JP4297892B2 - 安全ベントを有するリチウムイオン二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関し、より詳細には、一定の温度以上になれば、安全ベントが一時的に開放されて内部の圧縮されたガスを放出することにより、電池の膨張現象（スウェルリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ））を防止し、また、安全性を向上させることができるリチウムイオン二次電池に関する。

一般に、リチウムイオン二次電池は、正極活物質が付着された正極板、負極活物質が付着された負極板および正極板と負極板との間に位置して短絡を防止し、リチウムイオンの移動のみを可能にするセパレータがゼリーロール（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）形態で巻き取られた電極組立体と、リチウムイオンの移動を可能にする電解液と、前記電極組立体および電解液が受納されて封入される缶と、前記缶を防いで前記電極組立体の離脱を抑制するキャップ組立体等からなっている。

このようなリチウムイオン二次電池は、正極活物質が付着された正極板、負極活物質が付着された負極板およびセパレータを積層した後、これをゼリーロール（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）形態で巻取り、これを角形の缶に入れた後、上部にキャップ組立体を溶接して封入する。以後、電解液を注入した後、充電および検査を遂行してベアセル（ｂａｒｅ ｃｅｌｌ）を完成し、次に、前記ベアセルに各種保護素子を付着した後、組立および検査して、通常のバッテリーパックを完成する。

一方、このようなリチウムイオン二次電池は、正電圧／正電流充電法を使用するので、充電器で充電電圧が正確に制御されると、過充電現象はない。しかし、充電器が破損、または、誤動作して異常充電をする場合があり、このような場合には電池電圧が増加すると共に、電池内部の温度が急上昇する。このような電圧増加と温度急上昇は、電池の内部の正極活物質、または、電解液が分解するようになり、このような現象によってガスが発生して電池が膨脹する。勿論、このようなガスの発生および膨張現象は、電池外部から提供される高熱により生成されることもある。更に、このようなガスは、電池内部の圧力を増加させることにより、電解液が外部に漏出したり、または、電池自体を爆発および発火させたりすることもある。

このような現象に対する安全対策としては、ＰＴＣサーミスター（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）の内蔵、シャットダウン（ｓｈｕｔ ｄｏｗｎ）機能があるセパレータの採択などがあり、その他に、上述のようなガス発生により作動する安全ベント（ｓａｆｅｔｙ ｖｅｎｔ）がある。

特に、従来の角形リチウムイオン二次電池において、前記安全ベントは、通常、缶の底面、または、キャップ組立体に形成された、より薄い領域を指し、これはガス発生により缶の内部の圧力が規定値以上の場合に破裂し、そのガスを外部に排出する役割をする。勿論、このような安全ベントは一度作動すると、元の状態に戻らない。すなわち、非可逆的に作動するために、安全ベントが一度作動した後には通常の電池を廃棄処分しなければならない。

以上、説明したように、従来の安全ベントは電池の温度に関係なしに、専ら圧力が規定値以上になれば作動し、また、非可逆的に作動する。しかし、通常的に過充電時には電圧も増加するが、温度が先に増加し（または、外部から提供される熱気により電池自体の温度が増加し）、続けてこのような温度によりガスが発生する。従って、前記安全ベントは、前記温度に反応して作動することが理想的であるが、圧力のみに反応することにより、電池の安全性の向上に支障を与えている。

すなわち、前記安全ベントは、上述のように、周辺領域より若干薄く形成されたものであって、これが破裂する電池圧力には多い偏差が存在できる。言い換えると、安全ベントが規定温度、または、圧力以下で不要に作動したり、または、規定温度、または、圧力以上でも作動せずに、結局、爆発および発火事故につながることになる。これは温度に比例して安全ベントが作動するのではなく、一定圧力範囲で物理的に作動するように安全ベントが設計されているためである。

本発明は、上述の従来の問題点を克服するためのものであって、一定の温度以上になれば安全ベントが一時的に開放されて、内部の圧縮されたガスを放出することにより、電池の膨張現象を防止し、また、安全性を向上させることができる安全ベントを有するリチウムイオン二次電池を提供することをその目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明によるリチウムイオン二次電池は、第１極板と第２極板との間にセパレータが介されたまま、複数回巻き取られた電極組立体と、前記電極組立体が受容できるように、一側が開放された缶と、前記缶を閉塞すると共に、ベントホールが形成され、前記ベントホールには所定の温度で変形して前記缶内部のガスを外部に放出する安全ベントが結合したキャッププレートと、を有し、前記安全ベントは、形状記憶合金よりなることを特徴とするリチウムイオン二次電池

ここで、前記安全ベントは、温度が７０〜１５０℃範囲で変形して前記ベントホールを開放させるものであることができる。

また、前記安全ベントは、前記ベントホールの直径と同じ直径を有する円筒形胴体と、前記円筒形胴体の上段に前記円筒形胴体の直径より拡張された円板形係止板からなることができる。

また、前記キャッププレートには、上面に前記ベントホールおよび安全ベントを覆う固定板を更に取り付けることができ、前記固定板は、前記安全ベントを中心に対向する両側でキャッププレートに溶接される縁板と、前記安全ベントと対応する位置であって、前記両側の縁板に連結された中央板からなることができる。

更に、前記中央板は内側に前記安全ベントが所定温度で変形された際、外部に離脱しないように、中央上部からその外周縁の縁板側に一定の曲率を有して曲がった曲面部が形成され、ガスが外部に容易に排出できるように前記曲面部と安全ベントおよびキャッププレート間には空間部が形成できる。

本発明によるリチウムイオン二次電池は、過充電、または、外部からの熱気により内部温度が所定範囲以上に増加すれば、安全ベント自体が一時的に変形して内部のガスを放出することにより、電池の安全性を大きく向上させることができることになる。すなわち、従来のように、比較的大きい偏差を有する圧力により安全ベントが破裂して作動するのではなく、一定温度になれば、安全ベントが一時的に変形して作動することにより、安全ベントの作動条件が一層精巧になり、従って、電池の安全性が一層向上する。

また、電池の温度が更に所定の範囲以下に落ちると、安全ベントが元の大きさに増加することにより、内部ガスの放出を抑制し、従って、電池を更に正常に利用できる。更に、正常温度に落ちると、電池の内部の圧力が減少したり、真空に近い状態になったりすることにより、電池の安全性が一層向上する。

以下、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できる程度で本発明の好ましい実施の形態を添付の図面を参照して詳細に説明すれば次の通りである。

図１を参照すると、本発明に係るリチウムイオン二次電池の斜視図が図示されており、図２を参照すると、図１の分解斜視図が図示されており、図３を参照すると、図１の１−１線断面図が図示されている。

図示のように、本発明に係るリチウムイオン二次電池１００は、電極組立体１１０と、前記電極組立体１１０が受納される缶（または、外装材）１２０と、前記缶１２０に注入されてリチウムイオンの移動を可能にする電解液（図示してはいない）と、前記缶１２０を防いで前記電極組立体１１０および電解液が外部に離脱しないようにし、所定の温度で変形される安全ベント１４８を有するキャップ組立体１４０とからなっている。

まず、前記電極組立体１１０は、第１活物質（図示してはいない）が付着された第１極板１１１、第２活物質（図示してはいない）が付着された第２極板１１２および第１極板１１１と第２極板１１２との間に位置して短絡を防止し、リチウムイオンの移動のみを可能にするセパレータ１１３からなっており、上の第１極板１１１、第２極板１１２およびセパレータ１１３は、略ゼリーロール（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）形態で複数回巻き取られて缶１２０に受納されている。

また、前記第１極板１１１には、上部に一定の長さが突出した第１リード１１４が溶接されており、前記第２極板１１２にも上部に一定の長さが突出した第２リード１１５が溶接されている。

ここで、前記第１活物質は、正極活物質（たとえば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２））であることができ、前記第１極板１１１は、アルミニウム（Ａｌ）材質の正極板であることができる。また、前記第２活物質は負極活物質（例えば、黒鉛）であることができ、前記第２極板１１２は銅（Ｃｕ）材質の負極板であることができる。

また、前記第１リード１１４もアルミニウム材質であって、正極リードであることができ、前記第２リード１１５もニッケル材質であって、負極リードであることができる。更に、前記セパレータ１１３は、ポリエチレン（ＰＥ）、または、ポリプロピレン（ＰＰ）であることができる。しかし、前記の材質に本発明を限るのではない。

前記缶１２０は、少なくとも一つ以上の第１面１２１、前記第１面１２１に連結されると共に、少なくとも一つ以上であって、前記第１面１２１の面積より小さな面積を有する第２面１２２、前記第１面１２１および第２面１２２に同時連結された第３面１２３からなっている。更に、前記缶１２０は、前記第３面１２３と対向する上部に開放口１２４が形成された形態をなす。すなわち、前記缶１２０は上部に開放口１２４が形成された略六面体形態をなす。前記缶１２０は、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、合金、または、その等価物で形成可能で、ここに、その材質を限るのではない。

前記電解液（図示してはいない）は、前記缶１２０の内部に注入されて、前記電極組立体１１０の第１極板１１１と第２極板１１２との間に位置する。このような電解液は充放電の際、電池の内部の第１極板１１１および第２極板１１２において、電気化学的反応により生成されるリチウムイオンの移動媒体役割をし、これは、リチウム塩と高純度有機溶媒類の混合物である非水質系有機電解液であることができる。あわせて、前記電解液は高分子電解質を用いたポリマーであることもできる。

一方、前記電極組立体１１０の上部であって、前記缶１２０の開放口１２４には順次に絶縁ケース１３１、端子プレート１３２、絶縁プレート１３３が更に結合することができるが、本発明において、このような構成要素が必ず必要であるのではない。勿論、前記絶縁ケース１３１、端子プレート１３２および絶縁プレート１３３は、前記第２リード１１５が上部に延びて貫通できるように通孔１３１ａ、１３２ａ、１３３ａが各々形成されている。また、前記絶縁プレート１３３には、下記するキャッププレート１４１を通して電解液を注入すれば、前記電極組立体１１０側に電解液が容易に流れ込むことができるように、電解液通孔１３１ｂも形成されている。

前記キャップ組立体１４０は、前記缶１２０の開放口１２４にレーザー溶接されており、これはキャッププレート１４１を含む。

前記キャッププレート１４１の中央には一定の大きさの通孔１４２が形成されており、その一側には電解液の注入のための電解液注入口１４５が形成され、他側には安全ベント１４８の結合のためのベントホール１４７が形成されている。また、前記キャッププレート１４１の通孔１４２には絶縁ガスケット１４３が結合して、前記絶縁ガスケット１４３には電極端子１４４が結合している。勿論、前記電極端子１４４は、前記第２リード１１５と溶接されて放電、または、充電時、負極、または、正極の役割をすることができるようになっている。

また、前記キャッププレート１４１の電解液注入口１４５と前記電極端子１４４との間には第１リード１１４が溶接されることにより、前記キャッププレート１４１および缶１２０は全体的に正極、または、負極になるようにしている。あわせて、前記キャッププレート１４１の電解液注入口１４５には電解液注入後、その電解液が外部に流出しないようにプラグ１４５が結合および溶接されている。

一方、前記キャッププレート１４１に形成されたベントホール１４７には略円柱形態の安全ベント１４８が結合しており、また、前記キャッププレート１４１には、前記ベントホール１４７および安全ベント１４８を覆う固定板１４９が溶接されている。

図４を参照すると、図３の３領域が拡大図示されている。

図示のように、キャッププレート１４１は、略平な、または完全に平な第１面１４１ａと、その反対面であって、略平な、または完全に平な第２面１４１ｂとを含み、前記第１面１４１ａと第２面１４１ｂとの間には、上述の通り、安全ベント１４８が結合できるように、一定の直径を有するベントホール１４７が形成されている。

前記ベントホール１４７に結合した安全ベント１４８は、正常作動温度で前記ベントホール１４７の直径と同じ直径を有する円筒形胴体１４８ａと、前記円筒形胴体１４８ａの上段であって、前記キャッププレート１４１の第１面１４１ａと接触すると共に、前記円筒形胴体１４８ａの直径より大きい直径を有する円板形係止板１４８ｂからなることができる。

このような安全ベント１４８は、電池の温度が所定の温度以上になれば、一時的に縮小して、ベントホール１４７を開放させることができる材質を用いることが好ましい。このような電池は、普通７０〜１５０℃程度になればガスが発生し始めるので、前記温度範囲で作動する材質を安全ベント１４８で用いることが好ましい。勿論、このような温度以下に落ちると、更に元の形態に復帰する材質を用いることは当然である。

また、前記安全ベント１４８は、所定の温度範囲では縮小され、その温度範囲以下からは、更に元の体積を維持する形状記憶合金を用いて製造することができる。このような形状記憶合金としては、たとえば、Ｎｉ＋Ｔｉ、Ｃｕ＋Ｚｎ＋Ａｌ、Ｃｕ＋Ａｌ＋Ｎｉ合金、または、その等価物が可能である。

また、前記形状記憶合金は、たとえば、Ｎｉ＋Ｔｉ、Ｃｕ＋Ｚｎ＋Ａｌ、Ｃｕ＋Ａｌ＋Ｎｉ合金、または、その等価物中から選択された、いずれかの１つにＭｎが一定量添加されたものであることができる。ここで、Ｍｎの添加量は、たとえば、０．５〜２質量％であることが好ましい。

更に、前記形状記憶合金は、Ｃｕ＋Ｚｎ＋Ａｌ、Ｃｕ＋Ａｌ＋Ｎｉ合金、または、その等価物中から選択された、いずれかの１つにＴｉが一定量添加されたものであることができる。ここで、Ｔｉの添加量は、たとえば、０．５〜２質量％であることが好ましい。

なお、上記ＭｎおよびＴｉの添加量は、０．５質量％以下ではＭｎやＴｉを添加した効果が現れづらく、一方、２質量％を超えて入れた場合は、これ以上入れてもＭｎやＴｉを添加した効果のさらなる発揮は期待できず、また仮にＭｎやＴｉを過剰に入れた場合、合金としての機能に変化をもたらす可能性があるため好ましくないものである。

なお、本発明は、このような材質に限定されるものではない。

このような前記安全ベント１４８は、所定の温度範囲で縮小して、内部のガスを外部に放出する際、前記ガス圧力によりキャッププレート１４１の外部に完全に離脱できる。従って、前記安全ベント１４８の外側であるキャッププレート１４１の第１面１４１ａには、前記安全ベント１４８を覆うことができるように固定板１４９が更に取り付けることができる。

このような固定板１４９は、前記安全ベント１４８を中心に対向する両側でキャッププレート１４１に溶接される縁板１４９ａと、前記安全ベント１４８と対応する位置であって、前記両側の縁板１４９ｂに連結された中央板１４９ｂからなることができる。また、このような安全ベント１４８は、中央板１４９ｂの中央上部からその外周縁の縁板１４９ｂ側に一定曲率を有して曲がった曲面部１４９ｃが更に形成されることができ、電池内部のガスが外部に容易に排出できるように、前記曲面部１４９ｃとキャッププレート１４１の第１面１４１ａとの間に外部と連通する空間部１４９ｄが更に形成されることができる。

最後に、このような固定板１４９は、前記キャッププレート１４１のようなアルミニウム、鉄、合金、または、その等価物で形成可能である。なお、本発明は、このような材質に限定されるものでなはない。

図５ａを参照すると、図１の２−２線であって、所定の温度以上で安全ベントが作動した状態を図示した断面図であり、図５ｂを参照すると、図１の３−３線であって、所定の温度以上で安全ベントが作動した状態を図示した断面図である。

図示のように、電池内部の温度が略７０〜１５０℃（このような温度範囲は一例に過ぎないのであり、その温度範囲をより下げたり、または、より上げたりすることも可能である）程度に達すると、前記安全ベント１４８は縮小してベントホール１４７を開放させることになる。

すなわち、安全ベント１４８をなす円筒形胴体１４８ａの直径がベントホール１４７の直径より小さくなり、また、ガス圧力がその円筒形胴体１４８ａおよび円板形係止板１４８ｂを外側に押し出すことにより、安全ベント１４８とベントホール１４７との間の空間１４７ａおよび固定板１４９をなす中央板１４９ｂとキャッププレート１４１との間の空間部１４９ｄを介して内部のガスが外部に排出される。勿論、前記ガス圧力により前記安全ベント１４８が外部に完全に離脱できないように、前記安全ベント１４８の係止板１４８ｂは、前記固定板１４９の中央板１４９ｂにより移動距離が制限される。

そしてこのようなガス排出中、電池の温度が正常温度に戻ると、前記安全ベント１４８は元の体積、または、大きさに戻ることにより、前記ベントホール１４７を更に防ぐことになる。すなわち、安全ベント１４８の円筒形胴体１４８ａの直径がベントホール１４７の直径と同じくなり、前記ベントホール１４７を完全に塞ぐことになり、ガスの排出が停止する。

その後は、このように安全ベント１４８によりベントホール１４７が再び塞がった状態となって、前記電池を更に正常に使うことができる。言い換えると、安全ベント１４８が作動したとしても、従来のように、電池を廃棄しなければならなくなるようなことがないのである。

以上、説明したことは、本発明に係る形状記憶安全ベントを有するリチウムイオン二次電池を実施するための一実施の形態に過ぎないものであって、本発明は前記一実施の形態に限るのではなく、以下の特許請求範囲で請求するように、本発明の要旨を外れない範囲で、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば誰でも多様な変更実施が可能な範囲まで本発明の技術的精神があるというはずである。

本発明に係る形状記憶安全ベントを有するリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 図１の分解斜視図である。 図１の１−１線断面図である。 所定の温度以下で形状記憶安全ベントが作動する前の状態を示す図１の２−２線断面図である。 所定の温度以上で形状記憶安全ベントが作動した後の状態を示す図１の２−２線断面図である。 図１の３−３線断面図である。

符号の説明

１００…リチウムイオン二次電池、
１１０…電極組立体、
１１１…第１極板、
１１２…第２極板、
１１３…セパレータ、
１１４…正極リード、
１１５…負極リード、
１２０…缶、
１２１…第１面、
１２２…第２面、
１２３…第３面、
１２４…開放口、
１３１…絶縁ケース、
１３１ａ…通孔、
１３１ｂ…電解液注入通孔、
１３２…端子プレート、
１３２ａ…通孔、
１３３…絶縁プレート、
１３３ａ…通孔、
１４０…キャップ組立体、
１４１…キャッププレート、
１４１ａ…第１面、
１４１ｂ…第２面、
１４２…通孔、
１４３…ガスケット、
１４４…電極端子、
１４５…電解液注入口、
１４６…プラグ、
１４７…ベントホール、
１４８…安全ベント、
１４８ａ…円筒形胴体、
１４８ｂ…円板形係止板、
１４９…固定板、
１４９ａ…縁板、
１４９ｂ…中央板、
１４９ｃ…曲面部、
１４９ｄ…空間部。

Claims (15)

1. 第１極板と第２極板との間にセパレータが介されたまま、複数回巻き取られた電極組立体と、
   前記電極組立体が受容できるように、一側が開放された缶と、
   前記缶を閉塞すると共に、ベントホールが形成され、前記ベントホールには所定の温度で変形して前記缶内部のガスを外部に放出する安全ベントが結合したキャッププレートと、を有し、
   前記安全ベントは、形状記憶合金よりなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
2. 前記安全ベントは、温度が７０〜１５０℃範囲で変形して前記ベントホールを開放することを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
3. 前記安全ベントは、Ｎｉ＋Ｔｉ、Ｃｕ＋Ｚｎ＋Ａｌ、またはＣｕ＋Ａｌ＋Ｎｉ合金中から選択されたいずれかの１つであることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
4. 前記安全ベントは、Ｎｉ＋ＴｉにＭｎが一定量添加された合金であることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
5. 前記安全ベントは、Ｃｕ＋Ｚｎ＋Ａｌ、またはＣｕ＋Ａｌ＋Ｎｉ合金中から選択されたいずれかの１つにＴｉが一定量添加されたことを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
6. 前記安全ベントは、Ｃｕ＋Ｚｎ＋Ａｌ、または、Ｃｕ＋Ａｌ＋Ｎｉ合金中から選択されたいずれかの１つにＭｎが一定量添加されたことを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
7. 前記安全ベントは、前記ベントホールの直径と同じ直径を有する円筒形胴体と、前記円筒形胴体の上段に前記円筒形胴体の直径より大きい円板形係止板からなることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
8. 前記安全ベントは、所定の温度以上で前記円筒形胴体の直径が前記ベントホールの直径より小さくなることを特徴とする請求項７記載のリチウムイオン二次電池。
9. 前記安全ベントは、７０〜１５０℃の温度範囲で前記円筒形胴体の直径が前記ベントホールの直径より小さくなることを特徴とする請求項７記載のリチウムイオン二次電池。
10. 前記キャッププレートは、上面に前記ベントホールおよび前記安全ベントを覆う固定板が更に取付けられていることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
11. 前記固定板は、前記安全ベントを中心に対向する両側において、キャッププレートに溶接される縁板と、前記安全ベントと対応する位置であって前記両側の縁板に連結された中央板からなることを特徴とする請求項１０記載のリチウムイオン二次電池。
12. 前記中央板は、内側に前記安全ベントが所定の温度で縮小された際、外部に離脱しないように中央上部からその外周縁の縁板側に一定の曲率を有して曲がった曲面部が形成され、ガスが外部に容易に排出できるように前記曲面部と前記安全ベントおよび前記キャッププレート間には空間部が形成されていることを特徴とする請求項１１記載のリチウムイオン二次電池。
13. 前記電極組立体は、第１極板に第１リードが接続され、外側に所定の距離延びて前記第２極板に第２リードが接続され、外側に所定の距離延びて前記第１リードは前記キャッププレートに接続していることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
14. 前記キャッププレートには、ガスケットが介されると共に、前記第２リードが接続する電極端子が更に結合していることを特徴とする請求項１３記載のリチウムイオン二次電池。
15. 充放電可能な電極組立体と、
    前記電極組立体が受容される外装材と、
    前記電極組立体が外側に離脱しないように前記外装材に取り付けられると共に、前記電極組立体および外装材の温度が所定の範囲以上に増加した場合に変形して前記外装材内部のガスを外部に排出する安全ベントを備えたキャッププレートと、
    を有し、
    前記安全ベントは、形状記憶合金よりなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。

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