JP4872034B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

本発明は、電池内の圧力が上昇したときに、電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁を備えた密閉型電池に関する。

充放電可能な密閉型二次電池は、エネルギー密度が高いため、内部短絡または外部短絡が発生した場合、あるいは、異常加熱や異常衝撃等が発生した場合、電池内部で急激な充放電反応または化学反応により急激なガス発生が起こり、これにより、電池ケースが膨張したり、さらには破裂するおそれがある。そのため、多くの密閉型電池には、電池内の圧力が所定値に達すると、電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁（防爆機構）が設けられている。

密閉型電池に設けられる安全弁としては、電池内の圧力が所定値に達したときに破断する弁体を備えた封口板を用いて電池ケースの開口部を密閉した構造のものや、密閉した電池ケースの一部に薄肉部を設けた構造のものがある。前者の構造の安全弁では、電池内が所定の圧力に達したとき、弁体が破断することにより、電池内に発生したガスが、封口板に設けられた排気孔を通って電池外に排気される。また、後者の構造の安全弁では、電池内が所定の圧力に達したとき、電池ケースに設けられた薄肉部が破断することにより、電池内に発生したガスが、電池ケースの破断部を通って電池外に排気される。

しかしながら、前者の構造の安全弁では、封口板に設けられた排気孔の面積を十分に大きくできないため、ガス排気速度を超えるガスが発生した場合、安全弁が十分に機能せず、電池内の圧力が上昇して、電池ケースが膨張または破裂するおそれがある。一方、後者の構造の安全弁では、電池ケースの強度を確保するために、薄肉部の破断圧力、すなわち、安全弁の作動圧を高く設定せざるを得ない。そのため、何らかの異常で電池内の圧力が上昇しても、安全弁が作動するまでの時間が長くなり、その間、高温ガスの発生により電池の温度が上昇して、電池を装着した機器に熱的ダメージを与えるおそれがある。

このような問題に対して、特許文献１には、弁体を備えた封口板による安全弁と、薄肉部を備えた電池ケースによる安全弁とを備えた密閉型電池が記載されている。ここでは、薄肉部の破断圧力を、弁体の破断圧力よりも大きくしているため、ガスの発生速度が遅い場合には、弁体の破断のみでガスを容易に排気することができ、これにより、電池の温度上昇を抑制することができる。一方、急激なガス発生が生じた場合には、電池ケースの薄肉部が破断することにより、ガスを速やかに排気することができ、これにより、電池ケースの破裂を防止することができる。

特開平６−３３３５４８号公報

特許文献１に記載された安全弁は、破断圧力（作動圧力）とガス排気速度とがそれぞれ異なる２つの安全弁を複合することによって、ガス発生モード（圧力上昇モード）に応じて、電池温度の上昇や、電池ケースの破裂といった問題を同時に解決できる点で優れている。

しかしながら、特許文献１に記載された複合安全弁では、作動圧力の低い安全弁（弁体を備えた封口板）が作動した状態で、電池内の圧力が上昇するため、作動圧力の高い安全弁（電池ケースの薄肉部）が作動するまでの時間が長くなり、電池の温度が過度に上昇し、電池を装着した機器に熱的ダメージを与えるおそれがある。加えて、ガス発生の初期段階で作動圧の低い安全弁から排気される電解液や可燃ガスと、急激なガス発生段階で作動圧の高い安全弁から排気される高温ガスとが混合するため、電池を装着した機器内において、電解液や可燃ガスと高温ガスとの反応が起こり、電池を装着した機器に熱的ダメージを与えるおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、ガス発生モード（圧力上昇モード）に応じて、電池内で発生したガスを確実に電池外に排気するとともに、電池が装着された機器に与える熱的ダメージを最小限に抑制することのできる、安全性に優れた密閉電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、電池内の圧力を開放する安全弁として、作動圧が低くガス排気速度の小さな第１の安全弁と、作動圧が高くガス排気速度の大きな第２の安全弁とを備え、第１の安全弁を、第２の安全弁の作動時に閉塞する構成を採用する。

すなわち、比較的低温かつ緩やかなガス発生の初期段階で第１の安全弁を作動させるとともに、高温ガスが急激に発生する段階で第１の安全弁を閉塞して、電池内の圧力上昇を加速することで、第２の安全弁を作動させる。これにより、第２の安全弁が作動するまでの時間を短くすることができるとともに、第１の安全弁から排気される電解液や可燃ガスと、第２の安全弁から排気される高温ガスとの混合を防止することができる。その結果、電池内で発生したガスを確実に電池外に排気するとともに、電池が装着された機器に与える熱的ダメージを最小限に抑制することができる。

本発明に係る密閉型電池は、電池内の圧力が上昇したときに、電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁を備えた密閉型電池であって、安全弁は、第１の作動圧で作動する第１の安全弁と、第１の作動圧よりも高い第２の作動圧で作動する第２の安全弁を備え、第２の安全弁の作動時におけるガス排気速度は、第１の安全弁の作動時におけるガス排気速度よりも大きく、第１の安全弁は、少なくとも第２の安全弁の作動時に閉塞していることを特徴とする。

ある好適な実施形態において、第１の安全弁は、電池内に設けられ、電池内の圧力が第１の作動圧に達したときに破断する弁体と、電池ケースの開口部を封口する封口板に設けられ、電池内の圧力を破断した弁体を介して電池外に開放する排気孔とからなり、破断した弁体の一部は、電池内の圧力の上昇によって変形し、少なくとも第２の作動圧において排気孔を閉塞する。

ある好適な実施形態において、第２の安全弁は、電池ケースの底部又は側部に設けられ、電池内の圧力が第２の作動圧に達したときに破断する薄肉部からなる。

本発明によれば、電池内で発生したガスを確実に電池外に排気するとともに、電池が装着された機器に与える熱的ダメージを最小限に抑制することのできる、安全性に優れた密閉電池を提供することができる。

本発明の一実施形態における円筒形非水電解質二次電池の斜視図である。 本発明の一実施形態における円筒形非水電解質二次電池の断面図である。 本発明の一実施形態における円筒形非水電解質二次電池の底面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態における安全弁の作動を説明する部分断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の他の実施形態における安全弁の作動を説明する部分断面図である。 本発明の他の実施形態における角形非水電解質二次電池の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の他の実施形態における角形非水電解質二次電池の安全弁の作動を説明する部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

図１〜図３は、本発明の一実施形態における円筒形非水電解質二次電池の構成を示した図で、図１は斜視図、図２は断面図、図３は底面図である。

図２に示すように、正極１及び負極２がセパレータ（多孔質絶縁層）３を介して捲回された電極群４が、非水電解液（不図示）とともに、有底円筒形の電池ケース１５に収納されている。電極群４の上下には、それぞれリング状の絶縁板７、絶縁板８が配置され、正極１は、正極リード５を介してフィルタ１３に接合され、負極２は、負極リード６を介して負極端子を兼ねる電池ケース１５の底部に接合されている。

フィルタ１３は、インナーキャップ１２に接続され、インナーキャップ１２の突起部は、金属製の弁体１０に接合されている。さらに、弁体１０は、正極端子を兼ねる封口板９に接続されている。そして、封口板９、弁体１０、インナーキャップ１２、及びフィルタ１３が一体となって、ガスケット１４を介して、電池ケース１５の開口部を封口している。

弁体１０には、電池内の圧力が所定値（第１の作動圧）に達したときに破断する薄肉部１０ａが形成され、封口板９には、電池内に発生したガスを、破断した弁体１０を介して電池外に排気する排気孔９ａが形成されており、この弁体１０と排気孔９ａとで、第１の安全弁が構成されている。

また、図３に示すように、電池ケース１５の底部には、電池内の圧力が所定値（第２の作動圧）に達したときに破断する薄肉部１５ａが形成され、この電池ケース１５の底部に形成された薄肉部１５ａで第２の安全弁が構成されている。

ここで、電池ケース１５の底部に形成された薄肉部１５ａの破断圧力は、弁体１０に形成された薄肉部１０ａの破断圧力よりも大きくなるように形成されている。すなわち、第２の安全弁の第２の作動圧は、第１の安全弁の第１の作動圧よりも高く設定されている。また、電池ケース１５の底部に形成された薄肉部１５ａは、薄肉部１５ａが破断したときに電池ケース１５に形成される開口面積が、封口板９に形成された排気孔９ａの開口面積よりも大きくなるように形成されている。すなわち、第２の安全弁の作動時におけるガス排気速度は、第１の安全弁の作動時におけるガス排気速度よりも大きく設定されている。なお、通常、弁体１０の薄肉部１０ａが破断したときに弁体１０に形成される破断面積は、封口板９に形成された排気孔９ａの開口面積よりも大きくなるため、第１の安全弁のガス排気速度は、封口板９に形成された排気孔９ａの開口面積で律則される。

次に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本実施形態における第１の安全弁及び第２の安全弁がどのように作動するかを説明する。

図４（ａ）は、ガス発生の初期段階において、第１の安全弁が作動した状態を示した図である。過充電等により電池温度が次第に上昇し、密閉された電池ケース１５内で電解液が気化あるいは分解する等により、電池内の圧力が第１の作動圧を超えると、弁体１０の薄肉部１０ａが破断する。これにより、電池内の圧力が、フィルタ１３の開口部１３ａ、インナーキャップ１２の開口部１２ａ、弁体１０の破断部、及び封口板９の排気孔９ａを介して、電池外に開放される。この段階におけるガス発生は比較的低温かつ緩やかであり、弁体１０が破断することにより、電解液や可燃性のガスが封口板９の排気孔９ａを通って電池外に排気される。

図４（ｂ）は、電池がさらに高温状態となって、電池内部で急速な化学反応が起こり、高温ガスが急激に発生した段階において、第１の安全弁が閉塞した状態を示した図である。この段階において、破断した弁体１０の一部は、大量に噴出する高温ガスによる圧力の上昇によって変形して、封口板９側に押上げられることによって、排気孔９ａを閉塞する。なお、排気孔９ａを破断した弁体１０の一部で閉塞するには、弁体１０の破断部端部が封口板９に当接される必要があるため、排気孔９ａの大きさを考慮して、封口板９と弁体１０との距離や、弁体１０の薄肉部１０ａを形成する位置等を適宜決めればよい。

図４（ｃ）は、第１の安全弁が閉塞した状態で、電池内の圧力がさらに上昇した段階において、第２の安全弁が作動した状態を示した図である。第１の安全弁からのガス排気が妨げられているため、電池内の圧力は急激に上昇し、電池内の圧力が第２の作動圧を超えると、電池ケース１５の薄肉部１５ａが破断して、電池内で発生した高温ガスが、電池ケース１５の破断部を介して電池外に排出される。

このように、本発明における密閉型電池の安全弁は、第１の作動圧で作動する第１の安全弁と、第１の作動圧よりも高い第２の作動圧で作動する第２の安全弁を備え、第２の安全弁の作動時におけるガス排気速度は、第１の安全弁の作動時におけるガス排気速度よりも大きく、第１の安全弁は、少なくとも第２の安全弁の作動時に閉塞していることを特徴とする。

このような構成により、比較的低温かつ緩やかなガス発生の初期段階で第１の安全弁を作動させ、さらに、高温ガスが急激に発生する段階で第１の安全弁を閉塞して、第２の安全弁を作動させることができる。これにより、第２の安全弁が作動するまでの時間を短くすることができるとともに、第１の安全弁から排気される電解液や可燃ガスと、第２の安全弁から排気される高温ガスとの混合を防止することができる。その結果、電池内で発生したガスを確実に電池外に排気するとともに、電池が装着された機器に与える熱的ダメージを最小限に抑制することのできる、安全性に優れた密閉電池を実現することができる。

なお、本発明において、第１の安全弁は、少なくとも第２の安全弁の作動時に閉塞していればよいが、電池内の圧力が４００℃以上の高温ガス発生によって上昇したときに閉塞することが好ましい。電池内の温度が４００℃以上になると、急速な化学反応が起こり、高温ガスが急激に発生するようになるからである。

また、本発明において、第１の安全弁の「閉塞」は、必ずしも完全な閉塞を意味するものではなく、第２の安全弁が作動するまでの時間を短縮する効果が奏される程度に、第１の安全弁からのガス排気が十分に妨げられていればよい。

また、第１の安全弁の第１の作動圧、及び第２の安全弁の第２の作動圧は、一義的に決まるものではなく、使用する電池の種類や、想定されるガス発生モード（圧力上昇モード）等を考慮して、適宜決めればよい。なお、第２の作動圧は、電池ケースの耐圧（若しくは、封口板の耐圧）よりも低く設定されるが、以下の理由により、４〜８ＭＰａの範囲に設定することが好ましい。第２の作動圧を４ＭＰａ未満に設定した場合、電池が何らかの弱い衝撃（例えば、落下等）を受けただけで、ケース底部の薄肉部が破断し、電池内部から電解液が流出する恐れがある。また、第２の作動圧を８ＭＰａ以上に設定した場合、急激なガス発生に対してケース底部の薄肉部の破断が間に合わず、封口部が変形して破裂が発生する恐れがある。

また、本発明において「安全弁」は、電池内の圧力が上昇したときに、電池内に発生したガスを電池外に排気する機能を備えた機構を含み、本実施形態で例示した形態に必ずしも限定されない。例えば、他の安全弁の構成として、特定圧力で開裂するガスケットやパッキンで電池を密閉する構成や、電池ケースの開口部に押しつけられた樹脂やスプリング等の弾性体で電池を密閉し、電池内の圧力上昇による弾性体の変形で生じる隙間からガスを外部に排気する構成等を採用することができる。

また、本発明における「安全弁を閉塞する機構」は、本実施形態で例示した形態に特に制限されない。例えば、図５（ａ）〜（ｃ）は、第１の安全弁を閉塞する機構の他の形態を示した部分断面図である。

図５（ａ）は、ガス発生の初期段階において、弁体１０の薄肉部１０ａが破断して、第１の安全弁が作動した状態を示した図で、図４（ａ）に示した状態と同じである。

図５（ｂ）は、電池がさらに高温状態となって、電池内部で急速な化学反応が起こり、高温ガスが急激に発生した段階において、第１の安全弁が閉塞した状態を示した図である。この段階において、フィルタ１３の中央部は、大量に噴出する高温ガスによる圧力の上昇によって変形して、インナーキャップ１２側に押上げられることによって、フィルタ１３の開口部１３ａがインナーキャップ１２の突起部によって閉塞され、その結果、ガス排出経路が閉塞される。

図５（ｃ）は、第１の安全弁が閉塞した状態で、電池内の圧力がさらに上昇した段階において、第２の安全弁が作動した状態を示した図で、図４（ｃ）に示した状態と同じである。

次に、図６、図７（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本発明における密閉型電池として、角形非水電解質二次電池を適用した場合を説明する。図６は、角形非水電解質二次電池の斜視図で、図７（ａ）〜（ｃ）は、第１の安全弁及び第２の安全弁がどのように作動するかを説明した部分断面図である、
図６、図７（ａ）に示すように、扁平状に捲回された電極群４が角形電池ケース１５内に収容され、正極（不図示）の端部に接合された正極リード５は、正極端子を兼ねる蓋体９に接続され、負極（不図示）の端部に接合された負極リード６は、負極接続板２１を介して、蓋体９の開口部に形成された負極端子２２に接続されている。なお、負極接続板２１は、絶縁板２０によって、蓋体９と電気的に絶縁されている。また、蓋体９に形成された電解液の注液孔は、栓２３で封口されている。

図７（ａ）に示すように、蓋体９の一部には薄肉部９ａが形成されており、これが、第１の作動圧で作動する第１の安全弁を構成する。また、図６に示すように、電池ケース１５の側部には、薄肉部１５ａが形成され、これが、第２の作動圧で作動する第２の安全弁を構成する。

図７（ｂ）は、ガス発生の初期段階において、電池内の圧力が第１の作動圧を超えて、蓋体９の薄肉部９ａが破断することにより、第１の安全弁が作動した状態を示した図である。

図７（ｃ）は、電池がさらに高温状態となって、高温ガスが急激に発生した段階において、第１の安全弁が閉塞し、さらに、第１の安全弁が閉塞した状態で、電池内の圧力が第２の作動圧を超えて、第２の安全弁が作動した状態を示した図である。負極接続板２１の端部は、絶縁板２０の端部から蓋体９の薄肉部９ａの下方まで延出しており、この負極接続板２１の延出部が、大量に噴出する高温ガスによる圧力の上昇によって変形して、蓋体９側に押上げられることによって、蓋体９の薄肉部９ａが破断した開口部が閉塞される。その後、電池内の圧力がさらに上昇し、電池内の圧力が第２の作動圧を超えると、電池ケース１５の薄肉部１５ａが破断して、電池内で発生した高温ガスが、電池ケース１５の破断部を介して電池外に排出される。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、密閉型電池として非水電解質二次電池を例に説明したが、これに限らず、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池、アルカリ乾電池等にも適用することができる。また、非水電解質二次電池も、その種類は特に限定されず、例えば、リチウムイオン二次電池、リチウム一次電池等に適用することができる。

本発明による密閉型電池は、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の電子機器や、電気自動車や電動工具等の電源に好適に用いられる。

１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４ 電極群
５ 正極リード
６ 負極リード
７、８ 絶縁板
９ 封口体（蓋体）
９ａ 排気孔（薄肉部）
１０ 弁体
１０ａ 薄肉部
１２ インナーキャップ
１２ａ 開口部
１３ フィルタ
１３ａ 開口部
１４ ガスケット
１５ 電池ケース
１５ａ 薄肉部
２０ 絶縁板
２１ 負極接続板
２２ 負極端子
２３ 栓

Claims (6)

1. 電池内の圧力が上昇したときに、電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁を備えた密閉型電池であって、
   前記安全弁は、第１の作動圧で作動する第１の安全弁と、前記第１の作動圧よりも高い第２の作動圧で作動する第２の安全弁を備え、
   前記第２の安全弁の作動時におけるガス排気速度は、前記第１の安全弁の作動時におけるガス排気速度よりも大きく、
   前記第１の安全弁は、少なくとも前記第２の安全弁の作動時に閉塞している、密閉型電池。
2. 前記第１の安全弁は、電池内に設けられ、電池内の圧力が前記第１の作動圧に達したときに破断する弁体と、電池ケースの開口部を封口する封口板に設けられ、電池内に発生したガスを前記破断した弁体を介して電池外に排気する排気孔とからなり、
   前記破断した弁体の一部は、電池内の圧力の上昇によって変形し、少なくとも前記第２の作動圧において、前記排気孔を閉塞する、請求項１に記載の密閉型電池。
3. 前記第２の安全弁は、電池ケースの底部又は側部に設けられ、電池内の圧力が前記第２の作動圧に達したときに破断する薄肉部からなる、請求項２に記載の密閉型電池。
4. 前記密閉型電池は、非水電解液二次電池であって、
   前記第１の安全弁は、電池内の圧力が４００℃以上の高温ガス発生によって上昇したときに閉塞する、請求項１に記載の密閉型電池。
5. 前記第２の安全弁の前記第２の作動圧は、４〜８ＭＰａの範囲にある、請求項１に記載の密閉型電池。
6. 前記密閉型電池は、円筒形または角形の非水電解質二次電池である、請求項１に記載の密閉型電池。