JP3600013B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池等の密閉型電池に関するもので、特に異常使用等により電池内圧が異常上昇した場合に発電要素から外部への通電回路を遮断する封口板構造を備えた密閉型電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン二次電池等の密閉型電池は、これを使用する機器や充電器の故障あるいは過放電や過充電等の誤った使用がなされた場合に、電池内部の異常なガス発生により内圧が異常上昇し、更には異常な温度上昇を伴うので、このような異常事態が生じたときには、電池内部の発電要素から電極端子に至る通電回路を遮断する通電回路遮断機構が設けられる。この通電回路遮断機構として、特開平５−３３５０１１号、特開平９−１９９１０５号公報等に開示されたものが知られており、異常な電池内圧の上昇によって変形する金属板によって発電要素から電極端子に至る通電回路を形成する溶接部分を剥離させたり易破断部位を破断させることによって通電回路を遮断するように構成されている。
【０００３】
しかし、溶接部分の剥離や易破断部位の破断は、その精度の管理が困難であるため、内圧上昇に伴う通電回路の遮断精度を一定に保つことができない課題があった。この課題を解決するためのに本願発明者らは、通電回路の接続を一対の電極間の嵌合接続により構成し、この嵌合接続がその嵌合強度を越える電池内圧の異常上昇時に解除されるように構成することにより、通電回路の遮断精度を向上させた通電回路遮断構造を創案し、特願平９−２４４１１３号として提案した。
【０００４】
この構成を図１２に断面図として示す。
【０００５】
図１２において、有底円筒形に形成された電池ケース１０内には図示省略した下部位置に発電要素が収容され、その開口端は図示するように封口板３５によって密閉封口される。封口板３５は電池内部側から、樹脂成形により形成されたその中心位置に下部電流接点５が固定された封口底板３６、中央部を電池内部寄りに膨出させた膨出部２ａの中心位置に上部電流接点４が固定された金属薄板２、リング状に形成された臨界温度抵抗体であるＰＴＣ３、電池電極となる金属キャップ８の順に配設され、それぞれの外周側で積層され、前記封口底板３６の外周部で電池ケース１０との間を絶縁して電池ケース１０の開口端にカシメ固定される。前記下部電流接点５を介して封口底板３６に固定されたディスク７には発電要素から引き出されたリード９が接続され、下部電流接点５と上部電流接点４とは嵌合接続されているので、発電要素から下部電流接点５、上部電流接点４、金属薄板２、ＰＴＣ３、金属キャップ８に通じる通電回路が形成される。
【０００６】
このように構成された密閉型電池を使用する機器や充電器の故障、あるいは誤った使用により電池内圧が異常上昇したときには、封口底板３６に薄肉形成された加圧開口部３６ａが破断するので、内圧は金属薄板２に及び、その膨出部２ａの膨出方向を反転させる方向の加圧が加わり、異常内圧が下部電流接点５と上部電流接点４との嵌合接続強度を越えたとき、金属薄板２の膨出部２ａは反転して上部電流接点４を下部電流接点５から離脱させる。この動作により電池内圧の異常上昇の根源となっていた異常電流の通電回路は遮断される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電池ケース１０の開口端を封口板３５によって封口するとき、封口板３５の外周部には電池ケース１０の開口端をカシメることによる圧縮方向の加圧が加わるので、この加圧により封口底板３６は外周部から中心方向に押し出される方向の変形を受けやすく、その変形加圧が大きい場合に、封口底板３６の中央部は電池内部方向に脹らむ変形加圧を受け、下部電流接点５と上部電流接点４との嵌合が離脱してしまう場合が生じる問題点があった。
【０００８】
この課題は上記構成に限らず、異常時に通電回路を遮断する通電回路遮断機構を設けた封口板により電池ケースを封口する場合に、封口時の加圧により通電回路遮断機構の誤作動が生じる恐れがある。また、電池を落下させたような異常な衝撃が加わった場合にも、同様の変形加圧が通電回路遮断機構に加わって誤作動が生じる恐れがある。通電回路遮断機構は異常な電池内圧による構成部材の変形により回路遮断させるように構成されているので、封口時の加圧や衝撃加圧による変形が通電回路遮断機構に及ばないように構成する必要がある。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、封口加工時等の加圧の影響が通電遮断機構に及ばないように構成された封口板構造を備えた密閉型電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、有底筒形に形成された電池ケース内に発電要素を収容し、この電池ケースの開口端を封口する封口板が、外周部が電池ケースの内周面に接して電池内部から外部への通気を遮蔽すると共に電池内部の圧力が異常上昇したときに破断する加圧開口部を薄肉形成した樹脂製の封口底板と、この封口底板上の中央部に電池内圧が異常上昇したときの圧力に感応して前記発電要素からの通電回路を遮断する通電回路遮断機構とを備えて構成されてなる密閉型電池において、前記封口底板に、前記加圧開口部の外周側に位置すると共に封口底板中央部を囲むように薄肉形成部が設けられてなることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、封口底板の中央部を囲む円周上に形成された薄肉形成部は、その形成部位で封口底板の肉厚が薄くなるので変形しやすくなり、外周方向から加わった圧力により変形して加圧が中央部方向に及ぶのを遮断する緩衝帯を形成する。従って、この封口底板の中央部に通電回路遮断機構が設けられなる封口板により電池ケースの開口端を封口するとき、封口のためのカシメ加工による圧縮方向の加圧による変形が封口底板に加わっても、その変形は薄肉形成部で吸収され、中央部に変形歪みを及ばすことがなく、変形歪みによる通電回路遮断機構の誤作動が防止される。
【００１２】
上記構成における薄肉形成部は、中央部を囲む溝状に形成することができ、外周方向からの加圧変形の圧力は、溝状に形成された薄肉形成部が変形しやすくなっていることにより変形加圧が吸収され、薄肉形成部に囲まれた中央部に変形加圧が及ぶことが防止される。
【００１３】
また、薄肉形成部は、中央部を囲む線上に分散形成しても、変形加圧の吸収の効果を得ることができ、薄肉形成部を設けることによる封口底板の強度低下を抑制することができる。
【００１４】
この分散形成する薄肉形成部は、等間隔に分散形成することにより、変形加圧の吸収はより効果的となる。
【００１５】
また、薄肉形成部の断面形状は、蛇腹状に形成することによって、変形加圧の吸収効果はより向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る密閉型電池の封口板部分の断面構造を示すもので、この密閉型電池は、有底円筒形に形成された電池ケース１０内の図示省略した下方部に発電要素を収容し、開口端を封口板１により封口することにより電池ケース１０内を密閉して構成されている。尚、従来構成と共通する要素には同一の符号を付し、新規要素の構成を明らかにしている。
【００１８】
前記封口板１は、電池ケース１０の内部寄りから、樹脂材料により形成されたその中心位置にディスク７を介して下部電流接点５が固定された封口底板６、円板状の中央部が電池内部側に膨出形成されたその中心位置に前記下部電流接点５に着脱可能に嵌合する上部電流接点４が固定された金属薄板２、リング状に形成された臨界温度抵抗体であるＰＴＣ３、電池電極を形成する金属キャップ８の順に配設され、それぞれを外周部分で積層し、この積層部分は前記封口底板６の周辺部により電池ケース１０との間を絶縁して電池ケース１０にカシメ加工により固定される。前記ディスク７には発電要素から引き出されたリード９が接合されるので、ディスク７から下部電流接点５、上部電流接点４、金属薄板２、ＰＴＣ３、金属キャップ８に通じる通電回路が形成される。
【００１９】
前記封口底板６は、樹脂成形により形成され、その中心位置に前記下部電流接点５を固定する開口穴を設けると共に、図示するように１箇所または複数箇所を薄肉形成した加圧開口部６ａが形成されている。また、外周方向の円周上に材厚が薄くなるように溝状に形成した緩衝部（薄肉形成部）１３が形成されている。
【００２０】
図２は、この封口底板６を電池内部側から見た状態での平面図を示しており、前記緩衝部１３は、下部電流接点５が取り付けられた中心位置を囲む円周上を薄肉形成した円形溝に形成されている。
【００２１】
また、前記金属薄板２は、中央部を電池内部側に膨出させた膨出部２ａの中心位置に上部電流接点４を固定する開口部を形成すると共に、膨出部２ａの中ほどにＣの字状に材厚を薄く形成した易破断部２ｂが形成されている。具体例で示すと、厚さ０．１５ｍｍのアルミニウム板を直径１２．７ｍｍの円板に形成し、膨出部２ａに直径５．０ｍｍのＣ型形状の刻印を用いてＣの字状に薄肉部を形成して、これを易破断部２ｂとする。
【００２２】
前記封口底板６に固定された下部電流接点５に、金属薄板２に固定された上部電流接点４を図示するように嵌合接続させた封口板１を、発電要素を収容した電池ケース１０の開口端に固定することにより、電池ケース１０の開口端を封口板１により密閉した密閉型電池が構成される。このように構成された密閉型電池を使用する機器や充電器の故障、あるいは誤った使用がなされた場合に、封口板１に設けられた上記構成は、次のように動作する。
【００２３】
短絡等により過大な電流が流れたとき、前記ＰＴＣ３は所定値以上の電流が流れることによる温度上昇により、その抵抗値が急増して過大電流の流出を阻止する。このＰＴＣ３が動作しないまでの過放電や過充電等が継続された場合に、電解液や活物質の急速な分解によるガスの発生や電池温度の上昇が生じて電池ケース１０内の内圧が上昇する。このような電池内圧の異常上昇時には、その内圧により封口底板６に形成された加圧開口部６ａが破断して内圧は金属薄板２に加わることになる。金属薄板２に加わる内圧は膨出部２ａの膨出方向を反転させるように作用するので、内圧が下部電流接点５と上部電流接点４との間の嵌合強度を越えたとき、膨出部２ａを反転させて上部電流接点４が下部電流接点５から離脱して通電回路が遮断され、電池内圧の異常上昇の根源となっていた異常電流が絶たれる。内圧が更に上昇したときには、金属薄板２に形成された易破断部２ｂが破断して、過大圧力となったガスは金属キャップ８に形成された通気穴８ａから外部に放出される。
【００２４】
上記のように封口板１に設けられた通電回路遮断機構によって、この密閉型電池を使用する機器あるいは充電器等の故障、あるいは誤った使用がなされた場合に生じる電池内圧の異常上昇による障害は回避される。従って、この通電回路遮断機構を備えた封口板１は、異常時には通電回路遮断機構が確実に作動するように電池ケース１０に取り付けられるように構成する必要がある。
【００２５】
封口板１により電池ケース１０の開口端を封口して電池ケース１０内を密閉するとき、前述したように封口底板６の外周部で金属薄板２、ＰＴＣ３、金属キャップ８の外周部分を包み込んで電池ケース１０と絶縁し、電池ケース１０の開口端をカシメ加工して封口板１の外周部を圧縮するようにして固定される。この固定時に封口底板６に加わる圧縮加圧は、封口底板６の中心位置方向に波及して封口底板６を変形させる恐れがある。封口底板６の中心位置方向に変形圧力が加わると、封口底板６の中央部は電池内部側に膨らむように変形しやすく、この変形加圧が大きいときには封口底板６の固定された下部電流接点５と上部電流接点４との間の嵌合接続が離脱してしまう恐れがあり、密閉型電池の製造不良を発生させることになる。このような封口時の圧縮加圧の影響が封口底板６の中心位置に及ばないように前記緩衝部１３が設けられている。
【００２６】
緩衝部１３は、封口底板６の中心位置を囲むように薄肉形成された溝状に形成されているので、封口時の圧縮加圧が封口底板６に加わったとき、圧縮加圧に伴う中心方向への変形加圧は変形しやすい緩衝部１３の薄肉部分で吸収されて中心位置に及ばない。従って、封口時の圧縮加圧が大きいときにも封口底板６の中央部に変形加圧は及ばず、中心位置に固定された下部電流接点５の位置を移動させるような力は加わらない。この緩衝部１３の構成は、密閉型電池の封口時だけでなく、電池を落下させたときのような強い衝撃が加わったときに通電回路遮断機構が誤作動してしまうことを防止する効果もある。即ち、電池ケース１０に加わった衝撃は緩衝部１３の変形によって吸収されるので、封口底板６の中心位置に与える影響は少なく、通電回路遮断機構を衝撃により誤作動させてしまうことが防止される。
【００２７】
上記緩衝部１３として薄肉形成する溝状の断面形状は、図１に示す矩形形状でなく、半円形に形成しても変形加圧の吸収効果を得ることができる。また、図３に示すように、封口底板６の反対面に緩衝部１５として形成しても同様の効果を得ることができる。緩衝作用をより効果的にするには、図４に示すように、表裏両面から溝を形成して、その断面が蛇腹状になる緩衝部１４として形成することができる。
【００２８】
本実施形態に係る封口板１の特徴は、各図からも分かるように、電池内部と封口板１の内部との間が封口底板６により遮蔽され、封口板１の内部が電池内部から気密構造となっていることにあり、電池ケース１０内に封入された電解液やガス等により下部電流接点５、上部電流接点４等の金属部分が劣化することを防止している。従って、緩衝部１３は、封口底板６に開口させることなく、凹部として形成されている。
【００２９】
また、緩衝部１３は、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、円形の溝でなく中央部を囲む円周上に分散形成された凹部として形成することもできる。この凹部の形状は、（ａ）に示す円弧状の凹部、（ｂ）に示す矩形状の凹部、（ｃ）に示すような円形状の凹部として形成することができ、このように分散形成することにより、封口底板６の強度を保持しつつ緩衝作用を得ることができる。これら凹部の形成は、円周上の５０％以上に凹部として形成することにより、その緩衝効果を高めることができる。また、凹部形成の間隔を等間隔とすることにより、緩衝効果をより高めることができる。この構成は、前記緩衝部１４、１５や以下に示す構成の緩衝部についても同様に形成することができる。
【００３０】
以上説明した緩衝部６ｂの構成は、下部電流接点５が取り付けられている封口底板６の中央部に封口時の圧縮加圧や落下等による衝撃による変形加圧が及ばないように緩衝帯を設けたものであるが、封口底板６の変形に対する強度を増加させておくことによって、変形加圧が加わったときの通電回路遮断機構の誤作動をより効果的に防止することができる。
【００３１】
図６に示す封口板１１の構成では、封口底板１８には、その中心位置に固定された下部電流接点５を囲むように円筒状に立ち上がり部１９が設けられ、この立ち上がり部１９の上端は、補強板１２の中央開口部に嵌合するように構成されている。補強板１２には電池内圧の異常上昇により加圧開口部１８ａが破断開口した時、通気するための通気孔が設けられている。あるいは、封口底板１８との嵌合部の一部にすき間をあけている。立ち上がり部１９の上端には外側に僅かに突出するフランジ部１９ａが形成されているので、封口板１１の組み立て時に前記立ち上がり部１９を補強板１２の中央開口部に圧入すると、前記フランジ部１９ａの下に補強板１２が位置するように封口底板１８と補強板１２とは嵌合する。
【００３２】
この両者の嵌合によって封口底板１８の中央部は補強板１２によって補強され、中央部の変形加圧に対する強度が増強される。この中央部の補強に加えて前述した構成と同様に封口底板１８に緩衝部１６が設けられているので、封口底板１８の中央部に変形加圧が及ぶことを緩衝帯として防御すると共に、中央部の強度が増強されていることによって変形加圧の吸収機能が高められる。
【００３３】
この構成おいて、電池内圧の異常上昇により加圧開口部１８ａが破断開口したときには、補強板１２の通気孔あるいは封口底板１８との嵌合部のすき間から通気し、補強板１２と封口底板１８の嵌合が解かれる構成では補強板の合強度が不安定なものとなるため、前述した構成と同様に電池内圧が金属薄板２に及び、その膨出部２ａの反転により下部電流接点５と上部電流接点４とに嵌合接続が解除され、金属キャップ８への通電回路が絶たれる通電回路遮断機構が作動する。
【００３４】
図７に示す封口板２０の構成では、封口底板２１の中央部の電池内部側への膨出部２１ｂの直径ｒは、電池ケース１０の首部を内側に絞り込んだネック部１０ａの内径Ｒと、ｒ≧Ｒの関係になるように形成されている。また、膨出部２１ｂの周囲にリブ２１ｃを形成して、膨出部２１ｂの強度を増強させると共に、膨出部２１ｂを囲む周囲には緩衝部１７が形成されている。この封口底板２１を備えた封口板２０は、電池ケース１０の封口時には、封口底板２１の膨出部２１ｂが前記ネック部１０ａ内に圧入されるように装着した後、開口端をカシメ加工することによって電池ケース１０に固定される。
【００３５】
この構成においては、補強された膨出部２１ｂが電池ケース１０のネック部１０ａによって固定された状態になるので、封口時に封口底板２１が圧縮されることによる膨出部２１ｂへの変形加圧は緩衝部１７で吸収され、変形加圧が下部電流接点５が固定された膨出部２１ｂに及ぶことがない。尚、膨出部２１ｂの補強構造は、図８に示すように、膨出部２１ｂの形成厚さを増すこと、あるいは大きな径のディスク２２を膨出部２１ａに埋設することによっても実施することができる。
【００３６】
以上説明した通電回路遮断機構の誤作動の防止構造は、下部電流接点５と上部電流接点４との間の嵌合接続による通電回路遮断機構に適用した実施形態を示したが、他の構成になる通電回路の遮断機構にも適用することができる。この実施例を第２の実施形態として以下に説明する。
【００３７】
図９、図１０は、通電回路中に電池内圧により破断する金属板を設けて、その破断により通電回路を遮断する構成になる通電回路遮断機構の構成を示すものである。図９において、電池ケース３０の開口端を封口する封口板２５は、電池内部側から封口底板２３、金属板２４、ＰＴＣ２６、金属キャップ２７の順に外周部分で積層され、封口底板２３によって電池ケース３０と絶縁して電池ケース３０の開口端にカシメ加工により固定されている。前記金属板２４は、図１０に平面図として示すように、外周部２４ｂと中央部２４ａとの間が狭い幅の易破断部２８で接続された形状に形成されている。また、封口底板２３には、前述した構成と同様に緩衝部３２が形成されると共に、金属板２４の易破断部２８の下部位置に加圧開口部２３ａが形成されている。
【００３８】
前記金属板２４は、中央部２１ａに形成された開口部２４ｃに封口底板２３を通してディスク２９が固定されるので、発電要素からのリード３１が接続されたディスク２９、金属板２４の中央部２４ａ、易破断部２８、外周部２４ｂ、ＰＴＣ２６、金属キャップ２７に通じる通電回路が形成される。本構成になる封口板２５で封口された密閉型電池の内圧が異常上昇したとき、薄肉形成された加圧開口部２３ａが電池内圧によって、図１１に示すように封口板２５の内部側に膨らみ、その上に密着している金属板２４の易破断部２８を押し上げるので、破断しやすい構造に形成されている易破断部２８は、図示するように破断して通電回路を遮断する。易破断部２８を破断させた加圧開口部２３ａが開口すると、電池内圧は金属キャップ２７に形成された通気穴２７ａから外部に放出される。
【００３９】
上記構成になる封口板２５においても、電池ケース３０の封口時には封口底板２３を変形させる中心方向への加圧が加わると、前記易破断部２８を封口時に破断させてしまうことになる。そこで、図９に示したように、封口底板２３にその中央部を囲むように緩衝部３２を設けると、封口時に封口底板２３の外周部に加わる圧縮加圧が中央部に変形加圧として及ぶことが緩衝部３２によって吸収され、通電回路遮断機構の誤作動が防止される。
【００４０】
以上説明した実施形態においては、円筒形の密閉型電池に適用した例を示したが、角形電池等の形状に適用しても同様の効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、封口板を構成する封口底板にその中央部を囲むように薄肉形成部が設けられているので、電池ケースの開口端を封口板によって密閉封口するときのカシメ加工による圧縮加圧に伴う変形加圧は前記薄肉形成の変形しやすい薄肉部分で吸収され、変形加圧が封口底板の中央部に及ばない。封口底板の中央部には電池内圧が異常上昇したときに電池の通電回路を遮断する通電回路遮断機構が設けられているので、封口時の加圧によって中央部に変形が及ぶと通電回路遮断機構に誤作動が生じる恐れがあるが、前記薄肉形成部が緩衝帯として変形加圧を吸収するので、封口時に通電回路遮断機構を誤作動させてしまうことはない。従って、通電回路遮断機構を備えた密閉型電池の製造不良の発生はなく信頼性の高い密閉型電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る密閉型電池の封口板部分の構成を示す断面図。
【図２】封口底板を電池内部側から見た平面図。
【図３】緩衝部の変形例を示す断面図。
【図４】緩衝部の変形例を示す断面図。
【図５】緩衝部の平面配置の変形例を示す平面図。
【図６】封口底板の別実施態様を示す断面図。
【図７】封口底板の別実施態様を示す断面図。
【図８】封口底板の別実施態様を示す断面図。
【図９】第２の実施形態に係る密閉型電池の封口板部分の構成を示す断面図。
【図１０】金属板の平面形状を示す平面図。
【図１１】通電回路遮断の状態を示す断面図。
【図１２】従来構成に係る密閉型電池の構成を示す断面図。
【符号の説明】
１、１１、２０、２５ 封口板
２ 金属薄板
４ 上部電流接点
５ 下部電流接点
６、１８、２１、２３ 封口底板
１０、３０ 電池ケース
１３、１４、１５、１６、１７、３２ 緩衝部
２４ 金属板

Claims (5)

1. 有底筒形に形成された電池ケース内に発電要素を収容し、この電池ケースの開口端を封口する封口板が、外周部で電池ケースの内周面に接して電池内部から外部への通気を遮蔽すると共に電池内部の圧力が異常上昇したときに破断する加圧開口部を薄肉形成した樹脂製の封口底板と、この封口底板上の中央部に電池内圧が異常上昇したときの圧力に感応して前記発電要素からの通電回路を遮断する通電回路遮断機構とを備えて構成されてなる密閉型電池において、
   前記封口底板に、前記加圧開口部の外周側に位置すると共に封口底板中央部を囲むように薄肉形成部が設けられてなることを特徴とする密閉型電池。
2. 薄肉形成部が、中央部を囲む溝状に形成されてなる請求項１記載の密閉型電池。
3. 薄肉形成部が、中央部を囲む線上に分散形成されてなる請求項１記載の密閉型電池。
4. 薄肉形成部が、等間隔に分散形成されてなる請求項３記載の密閉型電池。
5. 薄肉形成部の断面形状が、蛇腹状に形成されてなる請求項１〜４いずれか一項に記載の密閉型電池。

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