JP2017073211A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】安全機構の作動圧の低下、溶接部強度の低下を防止することができる構造を備える、密閉型電池を提供する。【解決手段】密閉された筐体１０の内部に電池要素が収容された密閉型電池であって、筐体１０内のガスの圧力が第１圧力Ｐ１未満では閉状態、第１圧力Ｐ１以上第２圧力Ｐ２未満では開状態、および、第２圧力Ｐ２以上では閉状態となるバルブ５０と、内圧が第２圧力Ｐ２を超える第３圧力Ｐ３に到達した場合に、第３圧力Ｐ３に応じて動作する安全機構２１，２６と、を備える。【選択図】図７

Description

この発明は、密閉型電池の構成に関する。

密閉された筐体の内部に電池要素を備えた密閉型電池が、特開２００１−１８５１１３号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１においては、使用年数が長期化する車載用の電池として用いた場合に、充放電または高温環境下の使用により、電池内部でのガス発生による電池内圧の上昇が課題となることが指摘されている。その解決手段として、電池内圧が所定の内圧にまでに上昇した際に、電流経路を遮断するための電流遮断弁、電池内圧が所定の内圧にまでに上昇した際に一部を開裂させて電池容器そのものの破裂を防止する防爆弁等の安全機構が採用されている。

特開２００１−１８５１１３号公報

しかし、上記電流遮断弁および防爆弁等の安全機構、または、電池容器を構成する本体容器と蓋体との気密に溶接された箇所には、これらの弁が作動しない場合であっても、電池内圧がある程度まで内圧に上昇した場合には負荷が加わる。その結果、使用年数の長期化による、安全機構の作動圧の低下、溶接部強度の低下が懸念される。そのため、密閉型電池の使用期間（耐久期間）の設定が短くなる。

したがって、この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、安全機構の作動圧の低下、溶接部強度の低下を防止することができる構造を備える、密閉型電池を提供することを目的とする。

この密閉型電池においては、密閉された筐体の内部に電池要素が収容された密閉型電池であって、上記筐体内のガスの圧力が第１圧力未満では閉状態、上記第１圧力以上第２圧力未満では開状態、および、上記第２圧力以上では閉状態となるバルブと、上記内圧が上記第２圧力を超える第３圧力に到達した場合に、上記第３圧力に応じて動作する安全機構と、を備える。

上記構成を備える密閉型電池によれば、安全機構が作動する第３圧力に達する前の第１圧力から第２圧力の状態において、筐体の内部のガスを外部に放出するバルブを備えている。これにより、第３圧力に達するまでの状態においては、筐体の内部の圧力は一定の圧力以下に制御される。

これにより、使用年数が長期にわたる場合であっても、安全機構が作動しないものの高い内圧が維持された状態が継続されることが回避されるために、溶接部強度の低下、安全機構の作動圧の低下を防止することが可能となる。また、第２圧力を超えた場合には、適切に安全機構が動作するように内部のガスの放出が停止されることから、安全機構の動作条件を損なうこともない。これにより、密閉型電池の使用期間の長期化を期待することが可能になる。

実施の形態の密閉型電池の外観を示す斜視図である。 実施の形態の密閉型電池の内部構造を示す断面図である。 実施の形態のバルブの構造を示す縦断面図である。 実施の形態のバルブの構造を示す斜視断面図である。 実施の形態のバルブの動作状態を示す第１縦断面図である。 実施の形態のバルブの動作状態を示す第２縦断面図である。 電池筐体の内圧が通常時、および、異常時の内圧推移を示す図である。 他の実施の形態の密閉型電池の外観を示す斜視図である。

本実施の形態における密閉型電池の構造について、以下、図面を参照しながら説明する。個数、量、および材質などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量、および材質などに限定されない。同一の部品および相当部品には、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。また、長さ、幅、厚さ、深さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

（実施の形態：密閉型電池１００）
図１および図２を参照して、本実施の形態における密閉型電池１００の構成について説明する。図１は、密閉型電池１００の外観を示す斜視図、図２は、密閉型電池１００の内部構造を示す断面図である。

図１を参照して、密閉型電池１００は、密閉された筐体１０の内部に電池要素が収容された密閉型電池である。筐体１０は容器本体１１と蓋体１２とを含む。容器本体１１と蓋体１２には、いずれもアルミ等が用いられている。蓋体１２は、容器本体１１に対して溶接接合等を用いて気密的に接合されている。

蓋体１２には、陽極端子２０、陰極端子２５、注液栓３０、防爆弁４０、および、バルブ５０が設けられている。注液栓３０からは、筐体１０の内部に電解液が導入される。防爆弁４０は、筐体１０の内部圧力が所定の内圧にまでに上昇した際に開裂し、筐体１０そのものの破裂を防止する機能を有している。バルブ５０の構造については、追って詳細に説明する。

図２を参照して、陽極端子２０には、電流遮断機構としての電流遮断弁２１、陽極集電電極２２が接続されている。電流遮断弁２１は、筐体１０の内圧が所定の内圧にまでに上昇した際に、電流経路を遮断する。陽極集電電極２２は、筐体１０の内部に配置された捲回電極体６０の正極露出部２０Ａに接続されている。

陰極端子２５も陽極端子２０と同様に、電流遮断機構としての電流遮断弁２６、陰極集電電極２７が接続されている。電流遮断弁２６は、筐体１０の内圧が所定の内圧にまでに上昇した際に、電流経路を遮断する。陰極集電電極２７は、筐体１０の内部に配置された捲回電極体６０の陰極露出部２５Ａに接続されている。電流遮断弁２１および電流遮断弁２６は、陽極側および陰極側のいずれか一方でもよい。

筐体１０の内部における、電解液、捲回電極体６０、電流遮断弁２１，２６、陽極集電電極２２、および、陰極集電電極２７等が、電池要素を構成する。

（バルブ５０）
次に、図３および図４を参照して、バルブ５０の構造について詳細に説明する。図３は、バルブ５０の構造を示す縦断面図、図４は、バルブ５０の構造を示す斜視断面図である。

両図を参照して、バルブ５０は、筐体１０の蓋体１２に設けられた通気孔１２ｈを覆うように設けられている。蓋体１２の厚みは約１．５ｍｍ、通気孔１２ｈの径は約φ３ｍｍである。バルブ５０は、通気孔１２ｈが対向する位置に、筐体１０の内部のガスを外部に放出する排気孔５１ｈを有するキャップ５１と、このキャップ５１内に収容され、排気孔５１ｈを開放する状態と排気孔５１ｈを閉塞する状態との間を反転する反転板５４と、キャップ５１内に収容され、反転板５４を通気孔１２ｈ側に付勢する弾性部材としてのコイルばね５２とを有している。なお、コイルばね５２は、弾性部材としての一例であって、同様の機能を有するものであれば、コイルばね５２には限定されない。

反転板５４には、アルミが用いられ、板厚は約０．１ｍｍ〜０．３ｍｍである。反転板５４は、通常状態は、通気孔１２ｈ側に向って凸となる形状を有しているが、通気孔１２ｈ側から所定の圧が加わった場合には、排気孔５１ｈ側に向って凸形状となるように反転する。反転板５４の中央部には、反転した際に排気孔５１ｈを確実に閉塞するための弾性部材（ゴム）等からなる閉塞パッド５５が設けられている。反転板５４により排気孔５１ｈを確実に閉塞することが可能であれば、閉塞パッド５５を設けなくてもよい。

本実施の形態では、通気孔１２ｈの周りを環状に取り囲む環状溝１２ｇが設けられ、この環状溝１２ｇには、気密保持部材としてのＯリング５６が収容されている。環状溝１１ｇの内径は約φ８ｍｍ、環状溝１１ｇの外径は約φ１１ｍｍ、環状溝１１ｇの溝深さは約１．０ｍｍ、Ｏリング５６の線径は約１．５ｍｍ、環状溝１１ｇからの突出量は約０．５ｍｍ、材質はエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）などである。

Ｏリング５６は、その線径の一部が蓋体１２の表面から突出するように収納されることで、反転板５４の外周領域に当接し気密性が高められる。なお、封止材は、Ｏリング５６に限定されず、シート形状の封止材を円環状に打ち抜いて形成したものであってもよい。

キャップ５１は、断面形状において中央部５１ｂが凹む形状を有する。キャップ５１の材質はアルミ、排気孔５１ｈの内径はφ約１ｍｍである。コイルばね５２は、キャップ５１の周囲に設けられた凸部５１ａの内部に収容され、コイルばね５２の一端がキャップ５１の内部に当接し、コイルばね５２の他端が反転板５４側に当接している。

コイルばね５２の他端と反転板５４との間には、Ｏリング５６への荷重を均一にするために、金属製の環状形状のスペーサ５３が配置されている。スペーサ５３は、アルミ、ＳＵＳなどが用いられ、厚み０．３ｍｍ〜０．５ｍｍである。

スペーサ５３の中央部には、反転板５４の反転動作を阻害しないように、中央部に開口５３ｈが設けられている。反転板５４が反転した際には、反転板５４がスペーサ５３の開口５３ｈを通過して凸形状に変形する。

本実施の形態では、スペーサ５３と反転板５４とは別部材により構成しているが、厚みが均一なスペーサ５３を採用し、中央部にプレス成形等を用いて反転板を成形することで、スペーサ５３に反転板５４を一体的に成形するようにしてもよい。これにより、部品点数を削減することができる。

コイルばね５２の付勢力により反転板５４がＯリング５６に押圧され、Ｏリング５６の面圧が増加する。その結果、通気孔１２ｈの筐体１０の外部との連通が遮断された状態が維持される。キャップ５１の固定方法としては、キャップ５１の周縁部５１ｐを蓋体１２にレーザ接合するとよい。

（バルブ５０の動作）
次に、図３、図５から図７を参照して、上記構成を有するバルブ５０の動作について説明する。図５および図６は、バルブ５０の動作状態を示す第１および図２縦断面図、図７は、バルブ５０の動作状態を示すタイムチャートである。

まず、図３を参照して、通常の使用状態においては、筐体１０の内圧が第１圧力Ｐ１（バルブ５０の作動圧）未満の場合には、コイルばね５２の付勢力により反転板５４がＯリング５６に押圧され、通気孔１２ｈの筐体１０の外部との連通が遮断された状態が維持される。これにより、密閉型電池１００の筐体１０の内部は気密状態に密閉される。

次に、図５を参照して、筐体１０の内圧が第１圧力（バルブ５０の作動圧）以上となり第２圧力（反転板作動圧）に達するまでは、反転板５４に加わる内圧（Ｆ１）により反転板５４が上昇し、コイルばね５２の付勢力に対抗して排気孔５１ｈ側に移動する。これにより、Ｏリング５６の面圧が低下し、反転板５４とＯリング５６との間に隙間が生じる。その結果、反転板５４とＯリング５６との界面をガスが通過し、通気孔１２ｈと排気孔５１ｈとが連通する状態となる。

これにより、筐体１０の気密状態が開放され、通気孔１２ｈと排気孔５１ｈとが連通するガス排出経路Ｙがキャップ５１内に形成される。その結果、筐体１０のガスが外部に放出され、筐体１０の内圧の上昇が抑制される。

ガスの外部への排出により、筐体１０内部の内圧が低下した場合には、コイルばね５２の弾性力により、スペーサ５３および反転板５４は、通気孔１２ｈに押し付けられ、図３に示す通気孔１２ｈの筐体１０の外部との連通が遮断された状態に復元し、筐体１０の内部を再度気密状態にする。このように、密閉状態とガス排出とを繰り返し行なうことで、筐体１０の内圧を常に一定以下の圧力に維持することを可能とする。

次に、図６を参照して、電池要素の異常時（過電流、加熱状態下）の場合には、図５に示す状態からさらにガスが連続して発生している状態となる。また、「ガス排出量＜ガス発生量」の関係になれば、筐体１０の内圧は上昇を続ける。

その結果、筐体１０の内圧が第２圧力（Ｐ２）以上になった後は、反転板５４が排気孔５１ｈ側に向けて反転する。その結果、反転板５４により排気孔５１ｈを閉塞する状態となる。これにより、ガスの排気孔５１ｈからの放出が停止される。

その後、内圧がさらに上昇し、第３圧力（Ｐ３）を超えた場合には、安全機構の一つである電流遮断弁２１，２６が作動し、電流経路が遮断される。具体的には、電流遮断弁２１により陽極端子２０と陽極集電電極２２との間の電流経路が遮断され、電流遮断弁２６により陰極端子２５と陰極集電電極２７との間の電流経路が遮断される。さらに内圧が上昇した場合には、安全機構の一つである防爆弁４０が機能し、防爆弁４０が開裂することで、筐体１０そのものの破裂を防止する。

なお、本実施の形態において、第１圧力Ｐ１は〜約０．２ＭＰａ、反転板５４が反転する第２圧力（Ｐ２）は約０．４ＭＰａ、安全機構の一つである電流遮断弁２１，２６が作動する第３圧力（Ｐ３）は約１．２ＭＰａである。なお、本実施の形態において、防爆弁４０は、第３圧力（Ｐ３）よりも高い所定の圧力が加わった場合に作動する。

ここで、図７を参照して、電池筐体の内圧が通常時、および、異常時について説明する。なお、「電池筐体内圧異常時」は、過熱、過充電等により、電池筐体内に大きな負荷がかかっている状態を意味する。

通常時（Ｐ１付近）では、充放電や高温放置等により、密閉型電池１００の内部にガスが発生する。通常設けられるリリーフバルブは、このガスを外部に排出するための機構である。たとえば、圧力Ｐ３を超えると安全機構である電流遮断弁（または、防爆弁）が作動するが、圧力Ｐ３未満では、安全機構が作動することはない。

密閉型電池１００の内圧は、Ｐ３まで上昇する可能性があり、この状態では溶接部等に負荷が加わる。そのため、リリーフバルブを設けない場合には、密閉型電池の信頼性を低下させることになる。

電池筐体内圧異常時は、内圧がＰ２からＰ３まで急激に上昇する。リリーフバルブが設けられていない場合は、内圧がＰ２からＰ３までストレートに上昇する（ラインＢ）。リリーフバルブが設けられている場合には、ガス排出を行なうため、内圧上昇が鈍化する。その結果、安全機構の作動タイミングが遅れ、安全性が低下する（ラインＣ）。また、初期から他の安全機構の作動圧を下げてしまうと、機械的強度が低下することによる誤作動の可能性が高くなる。

つまり、リリーフバルブを設けない場合には、安全機構の作動は問題ないが、長期間の使用において溶接部、安全機構へのダメージが問題となる。リリーフバルブを設けた場合には、長期使用による信頼性は向上するが、安全機構の作動に問題が生じ、低作動圧化は誤作動の可能性を生じさせる。

一方、本実施の形態におけるバルブ５０を設けた密閉型電池１００においては、図７のラインＡに示すように、ラインＢおよびラインＣの利点を両立させることができ、安全機構へのダメージを低減し、且つ安全機構を正常に作動させることを可能とする。

このように、本実施の形態におけるバルブ５０を用いた密閉型電池１００によれば、バルブ５０において、通気孔１２ｈと排気孔５１ｈとが連通するガス排出経路Ｙがキャップ５１内に形成される状態（図５に示す状態）において、ガスが連続して発生している場合であり、かつ、「ガス排出量＜ガス発生量」の関係であれば、筐体１０の内圧は上昇を続ける。そこで、「ガス排出経路Ｙが形成される作動圧＜反転板５４の反転圧＜安全機構の作動圧」とすることで、筐体１０の内圧の上昇を適正化するとともに、安全機構の作動圧への影響を低減することを可能とする。

（他の実施の形態：密閉型電池１００Ａ）
図８を参照して、他の実施の形態における密閉型電池１００Ａについて説明する。図８は、他の実施の形態の密閉型電池１００Ａの外観を示す斜視図である。この密閉型電池１００Ａの基本的構成は、上述の密閉型電池１００と同じであり、異なる点は、バルブ５０の取付位置にある。上述の密閉型電池１００の場合、バルブ５０は、筐体１０の蓋体１２に設けられていたが、本実施の形態における密閉型電池１００Ａは、筐体１０の容器本体１１の側部にバルブ５０が設けられている。よって、通気孔１２ｈもバルブ５０が設けられる位置に対応して、容器本体１１の側部に設けられている。この構成を採用することによっても、密閉型電池１００と同様の作用効果を得ることが可能である。

なお、上述の実施の形態における密閉型電池は、好ましくは非水電解質二次電池であり、より好ましくはリチウムイオン二次電池である。

正極としては、リチウムイオン二次電池の正極として従来公知の構成を有することが好ましく、たとえばアルミニウム箔を用いることができる。正極集電板および正極端子についても同様のことが言え、たとえばアルミニウムからなることが好ましい。

陰極としては、リチウムイオン二次電池の陰極として従来公知の構成を有することが好ましく、たとえば銅箔を用いることができる。陰極集電板および陰極端子についても同様のことが言え、たとえば銅からなることが好ましい。

セパレータとしては、リチウムイオン二次電池のセパレータとして従来公知の構成を有することが好ましく、たとえばＰＥ（polyethylene）またはＰＰ（polypropylene）からなることが好ましい。

電解質又は電解液としては、それぞれ、リチウムイオン二次電池の電解質又は電解液として従来公知の構成を有することが好ましい。たとえば、電解質又は電解液はＬｉＰＦ_６等のリチウム塩を含むことが好ましい。

以上、本発明に基づいた実施の形態について説明したが、今回開示された内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 筐体、１１ 容器本体、１２ 蓋体、１２ｇ 環状溝、１２ｈ 通気孔、２０ 陽極端子、２０Ａ 正極露出部、２１ 電流遮断弁、２２ 陽極集電電極、２５ 陰極端子、２５Ａ 陰極露出部、２６ 電流遮断弁、２７ 陰極集電電極、３０ 注液栓、４０ 防爆弁、５０ バルブ、５１ キャップ、５１ａ 凸部、５１ｂ 中央部、５１ｈ 排気孔、５２ コイルばね、５３ スペーサ、５３ｈ 開口、５４ 反転板、５５ 閉塞パッド、５６ Ｏリング、６０ 捲回電極体、１００，１００Ａ 密閉型電池。

Claims (4)

1. 密閉された筐体の内部に電池要素が収容された密閉型電池であって、
   前記筐体内のガスの圧力が第１圧力未満では閉状態、前記第１圧力以上前記第２圧力未満では開状態、および、前記第２圧力以上では閉状態となるバルブと、
   前記内圧が前記第２圧力を超える第３圧力に到達した場合に、前記第３圧力に応じて動作する安全機構と、
   を備える、密閉型電池。
2. 前記バルブは、前記筐体に設けられた通気孔を覆うように設けられ、
   前記バルブは、前記通気孔が対向する位置に、前記ガスを外部に放出する排気孔を有するキャップと、
   前記キャップ内に収容され、前記排気孔を開放する状態と前記排気孔を閉塞する状態との間を反転する反転板と、
   前記キャップ内に収容され、前記反転板を前記通気孔側に付勢する弾性部材と、
   前記通気孔を取り囲むように設けられ、前記反転板の外周領域に当接するように設けられる環状の気密保持部材と、
   を有し、
   前記筐体の内圧が前記第１圧力未満の場合には、前記弾性部材の付勢力により前記反転板が前記気密保持部材に押圧され、前記通気孔の前記筐体の外部との連通が遮断された状態が維持され、
   前記筐体内のガスの圧力が、前記第１圧力以上前記第２圧力未満では、前記反転板に加わる内圧により、前記反転板が前記弾性部材の付勢力に対抗して前記排気孔側に移動し、前記反転板と前記気密保持部材との間に隙間が生じることで、前記通気孔と前記排気孔とが連通することにより、前記ガスが外部に放出され、
   前記筐体の内圧が前記第２圧力以上では、前記反転板が前記排気孔側に向けて反転することで、前記反転板により前記排気孔を閉塞する状態となることで、前記ガスの前記排気孔からの放出が停止される、請求項１に記載の密閉型電池。
3. 前記安全機構は、前記内圧が前記第３圧力以上の場合に、前記電池要素において生成される電流の流れを遮断する機構を含む、請求項１または請求項２に記載の密閉型電池。
4. 前記安全機構は、前記内圧が前記第３圧力以上の場合に、前記密閉筐体の内部の前記ガスを外部に放出する防爆弁を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の密閉型電池。

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