JP5611251B2 - 密閉型二次電池 - Google Patents
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Description
ところで、電気自動車、ハイブリッド自動車(プラグインハイブリッド自動車を含む)等の車両の駆動電源用として使用される密閉型二次電池には、更なる高性能化のため、高出力で大容量(典型的には1時間率容量が3Ah以上、例えば5〜20Ah又は20Ah以上(例えば20〜30Ah)であるような大容量)の電池が求められる。このため、パソコンや携帯端末の電源として使用される(即ち民生用)電池とは比較にならないほどのハイレートな充放電が要求される。
即ち、ここで開示される密閉型二次電池は、正極および負極を備える電極体と、上記電極体を収容する電池ケースと、上記電池ケースの外面に設けられて上記電極体の正極および負極とそれぞれ電気的に接続される正極端子および負極端子と、上記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に電流を遮断する電流遮断機構とを備える密閉型二次電池である。
上記電流遮断機構は、上記電極体の正極と上記正極端子との間または上記電極体の負極と上記負極端子との間において、上記正負いずれかの端子と電気的に接続される電流遮断弁と、上記電極体の正負いずれかの電極と電気的に接続される矩形プレート形状の集電板とを備える。
また、上記矩形プレート形状の集電板は、相対的に薄肉に形成された中央薄肉部と該中央薄肉部の周囲であって相対的に厚肉に形成された厚肉部とから構成されており、且つ、該中央薄肉部の内側において所定の直径で環状に破断用の溝が形成されている。
また、上記電流遮断弁は、その一部が上記環状溝の内側において上記集電板の中央薄肉部に通電可能に接合されており、上記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際には、該内圧によって電流遮断弁が上記集電板から離れる方向に変形するとともに上記環状溝の部分で上記集電板の中央薄肉部が破断することによって、上記集電板から上記破断した中央薄肉部を伴う電流遮断弁が離れて電流遮断が実現するように構成されている。
(1)上記基準断面における上記厚肉部の断面積A(mm2)と、上記基準断面における上記中央薄肉部の断面積B(mm2)との関係式:B/Aの値が0.05以上0.15以下であること;
(2)上記厚肉部と上記環状溝との距離P(mm)と、上記環状溝における残肉部の断面積C(mm2)との関係式:P/Cの値が1.6以下であること;
をいずれも具備するように設計されていることを特徴とする。
かかる構成の密閉型二次電池では、所定のケース内圧(ガス圧)時に電流遮断弁を速やかに変形させて集電板の一部を破断させ得るとともに、ハイレート充放電時のような大電流が流れた際に上記環状溝が形成されている部位において発生するジュール熱を効率よく厚肉部方向に逃がすことができる。このことによって溶断に対する抵抗性(耐熱性)が向上し、当該部分が溶断され難い。このため、電池の高出力化に求められるハイレート充放電に対応して電流遮断機構の信頼性を向上させ、より高品質の密閉型二次電池(例えば密閉型リチウム二次電池)を提供することができる。
或いはまた、好ましくは、上記環状溝における残肉部の断面積C(mm2)が0.3以上であり、上記厚肉部と上記環状溝との距離P(mm)が0.5以下であることを特徴とする。
上記(1)の条件と(2)の条件に関して、上記数値範囲を具備することにより、電流遮断機構の溶断に対する抵抗性(耐熱性)をより向上させることができる。
このようなサイズの直径の環状溝を設けることにより、所定のケース内圧(ガス圧)時における電流遮断弁の作動(即ち集電板の破断)正確性と、耐熱性の向上とを高い次元で両立させることができる。
本発明によると、上記(1)の条件と(2)の条件を具備することによって、ハイレート充放電時のような大電流が流れた際に上記環状溝が形成されている部位において発生するジュール熱を効率よく厚肉部方向に逃がすことができるため、中央薄肉部の厚みが0.15mm以下であっても溶断に対する高い抵抗性(耐熱性)を実現することができる。
かかる構成の組電池は、それを構成する単電池の電流遮断機構の信頼性を維持しつつ溶断に対する抵抗性(耐熱性)にも優れるため、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両の駆動用電源として好適である。
また、本発明は、ここで開示されるいずれかの密閉型二次電池または組電池を駆動用電源として備えるプラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)等の車両を提供する。
なお、本発明はここで開示される構成の電流遮断機構を有する限りにおいて、二次電池の種類はリチウム二次電池(典型的には非水電解質を備えたリチウムイオン電池)に限定されず、ニッケル水素電池その他の二次電池にも適用することができる。
電池ケース12は、一端(電池10の通常の使用状態における上端部に相当する。)に開口部を有する箱形(すなわち有底直方体状)のケース本体14と、その開口部に取り付けられて該開口部を塞ぐ矩形状プレート部材からなる封口板(蓋体)16とから構成される。かかる封口板(蓋体)16がケース本体14の開口部周縁に溶接されることにより、扁平形状の捲回電極体50の幅広面に対向する一対のケース幅広面と、該ケース幅広面に隣接する4つの矩形状ケース面(即ち、そのうちの一つの矩形状ケース上面が封口板16により構成される。)との六面体形状の密閉構造の電池ケース12が構成される。
特に制限するものではないが、この種の角形電池の六面体形状ケースの好適なサイズとして、ケース本体14及び封口板16の長辺側の長さ:約80〜200mm(例えば100〜150mm)、ケース本体14及び封口板16の短辺側の長さ(即ちケース12の厚み):約8〜25mm(例えば10〜20mm)、ケース12の高さ:約70〜150mmを例示することができる。
また、ケース12(ケース本体14および封口板16)の厚みは、特に限定されないが、車両駆動電源用の密閉型電池を構成する場合、0.3mm〜2mm程度が適当であり、0.5mm〜1mm程度が好ましい。
封口板16の両端子18,20間には、ケース12の内圧が所定レベル(例えば設定開弁圧0.3〜1.0MPa程度)以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成された薄肉の安全弁40と、注液口42(図1は当該注液口42が注液後に封止材43により封止されてマスクされた状態である。)が形成されている。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン電池10において、電流遮断機構80は、正極端子20の一部と正極集電体70の一部とにより構成されている。かかる電流遮断機構80については後述する。
負極シートは、長尺状の負極集電体(例えば銅箔)の上に負極活物質層が形成された構成であり得る。この負極活物質層の形成に用いる負極活物質としては、従来からリチウムイオン電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。好適例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属窒化物等が挙げられる。また、上記セパレータシートの好適例としては、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。
図2に示すように、捲回電極体50の捲回軸方向の一方の端部にはみ出した正極はみ出し部分52Aには、アルミニウム又はアルミニウム主体の合金製の正極集電タブ60が接続されている。かかる集電タブ60から上方(即ち封口板方向)に延びるようにしてアルミニウム又はアルミニウム主体の合金製の正極集電体70が形成されている。正極集電体70は、封口板16の内面側に近接して当該内面とほぼ平行に配置される矩形プレート形状(典型的には長方形のプレート形状)の集電体本体即ち集電板72と、該集電板72と正極集電タブ60とを連結するアーム状の連結部71とから構成されている。
集電板72は、後述する電流遮断弁(反転板)30の一部(中央凹部30A)が溶接される中央薄肉部74とその周囲の相対的に厚い厚肉部78とから構成されている。中央薄肉部は典型的には円状若しくは矩形状に形成される。また、図2に示すように、中央薄肉部74の中心部ならびに厚肉部78の複数箇所(本実施形態では2箇所)に、ガス流通孔74A,78Aが形成されている。また、中央薄肉部74の内側において所定の直径で環状に破断用の溝(ノッチ)79が形成されている。
また、厚肉部78の厚みは典型的には2mm以下(例えば0.4mm〜2mm)であり、1mm以下(例えば0.5mm〜1mm)が好ましい。中央薄肉部74の厚みは典型的には0.2mm以下(例えば0.05mm〜0.2mm)であり、0.15mm以下(例えば0.08mm〜0.15mm)が好ましい。
なお、中央薄肉部74の大きさは特に制限はないが、集電板72の短径側の長さの40〜70%に相当する長さ(例えば集電板72の短径が8mmの場合で3.2mm〜5.6mm)を直径とする円形若しくは方形状に形成されることが適当である。
環状溝79の直径は4mm以上(典型的には4mm以上6mm以下)であることが好ましい。また、環状溝79の形成位置であるが、溶断に対する抵抗性(耐熱性)向上の観点から、厚肉部78と環状溝79との距離Pが0.5mm以下であることが適当であり、0.2〜0.4mm(例えば0.3mm±0.05mm程度)が好ましい。
また、環状溝79の切り込み深さであるが、当該環状溝79における残肉部の厚みが少なくとも0.025mm程度あることが適当であり、0.03mm以上(例えば0.03mm〜0.08mm程度)あることが好ましい。残肉部の厚みが少なすぎると溶断抵抗性が低くなりすぎて好ましくなく、逆に残肉部の厚みが多すぎると、所定のケース内圧発生時に上記集電板の破断が困難となるため好ましくない。
(1)基準断面における厚肉部78の断面積A(mm2)と、基準断面における中央薄肉部74の断面積B(mm2)との関係式:B/Aの値が0.05以上0.15以下であること(さらに好ましくはB/Aの値が0.07以上0.12以下であること);
(2)上記 厚肉部と上記環状溝との距離P(mm)と、上記環状溝における残肉部の断面積C(mm2)との関係式:P/Cの値が1.6以下であること(さらに好ましくはP/Cの値が0.5以上1.3以下であること);
をいずれも具備するように設計される。
さらに、環状溝79における残肉部の断面積C(mm2)は0.3以上であることが好ましい。また、厚肉部78と環状溝79との距離P(mm)が0.5以下であるように設計されることが特に好ましい(後述する実施例参照)。
さらに本実施形態に係る正極端子20は、封口板16の内面側において、上記筒状接続端子22が挿入され得る挿入孔がそれぞれ形成された矩形キャップ状の合成樹脂製の絶縁板26および金属製の封口体タブ28を備える。
より具体的には、図3に示すように、正極集電体70と電気的に接続される筒状接続端子22は、ガスケット24、封口板16、絶縁板26および封口体タブ28にそれぞれ形成された孔内に挿入され、その先端部22Cが図示されるようにかしめられることにより、これら部材22,24,16,26,28が一体に固定される。
また、矩形プレート状の反転板30の中央部は、対応する絶縁ホルダー32の中央部に形成された孔を介して集電板72の中央薄肉部74に接するように凹んでおり、かかる反転板30の中央凹部30Aはレーザ溶接あるいは超音波溶接によって集電板72の中央薄肉部74の環状溝79の内側に接合されている。換言すれば、正極集電体70の集電板72の中央薄肉部74において、上記反転板30の中央凹部30Aの接合箇所の周囲に破断用環状溝79が存在する。
上記構成の結果、正極シート52は、正極はみ出し部分52A、集電タブ60、集電体70、反転板30および封口体タブ28を介して接続端子22と電気的に接続される。
図5の基準断面について示す集電板72に関する各サイズや断面積が以下の表1に示すとおりに設計された計7種類(サンプル0,1,2,3,4,5および6)の矩形プレート形状のアルミニウム製集電板72を作製した。なお、各サンプルの集電板の長径サイズは短径サイズの2.5倍とした。一方、上述した図3に示すような8mm(短径)×20mm(長径)の矩形状で厚みが0.3mm〜0.5mm程度の反転板30を用意した。
而して、中央薄肉部74の中心部であるガス流通孔74Aの周縁部であって環状溝79よりも内側の部位に反転板30の中央凹部30Aをレーザー溶接した。
具体的には、図6に示すように、ここで開示される集電板を使用して構築された電流遮断機構(上述した図2〜4参照)を備える密閉型二次電池(典型的には図示されるような角形状のリチウム二次電池)10を単電池とし、該単電池10を複数個(図示される実施形態では4個であるがこれに限られない。)所定方向に配列されて構成される。典型的には図示されるように各単電池10間が直列に接続されて構成される。具体的には各単電池10の電池ケース12の上面(即ち封口板)16に、ケース12内に収容された電極体の正極と電気的に接続する正極端子20および負極と電気的に接続する負極端子18がそれぞれ設けられている。そして、隣接する単電池10間において一方の正極端子20と他方の負極端子18とが適当な接続具92によって電気的に接続される。そして、配列した単電池群11の両外側にそれぞれエンドプレート96を配置し、当該一対のエンドプレート96,96を架橋するように、単電池群11の両側面に配列方向に沿って締め付け用ビーム材98が取り付けられ、ビーム材98の各端部をビス99によりエンドプレート96に締め付け且つ固定することができる。このように各単電池10を直列に接続し、それらを拘束(固定)することにより、所望の電圧を有する車両の駆動用電源として好適な組電池100が構築される。
なお、典型的には所定方向に配列された複数の単電池10間には、所定形状の間隔保持シート94が配置される。かかる間隔保持シート94は、使用時に各単電池10内で発生する熱を放散させるための放熱部材として機能し得る材質(例えば熱伝導性の良い金属製若しくは軽量で硬質なポリプロピレンその他の合成樹脂製)及び/又は形状であることが好ましい。
10 二次電池(リチウムイオン電池)
12 電池ケース
14 ケース本体
16 封口板(蓋体)
18 負極端子
20 正極端子
22 接続端子
22B 貫通孔
22C 先端部
24 ガスケット
26 絶縁板
28 封口体タブ
30 反転板(電流遮断弁)
30A 中央凹部
32 絶縁ホルダー
50 捲回電極体
52 正極シート
54 セパレータシート
55 捲回コア部
60 正極集電タブ
70 正極集電体
71 連結部(アーム部)
72 集電板
74 中央薄肉部
74A ガス流通孔
78 厚肉部
78A ガス流通孔
79 環状溝(ノッチ)
80 電流遮断機構
100 組電池
Claims (8)
- 正極および負極を備える電極体と、
前記電極体を収容する電池ケースと、
前記電池ケースの外面に設けられ、前記電極体の正極および負極とそれぞれ電気的に接続される正極端子および負極端子と、
前記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に電流を遮断する電流遮断機構と、を備える密閉型二次電池であって、
前記電流遮断機構は、前記電極体の正極と前記正極端子との間または前記電極体の負極 と前記負極端子との間において、前記正負いずれかの端子と電気的に接続される電流遮断弁と、前記電極体の正負いずれかの電極と電気的に接続される矩形プレート形状の集電板と、を備えており、
前記矩形プレート形状の集電板は、相対的に薄肉に形成された中央薄肉部と該中央薄肉部の周囲であって相対的に厚肉に形成された厚肉部とから構成されており、且つ、該中央薄肉部の内側において所定の直径で環状に破断用の溝が形成されており、
前記電流遮断弁は、その一部が前記環状溝の内側において前記集電板の中央薄肉部に通電可能に接合されており、
前記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際には、該内圧によって電流遮断弁が前記集電板から離れる方向に変形するとともに前記環状溝の部分で前記集電板の中央薄肉部が破断することによって、前記集電板から前記破断した中央薄肉部を伴う電流遮断弁が離れて電流遮断が実現するように構成されており、
ここで、前記矩形プレート形状の集電板は、アルミニウム又はアルミニウム主体の合金製であり、前記環状溝の中心点を通る断面であって矩形プレート形状集電板の短辺と平行となる方向の断面を基準断面として、以下の条件:
(1)前記基準断面における前記厚肉部の断面積A(mm2)と、前記基準断面における前記中央薄肉部の断面積B(mm2)との関係式:B/Aの値が0.05以上0.15以下であること;
(2)前記厚肉部と前記環状溝との距離P(mm)と、前記環状溝における残肉部の断面積C(mm2)との関係式:P/Cの値が0.5以上であり且つ1.6以下であること、但し前記環状溝における残肉部の厚みは0.025mm〜0.08mmの範囲にある;
をいずれも具備するように設計されていることを特徴とする、密閉型二次電池。 - 前記B/Aの値が0.07以上0.12以下であり、前記P/Cの値が0.5以上1.3以下であることを特徴とする、請求項1に記載の密閉型二次電池。
- 前記環状溝における残肉部の断面積C(mm2)が0.3以上であり、前記厚肉部と前記環状溝との距離P(mm)が0.5以下であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の密閉型二次電池。
- 前記環状溝の直径が4mm以上であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の密閉型二次電池。
- 前記中央薄肉部の厚みが0.15mm以下であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の密閉型二次電池。
- 前記電極体は、長尺なシート状の前記正極および長尺なシート状の前記負極を長尺なシート状セパレータと共に捲回してなる扁平形状の捲回電極体であり、
前記電池ケースは、該捲回電極体の形状に対応して該捲回電極体を収容する扁平な角形状に形成されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の密閉型二次電池。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の密閉型二次電池を単電池とし、該単電池を相互に電気的に接続して複数個備えることを特徴とする、組電池。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の密閉型二次電池または請求項7に記載の組電池を駆動用電源として備える車両。
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