JP6631835B2

JP6631835B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP6631835B2
Application number: JP2016057349A
Authority: JP
Inventors: 浩司部田; 裕明今西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2036-03-22
Also published as: JP2017174554A

Description

本発明は、二次電池に関する。

例えば、特開２０１５−２２０２２９号公報には、電極体を収容したケースの開口を密閉するキャッププレートにベント部と短絡部が設けられた構造が開示されている。ベント部と短絡部は、鋳造、鍛造、圧延及びプレスのうちのいずれか一つの方法によって、キャッププレートと一体に形成されている。短絡部は、ケース内に向けて凸状に盛り上がっており、キャッンププレートの周辺領域より相対的に薄く硬度が低い。同公報では、短絡部及びベント部をキャッププレートに一体化することによって加工方法を単純化することができ、製造コストを削減することができるとされている。なお、同公報では、短絡部の詳細な形状については、図２に図示されているものの、説明がないために不明である。

特開２０１４−２２００５２号公報には、中心が盛り上がった薄肉の反転板がケース内に向けて突出するように、環状の受け部に反転板を配置し、反転板の周辺部分が環状の受け部に溶接された構造が開示されている。反転板の周辺部分は、環状の受け部に溶接された溶接部よりも内側において屈曲した屈曲部を備えている。

特開２０１５−２２０２２９号公報特開２０１４−２２００５２号公報

ところで、反転部は、製造時に生じる個体差によって、ケース内部の圧力が上昇したときに反転する作動圧にばらつきが生じるが、かかる反転部の作動圧のばらつきを小さくしたい。

ここで提案される二次電池は、電極体と、電極体を収容したケース本体と、ケース本体の一側面に取り付けられた蓋と、蓋に絶縁体を介在させて取り付けられた電極端子と、規制部材とを備えている。蓋は、蓋と同一部材からなり、且つ周りの蓋の厚みよりも薄肉である反転部を有している。反転部は、当該反転部が設けられる領域の中心に向けて延びた周縁部と、周縁部の内縁から、当該反転部が設けられる領域の中心に向かうにつれてケース本体の内方へ向けて窪んだ凹部とを有している。規制部材は、絶縁体からなり、予め定められた間隙よりも狭い間隙で周縁部の外側面に対向配置されている。電極端子の一部は、凹部がケース本体の内方へ向けて窪んでいるときには凹部に当たらないが、ケース本体の外方に向けて凸状に反転したときには凹部に当たる位置に延びている。この二次電池によれば、反転部が反転する作動圧のばらつきが小さくなるとともに、反転する高さが安定し、いわゆる電流遮断機構の信頼性が向上する。

図１は、ここで提案される二次電池の構成例を模式的に示す断面図である。図２は、蓋１２ｂの断面を示す斜視図である。図３は、電流遮断機構１２０としての反転部１２１を拡大した断面図である。図４は、反転部１２１を拡大した断面図である。図５は、規制部材１２２を拡大した断面図である。図６は、反転部１２１が反転した状態を示す断面図である。

以下、ここで提案される二次電池の一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、特に言及されない限りにおいて、ここで説明される実施形態に限定されない。

図１は、ここで提案される二次電池の構成例を模式的に示す断面図である。ここで提案される二次電池１０は、図１に示すように、電極体１１と、ケース１２とを備えている。ケース１２は、ケース本体１２ａと、蓋１２ｂと、電極端子１３，１４とを備えている。

電極体１１は、例えば、正極シート５０と、負極シート６０と、セパレータ７２，７４とを有している。図１に示された形態では、正極シート５０は、正極集電箔５１と、正極活物質層５３とを有している。正極集電箔５１は、帯状のシート（例えば、アルミニウム箔）である。正極集電箔５１には、幅方向片側の縁に沿って露出部５２が設定されている。正極集電箔５１の両面には、露出部５２を除いて正極活物質層５３が形成されている。負極シート６０は、負極集電箔６１と、負極活物質層６３とを有している。負極集電箔６１は、帯状のシート（例えば、銅箔）である。負極集電箔６１には、幅方向片側の縁に沿って露出部６２が設定されている。負極集電箔６１の両面には、露出部６２を除いて負極活物質層６３が形成されている。

正極シート５０と負極シート６０とは、長さ方向の向きを揃え、セパレータ７２、７４を挟んで正極活物質層５３と負極活物質層６３とが対向するように重ねられている。この際、セパレータ７２、７４の幅方向の片側に正極集電箔５１の露出部５２がはみ出て、セパレータ７２、７４の幅方向の反対側に負極集電箔６１の露出部６２がはみ出るように、正極シート５０と負極シート６０とが重ねられている。正極シート５０と負極シート６０とセパレータ７２、７４は、上記のように重ねられた状態で正極シート５０の短幅に沿って設定された捲回軸ＷＬの周りに捲回されている。電極体１１の捲回軸ＷＬに沿った片側には、セパレータ７２、７４から正極集電箔５１の露出部５２がはみ出ている。反対側には、セパレータ７２、７４から負極集電箔６１の露出部６２がはみ出ている。

ケース本体１２ａは、電極体１１を収容する部材である。図１に示された形態では、ケース本体１２ａは、一側面が開口した有底直方体形状を有している。蓋１２ｂは、開口した一側面に取り付けられ、ケース本体１２ａの開口を塞ぐ部材である。かかる蓋１２ｂは、ケース本体１２ａの開口周縁に溶接されている。ケース本体１２ａおよび蓋１２ｂは、例えばアルミニウムやアルミニウム合金や鉄鋼（ＳＵＳ材）等の、適度な強度を有する軽量な金属材料からなるものが好適に用いられる。

図２は、蓋１２ｂの断面を示す斜視図である。この実施形態では、電極端子１３，１４は、図１および図２に示すように、蓋１２ｂの長手方向の両側部に設けられている。電極端子１３，１４は、ケース１２内に延びた内部端子１３ａ，１４ａと、ケース１２の外に配置された外部端子１３ｂ，１４ｂとを備えている。内部端子１３ａ，１４ａと、外部端子１３ｂ，１４ｂとは、絶縁性を有するガスケット１３ｄ，１４ｄを介在させて蓋１２ｂに取り付けられている。内部端子１３ａ，１４ａと外部端子１３ｂ，１４ｂとは、蓋１２ｂの内側と外側で蓋１２ｂを挟むように配置され、蓋１２ｂを貫通するかしめ部材１３ｃ，１４ｃで蓋１２ｂに固定されるとともに、電気的に接続されている。正極の内部端子１３ａの先端部１３ａ１に、正極集電箔５１の露出部５２が溶接されている。負極の内部端子１４ａの先端部１４ａ１に、負極集電箔６１の露出部６２が溶接されている。

図３は、正極側の電極端子１３について、電流遮断機構１２０としての反転部１２１を拡大した断面図である。この実施形態では、ガスケット１３ｄは、図３に示すように、第１ガスケット部材１３ｄ１と、第２ガスケット部材１３ｄ２と、第３ガスケット部材１３ｄ３とを備えている。第１ガスケット部材１３ｄ１は、蓋１２ｂの外側に取り付けられて外部端子１３ｂと蓋１２ｂとを絶縁している。第２ガスケット部材１３ｄ２は、かしめ部材１３ｃが貫通する孔に装着されて、蓋１２ｂとかしめ部材１３ｃとを絶縁している。第３ガスケット部材１３ｄ３は、蓋１２ｂの内側に取り付けられており、かしめ部材１３ｃおよび内部端子１３ａと、蓋１２ｂとを絶縁している。図示は省略するが、負極側の電極端子１４およびガスケット１４ｄは、正極側の電極端子１３およびガスケット１３ｄと同様の構成を有している。負極側のガスケット１４ｄは、図１および図２に示すように、図３に示された第１ガスケット部材１３ｄ１と同様の第１ガスケット部材１４ｄ１を有している。

図１に示された形態では、ケース本体１２ａは、角型のケースであり、扁平な長方形の収容領域を有している。電極体１１は、捲回軸ＷＬを含む一平面に沿った扁平な形状でケース本体１２ａに収容されている。電極体１１が収容された後でケース本体１２ａには蓋１２ｂが取り付けられる。ケース本体１２ａおよび蓋１２ｂと、電極体１１との間には、絶縁フィルム（図示省略）が介在し、ケース本体１２ａおよび蓋１２ｂと、捲回電極体１１とは絶縁されている。蓋１２ｂには、安全弁３０や注液孔３２が設けられており、注液孔３２にはキャップ材３３が取り付けられている。電解液８０は、注液孔３２からケース本体１２ａに注入される。注液孔３２は、電解液８０が注入された後で、キャップ材３３が取り付けられることによって塞がれる。

ここで提案される二次電池１０は、過充電時の安全性を確保するための機構の一つとして、電流遮断機構１２０（Current Interrupt Device：ＣＩＤ）を備えている。電流遮断機構１２０は、過充電状態となるとケース１２内にガスを発生させ、該ケース１２内の圧力が所定値以上になると充電電流を遮断して過充電の進行を停止する機構である。また、前提として、典型的には、所定の分解電位を有する過充電添加剤が電解液８０に添加されている。これによって、例えば、正極電位が過充電添加剤の分解電位よりも高くなった場合に、正極（正極活物質）の表面で過充電添加剤が分解されることによって、ガスが発生し、ケース１２内の圧力が高くなる。電流遮断機構１２０は、ケース１２内の圧力が所定値以上に高くなると作動する。ここで、電流遮断機構１２０の作動圧は、安全弁３０よりも低い圧力に設定されている。このため、電流遮断機構１２０は安全弁３０よりも低い圧力で作動する。過充電添加剤としては、所定の過充電電圧において分解されてガスを発生し得る各種の化合物を用いることができる。例えば、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ），ビフェニル（ＢＰ）およびこれらの誘導体等が好適例として挙げられる。過充電添加剤の量が過剰であると、内部抵抗が上昇してしまうために好ましくない。過充電添加剤は、過充電時に電流遮断機構１２０を作動するのに適当な量が含まれているとよい。

この実施形態では、電極端子１３，１４は、蓋１２ｂの長手方向の両側部に設けられている。電流遮断機構１２０は、蓋１２ｂの長手方向において、電極端子１３，１４が取り付けられた部位よりも内側に設けられている。電極端子１３，１４の外部端子１３ｂ，１４ｂは、ガスケット１３ｄ，１４ｄを介して蓋１２ｂの上に配置されており、電流遮断機構１２０が設けられた部位まで延びている。

蓋１２ｂは、図２および図３に示すように、蓋１２ｂと同一部材からなり、且つ周りの蓋１２ｂの厚みよりも薄肉である反転部１２１を有している。つまり、反転部１２１は、蓋１２ｂと同一部材からなり、且つ蓋１２ｂの厚みよりも薄肉であり、プレス成形によって蓋１２ｂに一体に成形されている。反転部１２１は、蓋１２ｂよりも薄肉に形成されている。この実施形態では、反転部１２１は、蓋１２ｂの内側面及び外側面にそれぞれ段差を設け、蓋１２ｂの厚さ方向の中間部位に設けられている。図４は、反転部１２１を拡大した断面図である。反転部１２１は、図３および図４に示すように、周縁部１２１ａと凹部１２１ｂとを有している。反転部１２１の周縁部１２１ａは、反転部１２１が設けられる領域の中心に向けて延びている。換言すると、周縁部１２１ａは反転部１２１の周囲の蓋１２ｂの外側面（あるいは内側面）に沿って延びている。凹部１２１ｂは、周縁部１２１ａから反転部１２１が設けられる領域の中心に向かうに連れてケース本体１２ａの内方へ向けて窪んでいる。この実施形態では、反転部１２１は、円形である。反転部１２１の凹部１２１ｂは、中心に向けて全体として円錐形に窪んでいる。凹部１２１ｂの頂部１２１ｂ１には、平らな部位が設けられている。

当該反転部１２１が形成される部位の周囲において、蓋１２ｂの厚さ（反転部１２１の周囲の厚さＢ１）は、例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下であるとよい。反転部１２１は、蓋１２ｂの厚さ方向の中間に形成されているとよい。反転部１２１の厚さＢ２は、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であるとよい。この実施形態では、図４に示すように、蓋１２ｂの厚さ（反転部１２１の周囲の厚さＢ１）は、１．５ｍｍである。反転部１２１の厚さＢ２は、０．３ｍｍである。この実施形態では、反転部１２１は、蓋１２ｂの厚さ方向において、蓋１２ｂの外側面から０．６ｍｍの位置に設けられている。つまり、反転部１２１は、蓋１２ｂの外側面から段差が設けられており、段差の深さＢ３が０．６ｍｍである。

反転部１２１（周縁部１２１ａ）の外径Ａ１は、約１８ｍｍの領域に形成されている。周縁部１２１ａの幅Ａ２は、約１．０ｍｍである。凹部１２１ｂの外径Ａ３は、約１６ｍｍである。頂部１２１ｂ１の平らな部位の直径Ａ４は、約３．０ｍｍである。蓋体の外側において周縁部１２１ａの外側面から、凹部１２１ｂの頂部１２１ｂ１までの深さＡ５は、約１．０ｍｍである。頂部１２１ｂ１の厚さＡ６は、０．３ｍｍである。なお、ここでは、反転部１２１の寸法について具体例が挙げられているが、反転部１２１の形状および寸法は、特に言及されない限りにおいて、これに限定されない。例えば、蓋１２ｂおよび反転部１２１の各寸法は、それぞれ５０％程度、増減させてもよい。特に、反転部１２１の厚さは、適切なタイミングで反転部１２１が反転するように調整されうる。

規制部材１２２は、絶縁体からなる。規制部材１２２は、周縁部１２１ａの外側面に対向配置されている。この実施形態では、ガスケット１３ｄ，１４ｄのうち、蓋１２ｂの外側に取り付けられ、蓋１２ｂと外部端子１３ｂ，１４ｂとを絶縁する第１ガスケット部材１３ｄ１，１４ｄ１が、規制部材１２２として機能している。規制部材１２２としての第１ガスケット部材１３ｄ１，１４ｄ１は、図３に示すように、反転部１２１が形成された部位に応じた開口１２２ａを有している。また、開口した縁には、反転部１２１の周縁部１２１ａの外側面に対向するように、反転部１２１の周縁部１２１ａに向けて突出した突起１２２ｂが設けられている。かかる反転部１２１の周縁部１２１ａは、突起１２２ｂによって、上方への変位が規制されている。周縁部１２１ａの外側面と規制部材１２２の突起１２２ｂとの間隙は、予め定められた間隙（例えば、０．２ｍｍ）よりも狭い間隙であるとよい。

図５は、規制部材１２２を拡大した断面図である。この実施形態では、図５に示すように、蓋１２ｂの外側面から周縁部１２１ａまで段差が設けられており、段差の深さＢ３が０．６ｍｍである。これに対して、蓋１２ｂの外側面から規制部材１２２の突起１２２ｂが突出した深さＢ４は、０．５ｍｍである。周縁部１２１ａの外側面と規制部材１２２の突起１２２ｂとの間隙Ｂ５は、０．１ｍｍである。かかる、周縁部１２１ａの外側面と規制部材１２２の突起１２２ｂとの間隙Ｂ５は、０ｍｍ以上０．２ｍｍ未満であるとよく、周縁部１２１ａの外側面と規制部材１２２の突起１２２ｂとは、接触していてもよい。

なお、反転部１２１が反転した際に、周縁部１２１ａがケース１２の外方に向けて変位する。この際、周縁部１２１ａの外側面と規制部材１２２の突起１２２ｂとに間隙があると、周縁部１２１ａはケース１２の外方に向けて変位する。本発明者の知見では、反転前の周縁部１２１ａに対する周縁部１２１ａの変位は、蓋１２ｂに繋がった基端を起点として１０度未満であるとよい。周縁部１２１ａが大きく動き過ぎると、反転したときに反転部１２１の高さが低くなる傾向がある。つまり、反転部１２１が反転する際、規制部材１２２と周縁部１２１ａとが当たることによって、反転部１２１の変形の支点が定まることで、反転部１２１が大きく（高く）反転する。かかる観点において、反転前の周縁部１２１ａに対する周縁部１２１ａの変位が、蓋１２ｂに繋がった基端を起点として１０度未満になるように、反転部１２１の周縁部１２１ａと規制部材１２２との間隙Ｂ５（図５参照）を設定するとよい。反転部１２１の周縁部１２１ａと規制部材１２２との間隙Ｂ５を適切に設定することによって、周縁部１２１ａの変位を適切に規制することができ、反転部１２１の反転距離（高さ）が安定し、電流遮断機構１２０の信頼性が向上する。

また、電極端子１３，１４の一部として外部端子１３ｂ，１４ｂが、反転部１２１の凹部１２１ｂがケース本体１２ａの外方に向けて凸状に反転したときに当たる位置に延びている。この実施形態では、外部端子１３ｂ，１４ｂは、図３に示すように、第１ガスケット部材１３ｄ１，１４ｄ１の開口１２２ａを覆うように開口１２２ａの外側に延びている。反転部１２１がケース本体１２ａの内方へ向けて窪んでいるときには、当然ながら外部端子１３ｂ，１４ｂには当たらない。

図６は、反転部１２１が反転した状態を示す断面図である。過充電時に、正極の電位が、電解液に含まれる過充電添加剤が分解される電位よりも高くなると、過充電添加剤が分解されてガスが発生する。そして、ケース本体１２ａの内方へ向けて窪んでいる反転部１２１は、蓋１２ｂに比べて薄肉であるため、発生したガスによって高くなるケース１２内の圧力に耐えられなくなると、反転部１２１がケース本体１２ａの外方に向けて凸状に反転する。反転部１２１は、反転すると、電極端子１３，１４の一部として外部端子１３ｂ，１４ｂに当たり、反転部１２１と、外部端子１３ｂ，１４ｂとが導通する。つまり、蓋１２ｂと電極端子１３，１４とが導通し、電極体１１への通電が遮断される。ここで提案される形態では、かかる反転部１２１の周縁部１２１ａが上方へ変位するのが、規制部材１２２（具体的には、突起１２２ｂ）によって規制されているので、反転部１２１が反転する際のケース１２内圧がばらつきにくい。

また、蓋１２ｂは、蓋１２ｂと同一部材からなり、且つ周りの蓋１２ｂの厚みよりも薄肉である反転部１２１を有している。つまり、反転部１２１は、プレス成形によって、蓋１２ｂに一体的に形成されているので、所定の厚さに安定して成形することができる。例えば、反転部１２１を蓋１２ｂとは別に成形して、蓋１２ｂに溶接して取り付けることも可能である。しかし、反転部１２１を溶接によって蓋１２ｂに取り付けた場合、薄肉の反転部１２１を隙間無く溶接することが必要であり、また溶接部にクラックなどの不具合が生じうるため、プレス成形に比べて品質を安定させることが難しい。なお、反転部１２１が、プレス成形によって蓋１２ｂに一体的に形成されていることは、反転部１２１および蓋１２ｂの表面に生じる微細な加工痕を確認することや、蓋１２ｂと反転部１２１の結晶状態を確認することによって判別されうる。つまり、プレス成形されていれば、結晶配置が変化し、結晶そのものが小さくなる。このような結晶状態は、例えば、電子顕微鏡を用いて確認することができる。

このように蓋１２ｂは、薄肉にプレス成形された反転部１２１を有するプレス成形品である。反転部１２１は、周縁部１２１ａと凹部１２１ｂとを有している。周縁部１２１ａは、反転部１２１が設けられる領域の中心に向けて延びている。凹部１２１ｂは、周縁部１２１ａの内縁から、反転部１２１が設けられる領域の中心に向かうにつれてケース本体１２ａの内方へ向けて窪んでいる。規制部材１２２は、絶縁体からなり、ここでは０．２ｍｍ未満の予め定められた間隙よりも狭い間隙で周縁部の外側面に対向配置されている。電極端子１３，１４の一部は、反転部１２１の凹部１２１ｂがケース本体１２ａの内方へ向けて窪んでいるときには凹部１２１ｂに当たらないが、ケース本体１２ａの外方に向けて凸状に反転したときには凹部１２１ｂに当たる位置に延びている。上述のように、この二次電池１０によれば、過充電時に、ケース１２内の圧力上昇に対して反転部１２１が反転する作動圧のばらつきが小さくなるとともに、反転する高さが安定し、いわゆる電流遮断機構１２０の信頼性が向上する。

以上、ここで提案される二次電池について、種々説明したが、特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた実施形態および実施例は、本発明を限定しない。

なお、図１は、電極体１１、ケース本体１２ａ、蓋１２ｂ、電極端子１３，１４の構造を一例として例示するに過ぎず、電極体１１の構造は、図１の形態に限定されない。例えば、反転部１２１の周縁部１２１ａは、凹部１２１ｂよりも厚くしてもよい（Ｂ２＞Ａ６，図４参照）。反転部１２１の周縁部１２１ａを厚くすることによって、蓋１２ｂからの急激な厚みの変化が小さくなり、プレス加工がしやすくなる。また、凹部１２１ｂよりも周縁部１２１ａの強度を高くすることができるので、反転時に凹部１２１ｂが反転するようになり、反転動作および反転距離のばらつきが生じにくくなる。また、規制部材１２２の突起１２２ｂの形状は、円筒形状であることを例示しているが、反転時に反転部１２１の周縁部１２１ａの変位を規制できればよい。かかる観点において突起１２２ｂの形状は円筒形状に限定されない。例えば、突起１２２ｂは、周方向に間欠的に設けられていてもよい。突起１２２ｂは、円弧状でもよいし、直線状でもよい。

１０二次電池
１１電極体
１２ケース
１２ａケース本体
１２ｂ蓋
１３，１４電極端子
１３ａ，１４ａ内部端子
１３ａ１，１４ａ１先端部
１３ｂ，１４ｂ外部端子
１３ｃ，１４ｃかしめ部材
１３ｄ，１４ｄガスケット
１３ｄ１，１４ｄ１第１ガスケット部材
１３ｄ２第２ガスケット部材
１３ｄ３第３ガスケット部材
３０安全弁
３２注液孔
３３キャップ材
５０正極シート
５１正極集電箔
５２露出部
５３正極活物質層
６０負極シート
６１負極集電箔
６２露出部
６３負極活物質層
７２，７４セパレータ
８０電解液
１２０電流遮断機構
１２１反転部
１２１ａ周縁部
１２１ｂ凹部
１２１ｂ１頂部
１２２規制部材
１２２ａ開口
１２２ｂ突起

Claims

電極体と、
前記電極体を収容したケース本体と、
前記ケース本体の一側面に取り付けられた蓋と、
前記蓋に絶縁体を介在させて取り付けられた電極端子と、
規制部材と
を備え、
前記蓋は、蓋と同一部材からなり、且つ周りの蓋の厚みよりも薄肉であり、蓋と一体的に成形された反転部を有しており、
前記反転部は、
当該反転部が設けられる領域の中心に向けて延びた周縁部と、
前記周縁部の内縁から、当該反転部が設けられる領域の中心に向かうにつれて前記ケース本体の内方へ向けて窪んだ凹部と
を有し、
前記規制部材は、絶縁体からなり、前記周縁部の外側面に対向配置されており、
前記規制部材と周縁部との間には、予め定められた間隙よりも狭い間隙を有し、
前記電極端子の一部は、前記反転部の前記凹部が前記ケース本体の内方へ向けて窪んでいるときには前記凹部に当たらないが、ケース本体の外方に向けて凸状に反転したときには前記凹部に当たる位置に、延びている、
二次電池。
前記間隙は、前記反転部が反転する前の周縁部に対し、前記反転部が反転した後の周縁部の変位が、前記周縁部が前記蓋に繋がった基端を起点として１０度未満になるように、設定されている、請求項１に記載された二次電池。
前記間隙は、０．２ｍｍ未満に設定されている、請求項１または２に記載された二次電池。
前記反転部の周縁部は、凹部よりも厚い、請求項１から３までの何れか一項に記載された二次電池。