JP2013187530A - 密閉型電気化学デバイス用防爆弁 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、本体内に電解液を有するコンデンサやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスでその本体を構成する金属材でできた封口板に形成する防爆弁において、本体内に蓄積されたガスにより急激に内圧が上昇して、電気化学デバイスが破裂したり発火したりするのを未然に防止するために、突き破るようにして一気に破断させて、その本体内に蓄積されたガスを迅速に本体外に排出する防爆弁を提供する。
【解決手段】
封口板１のガス排出孔２３を熱可塑性樹脂の弁膜部２１で閉塞するように封口板１に一体に射出成形してできた防爆弁２において、弁膜部２１は直径Ｄが１５μｍ以下で長さＬとの比（Ｌ／Ｄ）が２以下の粒子状のフィラーを熱可塑性樹脂に含有させてできている密閉型電気化学デバイス用防爆弁。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解液を有するコンデンサやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスにおいて、その内圧上昇により内部に発生したガスを排出する防爆弁に関する。

本体内に電解液を有するコンデンサやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスにあっては、短絡・過充電・逆充電などにより電解液が分解されて、その本体内でガスが発生し、本体内に蓄積されたガスにより急激に内圧が上昇して、電気化学デバイスが破裂したり発火したりするおそれがあるので、このような内圧上昇時に本体内に蓄積されたガスをガス排出孔から迅速に本体外に排出する防爆弁が必要である。

前記本体を構成する封口板にガス排出孔を設けて、このガス排出孔を閉塞して本体内を密封するとともに内圧が上昇した際にそのガス排出孔を開放するために破断可能とした弁膜部を有する防爆弁とする場合、その弁膜部の素材としては電解液に腐食されにくい素材を選定する必要があり、熱可塑性樹脂の素材が用いられている。例えば、特許文献１にて、一極性端子を兼用するように金属材でできた封口板の一部にガス抜き孔を設け、ポリプロピレン樹脂製のフィルムを熱溶着により封口板に貼り付けて、そのフィルムでガス抜き孔を閉塞し、内圧の上昇により所定の内圧でこのフィルムが膨張して破断するようにした防爆弁が提案されている。

しかし、特許文献１のようにポリプロピレン樹脂製のフィルムを熱溶着により弁膜部として封口板に貼り付ける防爆弁では、そのフィルムは柔軟性があるので、内圧の上昇時にフィルムは突き破るようにして一気に破断せず、破断に時間がかかり迅速にガスを排出し難く、さらに、フィルムを貼り付ける作業において電解液がガス排出孔から漏れ出ないようにフィルムと封口板との密着接合を確実にするよう配慮する必要がある。

そこで、フィルムを熱溶着して前記封口板に防爆弁を形成するに際して、電解液がガス排出孔から漏れ出ないようにフィルムと封口板との密着接合を確実にするには、前記ガス排出孔を閉塞し破断可能な弁膜部を熱可塑性樹脂で封口板と一体に射出成形する方法を採用すればよいが、その弁膜部は熱可塑性樹脂でできているので、その固有の柔軟性により突き破るように一気に破断しにくく、膨張して破断するので、所定の内圧による破断作用が不安定となる。

実開平６−６２４５７号公報

本発明は、上記の問題点を解消するために、密閉型電気化学デバイス用封口板にガス排出孔を設け、前記ガス排出孔を閉塞し破断可能な弁膜部を熱可塑性樹脂で一体に射出成形してできた防爆弁において、前記ガス排出孔から電解液が漏れ出ないようにするとともに、密閉型電気化学デバイスの本体内に蓄積されたガスにより急激に内圧が上昇した際に、前記弁膜部を突き破るようにして一気に破断させることにより、閉塞されていたガス排出孔を迅速に開放させて、その本体内に蓄積されたガスを迅速に本体外に排出する防爆弁を提供することを目的とする。

本発明の密閉型電気化学デバイス用防爆弁は、密閉型電気化学デバイス用封口板にガス排出孔を設け、前記ガス排出孔を閉塞し破断可能な弁膜部を前記封口板に熱可塑性樹脂で一体に射出成形してできた防爆弁において、前記弁膜部は熱可塑性樹脂に直径Ｄが１５μｍ以下で長さＬとの比（Ｌ／Ｄ）が２以下の粒子状のフィラーを含有させてできていることを特徴とする。同請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の密閉型電気化学デバイス用防爆弁で、前記弁膜部には、その中央部に破断促進用の切り込みが形成されていることを特徴とする。同請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の密閉型電気化学デバイス用防爆弁で、前記フィラーは、ガラス、アルミナ、セラミックなどの無機質材の粒子状としたことを特徴とする。同請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の密閉型電気化学デバイス用防爆弁で、前記熱可塑性樹脂とフィラーとは、シラン系のカップリング剤などの化学的処理剤で結合させたことを特徴とする。さらに、同請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４に記載の何れかひとつの密閉型電気化学デバイス用防爆弁で、前記ガス抜き孔の内周は前記弁膜部の方向に断面積を小さくしノズル形状となるように傾斜壁で構成してなることを特徴とする。

本発明の密閉型電気化学デバイス用防爆弁は、密閉型電気化学デバイス用封口板にガス排出孔を設け、前記ガス排出孔を閉塞し破断可能な弁膜部を前記封口板に熱可塑性樹脂で一体に射出成形してできた防爆弁において、前記弁膜部は熱可塑性樹脂に直径Ｄが１５μｍ以下で長さＬとの比（Ｌ／Ｄ）が２以下の粒子状のフィラーを含有させてできているので、ガス排出孔から電解液が漏れ出るのを防ぐことができるとともに本体内に蓄積されたガスにより急激に内圧が上昇したときに弁膜部を突き破るようにして一気に破断させることにより、閉塞されていたガス排出孔を迅速に開放させて、そのガスを迅速に本体外に排出して、この密閉型電気化学デバイスが破裂したり発火したりするのを未然に防止することができ、しかも、粒子状のフィラーを含有しない熱可塑性樹脂で成形してできた弁膜部に比し、熱可塑性樹脂の溶融流動性を悪くせずウエルドによる成形欠陥が発生しにくく強度に信頼性のある弁膜部が得られるので、上記の破断作用が安定する。また、前記弁膜部には、その中央部に破断促進用の切り込みが形成されているので、弁膜部の破断がしやすくなる。前記フィラーは、ガラス、アルミナ、セラミックなどの無機質材で粒子状からなるので、樹脂の流動性を阻害せず、前記熱可塑性樹脂とフィラーとは、シラン系のカップリング剤などの化学的処理剤で結合させているので、熱可塑性樹脂とフィラーが密着するので、前記弁膜部が突き破るようにして一気に破断されやすくなる。さらに、前記ガス抜き孔の内周は前記弁膜部の方向に断面積を小さくしノズル形状となるように傾斜壁で構成されているので、本体内に蓄積されたガスによりその内圧が上昇した場合、そのガスがより速い速度で弁膜部を突き破るようにして一気に切断をしやすくするなどの効果を有する。

本発明の実施形態で防爆弁を示す断面図である。 内圧上昇時の防爆弁の弁膜部への圧力分布作用の説明図である。 本発明の防爆弁を設けた密閉型電気化学デバイスの実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１および図３において、図１は防爆弁を示し、図３は図１の防爆弁および端子部を備えた封口板を密閉型電気化学デバイスの本体に設けた密閉型電気化学デバイスを示す。

この密閉型電気化学デバイスは電解液７を有するコンデンサやリチウム電池などで、円板（楕円を含む）状や矩形状の封口板１が開口端のある円筒状または直方体状の箱型ケース１００を閉蓋するように接合手段８で本体を構成する。この本体内にはリード４、５、正負極素子部６、電解液７および正負極素子部６が気密状態に設けられている。この封口板１には正極端子と負極端子の何れか一方または両方が設けられており、図３の実施形態においては、一方の端子例えば正極端子を設けた場合を示す。封口板１はアルミニウム（その合金を含む）やステンレスなどの金属材でできており、箱型ケース１００の素材も封口板１と同様なアルミニウム（その合金を含む）やステンレスなどの金属材であるので、封口板１と箱型ケース１００とを接合して本体を形成する接合手段８にはレーザ接合を採用して、電気的に導通させるとともに本体内を密封させて、封口板１と正負極素子部６とはリード５を介して電気接続されている。また、この封口板１には、正極端子である端子部３が設けられており、端子部３は銅（その合金を含む）やアルミニウム（その合金を含む）などでできた金属端子３１を有し、この金属端子３１と正負極素子部６とはリード４を介して正負極素子部６と電気接続されている。封口板１は金属材でできているので、金属端子３１は合成樹脂の絶縁材３２を介してかしめまたは成形にて封口板１に密着するように固着されている。

このように端子部３が設けられた封口板１には、防爆弁２や電解液注入口（図示せず）が設けられている。この防爆弁２には図１に示すように、封口板１に設けたガス排出孔２３を閉塞するとともに密閉型電気化学デバイスの本体の内圧の上昇時に破断してガス排出孔２３からガスを本体外に排出できるようにした弁膜部２１を有する。この弁膜部２１は、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、ポリエチレンナフタレート系樹脂、ポリブチレンナフタレート系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂などの熱可塑性樹脂で、封口板１と射出成形で一体に成形させることにより、封口板１に密着して固着させることができる。しかし、このような熱可塑性樹脂を防爆弁２として用いると、熱可塑性樹脂は電解液などに対する耐薬品性はあるが、柔軟性があるので、本体の内圧の上昇時に突き破るようにして一気に破断し難く、破断に時間がかかり迅速にガスを排出し難くなる。

そこで、弁膜部２１を有する防爆弁２の素材が熱可塑性樹脂であっても、射出成形して封口板１に一体にする際に、熱可塑性樹脂の溶融流動性を悪くせず、ウエルドによる成形欠陥が発生しにくく強度に信頼性をもたせて弁膜部２１の破断作用が安定し、一気に破断できるようにするために、熱可塑性樹脂にフィラーを含有させて射出成形することを見出した。

剛性をもたせるフィラーの素材としては、好ましくは、ガラス、アルミナ、セラミックなどの無機質であればよいが、厚さが０．１〜０．２ｍｍの薄肉で防爆弁２に必要な弁膜部２１を射出成形で形成する場合、フィラーの直径Ｄが１５μｍよりも大きいと射出成形時の樹脂の流れが悪く、長さＬとの比（Ｌ／Ｄ）が２を超えると、いわゆる長繊維状となり、剛性が高くなりすぎて、弁膜部２１を突き破るようにして一気に破断しにくくなる。

そこで、弁膜部２１を有する防爆弁２は、上記の熱可塑性樹脂の素材に、直径Ｄが１５μｍ以下で長さＬとの比（Ｌ／Ｄ）が２以下の粒子状のフィラーを、好ましくは長さＬとの比（Ｌ／Ｄ）が１のいわゆる球形の粒子状のフィラーを、１５〜６０重量％含有させることにより、封口板１と一体に射出成形する際に溶融流動性が悪くならず、かつ剛性ができて突き破るようにして一気に破断することができる密閉型電気化学デバイス用防爆弁を提供することができた。この場合、粒子状のフィラーの含有量としては、ポリブチレンテレフタレート系であるＰＢＴ樹脂の場合、ガラスビーズを３０〜４０重量％を選択できる。さらに、粒子状のフィラーの直径Ｄは１５μｍ以下であるので、ナノオーダーで例えば、平均粒子径１００ｎｍ程度のシリカ粉、石英粉、ガラスビーズ等の無機質フィラーを選択してもよい。

本体の内圧上昇により防爆弁２の弁膜部２１を破断させようとするとき、図２に示すように、防爆弁２の弁膜部２１は、その内部において熱可塑性樹脂部とフィラー表面との間に空隙があると、上昇した本体の内圧Ｐにより受けた押圧力ｐ１が作用して、この空隙を押し潰しながら破断しようとするので、弁膜部２１を突き破るようにして一気に破断するには、熱可塑性樹脂とフィラーとをシラン系のカップリング剤などの化学的処理剤で結合させることにより熱可塑性樹脂部とフィラー表面とを密着させて空隙を発生させないようにすることが好ましい。そこで、この好ましいフィラーの含有のさせ方として、前述したフィラーの表面に、シラン系のカップリング剤などの化学的処理剤の被覆層を形成して、これを熱可塑性樹脂とともに封口板１と一体に射出成形する。なお、シラン系のカップリング剤などの化学的処理剤としては、メルカプト基、チオカルボニル基、シアノ基、イソシアナート基、アミノ基、アンモニウム基、ピリジニウム基、アジニル基、カルボキシル基、ベンゾトリアゾール基、トリアジンチオール基等の何れかまたはこれらを組み合わせた化学的処理剤である。このようにすると、熱可塑性樹脂部とフィラー表面とが空隙がないように密着して結合した弁膜部２１が形成されるので、上昇した本体の内圧Ｐで弁膜部２１に押圧力を受けたとき、弁膜部２１の内部で空隙を押し潰す作用がなく弁膜部２１全体に押圧力を受けて一気に破断がしやすくなる。また、予め前記熱可塑性樹脂のペレットや粉末の表面に前記化学的処理剤の被覆層を形成して、フィラーを混合させて混煉させて、封口板１と一体に射出成形するようにしてもよい。

このようにして、フィラーを含有した熱可塑性樹脂を用いた弁膜部２１、好ましくはフィラーを含有した熱可塑性樹脂を化学的処理剤で結合させて用いた弁膜部２１を、有する防爆弁２の構成について、図１を参照して、以下、説明する。

封口板１はアルミニウム（その合金を含む）やステンレスなどの金属材でできており、ガスを排出するガス抜き孔となる貫通孔１１が形成されている。すなわち、この貫通孔１１に中空状の筒部２６が設けられており、筒部２６の中空部がガス抜き孔２３となり、密閉型電気化学デバイス用封口板に設けたガス排出孔を構成する。この筒部２６の一端には外周方向に延出した外側鍔部２４と筒部２６の他端には外周方向に延出した内側鍔部２５が封口板１を挟むように形成されており、外側鍔部２４には外側鍔部２４の厚さよりも薄い厚さの弁膜部２１が形成されるように前述の熱可塑性樹脂で、封口板１と一体に射出成形される。

なお、図１において、２７は、弁膜部２１の上面が外側鍔部２４の上面よりも下方にあるように形成された凹所である。この凹所２７により、弁膜部２１の上面を外側鍔部２４よりも低くしているので、封口板１の表面に突出せず、弁膜部２１が本体外に突出しないようすることができ、弁膜部２１が外部から損傷を受け難くしている。この場合、弁膜部２１の厚さおよび凹所２７の深さは破断する圧力により設定すればよい。

さらに、弁膜部２１にはその下面の中央に下方側の表面を切除した切り込み部２２が形成されており、この切り込み部２２は弁膜部２１の破断を促進することができる。この実施形態では切り込み部２２を弁膜部２１の中央に形成しているが、十文字状に形成したり、周辺位置に環状に形成したりして弁膜部２１の一部に形成してもよい。なお、弁膜部２１の厚さおよび切り込み部２２の切り込み量は破断する圧力により設定すればよい。

防爆弁２の筒部２６は、封口板１の貫通孔１１にあって、封口板１に設けたガス抜き孔２３を形成しており、外側鍔部２４の方向すなわち弁膜部２１の方向に断面積を小さくしノズル形状となるようにガス抜き孔２３の内周に傾斜壁が形成されており、ガスが弁膜部２１の方向により速い速度で流れて、この弁膜部２１を本体外方向に突き破るようにして一気に破断させやすくするようにしている。

以上のように、密閉型電気化学デバイスの本体にはガスを排出するためのガス抜き孔２３と、このガス抜き孔２３を閉塞する弁膜部２１を有する防爆弁２とが、備えられているので、本体内で短絡・過充電・逆充電などにより電解液７が分解されて、ガスが発生し蓄積されて本体の内圧が上昇したとき、その内圧で弁膜部２１を突き破るようにして一気に破断させるので、閉塞されていたガス抜き孔２３を迅速に開放させてガスを本体外へ排出させて内圧を迅速に大気開放して、密閉型電気化学デバイスに破裂や発火などの悪影響を与えないようにしている。この場合、弁膜部２１は、熱可塑性樹脂に直径Ｄが１５μｍ以下で長さＬとの比（Ｌ／Ｄ）が２以下の粒子状のフィラーを含有させて成形してできているので、フィラー含有を配慮せずに適用した熱可塑性樹脂でできた弁膜部のような膨張破断ではなく、突き破るようにして一気に破断させることができるので、閉塞されていたガス排出孔を迅速に開放させて、ガスを本体外へ迅速に排出させることができる。なお、弁膜部２１の厚さは０．１〜０．２ｍｍ好ましくは更に薄肉であるが、その厚さは破断する圧力により設定すればよい。

本発明の封口板は、電解液を有するコンデンサやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスの防爆に有用である。

１ 封口板
２ 防爆弁
２１ 弁膜部
２３ ガス抜き孔

Claims (5)

1. 密閉型電気化学デバイス用封口板にガス排出孔を設け、前記ガス排出孔を閉塞し破断可能な弁膜部を前記封口板に熱可塑性樹脂で一体に射出成形してできた防爆弁において、前記弁膜部は直径Ｄが１５μｍ以下で長さＬとの比（Ｌ／Ｄ）が２以下の粒子状のフィラーを熱可塑性樹脂に含有させてできていることを特徴とする密閉型電気化学デバイス用防爆弁。
2. 前記弁膜部には、その中央部に破断促進用の切り込みが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の密閉型電気化学デバイス用防爆弁。
3. 前記フィラーは、ガラス、アルミナ、セラミックなどの無機質材で粒子状としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の密閉型電気化学デバイス用防爆弁。
4. 前記熱可塑性樹脂とフィラーとは、シラン系のカップリング剤などの化学的処理剤で結合させたことを特徴とする請求項３に記載の密閉型電気化学デバイス用防爆弁。
5. 前記ガス抜き孔の内周は前記弁膜部の方向に断面積を小さくしノズル形状となるように傾斜壁で構成してなることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の何れかひとつの密閉型電気化学デバイス用防爆弁。

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