ）と、上記環状溝における残肉部の断面積Ｃ（ｍｍ^２）との関係式：Ｐ／Ｃの値が１．６以下であること（さらに好ましくはＰ／Ｃの値が０．５以上１．３以下であること）；
をいずれも具備するように設計される。
さらに、環状溝７９における残肉部の断面積Ｃ（ｍｍ^２）は０．３以上であることが好ましい。また、厚肉部７８と環状溝７９との距離Ｐ（ｍｍ）が０．５以下であるように設計されることが特に好ましい（後述する実施例参照）。

一方、図３に示すように、本実施形態に係る正極端子２０は、封口板１６の外面側において、封口板１６に予め形成されている正極装着孔１６Ａに装着される筒状接続端子２２と、該筒状接続端子２２と封口板１６（装着孔１６Ａの周縁）との間に挟み込まれるガスケット２４とを備える。筒状接続端子２２の貫通孔２２Ｂ内には、ゴム製の端子栓２３が封入される。
さらに本実施形態に係る正極端子２０は、封口板１６の内面側において、上記筒状接続端子２２が挿入され得る挿入孔がそれぞれ形成された矩形キャップ状の合成樹脂製の絶縁板２６および金属製の封口体タブ２８を備える。
より具体的には、図３に示すように、正極集電体７０と電気的に接続される筒状接続端子２２は、ガスケット２４、封口板１６、絶縁板２６および封口体タブ２８にそれぞれ形成された孔内に挿入され、その先端部２２Ｃが図示されるようにかしめられることにより、これら部材２２，２４，１６，２６，２８が一体に固定される。

また、かかる矩形キャップ状の封口体タブ２８の縁部には、矩形プレート状の電流遮断弁として機能する反転板３０が溶接されており、さらに集電体本体７２および反転板３０の周辺部には、当該集電体７２および反転板３０の位置決めと周辺部の電気的絶縁とを目的として合成樹脂製の絶縁ホルダー３２が配置されている。
また、矩形プレート状の反転板３０の中央部は、対応する絶縁ホルダー３２の中央部に形成された孔を介して集電板７２の中央薄肉部７４に接するように凹んでおり、かかる反転板３０の中央凹部３０Ａはレーザ溶接あるいは超音波溶接によって集電板７２の中央薄肉部７４の環状溝７９の内側に接合されている。換言すれば、正極集電体７０の集電板７２の中央薄肉部７４において、上記反転板３０の中央凹部３０Ａの接合箇所の周囲に破断用環状溝７９が存在する。
上記構成の結果、正極シート５２は、正極はみ出し部分５２Ａ、集電タブ６０、集電体７０、反転板３０および封口体タブ２８を介して接続端子２２と電気的に接続される。

そして反転板３０は、電池ケース１２内の圧力（ガス圧）が所定値以上に増大すると、接続端子２２側に撓んで変形する（典型的には接続端子２２側に反転・変形する）ように形成されているとともに、当該反転板３０の中央凹部３０Ａに集電板７２が溶接されているため、ケース１２内の圧力が所定値を超えて反転板３０が上記のように変形した際はそれに伴って集電板７２の薄肉部７４が環状溝７９の部分で破断する。このことにより、図４に示すように、反転板３０と集電板７２との間の電気的接続が遮断される。なお、本実施形態に係る電流遮断機構８０は正極端子７０側に設けられているが、この態様に限られず、負極端子７２側に設けられていてもよい。

以下、本発明によって提供される集電板に関する具体的な試験例の幾つかを紹介するが、本発明によって提供される集電板を以下に紹介する形態のものに限定することを意図したものではない。

＜試験例：各サイズ・形状の集電板（サンプル０〜７）の耐熱性評価＞
図５の基準断面について示す集電板７２に関する各サイズや断面積が以下の表１に示すとおりに設計された計７種類（サンプル０，１，２，３，４，５および６）の矩形プレート形状のアルミニウム製集電板７２を作製した。なお、各サンプルの集電板の長径サイズは短径サイズの２．５倍とした。一方、上述した図３に示すような８ｍｍ（短径）×２０ｍｍ（長径）の矩形状で厚みが０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の反転板３０を用意した。
而して、中央薄肉部７４の中心部であるガス流通孔７４Ａの周縁部であって環状溝７９よりも内側の部位に反転板３０の中央凹部３０Ａをレーザー溶接した。

上記各サンプルの集電板と反転板との接合体を使用して溶断に対する抵抗性（耐熱性）を評価した。具体的には、各サンプル接合体について、集電板と反転板との間に大容量電流（ここでは１５００Ａ）を通電し、その際に発生するジュール熱によって環状溝の部分が溶断するまでの時間（秒：ｓｅｃ）を計測した。結果を表１の該当欄に示す。

表１に示すように、上述した二つの条件、即ち、（１）基準断面における厚肉部の断面積Ａ（ｍｍ^２）と中央薄肉部の断面積Ｂ（ｍｍ^２）との関係式：Ｂ／Ａが０．０５以上０．１５以下であり、且つ、（２）厚肉部と環状溝との距離Ｐ（ｍｍ）と当該環状溝における残肉部の断面積Ｃ（ｍｍ^２）との関係式：Ｐ／Ｃが１．６以下（特に０．５以上１．３以下）であることをいずれも具備するサンプル１〜６については、かかる条件（２）を具備しないサンプル０と比較して溶断時間が延びることが確認された。特にサンプル２，３，４，５の集電体は、外形（短径および長径）はサンプル０とほぼ等しいにもかかわらず、溶断するまでの時間は６倍以上延長された。

上記のとおり、本発明によると、ここで開示される上記（１）及び（２）の条件をいずれも具備する集電板を使用した電流遮断機構を備える密閉型二次電池（典型的には外形が角形状のリチウム二次電池その他の密閉型二次電池）を提供することができる。かかる集電体は溶断に対する抵抗性（耐熱性）に優れるため、高出力化にともなうハイレート充放電を要求される車両の駆動用電源として好適である。従って、本発明はまた、図６に模式的に示すような組電池１００を提供する。
具体的には、図６に示すように、ここで開示される集電板を使用して構築された電流遮断機構（上述した図２〜４参照）を備える密閉型二次電池（典型的には図示されるような角形状のリチウム二次電池）１０を単電池とし、該単電池１０を複数個（図示される実施形態では４個であるがこれに限られない。）所定方向に配列されて構成される。典型的には図示されるように各単電池１０間が直列に接続されて構成される。具体的には各単電池１０の電池ケース１２の上面（即ち封口板）１６に、ケース１２内に収容された電極体の正極と電気的に接続する正極端子２０および負極と電気的に接続する負極端子１８がそれぞれ設けられている。そして、隣接する単電池１０間において一方の正極端子２０と他方の負極端子１８とが適当な接続具９２によって電気的に接続される。そして、配列した単電池群１１の両外側にそれぞれエンドプレート９６を配置し、当該一対のエンドプレート９６，９６を架橋するように、単電池群１１の両側面に配列方向に沿って締め付け用ビーム材９８が取り付けられ、ビーム材９８の各端部をビス９９によりエンドプレート９６に締め付け且つ固定することができる。このように各単電池１０を直列に接続し、それらを拘束（固定）することにより、所望の電圧を有する車両の駆動用電源として好適な組電池１００が構築される。
なお、典型的には所定方向に配列された複数の単電池１０間には、所定形状の間隔保持シート９４が配置される。かかる間隔保持シート９４は、使用時に各単電池１０内で発生する熱を放散させるための放熱部材として機能し得る材質（例えば熱伝導性の良い金属製若しくは軽量で硬質なポリプロピレンその他の合成樹脂製）及び／又は形状であることが好ましい。

また、本発明は、図７に示すように、ここで開示される集電板を使用して構築された電流遮断機構を備えた高出力で大容量（典型的には１時間率容量が３Ａｈ以上、例えば５〜２０Ａｈ、或いは２０Ａｈ以上（例えば２０〜３０Ａｈ）であるような大容量）の密閉型二次電池（典型的には角形状の密閉型リチウム二次電池）を単電池とする組電池１００を駆動用電源として備える車両１（典型的には電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、燃料電池自動車のような駆動用モータを備える自動車）を提供することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１ 車両
１０ 二次電池（リチウムイオン電池）
１２ 電池ケース
１４ ケース本体
１６ 封口板（蓋体）
１８ 負極端子
２０ 正極端子
２２ 接続端子
２２Ｂ 貫通孔
２２Ｃ 先端部
２４ ガスケット
２６ 絶縁板
２８ 封口体タブ
３０ 反転板（電流遮断弁）
３０Ａ 中央凹部
３２ 絶縁ホルダー
５０ 捲回電極体
５２ 正極シート
５４ セパレータシート
５５ 捲回コア部
６０ 正極集電タブ
７０ 正極集電体
７１ 連結部（アーム部）
７２ 集電板
７４ 中央薄肉部
７４Ａ ガス流通孔
７８ 厚肉部
７８Ａ ガス流通孔
７９ 環状溝（ノッチ）
８０ 電流遮断機構
１００ 組電池

Claims (8)

1. 正極および負極を備える電極体と、
   前記電極体を収容する電池ケースと、
   前記電池ケースの外面に設けられ、前記電極体の正極および負極とそれぞれ電気的に接続される正極端子および負極端子と、
   前記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に電流を遮断する電流遮断機構と、を備える密閉型二次電池であって、
   前記電流遮断機構は、前記電極体の正極と前記正極端子との間または前記電極体の負極と前記負極端子との間において、前記正負いずれかの端子と電気的に接続される電流遮断弁と、前記電極体の正負いずれかの電極と電気的に接続される矩形プレート形状の集電板と、を備えており、
   前記矩形プレート形状の集電板は、相対的に薄肉に形成された中央薄肉部と該中央薄肉部の周囲であって相対的に厚肉に形成された厚肉部とから構成されており、且つ、該中央薄肉部の内側において所定の直径で環状に破断用の溝が形成されており、
   前記電流遮断弁は、その一部が前記環状溝の内側において前記集電板の中央薄肉部に通電可能に接合されており、
   前記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際には、該内圧によって電流遮断弁が前記集電板から離れる方向に変形するとともに前記環状溝の部分で前記集電板の中央薄肉部が破断することによって、前記集電板から前記破断した中央薄肉部を伴う電流遮断弁が離れて電流遮断が実現するように構成されており、
   ここで、前記矩形プレート形状の集電板は、前記環状溝の中心点を通る断面であって矩形プレート形状集電板の短辺と平行となる方向の断面を基準断面として、以下の条件：
   （１）前記基準断面における前記厚肉部の断面積Ａ（ｍｍ^２）と、前記基準断面における前記中央薄肉部の断面積Ｂ（ｍｍ^２）との関係式：Ｂ／Ａの値が０．０５以上０．１５以下であること；
   （２）前記厚肉部と前記環状溝との距離Ｐ（ｍｍ）と、前記環状溝における残肉部の断面積Ｃ（ｍｍ^２）との関係式：Ｐ／Ｃの値が１．６以下であること；
   をいずれも具備するように設計されていることを特徴とする、密閉型二次電池。
2. 前記Ｂ／Ａの値が０．０７以上０．１２以下であり、前記Ｐ／Ｃの値が０．５以上１．３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. 前記環状溝における残肉部の断面積Ｃ（ｍｍ^２）が０．３以上であり、前記厚肉部と前記環状溝との距離Ｐ（ｍｍ）が０．５以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の密閉型二次電池。
4. 前記環状溝の直径が４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の密閉型二次電池。
5. 前記中央薄肉部の厚みが０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の密閉型二次電池。
6. 前記電極体は、長尺なシート状の前記正極および長尺なシート状の前記負極を長尺なシート状セパレータと共に捲回してなる扁平形状の捲回電極体であり、
   前記電池ケースは、該捲回電極体の形状に対応して該捲回電極体を収容する扁平な角形状に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の密閉型二次電池。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の密閉型二次電池を単電池とし、該単電池を相互に電気的に接続して複数個備えることを特徴とする、組電池。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の密閉型二次電池または請求項７に記載の組電池を駆動用電源として備える車両。

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