JP6094589B2 - 密閉型電池 - Google Patents

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Description

本発明は、電池内の圧力が上昇したときに、電池内に発生したガスを電池外に排出する安全弁を備えた封口体により密閉された電池に関する。
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、高温環境下での長時間にわたる使用、または内部短絡や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、電池内で異常な充放電反応または化学反応によりガス発生が起こり、これにより、電池ケースが膨張したり、さらには破裂したりするおそれがある。
このような問題に対して、特許文献１には、封口体内に安全弁を備えた密閉型電池が記載されている。ここでは、電池内における圧力の急上昇によって封口体内の安全弁が開裂し、電池内のガスが電池蓋のガス抜き孔から電池外側へ放出される。これにより、電池ケースの膨張や破裂を防止することができる。
特開平１０−０９２４０６
電池の安全弁からは通常使用時においても、高温保存や繰り返しの充放電に伴う電池内圧の上昇により安全弁が作動し電解液や可燃ガスが排出されることがある。また、異常時においても、異常時の初期段階では電池内で緩やかにガスが発生し安全弁から電解液や可燃ガスが排出される。さらに異常な状態が継続した場合においてのみ、電池内における反応が進み急激なガス発生段階に至り安全弁から高温ガスが排出される。
特許文献１に記載された技術においては、電池内で発生したガスを電池外に排出することにより電池ケースの膨張や破裂を防止できることが記載されている。しかし、通常使用時の高温保存や繰り返しの充放電、または異常時の初期段階において、安全弁が作動した際に電池から排出される電解液や可燃ガスが電池周辺の広範囲に飛散する可能性がある。
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、通常使用時や異常時の初期段階に排出される電解液や可燃ガスの広範囲への飛散を防止するとともに、異常時の急激なガス発生段階において高温ガスを確実に電池外に排出することのできる、安全性に優れた密閉型電池を提供することにある。
本発明のある様態の密閉型電池は、正極と負極との間にセパレータを介装して作製された電極群を収納する容器と、前記容器の開口部に取付けられ、少なくともひとつのガス排気孔が形成された複数の部材を含む封口体とを備え、前記複数の部材に各々形成されたガス排気孔のうち、前記容器の開口部の面積に対するガス排気孔の面積の比が３．０×１０-５以上、９．１×１０-３以下であるガス排気孔を含む部材は、異常時に発生する高温ガスより融点が低い部材で形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、電池内で発生したガスを確実に電池外に排出するとともに、電池が装着された機器に与える悪影響を最小限に抑制することのできる、安全性に優れた密閉電池を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池の断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るキャップおよびフィルタの形状を示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る電池外へのガス排出の過程を説明する断面図である。 本発明の別の実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池の断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の別の実施形態に係るキャップおよびフィルタの形状を示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の別の実施形態に係る電池外へのガス排出の過程を説明する断面図である。 本発明の別の実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池の断面図である。 本発明の別の実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池の底面図である。
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円筒形非水電解質二次電池の構成を示した断面図である。
図１に示すように、正極１及び負極２がセパレータ（多孔質絶縁層）３を介して捲回された電極群４が、非水電解液（不図示）とともに、有底円筒形の電池ケース１５に収納されている。電極群４の上下には、それぞれリング状の絶縁板７、絶縁板８が配置され、正極１は、正極リード５を介してフィルタ１３に接合され、負極２は、負極リード６を介して負極端子を兼ねる電池ケース１５の底部に接合されている。
フィルタ１３は、インナーキャップ１２に接続され、インナーキャップ１２の突起部は、金属製の弁体１０に接合されている。さらに、弁体１０は、正極端子を兼ねるキャップ９に接続されている。そして、キャップ９、弁体１０、インナーキャップ１２、及びフィルタ１３が一体となって封口体を構成し、ガスケット１４を介して、電池ケース１５の開口部を封口している。なお、封口体を構成するキャップ９、弁体１０、インナーキャップ１２、及びフィルタ１３のうち、少なくともひとつは異なる部材で形成されている。
弁体１０には、電池内の圧力が所定値に達したときに破断する薄肉部１０ａが形成され、薄肉部１０ａが破断することで弁体１０は安全弁として機能する。弁体１０の薄肉部１０ａが破断することで、電池内で発生したガスや電解液はフィルタ１３のフィルタ孔１３ａ、インナーキャップ１２のインナーキャップ孔１２ａ、弁体１０の破断部、及びキャップ９のキャップ孔９ａを介して、電池外に排出される。
図２（ａ）、（ｂ）は、本実施形態におけるキャップおよびフィルタの形状を示した平面図である。
図２（ａ）に示すように、キャップ９は異常の場合に発生する高温ガスよりも融点が低い部材である融点が７００℃以下のアルミニウムにより形成されている。キャップ孔９ａの開口面積は７．９×１０-３ｍｍ２以上、２．４ｍｍ２以下で形成されている。キャップ孔９ａの開口面積を７．９×１０−３ｍｍ２未満に設定した場合、ガス発生の初期段階でのガス排気が容易でないため、ガスにより電池内の圧力が高まり封口体が変形して破裂が発生する恐れがある。キャップ孔９ａの開口面積を２．４ｍｍ２以上に設定した場合、ガス発生の初期段階において、安全弁が作動した際に電池から排出される電解液や可燃ガスがキャップ孔９ａで防げず電池外部に飛散する可能性がある。また、キャップ孔９ａの開口面積は上記の範囲内であればキャップ孔９ａが複数存在していても良い。本発明の実施の形態では、１つのキャップ孔９ａが形成され、キャップ孔９ａの開口面積が０．８ｍｍ２として説明する。
また、図２（ｂ）に示すように、フィルタ１３に形成されたフィルタ孔１３ａの開口面積は３２．３ｍｍ２となるように形成されている。本実施例におけるフィルタ孔１３ａの開口面積は、現在市場に供給されている１８６５０サイズ（直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍ）の円筒型リチウムイオン二次電池における一般的な開口面積の範囲内である。
また、弁体１０の薄肉部１０ａが破断したときに弁体１０に形成される破断面積、およびインナーキャップ１２のインナーキャップ孔１２ａの開口面積はキャップ９に形成されたキャップ孔９ａの開口面積よりも大きくなるように形成されており、封口体におけるガス排気経路の面積は、キャップ９に形成された排気孔であるキャップ孔９ａの開口面積で律則される。
また、キャップ孔９ａの開口面積はガス発生の初期段階でのガス排気能力に対応し、電池ケース１５の開口部の大きさに依存する。そのため、電池ケース１５の開口部の面積が変化すればキャップ孔９ａの面積も変化するので、電池ケース１５の開口部の面積(２６０ｍｍ２)に対してキャップ孔９ａの面積の比が３．０×１０-５以上、９．１×１０-３以下になるように形成されていることが好ましい。
図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における電池外へのガス排出の過程を示した断面図である。図３（ａ）、（ｂ）を参照しながら、本実施形態における電池外へのガス排出の過程を説明する。
図３（ａ）は、ガス発生の初期段階において、安全弁である弁体１０が作動した状態を示した図である。過充電等により電池温度が次第に上昇し、密閉された電池ケース１５内で電解液が気化あるいは分解する等により、電池内の圧力が安全弁の作動圧（薄肉部１０ａの破断圧力）を超えると、弁体１０の薄肉部１０ａが破断する。これにより、電池内の圧力が、フィルタ１３のフィルタ孔１３ａ、インナーキャップ１２のインナーキャップ孔１２ａ、弁体１０の破断部、及びキャップ９のキャップ孔９ａを介して、電池外に開放される。この段階におけるガス発生は比較的低温かつ緩やかであり、弁体１０が破断することにより、電解液や可燃性のガスは排気孔であるキャップ９のキャップ孔９ａのごく狭い排気面積を通って緩やかに電池外に排出される。
図３（ｂ）は、電池において異常な状態がさらに継続し、電池内で急速な化学反応が起こり、高温ガスが急激に発生した段階において、キャップ９が発生した高温ガスにより溶融した状態を示した図である。この段階において、キャップ９は大量に噴出する高温ガスによる熱によって溶融し、拡大した開口面積の排気孔を形成する。これにより電池内で急激に発生した高温ガスはキャップ９の溶融により形成された拡大した開口面積の排気孔を介して電池外に排出される。
このようにすると、通常使用時や異常時の比較的低温かつ緩やかなガス発生段階においては、安全弁作動時に電池内から排出される電解液や可燃ガスはごく狭い排気孔であるキャップ孔９ａを介して排出されるため、電解液や可燃ガスが広範囲に飛散して電池搭載機器に悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。さらに、電池における異常な状態が継続し電池内で高温ガスが急激に発生する段階においては、キャップ９は噴出する高温ガスによる熱で溶融し、電池内で急激に発生した高温ガスはキャップ９の溶融により形成された拡大した開口面積の排気孔を介して電池外に確実に排出される。結果、通常使用時や異常時の初期段階に排出される電解液や可燃ガスの広範囲への飛散を防止することで電池搭載機器に与える悪影響を最小限に抑制するとともに、異常時の急激なガス発生段階において高温ガスを確実に電池外に排出することのできる、安全性に優れた密閉電池を実現することができる。
また、本発明において「安全弁」は、電池内の圧力が上昇したときに、電池内に発生したガスを電池外に排気する機能を備えた機構を含み、本実施形態で例示した形態に必ずしも限定されない。例えば、他の安全弁の構成として、特定圧力で開裂するガスケットやパッキンで電池を密閉する構成。または、開口部に押しつけられた樹脂やスプリング等の弾性体で電池を密閉し、内部圧力が上昇した場合には、それによる弾性体の変形で生じる隙間からガスを外部に排気する構成等を採用することができる。
次に、図４および図５（ａ）、（ｂ）を参照しながら、本発明の別の実施形態における、ガス排気孔が封口体の一部であるフィルタに形成されている場合を説明する。図４は、本実施形態における円筒形非水電解質二次電池の断面図である。図５（ａ）、（ｂ）は、本実施形態におけるキャップおよびフィルタの形状を示した平面図である。
図４および図５（ｂ）に示すように、フィルタ１３にはガス排気孔であるフィルタ孔１３ａが形成されており、フィルタ１３は異常の場合に発生する高温ガスよりも融点が低い部材である融点が７００℃以下のアルミニウム（融点６６０℃）で構成されている。
フィルタ１３のフィルタ孔１３ａの開口面積は７．９×１０-３ｍｍ２以上、２．４ｍｍ２以下の範囲で形成されている。フィルタ孔１３ａの開口面積を７．９×１０-３ｍｍ２未満に設定した場合、ガス発生の初期段階でのガス排気が容易でないため、ガスにより電池内の圧力が高まり封口体が変形して破裂が発生する恐れがある。フィルタ孔１３ａの開口面積を２．４ｍｍ２以上に設定した場合、ガス発生の初期段階において、安全弁が作動した際に電池から排出される電解液や可燃ガスがフィルタ孔１３ａで防げず電池外部に飛散する可能性がある。また、フィルタ孔１３ａの開口面積は上記の範囲内であればフィルタ孔１３ａが複数存在していても良い。本発明の実施の形態では、３つのフィルタ孔１３ａが形成され、３つのフィルタ孔１３ａを合計した開口面積が１．５ｍｍ２として説明する。また、図５（ａ）に示すように、キャップ９に形成されたキャップ孔９ａの開口面積は３４．９ｍｍ２となるように形成されている。本実施例におけるキャップ孔９ａの開口面積は、現在市場に供給されている１８６５０サイズの円筒型リチウムイオン二次電池における一般的な開口面積の範囲内である。また、インナーキャップ１２のインナーキャップ孔１２ａの開口面積、および弁体１０の薄肉部１０ａが破断したときに弁体１０に形成される破断面積はフィルタ１３に形成されたフィルタ孔１３ａの開口面積よりも大きくなるように形成されており、封口体におけるガス排気経路の面積は、フィルタ１３に形成されたフィルタ孔１３ａの開口面積で律則される。また、フィルタ孔１３ａの開口面積はガス発生の初期段階でのガス排気能力に対応し、電池ケース１５の開口部の大きさや電池ケースの体積等に依存する。そのため、電池ケース１５の開口部の面積(２６０ｍｍ２)が変化すればフィルタ孔１３ａの面積も変化するので、電池ケース１５の開口部の面積に対してフィルタ孔１３ａの面積の比が３．０×１０-５以上、９．１×１０-３以下になるように形成されていることが好ましい。
図６（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における電池外へのガス排出の過程を示した断面図である。図６（ａ）、（ｂ）を参照しながら、本実施形態における電池外へのガス排出の過程を説明する。
図６（ａ）は、ガス発生の初期段階において、弁体１０の薄肉部１０ａが破断して、安全弁である弁体１０が作動した状態を示した図で、電池内の電解液や可燃性のガスは排気孔であるフィルタ１３のフィルタ孔１３ａのごく狭い排気面積を通って緩やかに電池外に排出される。図６（ｂ）は、電池において異常な状態がさらに継続し、電池内で急速な化学反応が起こり、高温ガスが急激に発生した段階において、フィルタ１３が発生した高温ガスにより溶融した状態を示した図である。このようにすると、フィルタ１３は電池内で高温ガスが発生した際に高温ガスの熱に最初に晒される電池内に最も近い封口体構成部品であるため、より確実に排気孔であるフィルタ孔１３ａが溶融し、拡大した開口面積の排気経路を形成することができる。これにより異常時の急激なガス発生段階において高温ガスをより確実に電池外に排出することができる。
次に、図７および図８を参照しながら、本発明の別の実施形態における、封口体内に設けられた安全弁に加え、封口体内に設けられた安全弁よりも作動圧の高い第２の安全弁を備えている場合を説明する。図７は、本実施形態における円筒形非水電解質二次電池の断面図である。図８は、本実施形態における円筒形非水電解質二次電池の底面図である。
図７および図８に示すように、電池ケース１５の底部には、電池内の圧力が所定値に達したときに破断する薄肉部１５ａが形成され、この電池ケース１５の底部に形成された薄肉部１５ａにより第２の安全弁が構成されている。ここで、電池ケース１５の底部に形成された薄肉部１５ａの破断圧力は、封口体内に設けられた安全弁の作動圧力よりも大きくなるように形成されている。このようにすると、電池内で高温ガスが急激に発生する段階において、高温ガスの発生とガスの熱による排気孔の溶融に時間的な遅れが発生した場合、電池内の圧力が第２の安全弁の作動圧を超えることで電池ケース１５の薄肉部１５ａが破断して、電池内で発生した高温ガスは、電池ケース１５の破断部を介して電池外に排出される。また、高温ガスが７００℃に到達せずに排気孔が溶融することなく十分なガス排気経路が封口体に形成されなかった場合においても、同様に電池内で発生した高温ガスは、電池ケース１５の破断部を介して電池外に排出される。これにより異常時の急激なガス発生段階において高温ガスを確実に電池外に排出することができる。
また、封口体内に設けられた安全弁の作動圧、及び第２の安全弁の作動圧は、一義的に決まるものではなく、使用する電池の種類や、想定されるガス発生モード（圧力上昇モード）等を考慮して、適宜決めればよい。なお、第２の安全弁の作動圧は、電池ケースの耐圧（若しくは、封口体の耐圧）よりも低く設定されるが、２〜８ＭＰａの範囲に設定することが好ましい。第２の作動圧を２ＭＰａ未満に設定した場合、電池が落下等の何らかの弱い衝撃を受けただけで、ケース底部薄肉部が破断し、電池内から電解液が流出する恐れがある。また、第２の作動圧を８ＭＰａ以上に設定した場合、急激なガス発生に対してケース底部薄肉部破断が間に合わず封口体が変形して破裂が発生する恐れがあるからである。
なお、排気孔の一部が溶融せずに残り、十分なガス排気経路が封口体に形成されなければ、排気孔が溶融しなかった場合に含む。
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は、密閉型電池として非水電解質二次電池を例に説明したが、これに限らず、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池、アルカリ乾電池等にも適用することができる。また、非水電解質二次電池も、その種類は特に限定されず、例えば、リチウムイオン二次電池、リチウム一次電池に適用することができる。
本発明による密閉型電池は、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の電子機器や、電気自動車や電動工具等の電源に好適に用いられる。
１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４ 電極群
５ 正極リード
６ 負極リード
７，８ 絶縁板
９ キャップ（蓋体）
９ａ キャップ孔
１０ 弁体 （安全弁）
１０ａ 薄肉部
１２ インナーキャップ
１２ａ インナーキャップ孔
１３ フィルタ
１３ａ フィルタ孔
１４ ガスケット
１５ 電池ケース
１５ａ 薄肉部

Claims (8)

  1. 正極と負極との間にセパレータを介装して作製された電極群を収納する容器と、
    前記容器の開口部に取付けられ、複数の部材を含む封口体とを備え、
    前記複数の部材のうち少なくとも１つの部材は、少なくとも一つのガス排気孔が形成され、
    前記容器の開口部の面積に対する前記ガス排気孔の面積の比が３．０×１０-５以上、９．１×１０-３以下であり、
    前記ガス排気孔を含む部材は、異常時に発生する高温ガスより融点が低い部材で形成されている、密閉型電池。
  2. 前記封口体は、キャップ、及びフィルタを備え、
    前記キャップは、前記容器とともに前記密閉型電池の外装を構成し、
    前記フィルタは、前記正極と正極リードを介して接合され、
    前記ガス排気孔は、前記キャップもしくは前記フィルタに形成されている、請求項１に記載の密閉型電池。
  3. 前記キャップもしくは前記フィルタは、複数の前記ガス排気孔を有する、請求項２に記載の密閉型電池。
  4. 前記ガス排気孔を有する前記キャップもしくは前記フィルタはアルミニウムで形成されている、請求項２または３に記載の密閉型電池。
  5. 前記容器の底部に電池内の圧力が所定値に達したときに破断する安全弁をさらに備え、
    前記ガス排気孔を有する部材が溶融しなかった場合に前記安全弁が破断する、請求項１から４の何れかに記載の密閉型電池。
  6. 前記所定の値とは前記安全弁以外の部分における前記容器の耐圧値もしくは前記封口体の耐圧値よりも低い値である、請求項５に記載の密閉型電池。
  7. 前記所定の値とは２〜８ＭＰａの間である、請求項６に記載の密閉型電池。
  8. 前記複数の部材のうち前記ガス排気孔が形成されていない部材は、孔を有し、
    前記孔の開口面積は、前記ガス排気孔の開口面積よりも大きい、請求項１から７のいずれかに記載の密閉型電池。
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