JP4624004B2

JP4624004B2 - 電池

Info

Publication number: JP4624004B2
Application number: JP2004162202A
Authority: JP
Inventors: 守彦奥田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: JP2005346966A

Description

本発明は、正極及び負極を含む発電要素を収容したケースの開口部を、ケース内圧が所定値を超えた場合に破断する安全弁を有する蓋板で密封した電池に関する。

近年、携帯可能な電子機器の高性能化、小型軽量化が進んでおり、これら電子機器に使用する高エネルギー密度の電池として、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池の利用が拡大している。図１は、リチウムイオン電池（以下、電池という）の例を示す斜視図である。電池は、例えば、セパレータを介して正極板及び負極板が巻回された発電要素と電解液とを、長方形状の底及び側壁を有するケース１２に収納し、負極端子１６を備える長方形状の蓋板１４によってケース１２の開口部を密封している。

リチウムイオン電池は、仕様を超えて過充電されたり、仕様を超えて加熱された場合、ガスが生じることがあり、生じたガスを電池外へ放出するための安全弁１８が蓋板１４に設けられている。例えば、一枚の金属基板から薄肉で溝付きの安全弁をプレス加工で形成した蓋板が提案されている（特許文献１参照）。

図８（ａ）は従来の電池の蓋板１４の安全弁１８部分の拡大斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＣ−Ｃ線切断断面図である。安全弁１８は、蓋板１４の一部分を薄肉化することによって形成され、その外縁部分には安全弁作動用の誘発溝１８ａが形成されている。ガスの発生によりケース１２内圧が上昇し、所定値（作動圧）を超えた場合、誘発溝１８ａを起点として安全弁１８が破断し、ガスはケース１２外部へ放出される。
特開２００１−３２５９３４号公報

安全弁１８の作動圧は、安全弁１８の厚さによって増減し、薄くするほど作動圧は低下する。しかし、安全弁１８を薄くした場合、例えば電池落下時などの衝撃によって安全弁１８が破断するなど、信頼性が低下するおそれがある。そのため、安全弁１８はある程度の厚さをもたせてあり、作動圧も高めになっている。よって、ガスが発生した場合であってもすぐに安全弁１８が破断せず、電池が膨れる場合がある。図５は膨れた電池の例を示す斜視図であり、図９は従来の膨れた電池の蓋板１４の安全弁１８部分の拡大斜視図である。内部で発生したガスによってケース１２の幅広の側面が膨れており、他の側面及び蓋板１４は中央部がへこんだ弓状となっている。

このように電池が膨れた場合は、すぐに安全弁１８が作動することが好ましい。しかし、上述したように衝撃などによって安全弁１８が誤作動する可能性があるため、安全弁１８を薄くして作動圧を下げることはできずにいる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、蓋板の平面に外縁から安全弁へ向けて溝を形成することにより、電池が膨れた場合の安全弁の作動圧を低下させて安全性を向上させることができる電池を提供することを目的とする。

また、本発明は、長方形状の蓋板の長辺に対して４５度以上、１３５度以下の方向に溝を形成することにより、電池が膨れた場合に溝部を起点に蓋板を変形させて、安全弁の作動圧を低下させることができる電池を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、前記溝の深さを蓋板の厚さの１／５以上、１／２以下にすることにより、落下時の安全弁の誤作動などを防止して信頼性を高めると共に、電池が膨れた場合の安全弁の作動圧を低下させることができる電池を提供することを他の目的とする。

第１発明に係る電池は、正極及び負極を含む発電要素を収容したケースの開口部を、略長円状をなし、ケース内圧が所定値を超えた場合に破断し、他部より薄肉の安全弁を有する蓋板で密封した電池において、前記蓋板は長方形状であり、該蓋板の平面に、該蓋板の外縁の長辺から安全弁へ向けて、前記長辺に対して４５度以上、１３５度以下の方向に溝が形成されていることを特徴とする。

第２発明に係る電池は、第１発明において、前記溝の深さは、前記蓋板の厚さの１／５以上、１／２以下であることを特徴とする。

本発明においては、蓋板の平面に外縁から安全弁へ向けて溝を形成しているため、電池が膨れて蓋板が弓状に変形した際、溝部を起点に変形が生じ易くなる。また、溝を形成した部分は、溝を形成していない部分よりも強度が低く、溝周辺で従来よりも大きな変形が生じる。蓋板の変形量が増えた場合、蓋板の変形によって安全弁に加わる応力も増加し、安全弁が破断し易くなる。そのため、電池が膨れた場合の安全弁の作動圧が低下し、電池の安全性が向上する。

本発明においては、長方形状の蓋板の長辺に対して４５度以上、１３５度以下の方向に溝を形成している。溝を形成する角度が９０度に近いほど、蓋板は溝部を起点に変形し易くなり、前記角度が０度に近いほど、溝部を起点に変形し難くなる。前記角度が０度〜４５度の間、又は、１３５度〜１８０度の間の場合、蓋板が溝部を起点に変形し難くなり、電池が膨れた場合の作動圧が低下し難く、安全弁が作動し難いため、好ましくない。前記角度を４５度以上、１３５度以下にした場合、電池が膨れた場合に溝部を起点に蓋板を変形させて、安全弁の作動圧を低下させることができる。

本発明においては、溝の深さを蓋板の厚さの１／５以上、１／２以下にしている。溝の深さが小さいほど、蓋板は溝部を起点に変形し難くなり、溝の深さが大きいほど、溝部を起点に変形し易くなる。溝の深さが蓋板の厚さの１／５未満の場合は、蓋板が溝部を起点に変形し難くなり、電池が膨れた場合の作動圧が低下し難く、安全弁が作動し難いため、好ましくない。また、溝の深さが蓋板の厚さの１／２よりも大きい場合は、蓋板が溝部を起点に変形し易くなるが、電池が落下した場合の衝撃で安全弁が作動するなど、信頼性が低下する可能性があるため、好ましくない。溝の深さを蓋板の厚さの１／５以上、１／２以下にした場合、電池落下時の安全弁の誤作動などを防止して信頼性を高めると共に、電池が膨れた場合の安全弁の作動圧を低下させることができる。

本発明によれば、電池が膨れた場合の安全弁の作動圧を低下させて、電池の安全性を向上させることができる。

本発明によれば、電池が膨れた場合に溝部を起点に蓋板を変形させて、安全弁の作動圧を低下させることができる。

本発明によれば、落下時の安全弁の誤作動などを防止して信頼性を高めると共に、電池が膨れた場合の安全弁の作動圧を低下させることができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明に係る電池の斜視図である。電池は、セパレータを介して負極板及び正極板が巻回された発電要素と電解液とをアルミ製のケース１２に収容したものである。ケース１２は、長方形状の底及び側壁を有し、開口部には安全弁１８及び負極端子１６を備える長方形状のアルミ製の蓋板１４がレーザー溶接によって溶着されている。

正極板は、正極ペーストを、例えば厚さ１５μｍのアルミ箔集電体に均一に塗布して、乾燥させた後、ロールプレスで圧縮成形することにより作製する。前記正極ペーストは、正極活物質としてのリチウムコバルト複合酸化物ＬｉＣｏＯ₂と、導電助剤としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを質量比で９５：２：３となるように混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを適量加えて撹拌して得る。正極板は正極リードを介してケース１２内面又は蓋板１４内面に接続されている。

また、負極板は、負極ペーストを、例えば厚さ１０μｍの銅箔集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして作製する。前記負極ペーストは、グラファイト（黒鉛）と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを質量比で９０：１０とした負極合剤に、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを適量加えて得る。負極板は負極リードを介して負極端子１６に接続されている。なお、負極端子１６は蓋板１４と絶縁されている。

セパレータには、ポリエチレン製微多孔膜を用いた。電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネートとの体積比が３：５：２の混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌ溶解させたものを用いる。また、ケース１２のサイズは、例えば縦幅４０ｍｍ、横幅３０ｍｍ、厚さ５ｍｍである。

図２は蓋板１４の安全弁１８部分の例を示す拡大斜視図である。また、図３（ａ）は蓋板１４の安全弁１８部分の例を示す側面図であり、図３（ｂ）は蓋板１４の安全弁１８部分の例を示す表面図であり、図４（ａ）は図３（ｂ）のＡ−Ａ線切断断面図であり、図４（ｂ）は図３（ｂ）のＢ−Ｂ線切断断面図である。安全弁１８は、両短辺が半円状の長方形状をしており、蓋板１４の一部を薄肉化して形成され、その外縁部分に安全弁作動用の誘発溝１８ａが形成されている。

蓋板１４の裏面には、蓋板１４の長辺から安全弁１８外周の直線部分の中央に向けて、長辺とほぼ直角方向に、断面が台形状の溝２０が形成されている。溝２０の深さｄは、蓋板の厚さｔの１／５〜１／２倍である。なお、安全弁１８は、蓋板１４の厚さにおいてほぼ中央又は中央よりも下寄りに形成されているが、溝２０よりも上方に形成されているため、通常は、溝２０を形成したことにより、安全弁１８が影響を受けることはない。例えば蓋板１４の厚さは１．０ｍｍ、溝２０の深さは０．２ｍｍ、安全弁１８の厚さは３０μｍｍである。

図５はガスの発生によって膨れた電池の例を示す斜視図であり、図６（ａ）は膨れた電池の蓋板１４の安全弁１８部分の拡大斜視図である。ガスの発生によってケース１２の幅広の側面が膨れており、他の側面及び蓋板１４は中央部がへこんだ弓状となっている。弓状になった場合、図６（ａ）に示すように、蓋板１４は溝２０部分を起点として電池内方向へくの字型（谷折れ状）に変形した状態になる。また、電池の内圧が上昇した場合、安全弁１８は電池外方向に押し上げられる。安全弁１８が電池外方向に押し上げられた状態で、蓋板１８が溝２０部分を起点として電池内方向へくの字型（谷折れ状）に変形し、安全弁１８外縁に応力が発生することにより、作動圧が低下する。

図６（ｂ）は電池の膨れによって変形した蓋板の概念図である。図６（ｂ）において、実線で示す１４ａは溝２０が形成された本発明の蓋板、破線で示す１９ａは前記本発明の蓋板１４ａの安全弁の外縁部を表し、１点鎖線で示す１４ｂは溝が形成されていない従来の蓋板、２点鎖線で示す１９ｂは前記従来の蓋板１４ｂの安全弁の外縁部を表す。図６（ｂ）に示すように、電池が膨れた場合、本発明の溝２０を有する蓋板１４ａは従来の蓋板１４ｂよりも下方向（電池内部方向）への変形量が大きく、安全弁の外縁部１９ａについても従来（１９ｂ）よりも下方向への変形量が大きい。そのため、安全弁１８に加わる下方向への応力は、従来（溝なし）よりも大きくなり、安全弁１８が破断し易くなる。特に、くの字型（谷折れ状）に変形する起点となる溝２０周辺部分が破断し易くなる。

例えば図２に示した溝２０付きの本発明の蓋板単体の作動圧は２．５ＭＰａであり、図８（ａ）に示した溝なしの従来の蓋板単体での作動圧は２．５ＭＰａであり、蓋板単体での作動圧は同様である。しかし、図５に示すように電池が膨れた場合において、図６（ａ）に示した溝２０付きの本発明の蓋板での作動圧は１．３ＭＰａであり、図９に示した溝なしの従来の蓋板での作動圧は２．０ＭＰａであり、本発明の方が作動圧が大きく低下しており、本発明の方が電池が膨れた場合に破断し易くなっている。なお、溝２０の深さｄがｔ／５未満の場合は、蓋板１４が溝２０部分を起点に変形し難くなり、本発明の効果が充分に得られない可能性があるので好ましくない。また、溝２０の深さｄがｔ／２より大きい場合は、蓋板１４が溝２０部分を起点に変形し易くなり、例えば電池が落下した衝撃などによって蓋板１４が溝２０部分を起点に変形する可能性があるので好ましくない。

上述した実施の形態においては、安全弁１８外周の直線部分の中央から蓋板１４の長辺に溝２０を形成したが、図３（ｂ）に示す安全弁１８外周の直線部分領域Ｈ内の任意位置から蓋１４の長辺に溝２０を形成することが可能である。また、溝２０の断面形状は、台形状に限定はされず、三角形状、四角形状、半円状など、任意の断面形状にすることが可能である。また、溝２０の長さ方向の形状は直線状に限定はされず、例えば曲線状など、任意の形状にすることが可能である。また、溝は１本に限定はされず、複数本形成することも可能である。

また、上述した実施の形態においては、蓋板１４の長辺に対してほぼ直角方向に溝２０を形成したが、直角方向に限定はされず、蓋板１４の長辺に対して４５度〜１３５度の方向に溝２０を形成することが可能である。図７（ａ）は蓋板１４の安全弁１８部分の他の例を示す側面図であり、図７（ｂ）は蓋板１４の安全弁１８部分の他の例を示す表面図である。図の例では、蓋板１４の長辺から角度θ＝４５度の方向に溝２０が形成されている。前記角度θは４５度〜１３５度の任意の角度にすることが可能である。なお、前記角度θを４５度未満又は１３５度より大きくすることも考えられるが、４５度未満又は１３５度より大きい場合は蓋板１４が溝２０部分を起点に変形し難くなり、本発明の効果が充分に得られない可能性があるので好ましくない。

上述した実施の形態においては、蓋板１４の２つの長辺の両方から安全弁１８に溝２０を形成したが、２つの長辺の何れか一方のみから安全弁１８に溝を形成することも可能である。また、上述した実施の形態においては、蓋板１４の裏面に溝２０を形成したが、表面に溝を形成すること、又は、裏面及び表面の両方に形成することも可能である。

電池の例を示す斜視図である。本発明に係る蓋板の安全弁部分の例を示す拡大斜視図である。（ａ）は本発明に係る蓋板の安全弁部分の例を示す側面図であり、（ｂ）は本発明に係る蓋板の安全弁部分の例を示す表面図である。（ａ）は図３（ｂ）のＡ−Ａ線切断断面図であり、（ｂ）は図３（ｂ）のＢ−Ｂ線切断断面図である。膨れた電池の例を示す斜視図である。（ａ）は膨れた電池の本発明に係る蓋板の安全弁部分の拡大斜視図であり、（ｂ）は電池の膨れによって変形した蓋板の概念図である。（ａ）は本発明に係る蓋板の安全弁部分の他の例を示す側面図であり、（ｂ）は本発明に係る蓋板の安全弁部分の他の例を示す表面図である。（ａ）は従来の電池の蓋板の安全弁部分の拡大斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線切断断面図である。従来の膨れた電池の蓋板の安全弁部分の拡大斜視図である。

符号の説明

１２ケース
１４蓋板
１６負極端子
１８安全弁
２０溝

Claims

正極及び負極を含む発電要素を収容したケースの開口部を、略長円状をなし、ケース内圧が所定値を超えた場合に破断し、他部より薄肉の安全弁を有する蓋板で密封した電池において、
前記蓋板は長方形状であり、該蓋板の平面に、該蓋板の外縁の長辺から安全弁へ向けて、前記長辺に対して４５度以上、１３５度以下の方向に溝が形成されていることを特徴とする電池。
前記溝の深さは、前記蓋板の厚さの１／５以上、１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の電池。