JP5733287B2

JP5733287B2 - 密閉型電池の圧力型電流遮断装置

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Publication number: JP5733287B2
Application number: JP2012232191A
Authority: JP
Inventors: 浩永田; 茂高城
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: US20140113163A1; CN103779531A; JP2014086176A; US9859547B2; CN103779531B

Description

本発明は、密閉型電池の圧力型電流遮断装置の技術に関する。

密閉型電池とは、正極及び負極を備える電極体を電解液とともに電池ケース内に封入して構成されたものであって、例えばリチウムイオン二次電池等が良く知られている。密閉型電池では、過充電を検知して電流を遮断する電流遮断装置を設けることがある。このような電流遮断装置の一つとして、電池ケースの内部圧力が設定圧力より高くなった場合に物理的に電流を遮断する圧力型電流遮断装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に開示されるような従来の圧力型電流遮断装置では、電池ケースの外部端子と電気的に接続される導電部材と、電池ケース内部に配置される集電端子と、導電部材と集電端子との間に介装される反転板と、を備え、導電部材が上方に凹陥する凹陥形状に形成され、反転板の全周囲が導電部材の底部に溶接によって接合される構成とされている。

図６を用いて、従来の圧力型電流遮断装置５００の課題について説明する。
なお、図６では、従来の圧力型電流遮断装置５００を模式的に表している。

圧力型電流遮断装置５００の構成について説明する。
圧力型電流遮断装置５００は、導電部材としてのリベット５４０と集電端子（図示略）とを電気的に遮断するものである。圧力型電流遮断装置５００は、リベット５４０と、反転板５５０と、を備えている。

リベット５４０の凹陥部５４３は、上方に凹陥する凹陥形状に形成されている。凹陥部５４３の下端部内側には、嵌合部５４４が形成されている。反転板５５０は、円盤形状に形成されている。反転板５５０の縁部の全周囲は、リベット５４０の嵌合部５４４の内周面に溶接によって接合されている。

圧力型電流遮断装置５００の作用及び課題について説明する。
何らかの異常によって電池ケースの内部圧力が設定圧力より高くなると、反転板５５０には内圧Ｐが作用して、反転板５５０は上方に反るように変形する。

このとき、反転板５５０に内圧Ｐが作用して反転板５５０が変形することによって、挺子の支点Ｓを介して溶接部Ｂには剪断応力が作用する。溶接部Ｂにかかる剪断応力が所定応力値より大きい場合には、溶接部Ｂが破断するおそれがある。そこで、密閉型電池の圧力型電流遮断装置では、作動時における反転板に作用する剪断応力を低減することが求められている。

特開２０１０−２１２０３４号公報

本発明の解決しようとする課題は、作動時における反転板に作用する剪断応力を低減できる密閉型電池の圧力型電流遮断装置を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、電池ケースの外部端子と電気的に接続される導電部材と、前記電池ケース内部に配置される集電板と、前記導電部材と前記集電板との間に介装される反転板と、を備え、電池ケース内部の圧力上昇に応じて前記反転板が変形し、前記導電部材と前記集電板とを電気的に遮断する密閉型電池の圧力型電流遮断装置であって、前記導電部材は、上方に凹陥する凹陥形状に形成され、前記導電部材の内周面と反転板の外周面とが接合されており、前記反転板の上面は、通常時及び作動時において、前記導電部材には接触しないように構成されるものである。

請求項２においては、請求項１記載の密閉型電池の圧力型電流遮断装置であって、前記反転板の全外周面が、前記導電部材の下端部内周面に溶接によって接合されるものである。

本発明の密閉型電池の圧力型電流遮断装置によれば、作動時における反転板に作用する剪断応力を低減できる。

リチウムイオン電池を示した模式図。電流遮断装置を示した模式図。第一実施形態のリベット及び反転板を示した模式図。第二実施形態のリベット及び反転板を示した模式図。第三実施形態のリベット及び反転板を示した模式図。従来のリベット及び反転板を示した模式図。

図１を用いて、リチウムイオン二次電池１０について説明する。
なお、図１では、リチウムイオン二次電池１０を断面視にて模式的に表している。

リチウムイオン二次電池１０は、本発明に係る密閉型電池の実施形態である。リチウムイオン二次電池１０は、電池ケース１５と、蓋体１６と、外部端子としての正極端子１１と、外部端子としての負極端子１２と、集電体としての捲回電極体５０と、を具備している。

電池ケース１５は、直方体形状の角型ケースに構成されている。電池ケース１５の内部には、扁平形状の捲回電極体２０及び電解液が収容されている。蓋体１６は、電池ケース１５の上部に開口される開口部を塞ぐように構成されている。蓋体１６には、外部接続用の正極端子１１と負極端子１２とが設けられている。正極端子１１及び負極端子１２の一部は蓋体１６の表面側に突出している。

集電体としての捲回電極体５０の幅方向の一側の端部には、正極集電体５１が露出している。一方、集電体としての捲回電極体５０の幅方向の他側の端部には、負極集電体５２が露出している。

正極集電体５１には、正極集電板３１の脚部４１が接合されている。一方、負極集電体５２には、負極集電板３２の脚部４２が接合されている。正極集電板３１は、捲回電極体５０の正極集電体５１と正極端子１１とを電気的に接続するための部材であり、圧力型電流遮断装置１００の構成部材としても用いられている。負極集電板３２は、捲回電極体５０の負極集電体５２と負極端子１２とを電気的に接続するための部材である。

外部端子としての正極端子１１は、Ｚ端子２１、圧力型電流遮断装置１００及び正極集電板３１を介して、捲回電極体５０の正極集電体５１と電気的に接続されている。外部端子としての負極端子１２は、Ｚ端子２２及び負極集電板３２を介して、捲回電極体５０の負極集電体５２と電気的に接続されている。

図２を用いて、圧力型電流遮断装置１００について説明する。
なお、図２では、圧力型電流遮断装置１００を断面視にて模式的に表している。

圧力型電流遮断装置１００は、本発明の圧力型電流遮断装置の第一実施形態である。圧力型電流遮断装置１００は、リチウムイオン二次電池１０の電池ケース１５内の圧力が設定圧力より高くなった場合に電流を遮断する装置である。なお、本実施形態では、圧力型電流遮断装置１００はリチウムイオン二次電池１０の正極側に設けられているが、負極側に設けることも可能である。

圧力型電流遮断装置１００は、絶縁板１３０と、導電部材としてのリベット１４０と、反転板１５０と、シール材１６０と、正極集電板３１と、を具備している。

導電部材としてのリベット１４０は、銅を素材として形成され、略円筒形状部である小径部１４２と、上方に凹陥する凹陥形状である凹陥部１４３と、を備えている。リベット１４０は、蓋体１６等を密着して固定する機能と、Ｚ端子２１と正極集電板３１とを電気的に接続する機能と、反転板１５０が反転する空間を形成する機能と、を有している。

リベット１４０の小径部１４２では、Ｚ端子２１と、上ガスケット１１０と、下ガスケット１２０と、蓋体１６と、絶縁板１３０とが、上端縁部１４１と凹陥部１４３との間で密着して固定されている。リベット１４０の凹陥部１４３内には、反転板１５０が反転する空間が形成されている。リベット１４０の凹陥部１４３の下端部には、反転板１５０が溶接によって固定されている。

Ｚ端子２１は、銅を素材として形成され、正極端子１１（図１参照）とリベット１４０とを電気的に接続するものである。Ｚ端子２１には開口部が形成され、リベット１４０が挿通されている。

上ガスケット１１０は、樹脂を素材として形成され、Ｚ端子２１と蓋体１６とを絶縁するものである。上ガスケット１１０には開口部が形成され、リベット１４０が挿通されている。

蓋体１６は、アルミニウムを素材として形成され、上述したように、電池ケース１５の上部に開口される開口部を塞ぐものである（図１参照）。蓋体１６には開口部が形成され、リベット５３が挿通されている。

下ガスケット１２０は、樹脂を素材として形成され、後述する絶縁板１３０と同様にリベット１４０と蓋体１６とを絶縁するものである。下ガスケット１２０は、蓋体１６とリベット１４０との間に配置されている。

絶縁板１３０は、樹脂を素材として形成され、リベット１４０と蓋体１６とを絶縁するものである。絶縁板１３０はリベット１４０と蓋体１６との間に介装されている。

反転板１５０は、銅を素材として形成され、円盤形状に形成されている。反転板１５０の略中央部分には、上面側が凹陥する部分となる凹部１５１が形成されている。反転板１５０の周囲の縁部は、溶接によってリベット１４０の凹陥部１４３の下端部に接合されている。なお、反転板１５０とリベット１４０との接合は全周溶接としている。

シール材１６０は、ゴムを素材として形成され、略中央部分に孔部が形成される略円盤形状に形成されている。シール材１６０は、反転板１５０と正極集電板３１との間に圧縮して配置されている。

正極集電板３１は、銅を素材として形成され、捲回電極体５０の正極集電体５１と反転板１５０とを電気的に接続するものである。正極集電板３１は、本体３１Ａと、接続部３１Ｂと、脚部４１と、を具備している。

本体３１Ａは、円盤形状に構成され、両側が絶縁板１３０の脚部１３２・１３２に密着して固定されている。

接続部３１Ｂは、本体３１Ａの略中央部に形成される円形状に形成される切込みＣの内周側の部分である。本体３１Ａの切込みＣが形成される部分及び接続部３１Ｂの厚みは、本体３１Ａの他の部分の厚みよりも薄く形成されている。接続部３１Ｂの中央部には、孔部が形成されている。接続部３１Ｂは、反転板１５０と溶接によって接合されている。

脚部４１は、本体３１Ａから下方に延出され、捲回電極体５０の正極集電体５１に溶接によって接合されている。

なお、図２に表される圧力型電流遮断装置１００の状態は、通常時（圧力型電流遮断装置１００が作動していない状態）であって、正極端子１１と、Ｚ端子２１と、リベット１４０と、反転板１５０と、正極集電板３１と、が電気的に接続されている。

一方、電池ケース１５内の圧力が設定圧力より高くなると、正極集電板３１の接続部３１Ｂと接続される反転板１５０の凹部１５１に内側から圧力がかかり、正極集電板３１の切込みＣの部分が破断して、反転板１５０が外側へ変形する。すなわち、圧力型電流遮断装置１００が作動する。これにより、正極集電板３１と反転板１５０とが電気的に遮断されることとなる。

図３を用いて、圧力型電流遮断装置１００についてさらに詳細に説明する。
なお、図３では、説明を分かり易くするため、圧力型電流遮断装置１００のリベット１４０及び反転板１５０を断面視にて模式的に表している。

リベット１４０及び反転板１５０の構成について説明する。
リベット１４０の凹陥部１４３は、上述したように、上方に凹陥する凹陥形状に形成されている。凹陥部１４３の下端部内側には、嵌合部１４４が形成されている。反転板１５０は、円盤形状に形成されている。反転板１５０の縁部の全周囲は、リベット１４０の嵌合部１４４に溶接によって接合されている。

より詳細には、リベット１４０の嵌合部１４４は、凹陥部１４３の下端部（底部）内周側を凹陥状に切り欠いた形状に形成されており、内周面と該内周面の上端から内周側に延出する下面とを有している。また、反転板１５０とリベット１４０の溶接部では、反転板１５０の外周面のみが全周にわたって嵌合部１４４に当接して接合されている。

つまり、嵌合部１４４と反転板１５０との接合部においては、嵌合部１４４の内周面と反転板１５０の外周面とが溶接により接合されているのみであり、嵌合部１４４の下面と反転板１５０の上面との間には所定の隙間Ｄが形成されていて、嵌合部１４４の下面と反転板１５０の上面とは当接していない。

なお、所定の隙間Ｄは、圧力型電流遮断装置１００が作動して反転板１５０が上方に反るように変形した場合であっても、反転板１５０の上面が嵌合部１４４の下面と接触しない十分な大きさとされている。

圧力型電流遮断装置１００（リベット１４０及び反転板１５０）の作用について説明する。
上述したように、何らかの異常によって電池ケースの内部圧力が設定圧力より高くなると、反転板１５０には内圧Ｐが作用して上方に反るように変形する。

このとき、反転板１５０に内圧Ｐが作用した場合であっても、反転板１５０の上面と嵌合部１４４の下面との間には所定の隙間Ｄが形成されているため、挺子の支点を介して溶接部Ｂに剪断応力が作用することがない。

つまり、従来の圧力型電流遮断装置では、反転板５５０の上面と嵌合部５４４の下面とが当接している場合には、反転板５５０が上方に反るように変形すると、嵌合部５４４の下面の内周側端が挺子の支点Ｓとなって、反転板５５０と嵌合部５４４との溶接部Ｂに大きな剪断応力が作用する。

本実施形態の圧力型電流遮断装置１００では、反転板１５０の上面と嵌合部１４４の下面との間に所定の隙間Ｄが形成されていて、反転板１５０の上面と嵌合部１４４の下面とが接触していないため、反転板１５０が上方に反るように変形しても、嵌合部５４４の下面の内周側端が挺子の支点となることはなく、反転板１５０と嵌合部１４４との溶接部に大きな剪断応力が作用することはない。

圧力型電流遮断装置１００の効果について説明する。
圧力型電流遮断装置１００によれば、作動時における反転板１５０に作用する剪断応力を低減できる。

図４を用いて、圧力型電流遮断装置２００について説明する。
なお、図４では、説明を分かり易くするため、圧力型電流遮断装置２００のリベット２４０及び反転板２５０を断面視にて模式的に表している。

圧力型電流遮断装置２００は、本発明の圧力型電流遮断装置の第二の実施形態である。圧力型電流遮断装置２００についてのリベット２４０及び反転板２５０以外の構成は、圧力型電流遮断装置１００と同様であるため、説明を省略する。

リベット２４０及び反転板２５０の構成について説明する。
リベット２４０の凹陥部２４３は、上方に凹陥する凹陥形状に形成されている。凹陥部２４３の下端部内側には、嵌合部２４４が形成されている。反転板２５０は、円盤形状に形成されている。反転板２５０の縁部の全周囲は、リベット２４０の嵌合部２４４に溶接によって接合されている。

より詳細には、嵌合部２４４は、凹陥部２４３の下端部内周側を凹陥状に切り欠いた形状に形成されており、内周面と該内周面の上端から内周側に延出する下面とを有している。反転板２５０とリベット２４０の溶接部では、反転板２５０の外周面及び上面が嵌合部２４４の内周面及び下面に嵌合した状態で接合されている。

このとき、溶接部の溶接方法は重ね溶接とされている。なお、重ね溶接とは、反転板２５０とリベット２４０とを重ね、反転板２５０における重ね合わせ方向の表面（図４における下面）に略垂直な方向（反転板２５０とリベット２４０との重ね合わせ方向）からレーザービームを照射してキーホール溶接する方法である。

また、溶接部の溶け込み幅は、反転板２５０の上面が嵌合部２４４の下面と当接している部分の幅よりも十分に小さいものとされている。

圧力型電流遮断装置２００の効果について説明する。
従来、反転板２５０とリベット２４０の溶接部の幅が大きい場合には、溶接部に収縮応力が発生し、反転板２５０に応力が作用し、反転板２５０が変形するおそれがあった。

本実施形態の圧力型電流遮断装置２００によれば、重ね溶接で溶接幅を小さくすることによって溶接時の入熱を低減し、溶接部Ｂに収縮応力が発生することを防止できる。そのため、反転板２５０に応力が作用し、反転板２５０が変形するおそれがない。

図５を用いて、圧力型電流遮断装置３００について説明する。
なお、図５では、説明を分かり易くするため、圧力型電流遮断装置３００のリベット３４０及び反転板３５０を断面視にて模式的に表している。

圧力型電流遮断装置３００は、本発明の圧力型電流遮断装置の第三の実施形態である。圧力型電流遮断装置３００についてのリベット３４０及び反転板３５０以外の構成は、圧力型電流遮断装置１００と同様であるため、説明を省略する。

リベット３４０及び反転板３５０の構成について説明する。
リベット３４０の凹陥部３４３は、上方に凹陥する凹陥形状に形成されている。凹陥部３４３の下端部内側には、嵌合部３４４と、延設部３４５と、が形成されている。反転板３５０は、円盤形状に形成されている。反転板３５０の縁部の全周囲は、リベット３４０の嵌合部３４４に溶接によって接合されている。

より詳細には、嵌合部３４４は、凹陥部３４３の下端部内周側を凹陥状に切り欠いた形状に形成されており、内周面と該内周面の上端から内周側に延出する下面とを有している。また、延設部３４５は、凹陥部３４３の下端部内周面から内周側に延出しており、延設部３４５の下面と嵌合部３４４の下面とは面一に形成されている。

反転板３５０とリベット３４０の溶接部では、反転板３５０の外周面及び上面が嵌合部３４４の内周面及び下面並びに延設部３４５の下面に嵌合して当接しており、嵌合部３４４の内周面と反転板３５０の外周面とが溶接により接合されている。

圧力型電流遮断装置３００（リベット３４０及び反転板３５０）の作用について説明する。
上述したように、何らかの異常によって電池ケースの内部圧力が設定圧力より高くなると、反転板３５０には内圧Ｐが作用して上方に反るように変形する。

このとき、延設部３４５の下面の内周側端が挺子の支点となって、嵌合部３４４の内周面と反転板３５０の外周面との溶接部に剪断応力がかかるが、嵌合部３４４には延設部３４５が延設されており、前記溶接部から前記挺子の支点までの距離が長くなるため、反転板３５０に内圧Ｐが作用した場合であっても、挺子の支点を介して溶接部Ｂに作用する剪断応力を低減することが可能となっている。

圧力型電流遮断装置３００の効果について説明する。
圧力型電流遮断装置３００によれば、作動時における反転板３５０に作用する剪断応力を低減できる。

１０リチウムイオン二次電池
１１正極端子
３１正極集電板
１００圧力型電流遮断器
１４０リベット（導電部材）
１４４嵌合部
１５０反転板

Claims

電池ケースの外部端子と電気的に接続される導電部材と、前記電池ケース内部に配置される集電板と、前記導電部材と前記集電板との間に介装される反転板と、を備え、電池ケース内部の圧力上昇に応じて前記反転板が変形し、前記導電部材と前記集電板とを電気的に遮断する密閉型電池の圧力型電流遮断装置であって、
前記導電部材は、上方に凹陥する凹陥形状に形成され、
前記導電部材の内周面と反転板の外周面とが接合されており、
前記反転板の上面は、通常時及び作動時において、前記導電部材には接触しないように構成される、
密閉型電池の圧力型電流遮断装置。
請求項１記載の密閉型電池の圧力型電流遮断装置であって、
前記反転板の全外周面が、前記導電部材の下端部内周面に溶接によって接合される、
密閉型電池の圧力型電流遮断装置。