JP3639414B2

JP3639414B2 - 密閉型電池

Info

Publication number: JP3639414B2
Application number: JP24411397A
Authority: JP
Inventors: 克彦森; 兼人増本; 哲哉村上; 和彦渡邉
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JPH1186821A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型電池、特にリチウム二次電池等の高エネルギー密度を有する密閉型電池が異常使用された場合の過大な内圧を処理すると共に通電回路を遮断することができ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】
リチウム二次電池等のエネルギー密度の高い密閉型電池は、この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、電池内部に異常にガスが発生して内圧が異常上昇することがある。このような異常使用に備えて異常発生したガスを排出するガス抜き機構が設けられている。また、非水電解液二次電池では異常温度上昇を伴うので、ガス排出に先立って通電回路を遮断する通電回路遮断構造が設けられる。
【０００３】
前記通電回路遮断構造を備えた密閉型電池の従来技術として、特開平５−３３５０１１号、特開平５−３４３０４３号、特開平８−３０６３５１号、特開平８−３１５７９８号、特開平９−１２９１９５号、特開平９−１９９１０５号、特開平９−１９９１０６号の各公報に開示されたものが知られている。これらに開示された構成は、電池内圧の異常上昇により変形する金属板と発電要素に接続された部材との間の溶接部分を剥離させ、あるいは加圧変形する金属板に薄肉形成された易破断部を破断させ、発電要素から封口板の金属キャップに至る通電回路を遮断するように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶接により接合された部分の剥離強度は、溶接強度や溶接部分の部材の強度等に影響され、易破断部を破断する破断強度は薄肉部の厚さ精度が要求されるため、剥離または破断強度を一定の精度に管理することが難しく、電池内圧の上昇により通電回路を遮断する精度を一定に保つことができない問題点があった。また、溶接点を微小部分に限定するためレーザー溶接を用いた場合には、微小な穴を発生させることがあり、電池内部から電解液を漏出させてしまう恐れがあった。
【０００５】
本発明が目的とするところは、電池内圧の異常上昇時に通電回路を遮断する通電回路遮断構造を電池内圧に対して精度よく動作するように構成した密閉型電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、発電要素を収容する電池ケースの端部開口が封口板により密閉封口され、この封口板の電極部を形成する金属キャップから電池内部寄りに設けられた金属薄板が電池内圧の上昇によって変形することにより、発電要素から金属キャップに至る通電回路を遮断する構造を備えた密閉型電池において、前記封口板の電池内部に面して設けられ、その中心位置に発電要素に電気的接続された下部電流接点が固定された封口板底板と、この封口板底板に隣接する電池外部側に設けられて前記金属キャップに電気的接続がなされ、中央部に電池内部方向に緩やかに膨出する膨出部が形成され、その中心位置に前記下部電流接点と着脱可能に嵌合接続する上部電流接点が固定された金属薄板とを備えてなり、前記上部電流接点と下部電流接点との間の嵌合接続が、電池内圧が異常上昇したときに金属薄板の膨出部の反転動作により解かれるように構成されていることを、第１の特徴点としている。
【０００７】
上記構成によれば、発電要素に接続された下部電流接点と金属薄板に固定された上部電流接点との間は、両者の着脱可能な嵌合接続により導通しているので、発電要素から金属キャップに至る通電回路が形成される。このように構成された封口板を備えた密閉型電池が異常使用されて電池内圧が異常上昇したとき、その電池内圧により金属薄板が加圧され、加圧された金属薄板は、その膨出部の膨出方向が反転しようとして膨出部の中心位置に固定されている上部電流接点が下部電流接点と嵌合する嵌合強度以上の加圧で嵌合から離脱し、膨出部は上部電流接点を伴って反転する。この膨出部の反転動作により上部電流接点と下部電流接点との間の嵌合接続が解かれるので、下部電流接点から金属キャップに至る通電回路は遮断され、電池内圧の異常上昇の根源となっていた異常電流の流れが絶たれる。
【０００８】
また本発明は、封口板底板が、電池内部と封口板内部との間の通気を遮蔽するように形成されると共に、電池内圧による加圧が所定値以上になったとき破断開口して電池内部と封口板内部との間を通気状態とする加圧開口部が形成されてなることを、第２の特徴点としている。
このように構成することにより、平常時は封口板の内部と電池内部との間は遮蔽されるので、電池内部の電解液やその揮発成分が封口板内に侵入することはなく、電解液の成分による構成部材の腐食や汚染を防止することができる。封口板内部には上部電流接点と下部電流接点との嵌合接続部があるので、これらの汚染は電気伝導上でも好ましくないが、このように遮蔽構造に形成されることにより接続不良の発生は防止される。また、この遮蔽構造により電解液の成分により腐食や汚染の影響を受けやすい材料部材を使用することも可能になるので、構成部材の選択の幅を広げることも可能になり、より好ましい材料により各部材を構成することができる。更に、加圧開口部が形成されていることにより、電池内圧が所定値以上になったときには、この加圧開口部が破断して電池内圧が金属薄板に及び、膨出部の反転動作により上部電流接点と下部電流接点との間の嵌合接続を離脱させる通電回路の遮断動作を行わせることができる。
【０００９】
また、封口板底板は、樹脂成形により形成され、薄肉形成された部位を加圧開口部として構成することができ、絶縁体なので下部電流接点を取り付けたときに別途絶縁物により下部電流接点を他の部位から絶縁することが容易となり、また、周辺部を折り返して封口板を構成する各部材の周辺部を包み、電池ケースとの間を絶縁すると共に気密封止する絶縁ガスケットとしての用にも供することができる。
【００１０】
【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。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る密閉型電池の封口板部分の構成を断面構造として示しており、密閉型電池は図示省略した下部に発電要素を収容して有底円筒形に形成された電池ケース１０の上部開口を封口板１で密閉して構成されている。前記封口板１は、電池内部側から、中心位置にディスク７を介して下部電流接点５が固定された封口板底板６、中央部を電池内部方向に膨出形成し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、リング状の臨界温度抵抗体であるＰＴＣ３、通気口８ａが形成された金属キャップ８の順に配設され、それぞれを外周部分で積層し、この積層部は前記封口板底板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にかしめ加工により固定される。前記ディスク７には発電要素に接続するリード９が接合されているので、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へと通じる通電回路が形成される。
【００１２】
前記金属薄板２は、図示するように円板形状の周囲で積層により固定され、中央部に電池内部方向に緩やかに膨出する膨出部２ａが形成され、この膨出部２ａの中心位置に前記上部電流接点４が固定されると共に、膨出部２ａの中程にはＣの字状に易破断部２ｂが形成されている。この金属薄板２を具体的な構成例で示すと、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の字状の薄肉部分を形成して、これを易破断部２ｂとし、膨出部２ａの中心位置に設けた開口部に上部電流接点４を固定する。
【００１３】
また、前記封口板底板６は、樹脂成形により形成され、中心位置に形成された開口部に下部電流接点５をディスク７と共に固定し、図示するように１か所または複数か所に薄肉成形した加圧開口部６ａが形成されている。
【００１４】
また、前記上部電流接点４と下部電流接点５との間の接続構造は、図３に示すように着脱可能な嵌合構造に形成されている。図３に拡大図示するように、上部電流接点４に形成された嵌合部４ａを下部電流接点５の頭部に形成された緩出部５ａに嵌め込むことにより通電接続され、発電要素から前記金属キャップ８に至る電流回路は、この通電接続により形成される。
【００１５】
また、ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）３は、周知の臨界温度抵抗体であって、正常時は無視できる僅かな電気抵抗値であるが、過大な電流が流れることによる温度上昇により、その温度が所定の温度域（臨界温度）を越えたとき急激に電気抵抗値が増大する正温度係数抵抗素子である。
【００１６】
上記構成になる封口板１を備えた密閉型電池が、この密閉型電池を使用する機器の故障、あるいは誤った使用、外部短絡等の異常使用がなされた場合に発生するガス等による内部圧力の異常上昇、あるいは異常な温度上昇に対応する異常対応動作について、図１〜図３を参照して以下に説明する。
【００１７】
電池の異常使用のケースとして、電池を使用する機器の故障による正負電極間の短絡、充電器の故障による過充電、電池容量を無視した過負荷使用、故意または予期せぬ事態による正負電極間の短絡、多数直列接続による過放電、逆充電等々が考えられるが、このような異常使用に対処すべく、３通りの異常対応動作がなされる。
【００１８】
まず、第１の異常対応動作は、過大な電流が流れた場合に、ＰＴＣ３は過大電流が流れたことにより短時間で臨界温度に達して、その電気抵抗値が増大するので通電電流は大幅に減少維持され、外部短絡や過大電流での誤使用における電池損傷が防止される。
【００１９】
しかし、密閉型電池の一例であるリチウム二次電池では、充電器の故障等による無制御での過充電、あるいは逆充電、多数直列接続での過放電などの場合に、前記ＰＴＣ３が臨界温度に温度上昇するに至らない電流量であっても電池安全容量を越えて電池内圧が上昇することがある。即ち、このような異常電流が継続して流れた場合に、電解液及び活物質の分解などを伴いながら電池温度が急激に上昇し、大量のガスあるいは蒸気を発生させる。そこで、このような電池内圧が所定圧より上昇した場合に、通電電流回路を遮断する第２の異常対応動作が起動する。
【００２０】
図１に示す封口板１の各構成要素の状態は正常時の状態であって、電池ケース１０内の内圧が封口板底板６に形成された加圧開口部６ａの破断強度を越えた場合に、薄肉形成された加圧開口部６ａは破断開口し、開口した加圧開口部６ａから封口板１内に侵入した電池内圧は金属薄板２に加わる。金属薄板２の膨出部２ａは、その膨出方向が電池外部側に反転する方向に加圧を受け、その中心位置にある上部電流接点４の下部電流接点５との嵌合強度を越えたとき、膨出部２ａは図２に示すように反転する。この膨出部２ａの反転動作によって上部電流接点４は下部電流接点５から抜け出し、両者間の嵌合が解かれることになる。この上部電流接点４の下部電流接点５からの離脱によって通電電流回路が遮断されるので、電池内圧上昇の原因となっている異常電流は絶たれ、電池内圧上昇の根源は排除される。
【００２１】
しかし、異常電流が遮断されても瞬時に温度が低下するわけもなく、ガスや蒸気の発生も瞬時には治まらず、電池内圧が更に上昇し続けた場合には、第３の異常対応動作が起動する。即ち、大量のガスまたは蒸気が発生して、電池内圧が金属薄板２の膨出部２ａに設けた易破断部２ｂの破断強度に基づいて設定した所定値に達すると、易破断部２ｂが破断して金属薄板２の中央部が開裂され、電池内部に充満していたガスや蒸気は金属キャップ８の通気口８ａから外部放出される。
【００２２】
上記構成においては、封口板底板６は樹脂成形により形成され、封口板１と電池ケース１０との間を絶縁する用にも用いられているが、この封口板底板６と同様の構成を、図４に示すように構成することもできる。
【００２３】
図４に示す封口板１ａの構成では、アルミニウム等の金属で形成した下部電極板１１とガスケット１３及び絶縁板１２により前記封口板底板６と同様の作用をなす構成が採用されている。前記下部電極板１１の中心位置には下部電流接点５が固定され、刻印により薄肉部分を形成して電池内圧が所定値以上になったとき薄肉部分から破断する加圧開口部１１ａが形成されている。この下部電極板１１は金属製なので絶縁板１２により金属薄板２と絶縁して積層され、積層部はガスケット１３で絶縁して電池ケース１０にかしめ固定される。尚、前記下部電極板１１を絶縁物で形成した場合には、絶縁板１２を設ける必要はない。
【００２４】
上記封口板１または１ａの構成において、上部電流接点４と下部電流接点５との着脱可能な嵌合構造によって通電回路の遮断を行うので、この嵌合強度を一定に管理することにより、従来技術において用いられている溶接による通電回路接続の溶接強度や易破断部の破断強度の精度管理の困難さを解消することができる。また、本実施形態に係る構成は、従来技術において実現されなかった特筆すべき特徴を有している。
【００２５】
即ち、図１、図４に示すように、平常時において電池内部と封口板１の内部との間は封口板底板６または下部電極板１１により完全に遮蔽された状態に構成されているため、金属素材で形成される金属薄板２や上部電流接点４、下部電流接点５の嵌合部側が電池内部の電解液やその揮発成分に曝されないことにある。これらの金属素材によって形成される部材は、従来技術においても電解液により腐食したり汚染により変質しない素材を使用していることは当然であるが、経時変化がないとはいえない。本構成では、嵌合接触構造により通電回路の接続を行っているので、特に嵌合接触部分の汚染による接続不良が生じることを防止するためにも電池内部と遮蔽する必要があり、本構成によりこれを実現している。この電池内部と封口板１の内部との間の遮蔽構造により、部材の構成素材の選択の幅が広がり、異常時に破断させるために薄肉形成される部分の腐食や汚染による破断強度精度の経時変化等も防止できる。
【００２６】
尚、上記実施形態においては、円筒形電池について説明したが、角筒形電池あるいはそれに類似の電池においても同様に構成することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、電池の異常使用により電池内圧が異常上昇したとき上部電流接点と下部電流接点との間の嵌合が解かれて通電接続が絶たれるので、電池内圧の異常上昇の根源となっていた過大電流の通電回路は遮断される。この通電回路の遮断は上部電流接点と下部電流接点との間の嵌合接続を解くことによってなされるので、電池内圧による遮断動作の精度を一定の状態に製作することができる。また、封口板底板により電池内部と封口板の内部とは遮蔽されるので、電解液の成分による上部、下部の各電流接点の汚染が防止できるだけでなく、電解液による腐食や汚染の影響を受けやすい材料を使用することも可能となり、材料選択の幅を広げることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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】図１に示す状態を平常時として、電池内圧が異常上昇したときの通電回路遮断の状態を示す断面図。
【図３】上部電流接点と下部電流接点との間の嵌合接続構造を示す断面図。
【図４】封口板構造の変形例を示す断面図。
【符号の説明】
１、１ａ封口板
２金属薄板
２ａ膨出部
３ＰＴＣ
４上部電流接点
５下部電流接点
６封口板底板
６ａ、１１ａ加圧開口部
８金属キャップ
１０電池ケース
１１下部電極板（封口板底板）

Claims

発電要素を収容する電池ケースの端部開口が封口板により密閉封口され、この封口板の電極部を形成する金属キャップから電池内部寄りに設けられた金属薄板が電池内圧の上昇によって変形することにより、発電要素から金属キャップに至る通電回路を遮断する構造を備えた密閉型電池において、
前記封口板の電池内部に面して設けられ、その中心位置に発電要素に電気的接続された下部電流接点が固定された封口板底板と、
この封口板底板に隣接する電池外部側に設けられて前記金属キャップに電気的接続がなされ、中央部に電池内部方向に緩やかに膨出する膨出部が形成され、その中心位置に前記下部電流接点と着脱可能に嵌合接続する上部電流接点が固定された金属薄板とを備えてなり、
前記上部電流接点と下部電流接点との間の嵌合接続が、電池内圧が異常上昇したときに金属薄板の膨出部の反転動作により解かれるように構成され、
前記封口板底板が、電池内部と封口板内部との間の通気を遮蔽するように形成されると共に、電池内圧による加圧が所定値以上になったとき破断開口して電池内部と封口板内部との間を通気状態とする加圧開口部が形成されてなることを特徴とする密閉型電池。
封口板底板が、樹脂成形により形成され、薄肉形成された部位を加圧開口部とした請求項１記載の密閉型電池。