JP4590856B2

JP4590856B2 - 密閉型電池

Info

Publication number: JP4590856B2
Application number: JP2003384522A
Authority: JP
Inventors: 幹男小熊
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: JP2005149862A

Description

本発明は、発電要素側に突形状を呈し、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイアフラムと、中央にダイアフラム側に隆起した薄肉平面部と、発電要素に接続され薄肉平面部の外縁を構成する接続部とを有する導電部材とを有し、ダイアフラムの平面部及び導電部材の薄肉平面部同士が接合された防爆機構を備えた密閉型電池に関する。

従来、密閉型電池は家電製品に汎用されており、最近では、密閉型電池の中でも特にリチウム二次電池が数多く用いられるに至っている。リチウム二次電池は、エネルギー密度が高いことから、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車（ＨＥＶ）等の車載用電源やオフィス、家庭等の据置用電源としても開発が進められている。しかしながら、密閉型電池は、充電装置の故障などによって過充電等の電池異常状態に陥ると、電池内圧が極端に上昇することがある。このため、電池の内部に防爆機構を備えた密閉型電池が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

また、本発明者らは、図５に示す防爆機構を備えた密閉型電池を提案している。この防爆機構について簡単に説明すると、上蓋２０は、例えば鉄製でニッケルメッキが施された円板状の上蓋キャップ１を有している。上蓋キャップ１は、中央が上方に突出した円筒状突起を有するハット状であり、突起中央には開口が形成されている。上蓋キャップ１の周縁部は、例えばアルミニウム合金製で皿状のダイアフラム２の周縁部にカシメ固定されている。ダイアフラム２は、底部中央に平面部を有している。ダイアフラム２の平面部と周縁部との間には、電池内圧が所定圧に達すると開裂する薄肉化された開裂溝８が形成されている（例えば、特許文献３参照）。

ダイアフラム２の周縁部下方には、ダイアフラム２を支持する例えば樹脂製で断面略Ｔ字状の絶縁リング３が配置されている。絶縁リング３の内面側下部には、絶縁リング３に一体成形された支持爪１５が複数個（例えば、３個）形成されている。これらの支持爪１５により、電極群と導通するリード片（不図示）に接続された扁平ドーナツ形状のスプリッタ４の外周部がダイアフラム２の底面と所定間隔を隔てて支持されている。スプリッタ４には、例えばアルミニウム合金製で過充電等の電池異常時に電池内のガスを排出するための複数の貫通穴９が形成されている。スプリッタ４の中央部は、例えばポリプロピレン樹脂製で円環状のスペーサ５を介して、上方に突起が形成され突起の中央に平面部を有する例えばアルミニウム合金製の接続板６の周縁部と、ダイアフラム２の平面部とで狭持されている。スペーサ５は、フランジ部を有しており、このフランジ部がダイアフラム２の平面部に当接している。

接続板６の周縁部上面とスプリッタ４の中央部下面とは、レーザ接合がなされている。また、接続板６の中央平面部とダイアフラム２の底部中央の平面部とは電気的、機械的に接合されており、接合部７が形成されている。この防爆機構では、接続板６及びダイアフラム２の平面部同士の平面面積が広く、治具を用いて平面部同士を安定して（バラツキなく）接合することができると共に、電池内圧が所定圧に至ると、ダイアフラム２が反転して接合部７での接続板６とダイアフラム２との接合を断つので、過充電等の電池異常時（通常時以外の時）に、電池の安全性を確保することができる。

特開平７−１０５９３３号公報特開平８−００７８６６号公報特開２００３−２１７５４４号公報

しかしながら、上記防爆機構では、接合部７にバラツキが生じないので、通常時の大電流放電を安定して確保することができるものの、スプリッタ４及び接続板６、更にはスペーサ５が別部材であり、スプリッタ４と接続板６とをレーザ接合で電気的に接続しているため、密閉型電池がコスト高となり、構造上、コストの低減が難しかった。

本発明は上記事案に鑑み、低コストで、通常時の大電流充放電を安定化させると共に、電池異常時の安全性を確保可能な密閉型電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、発電要素側に突形状を呈し、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイアフラムと、中央に前記ダイアフラム側に隆起した薄肉平面部と、前記発電要素に接続され前記薄肉平面部の外縁を構成する接続部とを有する導電部材と、を有し、前記ダイアフラムの平面部及び前記導電部材の薄肉平面部同士が接合された防爆機構を備えた密閉型電池であって、前記導電部材は、前記ダイアフラム側の前記薄肉平面部の外径が前記薄肉平面部の背面側の外径より大きく、前記薄肉平面部と前記接続部とが一体に形成されたことを特徴とする。

本発明では、過充電等の電池異常時に、電池内圧の上昇により、中央に平面部を有する皿状のダイアフラムが反転し、ダイアフラムの平面部及び導電部材の薄肉平面部同士の接合が断たれ、発電要素とダイアフラムとの導電経路が遮断される。一方、通常時には、ダイアフラム側の薄肉平面部の外径が薄肉平面部の背面側の外径より大きいので、ダイアフラム側に隆起した薄肉平面部の平面を安定確保できダイアフラムの平面部との接合のバラツキを無くすことができると共に、導電部材は薄肉平面部と接続部とが一体に形成されているので、部材数を少なくすることができる。

本発明において、ダイアフラム側へ隆起した薄肉平面部を、薄肉平面部の背面側の肉を盛り上げるように形成すれば、ダイアフラム側へ隆起した薄肉平面部の平面の面積を大きくすることが可能となるので、ダイアフラムの平面部との密着状態を良好に保つことができ、両者を安定して接合することができる。

本発明によれば、電池内圧の上昇により、ダイアフラムの反転で発電要素とダイアフラムとの導電経路が遮断されるので、電池異常時の安全性を確保することができると共に、ダイアフラム側に隆起した薄肉平面部の平面を安定確保できダイアフラムの平面部との接合のバラツキを無くすことができるので、通常時に大電流充放電を安定して確保することができ、更に、導電部材は薄肉平面部と接続部とが一体に形成されているので、部材数が少なく低コストの密閉型電池を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明を密閉円筒型リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態ついて説明する。なお、本実施形態において、図５に示した部材と同一部材には、同一の符号を付してその説明を省略し、異なる箇所のみ説明する。

図１に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０（以下、電池３０と略称する。）は、電極群１１を備えている。電極群１１は、負極端子を兼ねる有底円筒状の電池缶１０内の中央に収容されており、正極及び負極が、ポリエチレン製微多孔性セパレータを介して、樹脂製軸芯の周りに捲回されている。

正極は、例えば、スピネル構造や層状岩塩型構造を有するＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４のリチウムサイト又はマンガンサイトを他の金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン遷移金属複合酸化物の粉末、導電材の炭素材料、結着剤のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及び粘度調整溶媒としてｎ−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た正極活物質合剤を、アルミニウム箔の両表面に均一に塗布、プレス、乾燥、所定寸法に裁断して得られたものである。なお、アルミニウム箔の長手方向一側には所定間隔で矩形状の切り欠きが形成されており、切り欠き残部が集電用の正極タブとされている。

一方、負極は、例えば、黒鉛又は炭素、結着剤のＰＶＤＦ及び粘度調整溶媒としてｎ−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た負極活物質合剤を圧延銅箔の両表面に均一に塗布、プレス、乾燥、所定寸法に裁断して得られたものである。なお、圧延銅箔の長手方向一側には所定間隔で矩形状の切り欠きが形成されており、切り欠き残部が集電用の負極タブとされている。

正極タブ及び負極タブは電極群１１の互いに反対側の両端面に位置するように配置されている。軸芯の下端には集電用の負極集電リングが固定されており、負極集電リングの周縁部には負極タブが超音波溶接されている。負極集電リングは、電池缶１０に抵抗溶接されている。軸芯の上端には集電用の正極集電リング１４の縮径部が挿入・固定されており、正極集電リング１４の周縁部には正極タブが超音波溶接されている。正極集電リング１４には、大電流を許容するために、複数枚のアルミニウム製リボンを重ね合わせて構成した正極リード板１６の一端が溶接されている。正極リード板１６の他端は、上蓋２１の底面に溶接されている。

図２に示すように、本実施形態の上蓋２１は、図５に示した上蓋２０と比較して、接続板６及びスプリッタ４に代えて、これらを一体としたスプリッタ１８を有しており、スペーサ５を欠く点で異なっている。また、スプリッタ１８は、スプリッタ４のように中央部に穴を形成したものではなく、図３（Ａ）に示すように、スプリッタの中央部をプレスで押し潰して、図３（Ｂ）に示すように、ダイアフラム２側に平面状に隆起した薄肉平面部としての薄肉部ＬＷを形成したものである。この薄肉部ＬＷの厚さは、ダイアフラム２の底部中央の平面部の厚さより薄く設定されている。

一般に、金属は強度のプレス加工をしても体積は減少しないので、プレス加工をした部分の肉をどこかに逃がさねばならない。本実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、薄肉部ＬＷのダイアフラム２とは反対側の背面側から肉を盛り上げるように形成することで、ダイアフラム２側に厚さＴ１だけ隆起した薄肉部ＬＷの周囲Ａ部に肉を逃がして、薄肉部ＬＷの平面部の面積を大きくしている。この肉逃がしによるダイアフラム２側に隆起した外径Ｄ１は、薄肉部ＬＷの背面側の外径Ｄ２より大きい。

図１に示すように、上蓋２１の周縁部と電池缶１０とは、ガスケット１３を介して、カシメ固定されており、電池３０内が密閉されている。電池３０内には、例えば、６フッ化リン酸リチウムや４フッ化ホウ酸リチウムをエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの混合有機溶媒に１モル／リットル程度の割合で溶解させた非水電解液が注液されており、電極群１１は非水電解液に浸潤されている。なお、正極リード板１６は湾曲状に折り曲げられて、他端が上蓋２１の底面を構成するスプリッタ１８の背面側（スプリッタ２の反対側）に溶接されている。

次に、本実施形態の電池３０の作用等について説明する。

本実施形態の電池３０では、スプリッタ１８の形状を、（外形Ｄ１）＞（外形Ｄ２）とすることより、図３（Ｃ）に示すように、ダイアフラム２及びスプリッタ１８を治具２１、２２で拘束して、ダイアフラム２及びスプリッタ１８の中央の平面部同士を、例えば、摩擦攪拌接合ツール２３によって接合する際に、平面部同士の密着状態が良好に保たれ、安定した接合ができる。

図４（Ａ）に示すように、プレス加工では、一般に、肉をスプリッタ１９の背面側に逃がすことが多い。このようなプレス加工では、ダイアフラム２側に隆起した外径Ｄ１は、薄肉部ＬＷの背面側の外径Ｄ２と同程度か、やや小さくなるのが普通である（Ｄ１≦Ｄ２）。図４（Ａ）では、肉を薄肉部ＬＷの背面側の周囲Ｂ部に逃がしているわけであるが、実際のプレス加工では、薄肉部ＬＷのダイアフラム２側をわずかながらも隆起させ、ダイアフラム２側の平面性状にバラツキを生じさせる。このような一般的プレス加工によると、図４（Ｂ）に示すように、摩擦攪拌接合時にダイアフラム２及びスプリッタ１９を治具２１と２２で拘束するときに、中央の薄肉部ＬＷが撓んで平面性状を確保できず、ダイアフラム２との間に隙間を生じさせやすい。このためにダイアフラム２とスプリッタ１９との接合が不充分となりバラツキが生じ、防爆機構として安定な作動圧力が得られない、という不具合を生ずる。

上述したように、本実施形態の電池３０では、薄肉部ＬＷの肉をＡ部（図３（Ｂ）参照）に逃がし、（外径Ｄ１）＞（外径Ｄ２）としたので、ダイアフラム２側に平面状に隆起した薄肉部ＬＷの面積を広く、かつ、ダイアフラム２の底部中央の平面部との密着状態（平面性状）を良好に保つことができる。従って、本実施形態の電池３０では、ダイアフラム２とスプリッタ１８との接合部７の接合にバラツキが生じないので、通常時に大電流充放電を安定して確保することができる。

また、本実施形態の電池３０は、ダイアフラム２と、スプリッタ１８との平面部同士は、摩擦攪拌接合によって接合されている。このため、塑性流動による結晶の微細化を生ずるので、接合部７の安定性が向上し、ダイアフラム２の作動圧が一定の防爆機構を得ることができる。更に、摩擦攪拌接合によりダイアフラム２とスプリッタ１８とを接合する場合には、従来の溶接に比べて低温で接合することができる。このため、摩擦攪拌接合時のダイアフラム２及びスプリッタ１８の変形を抑制することができるので、変形の少ない、換言すれば、作動圧のバラツキの少ない信頼性に優れた防爆機構を得ることができる。

更に、本実施形態の電池３０が過充電等の電池異常状態に陥った場合には、非水電解液が分解して電池缶１０内にガスが加速度的に発生する。このガスにより電池内圧は上昇するが、ダイアフラム２の形状・寸法・材質等で定まる所定圧（例えば、０．５〜２．５ＭＰａ）まで、ダイアフラム２はスプリッタ１８との接合を維持する（ダイアフラム２は、所定圧まで皿状の形状を維持する。）。電池内圧が所定圧を越えると、瞬時にダイアフラム２は反転し、スプリッタ１８との接合を切り離す。これにより、電極群１１からの導電経路は遮断される。このとき、スプリッタ１８の薄肉部ＬＷの厚さはダイアフラム２の底部中央の平面部の厚さより薄いため、先に薄肉部ＬＷが破断するので、ダイアフラム２に穴が開くことがない。

更に電池内圧が上昇すると、ダイアフラム２の開裂溝８が開裂し、電池３０内のガスは、スプリッタ１８に形成された貫通穴９、開裂溝８、上蓋キャップ１に形成された開口を経て外部に開放され、電池３０を安全に使用不能状態とすることができる。この場合に、ダイアフラム２の作動圧は大気圧より大きいので、一旦ダイアフラム２が反転すれば、大気圧でダイアフラム２は元の皿状の形状には戻らず、ダイアフラム２とスプリッタ１８とが再度電気的に接触することもない。

また、本実施形態の電池３０は、図５に示した接続板６とスプリッタ４とを一体としたスプリッタ１８を用い、スペーサ５を使用していない。従って、上蓋２１を少ない部品点数で構成することができると共に、接続板６とスプリッタ４との接合が不要なため、低コストの電池３０を得ることができる。

なお、本実施形態では、ダイアフラム２とスプリッタ１８との平面部同士の接合について、摩擦攪拌接合により形成した接合部７を例示したが、上述した作用効果は、摩擦攪拌接合に固有の要求ではなく、摩擦攪拌接合に代えて、ダイアフラム２とスプリッタ１８とを、例えば、レーザで接合して接合部７を形成する場合にも同様である。

また、本実施形態では、円筒型の電池３０を例示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、角型電池に適用するようにしてもよい。更に、本実施形態では、ダイアフラム２、スプリッタ１８の材質にアルミニウム合金を用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、アルミニウム、ニッケル合金、導電性プラスチックなどの他の導電性材質を使用するようにしてもよい。また、本実施形態では、上蓋キャップ１の開口を突起中央に形成した例を示したが、これに代えて、例えば、開口を突起立ち上がり部に複数個形成するようにしてもよい。更に、本実施形態では、電池異常時の例示として過充電を中心に説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、電池への集中荷重や突き刺し等の場合にも同様の作用効果を奏する。

次に、上述した実施形態に従って作成した電池３０の実施例について説明する。なお、比較のために作成した比較例の電池についても併記する。なお、実施例及び比較例の電池の容量は同一とした。

（実施例）
上蓋２１を用い、容量が６Ａｈの電池３０を作製した。ダイアフラム２には、厚さ０．６ｍｍのＡ３００３−Ｈ１４を用い、プレス加工によって皿状の形状とした。スプリッタ１８は、厚さ１ｍｍのＡ３００３−Ｈ１４で作った。また、スプリッタ１８の中央にプレス加工により厚さ０．５ｍｍの薄肉部ＬＷを形成した。このとき、薄肉部ＬＷの背面側の外径Ｄ２を４ｍｍとし、薄肉部ＬＷの肉は図１のＡ部に逃がし、ダイアフラム２側に隆起した外径Ｄ１を８ｍｍとした。上方への隆起した高さＴ１をおよそ０．２５ｍｍとした。

（比較例１）
図５に示した従来例の上蓋２０を用いて比較例１の電池を作製した。接続板６に厚さ０．５ｍｍのＡ３００３−Ｈ１４を用い、接続板６とスプリッタ４とをＹＡＧレーザにより接合した。なお、上蓋２０以外は、実施例と同一の構成とした。

（比較例２）
上蓋に、図４に示したスプリッタ１９を用いて比較例２の電池を作製した。ダイアフラム２側に隆起した外径Ｄ１を３．８ｍｍ、高さＴ１をおよそ０．２５ｍｍ、薄肉部ＬＷの背面側の外径Ｄ２を４ｍｍ、下方への盛り上がりの高さＴ２はおよそ０．３ｍｍであった。なお、上蓋以外は、実施例と同一の構成とした。

実施例及び比較例１、２の電池をそれぞれ１００個作り、過充電によって電池内圧が上昇したときに、ダイアフラム２が反転するときの圧力、すなわち、防爆機構としての作動圧の安定性を比較した。結果を下表１に示す。

実施例及び比較例１の電池には、実質的な差異は見られず、いずれも良好な作動が得られた。しかしながら、比較例２の電池の上蓋は作動圧のバラツキが大きく、動作が不安定であることが判明した。従って、実施例及び比較例１の電池に対し、比較例２の電池の防爆機構は信頼性が劣ることが確かめられた。また、コスト及び性能（安定性）の点を考慮すると、実施例の電池が比較例１の電池に勝ることも明らかとなった。

本発明は、低コストで、通常時の大電流放電を安定化させると共に、電池異常時の安全性を確保可能な密閉型電池に関するため、産業上利用可能なものである。

本発明が適用可能な実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。実施形態の電池の上蓋の断面図である。実施形態の電池の上蓋を構成するスプリッタの断面図であり、（Ａ）は薄肉部を形成する前のスプリッタの断面形状を示し、（Ｂ）は薄肉部を形成した後のスプリッタの断面形状を示し、（Ｃ）は治具を用いてスプリッタとダイアフラムとを接合するときの状態を示す。肉逃がしを背面側としたスプリッタの断面図であり、（Ａ）は比較例２の電池に使用されるスプリッタを示し、（Ｂ）は治具を用いてスプリッタとダイアフラムとを接合するときの状態を示す。従来技術による上蓋の断面図である。

符号の説明

２ダイアフラム
４スプリッタ（接続部）
６接続板（導電部材）
１１電極群（発電要素）
１８スプリッタ（接続部、導電部材）
２０、２１上蓋
３０密閉円筒型リチウムイオン二次電池（密閉型電池）

Claims

発電要素側に突形状を呈し、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイアフラムと、
中央に前記ダイアフラム側に隆起した薄肉平面部と、前記発電要素に接続され前記薄肉平面部の外縁を構成する接続部とを有する導電部材と、
を有し、前記ダイアフラムの平面部及び前記導電部材の薄肉平面部同士が接合された防爆機構を備えた密閉型電池であって、
前記導電部材は、前記ダイアフラム側の前記薄肉平面部の外径が前記薄肉平面部の背面側の外径より大きく、前記薄肉平面部と前記接続部とが一体に形成されたことを特徴とする密閉型電池。
前記ダイアフラム側へ隆起した薄肉平面部を、前記薄肉平面部の背面側の肉を盛り上げるように形成したことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池。