JP2895968B2 - 安全弁付き密閉型電池 - Google Patents

安全弁付き密閉型電池

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JP2895968B2
JP2895968B2 JP3001609A JP160991A JP2895968B2 JP 2895968 B2 JP2895968 B2 JP 2895968B2 JP 3001609 A JP3001609 A JP 3001609A JP 160991 A JP160991 A JP 160991A JP 2895968 B2 JP2895968 B2 JP 2895968B2
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訓 生川
昭良 坂井
伸洋 長尾
芳宏 飛田
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342Non-re-sealable arrangements
    • H01M50/3425Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は安全弁機構を備えた密閉
型電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、リチウム電池、特に塩化チオニー
ル−リチウム電池などでは、負極活物質であるリチウム
が水と非常に反応しやすいため、電池容器をレーザ溶接
により封口して、電池容器内に水分が侵入することを防
止し、完全密閉とする構造が採用されている。
【0003】このようにレーザ溶接により封口した電池
は、密閉性が良く、長期の保存性能に優れているが、反
面、高温下にさらされたり、高電圧で充電されるなどの
異常な状態では、電池の内部圧力が異常に上昇して電池
が破裂することがある。そして、この破裂の際には、電
池の内容物が周囲に飛散して電池をバックアップ電源に
使用する電池使用機器を汚損したり、大きな爆発音が生
じたりするという問題がある。
【0004】このため、この種電池に安全弁機構を付与
して、電池内部圧力が異常に高くなることを防止する必
要がある。そして、この安全弁の作動圧は、前記問題及
び通常の使用条件のもとでは電池内部圧力が5kgf/cm2
以上になることはまずないことなどから、5kgf/cm2
50kgf/cm2の範囲で作動するように設定することが望
ましい。
【0005】具体的な安全弁機構としては、密閉構造を
有するアルカリ蓄電池において、実公昭58−2646
0号公報に示されるように、電池容器の底部に十字状の
溝を形成し、これを安全弁として用いることが提案され
ている。これにより、電池内部圧力が上昇しても、前記
十字状の溝が破断して電池内に発生したガスを外部に放
出することが可能となる。
【0006】しかしながら、前記電池では、電池容器の
強度を保つため、前記十字状の溝を形成する電池容器の
厚みを十分に薄くすることができず、前記溝部分の肉厚
をかなり薄くしない限り、電池内部圧力が上昇しても十
字状の溝の破断は生じない。ところが、比較的肉厚の大
きな電池容器にかなり薄い肉厚の溝を形成するのは難し
く、特に、リチウム電池などの非水電解液電池では、電
池内容物が強い腐食性を有し、電池容器にステンレス鋼
などの硬度が高い耐腐食性の材料用いているため、肉
厚の薄い溝を形成するのはより困難である。更に、上述
のような溝の破断によって安全弁を作動する場合には、
作動圧のバラツキが大きくなるため、安全弁としての機
能を十分に得ることはできない。
【0007】また、特開昭61−203348号公報で
は、電池容器の底面に電池内部にむかって突出する円錐
台形のくぼみ部を設け、このくぼみ部に円弧状の刻み線
を形成した安全弁を用いることが提案されている。この
安全弁の動作機構は、電池内部圧力が上昇したときに、
前記くぼみ部が電池外部側に反転し、くぼみ部に形成し
た刻み線に沿って電池容器が破断して、電池内のガスを
放出するもである。そして、この構成により、安全弁部
分の肉厚がある程度厚い場合においても、安全弁を十分
に作動させることが可能となる。
【0008】しかしながら、この安全弁においても、加
工が複雑になるため、安全弁を構成する金属部分にスト
レスが生じ、前記刻み線にクラックが生じることがあ
り、電池の密閉性を長期にわたり十分に維持することが
できるとはいえなかった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解決するべく、作動精度及び信頼性の優れた安全弁を
し、この種電池の密閉性及び安全性を向上しようとする
ものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の安全弁付き密閉
型電池は、円周状の刻み線を有するドーム部及び鍔部を
有する金属薄板と、この金属薄板を装着した電池容器と
を備え、前記金属薄板が前記電池容器に設けたガス抜き
孔を気密に閉塞し、そのドーム部を電池容器内に突出さ
せた電池であって、前記金属薄板が溶体化熱処理されて
おり、且つ、ドーム部の外径をX、前記金属薄板の厚み
をYとしたとき、形状比率Y/Xが0.005以上0.
02以下であることを特徴とするものである。
【0011】
【作用】本発明の安全弁付き密閉型電池は、電池内部圧
力が上昇した際に、電池内に突出した金属薄板のドーム
部が外方に反転し、この反転時に発生する応力がドーム
部に形成した円周状の刻み線に集中して、前記刻み線に
おいて切裂破壊が起こり、電池内のガスを外部に放出す
る。このように、金属薄板のドーム部が反転して初めて
金属薄板が破壊されるので、安全弁が確実に作動すると
共に、作動圧のバラツキを小さく押さえることができ
る。
【0012】また、前記金属薄板は溶体熱処理を施して
おり、ドーム部及び刻み線の形成などの加工時に金属に
かかるストレスが取り除かれるため、刻み線にクラック
が生じることが防止でき、更に、溶体熱処理により金属
薄板の硬度が低くなるため、電池内部圧力が上昇した際
にドーム部の反転が起こりやすくなり、これによって、
安全弁の作動圧のバラツキがより小さくなると共に、安
全弁の作動圧を低くできる。
【0013】安全弁の作動圧については、上記金属薄板
を使用する場合には、ドーム部の外径と、前記金属薄板
の厚みの関係が重要であり、ドーム部の外径をX、前記
金属薄板の厚みをYとしたとき、形状比率Y/Xを0.
005以上0.02以下にすることにより、安全弁作動
圧を好ましい値まで低下させることが可能となる。
【0014】また、電池容器と金属薄板とを別体として
いるため、電池容器の肉厚関係なく、安全弁となる金
属薄板の肉厚を自由に設定することができ、ドーム部の
外径を決定した後にこの外径から前記形状比率により肉
厚を設定することも可能となり、設計の自由度が増す。
【0015】
【実施例】本発明の一実施例を、図面を用いて以下に説
明する。
【0016】図1乃至図4は、何れも本発明にかかり、
図1は安全弁付き電池の部分断面図、図2は金属薄板の
上面図、図3は金属薄板の側面図、図4は図1の部分A
の拡大断面図である。
【0017】これらの図面において、1はステンレス鋼
からなる電池容器であり、底面中央部に外方に突出する
正極端子部2が形成されると共に、この正極端子部2の
側面にはガス抜き孔3が形成されている。4はSUS3
04、SUS304L、SUS316、SUS316L
などのオーステナイト系ステンレス鋼を加熱し、溶体化
熱処理により加工時のストレスを取り除いた金属薄板で
あり、前記電池容器の内方に湾曲して突出するドーム部
5の周辺に鍔部6を一体に形成し、ドーム部5の内面に
円周状の刻み線7を形成して構成される。そして、この
金属薄板4は、前記電池容器1の底面に設けられた高さ
0.1〜0.2mm程度のリング状突起8の上面と、金属リ
ング9との間に鍔部6を挟み込みこんで溶接され、前記
正極端子部2と電池容器1の内部との間を気密に隔離す
る。
【0018】また、10は前記電池容器1の内周面に配さ
れた二酸化マンガンを主体とする円筒状の正極、11はセ
パレータ12を介して前記正極10の内部に配されたリチウ
ム負極、13はステンレス鋼からなる蓋体であり、蓋体13
の中央に設けられた透孔には、絶縁パッキング14を介し
て負極端子ピン15が挿入固定され、蓋体13の周縁部は前
記電池容器1の開口部にレーザ溶接によって固定され、
これによって、電池内部は気密に密閉されている。
【0019】上記実施例において、金属薄板4に設けた
刻み線7は、図1のAに示される部分を拡大した図4の
要部拡大断面図に示されるように、断面形状がL字状と
なっており、これは、ドーム部の内面側に円筒状のプレ
ス金型を打ちつけることにより容易に形成できる。従来
技術において記載した実公昭58−26460号公報及
び特開昭61−203348号公報の安全弁では、断面
V字状のプレス金型を用いなければ刻み線を形成するこ
とはできないため、金型の摩耗、及び加工精度の点から
上記実施例の安全弁の方が優れていることがわかる。
【0020】また、上記実施例において安全弁に用いた
金属薄板の材質をSUS316L、材厚Yを0.08m
m、ドーム径Xを7mmとして構成した場合の安全弁作動
圧は、23±0.5kgf/cm2であった。
【0021】次に、前記実施例の安全弁に用いた金属薄
板のドーム径Xと材厚Yとの関係を示す形状比率Y/X
が、安全弁作動圧に及ぼす影響について、その実験結果
を以下に示す。
【0022】金属薄板としてSUS316Lを用い、表
1に示すように金属薄板のドーム径X及び材厚Yを種々
変化させて安全弁を各種作製し、この安全弁を加熱する
ことにより溶体化熱処理して加工の際に生じた金属のス
トレスを取り除いた。こうして作製した安全弁の材料の
ビッガース硬度はHv190±10であった。
【0023】
【表1】
【0024】図5は、上記安全弁の形状比率Y/Xと安
全弁作動圧との関係を示す図面であり、図中の記号は、
表1の記号と対応している。図5から、形状比率が大き
くなるにしたがって、安全弁の作動圧が直線的に増加す
る傾向が認められ、形状比率を0.005≦Y/X≦
0.02の範囲にすることにより安全弁作動圧を適切な
値とすることが可能となる。また、図中a及びbは、安
全弁作動圧のバラツキの上限及び下限を夫々示す線であ
り、これらから、安全弁作動圧のバラツキが小さく抑え
られていることがわかる。
【0025】尚、前記材料硬度については、溶体化熱処
理を施した材料は、ステンレス鋼の種類にかかわらずH
v150〜230になることが確かめられており、上記
ステンレス鋼を溶体化熱処理した材料を安全弁に用いる
場合は、例えば、安全弁の作動圧を20kgf/cm2とし、
ドーム径を10mmにしたいときは、図5から形状比率が
0.01となるように、材厚を0.1mmにすればよく、
電池の外径によりドーム径の大きさが制限されたり、安
全弁作動圧が決定されている場合には、上記実施例に示
すように、電池容器と安全弁に用いた金属薄板を別体と
しておくことにより、金属薄板の厚みを自由に選択する
ことができ、安全弁作動圧の設定が容易である。
【0026】更に、材料特性の異なる金属薄板を安全弁
に用いた場合について言及する。安全弁作動圧を左右す
る材料特性としては、特に硬度特性がある。材料硬度が
高くなると、前記安全弁の場合にはドーム部が反転し難
くなり、安全弁作動圧が高くなる。そこで、前記安全弁
に用いた金属薄板を溶体化熱処理せず、材料硬度が高い
状態の場合について調べてみた。
【0027】溶体化熱処理を施さない場合の前記金属薄
板のビッガース硬度はHv360±10であり、前記安
全弁の形状比率Y/Xと安全弁作動圧との関係は図6に
示す斜線部分のようになる。
【0028】図中c及びdは、図5同様安全弁作動圧の
バラツキの上限及び下限を夫々示す線であり、これらか
ら、安全弁作動圧のバラツキは図5に示す溶体化熱処理
を施したHv190±10のステンレス鋼を用いた場合
に比べて大きくなっていることがわかる。また、e及び
fは夫々溶体化熱処理を施した安全弁及び溶体化熱処理
を施さない安全弁における安全弁作動圧のバラツキの中
心線である。材料硬度の高い溶体化熱処理を施していな
い安全弁は安全弁作動圧が高くなっており、安全弁作動
圧を決定する前記形状比率の上限界がせばめられること
から、設計上不利である。
【0029】
【発明の効果】本発明の安全弁付き密閉型電池は、安全
弁として溶体化熱処理を施した金属薄板を用い、この金
属薄板と電池容器を別体とし、且つ金属薄板のドーム部
の外径をX、金属薄板の厚みをYとしたとき、形状比率
Y/X0.005以上0.02以下とするものであ
り、作動精度及び信頼性の優れた安全弁を提供すること
が可能となり、電池の密閉性及び安全性を向上すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の安全弁付き電池の部分断面図である。
【図2】本発明電池の安全弁に用いた金属薄板の上面図
である。
【図3】本発明電池の安全弁に用いた金属薄板の側面図
である。
【図4】図1の部分Aの拡大断面図である。
【図5】溶体化熱処理を施した安全弁の形状比率Y/X
と安全弁作動圧との関係を示す図面である。
【図6】溶体化熱処理を施していない安全弁の形状比率
Y/Xと安全弁作動圧との関係を示す図面である。
【符号の説明】
1 電池容器 3 ガス抜き孔 4 金属薄板 5 ドーム部 6 鍔部 7 刻み線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飛田 芳宏 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−203348(JP,A) 実開 昭63−60273(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 2/12

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円周状の刻み線を有するドーム部及び鍔
    部を有する金属薄板と、この金属薄板を装着した電池容
    器とを備え、前記金属薄板が前記電池容器に設けたガス
    抜き孔を気密に閉塞し、そのドーム部を電池容器内に突
    出させた電池であって、前記金属薄板が溶体化熱処理さ
    れており、且つ、ドーム部の外径をX、前記金属薄板の
    厚みをYとしたとき、形状比率Y/Xが0.005以上
    0.02以下であることを特徴とする安全弁付き密閉型
    電池。
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