JP2015060658A - 過充電防止ユニット及び二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い電流遮断機構を備える過充電防止ユニット及び二次電池を提供する。【解決手段】過充電防止ユニット３０は、電流遮断部１２と、第１短絡リードと、第２短絡リードと、電圧検知部１４と、接続部と、を備える。電流遮断部１２は、二次電池１の一方の電極端子と電気的に一端を接続され、所定の電流が通過すると切断する。第１短絡リードは、電流遮断部１２の他端と電気的に接続される。第２短絡リードは、二次電池１の他方の電極端子と電気的に接続される。電圧検知部１４は、前記第１短絡リードと前記第２短絡リードとの間の電圧を測定する。接続部は、電圧検知部１４が測定した電圧が所定の閾値を超えると、前記第１短絡リードと前記第２短絡リードとを電気的に接続させる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、過充電防止ユニット及び二次電池

二次電池は、過充電状態が生じた場合に、電池電圧の上昇及び電池内部のガス圧の上昇などを生じる。そのため、二次電池は、過充電状態が生じた場合に、外部装置から供給される充電電流を遮断するヒューズを備える。電池電圧が所定の電圧を超過すると、ヒューズは、融解し、外部装置から供給される充電電流を遮断する。

特開２００６−１８５７０８号公報

信頼性の高い電流遮断機構を備える過充電防止ユニット及び二次電池を提供する。

実施形態によれば、過充電防止ユニットは、電流遮断部と、第１短絡リードと、第２短絡リードと、電圧検知部と、接続部と、を備える。電流遮断部は、前記二次電池の一方の電極端子と電気的に一端を接続され、所定の電流が通過すると切断する。第１短絡リードは、前記電流遮断部の他端と電気的に接続される。第２短絡リードは、前記二次電池の他方の電極端子と電気的に接続される。電圧検知部は、前記第１短絡リードと前記第２短絡リードとの間の電圧を測定する。接続部は、前記電圧検知部が測定した電圧が所定の閾値を超えると、前記第１短絡リードと前記第２短絡リードとを電気的に接続させる。

図１は、第１実施形態に係る二次電池システムの構成例を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態に係る二次電池システムの電流の流れの例を示す図である。 図３は、第１実施形態に係る二次電池システムの電流の流れの例を示す図である。 図４は、第１実施形態に係る二次電池システムの電流の流れの例を示す図である。 図５は、第２実施形態に係る二次電池システムの構成例を示すブロック図である。 図６は、第２実施形態に係る二次電池の上面図の例を示すブロック図である。

（第１実施形態）
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、第１実施形態に係る二次電池システムの構成例を示すブロック図である。図１に示すように、二次電池システムは、二次電池１、充電装置２０及び配線２９ａ並びにｂなどを備える。

図１が示すように、二次電池１は、外装缶２と、外装缶２内に収納される電極群３と、内部正極リード４と、内部負極リード５と、正極端子６と、負極端子７と、キャッププレート１５と、絶縁部材１６と、過充電防止ユニット３０と、を備える。電解質（図示しない）は電極群３に保持されている。外装缶２は、矩形上に形成される箱状であって、外装缶２の上面は、開口している。外装缶２は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等から形成することができる。たとえば、アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金などである。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属が含む場合、その量は、たとえば、１００ｐｐｍ以下である。外装缶の板厚は、１ｍｍ以下にすることができ、０．５ｍｍ以下であってもよい。

電極群３は、正極と負極がその間にセパレータを介して偏平形状に捲回されたものである。正極は、例えば金属箔からなる帯状の正極集電体と、正極集電体の長辺に平行な一端部からなる正極集電タブ１０と、少なくとも正極集電タブ１０の部分を除いて正極集電体に形成された正極材料層（正極活物質含有層）とを含む。一方、負極は、例えば金属箔からなる帯状の負極集電体と、負極集電体の長辺に平行な一端部からなる負極集電タブ１１と、少なくとも負極集電タブ１１の部分を除いて負極集電体に形成された負極材料層（負極活物質含有層）とを含む。このような正極、セパレータ及び負極は、正極集電タブ１０が電極群の捲回軸方向にセパレータから突出し、かつ負極集電タブ１１がこれとは反対方向にセパレータから突出するよう、正極及び負極の位置をずらして捲回されている。このような捲回により、電極群３は、図１に示すように、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ１０が突出し、かつ他方の端面から渦巻状に捲回された負極集電タブ１１が突出している。正極集電タブ１０及び負極集電タブ１１は、正負極の集電体と同じ材料から形成しても、アルミニウム、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ及びＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含むアルミニウム合金から形成しても良い。

内部正極リード４及び内部負極リード５は、それぞれ、帯状の導電板からなる。内部正極リード４が正極集電タブ１０に電気的に接続され、また、内部負極リード５が負極集電タブ１１に電気的に接続されている。正極端子６及び負極端子７は、それぞれ、絶縁部材１６を介してキャッププレート１５に固定されている。内部正極リード４の先端は、正極端子６に電気的に接続され、内部負極リード５の先端は負極端子７に電気的に接続されている。

キャッププレート１５は、外装缶２の上面を覆うプレートである。キャッププレート１５は、正極端子６を通過させる穴と、負極端子７を通過させる穴と、を備える。キャッププレート１５は、穴に設置される絶縁部材１６を介して正極端子６及び負極端子７を固定する。また、キャッププレート１５は、図示されない絶縁物質などを介して正極短絡リード８、負極短絡リード９、絶縁体１３、及び、電圧検知部１４などを固定する。キャッププレート１５は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等から形成することができる。

二次電池１の正極、負極、セパレータ及び電解質について説明する。
（１）正極
正極は、正極集電体と、集電体の片面もしくは両面に担持され、正極活物質を含む正極材料層とを含む。

正極活物質には、例えば、リチウム含有複合化合物、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、ポリアニリンやポリピロールなどの導電性ポリマー材料、ジスルフィド系ポリマー材料、イオウ（Ｓ）、フッ化カーボン、硫酸鉄（Ｆｅ２（ＳＯ４）３）、バナジウム酸化物（例えばＶ２Ｏ５）を挙げることができる。中でも、リチウム含有複合化合物が好ましい。リチウム含有複合化合物には、例えば、ＬｉａＭｎＯ２（０＜ａ≦１．２）、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉａＣｏＭｈＯ２、ここでＭはＡｌ，Ｃｒ，ＭｇおよびＦｅよりなる群から選択される少なくとも１つまたは２つ以上の元素、０＜ａ≦１．２、０≦ｈ≦０．１）、リチウムマンガンコバルト複合酸化物（例えばＬｉＭｎ１−ｇ−ｈＣｏｇＭｈＯ２、ここでＭはＡｌ，Ｃｒ，ＭｇおよびＦｅよりなる群から選択される少なくとも１つまたは２つ以上の元素、０≦ｇ≦０．５、０≦ｈ≦０．１）、リチウムマンガンニッケル複合酸化物｛例えば、ＬｉＭｎｊＮｉｊＭ１−２ｊＯ２（ＭはＣｏ，Ｃｒ，Ａｌ，ＭｇおよびＦｅよりなる群より選択される少なくとも１つまたは２つ以上の元素、１／３≦ｊ≦１／２）、ＬｉＭｎ１／３Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２、ＬｉＭｎ１／２Ｎｉ１／２Ｏ２｝、スピネル型リチウムマンガン複合酸化物（例えばＬｉａＭｎ２−ｂＭｂＯ４、ここでＭはＡｌ，Ｃｒ，ＮｉおよびＦｅよりなる群から選択される少なくとも１つまたは２つ以上の元素、０＜ａ≦１．２、０≦ｂ≦１）、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物（例えばＬｉａＭｎ２−ｂＮｉｂＯ４、０＜ａ≦１．２、０≦ｂ≦１）、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物｛例えば、ＬｉａＦｅＰＯ４（０＜ａ≦１．２）、ＬｉａＦｅ１−ｂＭｎｂＰＯ４（０＜ａ≦１．２、０≦ｂ≦１）、ＬｉａＣｏＰＯ４（０＜ａ≦１．２）など｝を挙げることができる。

正極材料層に結着剤を含有させる場合、結着剤は、例えばポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶｄＦ）、フッ素系ゴムを用いることができる。

また、正極材料層は、導電剤を含有させても良い。導電剤は、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の炭素質物を挙げることができる。

正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質７３〜９５重量％、導電剤３〜２０重量％、結着剤２〜７重量％であってもよい。

正極集電体は、アルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔から形成されてもよい。アルミニウム箔及びアルミニウム合金箔の厚さは、２０μｍ以下にすることができ、１５μｍ以下であってもよい。アルミニウム箔の純度は９９質量％以上であってもよい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素、などの元素を含む合金であってもよい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属の含有量は１質量％以下にしてもよい。

正極は、例えば、正極活物質に導電剤および結着剤を添加し、これらを適当な溶媒に懸濁させ、この懸濁物（スラリー）を集電体に塗布、乾燥、プレスして帯状電極にすることにより作製される。

（２）負極
負極は、負極集電体と、負極集電体の片面もしくは両面に担持され、負極活物質を含む負極材料層とを含む。

負極活物質には、例えば、金属リチウム、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る物質を挙げることができる。リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る物質として、例えば、リチウムチタン複合酸化物が挙げられる。リチウムチタン複合酸化物は、例えば、Ｌｉ４+ｘＴｉ５Ｏ１２（ｘは充放電反応により−１≦ｘ≦３の範囲で変化する）で表されるスピネル型チタン酸リチウム、ラムステライド型Ｌｉ２＋ｘＴｉ３Ｏ７（ｘは充放電反応により−１≦ｘ≦３の範囲で変化する）、ＴｉとＰ、Ｖ、Ｓｎ、Ｃｕ、ＮｉおよびＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含有する金属複合酸化物などが挙げられる。ＴｉとＰ、Ｖ、Ｓｎ、Ｃｕ、ＮｉおよびＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含有する金属複合酸化物としては、例えば、ＴｉＯ２−Ｐ２Ｏ５、ＴｉＯ２−Ｖ２Ｏ５、ＴｉＯ２−Ｐ２Ｏ５−ＳｎＯ２、ＴｉＯ２−Ｐ２Ｏ５−ＭｅＯ（ＭｅはＣｕ、ＮｉおよびＦｅよりなる群から選択される少なくとも１つの元素）を挙げることができる。これらの金属複合酸化物は、充電によりリチウムが挿入されることでリチウムチタン複合酸化物に変化する。リチウムチタン複合酸化物は、スピネル型チタン酸リチウムであってもよい。

その他のリチウムイオンを吸蔵及び放出し得る物質には、例えば、炭素質物、金属化合物が挙げられる。

炭素質物は、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、気相成長炭素繊維、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素、樹脂焼成炭素を挙げることができる。たとえば、炭素質物は、気相成長炭素繊維、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素が挙げられる。炭素質物は、Ｘ線回折による（００２）面の面間隔ｄ００２が０．３４ｎｍ以下であってもよい。

金属化合物は、金属硫化物、金属窒化物を用いることができる。金属硫化物は、例えばＴｉＳ２のような硫化チタン、例えばＭｏＳ２のような硫化モリブデン、例えばＦｅＳ、ＦｅＳ２、ＬｉｘＦｅＳ２のような硫化鉄を用いることができる。金属窒化物は、例えばリチウムコバルト窒化物（例えばＬｉｓＣｏｔＮ、０＜ｓ＜４，０＜ｔ＜０．５）を用いることができる。

集電体は、例えば、銅箔、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔を用いることができる。アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の厚さは、２０μｍ以下であってもよく、１５μｍ以下であってもよい。アルミニウム箔は９９質量％以上の純度を有してもよい。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、ケイ素などの元素を含む合金であってもよい。合金成分として含まれる鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属は１質量％以下であってもよい。

負極材料層には、結着剤を含有させることができる。結着剤は、例えばポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶｄＦ）、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴムなどが挙げられる。

負極材料層には、導電剤を含有させることができる。導電剤は、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の炭素質物を挙げることができる。

負極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、負極活物質７３〜９６重量％、導電剤２〜２０重量％、結着剤２〜７重量％の範囲であってもよい。

負極は、例えば、粉末状の負極活物質に導電剤および結着剤を添加し、これらを適当な溶媒に懸濁させ、この懸濁物（スラリー）を集電体に塗布、乾燥、プレスして帯状電極にすることにより作製される。

（３）セパレータ
セパレータは、絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、ポリオレフィン、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、及びビニロンのようなポリマーで作られた多孔質フィルム又は不織布を用いることができる。セパレータの材料は１種類であってもよく、或いは、２種類以上を組合せて用いてもよい。

（４）非水電解質
非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解される電解質塩を含む。非水溶媒中にはポリマーを含んでもよい。

次に、過充電防止ユニット３０について説明する。
図１が示すように、過充電防止ユニット３０は、正極短絡リード８と、負極短絡リード９と、電流遮断部１２と、絶縁体１３と、電圧検知部１４と、を含む。

正極短絡リード８及び負極短絡リード９は、それぞれ、帯状の導電板からなる。正極短絡リード８は、電流遮断部１２に電気的に接続され、また、負極短絡リード９は、負極端子７に電気的に接続されている。なお、各部の電気的接続は、例えば、溶接、かしめ固定等によって行われる。内部正負極リード、正負極短絡リード及び正負極端子には、例えば、アルミニウム、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ及びＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含むアルミニウム合金を使用することができる。部品同士の接点及びその周辺は、Ａｌよりも融点の高いＣｕ、Ｃｕ合金がコーティングされてもよい。

正極短絡リード８及び負極短絡リード９は、互いに接触する方向に応力を生じるように形成される。図１に示す例において、正極短絡リード８は、その先端が図１において上方向に応力を生じるように形成される。また、負極短絡リード９は、その先端が図１において下方向に応力を生じるように形成される。なお、正極短絡リード８又は負極短絡リード９のいずれかが、他方に接触する方向に応力を生じるように形成されてもよい。

正極短絡リード８と負極短絡リード９との間に、絶縁体１３が形成される。絶縁体１３は、正極短絡リード８と負極短絡リード９とが通電することを阻止している。また、絶縁体１３は、正極短絡リード８と負極短絡リード９との間から引き出される方向に引っ張られるように形成される。たとえば、絶縁体１３は、応力を印加された状態でキャッププレート１５に固定される。このため、絶縁体１３は、その一部が切断すると、正極短絡リード８と負極短絡リード９との間から引き抜かれる構造になっている。また、絶縁体１３は、電極群３の電力から生じるジュール熱によって切断される物質から構成される。なお、絶縁体１３は、他の部材を介して応力を印加されてもよい。この場合、当該部材が切断されると、絶縁体１３は、正極短絡リード８と負極短絡リード９との間から引き抜かれる。

電流遮断部１２は、所定の閾値以上の電流が流れると通過する電流を遮断する。電流遮断部１２は、一方を正極端子６に接続し、他方を正極短絡リード８に接続する。即ち、電流遮断部１２は、正極端子６と正極短絡リード８との間に流れる電流を遮断する。たとえば、電流遮断部１２は、電流遮断部１２を流れる電流が所定の閾値を超過した場合に融解し、正極短絡リード８を流れる電流を遮断する。たとえば、電流遮断部１２は、ヒューズなどである。また、電流遮断部１２は、一部の横断面の面積が他の部分に比して小さい構造であってもよい。電流遮断部１２は、交換可能であってもよい。

電流遮断部１２は、正極短絡リード８と負極短絡リード９とが電気的に接続された場合に生じる電流を閾値として設定される。即ち、電流遮断部１２は、正極短絡リード８と負極短絡リード９とが電気的に接続された場合に通過する電流を遮断する。

電圧検知部１４は、正極短絡リード８と負極短絡リード９との間に生じる電圧を測定する。電圧検知部１４は、測定された電圧が所定の閾値を超過すると、図示されない切断手段に正極端子６と負極端子７との間に生じる電圧を印加させる。電圧検知部１４は、トランジスタなどを備え、当該トランジスタを用いて電圧を切断手段に印加してもよい。

電圧検知部１４は、過充電状態が生じた場合に正極短絡リード８と負極短絡リード９との間に生じる電圧を閾値として設定される。電圧検知部１４に設定される閾値は、二次電池１の種類などに応じて決定される。たとえば、電圧検知部１４は、閾値として３．５Ｖを設定される。

切断手段は、電圧が印加されると絶縁体１３を切断する。切断手段は、たとえば、ニクロム線などから形成される。この場合、切断手段は、絶縁体１３を加熱することができる位置に配置される。たとえば、切断手段は、絶縁体１３に巻きつくように形成されてもよい。切断手段は、電圧を印加されると、発熱し、絶縁体１３の一部を融解させる。その結果、絶縁体１３は、切断され、正極短絡リード８と負極短絡リード９との間から引き抜かれる。なお、切断手段は、絶縁体１３に応力を印加している部材を切断してもよい。

充電装置２０は、二次電池１へ電力を充電する。充電装置２０は、配線２１ａ及びｂを介して、電気的に二次電池１へ接続する。充電装置２０は、配線２１ａ及びｂを介して、所定の電圧を正極短絡リード８と負極短絡リード９との間に印加する。

次に、二次電池システムを流れる電流について説明する。
図２は、通常の充電状態（即ち、過充電状態でない）において二次電池システムを流れる電流の例を示す回路図である。

電流は、充電装置２０の正極端子から配線２１ａを通じて正極短絡リード８に流れる。正極短絡リード８へ流れると、電流は、電流遮断部１２、正極端子６、内部正極リード４及び正極集電タブ１０に流れる。正極集電タブ１０へ流れると、電流は、電極群３を通過し、電極群３を充電する。電極群３を通過すると、電流は、負極集電タブ１１、内部負極リード５及び負極端子７に流れる。負極端子７に流れると、電流は、配線２１ｂを通じて充電装置２０の負極端子へ流れる。

ここでは、電流遮断部１２に流れる電流は、電流遮断部１２が融解する電流よりも小さい。そのため、電流遮断部１２は、融解することなく、正極端子６と正極短絡リード８とを電気的に接続する。

次に、過充電状態が生じた場合において二次電池システムを流れる電流について説明する。
二次電池１が過充電状態になると、二次電池１は、通常よりも高い電圧（即ち、電圧検知部１４に設定される閾値よりも高い電圧）を生じる。二次電池１が高い電圧を生じると、電圧検知部１４は、閾値よりも高い電圧を検知する。閾値よりも高い電圧を検知すると、電圧検知部１４は、切断手段に正極端子６と負極端子７との間に生じる電圧を印加させる。電圧検知部１４が切断手段に電圧を印加させると、切断手段は、ジュール熱を発生させる。ジュール熱を発生させると、切断手段は、絶縁体１３の一部を加熱し、融解させる。切断手段が絶縁体１３の一部を融解させると、絶縁体１３は、切断され、正極短絡リード８と負極短絡リード９との間から引き抜かれる。絶縁体１３が正極短絡リード８と負極短絡リード９との間から引き抜かれると、正極短絡リード８と負極短絡リード９とは、接触し、電気的に接続される。

図３は、正極短絡リード８と負極短絡リード９とが電気的に接続された直後の電流の流れを示す回路図である。
図３が示すように、電流は、電極群３の正極側から流れる。電極群３の正極側から流れると、電流は、正極集電タブ１０、内部正極リード４及び正極端子６を通過する。正極端子６を通過すると、電流は、電流遮断部１２に流れる。電流遮断部１２を流れると、電流は、正極短絡リード８、負極短絡リード９、負極端子７、内部負極リード５及び負極集電タブ１１を流れる。負極集電タブ１１を流れると、電流は、電極群３の負極側へ流れる。

ここでは、電流遮断部１２に流れる電流は、電流遮断部１２が切断する電流の閾値を超過する。したがって、図３が示す状態が生じた後に、電流遮断部１２は、切断し、正極端子６と正極短絡リード８との電気的な接続を遮断する。

次に、電流遮断部１２が切断した後の電流の流れについて説明する。
図４は、電流遮断部１２が切断した後の電流の流れを示す回路図である。

図４が示すように、電流は、充電装置２０の正極端子から配線２０ａへ流れる。配線２０ａへ流れると、電流は、正極短絡リード８、負極短絡リード９及び配線２０ｂを通過し、充電装置２０の負極端子へ流れる。

図４が示す状態では、充電装置２０からの電流は、二次電池１の内部へは供給されない。そのため、二次電池１は、充電装置２０からさらに電力を充電されることなく、二次電池１の過充電状態は、収束する。

なお、二次電池１は、負極端子７と負極短絡リード９との間に電流遮断部１２を備えてもよい。

以上のように構成される二次電池は、電圧検知部を外部に備えることができる。そのため、電圧検知部は、外装缶内の温度及び圧力の影響を受けずに、動作することができる。したがって、二次電池は、過充電状態が生じた場合に、確実に電流遮断部を融解させることができる。

また、二次電池は、電流遮断部を外部に備えることができる。そのため、電流遮断部の交換が容易になる。さらに、二次電池のエネルギー密度が向上する。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。
第２実施形態に係る二次電池１は、電流遮断部１２が正極端子６と内部正極リード４との間にある点、及び、過充電防止ユニット３０が駆動体、締結機構及び加熱部などを備える点などで第１実施形態における二次電池１と異なる。したがって、他の部分は、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図５は、実施形態に係る二次電池システムの構成例を示すブロック図である。
図６は、実施形態に係る二次電池の上面図である。
図５及び６が示すように、二次電池１は、内部正極リード４と正極端子６との間に電流遮断部１２を備える。電流遮断部１２は、所定の閾値以上の電流が通過すると、内部正極リード４と正極端子６との間に流れる電流を遮断する。なお、電流遮断部１２は、内部正極リード５４一部として形成されてもよい。この場合、電流遮断部１２は、内部正極リード４の他の部分よりも細く形成されてもよい。

図５及び６が示すように、過充電防止ユニット３０は、正極短絡リード８、負極短絡リード９、駆動体２２、締結機構２３及び加熱部２４などを備える。

正極短絡リード８は、正極端子６に電気的に接続する。また、正極短絡リード８は、第１実施形態と異なり、いずれの方向にも応力を生じていない。

負極短絡リード９は、正極短絡リード８の手前まで延び、そこから下方向に折れ曲がっている。負極短絡リード９は、正極短絡リード８の厚み分よりも下方向に延びる。負極短絡リード９は、そこから正極短絡リード８へ所定の長さ延びている。即ち、負極短絡リード９は、その先端が正極短絡リード８の下に潜り込むように形成される。また、負極短絡リード９は、下方向に折れ曲がっている箇所よりも負極端子７側に締結機構２３を通すための穴を備える。

駆動体２２は、外部からの圧力に応じて応力を生じる弾性体である。駆動体２２は、圧縮されると、駆動体２２が圧縮された方向と逆方向に応力を生じる。駆動体２２は、たとえば、板バネ、薄板バネ、ねじりコイルバネ、又は、コイルバネなどである。

駆動体２２は、圧縮された状態で負極短絡リード９と外装缶２の上面との間に設置される。そのため、駆動体２２は、負極短絡リード９に上方向の応力を印加し続けている。即ち、駆動体２２は、負極短絡リード９に対して、正極短絡リード８と負極短絡リード９とを接触させる方向に応力を印加し続けている。

締結機構２３は、駆動体２２が印加する応力に抗って負極短絡リード９を上方向に移動することを防止している。たとえば、締結機構２３は、外装缶２の上面に固定される。締結機構２３は、負極短絡リード９を貫通し、その先端が負極短絡リード９から突き出すように形成される。締結機構２３の先端は、負極短絡リード９が有する穴よりも大きく形成され、負極短絡リード９が上方向に移動することを阻止する。締結機構２３により、正極短絡リード８と負極短絡リード９とは、所定の間隔を維持することができる。

締結機構２３は、負極短絡リード９を固定するために必要な硬度を有する絶縁体である。また、締結機構２３は、二次電池１が生じる電圧によって加熱される加熱部２４の熱で融解し、かつ、融解によって延びることなく切断される物質で形成される。締結機構２３を構成する物質は、二次電池１の電圧、駆動体２２の応力、及び、負極短絡リード９の構成などによって決定され、特定の物質に限定されるものではない。締結機構２３を構成する物質は、たとえば、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）などである。

加熱部２４は、二次電池１が生じる電力をジュール熱に変換する。加熱部２４は、発生されたジュール熱を締結機構２３に加える。実施形態において、加熱部２４は、外装缶２の上面と負極短絡リード９との間にある締結機構２３の領域２３ａにジュール熱を加える。たとえば、加熱部２４は、ニクロム線などである。たとえば、加熱部２４は、締結機構２３の領域２３ａに巻き付けられる。

電圧検知部１４は、正極短絡リード８と負極短絡リード９との間の電圧が所定の閾値を超えた場合に、正極端子６と負極端子７との間に生じる電圧を加熱部２４に印加する。たとえば、電圧検知部１４は、トランジスタなどを備える。この場合、加熱部２４の一端は、負極端子７と電気的に接続し、他端はトランジスタに電気的に接続する。電圧検知部１４のトランジスタは、正極端子６と電気的に接続する。電圧検知部１４が正極短絡リード８と負極短絡リード９との間の電圧が所定の閾値を超えたと判断した場合に、電圧検知部１４のトランジスタは、負極端子７と加熱部２４とを電気的に接続させる。この動作によって、加熱部２４は、正極端子６と負極端子７との間の電圧を印加される。

次に、過充電状態が生じた場合の二次電池１の動作例について説明する。
二次電池１が過充電状態となると、正極端子６に接続される正極短絡リード８と負極端子７に接続される負極短絡リード９との間の電圧が上昇する。正極短絡リード８と負極短絡リード９との間の電圧が所定の閾値を超えると、電圧検知部１４は、正極短絡リード８と負極短絡リード９との間の電圧が所定の閾値を超えたことを検知する。電圧が所定の閾値を超えたことを検知すると、電圧検知部１４は、加熱部２４に正極端子６と負極端子７との間に生じる電圧を印加させる。電圧検知部１４が加熱部２４に電圧を印加させると、加熱部２４は、印加された電圧によってジュール熱を発生させる。ジュール熱を発生させると、加熱部２４は、締結機構２３の領域２３ａを加熱し、融解させる。

加熱部２４が締結機構２３の領域２３ａを融解させると、締結機構２３は、領域２３ａにおいて切断される。締結機構２３が切断されると、駆動体２２は、自身の応力によって、負極短絡リード９を上方向に押し上げる。駆動体２２が負極短絡リード９を押し上げると、負極短絡リード９は、正極短絡リード８と接触し、電気的に正極短絡リード８と接続される。負極短絡リード９と正極短絡リード８とが電気的に接続されると、正極短絡リード８、正極端子６、内部正極リード４、正極集電タブ１０、電極群３、負極集電タブ１１、内部負極リード５、負極端子７及び負極短絡リード９からなる閉回路が形成される。当該閉回路が形成されると、電流遮断部１２に流れる電流は、電流遮断部１２が切断する電流の閾値を超過する。そのため、電流遮断部１２は、正極集電タブ１０と正極端子６との間の電気的な接続を遮断する。
以上の動作によって、二次電池１は、充電装置２０からさらに電力を充電されることなく、二次電池１の過充電状態は、収束する。

なお、駆動体２２、締結機構２３、及び、加熱部２４は、正極短絡リード８側に設置されてもよい。
また、第２実施形態に係る二次電池１は、第１実施形態に係る二次電池１の特徴を備えてもよい。

以上のように構成される二次電池は、過充電状態が生じた場合に、確実に正極短絡リードと負極短絡リードとを電気的に接続させることができる。そのため、二次電池は、過充電状態が生じた場合に、確実に電流遮断部を融解させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…二次電池、２…外装缶、３…電極群、４…内部正極リード、５…内部負極リード、６…正極端子、７…負極端子、８…正極短絡リード、９…負極短絡リード、１０…正極集電タブ、１１…負極集電タブ、１２…電流遮断部、１３…絶縁体、１４…電圧検知部、１５…キャッププレート、２２…駆動体、２３…締結機構、２４…加熱部、３０…過充電防止ユニット。

Claims (9)

1. 二次電池に設置する過充電防止ユニットであって、
   前記二次電池の一方の電極端子と電気的に一端を接続され、所定の電流が通過すると切断する電流遮断部と、
   前記電流遮断部の他端と電気的に接続される第１短絡リードと、
   前記二次電池の他方の電極端子と電気的に接続される第２短絡リードと、
   前記第１短絡リードと前記第２短絡リードとの間の電圧を測定する電圧検知部と、
   前記電圧検知部が測定した電圧が所定の閾値を超えると、前記第１短絡リードと前記第２短絡リードとを電気的に接続させる接続部と、
   を備える過充電防止ユニット。
2. 前記電流遮断部は、前記二次電池の電力によって融解することで切断する、
   前記請求項１に記載の過充電防止ユニット。
3. 前記第１短絡リード又は前記第２短絡リードのいずれかの短絡リードの少なくとも一部は、他の短絡リードと重なるように形成され、
   前記接続部は、
   前記第１短絡リード又は前記第２短絡リードのいずれかの短絡リードを、他の短絡リードと接触する方向に応力を印加する駆動部と、
   前記短絡リードを、他の前記短絡リードとの間隔を維持するように固定する固定部と、
   前記電圧検知部が測定した電圧が所定の前記閾値を超えると、前記固定部を加熱し、前記固定部に前記短絡リードを固定できなくさせる加熱部と、
   を備える、
   前記請求項１又２に記載の過充電防止ユニット。
4. 前記加熱部は、二次電池の電力によって前記固定部を加熱する、
   前記請求項３に記載の過充電防止ユニット。
5. 上面が開口している外装容器と、
   前記外装容器内に含まれ、電解質を含む電極群と、
   前記電極群の正極に電気的に接続される正極リードと、
   前記電極群の負極に電気的に接続される負極リードと、
   前記正極リードの電気的に接続され前記外装容器の外部に設置される正極端子と、
   前記負極リードの電気的に接続され前記外装容器の外部に設置される負極端子と、
   前記請求項１乃至４の何れか１項に記載の過充電防止ユニットと、
   を備え、
   前記電流遮断部は、前記第１短絡リードと前記第２短絡リードとが電気的に接続された場合に電流を遮断する、
   二次電池。
6. 二次電池に設置する過充電防止ユニットであって、
   前記二次電池の一方の電極端子と電気的に接続される第１短絡リードと、
   前記二次電池の他方の電極端子と電気的に接続され、少なくとも一部が前記第１短絡リードと重なるように形成される第２短絡リードと、
   前記第１短絡リードと前記第２短絡リードとの間の電圧を測定する電圧検知部と、
   前記第１短絡リード又は前記第２短絡リードのいずれかの短絡リードを、他の短絡リードと接触する方向に応力を印加する駆動部と、
   前記短絡リードを、他の前記短絡リードとの間隔を維持するように固定する固定部と、
   前記電圧検知部が測定した電圧が所定の前記閾値を超えると、前記固定部を加熱し、前記固定部に前記短絡リードを固定できなくさせる加熱部と、
   を備える過充電防止ユニット。
7. 前記加熱部は、二次電池の電力によって前記固定部を加熱する、
   前記請求項６に記載の過充電防止ユニット。
8. 前記短絡リードは、前記固定部を通過させる穴を備え、
   前記固定部は、前記二次電池のキャッププレートに一端を固定され、前記穴に他端を固定される、
   前記請求項６乃至７の何れか１項に記載の過充電防止ユニット。
9. 上面が開口している外装容器と、
   前記外装容器内に含まれ、電解質を含む電極群と、
   前記電極群の正極に電気的に接続される正極リードと、
   前記電極群の負極に電気的に接続される負極リードと、
   前記正極リードの電気的に接続され前記外装容器の外部に設置される正極端子と、
   前記負極リードの電気的に接続され前記外装容器の外部に設置される負極端子と、
   前記正極リードと前記負極リードとが電気的に接続された場合に、前記正極リードと前記電極群の前記正極との間に流れる電流、又は、前記負極リードと前記電極群の前記負極との間に流れる電流を遮断する電流遮断部と、
   請求項６乃至１０の何れか１項に記載の過充電防止ユニットと、
   を備える二次電池。