JP2015185223A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄肉部などの安全弁を設けずに部品点数を削減しつつ、安全弁としての機能を有し、蓋部の部品配置の自由度の高い密閉型電池を提供する。【解決手段】 内部に電極体及び電解液が封入される柱状の電池ケースと、ケースの開口部を密閉する蓋体を備え、前記蓋体には、電解液を注入する為の注入孔と、前記注入孔を封止するため封止栓と、電極端子とを備え、前記電極端子は絶縁を兼ねた樹脂部品で密封されており、前記負極端子と樹脂部品との間に形状記憶合金からなるワッシャーを備える。形状記憶合金からなるワッシャーは、常温時には負極端子と樹脂部品と密着することで内部を密閉状態にしており、高温時にはワッシャーが離脱して緩むことで電極端子と樹脂部品との間に隙間が発生し、電池内部の高温ガスを逃がす安全弁として機能し、異常が発生し高温となった際にガス発生による破裂を防止する。【選択図】 図３

Description

本発明は、電池ケースに設けたガス放出弁を有する密閉型電池に関し、ガス放出弁により電池の安全性を確保する技術に関する。

密閉型電池では、例えば特許文献１、２のように、電池缶の蓋部や電池ケースの側面に、該電池ケース内の圧力が閾値よりも大きくなった場合に開裂する溝を設けることで安全弁を形成し、これにより、電池ケース内の圧力が閾値よりも大きくなると該電池ケースの変形によって溝が開裂するため、電池ケース内のガス等を外部へ逃すことができ、該電池ケースの破裂を防止することができる。

また、例えば特許文献３、４のように、電池缶の開口上面を塞ぐ封口板に形成した貫通孔に、出力端子の頭部の下面側に設けた軸部を絶縁パッキングを介在させた状態で挿通させるとともに、封口板の下側に絶縁材を介して押さえ板を配置し、その絶縁材と押さえ板との挿通孔に、出力端子の軸部を挿通させ、上下方向の圧縮力で出力端子をかしめることによって、出力端子と絶縁パッキングと絶縁材と押さえ板とを封口板に固定してなる密閉型電池が開示されている。

特開２００７−０８０５９８号公報 特許第４１６６０２８号公報 特開２００９−２９５４１８号公報 特開２００５−１２９４８８号公報

リチウム二次電池は、何らかの要因で短絡が発生した場合、熱暴走により電解液が分解されガスが急激に発生することで電池缶の内圧が上昇して電池ケースが大きく変形し、特許文献１、２のような安全弁が作動することでガスが放出され、安全性を確保する。安全弁を蓋やケースに形成する場合、プレス成型で薄肉部を設けたり、開裂溝を形成した安全弁を別部材として設ける必要があり、コストの上昇につながる。また、安全弁として機能させるには一定以上の大きさが必要であり、蓋に安全弁を設ける場合、蓋には電極端子や注液孔が設けられているため、蓋全体が大きくなり特に小面積化や薄型化は難しく、また、微小面積に各部品を配置しなければならず、部品点数が多いほど、部品配置の自由度が制限される。

本発明は上記問題を解決したもので、薄肉部などの安全弁を設けずに部品点数を削減しつつ、安全弁としての機能を有し、蓋部の部品配置の自由度の高い密閉型電池を提供するものである。

前記目的を達成し得た本発明の密閉型電池は、内部に電極体及び電解液が封入される柱状の電池ケースと、ケースの開口部を密閉する蓋体を備え、前記蓋体には、電解液を注入する為の注入孔と、前記注入孔を封止するため封止栓と、電極端子とを備え、前記電極端子は絶縁を兼ねた樹脂部品で密封されており、前記負極端子と樹脂部品との間に形状記憶合金からなるワッシャーを備える。形状記憶合金からなるワッシャーは、常温時には負極端子と樹脂部品と密着することで内部を密閉状態にしており、高温時には形状記憶合金の作用によりワッシャーが離脱して緩むことで、電極端子と樹脂部品との間に隙間が発生し、この隙間が電池内部の高温ガスを逃がす安全弁として機能することで、異常が発生し高温となった際にガス発生による破裂を防止する。

また、前記密閉型電池の製造方法として、電池缶の開口上面を塞ぐ蓋体に形成した円形の貫通孔に、出力端子の頭部の下面側に設けた円柱状の軸部を絶縁パッキングを介在させた状態で挿通させるとともに、前記封口板の下側に絶縁板を介してリード体を配置し、その絶縁板とリード体との挿通孔に、前記出力端子の軸部を挿通させ、上下方向の圧縮力で前記出力端子をかしめることによって、前記出力端子と前記絶縁パッキングと前記絶縁板と前記リード体とを前記蓋に固定してなる密閉型電池の製造方法において、前記リード体の下側に形状記憶合金からなるワッシャーを介して前記出力端子の軸部の下端部を突出させた状態で、前記上下方向の圧縮力で前記出力端子の軸部の下端部を、その上下中間が該軸部の径方向の外側に膨れるように上下に押し潰して、該押し潰した前記出力端子の軸部の下端部を、前記ワッシャーの挿通孔の径方向の外側にはみ出させ、該はみ出し部分で前記リード体を前記絶縁板を介して前記蓋体に押し付けることで、前記絶縁パッキングと前記蓋体板と前記絶縁板と前記リード体と前記ワッシャーとが、前記出力端子の前記はみ出し部分と前記頭部とによって挟み込まれることを特徴とする。

本発明によれば、薄肉部などの安全弁を設けずに部品点数を削減し、部品配置の自由度の高い密閉型電池を提供することができる。

本発明の密閉型電池の構成部材の分解斜視図である。 本発明の密閉型電池の縦断正面図である。 本発明の安全弁の機能を示す模式図である。

以下、図を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１および図２は、本発明に係る密閉型電池としてのリチウムイオン二次電池を示しており、上面に左右横長の開口を有する有底筒形状の電池缶１と、電池缶１内に収容される電極体２および非水電解液と、電池缶１の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋３と、蓋３の内側に配置されるプラスチック製の絶縁体５などを備えている。電池缶１は、アルミニウムまたはその合金からなる板材を深絞り加工して上下縦長の薄型に形成してあり、例えば、左右幅寸法が４０ｍｍ、上下高さ寸法が６０ｍｍ、前後厚み寸法が５ｍｍである。

電極体２は、シート状の正極と負極とを微多孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータを間にして渦巻状に巻回してなる。正極の電極からは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる短冊状の正極集電リード６が上向きに導出されている。負極の電極からは、ニッケルや銅、あるいはこれらの複合体からなる短冊状の負極集電リード７が上向きに導出されている。

各集電リード６・７は、左右幅寸法が３ｍｍ、厚み寸法が８０μｍ である。正極集電リード６は電極体２の巻回方向の外周側に配されており、負極集電リード７は電極体２の巻回方向の内周側に配されている。

蓋３は、アルミニウム合金などの板材をプレス成形してなり、電池缶１の開口周縁に蓋３の外周縁がレーザーでシーム溶接される。蓋３の左右方向の中央には、図１および図２に示すように、上下貫通状に円形の貫通孔が形成されており、該貫通孔に、負極端子（出力端子）１１が上側の絶縁パッキング９を介在させた状態で挿通している。蓋３の下側には、下側の絶縁板１０およびリード体１７、ワッシャー１８が上下に重ねて配置してある。リード体１７は、負極端子１１の下端部に接触することで負極端子１１と導通する。絶縁パッキング９と絶縁板１０とは、ポリプロピレン等の絶縁性を有する合成樹脂成形品からなり、リード体１７は、左右横長のニッケル製の薄板からなりる。また、ワッシャー１８の材料は、Ｎｉ−Ｔｉ合金等の形状記憶合金からなる。そして、負極端子１１は、絶縁パッキング９によって蓋３から絶縁される。

絶縁板１０は、負極端子１１側から注入孔１２の反対側へ向けて伸びており、リード体１７は、蓋３に沿って負極端子１１側から注入孔１２の反対側へ向けて横方向に伸びている。つまり、絶縁板１０は、リード体１７と蓋３との間に介在し、絶縁板１０によってリード体１７が蓋板３から絶縁される。さらにワッシャー１８を介し、負極端子１１を上下方向にかしめることで、負極端子１１と絶縁パッキング９と絶縁板１０とリード体１７とが、蓋３に一体的に固定される。

蓋３の左右方向の一端寄り（ 図２では右側） には、電解液を電池缶１内に注入するための注液孔１２が上下貫通状に形成され、注液孔１２は、電解液の注入後に栓１３で塞いで封口する。

負極端子１１の下端には、図２に示すごとく、蓋３の内面において左右横長の薄板からなるリード体１７が接続されており、形状記憶合金からなるワッシャー１８と一体にかしめられている。この形状記憶合金からなるワッシャー１８は、常温では係合部材として機能するが、高温になると外れるようになっている。リード体１７は、前記注液孔１２の反対側に延びており、下側の絶縁板１０で蓋３と絶縁されている。このリード体１７の下面に負極集電リード７をレーザー溶接する。なお、リード体１７は、注液孔１２の下面に重ならない寸法や形状であれば注液孔１２側に延びるように配してもよい。

負極端子１１のかしめ手段としては、電池缶１の開口上面を塞ぐ蓋３に形成した円形の貫通孔に、出力端子１１の頭部の下面側に設けた円柱状の軸部を絶縁パッキング９を介在させた状態で挿通させるとともに、蓋３の下側に絶縁板１０を介してリード体１７を配置し、その絶縁板１０とリード体１７との挿通孔に、出力端子１１の軸部を挿通させ、ワッシャー１８を介して上下方向の圧縮力で出力端子１１をかしめることによって、出力端子１１と絶縁パッキング９と絶縁板１０とリード体１７とを蓋３に固定する。

リード体１７の下側に出力端子１１の軸部の下端部を突出させた状態で、上下方向の圧縮力で出力端子１１の軸部の下端部を、その上下中間が該軸部の径方向の外側に膨れるように上下に押し潰して、該押し潰した出力端子１１の軸部の下端部を、リード体１７の挿通孔の径方向の外側にはみ出させて、該はみ出し部分でワッシャーを介してリード体１７を絶縁板１０を介して蓋３に押し付けることで、絶縁パッキング９と蓋３と絶縁板１０とリード板１７とが、出力端子１１のはみ出し部分と頭部とによって挟み込まれる。

電極体２ は、次のようにして作製される。負極集電リード７の下端基部は、図１に示すごとく負極において巻回方向の内周側となる位置に溶接し、正極集電リード６ 下端基部は、正極において巻回方向の外周側となる位置に溶接する。次いで、正極と負極とは、両者間にセパレータを挟んで、電池缶１の形状に合致するよう断面長円形状に巻回したのち、テープ止めする。

前記密閉型電池の組み立てに際しては、まず蓋３の長辺３ａに切り欠き１６を予め設けておく。また、蓋３に対して負極端子１１、上側の絶縁パッキング９、下側の絶縁板１０およびリード体１７、形状記憶合金からなるワッシャー１８を予め取り付けておく。そして、電池缶１内に電極体２および絶縁体５を収容し、正極集電リード６を絶縁体５の外周縁に設けた切り欠き５ａを介して電池缶１の開口上面の外側上方に導出し、さらに負極集電リード７を絶縁体５に設けた透孔５ ｂを介して電池缶１の開口上面の外側上方に導出する。

次いで、負極集電リード７ をリード体１ ７ にレーザー溶接し、正極集電リード６ を蓋３の切り欠き１６に通した状態で、電池缶１の開口上面に蓋３を嵌め込む。この後、電池缶１の開口周縁に蓋３の外周縁をレーザーでシーム溶接し、続いて、注液孔１２から電解液を注入したのち、最後に注液孔１２を栓１３で塞いで封口し（ 図２ の状態）、密閉型リチウム二次電池を作成する 。

図３に、本発明における形状記憶合金からなるワッシャー１８の常温時と高温時における状態を示す。常温時、ワッシャー１８は負極端子１１の下部に設けられた負極端子の軸部よりも大きいワッシャー留め部で係合し、絶縁パッキング９、蓋３、絶縁板１０、リード体１７を一体にして、蓋３に設けた負極端子１１の密封状態を維持する。そして高温状態になると、形状記憶合金からなるワッシャー１８が拡がり、絶縁パッキング９、蓋３、絶縁板１０、リード体１７の間に隙間が発生する。この隙間から発生したガスが放出することで、安全弁として機能する。

＜１５０℃加熱試験＞
実施例の電池について、初回充放電後に、常温（２５℃）で、１Ｃの定電流で４．４Ｖに達するまで充電を行った。充電後の各電池を恒温槽に入れ、３０℃から１５０℃まで毎分１℃の割合で温度上昇させて加熱し、その後１５０℃で３０分保持し、熱伝対を用いてその間の電池の表面温度を測定し、熱暴走により表面温度が１７０℃を超えた電池の有無を確認した。

実施例の電池は、ワッシャー１８が高温になり係合が外れ、電極端子の隙間からガスが放出されることで安全弁として機能したため、熱暴走が抑制され、表面温度の上昇が抑えられており、過度の高温下での安全性を確保していることが確認できた。

１ 電池缶
２ 電極体
３ 蓋
３ａ 蓋の長辺
５ 絶縁体
５ａ 切り欠き
５ｂ 透孔
６ 正極集電リード
７ 負極集電リード
９ 絶縁パッキング
１０ 絶縁板
１１ 負極端子
１２ 注液孔
１３ 栓
１６ 切り欠き
１７ リード体
１８ ワッシャー

Claims (2)

1. 内部に電極体及び電解液が封入される柱状の電池ケースと、ケースの開口部を密閉する蓋体を備え、
   前記蓋体には、電解液を注入する為の注入孔と、前記注入孔を封止するため封止栓と、電極端子とを備え、
   前記電極端子は絶縁を兼ねた樹脂部品で密封されており、前記負極端子と樹脂部品とを係止するワッシャーとを備え、
   前記ワッシャーは形状記憶合金からなり、常温時には負極端子および樹脂部品と密着することで内部を密閉状態にし、高温時には離脱して緩むことで電極端子と樹脂部品との間に隙間が発生することを特徴とする密閉型電池。
2. 電池缶の開口上面を塞ぐ蓋体に形成した円形の貫通孔に、出力端子の頭部の下面側に設けた円柱状の軸部を絶縁パッキングを介在させた状態で挿通させるとともに、前記封口板の下側に絶縁板を介してリード体を配置し、その絶縁板とリード体との挿通孔に、前記出力端子の軸部を挿通させ、上下方向の圧縮力で前記出力端子をかしめることによって、前記出力端子と前記絶縁パッキングと前記絶縁板と前記リード体とを前記蓋に固定してなる密閉型電池の製造方法において、
   前記リード体の下側に形状記憶合金からなるワッシャーを介して前記出力端子の軸部の下端部を突出させた状態で、前記上下方向の圧縮力で前記出力端子の軸部の下端部を、その上下中間が該軸部の径方向の外側に膨れるように上下に押し潰して、該押し潰した前記出力端子の軸部の下端部を、前記ワッシャーの挿通孔の径方向の外側にはみ出させ、該はみ出し部分で前記リード体を前記絶縁板を介して前記蓋体に押し付けることで、前記絶縁パッキングと前記蓋体板と前記絶縁板と前記リード体と前記ワッシャーとが、前記出力端子の前記はみ出し部分と前記頭部とによって挟み込まれることを特徴とする密閉型電池の製造方法。

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