JP5742736B2

JP5742736B2 - 密閉型二次電池の電流遮断装置

Info

Publication number: JP5742736B2
Application number: JP2012016938A
Authority: JP
Inventors: 茂高城
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: JP2013157200A

Description

本発明は、密閉型二次電池の電流遮断装置の技術に関する。

二次電池とは、充放電を繰り返して使用できる電池のことである。密閉型二次電池とは、二次電池のうち電解液を電池ケースに封入したものであって、例えばリチウムイオン電池等が良く知られている。密閉型二次電池では、過充電によって熱暴走が生じると、電池ケース内にガスが発生し、電池ケース内の圧力が上昇し、電池ケースが膨張し、最悪の場合には電池ケースの破裂に至る。

密閉型二次電池には、電池ケースの破裂という最悪の事態を防止するため、電流遮断装置が設けられている（例えば、特許文献１）。電流遮断装置は、電池ケース内の圧力が設定圧力より高くなった場合には、電流を遮断する装置である。

特許文献１に開示される一般的な電流遮断装置は、電池ケース内の圧力が設定圧力より高くなった場合には、変形金属板（反転板）と接続金属板（集電板）との接続部を、変形金属板を変形させることによって分離し、両者の電気的な接続を切り離し、電流を遮断する構成である。

しかし、特許文献１に開示される一般的な電流遮断装置のように、反転板と導通板とを溶接のみによって固定している構成では、溶接不良があった場合には、通常使用する際における電池ケース内部のシール性を確保することができない。そこで、密閉型二次電池の電流遮断装置では、溶接不良がある場合にもシール性を確保することが求められている。

特開２０１０−１５７４５１号公報

本発明の解決しようとする課題は、溶接不良がある場合にもシール性を確保することができる密閉型二次電池の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、密閉型二次電池の電池ケース内の圧力が設定圧力より高くなった場合には、反転板と集電板との接続部を前記反転板を変形させることによって分離し、前記反転板と前記集電板との電気的な接続を切り離して、電流を遮断する密閉型二次電池の電流遮断装置であって、前記反転板と前記集電板との間には、弾性体であるシール材が介され、前記反転板と前記集電板とは、前記シール材を圧縮した状態で固定され、前記シール材は、前記接続部に近いほど厚く形成されているものである。

本発明の密閉型二次電池の電流遮断装置によれば、溶接不良がある場合にもシール性を確保することができる。

本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池の構成を示した断面構成図。同じく電流遮断装置の構成を示した断面構成図。同じく電流遮断装置が作動した状態を示した断面構成図。本発明の別実施形態に係るシール材の構成を示した平面図及び断面図。

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。
リチウムイオン二次電池１０は、本発明の密閉型二次電池に係る実施形態である。リチウムイオン二次電池１０は、電池ケース１５と、蓋体１６と、正極端子１１と、負極端子１２と、捲回電極体２０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。

捲回電極体２０の一側の端部には、正極集電体２１が露出している。一方、捲回電極体２０の幅方向の他側の端部には、負極集電体２２が露出している。正極集電体２１には、正極集電板４１の脚部４１Ｃが接合されている。一方、負極集電体２２には、負極集電板４２の脚部４２Ｃが接合されている。正極集電板４１については、電流遮断装置５０の一部として詳しくは後述する。

正極端子１１は、Ｚ端子７１、電流遮断装置５０及び正極集電板４１を介して、捲回電極体２０の正極集電体２１と電気的に接続されている。負極端子１２は、Ｚ端子７２及び負極集電板４２を介して、捲回電極体２０の負極集電体２２と電気的に接続されている。

図２を用いて、電流遮断装置５０の構成について説明する。
なお、図２は、電流遮断装置５０が作動していない状態（通常時）の電流遮断装置５０の構成を示している。

電流遮断装置５０は、本発明の密閉型二次電池の電流遮断装置に係る実施形態である。電流遮断装置５０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。

電流遮断装置５０は、反転板５１と、シール材５２と、リベット５３と、下ガスケット５４と、正極集電板４１と、を具備している。

リベット５３は、アルミを素材として、２つの略円筒形状である、小径部５３Ｓと、大径部５３Ｌと、を有している。リベット５３は、蓋体１６等をかしめて固定する機能と、Ｚ端子７１と正極集電板４１とを電気的に接続する機能と、反転板５１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５３の小径部５３Ｓは、Ｚ端子７１と、上ガスケット６１と、蓋体１６と、下ガスケット５４とを、上端縁部５３Ａと大径縁部５３Ｂとによってかしめることによって固定している。Ｚ端子７１は、アルミを素材として形成され、正極端子１１（図１参照）とリベット５３とを電気的に接続するものである。上ガスケット６１は、樹脂を素材として形成され、Ｚ端子７１と蓋体１６とを絶縁するものである。

リベット５３の大径部５３Ｌは、反転板５１が反転する空間を形成している。リベット５３の大径部５３Ｌの下端部には、反転板５１が溶接によって固定されている。

反転板５１は、アルミを素材として、円盤形状に構成されている。反転板５１の略中央部分には、上面側が凹陥する部分となる凹部５１Ａが形成されている。反転板５１の周囲の縁部は、溶接によってリベット５３の大径部５３Ｌの下端部に接合されている。なお、反転板５１とリベット５３との接合は全周溶接としている。

シール材５２は、弾性体を素材として、略中央部分に孔部が形成される円盤形状に構成されている。シール材５２は、反転板５１と正極集電板４１との間に圧縮して配置されている。ここで、反転板５１と正極集電板４１との隙間の寸法を１００％としたときに、シール材５２が反転板５１と正極集電板４１との隙間から解放されたときには、シール材５２の寸法が１１５〜１６０％に膨張するように構成されている。つまり、反転板５１と正極集電板４１との間に圧縮状態で配置されているシール材５２の厚み寸法に対する、圧縮されていない自然状態にあるシール材５２の厚み寸法は、１１５〜１６０％の寸法である。なお、本実施形態のシール材５２は、ゴム製としている。

下ガスケット５４は、樹脂を素材として、両端に下方に向かって突出する２つの凸部５４Ａ・５４Ａが形成される円盤形状に構成されている。下ガスケット５４は、リベット５３と蓋体１６とを絶縁するものである。２つの凸部５４Ａ・５４Ａは、リベット５３の大径部５３Ｌと、反転板５１と、シール材５２とを挟んで、正極集電板４１にかしめて固定されることによって、リベット５３の大径部５３Ｌと、反転板５１と、シール材５２とを固定している。

すなわち、下ガスケット５４と正極集電板４１とが、かしめられて固定されることによって、シール材５２が反転板５１と正極集電板４１とによって圧縮された状態で挟まれて、反転板５１、シール材５２及び正極集電板４１が固定されている。

正極集電板４１は、アルミを素材として、捲回電極体２０の正極集電体２１と反転板５１とを電気的に接続するものである。正極集電板４１は、本体４１Ａと、接続部４１Ｂと、脚部４１Ｃと、を具備している。

本体４１Ａは、円盤形状に構成され、両側が下ガスケット５４の凸部５４Ａ・５４Ａにかしめて固定されている。

接続部４１Ｂは、本体４１Ａ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４１Ａの切込みＣが形成される部分及び接続部４１Ｂの厚みは、本体４１Ａの他の部分の厚みよりも薄く形成されている。接続部４１Ｂの中央部には、孔部が形成されている。接続部４１Ｂは、反転板５１と溶接によって接合されている。なお、接続部４１Ｂと反転板５１との接合は、全周にわたって隙間なく溶接されるものではなく、少なくとも１か所が溶接されている程度のものとしている。

脚部４１Ｃは、本体４１Ａから下方に延出され、捲回電極体２０の正極集電体２１に溶接によって接合されている。

なお、図２に表される電流遮断装置５０の状態は、通常の状態であって、正極端子１１と、Ｚ端子７１と、リベット５３と、反転板５１と、正極集電板４１と、が電気的に接続されている。

図３を用いて、電流遮断装置５０の作用について説明する。
なお、図３は、電流遮断装置５０が作動した状態（異常時）の電流遮断装置５０の構成を示している。

リチウムイオン二次電池１０では、例えば過充電により熱暴走が生じると、電池ケース１５の内部にてガスが発生し、電池ケース１５内部の圧力が異常上昇し、正極集電板４１にも異常な高圧が作用する（図３における白抜き矢印）。ある設定圧力以上の圧力が正極集電板４１に作用した場合には、正極集電板４１において本体４１Ａと接続部４１Ｂとの境界を形成する切込みＣが破断し、同時に、反転板５１の凹部５１Ａが上向きから下向きになるように、すなわち下方に反っていた反転板５１が上方に反るように反転する。

正極集電板４１の本体４１Ａと接続部４１Ｂとが分離され、反転板５１が上方に反るように反転することによって、反転板５１と正極集電板４１とは分離され、反転板５１と正極集電板４１は電気的に接続が切り離され、両者間に流れていた電流が遮断される。リチウムイオン二次電池１０は、電流が遮断されることによって、電池ケース１５の破裂という最悪の事態を防止することができる。

このとき、シール材５２は、反転板５１と正極集電板４１との間にて圧縮されている状態から解放され、反転板５１を上方に向けて反る方向に向けて膨張する。

電流遮断装置５０の効果について説明する。
従来の電流遮断装置は、シール材５２を介することなく反転板５１と正極集電板４１とを溶接のみによって接合する構成であって、シール性を確保するために反転板５１と正極集電板４１とを隙間なく全周溶接によって接合する必要があり、作業効率が悪かった。また、反転板５１と正極集電板４１との接合に溶接不良があった場合には電池ケース１５内部のシール性を確保することができなかった。

本実施形態の電流遮断装置５０によれば、溶接不良がある場合にもシール性を確保することができる。すなわち、反転板５１と正極集電板４１との間にシール材５２を介して、下ガスケット５４をかしめることによって、反転板５１、正極集電板４１及びシール材５２を固定し、シール材５２によりシール性を確保する構成としたため、反転板５１と正極集電板４１とを隙間なく全周溶接する必要がない。そのため、溶接不良がある場合にもシール性を確保することができる。

また、反転板５１と正極集電板４１とは、電気的な接続を目的とする少なくとも１カ所の溶接を行うのみの構成としたため、作業効率を向上できる。

さらに、電流遮断装置５０が作動した場合には、シール材５２が反転板５１を上方に向けて反る方向に向けて膨張するため、電流遮断装置５０が作動した後に反転板５１が下方に反る方向に変形して正極集電板４１と再接続することを防止できる。

図４を用いて、シール材１５２について説明する。
なお、図４（Ａ）は、シール材１５２の平面図を表している。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡＡ断面におけるシール材１５２の断面図を表している。

シール材１５２は、本発明のシール材に係る別実施形態である。シール材１５２は、シール材５２と同様に、弾性体を素材として、略中央部分に孔部が形成される円盤形状に構成されている。また、シール材１５２は、径方向断面視にて、その上面に上方を向く凹形状１５２Ａが形成されるように構成されている。すなわち、シール材１５２では、径方向途中部に比べて接続部４１Ｂに近い部分の厚みが厚くなるように構成されている。このように、シール材１５２は、接続部４１Ｂに近いほど厚く形成されている。

このような構成とすることで、電流遮断装置５０が作動した場合には、シール材５２の反転板５１を上方に向けて反るために必要な部分のみを厚くして構成することによって、シール材の材料費を低減できる。

１０リチウムイオン二次電池
５０電流遮断装置
４２正極集電板
４２Ｂ接合部
５１反転板
５２シール材
５３リベット
５４下ガスケット

Claims

密閉型二次電池の電池ケース内の圧力が設定圧力より高くなった場合には、反転板と集電板との接続部を前記反転板を変形させることによって分離し、前記反転板と前記集電板との電気的な接続を切り離して、電流を遮断する密閉型二次電池の電流遮断装置であって、
前記反転板と前記集電板との間には、弾性体であるシール材が介され、
前記反転板と前記集電板とは、前記シール材を圧縮した状態で固定され、
前記シール材は、前記接続部に近いほど厚く形成されている、
密閉型二次電池の電流遮断装置。