JP5062463B2 - Square battery case and square battery - Google Patents
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Description
本発明は、安全性に優れた角形電池ケース及びその角形電池ケースを用いた角形電池に関し、詳しくは短絡や過充放電等の異常発生時に発生する電池の内圧上昇や電池温度上昇に対する安全構造に特徴を持つ角形電池ケース及び角形電池に関する。 The present invention relates to a prismatic battery case excellent in safety and a prismatic battery using the prismatic battery case. The present invention relates to a prismatic battery case and a prismatic battery having features.
電池には高エネルギー密度、高出力であることが望まれており、エネルギー密度の高い電池が提供されている。それらの電池はエネルギー密度が高い故に、電池に何らかの不具合(短絡など)が発生した場合には電池内で大量のガスが発生するなどの不具合が発生するおそれがあった。そのために通常運転時の密閉性と異常発生時のガス排出性とを両立するためにガス抜き弁が設けられている(特許文献1〜3など)。 Batteries are desired to have high energy density and high output, and batteries with high energy density are provided. Since these batteries have a high energy density, there is a possibility that a problem such as a large amount of gas is generated in the battery when a certain problem (such as a short circuit) occurs in the battery. For this purpose, a gas vent valve is provided in order to achieve both airtightness during normal operation and gas exhaustability when an abnormality occurs (Patent Documents 1 to 3, etc.).
従来の角形電池ケースにおける巻回型電極体とガス抜き弁との位置関係を例示すると、図8に示すように、角形電池ケース本体部93と蓋体92と蓋体92に設けられたガス抜き弁94とを有する構成が挙げられる。図8(a)に示す角形電池では、巻回型電極体91の巻回軸が角形電池ケース本体部93に巻回型電極体91を挿入する方向(すなわち、開口方向である)に直交する方向(X−X’方向)に向いている。図8(b)に示す角形電池では、巻回型電極体91’の巻回軸が角形電池ケース本体部93に巻回型電極体91’を挿入する方向に平行な方向(Z−Z’方向)に向いており、蓋体92に設けられたガス抜き弁94は巻回面95’に対向する位置に設けられている。
As an example of the positional relationship between the wound electrode body and the gas vent valve in the conventional rectangular battery case, as shown in FIG. 8, the prismatic battery case
そして、図9に示すように、角形電池ケース本体部93’と蓋体92’と角形電池ケース本体部93’に設けられたガス抜き弁94’とを有する構成が挙げられる。図9に示す角形電池では、巻回型電極体91の巻回軸が角形電池ケース本体部93に巻回型電極体91を挿入する方向(すなわち、開口方向である)に直交する方向(X−X’方向)に向いている。そして、ガス抜き弁94’はその巻回面95に対向する面に設けられている。
And as shown in FIG. 9, the structure which has the square battery case main-body part 93 ', the cover body 92', and the gas vent valve 94 'provided in the square battery case main-body part 93' is mentioned. In the rectangular battery shown in FIG. 9, the winding axis of the
ここで、短絡など、角形電池に異常が発生して角形電池ケース内の巻回型電極体91及び91’からガスが発生する場合について説明する。まず、図8(a)に示す角形電池について説明すると、発生する高温ガスは巻回型電極体91の巻回面95から巻回軸に沿って吹き出しX−X’方向に噴出する。噴出したガスは角形電池ケース本体部93の側面に当たった後、角形電池ケース本体部93と巻回型電極体91との間を通って蓋体92側に至り、圧力上昇により開口するガス抜き弁94から外部に噴出する。
Here, a case where an abnormality occurs in the prismatic battery, such as a short circuit, and gas is generated from the
図8(b)に示す角形電池について説明すると、発生する高温ガスは巻回型電極体91’の巻回面95’から巻回軸に沿って吹き出しZ−Z’方向に噴出する。噴出したガスは蓋体92側に至り、圧力上昇により開口するガス抜き弁94から外部に噴出する。
The rectangular battery shown in FIG. 8B will be described. The generated high-temperature gas is ejected from the winding surface 95 'of the wound electrode body 91' along the winding axis in the blowing Z-Z 'direction. The ejected gas reaches the
図9に示す角形電池についても説明すると、発生する高温ガスは巻回型電極体91の巻回面95から巻回軸に沿って吹き出しX−X’方向に噴出する。噴出したガスは角形電池ケース本体部93’の側面に至り、圧力上昇により開口するガス抜き弁94’から外部に噴出する。
The square battery shown in FIG. 9 will also be described. The generated high-temperature gas is ejected from the
ガス抜き弁94及び94’から噴出ガスが放出されることで角形電池ケース本体部93及び93’や蓋体92及び92’は破損せず、ガス抜き弁94及び94’から想定した方向にガスを噴射・排出することができる。
しかしながら、図8(a)に示した角形電池では、巻回面95からガス抜き弁94までの距離が長い上に、ガス流路の断面積も確保し難いため、高温の噴出ガスがスムーズに流れず電池内部の圧力が上昇し、時として破裂に至る危険性がある。また噴出ガスがスムーズに流れない場合、角形電池ケース本体部93の直接高温ガスに曝される側面部では、角形電池ケース本体部93が軟化・溶融することも考えられる。
However, in the prismatic battery shown in FIG. 8A, the distance from the
図8(b)や図9に示した角形電池では、ガス発生時の反力によって、巻回型電極体91又は91’がガス抜き弁94又は94’側に移動して塞いでしまうことが想定され、その場合には高温ガスが満足に排出されないおそれがあった。
In the prismatic battery shown in FIG. 8B or FIG. 9, the
この課題解決のためには、ガス抜き弁94又は94’を電極体91又は91’の巻回面95又は95’の両面に形成することも考えられるが、ガス抜き弁の構成が複数になるためコストアップの要因になるほか、ガス抜き弁は非常時の開弁のしやすさと通常使用時の密閉性とを両立するために取り扱いに注意が必要であり組立工程が非常に煩雑になる。
In order to solve this problem, it is conceivable to form the
本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、簡便な構成で安全性に優れた角形電池を実現できる角形電池ケース及びその角形電池ケースを採用した角形電池を提供することを解決すべき課題とする。 The present invention has been completed in view of the above circumstances, and a problem to be solved is to provide a prismatic battery case capable of realizing a prismatic battery excellent in safety with a simple configuration and a prismatic battery employing the prismatic battery case. And
(1)本発明の角形電池ケースは、帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体を内部に収納する角形電池ケースである。 (1) The rectangular battery case of the present invention is a rectangular battery case in which a wound electrode body in which a belt-like positive electrode plate and a negative electrode plate are wound in a spiral shape via a belt-like separator is housed.
(a)上記課題を解決する本発明の角形電池ケースは前記巻回型電極体の巻回面に対向する前記電池ケースの面は、他の面よりも肉厚であることを特徴とする。 (A) The rectangular battery case of the present invention that solves the above-mentioned problems is characterized in that the surface of the battery case facing the winding surface of the wound electrode body is thicker than the other surfaces.
(b)また、上記課題を解決する本発明の他の角形電池ケースは前記巻回型電極体の巻回面に対向する前記電池ケースの面と該巻回面との間に該巻回面をすべて覆う形状をもつ遮蔽部材を有することを特徴とする。そして、前記遮蔽部材は、熱を伝導させないようにするために、前記巻回面に対向する面との間で隙間をもつ。前記遮蔽部材としては、前記巻回型電極体の前記正極板又は前記負極板のいずれかにも電気的に接続されないことが望ましい。また、部品点数を減少するためには、前記遮蔽部材としては、前記巻回型電極体の前記正極板又は前記負極板のいずれかに電気的に接続された導電経路を兼ねることが望ましい。
(B) In addition, another rectangular battery case of the present invention that solves the above-described problems is provided with the winding surface between the surface of the battery case facing the winding surface of the wound electrode body and the winding surface. It has the shielding member which has the shape which covers all. Then, the shielding member is, in order not to conduct heat, even One gaps between the surface facing the wound surface. The shielding member is preferably not electrically connected to either the positive electrode plate or the negative electrode plate of the wound electrode body. Further, in order to reduce the number of parts it is, as the shielding member, it is desirable to also serve as the electrically connected conductive path to one of the positive electrode plate or the negative electrode plate of the wound electrode body.
つまり、異常発生時にガスが噴出する巻回面に対向する部分の熱容量及び/又は強度を向上させることで高温ガスの噴射に対応するものである。高温ガスが直接噴射される部分を肉厚にしたり、遮蔽部材を設けたりするだけなので、角形電池ケースの全体の厚みを厚くする場合などと比べて材料の増加量も僅かであり、発揮される効果に対してエネルギー密度の低下やコスト上昇に与える影響は軽微である。 That is, it corresponds to the injection of the high temperature gas by improving the heat capacity and / or strength of the portion facing the winding surface from which the gas is ejected when an abnormality occurs. Since the part where the high-temperature gas is directly injected is only thickened or a shielding member is provided, the amount of material increase is small compared to the case where the overall thickness of the rectangular battery case is increased. The effect on energy density reduction and cost increase is negligible.
なお、「巻回面」とは帯状の正負極を巻回した巻回軸の両端の面であり、正負極の重なりが外部から観察できる面である。従って、巻回面は巻回型電極体内部で発生したガスがその隙間を通って最初に噴出する面である。 The “winding surface” is a surface at both ends of the winding shaft around which the belt-like positive and negative electrodes are wound, and is a surface on which the overlapping of the positive and negative electrodes can be observed from the outside. Accordingly, the winding surface is a surface from which gas generated inside the winding electrode body is first ejected through the gap.
特に、通常状態では前記電池ケース内外の密閉を保ち、前記電池ケースの内圧が所定値以上に達したときに開弁するガス抜き弁を前記巻回型電極体の巻回面に対向しない面に設ける構成を採用することが望ましい。先に説明したように、巻回面に対向する部分にガス抜き弁を形成すると、ガス噴射により巻回型電極体が移動してガス抜き弁を塞ぐおそれがあるが、ガス抜き弁を巻回面に対向しない面に設けることで巻回型電極体が移動してもガス抜き弁を塞ぐおそれが無くなるからである。 In particular, in a normal state, the inside and outside of the battery case is kept sealed, and a gas vent valve that opens when the internal pressure of the battery case reaches a predetermined value or more is provided on a surface that does not face the winding surface of the wound electrode body. It is desirable to employ a configuration to provide. As described above, if a gas vent valve is formed in the portion facing the winding surface, the wound electrode body may move due to gas injection and block the gas vent valve. This is because the provision on the surface not facing the surface eliminates the possibility of closing the gas vent valve even if the wound electrode body moves.
(2)上記課題を解決する本発明の角形電池は、前述した本発明の角形電池ケースと、その角形電池ケース内に収納され、帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体とを有することを特徴とする。 (2) The prismatic battery of the present invention that solves the above problems is housed in the prismatic battery case of the present invention described above and the prismatic battery case, and the strip-shaped positive electrode plate and the negative electrode plate are spirally arranged through the strip-shaped separator. And a wound electrode body wound around.
本発明の角形電池ケースは上述の構成を有することから角形電池に適用した場合に以下の作用効果を発揮する。すなわち、万が一の異常発生時に巻回型電極体から高温ガスが発生することがあっても高温ガスが直接噴射する部分の熱容量や強度を高くしているので、同程度の質量をもつ角形電池ケースと比較して破壊されるおそれは非常に小さくできる。 Since the prismatic battery case of the present invention has the above-described configuration, it exerts the following effects when applied to a prismatic battery. That is, even if hot gas may be generated from the wound electrode body in the event of an abnormality, the heat capacity and strength of the portion where the hot gas is directly injected are increased, so a rectangular battery case with the same mass The risk of being destroyed can be made very small.
また、前述したようなガス抜き弁を設けることで、高温ガスの発生量が多い場合などのように巻回型電極体が移動することがあってもガス抜き弁を塞いで角形電池ケースの内圧が高くなることを効果的に防止できる。 In addition, by providing a gas vent valve as described above, the internal pressure of the rectangular battery case can be blocked by closing the gas vent valve even if the wound electrode body moves, such as when the amount of high-temperature gas generated is large. Can be effectively prevented from increasing.
本発明の角形電池ケースについて以下実施形態に基づき説明を行う。本実施形態の角形電池ケースは帯状の正極板及び負極板を帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回した巻回型電極体を内部に収納する角形電池ケースである。本実施形態の角形電池ケースが適用できる角形電池としては電池反応が進行する電極体が巻回型であるものであれば特に限定されない。特にエネルギー密度が高い電池に適用することが効果的である。例えば、リチウム二次電池や電気二重層キャパシタに適用することができる。 The rectangular battery case of the present invention will be described below based on the embodiments. The prismatic battery case of this embodiment is a prismatic battery case that houses therein a wound electrode body in which a strip-like positive electrode plate and a negative electrode plate are spirally wound via a strip-like separator. The prismatic battery to which the prismatic battery case of the present embodiment can be applied is not particularly limited as long as the electrode body in which the battery reaction proceeds is a wound type. In particular, it is effective to apply to a battery having a high energy density. For example, it can be applied to a lithium secondary battery or an electric double layer capacitor.
(a)前記電池ケースの前記巻回型電極体の巻回面に対向する面は、他の面よりも肉厚である。本実施形態の角形電池ケースを備えた角形電池は、図1に示すように、角形電池ケース本体部13と蓋体12と蓋体12に設けられたガス抜き弁14とを有する構成が挙げられる。そして巻回型電極体11を巻回軸の中心線X−X’が角形電池ケース本体部13の開口部と平行になるように挿入した後、角形電池ケース本体部13の開口部を蓋体12で閉塞及び溶着することで角形電池を形成する。
(A) The surface facing the winding surface of the wound electrode body of the battery case is thicker than the other surfaces. As shown in FIG. 1, the prismatic battery including the prismatic battery case of the present embodiment includes a configuration having a prismatic battery case
図1に示す角形電池では、巻回型電極体11の巻回軸が角形電池ケース本体部13に巻回型電極体11を挿入する方向(すなわち、開口方向である)に直交する方向(X−X’方向)に向いている。
In the rectangular battery shown in FIG. 1, the winding axis of the
ここで、図1(b)に示すように、角形電池ケース本体部13は巻回型電極体11の巻回面15が対向する面13a及び13bが他の面より肉厚になっている。面によって肉厚を変化させる手法としては特に限定しない。例えば、多段階の深絞り加工により本実施形態の角形電池ケースを製造する場合には金型形状を変えて、徐々に面13a及び13b以外の面を徐々に引き延ばして薄くするなどの方法にて面13a及び13bを肉厚化した角形電池ケースを実現できる。また、肉厚が異なる部材を溶接などにて組み立てることでも容易に製造できる。
Here, as shown in FIG.1 (b), as for the square battery case main-
ここで、短絡など、角形電池に異常が発生して角形電池ケース内の巻回型電極体11からガスが発生する場合について説明する。発生する高温ガスは巻回型電極体11の巻回面15から巻回軸X−X’に沿って噴出する。噴出したガスは角形電池ケース本体部13の側面13a及び13bに接触した後、角形電池ケース本体部13と巻回型電極体11との間を通って蓋体12近傍に至り、圧力上昇により開口するガス抜き弁14から外部に噴出する。面13a及び13bは他の面よりも肉厚化されているので、熱容量及び強度が向上しており、高温ガスが直接噴射されても軟化乃至破壊されるおそれは少ない。
Here, a case where an abnormality occurs in the rectangular battery, such as a short circuit, and gas is generated from the
(シミュレーション)
図1に示す角形電池において、開口部の短辺方向が20mm、長辺方向が100mm、深さ方向が100mmである角形電池ケースを採用した場合に、面13a及び13bの肉厚とそれ以外の面の肉厚とを変化させた場合の温度変化をシミュレーションにより検討した。面13aの中央部に15mm×15mmの大きさの発熱体を仮定し190Wで4秒間加熱する条件で計算を行った。
(simulation)
In the prismatic battery shown in FIG. 1, when a rectangular battery case having a short side direction of 20 mm, a long side direction of 100 mm, and a depth direction of 100 mm is employed, the thickness of the
角形電池ケースはアルミ材(融点660℃)として面13aの肉厚を0.5mmから1.5mmまで変化させ、それ以外の面の肉厚が0.5mmであるとして計算を行った。角形電池ケースの強度はアルミ材の引張強度に比例するものとして評価を行った。結果を図2に示す。
The calculation was performed assuming that the rectangular battery case was made of aluminum (melting point: 660 ° C.), the thickness of the
図2より明らかなように、肉厚が0.5mmの場合は最高温度が400℃となり、強度は常温の8%にまで低下する。肉厚を0.8mmに厚くすることにより、最高温度は280℃にまで抑制可能であり、強度は常温の27%と肉厚が0.5mmの時の3倍以上の強度を確保することが可能である。更に肉厚を1mmにまで厚くした場合は最高温度は240℃にまで低下でき、強度は常温時の37%と肉厚0.5mm時の5倍の強度の確保が可能である。また肉厚を増肉することによる強度向上の効果もあるため、わずかに筐体側面部の肉厚を厚くすることでも高温時の強度を著しく向上させることができることが判った。 As apparent from FIG. 2, when the thickness is 0.5 mm, the maximum temperature is 400 ° C., and the strength is reduced to 8% of the normal temperature. By increasing the wall thickness to 0.8 mm, the maximum temperature can be suppressed to 280 ° C, and the strength can be 27% of normal temperature and more than three times the strength when the wall thickness is 0.5 mm. Is possible. Further, when the thickness is increased to 1 mm, the maximum temperature can be reduced to 240 ° C., and the strength can be secured at 37% at room temperature and 5 times the strength at 0.5 mm thickness. Further, since there is an effect of improving the strength by increasing the thickness, it has been found that the strength at a high temperature can be remarkably improved by slightly increasing the thickness of the side surface of the housing.
上述の条件下で面13a及び13bの肉厚を0.5mmから0.8mmにまで厚くした場合は、電池の体積増加は0.6%程度と、殆ど無視できる程度であるが、電池ケースの強度を3倍以上にすることができ、小型化を損なわずに高温時の筐体強度を著しく向上させることが可能である。
When the thickness of the
以上のように、面13a及び13bの厚みのみをその他の面よりも厚くすることで、異常時に電池ケース内部に発生するガスに直接曝されて最も高温となる面13a及び13bの温度上昇を抑制でき、角形電池ケースの軟化・溶融を防止できる。従って、安全性に優れた電池が提供できる。
As described above, by making only the thickness of the
(b)本実施形態では巻回型電極体の巻回面に対向する電池ケースの面とその巻回面との間に遮蔽部材を有する。遮蔽部材は巻回面をすべて覆う形状をもつ部材である。遮蔽部材は巻回面から高温ガスが直接角形電池ケースに接触しないようにする部材であるので高温ガスが噴射するおそれがある巻回面の全体を覆うような形状をもつ。 (B) In this embodiment, a shielding member is provided between the surface of the battery case facing the winding surface of the wound electrode body and the winding surface. The shielding member is a member having a shape that covers the entire winding surface. Since the shielding member is a member that prevents the hot gas from coming into direct contact with the rectangular battery case from the winding surface, the shielding member has a shape that covers the entire winding surface where the hot gas may be jetted.
遮蔽部材は角形電池ケースに接触していない方が、高温ガスが直接噴射して高温になる遮蔽部材からの熱が伝導し難くなるので好ましい。そして、遮蔽部材としては、巻回型電極体の正極板又は負極板のいずれかに電気的に接続された導電経路を兼ねる電極端子などを採用することが部品点数削減の観点から望ましい。 It is preferable that the shielding member is not in contact with the rectangular battery case because heat from the shielding member that is heated by direct injection of high-temperature gas is difficult to conduct. And as a shielding member, it is desirable to employ | adopt the electrode terminal etc. which serve as the electrically conductive path electrically connected to either the positive electrode plate or negative electrode plate of a winding type electrode body from a viewpoint of a reduction in a number of parts.
例えば、図3に示すように、電極端子16及び17として、巻回型電極体11の巻回面15のすべてを覆うような形状(図3(b))とした上で上下方向の中央付近を内側に窪ませて、その窪ませた部分にて巻回型電極体11に接続することで電極端子16及び17にて遮蔽部材を兼ねさせることができる。電極端子16及び17は巻回型電極体11と角形電池ケース本体部13との間に配設される。そのために、異常発生時に噴出する高温ガスが直接角形電池ケース本体部13に接触することを防止できる。また電極端子16及び17と巻回面との間に隙間を設けているので、噴出した高温ガスは巻回型電極体11と電極端子16及び17との間を流れることが可能であり蓋体12に設けられたガス抜き弁14にまで到達する流路も確実に確保できる。
For example, as shown in FIG. 3, the
更に、万が一、電極端子16又は17が軟化・溶融した場合でも、角形電池ケース本体部13との間に隙間を設けているので直接温度上昇が伝達されず、角形電池ケース本体部13の温度上昇が抑制できる。従って、角形電池ケース本体部13の軟化・溶融を防止することができる。
Furthermore, even if the
その他にも、図4〜図7に示すような種々の形状の電極端子16’及び17’とは独立して設けられる遮蔽部材181〜184を採用することも可能である。
In addition,
遮蔽部材181及び183は電極端子16’及び17’と組み合わせられることで、巻回型電極体11の巻回面15のすべてを覆う形状になる。遮蔽部材182及び184は単独で巻回型電極体11の巻回面15のすべてを覆う形状である。遮蔽部材181及び183は巻回型電極体11の下面側も覆うような形状であり、異常発生時に噴出する高温ガスをより確実に防御することができる。
The shielding
11…巻回型電極体
12…蓋体
13…角形電池ケース本体部
14…ガス抜き弁
15…巻回面
16、17、16’、17’…電極端子(一部、遮蔽部材を兼ねる)
181〜184…遮蔽部材
DESCRIPTION OF
181 to 184 ... shielding member
Claims (6)
前記巻回型電極体の巻回面に対向する前記電池ケースの面は、他の面よりも肉厚であることを特徴とする角形電池ケース。 A rectangular battery case that houses therein a wound electrode body obtained by winding a strip-shaped positive electrode plate and a negative electrode plate in a spiral shape through a strip-shaped separator,
A rectangular battery case, wherein a surface of the battery case facing a winding surface of the wound electrode body is thicker than other surfaces.
前記巻回型電極体の巻回面に対向する前記電池ケースの面と該巻回面との間に該巻回面をすべて覆う形状をもつ遮蔽部材を有し、
前記遮蔽部材は前記巻回面に対向する面との間で隙間をもつ角形電池ケース。 A rectangular battery case that houses therein a wound electrode body obtained by winding a strip-shaped positive electrode plate and a negative electrode plate in a spiral shape through a strip-shaped separator,
Have a shielding member having a shape to cover all the winding times surface between the wound electrode body winding face the battery case surface and the winding times surface opposed to the,
The shielding member is a rectangular battery case having a gap between a surface facing the winding surface .
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