JP2018200826A - 円筒形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】作動圧のバラツキが低減された電流遮断機構を有する円筒形電池を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係る円筒形電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された電極体と、電解液と、電極体及び電解液を収容する有底筒状の外装缶と、電流遮断機構を有する封口体と、を含み、電流遮断機構が電池内部の圧力上昇に伴って変形可能な弁体、金属板、及び絶縁部材から構成され、金属板が正極板及び負極板のいずれか一方に電気的に接続され、弁体は絶縁部材を介して金属板に接合され、絶縁部材が弁体及び金属板の間に圧縮された状態で保持されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、作動圧のバラツキが低減された電流遮断機構を有する円筒形電池に関する。

近年、ノートパソコン、携帯電話やスマートフォンといった電子機器の普及によって、それらの駆動電源として様々な密閉型電池が用いられている。密閉型電池はその外装ケースの形状や材質によって、円筒形電池、角形電池及びパウチ型電池などに大別される。円筒形電池は、電動工具や電動アシスト自転車といった高出力が求められる用途で使用されることが多い。特に円筒形の非水電解液二次電池は軽量で高エネルギー密度を有することから、その需要は大きい。

非水電解液二次電池は外部短絡や充電器の故障によって過充電された場合に、電解液の分解などの化学反応を伴って電池内部の圧力や温度が上昇し、電池が破裂又は発火の危険に曝される。そこで、円筒形の非水電解液二次電池の封口体の内部には、電池内圧が所定値に達したときに電池内部の電流経路を破断する電流遮断機構が設けられている。

電流遮断機構は電池内部の圧力の上昇に伴って弁体が変形する作用を利用している。例えば、特許文献１には次のような電流遮断機構が開示されている。弁体の中心部に凸部が設けられており、弁体と内部端子板の間に絶縁リングを挟んだ状態で凸部が内部端子板に溶接されている。電池内圧が上昇すると弁体が変形して弁体と内部端子板の溶接部が破断して弁体と内部端子板の間の電流経路が遮断される。

特許文献２には、２枚の金属箔とそれらの間に介在する絶縁ガスケットで構成される電流遮断機構が開示されている。２枚の金属箔は互いに中央部分で溶接されている。電池内側に配置される金属箔には通気孔と薄肉の易破断部が設けられている。電池外側に配置される金属箔は電池内圧の上昇にともなって変形し、易破断部が破断して２枚の金属箔の間の電流経路が遮断される。

特開平８−６９７８５号公報 特開平１０−３０２７４４号公報

電流遮断機構の作動圧は２つの金属部材の溶接部や一方の金属部材に設けられた易破断部の破断強度に依存する。溶接部の破断強度に比べて易破断部の破断強度は調整が容易であり、バラツキが小さい。そのため、特許文献２に開示されているように、金属部材に易破断部を設けることで、電流遮断機構の作動圧のバラツキを低減させることができる。しかし、電流遮断機構に用いられる金属部材には可撓性を有する金属材料が用いられるため、電池内圧の上昇に伴って変形する金属部材の伸びのバラツキも作動圧のバラツキに影響する。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、本発明の一態様に係る円筒形電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された電極体と、電解液と、電極体及び電解液を収容する有底筒状の外装缶と、電流遮断機構を有する封口体と、を含み、電流遮断機構が
電池内部の圧力上昇に伴って変形可能な弁体、金属板、及び絶縁部材から構成され、金属板は正極板及び負極板のいずれか一方に電気的に接続され、弁体が絶縁部材を介して金属板に接合され、絶縁部材が弁体及び金属板の間に圧縮された状態で保持されていることを特徴としている。

本発明によれば、電池内圧が上昇して所定値に達したとき、電流遮断機構を構成する破断部が変形を開始すると弁体と金属板の間に介在する絶縁部材がそれらを離間させるように作用する。そのため、電流遮断機構の作動圧のバラツキが低減される。

一実施形態に係る円筒形の非水電解液二次電池の断面斜視図である。 一実施形態に係る封口体の断面図である。 電流遮断機構が作動した後の封口体の断面図である。 図２の要部拡大図である。 作動圧測定装置の概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、下記の実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明は実施形態に限定されない。本発明は、その要旨の範囲内において適宜変更して実施することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る円筒形の非水電解液二次電池１０の断面斜視図である。有底円筒状の外装缶２３の内部に電極体２１と図示しない非水電解液が収容されている。外装缶２３の開口部にガスケット２２を介して封口体１１をかしめ固定することにより電池内部が密閉されている。

電極体２１は正極板１６と負極板１７の巻回構造を有し、正極板１６と負極板１７の間にはセパレータ１８が介在している。正極板１６及び負極板１７にそれぞれ正極リード１９及び負極リード２０が接続されている。正極リード１９は封口体１１に接続され、負極リード２０は外装缶２３の底面に接続される。正極板１６、負極板１７、及びセパレータ１８には非水電解液二次電池に用いられる公知の材料を適宜選択して用いることができる。

図２に示すように、封口体１１は、端子キャップ１２、弁体１３、環状の絶縁部材１４、及び金属板１５から構成される。絶縁部材１４を除く封口体１１の構成部材は全て導電性の板状部材から作製される。板状部材の材料として、正極電位に曝されても腐食しない金属材料が好ましく用いられる。例えば、弁体１３及び金属板１５にはアルミニウム又はその合金を用いることが好ましい。端子キャップ１２には機械的強度が求められるため、ニッケルめっきされた鉄を用いることが好ましい。封口体にはＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）のような他の導電性の部材を追加することができる。本実施形態では、正極リード１９が金属板１５に直接接続されており、金属板１５が内部端子板として機能する。しかし、金属板１５と正極リード１９の間に他の導電性の板状部材を内部端子板として介在させることができる。

電流遮断機構は、弁体１３、絶縁部材１４、及び金属板１５から構成される。弁体１３と金属板１５の間に絶縁部材１４が介在している。弁体１３の中央部に金属板に向けて突出する突起部１３ａが設けられており、その突起部１３ａが金属板１５に接合されている。弁体１３の外周部に端子キャップ１２のフランジ部が溶接固定されている。このように、内部端子板としての金属板１５から外部端子板としての端子キャップ１２までの電流経
路が形成されるとともに、その電流経路の中に電流遮断機構が組み込まれる。

金属板１５には通気孔１５ａが設けられており、電池内部の圧力上昇に伴って弁体１３の変形が開始する。すると、金属板１５は弁体１３との溶接部１５ｂから引っ張られて、図３に示すように、金属板１５に設けられた易破断部が破断して弁体１３と金属板１５の間の電流経路が遮断される。易破断部は、例えば、溶接部１５ｂの周囲を囲むように形成された溝状の薄肉部から構成される。金属板１５に易破断部を設けずに、溶接部１５ｂを破断させることで弁体１３と金属板１５の間の電流経路を遮断させることもできる。

本実施形態では、図４に示すように絶縁部材１４が弁体１３と金属板１５からそれらの積層方向に沿って圧縮された状態で封口体１１に保持されている。電流遮断機構が作動しようとすると、弁体１３と金属板１５によるそれらの積層方向の絶縁部材１４への圧縮作用が開放される。そのため、絶縁部材１４が弁体１３と金属板１５を離間させるように作用して弁体１３の伸びのバラツキによる作動圧のバラツキへの影響が低減される。

絶縁部材１４には電気絶縁性を有するとともに、柔軟性を有する材料を用いることが好ましい。そのような材料として、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、及びポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）などの樹脂材料が例示される。

弁体１３と金属板１５による絶縁部材１４の圧縮率は、特に制限されないが、１０％以上、３０％以下であることが好ましい。絶縁部材１４が圧縮される部分の圧縮率は均一であることが好ましいが、弁体１３、絶縁部材１４、及び金属板１５のいずれかの表面に段差が存在するために絶縁部材１４が不均一に圧縮される場合は、弁体１３及び金属板１５の積層方向において最も高い圧縮率を示す部分を基準に絶縁部材１４の圧縮率が決定される。絶縁部材の圧縮率は、圧縮前の絶縁部材の厚みに対する圧縮後の絶縁部材の厚みの百分率で算出される。

本実施形態の絶縁部材１４の平面形状は環状で、断面形状はＺ状であったが、電流遮断機構が作動する際に弁体１３と金属板１５を離間させるように作用することができるなら、絶縁部材１４の形状は特に限定されない。例えば、絶縁部材１４として環状の絶縁板を用いることができる。

以下、絶縁部材の圧縮率を変更して作製した実験例１〜３の封口体の作製方法とそれらの電流遮断機構の作動圧の測定結果を説明する。

（実験例１）
実験例１に係る封口体１１を次のようにして作製した。封口体１１の基本的な構成は図２に示すとおりである。弁体１３及び金属板１５はいずれもアルミニウム板をプレス加工して作製した。プレス加工の際に、弁体１３の中央部と外周部にそれぞれ金属板１５に向かって突出する突起部１３ａ、１３ｂを形成した。突起部１３ｂは弁体１３の外周と同心円状に形成されている。突起部１３ｂの内側にポリプロピレン製の絶縁部材１４を挿入した後、絶縁部材１４の内側に金属板１５を挿入した。その際、弁体１３と金属板１５による絶縁部材１４の圧縮率が２８．６％となるように、弁体１３の突起部１３ａを金属板１５の中心部に接合した。上記の絶縁部材１４の圧縮率は弁体１３と金属板１５の積層方向における値である。このようにして、実験例１に係る封口体を作製した。

（実験例２）
弁体と金属板の積層方向における絶縁部材の圧縮率を１６．７％としたこと以外は実験例１と同様にして実験例２に係る封口体を作製した。

（実験例３）
絶縁部材の圧縮率を０％としたこと以外は実験例１と同様にして実験例３に係る封口体を作製した。

（作動圧の測定）
上記のようにして作製した実験例１〜３に係る封口体各３０個の作動圧を次のように測定した。図５に示すように、押さえ部５１と受け部５２を有する固定治具５０に封口体１１を固定した。押さえ部５１を受け部５２方向に加圧することで、封口体１１と受け部５２で囲まれる空間Ｓの気密性を確保した。この空間Ｓにガスボンベ５４からレギュレータ５３を経由してガスを一定速度で供給した。ガスの供給中、空間Ｓの圧力と、端子キャップと金属板の間の電気的な接続の有無をリアルタイムで確認した。そして、封口体１１内部の電流経路が遮断された時点の空間Ｓの圧力を測定し、その値を電流遮断機構の作動圧とした。なお、測定した作動圧の単位はメガパスカル（ＭＰａ）である。

作動圧の測定結果から各実験例について、作動圧の標準偏差（σ）と、作動圧の最大値と最小値の差（Ｒ）を算出した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、絶縁部材を弁体と金属板により圧縮した状態で封口体に保持することにより、電流遮断機構の作動圧のバラツキが低減されている。圧縮率が大きいほど作動圧のバラツキが低減される傾向にあるが、絶縁部材が少しでも圧縮されていれば作動圧のバラツキが低減する効果が得られるため、絶縁部材の圧縮率は特に限定されない。しかし、作動圧のバラツキの低減効果と、弁体と金属板との接合の容易性などを考慮すると、絶縁部材の圧縮率は１０％以上、３０％以下であることが好ましい。

本発明の効果は、外装缶内部に収容される電極体や電解液の材料に依存しない。したがって、本発明は非水電解液二次電池だけでなく、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−金属水素化物電池といった他の円筒形電池にも適用することが可能である。

本発明によれば簡単な方法で円筒形電池の安全性が大幅に改善されるため、本発明の産業上の利用可能性は大きい。

１０ 非水電解液二次電池
１１ 封口体
１２ 端子キャップ
１３ 弁体
１４ 絶縁部材
１５ 金属板
１６ 正極板
１７ 負極板
１８ セパレータ
１９ 正極リード
２０ 負極リード
２１ 電極体
２２ ガスケット
２３ 外装缶

Claims (4)

1. 正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された電極体と、電解液と、前記電極体及び前記電解液を収容する有底筒状の外装缶と、電流遮断機構を有する封口体と、を備えた円筒形電池であって、
   前記電流遮断機構が、電池内部の圧力上昇に伴って変形可能な弁体、金属板、及び絶縁部材から構成され、
   前記金属板は前記正極板及び前記負極板のいずれか一方に電気的に接続され、
   前記弁体は前記絶縁部材を介して前記金属板に接合され、
   前記絶縁部材は前記弁体及び前記金属板の間に圧縮された状態で保持されている円筒形電池。
2. 前記絶縁部材の圧縮率は１０％以上３０％以下である請求項１に記載の円筒形電池。
3. 前記金属板は、前記弁体との接合部の周囲に薄肉の易破断部を有する請求項１又は２に記載の円筒形電池。
4. 前記金属板は正極リードを介して前記正極板と電気的に接続された内部端子板である請求項１から３のいずれかに記載の円筒形電池。

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