JPH10247488A

JPH10247488A - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: JPH10247488A
Application number: JP9062459A
Authority: JP
Inventors: Koji Murai; 剛次村井
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1998-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】異常時の電池内の最も高い温度を速やかに検知
して電池内部の回路を遮断し安全性を向上させ得ると共
に、電池内の空間を有効利用し得て電池自体の小型化が
図れる非水電解質二次電池を提供する。【解決手段】帯状の正極板と帯状の負極板とをセパレー
タを介して積層すると共に略渦巻き状に巻回して電極を
形成し、該電極を有底筒状の負極缶内に装填し負極缶の
開口部をキャップで閉塞した非水電解質二次電池におい
て、負極缶内の電極の中空状の巻芯部内に電流遮断機構
を配設し、電流遮断機構の動作によって電池内部の回路
を遮断する。電流遮断機構は、例えば感温素子を有する
略円柱状の電子部品で形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電
池に係わり、特に安全性を向上させた非水電解質二次電
池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化及び携帯化が急
速に進展する中で、電源として使用される二次電池は小
型で高エネルギー密度を有することが要求され、そのた
め、多種多様な二次電池が開発され実用化されている。
ところで、この種の二次電池においては、過充電、過放
電や過電流時等に、電池内で発生する熱によってガスが
発生し、二次電池自体が破損する虞がある。

【０００３】特に、リチウムやリチウム合金または炭素
材料のようなリチウムイオンがドープ・脱ドープ可能な
物質を負極板とし、リチウムコバルト酸化物等のリチウ
ム複合酸化物を正極板として使用するリチウムイオン二
次電池（非水電解質二次電池）にあっては、ガス吸収サ
イクルを持たないこと、電解液に有機溶媒を使用してい
ること、及びエネルギー密度が高いこと等から上記のよ
うな破損を起こす虞があり、安全性の確保が重要な課題
となっている。

【０００４】そこで、従来この種の非水電解質二次電池
においては、例えば図４に示す安全機構が採用されてい
る。すなわち、この非水電解質二次電池５１は、帯状の
正極板５３と負極板５４とをセパレータ５５を介して積
層すると共に渦巻き状に巻回して電極５２を形成し、こ
の電極５２を負極板５４が接続された円筒状の負極缶５
６内に装填し、負極缶５６の開口部を正極板５３が接続
されたキャップ５７で閉塞する。

【０００５】そして、正極板５３がリード線５８を介し
て接続された破裂板５９の外周部と、キャップ５７の外
周部との間にＰＴＣ素子（正特性サーミスタ）６０を配
設する。このＰＴＣ素子６０は本来、ＰＴＣ素子６０の
通電電流で素子自体が発熱することにより抵抗が増加す
ることを利用して電流を遮断するものであるが、外部か
らの熱によっても同様の効果が得られる。したがって、
このＰＴＣ素子６０をキャップ５７と破裂板５９との間
に介在させることにより、例えば負極缶５６内が所定の
温度以上になった時に、ＰＴＣ素子６０の電気抵抗値が
急激に増加し正極回路が遮断されて外部への通電を停止
するようにしたものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この非
水電解質二次電池５１にあっては、ＰＴＣ素子６０が負
極缶５６の開口部外周に配設されているため、負極缶５
６（電池５１）内の最も高い温度を速やかに検知するこ
とが困難で安全性が劣ると共に、電池５１自体が大型化
し易いという問題点があった。

【０００７】すなわち、渦巻き状に巻回した電極５２に
過電流が流れると、互いにセパレータ５５を介して積層
状態で巻回されている正極板５３及び負極板５４の中心
部分（巻芯部）の温度が最も高くなるが、上記のＰＴＣ
素子６０の配設位置では、この温度を直接的に検出する
ことができず、負極缶５６内の外周部の温度を検知する
ことになる。そのため、負極缶５６内の温度上昇に対し
てＰＴＣ素子６０が速やかに感応せず、正極回路の遮断
タイミングがずれて外部の回路の保護が困難になる等、
十分な安全性が得られ難くなる。

【０００８】また、正極板５３に接続された破裂板５９
とキャップ５７との間にＰＴＣ素子６０が介装状態で配
設されているため、このＰＴＣ素子６０の厚さ分だけ、
負極缶５５すなわち電池５１自体が大きくなり、上述し
たように小型化が要求される昨今において逆行すること
になる。

【０００９】そこで、本発明はこのような事情に鑑みて
なされたもので、請求項１または２記載の発明の目的
は、異常時の電池内の最も高い温度を検知して電池内部
の回路を速やかに遮断し安全性を向上させ得ると共に、
電池内の空間を有効利用し得て電池自体の小型化が図れ
る非水電解質二次電池を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成すべ
く、本発明のうち請求項１記載の発明は、帯状の正極板
と帯状の負極板とをセパレータを介して積層すると共に
略渦巻き状に巻回して電極を形成し、該電極を有底筒状
の負極缶内に装填し負極缶の開口部をキャップで閉塞し
た非水電解質二次電池において、電極の中空状の巻芯部
内に電流遮断機構を配設し、電流遮断機構の動作によっ
て電池内部の回路を遮断することを特徴とする。

【００１１】このように構成することにより、過充電や
過放電あるいは外部の回路異常等による過電流によって
電極が発熱し、巻芯部内の温度が所定値以上になると、
電極の巻芯部内に配設された過電流遮断機構が動作し、
例えば電池内の正極回路を遮断する。過電流遮断機構
は、例えば断面円形の各電極板から発生する熱を均等に
受け最も温度が高くなる中心部分、すなわち電極の巻芯
部内に配設されているため、電池内の温度上昇が速やか
に検知され正極回路が迅速に遮断される。また過電流遮
断機構は、略渦巻き状の電極の軸心部分に必然的に形成
されるデットスペースとしての中空状の巻芯部内に配設
されるため、電池内の空間の有効利用が図れ、負極缶す
なわち電池自体の小型化が図れる。

【００１２】また、請求項２記載の発明は、電流遮断機
構が、感温素子を有する略円柱状の電子部品で形成され
ていることを特徴とする。このように構成することによ
り、外形形状が略円柱状の電子部品が略円筒状の巻芯部
内に配設されるため、巻芯部の空間の一層の有効活用が
図れると共に、電極板から発せられる熱を電子部品の外
周面の全域で直接的かつ均等に受けることができて、電
子部品の感応速度が一層高められる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
を図面に基づいて詳細に説明する。図１及び図２は、本
発明に係わる非水電解質二次電池の一実施の形態を示
し、図１がその断面図、図２が図１のＡ−Ａ線に沿った
一部省略した矢視図である。図において、非水電解質二
次電池１（以下単に電池１という）は、電極２と、この
電極２の巻芯部２ａ内に配設された電流遮断機構として
の温度ヒューズ３と、電極２が装填される負極缶４と、
この負極缶４の開口部４ａを閉塞するキャップ５を有し
ている。

【００１４】電極２は、帯状の正極板６と帯状の負極板
７とをセパレータ８を介して積層し、これを渦巻き状に
巻回することによって略円柱形状に形成され、その軸心
位置には所定の内径を有する中空状の巻芯部２ａが形成
されている。この巻芯部２ａ内に、上記温度ヒューズ３
が配設されている。

【００１５】温度ヒューズ３は、例えばラジアルタイプ
の小型合金温度ヒューズが使用され、その本体３ａ内部
には、図示しない感温素子（可溶合金）が設けられ、こ
の感温素子に接続された一対のリード線が本体３ａ外部
に引き出されて、正極リード９ａ、９ｂを形成してい
る。

【００１６】そして、一方の正極リード９ａの先端部
が、正極板６の巻き始め端部に溶接等によって固着さ
れ、他方の正極リード９ｂの先端部が、負極缶４の開口
部４ａに配設された破裂板１０の裏面に溶接等によって
固着されている。これにより、温度ヒューズ３が、電池
１内の正極回路の途中に接続され、かつ電極２の巻芯部
２ａの空間Ｋ内で軸方向の略中央位置に、一対の正極リ
ード９ａ、９ｂによって支持された状態で配設されてい
る。

【００１７】上記負極缶４は有底円筒形状に形成され、
その底部４ｂの外側面には負極端子１４が形成されると
共に、底部４ｂの内面には一端部が電極２の巻き終わり
部分の負極板７に接続された負極リード１１の他端部が
溶接等によって固着されている。そして、負極缶４の開
口部４ａには、パッキング１２を介して上記キャップ５
と破裂板１０が配設されている。

【００１８】キャップ５は、その中央部分が外方に突出
することにより正極端子１３が形成されると共に、その
外周部５ａが破裂板１０の外周部に密着してパッキング
１２に挟持され、このパッキング１２が負極缶４の開口
部４ａの端部でかしめられることによって、負極缶４の
開口部４ａがキャップ５と破裂板１０で閉塞されてい
る。そして、電池１は、正極端子１３と負極端子１４に
外部回路（図示せず）が接続されて使用される。

【００１９】

【実施例】次に、本発明を実施例においてより具体的に
説明する。

【００２０】実施例１実施例１は、図１中の電極２を、帯状の正極板６と帯状
の負極板７との間にポリプロピレン製のセパレータ８を
配して渦巻き状に巻回したものである。ここで、正極板
６は、厚さ２０ミクロンのアルミニウム箔の両面に、リ
チウムコバルト複合酸化物９０重量部、黒鉛粉末５重量
部、ポリフッ化ビニリデン樹脂５重量部、及びＮ−メチ
ルピロリドン５０重量部の混合物を、塗布、乾燥、圧延
したものである。

【００２１】また、負極板７は、厚さ１５ミクロンの銅
箔の両面に、黒鉛粉末９０重量部、ポリフッ化ビニリデ
ン樹脂１０重量部、及びＮ−メチルピロリドン１００重
量部の混合物を、塗布、乾燥、圧延したものである。ま
た、正極板６には正極リード９ａを、負極板７には負極
リード１１を溶接し、正極リード９ａ、９ｂ間には、１
００°Ｃで動作する温度ヒューズ３が接続してある。こ
の正極リード９ａ、９ｂと温度ヒューズ３等によって正
極回路が形成される。

【００２２】次に、この渦巻き状に巻回した電極２を負
極缶４に装填後、負極缶４と負極リード１１とを溶接
し、破裂板１０と正極リード９ｂを溶接した。そして、
この負極缶４内に、エチレンカーボネート５０ｖｏｌ％
とジエチルカーボネート５０ｖｏｌ％からなる溶媒に６
フッ化リン酸リチウムを１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させ
て調製した非水電解液を注入し、パッキング１２を介し
て負極缶４の開口部４ａの端部をかしめることにより、
キャップ５及び破裂板１０を固定し負極缶４を密閉し
た。

【００２３】こうして、製作した電池１の短絡試験の結
果を表１に示す。なお、短絡試験は、電池１を１０００
ｍＡの電流で４．３Ｖまで過充電した後に、正極端子１
３と負極端子１４とを導線で短絡することによって行
い、外観上の異常の有無と、電池１の外表面の温度につ
いて評価した、

【００２４】比較例１比較例１は、上記図４に示すキャップ５７と破裂板５９
の間にＰＴＣ素子６０を配設したものである。そして、
この電池の上記実施例１と同様の短絡試験の結果を表１
に示す。

【００２５】比較例２比較例２は、上記図１の正極リード９ａ、９ｂの途中
（電極２の巻芯部２ａ内）に温度ヒューズ３を取り付け
なかった以外は、実施例１と同様の方法で製作し、電池
の外表面に温度ヒューズ３を取り付けたものである。そ
して、この電池の上記実施例１と同様の短絡試験の結果
を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】この表１から明らかなように、実施例１の
電池１は、電池外表面の温度が５５°Ｃと比較例１及び
比較例２に対して低い。これは、実施例１の温度ヒュー
ズ３を、温度が最も高くなり易い電極２の巻芯部２ａ内
に配設していることに起因する。すなわち、電極２の各
部で発生する熱は、断面円形の正極板６及び負極板７か
ら放射状に発せられて中心位置である巻芯部２ａに集中
し、この温度を、巻芯部２ａ内に配設された温度ヒュー
ズ３が、その外形円形状の外周面で検知する。

【００２８】その結果、電池１内の最も早く温度上昇す
る電極２の巻芯部２ａの温度が略１００°Ｃになった時
点で、温度ヒューズ３が動作して溶断し正極回路を遮断
するため、巻芯部２ａ内の温度が略１００°Ｃに維持さ
れる時間が極めて短くなり、電池１の外表面の温度が低
く抑えられることになる。

【００２９】これに対して、比較例１の電池及び比較例
２の電池は、ＰＴＣ素子６０や温度ヒューズが電池内の
最も高い温度を検知する位置に配設されていないため、
電池内の温度を速やかに検知することが困難となる。そ
の結果、電池内の異常温度によるガス発生で、破裂板が
作動したりガスが電池外へ噴出する等の外観上の異常が
生じることになる。

【００３０】このように、上記実施例の電池１によれ
ば、電流遮断機構としての温度ヒューズ３を、電極２の
巻芯部２ａ内に配設しているため、電池１内の温度上昇
を温度ヒューズ３によって効率よくかつ速やかに検知す
ることができ、異常発生時の電池１内の正極回路を迅速
に遮断することができて、例えば外部回路への悪影響や
周辺部品の温度上昇等を確実に防止し、安全性の高い電
池１を得ることが可能になる。

【００３１】特に、電流遮断機構として外形形状が略円
柱形の温度ヒューズ３を使用しているため、例えば巻芯
部２の内面形状に略合致させることができると共に、巻
芯部２ａの長手方向の中央位置に配設しているため、巻
芯部２ａ内の温度をその外周面全域で直接的に効率良く
受けることができて、温度上昇をより速やかに検知する
ことができると共に、この温度ヒューズ３と破裂板１０
とを併用することにより、電池１の安全性が一層高めら
れる。

【００３２】また、温度ヒューズ３は、帯状の正極板６
と負極板７を渦巻き状に巻回する際に、電極２の巻芯部
２ａに必然的に設けられる空間Ｋを利用して配設するた
め、負極缶４内に形成されるデッドスペースとしての空
間Ｋの有効利用が図れる。これにより、従来例（比較例
１）のように、キャップ５と破裂板１０との間に電流遮
断機構を介在する必要がなくなり、負極缶４の高さを小
さくし得る等、負極缶４の大きさを小型に形成すること
ができて、電池１の小型化が可能になる。

【００３３】さらに、温度ヒューズ３は、ラジアルタイ
プが使用され、その両側に引き出されたリード線を正極
リード９ａ、９ｂとして使用することができるため、正
極リードを別途用いる必要がなくなると共に、温度ヒュ
ーズ３の巻芯部２ａ内への配設作業を容易に行うことが
できる。

【００３４】なお、上記実施例においては、電流遮断機
構として、１００°Ｃで動作するラジアルタイプの温度
ヒューズ３を使用したが、本発明の電流遮断機構はこれ
に限定されるものでもなく、例えば、アキシャルタイプ
の温度ヒューズを使用しても良いし、動作温度も電池１
の用途に応じて適宜に設定される。また、電流遮断機構
として、感温リードスイッチ、バイメタルや電子回路に
よる温度スイッチ、ＰＴＣ素子等の、所定温度を検知し
て所定の動作をする適宜の電子部品を使用することがで
きる。

【００３５】さらに、上記実施例においては、電極２を
１枚の帯状の正極板６と負極板７とを連続的に巻回する
ことによって渦巻き状に形成したが、本発明における略
渦巻き状とは、例えば図３に示すように、径の異なる円
筒状の正極板１６と負極板１７を円筒状のセパレータ１
８を介して積層し、その軸方向の両端部をリード板（図
示せず）等で接続することにより、正極板１６及び負極
板１７を並列的に接続した形態の電極１５も包含するも
のである。このように形成すれば、温度ヒューズ３の外
周面を電極１５の巻芯部１５ａの内面に密着させること
ができて、温度ヒューズ３の感応速度をより一層高める
ことができる。

【００３６】さらに、上記実施例における、負極缶４の
形状（すなわち電池１の形状）、電極２の巻回数及び板
厚等も一例であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲に
おいて、種々変更可能であることはいうまでもない。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１または２
記載の発明によれば、電流遮断機構を電極の巻芯部内に
配設することにより、異常時の電池内の最も高い温度を
速やかに検知して電池内部の回路を遮断することがで
き、安全性の高い非水電解質二次電池を得ることができ
る。また、略渦巻き状に巻回した電極の巻芯部に必然的
に形成される空間に電流遮断機構を配設することによ
り、電池内のデッドスペースを有効利用することができ
て、電池自体の小型化を図ることが可能になる等の効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる非水電解質二次電池の断面図

【図２】同図１のＡ−Ａ線に沿った一部省略した矢視図

【図３】本発明に係わる非水電解質二次電池の他の実施
例を示す図２と同様の矢視図

【図４】従来の非水電解質二次電池の断面図

【符号の説明】

１非水電解質二次電池２電極２ａ巻芯部３温度ヒューズ４負極缶４ａ開口部５キャップ６正極板７負極板８セパレータ９ａ、９ｂ正極リード１０破裂板１１負極リード１２パッキング１３正極端子１４負極端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】帯状の正極板と帯状の負極板とをセパレー
タを介して積層すると共に略渦巻き状に巻回して電極を
形成し、該電極を有底筒状の負極缶内に装填し負極缶の
開口部をキャップで閉塞した非水電解質二次電池におい
て、前記電極の中空状の巻芯部内に電流遮断機構を配設し、
該電流遮断機構の動作によって電池内部の回路を遮断す
ることを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項２】前記電流遮断機構が、感温素子を有する略
円柱状の電子部品で形成されていることを特徴とする請
求項１記載の非水電解質二次電池。