JP5037527B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関し、特に、底部に安全装置を設けた二次電池に関する。

大容量電源装置である二次電池は、すでに種々の分野において広範に適用されている。通常の二次電池が、機械的圧縮、衝撃、高温、短絡、過充電等の異常な条件で動作する場合、電池内に大量の熱が瞬時に蓄積され、電池の内圧が急激に増加するため、これが電池の発煙、発火、または爆発に繋がる可能性があり、従って、事故、主要な財産の損失、人員の安全に対する危険さえも引き起こすことがある。そのため、二次電池の安全に対する要求が一層高まってきている。

従来の二次電池は、通常特別の安全装置を具備せず、安全保護のための外部の保護回路に頼っているのみであり、これは、二次電池の適用範囲の拡大を制約している。電池の安全性に対する要求を満たすため、設計者によっては電池の脆弱部として一定の形状を有する溝を電池の表面に刻装または圧壊によって設け、溝は、電池のそれ以外の部分よりも比較的小さい耐圧力を有している。従って、電池の不正常な動作の際にその内圧が上昇すると、溝が最初に破損し、これによって爆発または発火のような安全災害を回避するようにしている。しかし、電池の表面の材料と溝の製作工程とに対する制約のせいで、溝を機械加工することは困難であり、溝の厚さの均一性を確保することは殆ど不可能である。従って、電池の内圧が安全上の所定の閾値に到達した場合、溝が破損することを確実にすることのできるような電池の内圧の安全上の所定の閾値に対応するような均一な厚さを有する溝を製作することは極めて困難である。

現在、市販の筒状リチウムイオン電池は、通常、電池の陽極タブと陽極端子との間に電流の遮断装置（ＣＩＤ）または正温度係数感熱性素子（ＰＴＣ）を備える。電池が不正常な動作状態にある場合、電池の内圧または温度が上昇して安全装置を作動させ、これによって事故を回避する。しかし、これら二つの設計には下記の欠点がある。

１．電池が高速放電を行う場合、電池自体の温度が大幅に上昇して急速にＰＴＣを始動し、電池は正常に動作することができず、このため電池の高速電池に対する適用が制約される。

２．既存の電流遮断装置は、全て陽極端部（電池ケーシングの開放端部）に取り付けられている。装置は始動するために圧力を必要とするため、シールが要求され、従って電池はシール形成工程によってのみ製造することができる。そして、完成した電池の内部の内圧は高く、これは電池にとって安全でない要素をもたらす。

３．既存の電流遮断装置は全て陽極端部（電池ケーシングの開放端部）に取り付けられているため、電池の陰極および陽極を隔離して短絡を回避するため、絶縁材料が必要である。装置は電池内に支持部を必要としており、（さもなければ、装置は正常に使用することができない）、従って既存の電池を密閉するためには、プレスによるシール工程のみを採用することができる。その工程によって製造された電池は電解液の漏洩という問題を有しており、これは環境汚染と電池の寿命の短縮に繋がる。

本発明の目的は、電池の底部に安全装置を設けた二次電池を提供することである。

目的を達成するため、本発明は二次電池を提供し、それは、筒状のケーシングと、ケーシング内に収容されケーシング内にシールされた電極コアおよび電解液とを含む。ケーシングの底端部は閉止され、ケーシングの他方の端部は、電極コアと電解液とが詰められた後、端部カバーによってシールされる。電極コアは、陽極板と、陰極板と、陽極タブと、陰極タブとを備え、安全装置がケーシングの底部の内面と電極コアとの間に取り付けられている。絶縁部材が、安全装置と電極コアとの間に配置されている。安全装置は、導電性の電流遮断部材と適当な高さを有する絶縁保持部材とを備える。電流遮断部材は、支持部と組立溶接部とを備える。支持部は、保持部材上で電流遮断部材を支持するように配置されている。安全装置の電流遮断部材の組立溶接部は、ケーシングの底部の内面に溶接されている。電極コアの陽極タブと陰極タブの一方が安全装置の電流遮断部材の支持部と電気的に接続され、絶縁材料が、ケーシングの壁部と、陽極タブ及び陰極タブの一方の極性と同一の極性を有する陽極板又は陰極板との間に設けられる。

本発明による二次電池では、安全装置の導電性の電流遮断部材を保持部材上に支持され、電流遮断部材の組立溶接部がケーシングの底部の内面に溶接される。電池の内圧が上昇すると、電流遮断部材の本体に張力が加わる。張力が一定の程度を超えると、電流遮断部材の本体が破壊され、または電流遮断部材の組立溶接部とケーシングの底部との間の溶接構造が破損する。その結果、電流遮断部材はケーシングの底部から分離され、電流遮断を実行するようにし、内圧の連続的上昇を回避し、安全災害を防止する。

本発明による二次電池では、安全装置は筒状のケーシングの底部と電極コアとの間に強固に保持され、安全装置の電流遮断部材の支持部が電流遮断部材を安全装置の保持部材上に支持し、安全装置の電流遮断部材の組立溶接部は筒状のケーシングの底部の内面上に溶接される。安全装置を電池の底部上に配置することにより、電池の形成工程が制約を受けることがなくなり、これによって開放形成工程またはシール（閉鎖）形成工程の何れかを使用することができる。シールの方法は制約されることがなく、シールは、プレスによるシール以外に、レーザー溶接のような他のシール方法により実現することができ、これによって電解液の漏洩を回避する。

支持部が保持部材上に固定されて電流遮断部材を保持部材上に支持する、または支持部が保持部材と絶縁部材との間に強固に保持されて電流遮断部材を保持部材上に支持するという方法により、電流遮断部材は安全装置の支持部によって保持部材上に支持される。支持部は、保持部材と絶縁部材との間に強固に保持されるのが好ましい。

電流遮断部材は、逆Ｌ字型（即ち、縦方向の断面が逆Ｌ字型である）に形成してもよい。この場合、逆Ｌ字型電流遮断部材の水平部分は、保持部材と絶縁部材との間で強固に保持される支持部として使用され、逆Ｌ字型電流遮断部材の直立部分の自由端は、ケーシングの底部の内面上に溶接される組立溶接部として使用される。あるいは、電流遮断部材はＬ字型（即ち、縦方向の断面がＬ字型である）に形成しても良い。この場合、Ｌ字型電流遮断部材の直立部分の自由端は支持部として使用され、Ｌ字型電流遮断部材の水平部分は組立溶接部として使用される。逆Ｌ字型電流遮断部材とＬ字型電流遮断部材の場合、組立溶接部は、ケーシングの底部の内面の中心前後に溶接するのが好ましい。

安全装置には複数のＬ字型または逆Ｌ字型電流遮断部材を設けてもよく、またはこれら２つのＬ字型及び逆Ｌ字型電流遮断部材の組み合わせを設けてもよい。

電流遮断部材は溝形状構造であってもよく、溝形状構造の底部の外面は、ケーシングの底部の内面上に溶接される組立溶接部として使用され、溝形状構造の溝の壁部または溝の壁部から外側に延出する支持アームは、支持部として使用される。溝形状の電流遮断部材の支持アームは、水平位置に対して溝形状構造の外部空間に向かって折曲げられた溝の壁部の上端部であることが好ましい。

電流遮断部材はホッパー形状の構造であってもよく、電流遮断部材の本体から外側に延出するフランジは支持部として使用され、電流遮断部材の本体の底部の外面は組立溶接部として使用される。ホッパー形状の電流遮断部材のフランジは、水平位置に対してホッパー形状の構造の外部空間に向かって折曲げられたホッパーの壁部の上端部であることが好ましい。

ホッパー形状の電流遮断部材の場合、貫通孔を電流遮断部材の本体のホッパーの壁部に設けてもよく、その結果、電池の内圧が上昇した場合、電流遮断部材の組立溶接部と溶接されたケーシングの底部の内面は直接押圧されてもよく、ケーシングの底部の内面はまた、電流遮断部材に張力作用を加える。従って、電流遮断部材のホッパーの壁部には、電池の内圧の増加に起因する張力が加えられ、同時に組立溶接部と共に溶接されたケーシングの底部の内面は、電流遮断部材に対して大きな張力を加え、電池の内圧の増加に対する電流遮断部材の感度が向上し、それにより良好な電流遮断と安全保護機能とを実行するようにする。

支持部の厚さは０．２ｍｍ以上であり、組立溶接部の厚さは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍである。

保持部材は、支持機能を有するプラットフォーム構造であってもよく、または複数の保持部材を採用してもよい。保持部材は環状構造であることが好ましく、適当な高さを保持部材の環状構造の二つの端面の間で保持し、保持部材の環状構造のキャビティを介して電流遮断部材の組立溶接部がケーシングの底部の内面上に溶接される。

安全装置の電流遮断部材は、必要に応じて様々なデザインであってもよい。電流遮断部材の組立溶接部とケーシングの底部の内面との間の溶接強度が電流遮断部材の引張強度より大きく、電池の内圧が所定値まで上昇すれば、電流遮断部材の本体が最初に破損し、それにより、電池内の電流ループを遮断するようにする。そして、電流遮断部材の組立溶接部とケーシングの底部の内面との間の溶接構造は破損しない。電流遮断部材の組立溶接部とケーシングの底部の内面との間の溶接強度が電流遮断部材の引張強度より小さく、電池の内圧が所定値まで上昇すれば、電流遮断部材の組立溶接部とケーシングの底部の内面との間の溶接構造が破損し、電流遮断部材はケーシングの内端面から分離され、それにより、電池内の電流ループを遮断するようにする。この点で電流遮断部材の本体は破損しない。

本発明による二次電池は、その底部に安全装置が設けられ、構造は簡単であり、電池の形成工程とシール方法には制約がない。

本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図１〜図４は、本発明の一実施例による二次電池を示す。

二次電池は、安全装置１６と、ケーシング１１と、電極コア１２と、上部スペーサリング１３と、底部スペーサリング１４と、カバープレートアセンブリ１５と、電解液（図示せず）とを備える。金属材料よりなるケーシング１１は中空の円筒形状であり、ケーシングの底部はケーシングの壁部と一体化され、ケーシングの上端部はカバープレートアセンブリ１５によって閉止されている。ケーシング１１の内部キャビティの断面および安全装置１６の断面は、いずれも同一半径を有する円形である。上部スペーサリング１３及び底部スペーサリング１４は絶縁材料でできており、この底部スペーサリング１４は絶縁部材を構成している。

安全装置１６はケーシング１１の底端部と底部スペーサリング１４との間に取り付けられている。安全装置１６は、導電性のホッパー形状の電流遮断部材１６１と、電流遮断部材１６１を支持する環状の絶縁保持部材１６２とを備える。ケーシング１１の内部キャビティの断面および保持部材１６２の断面は、いずれも同一半径を有する円形である。

電流遮断部材１６１は、ホッパー形状本体１６３と、ホッパー形状本体１６３の上端部から水平方向に延出する円形のシート形状支持部１６４とを備える。組立溶接部は、ホッパー形状本体１６３の底部の下面に位置する。電流遮断部材１６１のホッパー形状本体１６３の底部の下面は、ケーシングの底部の内面上に溶接されている。電池の内圧の増加に対する安全装置１６の感度を向上させるため、電流遮断部材１６１のホッパー形状本体１６３の壁部に開口部１６５が設けられている。

保持部材１６２は環状構造を有する。支持部１６４と一致した寸法と形状を有する溝が、保持部材１６２の上面に設けられている。溝は、支持部１６４の厚さＨ１に等しい深さを有する。保持部材１６２の高さＨ３は、支持部１６４の上面とホッパー形状本体１６３の底部の下面との間の垂直距離に等しい。安全装置１６の支持部１６４は、ケーシングの底部と底部スペーサリングとの間に強固に保持されている。

支持部１６４の厚さＨ１は少なくとも０．２ｍｍ以上であり、電流遮断部材１６１の組立溶接部における厚さＨ２は０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍである。

電極コア１２は、陽極板１７と、陰極板１８と、セパレータ１９とを備える。

陽極板１７は、ベルト形状金属箔（アルミ箔のような）によって形成された陽極電流コレクタを備え、陽極活性物質層が陽極電流コレクタの少なくとも一方の側に塗布されている。陽極活性物質層は、酸化リチウムコバルト（主成分として）と、陽極接着剤と、陽極導電性材料とを備える。陽極タブ１７１は、溶接によって陽極板１７の一方の側に固定されている。

陰極板１８は、ベルト形状金属箔（銅箔のような）によって形成された陰極電流コレクタを備え、陰極活性物質層が陰極電流コレクタの少なくとも一方の側に塗布されている。陰極活性物質層は、炭素材料（陰極活性物質として）と、陰極接着剤と、陰極導電性材料とを備える。陰極タブ１８１は、陰極板１８の一方の側と電気的に接続されている。絶縁材料層が陰極板１８とケーシング１１の内壁との間に設けられ、これらを相互に絶縁する。

セパレータ１９は、多孔性絶縁材料、好ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはこれらの複合膜によって形成される。

電解液は、（ＬｉＰＦ_６のような）リチウム塩と、（適当な比率で混合されたＥＣ、ＤＭＣ、ＥＭＣ、及びＰＣから構成される溶剤のような）混合溶剤とを備える。

陽極タブ１７１の上端部は電極コア１２に対して上方に突出し、陰極タブ１８１の下端部は電極コア１２に対して下方に突出している。電極コア１２は、ケーシング１１に収容されている。

電極コア１２の上部において、カバープレートアセンブリ１５は、ケーシング１１の開放端部に取り付けられ、電池の内部空間をシールしている。

カバープレートアセンブリ１５は、カバープレート１５１と、絶縁部材１５２と、リベット１５３とを備える。シール構造は、カバープレート１５１とケーシング１１とをレーザー溶接することによって形成される。リベット１５３は、絶縁部材１５２を介してカバープレート１５１から絶縁されると共に、電極コア１２の陽極タブ１７１に電気的に接続され、電池の陽極端子として使用されるようにしている。

電極コア１２とカバープレートアセンブリ１５との間に設けられた上部スペーサリング１３および電極コア１２と安全装置１６との間に設けられた底部スペーサリング１４は、電極コア１２の陽極板と陰極板に同時に接触するカバープレートアセンブリ１５と電極コア１２の陽極板と陰極板に同時に接触する安全装置１６の電流遮断部材１６１とによって引き起こされる短絡を防止するように配置される。

陰極板１８は、電極コア１２の下端部で露出した陰極タブ１８１を介して安全装置１６の支持部１６４と電気的に接続されている。ケーシング１１の底部は、安全装置１６のホッパー形状本体１６３の底部の下面に溶接されている。このため、陰極タブ１８１はケーシング１１、従って、ケーシング１１の底部と電気的に接続され、それゆえケーシングの底部が電池の陰極端子として使用される。

電極コア１２から引き出された陽極タブ１７１は、安全装置１６の支持部１６４に溶接されている。

電池１０の内圧が増加すると、電池内部の電解液及びガスの圧力増加作用によって、張力が電流遮断部材１６１に加えられる。内圧が一定の程度に上昇すると、電流遮断部材１６１のホッパー形状本体１６３の底部の下面とケーシング１１の底部との間の溶接構造が破損する。そして、ホッパー形状本体１６３の底部がケーシング１１の底部から分離され、電流遮断を実行すると共に安全災害を防止する。

実施例１と実施例２との間の違いは、実施例２は他の安全装置を採用しているという点である。

図５は、実施例２の安全装置の一部を示す。この安全装置と実施例１の安全装置との間の違いは、実施例１の電流遮断部材１６１は逆Ｌ字型電流遮断部材１６６によって置き換えられているという点である。

図５は、保持部材１６７の一部を縦方向のみに切断して示す図である。

逆Ｌ字型電流遮断部材１６６の水平部分は支持部として使用され、逆Ｌ字型電流遮断部材１６６の直立部分の自由端は組立溶接部として使用される。逆Ｌ字型電流遮断部材の水平部分と一致する形状と寸法を有する溝が、保持部材１６７の上面に設けられる。溝の深さは逆Ｌ字型電流遮断部材の水平部分の厚さに等しく、保持部材１６７の高さＨ５は電流遮断部材１６６の高さＨ４に等しい。

陰極タブ１８１は逆Ｌ字型電流遮断部材の水平部分と溶接され、逆Ｌ字型電流遮断部材１６６の直立部分の自由端はケーシングの底部の内面の中央部と溶接されている。

電池の内圧が上昇すると、電池内部の電解液及びガスの圧力増加作用によって、張力が電流遮断部材１６６に加えられる。内圧が一定の程度に上昇すると、逆Ｌ字型電流遮断部材１６６の直立部分の自由端とケーシングの底部の内面との間の溶接構造が破損する。そして、電流遮断部材１６６がケーシングの底部から分離され、電流遮断機能を実行すると共に安全災害を防止する。

電流遮断部材１６６の破壊強度及び電池の内圧等の詳細な条件に従って、２つ以上の電流遮断部材１６６が環状の保持部材１６７の周辺に均等に配置されても良い。

本発明の一実施例による二次電池の断面図である。 図１の安全装置１６の斜視図である。 図２の安全装置１６の平面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の別の実施例による二次電池の安全装置の部分斜視図である。

Claims (11)

1. 筒状のケーシングと、前記ケーシング内に収容され前記ケーシング内にシールされる電極コアおよび電解液とを備え、前記ケーシングの底端部は閉止され、前記ケーシングの他方の端部は、前記電極コアと前記電解液とが詰められた後、端部カバーによってシールされ、前記電極コアは、陽極板と、陰極板と、陽極タブと、陰極タブとを備える二次電池であって、
   安全装置が前記ケーシングの底部の内面と前記電極コアとの間に取り付けられ、絶縁部材が前記安全装置と前記電極コアとの間に設けられ、前記安全装置は導電性の電流遮断部材と適当な高さを有する絶縁保持部材とを備え、前記電流遮断部材は支持部と組立溶接部とを備え、前記支持部は、前記保持部材上で前記電流遮断部材を支持するように配置され、前記組立溶接部は前記ケーシングの底部の内面に溶接され、前記電極コアの前記陽極タブと前記陰極タブの一方が前記電流遮断部材の前記支持部に電気的に接続され、絶縁材料が、前記ケーシングの壁部と前記陽極タブ及び前記陰極タブの一方の極性と同一の極性を有する前記陽極板または前記陰極板との間に設けられ、前記支持部は前記保持部材上に固定されて前記電流遮断部材を前記保持部材上に支持し、または前記支持部は前記保持部材と前記絶縁部材との間に強固に保持されて前記電流遮断部材を前記保持部材上に支持することを特徴とする二次電池。
2. 前記電流遮断部材は逆Ｌ字型の縦断面を有し、逆Ｌ字型の前記電流遮断部材の水平部分は前記支持部として使用され、逆Ｌ字型の前記電流遮断部材の直立部分の自由端は前記組立溶接部として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記安全装置は複数の前記電流遮断部材を備えることを特徴とする、請求項２に記載の二次電池。
4. 前記電流遮断部材は溝形状構造をしており、前記組立溶接部は前記溝形状構造の底部の外面上に位置し、前記溝形状構造の壁部が前記支持部として使用され、または前記溝形状構造の壁部から外側に延出する支持アームが前記支持部として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記電流遮断部材はホッパー形状本体を備え、前記ホッパー形状本体から外側に延出するフランジが前記支持部として使用され、前記ホッパー形状本体の底部の外面が前記組立溶接部として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
6. 貫通孔が、前記電流遮断部材の前記ホッパー形状本体の壁部に設けられることを特徴とする、請求項５に記載の二次電池。
7. 前記支持部の厚さは０．２ｍｍ以上であり、前記電流遮断部材の前記ホッパー形状本体の底部の厚さは、０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
8. 前記電流遮断部材の前記ホッパー形状本体の底部の厚さは、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍであることを特徴とする、請求項７に記載の二次電池。
9. 前記保持部材は環状構造をしており、前記環状構造の２つの端面の間に適当な高さが保持され、前記電流遮断部材の前記組立溶接部が前記環状構造のキャビティを介して前記ケーシングの底部の内面に溶接されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の二次電池。
10. 前記安全装置の前記電流遮断部材の前記組立溶接部と前記ケーシングの底部の内面との間の溶接強度は、前記電流遮断部材の引張強度よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の二次電池。
11. 前記安全装置の前記電流遮断部材の前記組立溶接部と前記ケーシングの底部の内面との間の溶接強度は、前記電流遮断部材の引張強度よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の二次電池。

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