JP2015138672A

JP2015138672A - 二次電池の電流遮断装置

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Publication number: JP2015138672A
Application number: JP2014009820A
Authority: JP
Inventors: 利幸板橋; Toshiyuki Itabashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2015-07-30

Abstract

【課題】本発明は、電流遮断弁と集電板との接合品質を向上することができる、電流遮断装置を提供するものである。【解決手段】反転板５２と集電板１６とを溶接にて接合して構成され、二次電池１における電池ケース２内の圧力が所定値よりも高くなった際に、反転板５２を変形させて、正極端子５と正極側集電端子１７ａとの間の電流経路を遮断する二次電池１の電流遮断装置３０であって、集電板１６は、集電板１６における反転板５２との接合部よりも外周側の部分を、反転板５２から離間する側へ屈曲させた第一屈曲部１６ｂと、集電板１６における第一屈曲部１６ｂよりも外周側の部分を、第一屈曲部１６ｂの屈曲方向とは反対側に屈曲させた第二屈曲部１６ｃとを備え、第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃにおける集電板１６の屈曲角度を、９０度を超える角度に設定して、第一屈曲部１６ｂと第二屈曲部１６ｃとの間に折り返し部１６Ｂを形成した。【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池が備える電流遮断装置における、電流遮断弁と集電板との接合品質を向上することができる、電流遮断装置に関する。

従来、リチウムイオン二次電池などの二次電池においては、電池ケース内の圧力が所定値よりも高くなると、電池ケース外部の電極端子と、電池ケース内部の集電端子との間の電流経路を遮断する電流遮断装置を具備するものがある（例えば、特許文献１に記載の電流遮断装置を参照）。
前記電流遮断装置は、電極端子に接続されるリベットと、集電端子に接続される集電板とに接合される電流遮断弁を備えており、電池ケース内の圧力が所定値よりも高くなった際に、前記電流遮断弁を変形させて、前記電流遮断弁と集電板とを分断するものである。

例えば、図６に示す電流遮断装置１３０は、Ｚ端子１４およびリベット４１を介して二次電池の正極端子に接続される電流遮断弁である反転板５２と、正極集電端子１７ａに接続される正極集電板１１６とを備えている。

リベット４１は、電池ケースの蓋体２２を貫通する小径部４１ａと、電池ケースの内部に配置される大径部４１ｂとを有する略円筒形状の部材であり、小径部４１ａの上端部をかしめることで、リベット４１をＺ端子１４とともに蓋体２２に固定している。
反転板５２は略円板形状の部材であり、その中央部が溶接によって正極集電板１１６に対して円環状に接合されている。反転板５２は、正極集電板１１６に溶接される中央部が平坦に形成され、その外周部が外周側へいくに従って上方へ湾曲する形状に形成されている。
また、反転板５２は、リベット４１における大径部４１ｂの下端部に嵌合しており、反転板５２の外周縁部がリベット４１の大径部４１ｂに全周にわたって溶接されることにより、反転板５２がリベット４１に接合されている。
正極集電板１１６は平板状部材にて形成されており、正極集電板１１６における反転板１１６との溶接部の外周側には、切欠部１１６ａが形成されている。

このように構成される電流遮断装置１３０においては、電池ケース内の圧力（反転板５２よりも集電板１１６側の圧力）が、電池ケース外の圧力（反転板５２よりもリベット４１側の圧力）よりも、所定値以上高くなると、反転板５２の中央部が上側に上向きに反るように変形する。
これにより、集電板１１６が切欠部１１６ａで破断して、反転板５２と集電板１１６との接続部が分断され、電池ケース外部の正極端子と、電池ケース内部の正極集電端子１７ａとの間の電流経路が遮断されることとなる。

ここで、電流遮断装置１３０の組み立て工程において、反転板５２と正極集電板１１６とを接合する際には、反転板５２の中央部と正極集電板１１６とを突き合わせた状態で、両者がレーザ溶接される。
このように、反転板５２と正極集電板１１６とをレーザ溶接により接合する場合、図７（ａ）に示すように、反転板５２と正極集電板１１６とを重ね合わせたうえで、反転板５２の中央部と正極集電板１１６とが当接するように突き合わせる。

反転板５２の中央部と正極集電板１１６とを突き合わせて溶接する場合に、図７（ｂ）に示すように、反転板５２と正極集電板１１６とを、両者が丁度当接する位置（理想状態）にて固定しようとすると、反転板５２および正極集電板１１６の寸法公差や、反転板５２および正極集電板１１６が設置されるレーザ溶接装置の可動域誤差等により両者が当接しない状態となって、溶接不良が生じるおそれがある。従って、反転板５２の中央部と正極集電板１１６とを突き合わせる場合には、反転板５２を正極集電板１１６に深く押し込んで、反転板５２と正極集電板１１６とが必ず当接するようにしている。

しかし、反転板５２を正極集電板１１６に深く押し込むと、図７（ｃ）に示すように、反転板５２における中央部の外周縁部の角を支点にして正極集電板１１６が下方に反るように変形し、反転板５２と正極集電板１１６との間に隙間が生じ、溶接不良が発生する原因となってしまう。

特開２０１３−１５７２００号公報

そこで、本発明においては、電流遮断弁（反転板）と正極集電板とを確実に当接させた状態で両者の接合を行うことができ、電流遮断弁と集電板との接合品質を向上することができる、電流遮断装置を提供するものである。

上記課題を解決する電流遮断装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、二次電池の外部端子と接続される電流遮断弁と、前記二次電池の内部端子と接続される集電板とを溶接にて接合して構成され、前記二次電池における電池ケース内の圧力が所定値よりも高くなった際に、前記電流遮断弁を変形させて、前記二次電池の外部端子と内部端子との間の電流経路を遮断する二次電池の電流遮断装置であって、前記集電板は、前記集電板における前記電流遮断弁との接合部よりも外周側の部分を、前記電流遮断弁から離間する側へ屈曲させた第一屈曲部と、前記集電板における前記第一屈曲部よりも外周側の部分を、前記第一屈曲部の屈曲方向とは反対側に屈曲させた第二屈曲部とを備え、前記第一屈曲部および第二屈曲部における前記集電板の屈曲角度を、９０度を超える角度に設定して、前記第一屈曲部と第二屈曲部との間に折り返し部を形成した。

また、請求項２記載の如く、前記集電板には、前記電流遮断弁との接合部から中央部側へ向かう溝が形成される。

本発明によれば、電流遮断装置における電流遮断弁と集電板との接合品質を向上することができる。

電流遮断装置を備えた二次電池を示す側面断面図である。電流遮断装置を示す側面断面図である。電流遮断装置を示す底面図である。正極集電板における第一屈曲部および第二屈曲部を示す側面断面図である。反転板を正極集電板に押し込んだ際に、反転板と正極集電板との間に生じる隙間の大きさが正極集電板の形状により異なる様子を示す側面断面図である。従来の電流遮断装置を示す側面断面図である。従来の電流遮断装置において、反転板と正極集電板とを接合する場合に、反転板を正極集電板に深く押し込むと、反転板と正極集電板との間に隙間が生じる様子を示す模式図である。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

図１に示す二次電池１は非水電解液二次電池に構成されており、巻回型の電極体３および電解液を電池ケース２に封入して構成されている。
電池ケース２は、一面（上面）が開口した有底角筒形状のケース本体２１と、平板状に形成されケース本体２１の開口部を閉塞する蓋体２２とで構成され、蓋体２２の長手方向一端部(図１における右端部)には正極側の外部端子である正極端子５が設けられ、蓋体２２の長手方向他端部(図１における左端部)には負極側の外部端子である負極端子６が設けられている。

正極端子５は電池ケース２の外部に配置されるＺ端子１４に接続されており、Ｚ端子１４はリベット４１により蓋体２２に固定されている。また、正極端子５は、Ｚ端子１４および電池ケース２の内部に配置される内部端子である正極側集電端子１７ａを介して電極体３の正極３ａと接続されている。
負極端子６は電池ケース２の外部に配置されるＺ端子１４に接続されており、Ｚ端子１４はリベット４１により蓋体２２に固定されている。また、負極端子６は、Ｚ端子１４および電池ケース２の内部に配置される内部端子である負極側集電端子１７ｂを介して電極体３の負極３ｂと接続されている。

正極端子５に接続されるＺ端子１４と正極側集電端子１７ａとの間には、電流遮断装置（ＣｕｒｒｅｎｔＩｎｔｅｒｒｕｐｔＤｅｖｉｃｅ）３０が介装されており、電池ケース２内の圧力が所定値よりも高くなると電流遮断装置３０が作動して、二次電池１の電流経路である正極端子５と正極側集電端子１７ａとの電気的な接続、即ち正極端子５と正極側集電端子１７ａとの間の電流経路を遮断するように構成している。
図２に示すように、電流遮断装置３０は、リベット４１、ホルダー４２、反転板５２、および集電板１６を備えている。

リベット４１は、下側の内径寸法および外径寸法が、上側の内径寸法および外径寸法よりも大径に形成される略円筒形状の部材であり、上側の小径部分である小径部４１ａと、下側の大径部分である大径部４１ｂを有している。リベット４１は、アルミニウム等を素材として形成される。

リベット４１の小径部４１ａは、先端部が蓋体２２（より詳細には、蓋体２２に載置されるＺ端子１４および上側絶縁部材１５）より上方に、即ち電池ケース２の外部に突出する。

リベット４１の大径部４１ｂは、蓋体２２の下方、すなわち、電池ケース２の内部に配置される。大径部４１ｂの下端部は、その内径寸法および外径寸法が、大径部４１ｂの他の部分の内径寸法および外径寸法よりもさらに大径に形成されて嵌合部４１ｄを構成している。

リベット４１は、小径部４１ａの上端部をかしめることで、蓋体２２の外部側に位置するＺ端子１４と上側絶縁部材１５、および蓋体２２の内部側に位置するガスケット５１を、リベット４１とともに蓋体２２に一体的に固定している。これにより、リベット４１は、Ｚ端子１４と電気的に接続される。
上側絶縁部材１５は、Ｚ端子１４と蓋体２２の間を絶縁するための部材であり、ガスケット５１は、リベット４１と蓋体２２の間をシールするとともに絶縁するための部材である。

ホルダー４２は、電池ケース２の内部に配置され、正極側集電端子１７ａに接続される集電板１６を保持するための部材である。ホルダー４２は、樹脂等の絶縁部材にて形成されている。
ホルダー４２は、蓋体２２の内側面とリベット４１との間に配置される板状部材である本体部４２ａと、本体部４２ａから下方（電池ケース２の内側方向）へ向けて延出する脚部４２ｂ・４２ｂ・・・とを有しており、脚部４２ｂ・４２ｂ・・・の先端部によって集電板１６を保持している。

反転板５２は、電流遮断装置３０における電流遮断弁であり、例えばアルミニウムを素材として構成される略円板形状の部材である。具体的には、反転板５２は、中央部５２Ａが平坦に形成され、中央部５２Ａの外周部が外周側へいくに従って上方へ湾曲する形状の湾曲部５２Ｂに形成されている。つまり、反転板５２は、略中央部が内部側（図２における下側）に向けて窪んでいる略円板形状に形成されている。

反転板５２は、リベット４１における大径部４１ｂの先端に形成される嵌合部４１ｄに接合されている。具体的には、反転板５２を大径部４１ｂの嵌合部４１ｄに嵌合した状態で、反転板５２の外周縁部と嵌合部４１ｄの内周縁部とを、全周にわたって溶接することにより、反転板５２がリベット４２に接合されている。
これにより、反転板５２とリベット４２とが電気的に接続されている。また、大径部４１ｂと反転板５２とを接合することにより、大径部４１ｂと反転板５２とで囲まれた空間である圧力室３１が構成される。圧力室３１は、リベット４２の小径部４１ａを貫通する連通孔４１ｃを通じて外部と連通している。

反転板５２は、集電板１６と溶接により接合されている。具体的には、反転板５２の中央部５２Ａと集電板１６とを円環形状にレーザ溶接することにより、反転板５２と集電板１６とが接合されている。

集電板１６は板状部材により形成され、反転板５２の中央部５２Ａと接合される平板状の接合部１６Ａと、接合部１６Ａの外周部に形成される折り返し部１６Ｂと、折り返し部１６Ｂから外周側へ延設される平板状の接続部１６Ｃとを備えている。
接続部１６Ｃには、周方向に沿って円環形状に切欠部１６ａが形成されている。また、接続部１６Ｃは、正極側集電端子１７ａと接続されている。

図２、図３に示すように、接合部１６Ａ、折り返し部１６Ｂ、および接続部１６Ｃは、集電板１６における反転板５２の中央部５２Ａとの接合部よりも外周側の部分を、反転板５２から離間する側（図２における下側）へ屈曲させて第一屈曲部１６ｂを形成するとともに、集電板１６における第一屈曲部１６ｂよりも外周側の部分を、第一屈曲部１６ｂの屈曲方向とは反対側の方向に屈曲させて第二屈曲部１６ｃを形成することにより、構成される。
つまり、集電板１６の第一屈曲部１６ｂよりも中央部側が接合部１６Ａに構成され、第一屈曲部１６ｂと第二屈曲部１６ｃとの間が折り返し部１６Ｂに構成され、第二屈集電板１６の曲部１６ｃよりも外周側が接続部１６Ｃに構成されている。
第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃは、平面視において円形状に形成されている。

図４に示すように、第一屈曲部１６ｂにおける集電板１６の屈曲角度θ１、および第二屈曲部１６ｃにおける集電板１６の屈曲角度θ２は、共に９０度を超える角度に設定されている。このように、集電板１６においては、第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃの屈曲角度θ１・θ２を９０度を超える角度に設定することにより折り返し部１６Ｂを形成している。これにより、接合部１６Ａ、折り返し部１６Ｂ、および接続部１６Ｃは、側面断面視において、略Ｚ字形状、または略Ｓ字形状に形成されることとなる。
また、集電板１６は、平面視において、接合部１６Ａの外周縁部と、折り返し部１６Ｂと、接続部１６Ｃの内周縁部とが重畳するように、第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃにて屈曲されている。つまり、集電板１６には、接合部１６Ａと接続部１６Ｃとの間に、折り返される折り返し部１６Ｂが形成されている。

また、集電板１６の接合部１６Ａには、反転板５２との溶接部から、中央部側へ向かう溝１６ｄが形成されている（図３参照）。溝１６ｄは、円環形状に形成される溶接部の周方向に沿って放射状に複数形成されている。各溝１６ｄの中央部側端部は、溶接部の円環形状の中心点Ｏにまでは至らず、溶接部と中心点Ｏとの途中部に位置しており、互いに接続されていない。つまり、各溝１６ｄは、溶接部と中心点Ｏとの間において、中央部側に未形成部を残した状態で、反転板５２との溶接部から中央部側へ向かって形成されている。

このように構成される電流遮断装置３０においては、電池ケース２内の圧力（集電板１６よりも正極側集電端子１７ａ側の圧力）が、ケース外の圧力（圧力室３１内の圧力）よりも、所定値以上高くなると、電池ケース２内と圧力室３１内との圧力差により、集電板１６の接合部１６Ａを介して反転板５２に外側向きの力（図２における上側への力）がかかり、反転板５２が外側（図２における上側）へ反るように変形する。この反転板５２の変形により、集電板１６が切欠部１６ａで破断して、集電板１６における切欠部１６ａの外周側と内周側とが分離し、正極端子５と正極側集電端子１７との間の電流経路が遮断される。

ここで、電流遮断装置３０の組み立て工程において、反転板５２と集電板１６とをレーザ溶接により接合する際には、反転板５２の中央部５２Ａと集電板１６とを突き合わせた状態で、両者の接合がなされる。
この場合、反転板５２および集電板１６の寸法公差や、反転板５２および集電板１６が設置されるレーザ溶接装置の可動域誤差等があったとしても、両者が確実に当接するように、反転板５２を集電板１６に押し込んだ状態でレーザ溶接が行われるが、電流遮断装置３０においては、集電板１６に第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃを形成することにより、接合部１６Ａと接続部１６Ｃとの間に折り返し部１６Ｂを構成しているため、反転板５２の中央部５２Ａを集電板１６に深く押し込んだ状態でも、反転板５２と集電板１６との間に隙間が生じることを抑制することが可能となっている。

つまり、図５（ａ）に示すように、反転板５２の中央部５２Ａと集電板１６とを突き合わせた状態で、反転板５２の中央部５２Ａを集電板１６の側に所定の押込量Ｐａにて押し込んだ場合、集電板１６が、溶接部の円環形状における径方向において、第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃの屈曲角度θ１・θ２が大きくなるように（折り返し部１６Ｂが接合部１６Ａと接続部１６Ｃとの間に折り畳まれるように）変形するとともに、接続部１６Ｃにおける第二屈曲部１６ｃ側の部分が、外周側の部分に対して下方へ沈み込むように変形することにより、反転板５２の押し込み力が吸収される。また、吸収された前記押し込み力により、集電板１６には、接合部１６Ａが反転板５２の中央部５２Ａ側（上方）へ押圧される力が働く。これにより、集電板１６の接合部１６Ａと反転板５２の中央部５２Ａとの間に隙間が生じることを抑制することが可能となっている。

一方、図５（ｂ）に示すように、従来の電流遮断装置１３０における、全体的に平板状に形成されている集電板１１６の場合は、反転板５２の中央部５２Ａを集電板１１６の側に押し込むと、反転板５２における中央部５２Ａの外周縁部の角を支点にして集電板１１６が下方に反るように変形し、反転板５２と集電板１１６との間に隙間が発生する。この隙間は、反転板５２の押込量Ｐｂが図５（ａ）に示した押込量Ｐａよりも小さくても、図５（ａ）における集電板１１６と反転板５２との隙間よりも大きなものとなる。

また、図５（ｃ）に示すように、集電板１６に折り返し部１６Ｂを形成した場合でも、第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃの屈曲角度θ１・θ２が９０度以下であった場合は、集電板１６は、第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃの屈曲角度θ１・θ２が小さくなるように（折り返し部１６Ｂが外側（接続部１６Ｃ側）に伸びる方向に）変形し、その変形に伴って集電板１６における接合部１６Ａの中央部が下方へ付勢される。これにより、押込量Ｐｃを、図５（ａ）における押込量Ｐａと同等にしたとしても、反転板５２と集電板１６との間には、図５（ａ）に示した場合よりも大きな隙間が形成されることとなる。

なお、図５（ａ）、図５（ｂ）、および図５（ｃ）は、それぞれ第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃの屈曲角度θ１・θ２を９０度を超える角度に設定して折り返し部１６Ｂを形成した集電板１６、全体的に平板状に形成した集電板１６、および第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃの屈曲角度θ１・θ２を９０度以下の角度に設定して折り返し部１６Ｂを形成した集電板１６について、反転板５２の中央部５２Ａを集電板１６の側に押し込んだ場合の変形状態を、ＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）により変形解析した結果を示すものである。
図５（ａ）、図５（ｂ）、および図５（ｃ）においては、左側に集電板１６の押込前の初期形状を、右側に集電板１６の押込後の形状を示している。

このように、集電板１６に第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃを形成し、第一屈曲部１６ｂおよび第二屈曲部１６ｃの屈曲角度θ１・θ２を９０度を超える角度に設定して折り返し部１６Ｂを形成することにより、反転板５２の中央部５２Ａを集電板１６の側に押し込んだ場合に、反転板５２と集電板１６との間に隙間が生じることを抑制できる。
これにより、反転板５２と集電板１６とを確実に当接させた状態で、両者のレーザ溶接による接合を行うことができ、反転板５２と集電板１６との接合品質を向上することが可能となる。

また、反転板５２の中央部５２Ａを集電板１６の側に押し込んだ場合、集電板１６には、溶接部の円環形状における径方向へ変形する力とともに、溶接部の円環形状における周方向にも変形する力がかかるが、集電板１６においては、集電板１６の接合部１６Ａには、反転板５２との溶接部から中央部側へ向かう複数の溝１６ｄが周方向に沿って放射状に形成されているため、周方向に生じる変形を抑制することが可能となっている。
つまり、集電板１６においては、反転板５２の中央部５２Ａを集電板１６の側に押し込んだ場合に、溝１６ｄが変形することにより、反転板５２による押込力が吸収されることとなる。これにより、集電板１６が反転板５２の押込方向に変形することが抑制され、集電板１６と反転板５２との間に隙間が生じることを防ぐことが可能となっている。

なお、接合部１６Ａに形成される溝１６ｄは、溶接部の外周側から溶接部の内周側へ至るまで、溶接部を横切るように形成すると、溶接部の剛性が低下して集電板１６が変形し易くなるおそれがある。
また、接合部１６Ａに形成される溝１６ｄは、溶接部から中心点Ｏに至るまで形成すると、集電板１６の剛性が低下して集電板１６が変形し易くなるおそれがある。
このようなことから、溝１６ｄは、溶接部と中心点Ｏとの間において、中央部側に未形成部を残した状態で、溶接部から中央部側へ向かって形成することが好ましい。

１二次電池
３電極体
３ａ正極
５正極端子
１６集電板
１６Ａ接合部
１６Ｂ折り返し部
１６Ｃ接続部
１６ｂ第一屈曲部
１６ｃ第二屈曲部
１７ａ正極側集電端子
３０電流遮断装置
５２反転板（電流遮断弁）
５２Ａ中央部
５２Ｂ湾曲部

Claims

二次電池の外部端子と接続される電流遮断弁と、前記二次電池の内部端子と接続される集電板とを溶接にて接合して構成され、前記二次電池における電池ケース内の圧力が所定値よりも高くなった際に、前記電流遮断弁を変形させて、前記二次電池の外部端子と内部端子との間の電流経路を遮断する二次電池の電流遮断装置であって、
前記集電板は、
前記集電板における前記電流遮断弁との接合部よりも外周側の部分を、前記電流遮断弁から離間する側へ屈曲させた第一屈曲部と、
前記集電板における前記第一屈曲部よりも外周側の部分を、前記第一屈曲部の屈曲方向とは反対側に屈曲させた第二屈曲部とを備え、
前記第一屈曲部および第二屈曲部における前記集電板の屈曲角度を、９０度を超える角度に設定して、前記第一屈曲部と第二屈曲部との間に折り返し部を形成した、
ことを特徴とする二次電池の電流遮断装置。
前記集電板には、前記電流遮断弁との接合部から中央部側へ向かう溝が形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の電流遮断装置。