JP2014192104A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池内部へ何らかの影響を及ぼすことなく、また検知精度が向上した電池を得る。
【解決手段】この発明に係るリチウムイオン二次電池は、発電部と、この発電部を収納した箱形形状の外装１と、を備えたリチウムイオン二次電池であって、外装１は、周囲よりも厚みが薄く、外装１の内部の圧力の上昇に伴い変形する薄肉部２を有しており、薄肉部２の変形は、外装１の外側に設けられた歪みセンサ３により検知されるようになっている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばリチウムイオン二次電池の電池内部の圧力の異常上昇を検知する電池に関するものである。

リチウムイオン二次電池は、代表的な構成としてはリチウムを含む複合金属酸化物を活物質として含む正極、炭素材料を負極活物質として含む負極、正負極間を絶縁するポリオレフィン多孔膜セパレータ、非水系電解液を外装に封入して作製された電池であり、高エネルギー密度及び高出力密度を満たすことから、電子機器用途の小型のものから電気自動車やスマートグリッド蓄電用途の大型のものまで幅広く使用されている。

リチウムイオン二次電池の劣化が進んだ場合や短絡が発生した場合などの異常時には、電池内部の電解液が分解してガスが発生し内部圧力が上昇する。
内部圧力が上昇した場合、電池が破損等を引き起こす可能性があるため、リチウムイオン二次電池の外装には、一定圧力以上になると内部ガスを外部に排出する、肉薄の安全弁を設けたものが知られている。

しかしながら、内部で上昇した圧力が著しく大きい場合や著しく速く圧力が上昇した場合等では、安全弁の開弁が間に合わず、電池が破損するおそれがあった。
このようにリチウムイオン二次電池の内部圧力が上昇する際には電池の劣化や短絡等の異常が発生している可能性があり、また破損等のおそれがあるために、その内部圧力を検知する技術が必要である。

そして、内部圧力を検知するリチウムイオン二次電池として、安全弁の内側空間にガス圧力センサを配置し、直接内部圧力を測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このリチウムイオン二次電池では、電池内側空間に設置したガス圧力センサによって測定した内部圧力を表示器に表示させて、監視した圧力が予め想定した圧力を超えるとリチウムイオン二次電池が正常でないと判定する。
また、上記特許文献１には、リチウムイオン二次電池の外装に歪みゲージを貼り付け、電池の内部圧力が上昇することで生じる外装の歪みを測定し、内部圧力を監視するリチウムイ二次電池の監視装置も示されている。

特開２００２−２８９２６５号公報

このようなリチウム二次電池の監視装置にあっては、リチウムイオン二次電池の内部圧力を測定するために安全弁の内側空間に圧力センサを配置しなければならず、簡易的に内部圧力を監視することができず、また電池の内側空間に圧力センサを配置することによって電池内部へ何らかの影響を及ぼす可能性もあるという問題点があった。

また、リチウムイオン二次電池の外装に歪みゲージを貼り付けて外装のひずみを測定する技術は、電池が固定用治具等で固定されている場合や外装の膨張を抑制するために一定の面圧がかけられている設計の場合や電池外装全体が保護のためにケース等で覆われている場合等では、歪みを監視し難く、検知精度が低いという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、電池内部へ何らかの影響を及ぼすことなく、また検知精度が向上した電池を得ることを目的とする。

この発明に係る電池は、発電部と、この発電部を収納した外装と、を備えた電池であって、
前記外装は、周囲よりも厚みが薄く、外装の内部の圧力の上昇に伴い変形する薄肉部を有しており、
前記薄肉部の前記変形は、前記外装の外側に設けられたセンサにより検知されるようになっている。

この発明に係る電池によれば、外装の外側に設けられたセンサにより外装の内部の圧力の上昇に伴い変形する薄肉部の変形を検知するので、電池内部へ何らかの影響を及ぼすことなく、また検知精度が向上する。

この発明の実施の形態１のリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２のリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３のリチウムイオン二次電池を示す平面図である。 この発明の実施の形態４のリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 この発明の実施の形態５のリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 図５のリチウムイオン二次電池の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態６のリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 この発明の実施の形態７のリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 図８のリチウムイオン二次電池の変形例を示す断面図である。

以下、この発明の各実施の形態のリチウムイオン二次電池について、図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるリチウムイオン二次電池（以下、二次電池と略称する。）を示す斜視図である。
この二次電池は、外装１の内部に発電部を収納している。この外装１では、安全弁４の近傍に肉厚の薄い薄肉部２が形成されている。薄肉部２には、薄肉部２に変形を検知する歪みセンサ３が接着されている。外装１の上面の両側には端子１４が設けられている。

この二次電池には、電解液が入っており、電池の劣化や短絡等の異常が生じた場合ガスが発生し、電池内部圧力が上昇する。
因って、この二次電池では、内部圧力が上昇するに伴い、薄肉部２で変形し、この変形を歪みセンサ３は検知する。
従って、肉厚が一定の外装に歪みセンサを設置した二次電池と比較して、薄肉部２での変形量が増大し、二次電池の内部圧力の検知精度を高めることができる。
また、歪みセンサ３は、外装１の外表面に接着されているので、圧力を検知するに際して二次電池の内部に何等の影響を与えない。

例として、外装１に設けられた薄肉部２の厚みが周囲の外装１の厚みの１/２の厚みである場合、その薄肉部２に及ぼす圧力は、厚みの３乗に反比例して増加するために、肉厚一定の外装に歪みセンサを設置した二次電池よりも８倍の圧力感度になり、検知精度が大幅に向上する。

なお、薄肉部２は、外装１の内部圧力の上昇に対して、予め変形が大きいと想定される部位に形成することで、内部圧力の検知精度をさらに高めるようにしてもよい。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２による二次電池を示す斜視図である。
この実施の形態では、肉薄の安全弁４に安全弁４の変形を検知する歪みセンサ３が設けられている。
この実施の形態では、安全弁４は外装１よりも厚みが薄いため、安全弁４に変形を検知するセンサ３を設置したので、実施の形態１の二次電池と同様の効果を得ることができる。
また、薄肉の安全弁４を歪みセンサ３の検知部位として兼用しており、それだけ外装１の構造が簡単化される。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３による二次電池を示す平面図である。
この実施の形態では、切り込み５を有する安全弁４に歪みセンサ３が設けられている。
この実施の形態の二次電池によれば、電池の内部圧力が上昇した際に周囲外装１よりも切り込み５の部位で変形し易く、実施の形態２の二次電池と比較してさらに電池内部圧力の検知精度を高めることができる。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４による二次電池を示す斜視図である。
この実施の形態では、光照射器８から薄肉部２に光を照射し、薄肉部２で反射した光を検知する光センサ７で、薄肉部２の変形を検知する。
ここで、光照射器８及び光センサ７により非接触センサを構成する。
この二次電池によれば、光センサ７で二次電池の内部の圧力上昇時の薄肉部２の変形を非接触で検知する。

実施の形態１〜３の二次電池の場合、歪みセンサ３を外装１の薄肉部２、安全弁４に接着しているので、薄肉部２、安全弁４の圧力による変形量は、歪みセンサ３の影響を受けることになり、内部圧力の変化に対する薄肉部２の変形の精度が低下するおそれがある。
これに対して、この実施の形態では、そのようなことはなく、薄肉部２の変形を介して二次電池内部の圧力変化を正確に検知することができる。

実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５による二次電池を示す斜視図である。
この実施の形態では、歪みセンサ３は、一端部が薄肉部２に接着され、他端部が薄肉部２の外側縁部に接着されている。
この実施の形態の二次電池によれば、歪みセンサ３は、変形が生じ易い薄肉部２と変形が生じ難い薄肉部２の外側縁部とに跨って設けられているので、薄肉部２と外装１との変形の差分を検知することになり、二次電池内部の圧力の変化に対する検知精度が向上する。

また、図６は電極体９を全高が低い外装１で覆った二次電池であるが、この二次電池は、外装１に薄肉部２が形成されている。この薄肉部２の直上は、接触センサ１３で覆われている。
この例では、電池内部の圧力が上昇して薄肉部２が変形して接触センサ１３と接触することで、二次電池内部の圧力上昇を検知することができる。

実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６による二次電池を示す斜視図である。
この実施の形態では、二次電池は、歪みセンサ３に電気的に接続された電池残容量推定器１０を備えている。この電池残容量推定器１０は、二次電池の内部圧力から二次電池の残容量を推定する計器である。
この実施の形態の二次電池によれば、二次電池の薄肉部２の変形を検知した歪みセンサ３からの信号は、電池残容量推定器１０に送られ、この電池残容量推定器１０により、二次電池の残容量を推定することができる。
また、この電池残容量推定器１０により、二次電池の電池残容量を経時的に検知することができる。

実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７による二次電池を示す斜視図、図９は図８の側断面図である。
この実施の形態では、二次電池は、電極体９をアルミニウムのラミネート外装１１で覆ったラミネート型電池であって、この二次電池は、ラミネート外装１１に形成された開口部１２が歪みセンサ３で覆われている。
この実施の形態の二次電池によれば、二次電池の内部圧力が上昇した際に、歪みセンサ３は、外装１よりも早く変形し、検知することで電池内部圧力の上昇を検知することができる。
また、外装１に薄肉部２を形成し、薄肉部２の変形を歪みセンサ３で検知した二次電池と比較して、二次電池内部の圧力を歪みセンサ３が直接検知するので、二次電池内部の圧力をより正確に検知することができる。

なお、上記各実施の形態の二次電池の歪みセンサ３、光センサ７において、それぞれ警報発生手段（図示せず）と電気的に接続し、この警報発生手段により、センサ３，７からの信号により外装１内部の圧力の異常上昇を外部に警報するようにしてもよい。

また、上記各実施の形態の二次電池の歪みセンサ３、光センサ７において、それぞれ端子１４間の電流を遮断する制御手段（図示せず）と電気的に接続し、この制御手段により、センサ３，７からの信号により外装１内部の圧力の異常上昇のときに端子１４間の電流を遮断するようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、リチウムイオン二次電池について説明したが、これに限定されるものではなく、この発明は、リチウム／二酸化マンガン電池等の一次電池、さらには溶液系一次電池及び二次電池についても適用することができる。
また、外装１の形状も箱型、薄型に限定されないのは、勿論である。
また、非接触センサとして、光照射器８と光センサ７とから構成されたものについて説明したが、これは一例であり、光の代わりに例えば超音波、レーザを用いてもよい。

１ リチウムイオン二次電池外装、２ 薄肉部、３ 歪みセンサ、４ 安全弁、５ 安全弁切れ込み部分、７ 光センサ、８ 光照射器、９ 電極体、１０ 電池残容量推定器、１１ ラミネート外装、１２ 開口部、１３ 接触センサ、１４ 端子。

Claims (12)

1. 発電部と、この発電部を収納した外装と、を備えた電池であって、
   前記外装は、周囲よりも厚みが薄く、外装の内部の圧力の上昇に伴い変形する薄肉部を有しており、
   前記薄肉部の前記変形は、前記外装の外側に設けられたセンサにより検知されるようになっている電池。
2. 前記薄肉部は、外装の内部の圧力が規定値を超えると破損する安全弁である請求項１に記載の電池。
3. 前記安全弁は、切り込みを有している請求項２に記載の電池。
4. 前記センサは、薄肉部に接着した歪みセンサである請求項１〜３の何れか１項に記載の電池。
5. 前記歪みセンサは、一端部が前記薄肉部に接着され、他端部が薄肉部の外側縁部に接着されている請求項４に記載の電池。
6. 発電部と、この発電部を収納した外装と、を備えた電池であって、
   前記外装は、開口部を有しており、
   この開口部は、外装の内部の圧力の上昇に伴う変形を検知するセンサで覆われている電池。
7. 前記センサは、前記薄肉部に対して非接触の非接触センサである請求項１〜３の何れか１項に記載の電池。
8. 前記センサは、前記薄肉部の直上に設けられ、変形により隆起した薄肉部に接触する接触センサである請求項１に記載の電池。
9. 前記センサは、二次電池の内部圧力から二次電池の残容量を推定する電池残容量推定器に接続されている請求項１〜８の何れか１項に記載の電池。
10. 前記センサは、警報発生手段に電気的に接続されており、この警報発生手段は、前記センサからの信号により前記外装内部の圧力の異常上昇を外部に警報するようになっている請求項１〜９の何れか１項に記載の電池。
11. 前記センサは、端子間の電流を遮断する制御手段に接続されており、この制御手段は、前記センサからの信号により前記外装内部の圧力の異常上昇のときに前記電流を遮断するようになっている請求項１〜１０の何れか１項に記載の電池。
12. 前記電池は、リチウムイオン二次電池である請求項１〜１１の何れか１項に記載の電池。

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