JP2019029306A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】一度遮断させた導電経路が再び導通することを防止し、電流遮断状態を適切に保持することによって過充電による弊害を確実に防止することができる電流遮断機構を備えた密閉型電池を提供する。【解決手段】ここで開示される密閉型電池の電流遮断機構は、電池ケース１０の内圧が所定の圧力を超えた際に外部導電板５０に向かって凸状に反転する反転板１６と、外部導電板５０の他の部分よりも厚みが薄くなるように形成された薄肉部５４と、反転板１６と外部導電板５０との間に配置され、反転板１６の反転による荷重を外部導電板５０に伝達して薄肉部５４を破断させる荷重伝達部材７０とを備えている。そして、荷重伝達部材７０が、柱状部７２と、該柱状部７２の上端に形成された逆止弁７４とを備えた絶縁部材であり、反転板１６が反転した際に逆止弁７４が外部導電板５０よりも上方まで上昇して外部導電板５０と係合する。【選択図】図５

Description

本発明は、密閉型電池に関する。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電池に関する。

リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として重要性が高まっている。これらの二次電池は、例えば、電極体と電解質とが電池ケースに収容され、当該電池ケースが密閉された密閉型電池として構築される。

この種の密閉型電池を充電するに際して、充電装置の故障等によって過剰な電流が電極体に供給される過充電が生じることがある。このような過充電が生じると、電池反応が急速に進行してケース内部の電解質が加速度的に分解され、多量のガスが発生することがある。このような場合、電池ケースの内圧が上昇して当該電池ケースが変形、損傷するおそれがある。

このため、過充電によって電池ケースの内圧が大幅に上昇した際に、電極体から電極端子に至る導電経路を遮断して過充電を停止させる機構（電流遮断機構）を密閉型電池に取り付ける技術が種々提案されている。
例えば、特許文献１には、電池ケースの内圧が所定の圧力を超えた場合に外部導電板（外部端子板）を切断して、電極体から電極端子に至る導電経路を遮断する技術が開示されている。具体的には、特許文献１の技術では、電池ケースの蓋部に電池ケース内の所定の圧力で外部端子板に向かって突出するように変位可能な第１の変位部を設け、外部端子板に電気経路を遮断するように外方に向かって突出可能な第２の変位部を設けている。そして、第１の変位部と第２の変位部との間に第１の変位部の変位を第２の変位部に伝達する荷重伝達部が配置されている。

特開２０１６−２１９３９４号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の技術では、外部導電板の破断させた部分に導電性の異物や水分などが付着したり、当該破断部分が振動や応力などによって再び接触したりすることがある。このような場合、一度遮断した導電経路が再び導通してしまい、異常が検知できないまま過充電が進行する可能性がある。

本発明は、上記した課題を解決するべく創出されたものであり、一度遮断させた導電経路が再び導通することを防止し、電流遮断状態を適切に保持することによって過充電による弊害を確実に防止することができる電流遮断機構を備えた密閉型電池を提供することを目的とする。

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電池が提供される。

ここで開示される密閉型電池は、電極体を収容する電池ケースと、外部機器と接続される電極端子と、電池ケースの外部に配置され、電極体から電極端子への導電経路の一部を構成する外部導電板と、電池ケースの内圧が所定の圧力を超えた際に外部導電板を切断して導電経路を遮断する電流遮断機構とを備えている。
かかる密閉型電池の電流遮断機構は、電池ケースの外部導電板と対向するように電池ケースに形成され、電池ケースの内圧が所定の圧力を超えた際に外部導電板に向かって凸状に反転する反転板と、外部導電板の他の部分よりも厚みが薄くなるように外部導電板に形成された薄肉部と、反転板と外部導電板との間に配置され、反転板の反転による荷重を外部導電板に伝達して外部導電板の薄肉部を破断させる荷重伝達部材とを備えている。
そして、ここで開示される密閉型電池では、荷重伝達部材が、下端が反転板と接する柱状部と、該柱状部の上端に形成された逆止弁とを備えた絶縁部材であり、電流遮断機構が作動して反転板が反転した際に、逆止弁が外部導電板よりも上方まで上昇して当該外部導電板と係合する。

ここで開示される密閉型電池では、柱状部を備えた荷重伝達部材が反転板と外部導電板との間に配置された電流遮断機構を備えている。かかる電流遮断機構では、過充電によるケース内圧の上昇によって反転板が反転した際に、当該反転板の反転時の荷重が荷重伝達部材を介して外部導電板に伝達される。これによって、外部導電板に形成されている薄肉部を破断させて、電極体から電極端子への導電経路を遮断することができる。
そして、ここで開示される密閉型電池では、荷重伝達部材の柱状部の上端に逆止弁が形成されており、電流遮断機構が作動した際に当該逆止弁が外部導電板よりも上方まで上昇して外部導電板と係合する。これによって、破断部分に絶縁性の逆止弁が配置されるため、当該破断部分に導電性の異物や水分などが付着して、導電経路が再び導通することを防止することができる。さらに、逆止弁が外部導電板と係合するため、振動や応力などで切断部分が接触して再び導通することも防止できる。
以上のように、ここで開示される密閉型電池によれば、過充電が発生した際に導電経路を適切に遮断できるとともに、一度遮断させた導電経路が再び導通することを防止することができるため、過充電による弊害を確実に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池の電極端子近傍の断面構造を模式的に示す図（図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図）である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池の外部導電板を模式的に示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池の絶縁ホルダを模式的に示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池の電流遮断機構の動作を説明する断面図（図３におけるＶ−Ｖ断面図）である。 本発明の他の実施形態に係る密閉型電池の電流遮断機構の動作を説明する断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る密閉型電池として、リチウムイオン二次電池を例に挙げて説明する。なお、ここで開示される密閉型電池は、リチウムイオン二次電池に限定されず、例えば、ニッケル水素電池などを用いることができる。
また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、電極体や電解質の構成および製法、その他のリチウムイオン二次電池の構築に係る一般的技術等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。

１．全体構成
図１は本実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１は、扁平な角型の電池ケース１０を備えている。なお、本明細において、図中の符号Ｘは密閉型電池１の長さ方向を示し、Ｙは厚み方向を示し、Ｚは高さ方向を示している。
本実施形態に係る密閉型電池１の電池ケース１０は、上面が開放された角型のケース本体１２と、当該ケース本体１２上面の開口部を塞ぐ蓋体１４とから構成されている。電池ケース１０は、例えば、アルミニウム等の金属によって構成される。

また、電池ケース１０の内部には、電極体２０（図２参照）と電解質（図示せず）とが収容されている。図示は省略するが、電極体２０は正極と負極とを備えており、正極と負極の各々はリチウムイオンを吸蔵および放出可能な電極活物質を有している。
なお、電極体の構造や使用される材料は、従来の一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを制限なく使用可能であり、本発明を特徴づけるものではないため詳細な説明を省略する。また、電解質についても、従来からリチウムイオン二次電池の電解質に用いられる材料と同様のものを特に制限なく使用することができる。

そして、図１に示すように、電池ケース１０上面の蓋体１４には、一対の電極端子（ターミナル）３０が設けられている。各々の電極端子３０は、柱状の導電部材であり、外部導電板５０、５０ａなどから構成された導電経路を介して、電池ケース１０内に収容された電極体と電気的に接続されている。そして、一対の電極端子３０のうち、電極体の正極と接続された電極端子３０が正極端子となり、負極と接続された電極端子３０が負極端子となる。また、図示は省略するが、柱状の電極端子３０の外周面にはネジ溝が形成されており、当該電極端子３０にバスバーなどの接続部材を接触させた状態でナットを締め込むことによって、他の二次電池や車両のモーターなどの外部機器と接続させることができる。

２．導電経路
次に、本実施形態における電極体２０から電極端子３０への導電経路について具体的に説明する。図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面を示す図であり、本実施形態に係る密閉型電池の電極端子近傍の断面構造を模式的に示している。図２に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１では、電極体２０から電極端子３０への導電経路を構築するために、集電部材４０と外部導電板５０と絶縁ホルダ６０とが用いられている。

（１）集電部材
図２では一部が省略されているが、集電部材４０は、高さ方向Ｚに延びる長尺の導電性部材であり、一方の端部が電池ケース１０内部の電極体２０と電気的に接続されている。また、集電部材４０の他方の端部４２は、リベット状に形成されており、蓋体１４と絶縁ホルダ６０と外部導電板５０とを貫通させ、電池ケース１０の外部に露出させた後に円盤状にカシメられている。かかる構造の集電部材４０によって、電池ケース１０内部から外部への導電経路が形成されるとともに、絶縁ホルダ６０と外部導電板５０とが蓋体１４に固定される。

（２）外部導電板
外部導電板５０は、上述の集電部材４０と電極端子３０とを電気的に接続し、電池ケース１０外部における導電経路の一部を構成する板状の導電性部材である。
図３は当該外部導電板５０を模式的に示す平面図である。図２および図３に示すように、長さ方向Ｘにおける外部導電板５０の一方の端部には、集電部材４０と電気的に接続される集電部材接続部５１が設けられている。また、外部導電板５０の他方の端部には、電極端子３０と電気的に接続される電極端子接続部５９が設けられている。そして、集電部材接続部５１と電極端子接続部５９とは、幅狭の板状部分である連結部５２によって連結されている。かかる構造を有した外部導電板５０は、集電部材挿通孔５６に集電部材４０を挿通させ、電極端子挿通孔５７に電極端子３０を挿通させることによって、集電部材４０から電極端子３０への導電経路を形成する。

また、図３に示す外部導電板５０では、連結部５２の幅ａ２が、外部導電板５０の他の部分の幅よりも狭くなるように、連結部５２の周囲にスリット５３が形成されている。そして、連結部５２の集電部材接続部５１側の端部が凹状に切削されて折り曲げ部５５が形成されている。これによって、高さ方向Ｚ（図２参照）に連結部５２を容易に屈曲させることができる。

（３）絶縁ホルダ
本実施形態に係る密閉型電池１では、集電部材４０と外部導電板５０と電極端子３０とが、電池ケース１０の蓋体１４と導通することを防止するために、絶縁ホルダ（インシュレータ）６０が用いられている。かかる絶縁ホルダ６０は、絶縁性樹脂（例えば、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリイミド樹脂など）から構成されており、蓋体１４と電極端子３０との間に配置されている。
図４は本実施形態に係る密閉型電池１の絶縁ホルダ６０を模式的に示す平面図である。図４に示すように、長さ方向Ｘにおける絶縁ホルダ６０の一方の端部には、集電部材４０を挿通させる集電部材挿通孔６６が形成されている。また、長さ方向Ｘの他方の端部には、ボルト状の電極端子３０の下端を嵌合させて、電極端子３０の回転を規制する端子収納部６７が形成されている。
なお、詳しくは後述するが、長さ方向Ｘにおける絶縁ホルダ６０の中央部近傍には、略円形の貫通孔６４が形成されており、かかる貫通孔６４の中心部近傍に、逆止弁７４を備えた荷重伝達部材７０が取り付けられている。

３．電流遮断機構
本実施形態に係る密閉型電池１は、電池ケース１０の内圧が所定の圧力を超えた際に、外部導電板５０を切断することによって、電極体２０から電極端子３０への導電経路を遮断する電流遮断機構を備えている。本実施形態における電流遮断機構は、反転板１６と、薄肉部５４と、荷重伝達部材７０とを備えている。以下、電流遮断機構を構築する各々の構造を具体的に説明する。図５は本実施形態に係る密閉型電池の電流遮断機構の動作を説明する図であって、（ａ）は電流遮断機構の作動前の状態を示し、（ｂ）は電流遮断機構の作動後の状態を示す図である。なお、図５は図３中のＶ−Ｖ断面を示している。

（１）反転板
図２および図５（ａ）に示すように、本実施形態における反転板１６は、電池ケース１０の蓋体１４に、外部導電板５０と対向するように形成されている。この反転板１６は、円形の周縁部から中央部１６ａに向けて下方に窪んだ、いわゆる椀状に形成されていると共に、蓋体１４の他の部分よりも厚みが薄くなっている（例えば、０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ）。これによって、過充電による電池ケース１０の内圧上昇が生じた際に、電池ケース１０の他の部分よりも先に、反転板１６を外部導電板５０側（高さ方向Ｚの上方）に向かって凸状に反転させることができる。なお、反転板１６は、個別に作製した中央部１６ａと周縁部とを溶接することによって形成されていてもよいし、中央部１６ａと周縁部とを一体成形することによって形成されていてもよい。
また、反転板１６が反転する圧力は、反転板１６の厚みや周縁部の径などを変更することによって調整することができるため、電流ケース１０の強度や電解質の材料等を考慮して適宜変更すると好ましい。かかる反転板１６が反転する圧力は、例えば、０．５ＭＰａ〜２ＭＰａの範囲内に設定される。

（２）薄肉部
本実施形態における外部導電板５０には、他の部分よりも厚みが薄い薄肉部５４が形成されている。図３に示すように、本実施形態では、連結部５２の電極端子接続部５９側の先端部分に薄肉部５４が設けられており、この薄肉部５４を介して連結部５２と電極端子接続部５９とが接続されている。すなわち、本実施形態では、この薄肉部５４を破断させることによって、連結部５２と電極端子接続部５９との接続を切断して導電経路を遮断することができる。

（３）荷重伝達部材
図５（ａ）に示すように、荷重伝達部材７０は、反転板１６と外部導電板５０との間に配置されている。本実施形態における荷重伝達部材７０は、柱状部７２の上端に角型の逆止弁７４が設けられた断面Ｔ字状の絶縁部材である。この荷重伝達部材７０の柱状部７２の下端は、反転板１６の中央部１６ａの上面と接触しており、逆止弁７４の上面は、外部導電板５０の連結部５２の下面と接触している。このため、反転板１６が反転した際の荷重を外部導電板５０の連結部５２に伝達し、薄肉部５４を破断させることができる。なお、荷重伝達部材７０に用いられる絶縁材料は、上述した絶縁ホルダ６０と同様の絶縁性樹脂（例えば、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリイミド樹脂など）であることが好ましい。

そして、上記したように、本実施形態に係る密閉型電池１では、荷重伝達部材７０の上端に逆止弁７４が設けられている。図５（ａ）に示すように、逆止弁７４は、密閉型電池１の厚み方向Ｙに沿った長辺を有しており、高さ方向Ｚの下方に向かうに従って厚み方向Ｙにおける長さが短くなるような逆テーパー状の側面を有している。かかる逆止弁７４の上面の長さａ１は、連結部５２の幅ａ２よりも長くなるように設定されている。
また、本実施形態では、反転板１６が反転した際に逆止弁７４が外部導電板５０よりも上方に配置されるように、柱状部７２の高さや反転板１６の反転高さなどが調整されている。
これによって、図５（ｂ）に示すように、電流遮断機構が作動して反転板１６が反転した際に、薄肉部５４が適切に破断されるように連結部５２を押し上げることができると共に、逆止弁７４を外部導電板５０（電極端子接続部５９）よりも上方まで上昇させ、逆止弁７４と電極端子接続部５９とを係合させることができる。

また、本実施形態に係る密閉型電池１では、絶縁ホルダ６０と荷重伝達部材７０が一体に成形されている。具体的には、図４に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１では、絶縁ホルダ６０の貫通孔６４の中央近傍に荷重伝達部材７０が配置されており、図５に示すように絶縁ホルダ６０と荷重伝達部材７０とが架橋部６２で接続されている。このように、絶縁ホルダ６０と荷重伝達部材７０とを一体に成形することによって、部品点数の増加によるコストの増加を抑制することができる。また、荷重伝達部材７０が絶縁ホルダ６０に一体に成形されているため、荷重伝達部材７０の位置調整が容易になり、反転板１６が反転した際の荷重を正確に外部導電板５０に伝達することができる。

（４）電流遮断機構の動作
次に、上述した構造を有する電流遮断機構の動作について説明する。

上述したように、密閉型電池１の充電中に過充電が生じると、電解質の分解などによってガスが発生して電池ケース１０の内圧が上昇する。本実施形態では、この過充電によって上昇した電池ケース１０の内圧が予め設定した圧力を超えると、図５（ｂ）に示すように反転板１６が上方に向かって凸状に反転する。かかる反転板１６の反転によって生じた荷重は、荷重伝達部材７０によって外部導電板５０の連結部５２に伝達される。これによって、折れ曲がり部５５（図３参照）を支点に押し上げられるように連結部５２が屈曲し、薄肉部５４が破断される。これによって、連結部５２と電極端子接続部５９とが離間して、電極体２０から電極端子３０への導電経路が遮断される。

そして、上記したように、荷重伝達部材７０は、逆止弁７４が外部導電板５０よりも上方に配置されるまで、連結部５２を押し上げながら上昇する。そして、逆止弁７４が外部導電板５０よりも上方に配置されると、荷重伝達部材７０の逆止弁７４が電極端子接続部５９（外部導電板５０）と係合し、離間した連結部５２と電極端子接続部５９との間（切断部分）に絶縁性の逆止弁７４が配置される。

このように、本実施形態に係る密閉型電池１では、電流遮断機構が作動すると、連結部５２と電極端子接続部５９との間（破断部分）に絶縁性の逆止弁が配置されるため、当該破断部分に導電性の異物や水分などが付着して、一度切断された導電経路が再び導通することを防止できる。
さらに、本実施形態では、逆止弁７４が電極端子接続部５９（外部導電板５０）の上面に係合しているため、振動や応力などで連結部５２が揺動した際に、連結部５２と電極端子接続部５９とが接触することも確実に防止することができる。
従って、本実施形態に係る密閉型電池１によれば、一度遮断させた導電経路が再び導通することを防止し、電流遮断状態を適切に保持することによって過充電による弊害を確実に防止することができる。

４．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態を説明したが、上述の実施形態は例示にすぎず、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、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、上述した実施形態に係る密閉型電池１では、図５に示すように、テーパー面を有する角型の逆止弁７４が荷重伝達部材７０に形成されている。しかし、逆止弁は、電流遮断機構が作動した後で外部導電板の上面と係合できるような構造を有していればよく、上記の実施形態に限定されない。

図６は他の実施形態に係る密閉型電池の電流遮断機構の動作を説明する図であって、（ａ）は電流遮断機構の作動前の状態を示し、（ｂ）は電流遮断機構の作動中の状態を示し、（ｃ）は電流遮断機構の作動後の状態を示す図である。
図６（ａ）に示すように、本発明の他の実施形態として、矩形の逆止弁本体７５ａの上部から斜め下方に延びる板状の係止部材７５ｂを一対有した逆止弁７５を備えた荷重伝達部材７０を用いることもできる。このような逆止弁７５を備えた荷重伝達部材７０を使用した場合に反転板１６が反転すると、図６（ｂ）に示すように、一対の係止部材７５ｂが逆止弁７５の本体に密着するように折れ曲がるため、荷重伝達部材７０を容易に上昇させることができる。そして、図６（ｃ）に示すように、逆止弁７５が電極端子接続部５９の上方に位置するまで荷重伝達部材７０が上昇すると、折れ曲がっていた一対の係止部材７５ｂが開いて電極端子接続部５９の上面と係合する。
このように、図６に示す実施形態によれば、荷重伝達部材７０を容易に上昇させて、逆止弁７５を外部導電板５０と係合させることができるため、一度遮断させた導電経路が再び導通することをより確実に防止することができる。

また、上述した実施形態では、絶縁ホルダ６０と荷重伝達部材７０が一体に成形されているが、これに限定されず、絶縁ホルダと荷重伝達部材は別体であってもよい。例えば、荷重伝達部材は、外部導電板に向かって立設するように、反転板の中央部の上面に取り付けてもよい。このような構造であっても、反転板の反転によって生じた荷重を外部導電板に伝達することができるため、薄肉部を破断させて導電経路を遮断することができる。

以上、実施形態に基づいて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。

１ 密閉型電池
１０ 電池ケース
１２ ケース本体
１４ 蓋体
１６ 反転板
１６ａ 反転板の中央部
２０ 電極体
３０ 電極端子（ターミナル）
４０ 集電部材
４２ 集電部材の端部
５０、５０ａ 外部導電板
５１ 集電部材接続部
５２ 連結部
５３ スリット
５４ 薄肉部
５５ 折り曲げ部
５６ 集電部材挿通孔
５７ 電極端子挿通孔
５９ 電極端子接続部
６０ 絶縁ホルダ（インシュレータ）
６２ 架橋部
６４ 貫通孔
６６ 集電部材挿通孔
６７ 端子収納部
７０ 荷重伝達部材
７２ 柱状部
７４、７５ 逆止弁
７５ａ 逆止弁本体
７５ｂ 係止部材
ａ１ 逆止弁の上面の長さ
ａ２ 連結部の幅
Ｘ （密閉型電池の）長さ方向
Ｙ （密閉型電池の）厚み方向
Ｚ （密閉型電池の）高さ方向

Claims (1)

1. 電極体を収容する電池ケースと、
   外部機器と接続される電極端子と、
   前記電池ケースの外部に配置され、前記電極体から前記電極端子への導電経路の一部を構成する外部導電板と、
   前記電池ケースの内圧が所定の圧力を超えた際に、前記外部導電板を切断して前記導電経路を遮断する電流遮断機構と
   を備えた密閉型電池であって、
   前記電流遮断機構は、
   前記外部導電板と対向するように前記電池ケースに形成され、前記電池ケースの内圧が所定の圧力を超えた際に前記外部導電板に向かって凸状に反転する反転板と、
   前記外部導電板の他の部分よりも厚みが薄くなるように、前記外部導電板に形成された薄肉部と、
   前記反転板と前記外部導電板との間に配置され、前記反転板の反転による荷重を前記外部導電板に伝達して前記外部導電板の前記薄肉部を破断させる荷重伝達部材と
   を備えており、
   前記荷重伝達部材が、下端が前記反転板と接する柱状部と、該柱状部の上端に形成された逆止弁とを備えた絶縁部材であり、
   前記電流遮断機構が作動して前記反転板が反転した際に、前記逆止弁が前記外部導電板よりも上方まで上昇して当該外部導電板と係合する、密閉型電池。
   

Images