JP2013157157A - 密閉型電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】かかる密閉型電池10は、電流遮断機構40において、外部接続端子に電気的に接続され、電池ケース11の内圧が所定の圧力を超えた際に電池ケース11外側に変位可能とされる反転部51を有する反転板50と、反転板50より電池ケース11内側に配設されるとともに電極に電気的に接続され、その一部に破断可能とされる易破断部61を有する集電体60と、を備えている。集電体60と反転板50とは、易破断部61と反転部51とにおいて電気的かつ機械的に接合されるとともに、反転部50の変位により易破断部61が破断されて反転部51とともに変位し、集電体60と反転板50との電気的接続を遮断し、集電体60と変位後の易破断部61との距離が0.3mm以上1.5mm以下の範囲となるよう構成されている密閉型電池とする。
【選択図】なし
Description
例えば、図2に示した構成では、封口板25よりも電池10内側で、図示しない電極体との間に電流遮断機構40が設けられている。そしてこの電流遮断機構40は、本質的には、反転板50と、集電体60とを含んでいる。反転板50は、接続端子20と電気的に接続しており、電池10内の圧力が上昇した際に反転板50の反転部51が電池10外側に変位して変形する部材である。また、集電体60は、電池ケース11に収容される図示しない電極体(図2では集電体60より下方に配置される。)に電気的に接続されており、一定の応力が作用すると容易に破断する易破断部61を備えている。この反転板50と集電体60とは、通常は反転部51と易破断部61とが互いに接合されている。しかし、過電流状態において電池内圧が上昇し反転板50が変形した際には、集電体60の易破断部61が破断して集電体60から乖離し、反転板50と集電体60との導電経路が遮断される構成となっている。
また、電流遮断機構40の作動後の電圧復帰の原因については、以下の通りであると推察される。すなわち、密閉型電池10が過充電状態に陥ると、電解液の分解に加え電池の発熱及びケース内圧の上昇等の現象により、電池ケース11内には多くの電解液の蒸発が誘起される。この電解液の蒸気は、電流遮断機構40が作動する前は反転板50及び集電体60よりもケース内側に拡散している。しかし電流遮断機構40が作動した後には、例えば図3に示すように、反転板50と集電板60との間に配設される絶縁性の集電体ホルダ65と、変位して浮き上がった反転板50との間に形成される空間にも該蒸気は流入し得る。この電解液蒸気は、電流遮断後に電池温度が低下すると液化するため、この空間に流入した電解液蒸気が少量であるうちは問題がないものの、多量の電解液蒸気が流入する場合には、液化した蒸気が反転板50や集電体ホルダ65上に液滴を形成し得る。かかる電圧復帰の現象は、この液滴により、反転板50と集電板60とが再導通(液絡)することにより生じるものと考えられる。
ここで、上記集電体と上記反転板とは、上記易破断部と上記反転部とにおいて電気的かつ機械的に接合されるとともに、上記反転部の変位により上記易破断部が破断されて上記反転部とともに変位し、上記集電体と上記反転板との電気的接続を遮断し得る。そして、上記集電体と上記変位後の上記易破断部との距離が0.3mm以上1.5mm以下の範囲となるよう構成されていることを特徴とする。
反転板の形態をかかる構成とすることで、電池の内圧をより効率的に反転板の変位の力に利用することができる。また、反転板をかかる略円錐台状(円錐の頂部が取り去られた、断面形状が略台形となる形状)の形態とすることで、組み立て時に略平面状に変形されても特定の部位に変形による変形応力が集中することなく、より安定した状態を保つことができる。さらに、電池や集電体等の他の部材の形状、寸法等の形態を考慮して、上記の最近接距離を満たす反転板の形状設計をより簡便に行うことができる。
ここで、反転板50は、正極外部接続端子13に電気的に接続されており、電池ケース11の内圧が所定の圧力を超えた際に電池ケース11外側に変位可能とされる反転部51をその中心部分に有している。反転板50は、自身が電池ケース11の内と外とのガス流通を遮断し得る構成であるため、電池ケース11内の上昇圧力を確実に受圧でき、ケース内圧が一定の圧力を超過した場合に容易に反転することができる。また、反転板50と正極外部接続端子13の間には導電性の封口体タブ30が配設され、封口体タブ30が両者の導通を保つとともに、反転板50の周縁部と接合されて反転板50を固定するようにしている。
かかる反転部51の変位後の形状としては、電流遮断機構40が作動した後の集電体(電極体側導通部)と変位後の易破断部(接続端子側導通部)との最近接距離(最近接距離)が以下で詳しく説明する所定の範囲であれば、他は特に制限されない。例えば、反転板50の全体を平面視したときに略円形であってもよいし、略方形であってもよい。また、反転部51の形状も特に限定されず、例えば反転板50の形状と同様に、平面視したときに略円形であってもよいし、略方形であってもよい。なお、反転板50全体の平面視が略円形である場合には、例えば、封口体タブ30等でその周縁部を固定することで、より組み立て性及び密封性に優れた電流遮断機構40となり得る。
また、反転板50は、電流遮断機構40が作動する前に略平面形状のものが、作動後に電池ケース外側に突出するように変位する形態のものに限定されることはなく、電流遮断機構40が作動する前の反転板50の形状が平面よりも電池ケースの内側に凹んでおり、作動により略平面状、もしくはケース外側に突出する形態のものであってもよい。
電流遮断機構を備える封口体部材の組み立てを、以下の通りに行った。
まず、反転板としては、厚みが0.2mmのアルミニウム合金シート(Al1050)を用い、これを電流遮断機構の作動後の反転形状(円錐台状)の形態に加工した。すなわち、平面視が略円形の反転部(円錐台頂部)の直径を5mmで一定とし、傾斜部の底部の直径(円錐台底部の直径)が5mm、8mm、11mm、17mm、22mm、26mmの、6通りの反転板を用意した。なお、これらの反転板は、設計上、電流遮断機構の作動後に集電体と集電体破断部との距離がそれぞれ、0.15mm、0.3mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mmとなるように傾斜部及び反転部が加工されたものである。
また、正極集電体にはアルミニウムを用い、反転板の反転部に対応する位置を肉薄にし、直径が4.6mmの円形の切欠きを設けることで易破断部を形成した。そして、この反転板の反転部中央と正極集電体の易破断部とをレーザ溶接することで、封口体部材とした。なお、接続端子には電池外部と電池内部の電流遮断機構とを連通する貫通穴が設けられており、レーザ溶接に際してはこの貫通穴から空気を圧入することで反転板を略平面状に押し戻した状態にして溶接を行った。また、溶接後の接続端子の貫通穴にはゴム製の端子栓を挿入した。
この一体化した捲回電極体に電解液を十分に浸潤させ飽和させた後、電池ケースに収容して、封口体の外周を電池ケースに溶接することで、密閉型電池を構築した。なお、電解液としては、ECとMECとDMCとを体積比で3:3:4の割合で混合した非水溶媒中に、支持塩としてのLiPF6を1.0mol/Lの濃度となるように加え、さらに、ガス発生添加剤としてのシクロヘキシルベンゼン(CHB)を濃度が3.5質量%となるよう添加したものを用いた。
上記で構築した密閉型電池に対して、適切なコンディショニング処理を施した後、次の1、2の手順に従ってSOC調整を行った。なお、温度による影響を一定にするため、室温(25℃)の温度環境下でSOC調整を行なった。
手順1:0.5Cの定電流で4.1Vまで充電し、その後充電時間が15時間となるまで定電圧充電を行う。
手順2:0.5Cで3.0Vまで定電流放電する。
手順3:再度、0.5Cの定電流で4.1Vまで充電し、その後充電時間が3時間となるまで定電圧充電を行う。
以上の処理により、25℃においてSOC100%の充電状態に調整した。なお、25℃において、3.0Vから4.1Vまでの定電流で充電させたときの充電容量は20Ahであった。
上記SOC調整後の各電池に対して、以下の手順で過充電試験を行った。すなわち、室温(25℃)にて、各電池を4.1Vまで放電させた後、外部電源を用いて4.1Vの状態から、充電電流40A、上限電圧10Vの条件にて強制的に充電電流を流し続けた。
かかる過充電状態において、反転板が反転して電流が遮断された後も同条件で通電を30分間継続し、火花放電の有無(パルス放電の有無)を確認した。また、電流が遮断されてから30分後に開回路とし、電圧復帰の有無(3.8V以上の電圧が残存しているかどうか)を確認した。これらの結果を表1に示した。
上記過充電試験後の電池に対し、電流遮断機構における反転板の直径に沿った断面X線透過写真を各3枚ずつ用意し、集電体の破断部(接続端子側導通部)と、集電体本体(電極体側導通部)の最近接距離(接点間距離)を計測した。この結果を表1に示した。
10 密閉型電池
11 電池ケース
13 正極外部接続端子
15 安全弁
17 電解液注入部
19 負極外部接続端子
20 接続端子
20a 貫通穴
21 端子栓
23 ガスケット
25 封口板
27 絶縁板
30 封口体タブ
40 電流遮断機構
50 反転板
51 反転部
53 傾斜部
60 集電体
61 易破断部
63 切欠き
65 集電体ホルダ
Claims (9)
- 正極及び負極と、
前記正極及び負極を収容する電池ケースと、
前記電池ケースの外側に突出して形成され、前記正極又は負極のいずれかの電極と電気的に接続された外部接続端子と、
前記電極と前記外部接続端子とを電気的に接続する導電経路に配設され、前記導電経路を遮断する電流遮断機構と、を備える密閉型電池であって、
前記電流遮断機構は、
前記外部接続端子に電気的に接続され、前記電池ケースの内圧が所定の圧力を超えた際に電池ケース外側に変位可能とされる反転部を有する反転板と、
前記反転板よりケース内側に配設されるとともに前記電極に電気的に接続され、その一部に破断可能とされる易破断部を有する集電体と、を備え、
前記集電体と前記反転板とは、前記易破断部と前記反転部とにおいて電気的かつ機械的に接合されるとともに、前記反転部の変位により前記易破断部が破断されて前記反転部とともに変位し、前記集電体と前記反転板との電気的接続を遮断し、
前記集電体と前記変位後の前記易破断部との距離が0.3mm以上1.5mm以下の範囲となるよう構成されている、密閉型電池。 - 前記反転板は、中心部分に平面からなる略円形の前記反転部と、前記反転部から縁周部に向かうにつれて傾斜した平面視略円形の傾斜部を有し、
前記電池ケースの外側から応力が加えられ略平面状に変形された状態で前記反転部が前記易破断部と接合されている、請求項1記載の密閉型電池。 - 前記傾斜部の底部の直径が8mm以上22mm以下である、請求項2記載の密閉型電池。
- 前記接続端子は、その内部に電池外側から前記電流遮断機構の外側の空間へと連なる貫通穴を有し、
前記貫通穴は、前記電流遮断機構の外側の空間が密閉されるように端子栓によって封止されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の密閉型電池。 - 前記正極及び前記負極はセパレータを介して積層され、捲回されて、捲回電極体を構成している、請求項1〜4のいずれか1項に記載の密閉電池。
- 前記電極が正極であって、前記集電体がアルミニウム又はアルミニウム合金により形成されており、
前記易破断部が前記集電体のその他の部位よりも肉薄であり、かつ、該易破断部の周縁部に沿って切欠きが設けられている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の密閉型電池。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の密閉型電池であって、車両に搭載されて車両駆動用電源として用いられる、密閉型電池。
- 定格容量が、3〜30Ahである、請求項7に記載の密閉型電池。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の密閉型電池を駆動用電源として備える車両。
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