JP6327069B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、導電部材が絶縁部材を介して圧力開放弁と対向している蓄電装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、走行用モータへの供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。二次電池は、例えば電極組立体が収容されるケースと、ケースの壁部に設けられた圧力開放弁とを有するものが知られている（例えば特許文献１参照）。圧力開放弁は、ケース内でのガス発生に伴い、ケースの内圧が作動圧力に達した場合に破断してケースに開口部を形成し、その開口部からケース内のガスをケース外へ排出可能とする。

特開２００６−１２８３１号公報

ここで、圧力開放弁が設けられた壁部と、電極組立体に接続された導電部材とを絶縁するために、壁部と導電部材との間に絶縁部材が介装される場合がある。この場合、ケースの内圧が上昇して圧力開放弁が破断し、開口部が形成されたとき、絶縁部材によって開口部が塞がれてしまうと、開口部からガスが好適に排出されない虞がある。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、圧力開放弁を用いてケース内のガスを好適に排出することができる蓄電装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するための蓄電装置は、異なる極性の電極を絶縁した状態で積層した電極組立体と、前記電極組立体を収容したケースと、前記ケースを構成する壁部に設けられ、ケース内の圧力が作動圧力に達すると破断して、前記圧力をケース外に開放させる圧力開放弁と、前記壁部の内面と、該内面に対向した前記電極組立体の端面との間に配置され、各極の電極と接続された板状の導電部材と、前記壁部と導電部材とを絶縁した絶縁部材と、を有し、一対の導電部材のうちの一方の導電部材が、壁部と絶縁部材が重なる方向に沿って前記圧力開放弁と重なっており、前記壁部に、前記圧力開放弁の周縁の少なくとも一部に沿って設けられた変形部を有し、該変形部の厚みは、前記圧力開放弁より厚く、かつ前記壁部より薄く、前記作動圧力を受けて変形する厚みであることを要旨とする。

これによれば、ケース内にガスが発生し、内圧が上昇して作動圧力に達すると、圧力開放弁が破断してケースに開口部が形成されるとともに、作動圧力を受けて変形部もケースの外に向けて変形する。また、作動圧力を受けて一方の導電部材及び絶縁部材が開口部に向けて変形する。このとき、変形部の無い場合と比べると、壁部においてケースの外に向けて変形した領域が広がっており、開口部とケース内とを繋ぐ排気通路が確保しやすくなる。その結果として、排気通路を介して開口部からガスを好適に排出することができる。

また、蓄電装置について、前記変形部は、前記壁部の内面から凹んだ変形部用凹部の底に形成されているのが好ましい。
これによれば、変形部用凹部の内側の空間によって排気通路が確保しやすくなる。

また、蓄電装置について、一対の導電部材同士を結ぶ方向をケースの第一方向とすると、前記一方の導電部材の長手方向は前記第一方向に沿って延びているとともに、一方の導電部材において、前記第一方向での前記壁部の中央部に近い端縁を第一端縁とすると、前記変形部は、前記第一端縁よりも前記壁部の中央部側へ越えた位置に位置しているのが好ましい。

これによれば、変形した一方の導電部材によって変形部が塞がれにくくなる。
また、前記蓄電装置は二次電池である。

本発明によれば、圧力開放弁を用いてケース内のガスを好適に排出することができる。

実施形態の二次電池の斜視図。 電極組立体の分解斜視図。 二次電池の分解斜視図。 （ａ）は図１の４−４線断面図であり、（ｂ）は部分拡大図。 圧力開放弁及び変形部を示す部分平面図。 圧力開放弁が破断し、変形部が変形したときの状態を示す部分拡大図。 （ａ）及び（ｂ）は変形部の別例を示す部分拡大図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態について図１〜図６にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、電極組立体１４及び電解液が収容された直方体状のケース１１を有している。ケース１１は、直方体状且つ有底筒状のケース本体１２と、ケース本体１２のケース開口部１２ａを閉塞する壁部としての長方形状の蓋体１３とを有する。なお、ケース本体１２及び蓋体１３は金属製である。また、本実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池であり、その外周が角型をなす角型電池である。二次電池１０は、電極組立体１４と電力のやり取りを行うのに用いられる正極端子１５及び負極端子１６を備えている。各端子１５，１６は、ケース１１の蓋体１３に取り付けられている。

図２に示すように、電極組立体１４は、電極として互いに極性の異なる正極電極２１及び負極電極２２がセパレータ２３を介して交互に積層されて構成されている。正極電極２１は、正極金属箔（例えばアルミニウム箔）２１ａと、正極金属箔２１ａの両面に正極活物質を塗布して設けられた正極活物質層２１ｂと、を有する。正極電極２１の端部２１ｃからは、正極活物質が塗布されていない正極未塗工部からなる正極タブ３１が突出している。

負極電極２２は、負極金属箔（例えば銅箔）２２ａと、負極金属箔２２ａの両面に負極活物質を塗布して設けられた負極活物質層２２ｂと、を有する。負極電極２２の端部２２ｃからは、負極活物質が塗布されていない負極未塗工部からなる負極タブ３２が突出している。

図３に示すように、電極組立体１４を構成する各正極電極２１は、それぞれ正極タブ３１が電極組立体１４の積層方向Ｔに沿って列状に配置されるように積層される。電極組立体１４を構成する各負極電極２２は、それぞれ負極タブ３２が電極組立体１４の積層方向Ｔに沿って列状に配置されるように積層される。

そして、各正極タブ３１は、電極組立体１４における積層方向Ｔの一端から他端までの範囲に集められて正極タブ群３１ａとされる。また、各負極タブ３２も同様に、電極組立体１４における積層方向Ｔの一端から他端までの範囲に集められて負極タブ群３２ａとされる。正極タブ群３１ａ及び負極タブ群３２ａは、電極組立体１４の積層方向Ｔに沿うようにそれぞれ折り曲げられている。そして、電極組立体１４は、電極組立体１４における各タブ群３１ａ，３２ａが突出する端面１４ｃと、ケース１１の蓋体１３とが対向するように、ケース１１内に収容されている。

二次電池１０は、正極タブ群３１ａと正極端子１５とを電気的に接続する、導電部材としての正極導電部材４１と、負極タブ群３２ａと負極端子１６とを電気的に接続する、導電部材としての負極導電部材４２と、を備えている。蓋体１３において、ケース１１内に臨む面を内面１３ｂとし、ケース１１外に露出する面を外面１３ａとする。各導電部材４１，４２は、蓋体１３の内面１３ｂと、電極組立体１４の端面１４ｃとの間に配置されている。

ここで、二次電池１０の平面視で、正極導電部材４１と負極導電部材４２を結ぶ方向をケース１１の第一方向Ｙ１とし、平面視で第一方向Ｙ１と直交する方向をケース１１の第二方向Ｙ２とする。なお、第二方向Ｙ２は、電極組立体１４の積層方向Ｔと同じ方向である。この場合、正極導電部材４１と負極導電部材４２は、第一方向Ｙ１に互いに離間して配置されている。

正極導電部材４１は、金属板、例えばアルミニウム板を屈曲させたものである。すなわち、正極導電部材４１は、蓋体１３の内面１３ｂに沿って延びている板状の端子接合部４１ａと、蓋体１３の内面１３ｂに沿って端子接合部４１ａから離れる方向に延びている接合部としてのタブ接合部４１ｂと、を有している。そして、これら端子接合部４１ａとタブ接合部４１ｂとは、端子接合部４１ａからタブ接合部４１ｂに立ち上がるように延びている立ち上げ部４１ｃによって連結されている。

正極端子１５は、角柱状の基部１５ａと、基部１５ａからケース１１外に突出する円柱状の突出部１５ｂと、を有している。そして、正極端子１５の基部１５ａと正極導電部材４１の端子接合部４１ａとが接合（例えば溶接）されている。また、正極導電部材４１のタブ接合部４１ｂと正極タブ群３１ａとが接合（例えば溶接）されている。よって、正極タブ群３１ａと正極導電部材４１とが接続されるとともに、正極導電部材４１を介して正極電極２１と正極端子１５とが電気的に接続されている。

負極導電部材４２は、金属板、例えば銅板を屈曲させたものであり、正極導電部材４１と同様に、板状の端子接合部４２ａと、接合部としてのタブ接合部４２ｂと、を有している。そして、これら端子接合部４２ａとタブ接合部４２ｂとが、端子接合部４２ａからタブ接合部４２ｂに立ち上がるように延びている立ち上げ部４２ｃによって連結されている。

負極端子１６も、正極端子１５と同様に、角柱状の基部１６ａと、円柱状の突出部１６ｂと、を有している。そして、正極側と同様に、負極端子１６の基部１６ａと負極導電部材４２の端子接合部４２ａとが接合（例えば溶接）されており、負極導電部材４２のタブ接合部４２ｂと負極タブ群３２ａとが接合（例えば溶接）されている。よって、負極タブ群３２ａと負極導電部材４２とが接続されるとともに、負極導電部材４２を介して負極電極２２と負極端子１６とが電気的に接続されている。なお、第一方向Ｙ１に沿った負極導電部材４２のタブ接合部４２ｂの長さは、正極導電部材４１のタブ接合部４１ｂよりも長くなっている。

各端子１５，１６の突出部１５ｂ，１６ｂは、ケース１１の蓋体１３に設けられた貫通孔１３ｃを通ってケース１１外に突出している。そして、突出部１５ｂ，１６ｂには、絶縁リング５１が挿通された状態でナット５２が螺着されている。また、各端子１５，１６の突出部１５ｂ，１６ｂにはＯリング５３がそれぞれ取り付けられている。Ｏリング５３が各端子１５，１６の基部１５ａ，１６ａとケース１１の蓋体１３との間で圧縮されることにより、各端子１５，１６の突出部１５ｂ，１６ｂの周囲がシールされている。また、正極端子１５の基部１５ａ及び正極導電部材４１の端子接合部４１ａと、負極端子１６の基部１６ａ及び負極導電部材４２の端子接合部４２ａとは、それぞれ絶縁カバー５４によって覆われている。絶縁カバー５４は、各端子１５，１６の基部１５ａ，１６ａの電極組立体１４側の面を覆った状態で、各端子１５，１６の基部１５ａ，１６ａ及び突出部１５ｂ，１６ｂにそれぞれ嵌合している。

図３及び図４（ａ）に示すように、二次電池１０は、正極導電部材４１のタブ接合部４１ｂを蓋体１３側から覆う、絶縁部材としての板状の正極絶縁部材６１と、負極導電部材４２のタブ接合部４２ｂを蓋体１３側から覆う、絶縁部材としての板状の負極絶縁部材６２とを有する。正極絶縁部材６１の厚さと負極絶縁部材６２の厚さとは同じ厚さに設定されている。正極絶縁部材６１及び負極絶縁部材６２は、第一方向Ｙ１に長手方向が延びる平面視長方形状である。

そして、正極絶縁部材６１によって、正極導電部材４１の立ち上げ部４１ｃ及びタブ接合部４１ｂの全体が覆われ、正極絶縁部材６１は、蓋体１３の内面１３ｂと、正極導電部材４１とを絶縁している。また、負極絶縁部材６２によって、負極導電部材４２の立ち上げ部４２ｃの全体と、タブ接合部４２ｂの一部とが覆われ、負極絶縁部材６２は、蓋体１３の内面１３ｂと、負極導電部材４２とを絶縁している。正極絶縁部材６１と負極絶縁部材６２とは、ケース１１の第一方向Ｙ１において、互いに離間して設けられている。

ケース１１は、圧力開放弁５６を蓋体１３に有し、この圧力開放弁５６は、ケース１１内のガスをケース１１外に排出させる。圧力開放弁５６は、ケース１１の内圧が上昇し過ぎないように、ケース１１の内圧が所定の圧力である作動圧力を越えた場合に破断し、蓋体１３に開口部を形成する。圧力開放弁５６の作動圧力は、ケース１１自体に亀裂や破断などが生じ得る前に破断し得る圧力に設定されている。

図３及び図４（ｂ）に示すように、圧力開放弁５６は、蓋体１３の板厚よりも薄い薄板状の弁体５７を有する。弁体５７は、ケース１１の蓋体１３の外面１３ａ及び内面１３ｂに凹設された凹部５８の底に位置しており、蓋体１３と一体的に成形されている。なお、圧力開放弁５６は、平行な２つの直線部を弧部で繋いだトラック形状の周縁を有し、ケース１１と同様に金属製である。

圧力開放弁５６は、第一方向Ｙ１に沿った蓋体１３での中央部よりも正極導電部材４１及び正極絶縁部材６１に近い位置に配置されている。二次電池１０において、蓋体１３と、各絶縁部材６１，６２と、各導電部材４１，４２が重なり合う方向を重合方向Ｊとすると、この重合方向Ｊにおいて、圧力開放弁５６は、正極絶縁部材６１を介して正極導電部材４１のタブ接合部４１ｂに重なっている。よって、一対の導電部材４１，４２のうちの一方の正極導電部材４１が、蓋体１３と正極絶縁部材６１が重なる方向に沿って圧力開放弁５６と重なっている。よって、圧力開放弁５６の全体は、正極絶縁部材６１を介してタブ接合部４１ｂに対向している。

図４（ｂ）及び図５に示すように、蓋体１３は、圧力開放弁５６の周縁全体を囲む変形部７０を有する。変形部７０の厚みは、圧力開放弁５６の弁体５７より厚く、かつ、蓋体１３における圧力開放弁５６以外の部位より薄い。変形部７０は、圧力開放弁５６の作動圧力を受けて変形可能な厚みを有する。変形部７０は、蓋体１３の内面１３ｂに凹設された平面視長円状の変形部用凹部７１の底のうち、圧力開放弁５６を除いた部分に位置しており、圧力開放弁５６を囲む環状であり、蓋体１３と一体的に成形されている。

ここで、第一方向Ｙ１に沿った正極のタブ接合部４１ｂの端縁のうち、第一方向Ｙ１に沿った蓋体１３の中央部に近い端縁を第一端縁４１１とする。この場合、変形部７０のうち、圧力開放弁５６よりも蓋体１３の中央部に近い領域Ｒは、第一端縁４１１よりも第一方向Ｙ１の中央部側へ越えた位置に位置している。よって、タブ接合部４１ｂの第一端縁４１１は、変形部７０の領域Ｒ内に収まっている。

次に、本実施形態の二次電池１０の作用について説明する。
さて、ケース１１内でガスが発生し、ケース１１の内圧が上昇して作動圧力に達すると、図６に示すように、タブ接合部４１ｂが作動圧力を受け、立ち上げ部４１ｃ付近を支点として蓋体１３に向けて押し上げられるように変形する。また、正極絶縁部材６１も作動圧力や温度上昇に伴う溶融によって変形する。

同時に、圧力開放弁５６の弁体５７が破断するとともに、弁体５７に繋がる変形部７０もケース１１の外に向けて押し上げられるように変形する。すなわち、弁体５７と変形部７０が一体に変形する。すると、蓋体１３に開口部７２が形成されるとともに、作動圧力を受けて正極絶縁部材６１及びタブ接合部４１ｂが開口部７２に向けて変形する。このとき、変形部７０と正極絶縁部材６１との対向面の間に排気通路７３が確保され、排気通路７３及び開口部７２から、ケース１１内のガスをケース１１外へ排出することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）蓋体１３は変形部７０を有し、この変形部７０は、圧力開放弁５６の作動圧力を受けて変形する。このため、ケース１１の内圧上昇によって、タブ接合部４１ｂや正極絶縁部材６１が圧力開放弁５６に向けて変形しても、変形部７０が変形することで、蓋体１３においてケース１１の外に向けて変形した領域が広がっており、排気通路７３が確保しやすくなる。よって、排気通路７３にガスを通過させ、開口部７２からケース１１外へガスを好適に排出することができる。

（２）変形部７０は、蓋体１３における圧力開放弁５６以外の部位より厚みが薄い。このため、ケース１１の内圧が作動圧力に達したときに、変形部７０を積極的に変形させることで、圧力開放弁５６だけの場合よりも開口部７２の面積を広くすることができる。よって、変形した正極絶縁部材６１によって開口部７２が完全に塞がれてしまうことを抑制し、排気通路７３を確保して、ガスをケース１１外へ排出することができる。

（３）二次電池１０においては、ケース１１内での電極組立体１４の収容スペースを確保し、エネルギ密度の低下を抑制するため、蓋体１３と各導電部材４１，４２とを離間させて絶縁するのではなく、蓋体１３と各導電部材４１，４２の間に各絶縁部材６１，６２を設けて絶縁している。このため、二次電池１０では、重合方向Ｊにおいて、圧力開放弁５６に正極絶縁部材６１が重なってしまっているが、変形部７０を設けることで、正極絶縁部材６１及びタブ接合部４１ｂが変形しても排気通路７３を確保し、ガスをケース１１外へ好適に排出することができる。

（４）変形部７０は、蓋体１３の内面１３ｂから凹む変形部用凹部７１の底に設けられており、変形部用凹部７１によって、圧力開放弁５６の周囲に予め排気通路が画定されている。よって、変形部７０の変形だけでなく、変形部用凹部７１によっても排気通路７３が形成されることになり、ガスが排出しやすくなる。

（５）タブ接合部４１ｂの第一端縁４１１は、変形部７０の領域Ｒ内に収まるように配置されている。このため、タブ接合部４１ｂが変形した際、タブ接合部４１ｂによって、変形部用凹部７１が閉じられてしまうことが抑制でき、排気通路７３を確保できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図７（ａ）に示すように、圧力開放弁５６の弁体５７は、蓋体１３の内面１３ｂから凹む凹部５８の底に形成され、かつ外面１３ａとは面一となるように形成されており、変形部７０は、内面１３ｂから凹む変形部用凹部７１の底に形成されていてもよい。

○ 図７（ｂ）に示すように、変形部７０は、蓋体１３の外面１３ａから凹む変形部用凹部７１の底に形成されていてもよい。
○ 変形部７０は、圧力開放弁５６の周縁のうちの一部だけに沿って設けられていてもよいし、圧力開放弁５６の周縁に沿った複数箇所に設けられていてもよい。要は、変形部７０は、作動圧力が作用したときに変形できれば、その形成する位置、場所は実施形態に限定されない。

○ 絶縁部材は、正極絶縁部材６１と負極絶縁部材６２の二つを設けたが、蓋体１３と、各導電部材４１，４２とを絶縁できれば、一枚の板状であってもよい。
○ 一対の導電部材のうちの、一方の導電部材を正極導電部材４１とし、圧力開放弁５６を重合方向Ｊに沿って正極絶縁部材６１を介して正極導電部材４１と重ねた（対向させた）構成としたが、これに限らない。一方の導電部材を負極導電部材４２とし、圧力開放弁５６を重合方向Ｊに沿って負極絶縁部材６２を介して負極導電部材４２と重ねた構成としてもよい。

○ 変形部７０の形状は、作動圧力が作用したときに変形できれば、その形状は実施形態に限定されない。
○ 変形部７０は、タブ接合部４１ｂの第一端縁４１１に重合せず、変形部７０にタブ接合部４１ｂの第一端縁４１１以外の部位が重合していてもよい。

○ 壁部としての蓋体１３に圧力開放弁５６及び変形部７０を設けたが、ケース本体１２の側壁を壁部として圧力開放弁５６及び変形部７０を設けてもよい。
○ 正極電極２１は、正極金属箔２１ａの両面に正極活物質層２１ｂを有するとしたが、正極金属箔２１ａの片面のみに正極活物質層２１ｂを有していてもよい。同様に、負極電極２２は、負極金属箔２２ａの両面に負極活物質層２２ｂを有するとしたが、負極金属箔２２ａの片面のみに負極活物質層２２ｂを有していてもよい。

○ 実施形態では、電極組立体１４として積層タイプを記載したが、捲回タイプでもよい。
○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であってもよい。要するに、正極活物質と負極活物質との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。また、蓄電装置としてキャパシタでもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記絶縁部材は、一対の導電部材それぞれに対応して設けられている。

Ｙ１…第一方向、１０…二次電池、１１…ケース、１３…壁部としての蓋体、１３ｂ…内面、１４…電極組立体、１４ｃ…端面、２１…正極電極、２２…負極電極、４１…導電部材としての正極導電部材、４２…導電部材としての負極導電部材、５６…圧力開放弁、６１…絶縁部材としての正極絶縁部材、６２…絶縁部材としての負極絶縁部材、７０…変形部、７１…変形部用凹部、４１１…第一端縁。

Claims (4)

1. 異なる極性の電極を絶縁した状態で積層した電極組立体と、
   前記電極組立体を収容したケースと、
   前記ケースを構成する壁部に設けられ、ケース内の圧力が作動圧力に達すると破断して、前記圧力をケース外に開放させる圧力開放弁と、
   前記壁部の内面と、該内面に対向した前記電極組立体の端面との間に配置され、各極の電極と接続された板状の導電部材と、
   前記壁部と導電部材とを絶縁した絶縁部材と、を有し、
   一対の導電部材のうちの一方の導電部材が、壁部と絶縁部材が重なる方向に沿って前記圧力開放弁と重なっており、
   前記壁部に、前記圧力開放弁の周縁の少なくとも一部に沿って設けられた変形部を有し、該変形部の厚みは、前記圧力開放弁より厚く、かつ前記壁部より薄く、前記作動圧力を受けて変形する厚みである蓄電装置。
2. 前記変形部は、前記壁部の内面から凹んだ変形部用凹部の底に形成されている請求項１に記載の蓄電装置。
3. 一対の導電部材同士を結ぶ方向をケースの第一方向とすると、前記一方の導電部材の長手方向は前記第一方向に沿って延びているとともに、一方の導電部材において、前記第一方向での前記壁部の中央部に近い端縁を第一端縁とすると、前記変形部は、前記第一端縁よりも前記壁部の中央部側へ越えた位置に位置している請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記蓄電装置は二次電池である請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。