JP4718657B2 - 電流遮断装置を備えた密閉型電池 - Google Patents
電流遮断装置を備えた密閉型電池 Download PDFInfo
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- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流遮断装置を備えた密閉型電池に関し、特に電池内部の圧力あるいは温度の異常な上昇の際に電流を遮断して、電池および電池使用機器の保護を図る電流遮断装置を備えた密閉型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型の電子機器の電源として各種の電池が用いられており、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダ等の電源として、小型で大容量の密閉型電池であるリチウムイオン二次電池等の非水電解液二次電池が用いられている。
小型の電子機器の電源として用いられているリチウムイオン電池は、正極集電体および負極集電体にそれぞれ活物質を塗布して製造した正極電極および負極電極をセパレータを介在させて積層して巻回した電池要素を電池缶内に収納して密閉したものが用いられている。
【０００３】
これらの電池は、密閉型で容量が大きいという特徴を有しているが、その反面これらの電池の端子あるいは電池の出力回路を誤って短絡したり、あるいは充電時に過大な電流を通電すると、電池内部で異常な反応が進行し、電池の温度の異常な発熱、あるいは電池内圧の上昇による電池の破裂等が生じる可能性がある。
そこで、電池使用機器、あるいは充電装置においては、こうした問題点が生じないように各種の電池保護回路が設けられている。
しかしながら、電池利用機器の普及により、様々な状況で使用される結果、予想しがたいような問題が生じる可能性もあり、電池と外部回路の導電接続を遮断する各種の安全装置が提案されている。
【０００４】
例えば、電池要素を収容する電池容器の上端開口部に弁体と切断刃を有する電池蓋を取り付けて、圧力の増加によって切断刃によって弁体を切断して圧力の開放を行い、電池容器内の気体を放出して圧力を開放し、電池の破裂を防止する方法が提案されている。ところが、圧力の開放のみでは、電流を完全に遮断することはできないという問題点があり、また圧力の開放によって電解液等が周囲に飛散する等の問題点もあった。
【０００５】
また、温度上昇時にバイメタルを作動させて電流を遮断する安全装置も提案されているが、落下等の外部からの衝撃によってバイメタルの接点が異常動作する可能性もあり、また温度上昇によって危険な状態となった電池が、温度の低下によってバイメタルが復帰して導通が回復すると、危険な電池に充電するという安全上の問題が生じる可能性があった。
【０００６】
また、特開平１０−２０８７２６号公報には、過電流防止フューズとともに、周囲の圧力によって過電流防止フューズを切断する切断刃を有する圧力遮断手段を設けた電流遮断装置が提案されている。ところが、この電流遮断装置は電池の内圧によって作動させるためには、電池の密閉容器内に設けることが必要であった。携帯機器用の小型の角型電池では、厚みの薄いものが用いられており、電池内部に電池要素以外の部材を設けることは、電池容量を犠牲にするという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電流遮断装置を備えた密閉型電池において、電池内部の温度あるいは圧力の増大によって非回復的に電流を遮断し、電池内部の異常が生じた場合には、電池保護回路等に異常が生じた場合であっても、確実に電流遮断が可能な装置を提供することを課題とするものであり、特に薄型あるいは小型の密閉型電池のように内部に電流遮断装置を設けることが困難な電池にも適用可能な電流遮断装置を備えた密閉型電池を提供することを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電流遮断装置を備えた密閉型電池において、熱で変形する平板状の熱応動層上に、変形によって容易に破壊される易破壊性層を有し、易破壊性層上には導電性層が形成され、導電性層には密閉型電池の入出力電流の接続手段が設けられた電流遮断装置を電池缶の壁面に設けた密閉型電池によって解決することができる。
また、前記熱で変形するバイメタル、形状記憶合金、形状記憶プラスチックスのいずれかによって形成されている電流遮断装置を備えた密閉型電池である。
易破壊性層は脆性のある物質で形成した前記の密閉型電池である。
導電性層が良導電性の金属箔、導電性物質の塗布層、あるいは導電性金属のめっき層によって形成した前記の密閉型電池である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の電流遮断装置を備えた密閉型電池は、加熱によって変形する部材からなる熱応動層上に脆性を有する絶縁性の易破壊性の薄膜上に導電性膜を設けたものからなり、圧力の増加あるいは加熱によって変形して易破壊性膜が破壊され、絶縁性薄膜上に形成した導電性膜が破断して電流が遮断され、電池および電池利用回路の保護を図るものである。
【００１０】
以下に、本発明を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例の電流遮断装置を備えた密閉型電池を説明する図である。
図１（Ａ）は、角型状の電流遮断装置を備えた密閉型電池を説明する斜視図であり、図１（Ｂ）は、電流遮断装置部分を説明する図であり、図１（Ｃ）は、電流遮断装置が動作して電流を遮断した状態を説明する図である。
角型密閉型電池１は、電流遮断装置２を有しており、電流遮断装置２は、熱によって作動する熱応動層３を有しており、図１の例では、熱膨張率の異なる２種の金属材料を接合したバイメタルから形成されている。熱応動層３上には、折り曲げによって容易に破損する易破壊性層４が積層されており、易破壊性層４には、導電性層５が形成されており、導電性層５には、電池の入出力電流の接続リード６が接合されている。
【００１１】
具体例を挙げると、縦５ｍｍ、横２．５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの青銅と厚さ０．１５ｍｍのアンバー合金からなるバイメタルのアンバー合金側の面に、中央部に厚さ０．０６ｍｍのくさび形の薄肉部を有した厚さ０．１２ｍｍのアルミナ板がポリイミド樹脂によって貼り付けられている。
アルミナ板の表面には、金、白金、銀、またはそれらの合金粉末を含有する組成物を印刷した後に焼成することによって形成した使用電流量に応じた導電層が幅２ｍｍ、厚さ数十μｍに形成されており、導電層の表面には、導電接続用の０．１ｍｍのニッケル板が２４０℃程度の高温半田付によって接合されている。
【００１２】
角型密閉型電池１が異常な発熱をし、電池缶の壁面が変形すると、図１（Ｃ）に示すように電流遮断装置１の易破壊性層３および導電性層４の中央部が変形し、易破壊性層３が破断し易破壊性層３上に設けた導電性層５も切断されて、導電性層５に結合された接続リード６に接続された電気回路が遮断される。易破壊性層４には、下層の熱応動層３の変形によって破壊が容易に進むように他の部分よりも厚みの薄い薄層部７が形成されていても良い。
本発明の電流遮断装置は、バイメタルの動作温度によって任意の温度によって作動させるようにすることができるが、１００℃〜１２０℃において動作させることが好ましい。
【００１３】
図２は、本発明の他の実施例を説明する図であり、円筒型密閉型電池の電池缶の壁面に設置した例を示しており、円筒型密閉型電池８の温度の上昇による電池缶の中央部の膨らみによって、電流遮断手段が作動して、電池の入出力電流を遮断することができる。
【００１４】
電流遮断装置の電池缶の壁面への取り付けは、接着剤等による接合あるいは機械的な手段による接合によって行うことができる。接着剤によって行う場合には、熱硬化性樹脂、あるいは合成樹脂前駆体の加熱によって硬化物を形成するもの等を用いて接合することが好ましい。
【００１５】
本発明の電流遮断装置においては、熱応動層としては、バイメタルに限らずＴｉ−Ｎｉ系合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系合金等に代表される形状記憶合金、形状記憶プラスチックス等の所定の温度に達すると変形する部材であればひろく用いることができる。特に、形状記憶合金、形状記憶プラスチックス等は、予め設定された温度において復元変形するように形状記憶処理が施されており、加熱による復元変形を利用するものであり、電池の温度が低下した場合にも再度変形して戻ることはないので、一度切断された易破壊性層に形成された導電性膜が再度接触して電気回路を再度形成する可能性はない。
【００１６】
易破壊性層は、変形によって切断あるいは破壊される物質をひろく用いることが可能であるが、ガラス、セラミックス等の脆性のある物質が好ましい。
また、易破壊性層上に形成する導電性層は、銅等の良導電性の金属箔、導電性物質の塗布層、あるいは導電性金属のめっき層等によって形成したものを用いることができる。
【００１７】
また、本発明の密閉型電池としては、特に容量の大きなリチウムイオン電池等の非水電解液二次電池において用いることが好ましい。
リチウムイオン電池としては、負極の炭素質材料には、リチウムをドープ・脱ドープすることが可能な炭素質材料であって、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ、黒鉛化炭素繊維等のような黒鉛質炭素材料、黒鉛前駆体炭素等の各種の炭素質物質を挙げることができる。
【００１８】
また、正極活物質としては、ＬｉXＭＯ2（０．０５≦ｘ≦１．１０、Ｍは少なくとも一種の遷移金属）で表される、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2 ）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）、コバルトニッケル酸リチウム（ＬｉＣｏXＮｉyＯ2）や、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2Ｏ4）およびこれらの非化学量論的化合物を挙げることができるが、
とくに、負極に黒鉛、正極にコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウム化合物を用いた電池は、軽量にして高容量、かつ長寿命であるとともに、安全性や信頼性に優れることから、ポータブル機器、自動車用バッテリ、電気自動車、ロードレベリング等の広い用途に使用することができるものであるが、このような電池においてより安全性を高めることが可能である。
【００１９】
【発明の効果】
電池缶の外部に薄型の電流遮断装置を有しているので、内容積が小さな電池においても電池容量を低下させることはなく、また復帰動作が不可能な電流遮断装置であるので再度の充放電が不可能であり安全性が高い電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の一実施例の電流遮断装置を備えた密閉型電池を説明する図である。
【図２】 図２は、本発明の他の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
１…角型密閉型電池、２…電流遮断装置、３…熱応動層、４…易破壊性層、５…導電性層、６…接続リード、７…薄層部、８…円筒型密閉型電池
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流遮断装置を備えた密閉型電池に関し、特に電池内部の圧力あるいは温度の異常な上昇の際に電流を遮断して、電池および電池使用機器の保護を図る電流遮断装置を備えた密閉型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型の電子機器の電源として各種の電池が用いられており、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダ等の電源として、小型で大容量の密閉型電池であるリチウムイオン二次電池等の非水電解液二次電池が用いられている。
小型の電子機器の電源として用いられているリチウムイオン電池は、正極集電体および負極集電体にそれぞれ活物質を塗布して製造した正極電極および負極電極をセパレータを介在させて積層して巻回した電池要素を電池缶内に収納して密閉したものが用いられている。
【０００３】
これらの電池は、密閉型で容量が大きいという特徴を有しているが、その反面これらの電池の端子あるいは電池の出力回路を誤って短絡したり、あるいは充電時に過大な電流を通電すると、電池内部で異常な反応が進行し、電池の温度の異常な発熱、あるいは電池内圧の上昇による電池の破裂等が生じる可能性がある。
そこで、電池使用機器、あるいは充電装置においては、こうした問題点が生じないように各種の電池保護回路が設けられている。
しかしながら、電池利用機器の普及により、様々な状況で使用される結果、予想しがたいような問題が生じる可能性もあり、電池と外部回路の導電接続を遮断する各種の安全装置が提案されている。
【０００４】
例えば、電池要素を収容する電池容器の上端開口部に弁体と切断刃を有する電池蓋を取り付けて、圧力の増加によって切断刃によって弁体を切断して圧力の開放を行い、電池容器内の気体を放出して圧力を開放し、電池の破裂を防止する方法が提案されている。ところが、圧力の開放のみでは、電流を完全に遮断することはできないという問題点があり、また圧力の開放によって電解液等が周囲に飛散する等の問題点もあった。
【０００５】
また、温度上昇時にバイメタルを作動させて電流を遮断する安全装置も提案されているが、落下等の外部からの衝撃によってバイメタルの接点が異常動作する可能性もあり、また温度上昇によって危険な状態となった電池が、温度の低下によってバイメタルが復帰して導通が回復すると、危険な電池に充電するという安全上の問題が生じる可能性があった。
【０００６】
また、特開平１０−２０８７２６号公報には、過電流防止フューズとともに、周囲の圧力によって過電流防止フューズを切断する切断刃を有する圧力遮断手段を設けた電流遮断装置が提案されている。ところが、この電流遮断装置は電池の内圧によって作動させるためには、電池の密閉容器内に設けることが必要であった。携帯機器用の小型の角型電池では、厚みの薄いものが用いられており、電池内部に電池要素以外の部材を設けることは、電池容量を犠牲にするという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電流遮断装置を備えた密閉型電池において、電池内部の温度あるいは圧力の増大によって非回復的に電流を遮断し、電池内部の異常が生じた場合には、電池保護回路等に異常が生じた場合であっても、確実に電流遮断が可能な装置を提供することを課題とするものであり、特に薄型あるいは小型の密閉型電池のように内部に電流遮断装置を設けることが困難な電池にも適用可能な電流遮断装置を備えた密閉型電池を提供することを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電流遮断装置を備えた密閉型電池において、熱で変形する平板状の熱応動層上に、変形によって容易に破壊される易破壊性層を有し、易破壊性層上には導電性層が形成され、導電性層には密閉型電池の入出力電流の接続手段が設けられた電流遮断装置を電池缶の壁面に設けた密閉型電池によって解決することができる。
また、前記熱で変形するバイメタル、形状記憶合金、形状記憶プラスチックスのいずれかによって形成されている電流遮断装置を備えた密閉型電池である。
易破壊性層は脆性のある物質で形成した前記の密閉型電池である。
導電性層が良導電性の金属箔、導電性物質の塗布層、あるいは導電性金属のめっき層によって形成した前記の密閉型電池である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の電流遮断装置を備えた密閉型電池は、加熱によって変形する部材からなる熱応動層上に脆性を有する絶縁性の易破壊性の薄膜上に導電性膜を設けたものからなり、圧力の増加あるいは加熱によって変形して易破壊性膜が破壊され、絶縁性薄膜上に形成した導電性膜が破断して電流が遮断され、電池および電池利用回路の保護を図るものである。
【００１０】
以下に、本発明を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例の電流遮断装置を備えた密閉型電池を説明する図である。
図１（Ａ）は、角型状の電流遮断装置を備えた密閉型電池を説明する斜視図であり、図１（Ｂ）は、電流遮断装置部分を説明する図であり、図１（Ｃ）は、電流遮断装置が動作して電流を遮断した状態を説明する図である。
角型密閉型電池１は、電流遮断装置２を有しており、電流遮断装置２は、熱によって作動する熱応動層３を有しており、図１の例では、熱膨張率の異なる２種の金属材料を接合したバイメタルから形成されている。熱応動層３上には、折り曲げによって容易に破損する易破壊性層４が積層されており、易破壊性層４には、導電性層５が形成されており、導電性層５には、電池の入出力電流の接続リード６が接合されている。
【００１１】
具体例を挙げると、縦５ｍｍ、横２．５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの青銅と厚さ０．１５ｍｍのアンバー合金からなるバイメタルのアンバー合金側の面に、中央部に厚さ０．０６ｍｍのくさび形の薄肉部を有した厚さ０．１２ｍｍのアルミナ板がポリイミド樹脂によって貼り付けられている。
アルミナ板の表面には、金、白金、銀、またはそれらの合金粉末を含有する組成物を印刷した後に焼成することによって形成した使用電流量に応じた導電層が幅２ｍｍ、厚さ数十μｍに形成されており、導電層の表面には、導電接続用の０．１ｍｍのニッケル板が２４０℃程度の高温半田付によって接合されている。
【００１２】
角型密閉型電池１が異常な発熱をし、電池缶の壁面が変形すると、図１（Ｃ）に示すように電流遮断装置１の易破壊性層３および導電性層４の中央部が変形し、易破壊性層３が破断し易破壊性層３上に設けた導電性層５も切断されて、導電性層５に結合された接続リード６に接続された電気回路が遮断される。易破壊性層４には、下層の熱応動層３の変形によって破壊が容易に進むように他の部分よりも厚みの薄い薄層部７が形成されていても良い。
本発明の電流遮断装置は、バイメタルの動作温度によって任意の温度によって作動させるようにすることができるが、１００℃〜１２０℃において動作させることが好ましい。
【００１３】
図２は、本発明の他の実施例を説明する図であり、円筒型密閉型電池の電池缶の壁面に設置した例を示しており、円筒型密閉型電池８の温度の上昇による電池缶の中央部の膨らみによって、電流遮断手段が作動して、電池の入出力電流を遮断することができる。
【００１４】
電流遮断装置の電池缶の壁面への取り付けは、接着剤等による接合あるいは機械的な手段による接合によって行うことができる。接着剤によって行う場合には、熱硬化性樹脂、あるいは合成樹脂前駆体の加熱によって硬化物を形成するもの等を用いて接合することが好ましい。
【００１５】
本発明の電流遮断装置においては、熱応動層としては、バイメタルに限らずＴｉ−Ｎｉ系合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系合金等に代表される形状記憶合金、形状記憶プラスチックス等の所定の温度に達すると変形する部材であればひろく用いることができる。特に、形状記憶合金、形状記憶プラスチックス等は、予め設定された温度において復元変形するように形状記憶処理が施されており、加熱による復元変形を利用するものであり、電池の温度が低下した場合にも再度変形して戻ることはないので、一度切断された易破壊性層に形成された導電性膜が再度接触して電気回路を再度形成する可能性はない。
【００１６】
易破壊性層は、変形によって切断あるいは破壊される物質をひろく用いることが可能であるが、ガラス、セラミックス等の脆性のある物質が好ましい。
また、易破壊性層上に形成する導電性層は、銅等の良導電性の金属箔、導電性物質の塗布層、あるいは導電性金属のめっき層等によって形成したものを用いることができる。
【００１７】
また、本発明の密閉型電池としては、特に容量の大きなリチウムイオン電池等の非水電解液二次電池において用いることが好ましい。
リチウムイオン電池としては、負極の炭素質材料には、リチウムをドープ・脱ドープすることが可能な炭素質材料であって、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ、黒鉛化炭素繊維等のような黒鉛質炭素材料、黒鉛前駆体炭素等の各種の炭素質物質を挙げることができる。
【００１８】
また、正極活物質としては、ＬｉXＭＯ2（０．０５≦ｘ≦１．１０、Ｍは少なくとも一種の遷移金属）で表される、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2 ）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）、コバルトニッケル酸リチウム（ＬｉＣｏXＮｉyＯ2）や、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2Ｏ4）およびこれらの非化学量論的化合物を挙げることができるが、
とくに、負極に黒鉛、正極にコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウム化合物を用いた電池は、軽量にして高容量、かつ長寿命であるとともに、安全性や信頼性に優れることから、ポータブル機器、自動車用バッテリ、電気自動車、ロードレベリング等の広い用途に使用することができるものであるが、このような電池においてより安全性を高めることが可能である。
【００１９】
【発明の効果】
電池缶の外部に薄型の電流遮断装置を有しているので、内容積が小さな電池においても電池容量を低下させることはなく、また復帰動作が不可能な電流遮断装置であるので再度の充放電が不可能であり安全性が高い電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の一実施例の電流遮断装置を備えた密閉型電池を説明する図である。
【図２】 図２は、本発明の他の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
１…角型密閉型電池、２…電流遮断装置、３…熱応動層、４…易破壊性層、５…導電性層、６…接続リード、７…薄層部、８…円筒型密閉型電池
Claims (1)
- 電流遮断装置を備えた密閉型電池において、熱で変形する平板状の熱応動層上に、変形によって容易に破壊される易破壊性層を有し、易破壊性層上には導電性層が形成され、導電性層には密閉型電池の入出力電流の接続手段が設けられた電流遮断装置を電池缶の壁面に設けたことを特徴とする密閉型電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23294699A JP4718657B2 (ja) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | 電流遮断装置を備えた密閉型電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23294699A JP4718657B2 (ja) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | 電流遮断装置を備えた密閉型電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001057206A JP2001057206A (ja) | 2001-02-27 |
| JP4718657B2 true JP4718657B2 (ja) | 2011-07-06 |
Family
ID=16947343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23294699A Expired - Lifetime JP4718657B2 (ja) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | 電流遮断装置を備えた密閉型電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4718657B2 (ja) |
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| KR100968052B1 (ko) | 2006-03-08 | 2010-07-08 | 주식회사 엘지화학 | 메카니칼 퓨즈가 장착되어 있는 전지팩 |
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| JPWO2020136862A1 (ja) * | 2018-12-28 | 2021-11-11 | ボーンズ株式会社 | ２次電池回路及びその制御方法 |
Family Cites Families (4)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2000208023A (ja) * | 1999-01-18 | 2000-07-28 | Hosiden Corp | ヒュ―ズ機能付防爆保護デバイス及びこれを用いた充電型電池並びに当該充電型電池を用いた携帯型電子機器 |
| JP2001023607A (ja) * | 1999-07-12 | 2001-01-26 | Alps Electric Co Ltd | 電池用感圧ブレーカー |
-
1999
- 1999-08-19 JP JP23294699A patent/JP4718657B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001057206A (ja) | 2001-02-27 |
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