JPH10188945A - リチウム二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電池の内部抵抗を低減し、電池使用時の温度上
昇にともなう電池内圧の上昇に対する応答性と制御性が
良好であり、安全性と充放電特性に優れたリチウム二次
電池を提供する。 【解決手段】リチウム、コバルトを主成分とする複合金
属酸化物を正極活物質とし、炭素系材料を負極活物質と
するリチウム二次電池である。電池温度の上昇による電
池内圧の上昇時には、ばね性を有する金属板１７と内部
端子４との接点Ａが、ばね性を有する金属板１７の屈曲
によって瞬時に離れて電流が遮断され、電池が通常状態
に復帰した場合には、金属製のばね１８の伸縮力によ
り、接点Ａが再び形成されて電池の再使用が可能となる
電流遮断機構用素子３０を装着した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、安価で、安定した
放電特性が得られ、過放電や過充電による電池の温度上
昇等の異常時に瞬時に電流を遮断する安全機構を備えた
リチウム二次電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ノート型パーソナルコンピュー
タ、ポータブルビデオカメラ等の持ち運び型電子機器用
の電源として、あるいは大型のホストコンピュータや通
信機器等が停電等の急な非常時にも機器の作動が停止す
ることのないように必要とされるバックアップ電源とし
て、その電源となる電池に対して高性能化と信頼性の向
上が求められるようになってきている。こうした機器電
源用の電池としては充放電が可能な二次電池であること
が好ましく、従来から知られる鉛蓄電池や、Ｎｉ−Ｃｄ
電池またはＮｉ−水素電池等の高性能化が図られる一
方、近年では、これらの電池よりもエネルギー密度の大
きいリチウム二次電池に関心が集まっている。

【０００３】リチウム二次電池は、従来のマンガン系電
池と比較して、エネルギー密度が高く、また、一ユニッ
トの電位も約１０Ｖ程度と高いものが主流であることか
ら、その取り扱いには、注意を要する。

【０００４】現在、リチウム二次電池には取り扱い者の
不注意によって外部端子が何らかの金属片と接触して短
絡し、発生した過放電電流により加熱した金属片の周囲
に可燃物があった場合に発火事故が発生したり、あるい
は充電時の充電装置の故障や正負極を間違えて急速充電
が正しく行われなかったとによって、電池に過大電圧や
過大充電電流、逆接続電圧がかかり、電池内部の温度が
上昇して電池が破裂するといった事故を防止するため
に、電池温度の上昇に対してはＰＴＣ素子により電流を
制限する安全機構が組込まれている。また、そのＰＴＣ
素子の作動にもかかわらず、電解液等の分解により電池
内圧が上昇した場合には、電池内に装着された金属板に
設けられた破裂溝が割れて内圧を大気圧に開放すること
で、電池の破裂や発火の防止が図られている。

【０００５】図５は、リチウム二次電池の安全機構部の
基本構造を示している。ここで、リード線３は放圧孔５
を有する内部端子４と接続されており、リード線３の他
端は発電部２（図６に記載する）に接続される。内部端
子４は破裂溝９を有する圧力スイッチ板７と接点Ｄによ
り電気的に接続され、さらに、圧力スイッチ板７はＰＴ
Ｃ素子２１を介して、外部端子１５に接続されている。
また、内部端子４と圧力スイッチ板７とは、電池の内圧
上昇によって接点Ｄが剥離した場合には導通がなくなる
ように、絶縁体６によって隔離される構造となってお
り、これら全てが電池ケース１に収納されている。

【０００６】接点Ｄは一度剥離すると、元の状態に戻っ
て内部端子４と外部端子１５とを再接続するといった性
質のものではないために、一度接点Ｄが剥離すると電池
の再使用は不可能となる。

【０００７】また、前述したように、破裂溝９はＰＴＣ
素子２１が作動して電流が微小に制限されたにもかかわ
らず、電池の温度上昇や電解液の分解等が起こって電池
の内圧が上昇した場合に、接点Ｄが剥離して電流路が遮
断され、引き続いて電池内圧がさらに上昇した場合に、
破裂溝９が割れて内圧を大気圧に開放することにより、
電池の破裂を防ぐ安全機構である。従って、破裂溝９が
作動した場合には、電池は使用不可能となるため、破裂
溝９が作動する前に電池に起こった異常を解消できる安
全機構がたいへん重要となる。

【０００８】その安全機構の一つとしてのＰＴＣ素子２
１は、ある温度で急激に抵抗値が増大して電流を抑制す
る抵抗体素子であり、図５において、内部端子４から外
部端子１５への導通路に配置される。リチウム二次電池
用のＰＴＣ素子としては、例えば、（株）レイケムから
Ｐｏｌｙｓｗｉｔｃｈ（登録商標）ポリスイッチ等の導
電性ポリマーを用いた加熱保護素子が、室温抵抗率が１
Ω・ｃｍ、抵抗転移温度が１００℃、抵抗変化率が１０
０００倍という特性を有し、過大電圧や過大充電電流、
逆接続電圧による電池内部の異常温度上昇時には抵抗値
が大きくなって電流を制限し、温度異常が取り除かれた
後は通常の抵抗値に復帰して電池を再使用できることか
ら、広く用いられるようになっている。

【０００９】また、図５における圧力スイッチ板７と内
部端子４との接点Ｄは、一般的には溶接されて形成され
ており、内部圧がこの溶接強度を上回った場合に接点Ｄ
が離れて電池の再使用ができなくなる仕組みとなってい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリス
イッチＰＴＣ素子の室温での抵抗率は約１Ω・ｃｍある
ことから、電池の内部抵抗が大きくなって出力損失を生
じ、放電特性を低下させて電池寿命を短くする原因とな
りかねず、特に大型電池にＰＴＣ素子を装着しようとし
た場合には、素子の大面積化により素子内部での電流集
中が起こり易く、これにより発熱が生ずることから、大
型電池への装着が困難となっている。また、ポリスイッ
チは一般的に高価であり、大型のものが製造されていな
い。また、溶接により形成された接点の剥離を利用した
圧力スイッチによる電流遮断素子では、電池に生じた異
常が軽度であり、異常の原因除去後に電池の再使用が可
能な場合であっても、電池内部の導通路が一度切断され
てしまうと、電池の再使用ができないという欠点があ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような従来
技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明によ
れば、リチウム（Ｌｉ）、コバルト（Ｃｏ）を主成分と
する複合金属酸化物を正極活物質とし、炭素質材料を負
極活物質とするリチウム二次電池において、該リチウム
二次電池の発電部に導通する内部端子と、電気を外部に
取り出す外部端子との間に、ばね性を有する金属板と金
属製のばねを接続して構成される電流遮断素子が、該内
部端子と該ばね性を有する金属板が接点を形成し、か
つ、該外部端子と該金属製のばねが接続されるように嵌
挿されてなる安全機構を備え、該リチウム二次電池の通
常作動時には、両端子間を電気的に接続し、電池内圧上
昇時には、該ばね性を有する金属板と該内部端子との接
点が離れて両端子間の電気的接続を解除させることを特
徴とするリチウム二次電池、が提供される。

【００１２】また、本発明のリチウム二次電池に装着さ
れる電流制御素子を構成する部材においては、ばね性を
有する金属板がベリリウム（Ｂｅ）および銅（Ｃｕ）を
主成分とする合金であることが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】上述のように、本発明のリチウム
二次電池の安全機構においては、電流遮断素子の構成部
材が金属であるために、抵抗率が小さく、かつ、特に大
型電池の場合にも、電流集中が起こり難いために、安定
した電池特性が得られる。また、素子の作動が瞬時に行
われるので、内部端子と素子との接点部において、放電
（スパーク）が生じることがなく、スパークによる接点
部の接触抵抗の増加や電解液の分解を防止できる。以
下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する
が、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではな
い。

【００１４】図１は、ばね性を有する金属板１７と金属
製のばね１８からなる電流遮断素子３１を用いた安全機
構を示した一実施形態の断面図であり、電池が正常に作
動している状態を示している。リード線３の一端は発電
部２（図６に記載）に接続されており、そのリード線３
の他端は、放圧孔５を有する内部端子４と接続され、内
部端子４は破裂溝９を有するばね性を有する金属板１７
と接点Ａにおいて内部端子４と接触しており、ばね性を
有する金属板１７と金属製のばね１８との接点はＢは溶
接または機械的（かしめ等）に接合されて一体化される
か、または金属製のばね１８の伸縮力によってのみ、ば
ね性を有する金属板１７に接触してもよい。さらに、金
属製のばね１８のねじれを防止する支持棒１４が取り付
けられた電流遮断素子固定板１６が、外部端子１５の内
面中央部に取り付けられており、金属製のばね１８がこ
の電流遮断素子固定板１６に溶接または機械的に固定
（かしめ、ネジ止め等）されて構成される電流遮断素子
３１が電流路を兼ねている。

【００１５】また、絶縁体６は、内部端子４とばね性を
有する金属板１７の間の接点Ａが剥離した場合の絶縁、
および、ばね性のある金属板１７と負極となる電池ケー
ス１の内面との絶縁に使用され、これら全てが電池ケー
ス１に収納されている。

【００１６】なお、発電部２のさらに詳細な構成は図６
に示されているように、正極５０と、負極５１と負極リ
ード５２を一体とした負極板とをセパレータ５３を介し
て捲回したものを、絶縁板５４によって正極５０が電池
ケース１を介して導通しないように金属製の電池ケース
１に挿入し、一方、負極リード５２は電池ケース１の内
面に接続される。また、電解液は電極捲回部に充填さ
れ、さらに絶縁板５５によって負極板とリード線３とが
接触しない構造としている。

【００１７】また、本発明におけるリチウム二次電池の
正極活物質としては、通常、コバルト酸リチウム（Ｌｉ
ＣｏＯ₂）といったリチウムとコバルトを主成分とする
複合酸化物が使用され、負極活物質には黒鉛やハードカ
ーボン等の炭素質材料が使用され、電解液としては、有
機溶媒に六フッ化リン酸リチウム電解質を溶解したもの
が主に用いられる。

【００１８】本実施形態において使用されるばね性を有
する金属板１７としては、良好な弾性率を有するベリリ
ウムと銅を主成分とする合金が好適に使用される。ま
た、内部端子４や外部端子１５および電流遮断素子固定
板１６等の通電性部材としては、電気抵抗が小さく、加
工が容易で安価な銅が好適に用いられるが、ニッケルや
ニッケル−銅合金等も使用可能であり、金属製のばね１
８としては、良好な弾性率を有する金属部材であればよ
い。

【００１９】絶縁体６はシート状のものが好ましく、絶
縁性プラスチック等の加工が容易なものが好適に使用さ
れるが、ポリプロピレン等の安価で耐久性に優れたもの
が好ましい。

【００２０】図２は、図１に示した実施形態における安
全機構が作動した状態を示している。即ち、過放電や過
充電などが起こった場合には、必然的に電池温度が高く
なって内圧が上昇する。このとき、内圧によってばね性
を有する金属板１７が屈曲して接点Ａが瞬時に離れ、電
流を遮断する。この状態で、異常の原因が取り除かれれ
ば、電池温度が低下すると同時に、内圧が低下し、金属
製のばね１８の反発力によって、再び、接点Ａが形成さ
れる。このようなスイッチング機構においては、電流が
瞬時に遮断されることから、接点Ａにおいて放電現象
（スパーク）が生じて電解液に悪影響を与えることがな
い。しかし、このような電流遮断素子の作動にもかかわ
らず、電池の内圧が急激に上昇するような異常時には、
破裂溝９が破裂して内部圧力が開放され、この場合に
は、電池は再使用できなくなる。

【００２１】図３は、図１に示した実施形態における電
流遮断素子３１と、温度異常に反応するコイル状の形状
記憶合金部材１１を通電板１０と電流遮断素子固定板１
６にかしめ、またはネジ止め等の機械的方法によって固
定した電流遮断素子３２とを組み合わせた実施形態の断
面図である。本実施形態においては、金属製のばね１８
の一端は、通電板８に接続され、その通電板８は、電流
遮断素子３２の通電板１０と接点Ｃを形成し、外部電極
１５へ導通する仕組みとなっている。ここで、通電板８
および１０としては、銅等の良導性金属が好適に使用さ
れ、また、記号１２は絶縁体であり、絶縁性硬質プラス
チック部材や絶縁性セラミックス等が好適に用いられ
る。なお、支持棒１４は、本実施形態の場合には、コイ
ル状の形状記憶合金部材１１のねじれを防止するために
用いられており、金属部材であっても、絶縁性部材であ
ってもよい。

【００２２】本実施形態は、電池の内圧上昇に感応して
作動する電流遮断素子３１と、電池の温度上昇に感応し
て作動する電流遮断素子３２とを装着し、安全性の確保
を図っている。また、電池本体に外部から応力が加わっ
て変形し、内圧が上がった状態が継続する場合等では、
接点Ａが離れて使用が不可能となるので、不良電池を誤
って使用することを回避できる。

【００２３】本実施形態の安全機構の作動形態は次の通
りである。まず、充放電の異常や動作環境によって電池
温度が上昇した場合、電池本体が密閉構造であることか
ら、図４に示すように、電池の内部圧力が増加してばね
性を有する金属板１７が屈曲して接点Ａが離れて電流を
遮断する。しかし、異常の原因が除去され、電池温度が
通常温度に下がり、電池内部圧力が通常値に復帰する
と、金属製のばね１８による伸縮力によって接点Ａが再
形成され、通電が可能となる。ところが、接点Ａの剥離
により、電流を遮断したにもかかわらず、温度上昇が継
続した場合には図４に示されるように、ある所定の温度
において収縮するように設計されたコイル状の形状記憶
合金部材１１が収縮し、接点Ｃが離れて電流が遮断箇所
が新たに形成される。即ち、この場合には、電池内での
電流遮断点が２箇所となるため、接点Ａの再形成による
内圧異常の解除と、接点Ｃの再形成による温度異常の解
除の両方が行われなければ、電池を再使用することがで
きない。もちろん、これらの２つの安全機構の作動にも
かかわらず、電池の内圧が上昇するような異常時には、
破裂溝９が破裂して内部圧力が開放される従来の安全機
構をも並設する。

【００２４】以上、本発明の実施形態について詳述して
きたが、本発明はこれらの実施形態によって何ら限定を
受けるものではないことはいうまでもないところであ
る。また、本発明には上記の実施形態の他にも本発明の
趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づい
て種々の変更、修正、改良等の加え得るものであること
が理解されるべきである。

【００２５】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明のばね性
を有する金属板と金属製のばねとから構成される電流遮
断素子による安全機構を装着したリチウム二次電池によ
れば、安全機構に使用される素子の部材自体が金属であ
るために、抵抗率が小さく、かつ、特に大型電池の場合
にも、電流集中が起こり難いために、安定した電池特性
が得られるという利点がある。また、ばね性を有する金
属板と金属製のばね１７を用いた電流遮断素子の作動は
瞬時に行われるので、内部端子と電流遮断素子との接点
部において、放電（スパーク）が生じることがなく、ス
パークによる接点部の接触抵抗の増大と、電解液の分解
が防止されて、充放電事故を防止できるという顕著な効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の安全機構の一実施形態の断面図であ
る。

【図２】本発明の図１に示した実施形態の絶縁作動状態
を示す断面図である。

【図３】本発明の別の安全機構の実施形態を示す断面図
である。

【図４】本発明の図３に示した実施形態の絶縁作動状態
を示す断面図である。

【図５】従来のリチウム二次電池の安全機構の断面図で
ある。

【図６】本発明のリチウム二次電池の発電部の構造図で
ある。

【符号の説明】

１…電池ケース、２…発電部、３…リード線、４…内部
端子、５…放圧孔、６…絶縁体、７…圧力スイッチ板、
８…通電板、９…破裂溝、１０…通電板、１１…コイル
状の形状記憶合金部材、１２…絶縁体、１４…支持棒、
１５…外部端子、１６…電流遮断素子固定板、１７…ば
ね性を有する金属板、１８…金属製のばね、２１…ＰＴ
Ｃ素子、３１…電流遮断素子、３２…電流遮断素子、５
０…正極、５１…負極、５２…負極リード、５３…セパ
レータ、５４…絶縁板、５５…絶縁板、Ａ…内部端子４
とばね性を有する金属板１７との接点、Ｂ…ばね性を有
する金属板１７と金属製のばね１８との接点、Ｃ…電流
遮断素子３２と通電板８との接点、Ｄ…内部端子４と圧
力スイッチ板７との接点

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リチウム（Ｌｉ）、コバルト（Ｃｏ）を主
   成分とする複合金属酸化物を正極活物質とし、炭素質材
   料を負極活物質とするリチウム二次電池において、 該リチウム二次電池の発電部に導通する内部端子と、電
   気を外部に取り出す外部端子との間に、ばね性を有する
   金属板と金属製のばねを接続して構成される電流遮断素
   子が、該内部端子と該ばね性を有する金属板が接点を形
   成し、かつ、該外部端子と該金属製のばねが接続される
   ように嵌挿されてなる安全機構を備え、該リチウム二次
   電池の通常作動時には、両端子間を電気的に接続し、電
   池内圧上昇時には、該ばね性を有する金属板と該内部端
   子との接点が離れて両端子間の電気的接続を解除させる
   ことを特徴とするリチウム二次電池。
2. 【請求項２】該ばね性を有する金属板がベリリウム（Ｂ
   ｅ）および銅（Ｃｕ）を主成分とする合金であることを
   特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池。