JP7201628B2

JP7201628B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP7201628B2
Application number: JP2020014858A
Authority: JP
Inventors: 圭太郎町田
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2023-01-10
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: JP2021121999A

Description

本発明は二次電池に関し、例えば、過充電によって生じる電池セルの構造的な不具合を防止する過充電保護機構を有する二次電池に関する。

近年、二次電池の利用が拡大している。この二次電池のうち自動車用二次電池では、電極体を収納した金属製のケースを密封することで形成される。このとき、二次電池では、過充電状態の継続により内圧が高まることが有り、この内圧による破損を防止するために過充電保護機構が設けられる。そこで、過充電保護機構に関する技術の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載の動力電池は、第１の極柱、第２の極柱及びトップカバーモジュールを含み、前記第１の極柱及び前記第２の極柱は、いずれも前記トップカバーモジュールに設けられ、且つ、前記第２の極柱は、前記トップカバーモジュールと電気的に絶縁されている動力電池トップカバー構造であって、前記第１の極柱にくっ付けられ、且つ、前記第１の極柱と前記トップカバーモジュールを電気的に接続する抵抗を更に含み、前記トップカバーモジュールは、トップカバーシート、第１の短絡部材及び第２の短絡部材を含み、前記第１の短絡部材及び前記第２の短絡部材は、前記トップカバーシートにくっ付けられ、前記動力電池の内部圧力が大きくなると、上へ動作し、前記第１の極柱が前記第２の極柱と電気的に接続されて保護回路が形成され、前記保護回路が形成されたとき、前記第１の短絡部材が前記抵抗と並列接続の関係となるように設置されており、前記抵抗の抵抗値が前記第１の短絡部材より大きいことを特徴とする。

特許第６２７５０９３号公報

特許文献１に記載の動力電池では、第１の極柱と第２の極柱とのいずれか一方をトップカバーモジュールと電気的に接続する。ここで、動力電池をリチウムイオン電池とする場合、電極体を収納するケースと、トップカバーモジュールと、をアルミニウムで形成する。このとき、特許文献１に記載の技術をリチウムイオン電池に適用する場合、トップカバーモジュールと電気的に接続する極柱を正極側の極柱とする。これは、以下の不具合を防ぐためである。

リチウムイオン電池において、トップカバーモジュールと負極側極柱とを電気的に接続した場合、リチウムイオン電池の電極体を収納するケースが負極電位に帯電する。このような状態となると、電極体を絶縁フィルムで覆うことでケースと電極体とを絶縁しても、電極体からリチウムイオンが電解液を介してケースに移動し、ケースを構成するアルミニウムとリチウムイオンが合金化することを防止することができない。それにより、ケースが腐食し、最悪の場合、ケースに穴が開くことがある。

しかしながら、ケースを正極と負極のいずれとも電気的に接続しない中立電位とする場合において、特許文献１に記載の技術のように第１の短絡部材及び第２の短絡部材とを用いた場合、第１の短絡部材と第２の短絡部材の動作圧が製造ばらつき等により正極側と負極側とでばらつくことがある。そして、この製造ばらつきにより、例えば、負極側のみがケースと短絡した場合、リチウムイオン電池では、上述したケースの腐食が発生する問題がある。このような問題は、二次電池の信頼性を低下させる原因となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、二次電池の信頼性を高めることを目的とするものである。

本発明の二次電池の一態様は、ケースと、前記ケースに収納される電極体と、前記ケースに前記電極体が収納された状態で前記ケースを密閉する蓋と、前記電極体の正極と電気的に接続され、前記蓋の外部に設けられる正極端子と、前記電極体の負極と電気的に接続され、前記蓋の外部に設けられる負極端子と、を有し、前記ケース及び蓋は、前記ケース内の内圧が第１の圧力よりも低い状態で中立電位に保たれ、前記蓋は、前記ケース内の内圧が前記第１の圧力以上になったことに応じて、前記蓋の部材と前記正極端子とを電気的に接続する正極側保護部材と、前記ケース内の内圧が前記第１の圧力以上の圧力である第２の圧力以上になったことに応じて、前記蓋の部材と前記負極端子とを電気的に接続する負極側保護部材と、を有する。

本発明の二次電池では、正極端子に対応して設けられる正極側保護部材の作動圧を負極端子に対応して設けられる負極側保護部材の作動圧以下に設定する。

本発明の二次電池によれば、二次電池の信頼性を向上させることができる。

実施の形態１にかかる二次電池の構造と過充電発生時の動作を説明する二次電池の概略図である。実施の形態１にかかる二次電池の蓋の構造を説明する概略図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、図１に実施の形態１にかかる二次電池１の構造と過充電発生時の動作を説明する。二次電池１の概略図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる二次電池１は、ケース１０、電極体１１、蓋１３を有する。そして、実施の形態１にかかる二次電池１は、ケース１０内に電極体１１が収納された状態で、蓋１３が電極体１１を密閉する構造を有する。ここで、電極体１１は、袋状に形成された絶縁フィルム１２に収納され、かつ、ケース１０とは絶縁された状態でケース１０に収納される。また、実施の形態１にかかる二次電池１は、蓋１３の面のうちケース１０の外部に位置する面に電極体１１と電気的に接続される正極端子２３、負極端子３３が設けられる。以下で、二次電池１の構成について詳細に説明する。

ケース１０は、例えば、アルミニウムで構成されるケースであり、電極体１１を収納する形状を有する。電極体１１は、例えば、リチウムイオン電池として機能する発電体である。なお、電極体１１としては、ニッケル水素電池として機能する電極体など、様々な形式の電池が考えられる。また、図１に示す例は、電極体１１を、正極シートと負極シートとセパレータシートが積層された積層体により構成した。電極体１１としては、他に正極シートと負極シートとセパレータシートが積層された状態で３周以上捲回した倦回体で構成するものがある。

電極体１１は、正極シートのうち正極活物質が塗工された領域と、負極シートのうち負極活物質が塗工された領域と、セパレータシートと、が積層された領域である。ここで、正極シート及び負極シートに塗工される活物質について説明する。正極シートには、活物質として、例えば、LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2等が塗工される。また、負極シートには、活物質として、例えば、黒鉛（LiC6）、チタネイト（Li4Ti5O12）等が塗工される。そして、積層体では、正極シートにおいて活物質が塗工される活物質領域と、負極シートのうち活物質が塗工される活物質領域と、が重ね合わされるように積層され、セパレータシートはこの正負の活物質領域に挟まれるように設けられる。なお、以下の説明では、正極シートと負極シートとを含む語として電極シートを用いる。

そして、電極体１１の正極シートと負極シートには、活物質が塗工されていないタブ領域が設けられる。そして、電極体１１では、正極側のタブと、負極側のタブが同じ位置になるようにシートが積層される。そして、正極側のタブは、正極集電部２０により束ねられ、負極側のタブは、負極集電部３０によって束ねられる。

正極集電部２０には、正極側取り出し電極２１が設けられ、この正極側取り出し電極２１が正極端子２３に電気的に接続される。また、正極端子２３と蓋１３との間には、インシュレータ２２が挟み込まれる。そして、インシュレータ２２により正極端子２３と蓋１３は絶縁される。また、負極集電部３０には、負極側取り出し電極３１が設けられ、この負極側取り出し電極３１が負極端子３３に電気的に接続される。また、負極端子３３と蓋１３との間には、インシュレータ３２が挟み込まれる。そして、インシュレータ３２により正極端子２３と蓋１３は絶縁される。なお、インシュレータ２２には、後述する正極側反転板１４が設けられる位置に開口が設けられる。インシュレータ３２には、後述する負極側反転板１５が設けられる位置に開口が設けられる。

蓋１３には、正極側保護部材（例えば、正極側反転板１４）、負極側保護部材（例えば、負極側反転板１５）が設けられる。正極側反転板１４は、ケース１０内の内圧が第１の圧力Ｐ１以上になったことに応じて、蓋１３の部材と正極端子２３とを電気的に接続する。一方、正極側反転板１４は、ケース１０内の内圧が第１の圧力Ｐ１よりも低ければ、蓋１３の部材と正極端子２３との絶縁状態を維持する。また、負極側反転板１５は、ケース１０内の内圧が第１の圧力Ｐ１以上の圧力である第２の圧力Ｐ２以上になったことに応じて、蓋１３の部材と負極端子３３とを電気的に接続する。一方、負極側反転板１５は、ケース１０内の内圧が第２の圧力Ｐ２よりも低ければ、蓋１３の部材と負極端子３３との絶縁状態を維持する。

図１に示すように正極側反転板１４及び負極側反転板１５は、蓋１３と端子とを電気的に接続するか否かを切り替える際に、部材の凸方向が変化するように形成される。より具体的には、正極側反転板１４は、蓋１３の部材と正極端子２３とを絶縁する状態においてはケース１０内に向かって凸形状を有し、蓋１３の部材と正極端子２３とを電気的に接続する状態においてはケース内に向かって凹形状を有するように形成される。負極側反転板１５は、蓋１３の部材と負極端子３３とを絶縁する状態においてはケース１０内に向かって凸形状を有し、蓋１３の部材と負極端子３３とを電気的に接続する状態においてはケース１０内に向かって凹形状を有するように形成される。

なお、図１では、凸方向が切り替わる板状の部材で形成される正極側反転板１４及び負極側反転板１５を示したが、正極側保護部材及び負極側保護部材としては、ケース１０の内圧に従ってピンが上下して蓋１３と端子とを電気的に接続させるか否かを切り替える機構を用いる事もできる。

そして、図１に示すように、実施の形態１にかかる二次電池１では、充電状態において、充電率が１００％以上になる過充電状態においてさらに充電電流が流れる第１の過充電状態において、ケース１０の内圧が第１の圧力Ｐ１以上なると、正極側反転板１４の凸方向が反転して、蓋１３と正極端子２３とを電気的に接続する。この第１の過充電状態では、正極端子２３と負極端子３３とが絶縁状態を維持するため、充電電流は電極体１１を介して負極端子３３から正極端子２３に向かって流れる。

続いて、過充電状態が第１の過充電状態からさらに続くとケース１０の内圧が第２の圧力Ｐ２を超える第２の過充電状態となる。第２の過充電状態では、負極側反転板１５の凸方向が反転して、蓋１３と負極端子３３とが電気的に接続される。これにより、実施の形態１にかかる二次電池１では、正極端子２３と負極端子３３とが蓋１３を介して電気的に接続される状態なる。そのため、充電電流が蓋１３を介して負極端子３３から正極端子２３に流れることになる。そして、第２の過充電状態では、電極体１１に印加される充電電流が蓋１３にバイパスされることで、ケース１０の内圧上昇が防止される。また、実施の形態１にかかる二次電池１では、第２の過充電状態において充電電流が蓋１３にバイパスされるため、電池の熱暴走も防ぐことができる。

上述したように、実施の形態１にかかる二次電池１では、正極に対応して設けられる正極側反転板１４の作動圧を負極に対応して設けられる負極側反転板１５の動作圧以下とすることでケース１０が負極側のみと電気的に接続される状態を防止する。そこで、正極側反転板１４と負極側反転板１５の作動圧の設定方法について説明する。そこで、図２に実施の形態１にかかる二次電池１の蓋１３の構造を説明する概略図を示す。

図２に示すように、実施の形態１にかかる蓋１３は、正極側反転板１４、負極側反転板１５に加えて、安全弁１６、正極側取り出し電極貫通穴１７、負極側取り出し電極貫通穴１８、注液穴１９が設けられる。

安全弁１６は、作動圧Ｚが正極側反転板１４の作動圧Ａ及び負極側反転板１５の作動圧Ｂよりも高く設定される。正極側取り出し電極貫通穴１７は、正極側取り出し電極２１を貫通させるための穴である。負極側取り出し電極貫通穴１８は、負極側取り出し電極３１を貫通させるための穴である。注液穴１９は、ケース１０内に電解液を注入するための穴であって、注液後に封止される。

この蓋１３では、以下の第１の条件から第２の条件の少なくとも１つを満たすことで、正極側反転板１４の作動圧Ａを負極側反転板１５の作動圧Ｂ以下に設定する。
第１の条件：正極側反転板１４の板厚Ｅ≦負極側反転板１５の板厚Ｆ
第２の条件：正極側反転板１４の材質強度≦負極側反転板１５の材質強度
第３の条件：正極側反転板１４の直径φＣ≧負極側反転板１５の直径φＤ

上記第１の条件から第３の条件を満たす方法の１つとしては、正極側反転板１４及び正極側反転板１４を蓋１３とは別の部材で形成し、その後蓋１３に正極側反転板１４及び負極側反転板１５を溶接する等の方法が考えられる。

上記説明より、実施の形態１にかかる二次電池１では、電極体１１及びインシュレータ２２、３２により、過充電等の異常状態がない定常状態においてケース１０を中立電位（或いは、他の電位とは切り離されたフローティング状態）に維持する。そして、実施の形態１にかかる二次電池１では、正極側反転板１４の作動圧Ａを負極側反転板１５に作動圧Ｂ以下に設定する。これにより、実施の形態１にかかる二次電池１では、ケース１０の内圧が高まった場合には、蓋１３及びケース１０を正極電位とした上で、その後、正極端子２３と負極端子３３とを蓋１３を介して電気的に接続することで、ケース１０が負極端子３３のみに電気的に接続される状態を防止することができる。

ケース１０がアルミニウムで形成され、電極体１１がリチウムイオン電池を構成する場合、アルミニウムがリチウムと反応した部分がもろくなる現象が発生する。この現象は、ケース１０が負極電位に帯電している状態で発生する。そのため、実施の形態１にかかる二次電池１のように、ケース１０が負極端子３３のみに電気的に接続される状態を回避することで、このようなケース１０の劣化を防止することができる。これにより、実施の形態１にかかる二次電池１では信頼性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１二次電池
１０ケース
１１電極体
１２絶縁フィルム
１３蓋
１４正極側反転板
１５負極側反転板
１６安全弁
１７正極側取り出し電極貫通穴
１８負極側取り出し電極貫通穴
１９注液穴
２０正極集電部
２１正極側取り出し電極
２２インシュレータ
２３正極端子
３０負極集電部
３１負極側取り出し電極
３２インシュレータ
３３負極端子

Claims

ケースと、
前記ケースに収納される電極体と、
前記ケースに前記電極体が収納された状態で前記ケースを密閉する蓋と、
前記電極体の正極と電気的に接続され、前記蓋の外部に設けられる正極端子と、
前記電極体の負極と電気的に接続され、前記蓋の外部に設けられる負極端子と、を有し、
前記ケース及び蓋は、前記ケース内の内圧が第１の圧力よりも低い状態で中立電位に保たれ、
前記蓋は、
前記ケース内の内圧が前記第１の圧力以上になったことに応じて、前記蓋の部材と前記正極端子とを電気的に接続する正極側保護部材と、
前記ケース内の内圧が前記第１の圧力以上の圧力である第２の圧力以上になったことに応じて、前記蓋の部材と前記負極端子とを電気的に接続する負極側保護部材と、
を有する二次電池。
前記正極側保護部材は、前記蓋の部材と前記正極端子とを絶縁する状態においては前記ケース内に向かって凸形状を有し、前記蓋の部材と前記正極端子とを電気的に接続する状態においては前記ケース内に向かって凹形状を有し、
前記負極側保護部材は、前記蓋の部材と前記負極端子とを絶縁する状態においては前記ケース内に向かって凸形状を有し、前記蓋の部材と前記負極端子とを電気的に接続する状態においては前記ケース内に向かって凹形状を有する請求項１に記載の二次電池。
前記第１の圧力及び前記第２の圧力は、前記蓋に設けられる安全弁の作動圧よりも低い請求項１又は２に記載の二次電池。
前記正極側保護部材の直径が前記負極側保護部材の直径以上、
前記正極側保護部材の板厚が前記負極側保護部材の板厚以下、
前記正極側保護部材の材質強度が前記負極側保護部材の材質強度以下、
の少なくとも１つの条件を満たすように前記正極側保護部材と前記負極側保護部材が形成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池。
前記電極体と前記ケースとを絶縁する絶縁フィルムと、
前記正極端子及び前記負極端子と、前記蓋と、の間に挿入され、絶縁体で成型されるインシュレータとをさらに有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二次電池。
前記インシュレータは、前記正極側保護部材と前記負極側保護部材に対応する部分に開口部を有する請求項５に記載の二次電池。