JP6672852B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は，外装体の内部に発電要素を収納した構造の電池に関する。さらに詳細には，内圧上昇時に，外装体の内部に配置された反転板の変形により強制的に電流経路が遮断される電流遮断機能を備えた電池に関するものである。

従来から，二次電池その他の電池において，内圧上昇時に電流経路が強制的に遮断されるようにしたものが提案されている。特許文献１に記載されているものがその一例である。同文献の電池では，その図３，図４および［００５０］〜［００５３］に記載されているように，電流経路中に「正極集電体１６」と「反転板３３」とを有する。「正極集電体１６」には「接続部形成用孔１６ｃ」と「薄肉領域１６ｅ」とが形成されている。そして「接続部形成用孔１６ｃ」の内壁部分と「反転板３３」の表面とがレーザ溶接されている。これにより同文献の［００５６］および［００５７］に記載されているように，内圧上昇時の電流遮断機構を構成している。

特開２０１３−１５７１３０号公報

しかしながら前記した従来の電池には，次のような問題点があった。すなわち，「正極集電体１６」と「反転板３３」との接合箇所が高抵抗なのである。このためこの接合箇所でのジュール発熱により，接合箇所の周辺が局所的に昇温する場合がある。これにより，内圧上昇していなくても周辺が溶融して電流が遮断されてしまうことがある。接合箇所が高抵抗である原因は，その接合箇所の構造にある。「反転板３３」の表面に対して「正極集電体１６」の「接続部形成用孔１６ｃ」の箇所を押し当てて底を溶接しているためである。このため溶接エネルギーの供給方向は「反転板３３」の表面に垂直な方向となるが，接合面，すなわち「反転板３３」と「正極集電体１６」の接触面はこれと垂直となる。このため溶け込みが進みにくく，接合面積が小さくなりがちだからである。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，電流遮断機能を備えるとともに，内圧上昇時に変形する部材と，そのときに破断する箇所を有する部材との間の接合箇所の抵抗を低くした電池を提供することにある。

本発明の一態様における電池は，発電要素と，発電要素を内部に収納するとともに，発電要素と外部との導通のための開口部が形成されている外装体と，外装体の開口部を貫通して設けられるとともに，外装体から絶縁されている貫通端子部材とを有する電池であって，外装体の内部に配置され発電要素に繋がるとともに，貫通端子部材における外装体の内部に位置する部分に対向する対向部が設けられている集電体と，外装体の内部に固定して配置され中央部が貫通端子部材に繋がるとともに，外装体から絶縁されており，周縁部が外装体から離隔して位置する形状である封口体タブと，周縁部が全周にわたり封口体タブの周縁部に接合されるとともに，中央部が集電体の対向部における貫通端子部材側の面に接合されており，集電体よりも発電要素側の空間の圧力が上昇したときに，中央部が発電要素から遠ざかる向きに変形する反転現象を起こすものである反転板とを有し，集電体の対向部には，反転板との接合箇所に貫通穴が形成されており，貫通穴を囲んで，反転板が反転現象を起こしたときに破断する脆弱部が設けられており，反転板の中央部における集電体側の面には，集電体の貫通穴と同じ面内形状で，少なくともその周縁部分の突出高さが集電体の対向部における脆弱部以外の箇所の厚さと同じである凸部が形成されており，反転板の凸部が集電体の貫通穴の中に位置しているとともに，凸部の縁辺の壁面と貫通穴の壁面とが全周にわたり溶接により接合されているものである。

上記態様における電池では，発電要素側から，集電体，反転板，封口体タブ，そして貫通端子部材の順に電流経路を構成している。この電流経路中には，集電体の脆弱部が含まれている。電池の使用状況により外装体の内部空間の圧力が上昇すると，反転板が反転現象を起こすに至る。反転現象が起きると，反転板の中央部が発電要素から遠ざかる向きに移動するので，集電体もその動きに引っ張られて脆弱部が破断する。これにより電流経路が遮断される。ここにおいて，集電体と反転板との溶接が，集電体の対向部と反転板の凸部との境目の箇所に対して全周にわたりなされている。また，凸部の周縁部分の突出高さと対向部における脆弱部以外の箇所の厚さとが同じなので，対向部と凸部との境目の箇所は段差がないフラット面をなしている。このため，この接合箇所の断面積が広い。したがって接合箇所の抵抗が低く，接合箇所の昇温に起因する電流経路の溶断が起こりにくい。

本構成によれば，電流遮断機能を備えるとともに，内圧上昇時に変形する部材と，そのときに破断する箇所を有する部材との間の接合箇所の抵抗を低くした電池が提供されている。

実施の形態に係る電池の外観を示す斜視図である。 貫通端子部材における貫通部の箇所の構造を示す断面図である。 図２における反転板と集電体との接合箇所付近を拡大して示す拡大断面図である。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，図１に示す角形電池１に本発明を適用したものである。図１の角形電池１は，外装体２の中に発電要素３を収納してなるものである。外装体２は，扁平な直方体状で１面が開口している本体部４と，その開口部分を閉鎖する封口板５とにより構成されている。発電要素３は，正負の電極板を絶縁しつつ積層して電解液を含浸させたものである。

封口板５には，柱状端子部材６，７が取り付けられている。柱状端子部材６，７は，角形電池１における対外接続端子である。封口板５にはさらに，貫通端子部材８，９が設けられている。貫通端子部材８，９は，詳細には後述するように封口板５を貫通して一部が外装体２の内部に進入している部材である。また，貫通端子部材８，９は柱状端子部材６，７を固定する役割をも果たしており，貫通端子部材８は柱状端子部材６と，貫通端子部材９は柱状端子部材７と，それぞれ導通している。貫通端子部材８，９には，柱状端子部材６，７を固定する部位以外の部位に，貫通部１０，１１が設けられている。封口板５と貫通端子部材８，９とは，ガスケット１２，１３により絶縁されている。封口板５にはさらに，安全弁１４および注液口１５が形成されている。

続いて，貫通部１０の箇所の詳細について図２により説明する。図２は，図１中の貫通部１０の箇所の断面図である。図２の紙面に垂直な方向が図１中の封口板５の長手方向，つまりに相当する。図２に示されるように，貫通部１０の箇所では，封口板５に開口部１６が設けられている。開口部１６は貫通穴である。貫通端子部材８における貫通部１０は，円筒形状の部分であり，その一部分が開口部１６を通って封口板５より図２中で下方，すなわち外装体２の内部に進入している。貫通端子部材８の大部分は，封口板５より図２中で上方，すなわち外装体２の外部に存在している。なお，貫通端子部材８の貫通部１０のうち，外装体２の内部に進入している部分は，径方向に押し広げられてカシメ部１７となっている。

貫通部１０の箇所における封口板５より内部側には，封口体タブ１８が配置されている。封口体タブ１８は，平板部１９と周縁部２０とを有している。周縁部２０は平板部１９よりも，封口板５から見て遠くに位置している。周縁部２０はまた，封口体タブ１８の全周にわたって設けられている。さらに，平板部１９の中央には，開口部２１が形成されている。なお，封口体タブ１８の全体形状は，長方形状（例えば特許第５０８４２０５号公報の図３の「５」を参照）でもよいし正方形状でもよいし円形状でもよい。

封口体タブ１８は，その開口部２１が封口板５の開口部１６と重なり合うように配置されている。貫通端子部材８の貫通部１０のうち封口板５の開口部１６を貫通している部分は，封口体タブ１８の開口部２１をも貫通している。そしてその部分，すなわちカシメ部１７は，封口体タブ１８の平板部１９を封口板５に押し付ける形状となっている。これにより封口体タブ１８は，封口板５の内面側に固定されている。また，貫通端子部材８と封口体タブ１８とは導通している。

なお，封口体タブ１８の平板部１９と封口板５との間には，絶縁板２２が挟み込まれている。絶縁板２２およびガスケット１２により，貫通端子部材８および封口体タブ１８が封口板５から絶縁されている。

封口体タブ１８の周縁部２０に対して，反転板２３が取り付けられている。反転板２３の縁辺は，全周にわたり周縁部２０に接合されている。これにより，封口体タブ１８と反転板２３との間に空間２４が形成されている。空間２４は，発電要素３が収納されている空間からは反転板２３により区画されている。一方で空間２４は，貫通端子部材８の貫通部１０により外部に通気している。また，反転板２３は封口体タブ１８を経由して貫通端子部材８と導通している。反転板２３の中央部には，封口板５から遠ざかる向きに突出した凸状部２５が形成されている。凸状部２５の裏面は凹部２６となっている。

さらに，封口体タブ１８および反転板２３を覆って，集電体ホルダ２７が取り付けられている。集電体ホルダ２７は，後述する集電体２８を取り付けるための部材である。集電体ホルダ２７は，平板部２９と筒状部３０とを有している。平板部２９は，反転板２３の発電要素３側の面を覆っている。ただし平板部２９の中央部には開口部３１が形成されている。開口部３１の開口径は，反転板２３の凸状部２５の径方向の寸法より大きい。よって，平板部２９のうち凸状部２５およびその周囲は，集電体ホルダ２７の平板部２９に覆われてはいない。また，平板部２９のうち開口部３１以外の位置における反転板２３とは反対側の面には，茸状のボス部３２が形成されている。ボス部３２は，開口部３１を囲んで複数箇所に離散的に形成されている。図２中には２箇所にボス部３２が現れている。

集電体ホルダ２７の筒状部３０は，平板部２９よりも封口板５側に位置している。筒状部３０の先端は，絶縁板２２に引っ掛かる形となっている。これにより集電体ホルダ２７は，絶縁板２２に固定されている。すなわち，図２中に示されるように封口体タブ１８および反転板２３を覆う状態で固定されている。

集電体ホルダ２７の平板部２９における反転板２３とは反対側の面に，集電体２８が取り付けられている。集電体２８は，発電要素３に繋がる導電部材である。厳密にいえばむろん，発電要素３の正負の電極板のうちの一方に繋がるものである。集電体２８には，中央の貫通穴３３と，その周りの段付き穴部３４とが形成されている。図２中では集電体２８は左右方向にいくつかに分割されているように見えるが，実際には一繋がりの部材である。段付き穴部３４は，集電体ホルダ２７のボス部３２に対応する位置に設けられている。段付き穴部３４がボス部３２に引っ掛かることで，集電体２８は集電体ホルダ２７に取り付けられている。このため集電体２８は，その貫通穴３３のところで反転板２３と接触しており，導通している。

図２における集電体２８と反転板２３との接触箇所の詳細を，図３により説明する。まず，集電体２８における貫通穴３３の周囲の箇所は，薄肉部３５とされている。薄肉部３５は，集電体２８における薄肉部３５以外の箇所より薄肉とされている。薄肉部３５はまた，図２から分かるように，間に反転板２３を介しつつも貫通端子部材８のカシメ部１７と対向する配置になっている部分である。薄肉部３５にはさらに，貫通穴３３を囲んで脆弱部３６が形成されている。脆弱部３６は，薄肉部３５の中でも局所的にさらに薄肉とされている箇所である。

また，反転板２３の凸状部２５の頂面上には，さらに突出した凸部３７が形成されている。凸部３７の面内形状は，貫通穴３３の面内形状と同じである。すなわち凸部３７は，集電体２８の貫通穴３３にぴたり嵌り込んでいる。また，凸部３７の突出高さは，少なくともその縁辺においては，集電体２８の薄肉部３５（脆弱部３６を除く）の厚さＴ１と同じである。このため，薄肉部３５および凸部３７の図３中下側（発電要素３側）の表面は，薄肉部３５と凸部３７との境目の箇所に段差のないフラットな面となっている。そしてこの薄肉部３５と凸部３７との境目の箇所は，全周にわたって溶接されている。なお，反転板２３の凸状部２５の突出高さは，集電体ホルダ２７の平板部２９の厚さＴ２と同じである。このため，集電体２８の封口板５側の面（図３中上側の面）は，単なる平面であるが，反転板２３の凸状部２５の頂面のうち凸部３７以外の部分と，集電体ホルダ２７の平板部２９との両方に接触している。

ここで，貫通端子部材８，封口体タブ１８，反転板２３，および集電体２８は，すべて同じ材質の金属部材である。角形電池１がリチウムイオン２次電池でその正極側である場合，主としてアルミまたはアルミ合金である。負極側である場合，主として銅または銅合金である。ガスケット１２，絶縁板２２，および集電体ホルダ２７はいずれも，絶縁性の合成樹脂部材である。合成樹脂の中でも特に，有機電解液に対する耐性のある種類のもの（ＰＰＳやＰＦＡ等）が望ましい。

本形態の角形電池１における上記の図２および図３に示した箇所の組立手順は，概略以下の通りである。まず，ガスケット１２，封口板５，絶縁板２２，および封口体タブ１８を，上記の積み順に位置合わせして重ね合わせる。そしてその開口部に，カシメ前の貫通端子部材８の貫通部１０の図２中下側の部分を差し込む。その差し込んだ部分をカシメ加工して，図２に示したカシメ部１７の形状とする。これにより，貫通端子部材８，ガスケット１２，封口板５，絶縁板２２，および封口体タブ１８が互いに固定される。

次に，封口体タブ１８の周縁部２０に反転板２３を接合する。そして集電体ホルダ２７を，封口体タブ１８および反転板２３を覆うように取り付け，その筒状部３０の先端を絶縁板２２に引っ掛けて固定する。続いて，集電体２８を取り付ける。具体的には，集電体２８の貫通穴３３に反転板２３の凸部３７が嵌り込むようにしつつ，段付き穴部３４をボス部３２に引っ掛ける。これにより集電体２８を固定する。最後に，集電体２８の薄肉部３５と反転板２３の凸部３７との境目の箇所を全周にわたってレーザ溶接等の手法により溶接する。以上が組立手順である。

かかる本形態の角形電池１における上記の貫通端子部材８の箇所では，発電要素３側から，集電体２８，反転板２３，封口体タブ１８，そして貫通端子部材８の順に電流経路を構成している。ここで，集電体２８と反転板２３との溶接が，上記のように薄肉部３５と凸部３７との境目の箇所に対してなされるので，この接合箇所の断面積が広い。このためこの箇所の抵抗が低い。よって通電時にこの接合箇所が局所的に昇温するようなことが起こりにくい。したがって，接合箇所の昇温に起因する電流経路の溶断が起こりにくい。

上記の構造であることにより集電体２８と反転板２３との接合箇所の断面積が広い理由は，以下の通りである。まず接合前における当該接合箇所では，図３に見られるように，集電体２８の貫通穴３３の壁面と反転板２３の凸部３７の壁面とが対面している。レーザ溶接の場合にはこの壁面同士の対面箇所に図３中下側からレーザ光が照射されることとなる。このように，接合対象面に対して平行に溶接エネルギーが供給されるので，厚さＴ１の全体に溶接エネルギーが行き渡る。このため壁面同士が厚さＴ１の全体にわたって溶接される。これが全周にわたって行われるので，接合箇所の断面積が広いのである。また，当該接合箇所では両部材がフラットな面を構成している。このため，一方の部材により溶接エネルギーが散乱されることがなく，投入した溶接エネルギーのほぼすべてが溶接に用いられることとなる。

もし，反転板２３に凸部３７が形成されていなかったとする。この場合，反転板２３の凸状部２５の頂面は，図３中に破線Ａで示されるような平面となる。この場合の接合対象面は，凸状部２５の頂面，および，集電体２８の図３中上側の面であり，図３中で水平な面である。これに対して図３中下側から，すなわち垂直に溶接エネルギーを供給することになる。これでは，溶接エネルギーが接合対象面に沿って行き渡り難い。このため溶融面積が広がり難い。また，溶接エネルギーが当該接合対象面に届く前に，集電体２８の貫通穴３３の肩部に当たった時点で一部が散乱してしまう。このため，投入した溶接エネルギーが有効に利用されない。このため，接合箇所の断面積が狭い高抵抗な構造となりやすいのである。対して本形態ではこのような問題はない。

なお，本形態の角形電池１における貫通部１０（貫通端子部材８）と反対側の貫通部１１（貫通端子部材９）の箇所（図１中右側）については，上記の図２および図３で説明した構造と同じ構造でもよいし，従来型の電池における該当箇所の構造と同じ構造でもよい。

上記の構成を有する角形電池１では，前述の電流経路中に，集電体２８の薄肉部３５や脆弱部３６が含まれている。一方，角形電池１の使用状況によっては，外装体２の内部空間の圧力が通常時の圧力よりも上昇してくる場合がある。例えば過充電状態になったときである。このような状況下では，図２および図３中の集電体２８や反転板２３が，図中で下から上向きに圧迫されることとなる。集電体２８の図中下側の空間も，上記の圧力上昇が起こる空間だからである。一方で反転板２３の上側の空間２４は，大気圧のままである。空間２４は前述のように外部に通気しているからである。

このため，内部圧力の上昇がある程度進行すると，反転板２３の反転という現象が起こる。すなわち反転板２３の中央部が，上向きに移動するように変形するのである（例えば特許第５０８４２０５号公報の図４の（ｂ）を参照）。このとき集電体２８の貫通穴３３の周囲の部分が脆弱部３６で引きちぎられる。これにより電流が強制的に遮断され，過充電状態のさらなる進行が阻止される。

以上詳細に説明したように本実施の形態によれば，反転板２３のうち，集電体２８の貫通穴３３付近の部分と接合される部位に，凸部３７を設けている。これにより集電体２８と反転板２３との間に，広い断面積の接合箇所が形成されるようにしている。こうして，集電体２８と反転板２３との間の接合箇所の抵抗を低くして，局所的な昇温を抑えた角形電池１が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，電池の種類に関して，前記形態中ではリチウムイオン２次電池を例示したがこれに限らない。また，電池の外形に関して，扁平角形に限らず，円筒形などであってもよい。また，図２中の貫通部１０の上端について，図示されている単純開放形状に限らず，何らかの覆いを設けた構造でもよい。ただしその場合でも，空間２４は外部に通気している方がよい。また，反転板２３における凸状部２５の裏面は，必ずしも凹部２６になっていなくてもよい。また，凸部３７の縁辺部分以外の中央部分の表面形状は，平面状でなくてもよい。

１ 角形電池
２ 外装体
３ 発電要素
４ 本体部
５ 封口板
８，９ 貫通端子部材
１０，１１ 貫通部
１２，１３ ガスケット
１６ 開口部
１７ カシメ部
１８ 封口体タブ
２０ 周縁部
２３ 反転板
２８ 集電体
３３ 貫通穴
３５ 薄肉部
３６ 脆弱部
３７ 凸部
Ｔ１ 薄肉部の厚さ

Claims (1)

1. 発電要素と，
   前記発電要素を内部に収納するとともに，前記発電要素と外部との導通のための開口部が形成されている外装体と，
   前記外装体の開口部を貫通して設けられるとともに，前記外装体から絶縁されている貫通端子部材とを有する電池において，
   前記外装体の内部に配置され前記発電要素に繋がるとともに，前記貫通端子部材における前記外装体の内部に位置する部分に対向する対向部が設けられている集電体と，
   前記外装体の内部に固定して配置され中央部が前記貫通端子部材に繋がるとともに，前記外装体から絶縁されており，周縁部が前記外装体から離隔して位置する形状である封口体タブと，
   周縁部が全周にわたり前記封口体タブの周縁部に接合されるとともに，中央部が前記集電体の対向部における前記貫通端子部材側の面に接合されており，前記集電体よりも前記発電要素側の空間の圧力が上昇したときに，中央部が前記発電要素から遠ざかる向きに変形する反転現象を起こすものである反転板とを有し，
   前記集電体の対向部には，前記反転板との接合箇所に貫通穴が形成されており，前記貫通穴を囲んで，前記反転板が前記反転現象を起こしたときに破断する脆弱部が設けられており，
   前記反転板の中央部における前記集電体側の面には，前記集電体の貫通穴と同じ面内形状で，少なくともその周縁部分の突出高さが前記集電体の対向部における脆弱部以外の箇所の厚さと同じである凸部が形成されており，
   前記反転板の凸部が前記集電体の貫通穴の中に位置しているとともに，前記凸部の縁辺の壁面と前記貫通穴の壁面とが全周にわたり溶接により接合されていることを特徴とする電池。

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