JP2014127255A - 放圧弁付き電池 - Google Patents

Abstract

【課題】放圧弁の損傷を低減しつつ内部短絡の防止と組立性の向上とを図ることができる放圧弁付き電池を提供する。
【解決手段】電池ケース１５の蓋体１１に貫通孔１９を設け、この貫通孔１９に放圧弁として機能するラプチャアディスク２２を取り付けた放圧弁付き電池１０において、ディスクホルダー２４は、ラプチャアディスク２２が溶接され前記貫通孔１９に取り付けられる金属製の上側ホルダー（第１ホルダー）３１と、上側ホルダー（第１ホルダー）３１の外周面に嵌合してラプチャアディスク２２を保護するとともに電気絶縁性を有する下側ホルダー（第２ホルダー）３２とを備えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓋体の一部に放圧弁を保持するホルダーを取り付けた放圧弁付き電池に関する。

リチウムイオン電池には、電槽と蓋体とからなる電池ケースの該蓋体の一部に貫通孔を設け、この貫通孔に放圧弁を保持するホルダーを取り付けたものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。従来、この放圧弁にラプチャアディスクを用いたものがある。ラプチャアディスクは、０．１ｍｍ以下の金属膜からなり、電池の内圧が上昇した際に破裂することで圧力を電池外部へ放出する構造をとるため、破裂しやすい構造となっている。
そこで、ラプチャアディスクの取り扱い時の損傷を防ぐため、ラプチャアディスクを保持するディスクホルダーには、ラプチャアディスクを溶接する金属製の上側ホルダーと、ラプチャアディスクを囲う金属製の下側ホルダーとを有し、上側ホルダーと下側ホルダーとを溶接等で接合したものが知られている。

特開平１０−３３４８８３号公報 特許第３７２７２２５号公報

しかし、従来の構成では、放圧弁周辺構造が大きくなるため、電池の大きさ等によっては、金属製のディスクホルダーとこの近傍に配置される正負極端子等とが接触して内部短絡を招くおそれがある。
しかも、ラプチャアディスクを保持するディスクホルダーを構成する多数部品を溶接等で接合する必要があり、接合箇所が多く、組み立て作業が繁雑になっていた。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、放圧弁の損傷を低減しつつ内部短絡の防止と組立性の向上とを図ることができる放圧弁付き電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、一端が開口した有底の電槽と、前記電槽の開口を塞ぐ蓋体を有する電池ケースの前記蓋体に貫通孔を設け、この貫通孔に放圧弁を保持するディスクホルダーを取り付けた放圧弁付き電池において、前記ディスクホルダーは、前記放圧弁が溶接され前記貫通孔に取り付けられる金属製の第１ホルダーと、前記第１ホルダーの外周面に嵌合して前記放圧弁を保護するとともに電気絶縁性を有する第２ホルダーとを備えることを特徴とする。
この構成によれば、電気絶縁性を有する第２ホルダーが、放圧弁が溶接され電池ケースの貫通孔に取り付けられる金属製の第１ホルダーに嵌合して放圧弁を保護するので、放圧弁の損傷を低減しつつ内部短絡の防止と組立性の向上とを図ることができる。

上記構成において、前記第２ホルダーは、前記第１ホルダーにおける前記電池ケース内に露出する外周全体を覆っても良い。この構成によれば、内部短絡をより効果的に防止することができる。
また、上記構成において、前記第２ホルダーは、前記第１ホルダーおける前記電池ケース内に露出する外周面を覆う筒部と、前記放圧弁の外周縁を覆う覆い部とを一体に有し、前記嵌合の際に、前記覆い部が前記第１ホルダーに当接して前記筒部を前記第１ホルダーの前記外周面全体を覆う位置に位置決めさせても良い。この構成によれば、第２ホルダーの取付位置を容易に適切な位置に設定できる。

また、上記構成において、前記第２ホルダーは、樹脂製であっても良い。この構成によれば、金属製にする場合に比して軽量化することができる。
また、上記構成において、前記放圧弁は、ラプチャアディスクであっても良い。この構成によれば、破裂しやすい構造のラプチャアディスクを用いた構成で、ラプチャアディスクの損傷を低減しつつ内部短絡の防止と組立性の向上とを図ることができる。
また、上記構成において、前記電池は、リチウムイオン二次電池であっても良い。この構成によれば、内部短絡をより効果的に防止できるリチウムイオン二次電池を提供することができる。

本発明によれば、放圧弁の損傷を低減しつつ内部短絡の防止と組立性の向上とを図ることができる。

本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池の放圧弁構造を示す図である。 リチウムイオン電池を上方から見た図である。 放圧弁ユニットを示した図である。 放圧弁ユニットの分解図である。 放圧弁ユニットの組み立てに要する第１工程を示す図である。 放圧弁ユニットの組み立てに要する第２工程を示す図である。 比較例を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池１０の放圧弁構造を示している。なお、図１では、リチウムイオン電池１０を上下に貫通する中心軸線Ｃ１に対して左領域が内部構造を示し、右領域が外観を示している。また、図２は、リチウムイオン電池１０を上方から見た図を示している。
リチウムイオン電池１０は、一端として上面が開口した開口部１１Ａを有する有底の筐体からなる電槽１１内に、正負電極、セパレーターおよび電解液等の発電要素１２を配設した後、この電槽１１の開口部１１Ａを蓋体（蓋部）１３で塞いで形成される。この電槽１１と蓋体１３とは、気密性を保つようにレーザー溶接等の接合方法によって互いに接合され、これによって気密構造の電池ケース１５に形成されている。なお、図１中、符号１６は、発電要素１２の上部に配置された電池ケース１５を補強するポリプロピレン等の合成樹脂からなる補強体を示している。

電池ケース１５を構成する電槽１１および蓋体１３は、強度を確保するために金属製であり、本実施形態では、強度と軽量化を両立するアルミニウム合金製である。また、本実施形態のリチウムイオン電池１０は、電池ケース１５が角形に形成された角形電池の場合を示しているが、角形に限らず、円柱形等の他の形状を適用しても良い。
蓋体１３には、一対の電極端子（正極端子、負極端子）１７，１８が貫通して取り付けられるとともに、その一対の電極端子１７，１８間に、蓋体１３の厚さ方向に貫通する単一の貫通孔１９が形成されている。そして、この貫通孔１９には、蓋体１３の内側から放圧弁ユニット２１が装着されている。
なお、図１中、符号１７ｐと１８ｎは各電極端子１７、１８とこれが貫通する蓋体１３との間に形成された封口部で、電極端子１７、１８を囲み形成され、各電極端子１７、１８と蓋体１３を絶縁すると共に、気液密に封口している。
更に、図示しないが、発電要素１２中の正負電極は、補強体１６を貫通する導電体により各々電極端子１７、１８と電気的に接続されている。

図３は、放圧弁ユニット２１を示した図であり、中心軸線Ｃ１に対して左領域が内部構造を示し、右領域が外観を示している。
放圧弁ユニット２１は、放圧弁を構成するラプチャアディスク２２と、ラプチャアディスク２２を保持するディスクホルダー２４とを備えている。
ラプチャアディスク２２は、予め定めた設定圧力で破裂して放圧する金属薄板であり、ラプチャーディスクとも称する。本実施形態では、Ω状（ドーム型）のラプチャアディスクが使用されているが、所望の性能が確保される範囲で、反転型などのドーム型以外の放圧弁を使用しても良い。

図３に示すように、ディスクホルダー２４は、蓋体１３に溶接により接合される上側ホルダー（第１ホルダー）３１と、上側ホルダー３１との間にラプチャアディスク２２を囲って保護する下側ホルダー（第２ホルダー）３２とから構成されている。この構成のディスクホルダー２４を採用することによって、以下の効果が得られる。
１）薄膜のラプチャアディスク２２は僅かな応力で簡単に破損するため、周辺を覆う形状のディスクホルダー２４を設けることによってラプチャアディスク２２の不用意な破損を予防することができる。
２）薄膜のラプチャアディスク２２を、電池ケース１５に直接溶接するよりも、電池ケース１５と別体のディスクホルダー２４にラプチャアディスク２２を溶接してから電池ケース１５に溶接する作業の方が、容易に溶接性および気密性を確保することができ、不良率を低減し、コスト低減に有利である。
３）２）に加えて、一般に電池ケース１５は電池部品の中でも高価であることから、電池ケース１５を溶接不良によって損なう確率を低減することができ、これによっても不良率を低減し、コスト低減に有利である。

ディスクホルダー２４の詳細構成を説明する。
図４は、放圧弁ユニット２１の分解図を示している。
ディスクホルダー２４の上側ホルダー３１は、蓋体１３に設けられた貫通孔１９に溶接で接合可能な真円の筒状部材に形成され、より具体的には、貫通孔１９と略同径の外周面３４Ｇに形成された小径筒部３４と、この小径筒部３４よりも大径の外周面３５Ｇを有する大径筒部３５とを同軸線上に一体に備え、アルミニウム合金等の金属材料で形成されている。
小径筒部３４は、図１および図２に示すように、蓋体１３に設けられた貫通孔１９にその下方から挿入され、その上端部周囲が溶接によって隙間無く蓋体１３に接合され、これによって、蓋体１３に接合される蓋体接合部として機能する。

大径筒部３５は、ラプチャアディスク２２の外径と略同径を有し、小径筒部３４と反対側の面（下面）３５Ｌに、ラプチャアディスク２２の外周部が接合され、ラプチャアディスク接合部（放圧弁接合部）として機能する。
より具体的には、大径筒部３５は、ラプチャアディスク２２の外径より僅かに大きい一定の外径で軸方向に延在する筒形状に形成され、その下面３５Ｌに、ラプチャアディスク２２の外周部が入る凹部３５Ｍが形成され、この凹部３５Ｍにラプチャアディスク２２が接合される。この場合、凹部３５Ｍ内にラプチャアディスク２２を入れるので、ラプチャアディスク２２を容易に位置決めすることが可能である。
なお、この凹部３５Ｍの深さは、ラプチャアディスク２２の厚さと略同じ長さに設定されている。

下側ホルダー３２は、上側ホルダー３１に嵌合する嵌合筒形状に形成されるとともに、伸縮性と電気絶縁性を有するポリプロピレン等の樹脂材料で形成されている。
より具体的には、下側ホルダー３２は、上側ホルダー３１の大径筒部３５の外周面３５Ｇに嵌合する嵌合筒部３７と、嵌合筒部３７の一端に連結され、上側ホルダー３１に取り付けられたラプチャアディスク２２の外周縁を覆う平板環状のガード部３８とを一体に備えており、樹脂成形によって一体に製作される。
嵌合筒部３７は、上側ホルダー３１の大径筒部３５の外径と略同径の内周面３７Ｎを有し、その長さ（軸方向に沿う長さ（図４参照））Ｌ１が、大径筒部３５の長さ（軸方向に沿う長さ（図４参照））Ｌ２と同じ長さに形成されている。これによって、図３に示すように、嵌合筒部３７によって、電池ケース１５内に露出する大径筒部３５の外周面３５Ｇの全てを覆うことができる。

平板環状のガード部３８は、嵌合筒部３７の外周面３７Ｇに連続する外周面３８Ｇを有し、その内周面３８Ｎが、ラプチャアディスク２２の下方に突出する突出部２２Ｔを逃げる内径に形成されている。
また、ガード部３８の厚さ（軸方向に沿う長さ）Ｌ３は、ラプチャアディスク２２よりも下方に突出する長さに形成される。これらによって、ガード部３８は、ラプチャアディスク２２の外周縁を覆うことができる。これによって、例えば、放圧弁ユニット２１を台等に置いた際に、ラプチャアディスク２２が台等に直接接触し、破損してしまう事態を避けることが可能になる。

図３および図４に示すように、ガード部３８の上面３８Ｕは、上側ホルダー３１の下面３５Ｌの外周端に形成された環状の最下端部３５Ｌ１に当接し、この当接によって下側ホルダー３２のそれ以上の上方への移動を規制し、下側ホルダー３２の嵌合筒部３７を、上側ホルダー３１の大径筒部３５の外周面３５Ｇ全体を覆う位置に位置決めする。すなわち、ガード部３８は、下側ホルダー３２の取付位置を位置決めする位置決め部も兼用している。

この放圧弁ユニット２１の組み立ては、上側ホルダー３１にラプチャアディスク２２を取り付ける第１工程と、下側ホルダー３２を取り付ける第２工程とによって行われる。
図５は第１工程を示した図である。図５に示すように、第１工程では、上側ホルダー３１の下面３５Ｌに設けられた凹部３５Ｍにラプチャアディスク２２を挿入し、ラプチャアディスク２２の外周部を溶接により上側ホルダー３１に接合する。この溶接は、ラプチャアディスク２２と上側ホルダー３１との間に隙間が空かないように行われる。

図６は第２工程を示した図である。図６に示すように、第２工程では、ラプチャアディスク２２が取り付けられた上側ホルダー３１に下側ホルダー３２を嵌合する。この嵌合により、上側ホルダー３１と下側ホルダー３２とが摩擦接合し、互いに連結される。
この場合、金属製の上側ホルダー３１に比して柔らかい樹脂材料で形成された下側ホルダー３２側が自身の伸縮性により撓むので、上側ホルダー３１と下側ホルダー３２とを容易に嵌合できるとともに、下側ホルダー３２の伸縮反発力（弾性力）により嵌合力を十分に確保できる。つまり、上側ホルダー３１と下側ホルダー３２とは、下側ホルダー３２の伸縮性により発生する摩擦嵌合力によって十分な嵌合力を容易に確保できるため、上側ホルダー３１と下側ホルダー３２とを溶接等により接合する必要がない。
このようにして、上側ホルダー３１にラプチャアディスク２２を溶接し、上側ホルダー３１に下側ホルダー３２を嵌合により取り付ける、といった簡易な作業だけで放圧弁ユニット２１を組み立てることができる。

図７は比較例を示している。この比較例の放圧弁ユニット１２１では、上側ホルダー１３１および下側ホルダー１３２の両方を金属材料で形成したディスクホルダー１２４を採用している。この構成では、上側ホルダー１３１と下側ホルダー１３２とを溶接で連結するため、ラプチャアディスク２２の溶接作業（図７中、溶接箇所を符号αで示す）と、上側ホルダー１３１と下側ホルダー１３２との溶接作業（図７中、溶接箇所を符号βで示す）とが必要になり、溶接作業が多くなる。
この種の放圧弁ユニット１２１では、気密性が要求されるため、溶接作業による不良をできるだけ避けることが望まれる。このことから溶接作業が多くなることは不良率の増加を招いてしまう。しかも、このディスクホルダー１２４は金属製のため、電池ケース１５内の電極端子１７，１８（図１参照）等とディスクホルダー１２４が接触して内部短絡を招くおそれも生じる。

しかも、比較例では、下側ホルダー１３２が金属製のため、重量の制約から、その厚さを大きくすることができず、下側ホルダー１３２と上側ホルダー１３１の下面１３１Ｌとの間には隙間Ｓが空いてしまう。この構成では、下側ホルダー１３２の上方への移動を抑えるために、上側ホルダー１３１に下側ホルダー１３２の上方への移動を抑える切り欠き１３１Ｋが必要となり、形状の複雑化を招いてしまう。
また、この切り欠き１３１Ｋを設ける分、上側ホルダー１３１が大径化し、下側ホルダー１３２を上側ホルダー１３１の外周面１３１Ｇを全て覆うほどに大径化することは、配置スペースの制約および重量の制約から困難である。

これに対し、本実施の形態では、上記したように、放圧弁ユニット２１の組み立てに要する溶接作業を１回に減らすことができるので、比較例と比べて、溶接作業を簡略化することができ、溶接作業による不良率を低減することができる。しかも、下側ホルダー（第２ホルダー）３２が電気絶縁性を有するので、例えば、電池の大きさによっては、放圧弁ユニット２１と一対の電極端子１７、１８との間が狭くなり、場合によっては互いに接触し、電極端子１７、１８を短絡させてしまう恐れがあるも、接触する放圧弁ユニット２１に最外側に位置する下側ホルダー３２が電気絶縁性であるので、内部短絡を防止することができる。
なお、電極端子に係らず、電池内の該放圧弁ユニット近傍に配置される異極性部品の内部短絡を防止することができる。
さらに、ディスクホルダー２４を全て金属製にする場合に比して、形状の複雑化や重量化も回避し易くなる。
これにより、このディスクホルダー２４によりラプチャアディスク２２の損傷を低減しつつ内部短絡の防止と組立性の向上等を図ることができる。

また、本構成では、図１に示したように、電気絶縁性を有する下側ホルダー３２が、金属製の上側ホルダー３１における電池ケース１５内に露出する外周面３５Ｇの全てを覆うので、内部短絡をより効果的に防止することができる。
また、図２および図３に示したように、下側ホルダー３２が、上側ホルダー（第１ホルダー）３１における電池ケース１５内に露出する外周面３５Ｇを覆う嵌合筒部３７と、ラプチャアディスク２２の外周縁を覆う覆い部として機能するガード部３８とを一体に有し、下側ホルダー３２を嵌合する際に、ガード部３８が上側ホルダー３１の端面（下面３５Ｌ）に当接して、嵌合筒部３７を、上側ホルダー３１の電池ケース１５内に露出する外周面３５Ｇ全体を覆う位置に位置決めさせるので、下側ホルダー３２の取付位置を容易に適切な位置に設定できる。

また、ガード部３８が下側ホルダー３２に当接した状態で下側ホルダー３２に取り付けられたラプチャアディスク２２を覆うので、下側ホルダー３２下方の空きスペースを効率よく利用してガード部３８の厚さを確保することができ、ガード部３８の強度を得やすくなる。
さらに、下側ホルダー３２が樹脂製であるため、金属製にする場合に比して軽量化することができ、放圧弁ユニット２１の軽量化、ひいては、リチウムイオン電池１０の軽量化を図ることができるとともに、下側ホルダー３２の低コスト化にも有利である。

なお、上記実施形態では、本発明を、リチウムイオン電池１０の放圧弁構造に適用する場合を説明したが、リチウムイオン電池１０以外の電池の放圧弁構造に適用しても良い。
また、上記実施形態では、下側ホルダー３２を樹脂製にする場合を説明したが、電気絶縁性を有する他の材料を適用しても良い。
また、上記実施形態では、放圧弁にラプチャアディスク２２を用いる場合を説明したが、それ以外の放圧弁を用いても良い。
さらに、電池１０やディスクホルダー２４の構造および形状等については、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜に変更しても良い。

１０ リチウムイオン電池（放圧弁付き電池）
１１ 電槽
１２ 発電要素
１３ 蓋体（蓋部）
１５ 電池ケース
１９ 貫通孔
２２ ラプチャアディスク（放圧弁）
２４ ディスクホルダー
３１ 上側ホルダー（第１ホルダー）
３２ 下側ホルダー（第２ホルダー）
３４ 上側ホルダーの小径筒部
３５ 上側ホルダーの大径筒部
３７ 下側ホルダーの嵌合筒部
３８ 下側ホルダーのガード部（覆い部）

Claims (6)

1. 一端が開口した有底の電槽と、前記電槽の開口を塞ぐ蓋体を有する電池ケースの前記蓋体に貫通孔を設け、この貫通孔に放圧弁を保持するディスクホルダーを取り付けた放圧弁付き電池において、
   前記ディスクホルダーは、前記放圧弁が溶接され前記貫通孔に取り付けられる金属製の第１ホルダーと、前記第１ホルダーの外周面に嵌合して前記放圧弁を保護するとともに電気絶縁性を有する第２ホルダーとを備えることを特徴とする放圧弁付き電池。
2. 前記第２ホルダーは、前記第１ホルダーにおける前記電池ケース内に露出する全ての外周面を覆うことを特徴とする請求項１に記載の放圧弁付き電池。
3. 前記第２ホルダーは、前記第１ホルダーおける前記電池ケース内に露出する外周面を覆う筒部と、前記放圧弁の外周縁を覆う覆い部とを一体に有し、前記嵌合の際に、前記覆い部が前記第１ホルダーに当接して前記筒部を前記第１ホルダーの前記外周面全体を覆う位置に位置決めさせることを特徴とする請求項３に記載の放圧弁付き電池。
4. 前記第２ホルダーは、樹脂製であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放圧弁付き電池。
5. 前記放圧弁は、ラプチャアディスクであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の放圧弁付き電池。
6. 前記電池は、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方圧弁付き電池。

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