JP6819906B2 - リリーフ弁付き電池 - Google Patents

Description

本発明は、リリーフ弁付き電池に関する。

例えば、特許文献１には、リリーフ弁の一例であるガス放出弁を備えた二次電池が開示されている。特許文献１に開示された二次電池は、電極体が収容された電池ケースと、電池ケースの壁部に設けられたガス放出弁とを備えている。ガス放出弁は、電池ケースの外側に配置されたハウジングと、ハウジングの内部において電池ケースの内部と外部とを連通する連通路と、連通路を開閉可能な弁体とを有している。連通路のうち弁体よりも電池ケースの内部側に位置する内側連通路内には、多孔質水分吸収材が配置されている。

特許文献１に開示された二次電池によれば、例えば、電池ケースの外部に存在する水分が内側連通路内に進入した場合であっても、水分は内側連通路に配置された多孔質水分吸収材によって吸収される。よって、電池ケースの外部に存在する水分が電池ケースの内部に進入することを抑制することができる。

特開２０１７−２２０５０号公報

ところで、上述のように、上記二次電池において電池ケースの内部に水分が進入することを抑制することができる。ただし、二次電池の他の構成によって、電池ケースの内部に水分が進入することを抑制することで、更に高品質な二次電池を提供することができる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池ケースの外部の水分が電池ケースの内部に進入することを抑制することが可能なリリーフ弁付き電池を提供することである。

本願出願人は、特許文献１に開示された二次電池とは異なる構成で、電池ケースの外部の水分が電池ケースの内部に進入することを抑制することを検討した。その結果、本願出願人は、電池ケースの内部と連通するハウジングの内部に水分を進入することを抑制することで、電池ケースの内部に水分が進入することをより抑制することができることを見出した。

すなわち、本発明に係るリリーフ弁付き電池は、電極体と、電池ケースと、リリーフ弁とを備えている。電池ケースには、電極体が収容されている。リリーフ弁は、電池ケースに設けられている。電池ケースには、電池ケースの壁を貫通した貫通孔を有している。リリーフ弁は、ハウジングと、弁体と、弾性体と、放出孔と、水分吸収材とを有する。ハウジングは、貫通孔を覆うように、電池ケースの外側に配置されている。弁体は、ハウジングの内部空間において、貫通孔に押し当てられて貫通孔を塞ぐ状態と、貫通孔から少なくとも一部が離れて貫通孔を完全に塞がない状態とに移動可能に配置されている。弾性体は、弁体とハウジングの内側面との間に配置され、弁体を貫通孔に押し当てる。放出孔は、ハウジングに形成されている。水分吸収材は、放出孔に充填され、ガスを透過させ、かつ、水分を吸収する。

上記リリーフ弁付き電池によれば、ハウジングに形成された放出孔には、水分吸収材が充填されている。そのため、ハウジングの外部および電池ケースの外部から放出孔を通じてハウジング内に進入しようとする水分は、水分吸収材によって吸収される。よって、ハウジング内に水分が進入することを抑制するため、電池ケースの内部に水分が進入することを抑制することができる。

一実施形態に係るリリーフ弁付き電池の部分断面図である。 リリーフ弁を示す断面図であり、弁体が貫通孔を塞ぐ状態を示す図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるリリーフ弁の断面図である。 リリーフ弁を示す断面図であり、弁体が貫通孔を完全に塞がない状態を示す図である。

以下、図面を参照しながら、一実施形態に係るリリーフ弁付き電池について説明する。なお、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。また、各図は、模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るリリーフ弁付き電池１０の部分断面図である。以下の説明では、図１における上、下、左、右をそれぞれリリーフ弁付き電池１０の上、下、左、右とする。図面中の符号Ｕ、Ｄ、Ｌ、Ｒは、それぞれ上、下、左、右を示している。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、リリーフ弁付き電池１０の設置態様などを限定するものではない。図１では、略直方体の電池ケース１１の片側の幅広面に沿って、内部を露出させた状態で描かれている。リリーフ弁付き電池１０は、例えば非水系二次電池であり、リチウムイオン二次電池である。図１に示すように、リリーフ弁付き電池１０は、電池ケース１１と、電極体１２と、集電端子１３と、接続部材１４と、外部端子１５と、リリーフ弁５０とを備えている。

電池ケース１１は、内部に空間を有する箱状に形成されている。ここでは、電池ケース１１は、容器１１ａと蓋体１１ｂとを有する。容器１１ａは、電極体１２および電解液を収容している。容器１１ａは、扁平な角型の容器であり、上方が開口している。蓋体１１ｂは、容器１１ａの開口に装着されるプレート状の部材である。なお、電池ケース１１は、電池ケース１１の壁に形成された貫通孔１８を有している。本実施形態では、貫通孔１８は、蓋体１１ｂの上面に形成されている。貫通孔１８は、電池ケース１１の内部と外部とを連通させており、電池ケース１１の内部のガスを外部へ放出するためのものである。

電極体１２は、正極シート２１と、負極シート２２と、第１セパレータシート２３と、第２セパレータシート２４とを備えている。正極シート２１、負極シート２２、第１セパレータシート２３および第２セパレータシート２４は、それぞれ長尺の帯状の部材である。例えば、第１セパレータシート２３、正極シート２１、第２セパレータシート２４、負極シート２２はこの順に重ねられ、電池ケース１１の容器１１ａ内で捲回されている。

正極シート２１は、予め定められた幅および厚さのアルミニウム箔などの正極集電箔２１ａの両面に、正極活物質を含む正極活物質層２１ｂが形成された部材である。なお、正極集電箔２１ａの片側の端部には、正極活物質層２１ｂが形成されていない未形成部２１ｃが設定されている。正極活物質は、例えば、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収し得る材料である。

負極シート２２は、予め定められた幅および厚さの銅箔などの負極集電箔２２ａの両面に、負極活物質を含む負極活物質層２２ｂが形成された部材である。なお、負極集電箔２２ａの片側の端部には、負極活物質層２２ｂが形成されていない未形成部２２ｃが設定されている。負極活物質は、例えば、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出し得る材料である。

例えば、第１セパレータシート２３および第２セパレータシート２４には、例えば、所要の耐熱性を有し、電解質が通過し得る多孔質の樹脂シートが用いられる。

容器１１ａ内で捲回された正極シート２１では、未形成部２１ｃが容器１１ａ内の左端付近に配置される。負極シート２２では、未形成部２２ｃが容器１１ａ内の右端付近に配置される。正極シート２１の未形成部２１ｃおよび負極シート２２の未形成部２２ｃには、それぞれ１つの集電端子１３が溶接されている。

集電端子１３は、基部１３ａと、取付片１３ｂと、軸部１３ｃとを備えている。右側（負極側）の集電端子１３と左側（正極側）の集電端子１３は、ここでは左右互い違いの形状である。そこで、以下では右側の集電端子１３について説明する。また、集電端子１３に近接する接続部材１４、外部端子１５についても右側の部材について説明し、左側の部材の説明は簡略化または省略する。集電端子１３の基部１３ａは、水平方向に延びる板状の部位である。基部１３ａは、電池ケース１１の蓋体１１ｂの下面に取り付けられている。基部１３ａからは取付片１３ｂが下方に延びている。取付片１３ｂは、鉛直方向に延びる板状の部位である。取付片１３ｂには、負極の未形成部２２ｃが溶接されている。基部１３ａの上方には、軸部１３ｃが延びている。軸部１３ｃは、上下方向に延びる円柱状の部位である。集電端子１３は、負極シート２２と電気的に接続されている。集電端子１３の軸部１３ｃは、蓋体１１ｂの外部に突出している。

集電端子１３の軸部１３ｃは、蓋体１１ｂの外側で接続部材１４の一端に連結されている。接続部材１４は、中間部に段差が設けられ、略Ｓ字に折り曲げられたプレート状の部材である。外部端子１５は、リリーフ弁付き電池１０の電力を外部に取り出すための端子である。複数のリリーフ弁付き電池１０を連結して組電池を構成する場合には、この外部端子１５同士をバスバーで接続する。外部端子１５は、接続部材１４の他端部に設けられている。

次に、リリーフ弁５０について説明する。図２は、リリーフ弁５０を示す断面図であり、後述する弁体５２が貫通孔１８を塞ぐ状態を示す図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるリリーフ弁５０の断面図である。図４は、リリーフ弁５０を示す断面図であり、弁体５２が貫通孔１８を完全に塞がない状態を示す図である。なお、図２および図４は、図１の部分Ｂを拡大した図である。図２に示すように、リリーフ弁５０は、電池ケース１１の内部のガスを、電池ケース１１に形成された貫通孔１８を通じて外部に放出するためのものである。本実施形態では、リリーフ弁５０は、電池ケース１１の蓋体１１ｂに形成された貫通孔１８を覆うように設けられている。リリーフ弁５０は、ハウジング５１と、弁体５２と、ばね５３と、水分吸収材７１とを備えている。

ハウジング５１は、貫通孔１８を覆うように、電池ケース１１の外側に配置されている。ハウジング５１は、内部に空間を有し、下方が開口している。ここでは、ハウジング５１は、貫通孔１８と連通する内部空間６１を有している。ハウジング５１および電池ケース１１によって、内部空間６１は密閉されている。ハウジング５１には、下方に向かって開口した開口および後述の放出孔５７以外に、孔や隙間などは形成されていない。本実施形態では、ハウジング５１は、有底の筒部６２と、フランジ６３とを有する。筒部６２は、平面視において貫通孔１８を囲むように、貫通孔１８よりも上方に配置されている。筒部６２は、電池ケース１１の蓋体１１ｂの上面から上方に延びている。なお、筒部６２の形状は特に限定されないが、図３に示すように、例えば円筒形状である。図２に示すように、フランジ６３は、筒部６２の下端に接続されている。フランジ６３は、筒部６２の下端と共に電池ケース１１の蓋体１１ｂに配置されている。なお、本実施形態では、ハウジング５１の内側面の下部には、筒部６２の下端に向かうに従って、フランジ６３の先端側に傾斜する傾斜面６５が形成されている。傾斜面６５は、筒部６２の下端に向かうに従って、ハウジング５１の中心とは反対側に傾斜している。

ハウジング５１には、放出孔５７が形成されている。詳しくは、放出孔５７は、ハウジング５１の筒部６２の側面に貫通するように形成されている。放出孔５７は、電池ケース１１の内部のガスが電池ケース１１の外部へ放出されるための孔である。本実施形態では、放出孔５７は筒部６２の側面の下部に形成されているが、放出孔５７が形成される位置は特に限定されない。例えば、放出孔５７は、筒部６２の上部に形成されていてもよいし、筒部６２の中央部に形成されていてもよい。本実施形態では、放出孔５７は、極小の孔である。ここでは、放出孔５７の径Ｌ１は、１ｍｍ〜５ｍｍであり、例えば、２ｍｍである。本実施形態では、放出孔５７の径Ｌ１は、貫通孔１８の径Ｌ２よりも短い。例えば、放出孔５７の径Ｌ１は、貫通孔１８の径Ｌ２の１／２倍の長さよりも短くてもよい。

水分吸収材７１は、放出孔５７に充填されている。ここでは、充填とは、放出孔５７が開口している方向から見たとき、放出孔５７に水分吸収材７１が隙間なく敷き詰められている状態のことをいう。水分吸収材７１は、電池ケース１１内のガスなどの空気を透過させ、かつ、水分を通過させないものである。水分吸収材７１は、水分を吸収する。例えば、水分吸収材７１は、多孔質部材によって形成されている。具体的には、水分吸収材７１は、ゼオライトによって形成されている。しかしながら、水分吸収材７１の材質は特に限定されない。

弁体５２は、貫通孔１８を開閉するものである。弁体５２は、ハウジング５１の内部空間６１において、貫通孔１８に押し当てられて貫通孔１８を塞ぐ状態と、貫通孔１８から少なくとも一部が離れて貫通孔１８を完全に塞がない状態とに移動可能に配置されている。ここでは、弁体５２は、ハウジング５１の内部空間６１に配置されており、ハウジング５１に対して上下方向に摺動自在である。本実施形態では、弁体５２は、ハウジング５１の内側面に嵌め合わされている。弁体５２は、貫通孔１８に押し当てられて貫通孔１８を塞ぐ状態（図２参照）と、貫通孔１８から少なくとも一部が離れて貫通孔１８を完全に塞がない状態（図４参照）とに移動可能に配置されている。なお、弁体５２の形状は特に限定されない。本実施形態では、弁体５２はハウジング５１の内側面と合致する形状であり、上部および中央部が円柱形状であり、下部が下方に尖った円錐形状である。ここでは、弁体５２の下部には、下方に向かうに従って弁体５２の中心に向かって傾斜する傾斜面８１が設けられている。弁体５２が貫通孔１８を塞いでいる状態であるとき、傾斜面８１が電池ケース１１の蓋体１１ｂに接触し、貫通孔１８を閉鎖している。

なお、本実施形態では、ハウジング５１の内部空間６１に弁体５２が配置されている状態において、内部空間６１は、ハウジング５１内において、弁体５２よりも貫通孔１８側の空間である第１内部空間６１ａと、ハウジング５１内において、弁体５２よりも貫通孔１８側と反対側の空間である第２内部空間６１ｂとを有する。第１内部空間６１ａは、ハウジング５１内において、貫通孔１８と電池ケース１１との間に位置し、貫通孔１８と連通することが可能である。第２内部空間６１ｂは、ハウジング５１内において、弁体５２とハウジング５１の上面との間に位置している。

図３に示すように、弁体５２の外側面には、溝８２が形成されている。図２に示すように、溝８２は、上下方向に延びた溝であり、第１内部空間６１ａと第２内部空間６１ｂとを連通させる。すなわち、第１内部空間６１ａと第２内部空間６１ｂとは、溝８２によって繋がっている。本実施形態では、ハウジング５１の内部空間６１に弁体５２が配置されている状態において、溝８２は、放出孔５７と対向している。内部空間６１に弁体５２が配置されている状態において、溝８２は、放出孔５７と連通している。なお、本実施形態では、弁体５２は、溝８２と放出孔５７とが対向する位置で、ハウジング５１に対して回動しないように弁体５２の回動を規制する規制機構を備えていてもよい。このことによって、溝８２が放出孔５７に対してずれ難くすることができる。

ばね５３は、弾性体の一例であり、弁体５２を貫通孔１８に向かって弾性力を付与するものである。ばね５３は、弁体５２を貫通孔１８に押し当てる。ばね５３は、弁体５２とハウジング５１の内側面との間に配置されている。本実施形態では、ばね５３は、弁体５２に向かって弾性力を付与するようにハウジング５１の内部空間６１に配置されている。ここでは、ばね５３は、圧縮された状態で維持されており、第２内部空間６１ｂに介在している。ばね５３の上端はばね座（図示せず）を介してハウジング５１の上面に接続され、ばね５３の下端はばね座（図示せず）を介して弁体５２の上面に接続されている。なお、ばね５３は、第１内部空間６１ａに配置されていてもよい。この場合、ばね５３は、伸びた状態で維持されており、第２内部空間６１ｂに介在している。この場合、ばね５３は、縮む力によって弁体５２を貫通孔１８に押し当ててもよい。

以上、本実施形態に係るリリーフ弁付き電池１０の構成について説明した。次に、電池ケース１１の内部のガスが外部に放出される際のリリーフ弁５０の動作について説明する。リリーフ弁５０の動作について説明するにあたり、リリーフ弁５０において、弁体５２は貫通孔１８に押し当てられ、貫通孔１８を塞いでいる状態とする。このとき、電池ケース１１の内部の圧力が所定の圧力以上になると、図４に示すように、弁体５２が貫通孔１８を開放する。詳しくは、電池ケース１１の内部の圧力が上がると、図２の矢印Ａ１のように、弁体５２が上方に移動することでばね５３が縮む。このことで、図４に示すように弁体５２と貫通孔１８との間に隙間８５が形成される。よって、弁体５２が貫通孔１８を開放する。このとき、電池ケース１１内のガスの一部は、貫通孔１８を通じてハウジング５１内の第１内部空間６１ａに進入する。そして、第１内部空間６１ａに進入したガスは、弁体５２に形成された溝８２を通じてハウジング５１内の第２内部空間６１ｂに進入し、第２内部空間６１ｂに収容される。本実施形態では、ハウジング５１に形成された放出孔５７は極小な孔である。また、放出孔５７には、水分吸収材７１が充填されているため、放出孔５７におけるガスの透過率が小さい。そのため、溝８２を流れるガスは、放出孔５７には侵入し難く、第２内部空間６１ｂに向かって流れる。なお、このとき、外部（例えば、大気中）の水分が放出孔５７に進入するおそれがあり得る。しかしながら、本実施形態では、放出孔５７には、水分吸収材７１が充填されている。そのため、外部の水分が放出孔５７に進入した場合であっても、水分は、放出孔５７の内部において水分吸収材７１に吸収されるため、ハウジング５１の内部には進入し難い。

このように、電池ケース１１の内部のガスの一部がハウジング５１の内部空間６１に進入することで、電池ケース１１の内部の圧力が下がる。電池ケース１１の内部の圧力が下がるに従って、ばね５３の弾性力が弁体５２に付加されるため、図４の矢印Ａ２のように、弁体５２は貫通孔１８に向かって移動する。そして、電池ケース１１の内部の圧力が所定の圧力未満になったとき、図２に示すように、弁体５２が貫通孔１８を閉鎖する。弁体５２が貫通孔１８を徐々に塞いでいるとき、第２内部空間６１ｂに収容されているガスは、弁体５２に形成された溝８２に進入する。溝８２に進入したガスは、ハウジング５１に形成された放出孔５７に進入する。ここでは、放出孔５７に充填された水分吸収材７１は、ガスを通過させる。そのため、放出孔５７に進入したガスは、水分吸収材７１を通じて外部に徐々に放出される。このように、放出孔５７からガスが放出されるため、弁体５２は、ゆっくりと貫通孔１８を塞ぐ方向に移動する。なお、このとき、放出孔５７の内部には、外部に向かう方向に流速が形成されているため、外部の水分は放出孔５７には進入し難い。仮に、外部の水分が放出孔５７に進入した場合であっても、その水分は水分吸収材７１に吸収される。よって、外部の水分は、ハウジング５１内に進入し難い。

以上のように、本実施形態では、電池ケース１１の外部の水分が放出孔５７に進入した場合、放出孔５７に充填された水分吸収材７１に水分が吸収される。よって、電池ケース１１の外部の水分が放出孔５７を通じてハウジング５１の内部空間６１に進入し難くすることができる。したがって、電池ケース１１の外部の水分が電池ケース１１の内部に進入し難くすることができる。その結果、電池ケース１１の内部に水分が進入することに起因して、リリーフ弁付き電池１０の性能が低下することを抑制することができる。

以上、一実施形態に係るリリーフ弁付き電池１０について説明した。上記実施形態では、リリーフ弁付き電池１０として、リチウムイオン二次電池を例に説明したが、本発明は他の種々の発電原理で発電する電池に対して同様に適用することができる。

１０ リリーフ弁付き電池
１１ 電池ケース
１２ 電極体
１８ 貫通孔
５０ リリーフ弁
５１ ハウジング
５２ 弁体
５３ ばね（弾性体）
５７ 放出孔
６１ 内部空間
６１ａ 第１内部空間
６１ｂ 第２内部空間
７１ 水分吸収材
８２ 溝

Claims (1)

1. 電極体と、
   前記電極体が収容された電池ケースと、
   前記電池ケースに設けられたリリーフ弁と、
   を備え、
   前記電池ケースには、前記電池ケースの壁を貫通した貫通孔を有し、
   前記リリーフ弁は、
   前記貫通孔を覆うように、前記電池ケースの外側に配置されたハウジングと、
   前記ハウジングの内部空間において、前記貫通孔に押し当てられて前記貫通孔を塞ぐ状態と、前記貫通孔から少なくとも一部が離れて前記貫通孔を完全に塞がない状態とに移動可能に配置された弁体と、
   前記弁体と前記ハウジングの内側面との間に配置され、前記弁体を前記貫通孔に押し当てる弾性体と、
   前記ハウジングに形成された放出孔と、
   前記放出孔に充填され、ガスを透過させ、かつ、水分を吸収する水分吸収材と、
   を有する、リリーフ弁付き電池。

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