JP4961113B2

JP4961113B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP4961113B2
Application number: JP2005124629A
Authority: JP
Inventors: 達也橋本; 廣樹井上; きよみ神月; 靖平川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2025-04-22
Also published as: EP1876660A4; EP1876660A1; WO2006114940A1; KR101268332B1; KR20080003779A; US7704631B2; EP1876660B1; CN101164182A; CN101164182B; JP2006302734A; US20090081530A1; DE602006019574D1

Description

本発明は二次電池に関し、特に衝撃や振動による極板群の移動で不具合が発生するのを防止し、耐衝撃性の向上を図った二次電池に関するものである。

リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池として、図９に示すように、有底筒状の電池ケース３２内に、発電要素としての極板群３３と電解液を収容し、電池ケース３２の開口部に絶縁ガスケット３４を介して組立封口板３５にて封口し、極板群３３の一端から延出された一方の極性のリード（図示せず）を組立封口板３５に接続し、極板群３３の他端から延出された他方の極性のリード（図示せず）を電池ケース３２の内底面に接続し、極板群３３の両端には絶縁板３６ａ、３６ｂを配置した構成の二次電池３１が知られている。

組立封口板３５は、図１０に示すように、電池ケース３２内に臨む内面を形成するとともに通気孔３８が形成されたフィルタ３７と、ガスケット３９を介してフィルタ３７と絶縁された状態で外部に臨む外面を形成するとともに排気孔４１が形成されたキャップ４０と、フィルタ３７とキャップ４０の間の空間に内蔵され、電池ケース３２内が所定圧力以上になると破断して、極板群３３とキャップ４０間の通電経路を遮断するとともに、通気孔３８と排気孔４１を連通させる安全弁機構４２とを備えている。安全弁機構４２は、下弁体４３と上弁体４４から成り、かつ下弁体４３と上弁体４４の外周部がガスケット３９を介して相互に絶縁された状態でフィルタ３７とキャップ４０にて挟持され、下弁体４３と上弁体４４の中央部が相互に接続されるとともに、その周囲に所定以上の圧力が作用した時に破断する破断部が形成されて構成されている（例えば、特許文献１参照。）。

なお、極板群と封口板との間に、上部が封口板底面に接し、下部が極板群に加圧状態で接する樹脂製の絶縁リングを配置し、極板群を確実に固定することにより、衝撃、振動によるリードの変形を抑え、電池の耐衝撃性を高めるようにしたものは知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、封口板の下面にあるガス抜き穴の周縁に複数の突起を形成し、電池ケース内のガス圧力が急激に上昇して極板群と封口板を接続する帯状のリードが封口板に向けて押し上げられても、リードにてガス抜き穴が塞がれるのを防止し、ガスを安全に逃散させるようにした電池も知られている（例えば、特許文献３参照。）。
特開平９−１２９１９５号公報特開２０００−１８２５９２号公報特許第３５９６９１８号明細書

ところで、図９、図１０に示した構成の二次電池では、衝撃を受けた場合、図１１に示すように、極板群３３が衝撃によって組立封口板３５に向けて移動することがあり、その場合組立封口板３５側の絶縁板３６ａが衝撃力で変形されて、組立封口板３５のフィルタ３７に形成されている通気孔３８が絶縁板３６ａで塞がれてしまい、発生したガスを逃散させることができない恐れがあるという問題がある。

一方、特許文献２に開示された電池の構成では、衝撃を受けた場合の極板群の移動を防止してリードの変形は防止されるが、絶縁リングの配置によって極板群の外周部からのガスの排気ルートが損なわれるという問題があり、排気ルートを確保するために絶縁リングに切り込みを設けると、樹脂製の絶縁リングの強度低下を来たして、耐衝撃効果が低減してしまうという問題がある。

また、特許文献３に開示された電池の構成では、金属製封口板のガス抜き穴の周縁に突起を設けていることでガス排気ルートは確保されるが、衝撃を受けたときの極板群の移動を防止することはできないという問題があり、また移動防止のために突起を大きくすると、極板群に直接接触して短絡を生じてしまうという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、衝撃や振動を受けた場合の極板群の移動による不具合の発生を防止できる二次電池を提供することを課題とする。

本発明の二次電池は、電池ケース内に極板群と電解液が収容され、電池ケースの一端開口が、電池ケース内が所定以上の圧力になったとき圧力を外部に排出する安全機構を内蔵し、かつ電池ケースに対して絶縁された組立封口板で封口され、極板群の一端から延出された一方の極性のリードが組立封口板に接続され、極板群の他端から延出された他方の極性のリードが電池ケースに接続された二次電池において、組立封口板の電池ケース内に臨む通気孔の少なくとも一部を切り起こし片の形成による開口部にて構成するとともに、切り起こし片の先端を極板群の一端に接して配設された絶縁板に当接させ、かつ他方の極性にあるリードの少なくとも一部は、電池ケースの内底面に沿って延出するとともにその中間部に折り返し部を設けて先端部を電池ケースの底面に接続したものである。

この構成によると、組立封口板において、その安全機構のガス排気通路となる通気孔を構成するために形成した切り起こし片にて、絶縁板を介して極板群の一端を支持しているので、衝撃や振動を受けた場合でも極板群の移動を確実に防止することができ、極板群や絶縁板の移動やそれに伴うリードの変形によって通気孔が塞がれる恐れがなく、円滑にガスを排気する通路を確保することができ、安全性を確保できる。また、極板群の他端から延出されたリードと電池ケースとの接続部が極板群の移動によって外れる恐れも無くすことができる。また、大電流の取り出し時にはリードでの発熱量が多いために高温になり易いが、リードの近傍側部に位置する切り起こし片にてその熱が吸収されて組立封口板の全体にて放熱されるので、リードが高温になるのを抑制することができ、大電流に対する適性を向上できる。また、切り起こし片の形成によって組立封口板の電池ケース内に臨む面の剛性が向上するので、電池ケースの内圧の上昇に伴う変形によって安全機構の作動に障害が生じるのを防止する効果も得られる。また、この構成によると、衝撃や振動を受けた時に、たとえ極板群が組立封口板に向けて多少移動することがあったとしても、折り返し部を有する他方の極性にあるリードの変形によってその移動量を吸収することができて、他方の極性のリードと電池ケースの底面の接続が外れる恐れはなく、耐衝撃性の高い電池を得ることができる。

また、切り起こし片にて形成される通気孔は組立封口板の直径方向に対向する両側部に配設し、それらの間の空間に一方の極性のリードを配置し、このリード配設空間の通気孔は打ち抜き形成すると、切り起こし片とリードが干渉することがなくかつ高い放熱効果が得られるとともに、通気孔の総開口面積を十分に確保することができる。

また、組立封口板の通気孔を形成している壁面における通気孔の開口縁部若しくは通気孔間に、面剛性を高める凹部又は突部をプレス成形すると、組立封口板の電池ケース内に臨む面の面強度を確保でき、電池ケースの内圧の上昇に伴う変形によって安全機構の作動に障害が生じるのを防止できる。

また、組立封口板の外面を形成するキャップの中央部に、平面形状が四角形以上の多角形状の接続突部を突出成形するとともに、多角形の各辺を形成する立ち上がり側壁に排気孔を形成すると、安全機構の作動を阻害する恐れのある異物などの侵入を防止できるように、各排気孔の面積を小さく制限しながら、排気孔の総面積を十分に確保でき、異常時にガスを円滑に排気できて高い安全性を確保することができる。

本発明の二次電池によれば、極板群を収容した電池ケースの開口を封口する組立封口板において、内蔵している安全機構の通気孔を構成するために形成した切り起こし片によって、絶縁板を介して極板群の一端を支持しているので、衝撃や振動を受けた場合でも極板群の移動を確実に防止することができ、極板群や絶縁板の移動やそれに伴うリードの変形によって通気孔が塞がれる恐れが無く、ガスを円滑に排気する通路を確保できて、電池の安全性を向上できる。

以下、本発明の二次電池の一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。

図１〜図３において、１はリチウムイオン電池から成る円筒形の二次電池で、有底円筒状の電池ケース２内に、発電要素としての極板群３が電解液とともに収容されている。極板群３は、帯状の正極板とセパレータと負極板とセパレータを順次重ねた状態で巻芯材の外周に巻回し、巻回終了後に巻芯材を引き抜いて構成されており、正極板と負極板がそれらの間にセパレータを介装した状態で積層された構成となっている。セパレータは、正極板及び負極板よりも上下に適当寸法だけ突出されており、このセパレータの上下の突出部を径方向内側に倒すことで正極板と負極板間の絶縁性が確保されている。極板群３の外周は短絡防止の必要に応じて外周セパレータ（図示せず）にて覆われ、若しくは電池ケース２の内周に絶縁樹脂層（図示せず）が形成されている。また、極板群３の上下両端に当接して上部絶縁板４ａと下部絶縁板４ｂが配置され、その状態で電池ケース２内に収容されている。

極板群３において、正極板はアルミ箔から成る芯材に正極合剤を塗着・乾燥して構成され、負極板は銅箔から成る芯材に負極合剤を塗着・乾燥して構成され、セパレータは多孔性ポリプロピレンフィルムなどにて構成されている。また、二次電池としての充放電リザーブを設けるために、図５に示すように、正極板５よりも負極板６方が上下及び長手方向に大きく形成されており、負極板６は正極板５の上下に所定寸法だけ突出するとともに、両端部も長く延びている。なお、図５ではセパレータを省略して図示している。そして、ＩＥＣ規格「ＩＮＲ２６６５０」（外径２６ｍｍ×高さ６５ｍｍ）程度の比較的大容量の電池において、大電流を効率的に取り出せるように、正極板５の中央部に単一の広幅の正極リード７が接合され、負極板６の両端部に正極リード７の略半分の狭幅である一対の負極リード８ａ、８ｂが接合されている。

電池ケース２の上端部には、外面からの溝入れ加工により内側に突出して上部絶縁板４ａの外周部に上方から係合する段部９が設けられている。電池ケース２内の段部９上には絶縁ガスケット１０を介して組立封口板１１が挿入配置されている。この組立封口板１１は、電池ケース２の開口縁部を内側にかしめ加工することによって絶縁ガスケット１０を介して密封性と電池ケース２に対する電気絶縁性を確保した状態で電池ケース２に一体的に固着されている。

組立封口板１１は、図４に示すように、電池ケース２内に臨む内面を形成するとともに通気孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃが形成されたフィルタ１２と、ガスケット１４を介してフィルタ１２と絶縁された状態で外部に臨む外面を形成するとともに排気孔１６が形成されたキャップ１５と、フィルタ１２とキャップ１５の間の空間に内蔵され、電池ケース内が所定圧力以上になると破断して、極板群３とキャップ１５間の通電経路を遮断するとともに、通気孔１３ａ、１３ｂと排気孔１６を連通させる安全弁機構１７と、安全弁機構１７とキャップ１５の間に介装されたＰＴＣ素子１８とを備えている。

安全弁機構１７は、下弁体１９と上弁体２０から成り、かつ下弁体１９と上弁体２０の外周部がガスケット１４を介して相互に絶縁された状態でフィルタ１２とキャップ１５にて挟持され、下弁体１９と上弁体２０の中央部の接続部２１で相互に接続されるとともに、その周囲に所定以上の圧力が作用した時に破断する破断部２２が形成されて構成されている。

フィルタ１２には、直径方向に対向して一対の長方形の通気孔１３ａが、それと直交する直径方向に対向して一対の長方形の通気孔１３ｂが、中央部に円形の通気孔１３ｃが形成されている。通気孔１３ａは、電池ケース２内側に突出する切り起こし片２３を成形することによって形成される開口部にて構成されており、切り起こし片２３は、図１に示すように、その先端が上部絶縁板４ａに当接するように形成されている。なお、切り起こし片２３の突出量に比べて通気孔１３ａの開口幅を大きく設定する場合には一部を打ち抜き、一部を切り起こして形成される。通気孔１３ｂと通気孔１３ｃは、正極リード７と干渉する恐れがないように打ち抜き形成されている。

なお、切り起こし片２３は、正極リード７と干渉しないように適宜に配設すれば良く、例えば図４の例では、切り起こし片２３を通気孔１３ａ、１３ａの互いに遠い方の側辺にのみ設けているが、切り起こし片２３とは別に通気孔１３ａ、１３ａの互いに近い側の側辺に、安全弁機構１７側に向けて逆方向に突出する切り起こし片を設けて補強効果が得られるようにしても良い。また、任意の通気孔１３ａの全周に断続的に切り起こし片２３を設けてもよい。また、一対の通気孔１３ａ、１３ａと正極リード７と干渉する恐れのない一方の通気孔１３ｂとに切り起こし片２３を設けても良い。

また、フィルタ１２の各通気孔１３ａ、１３ｂ間には、フィルタ１２の面剛性を高めるため、組立封口板１１の内側に凹む補強凹部２４が半径方向に延出させて形成されている。なお、補強凹部２４に代えて、図４（ｃ）に仮想線で示すように、電池ケース２側に突出する補強突部２４ａを形成しても良い。また、補強凹部２４や補強突部２４ａは、通気孔１３ａ、１３ｂの間に限らず、通気孔１３ａ、１３ｂの周縁に設けても良い。このように、補強凹部２４や補強突部２４ａの大きさや数や配設状態は、安全弁機構１７の作動を阻害せず、正極リード７と干渉しないという条件下でできるだけ面剛性を高めるように適宜設計すれば良い。

キャップ１５の中央部には、図２に示すように、平面形状が四角形以上の多角形状、図示例では六角形の接続突部２５が突出成形され、その各辺を形成する立ち上がり側壁に、図１、図３、図４に示すように、複数の排気孔１６が形成されている。これにより、安全弁機構１７の作動を阻害する恐れのある異物などの侵入を防止できるように、個々の排気孔１６の面積を小さく制限しながら、複数の排気孔１６の総面積を十分に確保して異常時にガスを円滑に排気できようにしている。

極板群３の正極リード７は、極板群３の上端の半径方向中間部から上方に延出され、上部絶縁板４ａを貫通して突出しており、図８に示すように、組立封口板１１の一対の通気孔１３ａ、１３ａ間の下部に正極リード７の上端部が位置するように組立封口板１１を配置し、その状態で正極リード７の先端をフィルタ１２の中央部にある通気孔１３ｃの下部位置に溶接部２６にて接続し、その後組立封口板１１を電池ケース２の開口部に嵌合させることで、図３に示すように、何れの通気孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃも塞がない折り返し状態で収容されている。

一方、極板群３の負極リード８ａ、８ｂは、図６に示すように、極板群３の下端における半径方向の中央部と外周縁部からそれぞれ下方に延出されており、極板群３の中心部近傍から延出された負極リード８ａは電池ケース２の内底面２ａに沿って径方向外方に向けて曲げて延出させた後、折り返し部２７で径方向内方に向けて折り返されて中央部まで延設されている。また、極板群３の外周縁部近傍から延出された負極リード８ｂは電池ケース２の内底面２ａに沿って径方向内方に向けて曲げられて中央部まで延設されている。これら負極リード８ａ、８ｂの先端部が極板群３の中心部で電池ケース２の内底面２ａに溶接部２８にて接続されている。また、下部絶縁板４ｂの下面の折り返し部２７に対応する部分に、折り返し部２７の少なくとも一部を収容できる凹部２９が形成されている。

次に、以上の二次電池１の製造工程について、図７、図８を参照して説明する。まず、正極リード７と負極リード８ａ、８ｂが上下端から突出された極板群３を構成した後、図７（ａ）に示すように、正極リード７と負極リード８ａ、８ｂにそれぞれ上部絶縁板４ａと下部絶縁板４ｂを挿通して極板群３の上下端に当接配置する。次に、図７（ｂ）に示すように、負極リード８ａ、８ｂを上記のように折り曲げ加工を行う。次に、図７（ｃ）に示すように、この極板群３を電池ケース２内に挿入した後、電池ケース２の上端部に段部９を溝入れ加工して極板群３を電池ケース２内に収納固定し、負極リード８ａ、８ｂの先端部を電池ケース２の内底面２ａに溶接して接続し、所定量の電解液を注入する。次に、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、正極リード７の上端部を組立封口板１１のフィルタ１２に上記のように溶接して接続する。その後、組立封口板１１の外周に絶縁ガスケット１０を装着した状態で、電池ケース２の開口部に嵌合し、電池ケース２の開口縁部をかしめて封止することで二次電池１が完成する。

以上の本実施形態の二次電池１によれば、組立封口板１１のフィルタ１２にガス排気通路となる通気孔１３ａを構成するために形成した切り起こし片２３によって、上部絶縁板４ａを介して極板群３の一端を支持しているため、衝撃や振動を受けた場合でも極板群３が移動するのを確実に防止することができ、極板群３や絶縁板４ａの移動やそれに伴う正極リード７の変形によってフィルタ１２の通気孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃが塞がれる恐れがなく、円滑にガスを排気する通路を確保することができ、安全性を確保できる。

また、極板群３が移動しないように拘束されることで、極板群３の他端から延出された負極リード８ａ、８ｂと電池ケース２との接続部が極板群３の移動によって外れる恐れも無くすことができる。また、大電流の取り出し時には正極リード７での発熱量が多いために高温になり易いが、正極リード７の近傍側部に位置する切り起こし片２３にてその熱が吸収されて組立封口板１１の全体にて放熱されるので、正極リード７が高温になるのを抑制することができ、大電流に対する適性を向上できる。また、切り起こし片２３の形成により組立封口板２２のフィルタ１２の面剛性が向上するので、電池ケース２の内圧の上昇に伴う変形によって安全弁機構１７の作動に障害が生じるのを防止する効果も得られる。

また、切り起こし片２３にて形成される通気孔１３ａを組立封口板１１の直径方向に対向する両側部に配設し、それらの間の空間に正極リード７を配置し、この正極リード７を配設する空間の通気孔１３ｂ、１３ｃは打ち抜き形成しているので、切り起こし片２３と正極リード７が干渉することがなくかつ高い放熱効果が得られるとともに、通気孔１３ａ、１３ｂ、１３ｃの総開口面積を十分に確保することができる。

また、組立封口板１１のフィルタ１２における通気孔１３ａ、１３ｂ間に、面剛性を高める補強凹部２４又は補強突部２４ａをプレス成形しているので、組立封口板１１のフィルタ１２の面強度を確保でき、電池ケース２の内圧の上昇に伴う変形によって安全弁機構１７の作動に障害が生じるのを防止できる。

また、組立封口板１１の外面を形成するキャップ１５の中央部に、多角形状の接続突部２５を突出成形し、その多角形の各辺を形成する立ち上がり側壁に排気孔１６を形成しているので、安全弁機構１７の作動を阻害する恐れのある異物などの侵入を防止できるように、各排気孔１６の面積を小さく設定しても排気孔１６の総面積を十分に確保でき、異常時にガスを円滑に排気できて高い安全性を確保することができる。

また、負極リード８ａ、８ｂを極板群３の中心部近傍と外周縁部近傍とから延出し、中心部近傍から延出された負極リード８ａは電池ケース２の底面２ａに沿って径方向外方に延出させた後折り返し部２７で折り返し、外周縁部近傍から延出された負極リード８ｂは電池ケース２の底面２ａに沿って径方向内方に延出し、極板群３の中心部でこれら負極リード８ａ、８ｂの先端部を電池ケース２の底面２ａに接続しているので、衝撃や振動によってたとえ極板群３が電池ケース２の底面２ａから離間するように多少移動したとしても、その移動量を負極リード８ａの折り返し部２７と負極リード８ｂの変形によって容易に吸収することができ、それらの負極リード８ａ、８ｂと電池ケース２の底面２ａとの接続部に過大な力が作用して外れるというような恐れがなく、耐衝撃性の高い電池を得ることができる。

また、極板群３の他端と電池ケース２の底面２ａとの間に介装した下部絶縁板４ｂに、負極リード８ａの折り返し部２７に対向して凹部２９を設けているので、折り返し部２７が凹部２９内に収容されることで、折り返し部２７に局部的に過大な応力が作用することがなく、負極リード８ａの折り返し部２７での破断を確実に防止することができる。

本発明の二次電池は、その電池ケースを封口する組立封口板に設けられる安全機構の通気孔を切り起こし片によって形成し、その切り起こし片にて絶縁板を介して極板群の一端を支持した構成であるので、衝撃や振動を受けた場合でも極板群の移動を確実に防止できて耐衝撃性を向上することができ、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの各種二次電池に有用である。

本発明の一実施形態である二次電池の縦断面図。同実施形態の二次電池の上面図。図１のＡ−Ａ矢視縦断面図。同実施形態の二次電池の組立封口板を示し、（ａ）は底面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図。同実施形態の二次電池の極板群における電極板の展開模式図である。同実施形態の二次電池の下端部の詳細縦断面図。同実施形態の二次電池の製造工程を示す断面図。同実施形態の二次電池の製造工程における組立封口板を接続する工程を示し、（ａ）、（ｂ）は互いに直交して縦断した縦断面図。従来例の二次電池の縦断面図。同従来例の組立封口板の断面図。同従来例の二次電池が衝撃を受けた時の状態を示す縦断面図。

符号の説明

１二次電池
２電池ケース
２ａ底面
３極板群
４ａ上部絶縁板
４ｂ下部絶縁板
７正極リード
８ａ、８ｂ負極リード
１１組立封口板
１２フィルタ
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ通気孔
１５キャップ
１６排気孔
１７安全弁機構
２３切り起こし片
２４補強凹部
２４ａ補強突部
２５接続突部
２７折り返し部
２８溶接部
２９凹部

Claims

電池ケース内に極板群と電解液が収容され、電池ケースの一端開口が、電池ケース内が所定以上の圧力になったとき圧力を外部に排出する安全機構を内蔵し、かつ電池ケースに対して絶縁された組立封口板で封口され、極板群の一端から延出された一方の極性のリードが組立封口板に接続され、極板群の他端から延出された他方の極性のリードが電池ケースに接続された二次電池において、組立封口板の電池ケース内に臨む通気孔の少なくとも一部を切り起こし片の形成による開口部にて構成するとともに、切り起こし片の先端を極板群の一端に接して配設された絶縁板に当接させ、かつ他方の極性にあるリードの少なくとも一部は、電池ケースの内底面に沿って延出するとともにその中間部に折り返し部を設けて先端部を電池ケースの底面に接続したことを特徴とする二次電池。
切り起こし片にて形成される通気孔を組立封口板の直径方向に対向する両側部に配設し、それらの間の空間に一方の極性のリードを配置し、このリード配設空間の通気孔は打ち抜き形成されたことを特徴とする請求項１記載の二次電池。
組立封口板の通気孔を形成している壁面における通気孔の開口縁部若しくは通気孔間に、面剛性を高める凹部又は突部をプレス成形したことを特徴とする請求項２記載の二次電池。
組立封口板の外面を形成するキャップの中央部に、平面形状が四角形以上の多角形状の接続突部を突出成形するとともに、多角形の各辺を形成する立ち上がり側壁に排気孔を形成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の二次電池。