JPWO2013111318A1 - 密閉型電池 - Google Patents

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Abstract

CIDの経時劣化を抑制可能な密閉型電池を提供する。電解液が含浸されて発電要素として機能する電極体(10)と、電極体(10)を前記電解液と共に収納するケース(20)と、異常時に電流を遮断するCID(100)とを具備する電池(1)であって、CID(100)は、ケース(20)の内圧の上昇に伴って変形する反転板(110)と、反転板(110)に接合され、反転板(110)の変形に伴って変形する集電板(120)とを具備し、集電板(120)には、ケース(20)の内圧が所定値以上となった場合に破断する溝状の刻印部(123)と、集電板(120)の板面を貫通するように形成される複数の切込み(124)・(124)・・・とが設けられ、複数の切込み(124)・(124)・・・は、刻印部(123)の近傍に配置され、集電板(120)が変形する際に開くように形成される。

Description

本発明は、異常時に電流を遮断する電流遮断機構を備える密閉型の二次電池に関する。
従来、シート状に形成された一対の電極(正極及び負極)をセパレータを介して積層し、捲回して成る電極体と、当該電極体を電解液と共に収納するケースとを具備する密閉型の二次電池(以下、「密閉型電池」と記す)が広く知られている。
上記のような密閉型電池においては、過充電状態となった場合に、ケース内の電解液の分解反応に伴って発生したガスによって、ケースの内圧が上昇し、ケースが破損する等の問題が生じるおそれがある。
このような問題を解決するために、ケースの内圧が所定値以上となった場合に電流を遮断する電流遮断機構(Current Interrupt Device、以下、「CID」と記す)を備える密閉型電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
CIDは、例えば、外部端子に接続され、ケースの内圧の上昇に伴って変形する反転板と、当該反転板及び電極体の一方の電極に接続された集電板とを具備する。CIDは、反転板の変形に伴って、当該反転板に接続された集電板が変形し、当該集電板に所定値以上の応力が生じた場合に、当該集電板が破断して、密閉型電池における電流が遮断されるように構成されている。
近年、密閉型電池の長寿命化に伴い、CIDの経時劣化が問題となっている。
CIDの経時劣化は、密閉型電池の使用に伴う、ケースの内圧の変動によって引き起こされる。ケースの内圧が温度変化等によって繰り返し上下することにより、集電板に疲労が蓄積し、ケースの内圧が集電板の破断に必要とされる値に達していない場合でも、集電板が破断するおそれがある。つまり、CIDの作動に要する圧力(ケースの内圧)が低下するのである。
CIDは、安全装置として機能するため、長期の動作保障が要求されている。
そのため、CIDを備える密閉型電池において、CIDの経時劣化を抑制することが大いに望まれている。
国際公開WO2010/053100号公報
本発明は、CIDの経時劣化を抑制可能な密閉型電池を提供することを課題とする。
本発明の密閉型電池は、電解液が含浸されて発電要素として機能する電極体と、前記電極体を前記電解液と共に収納するケースと、異常時に電流を遮断する電流遮断機構と、を具備する密閉型電池であって、前記電流遮断機構は、前記ケースの内圧の上昇に伴って変形する反転板と、前記反転板に接合され、前記反転板の変形に伴って変形する集電板と、を具備し、前記集電板には、前記ケースの内圧が所定値以上となった場合に破断する溝状の刻印部と、前記集電板の板面を貫通するように形成される複数の切込みと、が設けられ、前記複数の切込みは、前記刻印部の近傍に配置され、前記集電板が変形する際に開くように形成される。
本発明の密閉型電池において、各切込みは、前記刻印部に交差するように形成されることが好ましい。
本発明の密閉型電池において、各切込みは、直線状に形成され、前記刻印部に対して垂直となるように配置されることが好ましい。
本発明の密閉型電池において、前記刻印部は、真円の環状に形成され、前記複数の切込みは、互いに一定の間隔を空けて放射状に配置されることが好ましい。
本発明の密閉型電池において、前記集電板における前記反転板との接合部分の周囲には、他部に比べて厚みが小さい薄肉部が形成され、前記薄肉部には、前記刻印部と、前記複数の切込みと、が配置され、前記薄肉部は、その中央部から外縁部にかけて波状に湾曲することが好ましい。
本発明によれば、CIDの経時劣化を抑制することができる。
本発明に係る密閉型電池を示す図。 集電板の薄肉部を示す図であり、(a)は、側面切断端面図、(b)は、底面図。 集電板の薄肉部の変形を示す図。 集電板の薄肉部に形成された切込みが開く様子を示す図。 従来の薄肉部の変形態様を示す模式図。 本発明に係る薄肉部の変形態様を示す模式図であり、(a)は、側面図、(b)は、平面図。 薄肉部の刻印部に生じる応力のCAE解析結果を示す図。 集電板の薄肉部の別実施形態を示す図。 集電板の薄肉部の別実施形態を示す図。 集電板の薄肉部の別実施形態を示す図。
以下では、図1〜図4を参照して、本発明に係る密閉型電池の一実施形態である電池1について説明する。
電池1は、いわゆる円筒型の電池である。
なお、説明の便宜上、図1における上下方向を電池1の上下方向と規定する。
また、以下の説明において、上方及び下方は、概して、電池1の外部側、及び電池1の内部側と同義である。
図1に示すように、電池1は、電解液が含浸されて発電要素として機能する電極体10と、電極体10を前記電解液と共に収納するケース20と、異常時に電流を遮断するCID100とを具備する密閉型の二次電池である。
電極体10は、シート状に形成された一対の電極(正極及び負極)をセパレータを介して積層し、円筒状に捲回して成る部材である。電極体10は、前記電解液が含浸されることで、発電要素として機能する。
ケース20は、電池1の外装を成す略円筒状の部材である。
ケース20は、収納部21と、蓋部22とを具備する。
収納部21は、上端面が開放した有底円筒状の部材であり、アルミニウムや鉄等の導電性を有する素材から成る。収納部21の内部には、電極体10が前記電解液と共に収納される。収納部21は、その底部(下端部)が導電性を有する負極集電部材を介して電極体10の負極と電気的に接続されており(不図示)、電池1の負極端子として機能する。
蓋部22は、収納部21の開放面を塞ぐ略円板状の部材であり、アルミニウムや鉄等の導電性を有する素材から成る。蓋部22は、収納部21の開放面を覆うように配置され、収納部21の上端部と蓋部22の外周端部とが絶縁性のガスケット23を介して固定されている。蓋部22は、その中央部が上方に向けて突出するように形成されている。蓋部22は、導電性を有する正極リード24、及びCID100を成す部材(詳細には、後述の反転板110及び集電板120)を介して、電極体10の正極と電気的に接続されており、電池1の正極端子として機能する。
蓋部22には、その板面を貫通するように通気孔22aが複数個形成されている。
そのため、収納部21の内部空間は、蓋部22によっては密閉されていない状態となっている。つまり、通気孔22aによってケース20の内部と外部とが連通している。
CID100は、電池1が過充電状態となってケース20の内圧が異常に上昇した場合に、電流を遮断する電流遮断機構(Current Interrupt Device)である。
CID100は、反転板110と、集電板120とを具備する。
反転板110及び集電板120は、導電性を有する略円板状の部材である。反転板110及び集電板120の間には、絶縁部材130が介装されている。
絶縁部材130は、絶縁性を有する環状の部材であり、反転板110の外周端部、及び集電板120の外周端部に接触するように構成されている。こうして、反転板110の外周端部と、集電板120の外周端部との導通が絶縁部材130によって防止されている。
反転板110及び集電板120は、ケース20の蓋部22と同様に、ガスケット23を介してケース20の収納部21に固定されている。
詳細には、上方から、蓋部22、反転板110、絶縁部材130、集電板120の順で同心的に積層され、これらの部材の外周端部がガスケット23によって挟持された状態で、収納部21の上端部に固定されている。こうして、蓋部22と反転板110とがそれらの外周端部において導通し、蓋部22、反転板110、及び集電板120と、収納部21との導通がガスケット23によって防止されている。
反転板110は、ケース20の内部に密閉空間を形成する部材であり、中央部に行くに従って、徐々に集電板120に接近するように(下方に窪むように)形成されている。
前述のように、蓋部22には、通気孔22aが形成されているため、蓋部22によってケース20の内部に密閉空間が形成されない。しかし、蓋部22の下方に反転板110が収納部21の開口面を塞ぐように配置されるため、反転板110によってケース20の内部に密閉空間が形成されるのである。
反転板110の上面には、溝状の刻印部111が形成されている。
刻印部111は、反転板110をその上面から下方に向けて切削するように形成され、反転板110の周方向に沿って連続的に配置されている。つまり、刻印部111は、反転板110の上面において連続的な環状に形成され、反転板110に対して同心的に配置されている。
集電板120は、正極リード24を介して、電極体10の正極と電気的に接続されている。
詳細には、正極リード24の一端部が集電板120の下面に接合され、正極リード24の他端部が電極体10の正極に接合されている。
集電板120の中央部には、他部に比べて厚み(集電板120における電極体10側の表面と、その反対側の表面との距離)が小さい薄肉部121が形成されている。
薄肉部121は、集電板120における反転板110との接合部分の周囲に形成されている。詳細には、薄肉部121は、集電板120における反転板110との接合部分から、集電板120の径方向における中途部にかけて形成されている。薄肉部121は、略円板状に形成され、集電板120と同心的に配置されている。
薄肉部121の詳細な構成については後述する。
薄肉部121の中央部には、上下方向に沿って板面を貫通するように、嵌合孔122が形成されている。
嵌合孔122は、反転板110の中央部が嵌合する孔である。
嵌合孔122に反転板110の中央部が嵌合した状態で、反転板110と集電板120の薄肉部121とがそれらの接触部分において溶接等により接合される。こうして、反転板110と集電板120とが導通し、延いては蓋部22と電極体10の正極とが導通することとなる。
このように、集電板120は、その中心部近傍において、反転板110と接合されている。また、前述のように、集電板120の外周端部は、絶縁部材130によって、反転板110の外周端部と隔離されている。
そのため、反転板110と集電板120との間には、所定の空間が形成されている。
集電板120における薄肉部121よりも径方向外側に位置する部分には、連通孔120aが複数個形成されている。
連通孔120aは、集電板120の板面を上下方向に沿って貫通するように形成されている。
そのため、集電板120よりも下方の空間において、前記電解液の分解反応に伴うガスが発生した場合には、当該ガスが連通孔120aを通って、反転板110と集電板120との間の空間に進入することとなる。
図2(a)及び図2(b)に示すように、薄肉部121は、嵌合孔122から集電板120の径方向における中途部にかけて形成され、真円形状を有する。薄肉部121における電極体10側の表面には、溝状の刻印部123が形成されている。
刻印部123は、反転板110の刻印部111と略同様に構成され、薄肉部121における電極体10側の表面を切削するように形成されている。刻印部123は、薄肉部121の周方向に沿って連続的に形成され、薄肉部121に対して同心的に配置されている。つまり、刻印部123は、真円の環状に形成されている。
なお、図2(b)においては、説明の便宜上、集電板120における薄肉部121以外の部分を省略して図示している。
図2(a)に示すように、薄肉部121は、その中央部から外周端部にかけて波状に湾曲している。
詳細には、薄肉部121は、その中央部から外周端部にかけて上下方向に湾曲し、径方向に沿った切断面の形状が全ての切断位置において略同一となるような形状を有する。換言すれば、薄肉部121は、環状の平板を径方向に沿って撓ませた形状を有している。このような形状を有する薄肉部121は、プレス加工等によって形成することが可能である。
図2(b)に示すように、薄肉部121には、複数(本実施形態においては、12個)の切込み124・124・・・が形成されている。
複数の切込み124・124・・・は、嵌合孔122の周囲において、互いに一定の間隔を空けて放射状に配置されている。
切込み124は、薄肉部121の板面を貫通するように、薄肉部121における嵌合孔122の近傍から薄肉部121の外周端部近傍にかけて直線状に形成されている。切込み124は、刻印部123に交差すると共に、刻印部123に対して垂直となるように形成されている。つまり、切込み124は、刻印部123に対して直交するように、薄肉部121の径方向に沿って形成されている。
図3に示すように、前記電解液の分解反応に伴って発生したガスによって、ケース20の内圧(厳密には、収納部21と反転板110とが成す空間の圧力)が上昇した際には、当該ガスが集電板120の連通孔120aを通って反転板110と集電板120との間の空間に進入し、反転板110が上方に押し上げられるように変形する。これに伴って、集電板120の薄肉部121における反転板110との接合部分が上方へ引っ張られ、薄肉部121が変形する。
この時、図4に示すように、薄肉部121の変形に伴って、薄肉部121に形成された複数の切込み124・124・・・が開く。
これにより、薄肉部121における周方向への変形が阻害されることを抑制でき、薄肉部121の刻印部123に生じる応力を緩和することができる。
したがって、電池1の使用時における温度変化等によって、ケース20の内圧が比較的低い水準で上下した場合における刻印部123の疲労の蓄積を抑制することができ、延いてはCID100の経時劣化を抑制することができる。
また、図3に示すように、ケース20の内圧が上昇して、集電板120の薄肉部121における反転板110との接合部分が上方へ引っ張られた際には、薄肉部121における波状に湾曲した部分が伸張することとなる。
つまり、薄肉部121は、波状に湾曲しているため(図2(a)参照)、ケース20の内圧が上昇して、集電板120の薄肉部121における反転板110との接合部分が上方へ引っ張られた際には、湾曲部分が伸張するように変形するのである。
これにより、ケース20の内圧が上昇して、集電板120の薄肉部121における反転板110との接合部分が上方へ引っ張られた際に、薄肉部121に生じる応力を緩和することができる。詳細には、ケース20の内圧が上昇して、集電板120の薄肉部121における反転板110との接合部分が上方へ引っ張られたとしても、薄肉部121における波状に湾曲した部分が完全に伸びきらなければ、薄肉部121に比較的大きな応力が発生することがないため、薄肉部121に生じる応力を緩和することができるのである。
したがって、電池1の使用時における温度変化等によって、ケース20の内圧が比較的低い水準で上下した場合における刻印部123の疲労の蓄積を抑制することができ、延いてはCID100の経時劣化を抑制することができる。
ケース20の内圧が更に上昇し、薄肉部121の刻印部123に所定値以上の応力が生じた場合には、刻印部123が破断し、反転板110と集電板120との導通が断たれ、延いては電池1における電流が遮断されることとなる。
ケース20の内圧の上昇が更に進行した場合には、反転板110が更に上方に押し上げられ、反転板110の刻印部111が破断する。これに伴って、ケース20の内部における、反転板110の上下の空間が連通し、前記電解液の分解反応に伴って発生したガスが蓋部22の通気孔22aを通ってケース20の外部に放出されることとなる。
こうして、前記電解液の分解反応に伴って発生したガスによってケース20の内圧が上昇し、ケース20が破損することが防止される。
以下では、図5及び図6を参照して、ケース20の内圧が上昇した際における集電板120の薄肉部121の変形態様について詳細に説明する。
図5は、切込み124が形成されておらず、波状に湾曲していない(平板状に形成されている)、従来の薄肉部の変形態様を示す模式図である。
図6は、本発明に係る薄肉部121の変形態様を示す模式図である。
ここで、反転板と集電板の薄肉部との接合点をAとし、時系列順に、A0、A1、A2と記す。
また、従来の薄肉部上の任意の点をBとし、時系列順に、B0、B1、B2と記す。
また、薄肉部121上の任意の点をCとし、時系列順に、C0、C1、C2と記す。
図5に示すように、従来の薄肉部においては、A点の移動軌跡とB点の移動軌跡とが略平行となっている。
B点がA点の移動軌跡に対して平行とならないように移動することは、薄肉部の中心からB点までの距離(径方向の長さ)が変化し、薄肉部のB点における周方向の長さが変化することであり、大きなエネルギーが必要となるためである。
一般的に、変形は、エネルギーが最小となるように進行するため、従来の薄肉部は、A点の移動軌跡とB点の移動軌跡とが略平行となるように変形するのである。
図6(a)及び図6(b)に示すように、本発明に係る薄肉部121においては、薄肉部121に形成された複数の切込み124・124・・・の開閉により、薄肉部121の周方向への歪みが吸収され、C点が薄肉部121の径方向外側に向けて移動することが可能となる。つまり、薄肉部121に形成された複数の切込み124・124・・・の開閉により、薄肉部121のC点における周方向の長さが変化し、薄肉部121の中心からC点までの距離(径方向の長さ)が変化することとなる。
これにより、薄肉部121が変形する際に、その波状に湾曲した部分を容易に伸張させることができ、薄肉部121に生じる応力を大いに緩和することができる。
したがって、電池1の使用時における温度変化等によって、ケース20の内圧が比較的低い水準で上下した場合における薄肉部121の刻印部123の疲労の蓄積を大いに抑制することができ、延いてはCID100の経時劣化を大いに抑制することができる。
図7に本発明に係る薄肉部121の刻印部123に生じる応力、及び従来の薄肉部の刻印部に生じる応力のCAE解析結果を示す。
図7は、電池のケースの内圧と、薄肉部の刻印部に生じる応力との関係を示す図である。
図7に示すように、薄肉部の刻印部が破断する前において、電池のケースの内圧が所定の値(図7におけるP)である場合、本発明に係る薄肉部121の刻印部123に生じる応力が、従来の薄肉部の刻印部に生じる応力よりも小さくなっている。
これにより、本発明に係る薄肉部121によれば、刻印部123に生じる応力を緩和できることが明らかとなった。
なお、本実施形態における薄肉部121は、周方向に沿って連続的に形成された刻印部123を有するが、このような構成に限定するものではない。
例えば、図8に示すように、本発明に係る薄肉部として、複数の刻印部223・223・・・が断続的に形成された薄肉部221を採用することが可能である。
斯かる場合においては、複数の刻印部223・223・・・と同数の切込み224・224・・・を形成し、各切込み224を各刻印部223に対して直交するように配置すればよい。
より好ましくは、図9に示すように、各刻印部223の両端部近傍に一対の切込み224・224を形成し、各一対の切込み224・224を各刻印部223に対して直交するように配置すればよい。
これにより、薄肉部221において、刻印部223が形成されている部分の剛性と、刻印部223が形成されていない部分の剛性との違いに起因する、応力の不均一な発生を抑制することができる。詳細には、各切込み224が開いた際に、隣接する刻印部223同士を繋ぐように亀裂が形成され、薄肉部221における刻印部223が形成されていない部分の剛性を刻印部223が形成されている部分の剛性に近付けて、薄肉部221に生じる応力を均一化することができる。
また、本実施形態における薄肉部121は、真円の環状に形成された刻印部123を有するが、このような構成に限定するものではない。
例えば、図10に示すように、本発明に係る薄肉部として、楕円の環状に形成された刻印部323を有する薄肉部321を採用することが可能である。斯かる場合においては、複数の切込み324・324・・・を刻印部323に対して直交するように形成すればよい。
なお、本実施形態においては、薄肉部121に切込み124を12個形成したが、切込み124の数は限定するものではなく、薄肉部121の刻印部123に生じる応力を緩和するために最適な数を適宜設定すればよい。
また、本実施形態においては、切込み124を刻印部123に交差するように形成したが、少なくとも切込み124が刻印部123の近傍に配置されれば、切込み124を刻印部123に交差しないように形成することも可能である。
しかしながら、薄肉部121の刻印部123に生じる応力を良好に緩和するためには、切込み124を刻印部123に交差するように形成することが好ましい。
また、本実施形態においては、切込み124を刻印部123に対して垂直となるように形成したが、切込み124を刻印部123に対して垂直とならないように形成することも可能である。
しかしながら、薄肉部121の刻印部123に生じる応力を良好に緩和するためには、切込み124を刻印部123に対して垂直となるように形成することが好ましい。
また、本実施形態においては、複数の切込み124・124・・・を互いに一定の間隔を空けて放射状に配置したが、このような構成に限定するものではない。
しかしながら、薄肉部121の刻印部123に生じる応力の偏りを無くすという点において、複数の切込み124・124・・・を互いに一定の間隔を空けて放射状に配置することが好ましい。
また、本実施形態においては、切込み124を直線状に形成したが、切込み124が開いて、薄肉部121の刻印部123に生じる応力を緩和することができれば、曲線状に形成することも可能である。
なお、本実施形態における電池1は、円筒型の電池であるが、本発明に係る密閉型電池として、角型の電池を採用することも可能である。
本発明は、異常時に電流を遮断する電流遮断機構を備える密閉型の二次電池に利用できる。
1 電池
10 電極体
20 ケース
21 収納部
22 蓋部
100 CID
110 反転板
111 刻印部
120 集電板
121 薄肉部
122 嵌合孔
123 刻印部
124 切込み

Claims (5)

  1. 電解液が含浸されて発電要素として機能する電極体と、
    前記電極体を前記電解液と共に収納するケースと、
    異常時に電流を遮断する電流遮断機構と、を具備する密閉型電池であって、
    前記電流遮断機構は、前記ケースの内圧の上昇に伴って変形する反転板と、前記反転板に接合され、前記反転板の変形に伴って変形する集電板と、を具備し、
    前記集電板には、前記ケースの内圧が所定値以上となった場合に破断する溝状の刻印部と、前記集電板の板面を貫通するように形成される複数の切込みと、が設けられ、
    前記複数の切込みは、前記刻印部の近傍に配置され、前記集電板が変形する際に開くように形成される、
    ことを特徴とする密閉型電池。
  2. 各切込みは、前記刻印部に交差するように形成される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の密閉型電池。
  3. 各切込みは、直線状に形成され、前記刻印部に対して垂直となるように配置される、
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の密閉型電池。
  4. 前記刻印部は、真円の環状に形成され、
    前記複数の切込みは、互いに一定の間隔を空けて放射状に配置される、
    ことを特徴とする請求項3に記載の密閉型電池。
  5. 前記集電板における前記反転板との接合部分の周囲には、他部に比べて厚みが小さい薄肉部が形成され、
    前記薄肉部には、前記刻印部と、前記複数の切込みと、が配置され、
    前記薄肉部は、その中央部から外縁部にかけて波状に湾曲する、
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の密閉型電池。
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