JP5776005B2 - 密閉型二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁を備えた密閉型二次電池の改良に関する。
充放電可能な密閉型二次電池は、エネルギー密度が高いため、内部短絡または外部短絡が発生した場合、あるいは、異常加熱や異常衝撃等が発生した場合、電池内部で急激な充放電反応または化学反応により急激なガス発生が起こり、これにより、電池ケースが膨張したり、さらには破裂するおそれがある。そのため、多くの密閉型二次電池には、電池内の圧力が所定値に達すると、電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁(防爆機構)が設けられている。
一方、エネルギー密度を高めた密閉型二次電池としては、正極板及び負極板をセパレータを介して捲回または積層した電極群を、電解液とともに電池ケース内に収容した構成が知られている。ここで、電池ケースの開口部は、ガスケットを介して安全弁を備えた封口板で封口され、正極板は、正極リードを介して封口板に接続され、負極板は、負極リードを介して電池ケースの底部に接続されている。このとき、電極群が電池ケース内で移動または変形するのを防止するとともに、正極板または負極板が、正極リードおよび負極リードまたは電池ケースと接触して内部短絡が生じるのを防止するために、電極群の上下には、絶縁板が配置されている。
ところで、エネルギー密度を高めた密閉型二次電池では、内部短絡等の異常時に、電池内の温度及び圧力が急激に増加することによって変形した電極群が、安全弁を閉塞してしまうと、電池ケースが破裂する畏れがある。
そこで、特許文献1には、電極群の変形を防止するために、電極群の上部に配置する絶縁板を、耐熱性及び強度に優れた、ガラスクロスを基材としたフェノール樹脂で構成する技術が記載されている。
しかしながら、電極群の上部に配置する絶縁板に、耐熱性及び強度に優れた材料を用いても、電池内の圧力が急激に上昇した場合、たとえ安全弁が作動しても、電池内の圧力を素早く開放することができなければ、電池ケース自身が破裂してしまう畏れがある。また、急激に上昇した圧力が、直接封口板に作用すると、封口板自身が電池ケースから外れてしまう畏れがある。
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出することのできる密閉型二次電池を提供することにある。
本発明に係る密閉型二次電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回または積層された電極群が、電池ケース内に収容された密閉型二次電池であって、電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板によって封口されており、封口板は、上部金属板、弁体、及び下部金属板が積層されたものであり、電極群には、電池ケースの開口部側に絶縁板が配設されており、電極群の一方の極の極板は、リードを介して、下部金属板に接続されており、下部金属板及び絶縁板には、それぞれ、第1の開口部及び第2の開口部が形成されており、第1の開口部の面積をS1、第2の開口部の面積をS2としたとき、S2/S1の値が、1.8〜3.3の範囲にあり、下部金属板の第1の開口部は、電池ケースの横断面積に対して、10%以上の大きさの面積を有している。
他の好適な実施形態において、上記絶縁板は、電池ケースの側壁に形成された窪み部によって保持されている。また、上記絶縁板は、ガラスフェノール樹脂からなることが好ましい。
本発明によれば、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出することのできる密閉型二次電池を提供することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
図1は、本発明の一実施形態における密閉型二次電池100の構成を模式的に示した断面図である。
図1に示すように、正極板1及び負極板2がセパレータ3を介して捲回された電極群4が、電解液とともに、電池ケース5内に収納されている。電池ケース5の開口部は、ガスケット14を介して封口板10で封口されている。封口板10は、上部金属板(正極端子を兼ねる)11、弁体12、及び下部金属板13が積層された構成をなしている。正極板1は、正極リード8を介して下部金属板13に接続され、負極板2は、負極リード9を介して電池ケース5の底部に接続されている。また、電極群4の上下には、絶縁板6、7が、それぞれ配置されている。なお、電極群4の上方に配置された絶縁板6は、電池ケース5の側壁に形成された窪み部5aによって保持されている。
下部金属板13及び絶縁板6には、それぞれ、第1の開口部13a及び第2の開口部6aが形成されている。また、上部金属板11にも、電池外に通じる排気孔11aが形成されている。ここで、電池ケース5内に異常ガスが発生し、電池ケース5内の圧力が所定値を超えると、弁体12が破断し、電池ケース5内に発生したガスは、絶縁板6の第2の開口部6a、下部金属板13の第1の開口部13a、弁体12の開口部12a、及び上部金属板11の排気孔11aを介して、電池外に排気される。
電池ケース5内で発生した異常ガスの上記排気機構において、急激な圧力上昇に対して、異常ガスを安全に電池外に排気するために、各開口部の排気能力を考慮した排気設計は、今まで行われてなかった。すなわち、絶縁板6は、上述したように、電極群の変形を防止する機能が要求されることから、絶縁板6の第2の開口部6aの面積は、絶縁板6に要求される強度を考慮して、その大きさが定められていた。また、下部金属板13の第1の開口部13aの面積も、高エネルギー化に要求される集電効率を考慮して、その大きさが定められていた。
しかしながら、下部金属板13の第1の開口部13aの排気能力、及び絶縁板6の第2の開口部6aの排気能力を考慮せずに、各開口部13a、6aの面積を、それぞれ独立に定めると、電池ケース5内で発生した異常ガスが、安全に電池外に排気されない畏れがあることを、本願発明者等は見出した。
例えば、下部金属板13の第1の開口部13aの排気能力が、絶縁板6の第2の開口部6aの排気能力に対して十分でない場合には、下部金属板13を含む封口板10に過度の圧力が作用して、封口板10が電池100から飛ばされる畏れがある。逆に、絶縁板6の第2の開口部6aの排気能力が、下部金属板13の第1の開口部13aの排気能力に対して十分でない場合には、電池ケース5内の圧力が過度に上昇して、電池ケース5が破裂する畏れがある。
本願発明は、かかる知見に基づきなされたもので、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するために、下部金属板13の第1の開口部13aの面積と、絶縁板6の第2の開口部6aの面積との関係を定め、上記排気機構における最適な排気設計を実現したものである。
本願発明者等は、上記関係を定めるために、図1に示した密閉型二次電池100を作製し、電池内の圧力が異常に上昇したときのガスの排気能力と、下部金属板13の第1の開口部13aの面積、及び絶縁板6の第2の開口部6aの面積との関係を検討した。
検討には、以下のような構成のリチウムイオン二次電池を作製した。
正極板1は、アルミニウムからなる集電体上に、ニッケル酸リチウムからなる正極活物質、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)からなる結着剤、及びアセチレンブラックからなる導電剤を、それぞれ溶剤に分散させたスラリーを塗布、乾燥した後、圧延して作製した。
負極板2は、銅箔からなる集電体上に、黒鉛からなる負極活物質、及びスチレン−ブタジエンゴムからなる結着剤を、それぞれ溶媒に分散させたスラリーを塗布、乾燥した後、圧延して作製した。
得られた正極板1及び負極板2を、ポリエチレンからなるセパレータ3を介して捲回して電極群4を作製し、これを外径18mmの円筒形の電池ケース5内に収容し、電池ケース5の開口部をガスケット14を介して封口板10で封口して、リチウムイオン二次電池100を作製した。
なお、封口板10を構成する上部金属板11、弁体12、及び下部金属板13は、それぞれ、厚み0.4mmの鉄、厚み0.15mmのアルミニウム、及び厚み0.4mmのアルミニウムを用いて作製した。また、絶縁板6は、厚み0.3mmのガラスフェノール樹脂を用いて作製した。
ここで、下部金属板13の第1の開口部13aの面積S1、及び絶縁板6の第2の開口部6aの面積S2を、それぞれ変えた電池を作製し、安全性の試験を行った。
ここで、安全性の試験は、各電池に外部から200℃の熱を加えて強制的に電池を熱暴走状態にして、封口板10の飛散及び電池ケース5の破裂の有無を調べることにより行った。
図2は、その結果を示したグラフで、図中の黒丸印が、封口板10の飛散及び電池ケース5の破裂が生じなかった電池で、×印が、封口板10の飛散、または電池ケース5の破裂の生じた電池である。
図2に示すように、S2/S1の値が、1.8〜3.3の範囲にある電池は、封口板10の飛散及び電池ケース5の破裂は生じなかった。一方、S2/S1の値が3.3より大きいと、封口板10の飛散が生じ、また、S2/S1の値が1.8より小さいと、電池ケース5の破裂が生じた。
従って、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するためには、下部金属板13の第1の開口部13aの面積S1と、絶縁板6の第2の開口部6aの面積S2との関係は、S2/S1の値が、1.8〜3.3の範囲にあることが好ましい。
ところで、本発明において、下部金属板13の第1の開口部13aの面積S1は、絶縁板6の第2の開口部6aの面積S2よりも小さく設定されるため、電池全体の排気能力は、開口部の面積の小さい下部金属板13で律速される。従って、電池全体の排気能力は、一定の大きさを確保する必要があり、その目安は、電池ケース5の横断面積に対して、下部金属板13の第1の開口部13aの面積S1の占める割合で規定することができる。
電池全体に要求される排気能力は、電池の種類によって異なるが、典型的には、下部金属板13の第1の開口部13aは、電池ケース5の横断面積に対して、5%以上の大きさの面積を有することが好ましい。
例えば、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質として、LiNiO2などのLi・Ni系複合酸化物を用いた電池の方が、LiCoO2などのLi・Co系複合酸化物を用いた電池よりも、異常時に発生する単位時間当たりのガス量が多い。従って、Li・Ni系複合酸化物を正極活物質に用いたリチウムイオン二次電池においては、下部金属板13の第1の開口部13aの面積S1は、電池ケース5の横断面積に対して、10%以上の大きさを有することが好ましい。図2に示した電池の場合、電池ケース5の横断面積は、約254mmであるので、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するためには、下部金属板13の第1の開口部13aの面積S1を、25.4mm(図中のPで示した線)以上にすることが好ましい。
本発明において、下部金属板13及び絶縁板6の材料、形状等は特に限定されず、また、各開口部13a、6aの形状も、任意の形状を取り得る。
図3は、下部金属板13及び絶縁板6の形状の一例を示した平面図である。図3(a)、(b)は、下部金属板13及び第1の開口部13aの形状を示した図で、図3(c)、(d)は、絶縁板6及び第2の開口部6aの形状を示した図である。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態において、密閉型二次電池として、リチウムイオン二次電池を例に説明したが、これに限定されず、例えば、ニッケル水素蓄電池等の他の非水電解質二次電池にも適用することができる。
また、上記実施形態において、電極群4として、正極板1及び負極板2をセパレータ3を介して捲回したものを用いたが、正極板1及び負極板2をセパレータ3を介して積層したものを用いてもよい。
また、上記実施形態において、密閉型二次電池として、円筒形の二次電池を例に説明したが、これに限定されず、例えば、角形の二次電池であってもよい。
本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。
1 正極板
2 負極板
3 セパレータ
4 電極群
5 電池ケース
5a 窪み部
6、7 絶縁板
6a 第2の開口部
8 正極リード
9 負極リード
10 封口板
11 上部金属板(正極端子)
11a 排気孔
12 弁体
12a 開口部
13 下部金属板
13a 第1の開口部
14 ガスケット
100 密閉型二次電池
2 負極板
3 セパレータ
4 電極群
5 電池ケース
5a 窪み部
6、7 絶縁板
6a 第2の開口部
8 正極リード
9 負極リード
10 封口板
11 上部金属板(正極端子)
11a 排気孔
12 弁体
12a 開口部
13 下部金属板
13a 第1の開口部
14 ガスケット
100 密閉型二次電池
Claims (3)
- 正極板及び負極板がセパレータを介して捲回または積層された電極群が、電池ケース内に収容された密閉型二次電池であって、
前記電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板によって封口されており、
前記封口板は、上部金属板、弁体、及び下部金属板が積層されたものであり、
前記電極群には、前記電池ケースの開口部側に絶縁板が配設されており、
前記電極群の一方の極の極板は、リードを介して、前記下部金属板に接続されており、
前記下部金属板及び前記絶縁板には、それぞれ、第1の開口部及び第2の開口部が形成されており、
前記第1の開口部の面積をS1、前記第2の開口部の面積をS2としたとき、S2/S1の値が、1.8〜3.3の範囲にあり、
前記下部金属板の前記第1の開口部は、前記電池ケースの横断面積に対して、10%以上の大きさの面積を有している、密閉型二次電池。 - 前記絶縁板は、前記電池ケースの側壁に形成された窪み部によって保持されている、請求項1に記載の密閉型二次電池。
- 前記絶縁板は、ガラスフェノール樹脂からなる、請求項1に記載の密閉型二次電池。
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