JP4463529B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関し、特に発電要素を収納する密閉ケースに防爆弁が設けられた二次電池に関するものである。

近年の電子機器、特に携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラなどの携帯用情報機器の発達や普及に伴い、小型、軽量で、かつエネルギー密度が高い二次電池の需要が大きく伸張し、なお、高性能化の検討がなされている。このような二次電池として特にリチウムイオン二次電池が、その高性能のため注目されている。

リチウムイオン二次電池における発電要素の一般的な構造は、リチウム−コバルト複合酸化物などの正極活物質粉末、導電性粉末、及びバインダからなる正極活物質層を、アルミニウム箔からなる正極集電体表面に形成してなる正極、炭素系の負極活物質粉末、及びバインダからなる負極活物質層を、銅箔からなる負極集電体表面に形成してなる負極を、多孔質のフィルムからなるセパレータを介して重ね、電解液を含浸したものである。

そして、二次電池としての容量増加のため、正極及び負極の対を複数積層した積層素子や、帯状に形成した正極及び負極を巻き回した巻回素子などが、発電要素として用いられているが、いずれの場合も電解液を用いるので、このような発電要素を金属のケースに封入して、電解液が外部に漏れないようにしている。

ところで、前記のような二次電池においては、短絡などの異常により、電解液が分解してガスが発生することがある。これによってケース内の圧力が上昇した場合に対処するため、防爆弁を設け、一定以上の圧力になると、防爆弁が開放または破断されて、内部の圧力を開放することで、事故を未然に防止している。

特許文献１には、このような例として、金属ケースの開口部を閉塞している封口板に凹部を設け、凹部の底の部分に設けられた、溝によって囲まれた膨出部を、防爆弁として用いる技術が開示されている。

図２は、特許文献１に開示された防爆弁を有する、二次電池のケースの例を示す斜視図である。また、図３は、特許文献１に開示されている、防爆弁の例を示す図で、図３（ａ）はケースの平面図、図３（ｂ）は防爆弁の部分の拡大図、図３（ｃ）はＡＡ断面図である。図２及び図３において、１はケース、２は封口板、３は端子、７は防爆弁、８は凹部、９は溝、１０は膨出部である。

この例においては、図３（ｃ）に示したように、凹部８の底に設けられた膨出部１０は、溝９により周囲と仕切られているので、図における下側、つまりケースの内側から、一定以上の圧力が加わった場合に、溝９の部分が破断する。これによってケース１の内部の圧力が開放されるので、ケース１自体の破裂を未然に防止できる。

ところが、このような防爆弁に加わる圧力は、必ずしも電解液の分解ガスによるものばかりではない。具体的に説明すると、ケースに収納されている発電要素は、ケース内における位置が必ずしも固定されているわけではなく、ある程度の位置ずれが避けられない。このため、二次電池の落下や急激な揺動により、防爆弁と発電要素の間の空間を占める気体が、急激に圧縮され、防爆弁が瞬間的に加圧されることがある。

このように、ケース内部で異常事態がまったく起こっていないにも関わらず、防爆弁が加圧され、作動してしまう場合がある。防爆弁が作動すると、内部の電解液が漏出するので、もはや二次電池としては使用不能となってしまう。しかしながら、特許文献１には、このような不具合に対処する技術については、十分な開示がなされているとは言い難い。

特開２００２−３６７５８３号公報

従って、本発明の課題は、発電要素をケースに密閉した構造の二次電池において、内部の異常事態に起因する圧力上昇が起こった場合は確実に作動し、異常事態とは無関係で瞬間的な圧力上昇では作動しない防爆弁を備えた二次電池を提供することにある。

本発明は、二次電池のケース内部における、急激かつ瞬間的な圧力上昇は、前記のように、二次電池の機能を損なうような異常事態に起因することが、極めて少ないという観点から、圧力を緩衝し得る構造を付加することを検討した結果なされたものである。

即ち、本発明は、ケースに設けられた凹部と、前記凹部に設けられた第一の防爆弁と、前記凹部の開口部に設けられた第二の防爆弁を有し、前記第一の防爆弁と前記第二の防爆弁との間に密閉空間が介在する二次電池であって、ケース内部の圧力上昇で、前記第一の防爆弁が外側に膨らむと、前記密閉空間が圧縮され、ケース内部と密閉空間の圧力の平衡状態が現出することを特徴とする二次電池である。

また、本発明は、前記第二の防爆弁が、前記凹部の開口部に取り付けられた保護膜であることを特徴とする、前記の二次電池である。

本発明の二次電池は、密閉空間を介して二つの防爆弁が設けられていて、介在する密閉空間は、発電要素の急激な移動などに伴う、急激かつ瞬間的な圧力上昇を緩衝する機能を有する。つまり、ケース内部の圧力上昇で、内側の防爆弁、即ち、第一の防爆弁が外側に膨らむと、密閉空間が圧縮され、ケース内部と密閉空間の圧力の平衡状態が現出する。

この際、第一の防爆弁の作動圧力は、ケース内部の圧力と密閉空間の圧力の差になるので、急激かつ瞬間的な圧力上昇で作動することが極めて少なくなる。これに対し、電解液の分解などによる圧力上昇は、瞬間的に起こったり、瞬間的に低下したりすることがないので、本発明の二次電池の防爆弁が、本来の防爆弁として機能しないことはない。

また、第二の防爆弁は、凹部が設けられたケースの表面に、シート状の材料、つまり保護膜を適当な接着強度で貼り付けるという方法で設けてもよいので、二つの防爆弁を設けても製造コストの増加は僅かであることも本発明の特徴である。なお、一般的には、第一の防爆弁の方が先に作動するので、瞬間的な圧力上昇で第一の防爆弁が作動しても、第二の防爆弁は作動せず、電解液の漏出を防止できるという効果がある。

本発明の二次電池における防爆弁は、基本的に発電要素を収納したケースに、凹部と、凹部と凹部の開口部に設けられた二つの防爆弁と、二つの防爆弁で密閉された空間があればよい。つまり、前記のように、第二の防爆弁を、凹部の開口部に貼り付けた保護膜という構造にしてもよいし、特許文献１に開示されている構造としてもよい。単に貫通孔を設けて、適当な接合強度で栓を嵌合した構造とすることも可能である。

なお、二つの防爆弁の作動圧力は、同一としてもよいが、本発明の目的から、第二の防爆弁の作動圧力を、第一の防爆弁よりも高く設定した方がよい。また、防爆弁を設ける位置は特に限定されないが、製造工程を考慮すると、特許文献１の例のように、封口板に設けるのが望ましい。

次に、具体的な例を挙げ、本発明について、さらに詳しく説明する。

図１は、二次電池のケースの封口板に本発明の防爆弁を設けた例を示す図で、図１（ａ）はケースの平面図、図１（ｂ）はＡＡ断面図である。図１において、４は第一の防爆弁、５は第二の防爆弁、６は密閉空間である。

この例では、第一の防爆弁４は、封口板の凹部の底部に設けられ、溝で仕切られた膨出部で構成され、第二の防爆弁５はアルミニウム箔を、開口部に接着剤を用いて貼り付けた構造である。ここでは、二つの防爆弁の動作圧力を同一に設定した。

このような構造の防爆弁を備えた二次電池を作製して、１．６ｍの高さから自由落下させるという方法で落下テストを行い、防爆弁の作動の有無を調べたところ、防爆弁が作動したのはまったく見られなかった。比較ために、第二の防爆弁を設けない二次電池を準備し、同様のテストを行ったところ、１．６％の比率で、防爆弁の作動が見られた。

なお、設定した圧力以上の領域での、防爆弁の作動を確認するために、本実施例の二次電池を加熱したところ、全数について、設定圧力近傍で防爆弁が作動することが確認できた。つまり、本発明の二次電池の防爆弁は、落下などによる急激かつ瞬間的な圧力上昇では作動せず、発熱などの異常事態による圧力上昇では、確実に作動することが確認できた。

なお、ここでは、二次電池を例に挙げて説明したが、電気二重層キャパシタなどの、同様の構造を有する電気化学セルにも、本発明を適用できることは明らかである。

二次電池のケースの封口板に本発明の防爆弁を設けた例を示す図。図１（ａ）はケースの平面図。図１（ｂ）はＡＡ断面図。 防爆弁を有する二次電池のケースの例を示す斜視図。 防爆弁の例を示す図。図３（ａ）は金属ケースの平面図。図３（ｂ）は防爆弁の部分の拡大図。図３（ｃ）はＡＡ断面図。

符号の説明

１ ケース
２ 封口板
３ 端子
４ 第一の防爆弁
５ 第二の防爆弁
６ 密閉空間
７ 防爆弁
８ 凹部
９ 溝
１０ 膨出部

Claims (2)

1. ケースに設けられた凹部と、前記凹部に設けられた第一の防爆弁と、前記凹部の開口部に設けられた第二の防爆弁を有し、前記第一の防爆弁と前記第二の防爆弁との間に密閉空間が介在する二次電池であって、ケース内部の圧力上昇で、前記第一の防爆弁が外側に膨らむと、前記密閉空間が圧縮され、ケース内部と密閉空間の圧力の平衡状態が現出することを特徴とする二次電池。
2. 前記第二の防爆弁は、前記凹部の開口部に取り付けられた保護膜であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。

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