JP4166028B2

JP4166028B2 - 電池

Info

Publication number: JP4166028B2
Application number: JP2002092696A
Authority: JP
Inventors: ▲徳▼之宮崎; 圭作中西; 康弘山内
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: JP2003297322A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池側面のうち大面積の側面における４隅の近傍領域のうち少なくとも１つの近傍領域に溝が形成され、電池膨張時に当該溝が破断して開口部分が形成されることにより電池内のガスを排出する構造の安全弁を備えた電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬｉＣｏＯ₂やＬｉＭｎ₂Ｏ₄等のリチウム含有複合酸化物を正極材料としリチウムイオンを吸蔵、放出し得る炭素材料、酸化物等を負極材料とする非水電解液電池が、小型軽量でかつ高エネルギー密度化が可能な電池として注目されている。
【０００３】
上記非水電解液電池では、火中に投下したり、通常の条件とは異なる条件での充放電を行う等、誤った取り扱いにより電池内で多量のガスが発生することがあるが、この場合、電池内のガスを速やかに電池外に放出する必要がある。そこで、上記電池には、上記のような場合に、電池内のガスを速やかに電池外に放出するための安全弁（安全機構）が設けられている。このような安全弁としては、特開平１１−２７３６４０号公報（図１１参照）に示されるように、外装缶３０の開放穴に溶接された封口板３１の一部に、ドーム状を成す薄肉の弁体３２が形成されたものが提案されている。
【０００４】
ここで、携帯小型電子機器の小型軽量化に伴い、非水電解液電池においては更なる小型かつ高エネルギー密度化が求められている。非水電解液電池を高エネルギー密度にすれば、一般的には、電池の熱安定性が低下する。即ち、異常反応による熱とガスとが電池内部に蓄積され易くなる。そして、もし、異常反応が起こったときには、できるだけ早い段階で、蓄積した熱とともに電池内部で発生したガスを電池外に放出して、電池内を冷却、減圧することが必要である。
【０００５】
そのためには、安全弁の作動圧力を従来より低く設定しなければならないが、安全弁作動圧を低くするには、弁体３２の厚みを小さくする必要がある（具体的には、１．５〜２．０Ｍｐａで安全弁を作動させるには、弁体３２の厚みを２０μｍ程度とする必要がある）。このように、弁体３２の厚みを極めて小さくした場合には、それに応じて製造上の弁体３２の厚み公差も非常に小さな範囲に規制する必要があるため、歩留りが悪くなって、電池の製造コストが高くなる。
【０００６】
また、弁体３２の厚みを極めて小さくすると、電池が落下する等の衝撃が加えられた場合には、弁体３２が傷ついてクラック等が生じ、電解液が漏れることがある。
加えて、上記の如く、封口板３１に弁体３２を形成したのでは、封口板３１自体の面積が小さいことに起因して、弁体３２の面積も小さくせざるを得ない。このため、図１２に示すように、電池内部で発生したガスを電池外に速やかに放出することができないという課題を有していた。
【０００７】
そこで、特開２００１−３５４６６号公報や特開２００１−２６６８１２号公報（図１３参照）に示すように、電池側面のうち大面積の側面４０における４隅の近傍領域の一つに形成された溝４１より成る弁体４２を形成し、電池膨張時には図１４に示すように、当該溝４１が破断して開口部分４３が形成されることにより電池内のガスを排出する構造の安全弁が提案されている。このような構造の安全弁であれば、電池膨張時に４隅の近傍領域では極めて大きな歪みが生じるため、溝４１の残肉厚をある程度大きくしても、電池膨張時には当該溝４１が確実に破断するため、製造上の溝４１の残肉厚の公差をある程度大きくすることができ、したがって、歩留りが悪くなったり、電池の製造コストが高くなることもない。加えて、電池が落下する等の衝撃が加えられた場合であっても、弁体４２が傷ついてクラック等が生じることもないので、電解液の漏れも防止できる。
しかしながら、安全弁の弁体４２の開口方向が、図１４に示すように、電池膨張時に生じる稜線（折れ曲がり線）４５方向と同一方向であるため、開口部分の面積を大きくすることができず、その結果、電池内部で溶解したセパレータ等が開口部分に詰まって、電池内のガスを円滑に排出することができない場合があるという課題を有していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、歩留りが悪くなったり、電池の製造コストが高くなったり、電解液が漏れるのを防止しつつ、安全弁の開口部分の面積を大きくすることにより、電池内のガスを円滑に排出することができる電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、電池側面のうち大面積の側面に溝が形成され、この溝により弁体が構成されると共に、電池膨張時に当該溝が破断して弁体が開口することにより電池内のガスを排出する構造の安全弁を備えた電池において、上記安全弁が上記大面積の側面における４隅の近傍領域に設けられており、上記溝は、上記電池膨張時に上記大面積の側面に生じる一つの稜線と２点以上で交差し、且つ、当該交差点間が溝で連結されていることを特徴とする。
【００１０】
上記構成の如く、溝が電池膨張時に上記大面積の側面に生じる一つの稜線（折れ曲がり線）と２点以上で交差していれば、弁体の開口方向は、稜線と交差するように形成される。したがって、開口部分の面積が大きくなるので、電池内部で溶解したセパレータ等が開口部分に詰まるのを抑制でき、電池内のガスを円滑に排出することができる。尚、交差点間が溝で連結されていることが必要とされるのは、連結されていない場合には、弁体が十分に開放されないため、十分な開口面積を得ることができないからである。
【００１１】
また、この溝を電池側面のうち大面積の側面における４隅の近傍領域に設けることにより、電池膨張時に４隅の近傍領域では極めて大きな歪みが生じる。このため、溝の残肉厚をある程度大きくしても、電池膨張時には当該溝が確実に破断するため、製造上の溝の残肉厚の公差をある程度大きくすることができ、したがって、歩留りが悪くなったり、電池の製造コストが高くなることもない。加えて、電池が落下する等の衝撃が加えられた場合であっても、弁体が傷ついてクラック等が生じることもないので、電解液の漏れも防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１〜図８に基づいて、以下に説明する。
図１は本発明電池の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線矢視部分断面図、図３は本発明電池の通常状態を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図、図４は本発明電池が膨張した状態を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図、図５は図３のＢ−Ｂ線矢視部分断面図、図６は本発明電池の変形例を示す正面図、図７は本発明電池の他の変形例を示す正面図、図８は本発明電池の更に他の変形例を示す正面図である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、本発明の非水電解液電池は、有底筒状のアルミニウム合金製の外装缶８（側面部の厚み：０．２５ｍｍ）を有しており、この外装缶８内には、アルミニウムから成る芯体にＬｉＣｏＯ₂を主体とする活物質層が形成された正極と、銅から成る芯体に黒鉛を主体とする活物質層が形成された負極と、これら両電極を離間するセパレータとから成る偏平渦巻き状の電極体７が収納されている。また、上記外装缶８内には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とが体積比で４：６の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解された電解液が注入されている。更に、上記外装缶８の開放孔にはアルミニウム合金から成る封口板６がレーザー溶接されており、これによって電池が封口される。
【００１４】
上記封口板６は、ガスケット１１、絶縁板１２及び導電板１４と共に、挟持部材１６により挟持されており、この挟持部材１６上には負極端子１０が固定されている。また、上記負極から延設される負極タブ１５は、上記導電板１４と挟持部材１６とを介して、上記負極端子１０と電気的に接続される一方、上記正極は正極タブ（図示せず）を介して、上記外装缶８と電気的に接続されている。
【００１５】
ここで、図３に示すように、上記外装缶８における大面積の側面２１の隅部２２の近傍領域に溝２３が形成され、この溝２３により弁体２０（作動圧：約０．５Ｍｐａ）が構成される。この溝２３は、図４に示すように、電池膨張時に大面積の側面２１に形成される稜線（折れ曲がり線であって、図４のように小面積の側面との角度θが約４５°となるように形成される）２５と２点で交差するように略Ｕ字状を成しており、電池膨張時に当該溝２３が破断して弁体２０が開口することにより電池内のガスを排出する構造となっている。また、図５に示すように、上記溝２３の深さｔ１は０．１ｍｍであり、当該溝２３に対応する部分の残肉厚ｔ２は０．１５ｍｍとなるように形成されているため、当該溝２３における残肉量が十分に確保されている。
尚、上記電池の大きさは、縦５０ｍｍ、横３４ｍｍ、厚み５ｍｍである。
【００１６】
上記構造の非水電解質電池を、以下のようにして作製した。
先ず、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ₂を９０質量％と、導電剤としてのカーボンブラックを５質量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５質量％と、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを混合してスラリーを調製した後、上記スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にアルミニウム合金製の正極集電タブを溶接した。
【００１７】
これと並行して、負極活物質としての黒鉛粉末を９５質量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５質量％と、溶剤としてのＮＭＰ溶液とを混合してスラリーを調製した後、上記スラリーを負極集電体としての銅箔の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にニッケル製の負極集電タブを溶接した。
【００１８】
次に、上記正極と負極とをポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータを介して巻回して偏平渦巻き状の電極体７を作製した。
一方、上記の工程と並行して、アルミニウム合金製の薄板を絞り加工することにより、外装缶８を形成した後、この外装缶８における大面積の側面２１の隅部２２の近傍領域に略Ｕ字状の溝２３をエッチング法やプレス加工等により形成すると共に、アルミニウム合金製の薄板を用いて封口板６を作製した後、この封口板６、ガスケット１１、絶縁板１２及び導電板１４を挟持部材１６により挟持した。
【００１９】
しかる後、導電板１４と電極体７から導出される負極タブ１５とを溶接し、電極体７を外装缶８に挿入した。そして、外装缶８と封口板６とをレーザー溶接した後、封口板６の透孔より外装缶８内に電解液を注入し、更に挟持部材１６上に負極端子１０を固定することにより非水電解液電池を作製した。
【００２０】
〔その他の事項〕
（１）電池膨張時に形成される稜線２５は、電池の大面積の側面における長手方向と短手方向との長さが余り変わらない場合には、上記実施の形態の如く、隅部における長辺との角度θが約４５°となるように形成されるが（図４参照）、電池の長手方向と短手方向との長さが大きく変わる場合には必ずしも上記θが略４５°になるとは限らない。但し、上記θの範囲は、一般的に３０〜６０°程度に限定されるので、この範囲に形成される稜線２５と溝２３とが２点以上で交差するように設計すれば良い。稜線２５は、４隅の近傍領域において、隅部からθの角度で形成され始め、そして、電池の大面積の側面における長手方向の中央領域において、前記長辺とほぼ平行に形成される。溝２３は、稜線２５がθの角度となる４隅の近傍領域に形成される。
【００２１】
（２）上記実施の形態では溝２３により形成される弁体２０を、大面積の側面２１における４隅の近傍領域のうち１つの近傍領域にしか溝２３が形成されていないが、このような構造に限定するものではなく、大面積の側面２１における４隅の近傍領域のうち２以上の近傍領域に形成しても良い。
（３）上記実施の形態では溝２３の形状を略Ｕ字状としているが、この形状に限定するものではなく、図６に示すような円弧状、或いは、図７に示すような略Ｗ字状であっても良い。尚、略Ｗ字状の場合には２点以上で溝と稜線とが交差しているが、このような構造であっても良い。また、弁体２０の開口方向が図３及び図４で示す方向と逆向きとなるように、図８の如く溝２３を形成しても良い。
【００２２】
（４）上記実施の形態では封口板６及び外装缶８としてアルミニウム合金を用いたが、これに限定するものではなく、鉄等の公知の材質でも良く、また本発明は上記非水電解液電池に限定するものではなく、ニッケル−水素電池等の他の電池にも適用しうることは勿論である。
（５）上記実施の形態では溝２３の深さｔ１を１００μｍとしているが、この深さに限定するものではなく、電池の種類（要求される開放圧）や、外装缶８の材質等を考慮して、変えることができることは勿論である。但し、一般的には、外装缶８の厚みの２５〜７５％程度であることが望ましい。
【００２３】
【実施例】
（実施例）
実施例としては、上記発明の実施の形態に示す方法と同様の方法にて作製した電池を用いた。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａと称する。
【００２４】
（比較例）
従来の技術の特開２００１−２６６８１２号公報（図１３参照）に示されるものを用いた。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘと称する。
【００２５】
（予備実験）
封口板６、電池外装缶８及び電極体７のみを用い（即ち、電解液等を用いないで）、封口板６と電池外装缶８とをレーザー溶接した。そして、注液孔より空気を電池内に送り込んで電池内部を加圧し、安全弁が作動すると同時に加圧を中止して、安全弁が作動したときの電池内部圧力（安全弁の作動圧）、及び電池内部の圧力が大気圧に戻るまでの時間を調べたので、その結果を表１に示す。尚、表１において、上記実施例と同じ構造の安全弁を有するセルを本発明セルａと称し、上記比較例と同じ構造の安全弁を有するセルを比較セルｘと称する。尚、試料数は、各セル１０個である。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１から明らかなように、安全弁の作動圧については本発明セルａと比較セルｘとで差異は見られないが、電池内部の圧力が大気圧に戻るまでの時間は、本発明セルａでは平均１２．８５秒で復帰しているのに対して、比較セルｘでは平均３２．９３秒で復帰していることが認められる。
これは、比較セルｘでは、図１４に示すように、安全弁の弁体４２の開口方向が、電池膨張時に生じる稜線（折れ曲がり線）４５方向と同一方向であるため、開口部分の面積を大きくすることができないのに対して、本発明セルａでは、図４に示すように、弁体２０の開口方向は、稜線２５と交差するように形成されるので、安全弁の開口部分の面積が大きくなるということに起因するものと考えられる。
【００２８】
（本実験）上記本発明電池Ａ及び比較電池Ｘを、電池電圧が４．３Ｖとなるまで充電した後、２５０℃に加熱したホットプレート上に配置して、電池が内部燃焼したときの安全弁の作動の有無、電池破裂の有無、及び破裂しなかった電池の試験後の厚みを調べたので、その結果を表２に示す。尚、試料数は、各電池１０個である。
【００２９】
【表２】
【００３０】
上記表２から明らかなように、比較電池Ｘでは、８個の電池では安全弁が作動して電池破裂を生じていないが、２個の電池では安全弁が作動しているにもかかわらず電池破裂を生じているのに対して、本発明電池Ａでは、全ての電池で安全弁が作動して電池破裂を生じていないことが認められる。また、比較電池Ｘでは、破裂しなかった電池の試験後の厚みは、平均で１９．８３ｍｍであるのに対して、本発明電池Ａでは、１２．２３ｍｍと小さくなっていることが認められる。
【００３１】
ここで、本発明電池Ａと比較電池Ｘとの安全弁が作動するに至るまでの状態を、それぞれ、図９（ａ）〜（ｄ）、図１０（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。加熱当初は図９（ａ）及び図１０（ａ）に示すように、全く電池の膨らみはみられないが、更に加熱すると図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示すように、４隅の近傍で稜線２５・４５が生じ始める。そして、一段と加熱が進むと図９（ｃ）及び図１０（ｃ）に示すように、稜線２５・４５が連通され、最後には稜線２５・４５が形成された状態で更に電池が変形して、図９（ｄ）及び図１０（ｄ）に示すように、弁体２０・４２が開口して安全弁が作動する。
【００３２】
この場合、本発明電池Ａでは予備実験で示したように安全弁の開口面積が大きいので、溶融したセパレータ等が安全弁を塞ぐのを確実に防止できるのに対して、比較電池Ｘでは予備実験で示したように安全弁の開口面積が小さいので、溶融したセパレータ等が安全弁を塞ぐのを防止できない場合がある。このようなことにより、上記のような実験結果となったものと考えられる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、歩留りが悪くなったり、電池の製造コストが高くなったり、電解液が漏れるのを防止しつつ、安全弁の開口部分の面積を大きくすることにより電池内のガスを円滑に排出し、これにより電池の安全性を飛躍的に向上させることができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明電池の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視部分断面図である。
【図３】本発明電池の通常状態を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図である。
【図４】本発明電池が膨張した状態を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ線矢視部分断面図である。
【図６】本発明電池の変形例を示す正面図である。
【図７】本発明電池の他の変形例を示す正面図である。
【図８】本発明電池の更に他の変形例を示す正面図である。
【図９】同図（ａ）〜（ｄ）は本発明電池Ａの膨張過程を示す斜視図である。
【図１０】同図（ａ）〜（ｄ）は比較電池Ｘの膨張過程を示す斜視図である。
【図１１】従来電池の通常状態を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図である。
【図１２】従来電池が膨張した状態を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図である。
【図１３】他の従来電池の通常状態を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図である。
【図１４】他の従来電池が膨張した状態を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図である。
【符号の説明】
８：外装缶
２０：弁体
２１：大面積の側面
２３：溝
２５：稜線

Claims

電池側面のうち大面積の側面に溝が形成され、この溝により弁体が構成されると共に、電池膨張時に当該溝が破断して弁体が開口することにより電池内のガスを排出する構造の安全弁を備えた電池において、
上記安全弁が上記大面積の側面における４隅の近傍領域に設けられており、上記溝は、上記電池膨張時に上記大面積の側面に生じる一つの稜線と２点以上で交差し、且つ、当該交差点間が溝で連結されていることを特徴とする電池。