JPWO2015141570A1 - 二次電池 - Google Patents
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Abstract
電池容器の内部圧力の上昇によって変形して電流を遮断する部材の変形量を増加させ、電流をより確実に遮断することが可能な二次電池を提供する。外部端子２０Ａと電池容器１０内の電極４１との間の電流経路に電流遮断機構５０を備えた二次電池。電流遮断機構５０は、電池容器１０内に収容され、外部端子２０Ａに接続されたダイヤフラム５と電極４１に接続された集電板３０Ａとを備える。ダイヤフラム５は、集電板３０Ａよりも電池容器１０の外方側に配置されて電池容器１０の内方を向く凸形状を有する。集電板３０Ａは、電池容器１０の外方を向く面に凹部３３ｂを有し、該凹部３３ｂにダイヤフラム５が接合されている。
Description
本発明は、外部端子と電池容器内の電極との間の電流経路を遮断する電流遮断機構を備えた二次電池に関する。
従来から、例えば車両用のモータやその他の電子機器の電源として二次電池が広く用いられている。二次電池では、例えば、過充電、過昇温または外力による破損などによって電池内部のガス圧が上昇した場合に、電流を遮断して安全性を高める必要がある。このような二次電池として、感圧変形素子を備えた非水電解質二次電池が知られている（例えば、下記特許文献１を参照）。
特許文献１に記載の非水電解質二次電池は、外部電極端子と電極体とを電気的に接続する導電経路の途中に、電池内部のガス圧の上昇に対応して変形する感圧変形素子が設けられている。外部電極端子は、その内部に電池外部と感圧変形素子の電池外方面側に接する空間とをつなぐ連通孔を有している。
感圧変形素子は、電池内部のガス圧の上昇に対応して変形し、外部電極端子と電極体との電気的接続を遮断する。特許文献１では、感圧変形素子が確実かつ迅速に動作し、かつ電池外から侵入する水分等による経時劣化を防止し得た信頼性に優れた感圧変形素子を備えた非水電解質二次電池を実現することができる、としている。
特許文献１に記載の非水電解質二次電池では、平板状のダイヤフラムと遮断箔とが感圧変形素子を構成している。そのため、電池内部のガス圧によってダイヤフラムを変形させて遮断箔を破断する際のダイヤフラムの変形量を大きくすることが困難であり、変形後のダイヤフラムと残存した遮断箔、集電板等が近接した状態になることがある。この場合、変形後のダイヤフラムと残存した遮断箔、集電板等が、例えば電解液を介して導通し、電極と外部端子との間の電流経路を確実に遮断できない虞がある。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池容器の内部圧力の上昇によって変形して電極と外部端子との間の電流経路を遮断するダイヤフラムの変形量を増加させ、電流経路の遮断をより確実に行うことが可能な二次電池を提供することにある。
前記目的を達成すべく、本発明の二次電池は、外部端子と電池容器内の電極との間の電流経路に電流遮断機構を備えた二次電池であって、前記電流遮断機構は、前記電池容器内に収容され、前記外部端子に接続されたダイヤフラムと前記電極に接続された集電板とを備え、前記集電板は、前記ダイヤフラムに対向する面に凹部を有し、前記ダイヤフラムは、中央部が周縁部よりも前記集電板に向けて膨出した底壁部と当該底壁部から突出する突起部を有し、少なくとも当該底壁部の一部が前記凹部に収容され、前記突起部は前記凹部内で前記集電板に接合されることを特徴とする。
本発明の二次電池では、電池容器の内部圧力の上昇時に変形して電流を遮断するダイヤフラムは、中央部が周縁部よりも集電板に向けて膨出した底壁部と当該底壁部から突出する突起部を有し、少なくとも当該底壁部の一部が凹部に収容され、突起部は凹部内で集電板に接合されている。これにより、電池容器内の電流遮断機構の小型化を実現しつつ、ダイヤフラムの電池容器内方への突出量を増大させることができる。
したがって、本発明の二次電池によれば、電流遮断機構の大型化を抑制しつつ、電池容器の内部圧力の上昇時にダイヤフラムの変形量を増加させ、変形後のダイヤフラムと集電板との間隔を拡大し、電極と外部端子との間の電流経路の遮断をより確実に行うことが可能になる。
以下、図面を参照して本発明の二次電池の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態の二次電池１００の斜視図である。
本実施形態の二次電池１００は、例えば、長方形板状の電池蓋１１と有底角筒状の電池缶１２によって構成される扁平箱形の電池容器１０を備えた角形二次電池である。電池容器１０は、例えばアルミニウム合金等の金属材料によって製作されている。
電池容器１０の幅方向すなわち電池蓋１１の長手方向の両端には、電池容器１０の外部で電池蓋１１の上面に、正極および負極の外部端子２０Ａ，２０Ｂが設けられている。外部端子２０Ａ，２０Ｂと電池蓋１１との間には、絶縁部材２が配置され、外部端子２０Ａ，２０Ｂが電池蓋１１に対して電気的に絶縁されている。正極の外部端子２０Ａは、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金によって製作され、負極の外部端子２０Ｂは、例えば銅または銅合金によって製作されている。
電池蓋１１の正極および負極の外部端子２０Ａ，２０Ｂの間には、ガス排出弁１３と注液口１４とが設けられている。ガス排出弁１３は、例えば電池蓋１１を薄肉化して溝部１３ａを形成することによって設けられ、電池容器１０の内部の圧力が所定値を超えて上昇した時に開裂して内部のガスを放出することで、電池容器１０の内部の圧力を低下させる。注液口１４は、電池容器１０の内部に電解液を注入するのに用いられ、例えばレーザ溶接によって注液栓１５が溶接されて封止されている。
図２は、図１に示す二次電池１００の分解斜視図である。
電池蓋１１の長手方向の両端で、電池容器１０の内側となる電池蓋１１の下面には、絶縁部材３Ａ，３Ｂを介して正極および負極の集電板３０Ａ，３０Ｂが固定されている。集電板３０Ａ，３０Ｂは、電池蓋１１の下面に略平行に設けられて絶縁部材３Ａ，３Ｂに固定された基部３１Ａ，３１Ｂと、基部３１Ａ，３１Ｂから電池缶１２の底面１２ｃに向けて延びる接続端子部３２Ａ，３２Ｂと、を有している。
正極の集電板３０Ａは、基部３１Ａに接続された破断部３３を有している。破断部３３は、電池蓋１１と略平行に設けられた板状の部分であり、絶縁部材３Ａを介して電池蓋１１に固定されている。破断部３３と正極の外部端子２０Ａとの間には、これらに接続されたダイヤフラム５が配置されている。破断部３３とダイヤフラム５は、二次電池１００の電流遮断機構５０を構成している。すなわち、電流遮断機構５０は、電池容器１０内に収容され、外部端子２０Ａに接続されたダイヤフラム５と電極群４０の正電極４１（図３参照）に接続された集電板３０Ａとによって構成され、外部端子２０Ａと正電極４１との間の電流経路に設けられている。詳細は後述するが、電流遮断機構５０は、電池容器１０の内部の圧力が所定の圧力を超えて上昇したときに、外部端子２０Ａと正電極４１との間の電流経路を遮断する。
正極および負極の集電板３０Ａ，３０Ｂの接続端子部３２Ａ，３２Ｂは、電池容器１０の厚さ方向における基部３１Ａ，３１Ｂの一側から、電池缶１２の最大面積の広側面１２ｂに沿って電池缶１２の底面１２ｃに向けて延びる板状に形成されている。接続端子部３２Ａ，３２Ｂは、延在方向の途中で電池容器１０の厚さ方向に屈曲し、例えば超音波溶接によって、電極群４０の集電板接合部４１ｄ，４２ｄにそれぞれ接合されている。これにより、外部端子２０Ａ，２０Ｂが電極群４０の集電板接合部４１ｄ，４２ｄに集電板３０Ａ，３０Ｂを介して電気的に接続され、電池蓋１１に外部端子２０Ａ，２０Ｂ、絶縁部材２、絶縁部材３Ａ，３Ｂ、集電板３０Ａ，３０Ｂ、電流遮断機構５０、および電極群４０が組み付けられた蓋組立体６０が構成されている。
二次電池１００の製造時に、蓋組立体６０は、電極群４０と電池缶１２との間に不図示の絶縁シートを配置してこれらを電気的に絶縁した状態で、電極群４０の下方側の湾曲部４０ｂから電池缶１２の開口部１２ａに挿入される。電極群４０は、捲回軸Ｄ方向の両側に電池缶１２の狭側面１２ｄ，１２ｄが位置し、捲回軸Ｄ方向が電池缶１２の底面１２ｃおよび広側面１２ｂに略平行に沿うように電池缶１２内に収容される。これにより、電極群４０は、一方の湾曲部４０ｂが電池蓋１１に対向し、もう一方の湾曲部４０ｂが電池缶１２の底面１２ｃに対向し、平面部４０ａが広側面１２ｂに対向した状態になる。そして、電池蓋１１によって電池缶１２の開口部１２ａを閉塞した状態で、例えば、レーザ溶接によって電池蓋１１の全周を電池缶１２の開口部１２ａに接合することで、電池蓋１１と電池缶１２からなる電池容器１０が形成される。
その後、電池蓋１１の注液口１４を介して電池容器１０の内部に非水電解液を注入し、例えば、レーザ溶接によって注液栓１５を注液口１４に接合して封止することで、電池容器１０が密閉されている。電池容器１０の内部に注入する非水電解液としては、例えば、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比で１：２の割合で混合した混合溶液中に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットルの濃度で溶解したものを用いることができる。
図３は、図２に示す電極群４０の一部を展開した分解斜視図である。
電極群４０は、セパレータ４３，４４を介在させて積層させた正負の電極４１，４２を捲回軸Ｄに平行な軸心の周りに捲回して扁平形状に成形した捲回電極群である。電極群４０は、電池缶１２の広側面１２ｂに対向して配置される平坦な一対の平面部４０ａと、電池蓋１１および電池缶１２の底面１２ｃに対向して配置される半円筒状の一対の湾曲部４０ｂを有している。セパレータ４３，４４は、正電極４１と負電極４２との間を絶縁すると共に、最外周に捲回された負電極４２の外側にもセパレータ４４が捲回されている。
正電極４１は、正極集電体である正極箔４１ａと、正極箔４１ａの両面に塗布された正極活物質合剤からなる正極合剤層４１ｂとを有している。正電極４１の幅方向の一側は、正極合剤層４１ｂが形成されず、正極箔４１ａが露出した箔露出部４１ｃとされている。正電極４１は、箔露出部４１ｃが負電極４２の箔露出部４２ｃと捲回軸Ｄ方向の反対側に配置されて、捲回軸Ｄの周りに捲回されている。
正電極４１は、例えば、正極活物質に導電材、結着剤および分散溶媒を添加して混練した正極活物質合剤を、幅方向の一側を除いて正極箔４１ａの両面に塗布し、乾燥、プレス、裁断することによって製作することができる。正極箔４１ａとしては、例えば、厚さ約２０μｍのアルミニウム箔を用いることができる。正極箔４１ａの厚みを含まない正極合剤層４１ｂの厚さは、例えば、約９０μｍである。
正極活物質合剤の材料としては、例えば、正極活物質として１００重量部のマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ２Ｏ４）を、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛を、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）を、分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという。）を、それぞれ用いることができる。正極活物質は、前記したマンガン酸リチウムに限定されず、例えば、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウム、一部を金属元素で置換またはドープしたリチウムマンガン複合酸化物を用いてもよい。また、正極活物質として、層状結晶構造を有するコバルト酸リチウムやチタン酸リチウム、およびこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム−金属複合酸化物を用いてもよい。
負電極４２は、負極集電体である負極箔４２ａと、負極箔４２ａの両面に塗布された負極活物質合剤からなる負極合剤層４２ｂとを有している。負電極４２の幅方向の一側は、負極合剤層４２ｂが形成されず、負極箔４２ａが露出した箔露出部４２ｃとされている。負電極４２は、その箔露出部４２ｃが正電極４１の箔露出部４１ｃと捲回軸Ｄ方向の反対側に配置されて、捲回軸Ｄ周りに捲回されている。
負電極４２は、例えば、負極活物質に結着剤および分散溶媒を添加して混練した負極活物質合剤を、幅方向の一側を除く負極箔４２ａの両面に塗布し、乾燥、プレス、裁断することによって製作することができる。負極箔４２ａとしては、例えば、厚さ約１０μｍの銅箔を用いることができる。負極箔４２ａの厚みを含まない負極合剤層４２ｂの厚さは、例えば、約７０μｍである。
負極活物質合剤の材料としては、例えば、負極活物質として１００重量部の非晶質炭素粉末を、結着剤として１０重量部のＰＶＤＦを、分散溶媒としてＮＭＰをそれぞれ用いることができる。負極活物質は、前記した非晶質炭素に限定されず、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やＳｉやＳｎなどの化合物（例えば、ＳｉＯ、ＴｉＳｉ２等）、またはそれらの複合材料を用いてもよい。負極活物質の粒子形状についても特に限定されず、鱗片状、球状、繊維状または塊状等の粒子形状を適宜選択することができる。
なお、前記した正極および負極の合剤層４１ｂ，４２ｂに用いる結着材は、ＰＶＤＦに限定されない。前記した結着材として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いてもよい。
また、セパレータ４３，４４を介在させて正電極４１および負電極４２を重ねて捲回する際の軸芯は、例えば、正極箔４１ａ、負極箔４２ａ、セパレータ４３，４４のいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを捲回したものを用いることができる。
電極群４０の捲回軸Ｄ方向において、負電極４２の負極合剤層４２ｂの幅は、正電極４１の正極合剤層４１ｂの幅よりも広くなっている。また、電極群４０の最内周と最外周には負電極４２が捲回されている。これにより、正極合剤層４１ｂは、電極群４０の最内周から最外周まで負極合剤層４２ｂの間に挟まれている。
正電極４１および負電極４２の箔露出部４１ｃ，４２ｃはそれぞれ電極群４０の平面部４０ａで束ねられて前記した集電板接合部４１ｄ，４２ｄ（図２参照）が形成される。正電極４１および負電極４２のそれぞれの集電板接合部４１ｄ，４２ｄは、例えば超音波溶接等によって、正極および負極の集電板３０Ａ，３０Ｂのそれぞれの接続端子部３２Ａ，３２Ｂに接合される。これにより、正極側および負極側において、外部端子２０Ａ，２０Ｂが、それぞれ集電板３０Ａ，３０Ｂを介して、電極群４０を構成する正負の電極４１，４２とそれぞれ電気的に接続される。
なお、電極群４０の捲回軸Ｄ方向において、セパレータ４３，４４の幅は負極合剤層４２ｂの幅よりも広いが、正電極４１および負電極４２の箔露出部４１ｃ，４２ｃは、それぞれセパレータ４３，４４の幅方向端部よりも幅方向外側に突出している。したがって、セパレータ４３，４４は、箔露出部４１ｃ，４２ｃを束ねて溶接する際の支障にはならない。
図４は、図１に示す二次電池１００のIV−IV線に沿う外部端子２０Ａ近傍の拡大断面図である。図５は、図４に示す各部材の分解斜視図である。なお、図５において、電極群４０の図示は省略している。
電池容器１０内に収容された電流遮断機構５０は、構成要素として外部端子２０Ａに電気的に接続されたダイヤフラム５と電極群４０の正電極４１に接続された集電板３０Ａの破断部３３とを含み、外部端子２０Ａと電池容器１０内の電極群４０との間の電流経路の一部を構成している。
外部端子２０Ａは、電池容器１０外側の絶縁部材２とガスケット４を介して電池容器１０の外側で電池蓋１１の上面に固定されている。ダイヤフラム５は、絶縁部材３Ａと導電板６とを介して電池容器１０の内側で電池蓋１１の下面に固定されている。集電板３０Ａは、基部３１Ａおよび破断部３３が、絶縁部材３Ａを介して電池蓋１１の下面に固定されている。集電板３０Ａの破断部３３と、絶縁部材３Ａとの間には、ダイヤフラム５と導電板６が配置されている。
外部端子２０Ａは、電池容器１０の幅方向すなわち電池蓋１１の長手方向に沿って延びる板状部２１Ａと、該板状部２１Ａの電池容器１０の幅方向内側における端部に設けられた円柱状の接続部２２Ａと、板状部２１Ａおよび接続部２２Ａを貫通する貫通孔２３Ａと、を有している。外部端子２０Ａの板状部２１Ａは、延在方向の中央部に、延在方向に交差する方向、例えば電池容器１０の厚さ方向に沿って溝部２４Ａが形成されることで、部分的に厚さが薄くされている。
外部端子２０Ａの接続部２２Ａは、板状部２１Ａから電池蓋１１を貫通する軸方向の先端に向けて、板状部２１Ａの底面に段差状に設けられた段差部２２ａと、直径が拡大された拡径部２２ｂと、直径が縮小された縮径部２２ｃと、該縮径部２２ｃの先端を塑性変形させて拡径したかしめ部２２ｄと、を有している。外部端子２０Ａの貫通孔２３Ａは、接続部２２Ａの軸方向に沿って外部端子２０Ａを貫通し、板状部２１Ａの上面とかしめ部の中央部に開口している。
電池容器１０外側の絶縁部材２は、例えば絶縁性を有する樹脂材料によって製作され、外部端子２０Ａの板状部２１Ａの周側面を覆う縁部２ａと、板状部２１Ａの底面および電池蓋１１の上面に密着する底部２ｂと、を有している。絶縁部材２の縁部２ａは、板状部２１Ａの周側面を覆うことで、板状部２１Ａと電池蓋１１またはその他の部材との短絡を防止している。絶縁部材２の底部２ｂは、外部端子２０Ａの板状部２１Ａと電池蓋１１との間に配置され、これらを電気的に絶縁している。絶縁部材２の底部２ｂには、電池蓋１１の上面に設けられた凹部１１ａに係合する凸部２ｃと、外部端子２０Ａの接続部２２Ａを挿通させる開口部２ｄとが設けられている。
ガスケット４は、例えば絶縁性を有する樹脂材料によって製作され、円筒状の筒状部４ａと、筒状部４ａの軸方向において電池容器１０外方側の端部に設けられたフランジ部４ｂとを有している。ガスケット４の筒状部４ａは、内側に外部端子２０Ａの接続部２２Ａを挿通させた状態で、電池蓋１１の貫通孔１１ｂに挿通され、外部端子２０Ａの接続部２２Ａと電池蓋１１の貫通孔１１ｂの内周面との間に配置され、接続部２２Ａと電池蓋１１とを電気的に絶縁している。ガスケット４のフランジ部４ｂは、絶縁部材２の開口部２ｄ内に配置され、電池蓋１１の貫通孔１１ｂの周囲に設けられた凹状の段差部１１ｃに係合し、該段差部１１ｃと外部端子２０Ａの凸状の段差部２２ａとの間で圧縮されている。これにより、ガスケット４は、凹状の段差部１１ｃと凸状の段差部２２ａに密着し、電池蓋１１の貫通孔１１ｂを封止している。
電池容器１０内側の絶縁部材３Ａは、例えば絶縁性を有する樹脂材料によって製作され、電池容器１０の幅方向に延在する本体部３ａと、本体部３ａの延在方向中央部に設けられた貫通孔３ｂと、を有している。絶縁部材３Ａの本体部３ａは、集電板３０Ａの基部３１Ａと電池蓋１１との間に配置される厚肉部３ｃと、導電板６を介してダイヤフラム５が固定される薄肉部３ｄと、本体部３ａから電池容器１０内方に向けて突出して集電板３０Ａの破断部３３を支持する支持部３ｅと、集電板３０Ａの基部３１Ａおよび破断部３３を固定する円柱状の突起部３ｆと、を有している。すなわち、絶縁部材３Ａは、集電板３０Ａの基部３１Ａと電池蓋１１との間の部分の厚さよりも、導電板６と電池蓋１１との間の部分の厚さが薄くなっている。
絶縁部材３Ａの薄肉部３ｄには、導電板６を係合させる凹部３ｇが設けられている。薄肉部３ｄの凹部３ｇは、導電板６の平面形状に対応する平面形状に形成されている。絶縁部材３Ａの突起部３ｆの先端は、集電板３０Ａの基部３１Ａおよび破断部３３の貫通孔３１ａ，３３ａを貫通した状態で拡径するように溶融および固化されている。これにより、絶縁部材３Ａの突起部３ｆは、集電板３０Ａの基部３１Ａおよび破断部３３をそれぞれ厚肉部３ｃおよび支持部３ｅに支持固定している。なお、集電板３０Ａは、ネジ、リベット、接着剤等を用いて絶縁部材３Ａに固定してもよい。なお、負極側の絶縁部材３Ｂは、正極側の絶縁部材３Ａと同様に本体部３ａと貫通孔３ｂと突起部３ｆとを有しているが、厚肉部３ｃと薄肉部３ｄと支持部３ｅは有していない点で、正極側の絶縁部材３Ａと異なっている。
導電板６は、電池容器１０の幅方向に沿う直線部分とその両端に円弧状の曲線部分とを有する平面形状がフィールドトラック形の板状の部材である。なお、導電板６の平面形状は、電池容器１０の幅方向を長手方向とする長円形または楕円形に形成してもよい。導電板６は、外部端子２０Ａの接続部２２Ａを挿通させる貫通孔６ａと、ダイヤフラム５の周縁部５ａを係合させる環状溝６ｂを有している。導電板６の環状溝６ｂには、ダイヤフラム５の周縁部５ａが、例えばレーザ溶接によって接合されている。導電板６は、電池容器１０内側の絶縁部材３Ａの薄肉部３ｄに形成された凹部３ｇに係合した状態で貫通孔６ａに外部端子２０Ａの接続部２２Ａが挿通されている。導電板６は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等、正極の外部端子２０Ａおよび集電板３０Ａと同一の材料によって製作することができる。
導電板６の貫通孔６ａを貫通した接続部２２Ａは、先端が導電板６の電池容器１０内方を向く面６ｃで拡径され、先端にかしめ部２２ｄが形成されている。これにより、導電板６が絶縁部材３Ａに固定されて外部端子２０Ａとダイヤフラム５との間に配置され、これらを電気的に接続している。なお、導電板６の電池容器１０内方を向く面６ｃは、リブや凸部を有さない平坦な面であることが好ましい。導電板６の電池容器１０内方を向く面６ｃが平坦であれば、かしめ部２２ｄがリブや凸部に干渉することが防止されるので、かしめ部２２ｄの直径を確保して外部端子２０Ａの接続部２２Ａによるかしめ固定の強度を確保することができるからである。
このように、外部端子２０Ａ、電池容器１０外側の絶縁部材２、ガスケット４、電池容器１０内側の絶縁部材３Ａ，３Ｂおよび導電板６は、電池蓋１１に一体的にかしめ固定されている。すなわち、外部端子２０Ａは、板状部２１Ａが電池容器１０の外側で電池蓋１１の上面に配置され、接続部２２Ａが電池容器１０外側の絶縁部材２の開口部２ｄと、ガスケット４の筒状部４ａと、電池蓋１１の貫通孔１１ｂと、電池容器１０内側の絶縁部材３Ａの貫通孔３ｂと、導電板６の貫通孔６ａとを貫通してかしめ部２２ｄが形成されることで、これらの部材を一体的に固定している。また、各部材を貫通した外部端子２０Ａの接続部２２Ａに設けられた貫通孔２３Ａによって、電池容器１０の外部空間と、導電板６とダイヤフラム５との間の空間とが連通している。なお、負極側の外部端子２０Ｂは、正極側の外部端子２０Ａの接続部２２Ａと同様の接続部が、集電板３０Ｂの基部３１Ｂを貫通してかしめ部が形成されているが、貫通孔は有していない。
ダイヤフラム５は、中央部が周縁部よりも集電板３０Ａに向けて膨出した凸形状を有している。また、ダイヤフラム５は、集電板３０Ａの破断部３３よりも電池容器１０の外方側に配置されて電池容器１０の内方を向く凸形状を有している。ダイヤフラム５は、導電板６の平面形状に対応して、電池容器１０の幅方向を長手方向とする長円形、楕円形、または前記フィールドトラック形の平面形状を有し、電池蓋１１に垂直な電池容器１０の高さ方向に深さを有する椀形の形状に形成されている。
ダイヤフラム５は、電池容器１０の外方側から内方側へ、電池蓋１１から電池缶１２の底面に向く方向に、順次、周縁部５ａ、側壁部５ｂ、底壁部５ｃ、および突起部５ｄを有している。ダイヤフラム５は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等、正極の外部端子２０Ａおよび集電板３０Ａと同一の材料によって製作することができる。
ダイヤフラム５の周縁部５ａは、電池蓋１１に平行な方向に沿うように曲折され、導電板６の電池容器１０内方を向く面に形成された環状溝６ｂに係合し、環状溝６ｂの底部に当接して、例えば、レーザ溶接によって導電板６に接合されている。これにより、ダイヤフラム５の電池容器１０外方側の空間は、電池容器１０の内部空間から隔絶されて、外部端子２０Ａの貫通孔２３Ａによって電池容器１０の外部空間と連通している。ダイヤフラム５の側壁部５ｂは、周縁部５ａから電池蓋１１と垂直な方向に沿って電池缶１２の底面１２ｃに向けて伸長し、電池蓋１１と垂直な方向に対する角度が電池蓋１１と平行な方向に対する角度よりも小さくされている。
ダイヤフラム５の底壁部５ｃは、側壁部５ｂの端部から電池蓋１１と平行な方向に沿ってダイヤフラム５の中央部に向けて伸展し、電池蓋１１と垂直な方向に対する角度が電池蓋１１と平行な方向に対する角度よりも大きくされている。また、底壁部５ｃの電池容器１０の内方を向く面は、凸曲面とされている。ダイヤフラム５の突起部５ｄは、平面視でダイヤフラム５の平面形状と相似する形状に形成され、底壁部５ｃの中央部において電池容器１０内方に向けて突出するように形成されている。
ダイヤフラム５は、少なくとも一部が集電板３０Ａの凹部３３ｂに収容され、該凹部３３ｂ内で集電板３０Ａに接合されている。より具体的には、本実施形態において、ダイヤフラム５は、底壁部５ｃの大部分と突起部５ｄが集電板３０Ａの凹部３３ｂに収容され、突起部５ｄが、例えば、レーザ溶接、抵抗溶接または超音波溶接によって集電板３０Ａの凹部３３ｂ内で、凹部３３ｂの底部に接合されている。
正極の集電板３０Ａは、前記したように、絶縁部材３Ａに固定される基部３１Ａと、電極群４０の正電極の集電板接合部４１ｄに接合される接続端子部３２Ａと、基部３１Ａに連結部３４を介して接続された破断部３３とを有している。集電板３０Ａの基部３１Ａには、絶縁部材３Ａの突起部３ｆを挿通させる複数の貫通孔３１ａが設けられている。集電板３０Ａは、基部３１Ａと破断部３３とを接続する連結部３４が、例えばＳ字状に湾曲した可撓性を有する形状を有し、破断部３３が基部３１Ａよりも電池容器１０の内方側に配置され、破断部３３が基部３１Ａよりも電池蓋１１から離れた位置に配置されている。集電板３０Ａの破断部３３の電池容器１０外方側を向く面には凹部３３ｂが形成され、該凹部３３ｂ内にダイヤフラム５の突起部５ｄが接合されている。
集電板３０Ａの破断部３３に設けられた凹部３３ｂは、ダイヤフラム５の凸形状に沿う傾斜面３３ｃと、ダイヤフラム５が電池容器１０の外方に向けて変形する際に破断する脆弱部３３ｄと、を有している。凹部３３ｂは、平面視でダイヤフラム５の平面形状に対応して、電池容器１０の幅方向を長手方向とする長円形、楕円形、または前記フィールドトラック形の平面形状を有している。凹部３３ｂの形成方法は、特に限定されないが、例えば、集電板３０Ａの破断部３３にプレス加工によって形成することができる。
集電板３０Ａの破断部３３に設けられた凹部３３ｂは、傾斜面３３ｃを有することで、周縁部から中央部に向けて、漸次、底壁３３ｅの肉厚が薄くなり、傾斜面３３ｃによって囲まれた中央部に薄肉部３３ｆが設けられている。薄肉部３３ｆは、平面視で円形に形成され、ダイヤフラム５の突起部５ｄの底面全体と接触する面積を有している。薄肉部３３ｆの中央部には円環状の脆弱部３３ｄが設けられ、脆弱部３３ｄによって囲まれた部分がダイヤフラム５に接合される接合部３３ｇとされている。脆弱部３３ｄは、凹部３３ｂの薄肉部３３ｆに形成された切り欠き部３３ｈによって設けられ、薄肉部３３ｆよりも肉厚が薄くなっている。脆弱部３３ｄの外側の薄肉部３３ｆには、ダイヤフラム５の突起部５ｄの底面が当接しているが、接合はされていない。
以下、本実施形態の二次電池１００の作用について説明する。
前記したように、本実施形態の二次電池１００は、外部端子２０Ａと電池容器１０内の正電極４１との間の電流経路に設けられた電流遮断機構５０が、電池容器１０内に収容され、外部端子２０Ａに接続されたダイヤフラム５と正電極４１に接続された集電板３０Ａとを備えている。また、ダイヤフラム５の電池容器１０内方側の面は、電池容器１０の内部空間に面し、ダイヤフラム５の電池容器１０外方側の空間は、電池容器１０の外部空間に連通している。
このような構成に基づき、本実施形態の二次電池１００は、平常時において、外部端子２０Ａ，２０Ｂを介して供給された電力を、電流遮断機構５０を含む電流経路を流れる電流によって電極群４０に蓄積する。また、二次電池１００は、電極群４０に蓄積した電力を、電流遮断機構５０を含む電流経路を流れる電流によって外部端子２０Ａ，２０Ｂを介して外部機器に供給する。
例えば、二次電池１００の過充電、過昇温または外力による破損などによって電池容器１０内部のガス圧が上昇すると、ダイヤフラム５の電池容器１０内方側の面に作用する圧力が、電池容器１０外方側の面に作用する圧力よりも大きくなる。そして、電池容器１０内部のガス圧が設定された圧力に達すると、ダイヤフラム５が集電板３０Ａから離れる方向に変形して集電板３０Ａの脆弱部３３ｄが破断する。より詳細には、ダイヤフラム５が電池容器１０外方に向けて座屈するように塑性変形し、ダイヤフラム５の突起部５ｄに接合された集電板３０Ａの接合部３３ｇに電池容器１０外方を向く力が作用して脆弱部３３ｄが破断する。これにより、ダイヤフラム５と集電板３０Ａの破断部３３との接続が断たれ、外部端子２０Ａと電池容器１０内の正電極４１との間の電流経路が遮断される。
ここで、集電板３０Ａは、ダイヤフラム５に対向する面に凹部３３ｂを有している。また、ダイヤフラム５は、中央部が周縁部よりも集電板３０Ａに向けて膨出した凸形状を有し、少なくとも一部が凹部３３ｂに収容されて該凹部３３ｂ内で集電板３０Ａに接合されている。換言すると、ダイヤフラム５は、集電板３０Ａよりも電池容器１０の外方側に配置されて電池容器１０の内方を向く凸形状を有している。また、集電板３０Ａの破断部３３は、電池容器１０の外方を向く面に凹部３３ｂを有し、該凹部３３ｂ内にダイヤフラム５が接合されている。
そのため、電池容器１０内方を向く凸形状のダイヤフラム５の一部を、集電板３０Ａの破断部３３の凹部３３ｂに収容することができ、電流遮断機構５０の電池容器１０の高さ方向の寸法増加を抑制しつつ、ダイヤフラム５の電池容器１０内方への突出量を増大させることができる。これにより、電池容器１０内の電極群４０と電池蓋１１との間の限られたスペースで、電池容器１０外方へ向けて変形するダイヤフラム５の変形量を従来よりも増加させ、変形後のダイヤフラム５と集電板３０Ａとの間隔を拡大させ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより確実に行うことが可能になる。
また、ダイヤフラム５が電池容器１０の内方を向く凸形状を有することで、ダイヤフラム５が平板状の場合と比較して、電池容器１０の内部のガス圧が所定の圧力に達するまでの機械的強度を向上させ、ダイヤフラム５の誤作動を防止することができる。また、電池容器１０の内部のガス圧が所定の圧力に達したときに、ダイヤフラム５が反転するように変形することで、圧力に対する変形の応答性を向上させることができる。
また、ダイヤフラム５が電池容器１０の幅方向を長手方向とする形状を有することで、扁平な電池容器１０内でダイヤフラム５の面積を確保することができる。したがって、電池容器１０の内部のガス圧が所定の圧力に達したときに、ダイヤフラム５を容易かつ確実に変形させ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより確実に行うことが可能になる。また、ダイヤフラム５の短手方向に沿う部分を曲線形状にすることで、ダイヤフラム５を容易かつ確実に変形させ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより確実に行うことが可能になる。
また、ダイヤフラム５が突起部５ｄを有することで、突起部５ｄの周側壁をリブとして作用させ、ダイヤフラム５の強度を向上させ、ダイヤフラム５が誤作動によって変形することを防止できる。また、突起部５ｄの底面が、集電板３０Ａの破断部３３に脆弱部３３ｄの外側で接することで、脆弱部３３ｄに振動等による応力が作用することが抑制され、意図せず脆弱部３３ｄが破断することを防止できる。
また、集電板３０Ａの破断部３３に設けられた凹部３３ｂは、ダイヤフラム５の凸形状に沿う傾斜面３３ｃを有している。そのため、ダイヤフラム５が接合された凹部３３ｂの接合部３３ｇから凹部３３ｂの周縁部へ向けて、凹部３３ｂの底壁３３ｅの肉厚を増加させ、接合部３３ｇの周囲の破断部３３の強度を向上させると共に、電気抵抗を低減することができる。したがって、集電板３０Ａの破断部３３を破断させて、ダイヤフラム５と集電板３０Ａとを分離させることが容易になり、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより確実に行うことが可能になる。
また、集電板３０Ａの破断部３３に設けられた凹部３３ｂは、ダイヤフラム５が電池容器１０の外方に向けて変形する際に破断する脆弱部３３ｄを有している。したがって、ダイヤフラム５が電池容器１０の外方に向けて変形する際に、破断部３３を脆弱部３３ｄにおいて容易に破断させることができ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより確実に行うことが可能になる。
また、集電板３０Ａの脆弱部３３ｄは、破断部３３の凹部３３ｂに形成された切り欠き部３３ｈによって設けられ、ダイヤフラム５は、脆弱部３３ｄによって囲まれた接合部３３ｇに接合されている。これにより、ダイヤフラム５が電池容器１０の外方に向けて変形する際に、切り欠き部３３ｈに応力が集中して脆弱部３３ｄが破断することで、接合部３３ｇが破断部３３から分離してダイヤフラム５と集電板３０Ａとの接続が断たれる。したがって、ダイヤフラム５が電池容器１０の外方に向けて変形する際に、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより容易かつ確実に行うことが可能になる。
また、外部端子２０Ａは、ダイヤフラム５の電池容器１０の外方側の空間と電池容器１０の外部空間とを連通する貫通孔２３Ａを有している。これにより、電池容器１０の内部のガス圧の上昇時に、ダイヤフラム５の電池容器１０内方側の面に作用する圧力と電池容器１０の外方側の面に作用する圧力との間に圧力差を生じさせることができる。したがって、ダイヤフラム５を電池容器１０外方に向けて容易かつ確実に変形させ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより容易かつ確実に行うことが可能になる。
また、本実施形態の二次電池１００は、外部端子２０Ａとダイヤフラム５との間に、該ダイヤフラム５の周縁部５ａが接合される導電板６を備えている。そして、外部端子２０Ａは、電池容器１０と導電板６を貫通する接続部２２Ａを有している。さらに、接続部２２Ａは、導電板６の電池容器１０の内方を向く面６ｃで拡径されたかしめ部２２ｄと、導電板６とダイヤフラム５との間の空間に連通する貫通孔２３Ａとを有している。これにより、ダイヤフラム５を電池容器１０の内部に配置して外部端子２０Ａと電気的に接続し、ダイヤフラム５の電池容器１０の内方側の面が電池容器１０の内部空間に面し、ダイヤフラム５の電池容器１０外方側の導電板６との間の空間が電池容器１０の外部空間と連通する。したがって、ダイヤフラム５を電池容器１０外方に向けて容易かつ確実に変形させ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより容易かつ確実に行うことが可能になる。
また、本実施形態の二次電池１００では、集電板３０Ａおよび導電板６と、電池容器１０との間に絶縁部材３Ａが配置されている。そして、絶縁部材３Ａは、集電板３０Ａと電池容器１０との間の厚肉部３ｃの厚さよりも、導電板６と電池容器１０との間の薄肉部３ｄの厚さが薄くなっている。これにより、導電板６と集電板３０Ａの破断部３３との間にスペースを確保し、ダイヤフラム５の電池容器１０内方への突出量を増加させることができる。したがって、ダイヤフラム５を電池容器１０外方への変形量を増加させ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより容易かつ確実に行うことが可能になる。
また、集電板３０Ａは、絶縁部材３Ａに固定された基部３１Ａと、該基部３１Ａに連結部３４を介して接続された破断部３３とを有している。そして、破断部３３は、基部３１Ａよりも電池容器１０の内方側に配置され、電池容器１０の外方側を向く面に凹部３３ｂが形成されている。これにより、導電板６と集電板３０Ａの破断部３３との間にスペースを確保し、ダイヤフラム５の電池容器１０内方への突出量を増加させることができる。したがって、ダイヤフラム５を電池容器１０外方への変形量を増加させ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより容易かつ確実に行うことが可能になる。
また、導電板６は、ダイヤフラム５の周縁部５ａが係合する環状溝６ｂを有している。これにより、ダイヤフラム５の周縁部５ａを導電板６に確実に固定することができ、導電板６とダイヤフラム５との間の気密性を向上させることができる。また、ダイヤフラム５の突出量を増加させ、電池容器１０外方への変形量を増加させ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより容易かつ確実に行うことが可能になる。
また、ダイヤフラム５は、正極の外部端子２０Ａと集電板３０Ａとの間に配置され、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されている。そのため、負極の外部端子２０Ａと集電板３０Ａとの間に、銅または銅合金によって構成したダイヤフラムを配置する場合と比較して、ダイヤフラム５の材料の機械的強度を低下させ、ダイヤフラム５の変形を容易にすることができる。したがって、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより容易かつ確実に行うことが可能になる。なお、電流遮断機構５０は、負極側に設けることも可能である。
また、ダイヤフラム５が変形して電流遮断機構５０によって正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路を遮断した後に、さらに電池容器１０内部のガス圧が上昇すると、ガス排出弁１３が開裂して電池容器１０内部のガスを外部に放出する。これにより、二次電池１００の安全性を確保することができる。
以上説明したように、本実施形態の二次電池１００によれば、電流遮断機構５０をコンパクトにしつつ、電池容器１０の内部圧力の上昇時のダイヤフラム５の変形量を増加させ、変形後のダイヤフラム５と集電板３０Ａとの間隔を拡大し、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより確実に行うことが可能になる。
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
例えば、前述の実施形態では、集電板３０Ａの破断部３３に設けられた凹部３３ｂが断面視で直線状の傾斜面３３ｃを有する構成について説明したが、凹部３３ｂの構成はこの構成に限定されない。以下、凹部３３ｂの変形例１および変形例２を、図６および図７を用いて説明する。
図６および図７は、前述の実施形態の二次電池１００の変形例１および変形例２を示す図４に相当する断面図である。
図６に示す変形例１の二次電池１００Ａでは、凹部３３ｂは、段差部３３ｋを有し、周縁部からダイヤフラム５が接合された接合部３３ｇに向けて漸次深くなっている。図７に示す変形例６の二次電池１００Ｂでは、凹部３３ｂの傾斜面３３ｃがダイヤフラム５の底壁部５ｃの凸曲面に沿う凹曲面とされている。変形例１および変形例２の二次電池１００Ａ，１００Ｂのその他の点は、前述の実施形態の二次電池１００と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
変形例１の二次電池１００Ａでは、凹部３３ｂは、段差部３３ｋを有し、周縁部からダイヤフラム５が接合された接合部３３ｇに向けて漸次深くなっているので、プレス加工を容易にすることができる。したがって、変形例２によれば前述の実施形態の二次電池１００と同様の効果を得ることができ、生産性を向上させ、製造コストを低減することができる。
変形例２の二次電池１００Ｂでは、凹部３３ｂの傾斜面３３ｃがダイヤフラム５の底壁部５ｃの凸曲面に沿う凹曲面とされているので、薄肉部３３ｆを、漸次、接合部３３ｇに向けて薄くして、ダイヤフラム５の変形時により破断しやすくすることができる。したがって、変形例１によれば前述の実施形態の二次電池１００と同様の効果を得ることができ、正電極４１と外部端子２０Ａとの間の電流経路の遮断をより確実に行うことが可能になる。
なお、前述の実施形態および変形例においては、ダイヤフラムの一部が集電板の凹部に収容される構成について説明したが、例えば、ダイヤフラムの突出量よりも集電板の厚さが大きい場合には、ダイヤフラムの全体が集電板の凹部に収容される構成としてもよい。
３Ａ…絶縁部材、３ｃ…厚肉部、３ｄ…薄肉部、５…ダイヤフラム、５ａ…周縁部、６…導電板、６ｂ…環状溝、１０…電池容器、１１…電池蓋（電池容器）、１２…電池缶（電池容器）、２０Ａ，２０Ｂ…外部端子、２２Ａ…接続部、２２ｄ…かしめ部、２３Ａ…貫通孔、３０Ａ，３０Ｂ…集電板、３１Ａ…基部、３３…破断部（集電板）、３３ｂ…凹部、３３ｃ…傾斜面（凹曲面）、３３ｄ…脆弱部、３３ｇ…接合部、３３ｈ…切り欠き部、３３ｋ…段差部、４１…正電極（電極）、４２…負電極（電極）、５０…電流遮断機構、１００，１００Ａ，１００Ｂ…二次電池。
Claims (12)
- 外部端子と電池容器内の電極との間の電流経路に電流遮断機構を備えた二次電池であって、
前記電流遮断機構は、前記電池容器内に収容され、前記外部端子に接続されたダイヤフラムと前記電極に接続された集電板とを備え、
前記集電板は、前記ダイヤフラムに対向する面に凹部を有し、
前記ダイヤフラムは、中央部が周縁部よりも前記集電板に向けて膨出した底壁部と当該底壁部から突出する突起部を有し、少なくとも当該底壁部の一部が前記凹部に収容され、前記突起部は前記凹部内で前記集電板に接合されることを特徴とする二次電池。 - 前記凹部は、前記ダイヤフラムの前記底壁部に沿う傾斜面を有することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記傾斜面は、前記底壁部に沿う凹曲面を有することを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
- 前記凹部は、段差部を有し、周縁部から前記ダイヤフラムが接合された接合部に向けて漸次深くなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記凹部は、前記ダイヤフラムが前記集電板から離れる方向に変形する際に破断する脆弱部を有することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記脆弱部は、前記凹部に形成された切り欠き部によって設けられ、
前記ダイヤフラムは、前記脆弱部によって囲まれた接合部に接合されていることを特徴とする請求項５に記載の二次電池。 - 前記ダイヤフラムは、前記集電板よりも前記電池容器の外方側に配置され、
前記外部端子は、前記ダイヤフラムの前記電池容器の外方側の空間と前記電池容器の外部空間とを連通する貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。 - 前記外部端子と前記ダイヤフラムとの間に、該ダイヤフラムの周縁部が接合される導電板を備え、
前記外部端子は、前記電池容器と前記導電板を貫通する接続部を有し、
前記接続部は、前記導電板の前記電池容器の内方を向く面で拡径されたかしめ部と、前記導電板と前記ダイヤフラムとの間の空間に連通する前記貫通孔とを有することを特徴とする請求項７に記載の二次電池。 - 前記集電板および前記導電板と、前記電池容器との間に絶縁部材が配置され、
前記絶縁部材は、前記集電板と前記電池容器との間の厚肉部の厚さよりも、前記導電板と前記電池容器との間の薄肉部の厚さが薄いことを特徴とする請求項８に記載の二次電池。 - 前記集電板は、前記絶縁部材に固定された基部と、該基部に連結部を介して接続された破断部とを有し、
前記破断部は、前記基部よりも前記電池容器の内方側に配置され、前記電池容器の外方側を向く面に前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の二次電池。 - 前記導電板は、前記ダイヤフラムの前記周縁部が係合する環状溝を有することを特徴とする請求項８に記載の二次電池。
- 前記ダイヤフラムは、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
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