JP5667589B2 - 非水電解液二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、車載用途等の非水電解液二次電池に関する。

近年、電気自動車等の動力源として、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。

電極群を捲回して電池缶に収納する構成を有するリチウムイオン二次電池の断面形状としては、円筒形、角形の他、長円形等がある。

特許文献１には、上蓋体に、内部圧力の上昇に応じて内部ガスの放出を行う安全弁が安全弁スペーサを介してかしめ固定されたリチウムイオン電池が開示されている。

特許文献２には、防爆弁が融点１７０℃未満の樹脂層で被覆されているリチウムイオン電池が開示されている。

特開２００５−１９０６９７号公報 特開平１１−２８３５９９号公報

非水電解液二次電池における開裂弁は、開裂した際に飛散しないように、一部が蓋に繋がっていることが望ましい。しかし、特許文献１に記載の構造の場合、電極群の内部で発生した高温・高圧のガスが、直接、弁の開裂後に開裂弁と蓋との接続部にあたり、開裂弁の破片を飛散させるおそれがある。このガスは高温であるため、特許文献２に記載の樹脂層で開裂弁を被覆したとしても防ぎ切れるものではない。

本発明は、非水電解液二次電池の電極群の内部で発生した高温・高圧のガスによって開裂弁の破片が飛散することを防止することを目的とする。

本発明の非水電解液二次電池においては、電池缶の端部を封口した蓋が開裂弁を有し、蓋と電池缶の内部の電極群との間に開口部を有する絶縁部材を配置し、蓋と絶縁部材との間には、開口部を有する開裂弁保護部材を配置し、開裂弁は、開裂弁固定部によって蓋に接続され、開裂弁固定部の電極群側は、開裂弁保護部材で覆われていることを特徴とする。

本発明によれば、開裂弁固定部の電極群側が開裂弁保護部材で覆われているため、開裂弁の破片の飛散を防止することができる。

実施例の非水電解液二次電池を示す外観斜視図である。 実施例の電極捲回群を示す部分展開斜視図である。 実施例の非水電解液二次電池を示す分解斜視図である。 絶縁カバー及びノズルガードの配置を示す分解斜視図である。 実施例の非水電解液二次電池の正極端子側の構成を示す部分縦断面図である。 実施例の開裂弁を閉じた状態を示す平面図である。 実施例の開裂弁を開けた状態を示す平面図である。 溶接によって開裂弁を取り付けた正極側封口板を示す平面図である。 図７ＡのＡ−Ａ断面図である。 プレス加工によって開裂弁を形成した正極側封口板を示す平面図である。 図８ＡのＢ−Ｂ断面図である。 変形例である角形の非水電解液二次電池を示す外観斜視図である。

本発明は、正極、負極及びこれらの間に配置されたセパレータを捲回した電極捲回群（電極群）と、この電極群を非水電解液とともに収納した電池缶と、前記電池缶の端部を封口した蓋とを備えたリチウムイオン二次電池等の非水電解液二次電池において、電極群と蓋との間に開裂弁の外周よりも小さい開口部を有する耐熱部材（ノズルガード又は開裂弁保護部材とも呼ぶ。）を設けた構造を特徴とする。

以下、本発明の実施形態に係る非水電解液二次電池について説明する。

前記非水電解液二次電池は、正極、負極及びこれらの間に配置されたセパレータを捲回した電極群と、この電極群を非水電解液とともに収納した電池缶と、電池缶の端部を封口した蓋とを備えた二次電池であって、蓋は開裂弁を有し、蓋と電極群との間には開口部を有する絶縁部材を配置し、蓋と絶縁部材の間には開口部を有する開裂弁保護部材を配置し、開裂弁は、開裂弁固定部によって蓋に接続され、開裂弁固定部の電極群側は、開裂弁保護部材で覆われていることを特徴とする。

前記非水電解液二次電池において、開裂弁保護部材は、蓋に接触するように配置されていることが望ましい。

以下、図面を用いて実施例について説明する。

図１は、非水電解液二次電池の外観斜視図である。

本図に示す非水電解液二次電池１００は、角丸長方形の断面形状を有する筒状の電池缶１０１（容器本体）の両端部が正極側封口板１１６（蓋）及び負極側封口板１０３（蓋、点線表示）によって封じられたものである。電池缶１０１の内部には、電極捲回群（詳細は図２に示す。）が電解液とともに収容されている。正極側封口板１１６及び負極側封口板１０３（蓋）は、電極捲回群の捲回軸と交差する位置にある。

電池缶１０１、正極側封口板１１６及び負極側封口板１０３の材料としては、アルミニウムやステンレス鋼が好ましく用いられる。本実施例においては、電池缶１０１がステンレス鋼製であり、正極側封口板１１６及び負極側封口板１０３がアルミニウム製である。

本図においては、正極端子１０９と負極端子１１０とは、互いに反対側の蓋に配置されている。なお、電池缶１０１は、その横断面形状が長方形であってもよい。

図２は、非水電解液二次電池に用いた電極捲回群の構成を模式的に示す部分展開斜視図である。

本図に示すように、電極捲回群１０２は、アルミニウム箔基材の両面に正極合剤を塗布した帯状の正極４０１と、銅箔基材の両面に負極合剤を塗布した帯状の負極４０２とを２枚のセパレータ４０３を介して重ね合わせ、板状の巻芯４０４の周りに捲回して形成したものである。電極捲回群１０２は、巻芯４０４の捲回軸方向から見ると角丸長方形（いわゆるレーストラック形状）となっている。

巻芯４０４は、電気絶縁性と耐熱性とを有していれば特に限定されないが、軽量化の観点から、樹脂成型によって作製されることが好ましく、例えば、ポリプロピレンやポリフェニレンスルフィド等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、又は不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂が好ましく用いられる。

正極４０１の捲回軸方向（箔の幅方向）の片側端部は、正極合剤が塗布されず、アルミニウム箔基材が露出している。一方、負極４０２の捲回軸方向（箔の幅方向）の片側端部も、負極合剤が塗布されず、銅箔基材が露出している。これらはそれぞれ、正極４０１及び負極４０２の集電部５０、５１（正極タブ及び負極タブ）となる。集電部５０と集電部５１とは、互いに捲回軸方向の反対側に配置されている。

図３は、非水電解液二次電池の分解斜視図である。

以下、本図を用いて組立工程を説明しながら、非水電解液二次電池１００の内部構造を説明する。

まず、電極捲回群１０２の正極タブを正極集電板１０４に溶接し、電極捲回群１０２の負極タブを負極集電板１０５に溶接する。そして、電極捲回群１０２を捲回した巻芯４０４の溝に集電板凸部６０３を嵌合する。これにより、巻芯４０４の両端部に正極集電板１０４及び負極集電板１０５がフランジ状に配設される。

正極集電板１０４及び負極集電板１０５には、それぞれ、正極端子１０９及び負極端子１１０が溶接等により接続してある。正極集電板１０４及び負極集電板１０５には、開口部６０２（正極開口部及び負極開口部）が配置してあり、電池の内圧上昇時の排気経路になっている。

次に、樹脂成型によって作製された絶縁カバー１１１（絶縁部材）を正極集電板１０４及び負極集電板１０５に被せ、電極捲回群１０２と正極集電板１０４と負極集電板１０５と絶縁カバー１１１とが一体となったものを電池缶１０１内に挿入する。絶縁カバー１１１は、電極端子用開口部３０３及びガス放出用開口部３０２を備えている。

次に、正極及び負極の両側でノズルガード２０１（開裂弁保護部材）を絶縁カバー１１１に固定する。ノズルガード２０１には、中央開口部２０３が配置してあり、セルの内圧上昇時の排気経路となっている。

次に、正極側封口板１１６の内側に正極端子１０９のガスケット１１２（樹脂製）を取り付け、電池缶１０１の端部に正極側封口板１１６を溶接する。負極側封口板１０３の内側にも同様にして、負極端子１１０のガスケット１１２（樹脂製）を取り付け、電池缶１０１の端部に負極側封口板１０３を溶接する。溶接は、電子ビーム又はレーザーによって行う。正極側封口板１１６及び負極側封口板１０３はそれぞれ、電極端子用開口部３０４を備えている。正極側封口板１１６及び負極側封口板１０３の中央部には、開裂弁１０８が設けてある。正極側封口板１１６は、電解液注入用の注液孔３０１も備えている。

次に、ガスケット１１５を正極側封口板１１６及び負極側封口板１０３の外側に取り付け、ナット１１３によって固定する。

最後に、低湿度環境下で正極側封口板１１６の注液孔３０１から電解液を注入し、注液栓１０７で封止して電池の組立を終了する。

以下、図３に示すノズルガード２０１の正極側の構成について詳細に説明する。尚、負極側は同様であるため、ここでは説明を省略する。

図４は、絶縁カバー及びノズルガードの配置を示したものである。

ノズルガード２０１は、厚さ０．１〜１ｍｍのステンレス鋼又はセラミックスの板が用いられる。その中央部には、開裂弁の外周よりも小さい中央開口部２０３が設けてある。また、ノズルガード２０１の長軸方向の両端部には、切欠部３１１が設けてあり、絶縁カバー１１１に設けた２か所の突起部２０２と勘合させることによって位置を合わせて固定することができる。

図５は、非水電解液二次電池の正極端子側の構成を示す部分縦断面図である。

本図において、電極捲回群１０２側から、集電板凸部６０３を介して捲芯４０４に固定されている正極集電板１０４、絶縁カバー１１１、ノズルガード２０１、及び、開裂弁１０８を有する正極側封口板１１６が配置されている。

ノズルガード２０１は、正極側封口板１１６（蓋）側に凸の形状を有するため、正極側封口板１１６及び絶縁カバー１１１の両方に接触して固定されている。

以下、開裂弁の構成の詳細及び機能を説明する。

図６Ａは、開裂弁を閉じた状態（通常の状態）を示す平面図であり、図６Ｂは、開裂弁を開けた状態（異常な状態）を示す平面図である。

図６Ａにおいて、正極側封口板１１６の中央部には、開裂弁１０８を設けてある。開裂弁１０８の外周部には、溝２０５が設けてある。溝２０５を設けていない部位は、開裂弁ネック２０４（開裂弁固定部）であり、蝶番の機能を有している。

図６Ｂに示すように、開裂の際には、溝２０５を設けた薄肉部が破断し、高温・高圧のガス等を放出する。一方、開裂弁ネック２０４と正極側封口板１１６との接続部分は肉厚であるため、破断しにくくなっている。さらに、本図に示すように、開裂弁ネック２０４は、正極側封口板１１６の内側に設けたノズルガード２０１によって電池内部で発生する高温・高圧のガス等から保護されている。すなわち、開裂弁ネック２０４には、高温・高圧のガス等が直接当たらないようになっている。これらの構成により、開裂弁１０８の飛散を防止することができる。

次に、正極側封口板１１６に設けた開裂弁１０８の作製方法について説明する。

当該作製方法は、２通りある。第一の作製方法は溶接による方法であり、第二の作製方法はプレス加工による方法である。

図７Ａは、溶接によって開裂弁を取り付けた正極側封口板を示す平面図である。図７Ｂは、図７ＡのＡ−Ａ断面図である。

図７Ａにおいて、正極側封口板１１６は、薄板７０１を裏面から溶接してある。図７Ｂに示すように、薄板７０１は、正極側封口板１１６の開口部に裏面からはめ合わされ、溶接部１７２で溶接されている。その後、薄板７０１にプレス加工を施して溝１７１を形成する。これにより、溝１７１の内側が開裂弁１０８となる。プレス加工の際、溝１７１を形成していない部分が開裂弁ネック２０４となる。

図８Ａは、プレス加工によって開裂弁を形成した正極側封口板を示す平面図である。図８Ｂは、図８ＡのＢ−Ｂ断面図である。

これらの図に示すように、正極側封口板１８６には、プレス加工による凹部８０１が形成されている。凹部８０１は、肉薄部分となっている。凹部８０１には、更にプレス加工を施して溝１８１、１８２を入れ、開裂弁１８８、１８９を形成する。プレス加工の際、溝１８１を形成していない部分が開裂弁ネック８０４、８０５となる。これらのプレス加工は、１回で行ってもよい。すなわち、１回のプレス加工により凹部８０１及び溝１８１、１８２を同時に形成してもよい。

図９は、変形例である角形の非水電解液二次電池を示す外観斜視図である。

本図において、電池７０は、外形が角形であり、底部を有する電池缶７１及び蓋部７２で構成されている。蓋部７２は開裂弁７３を有する。

本発明によれば、電極群と蓋との間に設けた耐熱性を有するノズルガードが異常な状態で発生する高熱のガスからノズルガードが開裂弁ネックを保護するため、開裂弁の破片の飛散を防止することが可能となる。

５０、５１：集電部、７０：電池、７１：電池缶、７２：蓋部、７３：開裂弁、１００：非水電解液二次電池、１０１：電池缶、１０２：電極捲回群、１０３：負極側封口板、１０４：正極集電板、１０５：負極集電板、１０７：注液栓、１０８、１８８、１８９：開裂弁、１０９：正極端子、１１０：負極端子、１１１：絶縁カバー、１１２：ガスケット、１１３：ナット、１１５：ガスケット、１１６、１８６：正極側封口板、１７１、１８１、１８２、２０５：溝、１７２：溶接部、２０１：ノズルガード、２０２：突起部、２０３：中央開口部、２０４、８０４、８０５：開裂弁ネック、３０１：注液孔、３０２：ガス放出用開口部、３０３、３０４：電極端子用開口部、３１１：切欠部、４０１：正極、４０２：負極、４０３：セパレータ、４０４：捲芯、６０２：開口部、６０３：集電板凸部、７０１：薄板、８０１：凹部。

Claims (2)

1. 正極、負極及びこれらの間に配置されたセパレータを捲回した電極群と、この電極群を非水電解液とともに収納した電池缶と、前記電池缶の端部を封口した蓋とを備えた二次電池であって、前記蓋は、開裂弁を有し、前記蓋と前記電極群との間には、開口部を有する絶縁部材を配置し、前記蓋と前記絶縁部材との間には、開口部を有する開裂弁保護部材を配置し、前記開裂弁は、その外周部に溝が設けられ、蝶番の機能を有する開裂弁固定部によって前記蓋に接続され、前記開裂弁固定部の前記電極群側は、前記開裂弁保護部材で覆われていることを特徴とする非水電解液二次電池。
2. 前記開裂弁保護部材は、前記蓋に接触するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の非水電解液二次電池。

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