JP2014167934A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】偏平状の電極体を備えた二次電池に適した電流取り出し機構を提供する。
【解決手段】正極及び負極を有する偏平状の電極体１０は一方端部に正極集電板群を有し、正極集電板群には正極集電タブ部材９が接続され、正極集電タブ部材９は正極集電板群の積層方向における一方の最外面に配置される板状の第１領域を有し、第１領域における電極体の中央側の端部に正極集電板群から離れる方向に突出した第２領域が設けられており、第２領域は真っ直ぐ突出している。
【選択図】図５

Description

本発明は、二次電池の電流取り出し機構に関する。

近年、非水電解質二次電池は、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の小型機器のみならず、電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動電源として用いられるようになっている。

このような用途に用いられる電池においては、高出力が要求されるので、外部電極端子を用いて複数の電池を直列に接続する方式が採用されている。また、非水電解質二次電池は、極めて反応性に富む材料が使用されているので、上記用途に用いる大型電池は、小型機器に用いる電池に比較し格段に高い安全性が要求される。

大型電池の安全性を高める技術としては、電池に感圧変形素子を組み込む技術が提案されている。（例えば、特許文献１〜８参照。）。

実開平４−２４２６２号公報 特開平１０−２４１６５３号公報 特開平８−１７１８９８号公報 特開平８−２９３３０１号公報 特開平９−５５１９７号公報 特開平１１−３０７０８０号公報 特開平１１−１５４５０４号公報 特開平１１−３２９４０５号公報

これらの技術においては、電池内圧が一定以上に上昇したときに、感圧変形素子を円滑に動作させる必要がある。このためには電池外方面側の空間を電池外部の雰囲気に連通させ変形時に感圧変形素子の電池外方面側の圧力が高まらないようにしておくことが望ましい。しかし、電池外部雰囲気と連通させると、電池外から電池内部に水分や酸素が侵入して感圧変形素子を劣化させる恐れがあり、これにより所望の作動圧で感圧変形素子が動作しないという問題を生じる。

また、上記特許文献に記載の電池は、複数の電池を短い距離で直列接続する使用態様を考慮した構造ではないので、これらの文献には外部電極端子と感圧変形素子との組み合わせにおいて感圧変形素子を確実に動作させる技術提案はない。よって、特に外部電極端子を用いた大型電池において、電池内で異常が発生したときに感圧変形素子が高い信頼性をもって迅速に作動する安全性に優れた電池が求められている。

この発明は、上記に鑑みなされたものであって、外部電極端子を有し複数の電池を短い距離で直列接続することができると共に、感圧変形素子を所望の作動圧力で確実かつ迅速に動作させることのできる、使い勝手性と安全性に優れた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の発明は、開口を有する外装缶と、前記外装缶に収容された、正負極集電板をそれぞれ備える正負極を有してなる電極体と、前記開口を封口する封口板と、前記封口板より外方に突出した外部電極端子と、を備えた非水電解質二次電池であって、前記外部電極端子と前記電極体とは、電気的に接続され、前記外部電極端子と前記電極体とを電気的に接続する導電経路の途中に、電池内部のガス圧の上昇に対応して変形する感圧変形素子が設けられており、前記外部電極端子は、その内部に電池外部と前記感圧変形素子の電池外方面側に接する空間とをつなぐ連通孔を有する、ことを特徴とする。

この構成によると、感圧変形素子の電池外方面側に加わる圧力が常に電池外部気圧（大気圧）と等しいので、電池内圧が上昇した場合における感圧変形素子の変形が容易である。よって、電池内圧が予め設定された値にまで上昇したとき、感圧変形素子が確実かつ迅速に動作するので、導電の遮断又は／及び電池内部ガスの放出が行われる。この構成では、外部電極端子の胴内に連通孔が設けられており、この連通孔が感圧変形素子の電池外方面側に接する空間と電池外部とをつなぐので、圧力逃がし孔を別個に設ける必要がない。すなわち、この構成であると、外部電極端子が電極端子としての本来の機能の他に圧力逃がし経路を兼ねるので、電池構造の簡略化が図れる。

上記第１の発明構成においては、前記感圧変形素子が電池内部のガス圧の上昇に対応して変形し、前記外部電極端子と前記電極体との電気的接続を遮断するものである、とする構成とすることができる（第２の発明）。

この構成では、電池内部でガスが発生した場合、感圧変形素子が速やかに通電を遮断するので、電池の更なる暴走が抑制される。

ここで、感圧変形素子には、素子が破断することにより電池内で発生したガスを放出するもの、または素子が変形することにより電極と電池外部端子との電流を遮断するものなどを用いることができる。例えばダイアフラムや、皿バネを用いた復帰式安全弁などを用いる。

上記第２の発明にかかる非水電解質二次電池においては、前記封口板が、ガス排出弁を備え、前記ガス排出弁が、前記外部電極端子と前記電極体との電気的接続を遮断する感圧変形素子の作動ガス圧よりも高いガス圧が加わったときに開放される構成とすることができる（第３の発明）。

この構成であると、感圧変形素子が作動し通電が遮断された後に、更に電池内ガス圧が上昇した場合には、今度はガス排出弁が作動して電池内部のガスが電池外に排出されるので電池の安全性が一段と高まる。

また、上記各発明構成においては、前記連通孔が孔の途中に配置された樹脂膜からなる膜栓（１２）によって密閉されている構成とすることができる（第４の発明）。

この構成によると、電池が正常に動作しているときには、連通孔に設けられた膜栓（１２）が電池外部から電池内に水分や酸素が侵入するのを阻止するので、連通孔から浸入する水分等に起因する感圧変形素子の劣化が防止できる。その一方で樹脂膜からなる膜栓は脆弱で感圧変形素子の変形に伴う圧力変化に抗する力が弱いので、電池に異常が生じて電池内圧が上昇した場合には容易に破断される。よって、膜栓が感圧変形素子の速やかな作動を妨げることがない。

また、上記第４の発明にかかる非水電解質二次電池においては、前記連通孔が前記外部電極端子（１）の内部に形成された孔であって、電池内方側先端の端面から軸心に沿って延びる縦孔（１ａ）と、前記縦孔（１ａ）と連通しかつ電池外に開放される開口を有する横孔（１ｂ）と、からなる構成とすることができる（第５の発明）。

このような縦孔と横孔からなる孔は外部電極端子内に容易に形成でき、かつ電池外部には横孔が開放されるので電池内部と電池外部とを接続する孔として都合よく機能する。

また、上記第５の発明にかかる非水電解質二次電池においては、前記縦孔（１ａ）には、内径がリング状に拡張された拡径部（１ｃ）が形成されており、前記膜栓（１２）が前記拡径部（１ｃ）に設けられている構成とすることができる（第６の発明）。

縦孔に拡径部を設けると、この部分が膜栓の位置決め固定する固定枠として機能するので、縦孔内に膜栓を形成し易くなる共に、膜栓のズレが生じない。

非水電解質二次電池の製造方法にかかる第７の発明は次のように構成することができる。
開口を有する外装缶と、前記外装缶に収容された、正負集電板をそれぞれ備える正負極を有してなる電極体（１０）と、前記開口を封口する封口板（３）と、一方端側が前記封口板（３）の貫通穴に嵌合され、他方端側が前記封口板（３）から外方に突出した外部電極端子（１）と、電池内部のガス圧の上昇に対応して変形する感圧変形素子と、を備える非水電解質二次電池の製造方法において、前記外部電極端子（１）は、その内部に電池外部と前記感圧変形素子の電池外方面側に接する空間とをつなぐ孔を有しており、前記製造方法は、樹脂を溶剤に溶解または分散してなる樹脂溶液を、前記外部電極端子（１）の横孔開口から前記縦孔にまで注入し、しかる後に前記樹脂溶液中の溶剤を揮発させ樹脂膜となす膜栓形成工程を備える。

この構成によると、連通孔内に膜栓を有する外部電極端子を用いてなる非水電解質二次電池を生産性よく製造することができる。

溶剤としては、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、クロロメタン、クロロエタン、メタノール、酢酸メチル、エチルエーテル、アセトンなど種々の溶剤を用いることができる。樹脂としては、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、塩化ビニル樹脂、シリコン樹脂等、種々の樹脂を用いることができる。

上記第７の発明にかかる非水電解質二次電池の製造方法において、前記膜栓形成工程は、電池組み立て後に行われることによって構成することができる（第８の発明）。

膜栓の形成が電池組み立て後であると、電池組立作業中に膜栓が破れるといったことがないので、膜栓形成における歩留まりが向上する。

また、上記各発明にかかる非水電解質二次電池の製造方法において、前記非水電解質二次電池は、更に、前記封口板（３）の電池外方面に配置される貫通穴を有するガスケットと、前記封口板（３）の電池内方面に配置される貫通孔を有する絶縁板とを備え、前記外部電極端子（１）は、軸方向に平行するフランジ部（１ｄ）を有しており、前記製造方法は、更に前記封口板（３）の表裏面に前記ガスケットと前記絶縁板とを、前記封口板（３）の貫通穴にこれらの部材の貫通穴が重なり合うようにして配置した後、これらの貫通穴に前記外部電極端子（１）を嵌合した後、前記外部電極端子（１）の先端側端面と前記フランジ部の双方から垂直方向にカシメることにより、前記ガスケットと前記封口板（３）と前記絶縁板とを密着固定すると共に、前記外部電極端子（１）の孔にその内径がリング
状に拡張された拡径部（１ｃ）を形成するカシメ加工工程を有することによって、構成することができる（第９の発明）。

この構成によると、拡径部を形成することにより、当該拡径部に多くの量の樹脂溶液を溜めることができるので、この部分に膜栓を確実に形成することができる。また、この膜栓は、孔径よりも大きくなるので、膜栓がしっかり固定され上下にズレることがない。よって、膜栓の形成が容易である。

ここで、拡径部の直径は縦孔直径の１．０５〜１．２倍程度であることが好ましく、縦孔直径は０．８〜３ｍｍであることが好ましい。この条件内であると、確実かつ容易に膜栓を形成することができる。

また、上記各発明にかかる非水電解質二次電池の製造方法においては、前記樹脂がフッ素樹脂であり、前記溶剤はキシレンを使用して構成することができる（第１０の発明）。

キシレンはフッ素樹脂に対する溶解性が高く、且つ揮発させやすいので、膜栓を形成しやすい。また、フッ素樹脂は膜栓の材料として好適な密閉性を有する。フッ素樹脂としては、フルオロアルキルアクリレート共重合体、パーフルオロアルキルアクリレート共重合体、パーフルオロアルキルメタクリレート共重合体などのフルオロアルキル基、パーフルオロアルキル基を含む共重合体を用いることができる。

以上説明したように、これらの発明によると、感圧変形素子が確実かつ迅速に動作し、かつ電池外から浸入する水分等による経時劣化を防止し得た信頼性に優れた感圧変形素子を備えた非水電解質二次電池を実現することができる。

図１は、本発明の一実施の形態にかかる電池の断面図である。 図２は、本発明の一実施の形態にかかる電池の要部拡大断面図である。 図３は、本発明の一実施の形態にかかる電池のダイアフラムの動作を示す図である。 図４は、本発明の一実施の形態にかかる電池の膜栓形成工程を示す図である。 図５は、本発明の一実施の形態にかかる電池の解体斜視図である。 図６は、本発明の一実施の形態にかかる電池の要部拡大断面図である。 図７は、本発明の一実施の形態にかかる集電タブホルダーの説明図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は正面図、図７（ｃ）は右側面図である。 図８は、ダイアフラムの動作状態を説明するための図であり、（ａ）は動作前、（ｂ）は動作後の状態を示す。 図９は、カシメ加工工程を説明する図である。 図１０は、図９とともにカシメ加工工程を説明する図である。

以下に、本発明を実施するための一つの実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一つの実施の形態にかかる二次電池の断面図であり、図２は当該電池の要部拡大断面図である。図３は感応変形素子の一例であるダイアフラムの動作を示す図であり、図４は当該電池の膜栓形成工程を示す図である。図５は当該電池の解体斜視図であり、図６は当該電池の要部拡大断面図である。図７は当該電池で用いた集電タブホルダーの説明図であり、また、図９、図１０はカシメ加工工程を説明する図である。

上記電池は、図１に示すように、外装缶１１内に、正負極が渦巻状に巻回されてなる渦巻電極体１０が外装缶の缶軸方向に対し横向きに収納されており、封口板３により外装缶の開口が封口されている。また、封口板３には、ガス排出弁が形成されている。また、封口板から電池の外方に突出した正極外部端子１と負極外部端子とを備えている。

図５に示すように、電極体１０の一方端面から突出した正極集電板群１０ａには、集電タブ部材９の集電板接続部９ｂが接続されている。なお、正極集電板群１０ａは、電極体１０の一方端面から突出した複数の正極集電板を束ねたものである。

図２に示すように、外部電極端子である外部正極端子１は、ガスケット２に当接された状態で封口板３に嵌め込まれている。また、外部正極端子１は、封口板３の電池内方側において絶縁板４と封口体リード５と接触している。封口体リード５はダイアフラム６と溶接されており、これによりダイアフラム６と外部正極端子１とが電気的に接続されている。

図２及び図３（ａ）に示すように、ダイアフラム６の電池内側面の中央部分には、遮断箔８の中央部分が接着されている。また、遮断箔８の周辺部分は、ダイアフラム６の下方に位置する集電タブ部材９の挿入部９ａに設けられた貫通孔９ｃを覆うように取り付けられている。このダイアフラム６と遮断箔８とが、感圧変形素子を構成する。

また、集電タブ９の挿入部９ａは、集電タブホルダー７のタブ受入部７ａに挿入され（図５、図７参照）、当該集電タブホルダー７には、当該タブ受入部７ａの電池内方側及び電池外方側の双方の面には、前記挿入部９ａが挿入された状態で前記貫通孔９ｃと重なり合う、前記貫通孔９ｃと同等以上の面積を有するホルダー穴７ｃが形成されている。この集電タブ部材９は、電極体１０の正極集電板群１０ａと接続した集電板接続部９ｂと、集電タブホルダー７のタブ受入部７ａに挿入される挿入部９ａとを備えている。

外部電極端子と封口板との接続部分の横断面図を図３に、縦断面図を図６に示す。図３、図６に示すように、外部正極端子１の内部には、電池内方側の端部から他方端に向かう軸心方向に沿う縦孔１ａと、電池外に開放された開口を有しかつ前記軸心方向孔と連通した横孔１ｂと、からなる孔が形成されている。当該孔の縦孔の途中には、図８に示すように、樹脂膜からなる膜栓１２が設けられて、孔が密閉されていてもよい。この横孔１ｂは、一方端のみが開口している構造であってもよい。

図３に、この実施の形態にかかる電池のダイアフラムの動作を示す。電池内圧が通常時には、図３（ａ）に示すように、集電タブ部材９から遮断箔８を経由してダイアフラム６に電流が流れる。この一方、電池内圧が上昇した時には、図３（ｂ）に示すように、ダイアフラム６の中央部分が電池外方側に浮き上がり、これに接着された遮断箔８が破断して、集電タブ部材９からダイアフラム６への電流が遮断される。また、図８に示すように、縦孔の途中に膜栓１２が設けられている時には、ダイアフラムの浮き上がりに伴い膜栓１２も上方へ変形または破断する。

上記構造では、この集電タブホルダー７が、集電タブ部材９の板状の挿入部９ａに取り付けられた上記遮断箔８を衝撃や振動から保護する。よって、衝撃が加わった時に誤って遮断箔８が破断してしまうことがない。

次に、この実施の形態にかかる電池の電流遮断機構の組み立て方法を、図５を用いて説明する。まず、渦巻電極体を作製する。このとき、正極集電板が一方の端部から、負極集電板が他方の端部から突出するように配する。

次に、封口板３の電池の外面になる側から、ガスケット２と正極外部端子１とを、電池の内面になる側から絶縁板４と封口体リード５とを重ね合わせる。外部電極端子１の下方の筒部１ｅはガスケット２、封口板３、絶縁板４、封口体リード５の穴を貫通する様になる。

外部正極端子１の先端側端面とフランジ部１ｄの双方からガスケット２、絶縁板４が所定の圧縮率を得られるまで垂直方向（上下方向）より圧縮し、外部電極端子１の下方の筒部１ｅを外側に広げて拡径部１ｃ（図４参照）を形成し（カシメ加工）、固定する。

拡径部１ｃは、以下のように形成される。まず、外部正極端子１の縦穴１ａに、縦穴１ａよりも径がやや小さい先端部を持ち、途中から縦穴１ａの径を広げるような段部を持つパンチを入れることで、外部正極端子１の先端を途中までかしめる。その後、縦穴１ａよりも径がやや小さい先端部を持つパンチを入れることで、かしめ部を完全にかしめると共に、拡径部１ｃが形成される。（図９（ａ）、（ｂ）および図１０（ａ）、（ｂ）参照。なお、これらの図では、外部正極端子１のかしめ部が上になるように描かれている。）

封口体リード５のフランジ部５ａにダイアフラム６を重ね、接する部分をダイアフラム６側から連続的にレーザ溶接を行い、密閉する。

正極集電タブ部材９の挿入部９ａの段付き貫通孔９ｃに遮断箔８を重ね、接する部分を超音波溶接する。

正極集電タブ部材９の挿入部９ａを集電タブホルダー７のタブ受入部７ａに挿入する。タブ受入部７ａは挿入部９ａと同寸法より極僅かだけ大きい形状であり、挿入すると集電タブホルダー７と正極集電タブ部材９とが固定される。

負極外部端子に関しても、上記と同様にガスケット、絶縁板、封口体リードを重ね合わせ、かしめ加工する。

集電タブホルダー７の固定部７ｂに絶縁板４のフック部４ａを嵌めこみ、集電タブホルダー７と絶縁板４とを固定する。この時、ダイアフラム６の中央底部６ａは集電タブホルダー７の中央穴７ｃを介して、遮断箔８と接する。

正極集電タブ部材９の遮断箔８溶接面と反対側より、遮断箔８にレーザスポット溶接を行い、遮断箔８とダイアフラム６とを接着する。これにより、電池内ガス圧が前記遮断箔８および前記ダイアフラム６の電池内方面に作用する。

正極集電タブ部材９の芯体集束部に電極体１０の正極集電板群１０ａを挿入し、集電板接続部９ｂをかしめて正極集電板群１０ａを拘束し、集電板接続部９ｂ側面部よりレーザ溶接を行い、正極集電タブ部材９と電極体１０とを接続する。負極についても同様に負極集電タブを接続する。

外装缶内部に非水電解液を注液し、封口板３と外装缶１１とをレーザ溶接する。

図４に示すように、フッ素樹脂（フルオロアルキルアクリレート共重合体）をキシレンに溶解してなる樹脂溶液を、外部正極端子１の横孔１ｂ開口から縦孔１ａの拡径部１ｃに注入し、しかる後に前記樹脂溶液中の溶剤を揮発させ膜栓１２を形成する。これにより本発明の一つの実施の形態にかかる非水電解質二次電池が完成する。

このようにして、遮断箔８の厚みを８０μｍとした電池を１０個作製し実施例電池Ａとした。
他方、連通孔がないことを除いて実施例電池と同じ仕様の電池を１０個作製し実施例電池Ｂとした。そして、これらの実施例電池の電流遮断圧力を測定したところ、実施例電池Ａは０．５〜０．７ＭＰａであり、実施例電池Ｂは１．０ＭＰａ付近にてガス排出弁が作動し電流遮断圧は測定できなかった。ガス排出弁部に金属板を溶接しガス排出弁が作動しない様にして再測定した結果、実施例電池Ｂの電流遮断圧は１．５ＭＰａ〜２．８ＭＰａであり、作動圧力が上昇し、ばらつきが大きかった。

さらに孔に膜栓１２を形成した実施例電池Ａ５個について、６０℃、湿度８０％の環境で１０日間保存し、この後電池内部にガスを送り込んで加圧し、遮断箔の作動圧力を調べた。

この結果、５個とも所望の圧力値から５％の誤差の範囲で作動することが確認された。

以上説明したように、本発明によると、感圧変形素子の作動が安定しており、経時劣化の少ない感圧変形素子を備えた非水電解質二次電池を実現できるので、産業上の意義は大きい。

本願に記載の他の発明は、以下の構成を有する二次電池である。
正極及び負極を有する偏平状の電極体を有し、前記電極体は一方端部に正極集電板群を有し、他方端部に負極集電板群を有し、前記正極集電板群には正極集電タブ部材が接続され、前記負極集電板群には負極集電タブ部材が接続され、前記正極集電タブ部材及び前記負極集電タブ部材の少なくとも一方は、前記正極集電板群の正極集電板の積層方向における一方の最外面、または前記負極集電板群の負極集電板の積層方向における一方の最外面に配置される板状の第１領域を有し、前記第１領域における前記電極体の中央側の端部には、前記第１領域が最外面に配置された前記正極集電板群または前記負極集電板群から離れる方向に突出した第２領域が設けられており、前記第２領域は真っ直ぐに突出する二次電池。

１ 外部正極端子
１ａ 縦孔
１ｂ 横孔
１ｃ 拡径部
１ｄ フランジ部
２ ガスケット
３ 封口板
４ 絶縁板
５ 封口体リード
６ 感圧変形素子（ダイアフラム）
７ 集電タブホルダー
９ 集電タブ部材
１０ 電極体
１１ 外装缶
１２ 膜栓

Claims (4)

1. 正極及び負極を有する偏平状の電極体を有し、
   前記電極体は一方端部に正極集電板群を有し、他方端部に負極集電板群を有し、
   前記正極集電板群には正極集電タブ部材が接続され、
   前記負極集電板群には負極集電タブ部材が接続され、
   前記正極集電タブ部材及び前記負極集電タブ部材の少なくとも一方は、前記正極集電板群の正極集電板の積層方向における一方の最外面、または前記負極集電板群の負極集電板の積層方向における一方の最外面に配置される板状の第１領域を有し、
   前記第１領域における前記電極体の中央側の端部には、前記第１領域が最外面に配置された前記正極集電板群または前記負極集電板群から離れる方向に突出した第２領域が設けられており、
   前記第２領域は真っ直ぐに突出する二次電池。
2. 開口、底部、一対の大面積側壁及び一対の小面積側壁を有する角形外装缶と、
   前記開口を封口する封口板を備え、
   前記電極体は渦巻電極体であり、
   前記渦巻電極体は、前記正極集電板群が前記一対の小面積側壁の一方側に位置し、前記負極集電板群が前記一対の小面積側壁の他方側に位置するようにして、前記角形外装缶内に収納されている請求項１に記載の二次電池。
3. 前記正極集電タブ部材及び前記負極集電タブ部材の少なくとも一方は、前記封口板と前記渦巻電極体の間に配置される板状の第３領域を有し、
   前記第１領域と前記第３領域とを繋ぐ領域は、前記正極集電板群の最外面または前記負極集電板群の最外面と前記角形外装缶の前記大面積側壁との間に位置する請求項２に記載の二次電池。
4. 前記第２領域は、前記第１領域に対して垂直に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。