JP5818004B2 - 密閉型電気化学デバイス用封口板 - Google Patents

Description

本発明は、電解液を有するコンデンサやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスにおいて、その内圧上昇により内部に発生したガスを排出する防爆弁を備えた密閉型電気化学デバイス用封口板に関する。

電解液を有するコンデンサやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスにあっては、短絡・過充電・逆充電などにより電解液の分解によりその本体内でガスが発生し、本体内に蓄積されたガスによりその内圧が上昇し、破裂や発火などの密閉型電気化学デバイスに悪影響を与えるおそれがあり、その本体に蓄積されたガスを電池外に排出して内圧を大気開放するアルミニウム金属箔でできた防爆弁が使用されている。本体の内圧値が所定の値に達した時、この防爆弁が破断して本体内に蓄積されたガスを本体外に排出するように密閉型電気化学デバイスの封口体に形成した防爆弁装置が知られている。しかし、防爆弁の素材にアルミニウム金属箔を使用する場合には、アルミニウム金属箔は電解液に腐食されやすく、外部から異物により突き破られやすいので、アルミニウム金属箔の表面に特別な処理などをする必要があり、コスト高となるので、アルミニウム金属箔に代替する素材でできた防爆弁が要望されている。

そこで、アルミニウム金属箔に代替する素材でできた防爆弁として、例えば、電解液を有する密閉型電気化学デバイスとして、電解液を有するコンデンサを例にすると、特許文献１において、合成樹脂で成形したが封口栓（本願の封口板に相当）の一部に防爆孔（本願のガス抜き孔）を形成し、その防爆孔にゴム・合成樹脂などの弾性皮膜（本願の弁膜部に相当）を合成樹脂の支持体で成形して支持して、その弾性皮膜をコンデンサ内のガスの圧力で膨張破断することによりガスを排出するようにした防爆弁装置が提案されている。

また、電解液を有する密閉型電気化学デバイスとして、リチウム電池を例にすると、特許文献２において、一極性端子を兼用する封口蓋板の一部にガス抜き孔を設け、ポリプロピレン樹脂製のフィルム（本願の弁膜部に相当）を熱溶着により封口蓋板に貼り付けて、そのフィルムでガス抜き孔を閉塞し、電池内圧の上昇によりこのフィルムが破断するようにした防爆弁装置が提案されている。

しかし、特許文献１の防爆弁装置では、本願の弁膜部に相当する弾性皮膜は圧力で膨張破断するので、突き破るようにして一気に破断することができず破断に至るのに時間がかかり、ガスにより急激に内圧が上昇する場合に迅速にガスを排出し難いという問題がある。

また、特許文献２の防爆弁装置では、本願の弁膜部に相当するフィルムがポリプロピレン樹脂のような熱可塑性樹脂でできているので、特許文献１と同様にフィルムが突き破るようにして一気に破断せず、破断に時間がかかり迅速にガスを排出し難く、さらに、フィルムの貼り付け作業やフィルムと封口蓋板との密着接合を確実にするよう配慮する必要がある。さらに、ポリプロピレン樹脂のような熱可塑性樹脂で射出成形などで成形する場合には、ウエルドによる成形欠陥が発生しやすく、皮膜のような薄肉の成形部においてこのようなウエルドにより強度が劣化して強度に信頼性がなくなるので、上記のような内圧による破断作用が不安定となる。

実開昭５３−１１７９５１号公報 実開平６−６２４５７号公報の図４

本発明は、上記の問題点を解消するために、コンデンサやリチウム電池などの電解液を有する密閉型電気化学デバイスの本体内に蓄積されたガスにより急激に内圧が上昇しても迅速にガスをその本体外へ排出させて、この密閉型電気化学デバイスが破裂したり発火したりするのを未然に防止する防爆弁を提供することを目的とする。

本発明の密閉型電気化学デバイス用封口板は、ガス抜き孔を備え、かつ、前記ガス抜き孔を閉塞する熱硬化性樹脂で成形してできた弁膜部からなる防爆弁を備えた密閉型電気化学デバイス用封口板であって、前記ガス抜き孔は金属材でできた封口板の貫通孔に中空状の筒部を密着接合させることにより形成し、前記筒部の一端には封口板の一方の表面に密着させて外周方向に延出した外側鍔部を有し、前記筒部の他端には封口板の他方の表面に密着させて外周方向に延出した内側鍔部を有し、前記外側鍔部には前記ガス抜き孔を閉塞しかつ前記外側鍔部の厚さよりも薄い厚さの弁膜部を有し、これら筒部と外側鍔部と内側鍔部と弁膜部を熱硬化性樹脂で前記封口板に一体に成形してできたことを特徴とする。同請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の密閉型電気化学デバイス用封口板で、前記弁膜部の一部に薄肉部を形成して破断しやすくしたことを特徴とする。同請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の密閉型電気化学デバイス用封口板で、前記ガス抜き孔は弁膜部の方向に断面積を小さくしノズル形状となるように傾斜壁が形成されたことを特徴とする。

本発明の密閉型電気化デバイス用封口板は、熱硬化性樹脂で成形してできた弁膜部からなる防爆弁を備えているので、本体内に蓄積されたガスにより急激に内圧が上昇したときに弁膜部を突き破るようにして一気に破断させて、そのガスを迅速に本体外に排出して、この密閉型電気化学デバイスが破裂したり発火したりするのを未然に防止することができ、しかも、熱可塑性樹脂で成形してできた弁膜部に比しウエルドによる成形欠陥が発生しにくく強度に信頼性のある弁膜部が得られるので、上記の破断作用が安定する。また、筒部と外側鍔部と内側鍔部と弁膜部を熱硬化性樹脂で前記封口板に一体に成形することにより、弁膜部を貼り付けて形成する作業を必要とせず、筒部と外側鍔部と内側鍔部とを前記封口板に密着させて、本体内から電解液が漏れ出るのを防ぐことができる。また、防爆弁の弁膜部の一部に薄肉部を形成することにより、弁膜部の破断がしやすい。さらに、密閉型電気化学デバイス用封口板と前記防爆弁とを熱硬化性樹脂で一体に成形することにより、防爆弁の弁膜部を閉型電気化学デバイス用封口板に確実にかつ複雑な構成とせずに備えることができる。また、前記ガス抜き孔は弁膜部の方向に断面積を小さくしノズル形状となるように傾斜壁が形成されているので、本体内に蓄積されたガスによりその内圧が上昇した場合、そのガスがより速い速度で弁膜部７を突き破るようにして一気に切断をしやすくするなどの効果を有する。

本発明の実施形態１で封口板の防爆弁を示す断面図である。 本発明の実施形態２で封口板の防爆弁を示す断面図である。 本発明の実施形態３で封口板の防爆弁を示す断面図である。 本発明の封口板を設けた密閉型電気化学デバイスの実施例を示す断面図である。 本発明の封口板を設けた密閉型電気化学デバイスの異なる実施例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１および図４において、図１は実施形態１の防爆弁３を示し、図４はその防爆弁３および端子部１２を備えた封口板１を密閉型電気化学デバイスの本体に設けた密閉型電気化学デバイスを示し、その防爆弁３は拡大して図示する。

この密閉型電気化学デバイスは電解液を有するコンデンサやリチウム電池などで、円板（楕円を含む）状や矩形状の封口板１を蓋として組み合わせて密封して閉じられる箱型ケース１８からなる本体としており、この箱型ケース１８は負極端子となるように封口板１と同様なアルミニウム（その合金を含む）やステンレスなどの金属材でできているが、この負極端子以外の部分を合成樹脂やゴムなどで被覆するように処理をしてもよい。封口板１を箱型ケース１８に組み合わせるにはレーザ溶接などの接合手段１７で本体内を密封するように行うので、その本体内には電解液２０および正負極素子部１９が気密状態に設けられている。

図４における封口板１は極性端子を兼用するようにアルミニウム（その合金を含む）やステンレスなどの金属材でできており、防爆弁３および端子部１２を有し、この端子部１２の金属端子１３はリード１５にて正負極素子部１９と電気接続されている。この金属端子１３は銅（その合金を含む）やアルミニウム（その合金を含む）などでできており、端子部１２は金属端子１３が絶縁材１４を介して封口板１と電気的に絶縁しかつ密着するように一体に成形またはかしめ固着されている。

図１を参照して、防爆弁３の構成を説明する。封口板１はアルミニウム（その合金を含む）やステンレスなどの金属材でできており、端子部１２と離れた位置に貫通孔２が形成されている。この貫通孔２に中空状の筒部４が設けられて、筒部４の中空部がガス抜き孔８となり、この筒部４の一端には外周方向に延出した外側鍔部５と筒部４の他端には外周方向に延出した内側鍔部６が封口板１を挟むように形成されており、外側鍔部５には皮膜状となるように外側鍔部５の厚さよりも薄い厚さの弁膜部７が形成されて防爆弁３を構成している。この防爆弁３を構成する際、筒部４、外側鍔部５、内側鍔部６および弁膜部７を熱硬化性樹脂で、封口板１と一体に成形することにより、封口板１の貫通孔２に中空状の筒部４を密着接合させ、筒部４の一端の外側鍔部５を封口板１の一方の表面に密着させ、筒部４の他端の内側鍔部６を封口板１の他方の表面に密着させるとともに、外側鍔部５にはガス抜き孔８を閉塞しかつ外側鍔部５の厚さよりも薄い厚さで、熱硬化性樹脂で成形してできた弁膜部７が形成されている。これらの熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂やエポキシ樹脂やジリアルフタレート樹脂や不飽和ポリエステル樹脂などを例示でき、弁膜部７はこのような熱硬化性樹脂で成形してできた皮膜となるので、膨張破断をさせるゴムや熱可塑性樹脂でできた皮膜に比し突き破るようにして一気に破断しやすい。従って、本願の密閉型電気化学デバイスにおいては、短絡・過充電・逆充電などにより電解液２０が分解されて、その本体内でガスが発生し、その蓄積されたガスによりその内圧が上昇するが、上記のような防爆弁３の構成により、その内圧で弁膜部７が突き破るようにして一気に破断するので、閉塞されていたガス抜き孔８を開放してガスを本体外へ排出させて内圧を大気開放することにより、密閉型電気化学デバイスに破裂や発火などの悪影響を与えないようにしている。

また、防爆弁３を封口板１に密着させた構成とすることにより、本体内の電解液２０が封口板１と防爆弁３との間から本体外に漏れ出るのを防ぐことができる。この実施形態１においては、弁膜部７の下面は外側鍔部５の下面と同一平面上にあり、弁膜部７の上面は外側鍔部５の上面よりも下方にあるように凹所９が形成されており、弁膜部７の上面は外側鍔部５よりも高さを低くしているので、封口板１の表面に突出せず、弁膜部７が本体外に突出しないようすることができ、弁膜部７が外部から損傷を受け難くしている。なお、好ましい例として、内側鍔部６を外側鍔部５よりも変形しにくくすれば、ガス圧により弁膜部７を突き破る際、弁膜部７を本体外の方向に加圧されやすくなるので、実施例としては内側鍔部６を封口板１の表面に密着させる面積は、外側鍔部５をその厚さが内側鍔部６と同じであっても、封口板１の表面に密着させる面積よりも多くしている。

（実施形態２）
図２は、アルミニウム（その合金を含む）やステンレスなどの金属材でできた封口板１に皮膜状の弁膜部７からなる防爆弁３１を一体に成形した密閉型電気化学デバイスに用いる封口板の防爆弁を示す。弁膜部７はフェノール樹脂やエポキシ樹脂やジリアルフタレート樹脂や不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂で成形してできており、その構成は、実施形態１を示す図１と同じものは同じ符号で示しているので、詳細な構成は図１に示すとおりである。この防爆弁３１は図４における端子部１２とともに極性端子を兼用する封口板１に備えられており、本体外方向に突き破って破断される弁膜部７は突き破って一気に破断しやすくするように上記熱硬化性樹脂でできており、その中央に上方側の表面を切除した薄肉部１０が形成されており、この薄肉部１０は弁膜部７の破断を促進することができる。この実施形態では薄肉部１０を弁膜部７の中央に形成しているが、十文字状に形成したり、周辺位置に環状に形成したりして弁膜部７の一部に形成してもよい。なお、弁膜部７の厚さおよび薄肉部１０の厚さは破断する圧力により設定すればよい。

（実施形態３）
図３は、アルミニウム（その合金を含む）やステンレスなどの金属材でできた封口板１に皮膜状の弁膜部７からなる防爆弁３２を一体に成形した密閉型電気化学デバイスに用いる封口板の防爆弁を示す。弁膜部７はフェノール樹脂やエポキシ樹脂やジリアルフタレート樹脂や不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂で成形してできており、その構成は、実施形態１を示す図１と同じものは同じ符号で示しているので、詳細な構成は図１に示すとおりである。この防爆弁３２は図４における端子部１２とともに極性端子を兼用する封口板１に備えられており、防爆弁３２の筒部４の中空部は、外側鍔部５の方向すなわち弁膜部７の方向に断面積を小さくしノズル形状となるように傾斜壁が形成されたガス抜き孔８１を構成して、この弁膜部７を本体外方向に突き破るようにして一気に破断させるようにしている。このようなガス抜き孔８１により、ガス抜き孔８１がノズル形状となって、本体内に蓄積されたガスによりその内圧が上昇した場合、そのガスがガス抜き孔８１からさらに速い速度で弁膜部７を突き破るようにして切断をしやすくしている。さらに、図示しないが、弁膜部７に実施形態２のように上方側の表面を切除した薄肉部を形成すれば、さらに、弁膜部７を突き破りやすくなり、弁膜部７の破断を促進することができる。

実施形態１から３の各防爆弁３、３１、３２および端子部１２を備えたアルミニウム（その合金を含む）やステンレスなどの金属材でできた封口板１を密閉型電気化学デバイスの本体に設ける場合、図４においては、封口板１は極性端子を兼用するようにしたが、端子部１２を正極と負極の一対の端子部１２１、１２２として備えれば、極性端子と兼用しない封口板１であってもよいので、以下、図５を参照して説明する。

図５は、実施形態１の防爆弁３および一対の端子部１２１、１２２を備えた封口板１を密閉型電気化学デバイスの本体に設けた密閉型電気化学デバイスを示し、その防爆弁３は拡大して図示しており、この防爆弁３としては実施形態２の防爆弁３１または実施形態３の防爆弁３２であってもよい。図５において、一対の端子部１２１、１２２は防爆弁３を介して離間して設けられており、それぞれの端子部１２１、１２２は絶縁材１４１、１４２を介して封口板１に固着された金属端子１３１、１３２を有する。各金属端子１３２、１３４はそれぞれ正極または負極となり、リード１５、１６にて正負極素子部１９と電気接続されている。なお、金属端子１３１、１３２の材質は銅（その合金を含む）やアルミニウム（その合金を含む）などであり、封口板１への固着は、絶縁材１４１、１４２の素材を防爆弁３と同じフェノール樹脂やエポキシ樹脂やジリアルフタレート樹脂や不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂とし、防爆弁３を封口板１に一体に成形する際に、インサート成形により一体に成形すればよい。また、他の構成は、図４と同じ符号であるので、説明は省略する。この防爆弁３の構成により、短絡・過充電・逆充電などにより電解液２０の分解により密閉型電気化学デバイスの本体内でガスが発生し、本体内に蓄積されたガスによりその内圧が上昇し、その内圧で弁膜部７が突き破るようにして一気に破断できるので、閉塞されていたガス抜き孔８を開放してガスを本体外へ排出させて内圧を大気開放することにより、密閉型電気化学デバイスに破裂や発火などの悪影響を与えないようにしている。

以上のように、本願のガス抜き孔８、８１を備え、かつ、ガス抜き孔８、８１を閉塞する熱硬化性樹脂で成形してできた弁膜部７からなる防爆弁３、３１、３２を備えた密閉型電気化学デバイスにおいては、短絡・過充電・逆充電などにより電解液２０が分解されて、その本体内でガスが発生し蓄積されて本体の内圧が上昇することとなり、上記のような防爆弁３、３１、３２の構成により、その内圧で弁膜部７を突き破るようにして一気に破断させるので、閉塞されていたガス抜き孔８、８１を迅速に開放させてガスを本体外へ排出させて内圧を迅速に大気開放することにより、密閉型電気化学デバイスに破裂や発火などの悪影響を与えないようにしている。この場合、弁膜部７は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂やジリアルフタレート樹脂や不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂で成形してできた皮膜となるので、ゴムや熱可塑性樹脂でできた皮膜のような膨張破断ではなく、突き破るようにして一気に破断できるので、ガスを本体外へ迅速に排出させることができる。なお、これら弁膜部７の厚さは破断する圧力により設定すればよい。

本発明の封口板は、電解液を有するコンデンサやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスの防爆に有用である。

１ 封口板
２ 貫通孔
３、３１、３２ 防爆弁
４ 筒部
５ 外側鍔部
６ 内側鍔部
７ 弁膜部
８、８１ ガス抜き孔
１０ 薄肉部

Claims (3)

1. ガス抜き孔を備え、かつ、前記ガス抜き孔を閉塞する熱硬化性樹脂で成形してできた弁膜部からなる防爆弁を備えた密閉型電気化学デバイス用封口板であって、前記ガス抜き孔は金属材でできた封口板の貫通孔に中空状の筒部を密着接合させることにより形成し、前記筒部の一端には封口板の一方の表面に密着させて外周方向に延出した外側鍔部を有し、前記筒部の他端には封口板の他方の表面に密着させて外周方向に延出した内側鍔部を有し、前記外側鍔部には前記ガス抜き孔を閉塞しかつ前記外側鍔部の厚さよりも薄い厚さの弁膜部を有し、これら筒部と外側鍔部と内側鍔部と弁膜部を熱硬化性樹脂で前記封口板に一体に成形してできたことを特徴とする密閉型電気化学デバイス用封口板。
2. 前記弁膜部の一部に薄肉部を形成して破断しやすくしたことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電気化学デバイス用封口板。
3. 前記ガス抜き孔は弁膜部の方向に断面積を小さくしノズル形状となるように傾斜壁が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の密閉型電気化学デバイス用封口板。

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