JP6146327B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本明細書は、蓄電装置に関する。

リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、その他の二次電池（蓄電池）等の蓄電装置は、車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特許文献１には、電流遮断装置（電流遮断機構）を有する電池セル（蓄電装置の一例）が開示されている。電流遮断装置は、薄板円板状の変形板（変形金属板）を有している。変形板は、一方の面に電池セルのケース内の圧力を受圧しており、他方の面にケース内の圧力から隔離された空間の圧力を受圧している。変形板と導電部材（接続金属）とが互いに接触することにより通電経路を形成している。電池セルのケース内の圧力が所定の設定圧力よりも高くなると、変形板が変形することにより変形板と導電部材とが分離する。これにより、電池セルの電流が遮断される。ケースは、電極端子が取付けられる端子壁を有している。電流遮断装置は、端子壁と電極組立体との間に配置されている。

特開２０１０−１５７４５１号公報

上記の蓄電装置では、端子壁と電極組立体との間に電流遮断装置が配置される。このため、電流遮断装置を配置する分だけ、端子壁と電極組立体との間の空間を大きくする必要がある。その結果、端子壁と電極組立体との間にデッドスペースが形成され、ケースが大型化するという問題が生じる。本明細書は、ケースの大型化を抑制することができる技術を提供する。

本明細書が開示する蓄電装置は、ケースと、ケース内に配置され、正極と負極とセパレータとが積層された電極組立体と、ケースに取付けられ、電極組立体と電気的に接続される電極端子と、ケース内に配置されると共に、電極組立体と電極端子との通電経路上に配置され、その通電経路を遮断可能な電流遮断装置を備えている。ケースは、電極端子が取付けられる端子壁と、その端子壁に隣接すると共に、正極と負極とセパレータの積層方向に平行となる隣接壁を有している。そして、電流遮断装置は、電極組立体と隣接壁との間に配置されている。

上記の蓄電装置では、端子壁と電極組立体との間に電流遮断装置が配置されず、隣接壁と電極組立体の間に電流遮断装置が配置される。このため、端子壁と電極組立体との間の距離を短くでき、これらの間にデッドスペースが形成されることを抑制することができる。一方、電流遮断装置の分だけ、隣接壁と電極組立体との間にはデッドスペースが形成され易くなる。しかしながら、隣接壁は電極組立体の積層方向（正極と負極とセパレータの積層方向）と平行となっている。一般的に、積層方向と平行となる隣接壁の表面積は、端子壁の表面積よりも小さくされる。したがって、端子壁と電極組立体の間に電流遮断装置を配置する場合と比較して、ケース内に形成されるデッドスペースを小さくでき、ケースの大型化を抑制し得る。

実施例の蓄電装置の全体構成を示す断面図である。 実施例の蓄電装置に搭載される電流遮断装置の作動前の状態を示す拡大断面図である。 図２の電流遮断装置の作動後の状態を示す拡大断面図である。 電流遮断装置の他の例を示す拡大断面図である。

以下、本明細書で開示する実施例の技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

（特徴１）本明細書が開示する蓄電装置の電流遮断装置は、一方の面にケースの内部空間の圧力を受けると共に、他方の面にケースの内部空間から隔離された空間の圧力を受ける変形板を備えていてもよい。そして、ケースの内部空間の圧力が所定値を超えると、変形板が変形することによって通電経路が遮断されるようになっていてもよい。この場合に、変形板の一方の面（ケースの内部空間の圧力を受ける受圧面）が隣接壁と平行となっていてもよい。一般に変形板を利用した感圧式の電流遮断装置では、変形板の受圧面（圧力が作用する面）の面積を広くしたいために、変形板と平行となる方向の寸法が大型化し易い一方で、変形板に直交する方向の寸法は小型化し易い。したがって、変形板の受圧面を隣接壁と平行となるように電流遮断装置を配置することで、隣接壁と電極組立体との間の距離を短くすることができる。その結果、ケースの大型化をさらに抑制し得る。

（特徴２）本明細書が開示する蓄電装置の電流遮断装置は、通電経路を構成する接点板及び通電板をさらに備えていてもよい。通電板は、変形板と接点板とに挟まれるように配置されていてもよい。通電板は、接点板と接触する第１接点部を含んでおり、接点板は、第１接点部と接触する第２接点部を含んでいてもよい。変形板は、接点板と対向する面にケースの内部空間から隔離された空間の圧力を受けると共に、接点板と対向する面とは反対側の面にケースの内部空間の圧力を受けていてもよい。変形板は、通電経路が遮断されるときに第１接点部もしくは第２接点部に接触する当接部が形成されていてもよい。ケースの内部空間の圧力が所定値を超えると、当接部が接点板側へ移動するように変形板が変形することにより、第２接点部が通電板と分離してもよい。

隣接壁と電極組立体との間に電流遮断装置を配置すると、端子壁と電極組立体との間に電流遮断装置を配置する場合と比較して、電流遮断装置が電解液と接触しやすくなることがある。上記の蓄電装置では、通電板と接点板との接点部が、変形板によってケースの内部空間から遮断される。そのため、接点部が、電解液の影響を受けて劣化することを好適に防止することができる。また、電解液からは水素ガスが発生することがある。上記の蓄電装置では、通電経路が破断したときにアーク（火花）が発生しても、水素ガスが発生しているケース内に影響を及ぼさない。

（特徴３）本明細書が開示する蓄電装置では、ケースは直方体状のケースであり、端子壁は直方体状のケースを構成する６つの壁の一つであってもよい。この場合に、ケースを端子壁側から見ると、ケースは、第１方向に伸びる一対の第１側壁と、第１方向と直交する第２方向に伸びる一対の第２側壁を有していてもよい。第１側壁の第１方向の長さは、第２側壁の第２方向の長さより長くされており、隣接壁が第２側壁であってもよい。このような構成によると、第１側壁と比較して、表面積の小さな第２側壁に沿って電流遮断装置が配置されるため、ケース内にデッドスペースが形成されることを抑制し、ケースが大型化することを抑制することができる。

以下、本明細書で開示する電流遮断装置及び蓄電装置の実施例について説明する。なお、本明細書で開示する蓄電装置では、電流遮断装置以外の構成は様々なものを使用することができる。また、以下に説明する蓄電装置は、例えば車両に搭載され、モータに電力を供給することができる。

実施例の蓄電装置２は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池である。蓄電装置２は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載される。蓄電装置２は、モータに電力を供給し、また、モータが回生発電した電力によって充電される。図１に示すように、蓄電装置２は、ケース（３，４）と、ケース（３，４）に収容された電極組立体５と、ケース（３，４）に設けられた正極端子１３及び負極端子１４と、ケース（３，４）内に設けられた電流遮断装置６を備えている。

ケース（３，４）は、ケース本体４と、ケース本体４の開口部４ａを閉じる蓋３を備えている。ケース本体４は、金属製のケースであり、一端が解放された略直方体形状に形成されている。具体的には、ケース本体４のＹ方向の寸法ｌｙは、ケース本体４のＺ方向の寸法ｌｚより短くされている。また、ケース本体４のＸ方向の寸法ｌｘは、ケース本体４のＺ方向の寸法ｌｚより長くされている。すなわち、ｌｙ＜ｌｚ＜ｌｘの関係が成立している。したがって、ケース（３，４）のＹＺ平面と平行となる一対の側壁（図１の左右の側壁）の面積Ｓｙｚは、ケース（３，４）のＸＹ平面と平行となる壁（図１の上下の壁）の面積Ｓｘｙより小さくなる。また、ケース（３，４）のＸＺ平面と平行となる一対の側壁（図１の前後となる側壁）の面積Ｓｘｚは、ケース（３，４）のＸＹ平面と平行となる壁（図１の上下の壁）の面積Ｓｘｙより大きくなる。すなわち、Ｓｙｚ＜Ｓｘｙ＜Ｓｘｚの関係が成立する。ケース本体４の開口部４ａは、蓋３で気密に閉じられている。

蓋３には、図１右側の端に正極端子１３が設けられており、図１左側の端に負極端子１４が設けられている。正極端子１３は、電極組立体５の正極と電気的に接続され、負極端子１４は、電極組立体５の負極と電気的に接続されている。正極端子１３、負極端子１４は、電極組立体５との間で電気を授受する。正極端子１３及び負極端子１４には、蓄電装置２の充・放電を行うための配線（不図示）が接続される。なお、ケース本体４の内側の面及び蓋３の内側（図１下側）の面には、絶縁シート（不図示）が配置されている。これにより、ケース本体４内の構成部品とケース本体４（及び蓋３）とが絶縁されている。また、正極端子１３、負極端子１４は、それぞれ、絶縁体１５によって蓋３から絶縁されている。

電極組立体５は、正極と、負極と、正極と負極の間に介在しているセパレータとを備えている（不図示）。正極と負極とセパレータのそれぞれは、シート状に形成されている。正極と負極とセパレータとは、図１に示す座標軸におけるＹ方向に積層されている。正極と負極は、それぞれ金属箔と、金属箔上に形成されている活物質層を有する（不図示）。正極の金属箔から正極タブ１８が伸びており、負極の金属箔から負極タブ１９が伸びている。図１に示すように、正極タブ１８は、電極組立体５の側面（図１の右側のＹＺ面）から側方（Ｘ方向（＋））に突出している。負極タブ１９は、電極組立体５の側面（図１の左側のＹＺ面）から側方（Ｘ方向（−））に突出している。

電極組立体５は、液状の電解液に浸漬されている。電解液は、溶媒中に、リチウム塩を含む支持塩を含有している。溶媒としては、例えばＦＥＣ（フルオロエチレンカーボネート）が使用できる。支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６（六フッ化リン酸リチウム）が使用できる。電解質には、芳香族系のモノマー添加剤が含まれている。電極組立体５が過充電状態になると、電解質に含まれるモノマー添加剤が重合し、水素ガスが発生する。これによって、ケース本体４の内部空間１０の圧力が上昇する。

図１に示すように、正極タブ１８と正極端子１３とは配線１６によって接続されている。同様に、負極タブ１９と負極端子１４とは配線１７によって接続されている。配線１７には、電流遮断装置６が設けられている。換言すると、負極と負極端子１４とを接続する通電経路には電流遮断装置６が設けられている。ケース本体４内の圧力が所定の電流遮断圧力値まで上昇した場合には、電流遮断装置６は、この通電経路を遮断する。

電流遮断装置６は、蓋３の内面に固定されている。蓋３がケース本体４に取付けられると、電流遮断装置６は、ケース本体４の側壁（ＹＺ平面と平行となる側壁（図１左側の側壁））と電極組立体５の間に配置される。電流遮断装置６は、感圧式の電流遮断装置である。電流遮断装置６は、ケース本体４内の圧力が電流遮断圧力値未満の場合は、負極と負極端子１４とを接続する通電経路を電流が流れる状態とする。一方、電流遮断装置６は、ケース本体４内の圧力が電流遮断圧力値以上の場合は、負極と負極端子１４とを接続する通電経路を遮断し、電流が流れない状態とする。

以下、電流遮断装置６について詳しく説明する。ケース本体４内の圧力が電流遮断圧力値未満のときの電流遮断装置６の状態を図２に示し、電流遮断圧力値以上となったときの電流遮断装置６の状態を図３に示す。電流遮断装置６は、図２の状態から図３の状態に変化することで、負極と負極端子１４とを接続する通電経路を遮断する。

図２に示すように、電流遮断装置６は変形板７を有している。変形板７は、図２右側から見ると円形状となるダイアフラムであり、導電性を有している。変形板７は、面８（図１右側の面）にケース本体４内の内部空間１０の圧力を受けており、面９に内部空間１０とは隔離された空間１１の圧力を受けている。変形板７は、ケース本体４内の圧力が電流遮断圧力値未満のとき、図２に示すように図２右側に膨出した状態となる。変形板７の外周縁部は、導電部材２４と、絶縁性を有する支持部材２０とで挟持されている。

導電部材２４の図２上側の端部２５は、負極端子１４（図１参照）に接続されている。変形板７の外周縁部は導電部材２４と接触しており、両者は電気的に接続されている。

変形板７の図２右側（ケース本体４内の圧力を受ける側）には導電部材２１が配置されている。導電部材２１は、支持部材２０に支持されている。変形板７の外周縁部と導電部材２１との間は、絶縁性を有する支持部材２０によって絶縁されている。変形板７の中央部と、導電部材２１とは固定され、両者は電気的に接続されている。具体的には、変形板７の中央部と導電部材２１は溶接されている。支持部材２０には通気孔２６が設けられている。通気孔２６は、支持部材２０の内側の空間（詳細には、変形板７の図２右側の空間）と電極組立体５が収容されている空間（ケース本体４の内部空間１０）とを連通している。

導電部材２４、変形板７、導電部材２１が順に電気的に接続されることで、電極組立体５の負極と負極端子１４とを接続する通電経路に電流が流れる状態となる。

図２に示すように、導電部材２１の図２右側の面には脆弱部２２が形成されている。脆弱部２２は、導電部材２１と変形板７とが溶接されている範囲を取り囲むように円環状に形成されている。脆弱部２２は、断面が三角形の溝である。なお、脆弱部２２は、導電部材２１の破断強度が他の部分よりも低くなっていればよく、例えば、断面が四角、半円等の溝やミシン穴等を脆弱部とすることができる。

上述のように、変形板７の面８はケース本体４の内部空間１０の圧力を受けている。このため、ケース本体４内の圧力が上昇すると、変形板７の面８には図２左向きの力が加わる。ケース本体４内の圧力が電流遮断圧力値以上となると、導電部材２１は、脆弱部２２の部分で破断して、変形板７が変形する（図３）。導電部材２１が破断して変形板７が変形することにより、負極と負極端子１４とを接続する通電経路に電流が流れない状態となる。なお、導電部材２１が電流遮断圧力値で破断するように、変形板７の受圧面積、導電部材２１の破断強度が予め設計されている。

なお、電流遮断装置６のＸ方向の寸法ａ（図１に図示）は、Ｚ方向の寸法ｂ（図１に図示）よりも短くされている。また、電流遮断装置６のＹ方向の寸法（図示省略）は、ケース本体４のＹ方向の寸法ｌｙより短く、電流遮断装置６のＺ方向の寸法ｂと略同一となっている。電流遮断装置６では、Ｙ方向及びＺ方向の寸法ｂをＸ方向の寸法ａよりも大きくすることで、変形板７の受圧面積を確保している。

本実施例の蓄電装置２では、正極端子１３と負極端子１４が取付けられた蓋３と電極組立体５との間には電流遮断装置６が配置されていない。また、正極タブ１８及び負極タブ１９は、電極組立体５の側面（ＹＺ面と平行となる面）から側方（Ｘ方向）に突出している。これらのため、本実施例の蓄電装置２では、蓋３と電極組立体５との間の距離を短くすることができる。これによって、蓋３と電極組立体５との間にデッドスペースが形成されることを抑制することができる。

一方、電流遮断装置６は、ケース本体４の図１左側の側壁と電極組立体５との間に配置され、これらの間にはデッドスペースが形成される。しかしながら、ケース本体４の図１左側の側壁は、電極組立体５の積層方向（正極と負極とセパレータの積層方向）と平行となり、そのＹ方向の寸法ｌｙがケース本体４の他の方向の寸法ｌｘ，ｌｚよりも短くなる。すなわち、図１左側の側壁の面積Ｓｙｚは、ケース本体４の他の壁の面積Ｓｘｙ，Ｓｘｚよりも小さい。したがって、電流遮断装置６によって形成される壁と電極組立体との間のデッドスペースが大きくなることを抑制することができる。これによって、蓋３と電極組立体５との間に電流遮断装置６が配置される場合と比較して、ケース（３，４）内に形成されるデッドスペースを低減し、ケース（３，４）の大型化を抑制することができる。

また、電流遮断装置６は、変形板７の受圧面８がケース本体４の図１左側の側壁と平行となるように、ケース（３，４）内に配置される。すなわち、電流遮断装置６の最も寸法が短くなる方向がＸ方向となるように配置される。これによって、ケース本体４の図１左側の側壁と電極組立体５との間の距離を短くすることができ、これらの間に形成されるデッドスペースを低減することができる。

なお、実施例における蓋３が請求項における「端子壁」の一例であり、ケース本体４の図１左側の側壁が請求項における「隣接壁」の一例である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、上述した実施例では、変形板７と導電部材２１の２枚の板材によって電流遮断装置６が構成されていたが、電流遮断装置の構成はこのような構成に限られない。例えば、図４に示す電流遮断装置４３のように、変形板４４と通電板４９と接点板５４の３枚の板材によって構成されていてもよい。具体的には、変形板４４と通電板５０と接点板５４は積層するように配置され、通電板４９は変形板４４と接点板５４とに挟まれるように配置される。通電板５０は中央部５１（第１接点部の一例）で接点板５４と接触し、接点板５４は中央部５１と接触する第２接点部５５を有している。変形板４４は、接点板５４と対向する面４６にケースの内部空間２０から隔離された空間４８の圧力を受けると共に、接点板５４と対向する面４６とは反対側の面４５にケースの内部空間１０の圧力を受ける。そして、変形板４４には、通電板５０に向かって突出する当接部４７が形成されている。そして、ケースの内部空間１０の圧力が所定値を超えると、変形板４４の当接部４７が接点板５４側へ移動するように変形板４４が変形することにより、通電板４９が破断して電流を遮断する。

このような電流遮断装置４３を用いると、通電板４９と接点板５４との接点部分が、変形板４４によってケースの内部空間１０から遮断される。ケース本体４の側壁と電極組立体５との間に電流遮断装置を配置すると、蓋３と電極組立体５との間に電流遮断装置を配置する場合と比較して、電流遮断装置が電解液と接触しやすくなる。上記の電流遮断装置４３では、通電板４９と接点板５４との接点部分がケースの内部空間１０から遮断されるため、この接点部分が、電解液の影響を受けて劣化することを好適に防止することができる。

また、上記の実施例では、電流遮断装置６の変形板７の受圧面８がケース本体４の側壁と平行となるように配置されていたが、このような形態に限られず、変形板の受圧面がケース本体４の側壁と直交するように配置されていてもよい。

また、上記の実施例では、電流遮断装置６が負極端子１４と負極タブ１９とを接続する配線１７に設けられていた。しかしながら、電流遮断装置は、正極端子１３と正極タブ１８とを接続する配線１６に設けられていてもよい。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ 蓄電装置
３ 蓋
４ ケース本体
４ａ 開口部
５ 電極組立体
６、４３ 電流遮断装置
７、４４ 変形板
１０ ケースの内部空間
１３ 正極端子
１４ 負極端子
１９ 負極タブ

Claims (3)

1. ケースと、
   前記ケース内に配置され、正極と負極とセパレータとが積層された電極組立体と、
   前記ケースに取付けられ、前記電極組立体と電気的に接続される電極端子と、
   前記ケース内に配置されると共に、前記電極組立体と前記電極端子との通電経路上に配置され、前記通電経路を遮断可能な電流遮断装置と、を備え、
   前記ケースは、前記電極端子が取付けられる端子壁と、その端子壁に隣接すると共に前記正極と前記負極と前記セパレータの積層方向に平行となる隣接壁を有しており、
   前記電流遮断装置は、前記電極組立体と前記隣接壁との間に配置されており、
   前記電流遮断装置は、
   一方の面に前記ケースの内部空間の圧力を受けると共に、他方の面に前記ケースの内部空間から隔離された空間の圧力を受ける変形板を備え、
   前記ケースの内部空間の圧力が所定値を超えると、前記変形板が変形することによって前記通電経路が遮断されるようになっており、
   前記変形板の一方の面が前記隣接壁と平行となる、蓄電装置。
2. 前記電流遮断装置は、
   前記通電経路を構成する接点板及び通電板をさらに備え、
   前記通電板は、前記変形板と前記接点板とに挟まれるように配置されており、
   前記通電板は、前記接点板と接触する第１接点部を含んでおり、
   前記接点板は、前記第１接点部と接触する第２接点部を含んでおり、
   前記変形板は、
   前記接点板と対向する面に前記ケースの内部空間から隔離された空間の圧力を受けると共に、前記接点板と対向する面とは反対側の面に前記ケースの内部空間の圧力を受け、かつ、前記通電経路が遮断されるときに前記第１接点部もしくは前記第２接点部に接触する当接部が形成されており、
   前記ケースの内部空間の圧力が所定値を超えると、前記当接部が前記接点板側へ移動するように前記変形板が変形することにより、第２接点部が前記通電板と分離する、
   請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記ケースは、直方体状のケースであり、
   前記端子壁は、直方体状のケースを構成する６つの壁の一つであり、
   前記ケースを前記端子壁側から見ると、前記ケースは、第１方向に伸びる一対の第１側壁と、第１方向と直交する第２方向に伸びる一対の第２側壁を有しており、
   第１側壁の第１方向の長さは、第２側壁の第２方向の長さより長くされており、
   前記隣接壁が前記第２側壁である、請求項１又は２に記載の蓄電装置。

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