JP5551785B2 - ガスケットのたるみが防止されたキャップアセンブリ、及びそれを備える円筒型二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、ガスケットのたるみが防止されたキャップアセンブリ、及びそれを備える円筒型二次電池に関するものである。

二次電池は、電池ケースの形状に応じて、電極組立体が円筒型または角型の金属カンに内蔵されている円筒型電池及び角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのポーチ型ケースに内蔵されているポーチ型電池とに分ける。

また、電池ケースに内蔵される前記電極組立体は、正極／セパレーター／負極の積層構造からなる充放電が可能な発電素子であって、活物質が塗布された長シート型の正極と負極との間にセパレーターを介在して巻取りしたゼリーロール型構造と、所定サイズの複数の正極と負極とをセパレーターが介在された状態において順次的に積層したスタック型構造とに分ける。その中、ゼリーロール型の電極組立体は、製造が容易で重量当りエネルギー密度が高い長所を有していることから最も広く製作されており、ゼリーロール型の電極組立体は通常的に円筒型電池で製作される。

ところで、電池の充放電時のゼリーロール型の電極組立体は、反復的な膨張と収縮が重なって変形される傾向がある。この過程において応力が中心部に集中されて電極がセパレーターを貫いて金属センタフィンと接触されることによって内部短絡が起こる。前記内部短絡による発熱により有機溶媒が分解されガスが生じ、電池内のガス圧の上昇によって電池が破裂される恐れがある。この電池内部のガス圧の上昇は、外部衝撃によって内部短絡が生じた場合にも起こる可能性がある。

上述のような電池の安全性問題を解決するために、円筒型電池のキャップアセンブリには、高圧ガスを排出する安全ベント、高温において電流を遮断するＰＴＣ素子、電池内圧が上昇する際に電流を遮断する電流遮断素子（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＩＤ）などの安全素子と前記素子を保護する突出型端子を形成するトップキャップなどが主ガスケットによって固定された構造からなっている。

前記キャップアセンブリの構造は、主ガスケットが安全ベント、ＰＣＴ素子、トップキャップなどの外周面を囲むことで、本質的に電池内部の電解液が外部へ漏出されることを防止する。よって、電池の最裏側に位置する安全ベントとその外周面を囲む主ガスケットの界面を通じて電解液が漏出されなければ、安全ベントとＰＣＴ素子の界面、ＰＴＣ素子とトップキャップの界面など金属素材間の界面においても電解液の漏出は生じない。

しかし、電池の充放電の作動過程、落下、外部衝撃などにより、実際に主ガスケットと安全ベントとの界面を通じて一部電解液が漏出され、この漏出された電解液が金属素材間の界面を通じて外部へ漏出されやすいという問題がある。即ち、金属素材間の相互界面の部分は、相対的に密着性が落ちるので、一旦金属素材の界面に流入された電解液は、主ガスケットと関する素子の界面部分に対して外部へ漏出されやすい。

よって、キャップアセンブリから電解液が漏出される現象を減少させる技術に対する必要性が高い実情である。

これと関して、特許出願公開第２００６−２８６５６１号、特許出願公開第２００５−１００９２７号、特許出願公開第２００２−３７３７１１号などにはトップキャップ下方に主ガスケットを備えるキャップアセンブリが開示されている。しかし、この出願に開示されているキャップアセンブリは、安全素子の外周面を囲みつつ密封する主ガスケットの形状が複雑であることから製造しにくく、金属素材（安全ベント、ＰＣＴ素子及びトップキャップ）の相互界面部分にて電解液の漏液が生ずるので、上記の問題を根本的に解決してはいない。

図１には、従来の円筒型二次電池の上部構造を示す部分断面図が模式的に示している。

図１に示すように、電池１００は、カン２００の内部に発電素子としての電極組立体３００を挿入してここに電解液を注入し、カン２００の上端開口部にキャップアセンブリ４００を装着することによって製造される。

キャップアセンブリ４００は、カン２００の上部ビーディング部２１０に実装される気密保持用の主ガスケット５００の内部にトップキャップ４１０と過電流を遮断するためのＰＴＣ素子４２０及び内部圧力低下のための安全ベント４３０とが密着されて設けられる。

トップキャップ４１０は、中央が上向突出されていて外部回路との接続による正極端子としての役割を果たし、ガス排出のための複数の貫通口（図示せず）が穿孔されている。安全ベント４３０は、その下端が電流遮断安全素子４４０及び正極リード３１０を介して電極組立体３００の正極に接続されている。

安全ベント４３０は、導電性の薄い板材であって、その中央部は下向湾入部４３２を形成し、湾入部４３２の上折曲及び下折曲部分には、それぞれ深さが異なる２箇所のノッチ４３４、４３６が形成されている。

電池内部において臨界値以上に圧力が上昇した場合電流を遮断する電流遮断安全素子４４０は、導電性板材であって安全ベント４３０の下方に設けられている。電流遮断安全素子４４０の材質は、好ましくは、安全ベント４３０と同じ材質からなっており、補助ガスケット５１０は、電流遮断安全素子４４０と安全ベント４３０が通電されることを防ぐことができるようポリプロピレン（ＰＰ）系の材質からなっている。

例えば、多様な要因による内部短絡、過充電などにより電池１００の温度が上昇する場合、ＰＴＣ素子４２０の抵抗増加により通電電流量が大幅に減少される。温度の上昇が継続される場合電解液が分解されつつガスが生じ、それに従って内圧が増加すると、安全ベント４３０の湾入部４３２が取り上げられて電流遮断安全素子４４０が部分破裂され電流を遮断することから安全性を確保する構成からなっている。しかし、継続的な圧力上昇の時には、安全ベント４３０のノッチ４３６が破裂されつつ高圧ガスを電池１００の外部へ排出して安全性を担保することになる。

本発明は、上述の従来技術の問題と過去から要請されてきた技術的課題を解決するために電解液密封性に優れたキャップアセンブリ、及び円筒型電池を提供することを目的とする。

電解液の漏液は、幾つの部分で生じることがあるが、その中で一つは、ガスケットと安全ベントとの間の界面を通じて生じえる。特に、トップキャップ、ＰＴＣ素子、及び安全ベントを囲む主ガスケットの末端部分は、安全ベントと密着されてないことが多く、電池の使用中に主ガスケットの弾性が劣化されてその部分が重力により弛まれることによって安全ベントと密着されないことも頻繁に起こる。

即ち、図１に示すように主ガスケットのたるみ現象なしが好ましいことであるが、実際には図２に示すように主ガスケットが下方に弛まれて、安全ベントと離隔される。

図２は、従来の円筒型二次電池の内部を示すことであって、主ガスケットのたるみを図式的に示すことである。図２の拡大図の部分は、実際従来の円筒型二次電池のガスケットたるみを示す写真であって、主ガスケットの末端部分が重力方向に弛まれて安全ベントと離隔された空間が生じることを肉眼で確認できる。

このように、主ガスケットのたるみによって、ガスケットと安全ベントとの離隔空間が生じることになりこの部分は、電解液浸透の主要経路になる。

本願の発明者達は、鋭意研究と多様な実験を重なった結果、ＣＩＤ外周面を囲む補助ガスケットで主ガスケットを支持すると、主ガスケットと安全ベントとの間に離隔空間が生じなくて電解液の漏液を防ぐことができ、最終的に電池の安全性を大幅に向上させることを確認し、本発明を完成することに繋がった。

本発明は、上述の従来技術の問題を解決するために案出されたものであって、
安全ベントの外周面を囲む主ガスケット及びＣＩＤ外周面を囲む補助ガスケットを含むキャップアセンブリにおいて、
前記主ガスケットは、前記補助ガスケットによって支持されて前記安全ベントと離隔された空間を形成しないことを特徴とするキャップアセンブリを提供する。

また本発明において、前記主ガスケットの一部は、前記ＣＩＤ上に配置され、前記ＣＩＤ上に配置された主ガスケットの一部を前記補助ガスケットが下から支持するものであることを特徴とするキャップアセンブリを提供する。

また、本発明において、外周面に補助ガスケットが囲まれているＣＩＤが前記主ガスケットに縛り嵌め状態に介在されることによって、主ガスケット側面から補助ガスケットにより支持されるものであることを特徴とするキャップアセンブリを提供する。

また、本発明において、前記主ガスケットのたるみ量は、０．１２ｍｍ以下であることを特徴とするキャップアセンブリを提供する。

また、本発明のキャップアセンブリを備える円筒型二次電池を提供する。

本発明のキャップアセンブリは、ＣＩＤ外周面を囲む補助ガスケットを用いてビーディング部に装着されている主ガスケットのたるみを防ぐことによって電解液の漏液を改善する効果がある。

従来の円筒型二次電池の上部構造を示す断面図である。 従来の円筒型二次電池の上部構造を示す断面図であって、主ガスケットのたるみを図式的に示す図である。 本発明における実施例の円筒型二次電池の上部構造を示す断面図である。 本発明におけるまた他の実施例の円筒型二次電池の上部構造を示す断面図である。

以下、本発明に対して詳しく説明する。

本発明は、安全ベントの外周面を囲む主ガスケット及びＣＩＤの外周面を囲む補助ガスケットを含むキャップアセンブリ、例えば、トップキャップ、及び安全ベントを順次的に含む積層体の外周面が主ガスケットで囲まれて、外周面に補助ガスケットが囲まれているＣＩＤが前記安全ベントの下方に接合されているキャップアセンブリにおいて、
前記主ガスケットは、前記補助ガスケットによって支持されて前記安全ベントと離隔された空間を形成しないことを特徴とするキャップアセンブリに関するものである。

本発明の核心は、主ガスケットが重力などの要因によって弛む現象をＣＩＤ外周面を囲む補助ガスケットで支持することによって主ガスケットと安全ベントとの間に離隔された空間を形成しないことであり、この本発明を具現した実施例は、多種多様に存在してもよいが、以下で示すように２つの具体的な実施例を挙げる。

本発明における実施例は、図３に示すように、前記主ガスケット５００ａの一部は、前記ＣＩＤ上に配置され、前記ＣＩＤ上に配置される主ガスケットの一部を前記補助ガスケット５１０ａが下から支持するものであってもよい。

図３に示すように、主ガスケットの一部を補助ガスケットが支持する場合、主ガスケットが安全ベントから弛む現象を防ぐことのみならず、主ガスケットと補助ガスケットが形成する密着面Ｓ１により電解液が二重シーリングされる効果もある。即ち、電解液が漏液されることは、主ガスケット５００ａと補助ガスケット５１０ａが形成する密着面Ｓ１を経てさらに主ガスケットと安全ベントが形成する面Ｓ２を通過しなければならないとできないため、事実上電解液の漏液は生じにくい。

本発明における他の実施例は、図４に示すように、外周面に補助ガスケットが囲まれているＣＩＤが前記主ガスケットに縛り嵌め状態に介在されることによって、主ガスケットが側面から補助ガスケットにより支持されるものであってもよい。

図４に示すように、主ガスケット５００ｂの側面を補助ガスケット５１０ｂが側面から押して支持すると、主ガスケットが安全ベントから弛む現象を防ぐことのみならず、主ガスケットと補助ガスケットが形成する密着面Ｓ１´により電解液が二重シーリングされる効果もある。即ち、電解液が漏液されることは、主ガスケット５００ｂと補助ガスケット５１０ｂが形成する密着面Ｓ１´を経てさらに主ガスケットと安全ベントが形成する面Ｓ２を透過しなければならないとできないため、事実上電解液の漏液は生じにくい。

前記「縛り嵌め」は、嵌められる部分（例えば、軸）と合わせる部分（例えば、孔）の公差範囲を示し、機械設計学で広く使用される用語であるところ、本書上の「縛り嵌め」の定義は通常的に広く使用される機械設計学におけるそれに従う。

一方、本発明は、補助ガスケット５１０ａ、５１０ｂが主ガスケット５００ａ、５００ｂを支持する構造を有することによって安全ベントからの主ガスケットたるみ量を０．１２ｍｍ以下に維持できるキャップアセンブリを提供する。

また、本発明は、上述の本発明のキャップアセンブリを備える円筒型二次電池に関するものである。

本発明の円筒型二次電池の構造は、上述の本発明のキャップアセンブリの特別な構造を有すること以外には全て同じである。これに対しては、上記の［背景技術］の説明を参照してもよい。

以上本発明における実施例による図面を参照して説明したが、本発明が属する分野にて通常の知識を持つ者であれば、前記内容を基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能である。

実験例−たるみ量に従う漏液特性実験
以下では、本発明の前記実施例の性能を照明するための実験に対して設明する。

実験は、たるみ量の測定、加圧状態から漏液可否（加圧Ｌｅａｋ Ｔｅｓｔ）及び衝撃発生時の漏液可否（Ｄｒｏｐ Ｔｅｓｔ）の３つを行った。

実験方法は、下記と同様である。

（たるみ量測定）
図３に示したようなキャップアセンブリ構造で製作した電池のたるみ量と図１ａに示したような従来のキャップアセンブリ構造で製作した電池のたるみ量を測定した。たるみ量は、安全ベントから離隔されたガスケット間の距離のうち最大距離に該当することに定義し、その単位はｍｍである。

実施例の場合たるみ量が０．１から０．１２でたるみ量が軽微でその偏差もあんまり大きくないが、比較例の場合０．１５から０．２５でたるみ量及びその偏差も大きく測定された。

（加圧Ｌｅａｋ Ｔｅｓｔ）
実施例及び比較例のキャップアセンブリに電解液を注入し、これに窒素ガスを利用して電池内を加圧して電解液が漏液されるか否かを確認した。注入されたガスがキャップアセンブリに加える圧力は、略１８ｋｇｆ／ｃｍ^２であった。

（Ｄｒｏｐ Ｔｅｓｔ）
実験条件は、略１ｍ高さから木床に円筒型電池を落下した後、電解液の漏液可否を確認した。電池を落とせる方向において、上部分（キャップアセンブリが配置された部分）を下向きにして落下すること；電池の側面を下向きにして落下すること；及び電池の上部分を上向きにして落下することの３つ方法を使用した。前記３つの方法を一回りを１サイクルにして漏液有無を確認した。実験は、計１サイクル行い、使用された電池は実施例、比較例各々３０個ずつ使用した。

前記実験行いに対する結果は、下記表１と同様である。

前記表１に示すように、実施例が比較例の場合より電解液の密封力に優れることが分かる。この結果は、たるみ量に応じて加圧状況で漏液される程度と衝撃時漏液程度がある程度の比例相関関係にあることを推定できる資料として見込まれてもよい。よって、補助ガスケットで主ガスケットのたるみを防ぐ本発明のキャップアセンブリ、及びこれを備える円筒型二次電池が電解液の密封力に優れることを前記実験例から理解できるだろう。

Claims (5)

1. 安全ベントの外周面を囲む主ガスケット及びＣＩＤ（電流遮断素子）外周面を囲む補助ガスケットを含むキャップアセンブリにおいて、
   前記主ガスケットは、前記補助ガスケットによって支持されて前記安全ベントと離隔された空間を形成しないことを特徴とするキャップアセンブリ。
2. 前記主ガスケットの一部は、前記ＣＩＤ上に配置され、前記ＣＩＤ上に配置された前記主ガスケットの一部を前記補助ガスケットが支持することを特徴とする請求項１に記載のキャップアセンブリ。
3. 前記補助ガスケットは、前記主ガスケットに締り嵌め状態で嵌め合わされて前記ＣＩＤ外周面を囲み、前記主ガスケットが内周側面から補助ガスケットにより支持されることを特徴とする請求項１に記載のキャップアセンブリ。
4. 前記主ガスケットと前記安全ベントとの離隔量は、０．１２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のキャップアセンブリ。
5. 請求項１から４のうち何れか一項のキャップアセンブリを備える円筒型二次電池。

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