JP4009806B2

JP4009806B2 - 密閉型電池

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Publication number: JP4009806B2
Application number: JP2000039913A
Authority: JP
Inventors: 良明高橋
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: JP2001229911A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄型の密閉式電池、特にフレキシブルなフィルムから成る袋状パッケージによって密閉された密閉形電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の各種携帯機器の小型軽量化に伴い、これらの機器に使用される電池においても高エネルギー化及び小型軽量化への要求が高まっており、このような要求に対応するものとして例えばポリマーリチウムイオン二次電池のような薄型二次電池の開発が急速に進んでいる。
【０００３】
このような薄型二次電池における電池パッケージについて、小型軽量化の動向を説明する。薄型二次電池においては、電池パッケージの密閉性が低下すると発電要素を構成する電解液が揮発又は漏洩することにより、あるいは外部から水分が浸入することにより著しく電池性能が低下する。そこで従来の電池パッケージは密閉機能において長期信頼性に優れる金属成形品を主とし、その中で鉄やステンレス等の重い材質からアルミニウム等の薄い材質へと転換が計られてきた。しかしながら金属成形品は、軽量化に限界がある点、加工技術の限界によりサイズの制約を受ける点、成形金型が高価でありまた工程が複雑でコストが高い点などに問題があった。そこで近年、アルミニウム箔を芯材としてその両面に合成樹脂層を配したラミネートフィルムを採用し、軽量化を一層進めることが一般的になっている。このようなフィルム材を用いた薄型二次型電池の構造について図６を参照して以下に説明する。
【０００４】
図６に金属−樹脂複合フィルムを電池パッケージとする薄型二次電池の構成概略を示す。図６（ａ）は外観斜視図、図６（ｂ）は（ａ）におけるＸ―Ｘ’断面図である。内面から順に熱融着性樹脂からなる内層１１２、アルミニウム箔等からなる芯層１１３、例えばポリエチレンテレフタレートのような剛性を有する樹脂からなる外層１１４を積層して構成された金属−樹脂複合フィルム１１１からなる電池パッケージ１１０の内部に、正極層１２２と正極集電体１２３とからなる正極１２１、セパレータ１２４、及び負極層１２６と負極集電体１２７とからなる負極１２５から構成される薄型発電要素１２０が収納されている。正極集電体１２３及び負極集電体１２７にそれぞれ接続された正極端子１３１及び負極端子１３２が、金属−樹脂複合フィルム１１１の縁部１１５から外部へと露出している。縁部１１５においては熱融着性樹脂からなる内層１１２がお互いに熱融着されており、これによって薄型発電要素１２０が電池パッケージ１１０内に密閉される。
【０００５】
上記のような薄型二次電池においては、過充電等により内部にガスが発生した場合に電池の内圧が上昇し、金属−樹脂複合フィルム１１１からなる電池パッケージ１１０が膨張して収納部分を圧迫するため、機器を破損させる恐れがある。さらに、封口部分が破れると可燃性ガスが放出され、危険な事態を招く恐れがある。
【０００６】
金属成形品の電池パッケージを使用したリチウムイオン電池においては、電槽に設けた圧力開放弁上に充放電回路を設置して弁が作動するとともに前記充放電回路を切断してそれ以上充放電が進行しないようにすることで、上記のような事故を防いできた。しかし、金属−樹脂複合フィルム製の電池パッケージを用いたリチウムイオン電池においては、電池パッケージ自体がフレキシブルであるため、このような内圧開放弁を設置することが困難である。そこで例えば特開平１１−８６８２３号公報及び特開平１１−１０２６７３号公報等において、このようなフレキシブルな電池パッケージの破裂を防止する方法が開示されている。
【０００７】
まず特開平１１−８６８２３号公報においては、図６に示した電池パッケージ１１０について、お互いに熱融着された内層１１２のうち一部の剥離強度を他の部分よりも弱くする構造とし、内圧上昇により電池パッケージ１１０が膨張したときに、このような剥離強度の弱い部分を優先的に開口させてガス放出口とすることにより、高圧での電池パッケージ１１０の破裂を防止することが可能であるとしている。
【０００８】
また特開平１１−１０２６７３号公報においては、電池パッケージ（金属−樹脂複合フィルム）の一部に孔又は切込部を設け、かつこの孔又は切込部を金属−樹脂複合フィルム内面から塞ぐようにして金属箔を配置する構造が開示されており、上記孔又は切込部の部分が内圧上昇時において容易に破断されてここからガス放出されることにより、高圧での電池パッケージの破裂を防止することが可能であることが記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記技術においては以下のような問題があった。すなわち上記各技術はいずれも、電池パッケージ（金属−樹脂複合フィルム）の一部についてその強度をあえて弱め、内圧上昇時においてこの部分を優先的に破壊させてガス放出をはかるものであり、電池の密閉性確保という観点から見るときわめて信頼性に乏しいといえる。つまり、密閉性のための強度確保と、ガス放出のための強度低下という相矛盾する要求をともに満足することが不可能であった。
【００１０】
そこで本発明の課題は、密閉性にすぐれ、しかも内圧上昇による電池の過膨張や封口の破壊または破裂事故等を防止することが可能な安全性の高い密閉型電池、特に薄型二次電池を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来のように内圧上昇時においてガス放出により破裂を防止するのではなく、内圧上昇に伴うパッケージ変形をとらえて充放電に携わる回路を切断することが可能な機能を付与することにより上記課題を解決するものである。
【００１２】
すなわち上記課題を解決するための本発明の密閉型電池は、電池パッケージ内部に発電要素が密閉された密閉型電池において、前記電池パッケージの外表面に、電池内圧上昇を感知して充放電を不可能とする素子を備えてなることを特徴とする。これにより、一定の内圧上昇により充放電回路が遮断され、それ以上の内圧上昇が起こらないので、電池の電池の過膨張や封口の破壊または破裂事故等が防止される。また、電池パッケージを破壊してガス放出を行う必要がないので、電池パッケージの密閉性が保証され、製品信頼性向上の効果を得る。
【００１３】
また本発明の密閉型電池は、前記電気パッケージの内面または外面のうち少なくとも一方に、前記安全回路に当接する部分の一部が局部的に開放された耐圧板を備えてなることを特徴とする。これにより、耐圧版の開放部において電池パッケージが局部的かつ優先的に膨張し、回路の遮断が確実になされ、安全性が向上する。
【００１４】
また本発明の密閉型電池は、前記安全回路が、脆性材料を介して前記電池パッケージ外表面に配置されてなることを特徴とする。これにより、一定の内圧上昇によって脆性材料が破壊され、より確実に回路が遮断されて充放電が停止される。
【００１５】
また本発明の密閉型電池は、前記脆性材料に切れ込みを備えてなることを特徴とする。これにより、薄片の破壊がより確実に起こり、安全性が向上する。
【００１６】
また本発明の密閉型電池は、前記切れ込みが充放電回路と交差する方向に形成されてなることを特徴とする。これにより、薄片の破壊がより確実に起こるので、回路がより確実に遮断され、安全性が向上する。
【００１７】
また本発明の密閉型電池は、電池パッケージ内部に発電要素が密閉された密閉型電池において、前記電池パッケージの内部空間と導通する小密閉パッケージを備え、前記小密閉パッケージの外表面に、電池内圧上昇を感知して充放電を不可能とする素子を備えてなることを特徴とする。これにより、電池の内圧が上昇したときに電池本体よりも先に小密閉パッケージが膨張し、安全回路が破断されて充放電が停止されるので、内圧上昇に対する感度を高めることができ、安全性向上に寄与する。
【００１８】
また本発明の密閉型電池は、前記電池パッケージの内面または外面のうち少なくとも一方に耐圧板を備えてなることを特徴とする。これにより、耐圧版の開放部において電池パッケージが局部的かつ優先的に膨張し、回路の遮断が確実になされ、安全性が向上する。
【００１９】
また本発明の密閉型電池は、前記小密閉パッケージの内面または外面のうち少なくとも一方に、前記素子に当接する部分の一部が局部的に開放された耐圧板を備えてなることを特徴とする。これにより、耐圧版の開放部において電池パッケージが局部的かつ優先的にに膨張し、回路の遮断が確実になされ、安全性が向上する。
【００２０】
また本発明の密閉型電池は、前記安全回路が、脆性材料を介して前記小密閉パッケージ外表面に設置されてなることを特徴とする。これにより、一定の内圧上昇によって脆性材料が破壊され、より確実に回路が遮断されて充放電が停止される。
【００２１】
また本発明の密閉型電池は、前記薄片に切れ込みを備えてなることを特徴とする。これにより、薄片の破壊がより確実に起こり、安全性が向上する。
【００２２】
また本発明の密閉型電池は、前記切れ込みが、素子に電流が流れる方向と交差する方向に形成されてなることを特徴とする。これにより、薄片の破壊がより確実に起こるので、安全回路がより確実に遮断され、安全性が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の第一の実施形態を以下に示す。図１は本発明の密閉型電池の一例であり、（ａ）は外面斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ'における断面図である。密閉型電池１００においては、内層１１２、芯層１１３、及び外層１１４を積層して構成される金属−樹脂複合フィルム１１１からなる電池パッケージ１１０の内部に、正極層１２２と正極集電体１２３とからなる正極１２１、セパレータ１２４、及び負極層１２６と負極集電体１２７とからなる負極１２５から構成される薄型発電要素１２０が収納されている。正極集電体１２３及び負極集電体１２７にそれぞれ接続された正極端子１３１及び負極端子１３２が、金属−樹脂複合フィルム１１１の縁部１１５から外部へと露出している。縁部１１５においては内層１１２がお互いに密着されており、これにより薄型発電要素１２０が電池パッケージ１１０内に密閉される。
【００２４】
金属−樹脂複合フィルム１１１の構成について具体例を挙げると、内層１１２として厚さ５０〜１００μｍ程度の熱融着性樹脂、例えば酸変性ポリプロピレン又は酸変性ポリエチレン等を用い、これを熱融着することによって電池の密閉性が確保される。また芯層１１３としては厚さが２０〜１００μｍ程度のアルミニウム箔を、外層１１４としては厚さが１０〜３０μｍ程度で剛性を有する樹脂、例えばポリエチレンテレフタレート又はポリアミド又はポリイミド等を用いるとよい。
【００２５】
金属−樹脂複合フィルム１１１の外表面には導線１３３が接着固定されており、負極端子１３２と導線１３３とは接続されて充放電回路の一部を構成する。導線１３３は銀、銅、アルミニウム等からなる金属箔で、その厚さ及び幅は通電する電流の大きさに応じて適宜決定される。例えば容量が５００〜１０００Ａｈの小型電池の場合、厚さ３０〜２００μｍ、幅０．５〜３ｍｍが適当である。
【００２６】
過充電又は過放電の状態において、密閉型電池１００の電池パッケージ１１０に若干の膨れが生じて変形すると、導線１３３に張力及び曲げ力が加わって破断される。導線１３３は、上述のように負極端子１３２と接続されて充放電回路の一部を構成するものであるから、これが破断されることにより密閉型電池１００の充放電は停止され、内部にそれ以上のガスが発生されない。従って、電池の電池の過膨張や封口の破壊または破裂事故等を防止することができる。なお、本実施形態においては導線１３３を負極端子１３２と接続する例を示したが、正極端子１３１と接続するようにしてもその効果は同じである。
【００２７】
（実施形態２）
本発明の第二の実施形態について以下に示す。なお、第一の実施形態と重複する部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明を行う。図２は本発明の密閉型電池の一例であり、（ａ）は外面斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’における断面図である。本実施形態においては、電池パッケージ１１０を覆い、かつ導線１３３と当接する部分において一箇所に孔２１１が設けられた耐圧板２１０を設ける。このような構成とすることにより、電池パッケージ１１０に変形が生じる場合には孔２１１の部分に変形が集中して曲率半径の小さい変形が生じるため、導線１３３に加わる張力及び曲げ力が大きくなる。従って、微小な変形に対して高感度で導線１３３を切断することができる。すなわち電池の電池の過膨張や封口の破壊または破裂事故等をより確実に防止することができる。
【００２８】
図２においては孔２１１の形状を角形としたが、これに限定されるものではなく、円形とする等、この部分において電池パッケージ１１０の変形が集中するように任意に決定することができる。
【００２９】
なお本実施形態においては耐圧版２１０を電池パッケージ１１０の外面に設けたが、電池パッケージ１１０の内面に設けても同様の効果を得る。あるいは電池パッケージ１１０の外面と内面の両方に設けてもよい。また耐圧板２１０は別途部品ではなく、機器の電池収納スペースの壁を構成する部材が耐圧板２１０の役目を兼ねるようにすることも可能である。
【００３０】
（実施形態３）
次に本発明の第三の実施形態について以下に示す。なお、第一の実施形態と重複する部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明を行う。図３は本発明の密閉型電池の一例であり、（ａ）は外面斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ'における断面図である。上記第一の実施形態においては導線１３３が金属−樹脂複合フィルム１１１の外表面に直接接着されていたが、本実施形態においては金属−樹脂複合フィルム１１１の外表面に脆性材料からなる薄片３１０を設け、さらに薄片３１０の上面に接着又はプリントによって導線１３３を設ける形態とする。薄片３１０は例えばセラミックスや熱硬化性樹脂等が適当であり、またその厚さは０．１〜０．２ｍｍとすることが望ましい。
【００３１】
過充電又は過放電の状態において、薄片３１０に張力及び曲げ力が加わって破断される。このとき薄片３１０は上述のように脆性材料によって形成されているため、第一の実施形態に比べると電池のよりわずかな膨張により容易に破断される。すなわち薄片３１０の上面に形成された導線１３３についても、第一の実施形態に比較してより確実かつ容易に破断される。従って電池の膨張に対して感度が高く、電池の過膨張や封口の破壊または破裂事故等をより確実に防止することができる。
【００３２】
またこのとき、さらに感度を高めるために薄片３１０に切込みを設けることが有効である。特に図４に示されるように導線１３３と交差する方向に切込み４１０を設ければ、薄片３１０において切込み４１０に応力集中が起こり、破断しやすくなる。
【００３３】
（実施形態４）
次に本発明の第四の実施形態を以下に示す。なお、第一の実施形態と重複する部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明を行う。図５は本発明の密閉型電池の一例を示す外面斜視図である。本実施形態においては、電池パッケージ１１０の内部と導通する小密閉パッケージ５１０を配置し、この小密閉パッケージ５１０の外表面に導線１３３を接着した構成とする。小密閉パッケージ５１０は、電池パッケージ１１０を構成する金属−樹脂複合フィルム１１１よりも膨張しやすいように、厚さを小さくする及び／又はポリプロピレンやポリエチレン等の伸びやすい材料により構成する。このような構成とすることにより、電池の内圧上昇が起こったときには電池パッケージ１１０に優先して小密閉パッケージ５１０が膨張し、導線１３３が破断される。従って、電池の内圧上昇に対して感度良く導線１１３を破断することができ、電池の電池の過膨張や封口の破壊または破裂事故等をより確実に防止することができる。
【００３４】
（実施形態５）
次に本発明の第五の実施形態を以下に示す。本実施形態においては、先に第二の実施形態において用いた耐圧版２１０を第四の実施形態において示される密閉型電池１００に適用する。ただし本実施形態においては、耐圧板２１０には孔２１１を設けない。このような構成とすることにより、第四の実施形態のように小密閉パッケージ５１０の厚さ及び構成材料を調整することなく、電池パッケージ１１０と同一としても同様の効果が得られる。
【００３５】
なお耐圧版２１０を電池パッケージ１１０の外面に設けたが、電池パッケージ１１０の内面に設けても同様の効果を得ることは、第二の実施形態と同様である。あるいは電池パッケージ１１０の外面と内面の両方に設けてもよい。また耐圧板２１０は別途部品ではなく、機器の電池収納スペースの壁を構成する部材が耐圧板２１０の役目を兼ねるようにすることも可能である。
【００３６】
次に本発明の第六の実施形態を以下に示す。本実施形態は、第五の実施形態においてさらに小密閉パッケージ５１０に対して耐圧板を設けたものである。すなわち小密閉パッケージ５１０の表面を覆い、かつ導線１３３と当接する部分において一箇所に孔が設けられた耐圧板を設ける。このような構成とすることにより、小密閉パッケージ５１０に変形が生じる場合には孔の部分に変形が集中して曲率半径の小さい変形が生じるため、導線１３３に加わる張力及び曲げ力が大きくなる。従って、より微小な変形に対して高感度で導線１３３を切断することができる。すなわち電池の電池の過膨張や封口の破壊または破裂事故等をより確実に防止することができる。
【００３７】
なお孔の形状は、第二の実施形態と同様に円形等任意に決定するものである。また耐圧版を小密閉パッケージ５１０の外面に設けたが、小密閉電池パッケージ５１０の内面に設けても同様の効果を得る点も第二の実施形態と同様である。また小密閉パッケージ５１０の外面と内面の両方に設けてもよい。
【００３８】
（実施形態７）
次に本発明の第七の実施形態を以下に示す。本実施形態においては、先に第三の実施形態において用いた薄片３１０を第四の実施形態において示される小密閉パッケージ５１０に対して適用する。すなわち小密閉パッケージ５１０の外表面に脆性材料からなる薄片３１０を設け、さらに薄片３１０の上面に導線１３０を設ける形態とする。このような構成とすることにより、過充電又は過放電の状態において、薄片３１０に張力及び曲げ力が加わって破断される。このとき薄片３１０は上述のように脆性材料によって形成されているため、第四の実施形態に比べると電池のよりわずかな膨張により容易に破断される。すなわち薄片３１０の上面に形成された導線１３３についても、第一の実施形態に比較してより確実かつ容易に破断される。従って電池の膨張に対して感度が高く、電池の電池の過膨張や封口の破壊または破裂事故等をより確実に防止することができる。
【００３９】
またこのとき、さらに感度を高めるために切込みを設けることが有効である。特に図４に示されるように導線１３３と交差する方向に切込み４１０を設けることが有効である点は、第三の実施形態において説明したとおりである。
【００４０】
なお本実施形態は、第五の実施形態において示した電池パッケージ１１０に耐圧板２１０を設けた密閉型電池１００に対しても適用される。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、密閉に対する信頼性が高く、しかも過充電及び過放電に対して安全性の高い密閉型電池を得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の密閉型電池における第一の実施形態を示す外観斜視図及び断面図である。
【図２】本発明の密閉型電池における第二の実施形態を示す外観斜視図及び断面図である。
【図３】本発明の密閉型電池における第三の実施形態を示す外観斜視図である。
【図４】薄片の構造を説明するための構成概略図である。
【図５】本発明の密閉型電池における第四の実施形態を示す外観斜視図である。
【図６】従来の密閉型電池の構造を示す外観斜視図及び断面図である。
【符号の説明】
１００密閉型電池
１１０電池パッケージ
１１１金属−樹脂複合フィルム
１１２内層
１１３芯層
１１４外層
１１５縁部
１２０薄型発電要素
１２１正極
１２２正極層
１２３正極集電体
１２４セパレータ
１２５負極
１２６負極層
１２７負極集電体
１３１正極端子
１３２負極端子
１３３導線
２１０耐圧板
２１１孔
３１０薄片
４１０切込み
５１０小密閉パッケージ

Claims

電池パッケージ内部に発電要素が密閉された密閉型電池において、前記電池パッケージの外表面に、常時は充放電回路の一部として機能し、電池内圧上昇を感知して充放電を不可能とする素子を備え、前記電池パッケージの外面に、前記素子に当接する部分の一部が局部的に開放された耐圧板を備えてなることを特徴とする密閉型電池。
電池パッケージ内部に発電要素が密閉された密閉型電池において、前記電池パッケージの内部空間と導通し、電池の内圧上昇が起こったときに該電池パッケージに優先して膨張する小密閉パッケージを備え、前記小密閉パッケージの外表面に、電池内圧上昇を感知して充放電を不可能とする素子を備えてなることを特徴とする密閉型電池。
前記電池パッケージの内面または外面のうち少なくとも一方に耐圧板を備えてなることを特徴とする請求項２記載の密閉型電池。
前記小密閉パッケージの外面に、前記素子に当接する部分の一部が局部的に開放された耐圧板を備えてなることを特徴とする請求項３記載の密閉型電池。
前記素子が、脆性材料を介して前記小密閉パッケージ外表面に配置されてなることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の密閉型電池。
前記脆性材料は、切れ込みを備えてなることを特徴とする請求項５記載の密閉型電池。
前記切れ込みが素子に電流が流れる方向と交差する方向に形成されてなることを特徴とする請求項６記載の密閉型電池。