JP6396187B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、二次電池に関する。

近年二酸化炭素排出量の削減や、ガソリンのような化石燃料の枯渇の懸念などから、エネルギー源として二次電池を使用した自動車が実用化されて来ている。この二次電池としては、高出力、高エネルギー密度、小型軽量化、低価格などが求められるほか、安全性、耐久性の改善も必要不可欠である。

高エネルギー密度の自動車用二次電池としては、リチウムイオン二次電池が知られている。この高エネルギー密度リチウムイオン二次電池は、セパレータを介して積層した正極および負極を巻回した電極組立体を、有機電解液に含浸し電池缶に封入したものが典型的である。また、リチウムイオン二次電池が複数組み合わされた組電池が一般的に用いられている。

リチウムイオン二次電池は、有機電解液を使用しているため、過充電状態になると、電池電圧が上昇するばかりでなく、ガスの発生により電池内部の圧力が上昇し、さらに、電池内温度が上昇し、電解液の漏液や、缶の破裂といった事態に至る可能性もある。自動車用二次電池としては、頻繁に充放電が繰り返されることが予測されるため、安全性を確保する過充電の対策が講じられている。

これまで過充電対策として、電池の電流経路に電流ヒューズを含む過充電防止機構を設け、端子間の電圧が所定の範囲を超えた場合、電流ヒューズが溶断し、充電電流を遮断することにより安全性を確保することも知られている。

また、電極を収容した缶にガス解放弁を設けて、電池内部の圧力が上昇したときに缶が破裂することを回避すること方法も提案されている。

特開２００６−１８５７０８号 特開２０１３−０２０９６５号

例えば、リチウムイオン二次電池の外装缶の一部に、電池内部の圧力により可動な部分を設け、過充電防止機構のトリガとして利用する場合には、外装缶の一部を他の部分よりも薄くする必要があった。また、ガス解放弁も、外装缶の他の部分が変形する前に開放すべく薄く形成する必要があった。この場合、外装容器の一部を、別途溶接して取り付ける等、製造工程が複雑になる可能性があった。

本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、安全性の高い二次電池を提供することを目的とする。

実施形態によれば、第１電極と第２電極とを有する電極群と、前記電極群を収納する外装容器と、第１部材と第２部材とを含み、前記外装容器の開口を閉じる蓋体と、前記蓋体の外側において前記第１電極と電気的に接続した第１プレートと、前記蓋体の外側において前記第２電極と電気的に接続し、前記第１プレートと離間して配置する第２プレートと、前記第１プレートと前記第２プレートとが接触して電気的に接続することにより形成される閉回路の経路の一部に設けられ、前記閉回路に流れる短絡電流により前記経路を遮断可能な電流遮断部と、を含み、前記第１部材は前記第２部材および前記外装容器の板厚よりも薄く、前記外装容器内部側へ凹んだ圧力変形部を有し、前記第２部材は前記圧力変形部を露出する開口を有し、前記圧力変形部と、前記第１プレートと、前記第２プレートとは、前記蓋体と略直交する方向において互いに離間して重畳し、前記圧力変形部は、前記外装容器および前記蓋体により密閉された内部の圧力が上昇したときに外側へ突出するように構成され、前記圧力変形部が変形することにより前記第１プレートと前記第２プレートとが接触して電気的に接続する、二次電池が提供される。

図１は、一実施形態の二次電池の一構成例を概略的に示す図である。 図２は、一実施形態の二次電池の一部を分解した分解斜視図である。 図３は、一実施形態の二次電池の蓋体を分解した分解斜視図である。 図４は、図１の線ＩＶ−ＩＶにおける二次電池の断面の一部を概略的に示す図である。 図５は、図１の線ＩＶ−ＩＶにおける二次電池の断面の一部を概略的に示す図である。 図６は、一実施形態の二次電池内の圧力が上昇したときの動作の一例を説明するための図である。 図７は、一実施形態の二次電池の蓋体の他の構成例を説明するための図である。

以下、一実施形態の二次電池について、図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態の二次電池の一構成例を概略的に示す図である。なお、図１において、後述する正極端子ＰＴおよび負極端子ＭＴが蓋体４から突出した方向を第１方向Ｄ１、正極端子ＰＴと負極端子ＭＴとが並んだ方向を第２方向Ｄ２、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２に対して略直交した方向を第３方向Ｄ３とする。

本実施形態の二次電池ＢＴは、外装容器２と、蓋体（図２に示す）と、正極端子ＰＴと、負極端子ＭＴと、絶縁部材（図２に示す）と、第１プレート８と、第２プレート１０と、を備えている。

外装容器２は略直方体形状であって、開口（図示せず）を備えている。外装容器２の開口は後述する蓋体により封止されている。外装容器２は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等から形成することができる。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属が含む場合、その量は１００ｐｐｍ以下にすることが好ましい。外装容器２の板厚は、１ｍｍ以下にすることができ、０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。

外装容器２内には、図示しない電極群と電解液とが格納されている。電極群は、正極と負極とセパレータとを備えている。正極と負極とはセパレータを介して積層した状態で巻回されている。

第１プレート８は、導電性材料により形成され、絶縁部材を介して蓋体上に配置された板状の部材である。第１プレート８は、正極端子ＰＴが貫通する開口８２を有し、開口８２において正極端子ＰＴと電気的に接続している。正極端子ＰＴは、第１プレート８の開口８２に挿入され第１方向Ｄ１に突出している。

第２プレート１０は、導電性材料により形成され、絶縁部材を介して蓋体上に配置された板状の部材である。第２プレート１０は、負極端子ＭＴが貫通する開口１０２を有し、開口１０２において負極端子ＭＴと電気的に接続している。負極端子ＭＴは、第２プレート１０の開口１０２に挿入され第１方向Ｄ１に突出している。

第１プレート８と第２プレート１０とは、互いに離間して配置している。本実施形態では、第１プレート８は、正極端子ＰＴと負極端子ＭＴとの間の位置において、蓋体から離間するように第１方向Ｄ１へ屈曲している。第１プレート８と第２プレート１０との一部は、正極端子ＰＴと負極端子ＭＴとの間において、第１方向Ｄ１に離間した状態で重なっている。

すなわち、第１プレート８及び第２プレート１０は、蓋体４側から第２プレート１０、空間、第１プレート８の順で設けられている。第１プレート８と第２プレート１０との間には、外装容器２および蓋体４で密閉された内部の圧力が所定の値未満である場合に互いに接触しないように所定間隔の空間が設けられている。

図２は、一実施形態の二次電池の一部を分解した分解斜視図である。
本実施形態の二次電池ＢＴは、蓋体４と、絶縁部材６と、を更に備えている。

蓋体４は、外装容器２の開口に装着されている。蓋体４は例えば外装容器２に溶接により固定されている。これにより、外装容器２内が密閉される。蓋体４は、正極端子ＰＴが挿入される開口４２と、負極端子ＭＴが挿入される開口４４と、ダイアフラム（圧力変形部）４６とを有している。開口４２と開口４４とには、絶縁体４８Ｐ、４８Ｍが取り付けられ、蓋体４と正極端子ＰＴおよび負極端子ＭＴとを絶縁している。

絶縁部材６は、蓋体４上に配置される。絶縁部材６は、正極端子ＰＴが挿入される開口６２と、負極端子ＭＴが挿入される開口６４と、ダイアフラム４６を露出する開口６６とを有している。絶縁部材６は絶縁性の材料により形成されたシート状或いは板状の部材であって、外装容器２および蓋体４と、第１プレート８および第２プレート１０との間に介在している。

換言すると、絶縁部材６は、正極端子ＰＴ、負極端子ＭＴ、第１プレート８、及び第２プレート１０が外装容器２および蓋体４に接触することを防ぐことができる形状で形成されている。例えば、絶縁部材６は、外装容器２及び蓋体４、または、第１プレート８及び第２プレート１０を覆うように形成されてもよい。これにより、絶縁部材６は、外装容器２および蓋体４が変形したとしても正極端子ＰＴ、負極端子ＭＴ、第１プレート８、及び第２プレート１０が外装容器２及び蓋体４に電気的に接続されることを防ぐことができる。

図３は、一実施形態の二次電池の蓋体を分解した分解斜視図である。

蓋体４は、第１部材４Ａと第２部材４Ｂとを有している。第１部材４Ａと第２部材４Ｂとは、例えば、外装容器２と同じ材料により形成されている。すなわち、第１部材４Ａおよび第２部材４Ｂは、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等から形成することができる。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属が含む場合、その量は１００ｐｐｍ以下にすることが好ましい。

第１部材４Ａは、凹部４９Ａと、凹部４９Ａに設けられた開口４２Ａ、４４Ａと、ダイアフラム４６と、凹部４９Ａの淵を囲む支持部４０Ａと、を有している。第１部材４Ａは、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等の薄板を成形して形成されている。第１部材４Ａの厚さ（第１方向Ｄ１の幅）は、例えば０．２ｍｍである。開口４２Ａと開口４４Ａとは、第２方向Ｄ２に並んで配置している。

第１部材４Ａの凹部４９Ａには第２部材４Ｂが嵌合する。第１部材４Ａと第２部材４Ｂとは、例えば接着剤や溶接により互いに固定され、蓋体４が形成される。

ダイアフラム４６は、第１部材４Ａの凹部４９Ａに一体に成形されている。ダイアフラム４６は、第２方向Ｄ２において、開口４２Ａと開口４４Ａとの間に配置している。支持部４０Ａは、後述するように外装容器２に固定される。

第２部材４Ｂは、第１部材４Ａの凹部４９Ａに嵌合する。第２部材４Ｂは、開口４２Ｂ、４４Ｂ、４６Ｂを有している。第２部材４Ｂは、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等の板状部材を成形して形成されている。第２部材４Ｂは、少なくとも第１部材４Ａよりも厚く、その厚さは例えば１．１ｍｍである。開口４２Ｂと開口４４Ｂとは、第２方向Ｄ２に並んで配置している。開口４６Ｂは、第２方向Ｄ２において、開口４２Ｂと開口４４Ｂとの間に配置している。

開口４２Ａと開口４２Ｂとは、第２部材４Ｂが凹部４９Ａに嵌合したときに互いに連通して開口４２となる。開口４４Ａと開口４４Ｂとは、第２部材４Ｂが凹部４９Ａに嵌合したときに互いに連通して開口４４となる。ダイアフラム４６と開口４６Ｂとは、第２部材４Ｂが凹部４９Ａに嵌合したときに重畳し、ダイアフラム４６は開口４６Ｂから露出する。

図４は、図１の線ＩＶ−ＩＶにおける二次電池の断面の一部を概略的に示す図である。
ここでは、二次電池ＢＴが通常使用時の場合、すなわち、二次電池ＢＴ内の圧力が所定の大きさ未満である状態での構成の一例を示している。

蓋体４の凹部４９Ａの第２方向Ｄ２および第３方向Ｄ３の幅は、外装容器２の開口と略同一であって、凹部４９Ａは外装容器２の開口を閉じるように嵌合する。蓋体４の支持部４０Ａは外装容器２の開口端に支持されている。蓋体４は支持部４０Ａが外装容器２の開口端に溶接されることにより、外装容器２に固定される。すなわち、外装容器２に溶接される部分は、蓋体４の第１部材４Ａの支持部４０Ａであって外装容器２よりも薄い。この結果、例えば、二次電池ＢＴの内部の圧力が上昇したときに、外装容器２よりが変形するよりも前に第１部材４Ａが変形する。

第１プレート８の端部と第２プレート１０と端部は、ダイアフラム４６と第１方向Ｄ１において重畳して配置し、互いに離間している。本実施形態では、第１プレート８は、正極端子ＰＴと負極端子ＭＴとの間の位置において、蓋体から離間するように第１方向Ｄ１へ屈曲している。なお図示するように、第２プレート１０は、ダイアフラム４６側へ突出した突起１０４を備えていても良い。

正極端子ＰＴは、蓋体４、絶縁部材６、第１プレート８を貫通して、二次電池ＢＴの内部へ伸びて蓋体４に取り付けられている。負極端子ＭＴ、蓋体４、絶縁部材６、第２プレート１０を貫通して、二次電池ＢＴの内部へ伸びて蓋体４に取り付けられている。正極端子ＰＴは、二次電池ＢＴ内部において図示しない正極と電気的に接続している。負極端子ＭＴは、二次電池ＭＴ内部において図示しない負極と電気的に接続している。

図５は、図１の線ＩＶ−ＩＶにおける二次電池の断面の一部を概略的に示す図である。
ここでは、二次電池ＢＴの内部の圧力が上昇した状態の、二次電池ＢＴの構成の一例を示している。

ダイアフラム４６は、通常使用時には外装容器２の内側へ凹んでいる。ダイアフラム４６は、二次電池ＢＴ内の圧力の増加によって二次電池ＢＴの外側方向に変形する。ダイアフラム４６は、図５に示されるように二次電池ＢＴ内の圧力の増加によって変形した場合に第２プレート１０を押し上げる（変形させる）。これにより、第１プレート８と第２プレート１０とが接触する。この結果、正極端子ＰＴと負極端子ＭＴとが短絡する。即ち、ダイアフラム４６、第１プレート８、及び第２プレート１０は、二次電池ＢＴ内の圧力がダイアフラム４６の剛性などにより定まる所定の値以上に達した場合に正極端子ＰＴと負極端子ＭＴとを短絡させるスイッチＳＷとして機能する。

図６は、一実施形態の二次電池内の圧力が上昇したときの動作の一例を説明するための図である。
ここでは、第１プレート８と、第２プレート１０と、スイッチＳＷと、電流遮断部ＦＵと、電極群ＥＬと、を有する二次電池ＢＴの等価回路を示している。

二次電池ＢＴは、第１プレート８及び第２プレート１０を介して充電器（或いは負荷）１２と接続される。すなわち、二次電池ＢＴは、充電器１２から第１プレート８及び第２プレート１０を介して正極端子ＰＴ及び負極端子ＭＴに入力された電力により充電される。

電流遮断部ＦＵは、第１プレート８と電極群ＥＬとの間の経路の一部に設けられている。電流遮断部ＦＵは、例えば電極群ＥＬの正極と第１プレート８との間に直列に設けられている。電流遮断部ＦＵは、例えばヒューズなどの可溶体である。電流遮断部ＦＵは、予め定まった電圧が印加された場合に電極群ＥＬの正極と第１プレート８との間の電流を遮断する。例えば、電流遮断部ＦＵがヒューズである場合、電流遮断部ＦＵは、ヒューズの材料及び抵抗などにより予め定まった溶解電圧以上の電圧が印加された場合に溶断される。これにより、電流遮断部ＦＵは、電極群ＥＬの正極と第１プレート８との間の電流を遮断することができる。この結果、正極端子ＰＴに所定の大きさ以上の電圧が印加された場合に、電流遮断部ＦＵは、充電器１２から電極群ＥＬに電流が流れることを防ぐことができる。

次に、過充電状態が生じた場合において二次電池ＢＴを流れる電流について説明する。
二次電池ＢＴが過充電状態になると、二次電池ＢＴは、通常よりも高い電圧（即ち、設定される閾値よりも高い電圧）を生じる。

正極端子ＰＴと負極端子ＭＴとの間の電圧が上記の閾値以上になった場合、スイッチＳＷがオン状態になる。スイッチＳＷがオンになると、二次電池ＢＴ内で閉回路が同時に形成される。この結果、二次電池ＢＴの閉回路内で、短絡電流が同時に流れ始める。

二次電池ＢＴ内に閉回路が形成されると、閉回路内に流れる短絡電流は、電極群ＥＬの正極側から流れる。短絡電流は、電流遮断部ＦＵを流れると、正極端子ＰＴ、スイッチＳＷ、及び負極端子ＭＴを通過し、電極群ＥＬの負極側へ流れる。

ここでは、電流遮断部ＦＵに流れる短絡電流は、電流遮断部ＦＵが切断する電流の閾値を超過する。したがって、電流遮断部ＦＵは、切断し、正極端子ＰＴと電極群ＥＬとの電気的な接続を遮断する。

この結果、電流遮断部ＦＵが溶断され、充電器１２からの電流が二次電池ＢＴに供給されない状態になる。この結果、充電器１２とスイッチＳＷとを含む閉回路に充電器１２による電流が流れる。以上の動作によって、二次電池ＢＴは、充電器１２からさらに電力を充電されることなく、二次電池ＢＴの過充電状態が収束する。

上記のように、本実施形態によれば、安全性の高い二次電池を提供することができる。さらに、本実施形態によれば、蓋体４が、第１部材４Ａと第２部材４Ｂとにより形成され、ダイアフラム４６が薄板である第１部材４Ａに一体に設けられることにより、蓋体４に別体のダイアフラム４６を溶接などにより固定する必要がなくなり、二次電池ＢＴの製造が容易になる。

図７は、一実施形態の二次電池の蓋体の他の構成例を説明するための図である。
この例では、二次電池ＢＴの蓋体４は、ガス解放弁４１を更に有している。

ガス解放弁４１は、蓋体４の第１部材４Ａに一体に成形されている。ガス解放弁４１は、第２方向Ｄ２においてダイアフラム４６と開口４４Ａとの間に配置している。第２部材４Ｂは、ガス解放弁４１を露出する開口４１Ｂを有している。開口４１Ｂは、第２方向Ｄ２において開口４６Ｂと開口４４Ｂとの間に配置している。ガス解放弁４１は、二次電池ＢＴの外装容器２および蓋体４で密閉された内部の圧力が所定の大きさ以上となったときに開放する。上記の構成以外は図１乃至図５を用いて説明した二次電池ＢＴの構成と同様である。

例えば、ダイアフラム４６とガス解放弁４１とが蓋体４の近傍に位置している場合、別体のダイアフラム４６をガス解放弁４１の近傍に溶接することは容易ではなく、二次電池ＢＴを製造するために高い技術が必要となる。一方で、本実施形態のように、ダイアフラム４６とガス解放弁４１とを薄板である第１部材４Ａに一体に成形して、第１部材４Ａと第２部材４Ｂとを重ねて蓋体４を形成することにより、二次電池ＢＴの製造が容易となる。

すなわち、この例でも上述の実施形態と同様に、安全性の高い二次電池を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…外装容器、４…蓋体、４Ａ…第１部材、４Ｂ…第２部材、４１…ガス解放弁、４０Ａ…支持部、４６…ダイアフラム（圧力変形部）、６…絶縁部材、８…第１プレート、１０…第２プレート、１０Ｄ…二次電池、１２…充電器、１４Ｄ…正極端子、１５Ｄ…負極端子、Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向、Ｄ３…第３方向。

Claims (3)

1. 第１電極と第２電極とを有する電極群と、
   前記電極群を収納する外装容器と、
   第１部材と第２部材とを含み、前記外装容器の開口を閉じる蓋体と、
   前記第１電極と電気的に接続し、前記蓋体の外側に配置する第１プレートと、
   前記第２電極と電気的に接続し、前記蓋体の外側において前記第１プレートと離間して配置する第２プレートと、
   前記第１プレートと前記第２プレートとが接触して電気的に接続することにより形成される閉回路の経路の一部に設けられ、前記閉回路に流れる短絡電流により前記経路を遮断可能な電流遮断部と、を含み、
   前記第１部材は前記第２部材および前記外装容器の板厚よりも薄く、前記外装容器内部側へ凹んだ圧力変形部を有し、
   前記第２部材は前記圧力変形部を露出する開口を有し、
   前記圧力変形部と、前記第１プレートと、前記第２プレートとは、前記蓋体と略直交する方向において互いに離間して重畳し、
   前記圧力変形部は、前記外装容器および前記蓋体により密閉された内部の圧力が上昇したときに外側へ突出するように構成され、前記圧力変形部が変形することにより前記第１プレートと前記第２プレートとが接触して電気的に接続する、二次電池。
2. 前記第１部材は、前記第２部材が嵌合する凹部と、前記凹部を囲み前記外装容器の開口端に固定される支持部とを有する請求項１記載の二次電池。
3. 前記第１部材は前記圧力変形部の近傍に配置する圧力解放弁を更に備え、前記第２部材は前記圧力解放弁を露出する第２開口を更に有する請求項１又は請求項２記載の二次電池。

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