JP3232767B2 - 安全機構付き化学電池 - Google Patents

安全機構付き化学電池

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JP3232767B2
JP3232767B2 JP09897493A JP9897493A JP3232767B2 JP 3232767 B2 JP3232767 B2 JP 3232767B2 JP 09897493 A JP09897493 A JP 09897493A JP 9897493 A JP9897493 A JP 9897493A JP 3232767 B2 JP3232767 B2 JP 3232767B2
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哲也 永田
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  • Gas Exhaust Devices For Batteries (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は,異常反応を抑制する安
全機構の付いた化学電池に関する。
【0002】
【従来技術】化学電池においては,外界から異物が混入
したり短絡などの現象が発生すると,化学反応が異常に
進行して著しい温度の上昇や夥しい反応ガスの発生を引
き起こすことがあり,その安全性の確保が重要課題であ
る。例えば,高エネルギ密度の電池として期待の高いリ
チウム金属電池では,水分の混入やデンドライトの析出
による異常反応により多量のガスの発生と温度の上昇を
引き起こし,その安全性の確保が実用化のための重要な
課題となっている。
【0003】これらの対策のために通常の密閉型電池に
は,内部ガス放出の機構が設けられており,ガスの急激
な噴出や爆発を防止している。そして,異常反応の進行
を抑制するため,様々な提案がなされている。
【0004】例えば,電池の異常反応の進行を抑制する
ため,内部温度が異常に上昇したとき,電池内部の集電
棒を正極端子である封口蓋から引き離し,内部の電流回
路を遮断する方法が提案されている(特開昭57−67
289号公報参照)。また,リチウム金属電池において
は,水分の混入による水素ガスの発生を水素吸蔵合金で
吸収し,ガスの噴出を防止する方法が提案されている
(特開昭60−258870号公報参照)。
【0005】
【解決しようとする課題】しかしながら,上記従来の電
池の安全機構には,次のような問題がある。まず,単に
ガスを放出する方法は,爆発などの危険を防止する効果
はあるが,異常反応を抑制する訳ではないから,ガスの
発生自体は停止せず,根本的な安全確保にはなっていな
い。
【0006】同様に,リチウム金属電池内部に水素吸蔵
合金を設ける方法も,水素ガスの噴出を抑制する効果は
あるが反応は停止しない。また,水素ガス以外のガス,
例えば二酸化炭素を吸収することはできないから,安全
対策として一面的である。
【0007】一方,温度の異常上昇に応動して集電棒を
封口蓋から引き離す方法(特開昭57−67289号公
報)は,電流を遮断して反応を抑制する効果はあるが,
電流の遮断状態を確実に維持するのに問題がある。即
ち,集電棒が自重によって凹部に落下し,封口蓋から引
き離されて電流を遮断する方法であるから,電池をひっ
くり返した状態,即ち封口蓋が下側にある状態では電流
は遮断されない。
【0008】また,封口蓋が上側にあって電流が一旦遮
断されたとしても,電池の上下を逆転させれば再び集電
棒は封口蓋と接触し導通する。更に,本方法には内部ガ
スを放出する機構が設けられていないから,電池反応が
完全に停止する前にガスが噴出又は爆発するなどの危険
がある。
【0009】また,電池反応部に用いている隔離板(セ
パレータ)を温度上昇時に目づまりさせ,異常時の電池
反応を抑制することも,一般に用いられているが(特開
平3−25865号公報参照),目づまりした場合は,
電池の内部抵抗が極めて大きくなる。そのため,複数の
電池を直列に接続した組(集合)電池の場合には,上記
電池の異常により組電池全体が機能しなくなるという問
題がある。本発明は,かかる従来の問題点に鑑みて,電
池の異常反応を抑制すると共に,電池の爆発等を未然に
防止することのできる安全機構の付いた化学電池を提供
しようとするものである。
【0010】
【課題の解決手段】本発明は,電池反応部と,正又は負
の極端子と,他の極端子を兼ねる電池容器とを有する化
学電池であって,電池の異常反応時に発生するガス圧又
は反応熱に応動する駆動部材を有しており,該駆動部材
は,上記電池反応部と極端子との間の導通を遮断すると
共に,上記遮断状態を保持するための弾性部材を有して
おり,また,電池内部のガス圧が所定値を越えたとき,
内部ガスを外部に放出するガス放出部材を有し,かつ上
記駆動部材は,電池反応部と極端子との導通を遮断した
後,上記極端子と電池容器との間を短絡すると共に該短
絡を上記弾性部材によって保持することを特徴とする化
学電池にある。
【0011】本発明において最も注目すべきことは,電
池の異常反応時に発生するガス圧又は反応熱に応動する
駆動部材を設けてあり,該駆動部材は,電池反応部と極
端子との間の導通を遮断することである。また,駆動部
材には保持機構が設けてあり該保持機構は,弾性部材を
有し,電池反応部と極端子との間の導通を遮断した後
上記電池容器と極端子との間を短絡するとともに該短絡
を上記弾性部材によって保持することである。
【0012】上記駆動部材は,例えばガス圧に応動する
ピストンやダイヤフラム等,異常反応時の発熱により伸
縮する形状記憶合金やバイメタルなどがある。また,保
持機構には,弾性部材を用いて非可逆的な動作を行う各
種のロック機構がある。
【0013】また,本発明の電池には,電池内部のガス
圧が所定値を越えたときガスを外部に放出するガス放出
部材を設けてある。上記ガス放出部材には,所定の圧力
で破断する封印紙や各種の薄板状安全弁などがある。
【0014】動部材は,電池反応部と極端子との導通
を遮断した後,上記極端子と電池容器との間を短絡し,
この短絡状態を保持するよう構成する。こうすれば,単
電池を複数個数直列にして用いる集合電池に,上記電池
を単電池として用いた場合,仮に一部分の単電池が異常
であっても該単電池を上記短絡によってバイパスさせ
ることにより,集合電池の給電を継続することができ
【0015】即ち,異常となった上記単電池を遮断状態
のままにすれば,集合電池の直列回路全体が遮断状態と
なり電流を供給できなくなるが,異常な電池を短絡して
バイパスすれば,該異常電池の出力電圧だけが低下した
状態で集合電池からは電流を供給でき
【0016】また,温度上昇時に目づまりする前記セパ
レータと共に,本発明の機構を用いる場合は,まず,本
機構が作動し,組(集合)電池としての給電機能を確保
した上で,更なる温度上昇が起こった場合には,セパレ
ータを目づまりさせてこの単電池反応部の発熱を抑止す
ることができる。即ち,本機能の作動圧力や温度の設定
を,セパレータの目づまり作動温度より低目に設定する
ことにより,上記の2段階作動を実現することができ
る。
【0017】また,駆動部材は,電池内部のガス圧が所
定値を越えたとき,ガス通路を開路し,ガス圧が低下し
たとき,再びガス通路を閉路する弁部材を有することが
好ましい。ガス圧が所定値を越えたときガス通路を開路
し,ガスを外部に放出して,安全を確保し,ガス圧が低
下したときに再びガス通路を遮断して,外気が内部に浸
入することを防ぐことができるからである。その結果,
内部に外気や水分が浸入すると不具合を生ずる電池(例
えばリチウムやナトリウム電極を有するもの)に対し
て,このような不具合を未然に防止することができるか
らである。
【0018】
【作用及び効果】本発明の化学電池は,電池の異常反応
時に,駆動部材が作動し,電池反応部と極端子との間の
導通を遮断するから,異常電流による温度上昇や,ガス
の発生,電池反応の異常進行を停止させる。そして,保
持機構により上記電流の遮断状態を確実に保持するか
ら,何らかのきっかけによって極間に電流が流れて再び
反応が進行することがない。
【0019】即ち,自重による集電棒の降下によって電
流を遮断する従来形の電池(特開昭57−67289号
公報)のように,電池をひっくり返して再び電流が流れ
るようなことがない。また,内部のガス圧が所定値以上
に上昇したときは,ガス放出部材が作動して外部にガス
を放出するから爆発などの危険を未然に防止することが
できる。上記のように,本発明によれば,電池の異常反
応を抑制すると共に,電池のガス爆発等を未然に防止す
ることのできる安全機構の付いた化学電池を提供するこ
とができる。
【0020】
【実施例】実施例1 本発明の実施例にかかる化学電池につき,図1,図2を
用いて説明する。本例は,図1に示すように,電池反応
部15と,正極端子16と,負極極端子を兼ねる電池容
器41とを有する化学電池10であって,電池の異常反
応時に発生するガス圧又は反応熱に応動する駆動部材2
1を有している。
【0021】該駆動部材21は,上記電池反応部15と
正極端子16との間の導通を遮断すると共に,上記遮断
を保持するための弾性部材251を有する保持機構25
を有している。また,電池内部のガス圧が所定値を越え
たとき,内部ガスを外部に放出するガス放出部材を有す
る。
【0022】また,上記駆動部材21は,電池反応部1
5と正極端子16との導通を遮断した後,上記正極端子
16と電池容器41との間を短絡する。更に,駆動部材
21は,内部のガス圧が所定値を越えたとき,ガス通路
47を開路し,ガス圧が低下したとき,再び上記ガス通
路47を閉路する弁部材301を有する。
【0023】以下それぞれについて詳説する。本例は,
リチウム金属電池であって,図1に示すように,負極端
子を兼ねる電池容器41の内部に,電池反応部15を収
納し,上部に正極端子16を設けたものである。電池反
応部15は正負の電極板をセパレータを介して積層巻回
し,中心部に心棒151を設けたものである。
【0024】上記心棒151は電池反応部15の負の電
極板と接続されており,また電池容器41の底部412
と接続されている。一方,電池反応部15の正の電極板
は,リード152を経て仕切板42に接続されている。
上記仕切板42は,絶縁材411を介して,電池容器4
1の上部に固定されている。
【0025】仕切板42の中心部には,ガス通路47が
穿設されており,仕切板42の上面は,正極端子16の
下足部161と面接触している。そして,仕切板42の
上面と正極端子16の上部凸面162との間には弾性部
材251が介設されている。そして,正極端子16の凸
面162下部には,絶縁部材からなるピストン30を摺
動自在に装着する筒体31が取付けられている。上記ピ
ストン30は弾性部材251と共に駆動部材21を構成
するものである。
【0026】上記ピストン30の下方の弁部材301
は,仕切板42の上面に取付けられたピストンルーム3
2に収容されており,ピストンルーム32内を昇降す
る。そして,ピストンルーム32の上面とピストン30
の弁部材301の上面との間には,コイルスプリング3
3が介挿されており,コイルスプリング33は弁部材3
01を下方に向かって押圧している。また,ピストンル
ーム32の側部には,通気孔321が穿設されている。
【0027】そして,正極端子16の下足部161と,
電池容器41の上端面413との間には,図2に示すよ
うに,切り欠き部166を有するスペーサ165が介設
されている。該スペーサ165は一定値以上の圧力P0
がかかると,同図(b)に示すように塑性変形して屈曲
する部材である。上記屈曲圧力P0 は,弾性部材251
の付勢力F0 より大きい値である(P0>F0 )。
【0028】一方,正極端子16の凸面162には,ガ
スの放出口452が形成されている。そして,上記放出
口452の上面には,安全弁が作動する異常が起こった
電池であることを表示するものとして,例えば封印紙4
51が貼着されている。該封印紙451は安全弁作動時
に破断あるいは剥離し電池の異常を表示する部材であ
る。
【0029】次に本例の化学電池10の作用効果につい
て述べる。電池が異常反応を起こして,内部のガス圧P
1 が上昇するとコイルスプリング33の付勢力F1 に打
ち勝ってピストン30が上昇する(P1 >F1 )。そう
すると,ガス通路47からガスが浸入し,正極端子16
にガス圧P1 がかかる。
【0030】そして,弾性部材251の付勢力F0 とガ
ス圧P1 の合計値がスペーサ165の屈曲圧力P0 より
大きくなり(P0 <F0 +P1 ),スペーサ165は,
図2(b)に示すように塑性変形する。そして,正極端
子16は弾性部材251に駆動されて上昇し,仕切板4
2から離隔し,電池電流は遮断される。その結果,電池
反応は停止する。また,上記電流の遮断状態は,保持機
構25を構成する弾性部材251の付勢力F0 によって
保持される。
【0031】そして,正極端子16は,電池容器41の
上端面413に接触し,正負の極端子の間が短絡される
(図2b)。また,上記放出ガスは,封印紙451が破
断または剥離しながら,放出口452から放出される。
その結果,ガス圧が低下し,コイルスプリング33の付
勢力により,ピストン30の弁部材301がガス通路4
7を再び閉路し,電池内部に外気が浸入するのを防止
し,電解液の流出も抑止する。
【0032】上記のように,本例の化学電池10は,電
池の異常反応によるガス圧に応動して電池の電流を遮断
し,反応を抑止する。そして,電流の遮断状態は,弾性
部材251によって保持される。また,ガス圧が所定値
2 を越えると,内部ガスを外部に放出して安全を確保
する。
【0033】一方,電流を遮断して動作を停止した電池
の正負の極端子間は,弾性部材251に駆動されて短絡
される。従って,本例の電池を直列形集合電池の単電池
として用いた場合には,直列配置した集合電池は本電池
をバイパス(短絡)して電流の供給を継続することがで
きる。
【0034】上記のように,本例によれば,電池の異常
反応を抑制すると共に,電池のガスによる爆発等を未然
に防止することのできる安全機構の付いた化学電池を提
供することができる。
【0035】実施例 本例は,実施例1において,駆動部材を温度によって作
動させるもう1つの実施例である。また,安全弁49に
よりガスを放出させている。本例は,図に示すよう
に,正極端子19の下面に一定値以上のガス圧によって
破断するガス放出部材としての安全弁49を設けてあ
る。安全弁49は通常時には電池10の内部と外気とを
遮断している。
【0036】また,正極端子19の下側部には,駆動部
材と保持機構とを兼ねる板バネ26の端部262が固着
されている。そして,板バネ26の他端部261は,熱
可塑性の接着剤27によって,仕切板43の底面に接着
されている。
【0037】一方,電池容器41の上部には,上記板バ
ネ26の他端部261に対向する位置に,導電性の接片
415を容器内側に向けて突設してある。そして,板バ
ネ26は,容器外側に向かって凸面状に湾曲させてあ
り,他端部261は上記接片415に向かって付勢され
ている。
【0038】次に本例の作用効果について述べる。電池
における異常反応により温度が上昇すると,熱可塑性の
接着剤27が軟化あるいは溶融する。その結果,板バネ
26の付勢力により板バネ26の他端部261が仕切板
43から離れ,接片415に当接する。
【0039】そして,仕切板43と正極端子19との間
の導通が遮断され,一方,正極端子19と電池容器41
とが短絡される。その結果,電池電流が流れなくなり,
電池反応が抑制される。また,板バネ26により電池の
正負の極端子間が短絡され,電池は回路としての導通状
態を維持する。
【0040】また,異常反応によって,内部のガス圧が
所定値を越えると安全弁49が破断し,ガスは放出口4
92から放出され,爆発等は未然に回避される。しかし
ながら,本例は,実施例1とは異なりガス放出後に閉口
して外気の浸入を防止する機能は有していない。
【0041】しかし,本例の安全弁49の代わりに実施
例2のピストン37,コイルスプリング34,封印紙4
61等からなる復帰式安全弁を適用することが可能であ
り,それによってガス放出後の外気浸入防止機能を有す
ることもできる。その他については,実施例1と同様で
ある。
【0042】実施例 本例は,図に示すように,実施例において,板バネ
と熱可塑性接着剤に代えて,弾性部材251と熱可塑性
のスペーサ175を用いたもう一つの実施例である。本
例は,図に示すように,正極端子20は,通常時にお
いては仕切板42と面接触すると共に,電池容器41の
上面413との間に絶縁性のスペーサ175を介設させ
電池容器41との間を絶縁している。
【0043】上記スペーサ175は,熱可塑性の部材に
よって形成されている。また,正極端子20と仕切板4
3との間には,駆動部材及び保持機構を構成する弾性部
材251が介設されている。上記弾性部材251は,正
極端子20と仕切板43とを離隔する方向に付勢されて
いる。
【0044】また,正極端子20の下方には,安全弁4
9を装着し,上面にはガスの放出口492を設けてあ
る。そして電池に異常反応が発生すると,電池の温度が
上昇し,スペーサ175が軟化又は溶融する。その結
果,弾性部材251に駆動されて正極端子20が上昇
し,仕切板42と離隔し電池電流が遮断される。
【0045】一方,正極端子20と電池容器41の上面
413とが接触し,両者20,41の間が短絡される。
そして,保持機構を兼ねる弾性部材251によって,正
極端子20と仕切板42との遮断状態を維持し,また正
極端子20と電池容器41との短絡状態が保持される。
その他については,実施例と同様である。
【0046】実施例 本例は,図5〜に示すように,実施例1において駆
動部材の構造を変更したもう1つの実施例である。本例
は,図,図に示すように,電池容器41の上部に絶
縁材411を介して正極端子17が取付けられている。
正極端子17の上側部には,ガスの放出口172が開設
されており,該放出口172は常時開口されている。
【0047】また正極端子17の底部には,弾性部材か
らなる第1導通板171が接合されている。一方,上記
第1導通板171の下方で,仕切り板42の上方には,
電池容器41に接合された弾性部材からなる第2導通板
415が配設されている。そして,正極端子17の天井
面と,仕切板42の上面との間には,コイルスプリング
34を介設させて駆動部材を構成するピストン39が配
設されている。
【0048】ピストン39は,コイルスプリング34と
連結された軸部391と,該軸部391の下端に取付け
られた絶縁性の幅の広いキャップ392と,軸部391
の外周面を摺動可能に覆うピストンカバー393とを有
している。また,仕切板42の中心部には,ガス通路4
7が設けられており,ガス通路47は,通常時にはコイ
ルスプリング34に押圧されてキャップ392が閉路し
ている。
【0049】上記ピストンカバー393は,その中軸部
にくびれ3931を有しており,くびれ3931の上部
には,保持機構を構成するロック部394を有してい
る。上記ロック部394は,上方に向かって径を漸減さ
せるテーパ面3941を有しており,くびれ3931と
の境界には鋭角な尖頭部3941を形成している。
【0050】一方,第1導通板171と第2導通板41
5は,図,図に示すように,その中心部に前記ピス
トン39を挿通させるピストン穴1711,4151を
有し,ピストン穴1711,4151の外周には,スリ
ット1712,4152を設けてある。そして,それぞ
れにおいて2つのスリット1712,4152に挟まれ
た切片1713,4153は板ばねの作用を奏する。
【0051】本例においては,電池10の内部ガス圧が
上昇すると,コイルスプリング34の付勢力と,第1導
通板171及び第2導通板415の弾性力に打勝って,
ピストン39が上昇する。即ち,ピストン39は,上記
切片1713,4153の板ばね力と,コイルスプリン
グ34の付勢力に打勝って上昇し,ガス通路47から放
出口172に至るガス流路を形成する。
【0052】このとき,通常時に仕切板42と第1導通
板171の間で,電流路として作用していたピストンカ
バー393も上昇し,仕切板42から離れるので,電流
路が遮断され,異常電流による温度上昇や電池反応進行
を抑制する。ピストン39が上昇し,第1導通板171
の切片1713が,ピストンカバー393のロック部3
94の下方に来ると,図に示すように,ピストンカバ
ー393の下降をロックする。また,切片4153はく
びれ3931内に反り返。一方,ガスの流出力が弱ま
ると,ピストンの軸部391は,コイルスプリング34
によって押下げられ,キャップ392がガス通路47を
再び閉路する。
【0053】一方,ピストンカバー393が上昇するこ
とによって,図に示すように,ピストンカバー393
が第1導通板17と第2導通板415とを導通させ
る。これによって,正極端子17と電池容器41とが短
絡され,ロック部394によって短絡状態は保持され,
集合電池としての機能は保持される。その他について
は,実施例と同様であり,同様の効果を得ることがで
きる。
【0054】実施例 本例は,図,図10に示すように,実施例4において
第1導通板173と第2導通板417の上下の配置を反
対にすると共に,両者173,417の間に挟持され
て,両者173,417を短絡する導通片396を設け
たもう1つの実施例である。本例は,図,図10に示
すように,正極端子170の側下部に導通ピン174を
植設し,該導通ピン174の下端部に第1導通板173
を取付けてある。
【0055】また,上記第1導通板173の上部には,
電池容器41と接合された,第2導通板417が配設さ
れている。第2導通板417は,上記導通ピン174と
接触しないようにピン穴が穿設されている。
【0056】また,正極端子170の下部には,絶縁物
からなるスプリング取付板175が設けられており,コ
イルスプリング34が取付けられている。上記コイルス
プリング34と仕切板42との間には,コイルスプリン
グ34によって下方に押圧されたピストン390が配設
されている。
【0057】ピストン390は,コイルスプリング34
の軸心に挿入する小径の頭部397と大径の胴部395
とを有する。上記胴部395の上部には,肉厚のリング
状の導通片396が配設されている。導通片396は,
通常時には,図に示すように,第1導通板173の切
片1713(図)のバネ力によって,ピストン390
の胴部395に押圧されている。
【0058】その結果,胴部395と第1導通板173
とが導通し,導通ピン174を経て,仕切板42と正極
端子170とが電気的に接続されている。そして,電池
10の内部ガス圧が上昇すると,ピストン390が上昇
し,ガス通路47とガスの放出口172との間にガス流
出路が形成される。そして,仕切板42とピストン39
0との導通は遮断される。
【0059】そして,ガスの流出圧力によって,ピスト
ン390が更に上昇すると,図10に示すように,導通
片396が第1導通板173と第2導通板417との間
に保持される。その結果,導通片396を介して正極端
子170と電池容器41とが短絡される。そしてこの短
絡状態は,ガス圧が低下してピストン390が降下した
後も変わらない(図10)。また,ピストン390の底
部には,正常時にシール性を確保し外気を遮断するため
のシール部材398が貼付されている。
【0060】その他については,実施例と同様であ
る。なお,実施例1〜実施例は,携帯用電子機器など
に用いる小型電池に適用することができると共に,電気
自動車用や電力貯蔵用などの大容量電池にも適用するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の化学電池の断面図。
【図2】実施例1における電流遮断機構の説明図
((a)は遮断前,(b)は遮断後の状態を示す)。
【図3】実施例の化学電池の断面図。
【図4】実施例の化学電池の断面図。
【図5】実施例の化学電池の断面図。
【図6】内部導通遮断時における実施例の化学電池の
断面図。
【図7】図のA−A矢視線断面図。
【図8】図のB−B矢視線断面図。
【図9】実施例の化学電池の断面図。
【図10】内部導通遮断時における実施例の化学電池
の断面図。
【符号の説明】
10...化学電池, 15...電池反応部, 16...正極端子, 21...駆動部材, 25...保持機構, 301...弁部材, 41...電池容器, 47...ガス通路,
フロントページの続き (72)発明者 田林 政則 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本 電装株式会社内 (72)発明者 田村 博志 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−205727(JP,A) 特開 平6−203818(JP,A) 特開 平5−325929(JP,A) 特開 平3−250562(JP,A) 特開 平5−347154(JP,A) 実開 平4−24262(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 2/12 102 H01M 10/40

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電池反応部と,正又は負の極端子と,他
    の極端子を兼ねる電池容器とを有する化学電池であっ
    て,電池の異常反応時に発生するガス圧又は反応熱に応
    動する駆動部材を有しており, 該駆動部材は,上記電池反応部と極端子との間の導通を
    遮断すると共に,上記遮断状態を保持するための弾性部
    材を有しており, また,電池内部のガス圧が所定値を越えたとき,内部ガ
    スを外部に放出するガス放出部材を有し, かつ上記駆動部材は,電池反応部と極端子との導通を遮
    断した後,上記極端子と電池容器との間を短絡すると共
    に該短絡を上記弾性部材によって保持 することを特徴と
    する化学電池。
  2. 【請求項2】 請求項1おいて,上記駆動部材は,内
    部のガス圧が所定値を越えたとき,ガス通路を開路し,
    ガス圧が低下したとき,再び上記ガス通路を閉路する弁
    部材を有することを特徴とする化学電池。
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