JPH10261400A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池

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JPH10261400A
JPH10261400A JP9065903A JP6590397A JPH10261400A JP H10261400 A JPH10261400 A JP H10261400A JP 9065903 A JP9065903 A JP 9065903A JP 6590397 A JP6590397 A JP 6590397A JP H10261400 A JPH10261400 A JP H10261400A
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terminal
battery
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temperature
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JP9065903A
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Morio Kobayashi
守夫 小林
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Abstract

(57)【要約】 【課題】電池の温度上昇による発煙・発火・爆発を防止
し、電池の安全性の改善および電池の使い勝手の改善を
図る。 【解決手段】電池ケースの封口部に熱応動バイメタルス
イッチによる端子切り換え回路を有する安全装置を設置
し、電池の異常温度上昇時に電極との通電を遮断し正負
極端子間を短絡させることにより、異常電池を複数個直
列接続された組電池から切り離す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解液二次電
池の異常発熱による発火や爆発を防止し、異常電池を切
り離しバイパスして使用する電池の安全性に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来の非水電解液二次電池の異常電極を
切り離す安全保護装置としては、第1の例として特開平
6−290767号公報に示されている通り、電池反応
部と正又は負の極端子と他の極端子を兼ねる電池容器と
を有する化学電池で、電池の異常反応時に発生するガス
圧又は反応熱にて駆動する駆動部材により、電極に接続
され絶縁材を介して電池容器を密封している仕切板と極
端子間の導通を遮断し、極端子と電池容器間を短絡する
方法が知られている。また、第2の例として特開平4−
147574号公報に示されている通り、プラスチック
フィルム基板上に金属皮膜を蒸着し、金属皮膜の一部を
パターニング除去して細いパターン幅のヒューズ部を形
成し、さらに金属皮膜上に正極活物質を塗布して正極板
とする。この正極板と負極板をセパレータを介して複数
枚積層して電池としたものに於いて、正負極間短絡が発
生した場合、短絡電流により正極板に設けた金属皮膜の
ヒューズが溶断し、異常正極板を切り離す方法等が知ら
れている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第1の
例では電気通路となり、かつシール部材となる仕切板が
絶縁材を介して電池容器の開口部に加締め構造で電池容
器を密封している。この内側に曲げられた電池容器の開
口端の内側と仕切板間に、電池の外部と接続される極端
子がガス圧により移動可能に設置される構造となってい
る。従って電解液の漏れを防止するパッキンの役目をす
るポリプロピレン等の軟質の厚い絶縁材を介して仕切板
を加締める必要があり、加締めバラツキにより仕切板の
位置が上下方向に安定しないばかりか、軟質肉厚樹脂の
経時温度変化により電池容器の密封が緩み、液漏れを起
こしやすい。また、電気接続部となる内側に曲げた電池
容器開口端部と仕切板の距離及び平行度がばらつく為、
極端子との間の接触・開離が確実に行われない等の不具
合があった。また、極端子は外部と電気的に接続される
と共に極端子の移動可能が必須であり、一方の電極接続
部である電池容器開口端部も電池外郭を形成しているた
め、外力により接続部が変形したり、ゴミ等が浸入した
りしてスイッチ機能をさせるには実用上適さない構造で
あった。さらに、電気接触部が電池内やガス通路にある
ため、電解液やその高温ガスにより電気接触部が腐食し
て接触不良や端子の切り換え動作不良が発生し易いばか
りでなく、可燃性の電解液の高温ガスが接点アークによ
り着火する恐れもあった。また、第2の例ではプラスチ
ックフィルム基板上に蒸着した金属皮膜を正極の集電材
とし、電流ヒューズをも兼ねているので金属皮膜厚さは
200Å前後の薄いものであり、一般的に集電体として
使われている金属箔の厚さ20μmに比べて非常に薄膜
となってしまう。従って、電池の導電路である内部電気
抵抗が大きくなり放電負荷特性が悪く、大きな電流が流
せない基本特性の劣った電池となってしまう問題があっ
た。
【0004】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、複数個直
列接続された非水電解液二次電池の内、異常温度上昇し
た際の電池への通電を確実に遮断して異常となった電池
のみを切り離し、その他の正常な電池で電池機能を継続
し、安全性の向上を図ると共に、使い勝手の良い非水電
解液二次電池を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、正極および負極をセパレータを介して対向
させた電極群と非水電解液からなる発電要素を電池ケー
ス内に収納し、各電極をリード線で封口部材に貫通設置
された各極内部端子に接続し、前記封口部材と一体とな
り各極外部端子を備え内部に熱応動のバイメタルスイッ
チによる端子切り換え回路を有する安全装置を電池ケー
スの開口部に設置し、防爆弁をバイメタルスイッチのあ
る密閉空間外としたものである。前記安全装置は、通常
は同極内部端子と同極外部端子間がバイメタルを通して
導通状態となり、バイメタルの温度上昇時は異極外部端
子間がバイメタルを通して導通状態となるようにしたの
で、異常電池のみが切り離されて使用されるものであ
る。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる非水電解液
二次電池の一実施例を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の非水電解液二次電池の一実施例を示す
構造縦断面図であり、図2は図1のA−A断面図、図3
は図2のB−B断面図である。同図において、1は正極
であり、アルミ箔からなる正極集電体1aの両面に無機
リチウムインターカレーション材料を正極活物質とする
正極合剤1b(例えば活物質としてLiMn24,LiCo
2,LiNiO2等、導電剤としてカーボン、結着剤とし
てポリフッ化ビニリデンを混合調整したもの)を保持さ
せたものである。2は負極であり、銅箔からなる負極集
電体2aの両面にリチウムインターカレーションカーボ
ン材料を負極活物質とする負極合剤2b(例えば活物質
として黒鉛、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを混合
調整したもの)を保持させたものである。3はセパレー
タであり、微多孔性のポリエチレンフィルム、またはポ
リプロピレンフィルムからなる。なお、ポリエチレンフ
ィルムは温度が上昇した時、フィルム自身の溶融によっ
て前記微多孔が閉じるシャットダウン開始温度が約13
0℃であり、ポリプロピレンフィルムのシャットダウン
開始温度は約150℃である。上記、正極1と負極2は
セパレータ3を介して対向した状態で渦巻き状に捲回さ
れ、電極群15を形成している。この場合、セパレータ
3は正極1、負極2よりも若干幅広く巻かれており、さ
らに巻芯部および巻き終り部において数回セパレータ3
単独で巻かれており、正極、負極間及び電極群周囲との
絶縁性を持たせている。この電極群15は非水電解液
(図示せず)に浸漬されて発電要素となる。上記非水電
解液は、LiPF6,LiBF4,LiClO4,LiAsF6
のリチウム塩を電解質として有機溶媒(プロピレンカー
ボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネー
ト、ジメチルカーボネート等の単独または混合物)に溶
解したものが使われる。10は電池ケースでステンレス
銅、ニッケルめっき鉄、ニッケルめっき銅やアルミニウ
ムが使われ、上記電極群15と非水電解液からなる発電
要素を有底円筒形の容器に収納し、封口部材11を有す
る安全装置20を被せてガスケット19を介して電池ケ
ース10の開口部に加締め密封したものである。封口部
材11はステンレス、ニッケルめっき鉄、ニッケルめっ
き銅、アルミニウム等の熱伝導性の良い金属材料からな
る。また、電池ケース10内の封口部材11側および容
器底部10aには電池内充電部と電池ケース10との電
池絶縁性を保つために、絶縁板12a,12bが設置さ
れている。4はアルミニウム材の正極リードであり、正
極1の正極集電体1aとアルミニウム材の正極内部端子
6に溶接等により接続されている。5はニッケル又は銅
材の負極リードであり、負極2の負極集電体2aとニッ
ケル又は銅材の負極内部端子7に溶接等により接続され
ている。13は絶縁デスタントであり、電極群15と封
口部材11間に、正極リード4および負極リード5を取
りまとめて収納する空間を確保すると共に、電極群15
が電池ケース10内で移動しないように押さえている。
正極内部端子6、負極内部端子7は、封口部材11に、
ガラスまたはプラスチック層を介在させて電気絶縁をす
ると共に、密封正を持たせたハーメチクシール8により
貫通固定されている。封口部材11に設けられた防爆穴
11aは、切り込み等の弱点部を有する金属板や薄膜金
属板からなる防爆弁9(図3)でシールされており、電
池ケース10内の圧力が異常温度上昇により高圧になっ
た場合に開裂し、電池ケース10の爆発を防止する。防
爆弁9の部分に位置する端子ケース21の鍔部21aに
もガス抜き穴21bが開けられてガスが直接外部の大気
中に放出できるようにしてある。防爆弁9の作動圧力と
しては、電池ケース内の温度と、電池ケース自身および
加締め部が先に破壊しない強度から決定され、10Kg
/cm2〜20Kg/cm2が望ましい。安全装置20は
プラスチック等の絶縁材から成る鍔付き帽子形の端子ケ
ース21とその鍔部21a周辺を前記封口部材11の周
辺部で包み込むように加締められて一体の密閉空間を形
成し、その内部に熱応動のバイメタルスイッチ22を内
蔵している。正極外部端子16および負極外部端子17
は端子ケース21の底面に内外に貫通して取り付けられ
ており、端子ケース外に出た部分が外部との電気接続部
となる単電池の各極端子となる。正極外部端子16は端
子ケース21内ではコの字状をしており、向かい合った
平行部内側に接点16a,16bを有している。負極外
部端子17は端子ケース21内でL字状に曲げられた水
平部に接点17aを有し、先端部は負極内部端子7の先
端部とハトメ18等により電気的に接続されている。操
作穴21cは前記ハトメ接続を端子ケース21外から作
業する穴であり、作業後はプラスチック材の絶縁性のフ
タ26で塞がれ、端子ケース内は密閉される。一方、正
極内部端子6の端子ケース21内側ではL字状に曲げら
れた水平部に接点6aを有している。正極外部端子16
の下接点16aと正極内部端子6の接点6aは下側に、
正極外部端子16の上接点16bと負極外部端子17の
接点17aは上側にそれぞれ平行に対向している。ま
た、下側接点16a部端子の下側には絶縁台27が封口
部材11に接着されて充電部と非充電部間の絶縁を保っ
ている。前記、上側接点16b,17aと下側接点16
a,6b間にはバイメタルスイッチ22がスプリング2
4を介し支持棒23により端子ケース21の底部にネジ
込まれた後、ナット25により固定されている。支持棒
23のネジ込み量を調整することによりバイメタルスイ
ッチ22の位置が調整でき、バイメタルの接点の接触圧
力を適正にすることができる。バイメタルスイッチ22
はバイメタル両端の両側に接点22aを有する両接点バ
イメタルであり、通常は下側接点側に湾曲して正極外部
端子の接点16aと正極内部端子の接点6aを短絡し、
設定温度以上に上昇すると上側接点側に急激に反転湾曲
して正極外部端子の接点16bと負極外部端子の接点1
7aを短絡する。つまり、温度上昇により異常温度にな
ると正極外部端子と発電要素である正電極の通電が遮断
され、正負極の外部端子間が短絡するものである。スプ
リング24は、バイメタルスイッチ22を支持棒23の
端部に押えるのと、バイメタルスイッチ22が反転動作
する時の振動を吸収して接点のチャタリング防止をす
る。
【0007】図4は安全装置20の他の実施例を示す断
面図である。同図においてバイメタルスイッチ22の構
造のみが図1から図3の一実施例と異なるものである。
つまり、バイメタルスイッチ22は、一端部のみの両面
に接点22aを有する片接点バイメタルであり、バイメ
タルスイッチ22の他端部は、正極外部端子16が端子
ケース21の内側でL字状に曲げられた水平部にリベッ
ト28により圧着接続されている。バイメタルスイッチ
22の接点22aは、負極外部端子17の接点17aと
正極内部端子6の接点6aの間に配置され、通常は下側
接点側に湾曲して正極外部端子の接点16aと短絡し、
設定温度以上に上昇すると上側接点側に急激に反転湾曲
して負極外部端子の接点17aと短絡する。つまり、前
記一実施例と同じように温度上昇により異常温度になる
と正極外部端子と発電要素である正電極の導通が遮断さ
れ、正負極の外部端子間が短絡するものである。
【0008】図5は本発明の非水電解液二次電池を複数
個直列接続した場合の電気回路図である。同図ではn個
の単電池(30a〜30n)を直列接続した場合を示
し、単電池の電圧をE(V)とすると、組電池の出力端
子X−Y間の電圧はn×E(V)となる。cは正極外部
端子16、aは発電要素の正極に接続された正極内部端
子6、bは発電要素の負極に接続された負極外部端子1
7を表している。通常は端子cは端子a側に接触してお
り、異常温度上昇すると端子cは端子b側に切り替わ
る。
【0009】次に、本発明による非水電解液二次電池の
組み立て方法について説明する。先ず、正極1および負
極2にそれぞれ正極リード4、負極リード5をスポット
溶接または超音波溶接により取り付けておく。このと
き、電池容量の大きさにより取り付けるリードの数は増
減される。上記正極1、負極2をセパレータ3を介して
捲回し、巻終わり部はテープ等で止めて電極群15を作
る。有底二重円筒形容器の底部10a側から絶縁板12
b、電極群15、絶縁デスタント13の順に入れ、正極
リード4、負極リード5をそれぞれ束ねて纏めておく。
次に、絶縁板12aを安全装置20の封口部材11側に
重ね合わせ、正極リード4、負極リード5を封口部材1
1の正極内部端子6、負極内部端子7に溶接する。次に
電池ケース10の開口部付近にネッキング成形してから
電解液を注入し、安全装置20をガスケット19を介し
て加締めにより密封して完成する。このように、安全装
置20を備えた非水電解液二次電池を従来の組立工程と
変わりなく組立てられるので作業性が良い。
【0010】次に、本発明による非水電解液二次電池の
作用について説明する。電池は充電回路の故障により設
定電圧以上に過充電されると、リチウムインターカレー
ションとしての電池反応以外の電解液を分解する化学反
応を起こし、電池を劣化させると共に電池の温度を上昇
させる。また、放電回路の故障により設定電圧以下に過
放電されると、負極にデントライト反応によりリチウム
金属が析出し、セパレータ3を突き破り、正・負極間短
絡を起こし、短絡電流が流れて異常温度になる。さら
に、通常の電池の使用温度範囲を越えた高温での使用
や、誤使用による外部短絡、何らかの原因による電池内
の内部短絡によっても、電池は発熱し異常温度となる。
非水電解液二次電池の温度が上昇すると、正極1、負極
2間にあるセパレータ3のフィルムが130℃〜150
℃で溶融し、フィルムの微多孔が閉じて正負電極間のリ
チウムイオンの移動を停止させるシャットダウン効果に
より電流を遮断する働きがある。しかしながら、セパレ
ータの材料であるポリエチレンフィルムやポリプロピレ
ンフィルムは、更なる温度上昇により溶融収縮し、正負
電極間の絶縁性が確保出来ずに、電極間短絡に至ってし
まう場合がある。電池内温度が150℃を越えると、電
極に使われている正極活物質が熱暴走を起こし、発煙・
発火・爆発に至る危険な温度領域となる。つまり、正極
活物質であるLiMn24,LiCoO2,LiNiO2等の結
晶格子からの酸素脱離反応により急激な発熱を伴う。酸
素脱離開始温度は活物質の種類や各元素の構成比により
異なるが150℃〜400℃の範囲にある。電池が何ら
かの原因により異常温度上昇すると、電池内の電解液は
分解し、また、電解液と正極、負極の活物質が化学反応
を起こしてガスを発生し、電池ケース内の圧力が急上昇
する。電池内の圧力が上昇して10Kg/cm2〜20
Kg/cm2になると、防爆弁9が開裂しガスを電池ケ
ース外に放出して、電池の爆発力を軽減する。この時、
高温ガスはバイメタルスイッチのある密閉空間外のガス
抜き穴21bから放出されるので、スイッチを腐食させ
たり、電解液の高温ガスに着火したりすることがない。
一方、電池の異常温度上昇は熱伝導の良い封口部材11
を通して安全装置20のバイメタルスイッチ22の温度
を上昇させ、バイメタルが反転して正極外部端子と発電
要素である正電極の導通が遮断され、正負極の外部端子
間が短絡するようにスイッチが切り替わる。つまり、図
5の異常単電池のc−a間の通電が遮断され、c−b間
が短絡される。従って、異常単電池が直列回路から切り
離され、異常単電池をバイパスした正常電池の直列回路
が形成され、出力電圧は(n−1)×E(V)で運転を
継続する。バイメタルスイッチの作動温度としては電池
の実用温度を阻害しない範囲と電池の劣化が加速される
温度との関係から80℃〜130℃が望ましい。また、
バイメタルスイッチの温度下降時の復帰温度は準恒久的
に作動した状態を継続させる為にも0℃以下が望まし
い。つまり、一度異常温度上昇によりバイメタルスイッ
チが作動した後は強制的にバイメタルスイッチを0℃以
下に冷却しないと復帰しないようにしたので、異常要因
をチェックできると共に安全性を確保できる。
【0011】上記実施例では正極外部端子を基準端子と
して正極内部端子と負極端子を切り換える構造で説明し
たが、正極および負極をそれぞれ正極内部端子と負極内
部端子に逆に接続しても全く同じ機能を有するものであ
る。
【0012】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、正極
および負極をセパレータを介して対向させた電極群と非
水電解液からなる発電要素を電池ケース内に収納し、各
電極を熱応動バイメタルスイッチにより端子切り換えが
できる安全装置により電池ケースの開口部を密封したも
のであり、前記安全装置は、通常は同極内部端子と同極
外部端子間がバイメタルを通して導通状態となり、バイ
メタルの温度上昇時は異極外部端子間がバイメタルを通
して導通状態となるようにした。したがって、複数個の
単電池が直列接続されて使用される組電池の場合、ある
単電池が異常温度上昇すると異常電池のみが切り離さ
れ、残りの正常電池は継続使用できるので安全性が確保
できると共に使い勝手が良い。また、接点を有するバイ
メタルスイッチにより端子切り換えを行うので動作が確
実で接触抵抗も少ないので、安全性の高い放電特性の優
れた非水電解液二次電池を提供できる。また、安全装置
の受熱板となる封口部材は熱伝導の良い一枚の金属板で
あるので、電池内部の熱変化に対して熱応答性が良く、
電池ケース封口部の密閉信頼性が高い。さらに、バイメ
タルスイッチによる端子切り換え回路が端子ケースと封
口部材でインクローズされており、かつ、防爆弁がバイ
メタルスイッチのある密閉空間外にあるので、電池内の
圧力が上昇して防爆弁が開裂しガスを電池ケース外に放
出してゴミやガス等が安全装置内に入る恐れが無く接点
の接触不良が少なく、接点のアークにより噴出した可燃
性電解液の高温ガスに着火の恐れの無い安全装置とする
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の非水電解液二次電池の一実施例を示す
構造断面図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】図2のB−B断面図である。
【図4】本発明の非水電解液二次電池の安全装置の他の
実施例を示す構造断面図である。
【図5】本発明の非水電解液二次電池を直列接続した電
気回路図である。
【符号の説明】
1…正極、 1a…正極集電体、 1b…正極合剤、 2…負極、 2a…負極集電体、 2b…負極合剤、 3…セパレータ、 4…正極リード、 5…負極リード、 6…正極内部端子、 6a…正極内部端子の接点、 7…負極内部端子、 8…ハーメチクシール、 9…防爆弁、 10…電池ケース、 10a…容器底部、 11…封口部材、 11a…防爆穴、 12a,12b…絶縁板、 13…絶縁デスタント、 15…電極群、 16…正極外部端子、 16a,16b…正極外部端子の接点、 17…負極外部端子、 17a…負極外部端子の接点、 18…ハトメ、 19…ガスケット、 20…安全装置、 21…端子ケース、 21a…鍔部、 21b…ガス抜き穴、 21c…操作穴、 22…バイメタルスイッチ、 22a…バイメタルスイッチの接点、 23…支持棒、 24…スプリング、 25…ナット、 26…フタ、 27…絶縁台、 28…リベット、 30a,30b,30n…単電池。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01M 10/42 H01M 10/42 P

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極および負極をセパレータを介して対向
    させた電極群と非水電解液からなる発電要素を電池ケー
    ス内に収納し、各正負極をリード線で封口部材に貫通設
    置された各極内部端子に接続し、前記封口部材と各極外
    部端子を備えた端子ケースが一体となり密閉された端子
    ケース内部に熱応動のバイメタルスイッチによる内外部
    端子の切り換え回路を有すると共に、前記端子ケースの
    鍔部に電池ケース内のガス圧が設定値を越えると開放す
    る防爆弁による、放出部を設けた安全装置により電池ケ
    ースの開口部を密封したことを特徴とする非水電解液二
    次電池。
  2. 【請求項2】安全装置は一方の極の内部端子と外部端子
    が接続されており、他方の極の内部端子と外部端子は独
    立し、通常は独立している同極内部端子と同極外部端子
    間がバイメタルを通して導通状態となり、バイメタルの
    温度上昇時は異極外部端子間がバイメタルを通して導通
    状態となることを特徴とする請求項1記載の非水電解液
    二次電池。
  3. 【請求項3】安全装置の温度上昇時の作動温度が80℃
    から130℃で温度下降時の復帰温度が0℃以下である
    請求項1及び請求項2記載の非水電解液二次電池。
  4. 【請求項4】封口部材がステンレス、アルミニウム、
    鉄、銅等の金属材料からなる請求項1記載の非水電解液
    二次電池。
JP9065903A 1997-03-19 1997-03-19 非水電解液二次電池 Pending JPH10261400A (ja)

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