JP2022114916A - 安全弁、電池ケース、及び安全弁の形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度な設備及び製造技術を要することなく容易に製造可能な安全弁、その安全弁を設けた電池ケース、及びその安全弁を形成する形成方法を提供する。【解決手段】電池ケースにおいて部分的に肉薄に形成された安全弁は、平坦部と、平坦部の周縁に形成され、電池ケースの内部に向けて凹む溝部とを有する。溝部は、電池ケース内の内圧が所定の防爆圧以上となると、電池ケースの外側に向けて突出するように溝部の凹形状が反転して亀裂が生じることにより開口する。【選択図】図1
Description
本発明は、電池用の安全弁、その安全弁を設けた電池ケース、及びその安全弁を形成する形成方法に関する。
携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン等の機器の電源として、例えばリチウムイオン二次電池のような二次電池が広く使用されている。このような二次電池は、内部の電解液の漏れや、外部からの水分等の侵入を防止するため、その外装体である電池ケースは、密閉性の高い構造となっている。
一方で、この種の電池では、劣化による温度上昇や過大電圧による過充電が生じると、電解液中の電解質が揮発又は分解してガスが発生する。このガスが密閉空間に閉じ込められることで、電池ケース内の圧力(内圧)が急激に上昇し、これにより、電池ケースが膨張変形して破裂するといった危険性があった。
このような問題を解消するため、この種の電池は、電池ケース内で発生したガスを効率よく排出するために、多くの場合、内圧の上昇により開口する安全弁を設けている。例えば特許文献1には、安全弁において、安全弁の他の部分と比較して厚みが非常に小さいノッチを形成し、電池ケース内で発生したガスをノッチの開口により排出させる点が記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載の安全弁は、開口する際の内圧(防爆圧)を制御するために、10~数10μmの許容範囲でノッチの厚みを小さくするように調整する必要がある。そのため、この安全弁は、製造が難しいことから、高精度な設備及び製造技術が必要とされている。
また、この安全弁は、その厚みのサイズ(寸法)が安定化するまで歩留まりが低下する等、生産性を高めていくのが難しい。また、厚みの非常に小さなノッチを製造する際には、クラックが発生し易く、また、そのようなノッチに対する検査も難しい。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、上述のような問題点を解決することを課題の一例とする。すなわち、本発明の課題の一例は、高精度な設備及び製造技術を要することなく容易に製造可能な安全弁、その安全弁を設けた電池ケース、及びその安全弁を形成する形成方法を提供することである。
本発明に係る安全弁は、電池ケースにおいて部分的に肉薄に形成された安全弁であって、平坦部と、前記平坦部の周縁に形成され、前記電池ケースの内部に向けて凹む溝部と、を有し、前記溝部は、前記電池ケース内の内圧が所定の防爆圧以上となると、前記電池ケースの外側に向けて突出するように前記溝部の凹形状が反転して亀裂が生じることにより開口することを特徴とする。
本発明に係る電池ケースは、本発明に係る安全弁を設けてなる。
本発明に係る安全弁の形成方法は、電池ケースにおいて部分的に肉薄に安全弁を形成する形成方法であって、前記電池ケースの厚み方向に対して成形型を用いた加圧を行うことで、平坦部と、前記平坦部の周縁に、前記電池ケースの内部に向けて凹む溝部とを有する前記安全弁を形成する形成工程を有し、前記溝部は、前記電池ケース内の内圧が所定の防爆圧以上となると、前記電池ケースの外側に向けて突出するように前記溝部の凹形状が反転して亀裂が生じることにより開口することを特徴とする。
本発明によれば、高精度な設備及び製造技術を要することなく容易に製造可能な安全弁、その安全弁を設けた電池ケース、及びその安全弁を形成する形成方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態(本実施形態)について、図面を参照しながら説明する。
[電池ケース]
図1に示す電池ケース(電池外装体)1は、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属製の板材を絞り加工、しごき加工等を組み合わせたプレス成形により、二次電池用の角形の電池ケースとして成形されたものである。なお、電池ケース1を形成する材料は、アルミニウム、アルミニウム合金に限定されず、例えばステンレス等の他の金属材料、或いはその他の材料であってもよい。
[電池ケース]
図1に示す電池ケース(電池外装体)1は、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属製の板材を絞り加工、しごき加工等を組み合わせたプレス成形により、二次電池用の角形の電池ケースとして成形されたものである。なお、電池ケース1を形成する材料は、アルミニウム、アルミニウム合金に限定されず、例えばステンレス等の他の金属材料、或いはその他の材料であってもよい。
図1に示すように、電池ケース1は、二次電池の発電要素(電極、電解液等)を収容するための収容部11と、後述の安全弁13が形成された蓋部12とからなる。収容部11は、正面11a及び背面11bと、側面11c,11dと、底面11eとからなり、内部に二次電池の発電要素を収容可能な空間を有する箱型の形状をなしている。この収容部11において、正面11a及び背面11bは、側面11c,11dよりも広い面積を有する。
収容部11の開口側は、蓋部12が溶接加工等により接合されることで封口される。電池ケース1は、このように収容部11上に蓋部12が設けられることで、外部から完全に遮断された密閉空間を有する電池ケース(電池外装体)となる。実際、電池ケース1は、収容部11内に二次電池の発電要素を収容した状態で、収容部11の開口側を蓋部12によって封口することで、リチウムイオン二次電池等の二次電池となる。
[蓋部]
電池ケース1の端板である蓋部12は、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属製の板材を加工してなるものである。図1及び図2に示すように、蓋部12の平面長手方向の略中央位置には安全弁13が形成されている。蓋部12において、安全弁13は、蓋部12と収容部11とを接合する際の溶接加工等の影響を受けないように、蓋部12の平面長手方向の略中央位置に形成されることが好ましいが、これに限定されず、蓋部12における他の位置に形成されていてもよい。
電池ケース1の端板である蓋部12は、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属製の板材を加工してなるものである。図1及び図2に示すように、蓋部12の平面長手方向の略中央位置には安全弁13が形成されている。蓋部12において、安全弁13は、蓋部12と収容部11とを接合する際の溶接加工等の影響を受けないように、蓋部12の平面長手方向の略中央位置に形成されることが好ましいが、これに限定されず、蓋部12における他の位置に形成されていてもよい。
蓋部12の長手方向の長さN1は、特に限定されないが、例えば100mm~150mmであってよい。蓋部12の短手方向の長さN2は、特に限定されないが、例えば10mm~30mmであってよい。
蓋部12の板厚Tは、特に限定されないが、例えば1.5mm~2.0mmであってよい。
蓋部12には、図示しないが、安全弁13とは異なる位置に二次電池の他の構成要素(端子等)を備えるようにしてもよい。
[安全弁]
図3に示す安全弁13は、電池ケース1内で発生したガスを効率よく外部へと排出し、爆発を防止するための構造であり、電池ケース1内の圧力(内圧)が所定の防爆圧以上となると作動するものである。安全弁13は、蓋部12を構成する金属製の板材に対するプレス成形により、蓋部12において部分的に肉薄に形成されており、平坦部131と、平坦部131の周縁に形成されて電池ケース1の内部に向けて凹む溝部132とを有する。
図3に示す安全弁13は、電池ケース1内で発生したガスを効率よく外部へと排出し、爆発を防止するための構造であり、電池ケース1内の圧力(内圧)が所定の防爆圧以上となると作動するものである。安全弁13は、蓋部12を構成する金属製の板材に対するプレス成形により、蓋部12において部分的に肉薄に形成されており、平坦部131と、平坦部131の周縁に形成されて電池ケース1の内部に向けて凹む溝部132とを有する。
なお、所定の防爆圧の値は、特に限定されず、本実施形態で述べる各種サイズ(蓋部12の長さN1及び長さN2、板厚T、板厚t、径D1、径D2、角度θ1、角度θ2、大きさH1、大きさH2、溝幅L、R寸法等)や安全弁13の形状等によって制御されてよい。この所定の防爆圧は、例えば0.5MPa~2MPaの範囲にある値とすることができ、例えば1MPaとすることができる。
図3に示すように、安全弁13における溝部132の形状や形成される位置等によっては、平坦部131に対して溝部132よりも更に外側に、凹部133が形成されてもよい。
図4に示すように、蓋部12よりも肉薄に形成される安全弁13の板厚tは、特に限定されないが、蓋部12の板厚Tが上述の1.5mm~2.0mmである場合、板厚tは、例えば0.1mm~0.5mmであってよい。なお、蓋部12の板厚T及び安全弁13の板厚tは、電池ケース1の防爆圧に応じて適宜調整することができる。また、安全弁13の板厚tは、安全弁13の全体に亘り、均一であっても均一でなくてもよい。
図3及び図4に示すように、安全弁13の形状(すなわち凹部133の外縁の形状)は、中心点Oを中心とする略円形である。この略円形の安全弁13の径(直径)D1は、特に限定されないが、例えば7mm~15mmであってよい。
平坦部131は、中心点Oを中心とする略円形の形状を有する。平坦部131は、肉薄で略円形のパネルである。そのため、平坦部131は、平坦部131における電池ケース1の内部側となる面(内面)が、電池ケース1の内部でガスが発生した場合にそのガスの発生によって上昇する内圧を受けることで、電池ケース1の外部方向に凸状に湾曲するように変形する。
平坦部131は、角部を有しない略円形の形状であることにより、その内面は、電池ケース1内の内圧に対する応力の均一化を図ることができる。仮に平坦部131の形状が角部を有する矩形形状であると、平坦部131の内面では、内圧に対する応力がその角部に集中することから好ましくない。
平坦部131の略円形の径(直径)D2は、特に限定されないが、例えば5mm~10mmであってよい。
図4に示すように、溝部132は、平坦部131に繋がる内周側部132aと、内周側部132aに繋がる底部132bと、底部132bに繋がる外周側部132cとを有する。図4に示すように、凹部133は、内周側部133aと、内周側部133aに繋がる底部133bと、底部133bに繋がる外周側部133cとを有する。
溝部132は、電池ケース1内の内圧の上昇により、その凹みの深さが小さくなるように変形していき、電池ケース1内の内圧が所定の防爆圧以上となると、電池ケース1の外側に向けて突出するように溝部132の凹形状が反転して亀裂が生じ、これにより開口する。この開口部分からガスが外部へと放出されることで、電池ケース1が大きく破壊されることが防止される。
なお、図1~図4に示す例とは異なり、後述するように、肉薄に形成された安全弁13は、平坦部131の外縁に溝部132のみを形成するものであってもよい(図7(a)参照)。或いは、安全弁13は、平坦部131の外縁に溝部132を形成し、更にその外縁に平坦部131の面方向と略平行な面方向を有する外縁平坦部を形成するものであってもよい(図6(c)~図6(e)参照)。
[安全弁の構成例]
次に、安全弁13の具体的な構成について、いくつかの例を挙げて説明する。図5(a)~図5(d)、図6(a)~(e)、図7(a)、(b)、図8(a)~(c)、図9(a)~(c)、図10(a)~(f)には、安全弁13の各形状の例をそれぞれ、安全弁13の中心軸O’(中心点Oを通り平坦部131に対して垂直な軸)を通る断面の一部が示されている。
次に、安全弁13の具体的な構成について、いくつかの例を挙げて説明する。図5(a)~図5(d)、図6(a)~(e)、図7(a)、(b)、図8(a)~(c)、図9(a)~(c)、図10(a)~(f)には、安全弁13の各形状の例をそれぞれ、安全弁13の中心軸O’(中心点Oを通り平坦部131に対して垂直な軸)を通る断面の一部が示されている。
図5(a)に示す安全弁13-1は、平坦部131の外縁に溝部132-1が形成され、溝部132-1の外縁に凹部133-1が形成されている。溝部132-1は、平坦部131に繋がる内周側部132-1aと、内周側部132-1aに繋がる底部132-1bと、底部132-1bに繋がる外周側部132-1cとを有する。凹部133-1は、内周側部133-1aと、内周側部133-1aに繋がる底部133-1bと、底部133-1bに繋がる外周側部133-1cとを有する。溝部132-1の外周側部132-1cと凹部133-1の内周側部133-1aとは連接点134-1によって繋がっている。
また、中心軸O’を通る断面視で、連接点134-1を含む、溝部132-1の外周側部132-1cと、溝部132-1の外縁に形成された凹部133-1の内周側部133-1aとの境界部136-1の形状は、角部を有しない湾曲形状である。
このように、安全弁13は、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の外周側部132cと凹部133の内周側部133aとの境界部の形状が、角部を有しない湾曲形状である。この安全弁13において、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の外周側部132cと凹部133の内周側部133aとの境界部(安全弁13-1では境界部136-1)の湾曲形状の内側のR寸法(曲率半径R-a)は、均一であっても均一でなくてもよい。この湾曲形状の内側のR寸法(曲率半径R-a)は、0.2mm~0.5mmであることが好ましい。
中心軸O’を通る断面視で、安全弁13の板厚tを用いると、安全弁13の溝部132の内側において、外周側部132cの直線部分と内周側部132aの直線部分との距離(安全弁13-1では外周側部132-1cの直線部分と内周側部132-1aの直線部分との距離)である溝幅Lは、0mm~t×10mm(すなわち板厚tの10倍の長さ)であってよい。なお、図5(a)に示す安全弁13-1の溝部132-1では、溝幅Lは、0.4mmであってよい。
また、中心軸O’を通る断面視で、底部132b(安全弁13-1では底部132-1b)は、角部を有しない湾曲形状である。底部132b(安全弁13-1では底部132-1b)の湾曲形状の指標である、底部132bの内側のR寸法(曲率半径R-b)は、0.1mm~1.0mmであってよい。安全弁13-1の溝部132-1は、外周側部132-1cの直線部分と内周側部132-1aの直線部分とが平行であり、これにより、厚み方向において、溝幅Lは均一であってよい。また、安全弁13-1では、溝部132-1の湾曲形状の底部132bの内側において、R寸法(曲率半径R-b)は均一であってよい。
溝幅Lは、小さくなる程、溝部132に亀裂が生じ易くなる。同様に、R寸法(曲率半径R-b)も、小さくなる程、溝部132に亀裂が生じ易くなる。但し、この亀裂の生じ易さと後述の耐圧強度との両立を考慮すると、上述のように、溝幅Lは0mm~t×10mmであることが好ましく、R寸法(曲率半径R-b)は0.1mm~1.0mmであることが好ましい。
また、図5(a)に示す中心軸O’を通る断面視で、溝部132-1の内周側部132-1aにおける、平坦部131に繋がる境界部137-1の形状は、角部を有しない湾曲形状である。
このように、安全弁13は、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の内周側部132a(安全弁13-1では内周側部132-1a)における、平坦部131に繋がる境界部(安全弁13-1では境界部137-1)の形状は、角部を有しない湾曲形状である。この安全弁13において、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の内周側部132a(安全弁13-1では内周側部132-1a)における、平坦部131に繋がる境界部(安全弁13-1では境界部137-1)の湾曲形状の内側のR寸法(曲率半径R-c)は、均一であっても均一でなくてもよい。この湾曲形状の内側のR寸法(曲率半径R-c)は、0.1mm~0.4mmであることが好ましい。
すなわち、安全弁13は、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の外周側部132cと凹部133の内周側部133aとの境界部(安全弁13-1では境界部136-1)の形状、底部132b(安全弁13-1では底部132-1b)の形状、溝部132の内周側部132a(安全弁13-1では内周側部132-1a)における、平坦部131に繋がる境界部(安全弁13-1では境界部137-1)の形状は、何れも、角部を有しない湾曲形状である。
図5(b)に示す安全弁13-2は、平坦部131の外縁に溝部132-2を有し、その外縁に凹部133-2を有している。この溝部132-2は、その内側において、中心軸O’を通る断面視で、互いに平行な外周側部132-2cの直線部分と内周側部132-2aの直線部分との距離である溝幅Lが、図5(a)と同様に0.4mmであってよい。但し、この溝部132-2では、図5(b)に示すように、底部132-2bの内側において、外周側部132-2c側のR寸法(曲率半径R-d)が0.1mmであり、内周側部132-2a側のR寸法(曲率半径R-e)が0.3mmであってよい。
この点で、図5(b)の安全弁13-2は、図5(a)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。このように、底部132bの内側のR寸法は、底部132bの内側の位置によって異なっていてもよい。
図5(c)に示す安全弁13-3は、平坦部131の外縁に溝部132-3を有し、その外縁に凹部133-3を有している。この溝部132-3は、その内側において、中心軸O’を通る断面視で、底部132-3bに繋がる外周側部132-3cと内周側部132-3aとが近接している。溝部132-3の内側において、外周側部132-3cと内周側部132-3aとの距離である溝幅Lは、特に限定されないが、例えば0.1mm以下の非常に小さい値であってよい。或いは、中心軸O’を通る断面視で、この外周側部132-3cと内周側部132-3aとは、接触していてもよい。
この点で、図5(c)の安全弁13-3は、図5(a)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
図5(d)に示す安全弁13-4は、平坦部131の外縁に溝部132-4を有し、その外縁に凹部133-4を有している。この溝部132-4は、その内側において、中心軸O’を通る断面視で、底部132-4bから開口側に向けて、外周側部132-4cと内周側部132-4aとの距離である溝幅Lが徐々に大きくなっている。このように溝幅Lは、溝部132内の厚み方向の位置によって異なっていてもよい。この点で、図5(d)の安全弁13-4は、図5(a)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
図6(a)には、図5(a)で示した安全弁13-1が示されている。中心軸O’を通る断面視で、溝部132の内部における内周側部132aの厚み方向の大きさH1、及び、外周側部132cの内部における厚み方向の大きさH2の何れも、大きくなる程、電池ケース1内の内圧に対する耐圧強度は高くなる。溝部132の内部における内周側部132a(安全弁13-1では内周側部132-1a)の厚み方向の大きさH1は、例えば0.8mm~1.7mmであってよく、溝部132の内部における外周側部132c(安全弁13-1では外周側部132-1c)の厚み方向の大きさH2は、例えば0mm~1.7mmであってよい。
また、安全弁13は、その溝部132の水平方向の位置が中心軸O’に近くなる程、その内圧に対する耐圧強度が高くなる。これは、平坦部131の径D2の大きさを調整することで、溝部132の水平方向の位置を調整することができる。
図6(b)に示す安全弁13-5は、平坦部131の外縁に溝部132-5が形成され、溝部132-5の外縁に凹部133-5が形成されている。溝部132-5は、平坦部131に繋がる内周側部132-5aと、内周側部132-5aに繋がる底部132-5bと、底部132-5bに繋がる外周側部132-5cとを有する。凹部133-5は、内周側部133-5aと、内周側部133-5aに繋がる底部133-5bと、底部133-5bに繋がる外周側部133-5cとを有する。溝部132-5の外周側部132-5cと凹部133-5の内周側部133-5aとは連接点134-5によって繋がっている。
図6(a)の例では、安全弁13-1の径方向の最外においてプレス成形された位置(凹部133-1の底部133-1bの位置)が、蓋部12の厚み方向の最も低い位置となっている。これに対し、図6(b)の例では、安全弁13-5の径方向の最外においてプレス成形された位置(凹部133-5の底部133-5bの位置)が、蓋部12の厚み方向の略中央位置となっている。これにより、図6(a)に示す安全弁13-1は、図6(b)に示す安全弁13-5の凹部133-5よりも凹みの大きい凹部133-1を有している。この点で、図6(b)の安全弁13-5は、図6(a)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
図6(c)に示す安全弁13-6は、平坦部131の外縁に、溝部132-6を形成している。但し、図6(c)の例では、溝部132-6の外縁に、平坦部131の面方向と略平行な面方向を有する外縁平坦部135-6を形成している。
また、図6(c)の例では、蓋部12の厚み方向におけるプレス成形の位置が、蓋部12の厚み方向の略中央位置となっている。これにより、溝部132-6は、蓋部12の下面よりも下側に僅かに突出している。これらの点で、図6(c)の安全弁13-6は、図6(a)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
溝部132-6の外周側部132-6cにおける、外縁平坦部135-6に繋がる境界部136-6の形状は、角部を有しない湾曲形状である。
このように、安全弁13は、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の外縁に外縁平坦部が形成されている場合、溝部132の外周側部132cにおける、外縁平坦部に繋がる境界部(安全弁13-6では境界部136-6)の形状が、角部を有しない湾曲形状である。この安全弁13において、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の外周側部132cにおける、外縁平坦部に繋がる境界部(安全弁13-6では境界部136-6)の湾曲形状の内側のR寸法(曲率半径R-f)は、均一であっても均一でなくてもよい。この湾曲形状の内側のR寸法(曲率半径R-f)は、0.2mm~0.5mmであることが好ましい。
図6(d)に示す安全弁13-7は、平坦部131の外縁に形成された溝部132-7とその外縁に形成された外縁平坦部135-7が、図6(c)の安全弁13-6と略同様の構成を有している。
但し、蓋部12の厚み方向におけるプレス成形の位置が、蓋部12の厚み方向の最も低い位置である点で、図6(c)の安全弁13-6と異なる。これにより、安全弁13-7の溝部132-7は、蓋部12の下面よりも下側に大きく突出している。
また図6(e)に示す安全弁13-8は、平坦部131の外縁に形成された溝部132-8とその外縁に形成された外縁平坦部135-8が、図6(c)の安全弁13-6と略同様の構成を有している。
但し、蓋部12の厚み方向におけるプレス成形の位置が、蓋部12の厚み方向の最も高い位置である点で、図6(c)の安全弁13-6と異なる。これにより、安全弁13-8の溝部132-8は、蓋部12の下面よりも下側には突出しない構造となっている。
安全弁13としては、外部からの衝撃により破壊されないよう、また、電池ケース1内の発電要素等の邪魔とならないような構造であることが好ましい。そのため、図6(a)~図6(e)に示す各種の安全弁13の中では、その厚み方向において、安全弁13の構成要素が、蓋部12の上面よりも上側に突出せず、且つ、蓋部12の下面よりも突出しないもの(例えば図6(a)、図6(b)、図6(e))が特に好ましい。
図7(a)に示す安全弁13-9は、平坦部131の外縁に溝部132-9のみが形成されている。溝部132-9は、平坦部131に繋がる内周側部132-9aと、内周側部132-9aに繋がる底部132-9bと、底部132-9bに繋がる外周側部132-9cとを有する。この点で、図7(a)の安全弁13-9は、図5(a)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。溝部132-9の外周側部132-9cにおける、蓋部12に繋がる境界部136-9の形状は、角部を有しない湾曲形状である。
このように、安全弁13は、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の外縁に蓋部12が形成されている場合、溝部132の外周側部132cにおける、蓋部12に繋がる境界部(安全弁13-9では境界部136-9)の形状が、角部を有しない湾曲形状である。この安全弁13において、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の外周側部132cにおける、蓋部12に繋がる境界部(安全弁13-9では境界部136-9)の湾曲形状の内側のR寸法(曲率半径R-g)は、均一であっても均一でなくてもよい。この湾曲形状の内側のR寸法(曲率半径R-g)は、0.2mm~0.5mmであることが好ましい。
図7(a)に示すように、中心軸O’を通る断面視で、内周側部132-9aと外周側部132-9cとは、底部132-9bから開口側に向けて徐々にその距離が大きくなっている。そのため、溝部132-9は、図6(a)~(e)の例よりも大きな開口を有している。
図7(b)に示す安全弁13-10は、平坦部131の外側に溝部132-10のみが形成されている。溝部132-10は、図7(a)に示す溝部132-9の底部132-9b及び外周側部132-9cを加工した形状となっており、内周側部132-10aと、底部132-10bと、第1外周側部132-10cと、第2外周側部132-10dとを有している。
中心軸O’を通る断面視で、図7(a)に示す安全弁13-9は、溝部132-9の外周側部132-9cが略直線状である。これに対し、図7(b)に示す安全弁13-10は、溝部132-10の外周側部が第1外周側部132-10cと第2外周側部132-10dとによって屈曲した形状となっており、図5(a)の底部132-1bと同形状の底部132-10bを形成している。このような溝部132-10を有する安全弁13-10は、図7(a)の溝部132-9を有する安全弁13-9よりも耐圧強度が高いものとなっている。この点で、図7(b)の安全弁13-10は、図7(a)の安全弁13-9と異なっており、それ以外は、安全弁13-9と同様の構成を備えていてよい。
図8(a)には、図5(a)で示した安全弁13-1が示されている。この安全弁13-1は、その厚み方向における、平坦部131の高さ位置と、溝部132-1の外周側部132-1cと凹部133-1の内周側部133-1aとの連接点134-1の高さ位置とが略同一となっている(すなわち、内周側部132-1aの大きさH1≒外周側部132-1cの大きさH2である)。
これに対し、図8(b)に示す安全弁13-11は、その厚み方向における、平坦部131の高さ位置よりも、溝部132-11の外周側部132-11cと凹部133-11の内周側部133-11aとの連接点134-11の高さ位置が高くなっている(すなわち、内周側部132-11aの大きさH1<外周側部132-11cの大きさH2である)。この点で、図8(b)の安全弁13-11は、図8(a)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
また、図8(c)に示す安全弁13-12は、その厚み方向における、平坦部131の高さ位置の方が、溝部132-12の外周側部132-12cと凹部133-12の内周側部133-12aとの連接点134-12の高さ位置よりも高くなっている(すなわち、外周側部132-12cの大きさH2<内周側部132-12aの大きさH1である)。この点で、図8(c)の安全弁13-12は、図8(a)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
図8(a)~図8(c)に示す安全弁13-1、13-11、13-12の何れも、その厚み方向において、蓋部12の上面よりも上側に突出せず、且つ、蓋部12の下面よりも突出しないものとなっている。これら安全弁13-1、13-11、13-12は、溝部132-1の内周側部132-1a、溝部132-11の内周側部132-11a、溝部132-12の内周側部132-12aの何れも、その厚み方向の大きさH1が略同一である。その一方、安全弁13-1、13-11、13-12の内、安全弁13-11の溝部132-11は、その外周側部132-11cの厚み方向の大きさH2が最も大きいものとなっている。また、安全弁13-12の溝部132-12は、その外周側部132-12cの厚み方向の大きさH2が最も小さいものとなっている。
これにより、図8(a)~図8(c)に示す安全弁13-1、13-11、13-12の中では、溝部132-11を有する安全弁13-11の耐圧強度が最も大きく、溝部132-12を有する安全弁13-12の耐圧強度が最も小さい。
図9(a)に示す安全弁13-13は、平坦部131の外縁に、図5(a)に示す溝部132-1と同形状の溝部132-13を形成し、その外縁に凹部133-13を形成している。但し、図9(a)の安全弁13-13は、凹部133-13の形状が図5(a)の凹部133-1の形状と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
図9(b)に示す安全弁13-14も、平坦部131の外縁に図9(a)の溝部132-13と同形状の溝部132-14を形成している。但し、溝部132-14は、その安全弁13-14における水平方向の位置が、図9(a)の安全弁13-13の溝部132-13よりも中心軸O’に近い。そのため、図9(b)に示す安全弁13-14は、図9(a)に示す安全弁13-13よりも、電池ケース1内の内圧に対する耐圧強度が高くなっている。また、これにより、その安全弁13-14は、安全弁13-13の凹部133-13よりも内部空間が大きい凹部133-14を形成している。この点で、図9(b)の安全弁13-14は、図9(a)の安全弁13-13と異なっており、それ以外は、安全弁13-13と同様の構成を備えていてよい。
なお、図9(c)に示す安全弁13-15のように、平坦部131の外縁に図9(a)の溝部132-13と同形状の溝部132-15のみを形成し、その溝部132-15の外縁には凹部を形成しないようにしてもよい。これにより、図9(c)の安全弁13-15の外径D1は、図9(a)の安全弁13-13の外径D1よりも小さいものとなる。この点で、図9(c)の安全弁13-15は、図9(a)の安全弁13-13と異なっており、それ以外は、安全弁13-13と同様の構成を備えていてよい。
図10(a)~図10(f)には、溝部132の形状が異なる複数の安全弁13が示されている。図10(a)に示す安全弁13-16は、平坦部131の外縁に溝部132-16を有し、その外縁に凹部133-16を有している。
この溝部132-16は、中心軸O’を通る断面視で、内周側部132-16aの開口側が中心軸O’側とは反対側に傾斜することで、その開口径が底部132-16bの内部空間の径よりも小さい形状を有している。この点で、この図10(a)の安全弁13-16は、図5(a)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。例えば、中心軸O’を通る断面視で、溝部132-16の底部132-16bを中心として外周側部132-16c(の直線部分)と内周側部132-16a(の直線部分)とでなす角度θ1は、-30°であってよい。この場合、安全弁13-16において、中心軸O’を通る断面視で、平坦部131と内周側部132-16a(の直線部分)とでなす角度θ2は、60°であってよい。
図10(b)には、図5(a)で示した安全弁13-1が示されている。上述のように、安全弁13-1の溝部132-1は、外周側部132-1cの直線部分と内周側部132-1aの直線部分とが平行であってよい。すなわち、中心軸O’を通る断面視で、溝部132-1の底部132-1bを中心として外周側部132-1c(の直線部分)と内周側部132-1a(の直線部分)とでなす角度θ1は、0°であってよい。また、安全弁13-1において、中心軸O’を通る断面視で、平坦部131と内周側部132-1a(の直線部分)とでなす角度θ2は、90°であってよい。
図10(c)に示す安全弁13-17は、平坦部131の外縁に溝部132-17を有し、その外縁に凹部133-17を有している。この溝部132-17は、中心軸O’を通る断面視で、図10(b)の溝部132-1の内周側部132-1aの開口側を中心軸O’方向側に傾斜させた形状を有している。これにより、溝部132-17の内周側部132-17aと外周側部132-17cとは、底部132-17bから開口側に向けてその距離(溝幅L)が徐々に大きくなっている(すなわち、開口径が底部132-17bの内部空間の径よりも大きい形状となっている)。例えば、中心軸O’を通る断面視で、溝部132-17の底部132-17bを中心として外周側部132-17c(の直線部分)と内周側部132-17a(の直線部分)とでなす角度θ1は、10°であってよい。この場合、安全弁13-17において、中心軸O’を通る断面視で、平坦部131と内周側部132-17a(の直線部分)とでなす角度θ2は、100°であってよい。この点で、図10(c)の安全弁13-17は、図10(b)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
図10(d)に示す安全弁13-18は、平坦部131の外縁に溝部132-18を有し、その外縁に凹部133-18を有している。この溝部132-18は、外周側部132-18cの直線部分と内周側部132-18aの直線部分とが平行であってよい。すなわち、中心軸O’を通る断面視で、溝部132-18の底部132-18bを中心として外周側部132-18c(の直線部分)と内周側部132-18a(の直線部分)とでなす角度θ1は、0°であってよい。但し、この溝部132-18は、その開口側が中心軸O’方向側に傾斜している。具体的には、安全弁13-18において、中心軸O’を通る断面視で、平坦部131と内周側部132-18a(の直線部分)とでなす角度θ2は、100°であってよい。この点で、図10(d)の安全弁13-18は、図10(b)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
図10(e)に示す安全弁13-19は、平坦部131の外縁に溝部132-19を有し、その外縁に凹部133-19を有している。この溝部132-19は、外周側部132-19cの直線部分と内周側部132-19aの直線部分とが平行であってよい。すなわち、中心軸O’を通る断面視で、溝部132-19の底部132-19bを中心として外周側部132-19c(の直線部分)と内周側部132-19a(の直線部分)とでなす角度θ1は、0°であってよい。但し、この溝部132-19は、その開口側が中心軸O’方向とは反対方向側に傾斜している。具体的には、安全弁13-19において、中心軸O’を通る断面視で、平坦部131と内周側部132-19a(の直線部分)とでなす角度θ2は、80°であってよい。この点で、図10(e)の安全弁13-19は、図10(b)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
図10(f)に示す安全弁13-20は、平坦部131の外縁に溝部132-20を有し、その外縁に凹部133-20を有している。この溝部132-20は、図10(b)の溝部132-1の外周側部132-1cの開口側を中心軸O’方向とは反対側に傾斜させた形状を有している。これにより、溝部132-20の内周側部132-20aと外周側部132-20cとは、底部132-20bから開口側に向けてその距離(溝幅L)が徐々に大きくなっている。例えば、中心軸O’を通る断面視で、溝部132-20の底部132-20bを中心として外周側部132-20c(の直線部分)と内周側部132-20a(の直線部分)とでなす角度θ1は、10°であってよい。この場合、安全弁13-20において、中心軸O’を通る断面視で、平坦部131と内周側部132-20a(の直線部分)とでなす角度θ2は、90°であってよい。この点で、図10(f)の安全弁13-20は、図10(b)の安全弁13-1と異なっており、それ以外は、安全弁13-1と同様の構成を備えていてよい。
このような図10(a)~図10(f)を踏まえると、安全弁13は、その中心軸O’を通る断面視で、例えば、溝部132の底部132bを中心として外周側部132c(の直線部分)と内周側部132a(の直線部分)とでなす角度θ1は-45°~60°、且つ、平坦部131と内周側部132a(の直線部分)とでなす角度θ2は45°~135°であってよい。角度θ1は、小さい程、溝部132の底部132bに対して内周側部132aと外周側部132cとが開き難くなり内圧に対する耐圧強度が高くなる。但し、溝部132の製造し易さを考慮すると、角度θ1は0°且つ角度θ2は90°であることが好ましい。
[安全弁の変形及び開口]
次に、安全弁13が電池ケース1内の内圧を受けて変形して開口する際の動作例について、図11を用いて説明する。
次に、安全弁13が電池ケース1内の内圧を受けて変形して開口する際の動作例について、図11を用いて説明する。
図11(a)~図11(d)には、蓋部12に形成された安全弁13の中心軸O’を通る断面図が示されている。蓋部12には、図11(a)に示すように、平坦部131と、溝部132と、凹部133とを有する安全弁13が形成されている。なお、図11(a)に示す、溝部132の底部132bを中心として外周側部132c(の直線部分)と内周側部132a(の直線部分)とでなす角度θ1は、例えば0°であってよい。
このような蓋部12を設けた電池ケース1内の内圧が上昇すると、図11(b)に示すように、平坦部131の内面は、その上昇する内圧を受け、中心軸O’を通る断面視で、蓋部12の外側に凸状に湾曲するように変形する。また、溝部132は、底部132bがその上昇する内圧を受け、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の底部132bを中心として外周側部132c(の直線部分)と内周側部132a(の直線部分)とでなす角度θ1が大きくなるように変形する。これにより、内周側部132aと底部132bと外周側部132cとで形成される溝部132の凹みの深さは小さくなっていく。なお、図11(b)に示す角度θ1は、例えば20°であってよい。
この図11(b)に示すように、電池ケース1内の内圧が所定の防爆圧に上昇するまでは、溝部132が有する剛性により大きな塑性変形は阻止されている。その後、電池ケース1内の内圧が所定の防爆圧以上となると、図11(c)に示すように、溝部132は、電池ケース1の外側に向けて突出するように溝部132の凹形状が反転(バックリング)し、その際に溝部132が大きく塑性変形する。(図11(c)に示す角度θ1は、例えば230°であってよい)。これにより、溝部132は、亀裂が生じて図11(d)に示すように開口する。そして、溝部132は、この亀裂により開口した部分から、溝部132におけるその周囲に、その開口(の大きさ)が拡がっていくようになる。
上述したように、安全弁13は、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の外周側部132cと、この外周側部132cに繋がる、溝部132の外縁に形成された部分との境界部の形状(例えば、溝部132の外周側部132cと凹部133の内周側部133aとの境界部の形状)が、角部を有しない湾曲形状である。安全弁13は、電池ケース1内の内圧の上昇に伴い、図11(a)の状態から図11(b)の状態を介して図11(c)の状態になっていく過程において、この境界部の湾曲形状が徐々に拡がっていき、その湾曲形状の凹みの深さが徐々に小さくなっていく。この際、この湾曲形状は、角部を有しないことから、電池ケース1内の内圧に対する応力が角部に集中することがない。そのため、この湾曲形状は、この内圧の上昇によって徐々に拡がっていく際に、亀裂を生じることなくスムーズに拡がっていく。
また、安全弁13は、中心軸O’を通る断面視で、溝部132の外周側部132cと、この外周側部132cに繋がる、溝部132の外縁に形成された部分との境界部の形状(例えば、溝部132の外周側部132cと凹部133の内周側部133aとの境界部の形状)だけでなく、底部132bの形状、及び、溝部132の内周側部132aにおける、平坦部131に繋がる境界部の形状も、角部を有しない湾曲形状である。
これにより、安全弁13は、電池ケース1内の内圧が上昇し所定の防爆圧になるまでの段階において、溝部132の外周側部132cと、この外周側部132cに繋がる、溝部132の外縁に形成された部分との境界部(例えば、溝部132の外周側部132cと凹部133の内周側部133aとの境界部)、底部132b、内周側部132aにおける平坦部131に繋がる境界部の何れも、電池ケース1内の内圧に対する応力が角部に集中することがないため、亀裂が生じることなくその湾曲形状が徐々にスムーズに拡がっていく。
そして、このように亀裂が生じることなく溝部132が拡がった状態の安全弁13は、電池ケース1内の内圧が所定の防爆圧となると、その時点で、溝部132の凹形状がスムーズに反転し、それにより大きく塑性変形することで亀裂が生じ、これにより開口するようになる。
なお、この亀裂による開口によっても、平坦部131は、安全弁13の溝部132に繋がる部分から分離することは無く一体の状態を保持する。このことから、開口時に平坦部131が分離して飛び散る、ということが無いため、安全性を確保することができる。
電池ケース1内で発生したガスは、この開口部分から電池ケース1の外部へと放出される。このようにして、電池ケース1は、大きく破壊されることが防止されるため、二次電池としての安全性が確保される。
本実施形態の安全弁13は、従来のノッチのような構造を有していなくとも、上述の各種サイズ(径D1、径D2、角度θ1、角度θ2、大きさH1、大きさH2、溝幅L、R寸法等)及び形状を調整することで、電池ケース1内の内圧に対して耐圧強度を維持しつつ、その内圧が所定の防爆圧以上となったときに必ず亀裂を生じさせることができる。すなわち、安全弁13では、例えば図11(c)に示す状態となったときに亀裂が生じないことや、図11(c)に示す状態となる前に亀裂が生じてしまうこと等の問題は生じない。
[安全弁の形成]
本実施形態の安全弁13は、例えば次のようなプレス成形により形成することができる。先ず、蓋部12を構成するアルミニウム、アルミニウム合金等の金属製の板材を準備する。次に、プレス機に安全弁13の形状を有する雄型及び雌型からなる1対のプレス金型(成形型)を取り付ける。
本実施形態の安全弁13は、例えば次のようなプレス成形により形成することができる。先ず、蓋部12を構成するアルミニウム、アルミニウム合金等の金属製の板材を準備する。次に、プレス機に安全弁13の形状を有する雄型及び雌型からなる1対のプレス金型(成形型)を取り付ける。
次に、この蓋部12の上平面が雄型に下平面が雌型に対峙するように、雄型と雌型との間に蓋部12を挟み込み、蓋部12の平面長手方向の略中央位置において、その蓋部12平面の上下方向に対して所定の圧力で加圧を行う。このようなプレス成形により、蓋部12は、曲げ引き伸ばされて、図2に示すように、蓋部12の平面長手方向の略中央位置に安全弁13が形成される。この加圧時の所定の圧力は、特に限定されないが、例えば500MPa~1500MPaとすることができる。
本実施形態の安全弁13は、上述のように、電池ケース1内の内圧が所定の防爆圧以上となると、溝部132が、電池ケース1の外側に向けて突出するようにその凹形状が反転して亀裂が生じることにより開口するものである。そのため、この安全弁13は、例えば従来のノッチを形成した安全弁のように、開口する際の内圧(防爆圧)を制御するために、10~数10μmの許容範囲で安全弁の厚みを薄くするように調整する必要がなく、高精度な設備及び製造技術が無くとも、容易に製造することができる。
これにより、この安全弁13の製造においては、厚みのサイズ(寸法)が安定化するまで歩留まりが低下する等の問題がないため、生産性の向上を図ることができ、厚みの小さい複雑な構造を有しないことから、クラック等の発生を抑制することができるとともに、検査も容易に行うことができる。
[変形例]
上述の実施形態は、変形例を含めて各実施形態同士で互いの技術を適用することができる。上述の実施形態は、本発明の内容を限定するものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない程度に変更を加えることができる。
上述の実施形態は、変形例を含めて各実施形態同士で互いの技術を適用することができる。上述の実施形態は、本発明の内容を限定するものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない程度に変更を加えることができる。
安全弁13の形状は、上述の略円形である例に限定されず、他の形状であってもよく、例えば図12に示すように略楕円形であってもよい。
図12に示す安全弁13mは、中心点Omを中心とする略楕円形である。この安全弁13mは、略楕円形の平坦部131mと、その外縁に形成される溝部132mと、その外縁に形成される凹部133mとを有する。安全弁13mの中心点Omを通る短径D3は、特に限定されないが、例えば7mm~15mmであってよい。また、この安全弁13mの中心点Omを通る長径D4は、特に限定されないが、例えば12mm~20mmであってよい。また、平坦部131mの中心点Omを通る短径D31は、特に限定されないが、例えば5mm~10mmであってよい。また、この平坦部131mの中心点Omを通る長径D41は、特に限定されないが、例えば10mm~15mmであってよい。
この略楕円形の安全弁13mにおいても、上述の略円形の安全弁13と同様に、電池ケース1内の内圧が所定の防爆圧以上となると、溝部132mが、電池ケース1の外側に向けて突出するようにその凹形状が反転して亀裂が生じることにより開口する。この際、溝部132mにおいて、最初に開口する部分は、略楕円形における曲率半径の最も大きい短径端部132m-a及び短径端部132m-bであってよい。
なお、安全弁13の形状は、上述したように、角部を有しない形状であれば、上述の略円形、略楕円形に限定されず、他の形状であってもよい。
また、上述の実施形態において、安全弁13は、電池ケース(電池外装体)1の端板である蓋部12に形成されるが、これに限定されず、電池ケース1の収容部11の正面11a、背面11b、側面11c、側面11d、底面11eの何れに形成されるようにしてもよい。なお、収容部11の正面11a、背面11b、側面11c、側面11d、底面11eの形成材料、板厚等の基本的な構成は、上述の蓋部12と同様であってよい。
1 電池ケース、11 収容部、12 蓋部、13 安全弁、131 平坦部、132 溝部、132a 内周側部、132b 底部、132c 外周側部、133 凹部、133a 内周側部、133b 底部、133c 外周側部、13m 安全弁、131m 平坦部、132m 溝部、133m 凹部
Claims (9)
- 電池ケースにおいて部分的に肉薄に形成された安全弁であって、
平坦部と、
前記平坦部の周縁に形成され、前記電池ケースの内部に向けて凹む溝部と、
を有し、
前記溝部は、
前記電池ケース内の内圧が所定の防爆圧以上となると、前記電池ケースの外側に向けて突出するように前記溝部の凹形状が反転して亀裂が生じることにより開口する
ことを特徴とする安全弁。 - 前記溝部は、
前記平坦部に繋がる内周側部と、前記内周側部に繋がる底部と、前記底部に繋がる外周側部とを有し、
前記電池ケース内の内圧上昇により、前記安全弁の中心軸を通る断面視で、前記溝部の前記底部を中心として前記外周側部と前記内周側部とでなす角度が大きくなるように変形する
ことを特徴とする請求項1に記載の安全弁。 - 前記安全弁の中心軸を通る断面視で、前記溝部の前記外周側部と、前記外周側部に繋がる、前記溝部の外縁に形成された部分との境界部の形状は、角部を有しない湾曲形状である
ことを特徴とする請求項2に記載の安全弁。 - 前記安全弁の中心軸を通る断面視で、
前記溝部における前記外周側部と前記内周側部とでなす角度は、-45°~60°であり、
前記平坦部と前記内周側部とでなす角度は、45°~135°である
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の安全弁。 - 前記平坦部に対する垂直視で、
前記平坦部は、略円形又は略楕円形である
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の安全弁。 - 前記安全弁は、前記電池ケースの蓋部の平面長手方向の略中央位置に形成される
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の安全弁。 - 前記安全弁は、前記電池ケースの収容部に形成される
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の安全弁。 - 請求項1乃至7の何れか1項に記載の安全弁を設けた電池ケース。
- 電池ケースにおいて部分的に肉薄に安全弁を形成する形成方法であって、
前記電池ケースの厚み方向に対して成形型を用いた加圧を行うことで、平坦部と、前記平坦部の周縁に、前記電池ケースの内部に向けて凹む溝部とを有する前記安全弁を形成する形成工程を有し、
前記溝部は、
前記電池ケース内の内圧が所定の防爆圧以上となると、前記電池ケースの外側に向けて突出するように前記溝部の凹形状が反転して亀裂が生じることにより開口する
ことを特徴とする安全弁の形成方法。
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