JP2013161712A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力型電流遮断機構の作動圧のバラつきを抑制できる密閉型電池を提供する。
【解決手段】電池ケース１５の内部圧力が設定圧力以上になると、反転板４１が加圧方向に向かって反るように変形し、正極集電端子５１にて反転板４１と接合している薄肉部５１Ｃが反転板４１の変形によって加圧方向に向かって引っ張られ、薄肉部５１Ｃが刻印部５１Ｄにて破断することによって、正極集電端子５１と反転板４１との電気的な接続を遮断する圧力型電流遮断機構３１を備えるリチウムイオン二次電池１０であって、刻印部５１Ｄより外周側の薄肉部５１Ｃの少なくとも一部の厚みは、刻印部５１Ｄより内周側の薄肉部５１Ｃの厚みと比較して大きく形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、密閉型電池の圧力型電流遮断機構の技術に関する。

密閉型電池とは、電解液を電池ケースに封入したものであって、例えばリチウムイオン二次電池等が良く知られている。密閉型電池では、過充電によって熱暴走が生じると、電池ケースの内部にガスが発生し、電池ケースの内部圧力が上昇し、電池ケースが膨張し、最悪の場合には電池ケースの破裂に至る。

密閉型電池には、電池ケースの破裂という最悪の事態を防止するため、電流遮断機構が設けられている。電流遮断機構の一つである圧力型電流遮断機構は、電池ケースの内部圧力が設定圧力より高くなった場合には、物理的に電流を遮断する装置である（例えば、特許文献１）。

特許文献１に開示される圧力型電流遮断機構は、電池ケースの内部圧力が設定圧力以上になると、反転板が加圧方向に向かって反るように変形し、集電端子の反転板と接合している部分（接合部）が反転板の変形によって加圧方向に向かって引っ張られ、集電端子における溝（刻印部）の形成された部分が破断することによって、集電端子と反転板との電気的な接続を物理的に遮断する構成である。

しかし、特許文献１に開示される圧力型電流遮断機構では、電池ケースの内部圧力が設定圧力付近になると、溝（刻印部）を含む薄肉部全体が、薄肉部の根元を基点として加圧方向に向かって反るように変形し、溝（刻印部）が破断されずに設定圧力に耐えてしまう場合がある。そのため、圧力型電流遮断機構の作動圧にバラつきが生じることになる。

また、圧力型電流遮断機構は、複数の部品を組み付けることによって構成されているため、部品寸法公差、又は、組み付け寸法公差により各部品・部位の位置等にバラつきが発生する。圧力型電流遮断機構は、小型部品であるため、部品寸法公差、又は、組み付け寸法公差によるバラつきによる影響が大きく、作動圧にバラつきが生じることになる。そこで、密閉型電池の圧力型電流遮断機構では、作動圧のバラつきを抑制することが求められている。

特開２０１０−２１２０３４号公報

本発明の解決しようとする課題は、圧力型電流遮断機構の作動圧のバラつきを抑制できる密閉型電池を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、電池ケースの内部圧力が設定圧力以上になると、反転板が加圧方向に向かって反るように変形し、集電端子にて前記反転板と接合している薄肉部が前記反転板の変形によって加圧方向に向かって引っ張られ、前記薄肉部が刻印部にて破断することによって、前記集電端子と前記反転板との電気的な接続を遮断する圧力型電流遮断機構を備える密閉型電池であって、前記刻印部より外周側の薄肉部の少なくとも一部の厚みは、前記刻印部より内周側の薄肉部の厚みと比較して大きく形成されているものである。

本発明の密閉型電池によれば、圧力型電流遮断機構の作動圧のバラつきを抑制できる。

リチウムイオン二次電池の構成を示した断面構成図。 同じく圧力型電流遮断機構の構成を示す断面構成図。 本発明の別実施形態に係る正極集電端子の構成を示す平面図及び断面構成図。

図１を用いて、リチウムイオン二次電池１０について説明する。
なお、図１では、リチウムイオン二次電池１０の内部構成を分かり易くするため、リチウムイオン二次電池１０を一部断面図にて表している。

リチウムイオン二次電池１０は、本発明の密閉型電池に係る実施形態である。リチウムイオン二次電池１０は、電池ケース１５と、蓋体１６と、正極端子１１と、負極端子１２と、を具備している。

電池ケース１５は、直方体形状の角型ケースに構成されている。電池ケース１５の内部には、扁平形状の捲回電極体２０及び電解液が収容されている。蓋体１６は、電池ケース１５の上部に開口される開口部を塞ぐように構成されている。蓋体１６には、外部接続用の正極端子１１と負極端子１２とが設けられている。正極端子１１及び負極端子１２の一部は蓋体１６の表面側に突出している。

電池ケース１５の内部には、捲回電極体２０と、圧力型電流遮断機構３１と、正極集電端子５１と、負極集電端子５２と、が収納されている。

捲回電極体２０は、長尺シート状の正極シートと、長尺シート状の負極シートとを、長尺シート状のセパレータを介して、幅方向を軸方向として捲回して構成されるものである。捲回電極体２０の軸方向一側の端部には、正極集電体２１が露出している。一方、捲回電極体２０の軸方向他側の端部には、負極集電体２２が露出している。

正極集電端子５１は、下方に延設される脚部５１Ｂが形成されている。正極集電端子５１の脚部５１Ｂには、正極集電体２１が接合されている。同様に、負極集電端子５２は、下方に延設される脚部５２Ｂが形成されている。負極集電端子５２の脚部５２Ｂには、負極集電体２２が接合されている。なお、圧力型電流遮断機構３１について、詳しくは後述する。

正極端子１１は、圧力型電流遮断機構３１及び正極集電端子５１を介して、捲回電極体２０の正極集電体２１と電気的に接続されている。負極端子１２は、負極集電端子５２を介して、捲回電極体２０の負極集電体２２と電気的に接続されている。

図２を用いて、圧力型電流遮断機構３１の構成について説明する。
なお、図２（Ａ）には、圧力型電流遮断機構３１を構成する主要部材である反転板４１と正極集電端子５１とのみを断面構成図によって表している。また、図２（Ｂ）には、刻印部５１Ｄ付近を拡大して断面構成図によって表している。

圧力型電流遮断機構３１は、電池ケース１５の内部圧力が設定圧力より高くなった場合には、物理的に電流を遮断する装置である。圧力型電流遮断機構３１は、反転板４１と、正極側の集電端子である正極集電端子５１と、を具備している。

反転板４１は、電池ケース１５の内部圧力が設定圧力以上になると、加圧方向（上方向）に向かって反るように変形する部材である。反転板４１は、略円盤形状に形成され、略中央部分には、上面側が下方に凹陥する凹部４１Ａが形成されている。凹部４１Ａの底面は、後述する正極集電端子５１の薄肉部５１Ｃの上面に溶接によって接合されている。

正極集電端子５１は、電池ケース１５の内部圧力が設定圧力以上になると、薄肉部５１Ｃが反転板４１の変形によって上方向に向かって引っ張られ、薄肉部５１Ｃが刻印部５１Ｄにて破断する部材である。正極集電端子５１は、本体５１Ａと、脚部５１Ｂと、から構成されている。

正極集電端子５１の本体５１Ａは、薄肉部５１Ｃと、刻印部５１Ｄと、剛性強化部５１Ｅと、脚支持部５１Ｆと、から形成されている一つの部品である。本体５１Ａは、平面視略矩形形状に形成されている。本体５１Ａの略中央部には、略円形状の孔部５１Ｇが形成されている。以下、孔部５１Ｇの中心から外側に向かう方向を径方向として、径方向の外側に向かって各部を説明する。

孔部５１Ｇの外周側には、他部（脚支持部５１Ｆ）よりも薄肉に形成される薄肉部５１Ｃが平面視にて略円形形状に形成されている。薄肉部５１Ｃには、刻印部５１Ｄが形成されている。刻印部５１Ｄは、薄肉部５１Ｃの下方に略円形形状に形成される溝である。薄肉部５１Ｃが反転板４１の変形によって上方向に向かって引っ張られると、刻印部５１Ｄにて破断が生じる。ここで、径方向において、刻印部５１Ｄが形成されている位置を位置Ｒ１と定義する。

本体５１Ａの下面において、薄肉部５１Ｃの外周側には、脚支持部５１Ｆが本体５１Ａ端側まで形成されている。脚支持部５１Ｆの厚さは、薄肉部５１Ｃの厚さと比較して十分に大きいものとされている。ここで、径方向において、脚支持部５１Ｆが開始される位置を位置Ｒ３と定義する。脚支持部５１Ｆが開始される位置（位置Ｒ３）は、平面視にて円形形状に形成されている。

本体５１Ａの上面において、薄肉部５１Ｃの外周側には、剛性強化部５１Ｅが径方向の所定位置まで形成されている。剛性強化部５１Ｅの厚さは、薄肉部５１Ｃの厚さと比較して十分に大きいものとされている。ここで、径方向において、剛性強化部５１Ｅが開始される位置を位置Ｒ２と定義する。また、剛性強化部５１Ｅの外周縁部は、脚支持部５１Ｆが開始される位置Ｒ３よりも外周側に位置している。剛性強化部５１Ｅは、平面視にてリング形状に形成されている。

ここで、特記すべき事項として、位置Ｒ２は、位置Ｒ１と位置Ｒ３との間にあるものとする。すなわち、本体５１Ａは、剛性強化部５１Ｅが開始される位置（位置Ｒ２）は、刻印部５１Ｄが形成されている位置（位置Ｒ１）と脚支持部５１Ｆが開始される位置（位置Ｒ３）の間にあるように形成されている。本実施形態では、位置Ｒ２は、位置Ｒ１と位置Ｒ３との間において、位置Ｒ１に近接している。すなわち、刻印部５１Ｄの幅方向（径方向）略中央に位置する位置Ｒ１よりも外周側に位置する刻印部５１Ｄの外周縁部に、位置Ｒ２は位置している。

圧力型電流遮断機構３１の作用について説明する。
仮に、リチウムイオン二次電池１０が過充電されることによって熱暴走が生じたとする。リチウムイオン二次電池１０に熱暴走が生じることによって、電池ケース１５の内部にガスが発生する。電池ケース１５の内部にガスが発生することによって、電池ケース１５の内部圧力が上昇する。電池ケース１５の内部圧力が上昇することによって、圧力型電流遮断機構３１に上向きの圧力が作用する。

圧力型電流遮断機構３１に上向きの圧力が作用することによって、反転板４１にも上向きの圧力が作用し、反転板４１は上向きに反るように変形する。反転板４１が上向きに反るように変形することによって、正極集電端子５１の薄肉部５１Ｃが上向きに引っ張られる。正極集電端子５１の薄肉部５１Ｃが上向きに引っ張られることによって、正極集電端子５１の刻印部５１Ｄにて破断が生じる。

このとき、薄肉部５１Ｃの根元、すなわち脚支持部５１Ｆが開始される位置（位置Ｒ３）には、上方に剛性強化部５１Ｅが形成されているため、薄肉部５１Ｃの根元を基点として薄肉部５１Ｃ全体が加圧方向に向かって反るように変形することはなく、刻印部５１Ｄが破断されずに設定圧力に耐えてしまうことはない。

また、位置Ｒ２が位置Ｒ１と位置Ｒ３との間において位置Ｒ１に近接しているため、刻印部５１Ｄには効率的に応力が集中することになる。つまり、薄肉部５１Ｃの剛性強化部５１Ｅが形成されている部分は、剛性強化部５１Ｅが形成されていない部分に比べて剛性が高いため、薄肉部５１Ｃに上向きに引っ張られるような力がかかった際に撓み難く、剛性強化部５１Ｅの内周縁部（位置Ｒ２）近傍に応力が集中することとなる。従って、位置Ｒ２を位置Ｒ１に近接させることで、刻印部５１Ｄに応力が集中しやすくなる。このように、位置Ｒ２が位置Ｒ１と位置Ｒ３との間において位置Ｒ１に近くなるほど、刻印部５１Ｄに応力が集中しやすくなっている。

圧力型電流遮断機構３１に上向きの圧力が作用して、薄肉部５１Ｃが上向きに引っ張られるような力がかかり、正極集電端子５１が刻印部５１Ｄを境界として、内側と外側とに分離されることによって、反転板４１と正極集電端子５１との電気的な接続が遮断される。反転板４１と正極集電端子５１との電気的な接続が遮断されることによって、圧力型電流遮断機構３１は電気的に絶縁される。

圧力型電流遮断機構３１の効果について説明する。
圧力型電流遮断機構３１によれば、作動圧のバラつきを抑制できる。なお、作動圧とは、圧力型電流遮断機構３１が作動する圧力として予め設計的に設定される設定圧力に対して、圧力型電流遮断機構３１が実際に作動して、正極端子１１と正極集電端子５１との間を電気的に絶縁する圧力である。

圧力型電流遮断機構３１によれば、刻印部５１Ｄが破断されずに耐えてしまうようなことがなく、常時、刻印部５１Ｄから破断することによって、常時、同一の圧力によって作動させることができる。また、圧力型電流遮断機構３１によれば、刻印部５１Ｄに効率的に応力を集中させることによって、常時、同一の圧力によって作動させることができる。

また、正極集電端子５１の本体５１Ａを一つの部品とすることによって、位置Ｒ２を位置Ｒ１と位置Ｒ３との間とするために、本体５１Ａの部品寸法公差のみを考慮すれば良い。言い換えれば、正極集電端子５１の本体５１Ａを一つの部品とすることによって、組み付け公差を考慮することなく、本体５１Ａの寸法精度を向上できる。すなわち、圧力型電流遮断機構３１の作動圧のバラつきを抑制できる。

図３を用いて、正極集電端子１５１・２５２について説明する。
なお、図３（Ａ）では、本実施形態の正極集電端子５１を表し、図３（Ｂ）では、正極集電端子１５１を表し、図３（Ｃ）では、正極集電端子２５１を表している。図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）では、正極集電端子５１・１５１・２５１の平面図、並びに、それぞれの平面図におけるＡＡ断面構成図を表している。

正極集電端子１５１及び正極集電端子２５２は、本発明の集電端子に係る別の実施形態である。

図３（Ａ）に示すように、正極集電端子５１には、上述したように剛性強化部５１Ｅが形成されている。

図３（Ｂ）に示すように、正極集電端子１５１の上面には、剛性強化部１５１Ｅが形成されている。剛性強化部１５１Ｅは、薄肉部１５１Ｃの外周側から本体１５１Ａの端側まで形成されている。剛性強化部１５１Ｅが開始される位置は、平面視にて円形形状に形成されている。言い換えれば、正極集電端子１５１の上面では、本体１５１Ａにて薄肉部１５１Ｃのみが凹部となって形成されている。

図３（Ｃ）に示すように、正極集電端子２５１の上面には、剛性強化部２５１Ｅが形成されている。剛性強化部１５１Ｅは、平面視にて薄肉部１５１Ｃの外周側から放射状に形成される４本の略長方形のリブとされている。剛性強化部１５１Ｅは、薄肉部１５１Ｃの外周側から本体１５１Ａの所定位置まで形成されている。

正極集電端子１５１又は正極集電端子２５１であっても、本実施形態の正極集電端子５１と同様の作用及び効果を得ることができる。

１０ リチウムイオン二次電池
３１ 圧力型電流遮断機構
４１ 反転板
５１ 正極集電端子
５１Ｃ 薄肉部
５１Ｄ 刻印部
５１Ｅ 剛性橋架部
５１Ｆ 脚支持部

Claims (1)

1. 電池ケースの内部圧力が設定圧力以上になると、反転板が加圧方向に向かって反るように変形し、集電端子にて前記反転板と接合している薄肉部が前記反転板の変形によって加圧方向に向かって引っ張られ、前記薄肉部が刻印部にて破断することによって、前記集電端子と前記反転板との電気的な接続を遮断する圧力型電流遮断機構を備える密閉型電池であって、
   前記刻印部より外周側の薄肉部の少なくとも一部の厚みは、前記刻印部より内周側の薄肉部の厚みと比較して大きく形成されている、
   密閉型電池。

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