JP5538114B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、密閉型の二次電池に係わり、より詳細には、電池異常時に電流遮断を行うことができる二次電池に係わる。

従来、密閉型電池は家電製品に汎用されており、最近では、密閉型電池の中でも特に捲回式の二次電池が数多く用いられている。また、捲回式の二次電池は、エネルギー密度が高いことから、電気自動車（ＥＶ）やハイブリット車（ＨＥＶ）の車載電源としても開発が進められている。

しかしながら、二次電池は、例えば、充電装置の故障などによって過充電状態に陥ると、電池内圧が極端に上昇することがある。このため、上蓋に、導電経路を遮断する電流遮断機構と、電池内圧を開放する開裂機構とを有する二次電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特に、有機溶媒を用いる非水電解液タイプの二次電池においては、電池性能が高まり、電池容量を大きくすることができるので、より確実な防爆機構が要求される。

特開平８−７８６６号公報

従来の二次電池では、例えば特許文献１に記載された技術のように、有底円筒形の金属製電池ケースと、電池ケースに収納された発電要素と、電池ケースの開口部をふさぐ蓋要素から基本的に構成される。導電経路を遮断する電流遮断機構は、蓋要素に一体的に組み込まれている。従って、電池の形状に合わせた形状である蓋要素を汎用的に用いることはできず、例えば、扁平型の二次電池に用いる電流遮断機構（すなわち、電流遮断機構が設けられている蓋要素）を、そのままの状態で、円型や角型の二次電池に適用することはできない。

また、ＥＶやＨＥＶでは大電流を流す必要があり、例えば、特許文献１に記載されているような従来の電流遮断機構の構造では、安全面で不十分である。そこで、電池異常時に、大電流を確実かつ完全に遮断することができる安全性に優れた二次電池が望まれている。

本発明は、上記事案に鑑み、二次電池の形状に関わらず適用でき電池異常時には確実に電流を遮断できる電流遮断機構を有する、安全性に優れた二次電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による二次電池は、基本的には次のような特徴を有する。

発電要素である捲回群を納める電池容器と、前記捲回群に接続される集電体と、外部と接続するための電極端子とを備える二次電池において、前記電極端子は、フランジを有する中空の筒状であり、前記フランジが前記電池容器の内部に位置するように、前記電池容器に設けた穴に取り付けられる。前記フランジには、前記電極端子の中空部分を覆い、前記電池容器の内部側に向かって凸形状である電流遮断弁が設けられる。電流遮断弁の凸形状の頂部は、前記集電体に接続される。前記集電体は、前記電流遮断弁との接続部では、他の部分より厚さが小さい。

好ましくは、前記電流遮断弁は、反転弁であり、前記二次電池の内圧が所定の遮断圧に達するまでは凸形状を維持し、前記内圧が前記遮断圧を越えると反転して前記集電体との接続が切り離される。

本発明によれば、二次電池の形状に関わらず適用でき電池異常時には確実に電流を遮断できる電流遮断機構を有する、安全性の高い二次電池を提供することができる。

本発明の実施形態による二次電池の分解斜視図。 本発明の実施形態による二次電池の負極端子部の断面図。 本発明の実施形態による二次電池において、電流遮断弁と負極集電体が切り離された状態の負極端子部の断面図（内圧上昇時）。 本発明の実施形態による二次電池の斜視図。 本発明の実施形態による二次電池において、接合部と電流遮断弁の中央部の拡大図。

以下、図面を参照して、本発明による二次電池の実施の形態について説明する。まず、作製した二次電池について説明する。

（正極）
正極活物質には、例えば、マンガン酸リチウムを用いる。正極合剤には、例えば、マンガン酸リチウムの１００重量部に対して、導電材として鱗片状黒鉛の１０重量部、およびバインダ（結着材）としてポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する。）の５重量部を配合したものを用いる。この正極合剤を、分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）で粘度調整し、電極基材箔である厚さ２０μｍのアルミニウム箔に塗着した。正極合剤が塗着されたアルミニウム箔を乾燥、プレス加工して、正極が作製される。その後、正極に対し、アルミニウム箔の長手方向に連続して形成され活物質合剤層が配されていない帯状の部分を、数ミリメートル幅で残すように切り欠き、矩形状の正極リード片を作製した。

（負極）
負極活物質には、例えば、難黒鉛化性炭素材料を用いる。負極合剤には、例えば、難黒鉛化性炭素材料の９０重量部に対して、バインダとしてＰＶＤＦの１０重量部を配合したものを用いる。この負極合剤を、分散溶媒のＮＭＰで粘度調整し、電極基材箔である厚さ１０μｍの圧延銅箔に塗着した。その後、正極と同様にプレス加工し、銅箔の長手方向に連続して形成され活物質合剤層が配されていない帯状の部分を、数ミリメートル幅で残すように切り欠き、矩形状の負極リード片を作製した。

（電池の作製）
図１は、本発明の実施形態による二次電池の分解斜視図であり、図４は、本発明の実施形態による二次電池の斜視図である。

図１に示すように、上記のように作製した正極９と負極６を、これら両極が直接接触しないようにポリエチレン製のセパレータ１２を介して、軸芯（図示せず）の周りに捲回させて、発電要素である捲回群５を作製した。このとき、正極リード片１０と負極リード片７とが、それぞれ捲回群５の下部と上部に位置し、捲回群５の軸方向について反対方向を向くようにした。すなわち、正極リード片１０は、図１に示す捲回群５の下部に位置して下方向を向き、負極リード片７は、上部に位置して上方向を向くようにして、それぞれ捲回群５から導出される。

正極リード片１０は、正極集電体１１に超音波溶接により接続した。一方、負極リード片７は、負極集電体８に超音波溶接により接続した。

その後、捲回群５の周面全周に絶縁被覆を施し、図１と図４に示すように、アルミニウム製の電池容器１に上述の捲回群５を納め、電池容器１を溶接することで封口して、二次電池を作製した。正極集電体１１および負極集電体８は、外部との電気的導通のために、正極端子３および負極端子２がそれぞれ溶接される。正極端子３と負極端子２を介して、外部負荷に電力が供給され、または外部発電電力が捲回群５に充電される。正極端子３および負極端子２は、互いに電池容器１の反対側の端面（電池容器１の蓋）から出ているようにした。なお、負極側の端面（蓋）には、注液口４が取り付けられている。

その後、注液口４から非水電解液を電池容器１内に注入し、注液口４に封をした。非水電解液には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を体積比１：１：１の割合で混合した混合溶液中へ、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１ｍｏｌ／ｌ溶解したものを用いた。

ここで、図２を用いて、電流遮断機構を有する負極端子部および電流遮断機構について詳述する。図２は、本発明の実施形態による二次電池の負極端子部の断面図であり、負極端子部に設けられた電流遮断機構の詳細を示す。

負極端子２は、封止材（ガスケット）２３を介して電池容器１の蓋に取り付け、ナット２５で留める。負極端子２の取り付け後、電池容器１と蓋を溶接して密封した。図示していないが、正極端子３も同様にして、電池容器１の蓋に取り付けられる。

負極端子２は、中空の形状であり、外部と接続するための電極部２７と、後述する電流遮断弁２１を備えるフランジ部２６とを持つ。図２に示したように、負極端子２は、電池容器１に設けた穴に封止材２３を介して、フランジ部２６が電池容器１の内部に入り、電極部２７の一部が電池容器１の外部へ突出するように取り付けられる。

負極端子２のフランジ部２６には、電極部２７と反対側（電池容器１の内部）に、負極端子２の中空部を覆うように設けられた電流遮断弁２１を有する。電流遮断弁２１は、電池容器１の内部側に向かって凸の形状をしており、周縁部がフランジ部２６と接続される。電流遮断弁２１の凸形状の頂部は、平面状であるのが望ましいが、平面で構成されていなくてもよい。以下、電流遮断弁２１の凸形状の頂部を、中央部２１ａと称する。

電流遮断弁２１は、反転可能な反転弁であり、形状・寸法・材質等で定まる所定圧（遮断圧、例えば、０．５〜２．５ＭＰａ）に達するまで、初期形状である凸形状（電池容器１の内部側に向かって凸の形状）を維持し、一旦反転すると非反転形状（初期形状）に戻らないものを用いる。所定圧（遮断圧）は、大気圧より大きいものとする。電流遮断弁２１には、例えばダイアフラムが望ましい。

負極集電体８と電流遮断弁２１の中央部２１ａとは、抵抗溶接により電気的・機械的に接合（接続）している。以下、抵抗溶接により接合しているこの箇所を、接合部８ａと称する。従って、本実施形態では、電流遮断機構は、電流遮断弁２１（中央部２１ａを含む）、負極集電体８、および接合部８ａで構成されている。

電流遮断弁２１の周縁部には、負極集電体８との間に、絶縁体としてインシュレータ２２が備えられている。従って、電流遮断弁２１と負極集電体８とが電気的に接続している部分は、接合部８ａだけである。本実施形態では、インシュレータ２２の形状を半円状としたが、これに限られるものではない。

図５は、接合部８ａと電流遮断弁２１の中央部２１ａの拡大図である。図５に示すように、負極集電体８の接合部８ａの厚さＴ２は、負極集電体８の他の部分の厚さより小さくなっている。また、Ｔ２は、電流遮断弁２１の中央部２１ａの厚さＴ１より小さく、かつＴ１の１／３より大きく設定されている（Ｔ１＞Ｔ２＞１／３＊Ｔ１）。Ｔ２がＴ１の１／３以下の場合には、電気的抵抗が大きくなり、二次電池の容量や出力が低下する。Ｔ２がＴ１より大きいと、電流遮断弁２１の電流遮断機能が効果的に作用しない可能性がある。なお、図２、図５に示した負極集電体８では、接合部８ａだけの厚さが小さくなっているが、負極集電体８の周辺部から接合部８ａに向かって、徐々に厚さが小さくなるような形状でもよい。

また、電流遮断弁２１の材質の引張り強さＳ１は、負極集電体８の材質の引張り強さＳ２より大きく設定されている（Ｓ１＞Ｓ２）。これは、電流遮断弁２１の電流遮断機能をより効果的にするためである。電流遮断弁２１の材質には、鉄やアルミを用いることができる。負極集電体８の材質には、銅やニッケルなどの金属を用いることができる。本実施形態では、負極リード片７が銅箔であることから、負極集電体８には銅を用いることが望ましい。

次に、本実施形態による二次電池の作用、効果について説明する。

本実施形態の二次電池では、接合部８ａでの負極集電体８の厚さＴ２は、電流遮断弁２１の中央部２１ａの厚さＴ１の１／３より大きい。従って、通常状態（過充電等の電池異常状態以外の状態）では、負極集電体８から電流遮断弁２１を介して負極端子２へ電流が流れ、必要な電流容量や出力を得ることができる。このため、電流容量不足による負極集電体８の温度上昇を抑制することができる。

一方、二次電池が過充電等の電池異常状態に陥ると、非水電解液が分解して電池容器１内にガスが加速度的に発生する。このガスにより電池内圧は上昇するが、電流遮断弁２１は、所定圧（遮断圧）に達するまで、初期形状である凸形状（電池容器１の内部側に向かって凸の形状）を維持して、負極集電体８との接合（接続）を維持する。電池内圧が遮断圧を越えると、電流遮断弁２１は、瞬時に接合部８ａから切り離され、電流遮断弁２１と負極集電体８との接合が切り離される。従って、負極端子２への電流が遮断され、電池反応が停止される。

図３は、電池内圧の上昇により、電流遮断弁２１と負極集電体８が切り離された状態の負極端子部の断面図である。図３において、図２と同一の符号は、図２と同一の要素を示す。

電流遮断弁２１は、反転弁であるので、遮断圧まで非反転形状（初期形状）を維持し、電池内圧が遮断圧を超えると反転して接合部８ａから切り離される。このとき、電流遮断弁２１の中央部２１ａの厚さＴ１は負極集電体８の接合部８ａの厚さＴ２より大きいため、先に負極集電体８の接合部８ａが破断し、電流遮断弁２１に穴が開くことはない。また更に、電流遮断弁２１の材質の引張り強さＳ１は負極集電体８の材質の引張り強さＳ２より大きいので、接合部８ａが確実に先に破断して電流を遮断する。このため、電池内圧が遮断圧を超えると、確実に電池反応を停止することができ、安全性を確保することができる
また、一旦、電流遮断弁２１と負極集電体８との接合が切り離されれば、電流遮断弁２１は、インシュレータ２２により支持されているので、負極集電体８と電気的に接続されることはない。

図２に示したように、電流遮断弁２１は、負極端子２の中空部を覆うように設けられている。電流遮断弁２１が反転する所定圧は大気圧より大きいので、電流遮断弁２１は、一旦反転すれば、電池容器１内が真空になっても、大気圧で元の形状（初期形状）には戻らない。従って、接合部８ａで破断した負極集電体８が電流遮断弁２１に再度電気的に接触することもない。このため、完全に電流を遮断することができ、安全性に優れた電池を得ることができる。

なお、本実施形態では、負極端子に電流遮断機構を設けた例を示したが、負極端子に限定されるものではない。電流遮断機構は、正極端子に設けてもよく、負極端子と正極端子の両方に設けてもよい。

従来の電流遮断機構は、電池容器と蓋とがカシメ構造の電池のみに適用可能であった。しかし、本発明による二次電池で用いる電流遮断機構は、カシメ構造以外の電池、例えば電池容器と蓋とを溶接により接合する電池にも適用可能なため、様々な電池の安全性確保に効果的である。また、本発明による二次電池で用いる電流遮断機構は、蓋に一体的に組み込むものではないので、扁平型、円型、および角型など、任意の形状の二次電池に適用することができる。また、本実施形態では、有機電解液を用いたリチウムイオン電池を例示したが、本発明は、その他の電池系、例えばニッケル−水素電池等にも適用できる。

１…電池容器、２…負極端子、３…正極端子、４…注液口、５…捲回群、６…負極、７…負極リード片、８…負極集電体、８ａ…接合部、９…正極、１０…正極リード片、１１…正極集電体、１２…セパレータ、２１…電流遮断弁、２１ａ…中央部、２２…インシュレータ、２３…封止材、２５…ナット、２６…フランジ部、２７…電極部。

Claims (5)

1. 発電要素である捲回群を納める電池容器と、前記捲回群に接続される集電体と、外部と接続するための電極端子とを備える二次電池において、
   前記電極端子は、フランジを有する中空の筒状であり、前記フランジが前記電池容器の内部に位置するように、前記電池容器に設けた穴に取り付けられ、
   前記フランジには、前記電極端子の中空部分を覆い、前記電池容器の内部側に向かって凸形状である電流遮断弁が設けられ、
   電流遮断弁の凸形状の頂部には平面状の中央部が設けられ、当該中央部が前記集電体に接続され、
   前記集電体は、前記電流遮断弁との接続部では、当該集電体の他の部分より厚さが小さく、
   前記集電体の前記電流遮断弁との接続部の厚さは、前記電流遮断弁の平面状の中央部の厚さよりも小さく、かつ、前記電流遮断弁の平面状の中央部の厚さの１／３より大きいことを特徴とする二次電池。
2. 請求項１記載の二次電池において、
   前記電流遮断弁は、反転弁であり、前記二次電池の内圧が所定の遮断圧に達するまでは凸形状を維持し、前記内圧が前記遮断圧を越えると反転して前記集電体との接続が切り離される二次電池。
3. 請求項１記載の二次電池において、
   前記電流遮断弁の周縁部は、前記集電体との間に設けられたインシュレータにより支持されている二次電池。
4. 請求項１記載の二次電池において、前記電流遮断弁の引張り強さは、前記集電体の引張り強さより大きい二次電池。
5. 発電要素である捲回群を納める電池容器と、前記捲回群に接続される集電体と、外部と接続するための電極端子とを備える二次電池において、
   前記電極端子は、中空の筒状部を有し、一端側が前記電池容器の内部に位置するように、前記電池容器に設けた穴に取り付けられ、
   前記電極端子の一端側には、前記中空の筒状部を覆い、前記電池容器内部側の空間と前記中空の筒状部とを隔て、かつ前記電極端子と電気的に接続される電流遮断弁が設けられ、
   前記電流遮断弁の頂部には平面状の中央部が設けられ、当該中央部は前記集電体に設けられた薄肉部に溶接され、
   前記薄肉部の厚さは、前記中央部の厚さよりも小さく、前記中央部の厚さの１／３よりも大きいことを特徴とする二次電池。

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