JP3891657B2 - 電池の安全装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてリチウムイオン二次電池、ニッケル・水素二次電池などの高エネルギー密度の電池に利用され、外部からの圧力で電池が変形したときに生じる不具合を未然に防止できる電池の安全装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池のなかには、電極反応におけるガス発生により内圧が高まるものがあり、内圧が異常に高くなった場合の対策として防爆安全機能を備える必要があるものがある。例えば高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池の多くは、内圧開放機能を備えるとともに感圧遮断機能を有し、短絡や過充電などの異常時には感圧遮断機能が働いて充電又は放電を停止させ、かつ内圧開放機能が働くように設計されている。
【０００３】
例えば図１１に示すような防爆安全機構が知られている。この機構では、電極体１００から延びるリードタブ１０１が薄肉部１０３をもつラプチャ１０２に接続され、ラプチャ１０２はＰＣＴ素子１０４を介して外部電極１０５と接続されている。そして電池内圧が異常に高まると、ラプチャ１０２が外方へ膨張してリードタブ１０１との接続が遮断されるとともに薄肉部１０３が破断し、電池内部のガスは外部電極１０５のガス抜き穴１０６から安全に外部へ放出されて感圧遮断機能が働く。
【０００４】
また電池の温度が異常に高まると、ＰＴＣ素子１０４の抵抗値が増大し、充電又は放電電流が絞り込まれ感温遮断機能が働く。
また特開平８−３３９７９２号公報には、図１２に示すような防爆安全機構が開示されている。この機構を説明すると、電極体１００から延びるリードタブ１０１が溶接された内部端子板２００の上側に中間感圧板２０１がガスケット２０２を介して積層され、中間感圧板２０１の突起２０１ａが内部端子板２００と溶接されている。また中間感圧板２０１の上方にはＰＴＣ素子２０３を介して外部端子板２０４が積層され、全体がかしめリング２０５の内周に加締め付けられて電池ケース２０６と一体化されている。
【０００５】
この防爆安全機構では、過放電、過充電などにより電池内部にガスが発生すると、電池ケース２０６内のガス圧力は内部端子板２００のガス抜き穴２００ａを通じて中間感圧板２０１に作用する。そして電池内圧が異常に上昇すると、中間感圧板２０１は上方へ膨らむように変形し、突起２０１ａと内部端子板２００との溶接点が剥がれて両者が離間した状態となる。これにより外部端子板２０４につながる電池内導電経路が遮断され、感圧遮断機能が働く。中間感圧板２０１がさらに大きく変形すると、ついにはその薄肉部２０１ｂが破断し、電子ケース２０６内のガスが安全に外部に放出され内圧開放機能が働く。
【０００６】
また電池の温度が異常に上昇すると、外部端子板２０４につながる電池内導電経路中に挿入されているＰＴＣ素子２０３の抵抗値が増大し、充電又は放電電流が絞り込まれ感温遮断機能が働く。感圧及び感温遮断機能は、その時の電池の状態によって働く順序が変わるが、いずれの機能が先に働いても電池の安全は確保される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電池温度の上昇の原因の一つとして、外部からの圧力による電池の変形に伴う内部ショートが挙げられる。つまり外部からの圧力により電池が変形すると、セパレータの破損や圧縮により内部ショートが生じる。このとき、正極板と負極板との接触面積が大きい場合には、電池エネルギーが開放されることとなり不具合は生じないが、接触面積によって発熱量が変化することがある。特に、正極板と負極板とが部分的にレアショート（接触したり離れたりする微妙な状態）となった状態では、発熱する部分が局在化し、ヒートスポットが集中するため急激な温度上昇が生じる場合がある。
【０００８】
またレアショートの場合には、電池内圧も上昇して内圧開放機構が働くが、上記の場合のように電池温度が極端に高くなると、沸騰したりガス化した電解液による各種不具合が懸念される。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、外部からの圧力により電池が変形した場合に、その圧力により正極板と負極板とを確実に短絡させてレアショート状態となるのを確実に防止し、急激な温度上昇による不具合を未然に防止することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の電池の安全装置の特徴は、正極板と負極板をセパレータを介して交互に積層した電極体を電解液とともにケースに封入した構造の電池において、規制部と突起とを有し平常時は規制部が電極体に当接することで突起が電極体に当接するのを規制し、外部からの圧力が加わった際の変形により突起が規制部より突出して電極体に突き刺さることで正極板と負極板とを短絡させる短絡手段を備えたことにある。
電池は、角型形状であることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の電池の安全装置では、外部からの圧力により電池が変形した場合には、短絡手段が変形することで正極板と負極板とが確実に短絡し、レアショート状態となるのが防止される。したがって電池エネルギーが開放され、電池の内圧及び温度の上昇が回避される。
【００１１】
本発明は、正極板と負極板をセパレータを介して交互に積層した構造の電池に適用されるが、積層形態には特に制限がなく、単純な積層構造、あるいは三層を重ねて巻回したスパイラル構造などとすることができる。
短絡手段としては、外部からの圧力により変形して正極板と負極板とを短絡するものであればよく、例えば突起をもつ板材あるいは巻芯などが例示される。この板材を電池ケースと電極体の間に配置しておくことにより、外部からの圧力が作用した場合に突起が電極体の一部を突き破り正極板と負極板とを導通して短絡させることができる。また外部からの圧力による変形時に突出する突起を巻芯に設けておけば、変形時に突起が電極体を突き破り正極板と負極板とを導通して短絡させることができる。
【００１２】
なお、通常の使用時には突起は突出しない状態を維持し、外部から圧力が作用した場合にのみ突出するように構成することが望ましい。このようにすれば、電池組立時などの突起による傷付きや短絡の発生を防止することができる。
また、外力により突起を確実に突出させるためには、突起は電池ケースの近傍に形成することが望ましく、外力の方向を選ばないようにすることが望ましい。例えば角形電池であれば、電池ケースの４つの内周表面全部に突起を設けることが望ましい。
【００１３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
本実施例は、薄い角形のリチウムイオン電池に本発明を適用したものである。本実施例における短絡手段は、電極体の巻芯として設置されている。この巻芯１は、図１及び図２に示すように、アルミニウム又はステンレス製板材から形成され、基部１０と、基部１０に連続して基部１０からそれぞれ反対側へ伸び基部１０と約１５０度の角度で傾斜する一対の元部１１と、それぞれの元部１１の端部から間隔を隔てて互いに平行に延びる一対の第１芯部１２と、第１芯部１２の先端で円弧状に約１８０度反転して元部１１側へ向かう第２芯部１３とからなり、一対の第１芯部１２の間の元部１１の先端には第２芯部１３に向かって突出する三角形状の突起１４がそれぞれ形成されている。したがって巻芯１は、断面略Ｓ字形状となっている。
【００１４】
この巻芯１には、厚さ約１００μｍの正極板及び負極板が厚さ約３０μｍのセパレータを介して積層された３層構造の極板が、スパイラル状に巻回されて楕円形状の電極体２が形成される。このとき、図３に示すように、突起１４の先端は第１芯部１２と第２芯部１３の間に位置し、３層構造の極板は第１芯部１２及び第２芯部１３に沿うように巻回されるので、突起１４により極板に傷が付いたりするような不具合はない。
【００１５】
巻芯１に巻回されて形成された電極体２は、図４に示すように電池ケース３に入れられ、電解液を注入後密封されて電池が構成される。
この電池では、外力により電池ケース３が潰れるように変形すると、その力が電極体２を通じて巻芯１に伝わり、巻芯１は第１芯部１２と第２芯部１３とが互いに近接するように変形する。すると図５及び図６に示すように、突起１４が第２芯部１３よりも外側に突出し、電極体２に突き刺さる。これにより突起１４を介して正極板と負極板とが短絡するので、レアショートが生じても電池の温度上昇やガスの発生が防止される。
【００１６】
なお巻芯が無い場合には、巻き初めの極板の曲率が小さいので、電極の割れや剥離などの不具合が発生する場合がある。そこでこのような巻芯１を用いれば、巻き初めの曲率が大きくなるので、電極の割れや剥離などの不具合を防止することができる。
（実施例２）
本実施例では、巻芯１を用いなかったこと以外は実施例１と同様に電極体２を形成し、電池ケース３と電極体２との間に図７に示すような板状の短絡手段４を介在させている。
【００１７】
この短絡手段４は、平板部４０と断面三角形状の山部４１とが交互に形成され、図８に示すように、山部４１の頂部が電極体２に対向するように電極体２と電池ケース３との間に配置される。そして山部４１の高さは平板部４０の厚さより低く構成されている。したがって通常の使用時には、山部４１が電極体２に当接することがないので、山部４１により電極体２に傷付きが生じるような不具合が防止されている。
【００１８】
そして電池ケース３に外力が加わって潰れるように変形すると、図９に示すように、短絡手段４は平板部４０と山部４１との間の薄肉部４２で折れるように変形する。これにより山部４１の頂部が電極体２に当接し、さらなる変形により電極体２に突き刺さる。これにより正極板と負極板とが短絡するので、レアショートが生じても電池の温度上昇やガスの発生が防止される。
【００１９】
なお、短絡手段４は電池ケース３の内表面の全面に設けることが望ましい。このようにすれば、外力がどの方向から作用しても短絡手段４の変形で短絡させることができ、電池の温度上昇やガスの発生を一層防止できる。
また、本実施例の短絡手段４の平板部４０と山部４１の間の隙間には、表面張力により電解液が滞留する。したがって電極体２から電解液が滲み出て電池性能が低下する、いわゆる液落ちと称される不具合を抑制することができる。
【００２０】
（実施例３）
本実施例は、短絡手段４の構成が異なること以外は実施例２と同様である。
本実施例の短絡手段４は、図１０に示すように、複数の針部４３が突出する板部４４と、板部４４表面に積層された格子部４５とからなり、格子部４５の格子穴４６に針部４３が位置している。また針部４３の高さは、格子部４５の厚さより薄く構成されている。
【００２１】
この短絡手段４は、格子部４５が電極体２に対向し、針部４３の先端が電極体２に対向するように、電池ケース３と電極体２の間に介在される。
したがって通常の使用時には、針部４３が電極体２に当接することがないので、針部４３により電極体２に傷付きが生じるような不具合が防止されている。そして電池ケース３に外力が加わって潰れるように変形すると、短絡手段４は格子部４５が変形し、板部４４も変形する。これにより針部４３が電極体２に突き刺さり、正極板と負極板とが短絡するので、レアショートが生じても電池の温度上昇やガスの発生が防止される。
【００２２】
なお実施例２と同様に、短絡手段４は電池ケース３の内表面の全面に設けることが望ましい。このようにすれば、外力がどの方向から作用しても短絡手段４を作動させることができ、電池の温度上昇やガスの発生を一層防止できる。
また、本実施例の短絡手段４の格子穴４６内には、表面張力により電解液が滞留する。したがって電極体２から電解液が滲み出て電池性能が低下する、いわゆる液落ちと称される不具合を抑制することができる。
【００２３】
【発明の効果】
すなわち本発明の電池の安全装置によれば、外力が作用して電池が変形した場合に、正極と負極を確実に短絡させることができるので、レアショート状態となるのが防止され急激な温度や内圧の上昇などの不具合を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における短絡手段である巻芯の斜視図である。
【図２】本発明の一実施例における短絡手段である巻芯の平面図である。
【図３】本発明の一実施例における短絡手段である巻芯をもつ電極体の平面図である。
【図４】本発明の一実施例における短絡手段である巻芯をもつ電極体を電池ケースに収納している状態を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施例における短絡手段をもつ電池を外力が作用した状態で示す断面図である。
【図６】図５の要部拡大図である。
【図７】本発明の第２の実施例における短絡手段の斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施例における短絡手段をもつ電池の要部断面図である。
【図９】本発明の第２の実施例における短絡手段をもつ電池を外力が作用した状態で示す要部断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施例における短絡手段をもつ電池の要部断面図である。
【図１１】従来の電池の断面図である。
【図１２】他の従来の電池の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１：巻芯（短絡手段） ２：電極体 ３：電池ケース
４：短絡手段 １４：突起

Claims (2)

1. 正極板と負極板をセパレータを介して交互に積層した電極体を電解液とともにケースに封入した構造の電池において、規制部と突起とを有し平常時は該規制部が該電極体に当接することで該突起が該電極体に当接するのを規制し、外部からの圧力が加わった際の変形により該突起が該規制部より突出して該電極体に突き刺さることで該正極板と該負極板とを短絡させる短絡手段を備えたことを特徴とする電池の安全装置。
2. 前記電池は角型形状である請求項１に記載の電池の安全装置。

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