JP6020879B2 - 外装容器、蓄電素子 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電素子の安全弁の構造に関する。

従来から、二次電池等の電池が用いられている。電池は、アルミニウム等の金属製の外装容器に発電要素及び電解液が収容されてなる（例えば、引用文献１）。電池では、充放電による発熱や環境温度の変化により単電池内の圧力が上昇して外装容器が破損し、破損した外装容器の破片が電池の周囲に配置された装置等に飛散して周辺装置までも破損してしまうことを抑制するために、単電池内の内圧が所定値以上となった場合に破断してガスを排出する安全弁が設けられている。

特開２００４−３１９３０８号公報

安全弁が上記の目的で形成されるものであるため、安全弁は破断しやすい形状に形成されている。しかしながら、安全弁が破断し、破断した安全弁の断片が電池の周囲に配置された装置等に飛散した場合、周辺装置を破損しないまでも、安全弁の断片による異常通電等、これらの装置の動作に影響を及ぼす虞がある。

本発明は、破断した安全弁の飛散を抑制する技術を提供することにある。

本発明の外装容器は、蓄電素子用の外装容器であって、前記外装容器の内壁に第１凹部が形成されているとともに、前記外装容器の前記第１凹部に対応する前記外装容器の外壁に第２凹部が形成されており、前記第１凹部と前記第２凹部との間に、前記外装容器の内圧が所定値以上となった場合に破断してガスを排出する安全弁を備え、前記安全弁が形成された部分の前記外装容器に沿った方向において、前記第１凹部の底部が形成される第１範囲は、前記第２凹部の底部が形成される第２範囲に含まれ、前記第１範囲は前記第２範囲よりも狭い。

この外装容器では、外装容器に沿った方向において、外装容器に沿った方向において、第２範囲の一部が第１範囲の外側に設けられ、第２凹部の一部が安全弁の外部に設けられる。そのため、安全弁が破断し、破断した安全弁の断片が安全弁の外周部分へと移動した場合、当該断片を第２凹部内に移動させることができる。この外装容器によれば、安全弁の断片を第２凹部内内に移動させることで、その後に当該断片が蓄電素子の内部から排出されるガス等に曝されて安全弁の周辺領域から分離することが抑制され、安全弁の断片が周囲の装置等に飛散することを抑制することができる。

上記外装容器では、前記第２凹部の底部は、前記第１範囲に含まれる弁内領域と当該弁内領域の周囲に形成された弁外領域とを含み、前記安全弁には、破断強度が当該安全弁内の他の領域に比べて低い低強度領域が設けられ、前記弁内領域の前記弁外領域と隣接する外周部分には、前記低強度領域が形成されていない領域を含む構成としてもよい。

安全弁に低強度領域が設けられていると、外装容器の内圧が所定値以上となった場合に、安全弁は当該低強度領域から破断を開始する。この外装容器では、弁内領域の弁外領域と隣接する外周部分の少なくとも一部において低強度領域が形成されていないので、当該外周部分において安全弁が破断せず、当該外周部分と異なる部分で破断して生成された安全弁の断片が当該外周へと移動する。この外装容器によれば、当該外周部分が弁外領域と隣接することから、当該外周部分へと移動した安全弁の断片を第２凹部内内に移動させることができ、安全弁の断片が飛散することを抑制することができる。

上記外装容器では、前記弁内領域の前記弁外領域と隣接しない外周部分には、前記低強度領域が形成されている構成としてもよい。この外装容器によれば、弁内領域の弁外領域と隣接しない外周部分に安全弁の断片が移動することが抑制され、安全弁の断片が飛散することを抑制することができる。

上記外装容器では、前記低強度領域では、前記弁内領域に前記第１凹部の底部側へと伸びる溝が形成される構成としてもよい。低強度領域では、溝が形成されることで、安全弁内の他の領域に比べて薄肉となり、破断強度が低くなる。この外装容器によれば、溝を形成し、その深さや断面形状を調整することで、安全弁の破断強度を容易に調整することができる。

本発明は、また、上記の外装容器を備えた蓄電素子にも具現化される。この蓄電素子によれば、安全弁の断片が周囲の装置等に飛散することを抑制することができる。

本発明によれば、安全弁を通してガスを効率的に排出することができる。

単電池の展開図 実施形態１の安全弁の断面図 実施形態１の安全弁の上面図 破断した後の安全弁を示す断面図 実施形態２の安全弁の上面図 実施形態２の安全弁の断面図 他の実施形態の安全弁の断面図 他の実施形態の安全弁の断面図

＜実施形態１＞
以下、実施形態１について、図１ないし図４を参照しつつ説明する。
１．単電池の構成
図１は、本実施形態における単電池１４の斜視図である。単電池１４は、繰り返し充放電可能な二次電池であり、より具体的にはリチウムイオン電池である。本実施形態の単電池１４は、その複数個が導電性を有する板部材であるバスバーによってお互いに接続されて例えば電気自動車やハイブリット自動車に搭載され、電気エネルギーで作動する動力源に電力を供給する。単電池１４は、蓄電素子の一例である。

図１に示すように、単電池１４は、電極ユニット２０と、発電要素５０と、クリップ６０と、ケース６２と、を含む。以下、図１における上下方向を単電池１４の上下方向とし、ケース６２の側面のうちの面積の広い側の側面に垂直な方向を単電池１４の前後方向、面積の狭い側の側面に垂直な方向を単電池１４の左右方向として説明する。

ケース６２は、アルミニウム等の金属製であり、角形をしている。ケース６２は、上端が開放された上方開放型に形成され、このケース６２に扁平型をなす発電要素５０が収容されるとともに、電解液が充填される。ケース６２の上端開口は、電極ユニット２０を構成する長方形の板部材である蓋体６８によって塞がれる。ケース６２と蓋体６８とが、外装容器の一例である。

電極ユニット２０では、蓋体６８の上面に一対の正極端子２２及び負極端子２４が左右方向に並んで配置されている。また、各電極端子２２、２４に電気的に接続され、蓋体６８の下面から下方に向かって伸びる一組の集電体２８Ａ、２８Ｂが設けられている。各集電体２８Ａ、２８Ｂは、それぞれ大きな電流容量が得られるように十分な厚さを有する金属板からなり、正極集電体２８Ａは、例えばアルミニウム合金板からなり、負極集電体２８Ｂは、例えば銅板合金板からなる。蓋体６８にはこの他に、後述して詳細に説明する安全弁７０が設けられている。

発電要素５０は、正極板５２と負極板５４の間に図示しないセパレータを挟んだ状態で扁平型に巻回した筒形状に構成されている。正極板５２と負極板５４は、巻き解いた状態において、それぞれ巻回方向を長手方向とする帯状をなしている。正極板５２は、帯状をなすアルミニウム箔の表面に正極活物質層が形成されたものであり、その長手方向に延びる一方の縁には、正極活物質層が形成されずにアルミニウム箔が露出した正極集電箔５２Ａが形成されている。また、負極板５４は、帯状をなす銅箔の表面に負極活物質層が形成されたものであり、その長手方向に延びる一方の縁には、負極活物質層が形成されずに銅箔が露出した負極集電箔５４Ａが形成されている。

正極板５２と負極板５４は、負極集電箔５４Ａがセパレータおよび負極板５４よりも一端側に配され、また正極集電箔５２Ａがセパレータおよび正極板５２よりも他端側に配されるように重ねられて巻回されている。これにより、発電要素５０の一端側には、正極集電箔５２Ａのみが積層して突設され、他端側には、負極集電箔５４Ａのみが積層して突設されている。

正極集電箔５２Ａは、上下方向に直線状に延びる側面部分（図１二点鎖線参照）において、正極集電体２８Ａに接続される。負極集電箔５４Ａは、上下方向に直線状に延びる側面部分（図１二点鎖線参照）が、負極集電体２８Ｂに接続される。

集電体２８Ａ、２８Ｂと集電箔５２Ａ、５４Ａは、クリップ６０によって挟み込まれた状態で超音波溶接されることで接続される。クリップ６０は、溶接される集電体２８Ａ、２８Ｂ及び集電箔５２Ａ、５４Ａの材質と同等の抵抗値を有する材料からなり、正極側のクリップ６０Ａはアルミニウム合金からなり、負極側のクリップ６０Ｂは銅合金からなる。

２．安全弁の構成
蓋体６８の中央には、ケース６２内の圧力が所定値以上となった場合に破断してケース６２内のガスを放出する非復元型の安全弁７０が設けられている。安全弁７０は、ステンレス等の金属からなる薄膜であり、円形をしている。安全弁７０は、安全弁７０を含む安全弁部材７２が蓋体６８と別体に形成され、安全弁部材７２の周辺部７１がレーザ溶接等によって蓋体６８に取付けられる。以下の説明では、安全弁部材７２の周辺部７１と、当該周辺部７１に接続される蓋体６８とをあわせて、安全弁７０の周辺領域７４と称する。

図２に、図１のII‐II断面における安全弁７０の断面図を示し、図３に、安全弁７０の上面図を示す。図２に示すように、安全弁７０は、周辺領域７４よりも薄肉に形成されており、蓋体６８の安全弁７０が形成された部分の内部側に、周辺領域７４より窪んだ第１凹部７６が形成されている。第１凹部７６は、ケース６２内の圧力が所定値以上となった場合に、ケース６２内のガスが安全弁７０へと移動する流路を兼ねる。

また、蓋体６８の安全弁７０が形成された部分の外部側に、周辺領域７４より窪んだ第２凹部７８が形成されている。第２凹部７８は、ケース６２内の圧力が所定値以上となった場合に、安全弁７０を通過したガスがケース６２外へと移動する流路を兼ねる。安全弁７０は、形状的に、蓋体６８に設けられた第１凹部７６と第２凹部７８との間に残存した部分であるということができる。

図２に示すように、第１凹部７６は、上下方向に伸びる円柱状の穴であり、その底部７６Ａが安全弁７０の内壁７０Ａに当る。また、第２凹部７８は、上下方向に伸びる円柱状の穴であり、第２凹部７８の底部７８Ａは安全弁７０の外壁７０Ｂを含む。

詳細には、底部７８Ａは、安全弁７０の外壁７０Ｂに当る弁内領域８７と、弁内領域８７の周囲に形成される弁外領域８８を含む。図２に示すように、弁内領域８７は、上下方向に垂直な平面において、底部７６Ａが形成された範囲８４と同一の範囲に設けられ、弁外領域８８は、弁内領域８７の周囲に、全周に亘って設けられる（図３参照）。すなわち、上下方向に垂直な平面において、底部７６Ａが形成された範囲８４は、底部７８Ａが形成された範囲８６に含まれ、範囲８４は範囲８６よりも狭い。範囲８４は、第１範囲の一例であり、範囲８６は、第２範囲の一例である。

安全弁７０の外壁７０Ｂには、断面形状がＶ字状であり、内壁７０Ａ側へと伸びる溝９２が形成されている。図３に示すように、本実施形態において、溝９２は、安全弁７０の中央近傍に前後方向に伸びている。その一方、溝９２は、安全弁７０の外周部９８、すなわち弁内領域８７と弁外領域８８の境界部分に形成されていない。

安全弁７０の溝９２が形成された領域９４では、溝９２が形成されていない安全弁７０内の他の領域に比べて薄肉となることから、当該他の領域に比べて破断強度が低くなる。ここで、「破断強度」とは、安全弁７０が破断する際の圧力を意味する。そのため、図４に示すように、ケース６２内の圧力が所定値以上となった場合、安全弁７０は溝９２から破断し始め、破断した安全弁７０の断片７０Ｃがケース６２内から放出されるガス９６によってケース６２の外側に押し出され、安全弁７０の外周部９８へ移動する。領域９４が、低強度領域の一例である。

本実施形態の単電池１４では、安全弁７０の周囲に弁外領域８８が設けられ、第２凹部７８が安全弁７０の外周部９８の外側に形成されている。そのため、安全弁７０の外周部９８へと移動した断片７０Ｃは、ガス９６の圧力によって、第２凹部７８の弁外領域８８内に移動させる。断片７０Ｃは、弁外領域８８内に移動させることで、ケース６２内から放出されるガス９６に曝されることが抑制され、断片７０Ｃが単電池１４の周囲に飛散することが抑制される。

３．本発明の効果
（１）本実施形態の単電池１４では、安全弁７０の周囲に弁外領域８８が設けられ、安全弁７０の外側にも第２凹部７８が設けられることから、安全弁７０を通ってケース６２の内部から外部にガスが排出される際に破断した安全弁７０の断片７０Ｃを第２凹部７８内に移動させ、留めることができる。これにより、安全弁７０の断片７０Ｃが周囲の装置等に飛散することを抑制することができる。

（２）本実施形態の単電池１４では、溝９２が安全弁７０の外壁７０Ｂの中央近傍に形成されていることから、安全弁７０は、ケース６２内の圧力が所定値以上となった場合、その中央近傍から破断し始め、外周に向かって破断を進行させる。この結果、破断した安全弁７０の断片７０Ｃは、安全弁７０の外周部９８の全周に残存することとなる。そのため、同じく安全弁７０に亘って設けられた弁外領域８８へ当該断片７０Ｃを移動させることができる。

（３）本実施形態の単電池１４では、安全弁７０の外壁７０Ｂに形成する溝９２の深さや断面形状を調整することで、安全弁７０が破断する際の圧力を容易に調整することができ、単電池１４に必要とされる破断強度を実現することができる。

＜実施形態２＞
実施形態２を、図３を参照しつつ説明する。本実施形態の単電池１４は、図５に示すように、弁外領域８８が、弁内領域８７の右方向にのみ設けられている点で、実施形態１と異なる。以下の説明では、実施形態１と同一の内容については重複した記載を省略する。

１．安全弁の構成
図５に、本実施形態の安全弁７０の上面図を示し、図６に、図５のIV‐IV断面における安全弁７０の断面図を示す。図５に示すように、本実施形態において、溝９２は、安全弁７０の外周部９８のうち、弁外領域８８と隣接しない部分に形成されている。つまり、溝９２は、安全弁７０の前方向、左方向、後方向の外周部９８に形成されている。その一方、溝９２は、安全弁７０の弁外領域８８と隣接する右方向の外周部９８、及び中央近傍に形成されていない。

そのため、ケース６２内の圧力が所定値以上となった場合、安全弁７０は弁外領域８８と隣接しない外周部９８において周辺領域７４と破断する。そして、図６に示すように、破断した安全弁７０の断片７０Ｃは、安全弁７０の弁外領域８８と隣接する外周部９８に移動し、弁外領域８８内に移動する。

２．本発明の効果
（１）本実施形態の単電池１４では、溝９２が弁外領域８８と隣接しない外周部９８に形成されていることから、破断した安全弁７０の断片７０Ｃが、弁外領域８８と隣接しない安全弁７０の外周部９８へ移動することが抑制される。そのため、断片７０Ｃが安全弁７０の外周部９８に移動した後に、周辺領域７４から分離し、安全弁の断片７０Ｃが周囲の装置等に飛散することを抑制することができる。

（２）その一方、本実施形態の単電池１４では、溝９２が弁外領域８８と隣接する外周部９８に形成されていないことから、破断した安全弁７０の断片７０Ｃを、弁外領域８８と隣接する安全弁７０の外周部９８へ移動させることができる。そのため、断片７０Ｃを第２凹部７８内に移動させることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、蓄電素子の一例として二次電池である単電池１４を示したが、これに限らず、蓄電素子は、一次電池であっても良ければ、電気化学現象を伴うキャパシタであってもよい。また、単電池１４の用途、単電池１４の電極ユニットの構造等も特に限定されるものではない。

（２）上記実施形態では、第１凹部７６及び第２凹部７８の形状の一例として、円柱状の孔を示したが、これに限られない。図７に示すように、第１凹部７６は、上下方向に垂直な断面が円形をしており、安全弁７０に向かって縮径し、第１凹部７６の底部に当る安全弁７０の内壁７０Ａにおいて、最も断面積が小さくなる形状であっても良い。また、第２凹部７８は、上下方向に垂直な断面が円形をしており、安全弁７０に向かって縮径し、第２凹部７８の底部に当る安全弁７０の外壁７０Ｂにおいて、最も断面積が小さくなる形状であっても良い。

（３）さらに、周辺領域７４の外部側に、上側に隆起した隆起部６６が形成されていても良い。隆起部６６が上側に大きく隆起している場合には、図８に矢印９０で示すように、安全弁７０が蓋体６８よりも上側に配置されていても良い。なお、図７、８では、溝９２の記載を省略している。

（４）上記実施形態では、安全弁部材７２が蓋体６８と別体に形成される例を用いて説明を行ったが、これに限られず、蓋体６８と一体形成されてもよい。また、安全弁７０の外形も、円形に限られず、またその材質も実施形態に限定されるものではない。

１４：単電池、６２：ケース、６８：蓋体、７０：安全弁、７０Ａ：安全弁の内壁、７０Ｂ：安全弁の外壁、７０Ｃ：安全弁の断片、７４：周辺領域、７６：第１凹部、７８：第２凹部、８７：弁内領域、８８：弁外領域、９２：溝、９８：外周部

Claims (4)

1. 蓄電素子用の外装容器であって、
   前記外装容器の内壁に第１凹部が形成されているとともに、前記外装容器の前記第１凹部に対応する前記外装容器の外壁に第２凹部が形成されており、前記第１凹部と前記第２凹部との間に周囲の材料と一体に形成された薄肉部を、前記外装容器の内圧が所定値以上となった場合に破断させてガスを排出する安全弁としたものであって、
   前記外装容器に沿った面内における前記第１凹部の底部が形成された第１範囲は、前記外装容器に沿った面内における前記第２凹部の底部が形成された第２範囲に含まれ、前記第１範囲は前記第２範囲よりも狭く、かつ、前記第２凹部の底部は、前記第１範囲に含まれる弁内領域と当該弁内領域の周囲に形成された弁外領域とを含み、
   前記安全弁には、破断強度が当該安全弁内の他の領域に比べて低い低強度領域を、前記弁内領域と前記弁外領域との境界部分には形成せずに前記弁内領域に形成してある、外装容器。
2. 請求項１に記載の外装容器であって、
   前記低強度領域は、前記第１凹部の底部側へと伸びる溝により形成されている、外装容器。
3. 請求項２に記載の外装容器であって、前記溝は断面形状がＶ字状である外装容器。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の外装容器を備えた蓄電素子。

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