JP5800034B2

JP5800034B2 - 密閉型電池

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Publication number: JP5800034B2
Application number: JP2013555077A
Authority: JP
Inventors: 利幸板橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: CN104067416A; KR20140114429A; KR101668933B1; CN104067416B; WO2013111318A1; US20150072179A1; DE112012005761T5; JPWO2013111318A1

Description

本発明は、異常時に電流を遮断する電流遮断機構を備える密閉型の二次電池に関する。

従来、シート状に形成された一対の電極（正極及び負極）をセパレータを介して積層し、捲回して成る電極体と、当該電極体を電解液と共に収納するケースとを具備する密閉型の二次電池（以下、「密閉型電池」と記す）が広く知られている。

上記のような密閉型電池においては、過充電状態となった場合に、ケース内の電解液の分解反応に伴って発生したガスによって、ケースの内圧が上昇し、ケースが破損する等の問題が生じるおそれがある。
このような問題を解決するために、ケースの内圧が所定値以上となった場合に電流を遮断する電流遮断機構（ＣｕｒｒｅｎｔＩｎｔｅｒｒｕｐｔＤｅｖｉｃｅ、以下、「ＣＩＤ」と記す）を備える密閉型電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ＣＩＤは、例えば、外部端子に接続され、ケースの内圧の上昇に伴って変形する反転板と、当該反転板及び電極体の一方の電極に接続された集電板とを具備する。ＣＩＤは、反転板の変形に伴って、当該反転板に接続された集電板が変形し、当該集電板に所定値以上の応力が生じた場合に、当該集電板が破断して、密閉型電池における電流が遮断されるように構成されている。

近年、密閉型電池の長寿命化に伴い、ＣＩＤの経時劣化が問題となっている。
ＣＩＤの経時劣化は、密閉型電池の使用に伴う、ケースの内圧の変動によって引き起こされる。ケースの内圧が温度変化等によって繰り返し上下することにより、集電板に疲労が蓄積し、ケースの内圧が集電板の破断に必要とされる値に達していない場合でも、集電板が破断するおそれがある。つまり、ＣＩＤの作動に要する圧力（ケースの内圧）が低下するのである。

ＣＩＤは、安全装置として機能するため、長期の動作保障が要求されている。
そのため、ＣＩＤを備える密閉型電池において、ＣＩＤの経時劣化を抑制することが大いに望まれている。

国際公開ＷＯ２０１０／０５３１００号公報

本発明は、ＣＩＤの経時劣化を抑制可能な密閉型電池を提供することを課題とする。

本発明の密閉型電池は、電解液が含浸されて発電要素として機能する電極体と、前記電極体を前記電解液と共に収納するケースと、異常時に電流を遮断する電流遮断機構と、を具備する密閉型電池であって、前記電流遮断機構は、前記ケースの内圧の上昇に伴って変形する反転板と、前記反転板に接合され、前記反転板の変形に伴って変形する集電板と、を具備し、前記集電板には、前記ケースの内圧が所定値以上となった場合に破断する溝状の刻印部と、前記集電板の板面を貫通するように形成される複数の切込みと、が設けられ、前記複数の切込みは、前記刻印部の近傍に配置され、前記集電板が変形する際に開くように形成される。

本発明の密閉型電池において、各切込みは、前記刻印部に交差するように形成されることが好ましい。

本発明の密閉型電池において、各切込みは、直線状に形成され、前記刻印部に対して垂直となるように配置されることが好ましい。

本発明の密閉型電池において、前記刻印部は、真円の環状に形成され、前記複数の切込みは、互いに一定の間隔を空けて放射状に配置されることが好ましい。

本発明の密閉型電池において、前記集電板における前記反転板との接合部分の周囲には、他部に比べて厚みが小さい薄肉部が形成され、前記薄肉部には、前記刻印部と、前記複数の切込みと、が配置され、前記薄肉部は、その中央部から外縁部にかけて波状に湾曲することが好ましい。

本発明によれば、ＣＩＤの経時劣化を抑制することができる。

本発明に係る密閉型電池を示す図。集電板の薄肉部を示す図であり、（ａ）は、側面切断端面図、（ｂ）は、底面図。集電板の薄肉部の変形を示す図。集電板の薄肉部に形成された切込みが開く様子を示す図。従来の薄肉部の変形態様を示す模式図。本発明に係る薄肉部の変形態様を示す模式図であり、（ａ）は、側面図、（ｂ）は、平面図。薄肉部の刻印部に生じる応力のＣＡＥ解析結果を示す図。集電板の薄肉部の別実施形態を示す図。集電板の薄肉部の別実施形態を示す図。集電板の薄肉部の別実施形態を示す図。

以下では、図１〜図４を参照して、本発明に係る密閉型電池の一実施形態である電池１について説明する。
電池１は、いわゆる円筒型の電池である。
なお、説明の便宜上、図１における上下方向を電池１の上下方向と規定する。
また、以下の説明において、上方及び下方は、概して、電池１の外部側、及び電池１の内部側と同義である。

図１に示すように、電池１は、電解液が含浸されて発電要素として機能する電極体１０と、電極体１０を前記電解液と共に収納するケース２０と、異常時に電流を遮断するＣＩＤ１００とを具備する密閉型の二次電池である。

電極体１０は、シート状に形成された一対の電極（正極及び負極）をセパレータを介して積層し、円筒状に捲回して成る部材である。電極体１０は、前記電解液が含浸されることで、発電要素として機能する。

ケース２０は、電池１の外装を成す略円筒状の部材である。
ケース２０は、収納部２１と、蓋部２２とを具備する。

収納部２１は、上端面が開放した有底円筒状の部材であり、アルミニウムや鉄等の導電性を有する素材から成る。収納部２１の内部には、電極体１０が前記電解液と共に収納される。収納部２１は、その底部（下端部）が導電性を有する負極集電部材を介して電極体１０の負極と電気的に接続されており（不図示）、電池１の負極端子として機能する。

蓋部２２は、収納部２１の開放面を塞ぐ略円板状の部材であり、アルミニウムや鉄等の導電性を有する素材から成る。蓋部２２は、収納部２１の開放面を覆うように配置され、収納部２１の上端部と蓋部２２の外周端部とが絶縁性のガスケット２３を介して固定されている。蓋部２２は、その中央部が上方に向けて突出するように形成されている。蓋部２２は、導電性を有する正極リード２４、及びＣＩＤ１００を成す部材（詳細には、後述の反転板１１０及び集電板１２０）を介して、電極体１０の正極と電気的に接続されており、電池１の正極端子として機能する。

蓋部２２には、その板面を貫通するように通気孔２２ａが複数個形成されている。
そのため、収納部２１の内部空間は、蓋部２２によっては密閉されていない状態となっている。つまり、通気孔２２ａによってケース２０の内部と外部とが連通している。

ＣＩＤ１００は、電池１が過充電状態となってケース２０の内圧が異常に上昇した場合に、電流を遮断する電流遮断機構（ＣｕｒｒｅｎｔＩｎｔｅｒｒｕｐｔＤｅｖｉｃｅ）である。
ＣＩＤ１００は、反転板１１０と、集電板１２０とを具備する。

反転板１１０及び集電板１２０は、導電性を有する略円板状の部材である。反転板１１０及び集電板１２０の間には、絶縁部材１３０が介装されている。
絶縁部材１３０は、絶縁性を有する環状の部材であり、反転板１１０の外周端部、及び集電板１２０の外周端部に接触するように構成されている。こうして、反転板１１０の外周端部と、集電板１２０の外周端部との導通が絶縁部材１３０によって防止されている。

反転板１１０及び集電板１２０は、ケース２０の蓋部２２と同様に、ガスケット２３を介してケース２０の収納部２１に固定されている。
詳細には、上方から、蓋部２２、反転板１１０、絶縁部材１３０、集電板１２０の順で同心的に積層され、これらの部材の外周端部がガスケット２３によって挟持された状態で、収納部２１の上端部に固定されている。こうして、蓋部２２と反転板１１０とがそれらの外周端部において導通し、蓋部２２、反転板１１０、及び集電板１２０と、収納部２１との導通がガスケット２３によって防止されている。

反転板１１０は、ケース２０の内部に密閉空間を形成する部材であり、中央部に行くに従って、徐々に集電板１２０に接近するように（下方に窪むように）形成されている。
前述のように、蓋部２２には、通気孔２２ａが形成されているため、蓋部２２によってケース２０の内部に密閉空間が形成されない。しかし、蓋部２２の下方に反転板１１０が収納部２１の開口面を塞ぐように配置されるため、反転板１１０によってケース２０の内部に密閉空間が形成されるのである。

反転板１１０の上面には、溝状の刻印部１１１が形成されている。
刻印部１１１は、反転板１１０をその上面から下方に向けて切削するように形成され、反転板１１０の周方向に沿って連続的に配置されている。つまり、刻印部１１１は、反転板１１０の上面において連続的な環状に形成され、反転板１１０に対して同心的に配置されている。

集電板１２０は、正極リード２４を介して、電極体１０の正極と電気的に接続されている。
詳細には、正極リード２４の一端部が集電板１２０の下面に接合され、正極リード２４の他端部が電極体１０の正極に接合されている。

集電板１２０の中央部には、他部に比べて厚み（集電板１２０における電極体１０側の表面と、その反対側の表面との距離）が小さい薄肉部１２１が形成されている。
薄肉部１２１は、集電板１２０における反転板１１０との接合部分の周囲に形成されている。詳細には、薄肉部１２１は、集電板１２０における反転板１１０との接合部分から、集電板１２０の径方向における中途部にかけて形成されている。薄肉部１２１は、略円板状に形成され、集電板１２０と同心的に配置されている。
薄肉部１２１の詳細な構成については後述する。

薄肉部１２１の中央部には、上下方向に沿って板面を貫通するように、嵌合孔１２２が形成されている。
嵌合孔１２２は、反転板１１０の中央部が嵌合する孔である。
嵌合孔１２２に反転板１１０の中央部が嵌合した状態で、反転板１１０と集電板１２０の薄肉部１２１とがそれらの接触部分において溶接等により接合される。こうして、反転板１１０と集電板１２０とが導通し、延いては蓋部２２と電極体１０の正極とが導通することとなる。
このように、集電板１２０は、その中心部近傍において、反転板１１０と接合されている。また、前述のように、集電板１２０の外周端部は、絶縁部材１３０によって、反転板１１０の外周端部と隔離されている。
そのため、反転板１１０と集電板１２０との間には、所定の空間が形成されている。

集電板１２０における薄肉部１２１よりも径方向外側に位置する部分には、連通孔１２０ａが複数個形成されている。
連通孔１２０ａは、集電板１２０の板面を上下方向に沿って貫通するように形成されている。
そのため、集電板１２０よりも下方の空間において、前記電解液の分解反応に伴うガスが発生した場合には、当該ガスが連通孔１２０ａを通って、反転板１１０と集電板１２０との間の空間に進入することとなる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、薄肉部１２１は、嵌合孔１２２から集電板１２０の径方向における中途部にかけて形成され、真円形状を有する。薄肉部１２１における電極体１０側の表面には、溝状の刻印部１２３が形成されている。
刻印部１２３は、反転板１１０の刻印部１１１と略同様に構成され、薄肉部１２１における電極体１０側の表面を切削するように形成されている。刻印部１２３は、薄肉部１２１の周方向に沿って連続的に形成され、薄肉部１２１に対して同心的に配置されている。つまり、刻印部１２３は、真円の環状に形成されている。
なお、図２（ｂ）においては、説明の便宜上、集電板１２０における薄肉部１２１以外の部分を省略して図示している。

図２（ａ）に示すように、薄肉部１２１は、その中央部から外周端部にかけて波状に湾曲している。
詳細には、薄肉部１２１は、その中央部から外周端部にかけて上下方向に湾曲し、径方向に沿った切断面の形状が全ての切断位置において略同一となるような形状を有する。換言すれば、薄肉部１２１は、環状の平板を径方向に沿って撓ませた形状を有している。このような形状を有する薄肉部１２１は、プレス加工等によって形成することが可能である。

図２（ｂ）に示すように、薄肉部１２１には、複数（本実施形態においては、１２個）の切込み１２４・１２４・・・が形成されている。
複数の切込み１２４・１２４・・・は、嵌合孔１２２の周囲において、互いに一定の間隔を空けて放射状に配置されている。
切込み１２４は、薄肉部１２１の板面を貫通するように、薄肉部１２１における嵌合孔１２２の近傍から薄肉部１２１の外周端部近傍にかけて直線状に形成されている。切込み１２４は、刻印部１２３に交差すると共に、刻印部１２３に対して垂直となるように形成されている。つまり、切込み１２４は、刻印部１２３に対して直交するように、薄肉部１２１の径方向に沿って形成されている。

図３に示すように、前記電解液の分解反応に伴って発生したガスによって、ケース２０の内圧（厳密には、収納部２１と反転板１１０とが成す空間の圧力）が上昇した際には、当該ガスが集電板１２０の連通孔１２０ａを通って反転板１１０と集電板１２０との間の空間に進入し、反転板１１０が上方に押し上げられるように変形する。これに伴って、集電板１２０の薄肉部１２１における反転板１１０との接合部分が上方へ引っ張られ、薄肉部１２１が変形する。
この時、図４に示すように、薄肉部１２１の変形に伴って、薄肉部１２１に形成された複数の切込み１２４・１２４・・・が開く。
これにより、薄肉部１２１における周方向への変形が阻害されることを抑制でき、薄肉部１２１の刻印部１２３に生じる応力を緩和することができる。
したがって、電池１の使用時における温度変化等によって、ケース２０の内圧が比較的低い水準で上下した場合における刻印部１２３の疲労の蓄積を抑制することができ、延いてはＣＩＤ１００の経時劣化を抑制することができる。

また、図３に示すように、ケース２０の内圧が上昇して、集電板１２０の薄肉部１２１における反転板１１０との接合部分が上方へ引っ張られた際には、薄肉部１２１における波状に湾曲した部分が伸張することとなる。
つまり、薄肉部１２１は、波状に湾曲しているため（図２（ａ）参照）、ケース２０の内圧が上昇して、集電板１２０の薄肉部１２１における反転板１１０との接合部分が上方へ引っ張られた際には、湾曲部分が伸張するように変形するのである。
これにより、ケース２０の内圧が上昇して、集電板１２０の薄肉部１２１における反転板１１０との接合部分が上方へ引っ張られた際に、薄肉部１２１に生じる応力を緩和することができる。詳細には、ケース２０の内圧が上昇して、集電板１２０の薄肉部１２１における反転板１１０との接合部分が上方へ引っ張られたとしても、薄肉部１２１における波状に湾曲した部分が完全に伸びきらなければ、薄肉部１２１に比較的大きな応力が発生することがないため、薄肉部１２１に生じる応力を緩和することができるのである。
したがって、電池１の使用時における温度変化等によって、ケース２０の内圧が比較的低い水準で上下した場合における刻印部１２３の疲労の蓄積を抑制することができ、延いてはＣＩＤ１００の経時劣化を抑制することができる。

ケース２０の内圧が更に上昇し、薄肉部１２１の刻印部１２３に所定値以上の応力が生じた場合には、刻印部１２３が破断し、反転板１１０と集電板１２０との導通が断たれ、延いては電池１における電流が遮断されることとなる。
ケース２０の内圧の上昇が更に進行した場合には、反転板１１０が更に上方に押し上げられ、反転板１１０の刻印部１１１が破断する。これに伴って、ケース２０の内部における、反転板１１０の上下の空間が連通し、前記電解液の分解反応に伴って発生したガスが蓋部２２の通気孔２２ａを通ってケース２０の外部に放出されることとなる。
こうして、前記電解液の分解反応に伴って発生したガスによってケース２０の内圧が上昇し、ケース２０が破損することが防止される。

以下では、図５及び図６を参照して、ケース２０の内圧が上昇した際における集電板１２０の薄肉部１２１の変形態様について詳細に説明する。
図５は、切込み１２４が形成されておらず、波状に湾曲していない（平板状に形成されている）、従来の薄肉部の変形態様を示す模式図である。
図６は、本発明に係る薄肉部１２１の変形態様を示す模式図である。
ここで、反転板と集電板の薄肉部との接合点をＡとし、時系列順に、Ａ０、Ａ１、Ａ２と記す。
また、従来の薄肉部上の任意の点をＢとし、時系列順に、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２と記す。
また、薄肉部１２１上の任意の点をＣとし、時系列順に、Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２と記す。

図５に示すように、従来の薄肉部においては、Ａ点の移動軌跡とＢ点の移動軌跡とが略平行となっている。
Ｂ点がＡ点の移動軌跡に対して平行とならないように移動することは、薄肉部の中心からＢ点までの距離（径方向の長さ）が変化し、薄肉部のＢ点における周方向の長さが変化することであり、大きなエネルギーが必要となるためである。
一般的に、変形は、エネルギーが最小となるように進行するため、従来の薄肉部は、Ａ点の移動軌跡とＢ点の移動軌跡とが略平行となるように変形するのである。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、本発明に係る薄肉部１２１においては、薄肉部１２１に形成された複数の切込み１２４・１２４・・・の開閉により、薄肉部１２１の周方向への歪みが吸収され、Ｃ点が薄肉部１２１の径方向外側に向けて移動することが可能となる。つまり、薄肉部１２１に形成された複数の切込み１２４・１２４・・・の開閉により、薄肉部１２１のＣ点における周方向の長さが変化し、薄肉部１２１の中心からＣ点までの距離（径方向の長さ）が変化することとなる。
これにより、薄肉部１２１が変形する際に、その波状に湾曲した部分を容易に伸張させることができ、薄肉部１２１に生じる応力を大いに緩和することができる。
したがって、電池１の使用時における温度変化等によって、ケース２０の内圧が比較的低い水準で上下した場合における薄肉部１２１の刻印部１２３の疲労の蓄積を大いに抑制することができ、延いてはＣＩＤ１００の経時劣化を大いに抑制することができる。

図７に本発明に係る薄肉部１２１の刻印部１２３に生じる応力、及び従来の薄肉部の刻印部に生じる応力のＣＡＥ解析結果を示す。
図７は、電池のケースの内圧と、薄肉部の刻印部に生じる応力との関係を示す図である。

図７に示すように、薄肉部の刻印部が破断する前において、電池のケースの内圧が所定の値（図７におけるＰ）である場合、本発明に係る薄肉部１２１の刻印部１２３に生じる応力が、従来の薄肉部の刻印部に生じる応力よりも小さくなっている。
これにより、本発明に係る薄肉部１２１によれば、刻印部１２３に生じる応力を緩和できることが明らかとなった。

なお、本実施形態における薄肉部１２１は、周方向に沿って連続的に形成された刻印部１２３を有するが、このような構成に限定するものではない。
例えば、図８に示すように、本発明に係る薄肉部として、複数の刻印部２２３・２２３・・・が断続的に形成された薄肉部２２１を採用することが可能である。
斯かる場合においては、複数の刻印部２２３・２２３・・・と同数の切込み２２４・２２４・・・を形成し、各切込み２２４を各刻印部２２３に対して直交するように配置すればよい。
より好ましくは、図９に示すように、各刻印部２２３の両端部近傍に一対の切込み２２４・２２４を形成し、各一対の切込み２２４・２２４を各刻印部２２３に対して直交するように配置すればよい。
これにより、薄肉部２２１において、刻印部２２３が形成されている部分の剛性と、刻印部２２３が形成されていない部分の剛性との違いに起因する、応力の不均一な発生を抑制することができる。詳細には、各切込み２２４が開いた際に、隣接する刻印部２２３同士を繋ぐように亀裂が形成され、薄肉部２２１における刻印部２２３が形成されていない部分の剛性を刻印部２２３が形成されている部分の剛性に近付けて、薄肉部２２１に生じる応力を均一化することができる。

また、本実施形態における薄肉部１２１は、真円の環状に形成された刻印部１２３を有するが、このような構成に限定するものではない。
例えば、図１０に示すように、本発明に係る薄肉部として、楕円の環状に形成された刻印部３２３を有する薄肉部３２１を採用することが可能である。斯かる場合においては、複数の切込み３２４・３２４・・・を刻印部３２３に対して直交するように形成すればよい。

なお、本実施形態においては、薄肉部１２１に切込み１２４を１２個形成したが、切込み１２４の数は限定するものではなく、薄肉部１２１の刻印部１２３に生じる応力を緩和するために最適な数を適宜設定すればよい。

また、本実施形態においては、切込み１２４を刻印部１２３に交差するように形成したが、少なくとも切込み１２４が刻印部１２３の近傍に配置されれば、切込み１２４を刻印部１２３に交差しないように形成することも可能である。
しかしながら、薄肉部１２１の刻印部１２３に生じる応力を良好に緩和するためには、切込み１２４を刻印部１２３に交差するように形成することが好ましい。

また、本実施形態においては、切込み１２４を刻印部１２３に対して垂直となるように形成したが、切込み１２４を刻印部１２３に対して垂直とならないように形成することも可能である。
しかしながら、薄肉部１２１の刻印部１２３に生じる応力を良好に緩和するためには、切込み１２４を刻印部１２３に対して垂直となるように形成することが好ましい。

また、本実施形態においては、複数の切込み１２４・１２４・・・を互いに一定の間隔を空けて放射状に配置したが、このような構成に限定するものではない。
しかしながら、薄肉部１２１の刻印部１２３に生じる応力の偏りを無くすという点において、複数の切込み１２４・１２４・・・を互いに一定の間隔を空けて放射状に配置することが好ましい。

また、本実施形態においては、切込み１２４を直線状に形成したが、切込み１２４が開いて、薄肉部１２１の刻印部１２３に生じる応力を緩和することができれば、曲線状に形成することも可能である。

なお、本実施形態における電池１は、円筒型の電池であるが、本発明に係る密閉型電池として、角型の電池を採用することも可能である。

本発明は、異常時に電流を遮断する電流遮断機構を備える密閉型の二次電池に利用できる。

１電池
１０電極体
２０ケース
２１収納部
２２蓋部
１００ＣＩＤ
１１０反転板
１１１刻印部
１２０集電板
１２１薄肉部
１２２嵌合孔
１２３刻印部
１２４切込み

Claims

電解液が含浸されて発電要素として機能する電極体と、
前記電極体を前記電解液と共に収納するケースと、
異常時に電流を遮断する電流遮断機構と、を具備する密閉型電池であって、
前記電流遮断機構は、前記ケースの内圧の上昇に伴って変形する反転板と、前記反転板に接合され、前記反転板の変形に伴って変形する集電板と、を具備し、
前記集電板には、前記ケースの内圧が所定値以上となった場合に破断する溝状の刻印部と、前記集電板の板面を貫通するように形成される複数の切込みと、が設けられ、
前記複数の切込みは、前記刻印部の近傍に配置され、前記集電板が変形する際に開くように形成される、
ことを特徴とする密閉型電池。
各切込みは、前記刻印部に交差するように形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池。
各切込みは、直線状に形成され、前記刻印部に対して垂直となるように配置される、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の密閉型電池。
前記刻印部は、真円の環状に形成され、
前記複数の切込みは、互いに一定の間隔を空けて放射状に配置される、
ことを特徴とする請求項３に記載の密閉型電池。
前記集電板における前記反転板との接合部分の周囲には、他部に比べて厚みが小さい薄肉部が形成され、
前記薄肉部には、前記刻印部と、前記複数の切込みと、が配置され、
前記薄肉部は、その中央部から外縁部にかけて波状に湾曲する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の密閉型電池。