JP7029632B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

本発明は、密閉型電池に関する。

特開２０１５－６０６５８号公報には、過充電を防止する装置として過充電時に溶断されて電流を遮断する電流遮断部を備えた二次電池が開示されている。
同公報で提案される電流遮断部は、所定の閾値以上の電流が流れると通過する電流を遮断する。電流遮断部は、一方を正極端子に接続し、他方を正極短絡リードに接続されている。電流遮断部は、電流遮断部を流れる電流が所定の閾値を超過した場合に融解し、正極短絡リードを流れる電流を遮断する。たとえば、電流遮断部は、ヒューズなどであるとされている。

また、特開２０１３－１５７１５４号公報には、過充電時に電気分解されてガスを発生させる添加剤を電解液に含める。そして、過充電時に密閉型電池のケース内でガスを発生させ、密閉型電池のケース内の内圧を高くする。そして、密閉型電池のケース内の内圧が高くなることに起因して、電流を遮断させる機構が提案されている。

特開２０１５－６０６５８号公報 特開２０１３－１５７１５４号公報

ところで、過充電を防止する装置としての電流遮断部は、通常電流では遮断されず、過充電が検知された際に確実に遮断されることが望ましい。特開２０１５－６０６５８号公報に開示される構造では、通常電流では遮断されず、過充電が検知された際に確実に遮断されるように、電流遮断部を設定することが難しい。

また、例えば、プラグインハイブリッド車や電気自動車などの電動車両の駆動源として用いられる用途では、リチウムイオン二次電池などの密閉型電池には、高容量化が求められる。高容量化に伴い、電池ケースに含まれる活物質の量が増える。このため、通常の充放電でも生じうるガスが多くなりやすい。さらに、電池ケース内の省スペース化が図られると、デッドスペースが少なくなる。このため、通常の充放電で生じうる微量のガスが徐々に蓄積されて電池ケースの内圧が高くなりやすい。そこで、本発明者は、高容量化に伴い、密閉型電池の電池ケースには、安全弁とは別に、リリーフ弁が必要になると考えている。しかし、リリーフ弁が設けられていると、電池ケースの内圧を一定レベルに保ちうるので、電池ケース内の圧力が高くなることに起因して作動するような電流遮断機構が作動しにくくなる。

ここで提案される密閉型電池の一実施形態は、正極集電部と負極集電部を有する電極体と、電極体が収容された電池ケースと、電池ケースに取り付けられた正極端子と、正極集電部と正極端子とを接続する正極側導通経路と、電池ケースに取り付けられた負極端子と、負極集電部と負極端子とを接続する負極側導通経路と、正極側導通経路に取り付けられ、当該正極側導通経路を遮断する電流遮断機構と、正極側導通経路と負極側導通経路との電位差が、予め定められた電位差よりも高い場合に電流を出力する電圧検知部と、電圧検知部からの出力を受けて、電流遮断機構を作動させて正極側導通経路を遮断する駆動装置とを備えている。

電流遮断機構は、複数のアルミ線またはアルミ箔からなり、正極側導通経路の一部をなす導通部と、導通部を囲う囲いと、囲いに封入された電解液と、アルミよりも貴な金属で構成され、囲いを貫通した接触片とを備えている。駆動装置は、電圧検知部からの出力を受けたときに接触片を導通部に接触させるように構成されている。

この密閉型電池では、過充電時に電圧検知部からの出力を受けて、接触片が導通部に接触するように構成されている。接触片は、アルミよりも貴な金属で構成されており、囲いの中で導通部が溶出し、正極側導通経路が断線される。これにより、電池への通電がより確実に遮断される。

図１は、密閉型電池１０の模式図である。 図２は、電流遮断機構１７の拡大図である。 図３は、他の形態における電流遮断機構１７の拡大図である。 図４は、電流が遮断された状態を示す電流遮断機構１７の拡大図である。

以下、ここで提案される密閉型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。各図面は模式的に描かれており、必ずしも実物を反映していない。また、各図面は、一例を示すのみであり、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。また、同一の作用を奏する部材・部位には、適宜に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、密閉型電池１０の模式図である。
密閉型電池１０は、図１に示されているように、電極体１１と、電池ケース１２と、正極端子１３と、正極側導通経路１４と、負極端子１５と、負極側導通経路１６と、電流遮断機構１７と、電圧検知部１８と、駆動装置１９とを備えている。

電極体１１は、正極集電部１１ａと負極集電部１１ｂとを有している。電極体１１は、いわゆる電池要素である。なお、電極体１１の具体的な形態は、特に限定されない限りにおいて、ここで例示される形態に限定されない。密閉型電池１０は、例えば、固体電解質を含む全固体電池でもよい。電極体１１は、全固体電池に用いられるものでもよい。

電極体１１は、詳細な図示は省略するが、例えば、セパレータシートを介在させて、正極シートと負極シートとを重ねた、いわゆる積層型の電極体でもよい。また、電極体１１の他の形態として、正極シートと、第１のセパレータシートと、負極シートと、第２のセパレータシートとを、それぞれ長尺の帯状の部材とする。電極体１１は、長尺の帯状の第１のセパレータシートまたは第２のセパレータシートを介在させて、正極シートと負極シートとを重ねて捲回した、いわゆる捲回電極体でもよい。

正極シートは、例えば、正極集電箔（例えば、アルミニウム箔）に、幅方向の片側の端部に一定の幅で設定された未形成部を除いて、正極活物質を含む正極活物質層が両面に形成されているとよい。正極集電箔で正極活物質層が形成されない未形成部は、電極体１１の正極集電部１１ａとなりうる。正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、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うる材料である。正極活物質は、一般的にリチウム遷移金属複合材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。

負極シートは、負極集電箔（例えば、銅箔）に、幅方向の片側の縁に一定の幅で設定された未形成部を除いて、負極活物質を含む負極活物質層が両面に形成されているとよい。負極集電箔で負極活物質層が形成されない未形成部は、電極体１１の負極集電部１１ｂとなりうる。負極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、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うる材料である。負極活物質は、一般的に天然黒鉛以外にも種々提案されており、特に限定されない。

セパレータシートには、例えば、所要の耐熱性を有する電解質が通過しうる多孔質の樹脂シートが用いられる。セパレータシートについても種々提案されており、特に限定されない。負極シートの負極活物質層は、セパレータシートを介在させた状態で正極シートの正極活物質層を覆っているとよい。セパレータシートは、さらに正極シートの正極活物質層および負極シートの負極活物質層を覆っているとよい。
正極集電部１１ａとしての未形成部と負極集電部１１ｂとしての未形成部とは、幅方向において互いに反対側に向けられている。そして、正極集電部１１ａとしての未形成部は、セパレータシートの幅方向の片側にはみ出ている。負極集電部１１ｂとしての未形成部は、幅方向の反対側においてセパレータシートからはみ出ている。

電池ケース１２には、電極体１１が収容されている。電池ケース１２は、図１では、模式的に二点鎖線で示されている。電池ケース１２は、例えば、扁平な角型のアルミケースであり得る。

正極端子１３は、電池ケース１２に取り付けられた電極端子である。
正極側導通経路１４は、正極集電部１１ａと正極端子１３とを接続する導通経路である。ここで正極側導通経路１４には、例えば、アルミニウムやアルミ合金などの金属が用いられる。

負極端子１５は、電池ケース１２に取り付けられた電極端子である。
負極側導通経路１６は、負極集電部１１ｂと負極端子１５とを接続する導通経路である。ここで負極側導通経路１６には、例えば、銅や銅合金などの金属が用いられる。
電池ケース１２の外部において、正極端子１３と負極端子１５は、パワーコントロールユニットＰ1を介して外部電源Ｇ１および出力装置に接続されている。

図２は、電流遮断機構１７の拡大図である。
電流遮断機構１７は、図２に示されているように、導通部１７ａと、囲い１７ｂと、電解液１７ｃと、接触片１７ｄとを備えている。

導通部１７ａは、複数のアルミ線またはアルミ箔からなり、正極側導通経路の一部をなす部位である。この実施形態では、導通部１７ａは、囲い１７ｂに取り付けられる端子１７ａ１，１７ａ２と、複数のアルミ線またはアルミ箔からなる断線部１７ａ３とを備えている。端子１７ａ１，１７ａ２は、互いに対向し、かつ、囲い１７ｂを貫通するように取り付けられている。断線部１７ａ３は、対向する端子１７ａ１，１７ａ２を繋ぐように配線されている。断線部１７ａ３にアルミ線が用いられる場合には、アルミ線の直径は、大凡１０μｍ以上１０００μｍ以下であるとよい。また断線部１７ａ３にアルミ箔が用いられる場合には、アルミ箔の厚さが大凡１μｍ以上１００μｍ以下であるとよい。また、断線部１７ａ３に用いられる複数のアルミ線またはアルミ箔の断面積を合わせて、密閉型電池１０で入出力される電流が十分に許容されうる断面積を備えているとよい。

囲い１７ｂは、導通部１７ａを囲う部材である。この実施形態では、囲い１７ｂは、略直方体の樹脂ケースで構成されている。導通部１７ａの端子１７ａ１，１７ａ２は、囲い１７ｂの対向する面に貫通している。そして、囲い１７ｂの内部で、端子１７ａ１，１７ａ２の間に、複数のアルミ線またはアルミ箔からなる断線部１７ａ３が配線されている。

電解液１７ｃは、囲い１７ｂに封入されているとよい。電解液１７ｃは、囲い１７ｂの内部の電気伝導性を確保するための溶液であればよい。密閉型電池１０の電池反応には寄与しない。密閉型電池１０に電極体１１とともに収容される電解液とは別の溶液でよい。また密閉型電池１０に電極体１１とともに収容される電解液と同じ溶液でもよい。電解液１７ｃには、例えば、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートなどの混合溶媒にＬｉＰＦ_６などの電解質塩を溶解させたものが用いられうる。

接触片１７ｄは、アルミよりも貴な金属（例えば、銅など）で構成され、囲い１７ｂを貫通している。この実施形態では、囲い１７ｂにおいて、導通部１７ａの端子１７ａ２の近傍に配置されている。接触片１７ｄは、金属軸あるいは金属板で構成され、囲い１７ｂを貫通するように設けられているとよい。

例えば、端子１７ａ１，１７ａ２の間にアルミ線またはアルミ箔からなる断線部１７ａ３が配線された導通部１７ａを用意する。端子１７ａ１，１７ａ２を取り付ける面の中間部位で分割できるように構成された半割型のケースからなる囲い１７ｂを用意する。そして、囲い１７ｂを構成する半割型のケースの縁には、端子１７ａ１，１７ａ２を取り付けるための窪みを形成しておく。また、囲い１７ｂを構成する半割型のケースには電解液１７ｃを注入するための注入孔が形成されているとよい。また、端子１７ａ２を取り付けるための窪みの近傍に接触片１７ｄが貫通するように取り付けられているとよい。

端子１７ａ１，１７ａ２を取り付けた半割型のケースを合わせて囲い１７ｂを閉じる。この際、囲い１７ｂの繋ぎ目および端子１７ａ１，１７ａ２の取付部において液漏れがないように溶着させるとよい。そして、上述のように、囲い１７ｂに導通部１７ａが取り付けられて囲い１７ｂが閉じられた状態において、囲い１７ｂに電解液１７ｃを注入する。電解液１７ｃが注入された後、電解液を注入した注入孔を封止するとよい。
電解液１７ｃが注入された後の電流遮断機構１７は、導通部１７ａの端子１７ａ２および接触片１７ｄが下に向けられて配置される。

電圧検知部１８は、正極側導通経路１４と負極側導通経路１６との電位差が、予め定められた電位差よりも高い場合に電流を出力するように構成されている。電圧検知部１８は、例えば、ツェナーダイオードまたはツェナーダイオードを含む電子回路で構成されているとよい。

ここで、正極側導通経路１４と負極側導通経路１６との電位差は、正極側導通経路１４の電位と、負極側導通経路１６の電位との電位差である。正極側導通経路１４の電位は、電池ケース１２内において、正極集電部１１ａ、正極側導通経路１４および正極端子１３のうち何れかの電位が採られるとよい。負極側導通経路１６の電位は、電池ケース１２内において、負極集電部１１ｂ、負極側導通経路１６および負極端子１５のうち何れかの電位が採られるとよい。例えば、図１では、電圧検知部１８の一端は、電流遮断機構１７および駆動装置１９を介して正極側導通経路１４に接続されており、電圧検知部１８の他端は、負極集電部１１ｂに接続されている。これにより、正極側導通経路１４と負極側導通経路１６との電位差が、予め定められた電位差よりも高い場合に駆動装置１９に電流を出力するように構成されている。

電圧検知部１８は、正極側導通経路１４と負極側導通経路１６との間の電位差に基づいて検知される電圧が、予め定められた過充電電圧よりも低い場合には、駆動装置１９および正極側導通経路１４と負極側導通経路１６とを絶縁している。電圧検知部１８によって検知される電圧が予め定められた過充電電圧以上になると、駆動装置１９および正極側導通経路１４と負極側導通経路１６とが導通される。

正極側導通経路１４と負極側導通経路１６との間の電位差に基づいて検知される電圧が、予め定められた過充電電圧以上になるのは、外部電源Ｇ１に接続されて、密閉型電池１０が充電されている場合である。このため、電圧検知部１８によって駆動装置１９および正極側導通経路１４と負極側導通経路１６とが導通されると、外部電源Ｇ１，正極側導通経路１４，駆動装置１９，負極側導通経路１６という閉回路が形成される。このため、外部電源Ｇ１を電源として、駆動装置１９を作動させることができる。

図３は、他の形態における電流遮断機構１７の拡大図である。
駆動装置１９は、電圧検知部１８からの出力を受けて、接触片１７ｄが導通部１７ａに接触するように構成されている。例えば、駆動装置１９は、囲い１７ｂの外に置いて接触片１７ｄに力Ｆ２を作用させ、接触片１７ｄを変形させて導通部１７ａに接触させる機構であるとよい。例えば、接触片１７ｄと導通部１７ａの端子の間に、絶縁部材１７ｅを介在させておく。また、接触片１７ｄを導通部１７ａに向けて押すばねを配置しておく。そして、駆動装置１９は、絶縁部材１７ｅを外すように動作するとよい。この場合、接触片１７ｄは、シート状の柔らかい部材でもよい。

他の変形例として、駆動装置１９には、圧電素子によって、電圧検知部１８からの出力を受けて接触片１７ｄに力を作用させるように構成してもよい。また、ヒーター（電熱線）とバイメタルを組み合わせて、電圧検知部１８からの出力によってヒーターを発熱させて、バイメタルを駆動させて接触片１７ｄに力を作用させるように構成してもよい。アルミ、銅間に設置している絶縁部材１７ｅとしての樹脂を熱で溶かすようにしてもよい。

図４は、電流が遮断された状態を示す電流遮断機構１７の拡大図である。図４では、図２に示された電流遮断機構１７において、電流が遮断された状態が示されている。
駆動装置１９は、図４に示されているように、電圧検知部１８からの出力を受けて接触片１７ｄに力Ｆ１を作用させ、接触片１７ｄが導通部１７ａに接触させる。接触片１７ｄが導通部１７ａに接触すると、導通部１７ａに用いられているアルミと、接触片１７ｄに用いられている銅が接触する。この際、アルミは銅よりも卑な金属であるから、導通部１７ａと接触片１７ｄとが電解液中で内部電池を形成する。このため、囲い１７ｂの中で導通部１７ａが溶出する。導通部１７ａは、断線部１７ａ３がアルミ線あるいはアルミ箔で形成されており、素早く溶出する。断線部１７ａ３が溶出すると、正極側導通経路１４が断線される。このように、この電流遮断機構１７によれば、電圧検知部１８によって検知される電圧が予め定められた過充電電圧以上になる。駆動装置１９および正極側導通経路１４と負極側導通経路１６とが導通される。なお、正極側導通経路１４が断線された後、電圧検知部１８で検知される電圧が下がると、駆動装置１９への出力が停止される。

以上、ここで提案される密閉型電池について、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた密閉型電池の実施形態などは、本発明を限定しない。

１０ 密閉型電池
１１ 電極体
１１ａ 正極集電部
１１ｂ 負極集電部
１２ 電池ケース
１３ 正極端子
１４ 正極側導通経路
１５ 負極端子
１６ 負極側導通経路
１７ 電流遮断機構
１７ａ 導通部
１７ａ１ 端子
１７ａ１，１７ａ２ 端子
１７ａ３ 断線部
１７ｂ 囲い
１７ｃ 電解液
１７ｄ 接触片
１７ｅ 絶縁部材
１８ 電圧検知部
１９ 駆動装置
Ｆ１ 力
Ｆ２ 力
Ｇ１ 外部電源
Ｐ1 パワーコントロールユニット

Claims (1)

1. 正極集電部と負極集電部を有する電極体と、
   前記電極体が収容された電池ケースと、
   前記電池ケースに取り付けられた正極端子と、
   前記正極集電部と前記正極端子とを接続する正極側導通経路と、
   前記電池ケースに取り付けられた負極端子と、
   前記負極集電部と前記負極端子とを接続する負極側導通経路と、
   前記正極側導通経路に取り付けられ、当該正極側導通経路を遮断する電流遮断機構と、
   前記正極側導通経路と前記負極側導通経路との電位差が、予め定められた電位差よりも高い場合に電流を出力する電圧検知部と、
   前記電圧検知部からの出力を受けて、前記電流遮断機構を作動させて前記正極側導通経路を遮断する駆動装置と
   を備え、
   前記電流遮断機構は、
   複数のアルミ線またはアルミ箔からなり、正極側導通経路の一部をなす導通部と、
   前記導通部を囲う囲いと、
   前記囲いに封入された電解液と、
   前記アルミよりも貴な金属で構成され、前記囲いを貫通した接触片と
   を備え、
   前記接触片と前記導通部とが前記電解液に浸漬されており、
   前記駆動装置は、
   前記電圧検知部からの出力を受けたときに前記接触片を前記導通部に接触させるように構成された、
   密閉型電池。

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