JP3786074B2 - 密閉型電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型電池に係り、特に、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが貫通穴が形成された導電性スプリッタを挟持し、前記ダイヤフラム及び接続板の平面部同士が電気的・機械的に接続された防爆機構を備えた密閉型電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、密閉型電池は家電製品に汎用されており、最近では、密閉型電池の中でも特にリチウム電池が数多く用いられるに至っている。また、リチウム電池はエネルギ密度が高いことから、電気自動車(EV)又はハイブリッド車(HEV)の車載電源としても開発が進められている。しかし、密閉型電池は充電装置の故障などによって過充電状態に陥ると、電池内圧が極端に上昇することがある。このため、例えば、特開平第8−7866号公報に開示されているように、薄板金属板の中央部を下方に突出させた突起部が厚板金属板に溶接されており、これらの金属板の周部がカシメられた防爆装置を有する電池が提案されている。また、特に有機溶媒を電解液として用いるリチウム電池においては、電池性能が高くなるので、より確実な防爆動作が要求される。
【0003】
図3に示すように、本発明者らは、防爆装置を内蔵した上蓋40を備えた密閉円筒型リチウム二次電池50を先に提案した。密閉円筒型リチウム二次電池50は、有底円筒状の電池缶10を備えており、電池缶10内に電極捲回群11が収容されている。電極捲回群11の上部には円環状の正極集電リング14が配置されている。正極集電リング14は、正極リード板32を介して上蓋40を構成するスプリッタ24の底面に接続されている。正極集電リング14の更に上部には、上蓋40が配置されている。上蓋40は、ガスケット13を介して電池缶10にカシメられている。
【0004】
図4に示すように、上蓋40は、円板状の上蓋キャップ21を有している。上蓋キャップ21の周縁部は、ダイヤフラム22の周縁部でカシメられている。ダイヤフラム22は、アルミニウム合金製で下方に底部が形成された皿状の形状を有している。皿状の底部は平面状でありダイヤフラム22の中央部を形成している。ダイヤフラム22の中央部と周縁部との間には、薄肉化されており電池内圧が所定圧に達すると開裂する開裂溝18が形成されている。ダイヤフラム22の中央部の底面とアルミニウム合金製の接続板6の中央で上方に平面状に突出した中央部の上面とは、抵抗溶接により電気的・機械的に接合されている。ダイヤフラム22の中央部と接続板6の周縁部との間には、フランジ部が中央部の底面に当接する円環状でポリプロピレン樹脂製のブッシュを介して、スプリッタ24が狭持されている。スプリッタ24はアルミニウム合金製の平板状であり、中央には貫通穴が形成されている。スプリッタ24の周部は、ダイヤフラム22の周縁底面に当接しスプリッタ24をダイヤフラム22から隔てる断面略T字状の絶縁リング23により係止されている。
【0005】
【特許文献1】
特開平第8−7866号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構造の防爆装置を内蔵した電池では、電池内圧上昇時に、防爆装置により安全に電池を使用不能状態とすることはできるが、防爆装置が占める体積によって、電池の体積効率が低下する、という問題点がある。
【0007】
図3及び図4に示す構造では、防爆装置が正極集電リング14より上部に配置されているため、絶縁リング23の高さに相当する寸法だけ、電池の高さが大きくなる。このため、電池の体積が増加すると共に、重量も増加してしまう、という問題点がある。EVやHEVにおいては、電池の体積の増加は、居住空間の減少につながり、重量の増加は、燃費の悪化につながる。
【0008】
本発明は上記事案に鑑み、十分に安全でありながらも、体積効率を高めた密閉型電池を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが貫通穴が形成された導電性スプリッタを挟持し、前記ダイヤフラム及び接続板の平面部同士が電気的・機械的に接続された防爆機構を備えた密閉型電池であって、前記スプリッタが前記ダイヤフラムに沿った扁平ドーナツ形状を有している。
【0010】
本発明では、密閉型電池が防爆機構を備えているため、電池内圧が所定圧に達するとダイヤフラムが反転しダイヤフラム及び接続板の平面部の接続が破断することで、電流が遮断されるので、安全性を確保することができると共に、スプリッタの形状をダイヤフラムに沿った皿状形状としたため、スプリッタの周部がダイヤフラムに近づき、近づいた分防爆機構を密閉型電池内に落とし込むことができるので、密閉型電池の高さ方向の寸法を小さくすることができる。
【0011】
この場合において、ダイヤフラムのスプリッタが沿う部分と、スプリッタとを、環状の集電部材内に収容すれば、更に密閉型電池の高さ方向の寸法を小さくすることができる。また、更に、スプリッタの周部をダイヤフラムの底面と所定間隔を隔てて係止する樹脂製スプリッタ係止部材を備え、スプリッタ係止部材がスプリッタの外周部を支持するツメを3箇所以上有するようにすれば、電池に振動が加えられても、ダイヤフラムとスプリッタとの平面部同士が接続された箇所に繰り返し応力が集中することを防止することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用可能な密閉円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。
【0013】
図1に示すように、本実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池30(以下、二次電池30と略称する。)は、電極捲回群11を備えている。電極捲回群11は、負極端子を兼ねる有底円筒状の電池缶10内の中央に収容されており、正極板と負極板とをポリエチレン製微多孔薄膜のセパレータを介してガラス入り樹脂製軸芯の周りに捲回されている。
【0014】
正極は、リチウムマンガン複合酸化物(LiMnO2、LiMn2O4)又はLiMnO2、LiMn2O4のリチウムサイト又はマンガンサイトを他の金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン遷移金属複合酸化物の粉末、導電材の炭素材料、結着剤のポリフッ化ビニリデン(PVDF)及び粘度調整溶媒としてn−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た正極活物質合剤を正極集電体のアルミニウム箔の両表面に均一に塗布、乾燥、所定寸法にプレス、集電するための一部を残して短冊状に裁断して得られたものである。なお、リチウムマンガン遷移金属複合酸化物は、化学式LiMn1−xMxO2、LiMn2−xMxO4(Mは、Mn、Fe、Co、Ni等から選ばれる1種以上の遷移金属)で表すことができる。
【0015】
一方、負極は、黒鉛又は炭素、結着剤のPVDF及び粘度調整溶媒としてn−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た負極活物質合剤を負極集電体の銅箔の両表面に均一に塗布、乾燥、所定寸法にプレス、集電するための一部を残して短冊状に裁断して得られたものである。なお、集電するために残した部分には正、負極タブが形成されている。
【0016】
正極タブ及び負極タブは電極捲回群11の互いに反対側の両端面に位置するように配置されている。軸芯の下端には、集電用の負極集電リングが固定されており、負極集電リングの周縁部には負極タブが超音波溶接されている。負極集電リングは、電池缶10に抵抗溶接されている。軸芯の上端には集電用の正極集電リング14が固定されており、正極集電リング14の周縁部には正極タブが超音波溶接されている。正極集電リング14には、短冊状の正極リード板16の一端が溶接されている。正極リード板16の他端は、短冊状の正極リード板12の一端に接続されており、正極リード板12の他端は、電極捲回群11の上部に配置された上蓋20を構成するスプリッタ4の底面に溶接されている。
【0017】
図2に示すように、上蓋20は、鉄製でニッケルメッキが施された円板状の上蓋キャップ1を有している。円板の中央には上方に向けて突出した円筒状の突起が形成されている。突起の上面には開口が形成されている。上蓋キャップ1の周縁部は、ダイヤフラム2の周縁部でカシメられている。ダイヤフラム2は、アルミニウム合金製で下方に底部が形成された皿状の形状を有している。皿状の底部は平面状でありダイヤフラム2の中央部を形成している。ダイヤフラム2の中央部と周縁部との間には、薄肉化されており電池内圧が所定圧に達すると開裂する開裂溝8が形成されている。ダイヤフラム2の中央部の底面とアルミニウム合金製の接続板6の中央で上方に平面状に突出した中央部の上面とは、抵抗溶接により電気的・機械的に接合されている。ダイヤフラム2は、二次電池30の内圧が所定圧になったときに作動(ダイヤフラム2が上蓋キャップ1側に反転)するように抵抗溶接により設定されている(以下、この抵抗溶接箇所を接合部7という。)。ダイヤフラム2の中央部と接続板6の周縁部との間には、フランジ部が中央部の底面に当接する円環状でポリプロピレン樹脂製のブッシュ5を介して、スプリッタ4が狭持されている。
【0018】
スプリッタ4は、アルミニウム合金製で中央には貫通穴9が形成されており、ダイヤフラム2に沿った扁平ドーナツ形状(皿状の中央部が空けられた形状)を有している。ダイヤフラム2のスプリッタ4が沿う部分と、スプリッタ4とが、図1に示した正極集電リング14内に収容されている。スプリッタ4の底面と正極集電リング14の内面とで画定された空間Sは、電池の高さ方向で中央部より周部の方が大きい。図1に示した正極リード片16は、空間Sの周部近傍で折り曲げられて収容されている。スプリッタ4の外周部は、断面略T字状の樹脂製絶縁リング3によりダイヤフラム2の底面と所定間隔を隔てて係止されている。絶縁リング3は、内面側にスプリッタ4の外周部を支持するツメ15を3箇所以上有している。絶縁リング3とツメ15とは一体成形されている。なお、ダイヤフラム2、スプリッタ4、上蓋キャップ1及び接続板6は、プレス加工により形成されている。
【0019】
電池缶10内に非水電解液が所定量注入された後、上蓋20の周縁部と電池缶10とはガスケット13を介してカシメられて電池内が密閉されている。非水電解液には、例えば、6フッ化リン酸リチウムや4フッ化ホウ酸リチウムをエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの有機溶媒に1モル/リットル程度溶解した電解液が用いられている。
【0020】
次に、本実施形態の二次電池30の作用等について説明する。
【0021】
本実施形態の二次電池30は、スプリッタ4の形状をダイヤフラム2に沿った扁平ドーナツ形状としたため、スプリッタ4の外周部とダイヤフラム2の底面との間隔が小さくなる。このため、スプリッタ4及びダイヤフラム2を電池缶10内に落とし込む(電極捲回群11に近づける)ことができるので、二次電池30の高さ方向の寸法を小さくすることができる。また、電池内圧が所定圧に達するとダイヤフラム2が反転し接続板6が破断して、電流が遮断される。従って、十分な安全性を確保できると共に、体積及び重量が小さい二次電池30を得ることができる。また、スプリッタ4の形状が扁平ドーナツ形状のため、平板状のスプリッタよりスプリッタ4の強度を大きくできる。このため、スプリッタ4の厚さを薄くして二次電池30を更に軽量化することができる。
【0022】
また、本実施形態の二次電池30は、ダイヤフラム2のスプリッタ4が沿う部分と、スプリッタ4とが、正極集電リング14内の空間Sに収容されている。このため、正極集電リング14内に収容された高さ分、二次電池30の高さ方向の寸法を小さくすることができる。
【0023】
更に、本実施形態の二次電池30は、スプリッタ4の底面と正極集電リング14の内面とで画定された空間Sが、二次電池30の高さ方向で中央部より周部で大きく、正極リード片16が空間Sの周部近傍で折り曲げられて収容されている。このため、正極リード片16の折り曲げ(曲率半径R)を極端に小さくすることなく電池を作製することができる。従って、電池作製時にリード片16が折損するおそれがない。
【0024】
また、本実施形態の二次電池30は、スプリッタ4の外周部をダイヤフラム2の底面と所定間隔を隔てて係止する絶縁リング3を備えている。このため、ダイヤフラム2とスプリッタ4とを絶縁することができる。また、絶縁リング3の3箇所以上のツメ15によってスプリッタ4の外周部が支持されている。このため、外力による二次電池30の振動時に、スプリッタ4の振動を抑制して、振動による疲労で接合部7が破断するのを防止することができる。従って、二次電池30の耐振性を向上させることができる。また、絶縁リング3とツメ15とは一体成形されているので、部品点数が増加することはなく、コスト高となることもない。
【0025】
また更に、ダイヤフラム2の作動圧は大気圧より大きいので、一旦ダイヤフラム2が反転すれば、大気圧でダイヤフラム2は元の形状には戻らず、接続板6がダイヤフラム2に再度電気的に接触することもない。このため、安全性に優れた電池とすることができる。
【0026】
更に、二次電池30の内圧が更に上昇すると、ダイヤフラム2には薄肉化された開裂溝8が形成されているので、開裂溝8が内圧により開裂される。電池缶10内のガスは、スプリッタ4に形成された貫通穴、開裂溝8の開裂箇所、上蓋キャップ1に形成された開口を経て外部へ開放される。従って、安全に二次電池30を使用不能状態とすることができる。
【0027】
また、本実施形態の二次電池30では、ダイアフラム2とスプリッタ4との間にポリプロピレン樹脂製のブッシュ5を介在させたことで、組立時に一時的に大きな荷重がダイアフラム2に作用しても軟質材料からなるブッシュ5の変形によってダイアフラム2の開裂溝8の破損を防止することができる。このため、二次電池30の歩留まりを高めることができると共に、電池組立作業での安全性も確保することができる。
【0028】
なお、本実施形態では、ダイヤフラム2に沿って扁平ドーナツ形状に折り曲げられたスプリッタ4を例示したが、形状はこれに限定されず、例えば、スプリッタ4の外周縁付近を更に折り曲げてもい。このようにすれば、更にスプリッタの外周縁部をダイヤフラム2に近づけて二次電池を小さくすることができる。
【0029】
また、本実施形態では、断面略T字状の絶縁リング3を例示したが、断面形状はこれに限定されず、例えば、断面略J字状にしてもよい。このようにすれば、より確実にスプリッタ4を支持することができる。
【0030】
更に、本実施形態では、密閉円筒型リチウムイオン二次電池を例示したが、円筒型に限定されず、角型に適用してもよいし、二次電池に限らず一次電池に適用してもよい。
【0031】
また、本実施形態では、ダイヤフラム2、接続板6及びスプリッタ4の材質にアルミニウム合金を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、アルミニウム、ニッケル合金、導電性プラスチックなどの他の導電性材質を使用するようにしてもよい。
【0032】
【実施例】
次に、上記実施形態に従って作製した実施例の二次電池について説明する。比較のために作製した電池についても併記する。なお、電池の容量は、すべて6Ahとした。
【0033】
(比較例1)
下表1に示すように、比較例1では、ダイヤフラムに厚さ0.6mmのアルミニウム合金A3003−H14、スプリッタにプレス加工によってダイヤフラムに沿う扁平ドーナツ形状とした厚さ0.8mmのアルミニウム合金A3003−H14、絶縁リングにツメを持たない樹脂製絶縁リングを用いて電池を作製した。
【0034】
【表1】
【0035】
(実施例1)
表1に示すように、実施例1では、ダイヤフラムに厚さ0.6mmのアルミニウム合金A3003−H14、スプリッタ4にプレス加工によってダイヤフラム2に沿う扁平ドーナツ形状とした厚さ0.8mmのアルミニウム合金A3003−H14、絶縁リングにツメの数が3箇所の絶縁リングを用いて電池を作製した。
【0036】
(実施例2、3)
表1に示すように、実施例2、3では、絶縁リングにツメの数がそれぞれ4、6箇所の絶縁リングを用いた以外は実施例1と同様に電池を作製した。
【0037】
<試験>
上述したように作製した実施例の電池と従来の構造(図3、4参照)の電池とで、体積及び重量を比較した。
【0038】
従来の電池(図3、4参照)では、スプリッタには、厚さ1.2mmのアルミニウム合金A3003−H14を必要としたが、実施例の電池では、スプリッタを扁平ドーナツ形状としたので、厚さ0.8mmのアルミニウム合金A3003−H14で十分な強度が得られた。また、従来の電池では、電池の総高さは、111mmであったが、実施例の電池では、108mmであった。つまり、実施例の電池では、電池缶10の高さが小さくなると共に、スプリッタ4が薄くなることにより、体積効率がおよそ3%向上し電池重量(約300g)がおよそ2.5g軽量化された。
【0039】
次に、実施例及び比較例の電池をそれぞれ100個作製し、同一構造の治具で振動試験機に取り付けて、2Gの加速度で144時間加振し、その後、電池を解体し、ダイヤフラム2と接続板6の接合部7を観察して、スプリッタ4の外周部を支持するツメの効果を調べた。下表2に結果を示す。
【0040】
【表2】
【0041】
表2に示すように、比較例1のツメを持たない電池では、100個中41個で接合部が完全に破断し、更に27個に亀裂の発生が確認された。しかし、実施例のツメが3箇所以上設けられた電池では、異常は見られなかった。ツメは実用上3箇所で十分であることが確認された。従って、スプリッタ4がダイヤフラム2に沿った扁平ドーナツ形状を有し、絶縁リングにツメを3箇所以上有する実施例の電池は、安全性及び耐振性に優れると共に、体積及び重量の小さい電池であることが判明した。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、密閉型電池が防爆機構を備えているため、電池内圧が所定圧に達するとダイヤフラムが反転しダイヤフラム及び接続板の平面部の接続が破断することで、電流が遮断されるので、安全性を確保することができると共に、スプリッタの形状をダイヤフラムに沿った皿状形状としたため、スプリッタの周部がダイヤフラムに近づき、近づいた分防爆機構を密閉型電池内に落とし込むことができるので、密閉型電池の高さ方向の寸法を小さくすることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用可能な実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図2】実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の上蓋の断面図である。
【図3】従来の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図4】従来の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の上蓋の断面図である。
【符号の説明】
2 ダイヤフラム(防爆機構の一部)
3 絶縁リング(スプリッタ係止部材)
4 スプリッタ(防爆機構の一部)
6 接続板(防爆機構の一部)
9 貫通穴
14 正極集電リング(集電部材)
20 上蓋
30 密閉円筒型リチウムイオン二次電池(密閉型電池)
Claims (3)
- 中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが貫通穴が形成された導電性スプリッタを挟持し、前記ダイヤフラム及び接続板の平面部同士が電気的・機械的に接続された防爆機構を備えた密閉型電池であって、前記スプリッタが前記ダイヤフラムに沿った扁平ドーナツ形状を有していることを特徴とする密閉型電池。
- 前記ダイヤフラムの前記スプリッタが沿う部分と、前記スプリッタとが、環状の集電部材内に収容されていることを特徴とする請求項1に記載の密閉型電池。
- 更に、前記スプリッタの周部を前記ダイヤフラムの底面と所定間隔を隔てて係止する樹脂製スプリッタ係止部材を備え、前記スプリッタ係止部材が前記スプリッタの外周部を支持するツメを3箇所以上有していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の密閉型電池。
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