JP2018037327A - 密閉型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】過充電の発生による電流遮断弁の変形を目視で確認することができる電流遮断機構を備えた密閉型二次電池を提供する。【解決手段】ここで開示される密閉型二次電池の電流遮断機構８０は、電池ケース１２壁面側からみて中央部３０ｂ１が周縁部よりも凹んだ椀状の反転板３０ｂを有した電流遮断弁３０を備えており、反転板の中央部に対向するケース壁面には挿入孔１８が設けられ、該挿入孔に少なくとも一部が挿入された状態で凹んだ中央部上に作動確認部材４０が配置されている。そして、電極体側からのガス圧によって反転板が集電体７２から剥離して凹んだ中央部がケース壁面方向に反転移動した際に、該中央部の反転移動に伴って作動確認部材４０が挿入孔を電池ケースの外方向に移動したことを該電池ケースの外方から視認可能に構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、密閉型二次電池に関する。詳しくは、内圧上昇によって作動する電流遮断機構を備えた密閉型二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の二次電池は、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として好ましく用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両に搭載して用いられる高出力電源（例えば、車両の駆動輪に連結されたモータを駆動させる電源）として重要性が高まっている。

このような二次電池の典型例として、正極および負極を備える電極体を電解質とともに電池ケース内に密閉してなる密閉構造の電池（密閉型二次電池）が挙げられる。この種の密閉型二次電池を充電処理する際、不良電池の存在や充電装置の故障による誤作動等が生じると、電極体に通常以上の電流が供給されて過充電状態に陥ることがある。かかる過充電状態が生じると、電池反応が急速に進行してケース内部の電解液が加速度的に分解されてしまい、多量のガスが発生して電池ケースの内圧が上昇して当該電池ケースの形状が変形してしまうおそれがある。

近年では、このような密閉型二次電池の過充電による弊害を防止するために、電池ケースの内圧が規定以上に上昇した場合に変形して導電経路を遮断する部品（いわゆる「電流遮断弁」）を備えた電流遮断機構を、電池内の導電経路に設置することが提案されている。かかる電流遮断機構は、低圧電流遮断装置(ＣＩＤ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ)とも呼ばれている。このような構成の電流遮断機構を備えた密閉型二次電池の一例を特許文献１〜３に示す。

特開２００８−２４３６５９号公報 特開２０００−３２３１１４号公報 特開２０１３−１０１８８９号公報

しかしながら、上記したような従来の密閉型二次電池では、過充電の発生による電流遮断機構の作動が生じているか否かを確認および判別することが困難であった。

具体的には、上記した電流遮断機構の電流遮断弁は、一般的に、電池ケースの内部に設けられているため、過充電によって電流遮断弁が変形しても、その変形を目視で確認することはできず、電池の電圧測定を行わない限り、電流遮断機構が作動しているか否かを判別することができなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、過充電の発生による電流遮断弁の変形を目視で確認することができる電流遮断機構を備えた密閉型二次電池を提供することである。

上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の密閉型二次電池が提供される。

ここで開示される密閉型二次電池は、正極および負極を有する発電要素である電極体と、電極体を収容する電池ケースと、電極体と電気的に接続された電極端子と、電極体と電極端子との間の導電経路に配設され、電池ケース内の圧力が上昇した際に導電経路を切断する電流遮断機構とを備えた密閉型二次電池である。
この電流遮断機構は、電池ケースの壁面と電極体との間に配置され、該電極体と電気的に接続された集電体であって、電極体側からケース壁面側にガスの流通が可能なガス流通孔が形成された集電体と、電池ケースの壁面と集電体との間に配置され、電極端子と電気的に接続された電流遮断弁であって、該電池ケース壁面側からみて中央部が周縁部よりも凹んだ椀状の反転板を備え、該反転板の凹んだ中央部の一部は、ガス流通孔を塞いだ状態で集電体に接合された構成の電流遮断弁とを備えている。
そして、反転板の凹んだ中央部に対向するケース壁面には、挿入孔が設けられており、該挿入孔に少なくとも一部が挿入された状態で凹んだ中央部上に配置された作動確認部材を備えている。

ここで開示される密閉型二次電池では、過充電により電池ケースの内圧が上昇した場合に、電極体側からのガス流通孔を介したガス圧によって、反転板が集電体から剥離して凹んだ中央部がケース壁面方向に反転移動した際に、該中央部の反転移動に伴って作動確認部材が挿入孔を電池ケースの外方向に移動したことを該電池ケースの外方から視認可能に構成されている。このため、この密閉型二次電池においては、電池ケースの外方から作動確認部材が移動しているか否かを目視で確認するのみで、過充電によって電流遮断機構が作動している否かを容易に判別することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電流遮断機構の作動前の状態を模式的に示す断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電流遮断機構の作動後の状態を模式的に示す断面図である。 図４は、本発明の他の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電流遮断機構の作動前の状態を模式的に示す断面図である。 図５は、本発明の他の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電流遮断機構の作動後の状態を模式的に示す断面図である。

以下、ここで開示される密閉型二次電池の一例としてリチウムイオン二次電池（リチウムイオン電池）に関する好適な実施形態について図面を参照しつつ説明する。特に限定することを意図したものではないが、以下では、電極体と非水電解液とが角形（即ち直方体の箱形状）の電池ケースに収容されたリチウムイオン二次電池を例として説明する。各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する。
なお、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、リチウムイオンの移動に伴う正負極間の電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。また、本明細書において「活物質」とは、正極側又は負極側において蓄電に関与する物質（化合物）をいう。即ち、電池の充放電時において電子の吸蔵および放出に関与する物質をいう。

また、ここで開示される構成の電流遮断機構を有する限りにおいて、本発明に使用される密閉型二次電池の種類は限定されず、本明細書において主として説明するリチウムイオン二次二次電池以外の電池（ニッケル水素電池その他の二次電池）にも適用することができる。

Ａ．本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池
図１は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。また、図２および図３は本実施形態に係る密閉型二次電池の電流遮断機構を模式的に示す断面図（図１中のＩＩ−ＩＩ断面図）であり、図２は電流遮断機構が作動する前の状態を示し、図３は電流遮断断機構が作動した後の状態を示している。

本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０は、図１に示すような扁平な角型の電池ケース１２の内部に、扁平形状の電極体（図示省略）が電解液と共に収容されることにより構成されている。

１．電池ケース
電池ケース１２は、一端（通常の使用状態における上端部に相当する。）に開口部を有する箱形（すなわち有底直方体状）のケース本体１４と、矩形の板状部材である封口板１６を備えている。そして、この封口板１６がケース本体１４上端の開口部を塞ぐように、ケース本体１４上端に溶接されることにより角型の電池ケース１２が構成されている。

２．電極体
そして、本実施形態においては、上記したとおり、電池ケース１２の内部に電極体（図示省略）と電解液が収容されている。なお、電極体を構成する材料および部材自体は、特に制限はなく、従来のリチウムイオン二次電池に備えられる電極体と同様のものを用いることができる。例えば、長尺シート状の正極、セパレータ、負極の積層体を捲回させた捲回電極体や、シート状の正極、セパレータ、負極を積層させた積層電極体などを用いることができる。

上記した電極体に用いられる正極は、長尺の正極集電体（例えばアルミニウム箔）の上に正極活物質層が形成された構成であり得る。この正極活物質層に含まれる正極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。正極活物質の好適例としては、リチウムニッケル酸化物（例えばＬｉＮｉＯ_２）、リチウムコバルト酸化物（例えばＬｉＣｏＯ_２）、リチウムマンガン酸化物（例えばＬｉＭｎ_２Ｏ_４）等のリチウムと遷移金属元素とを構成金属元素として含む酸化物（リチウム遷移金属酸化物）や、リン酸マンガンリチウム（ＬｉＭｎＰＯ_４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）等のリチウムと遷移金属元素とを構成金属元素として含むリン酸塩等が挙げられる。

一方、負極は、長尺の負極集電体（例えば銅箔）の上に負極活物質層が形成された構成であり得る。この負極活物質層に含まれる負極活物質についても、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。負極活物質の好適例としては、グラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属窒化物等が挙げられる。

また、上記シート状のセパレータについても、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質を特に限定なく使用することができる。このセパレータの好適例としては、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたシートが挙げられる。

電解液についても、上記した正極や負極と同様に、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。この電解液の好適例としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒（例えば質量比１：１）にＬｉＰＦ_６を約１ｍｏｌ／Ｌの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。なお、電解液の代わりに固体状やゲル状の電解質を採用してもよい。

３．電極端子
本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池１０は、図１に示すように、上記した電極体に電気的に接続された電極端子として、負極端子１９と正極端子２０を備えている。負極端子１９は電極体の負極に電気的に接続された外部接続用の端子であり、正極端子２０は正極に電気的に接続された外部接続用の端子である。

図２に示すように、本実施形態における正極端子２０は、電池ケース１２の封口板１６に取り付けられている。具体的には、封口板１６には、正極装着孔１６Ａが設けられており、この正極装着孔１６Ａに正極端子２０が挿入されている。そして、正極端子２０は、上端と下端を折り曲げることにより封口板１６に固定されている。このとき、封口板１６の上面と正極端子２０の上端との間には、円盤状の絶縁材２６が配置されており、封口板１６と正極端子２０とが通電することを防止している。

４．電流遮断機構
そして、本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池１０では、集電体７２と電流遮断弁（反転板）３０とを備えた電流遮断機構８０が正極端子２０の下方に設けられている。この電流遮断機構８０は、電極体の正極（図示省略）と正極端子２０との間の導電経路に配設されており、過充電によって電池ケース１２の内圧が上昇した際に、集電体７２と電流遮断弁３０とを離間させることにより、正極と正極端子２０との間の導電経路を遮断するように構成されている。以下、電流遮断機構８０について具体的に説明する。

（１）集電体
集電体７２は、電池ケース１２の一つの壁面を構成する封口板１６と電極体との間に配置された板状の部材である。この集電体７２は、導電性に優れた材料（アルミニウムなど）により構成されており、図示は省略するが、電池ケース１２内部の電極体の正極と電気的に接続されている。また、集電体７２には、周囲よりも相対的に薄肉に形成された薄肉部７４が設けられており、この薄肉部７４に電極体側（図２中の紙面下方）から封口板１６側にガスの流通が可能なガス流通孔７６が形成されている。

（２）電流遮断弁
電流遮断弁３０は、上記封口板１６と集電体７２との間に配置されており、正極端子２０と電気的に接続されているリング状のフランジ部３０ａと、封口板１６側からみて中央部３０ｂ１が周縁部よりも凹んだ椀状の反転板３０ｂを備えている。そして、図２に示すように、電流遮断弁３０の反転板３０ｂの中央部３０ｂ１の一部は、集電体７２の薄肉部７４に接合されてガス流通孔７６を塞いでいる。

本実施形態に係るリチウムイオン二次電池においては、上記した通り、集電体７２と電極体の正極とが電気的に接続されているとともに、電流遮断弁３０と正極端子２０とが電気的に接続されている。そして、電流遮断弁３０の反転板３０ｂが集電体７２に接合されている。このため、正常な充放電が行われている間、集電体７２と電流遮断弁３０を介して電極体の正極と正極端子２０とが電気的に接続される。

一方、過充電によって電池ケース１２中の電解液が分解されてガスが生じた場合には、図２中の集電体７２下方の電極体側の空間の内圧が上昇し、ガス流通孔７６を介した電極体側からのガス圧によって、電流遮断弁３０の反転板３０ｂが正極端子２０側に押し上げられる。これによって、図３に示すように、反転板３０ｂの中央部３０ｂ１が集電体７２から剥離して、フランジ部３０ａを支点にして封口板１６の方向に反転移動する。この結果、集電体７２と電流遮断弁３０とが離間して、電極体の正極から正極端子２０への導電経路が遮断される。

なお、上記の説明および図３では、反転板３０ｂと集電体７２との接合部分が剥離して反転板３０ｂが反転する場合を例に挙げて説明したが、図２に示す構成の電流遮断機構８０では、集電体７２の薄肉部７４が破断して反転板３０ｂが反転することもある。この場合であっても、反転板３０ｂを集電体７２から離間させて導電経路を遮断させることができる。

（３）作動確認部材
そして、本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池１０には、上記した電流遮断弁３０の変形が生じているか否かを、電池ケース１２の外方から視認できるように作動確認部材４０が設けられている。

この作動確認部材４０は、電池ケース１２の壁面を貫通する挿入孔１８に挿入されている。この挿入孔１８は、例えば、直径０．６ｍｍ〜２ｍｍの孔であり、電流遮断弁３０の反転板３０ｂの中央部３０ｂ１に対向する位置に設けられている。なお、本実施の形態においては、挿入孔１８が正極端子２０に設けられているが、挿入孔１８の位置は、電流遮断弁３０の反転板３０ｂの中央部３０ｂ１の位置に応じて適宜変更することができる。

作動確認部材４０は、挿入孔１８よりも径が小さな棒状の部材（直径：０．５ｍｍ〜１．９ｍｍ）であり、一部が挿入孔１８に挿入された状態で反転板３０ｂの中央部３０ｂ１上に配置されている。本実施の形態においては、作動確認部材４０の一方の端部４０ａが、反転板３０ｂの中央部３０ｂ１に接している。この作動確認部材４０は、反転板３０ｂの反転を阻害しないという観点から、軽量な材料で構成されていることが好ましく、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂などの樹脂やアルミニウムなどの金属を用いることができる。なお、作動確認部材は、挿入孔１８に挿入し得る長尺の部材であれば棒状の部材に限定されない。例えば、作動確認部材には、短手方向の長さが挿入孔１８の直径よりも短い板状の部材を用いることもできる。

また、作動確認部材４０の軸長Ｂは、図２に示す寸法Ａ１（通常の充放電時の正極端子２０の上面から反転板３０ｂの中央部３０ｂ１までの距離）よりも短くなるように設定される一方、図３に示す寸法Ａ２（電流遮断弁３０の作動時の正極端子２０の上面から反転板３０ｂの中央部３０ｂ１までの距離）よりも長くなるように設定される。すなわち、図２および図３における寸法Ａ１、Ａ２と、作動確認部材４０の軸長Ｂの関係は、Ａ１＞Ｂ＞Ａ２に設定される。例えば、Ａ１は１０ｍｍ、Ａ２は７ｍｍ、Ｂは９ｍｍに設定される。

このように構成された本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０では、過充電によって電池ケース１２の内圧が上昇することによって、電流遮断弁３０の反転板３０ｂの中央部３０ｂ１が封口板１６側に反転移動すると、この反転移動に伴って、反転板３０ｂの中央部３０ｂ１上に配置された作動確認部材４０が押し上げられて挿入孔１８を電池ケース１２の外方向に移動する。

これによって、作動確認部材４０の他方の端部４０ｂが電池ケース１２の外部に露出するため、上記した作動確認部材４０の移動を電池ケース１２の外方から視認できるようになり、従来のように電池の電圧を測定しなくても、過充電によって電流遮断機構８０が作動したことを容易に確認することができる。

Ｂ．他の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池
上記した実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、電流遮断機構８０が作動した際に初めて作動確認部材４０が電池ケース１２外部に露出するような構造を有していたが、本発明はこのような構造に限定されない。例えば、図４および図５に示すように、電流遮断機構８０が作動する前に作動確認部材４１が電池ケース１２外部に露出しているような構造を採用することもできる。

図４および図５は、本発明の他の実施形態に係る密閉型二次電池の電流遮断機構を模式的に示す断面図であり、図４は電流遮断機構が作動する前の状態を示し、図５は電流遮断断機構が作動した後の状態を示している。なお、図４および図５において、同一の符号を付している箇所は、上記した実施形態と同様の構成であるため説明を省略する。

この実施形態に係るリチウムイオン二次電池では、図４に示すように、作動確認部材４１の他方の端部に係止部４１ｃが形成されている。この係止部４１ｃは、作動確認部材４１を挿入孔１８に挿入した際に、正極端子２０の上面に接触して作動確認部材４１を係止する。なお、この実施形態においても、図４および図５中の寸法Ａ１、Ａ２と、作動確認部材４１の軸長Ｂの関係は、Ａ１＞Ｂ＞Ａ２に設定される。

この実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、作動確認部材４１の端部４１ａが電流遮断弁３０の反転板３０ｂの中央部３０ｂ１の上面に接触していないが、図５に示すように反転板３０ｂの中央部３０ｂ１が反転移動すると、この反転移動に伴って作動確認部材４１が押し上げられる。

このため、この実施形態においても、作動確認部材４１が電池ケース１２の外部において上昇するため、この作動確認部材４１の上昇が生じているか否かを確認することにより、電流遮断弁３０が作動しているか否かを容易に判別することができる。

なお、上記した各々の実施形態においては、電流遮断機構８０が正極端子２０側に設けられたリチウムイオン二次電池について説明したが、電流遮断機構を設ける位置は、図１中の正極端子２０に限られず、負極端子１９側に設けてもよい。

上記のとおり、本発明によると、ここで開示される電流遮断機構を備える密閉型二次電池（典型的には外形が角形状のリチウムイオン二次電池その他の密閉型二次電池）を提供することができる。この密閉型二次電池は、電流遮断機構が作動しているか否かを容易に確認することができるため、既に電流遮断弁が作動して導電経路が遮断された電池を誤って使用することを防止できる。このため、高出力化にともなうハイレート充放電を要求され、過充電が発生し易い車両（例えばプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等）の駆動用電源に好適に使用することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。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。

１０ リチウムイオン二次電池
１２ 電池ケース
１４ ケース本体
１６ 封口板
１８ 挿入孔
１９ 負極端子
２０ 正極端子
２６ 絶縁材
３０ 電流遮断弁
３０ａ フランジ部
３０ｂ 反転板
３０ｂ１ 反転板の中央部
４０、４１ 作動確認部材
４０ａ、４０ｂ、４１ａ 作動確認部材の端部
４１ｃ 係止部
７２ 集電体
７４ 薄肉部
７６ ガス流通孔
８０ 電流遮断機構

Claims (1)

1. 正極および負極を有する発電要素である電極体と、
   前記電極体を収容する電池ケースと、
   前記電極体と電気的に接続された電極端子と、
   前記電極体と前記電極端子との間の導電経路に配設され、前記電池ケース内の圧力が上昇した際に前記導電経路を切断する電流遮断機構とを備えた密閉型二次電池であって、
   前記電流遮断機構は、
   前記電池ケースの壁面と前記電極体との間に配置され、該電極体と電気的に接続された集電体であって、前記電極体側から前記ケース壁面側にガスの流通が可能なガス流通孔が形成された集電体と、
   前記電池ケースの壁面と前記集電体との間に配置され、前記電極端子と電気的に接続された電流遮断弁であって、該電池ケース壁面側からみて中央部が周縁部よりも凹んだ椀状の反転板を備え、該反転板の前記凹んだ中央部の一部は、前記ガス流通孔を塞いだ状態で前記集電体に接合された構成の電流遮断弁と、
   を備えており、
   前記反転板の前記凹んだ中央部に対向する前記ケース壁面には、挿入孔が設けられており、
   該挿入孔に少なくとも一部が挿入された状態で前記凹んだ中央部上に配置された作動確認部材を備えており、
   ここで、前記電極体側からの前記ガス流通孔を介したガス圧によって、前記反転板が前記集電体から剥離して前記凹んだ中央部が前記ケース壁面方向に反転移動した際に、該中央部の反転移動に伴って前記作動確認部材が前記挿入孔を前記電池ケースの外方向に移動したことを該電池ケースの外方から視認可能に構成されていることを特徴とする、密閉型二次電池。

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