JP2014053262A - 密閉型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池に衝撃が加わっても電極群が飛び出すことがなく、また、電池内で異常ガスが発生しても電池ケースが破損することがない、密閉型二次電池を提供する。
【解決手段】電極群4が電池ケース5内に収容された密閉型二次電池であって、電池ケースの開口部は、ガスケット9を介して封口板10によって封口されており、電極群の封口板側には、貫通孔7が形成された絶縁板6が配設されており、絶縁板は、電池ケースの側壁に形成された溝部5aによって拘束されており、絶縁板の平面圧縮強度をＰ（Ｎ／ｍｍ^２）、絶縁板の貫通孔の開口率をＮ（％）としたとき、Ｐ≧−０．００８Ｎ＋０．７、及び３０≦Ｎ≦６０の関係式を満たす。
【選択図】図４

Description

本発明は、電極群が電池ケース内に収容された密閉型二次電池に関する。

一般に、リチウムイオン二次電池等の密閉型二次電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回された電極群が、電解液とともに電池ケース内に収容されている。ここで、電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板で封口されている。また、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。さらに、正極板または負極板が、電池ケースまたは封口板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。

ここで、電極群の封口板側に配置された絶縁板は、電池ケースの側壁に形成された溝部によって規制されており、これにより、電極群が電池ケース内で移動するのを防止している。

しかしながら、絶縁板の外周端と、電池ケースの内周面との間に隙間がある場合、外部から電池に衝撃が加わると、電極群が封口板側に飛び出して封口板に接触し、内部短絡が発生する畏れがある。

このような問題に対して、特許文献１には、絶縁板の外周端を、電池ケースの内周面に当接させる技術が記載されている。これにより、絶縁板を、電池ケースの溝部に確実に拘束することができ、電池に衝撃が加わっても、電極群が封口板側に飛び出すのを防止できる。

また、特許文献２には、電池に衝撃が加わったときに、電極群が封口板側に飛び出すのを、電池ケースの溝部によって拘束された絶縁板で阻止するために、絶縁板の曲げ強度を、一定の範囲の大きさにすることが記載されている。

特開２００２−１００３４３号公報 特開２０００−２３５８４８号公報

一般に、密閉型二次電池は、電池内で、内部短絡等に起因して発生したガスを電池外に放出する安全機構を備えている。通常、電極群の封口板側に配置された絶縁板には、貫通孔が形成されており、電池内に発生したガスの圧力が所定値を超えて安全機構が作動すると、電池内で発生したガスは、絶縁板の貫通孔を介して、封口板に形成された開放部から外部に放出される。

従って、絶縁板の貫通孔は、電池内で発生したガスを外部に放出するための経路になっているため、絶縁板の貫通孔の面積は、ガスの排気能力を考慮すると、できるだけ大きい方が好ましい。

しかしながら、絶縁板の貫通孔の面積を大きくすると、相対的に、絶縁板の強度が低下する。そのため、電池に衝撃が加わったときに、電極群が封口板側に飛び出すのを、絶縁板で阻止できない畏れがある。また、電池のエネルギー密度が高くなると、電池内で発生した異常ガスの圧力が非常に高くなるため、絶縁板に加わる圧力も高くなる。そのため、絶縁板の強度が十分でないと、電池の安全機構が作動したとき、ガスの放出とともに、電極群も封口板側に飛び出す畏れがある。

一方、絶縁板の貫通孔の面積を小さくすれば、絶縁板の強度の低下を抑制できるが、逆に、ガスの排気能力を低下させる。そのため、電池内で異常ガスが発生して、安全機構が作動しても、電池内の圧力上昇を抑制できず、電池ケースが破損する畏れがある。

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、電池に衝撃が加わっても、電極群が封口板側に飛び出すことがなく、また、電池内で異常ガスが発生しても、電池ケースが破損することがない、安全性の高い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た密閉型二次電池であって、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、電極群の封口板側には、貫通孔が形成された絶縁板が配設されており、絶縁板は、電池ケースの側壁に径方向内側に突出して形成された溝部によって拘束されており、絶縁板の平面圧縮強度をＰ（Ｎ／ｍｍ^２）、絶縁板の貫通孔の開口率をＮ（％）としたとき、以下の関係式（１）、（２）を満たす。

Ｐ≧−０．００８Ｎ＋０．７ （１）
３０≦Ｎ≦６０ （２）

本発明によれば、電池に衝撃が加わっても、電極群が封口板側に飛び出すことがなく、また、電池内で異常ガスが発生しても、電池ケースが破損することがない、安全性の高い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である。 本発明の一実施形態における電池ケースの溝部と絶縁板との位置関係を示した図で、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は電池ケースの開口部側から見た平面図である。 絶縁板の平面圧縮強度の測定方法を示した断面図である。 貫通孔の開口率と絶縁板の平面圧縮強度に対する安全性試験の結果を示したグラフである。 本発明の一実施形態における絶縁板の他の構成を示した平面図である。

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、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、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、円筒形の電池ケース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９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。しかし、封口板１０は、このような構成に限定されない。

正極板１は、正極リード１４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１５を介して電池ケース５の底部（負極端子を兼ねる）に接続されている。また、電極群４の上下には、絶縁板６、７が、それぞれ配置されている。なお、電極群４の上方（封口板１０側）に配置された絶縁板６は、絶縁板６の外周端が、電池ケース５の内周面に当接した状態で、電池ケース５の側壁に径方向内側に突出して形成された溝部５ａによって拘束されている。

絶縁板６には、貫通孔７が形成されており、正極板１に接続された正極リード１４は、貫通孔７を介して、下部金属板１３に接続されている。また、下部金属板１３及び弁体１２も、それぞれ開口部１３ａ、１２ａが形成され、さらに、上部金属板１１には、電池ケース５内で発生したガスを外部に放出する開放部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の貫通孔７、下部金属板１３の開口部１３ａ、弁体１２の開口部１２ａ、及び上部金属板１１の開放部１１ａを介して、外部に排気される。

上述したように、絶縁板６の貫通孔７は、正極板１に接続された正極リード１４を、下部金属板１３に接続するための経路になると共に、電池ケース５内で発生したガスを外部に放出するための経路にもなっている。従って、絶縁板６の貫通孔７の面積は、ガスの排気能力を考慮すると、できるだけ大きい方が好ましい。

しかしながら、絶縁板６の貫通孔７の面積を大きくすると、相対的に、絶縁板６の強度が低下する。そのため、電池１００に衝撃が加わったときに、電極群４が封口板１０側に飛び出すのを、絶縁板６で阻止できなくなる畏れがある。また、電池１００のエネルギー密度が高くなると、電池ケース５内で発生した異常ガスの圧力が非常に高くなるため、絶縁板６に加わる圧力も高くなる。そのため、絶縁板６の強度が十分でないと、電池１００の安全機構が作動したとき、ガスの放出とともに、電極群４も封口板１０側に飛び出す畏れがある。

一方、絶縁板６の貫通孔７の面積を小さくすれば、絶縁板６の強度の低下を抑制できるが、逆に、ガスの排気能力が低下する。そのため、電池ケース５内で異常ガスが発生して、安全機構が作動しても、電池ケース５内の圧力上昇を抑制できず、電池ケース５が破損する畏れがある。

ところで、絶縁板６は、電池内で異常ガスが発生した際、高温ガスに曝されるため、耐熱性が要求される。また、絶縁板６の貫通孔７を介して、電解液が注入されるため、耐電解液性も要求される。そのため、絶縁板６に使用される材料は、耐熱性や耐電解液性の高い材料に限定される。さらに、電池の高エネルギー密度化を図るために、絶縁板６の薄板化も要求されている。

しかしながら、従来、このような絶縁板６に対する種々の制約の下、絶縁板６の強度、及びガスの排気能力の両方を着目して、絶縁板６の貫通孔７の面積の最適化を図ることは、ほとんど考慮されていなかった。

そこで、本願発明者等は、絶縁板６の貫通孔７の面積を変えて、安全性の観点から、絶縁板６の強度、及びガスの排気能力の影響を検討し、本願発明を想到するに至った。

図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示した密閉型二次電池１００において、電池ケース５の溝部５ａと絶縁板６との位置関係を示した図で、図２（ａ）は部分断面図、図２（ｂ）は電池ケース５の開口部側から見た平面図である。

図２（ａ）、（ｂ）に例示した絶縁板６は、円形をなしており、絶縁板６の貫通孔７も円形に形成されている。絶縁板６の外周端６ｂは、電池ケース５の内周面に当接した状態で、電池ケース５の溝部５ａに拘束されている。

ここで、絶縁板６の貫通孔７の面積を変えた電池を作製し、絶縁板６の強度、及びガスの排気能力の影響を検討した。なお、ガスの排気能力は、電池ケース５の開口部側から見たとき、電池ケース５の溝部５ａの内周端部５ｂより内側にある貫通孔７の面積に律速されると考えれる。そのため、本発明において、絶縁板６の貫通孔７の面積（開口率）は、溝部５ａの内周端部５ｂより内側の電池ケース５の横断面積に対する、貫通孔７の面積の比率（％）と定義する。なお、貫通孔７が複数ある場合は、貫通孔７の面積は、各貫通孔７の面積の総和とする。

また、絶縁板６の強度は、図３に示すような方法を測定した。なお、本測定は、貫通孔７が形成された絶縁板６に対して行われる。

図３に示すように、絶縁板６の周縁部を、環状の支持台２１に載せて、絶縁板６のほぼ全体を、円筒状の治具２０を用いて荷重し、絶縁板６が軸方向に１ｍｍ変位したときの圧力（以下、「平面圧縮強度」という）（Ｎ／ｍｍ^２）を測定した。ここで、平面圧縮強度は、絶縁板６が軸方向に１ｍｍ変位したときの強度を、治具２０の面積で割った値である。

なお、環状の支持台２１の内径Ｌは、電池ケース５の溝部５ａの内周端部５ｂの内径にほぼ相当する大きさとし、円筒状の治具２０の外径Ｗは、電極群４の外径にほぼ相当する大きさとした。例えば、電池ケース５が１８６５０型の円筒ケースの場合、Ｌは、１５．６ｍｍ、Ｗは１３．０ｍｍとした。

検討に用いた電池は、図１に示した構成のリチウムイオン二次電池で、以下に示した方法で作製した。

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１８．１ｍｍ、長さ６５ｍｍ、厚さ０．１３ｍｍのニッケルメッキを施した炭素鋼からなる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９を介して封口板１０で封口して、１８６５０型のリチウムイオン二次電池１００を作製した。

ここで、絶縁板６は、外径１７．２ｍｍのガラスフェノール樹脂からなる円形状の平板を用い、絶縁板６の貫通孔７の開口率を、２０〜６０％の範囲で変えた電池を作製した。なお、貫通孔７の開口率が６０％を超えると、正極板１または負極板２と、電池ケース５または封口板１０との絶縁性を確保することが困難になるため、検討から除外した。

ここで、溝部５ａの内周端部５ｂは、概ね円形をなしており、その内径は１６ｍｍであった。また、絶縁板６の貫通孔７は円形に形成した。また、同一の開口率を有する絶縁板６は、その厚みや材料を変えることによって、絶縁板６の平面圧縮強度の大きさを変えた。具体的には、絶縁板６の厚みを、０．３〜０．５ｍｍの範囲で変えた。また、絶縁板６の他の材料としては、ポリエチレン樹脂を用いた。

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、電池ケース５の破損や、電極群４の飛び出しの有無を調べた。

図４は、その結果を示したもので、図中の×印は、電池ケース５に破損や、電極群４の飛び出しが生じたものを示す。

図４に示すように、貫通孔７の開口率が２０％の場合、電池ケース５の破損が生じた。これは、絶縁板６の平面圧縮強度が高くても（０．６２Ｎ／ｍｍ^２）、ガスの排気能力が低いため、電池ケース５内で異常ガスが発生して、安全機構が作動しても、電池ケース５内の圧力上昇を抑制できず、電池ケース５が破損したものと考えられる。また、貫通孔７の開口率が３０％以上の場合には、電池ケース５の破損は生じなかった。なお、貫通孔７の開口率を２０％以下にすると、電解液の注入性も低下する。

また、図４に示すように、開口率が４０％の場合、絶縁板６の平面圧縮強度が０．４２Ｎ／ｍｍ^２、０．４５Ｎ／ｍｍ^２のときは、電極群４の飛び出しが生じなかったのに対し、絶縁板６の平面圧縮強度が０．３３Ｎ／ｍｍ^２、０．２３Ｎ／ｍｍ^２のときは、電極群４の飛び出しが生じた。同様に、開口率が６０％の場合、絶縁板６の平面圧縮強度が０．２６Ｎ／ｍｍ^２のときは、電極群４の飛び出しが生じなかったのに対し、絶縁板６の平面圧縮強度が０．０７５Ｎ／ｍｍ^２のときは、電極群４の飛び出しが生じた。これは、電池ケース５内で異常ガスが発生して、安全機構が作動したとき、絶縁板６の平面圧縮強度が不十分であったため、絶縁板６で、電極群４が封口板１０側に飛び出すのを阻止できなかったためと考えられる。

以上の結果から、電池ケース５内で異常ガスが発生しても、電池ケース５の破損や、電極群４の飛び出しを防止するためには、絶縁板６の平面圧縮強度をＰ（Ｎ／ｍｍ^２）、絶縁板６の貫通孔７の開口率をＮ（％）としたとき、図４の斜線で示した領域Ａの範囲、すなわち、以下の関係式（１）、（２）を満たしていればよい。

Ｐ≧−０．００８Ｎ＋０．７ （１）
３０≦Ｎ≦６０ （２）
なお、上記安全性の試験は、電池を熱暴走状態にして行ったが、電池が落下等して、電池に衝撃が加わったときにも、同様の効果を発揮することができる。

また、本発明において、絶縁板６の材料は特に制限されない。絶縁板６の貫通孔７の開口率（Ｎ）に応じて、上記関係式（１）を満たす平面圧縮強度（Ｐ）を備えた絶縁板６の材料、または絶縁板６の厚みを適宜決めればよい。なお、絶縁板６の材料としては、例えば、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン樹脂、または、ガラス繊維と無機添加剤を含ませたガラスフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などを用いることができる。また、絶縁板６は、異なる材料から平板を積層したものであってもよい。

図５は、絶縁板６の構成の一例を示した平面図である。図５に示すように、絶縁板６には、２種類の貫通孔７ａ、７ｂが形成されている。開口面積の大きい貫通孔７ａは、専ら、異常ガスを外部に放出するための経路となり、開口面積の小さい貫通孔７ｂは、正極リード１４を通すための経路となっている。この場合、貫通孔の開口率は、貫通孔７ａ、７ｂの面積の総和から求められる。

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４として、正極板１及び負極板２をセパレータ３を介して捲回したものを用いたが、正極板１及び負極板２をセパレータ３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、電池ケース５として、１８６５０型の大きさのものを例に説明したが、これに限定されず、任意の大きさの電池ケースにも適用することができる。

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 溝部
６、７ 絶縁板
７ 貫通孔
９ ガスケット
１０ 封口板
１１ 上部金属板
１１ａ 開放部
１２ 弁体
１２ａ 開口部
１３ 下部金属板
１３ａ 開口部
１４ 正極リード
１５ 負極リード
２０ 治具
２１ 支持台
１００ 密閉型二次電池

Claims (2)

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た密閉型二次電池であって、
   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、
   前記電極群の前記封口板側には、貫通孔が形成された絶縁板が配設されており、
   前記絶縁板は、前記電池ケースの側壁に径方向内側に突出して形成された溝部によって拘束されており、
   前記絶縁板の平面圧縮強度をＰ（Ｎ／ｍｍ^２）、前記絶縁板の貫通孔の開口率をＮ（％）としたとき、以下の関係式（１）、（２）を満たす、密閉型二次電池。
   Ｐ≧−０．００８Ｎ＋０．７ （１）
   ３０≦Ｎ≦６０ （２）
2. 前記絶縁板は、ガラスフェノール樹脂からなる、請求項１に記載の密閉型二次電池。

Images