JP4686399B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は二次電池に係り，特に，内部で発生するガスを容易に放出することができるように安全弁の構造を改善した二次電池に関するものである。

一般的に，二次電池（Rechargeable battery）は充電不能な一次電池とは違って，充電及び放電が可能な電池であって，最近，高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力二次電池が開発されている。一つの電池セルがパック形態に包装された低容量電池は，携帯電話やノートパソコン及びビデオカメラのような携帯可能な小型電子機器に使用される。これに比べて，大電力を必要とする機器，例えば，電気自動車などのモーター駆動用電源の場合には，前記電池セルを数十個直列または並列に連結して大容量の二次電池を構成する。

二次電池は多様な形態に製造が可能であるが，代表的な形状としてはパウチ形，円筒形，角形が挙げられる。パウチ形の二次電池は，その形状が比較的に自由であり，重量が軽いため，最近では，薄形化，軽量化する携帯用電子機器用として多く使用されている。

ここで，円筒形，角形の二次電池の場合，電池のケースは比較的厚い金属材で成形される。パウチ形の二次電池の場合，円形や角形の二次電池とは異なり，電池のケースは，薄膜の金属フィルムとその両面に絶縁性フィルムが付着されることによって自由に撓むことが可能な構造とされる。パウチ形のケースの内部には，電極群が収容可能な空間部が形成されており，ケース内の空間部の周縁に沿って熱融着する密閉面が提供される。

しかしながら，二次電池は，過充電により内部の電圧が上昇すると，ガスが発生して，膨張及び爆発の虞がある。特に，リチウムイオン電池は，過充電によって液体電解質が分解されながら二酸化炭素や一酸化炭素などのガスを放出し，そのために電池の内部圧力を上昇させるという問題がある。また，過放電や過充電などによって過電流が流れると，電池内部の温度が上昇して液体電解質が分解され，そのために電池内部の圧力及び温度が上昇し，電池が発火する場合がある。

更に，このような二次電池は，充電時の温度条件と使用時の温度条件を守らなければならないが，使用環境が適切でない場合，つまり，充放電時の温度が過度に高かったり，電池が使用される機器の作動温度が過度に高いと，このような外部の温度条件が電池の温度を増大させるため，発火が生じ易くなる虞がある。

従って，実際にこのような二次電池の製造を行う際には，安全性の問題を考慮して，完成された電池を流通させる前に過充電及び強制放電などの安全性試験だけでなく，高温保存（high temperature storage）試験，熱衝撃（thermal shock）試験，熱暴走（thermal exposure）試験などの多様な安全性試験を行う。このような安全性試験は，電池を多様な温度条件で数十分乃至数十時間放置することであるが，この時，電池の爆発，発火があってはならず，極限の場合には電池の密封が解除されて爆発及び発火を防止しなければならない。

このような二次電池の安全問題を解決しようとする試みは今まで非常に多様に進められてきている。特に，電池ケースに安全弁を設置して内部のガスを除去する技術が多く開発されている。そのために，角形または円筒形の缶を電池ケースに使用する缶型二次電池は，キャッププレートや缶自体に多様な構造の安全弁を設置して，電池内部の温度や圧力が上昇した場合にも電池が破裂しないようにしている。しかし，パウチ形二次電池の場合には，電池ケース自体が柔軟性素材からなっているため，缶型電池のような安全弁をケースに設置するのは困難である。

そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，安全弁の構造を改善することにより，安全弁の設置が容易であり且つ製造が簡単な二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，正極と負極がセパレータを間に介在して構成される電極群と，前記電極群が収納される空間部を有し，前記電極群を収納した状態で密封されるケースと，前記電極群に接続された状態で，前記ケースが密封された部位に配置されるリードエレメントと，前記ケースと前記リードエレメントとの間に配置されて，前記ケースと前記リードエレメントに密着するシラントと，前記ケースと前記シラントとが密着する領域において，当該領域内の他の領域よりも小さい破断強度を有する破断部と，を備えることを特徴とする，二次電池の構造が提供される。

前記ケースはパウチ型の形状であってもよい。前記シラントは，リードエレメントに設置されることができ，前記シラントの少なくとも一つの部分が他の部分よりも厚さの薄くなるように形成されることができる。

前記破断部は，前記リードエレメントの長手方向に沿って前記シラントに形成された少なくとも１つの溝から構成されていてもよい。

前記溝が切欠形態のものであってもよい。溝の形態は特に限定されるものではない。

前記溝は，前記シラントの中央に向かって互いに対向する方向に２つ以上形成されたものであってもよい。

前記破断部は，前記ケースと前記シラントとが密着する領域の幅が，当該領域内の他の領域よりも狭くなるように構成された少なくとも１つの部位から構成されたものであってもよい。

前記ケースと前記シラントとが密着する領域に少なくとも一つの未接触領域を含み，当該未接触領域により，前記ケースと前記シラントとが密着する部位の幅が，当該領域内の他の領域よりも狭くなるように構成されたものであってもよい。

前記シラントと前記ケースとが密着する領域の幅が，前記シラントの中央に向かうほど狭くなるように構成されたものであってもよい。この場合に，前記未接触領域は，ケースの内側面または外側面と接する位置からシラントの中央部に行くほどその面積が大きくなるように形成されることができる。前記未接触領域は、ケースの内側面と外側面に接する位置に対向形成されることができる。

前記未接触領域が円弧形態を成すものであってもよい。

前記未接触領域は，前記シラントの中央に向かうほど尖端形状を成すものであってもよい。

前記二次電池は，モーターを駆動するために用いられるものであってもよい。

本発明による二次電池によれば，破断部により内部ガスを適切に放出することができるため，二次電池の内部圧力上昇，電池の破裂及び発火を確実に抑止することが可能となり，二次電池の安全性及び信頼性を確保することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。なお，本発明は色々な相違した形態に実現でき，ここで説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は，本発明の一実施形態によるパウチ形状の二次電池１０を示した斜視図である。図面によれば，本実施形態によるパウチ形二次電池１０は，正極２２と負極２３との間にセパレータ２４を介在してゼリーロール形態に巻取った電極群２０と，この電極群２０が収納されるケース３０とを含む。

図面において，電極群２０は，正極２２と負極２３との間にセパレータ２４を介在して巻取られたゼリーロール形態とされているが，電極群２０の構成は必ずしもこれに限定されるわけではない。例えば，電極群２０は，正極２２と負極２３がセパレータ２４を介在して積層された構造であっても良い。これは，以下で説明する全ての実施形態で同一に適用される。

また，電極群２０を成す正極２２と負極２３には，リードエレメント２５，２６が電気的にそれぞれ接続される。リードエレメント２５，２６は，ケース３０の外側に引き出されるように充分な長さで形成され，ケース３０と接触する部位にはシラント２７が密着した構造を有する。

シラント２７は，ケース３０と各リードエレメント２５，２６との間の短絡を防止し，気密を維持するために使用されるものであって，絶縁性樹脂材から構成することができる。本実施形態によれば，シラント２７は安全弁としての機能を遂行することができ，これについては後述する。

このような電極群２０は，内部に空間部３３を備えたケース３０に収納されるが，ケース３０は図１に示されているように，空間部３３を備えるように凹みが形成されたケース本体３１と，ケース本体３１を覆って空間部３３を密封するカバー３２とを含む。カバー３２は，その一端がケース本体３１から延びて形成され，ケース本体３１にはカバー３２との接合のためのフランジが空間部３３の周辺で形成されるが，このフランジにカバー３２が接合して密封部３４を形成するようになる。

ケース３０の形状は必ずしも上記説明の構成に限定されるものではなく，図面には示していないが，一面が開口されたポケット形状のパウチケースに電極群を収納し，その開口部を密封する方式にも適用できる。以下の説明では，図１のようにケース本体３１とカバー３２を備えたケース３０を中心に説明する。

また，ケース３０は，金属材と樹脂材を含む薄板から構成することができる。アルミニウムのような金属薄板を用いた場合，内側の面にはポリマー樹脂である変成ポリプロピレンなどが熱接着層を成し，外側の面にはナイロンやポリエチレンテレフタレートのような外装用樹脂材が熱接着層を介してプレスされた複合材により，ケース３０を構成することができる。従って，ケース３０は，ケース本体３１とカバー３２の熱接着層が互いに接触するようにした状態で，熱圧着によって密封されることができる。

ケース３０に電極群２０を内蔵し，ケース本体３１にカバー３２を対向させて熱接合させると，ケース本体３１のフランジに沿って密封部３４が形成されながらケース３０が密封する。密封部３４の外側に，電極群２０の正極２２と負極２３に連結される二つのリードエレメント２５，２６が引き出される。そして，各リードエレメント２５，２６に接触したシラント２７が密封部３４の一部と接触するように位置する。シラント２７は，ケース３０の密封部３４と接合しながら，リードエレメント２５，２６とケース３０との間の気密を維持させる。

この時，シラント２７は，図２に示されているように，リードエレメント２５，２６の長手方向に沿ってシラント２７の両端部が密封部３４の外側に露出するように備えられることができる。また，図面に示してはいないが，シラント２７が密封部３４を外れないように，つまり，その長さが密封部３４の幅より小さくなるように備えられることもできる。

一方，本実施形態によるシラント２７は，密封部３４を成すケース３０との接触面Ａにおいて，少なくとも一つの部位で他の部位より小さい破断強度を有する領域を含むことができる。破断強度の小さい領域は，二次電池１０の内圧が上昇した場合に最も先に破裂して，電池の安全性を確保する安全弁として作用することができる。

破断強度の小さい領域はシラント２７の厚さ，またはシラント２７がケース３０に接着される面積を小さくなるように調節して形成することができる。例えば，本発明の一実施形態では，シラント２７は，密封部３４を成すケース３０との接触面Ａにおいて，シラント２７の中央部に向かう少なくとも一つ以上の溝が形成されることによって構成される。

シラント２７に形成された溝の部分では，ケース３０と接触する幅が減少するため，この部分で破断強度が低くなる。二次電池１０の内部の圧力が増加する場合は，この部分が破損しながら，ケース３０の内部ガスが放出される。ここで，シラント２７が破損する際の圧力は，溝の形成深さによって相違させることができるが，溝の形成深さについては特に限定されるものではない。

シラント２７は，ケース３０の内側に位置する端面と外側に位置する端面の双方から，中央に向かって対向する方向に形成された同一形状の二つの溝を含むことができる。この溝の形態についても，特に限定されるものではないが，図２に示されているように，切欠２８の形態で溝を形成することができる。このような構成によれば，リードエレメント２５，２６の長手方向に沿った図２の紙面垂直方向のシラント２７の断面積は，切欠２８の位置で急激に変化（減少）することになる。すなわち，リードエレメント２５，２６の幅方向に沿って，切欠２８の部分で急激にシラント２７の幅が減少することになる。

本実施形態において，切欠２８は，内側先端が尖った形状となるように，“Ｖ”字形状に形成されることができる。そのために，図２に示されているように，シラント２７とケース３０の密封部３４との接触面Ａでリードエレメント２５，２６の長手方向に沿って切欠２８が形成された面では，その接触面の幅が，切欠２８の形成された分だけ減るようになる。また，溝の形態は，図３に示されているように円弧２８’の形態に形成することができる。

この状態で，二次電池１０の過充放電または高温使用により電池内部でガスが発生すると，二次電池１０の内圧が上昇してケース３０が外側に膨張するようになる。この時，シラント２７の切欠２８の形成部分には，電池内圧上昇による応力が集中的に加わって，切欠２８の部分で破裂が発生する。

従って，電池内部のガスは破裂した切欠２８の部分を通って外部へ排出されて，電池の発火や破裂を抑止することができるようになる。

一方，図４は，本発明の他の実施形態による二次電池１０を概略的に示した平面図である。図４に示す二次電池１０は，図１に示す二次電池１０と同様に，正極２２と負極２３との間にセパレータ２４を介在して巻き取った電極群２０と，電極群２０の正極２２，負極２３に電気的に接続されるリードエレメント２５，２６と，電極群２０が収納されるように内部に空間部３３を備えている。また，二次電池１０は，電極群２０に連結されたリードエレメント２５，２６が外側に露出するように密封されるケース３０，リードエレメント２５，２６に設置され，ケース３０に密着してケース３０とリードエレメント２５，２６との間を密封するシラント２９を含む。シラント２９は，ケース３０との接触面Ａに少なくとも一つの未接触領域を含むことができる。図４に示されているように，ケース３０の内側の面と外側の面に接するように未接触領域Ｎが備えられることができる。未接触領域Ｎは，接触面Ａ内において，シラント２９とケース３０が接触（接着）していない領域である。

このように，図４の構成では，シラント２９とこれに密着するケース３０の密封部３４との間の接触面Ａには未接触領域Ｎが備えられている。そして，未接触領域Ｎは，ケース３０の内側でシラント２９の中央部に向かって，切欠形態（尖端形状）に形成されることができる。

切欠形態の未接触領域Ｎは，シラント２９の外側から内側先端に向かうほど，先の尖った“Ｖ”字形態に形成されるのが好ましい。また，図４に示されているように，未接触領域Ｎは，ケース３０を基準にケース３０の内側と外側から接触面Ａの中央に向かって同一な大きさで対向形成されることができる。

そのために，未接触領域Ｎでは，シラント２９の他の領域と異なって，ケース３０の密封部３４との接触幅が小さくなる。従って，二次電池１０の内圧発生時に未接触領域Ｎの近辺で応力集中現象が発生して，他の領域よりも先に破裂が生じることができる。ここで，破裂が生じる際の圧力は，シラント２９に形成される未接触領域Ｎの広さ（面積）により相違させることができ，未接触領域Ｎの広さについては特に限定されるものではない。

シラント２９とケース３０の密封部３４との接触面Ａおいて，切欠形態の未接触領域Ｎを形成するためには多様な方法を適用することができる。例えば，ケース３０の密封部３４とシラント２９を加圧して熱付着させるためのプレスの加圧面に，未接触領域Ｎに対応する切欠形態の溝を形成しておく。そして，このプレス用いてシラント２９とケース３０との接触面を加圧すれば，プレスに形成された溝の部分ではシラント２９とケース３０との間の密着が行われないため，シラント２９とケース３０が接着されず，未接触領域Ｎを形成することができる。もちろん，このような構造以外にも未接触領域Ｎを形成するためには多様な構造を適用することができ，これら全てが本発明の範疇に属するものである。

本実施形態によれば，リードエレメント２５，２６に設置されたシラント２７，２９の構造を改善することができるため，シラント２７，２９を安全弁のように作動させることが可能となり，過圧状態で電池内部ガスを容易に排出することができる。

ここで，二次電池１０は，小型家電製品以外にもＨＥＶ（ハイブリッドエレメント電気自動車），ＥＶ（電気自動車），無線掃除機，電動自転車，電動スクーターなどのようにモーターを使って作動する機器において，当該機器のモーターを駆動するためのエネルギー源として用いることができる。

図１乃至図４に示された電池は，直列または並列に連結されて電池モジュールを形成することができる。図５は，本発明の一実施形態による二次電池１０を含む電池モジュール１が，モーター５０の駆動用に使用される例を示す概略的なブロック図である。

以上，本発明の好ましい実施形態について説明したが，本発明はこれに限定されるものではなく，特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり，このような変形もまた本発明の範囲に属するのは当然である。

本発明の一実施形態による二次電池を示した斜視図である。 本発明の一実施形態による二次電池の組み立てられた状態を概略的に示した平面図である。 シラントに円弧の形態の溝を形成した例を示す平面図である。 本発明の他の実施形態による二次電池を概略的に示した平面図である。 本発明の一実施形態による二次電池を含むモジュールが，モーター駆動用に使用される例を示す概略的なブロック図である。

符号の説明

１０ 二次電池
２０ 電極群
２２ 正極
２３ 負極
２４ セパレータ
２５，２６ リードエレメント
２７，２９ シラント
２８ 切欠
３０ ケース
３１ ケース本体
３２ カバー
３３ 空間部
３４ 密封部

Claims (10)

1. 正極と負極がセパレータを間に介在して構成される電極群と；
   前記電極群が収納される空間部を有し，前記電極群を収納した状態で密封されるパウチ型の形状のケースと；
   前記電極群に接続された状態で，前記ケースが密封された部位に配置されるリードエレメントと；
   前記ケースと前記リードエレメントとの間に配置されて，前記ケースと前記リードエレメントに密着するシラントと；
   前記シラント又は前記ケースに設けられ、前記ケースと前記シラントとが密着する領域において，前記シラントと前記ケースとの接触幅が減少することで当該領域内の前記リードエレメントの長手方向と直交する方向の他の領域よりも小さい破断強度を有する破断部と；
   を備えることを特徴とする，二次電池。
2. 前記破断部は，前記リードエレメントの長手方向に沿って前記シラントに形成された少なくとも１つの溝から構成されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
3. 前記溝が切欠形態のものであることを特徴とする，請求項２に記載の二次電池。
4. 前記溝は，前記シラントの中央に向かって互いに対向する方向に２つ以上形成されたことを特徴とする，請求項２〜３のいずれかに記載の二次電池。
5. 前記破断部は，前記ケースと前記シラントとが密着する領域の幅が，当該領域内の他の領域よりも狭くなるように構成された少なくとも１つの部位から構成されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
6. 前記ケースと前記シラントとが密着する領域に少なくとも一つの未接触領域を含み，当該未接触領域により，前記ケースと前記シラントとが密着する部位の幅が，当該領域内の他の領域よりも狭くなるように構成されたことを特徴とする，請求項５に記載の二次電池。
7. 前記シラントと前記ケースとが密着する領域の幅が，前記ケースの内側面または外側面から前記シラントの中央に向かうほど狭くなるように構成されたことを特徴とする，請求項５又は６に記載の二次電池。
8. 前記未接触領域が円弧形態を成すことを特徴とする，請求項６に記載の二次電池。
9. 前記未接触領域は，前記シラントの中央に向かうほど尖端形状を成すことを特徴とする，請求項６に記載の二次電池。
10. モーターを駆動するために用いられることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の二次電池。

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