JP2015088277A - 電流遮断装置を備えた蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極組立体の電流遮断装置と電極組立体が接触して短絡することをより確実に防止可能な蓄電装置を提供する。【解決手段】蓄電装置の電流遮断装置は、ケースの端子取付壁に設けられる第１電極端子と、ケース内に収容された電極組立体と電気的に接続された第１導電部材との間に直列に接続されて、電極組立体から第１電極端子までの通電経路を接続または遮断する。電流遮断装置は、端子取付壁と電極組立体との間に配置されている。電極組立体は、シート状の正極とシート状の負極がシート状のセパレータを間に挟んだ状態で層状に重ねた電極対を捲回した捲回構造を有している。第１導電部材は、電極組立体における、電流遮断装置側に位置する電極に接続する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電流遮断装置を備えた蓄電装置に関する。

特許文献１に、圧力検知型の電流遮断装置を備えたリチウム系電池が記載されている。この電池では、電流遮断装置は、正極電極端子の略下方（電極組立体側）に設けられている。電池のケース内の圧力が上昇すると、電流遮断装置の変形板が変形して、正極と正極電極端子との通電経路を遮断する。

特開２００５−１４９８６２号公報

電極端子に対して電極組立体側となる位置に電流遮断装置が設けられていると、電極組立体がケース内で動いた場合に、電流遮断装置が設置されている側の通電経路を構成する部材に接触することがある。その結果、正極と負極が電気的に接続すると、短絡し、蓄電装置が故障する場合がある。例えば、特許文献１に記載されているように、電流遮断装置の電極組立体側に絶縁性の部材を配置することで、電流遮断装置と電極組立体が接触して短絡することを防ぐことができる。

本明細書が開示する蓄電装置は、ケースと、ケース内に収容され正極及び負極を備える電極組立体と、ケースの端子取付壁に設けられる第１電極端子および第２電極端子と、ケース内に収容され電極組立体と接続された第１導電部材と、ケース内に収容され電極組立体における、第１導電部材が接続される側とは異なる極性側と第２電極端子との双方と接続された第２導電部材と、ケース内に収容され第１電極端子と第１導電部材との間に直列に接続され、電極組立体から第１電極端子までの通電経路を接続または遮断する電流遮断装置とを備えている。この蓄電装置では、電流遮断装置は、端子取付壁と電極組立体との間に配置されている。電極組立体は、シート状の正極とシート状の負極がシート状のセパレータを間に挟んだ状態で層状に重ねた電極対を捲回した捲回構造を有している。第１導電部材は、電極組立体における電流遮断装置側に位置する電極に接続する。

上記の蓄電装置では、第１導電部材は、電極組立体における電流遮断装置側に位置する電極に電気的に接続する。電流遮断装置は、第１電極端子と第１導電部材との間に直列に接続され、電極組立体から第１電極端子までの通電経路を接続または遮断する。このため、電極組立体がケース内で動いた場合等に、電流遮断装置や第１導電部材が電極組立体における電流遮断装置側に位置する電極と接触しても、互いに同じ極性であるため、短絡が起こらない。絶縁部材を用いることなく、電流遮断装置が設置されている側の通電経路を構成する部材と電極組立体が接触して短絡することをより確実に防ぐことができる。

上記の蓄電装置では、第１電極端子は、負極電極端子であり、第１導電部材は、電極組立体の負極に接続し、電極組立体の電流遮断装置側に位置する電極は、負極であってもよい。

上記の蓄電装置では、第１電極端子と第２電極端子とは、電極組立体の捲回軸の方向に沿って配置されていてもよい。

上記の蓄電装置では、電極組立体の最も外側には、負極が配置されていてもよい。

電流遮断装置は、第１電極端子よりも電極組立体側に近い位置に配置されており、電流遮断装置の電極組立体側の端部は、第２電極端子の電極組立体側の端部よりも、電極組立体に近くてもよい。

上記の蓄電装置は、二次電池であってもよい。

本発明によれば、電極組立体の電流遮断装置と電極組立体が接触して短絡することを、より確実に防止可能な蓄電装置を提供することができる。

実施例１に係る蓄電装置の縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 実施例１に係る蓄電装置の捲回構造を有する電極組立体を概念的に示す図である。 図１の電流遮断装置およびその近傍を示す図であり、蓄電装置の通常動作時の状態を示している。 図１の電流遮断装置およびその近傍を示す図であり、蓄電装置の過充電時の状態を示している。 変形例に係る電流遮断装置およびその近傍を示す図であり、蓄電装置の通常動作時の状態を示している。 変形例に係る電流遮断装置およびその近傍を示す図であり、蓄電装置の過充電時の状態を示している。

本明細書が開示する蓄電装置は、例えば、密閉型の二次電池、密閉型のキャパシタ等の従来公知の蓄電装置として利用することができる。さらに、二次電池の具体例を挙げると、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等の比較的高容量で大電流の充放電が行われる二次電池を例示できる。また、この蓄電装置は、車両や電気機器等に搭載されていてもよい。

本明細書が開示する蓄電装置は、ケースと、ケース内に収容された、電極組立体、第１導電部材、第２導電部材、及び電流遮断装置と、ケースの端子取付壁に設けられる第１電極端子および第２電極端子とを備えている。電極組立体は、正極及び負極を備えている。第１導電部材は、電極組立体の一方の電極に接続されている。第２導電部材は、電極組立体における、第１導電部材が接続される側とは異なる極性側の電極と、第２電極端子の双方と接続されている。電流遮断装置は、第１電極端子と第１導電部材との間に直列に接続されている。電流遮断装置は、端子取付壁と電極組立体との間に配置されている。

電極組立体は、シート状の正極とシート状の負極がシート状のセパレータを間に挟んだ状態で層状に重ねた電極対を捲回した捲回構造を有している。電極対は、所定の軸周りに捲回される。電極組立体は、電解質によって浸されていてもよい。

電流遮断装置は、電極組立体から第１電極端子までの通電経路を接続または遮断する。電極遮断装置は、例えば、電極組立体から第１電極端子までの通電経路の一部を構成していてもよい。より具体的には、例えば、電極組立体の第１電極端子に対応する第１電極（正極または負極）から第１電極端子までの通電経路は、この順で直列に接続された、第１導電部材、電流遮断装置を介して電気的に接続されていてもよい。

第１導電部材は、電極組立体における、電流遮断装置側に位置する電極に接続される。正極よりも負極が電極組立体における電流遮断装置側により近い側に位置する場合には、第１導電部材は、負極に接続され、電流遮断装置は、負極側の通電経路（電極組立体の負極から第１電極端子までの通電経路）に設置される。負極よりも正極が電極組立体における電流遮断装置側により近い側に位置する場合には、第１導電部材は、正極に接続され、電流遮断装置は、正極側の通電経路（電極組立体の正極から第１電極端子までの通電経路）に設置される。なお、電極組立体の最も外側には、正極または負極のいずれか一方が配置されてもよいし、セパレータが配置されていてもよい。例えば、電極組立体は、電極対を負極と正極とのいずれか一方が外側かつ他方が内側となるように捲回し、そのまま最外周を外側となる電極としたものであってもよいし、さらに最外周をセパレータ等の電極を構成しない部材で覆ったものであってもよい。

限定されないが、第１電極端子は、負極電極端子であり、第１導電部材は、電極組立体の負極に接続され、電極組立体の電流遮断装置側に位置する電極は、負極であることが好ましい。電極組立体では、シート状の正極とシート状の負極がシート状のセパレータを間に挟んだ状態で層状に重ねた電極対を捲回するに際し、負極側が外側かつ正極側が内側となるように捲回することが多い。電流遮断装置が負極側の通電経路を接続または遮断するように設計すれば、電極組立体における電流遮断装置側に位置する電極が負極である場合に対応できる。

第１電極端子と第２電極端子とは、電極組立体の捲回軸の方向に沿って配置されていてもよい。ケース内で電極組立体と端子取付壁との間に空間ができ易く、電極組立体がこの空間に向かって動いた場合に起こり得る短絡を効果的に防ぐことができる。

電流遮断装置は、第１電極端子よりも電極組立体側に近い位置に配置されており、電流遮断装置の電極組立体側の端部は、第２電極端子の電極組立体側の端部よりも、電極組立体に近くてもよい。電極組立体により近い位置に電流遮断装置の端部が位置しているため、電極組立体がケース内で動いた場合には、第２電極端子よりも、電流遮断装置に接触し易くなる。電極組立体がケース内で動いた場合には、優先的に電流遮断装置が配置されている側の通電経路を構成する部材が電極組立体と接触し、電極組立体と第２電極端子側の通電経路を構成する部材とが接触することが抑制できる。

図１は、実施例１に係る蓄電装置１００の断面図である。蓄電装置１００は、ケース１と、捲回型の電極組立体６０と、第１導電部材６８と、第２導電部材６４と、第１電極端子１９と、第２電極端子１１９と、電流遮断装置１２０とを備えている。

ケース１は略直方体形状の箱型部材であり、内部に電極組立体６０と、第１導電部材６８と、第２導電部材６４と、電流遮断装置１２０とを収容している。ケース１の上端面は、端子取付壁であり、第１電極端子１９と、第２電極端子１１９が取付けられている。第１電極端子は、電極組立体６０の負極に電気的に接続されており、第２電極端子１１９は、電極組立体６０の正極に電気的に接続されている。

図２，３に示すように、電極組立体６０は、正極シート６０１、セパレータ６０３、負極シート６０２、セパレータ６０３が、この順序で積層された電極対を、正極シート６０１側を内側にして捲回軸（図１および図３に示すｒ軸）を中心に捲回した捲回構造を有する。正極シート６０１は、アルミニウム製の正極金属箔６０１ａと、正極金属箔６０１ａの両面に形成された正極活物質層６０１ｂとを備えている。負極シート６０２は、銅製の負極金属箔６０２ａと、負極金属箔６０２ａの両面に形成された負極活物質層６０２ｂとを備えている。セパレータ６０３は絶縁性の多孔体である。電極組立体６０は、液状の電解質が含浸された状態でケース１内に収容されている。電極組立体６０の捲回軸であるｒ軸は、ｙ軸と略平行であり、第１電極端子１９と第２電極端子１１９とは、ｒ軸の方向に沿って端子取付壁の両端部にそれぞれ配置されている。

第１導電部材６８は、集電部６７を備えており、電極組立体６０の負極シート６０２は、集電部６７によって束ねられている。第２導電部材６４は、集電部６５を備えており、電極組立体６０の正極シート６０１は、集電部６５によって束ねられている。

図１に示すように、第１導電部材６８は、銅製の平板を屈曲させた形状を有し、第１電極端子１９の下方でｙ軸の負方向に伸び、屈曲して、ｚ軸の負方向に伸びている。第１導電部材６８は、電極組立体６０の負極シート６０２に接続されている。

電流遮断装置１２０は、その下面側において第１導電部材６８に接続されており、その上面側において第１電極端子１９に接続されている。また、第１電極端子１９と第１導電部材６８とは、電流遮断装置１２０を介して電気的に接続されている。このように、電極組立体６０の負極シート６０２から第１電極端子１９までの負極側の通電経路は、この順で直列に接続された第１導電部材６８と、電流遮断装置１２０とを介して接続されている。

第２導電部材６４は、アルミニウム製の平板を屈曲させた形状を有し、第２電極端子１１９の下方でｙ軸の正方向に伸び、屈曲して、ｚ軸の負方向に伸びている。第２導電部材６４は、第２電極端子１１９と、電極組立体６０の正極シート６０１との双方に接続されている。電極組立体６０の正極シート６０１から第２電極端子１１９までの正極側の通電経路は、第２導電部材６４を介して接続されている。電流遮断装置１２０は、第１電極端子１９に対して電極組立体６０側に近い位置に配置されており、第１電極端子１９と第２電極端子１１９とは、ｒ軸の方向に沿って配置されているため、電流遮断装置１２０の下端部（電極組立体６０側の端部）は、第２電極端子１１９の下端部（電極組立体６０側の端部）よりも、電極組立体６０に近い。第２導電部材６４のｙ方向に伸びる部分は、第２電極端子１１９の下端部よりも上方に取り付けられている。蓄電装置１００は、電極組立体６０とケース１の外部とで、第１電極端子１９、及び第２電極端子１１９を介して相互に電気の授受が可能である。

図４に示すように、電流遮断装置１２０は、変形板３３と、接点板３５とを備えている。変形板３３は、銅製のダイアフラムであり、平面視すると円形の略平板状の部材であり、中央部に円錐台状の凸状部を有する。蓄電装置１００の通常動作時においては、変形板３３の凸状部は、第１導電部材６８及び電極組立体６０側が配置されている側（ｚ軸の負方向側）に凸となっている。接点板３５は、平面視すると円形の略平板状の部材であり、平板状の中央部と、中央部から変形板３３の方向に湾曲して伸びる側面部とを有している。変形板３３と接点板３５は、接続部３４において互いに接しており、溶接によって固定されている。変形板３３と接点板３５によって、ケース１内の電極組立体６０側から空間４０を隔離する壁が形成されており、変形板３３の上面（ｚ軸の正方向側の面）及び接点板３５の下面（ｚ軸の負方向側の面）は、空間４０に面している。

変形板３３及び接点板３５は、第１導電部材６８と同様に銅によって形成されている。接点板３５は、第１電極端子１９と接しており、溶接によって固定されている。変形板３３は、第１導電部材６８と接しており、接合部４１において第１導電部材６８と溶接されている。第１導電部材６８は、変形板３３の凸状部の円形の下面に沿って形成された円形の孔部６８ａを有しており、接合部４１は、孔部６８ａの周囲に位置している。電極組立体６０から第１電極端子１９に向かって、第１導電部材６８、変形板３３、接点板３５はこの順序で直列に接続されている。

変形板３３の上面は空間４０に面しており、下面はケース１内の電極組立体６０側に面しているため、ケース１内の電極組立体６０側の圧力が上昇し、ケース１側に対して空間４０側が負圧になると、図５に示すように、変形板３３は、第１導電部材６８から離れる方向に反転する。これによって、負極側の通電経路が遮断される。

電流遮断装置１２０は、端子取付壁と電極組立体６０との間に配置されているため、電極組立体６０がケース内で動いた場合等に、電流遮断装置１２０や第１導電部材６８に接触する場合がある。蓄電装置１００では、第１電極端子１９は、負極電極端子であり、第１導電部材６８は、負極シート６０２に接続し、電流遮断装置１２０は、第１電極端子１９と第１導電部材６８との間に直列に接続して、電極組立体６０から第１電極端子１９までの負極側の通電経路を接続または遮断する。また、電極組立体６０は、正極シート６０１、セパレータ６０３、負極シート６０２、セパレータ６０３が、この順序で積層された電極対を、正極シート６０１側を内側にして捲回軸を中心に捲回した捲回構造を有しており、その電流遮断装置１２０側に位置する電極は、負極である。このため、電流遮断装置１２０や第１導電部材６８が電極組立体６０の負極と接触しても、互いに同じ極性であり、短絡が起こらない。絶縁部材を用いることなく、電流遮断装置１２０や第１導電部材６８と電極組立体６０が接触して短絡することをより確実に防ぐことができる。

また、電流遮断装置１２０の電極組立体６０側の端部は、第２電極端子１１９の電極組立体６０側の端部よりも、電極組立体６０に近く、電流遮断装置１２０の変形板３３の下面において第１導電部材６８と接合されているため、電極組立体６０がケース内で動いた場合等には、電極組立体６０は、第２電極端子１１９の下端部よりも第１導電部材６８の下面とより接触し易い。電極組立体６０がケース内で動いた場合には、その外側の電極（この場合、負極）と極性が同じ通電経路（この場合、負極側の通電経路）を構成する電流遮断装置１２０や第１導電部材６８と接触し、その動きが制限されて、電極組立体６０が、電流遮断装置１２０が設置されていない側の通電経路（この場合、正極側の通電経路）を構成する部材と接触することが抑制される。すなわち、蓄電装置１００によれば、絶縁部材を用いることなく、電極組立体６０が動いた場合に発生し得る短絡をより確実に防ぐことができる。

（変形例）
上記の実施例では、ケース１が略直方体形状の箱型部材である場合について説明したが、ケースは例えば略円筒形状の箱型部材であってもよい。

また、上記の実施例では、電流遮断装置１２０は、接合部４１を有する変形板３３の一方の面がケース１内の圧力に晒されており、ケース１内の圧力が上昇し、この変形板３３の両面における圧力差が所定値以上となった場合に反転するものであったが、これに限られない。例えば、図６，７を用いて下記に説明する電流遮断装置２２０のように、第１導電部材６８と接合する第１変形板５（変形板の一例）は、ケース１内の圧力が上昇したときに反転する第２変形板３（変形板の一例）が加える荷重を受けて変形し、これによって通電経路が遮断されてもよい。また、変形板と接合する被接合部材（例えば、第１導電部材）は、電流遮断時に剥離によって分断されず、接合を維持したまま切断されるものであってもよい。なお、下記の図６，７に係る変形例の説明においては、実施例１の蓄電装置１００と相違する部分のみを説明し、蓄電装置１００と同様の構成については重複説明を省略する。

電流遮断装置２２０は、第１変形板５と、第２変形板３と、絶縁性の樹脂製のＯリング１４，１７と、支持部材１１，２０と、突起１２とを備えている。電流遮断装置２２０には、第１導電部材６８の端部に設けられた通電部４が挿入されている。第１変形板５は、封口蓋体７を介して、第１電極端子１９と電気的に接続している。第１電極端子１９側から、電極組立体６０側に向かう方向（図６の上から下に向かう方向）に、第１変形板５、通電部４、第２変形板３がこの順で配置されている。第１変形板５と通電部４との間には、Ｏリング１７が挟持されており、通電部４と第２変形板３との間には、Ｏリング１４が挟持されている。第２変形板３、第１変形板５、Ｏリング１４，１７及び支持部材１１，２０によって空間２４０が形成されている。

第２変形板３は、ステンレス製のダイアフラムであり、外周部において支持部材１１で固定されるとともに、Ｏリング１４により、ケース１内の電極組立体６０側とシールされている。第２変形板３の中央部には、通電部４の側に向けて突出する絶縁性の突起１２が設けられている。突起１２は、筒形状をなしており、通電部４側の面が当接部２４である。突起１２が設置されている面に対向する第２変形板３の下面側は、平面状の受圧部２２である。

第１導電部材６８の通電部４は、中央部１５が薄く形成されている。中央部１５は、第２変形板３の突起１２の当接部の上方に位置しており、その下面には、破断溝１６が形成されている。中央部１５の上面は、接合部６である。通電部４は、接合部６において第１変形板５と接している。

第１変形板５は、銅製のダイアフラムであり、外周部において支持部材１１で固定されている。第１変形板５は、その中央部の下面の接合部２３において、通電部４の接合部６と接触している。通電部４の接合部６と第１変形板５の接合部２３とは、溶接によって互いに固定されており、電気的に接続されている。

封口蓋体７の上面とケース１の内面との間には絶縁性のシール部材１０が装着されており、封口蓋体７とケース１とは電気的に絶縁されている。支持部材１１は、絶縁性であり、樹脂モールドで成形され、断面が略Ｕ字状でリング状に形成されている。支持部材１１の略Ｕ字状の内面でもって、第２変形板３の外周部、Ｏリング１４，１７、通電部４の外周部及び封口蓋体７の外周部を覆うとともにこれらの部材を積層状に挟着し、一体的に保持している。なお、Ｏリング１４，１７及び支持部材１１は絶縁性であり、第２変形板３と通電部４は絶縁されており、第１変形板５と第１導電部材６８の通電部４は、接合部６，２３以外では絶縁されている。支持部材１１の外面には、金属製のカシメ部材２０が被覆され、密封及び保持を確実なものとしている。また、封口蓋体７の内面部分は上方に窪んだ凹部１８とされ、第１変形板５が第２変形板３の突起１２により上方に変形される場合の空間２４０を形成している。

電極組立体６０から第１電極端子１９に向かって、第１導電部材６８の通電部４、第１変形板５、封口蓋体７はこの順序で直列に接続されている。第１電極端子１９と第１導電部材６８とは、電流遮断装置２２０の第１変形板５を介して電気的に接続されている。蓄電装置の通常動作時には、図６に示すように、突起１２の当接部２４は、通電部４に接触していない。すなわち、負極側の通電経路は接続されている。

蓄電装置の過充電時には、図７に示すように、第２変形板３が通電部４に向けて変形し、突起１２の当接部２４が通電部４の中央部の下面に当接して通電部４を破断溝１６において破断し、通電部４の中央部を通電部４から分離する。これによって、接合部６及び接合部２３が通電部４に対して分離され、離間して、電流遮断装置２２０と第１導電部材６８との電気的接続が遮断され、負極側の通電経路が遮断される。

なお、上記の実施例および変形例では、電流遮断装置は、負極側の通電経路上に配置したが、電極組立体における電流遮断装置側に位置する電極が正極である場合には、電流遮断装置は、正極通電経路上に配置する。

以上、本発明の実施形態及び実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１ ：ケース
３ ：第２変形板
４ ：通電部
５ ：第１変形板
６，２３，４１ ：接合部
１９ ：第１電極端子
３３ ：変形板
３５ ：接点板
６０ ：電極組立体
６４ ：第２導電部材
６８ ：第１導電部材
１００：蓄電装置
１１９：第２電極端子
１２０，２２０ ：電流遮断装置
６０１：正極シート
６０２：負極シート
６０３：セパレータ

Claims (6)

1. ケースと、
   前記ケース内に収容され正極及び負極を備える電極組立体と、
   前記ケースの端子取付壁に設けられる第１電極端子および第２電極端子と、
   前記ケース内に収容され前記電極組立体に接続された第１導電部材と、
   前記ケース内に収容され前記電極組立体における、前記第１導電部材が接続される側とは異なる極性側と前記第２電極端子の双方と接続された第２導電部材と、
   前記ケース内に収容され前記第１電極端子と前記第１導電部材との間に直列に接続され、前記電極組立体から前記第１電極端子までの通電経路を接続または遮断する電流遮断装置とを備えた蓄電装置であって、
   前記電流遮断装置は、前記端子取付壁と前記電極組立体との間に配置されており、
   前記電極組立体は、シート状の正極とシート状の負極がシート状のセパレータを間に挟んだ状態で層状に重ねた電極対を捲回した捲回構造を有し、
   前記第１導電部材は、前記電極組立体における、前記電流遮断装置側に位置する電極に接続する、
   蓄電装置。
2. 前記第１電極端子は、負極電極端子であり、
   前記第１導電部材は、前記電極組立体の負極に接続し、
   前記電極組立体の前記電流遮断装置側に位置する電極は、負極である、請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記第１電極端子と前記第２電極端子とは、前記電極組立体の捲回軸の方向に沿って配置されている、請求項１または２に記載の蓄電装置。
4. 前記電極組立体の最も外側には負極が配置されている、請求項２に記載の蓄電装置。
5. 前記電流遮断装置は、前記第１電極端子よりも前記電極組立体側に近い位置に配置されており、
   前記電流遮断装置の前記電極組立体側の端部は、前記第２電極端子の前記電極組立体側の端部よりも、前記電極組立体に近い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電装置。
6. 前記蓄電装置は二次電池である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電装置。

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