JP7431203B2

JP7431203B2 - 電池セル

Info

Publication number: JP7431203B2
Application number: JP2021159446A
Authority: JP
Inventors: 雄佑藤井
Original assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Current assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2024-02-14
Anticipated expiration: 2041-09-29
Also published as: JP2023049611A

Description

本技術は、電池セルに関する。

電池セルにおいて、電極体を収容するケースの内圧が所定の圧力よりも大きくなったときに開弁して内圧を開放する圧力開放弁が従来から知られている。このような圧力開放弁は、たとえば特開２０１６－１２６９８９号公報（特許文献１）に記載されている。

特開２０１６－１２６９８９号公報

従来の電池セルは、ケースと、ケースとは別体の圧力開放弁とを成形や溶接により接合している。電池セル製造工程で熱入力があった場合、接合面の状態が変わり、作動圧へ悪影響を及ぼす可能性がある。圧力開放弁の作動圧をより精密に安定させたいという要請があることを鑑みると、従来の電池セルは、必ずしも十分な構成を備えたものとはいえない。

本技術の目的は、ガス排出弁の作動圧を精密に制御することが可能な電池セルを提供することにある。

本技術に係る電池セルは、電極体および電解液と、電極体および電解液を収納し、ガス排出穴が設けられたケースと、ガス排出穴に脱着可能に取り付けられた封止部材とを備える。封止部材は、ケースに嵌合する第１部分と、ガス排出穴を封止する第２部分とを含む。ケースの内圧が所定の圧力に達したとき、またはケース内の温度が所定の温度に達したときに、第２部分によるガス排出穴の封止が解除される。

本技術によれば、ガス排出弁の作動圧を精密に制御することが可能な電池セルを提供することができる。

電池セルを示す断面図である。電池セルの封口板周辺の構造を示す図である。電池セルの封口板に取り付けられる封止部材の一例を示す斜視図である。図３に示す封止部材が封口板に嵌合した状態を示す断面図である。図３に示す封止部材が封口板から外れるときの状態を示す断面図である。封止部材の変形例を示す断面図（その１）である。封止部材の変形例を示す断面図（その２）である。封止部材の変形例を示す断面図（その３）である。封止部材の変形例を示す断面図（その４）である。図９に示す封止部材の嵌合部分が封口板から外れるときの状態を示す断面図である。

以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。

なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。

また、本明細書において幾何学的な文言および位置・方向関係を表す文言、たとえば「平行」、「直交」、「斜め４５°」、「同軸」、「沿って」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。本明細書において「上側」、「下側」などの相対的な位置関係を表す文言が用いられる場合、それらの文言は、１つの状態における相対的な位置関係を示すものとして用いられるものであり、各機構の設置方向（たとえば機構全体を上下反転させる等）により、相対的な位置関係は反転ないし任意の角度に回動し得る。

本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池など他の電池を含み得る。本明細書において、「電極」は正極および負極を総称し得る。また、「電極板」は正極板および負極板を総称し得る。

図１は、電池セル１を示す断面図である。図２は、電池セル１における封口板１２０周辺の構造を示す図である。

図１に示すように、電池セル１は、ケース１００と、電池要素２００と、電極端子３００と、封止部材４００とを含む。

ケース１００は、本体１１０と、封口板１２０とを含む。ケース１００は、略直方体形状を有する。すなわち、電池セル１は、角型のリチウムイオン電池である。ケース１００の本体１１０は、電池要素２００を収納する。封口板１２０は、本体１１０に設けられた開口を封止する。封口板１２０は、本体１１０に溶接により接合され、本体１１０と一体化される。

図２に示すように、封口板１２０には、ケース１００内のガスを排出するための排出穴１２０Ａが形成されている。

ケース１００の本体１１０および封口板１２０は、たとえばアルミニウムなどの金属により形成される。

電池要素２００は、電極体２１０と、電解液２２０とを含む。電池要素２００は、ケース１００内に収納される。

電極端子３００は、正極端子３１０と、負極端子３２０とを含む。正極端子３１０は、電極体２１０の正極側に電気的に接続され、負極端子３２０は、電極体２１０の負極側に電気的に接続される。

封止部材４００は、ケース１００の封口板１２０に脱着可能に取り付けられる。封止部材４００は、封口板１２０に設けられた排出穴１２０Ａを封止する。

図３は、封止部材４００の一例を示す斜視図である。図４は、封止部材４００が封口板１２０に嵌合した状態を示す断面図であり、図５は、封止部材４００が封口板１２０から外れるときの状態を示す断面図である。

図４に示すように、封止部材４００は、ケース１００の封口板１２０に嵌合する第１部分４１０と、封口板１２０の排出穴１２０Ａを封止する第２部分４２０とを含む。

第１部分４１０は、排出穴１２０Ａを塞ぐ蓋部分４１０Ａと、封口板１２０に嵌合する嵌合部分４１０Ｂと、蓋部分４１０Ａおよび嵌合部分４１０Ｂを接続する接続部分４１０Ｃと、蓋部分４１０Ａの外周に位置し、封口板１２０の外表面上に延びるフランジ部分４１０Ｄとを含む。

図４に示す例では、蓋部分４１０Ａ、嵌合部分４１０Ｂ、接続部分４１０Ｃ、およびフランジ部分４１０Ｄは一体成形された樹脂部材により形成されている。ただし、これらは互いに別部材から形成することも可能である。

第２部分４２０は、封口板１２０の外表面およびフランジ部分４１０Ｄの間に設けられた軟質部分である。この軟質部分は、フランジ部分４１０Ｄを含む第１部分４１０よりも変形しやすい素材により形成される。

図５に示すように、ケース１００の内圧が上昇したときは、蓋部分４１０Ａに上向き（矢印Ａ）の力が作用する。これにより、嵌合部分４１０Ｂは矢印Ｂの方向に変形する。

ケース１００の内圧が所定の圧力に達したとき、嵌合部分４１０Ｂの嵌合が外れ、これにより、第２部分４２０による排出穴１２０Ａの封止が解除される。ここでいう「所定の圧力」は、一例として、０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下程度の圧力である。「所定の圧力」を上記の範囲に設定することにより、電池セル１の通常状態において封止部材４００が誤って封口板１２０から外れることが抑制される。

嵌合部分４１０Ｂの形状、材質等を調整することにより、嵌合強度を精密に制御することが可能である。したがって、ガス排出弁としての封止部材４００の作動圧を精密に制御することが可能である。

封止部材４００が封止する排出穴１２０Ａの大きさは適宜変更されるが、一例として、排出穴１２０Ａを略円形に形成する場合の排出穴１２０Ａの径は、Φ１０ｍｍ以上Φ２５ｍｍ以下程度である。

第１部分４１０を構成する素材は、電解液に対する耐性、長期使用に対する耐久性などを考慮して決定される。嵌合部分４１０Ｂが変形しやすく、嵌合が外れる前に材料破断が起こらないようにする観点からは、引張方向に強く、曲げ方向の弾性率が大きい素材が好ましい。通常使用時に変形や溶損が発生しないように、電極端子３００周辺のガスケット以上の耐熱性を持たせる観点からは、耐熱温度が９０℃以上程度であることが好ましい。電解液に浸かっても腐食させない観点からは、ポリオレフィン樹脂（炭化水素の二重結合をもつ重合体）など、耐薬品性を有する素材が好ましい。また、環境規制対応の観点からは、ＲｏＨＳ指令に抵触しない素材が好ましい。

以上の観点から、第１部分４１０を構成する素材として、引張強度が２６ＭＰａ以上４１ＭＰａ以下程度、曲げ弾性率が１３００ＭＰａ以上程度、耐熱温度が１１０℃以上１４０℃以下程度の素材を用いることが好ましい。

具体的には、第１部分４１０を構成する素材として、たとえば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタラート）などの樹脂、またはＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）などを用いることができる。

第２部分４２０を構成する素材は、劣化による水漏れを抑制する観点からは、荷重による圧縮率が高く、時間経過による荷重逃げ（クリープ）が少ない素材であることが好ましい。また、ケース１００の内圧上昇時の水漏れを抑制する観点からは、低圧縮率で水密性を保証できる素材が好ましい。通常使用時に変形や溶損が発生しないように、電極端子３００周辺のガスケット以上の耐熱性を持たせる観点からは、耐熱温度が９０℃以上程度であることが好ましい。電解液に浸かっても腐食させない観点からは、圧縮弾性変化が少ない素材が好ましい。

以上の観点から、第２部分４２０を構成する素材として、荷重８Ｎ／ｃｍ²時の圧縮率が５０％以上程度、クリープが１０００時間で５％以下程度、圧縮率が５０％程度で水密性を確保することができ、圧縮弾性変化が５％以下程度の素材を用いることが好ましい。

具体的には、第２部分４２０を構成する素材として、たとえば、ＥＰＤＭを主剤とした発泡体であるエプトシーラーＮｏ．６８５［Ｎｉｔｔｏ］を用いることができる。

次に、図６～図１０を用いて、封止部材４００の変形例について説明する。図６は、第１の変形例を示す。

図６に示す例では、封口板１２０に当接する嵌合部分４１０Ｂの当接面を斜めに形成している。この当接面の傾斜角度を変更することにより、封口板１２０から嵌合部分４１０Ｂが受ける垂直抗力Ｆの方向を変更し、ケース１００の内圧上昇に伴い封止部材４００が外れる作動圧力を調整することができる。また、当接面の傾斜確度によらず、嵌合部分４１０Ｂの係りしろＤを調整することによっても、封止部材４００が外れる作動圧力を調整することができる。

図７の例では、嵌合部分４１０Ｂが封止部材４００の幅方向内側に突出するように形成されている。図８の例では、嵌合部分４１０Ｂおよび接続部分４１０Ｃが封止部材４００の幅方向（図中左右方向）の中央に形成されている。

図９の例では、蓋部分４１０Ａの端部にヒンジ４３０が設けられ、第１部分４１０はヒンジ４３０を介して封口板１２０に回動可能に支持される。

図１０は、図９に示す封止部材４００の嵌合部分４１０Ｂが封口板１２０から外れるときの状態を示す断面図である。ケース１００の内圧上昇に伴い嵌合部分４１０Ｂが封口板１２０から外れると、図１０に示すように、第１部分４１０がヒンジ４３０を中心として矢印Ｃ方向に回動し、封口板１２０の排出穴１２０Ａが開かれる。

上述の例では、封止部材４００と封口板１２０とを嵌合により接合し、この嵌合が外れることにより排出穴１２０Ａの封止が解除される構造について説明したが、本技術の範囲はこれに限定されない。また、第１部分４１０の一部（たとえば蓋部分４１０Ａまたは接続部分４１０Ｃ）がケース１００の内圧を受けて破断することにより排出穴１２０Ａの封止が解除される構造であってもよい。

また、上述の例では、ケース１００の内圧が所定の圧力に達したときに排出穴１２０Ａの封止が解除される構造について説明したが、ケース１００内の温度が所定の温度に達したときに、たとえば蓋部分４１０Ａが溶融することによって排出穴１２０Ａの封止が解除される構造であってもよい。

以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１電池セル、１００ケース、１１０本体、１２０封口板、１２０Ａ排出穴、２００電池要素、２１０電極体、２２０電解液、３００電極端子、３１０正極端子、３２０負極端子、４００封止部材、４１０第１部分、４１０Ａ蓋部分、４１０Ｂ嵌合部分、４１０Ｃ接続部分、４１０Ｄフランジ部分、４２０第２部分、４３０ヒンジ。

Claims

電極体および電解液と、
前記電極体および前記電解液を収納し、第１面にガス排出穴が設けられたケースと、
前記ガス排出穴に脱着可能に取り付けられた封止部材とを備え、
前記封止部材は、前記ケースに嵌合する第１部分と、前記ガス排出穴を封止する第２部分とを含み、前記ケースの内圧が所定の圧力に達したとき、または前記ケース内の温度が所定の温度に達したときに、前記第２部分による前記ガス排出穴の封止が解除され、
前記第１部分は前記第１面に沿う方向に突出する突出部を含み、前記突出部が前記ケースに係止することで、前記第１部分は前記ケースに嵌合している、電池セル。
前記第１部分の嵌合が外れることにより前記第２部分による前記ガス排出穴の封止が解除される、請求項１に記載の電池セル。
電極体および電解液と、
前記電極体および前記電解液を収納し、ガス排出穴が設けられたケースと、
前記ガス排出穴に脱着可能に取り付けられた封止部材とを備え、
前記封止部材は、前記ケースに嵌合する第１部分と、前記ガス排出穴を封止する第２部分とを含み、前記ケースの内圧が所定の圧力に達したとき、または前記ケース内の温度が所定の温度に達したときに、前記第２部分による前記ガス排出穴の封止が解除され、
前記封止部材は、前記ケースの外表面上に延びるフランジ部分を含み、
前記封止部材の前記第２部分は、前記ケースの前記外表面および前記フランジ部分の間に設けられた軟質部分を含み、
前記軟質部分は、前記フランジ部分よりも変形しやすい素材により形成される、電池セル。
前記第１部分および前記フランジ部分は、一体成形された樹脂部材により形成される、請求項３に記載の電池セル。
前記所定の圧力は、０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池セル。
前記ケースは角型の形状を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池セル。
前記電池セルは、リチウムイオン二次電池である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電池セル。