JP7123226B2 - 二次電池用絶縁板およびそれを備える二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池の電極群と封口体との間に配置される絶縁板の改良に関する。
二次電池では、電極群と、電極群から引き出されるリード、電池ケース、電池ケースの開口部を封口する封口体などとの絶縁を保つために、電極群と封口体との間には絶縁板が配置される。また、二次電池には、電池内で発生したガスを排気するための排気弁が封口体に設けられているものがある。このような二次電池では、絶縁板には、電極群から引き出されたリードを通すための孔やガスを抜け易くするための孔が形成されている。
特許文献１では、排気のための弁体が形成された封口体を用いた二次電池において、電極群と封口体との間に、中央付近に孔を有する絶縁板が配置されている。特許文献２では、図８に示すような、平面図において、１つの半円状の孔８２１と、３つのスポット孔８２２ｂとを有する絶縁板８２０を用いることが提案されている。
高容量を確保する観点からは、絶縁板の厚みは小さい方が好ましい。しかし、絶縁板には、孔が形成されていることもあり、厚みが小さくなると、十分な強度を確保し難くなる。また、電池の外径が大きくなり、この外径に合わせて絶縁板を大きくすると、絶縁板の厚みが同じでも強度が低くなる。絶縁板の強度が不十分である場合、電池内で発生したガスにより絶縁板が破壊されることがある。電池内において絶縁板が変形したり破壊されたりすると、電極群が封口体の方までせり出して、封口体の弁体を塞ぎ、排気が不十分になることがある。
本開示の一局面の絶縁板は、巻回式の電極群と、電解質と、前記電極群および前記電解質を収容する円筒形の電池ケースと、前記電池ケースの開口部を封口するとともに、排気弁を備える封口体と、を備える二次電池用の絶縁板であって、
前記絶縁板は、前記電極群と前記封口体との間に配置され、０．１ｍｍ以上の厚みＴを有する円盤形状を有し、
前記絶縁板は、中央に形成された第１孔と、前記第１孔の周囲に形成された少なくとも１つの第２孔とを備え、
前記厚みＴの前記絶縁板の直径Ｄに対する比率（＝Ｔ／Ｄ）は、０．０１６以下であり、
前記絶縁板の開口率は、３６％以下である、絶縁板に関する。
前記絶縁板は、前記電極群と前記封口体との間に配置され、０．１ｍｍ以上の厚みＴを有する円盤形状を有し、
前記絶縁板は、中央に形成された第１孔と、前記第１孔の周囲に形成された少なくとも１つの第２孔とを備え、
前記厚みＴの前記絶縁板の直径Ｄに対する比率（＝Ｔ／Ｄ）は、０．０１６以下であり、
前記絶縁板の開口率は、３６％以下である、絶縁板に関する。
本開示の他の局面は、巻回式の電極群と、
電解質と、
前記電極群および前記電解質を収容する円筒形の電池ケースと、
前記電池ケースの開口部を封口するとともに、排気弁を備える封口体と、
前記電極群と前記封口体との間に配置された絶縁板と、を備え、
前記絶縁板は、０．１ｍｍ以上の厚みＴを有する円盤形状を有し、
前記絶縁板は、中央に形成された第１孔と、前記第１孔の周囲に形成された少なくとも１つの第２孔とを備え、
前記厚みＴの前記絶縁板の直径Ｄに対する比率（＝Ｔ／Ｄ）は、０．０１６以下であり、
前記絶縁板の開口率は、３６％以下である、二次電池に関する。
電解質と、
前記電極群および前記電解質を収容する円筒形の電池ケースと、
前記電池ケースの開口部を封口するとともに、排気弁を備える封口体と、
前記電極群と前記封口体との間に配置された絶縁板と、を備え、
前記絶縁板は、０．１ｍｍ以上の厚みＴを有する円盤形状を有し、
前記絶縁板は、中央に形成された第１孔と、前記第１孔の周囲に形成された少なくとも１つの第２孔とを備え、
前記厚みＴの前記絶縁板の直径Ｄに対する比率（＝Ｔ／Ｄ）は、０．０１６以下であり、
前記絶縁板の開口率は、３６％以下である、二次電池に関する。
本開示の上記局面によれば、二次電池の高容量を確保しながらも、排気をスムーズに行うことができる。
本発明の一実施形態に係る絶縁板は、巻回式の電極群と、電解質と、電極群および電解質を収容する円筒形の電池ケースと、電池ケースの開口部を封口するとともに、排気弁を備える封口体と、を備える二次電池用の絶縁板である。絶縁板は、電極群と封口体との間に配置され、０．１ｍｍ以上の厚みＴを有する円盤形状を有する。絶縁板は、中央に形成された第１孔と、第１孔の周囲に、円盤形状の外周に沿うように形成された少なくとも１つの第２孔とを備える。厚みＴの絶縁板の直径Ｄに対する比率（＝Ｔ／Ｄ）は、０．０１６以下であり、絶縁板の開口率は、３６％以下である。
本発明の一実施形態に係る二次電池は、巻回式の電極群と、電解質と、電極群および電解質を収容する円筒形の電池ケースと、電池ケースの開口部を封口するとともに、排気弁を備える封口体と、電極群と封口体との間に配置された上記の絶縁板と、を備える。
従来の二次電池には、封口体とは反対側の電池ケースの底部から排気するものがある。このような電池では、電池ケースの底部から多量のガスを排気することができるため、電極群と封口体との間に配置される絶縁板（第１絶縁板）の設計には、高い自由度があった。一方、封口体に排気弁を有する二次電池では、電池内で発生したガスが排気弁に向かって抜けるため、ガスの通り道に配置される第１絶縁板にはある程度の強度が求められる。また、第１絶縁板は、電池容量に寄与しないため、高容量を確保する観点からは、第１絶縁板の厚みが小さいことが好ましい。しかし、電極群から引き出されたリードを通したり、ガスを抜け易くしたりするために、第１絶縁板の中心に大きな孔を設けると、十分な強度を確保し難くなる。特に、第１絶縁板の厚みが小さい場合には、強度の低下が顕著になる。電池内において第１絶縁板が変形したり破壊されたりすると、電極群が封口体の方までせり出して、封口体の弁体を塞ぎ、排気が不十分になることがある。
本発明の上記実施形態によれば、排気弁を備える封口体を用いる場合に、封口体と電極群との間に配置される第１絶縁板として、中央に形成された第１孔と、第１孔の周囲に、第１絶縁板の円盤形状の外周に沿うように形成された少なくとも１つの第２孔とを有する絶縁板を用いる。巻回式電極群を備える二次電池では、電極群からガスが発生する場合、巻回軸近傍、電極群の外周近傍からの放出量が多くなり易い。そのため、上記のような位置に第１孔および第２孔を有する第１絶縁板を設けることで、第１絶縁板の開口率を３６％以下と小さくしても、高い排気性を確保することができる。
また、第１絶縁板は、開口率が３６％以下であるとともに、０．１ｍｍ以上の厚みＴを有し、厚みＴの第１絶縁板の直径Ｄに対する比率（＝Ｔ／Ｄ）が０．０１６以下である。そのため、Ｔ／Ｄ比が小さいながらも、第１絶縁板の強度を確保することができる。よって、二次電池の高い容量を確保することができるとともに、排気をスムーズに行うことができる。また、第１絶縁板の高い強度が確保されることで、第１絶縁板の変形や破壊が抑制されるため、封口体の排気弁からの排気が阻害されることが抑制される。
このように、本実施形態に係る第１絶縁板は、排気弁を備える封口体を備える二次電池に使用されるが、特に、電池ケースの底部に排気弁を有さない二次電池に使用するのに適している。なお、電池ケースの底部の排気弁には、排気の目的で形成された薄肉部も含まれる。
なお、第１絶縁板の厚みＴは、第１絶縁板の孔以外の領域の厚みである。厚みＴとしては、第１絶縁板の複数箇所（例えば、５箇所）について測定した厚みの平均値を用いてもよい。
第１絶縁板は、面方向（厚み方向と直交する方向）において円形またはそれに類似する形状を有している。第１絶縁板の直径Ｄは、第１絶縁板の面方向における直径（外径）であり、第１絶縁板の外形が円形でない場合には、外形（第１絶縁板の面方向において外縁で囲まれる領域）と同じ面積を有する円（相当円）の直径である。
第１絶縁板の開口率は、第１絶縁板の平面図（または上面図）において、第１絶縁板の外縁で囲まれる領域の面積に対する、孔の面積の比率（％）である。孔の面積とは、第１絶縁板の平面図における第１孔の面積および第２孔の面積の合計であり、第１絶縁板が第１孔および第２孔以外の孔（第３孔）を有する場合には、第１孔、第２孔および第３孔の合計面積である。
以下に、本実施形態に係る絶縁板（第１絶縁板）および二次電池について、適宜図面を参照しながら、より具体的に説明する。
［絶縁板（第１絶縁板）］
第１絶縁板は、排気弁を備える封口体を用いた二次電池において、封口体と電極群との間に配置され、上部絶縁板と呼ばれることもある。第１絶縁板は、円柱状またはそれに類似する形状の電極群上に配置されるため、円盤形状を有している。そして、第１絶縁板は、中央に形成された第１孔と、第１孔の周囲に、円盤形状の外周に沿うように形成された少なくとも１つの第２孔とを備えている。電極群でガスが発生した場合、ガスは、第１孔および第２孔を通って、封口体の排気弁から排出される。電極群から引き出されたリードは、第１孔および／または第２孔を通して封口体や電池ケースに接続してもよい。
第１絶縁板は、排気弁を備える封口体を用いた二次電池において、封口体と電極群との間に配置され、上部絶縁板と呼ばれることもある。第１絶縁板は、円柱状またはそれに類似する形状の電極群上に配置されるため、円盤形状を有している。そして、第１絶縁板は、中央に形成された第１孔と、第１孔の周囲に、円盤形状の外周に沿うように形成された少なくとも１つの第２孔とを備えている。電極群でガスが発生した場合、ガスは、第１孔および第２孔を通って、封口体の排気弁から排出される。電極群から引き出されたリードは、第１孔および／または第２孔を通して封口体や電池ケースに接続してもよい。
第１孔が円盤形状の第１絶縁板の中央に形成され、第２孔が第１絶縁板の外周に沿うように形成されることで、巻回軸および電極群の外周側から多くのガスが放出されても、第１孔および第２孔を通って、封口体の排気弁からスムーズにガスを排出することができる。ガスの排出性をさらに高める観点からは、第１孔は、電極群の巻回軸の上方に配置されることが好ましい。同様の理由で、第２孔は、電極群の外周側に配置されることが好ましい。
第１絶縁板は、第１孔を２つ以上有していてもよいが、１つ有していればよい。
第１絶縁板の強度を確保しながらも、第１孔からガスを排出し易いように、第１孔の開口率は、１％以上３％以下であることが好ましく、１％以上２％以下であることが特に好ましい。
なお、第１孔の開口率は、第１絶縁板の平面図（または上面図）において、第１絶縁板の外縁で囲まれる領域の面積に対する、第１孔の面積の比率（％）である。第１孔の面積とは、第１絶縁板の平面図における第１孔の面積である。第１絶縁板が複数の第１孔を有する場合には、第１孔の開口率は、各第１孔の開口率の合計である。
第１孔の形状としては、特に制限されないが、第１絶縁板の平面図において、円形、楕円形、四角形などの多角形、これらに類似する形状などが挙げられる。第１孔の形状は、楕円形、長方形、これに類似する形状などの縦長形状であることが好ましい。第１孔が縦長形状である場合、ガス排出性を確保しながらも、第１孔の短径に沿う方向の第１絶縁板の強度を高め易いため有利である。縦長形状の第１孔のアスペクト比は、例えば、１.２以上４以下であることが好ましく、１．３以上２以下であることがさらに好ましい。アスペクト比がこのような範囲である場合、ガス排出性と強度とのバランスを取り易い。
第１絶縁板は、第２孔を、少なくとも１つ有していればよいが、電極群の外周側から放出されるガスをスムーズに通過させる観点からは、複数の第２孔を第１絶縁板の外周に沿うように（好ましくは、さらに電極群の外周側に）形成することが好ましい。
第２孔の形状は特に制限されず、第１孔について記載した形状から適宜決定できる。第１絶縁板が複数の第２孔を有する場合、第１孔を取り囲むように第２孔を形成し易い観点から、第２孔の平面形状は、円形、楕円形、角形、弧状、またはこれらに類似する形状であることが好ましい。第１孔を取り囲むように第２孔を形成し易い観点からは、特に、第２孔が、少なくとも１つの弧状孔と、少なくとも１つ（好ましくは２つ以上）のスポット孔とを含む場合が好ましい。
１つの第２孔の開口率は、例えば、７％以上３５％以下であり、２０％以上３０％以下であることが好ましい。スポット孔は、主に、電極群の外周から放出されるガスを排出するためのものであるため、１つのスポット孔の開口率は、それほど大きくする必要はなく、例えば、１％以上１５％以下であり、１％以上５％以下であることが好ましい。１つの弧状孔の開口率は、スポット孔の開口率と同じ範囲から選択してもよい。弧状孔は、電極群の外周から放出されるガスを排出するとともに、電極群から引き出され、封口体や電池ケースに接続されるリードを通すために利用することが好ましい。この場合、１つの弧状孔の開口率は、５％以上３０％以下であることが好ましく、１５％以上２５％以下であることがさらに好ましい。
弧状孔の個数は、１つであってもよく、２つ以上（例えば、２個以上４個以下）であってもよい。一方の電極から引き出されたリードのみを弧状孔に通す場合には、弧状孔は１つ形成すればよく、必要に応じて、弧状孔を２つ形成して、双方の電極から引き出されたリードを弧状孔のそれぞれに通してもよい。
個々の第２孔の開口率および個数と、第１孔の開口率および個数とを調節することで、第１絶縁板の開口率を調節すればよい。
弧状孔は、円盤形状の第１絶縁板の外周側の２つのコーナー部と内周側の２つのコーナー部とを有する。弧状孔において、開口面積を上げるために、外周側のコーナー部の角度は、内周側のコーナー部の角度に比べて小さくなるように形成されることが好ましい。この場合、外周側のコーナー部の角度が内周側のコーナー部の角度より小さくなることで、第１絶縁板の外周側のコーナー部近傍の領域の強度が小さくなり易い。そのため、少なくとも外周側の２つのコーナー部が丸みを帯びるように弧状孔を形成することが好ましい。外周側の２つのコーナー部の曲率半径（Ｒ）は、それぞれ、０．８ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上または１．５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。外周側のコーナー部の曲率半径がこのような範囲である場合には、第１絶縁板の外周側のコーナー部近傍の領域の強度を確保し易い。必要に応じて、内周側のコーナー部も丸みを帯びるように形成してもよい。
電極群の外周付近から放出されるガスを抜けやすくするため、第１絶縁板は、円盤状の外周に沿うように形成された複数のスポット孔を有することが好ましい。スポット孔の個数は、例えば、２個以上６個以下であり、２個以上５個以下であることが好ましく、３個または４個がさらに好ましい。
本実施形態に係る第１絶縁板では、中央に第１孔が形成されるとともに、第１孔の周囲に、第１絶縁板の円盤形状の外周に沿うように第２孔が形成される。つまり、第１絶縁板において、第１孔の周囲（具体的には、第１孔と第２孔との間）には、少なくとも環状の領域が残った状態となる。この環状領域が第１絶縁板の支えとなり、第１絶縁板の高い強度を確保することができる。
第１孔と第２孔との間に形成される環状領域の最小幅ｗは、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることがさらに好ましい。最小幅ｗがこのような範囲である場合、第１絶縁板の強度の確保がさらに容易になる。
図１は、本発明の一実施形態に係る絶縁板（第１絶縁板）を概略的に示す上面図である。図２～図６は、第１絶縁板の変更例である。
図１の第１絶縁板２０は、面方向の中央に形成された第１孔１２１と、第１孔１２１を取り囲むように第１孔１２１の周囲に形成された第２孔１２２とを有する。第１孔１２１は、楕円形状（縦長形状）を有している。第２孔１２１は、１つの弧状孔１２２ａと、３つのスポット孔１２２ｂとからなる。これらの第２孔１２２は、第１絶縁板２０の外周に沿うように形成されている。図示例では、スポット孔１２２ｂに比べてサイズが大きな弧状孔１２２ａは、第１絶縁板２０の半分の領域に配置され、残る半分の領域にスポット孔１２２ｂが並んで配置されている。第１孔１２１の周囲（具体的には、第１孔１２１と第２孔１２２との間）には、少なくとも、最小幅ｗを有する環状領域が形成されている。
図２の第１絶縁板２２０は、面方向に形成された第１孔２２１と、第１孔の周囲に形成された第２孔２２２とを有する。第２孔２２２は、弧状孔２２２ａとスポット孔２２２ｂとからなる。図２の例は、第１孔２２１およびスポット孔２２２ｂの形状、スポット孔２２２ｂの個数が異なる以外は、図１の絶縁板２０と同じである。第１孔２２１は、第１絶縁板２２０の上面から見た時に、長方形の４つの角部が丸まったような縦長形状を有している。第１絶縁板２２０は、１つの弧状孔２２２ａと４つのスポット孔２２２ｂとを有している。４つのスポット孔２２２ｂは、それぞれ、楕円形であり、楕円形の長軸方向が円形の第１絶縁板の周方向に沿うように並んで配置されている。
図３の第１絶縁板３２０は、面方向の中央に形成された第１孔３２１と、その周囲に形成された第２孔３２２とを有する。第２孔３２２は、１つの弧状孔３２２ａと、４つのスポット孔３２２ｂとからなる。図３の第１絶縁板３２０は、弧状孔３２２ａの外周側および内周側の合計４つのコーナー部の曲率半径が図２に比べて大きく、スポット孔３２２ｂのサイズおよび形状が図２と異なる以外は、図２の第１絶縁板２２０と同じである。図３では、各スポット孔３２２ｂは、第１絶縁板３２０の内周側の辺が短く外周側の辺が長い台形の角部が丸まった形状を有している。
図４の第１絶縁板４２０は、面方向の中央に形成された第１孔４２１と、その周囲に形成された第２孔４２２とを有する。第２孔４２２は、１つの弧状孔４２２ａと、４つのスポット孔４２２ｂとからなる。図４の第１絶縁板４２０は、弧状孔４２２ａの弧に沿う方向における長さが図３に比べて短く、コーナー部の曲率半径が大きいだけで、その他は図３と同じである。
図１～図４では、第１絶縁板の平面図において、半分の領域に弧状孔が形成され、残りの半分の領域にスポット孔が形成される場合を示したが、これらの場合に限らない。例えば、複数の弧状孔と複数のスポット孔とが交互に配置されていてもよい。
図５の第１絶縁板５２０は、面方向の中央に形成された第１孔５２１と、その周囲に形成された第２孔５２２とを有する。第２孔５２２は、第１孔５２１を取り囲むように、第１絶縁板５２０の周方向に沿って形成された３つの弧状孔５２２ａと、隣接する２つの弧状孔５２２ａ間に配置された１つのスポット孔５２２ｂとからなる。第１孔５２１およびスポット孔５２２ｂの形状やサイズは、図４とほぼ同じである。第１絶縁板５２０は、弧状孔５２２ａとして、第１孔５２１を挟んで対向する一対のサイズの大きな弧状孔と、この一対の弧状孔間で、かつスポット孔５２２ｂとは第１孔５２１を挟んで反対側の位置に配置されたサイズの小さな弧状孔とを有する。
図６の第１絶縁板６２０は、面方向の中央に形成された第１孔６２１と、第１孔の周囲に形成された第２孔６２２とを有する。第１孔６２１は、図２～図５の例と同じ形状である。図６では、第２孔６２２は、１つの弧状孔６２２ａのみからなる。弧状孔６２２ａの開口率は、図１～図５の弧状孔の開口率よりも小さくなっている。
二次電池では、電池ケースに電極群を収容した後、電池ケースが縮径されるが、このとき、電極群の上部において、電池ケースを内側に突出させることで電池ケースの外側に溝部（溝部に対応して内側に突出部）を形成して、突出部により電極群を固定している。ガスが放出される際に、この突出部に繰り返しガスが当たると、突出部が劣化しやすくなる。そのため、突出部にガスが当たるのを抑制する観点から、第２孔は、第１絶縁板の外周からの距離が２ｍｍ以上の領域（外周から２ｍｍおよびこれよりも内側の領域）に形成することが好ましい。第１絶縁板の外周から第２孔までの距離は、２．５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。電極群の外周近傍から放出されるガスを排出し易くする観点からは、第１絶縁板の外周から第２孔までの距離は、３ｍｍ以下であることが好ましい。
なお、第１絶縁板の外周から第２孔までの距離とは、第１絶縁板のある半径方向において、第１絶縁板の外周（外縁）から第２孔の最も外側の位置までの距離である。複数の半径方向において、第１絶縁板の外周から第２孔の最も外側の位置までの距離が異なる場合には、最も短い箇所の距離が上記の範囲であればよい。
第１絶縁板の開口率は、３６％以下であり、３２％以下であることが好ましく、２８％以下であることがさらに好ましい。開口率がこのような範囲であることで、第１絶縁板の強度を確保することができる。第１絶縁板の開口率は、８％以上であることが好ましく、１０％以上であることがさらに好ましい。ガスの排気性をさらに高める観点からは、開口率は、２０％以上であることが好ましい。これらの上限値と下限値とは任意に組み合わせることができる。第１絶縁板の開口率は、例えば、８％以上３６％以下、１０％以上３６％以下、または１０％以上３２％以下であってもよい。
第１絶縁板において、厚みＴの直径Ｄに対する比率（＝Ｔ／Ｄ）は、０．０１６以下であり、０．０１５以下であることが好ましい。Ｔ／Ｄ比がこのような範囲である場合、直径Ｄに対して第１絶縁板の厚みＴが比較的小さいため、第１絶縁板の強度が低下し易い。本実施形態では、０．１ｍｍ以上の厚みＴを確保するとともに、第１絶縁板に上記のような第１孔および第２孔を設け、開口率を３６％以下とする。これにより、Ｔ／Ｄ比が上記のように小さくても、第１絶縁板が占める容積により容量が低下するのを抑制しながら、強度と排気性とを確保することができる。第１絶縁板の厚みＴは、０．１ｍｍ以上であり、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。
第１絶縁板は、例えば、絶縁性樹脂や絶縁処理された金属などにより形成できる。第１絶縁板の強度を確保し易い観点から、第１絶縁板は、１００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する材料で形成することが好ましい。このような材料のうち、絶縁性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの硬化性樹脂（熱硬化性樹脂など）などの他、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレンなど）などの熱可塑性樹脂などが挙げられる。金属としては、例えば、ステンレス鋼や鉄などが挙げられる。金属の絶縁処理は、例えば、金属を絶縁性樹脂で被覆することにより行なうことができる。金属を被覆する絶縁性樹脂としては、特に制限されず、例えば、ポリイミド樹脂、ポリプロピレン樹脂などが挙げられる。また、第１絶縁板は、ガラス繊維などの絶縁性の繊維状芯材に絶縁性樹脂（フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂など）を含浸させ、硬化させた材料で形成してもよい。
第１絶縁板の破断強度は、３０Ｎ以上であることが好ましく、５０Ｎ以上であることがさらに好ましい。強度がこのような範囲である場合、第１絶縁板の破壊が抑制され、ガスの排気性を確保し易くなる。
なお、本明細書中、第１絶縁板の破断強度とは、図９に示す治具を用いて測定される破断強度である。破断強度の測定治具は、所定の厚みを有するリング状の台座９００と、台座９００の孔の内径よりも小さな直径を有する円柱状の押圧部材９０１とを備える。台座９００の孔が鉛直方向に開口した状態となるように、台座９００を配置し、台座９００の孔全体を覆うように第１絶縁板のサンプルＳを台座９００の上面に配置する。そして、サンプルＳの上方から押圧部材９０１で鉛直下方に押圧し、サンプルＳが破断したときに加えた力を、第１絶縁板の破断強度とする。サンプルＳを押圧する際に、台座９００と、サンプルＳと、押圧部材９０１とは、水平方向における互いの中心が重なるように配置した状態で押圧することが好ましい。
台座のサイズは、第１絶縁板と台座とが重なる部分の幅が、例えば、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下となるように選択すればよい。押圧部材のサイズは、台座の孔に押圧部材を挿入したときに、台座の孔部分の内壁と押圧部材の外壁との間に、例えば、１ｍｍ以上６ｍｍ以下の幅の隙間が押圧部材の周囲全体に形成されるように選択すればよい。例えば、第１絶縁板の直径が２１ｍｍの場合、台座の内径（図９のＬ）を１８ｍｍとし、押圧部材の直径（図９のＷ）を７ｍｍとしてもよい。
本実施形態に係る第１絶縁板は、容積が小さいものの、優れた強度を有しており、高い排気性を確保することができる。よって、排気弁を有する封口体を用いた二次電池において、電極群と封口体との間に配置される絶縁板として使用するのに特に適している。
［二次電池］
本実施形態に係る二次電池は、巻回式の電極群と、電解質と、これらを収容する円筒形の電池ケースと、電池ケースの開口部を封口する封口体と、電極群と封口体との間に配置された上記の絶縁板（第１絶縁板）と、を備える。封口体は、排気弁を備えている。
本実施形態に係る二次電池は、巻回式の電極群と、電解質と、これらを収容する円筒形の電池ケースと、電池ケースの開口部を封口する封口体と、電極群と封口体との間に配置された上記の絶縁板（第１絶縁板）と、を備える。封口体は、排気弁を備えている。
図７は、本発明の一実施形態に係る円筒形二次電池の概略縦断面図である。以下に、図７を参しながら、リチウムイオン二次電池を例にとって本実施形態に係る二次電池についてより詳細に説明する。
円筒形二次電池（以下、電池）１０は、電極群１８と、電解質（図示せず）と、これらを収容する電池ケース（電池缶）２２とを具備する。電極群１８は、正極板１５と負極板１６とをセパレータ１７を介して捲回して形成されている。電池缶２２の開口端の近傍には、環状溝部が形成されている。
電池缶２２の開口部は、周縁部にガスケット２１を具備する封口体１１で封口されている。封口体１１は、弁体１２と、金属板１３と、弁体１２の外周部と金属板１３の外周部との間に介在する環状の絶縁部材１４とを具備する。弁体１２と金属板１３は、それぞれの中心部において互いに接続されている。正極板１５から導出された正極リード１５ａは、金属板１３に接続されている。よって、弁体１２は、正極の外部端子として機能する。負極板１６から導出された負極リード１６ａは、電池缶２２の底部内面に接続されている。封口体１１と電極群１８の一方の端面との間には、第１絶縁板２０が配置されている。電極群１８の他方の端面と電池缶２２の底部との間には、第２絶縁板１９が配置されている。
電池１０内でガスが発生して電池内圧が過度に上昇すると、弁体１２に形成された薄肉部１２ａが押し上げられて膨らみ、弁体１２の薄肉部１２ａより内側の部分も膨らんで、この膨らんだ部分から排気される。つまり、弁体１２の薄肉部１２ａおよびそれより内側の部分が排気弁（防爆弁）として機能する。図７においては、符号Ｂで表される部分（薄肉部１２ａおよびそれより内側の部分）が排気弁である。なお、Ｂの部分の径が排気弁の開口径とされる。
正極板１５は、箔状の正極集電体と、その表面に形成された正極活物質層とを具備する。正極集電体の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等を用いることができる。正極活物質としては、リチウム含有遷移金属複合酸化物が好ましく用いられる。例えばコバルト、マンガン、ニッケル、クロム、鉄およびバナジウムよりなる群から選択される少なくとも１種と、リチウムとを含む複合酸化物が使用される。
負極板１６は、箔状の負極集電体と、その表面に形成された負極活物質層とを具備する。負極集電体の材料としては、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼等を用いることができる。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵し、放出し得る炭素材料、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンや、酸化錫、酸化珪素等を用いることができる。
セパレータ１７としては、例えば、ポリオレフィンで形成された微多孔膜を用いることができる。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン共重合体などが例示できる。
電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解させたリチウム塩とを具備する。非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、カルボン酸エステル、鎖状エーテルなどが用いられる。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4などが使用される。
電池缶２２の材質には、例えば、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などが用いられるが、特に限定されない。
電池の外径は、例えば、１８ｍｍ以上２６ｍｍ以下であってもよい。ただし、電池の外形が大きくなると、第１絶縁板の強度を担保し難くなる。本発明では、第１絶縁板の厚みＴと、Ｔ／Ｄ比と、第１絶縁板の開口率とを上記のように調節するため、電池の外形が２０ｍｍ以上と大きくても、第１絶縁板の強度を十分に確保することができるとともに、排気性が損なわれるのを抑制できる。電池の外径は、２０ｍｍ以上２６ｍｍ以下であることが好ましい。
また、排気弁の開口径が１２ｍｍ以上と大きい場合にも、第１絶縁板に負荷がかかり易いが、このように排気弁の開口径が大きい場合でも、第１絶縁板の強度を確保できるとともに、ガスの排気性を担保することができる。排気弁の開口径は、１０ｍｍ以上であることが好ましく、１２ｍｍ以上であることがさらに好ましい。
第２絶縁板の材質は、特に制限されず、第１絶縁板について例示したものから選択してもよい。第２絶縁板として、ポリプロピレンやエポキシ樹脂のような絶縁性樹脂を主成分とする材料であり、絶縁性の繊維状材料を芯材に含むものを用いてもよい。
［実施例］
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
《実施例１》
（１）正極板の作製
正極活物質（ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.15Ａｌ0.05Ｏ2）１００質量部と、結着剤（ポリフッ化ビニリデン）１．７質量部と、導電剤（アセチレンブラック）２．５重量部とを分散媒中に投入し、混練して正極合剤スラリーを調製した。正極合剤スラリーをアルミニウム箔製の正極集電体の両面に塗布し、乾燥し、圧延して正極活物質層を形成し、所定寸法に切断して正極板を得た。正極集電体の一部に露出部を設け、アルミニウム製の正極リードを接続した。
（１）正極板の作製
正極活物質（ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.15Ａｌ0.05Ｏ2）１００質量部と、結着剤（ポリフッ化ビニリデン）１．７質量部と、導電剤（アセチレンブラック）２．５重量部とを分散媒中に投入し、混練して正極合剤スラリーを調製した。正極合剤スラリーをアルミニウム箔製の正極集電体の両面に塗布し、乾燥し、圧延して正極活物質層を形成し、所定寸法に切断して正極板を得た。正極集電体の一部に露出部を設け、アルミニウム製の正極リードを接続した。
（２）負極板の作製
負極活物質（黒鉛）１００質量部と、結着剤（スチレンブタジエンゴム）０．６質量部と、増粘剤（カルボキシメチルセルロース）１重量部とを分散媒中に投入し、混練して負極合剤スラリーを調製した。負極合剤スラリーを銅箔製の負極集電体の両面に塗布し、乾燥し、圧延して負極活物質層を形成し、所定寸法に切断して負極を得た。負極集電体の一部に露出部を設け、ニッケル製の負極リードを接続した。
負極活物質（黒鉛）１００質量部と、結着剤（スチレンブタジエンゴム）０．６質量部と、増粘剤（カルボキシメチルセルロース）１重量部とを分散媒中に投入し、混練して負極合剤スラリーを調製した。負極合剤スラリーを銅箔製の負極集電体の両面に塗布し、乾燥し、圧延して負極活物質層を形成し、所定寸法に切断して負極を得た。負極集電体の一部に露出部を設け、ニッケル製の負極リードを接続した。
（３）非水電解質の調製
エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）を混合して非水溶媒を調製した。非水溶媒にＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解して非水電解質を得た。
エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）を混合して非水溶媒を調製した。非水溶媒にＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解して非水電解質を得た。
（４）電池の作製
正極板と負極板とをポリオレフィン製の微多孔製膜（セパレータ）を介して巻回して電極群を作製した。電極群の下端面に第２絶縁板を配置し、電池缶に挿入し、負極リードを電池缶の底部に抵抗溶接した。電池缶には、内面にニッケルめっきを施した鉄缶を用いた。
正極板と負極板とをポリオレフィン製の微多孔製膜（セパレータ）を介して巻回して電極群を作製した。電極群の下端面に第２絶縁板を配置し、電池缶に挿入し、負極リードを電池缶の底部に抵抗溶接した。電池缶には、内面にニッケルめっきを施した鉄缶を用いた。
電極群の上端面に、ガラス繊維にフェノール樹脂を含浸させた円盤状の第１絶縁板を配置した後、電池缶の開口端の近傍に、環状溝部を形成した。第１絶縁板としては、図１に示す第１孔および第２孔を有するものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は３１．２％であり、第１孔のアスペクト比は１．５であり、第１孔の開口率は１．６％であった。また、第１絶縁板の破断強度は８２Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ１ｍｍであった。
次に、安全機構を具備する封口体が具備する金属板に正極リードを接続し、電池缶に形成された環状溝部にガスケットを介して支持させ、電池缶の開口端を封口体の周縁にかしめ、リチウムイオン二次電池を完成させた。
《実施例２》
第１絶縁板として、図２に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は２７．６％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は６５Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ０．８であった。
第１絶縁板として、図２に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は２７．６％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は６５Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ０．８であった。
《実施例３》
第１絶縁板として、図３に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は２８．３％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は８３Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ２ｍｍと１．５ｍｍであった。
第１絶縁板として、図３に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は２８．３％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は８３Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ２ｍｍと１．５ｍｍであった。
《実施例４》
第１絶縁板として、図４に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は２４．３％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は１１０Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ２ｍｍと１．５ｍｍであった。
第１絶縁板として、図４に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は２４．３％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は１１０Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ２ｍｍと１．５ｍｍであった。
《実施例５》
第１絶縁板として、図５に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は３５．２％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は８０Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ０．８ｍｍであった。
第１絶縁板として、図５に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は３５．２％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は８０Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ０．８ｍｍであった。
《参考例６》
第１絶縁板として、図６に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は８．９％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は１８０Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ０．８ｍｍであった。
第１絶縁板として、図６に示すものを用いた。第１絶縁板の厚みＴは０．３ｍｍであり、Ｔ／Ｄ比は０．０１４９であり、開口率は８．９％であり、第１孔のアスペクト比は１．３６であり、第１孔の開口率は１．９％であった。また、第１絶縁板の破断強度は１８０Ｎであった。弧状孔の外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ０．８ｍｍであった。
このように、実施例および参考例では、Ｔ／Ｄ比が小さいにもかかわらず、第１絶縁板の高い破断強度が得られる。そのため、実施例の第１絶縁板を用いると、第１絶縁板の破壊や変形が起こり難く、封口体の排気弁からの排気が損なわれるのを抑制できる。
本発明に係る絶縁板は、強度に優れるとともに、高い排気性を確保することができるため、電池内でガスが発生するような二次電池、特に、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池に用いるのに有用である。
１０：二次電池
１１：封口体
１２：弁体
１２ａ：薄肉部
１３：金属板
１４：絶縁部材
１５：正極板
１５ａ：正極リード
１６：負極板
１６ａ：負極リード
１７：セパレータ
１８：電極群
１９：第２絶縁板
２０：第１絶縁板
２１：ガスケット
２２：電池ケース（電池缶）
２２０，３２０，４２０，５２０，６２０：第１絶縁板
１２１，２２１，３２１，４２１，５２１，６２１：第１孔
１２２，２２２，３２２，４２２，５２２，６２２：第２孔
１２２ａ，２２２ａ，３２２ａ，４２２ａ，５２２ａ，６２２ａ：弧状孔
１２２ｂ，２２２ｂ，３２２ｂ，４２２ｂ，５２２ｂ：スポット孔
８２０：第１絶縁板
８２１：半円状の孔
８２２ｂ：スポット孔
Ｂ：排気弁
１１：封口体
１２：弁体
１２ａ：薄肉部
１３：金属板
１４：絶縁部材
１５：正極板
１５ａ：正極リード
１６：負極板
１６ａ：負極リード
１７：セパレータ
１８：電極群
１９：第２絶縁板
２０：第１絶縁板
２１：ガスケット
２２：電池ケース（電池缶）
２２０，３２０，４２０，５２０，６２０：第１絶縁板
１２１，２２１，３２１，４２１，５２１，６２１：第１孔
１２２，２２２，３２２，４２２，５２２，６２２：第２孔
１２２ａ，２２２ａ，３２２ａ，４２２ａ，５２２ａ，６２２ａ：弧状孔
１２２ｂ，２２２ｂ，３２２ｂ，４２２ｂ，５２２ｂ：スポット孔
８２０：第１絶縁板
８２１：半円状の孔
８２２ｂ：スポット孔
Ｂ：排気弁
Claims (14)
- 巻回式の電極群と、電解質と、前記電極群および前記電解質を収容する円筒形の電池ケースと、前記電池ケースの開口部を封口するとともに、排気弁を備える封口体と、を備える二次電池用の絶縁板であって、
前記絶縁板は、前記電極群と前記封口体との間に配置され、０．１ｍｍ以上の厚みＴを有する円盤形状を有し、
前記絶縁板は、中央に形成された第１孔と、前記第１孔の周囲に形成された少なくとも１つの第２孔とを備え、
前記第２孔は、前記絶縁板の上面から見た時に、前記絶縁板の内周側に辺を有する形状を有し、
前記厚みＴの前記絶縁板の直径Ｄに対する比率（＝Ｔ／Ｄ）は、０．０１６以下であり、
前記絶縁板の開口率は、８％以上３６％以下である、絶縁板。 - 前記第１孔は、前記電極群の巻回軸の上方に配置され、
前記第２孔は、前記電極群の外周側に配置される、請求項１に記載の絶縁板。 - 前記第１孔は、縦長形状であり、
前記第１孔のアスペクト比は、１．２以上４以下である、請求項１または２に記載の絶縁板。 - 前記第１孔の開口率は、１％以上３％以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の絶縁板。
- 前記絶縁板の開口率は、２０％以上３２％以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の絶縁板。
- 前記第２孔は、少なくとも１つの弧状孔と、少なくとも１つのスポット孔とを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の絶縁板。
- 前記弧状孔は、前記円盤形状の外周側の２つのコーナー部と内周側の２つのコーナー部とを備え、
少なくとも前記外周側の２つのコーナー部は、丸みを帯びており、
前記外周側の２つのコーナー部の曲率半径は、それぞれ、０．８ｍｍ以上である、請求項６に記載の絶縁板。 - 前記弧状孔の開口率は５～３０％である、請求項６または７に記載の絶縁板。
- 前記第２孔は、前記絶縁板の外周からの距離が２．５ｍｍ以上の領域に形成されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の絶縁板。
- １００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する材料で形成されている、請求項１～９のいずれか１項に記載の絶縁板。
- 巻回式の電極群と、
電解質と、
前記電極群および前記電解質を収容する円筒形の電池ケースと、
前記電池ケースの開口部を封口するとともに、排気弁を備える封口体と、
前記電極群と前記封口体との間に配置された絶縁板と、を備え、
前記絶縁板は、０．１ｍｍ以上の厚みＴを有する円盤形状を有し、
前記絶縁板は、中央に形成された第１孔と、前記第１孔の周囲に形成された少なくとも１つの第２孔とを備え、
前記第２孔は、前記絶縁板の上面から見た時に、前記絶縁板の内周側に辺を有する形状を有し、
前記厚みＴの前記絶縁板の直径Ｄに対する比率（＝Ｔ／Ｄ）は、０．０１６以下であり、
前記絶縁板の開口率は、８％以上３６％以下である、二次電池。 - 前記排気弁の開口径は、１０ｍｍ以上である、請求項１１に記載の二次電池。
- ２０ｍｍ以上の外径を有する、請求項１２に記載の二次電池。
- 前記電池ケースの底部に、排気弁を有さない、請求項１１～１３のいずれか１項に記載の二次電池。
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