JP5110671B2

JP5110671B2 - 円筒形電池

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Publication number: JP5110671B2
Application number: JP2012531156A
Authority: JP
Inventors: 友嗣横山; 康司中桐
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: US20130309529A1; WO2012120758A1; JPWO2012120758A1

Description

本発明は、円筒形電池に関し、特に円筒形電池の安全性を向上させるための封口構造の改良に関する。

円筒形電池は、一般に、開口部を有する、有底円筒形の金属製の電池ケースに発電要素を収容し、その開口部を金属製の封口板もしくは、封口ユニット（または組立封口体）により封口して構成される。リチウムイオン二次電池等の二次電池においては、発電要素は、電極群および電解質により構成される。電極群は、正極および負極を、その間にセパレータを挟んで渦巻き状に巻回して構成される。セパレータは、正極と負極との間を絶縁するとともに、電解質を保持する機能を有している。

封口ユニットは、電池の安全性を確保するための弁機構（安全弁）を有する。電池に異常が発生したようなときに、電池ケースの内部の圧力が異常に上昇すると安全弁が開き、電池ケースの内部のガスが放出される。また、安全弁の作動により、ガスの放出とともに、電流を遮断するように構成することも可能である。これにより、電池ケースの亀裂等の事故が防止される。

例えば、特許文献１の電池の封口ユニットは、中央部を互いに部分的に接合することで、電気的に接続された、それぞれが金属箔からなる上弁板と下弁板とを含む。下弁板は、相対的に低い圧力で破断する薄肉部を中央部に有する。上弁板は、相対的に高い圧力で破断する薄肉部を中央部に有する。この構造によれば、電池の内圧が高くなった場合、まず下弁板の薄肉部が破断することで、電流が遮断される。さらに圧力が高くなると、上弁板の薄肉部が破断することで、電池内部のガスを外部へ放出することができる。

特開平０８−３０６３５１号公報

近年、電子機器の多機能化に伴って、電池の益々の高容量化が推進されており、その結果、電池に異常が発生したときの電池ケース内部の圧力の上昇もますます大きくなる傾向がある。

つまり、電池の高容量化のために、電池ケース内部のデッドスペース（発電要素が設けられていない空間）を小さくすると、通常の使用状態で少量のガスが発生しただけでも、電池ケースの内圧が大きく上昇しやすくなる。その結果、特許文献１に記載されているような、薄肉部を含む安全弁は誤作動しやすくなる。したがって、上記安全弁の誤作動を防止するために、各弁板の破断圧力を増加させる必要性が生じている。

ところが、高容量化された電池においては、電池に発生した異常の程度、および種類によっては、ケース内圧の上昇が非常に急激になることがある。そのような場合には、誤作動を防止するために各弁板の薄肉部の破断圧力を増加させた安全弁では、十分な応答性で作動することができずに、異常状態の進展を早期に抑制し得ないことがある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電池に発生する様々な種類、および程度の異常に対応して、安全弁を、適時に作動させることができる、円筒形電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の円筒形電池は、シート状正極、シート状負極、並びに、両電極間に介在するセパレータを捲回した円筒状の電極群と、
開口部を有し、前記電極群を収容する有底円筒形の電池ケースと、
前記開口部を封口する封口ユニットと、を含む円筒形電池であって、
前記電極群は、軸方向に沿って延びる空隙を中心に有しており、
前記封口ユニットは、ガス抜き孔を有する端子板と、弁板とを含んでおり、
前記弁板は、前記電池ケースの内圧の上昇により破断し得る第１破断可能部および第２破断可能部を含み、
前記第１破断可能部は、前記弁板の第１領域を囲うように設けられ、
前記第１領域は、前記空隙と対向しており、
前記第２破断可能部は、前記第１領域を内包する、前記弁板の第２領域を囲うように設けられており、
前記第１破断可能部の破断圧力が、前記第２破断可能部の破断圧力よりも大きい、ことを特徴とする。

本発明によれば、円筒形電池に発生する様々な種類、および程度の異常に対応して、封口ユニットに設けられた安全弁を、適時に作動させることができる。これにより、高い安全性を有する円筒形電池が得られる。

本発明の一実施形態に係る円筒形電池の概略構成を示す断面図である。下弁板の底面図である。上弁板および下弁板の要部の断面図である。上弁板および下弁板にある安全弁の作動の第１段階を示す、要部の断面図である。上弁板および下弁板にある安全弁の作動の第２段階を示す、要部の断面図である。本発明の他の実施形態に係る円筒形電池の芯部材の概略構成を示す横断面図である。本発明のさらに他の実施形態に係る円筒形電池の芯部材の概略構成を示す正面図である。

本発明は、シート状正極、シート状負極、並びに、両電極間に介在するセパレータを捲回した円筒状の電極群と、開口部を有し、電極群を収容する有底円筒形の電池ケースと、電池ケースの開口部を封口する封口ユニットと、を含む円筒形電池に関する。電極群は、軸方向に沿って延びる空隙を中心に有している。封口ユニットは、ガス抜き孔を有する端子板と、弁板とを含んでいる。弁板は、電池ケースの内圧の上昇により破断し得る第１破断可能部および第２破断可能部を含む。第１破断可能部は、弁板の第１領域を囲うように設けられている。第１領域は、空隙と対向している。第２破断可能部は、第１領域を内包する、弁板の第２領域を囲うように設けられている。

例えば、電池ケースの内圧が緩やかに上昇するような場合は、電池ケース内の各部分の圧力も均一に上昇する。しかしながら、電池に発生した異常の種類や、程度によっては（例えば大電流で電池を過充電したような場合には）、ケース内で非常に急激な圧力上昇が起こることがある。そのような場合には、瞬間的に、ケース内の特定の部分の圧力だけが高くなる。特に、帯状の電極を巻回して構成される円筒形の電極群は、その中央部に、軸方向に延びる空隙が存在するため、その空隙の圧力だけが急激に高くなりやすい。

その結果、弁板の、上記の空隙の端部と対向する中央よりの部分には非常に大きな圧力が掛かる。したがって、弁板の、上記の中央よりの部分にある第１領域（ＡＲ1、図２参照）を囲うように第１破断可能部を設けることで、第１破断可能部を、ケース内圧が急激に上昇したときに、十分な応答性で破断させることが可能となる。これにより、そのような破断可能部を含む安全弁が、その作動により電池電流をも遮断するような構造になっていれば、早期に電池電流を遮断することができ、異常の進展を早期に抑えることも可能となる。なお、その安全弁が、作動したときに電池電流を遮断しないような構造であっても、早期にケース内の圧力を下げることができるので、電池の安全性は向上する。

以上のように、ケース内圧が急激に上昇するようなタイプの異常が電池に発生したときには、第１破断可能部により囲われた第１領域（ＡＲ1）に大きな影響が及ぶ。よって、そのような場合に第１破断可能部が適時に破断するように、その破断圧力を設定することで、そのようなタイプの異常に対応して、適時に安全弁を作動させることができる。これにより安全弁の誤作動も抑えることができる。

一方、第１領域を内包する、弁板上の第２領域を囲うように、第２破断可能部を設けることで、第２破断可能部により囲われる第２領域（ＡＲ2、図１参照）の面積は、第１領域ＡＲ1の面積よりも大きくなる。その結果、空隙における圧力の急激な上昇による影響が緩和されて、第２領域ＡＲ2に及ぶ。したがって、第２破断可能部の破断圧力を適切に設定することで、電池ケースの内圧が緩やかに上昇するような場合に第２破断可能部を適時に破断させることができる。さらに、ケース内圧の上昇が急激である場合にも、その影響が第１領域よりも相対的に小さいことから、余りにも早期に第２破断可能部の方が破断してしまうような誤作動も防止することができる。

以上説明したように、囲む面積が異なる第１破断可能部および第２破断可能部を弁板に設けることで、様々な種類および程度の異常に対応して、適時に安全弁を作動させることができる。

上述の説明で明らかなように、第１破断可能部の破断圧力と、第２破断可能部の破断圧力とは異ならせるのが好ましい。なお、第１破断可能部の破断圧力と、第２破断可能部の破断圧力とが同じであっても、第１領域の面積と第２領域の面積とが異なることから、ケース内圧の上昇速度が異なる様々なタイプの異常にある程度対応して、適時に安全弁を作動させることも可能である。

また、上述の説明で明らかなように、第１破断可能部の破断圧力は、第２破断可能部の破断圧力よりも高く設定するのが好ましい。これにより、ケース内圧が緩やかに上昇する場合は、破断圧力が小さい第２破断可能部の方が、第１破断可能部よりも先に破断する。したがって、そのような場合に適時に破断するように第２破断可能部の破断圧力を設定する。

一方、ケース内圧の上昇が急激である場合には、ケースの中心にある上記の空隙の圧力が急激に上昇する。このため、第１破断可能部の方に、より大きな圧力が掛かる。その結果、第１破断可能部の破断圧力を、第２破断可能部の破断圧力よりも、誤作動を抑えることができる程度に高めに設定することで、ケース内圧が急激に上昇するタイプの異常に対しても、適時に安全弁を作動させることができる。

以上により、ケース内圧の上昇速度が異なる様々な種類および程度の異常に対応して、適時に安全弁を作動させることが可能となる。

ここで、第１破断可能部は、上記空隙の径よりも大きい径を有する円形であるのが好ましい。第１破断可能部の径を、上記の空隙の径よりも大きめに設定することで、空隙で急激な圧力の上昇が起こったような場合に、その上昇した圧力を効果的に第１領域（ＡＲ1）に掛けることができる。よって、ケース内圧の急激な上昇に追随して、より確実に、適時に安全弁を作動させることができる。なお、第１破断可能部および第２破断可能部は、円形に限らず、三角形以上の多角形とすることもできる。この場合にも角の数は多いほど好ましい。

上記空隙に、一端部が第１領域と対向している吹き抜け部を有する芯部材を配置することで、空隙において上昇した圧力を、吹き抜け部を通して、第１領域だけに集中させることが容易となる。よって、ケース内圧が急激に上昇したような場合に、より確実に、第１破断可能部を優先的に破断させることができる。このように、各破断可能部の破断時期のコントロールが確実となる。

さらに、芯部材を、例えば、Ｃの字状の横断面を有するように形成することで、側壁にスリットを形成することができ、そのスリットを通して、各電極で発生したガスを吹き抜け部に容易に集中させることができる。その結果、上記の効果がより確実となる。または、例えば、芯部材の側壁に、吹き抜け部と連通する１以上の通気孔を設けることによっても、同様の理由で、各電極で発生したガスを吹き抜け部に容易に集中させることができる。

本発明の一形態においては、封口ユニットは、それぞれが導電性を有する２つの弁板を含んでいる。２つの弁板の一方は、第１破断可能部および第２破断可能部を含む上記の弁板である。２つの弁板の他方は、第１領域と対向する第３領域を囲うように設けられた第３破断可能部を含んでいる。そして、第３領域の少なくとも一部が第１領域と接触することで、２つの弁板は互いに導通している。このように、封口ユニットに２つの弁板を含ませることで、安全弁が作動したときに、電池電流を遮断することも可能となる。なお、封口ユニットに含まれる弁板の数は２に限らず、３以上とすることもできる。

そして、例えば、２つの弁板の一方を正極または負極と導通させ、２つの弁板の他方を端子板と導通させ、第１領域と第３領域とを溶接することで、第１破断可能部および第３破断可能部の少なくとも一方の破断により、２つの弁板の間の導通を遮断することができる。これにより、ケース内圧が急激に上昇するような異常が電池に発生したときに、異常の進展を止めることができる。よって、より確実に電池の安全を確保することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１に本発明の一実施形態に係る円筒形電池の概略構成を断面図により示す。図示例の電池１０は、円筒形のリチウムイオン二次電池であり、正極２と、負極３と、それらの間に介在されるセパレータ４とを渦巻き状に捲回して構成された電極群２０を備えている。

電極群２０は、非水電解質（図示せず）とともに、開口部を有する有底円筒形の金属製の電池ケース１に収納される。電極群２０は、中心に、軸方向に沿って延びる円筒状の空隙２０ａを有している。空隙２０ａには、内部に吹き抜け部２３ａが形成された、中空円筒状の芯部材２３が、空隙２０ａと同軸に配置されている。

電池ケース１の開口部は封口ユニット（ないしは組立封口体）５により封口され、これにより電極群２０および非水電解質は電池ケース１の内部に密閉されている。電池ケース１の内部において、電極群２０の上側および下側には、それぞれ絶縁板８Ａおよび８Ｂが配設されている。

封口ユニット５は、導体からなるハット状の端子板１１、環状のＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：正温度係数）サーミスタ板１２、導体からなる円形の上弁板１３および下弁板１５、導体からなる基板１６、並びに、絶縁体からなるガスケット１４を含んでいる。ガスケット１４は、上弁板１３の周辺部と下弁板１５の周辺部との間に一部分が挟まれており、これにより、上弁板１３の周辺部と下弁板１５の周辺部とが接触するのを防いでいる。ガスケット１４の他の部分は、後で説明する基板１６の円筒部１６ｂと、端子板１１、ＰＴＣサーミスタ板１２および上弁板１３の周縁部と、が接触しないように、それらの間に挟まれている。

封口ユニット５の周縁部と電池ケース１の開口部との間には、絶縁体からなる他のガスケット９が配設される。ガスケット９は、封口ユニット５と電池ケース１との間を封止するとともに、それらの間を絶縁している。

端子板１１とＰＴＣサーミスタ板１２とはそれらの周縁部で接触している。ＰＴＣサーミスタ板１２と上弁板１３とはそれらの周縁部で接触している。上弁板１３と下弁板１５とはそれらの中央部で接触している。下弁板１５と基板１６とはそれらの周縁部で接触している。以上の結果、端子板１１と基板１６とは導通している。

さらに、基板１６と、正極２とは、正極リード６を介して導通している。その結果、端子板１１と正極２とが導通しており、端子板１１が、正極外部端子として機能する。一方、電池ケース１が、負極３と負極リード７を介して導通しており、電池１０の負極外部端子として機能する。なお、正極２と電池ケース１とを導通させ、負極３と基板１６とを導通させることにより、端子板１１を負極外部端子とし、電池ケース１を正極外部端子とすることもできる。

円形の上弁板１３の上側（端子板１１側）の面には、上弁板１３と同軸心に、環状の溝１３ａが形成されている。これにより、上弁板１３には環状の薄肉部（第３破断可能部）が形成されている。その薄肉部が、ケース内圧の上昇により破断することで、上弁板１３の中央部に例えば円形の弁孔が形成される。なお、薄肉部の一部分だけが破断した場合にも、その破断した部分が弁孔として機能する。

図２に、下弁板を下側（基板１６側）から見た底面図を示す。同図に示すように、円形の下弁板１５の下面にも、下弁板１５と同軸心に、径が互いに異なる２つの環状の溝１５ａ（第１破断可能部と対応している）および１５ｂ（第２破断可能部と対応している）が形成されている。これにより、下弁板１５には、径が互いに異なる２つの環状の薄肉部（第１破断可能部および第２破断可能部）が同軸心に形成されている。それらの薄肉部が、ケース内圧の上昇により破断することで、下弁板１５の中央部に、径の異なる円形の２種類の弁孔が形成可能である。なお、それぞれの薄肉部の一部分だけが破断した場合にも、その破断した部分がそれぞれ弁孔として機能する。

内側の溝１５ａにより囲われた第１領域ＡＲ1は円形であり、その径は、空隙２０ａの横断面の径よりも所定割合（例えば、５〜２５％）だけ大きくするのが好ましい。上記割合を、２５％以下に設定することで、第１領域ＡＲ1の面積が大きくなり過ぎるのを避けることができ、空隙２０ａで圧力が急激に上昇したときに、その圧力上昇による影響が均されるのを防止することができる。よって、十分な応答性で、溝１５ａを含む安全弁を作動させることができる。つまり、上記割合が大きすぎると、第１領域ＡＲ1の面積が大きくなり、圧力がその大きな面積で平均化されるために、空隙２０ａでの圧力の急激な上昇による影響が相対的に小さくなるからである。一方、上記割合を５％以上に設定することで、あらかじめ設定される破断圧力でより正確に溝１５ａを破断させることが容易となる。つまり、第１領域ＡＲ1の面積が小さすぎると、溝１５ａが実際に破断するときの圧力が変動しやすくなるからである。

ここで、溝１３ａと対応する薄肉部（第３破断可能部）の破断圧力（以下、単に溝１３ａの破断圧力ともいう）Ｐ1、溝１５ａと対応する薄肉部（第１破断可能部）の破断圧力（以下、単に溝１５ａの破断圧力ともいう）Ｐ2、溝１５ｂと対応する薄肉部（第２破断可能部）の破断圧力（以下、単に溝１５ｂの破断圧力ともいう）Ｐ3は、互いに異ならせることができる。後で述べる理由により、例えば、溝１５ａの破断圧力Ｐ2は、溝１５ｂの破断圧力Ｐ3よりも大きくするのが好ましい。溝１３ａの破断圧力Ｐ1は、破断圧力Ｐ2およびP3よりも大きくするのが好ましい。つまり、不等式：Ｐ1＞Ｐ2＞Ｐ3を満足するようにそれぞれの破断圧力を設定するのが好ましい。ここで、各溝の破断圧力とは、それぞれの溝により囲まれた領域に均一な圧力が掛かった状態で、各溝と対応する薄肉部が破断する（以下、溝が破断する、ともいう）ときの圧力をいう。なお、Ｐ1＞Ｐ2が好ましい理由は、Ｐ1＞Ｐ2とすることにより、溝１５ａが破断したときに溝１３ａが同時に破断してしまうのを防止することができるからである。これにより、漏液を防止することができる。したがって、電池の安全性を高めることができる。

上記各溝の破断圧力は、以下のようにして調整することができる。例えば、下弁板１５を円状の刻印型でプレスすることで、溝１５ａおよび１５ｂを形成することが可能である。このとき、その溝の深さを変化させることで破断圧力を変化させることができる。また、第１領域ＡＲ1および、溝１５ｂにより囲われた第２領域ＡＲ2（ただし、第２領域ＡＲ2は、第１領域ＡＲ1を内包している）の面積を変化させることでも、溝１５ａおよび溝１５ｂの破断圧力を変化させることが可能である。下弁板の素材としては、アルミニウムなどの加工性に優れ、高い強度を持つ金属が好ましい。上弁板１３に対しても、上記の刻印形を使用して、同様にして溝１３ａを形成することができる。また、上弁板１３も下弁板１５と同様の金属で構成することができる。

基板１６は、薄い円皿状の本体１６ａと、その周縁部から立ち上がる円筒部１６ｂとを有している。本体１６ａの中央部で、空隙２０ａの端部と対向する位置には、円形のガス抜き孔２１が設けられている。これにより、空隙２０ａおよび芯部材２３のそれぞれの一端部は、下弁板１５の中央部（第１領域ＡＲ1）と直接的に対向している。端子板１１も複数のガス抜き孔２２を有しており、溝１３ａと、溝１５ａまたは１５ｂとが破断することで、ケース内部のガスが外部に放出される。

円筒部１６ｂは、上端に、内側に向かって折り曲げられた折り曲げ部を有している。この折り曲げ部により、端子板１１、ＰＴＣサーミスタ板１２、上弁板１３、ガスケット１４、および下弁板１５が、本体１６に保持される。

なお、環状のＰＴＣサーミスタ板１２の中央の孔の内径は、上弁板１３の溝１３ａの径よりもわずかに大きくされている。そして、上弁板１３の溝１３ａにより囲まれた領域（第３領域）は、全体がＰＴＣサーミスタ板１２の中央の孔の投射形状と重なっている。ガスケット１４の中央の孔の内径はＰＴＣサーミスタ板１２の中央の孔の内径よりも大きくされている。ＰＴＣサーミスタ板１２の中央の孔の投射形状は、全体がガスケット１４の中央の孔の投射形状と重なっている。基板１６のガス抜き孔２１の径は下弁板１５に設けられた外側の環状の溝１５ｂの径よりも十分に大きくされている。

なお、図１では明らかではないが、図３に誇張して示すように、上弁板１３は、中央部が下側（基板１６側）に向かって突き出た形状を有している。一方、下弁板１５は、中央部が上側（端子板１１側）に向かって突き出た形状を有している。そして、上弁板１３で溝１３ａにより囲われた領域の中央部と、下弁板１５で内側の溝１５ａにより囲われた第１領域ＡＲ1の中央部とが互いに溶接されて、上弁板１３と下弁板１５とが導通している。

そして、図４に示すように、下弁板１５の溝１５ａまたは溝１５ｂが、ケース内圧の上昇により破断する（図示例では、内側の溝１５ａが破断している）と、破断した溝１５ａまたは１５ｂにより囲われた領域に弁孔が形成される。それと同時に、上弁板１３の中央部で下側に向かって突き出ていた部分が、下側から押されて反転して、上側に向かって突き出た形状になる。その結果、上弁板１３と下弁板１５との導通状態が解除されて、電池１０の電流が遮断される。

その状態で、さらにケース内圧が上昇すると、図５に示すように、上弁板１３の溝１３ａが破断し、その破断した溝１３ａにより囲われた領域に弁孔が形成される。その結果、ケース内で発生したガスが、基板１６のガス抜き孔２１、上弁板１３および下弁板１５にそれぞれ形成された弁孔、ならびに、端子板１１のガス抜き孔２２を通過して外部に放出される。このとき、ＰＴＣサーミスタ板１２は、過大な電流が流れると温度が上昇し、電流を遮断するように機能する。

次に、上記構成の電池１０の安全弁の動作を説明する。
電極群２０の各電極で発生したガスは、各電極の隙間を通って、電極群２０の上方および下方に抜ける。電極群２０の下方に抜けたガスは、電池ケース１の底部に沿って、電極群２０の中心の空隙２０ａに流れ込む。空隙２０ａに流れ込んだガスは、空隙２０ａ、または芯部材２３の吹き抜け部２３ｂを通って上昇し、下弁板１５へ向かって放出される。

よって、電池１０に異常が発生し、ケース内圧が急激に上昇したような場合には、下弁板１５の中央部に対して、局所的に非常に大きな圧力が掛かる。これにより、特に、空隙２０ａと対応して設けられている第１領域ＡＲ1に非常に大きな圧力が掛かる。その結果、溝１５ａの破断圧力がより大きな圧力に設定されているにも拘わらず、ケース内圧の急激な上昇に追随して、安全弁が作動する。このとき、芯部材２３の吹き抜け部２３ｂにより、電池ケース内部で発生したガスが効率よく収集され、第１領域ＡＲ1に向かって放出されるために、第１領域ＡＲ1に、局所的に大きな圧力が確実に掛かる。したがって、溝１５ａが、より確実に破断する。

これにより、図４に示したように、上弁板１３と下弁板１５との間の導通状態が解除されて、電池１０の電流が早期に遮断される。よって、異常の進展が阻止されるので、電池の安全性を向上させることができる。しかも、溝１５ａの破断圧力が比較的高めに設定されていることから、軽微な異常（例えば、ごく短時間の短絡、軽微な過充電状態）の発生等に起因して、空隙２０ａの圧力が比較的大きく上昇したような場合にも、溝１５ａが破断して、安全弁が誤作動するのを防止することができる。

一方、ケース内圧が緩やかに上昇したような場合には、破断圧力がより小さな圧力に設定されている外側の溝１５ｂが内側の溝１５ａよりも先に破断する。よって、外側の溝１５ｂの破断圧力を適切に設定することにより、ケース内圧が緩やかに上昇するような異常が電池１０に生じた場合に、適時に外側の溝１５ｂを破断させることができる。

以上の結果、内部圧力の上昇速度が異なる様々なタイプの電池の異常に対応して、適時に安全弁を作動させることができる。これにより、電池の安全性が向上する。なお、溝１５ａおよび溝１５ｂの破断圧力を同じにした場合にも、内部圧力の上昇が急激であるような異常に対応しつつ、安全弁の誤作動を抑えることが可能である。

次に、本発明の実施形態２を説明する。
（実施形態２）
図６に、本発明の実施形態２の円筒形電池に使用される芯部材を、横断面図により示す。図示例の芯部材２４もまた中空であり、吹き抜け部２４ａを有するとともに、横断面がＣの字状に形成されている。その結果、側壁にスリット２４ｂが形成されており、吹き抜け部２４ａは、スリット２４ｂを介して外部と連通している。スリット２４ｂを通して、吹き抜け部２４ａ内にガスが流入するので、より効率的にケース内部のガスを吹き抜け部２４ａに集めることができる。

次に、本発明の実施形態３を説明する。
（実施形態３）
図７に、本発明の実施形態３の円筒形電池に使用される芯部材を、正面図により示す。図示例の芯部材２５もまた中空であり、吹き抜け部２５ａを有するとともに、側壁に１以上の通気孔２５ｂが形成されている。したがって、芯部材２５の吹き抜け部２５ａは、通気孔２５ｂを介して外部と連通しており、吹き抜け部２５ａに、より効率的にケース内部のガスを集めることができる。なお、図示例では、９個の通気孔２５ｂが一列に並んでいるが、これに限らず、さらに多数の通気孔２５ｂを、芯部材２５の側壁の全体に分散して設けてもよい。

次に、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
以下のようにして、リチウムイオン二次電池を作製した。

（１−１）正極活物質の作製
ＮｉＳＯ₄の水溶液に、所定比率のＣｏ₂(ＳＯ₄)₃およびＡｌ₃(ＳＯ₄)₂を加え、飽和水溶液を調製した。この飽和水溶液を攪拌しながら、それに水酸化ナトリウム水溶液をゆっくりと滴下し、飽和水溶液を中和することで、共沈法により水酸化物Ｎｉ_0.8Ｃｏ_0.15Ａｌ_0.05(ＯＨ)₂の沈殿を得た。得られた沈殿物を、ろ過し、水洗した後、８０℃で乾燥した。この水酸化物に、Ｎｉ、ＣｏおよびＡｌのモル数の和とＬｉのモル数とが等量になるように水酸化リチウム１水和物を加え、その混合物を、乾燥空気中にて８００℃で１０時間熱処理した。以上のようにして、正極活物質としてのＬｉＮｉ_0.8Ｃｏ_0.15Ａｌ_0.05Ｏ₂を製造した。

（１−２）正極の作製
次に、上記で得られた正極活物質１００重量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン１．７重量部と、導電材としてのアセチレンブラック２．５重量部と、適量のＮ−メチル−２−ピロリドンとを、双腕式練合機により攪拌して混合することで、正極ペーストを得た。この正極ペーストを、厚み１５μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、それを乾燥することで、正極集電体の両面に正極活物質層を形成した。正極活物質層が両面に形成された正極集電体を圧延した後、裁断することで、帯状の正極（厚み０．１２８ｍｍ、幅５７ｍｍ、長さ６６７ｍｍ）を得た。

（２）負極の作製
負極活物質としてのグラファイト１００重量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン０．６重量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース１重量部と、適量の水とを、双腕式練合機により攪拌して混合することで、負極ペーストを得た。この負極ペーストを厚み８μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、乾燥することで、負極集電体の両面に負極活物質層を形成した。負極活物質層が両面に形成された負極集電体を圧延した後、裁断することで、帯状の負極（厚み０．１５５ｍｍ、幅５８．５ｍｍ、長さ７４５ｍｍ）を得た。

（３）非水電解液の調整
エチレンカーボネートと、メチルエチルカーボネートと、ジメチルカーボネートとを体積比１：１：８の割合で混合した非水溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解して非水電解液を調製した。

（４）封口ユニットの作製
図１に示した構造の封口ユニット５を作製した。上弁板１３および下弁板１５はアルミニウム製とした。端子板１１は鉄製とし、基板１６はアルミニウム製とした。ガスケット１４はポリプロピレン製とした。下弁板１５を、径の異なる２つの刻印型でプレスすることにより、直径４ｍｍの溝１５ｂと、その内部の直径２．６ｍｍの溝１５ａとを、形成した。このとき、破断圧力が１．２３ＭＰａとなるように、厚み０．１０ｍｍの下弁板に、深さ０．０５ｍｍの溝１５ｂを形成した。一方、破断圧力が１．８１ＭＰａとなるように、同じ下弁板に、０．０２ｍｍの溝１５ａを形成した。開口部における溝１５ａの幅は０．０２ｍｍであった。開口部における溝１５ｂの幅は０．０５ｍｍであった。

各溝の幅は、０．０５ｍｍと０．０２ｍｍであった。

同様に、上弁板１３を、刻印型でプレスすることにより、直径４ｍｍの溝１３ａを形成した。このとき、破断圧力が２．３５ＭＰａとなるように０．１５ｍｍの厚みの上弁板１３に、深さ０．０５ｍｍの溝１３ａを形成した。溝の幅は、０．０５ｍｍであった。

（５）電池の組立
上記で得られた正極２と負極３と、両電極を隔離するセパレータ４とを渦巻き状に巻回して電極群２０を構成した。セパレータには、厚み１６μｍのポリプロピレン製の微多孔膜を用いた。この電極群を有底円筒形の電池ケース１（径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍ）内に挿入した。このとき、電極群２０の上部および下部にはそれぞれ絶縁板８Ａおよび８Ｂを配した。

上記で得られた非水電解液を電池ケース内に注入した。負極より引き出された負極リード７を電池ケース１の内底面に溶接し、正極より引き出された正極リード６を封口ユニット５の下面に溶接した。電池ケース１の開口端部を、ガスケット９を介して封口ユニット５の周縁部にかしめつけ、電池ケース１の開口部を封口した。このようにして、１８６５０サイズの円筒形リチウムイオン二次電池（径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍ）を２０個作製した。

（実施例２）
下弁板１５の溝１５ａおよび溝１５ｂの破断圧力が、ともに１．２３ＭＰａとなるように、それぞれの深さを０．０５ｍｍに設定した。それ以外は、実施例１と同様にして、２０個の電池を作製した。

（比較例１）
下弁板１５に溝１５ｂのみを設けたこと以外は、実施例１と同様にして、２０個の電池を作製した。

以上のようにして作製された実施例１、２および比較例１の各２０個の電池に対して以下のような試験を実施した。

（過充電試験Ａ）
２５℃の環境の下で、実施例１、２および比較例１の各１０個の電池を、５００ｍＡ（０．３Ｃ相当の電流。ただし、１Ｃは、公称容量に相当する電気量を１時間で充電し得る電流値である）の電流で、電流が遮断するか、もしくは端子板１１の孔２２付近に発煙が認められるまで充電した。そして、発煙した電池の個数をカウントした。その結果を、下記表１に示す。

（過充電試験Ｂ）
２５℃の環境の下で、実施例１、２および比較例１の各１０個の電池を、５０００ｍＡ（３Ｃ相当の電流）の電流で、電流が遮断するか、もしくは端子板１１の孔２２付近に発煙が認められるまで充電した。そして、発煙した電池の個数をカウントした。その結果を、下記表１に示す。

表１から明らかなように、過充電試験Ａにおいては、実施例１、実施例２、および比較例１のいずれにおいても、発煙した電池はなかった。これは充電電流が小さい過充電試験Ａでは、ケース内圧が緩やかに上昇したために、下弁板にかかる圧力も均一であったためと考えられる。その結果、全ての電池において、ケース内圧が溝１５ｂの破断圧力に達したときに安全弁が正常に作動したものと考えられる。

一方、大電流で充電した過充電試験Ｂにおいては、実施例１および実施例２では発煙した電池はなかったものの、比較例１では、１０個のうち７個の電池が発煙した。これは過充電試験Ｂでは、ケース内圧の上昇が急激であったために、比較例１では、発煙を防止するように、十分な応答性で安全弁が作動しなかったものと考えられる。これに対して、実施例１および実施例２では、ケース内圧の急激な上昇により、ガスが電極群の中心部の空隙に集中し、そのガスが芯部材の吹き抜け部等を通り抜けて、第１領域ＡＲ1に集中的に吹き付けたものと考えられる。その結果、内側の溝１５ａを含む安全弁が比較例１の安全弁（溝１５ｂを含む安全弁）よりも早い時期に作動して、電池電流が遮断されたためであると考えられる。

また、実施例２は、過充電試験Ｂで発煙した電池はなかったものの、通常の充電停止電圧（例えば４．２Ｖ）よりも少し高い４．４Ｖ付近まで電池を充電したときに、安全弁が作動した電池が３個あった。一方、実施例１では、その程度の電圧で安全弁が作動した電池はなかった。このような差異は、実施例２の溝１５ａの破断圧力が実施例１のそれよりも低かったために、比較的に低い電圧（通常の充電停止電圧を超えてはいる）でも、電極群の空隙での急激な圧力の上昇により、溝１５ａを含む安全弁が作動してしまったものと考えられる。この点で実施例１の方が、安全弁の誤作動を抑える能力は高いといえる。しかしながら、通常の電池の使用では、充電停止電圧を超えて充電が行われることはないので、実施例２の電池でも、十分に本発明の効果が得られるものと考えられる。

上記結果より、本発明の円筒形電池は、従来の円筒形電池に比較して、安全性が向上していることがわかる。

本発明によれば、安全性がさらに向上された円筒形電池を提供することができる。このような本発明の円筒形電池は、特にパーソナルコンピュータ、携帯電話、モバイル機器、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯用ゲーム機器並びにビデオカメラ等の携帯用電子機器の電源として有用である。また、ハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池自動車等の交通用機器において、その電動機の駆動を補助する電源としても有用である。また、電動工具、掃除機、およびロボット等の駆動用電源としても有用であり、プラグインＨＥＶの動力源としても有用である。

１電池ケース
２正極
３負極
４セパレータ
５封口ユニット
９、１４ガスケット
１０電池
１１端子板
１３上弁板
１５下弁板
２０電極群
２１内部ガス抜き孔
２２外部ガス抜き孔
２３芯部材

Claims

シート状正極、シート状負極、並びに、両電極間に介在するセパレータを捲回した円筒状の電極群と、
開口部を有し、前記電極群を収容する有底円筒形の電池ケースと、
前記開口部を封口する封口ユニットと、を含む円筒形電池であって、
前記電極群は、軸方向に沿って延びる空隙を中心に有しており、
前記封口ユニットは、ガス抜き孔を有する端子板と、弁板とを含んでおり、
前記弁板は、前記電池ケースの内圧の上昇により破断し得る第１破断可能部および第２破断可能部を含み、
前記第１破断可能部は、前記弁板の第１領域を囲うように設けられ、
前記第１領域は、前記空隙と対向しており、
前記第２破断可能部は、前記第１領域を内包する、前記弁板の第２領域を囲うように設けられており、
前記第１破断可能部の破断圧力が、前記第２破断可能部の破断圧力よりも大きい、円筒形電池。
前記第１破断部が、前記空隙の径よりも大きい径を有する円形である、請求項１記載の円筒形電池。
前記空隙に、一端部が前記第１領域と対向している吹き抜け部、を有する芯部材が配置されている、請求項１または２記載の円筒形電池。
前記芯部材が、Ｃの字状の横断面を有している、請求項３記載の円筒形電池。
前記芯部材が、前記吹き抜け部と連通する１以上の通気孔が設けられた側壁を有している、請求項３記載の円筒形電池。
前記封口ユニットが、それぞれ導電性を有する２つの弁板を含んでおり、
前記２つの弁板の一方は、前記第１破断可能部および前記第２破断可能部を含む前記弁板であり、
前記２つの弁板の他方は、前記第１領域と対向する第３領域を囲うように設けられた第３破断可能部を含み、
前記第３領域の少なくとも一部が前記第１領域と接触して、前記２つの弁板が互いに導通している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の円筒形電池。
前記２つの弁板の一方が、前記正極または前記負極と導通しており、
前記２つの弁板の他方が、前記端子板と導通しており、
前記第１領域が、前記第３領域と溶接されており、
前記第１破断可能部および前記第３破断可能部の少なくとも一方の破断により、前記２つの弁板の間の導通が遮断可能である、請求項６記載の円筒形電池。