JP2015008066A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケースの温度変化に起因する圧力開放弁の作動圧の変動を抑制しつつ、圧力開放弁で反りや剥がれが生じることを抑制することのできる蓄電装置を提供する。
【解決手段】二次電池１０は、電極組立体１２と電解液が収容されたケース１１を備えている。ケース１１の蓋体１４は、ケース１１内の圧力をケース１１外に開放させるアルミニウム製の圧力開放弁２０を有している。ケース１１の蓋体１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂの、圧力開放弁２０の弁体２１上の両面を含む部分には、アルマイト処理層２４，２５がある。
【選択図】図１

Description

この発明は、蓄電装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。二次電池は、金属箔に負極活物質を塗布した負極電極と金属箔に正極活物質を塗布した正極電極との間をセパレータで絶縁し、層状に積層した電極組立体を有する。そして、二次電池のケースには電極組立体と電解液が収容されており、ケースの壁面にはケース内の圧力をケース外に開放させる圧力開放弁（ガス排出弁）が設けられている。

アルミニウムは温度が上昇するにつれて強度が低下する性質を有するため、特許文献１に記載の二次電池のようにアルミニウム製の圧力開放弁を採用する場合では、ケースの温度が上昇するほど圧力開放弁の強度が低下することとなる。これにより、特許文献１に記載の二次電池では、ケースが高温となると、圧力開放弁が予め設定された作動圧よりも極端に低い圧力で作動するおそれがある。そこで、特許文献２に記載の二次電池では、ニッケル等、強度の高い金属材料とアルミニウムとのクラッド材で形成された圧力開放弁を採用している。こうした特許文献２に記載の二次電池によれば、アルミニウムによって圧力開放弁における通電性を確保しつつ、強度の高い金属材料によって圧力開放弁の強度を向上させて温度変化に起因する圧力開放弁の作動圧の変動を抑制することができる。

特開２０１１−１８１２１４号公報 特開２００１−１２６６８２号公報

ところで、クラッド材で形成された圧力開放弁では、クラッド材を構成する各金属の熱膨張率の違いにより反りが発生したり剥がれたりするおそれがあり、この点で改善の余地があった。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ケースの温度変化に起因する圧力開放弁の作動圧の変動を抑制しつつ、圧力開放弁で反りや剥がれが生じることを抑制することのできる蓄電装置を提供することにある。

上記課題を解決するための蓄電装置は、電極組立体と電解液が収容されたケースを備えるとともに、ケース内の圧力をケース外に開放させる圧力開放弁をケースの壁面に有し、圧力開放弁はアルミニウム製であり、圧力開放弁を有するケースの壁面の、少なくとも圧力開放弁上の面の一部にはアルマイト処理層があるものである。

アルマイト処理層は、温度変化による強度の変化が生じにくい。上記構成によれば、ケースの温度が上昇しても圧力開放弁の強度を確保することができ、ケースの温度変化に起因する圧力開放弁の作動圧の変動を抑制することができる。更に、上記構成によれば、圧力開放弁をクラッド材で形成しないため、圧力開放弁に反りが発生したり剥がれたりすることを抑制することもできる。

圧力開放弁が開裂溝を有する場合には、開裂溝を含む部分をアルマイト処理層とすることも可能である。
圧力開放弁の開裂溝部分は厚さが薄いため、ケースの温度変化による強度低下が生じやすい。このため、開裂溝が形成された圧力開放弁では、ケースの温度変化に起因する圧力開放弁の作動圧の変動がより顕著になるおそれがある。上記構成によれば、開裂溝においてケースの温度変化による強度の低下が生じにくくなる。したがって、開裂溝が形成された圧力開放弁であってもケースの温度変化に起因して作動圧が変動することを抑制することができる。

アルマイト処理層が形成される部分としては、例えば、圧力開放弁上の全面が挙げられる。
上記構成によれば、圧力開放弁自体の強度をより確保することができ、ケースの温度変化に起因する圧力開放弁の作動圧の変動をより抑制することができる。

アルマイト処理層は、圧力開放弁を有するケースの壁面の両面に、かつ少なくとも圧力開放弁を含む部分に形成することも可能である。
上記構成によれば、圧力開放弁自体の強度をより確保することができ、ケースの温度変化に起因する圧力開放弁の作動圧の変動をより抑制することができる。

蓄電装置としては、例えば二次電池が挙げられる。

本発明によれば、ケースの温度変化に起因する圧力開放弁の作動圧の変動を抑制しつつ、圧力開放弁で反りや剥がれが生じることを抑制することができる。

二次電池の外観を示す斜視図。 圧力開放弁の表面を示す平面図。 図２の３−３線断面図。 アルマイト処理層が形成された圧力開放弁とアルマイト処理層が形成されていない圧力開放弁とについて、ケースの温度と作動圧との関係を示すグラフ。

以下、蓄電装置を具体化した一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１１に電極組立体１２が収容されている。また、ケース１１には、電極組立体１２とともに電解液も収容されている。ケース１１は、有底筒状のケース本体１３と、ケース本体１３に電極組立体１２を挿入する開口部１３ａを閉塞する平板状の蓋体１４とからなる。ケース本体１３と蓋体１４とがケース１１として組み立てられた状態において、蓋体１４の表面１４ａがケース１１の外側に位置する面となっており、蓋体１４の裏面１４ｂがケース１１の内側に位置する面となっている。そして、ケース１１においては、蓋体１４の裏面１４ｂにおける外周部分とケース本体１３の開口部１３ａとが互いに接合された接合部１４ｃとなっている。ケース本体１３と蓋体１４は、何れもアルミニウム製である。また、この実施形態の二次電池１０は、ケース本体１３が有底四角筒状であり、蓋体１４が矩形平板状であることから、その外観が角型をなす角型電池である。また、この実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池である。

電極組立体１２は、正極電極、負極電極、及び正極電極と負極電極を絶縁するセパレータを有する。正極電極は、正極金属箔（アルミニウム箔）の両面に正極活物質を塗布して構成される。負極電極は、負極金属箔（銅箔）の両面に負極活物質を塗布して構成される。そして、電極組立体１２は、複数の正極電極と複数の負極電極を交互に積層するとともに、両電極の間にセパレータを介在した積層構造とされている。また、電極組立体１２には、正極端子１５と負極端子１６が電気的に接続されている。これらの正極端子１５と負極端子１６の各一部分は、蓋体１４からケース１１外に露出している。また、正極端子１５及び負極端子１６には、ケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁リング１７ａがそれぞれ取り付けられている。

また、ケース１１には、ケース１１内の圧力が上昇し過ぎないように、ケース１１内の圧力が所定の圧力である開放圧に達した場合に開裂し、ケース１１内の圧力をケース１１外に開放させる圧力開放弁２０が設けられている。この実施形態において圧力開放弁２０は、ケース１１の壁面としての蓋体１４に位置している。また、圧力開放弁２０の開放圧は、ケース１１自体やケース本体１３と蓋体１４の接合部１４ｃに亀裂や破断などが生じ得る前に開裂し得る圧力に設定されている。そして、圧力開放弁２０は、蓋体１４の板厚よりも薄い薄板状の弁体２１を有する。弁体２１は、蓋体１４の表面１４ａに凹設された凹部２２の底に位置しており、蓋体１４と一体的に成形されている。すなわち、圧力開放弁２０は、弁体２１上の表面２１ａがケース１１の蓋体１４の表面１４ａの一部となっており、弁体２１上の裏面２１ｂ（図３）が蓋体１４の裏面１４ｂの一部となっている。また、圧力開放弁２０はケース１１と同様にアルミニウム製である。

図２に示すように、この実施形態の圧力開放弁２０は、平行な２つの直線部２６，２７を弧部２８，２９で繋いだトラック形状の周縁を有する。なお、圧力開放弁２０の弁体２１は、圧力開放弁２０の周縁に繋がっており、圧力開放弁２０と同様にトラック形状である。また、弁体２１の表面２１ａは、開裂溝を有する。開裂溝は、交差溝３１と、弧部２８，２９に沿う複数の弧状溝３２，３３と、直線部２６，２７に沿う複数の直線状溝３４，３５と、からなる。交差溝３１は、開裂起点としての交差部Ｐで交差する２本の直線溝３６，３７からなる。この実施形態において、交差溝３１と、弧状溝３２，３３と、直線状溝３４，３５とは、何れもＶ字形溝である。

そして、図２に示すように、弁体２１の表面２１ａには、交差溝３１に沿う仮想直線Ｙ１，Ｙ２を想定したとき、仮想直線Ｙ１，Ｙ２と圧力開放弁２０の周縁によって囲まれる複数の領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が想定される。領域Ｓ１と領域Ｓ２は、直線部２６，２７を含む領域であり、互いに仮想直線Ｙ１と仮想直線Ｙ２の交差点を対称の中心として点対称である。領域Ｓ３と領域Ｓ４は、弧部２８，２９を含む領域であり、互いに仮想直線Ｙ１と仮想直線Ｙ２の交差点を対称の中心として点対称である。

図１に示すように、ケース１１の蓋体１４は、表面１４ａと裏面１４ｂとの両面にアルマイト処理層２４，２５を有する。この実施形態のケース１１では、蓋体１４の裏面１４ｂにおける接合部１４ｃと、蓋体１４の表面１４ａにおける外周部分とにはアルマイト処理層２４，２５を有しておらず、これらの部分を除く蓋体１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂの全面にアルマイト処理層２４，２５を有している。

図３に示すように、この実施形態では、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａの全面にもアルマイト処理層２４を有している。ここで、弁体２１の表面２１ａにおいて、アルマイト処理層２４は、弁体２１の表面２１ａの開裂溝と、弁体２１の表面２１ａにおける開裂溝以外の部分と、にある。弁体２１の表面２１ａの開裂溝は、溝面全体にアルマイト処理層２４を有する。図３には、直線溝３６におけるアルマイト処理層２４を示しているが、それ以外の開裂溝である直線溝３７、弧状溝３２，３３、及び直線状溝３４，３５の各溝面にも、アルマイト処理層２４を有する。更に、圧力開放弁２０は、ケース１１の蓋体１４の裏面１４ｂの一部である弁体２１の裏面２１ｂの全面にも、アルマイト処理層２５を有する。尚、圧力開放弁２０の弁体２１において、表面２１ａ及び裏面２１ｂのアルマイト処理層２４，２５を除いた厚さは、開裂溝部分における弁体２１の厚さＷ２が、開裂溝以外の部分における弁体２１の厚さＷ１と比較して薄い。そして、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａ及び裏面２１ｂにおけるアルマイト処理層２４，２５の厚さＷ３は、例えば厚さＷ１や厚さＷ２よりも薄くなっている。厚さＷ２と厚さＷ３は、例えば、厚さＷ２と厚さＷ３との比率が２：１となる関係にある。

次に、この実施形態の作用について図４を参照して説明する。尚、図４は、アルマイト処理層２４，２５が形成された圧力開放弁２０とアルマイト処理層２４，２５が形成されていない圧力開放弁２０とについて、本出願人が行った実験のデータを示す図である。

図４に示すように、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａや裏面２１ｂにアルマイト処理を施した本実施形態では、ケース１１の温度が上昇しても作動圧が低下しにくい。これは、温度変化による強度の変化が生じにくいアルマイト処理層２４，２５の性質により、ケース１１の温度が上昇しても圧力開放弁２０の強度を確保することができるためである。そして、こうした本実施形態では、ケース１１が高温となったときにも、予め設定された作動圧とほとんど変わらない作動圧で圧力開放弁２０を作動させることができる。

一方、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａや裏面２１ｂにアルマイト処理を施さない場合には、アルミニウムの性質により、ケース１１の温度上昇による圧力開放弁２０の強度の低下度合いが本実施形態と比較して大きくなる。このため、ケース１１が高温となったときには、予め設定された作動圧からの低下度合いが本実施形態と比較して大きい作動圧で圧力開放弁２０が作動するおそれがある。

次に、二次電池１０の製造方法について、主にケース１１の蓋体１４へのアルマイト処理層２４，２５の形成方法を説明する。
ケース１１の蓋体１４にアルマイト処理を施す前に、まず、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａに交差溝３１、弧状溝３２，３３、及び直線状溝３４，３５といった開裂溝を形成する。開裂溝の形成後、ケース１１の蓋体１４及び圧力開放弁２０へのアルマイト処理を開始する。尚、アルマイト処理に際しては、ケース１１のケース本体１３との接合部１４ｃとして機能する蓋体１４の裏面１４ｂの外周部分と、蓋体１４の表面１４ａの外周部分とにマスキングを施す。また、アルマイト処理は、圧力開放弁２０が一体形成されたアルミニウム製のケース１１の蓋体１４を、希硫酸やシュウ酸などの処理浴に入れて電気分解させることにより行う。そして、ケース１１の蓋体１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂと、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａ及び裏面２１ｂと、にアルマイト処理層２４，２５が形成される。アルマイト処理層２４，２５の形成が完了したら、ケース１１のケース本体１３の開口部１３ａと蓋体１４の裏面１４ｂの外周部分とが、例えばレーザー溶接によって接合される。これにより、ケース１１のケース本体１３と蓋体１４が接合部１４ｃによって接合される。

したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）圧力開放弁２０は、弁体２１の表面２１ａや裏面２１ｂの全面にアルマイト処理層２４，２５を有しているため、ケース１１の温度変化に起因する圧力開放弁２０の作動圧の変動を抑制することができる。更に、圧力開放弁２０の弁体２１にクラッド材を採用していないため、圧力開放弁２０に反りが発生したり剥がれたりすることを抑制することもできる。

（２）圧力開放弁２０の弁体２１において、開裂溝部分の厚さＷ２がその他の部分の厚さＷ１と比較して薄いため、弁体２１における開裂溝部分はケース１１の温度変化による強度低下が生じやすい。このため、開裂溝が形成された圧力開放弁２０では、ケース１１の温度変化に起因する圧力開放弁２０の作動圧の変動がより顕著になるおそれがある。本実施形態によれば、圧力開放弁２０の弁体２１における開裂溝にもアルマイト処理層２４があるため、開裂溝においてケース１１の温度変化による強度の低下が生じにくくなる。したがって、開裂溝が形成された圧力開放弁２０であってもケース１１の温度変化に起因して作動圧が変動することを抑制することができる。

（３）ケース１１の蓋体１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂと、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａ及び裏面２１ｂと、のうち、蓋体１４の表面１４ａの外周部分と裏面１４ｂの外周部分とを除く部分にアルマイト処理を行うため、ケース１１の蓋体１４の両面の大部分にアルマイト処理層２４，２５が形成される。これにより、例えばケース１１の蓋体１４の片面にのみアルマイト処理層２４，２５を形成する場合と比較してマスキングを施す部分を少なくすることができるため、アルマイト処理層２４，２５の形成工程を簡略化させることができる。

（４）ケース１１の蓋体１４及び圧力開放弁２０へのアルマイト処理に際して、蓋体１４とケース本体１３との接合部１４ｃとして機能する蓋体１４の裏面１４ｂの外周部分にマスキングを施しているため、この蓋体１４の裏面１４ｂの外周部分にはアルマイト処理層２４，２５が形成されない。このため、ケース１１のケース本体１３と蓋体１４とが溶接される際にアルマイト処理層２４，２５が異物となってケース１１のケース本体１３と蓋体１４との接合部１４ｃの接合が弱くなることが抑制される。

（５）圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａに交差溝３１、弧状溝３２，３３、及び直線状溝３４，３５といった開裂溝を形成してから、ケース１１の蓋体１４及び圧力開放弁２０へのアルマイト処理を行っている。仮に、アルマイト処理後の圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａに開裂溝を形成するようにすると、開裂溝の形成部分のアルマイト処理層２４，２５が剥がれるおそれがあるが、本実施形態ではこうした問題が生じることを抑制することができる。

尚、上述の実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
○ ケース１１の蓋体１４の表面１４ａの外周部分にアルマイト処理層２４が形成されていても接合部１４ｃの接合への影響が小さい場合には、蓋体１４の表面１４ａの外周部分へのマスキングを省略してもよい。

○ ケース１１の蓋体１４は、ケース本体１３との接合部１４ｃにアルマイト処理層２４，２５を有していてもよい。但し、接合部１４ｃの接合がアルマイト処理層２４，２５によって低下することを抑えるためには、アルマイト処理層２４，２５を接合部１４ｃの一部に形成することが望ましい。

○ ケース１１の蓋体１４は、ケース１１の蓋体１４の表面１４ａの外周部分や蓋体１４の裏面１４ｂの外周部分よりも広い範囲にアルマイト処理層２４，２５を有しない形態としてもよい。例えば、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａや裏面２１ｂはアルマイト処理層２４，２５を有するとともに、ケース１１の蓋体１４の表面１４ａや裏面１４ｂのうち、圧力開放弁２０以外の部分はアルマイト処理層２４，２５を有しない形態としてもよい。要するに、ケース１１の蓋体１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂに、かつ少なくとも圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａ及び裏面２１ｂを含む部分に、アルマイト処理層２４，２５を有していればよい。

○ 圧力開放弁２０は、弁体２１上の表面２１ａや裏面２１ｂの一部にアルマイト処理層２４，２５を有していてもよい。但し、ケース１１の温度変化に起因する圧力開放弁２０の作動圧の変動を極力抑えるためには、圧力開放弁２０の弁体２１上の表面２１ａや裏面２１ｂのうち、大部分にアルマイト処理層２４，２５を有するようにすることが望ましい。

○ 圧力開放弁２０の形状は円形状等、トラック形状以外の形状であってもよい。
○ 圧力開放弁２０の開裂溝の形状や配設箇所を変更してもよい。
○ 圧力開放弁２０の開裂溝の断面形状を変更してもよい。

○ 圧力開放弁２０をケース１１の蓋体１４とは別体部品とし、圧力開放弁２０をケース１１の蓋体１４に接合してもよい。接合は、例えばレーザー溶接等で行う。尚、こうした形態においても、圧力開放弁２０はアルミニウム製であることとする。

○ 圧力開放弁２０の弁体２１は、裏面２１ｂに開裂溝を有していてもよい。
○ 圧力開放弁２０の弁体２１は、表面２１ａや裏面２１ｂの開裂溝のみにアルマイト処理層２４，２５を有していてもよい。尚、こうした形態において、圧力開放弁２０が弁体２１の表面２１ａに開裂溝を有している形態では、弁体２１の表面２１ａでは開裂溝にのみアルマイト処理層２４を有することとなる。また、圧力開放弁２０が弁体２１の裏面２１ｂに開裂溝を有している形態では、弁体２１の裏面２１ｂでは開裂溝にのみアルマイト処理層２５を有することとなる。

○ 圧力開放弁２０の弁体２１の開裂溝の形成を省略してもよい。この形態では、ケース１１の蓋体１４の表面１４ａ及び裏面１４ｂの、少なくとも圧力開放弁２０の弁体２１上の表面２１ａ及び裏面２１ｂの一部にアルマイト処理層２４，２５を形成する。

○ ケース１１の蓋体１４は、表面１４ａ及び裏面１４ｂのいずれか一方の面にのみアルマイト処理層２４，２５を有していてもよい。尚、ケース１１内の圧力が高くなると、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａに引っ張り応力が作用するようになる。このため、圧力開放弁２０の弁体２１の表面２１ａを含む、蓋体１４の表面１４ａがアルマイト処理層２４を有するようにすることが望ましい。

○ 圧力開放弁２０は、ケース１１のケース本体１３の壁面に形成してもよい。この形態では、ケース１１のケース本体１３の壁面の表面や裏面において、少なくとも圧力開放弁２０の弁体２１上の表面２１ａや裏面２１ｂの一部にアルマイト処理層２４，２５があれば、アルマイト処理層２４，２５の形成範囲は自由に設定可能である。

○ ケース１１の形状を変更してもよい。例えば、ケース１１は円筒型でもよい。
○ 電極組立体１２は、積層型に限らず、帯状の正極電極と帯状の負極電極を捲回して層状に積層した捲回型でもよい。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であってもよい。要は、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであれば良い。また、蓄電装置としてキャパシタでもよい。

○ 二次電池１０は、車両電源装置として自動車に搭載してもよいし、産業用車両に搭載しても良い。また、定置用の蓄電装置に適用してもよい。

１０…二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、１３…ケース本体、１４…蓋体、１４ａ…（蓋体の）表面、１４ｂ…（蓋体の）裏面、２０…圧力開放弁、２１…弁体、２１ａ…（弁体の）表面、２１ｂ…（弁体の）裏面、２４，２５…アルマイト処理層、３１…交差溝、３２，３３…弧状溝、３４，３５…直線状溝、３６，３７…直線溝。

Claims (5)

1. 電極組立体と電解液が収容されたケースを備えるとともに、前記ケース内の圧力を前記ケース外に開放させる圧力開放弁を前記ケースの壁面に有する蓄電装置において、
   前記圧力開放弁はアルミニウム製であり、
   前記圧力開放弁を有する前記ケースの壁面の、少なくとも前記圧力開放弁上の面の一部にはアルマイト処理層があることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記圧力開放弁は、開裂溝を有し、
   前記アルマイト処理層は、前記開裂溝を含む部分にある請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記アルマイト処理層は、前記圧力開放弁上の全面にある請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記アルマイト処理層は、前記圧力開放弁を有する前記ケースの壁面の両面に、かつ少なくとも前記圧力開放弁を含む部分にある請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の蓄電装置。
5. 前記蓄電装置は、二次電池である請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の蓄電装置。