JP4098389B2

JP4098389B2 - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP4098389B2
Application number: JP04467598A
Authority: JP
Inventors: 浩史阿部
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 1998-02-09
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2018-02-09
Also published as: JPH11224659A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内圧の上昇の際に、破裂板の一部が離脱することによりガスを逃がし破裂を防止することのできる非水電解液二次電池に関するものであり、さらに、その破裂板における離脱部の離脱の際に電流の遮断ができる非水電解液二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化および携帯化が急速に進展している。そして、この種の電子機器において、リチウムイオンを利用した非水電解液二次電池が、エネルギー密度の高い二次電池として注目されている。この非水電解液二次電池は、ノート型パソコン，携帯型電話，ビデオカメラなどの電源として使われており、さらに、電気自動車用電池や電力貯蔵システムへの応用も検討されている。
【０００３】
このような非水電解液二次電池として、図２に示したものがある。
この非水電解液二次電池１は、まず、帯状の負極板２と帯状の正極板３の間に薄板状のセパレータ４ａを挟み込み、さらに正極板３の開放側面に他のセパレータ４ｂを密着させる。ついで、これらを渦巻き状に巻回して電極５を形成し、この電極５を円筒状の負極缶６内に装填する。この際、電極５には電解液を含浸させておく。
【０００４】
つぎに、円板状の破裂板７と中央部がやや盛り上がった円形のキャップ８を重ね合わせこれらの縁部を挟むようにしてパッキング９をリング状に巻回する。ついで、そのパッキング９の外側を負極缶６の開口縁部６ａで圧着して負極缶６を閉塞する。そして、負極板２の外周側下端部と負極缶６の底部をリード線１０で接続し、正極板３の上端部と破裂板７をリード線１１で接続して構成されている。
【０００５】
また、上記のような非水電解液二次電池１は、正極板３がリチウム含有酸化物を含んでおり、負極板２が黒鉛などの炭素質物を含んでいる。そして、電解液はリチウム塩を有機溶媒に溶解したもので構成されている。このリチウムの化学的活性度が高いことと有機溶媒を使用していることから、内部短絡や過充電時に化学反応が生じてエチレンガス，プロピレンガス，炭酸ガス等が発生し内圧が上昇すると非水電解液二次電池１が破裂することがある。
【０００６】
このため、このような非水電解液二次電池１には、一般的に安全性の対処がなされている。この場合、破裂板７の中央部に円状の切り欠き溝１２が設けられ、キャップ８には所定間隔で複数のガス逃がし穴１３が設けられている。これによって、負極缶６の内圧が異常に上昇した際には、切り欠き溝１２の中心側の離脱部１４が破裂板７の他の部分から離脱してキャップ８の天井側にめくれ、内部のガスを外部に逃がすようになっている。この結果、非水電解液二次電池１の破裂が防止できるというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような非水電解液二次電池１では、破裂板７とキャップ８との間隔がわずかしかないため、離脱部１４はキャップ８の天井部に当たってしまい、破裂板７の他の部分から十分に離脱することができない。例えば、内部短絡による反応は瞬時に起こるもので、ガス抜きがその反応に対して効率よくできない場合には、非水電解液二次電池１を破裂させてしまうことがある。このため、離脱部１４が充分離脱できず、充分なガス抜きができない場合非水電解液二次電池１が破裂してしまい危険であるという問題がある。
【０００８】
また、上記の非水電解液二次電池１では、離脱部１４が離脱したのちも、破裂板７とリード線１１が接続したままであるため電流が流れ、これが発火の原因になるという問題も生じている。
この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、充分なガス抜きにより破裂が防止でき、さらに、破裂板が破裂する際に電流を遮断することにより発火を防止することができる非水電解液二次電池の提供をその目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明の請求項１に係る非水電解液二次電池は、有底筒状の負極缶の上面開口を閉塞するキャップとの間に所定の空間部を形成するようにして負極缶内に破裂板が設けられ、負極缶の内圧が上昇すると破裂板の一部が空間部に向かって離脱することによりそれ自身の破裂を防止するようになった非水電解液二次電池であって、破裂板における離脱部分の長さであって特定の２点間の直線距離が、破裂板とキャップの間の長さよりも短く設定され、かつ、破裂板における離脱部分の面積が負極缶の横断面積の５〜３０％であるとともに、負極缶に内蔵された電極の正極板の内周側上端部から延設される正極リードが破裂板における離脱部分に接続され、その正極リードが、離脱部分が破裂板から離脱した際に離脱部分から離れてしまう長さに設定されている構成をとる。
【００１０】
この発明の発明者は、非水電解液二次電池を破裂に至らせないためには、破裂板の離脱部分の面積を充分広く確保するとともに、離脱部分が完全に開くようにキャップの内高さを高く設定することが破裂防止に有効であることに着目し、この発明に至った。
【００１１】
すなわち、この発明では、破裂板とキャップの間の間隔を大きくして、破裂板の離脱部分が離脱する際に反転してもキャップの天井部に当接しないようにしている。これによって、負極缶内のガスをすばやく外部に吐出できるようになる。また、上記離脱部分の面積を缶の横断面積と比較して充分広い値に設定して、ガスを逃がすための破裂板の開口面積を充分に取るようにしている。これによって、負極缶内のガスを充分に吐出でき負極缶の内圧の上昇による非水電解液二次電池の破裂を確実に防止できるようになる。
【００１２】
また、負極缶に内蔵される電極の正極板の内周側上端部から延設される正極リードが破裂板における離脱部分に接続され、その正極リードが、離脱部分が破裂板から離脱した際に離脱部分から離れてしまう長さに設定されている。したがって、負極缶の内圧が上昇して、破裂板における離脱部分が離脱して上昇すると正極リードは離脱部分から離れてしまう。この結果、瞬時に電流が遮断され発火が防止されるようになる。
つぎに、この発明による非水電解液二次電池を図面を用いて詳しく説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一例による非水電解液二次電池２０を示している。この非水電解液二次電池２０では、破裂板２１が中央側が下側に向かって湾曲した円板状に形成されている。この破壊板２１は、その厚みは電池の大きさにより異なるが、通常は１００〜３００μｍに設定されている。また、その材質としては、導電性のあるものであればよく、通常は正極リードと接合されるため、電気化学的にみた酸化電位の高い金属が用いられる。例えば、アルミニウムやチタン等が好適である。
【００１４】
そして、この破壊板２１の中央側に円形の切り欠き溝２２が形成され、その中心側部分が離脱部２３になっている。上記切り欠き溝２２の溝部分の厚みは、破裂板２１の厚みの４０〜７０％に設定されている。なお、上記切り欠き溝２２の断面形状は三角形，台形，半円形等にすることができ、その全体形状も上記の円形以外の形状でもよく、四角形やその他多角形にすることができる。
【００１５】
また、破裂板２１の上方に配置され負極缶２４の上面開口を閉塞するキャップ２５は、中央部２５ａが縁周部２５ｂから上方に向かって突出して高くなっている。この中央部２５ａと破裂板２１における離脱部２３との間の高さ距離は、離脱部２３の直径よりもやや大きく設定されている。したがって、離脱部２３が破裂板２１の他の部分から離脱して反転してもキャップ２５の天井面には当接しない。
【００１６】
また、負極缶２４内で、負極板２６とともに巻回されて電極３０を構成する正極板２７の内周側上端部からは正極リード２８が延設されその上端部は離脱部２３にスポット溶接により接続されている。この正極リード２８は長さに殆ど余裕がないように設定され、離脱部２３が破裂板２１の他の部分から離脱する際には、離脱部２３から離れるようになっている。
【００１７】
なお、上記離脱部２３の面積は、負極缶２４の横断面積の５％〜３０％に設定されている。また、キャップ２５のガス逃がし穴２９は、キャップ２５の中央部２５ａが高く設定されている分やや大きめになっている。
それ以外の部分の構成については、図２に示した従来例の非水電解液二次電池１と同様である。したがって、同一部分に同一符号を記している。
【００１８】
このような構成になっているため、非水電解液二次電池２０の使用時に、内部短絡や過充電によりガスが発生すると、その内圧により離脱部２３は、図１に一点鎖線で示したように破裂板２１の他の部分から離脱して捲れ上がった状態になる。したがって、非水電解液二次電池２０内のガスは、瞬時に破裂板２１の開口からガス逃がし穴２９を通って外部へ排除される。これによって、非水電解液二次電池２０の破裂が防止される。なお、ここでいう非水電解液二次電池２０の破裂とは、キャップ２５や破裂板２１が電池本体または負極缶２４から離脱（吹っ飛ぶ）状態をいう。
【００１９】
また、この際、正極リード２８は離脱部２３から離れるため、電流が遮断される。これによって、過充電が防止され発火の発生も生じなくなる。
つぎに、実験により、離脱部の面積と負極缶の横断面積の比率を変えることによる非水電解液二次電池の破裂の有無と、その際の正極リードの破裂板への接続位置の違いによる発火の有無を確認した。その結果を以下に記す。
【００２０】
実験例１
まず、下記の条件で各種の非水電解液二次電池を作製した。
負極として３０００℃で黒鉛化した気相成長炭素繊維を用い、正極としてコバルト酸リチウムを用いて、直径１７mm、高さ５０mmの円筒型のリチウムイオン電池を得た。これには、電解液にＬｉＰＦ６をエチレンカーボネート＋プロピレンカーボネート＋ジメチルカーボネートの混合溶媒（体積比で、３：２：５）に１Ｍの濃度になるよう溶解した非水電解液を用いた。
【００２１】
また、上記電池の横断面積は２cm２にした。正極リードは破裂板の離脱部にスポット溶接した。そして、離脱部の面積比率（離脱部の面積／負極缶の横断面積×１００）および離脱部の直径に対するキャップ中央部と破裂板との高さ距離の比率（離脱部／キャップの内高さ×１００）を表１に示すように設定した。
【００２２】
そして作製された各種の非水電解液二次電池を用いて、くぎさし試験および過充電試験を行った。
くぎさし試験では、作製した各種の非水電解液二次電池に、まず、電流値８００ｍＡ，電池電圧４．１Ｖで、定電流−定電圧充電を３時間行った。そして、その側面に、直径２mmのくぎを貫通させて強制的に内部短絡を生じさせ、その際に破裂が生じるかどうかを調べた。
【００２３】
その結果、表１に示したように、面積比率５％，高さ比率７０％とした実験例Ａ、面積比率１５％，高さ比率８０％とした実験例Ｂ、面積比率３０％，高さ比率９０％とした実験例Ｃでは破裂は生じなかった。そして、面積比率３％，高さ比率８０％とした実験例Ｄ、面積比率１５％，高さ比率１１０％とした実験例Ｅでは破裂が生じた。
【００２４】
この結果から、面積比率においては破裂が生じる場合と生じない場合の臨界点は５％と３％の間にあり、高さ比率においてはその臨界点は９０％と１１０％の間にあることがわかる。また、面積比率を最高３０％としたのは設計上の理由による。
【００２５】
また、過充電試験では、３Ａの電流で上記各種の非水電解液二次電池を二倍以上の容量が充電されるまで過充電させた。そして、その際に、発火が発生するかどうかを調べた。その結果、実験例Ａから実験例Ｅまでのすべての実験例において発火は生じなかった。これにより、発火を防止するためには、正極リードは破裂板の離脱部に接続することが有効であることがわかる。
【００２６】
実験例２
正極リードを破裂板における離脱部以外の部分に接続し、それ以外の部分についてはすべて実験例１と同様にして、各種の非水電解液二次電池を作製した。そして、これらの非水電解液二次電池に実験例１と同様の条件で、くぎさし試験および過充電試験を行った。
【００２７】
その結果、くぎさし試験においては、実験例１と同様の結果を得た。すなわち、実験例２における実験例Ｆは実験例Ａと同様の条件であり、実験例Ｇは実験例Ｂと、実験例Ｈは実験例Ｃと、実験例Ｉは実験例Ｄと、実験例Ｊは実験例Ｅとそれぞれ同様の条件である。
【００２８】
また、過充電試験においては、実験例Ｆから実験例Ｊまでのすべてのものについて発火が生じた。これにより、離脱部が離脱してガス抜きが行われても、そのまま正極リードと破裂板が接続された状態になっていれば発火の原因になることがわかる。
【００２９】
なお、上記の例では、負極缶２４が円筒状になって非水電解液二次電池２０の全体形状が円柱状になっているが、非水電解液二次電池２０の形状は、このような形状に限らず、横断面形状が四角形や六角形の角形やガム形であってもようことは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る非水電解質二次電池は構成されているため、負極缶の内圧が上昇した際、破裂を防止できるだけの量の発生ガスを瞬時に外部に吐出できるようになる。また、負極缶の内圧が上昇し、破裂板の離脱部分が離脱すると同時に、正極リードが離脱部分から離れ電流が遮断されるため、発火の発生が防止できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一例による非水電解液二次電池を示す断面図。
【図２】従来例による非水電解液二次電池の断面図。
【符号の説明】
２０・・・・・・非水電解液二次電池
２１・・・・・・破裂板
２３・・・・・・離脱部
２４・・・・・・負極缶
２５・・・・・・キャップ
２７・・・・・・正極板
２８・・・・・・正極リード
３０・・・・・・電極
【表１】

【表２】

Claims

有底筒状の負極缶の上面開口を閉塞するキャップとの間に所定の空間部を形成するようにして負極缶内に破裂板が設けられ、負極缶の内圧が上昇すると破裂板の一部が空間部に向かって離脱することによりそれ自身の破裂を防止するようになった非水電解液二次電池であって、破裂板における離脱部分の長さであって特定の２点間の直線距離が、破裂板とキャップの間の長さよりも短く設定され、かつ、破裂板における離脱部分の面積が負極缶の横断面積の５〜３０％であるとともに、
負極缶に内蔵された電極の正極板の内周側上端部から延設される正極リードが破裂板における離脱部分に接続され、その正極リードが、離脱部分が破裂板から離脱した際に離脱部分から離れてしまう長さに設定されている非水電解液二次電池。