JPWO2017164000A1 - 円筒形電池 - Google Patents

Abstract

本発明の一態様に係る円筒形電池は、電極体と、電解液と、電極体と電解液を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶を封止する封口体と、を備えている。封口体が、弁体、中空部を有する絶縁板、及び第１貫通孔を有する金属板を含む。絶縁板が弁体及び金属板の間に配置されている。弁体及び金属板の少なくとも一方が中空部の内部方向へ突出する突起部を有し、その突起部で弁体と金属板が互いに接合されている。絶縁板が中空部の周囲に形成された第２貫通孔を有している。

Description

本発明は防爆機構を有する円筒形電池に関する。

密閉型電池は発電要素である電極体を収容する外装体の形状や材質によって円筒形電池、角形電池、及びパウチ型電池に大別される。中でも、円筒形電池は電動工具、電動アシスト自転車、及び電気自動車などの駆動電源として広く使用されている。これらの用途では円筒形電池は直列又は並列に接続された組電池として使用されている。

円筒形電池の封口体には安全性を確保するための手段が組み込まれている。特許文献１及び２に開示された円筒形電池の封口体には、電池内圧が増加して所定値に達すると作動する電流遮断機構やガス排出機構などの防爆機構が組み込まれている。

図６は特許文献１に開示された封口体の断面図である。封口体に組み込まれた電流遮断機構は外側アルミニウム箔６１、内側アルミニウム箔６２、及びそれらの間に介在する環状の絶縁板６３を積層して構成されている。外側アルミニウム箔６１と内側アルミニウム箔６２は絶縁板６３の中空部内で互いに接合されている。電池内圧が上昇すると外側アルミニウム箔６１がその圧力を受ける。内側アルミニウム箔６２には外側アルミニウム箔６１との溶接部の周囲に環状の薄肉部６２ａが形成されており、電池内圧が所定値に達すると薄肉部６２ａが破断して、外側アルミニウム箔６１と内側アルミニウム箔６２の間の電流経路が遮断される。さらに電池内圧が上昇すると、外側アルミニウム箔６１が破断して電池内部のガスが排出される。外側アルミニウム箔６１が安全弁として機能する。

特開平８−３０６３５１号公報 特開２００９−１１０８０８号公報

円筒形電池のエネルギー密度が増加すると、誤使用や過充電時の電池内部のガス発生量が増加する。そのため円筒形電池のエネルギー密度の増加とともに、封口体に組み込まれる電流遮断機構やガス排出機構などの防爆機構の機能の向上が求められる。ただし、封口体は充放電に寄与しないため、安全機構の機能を高める手段は封口体厚みに影響を与えないことが好ましい。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、電流遮断機構を構成する絶縁板の形状を改良することによって優れた電流遮断機構とガス排出機構を有する円筒形電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の一態様に係る円筒形電池は、電極体と、電解液と、電極体と電解液を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶を封止する封口体と、を備え、
封口体が、弁体、中空部を有する絶縁板、及び第１貫通孔を有する金属板を含み、絶縁板が弁体及び金属板の間に配置され、弁体及び金属板の少なくとも一方が中空部の内部方向へ突出する突起部を有し、その突起部で弁体と金属板が互いに接合され、絶縁板が中空部の周囲に形成された第２貫通孔を有することを特徴としている。

本発明の一態様によれば、優れた電流遮断機構とガス排出機構を有する円筒形電池を提供することができる。

図１は一実施態様に係る非水電解液二次電池の断面図である。 図２は一実施態様に係る封口体の断面図である。 図３は一実施態様に係る金属板の平面図である。 図４は一実施態様に係る絶縁板の平面図である。 図５は実施例１における金属板に対する絶縁板の配置位置を示す平面図である。 図６は特許文献１に開示された封口体の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について円筒形電池の一例である非水電解液二次電池を用いて説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することができる。

図１は非水電解液二次電池１０の断面図である。有底筒状の外装缶２２の内部に電極体１８が収容されている。電極体１８は、セパレータ１７を介した状態で正極板１５と負極板１６を巻回して作製される。正極板１５及び負極板１６にそれぞれ正極リード１５ａ及び負極リード１６ａが接続されている。そして、正極リード１５ａは封口体１１に、負極リード１６ａは外装缶２２の底部に接続されている。封口体１１は外装缶２２の開口部にガスケット２１を介してかしめ固定されている。外装缶２２の内部には電極体１８とともに図示しない非水電解液が収容されている。

図２に示すように、封口体１１は弁体１２、金属板１３、及びそれらの間に介在する絶縁板１４から構成されている。弁体１２は絶縁板１４の中空部１４ａの内部方向へ突出する突起部１２ａを有している。その突起部１２ａで弁体１２と金属板１３が互いに接合されている。金属板１３に中空部１４ａの内部方向へ突出する突起部を設けてもよく、突起部は弁体１２と金属板１３の両方に設けてもよい。金属板１３には正極リード１５ａが接続されており、金属板１３が内部端子板として機能する。金属板１３は正極リード１５ａに直接接続される必要はなく、金属板１３と正極リード１５ａの間に他の導電性部材を内部端子板として介在させることもできる。弁体１２の一部は電池外部に露出しており、その露出部を外部機器などに接続することができる。つまり、本実施形態では弁体１２が正極外部端子として機能する。

封口体１１は弁体１２、金属板１３及び絶縁板１４から構成される電流遮断機構を有しており、電流遮断機構は次のように作動する。電池内部にガスが発生して電池内圧が上昇すると、弁体１２がその圧力を受ける。電池内圧が所定値に達すると、金属板１３に設けられた薄肉部１３ａが破断して、弁体１２と金属板１３の間の電流経路が遮断される。さらに電池内圧が上昇すると弁体１２が破断して電池内部のガスが排出される。このように封口体１１のガス排出機構が機能する。

本実施形態の封口体１１は電流遮断機構を構成するのに必要な最小限の要素のみを有しているため、封口体の厚みを低減して非水電解液二次電池のエネルギー密度を高めることができる。非水電解液二次電池が使用される用途に応じて、端子キャップやＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子などの他の要素を封口体１１に追加することができる。例えば、端子キャップを弁体上に配置して封口体の機械的強度を高めることができる。しかし、ガス排出機構の作動時のガス排出経路を十分に確保するために本実施形態のように弁体が電池外部に露出していることが好ましい。

弁体１２及び金属板１３には可撓性に優れ、非水電解液中で正極電位に曝されても安定に存在できる金属材料を用いることが好ましい。そのような金属材料としてアルミニウム及びアルミニウム合金が例示される。弁体１２と金属板１３はレーザーのような高エネルギー線を照射して互いに接合することができる。

図３に示すように、金属板１３には易破断部としての薄肉部１３ａが円形状に形成されている。薄肉部１３ａは金属板１３の中央部に形成されている。薄肉部１３ａは金属板の最外周部の同心円上に形成されている。薄肉部は金属板の最外周部の同心円上にＣ字形状となるように形成してもよい。薄肉部の断面はＶ字形状を有しているが、これに限定されず、例えばＵ字形状とすることもできる。薄肉部１３ａの外側には８個の第１貫通孔１３ｂが形成されている。弁体１２と金属板１３の接合部は薄肉部１３ａの内側に形成されている。なお、電池内圧が所定値に達したときに弁体１２と金属板１３の接合部を破断させる場合は薄肉部１３ａを金属板１３に形成する必要はない。

第１貫通孔１３ｂは電池内部で発生したガスの流路として機能する。第１貫通孔１３ｂの数や形状には特に制限はないが、金属板１３の中心に対して点対称となるように複数の貫通孔を形成することが好ましく、その形状は円形状であることが好ましい。第１貫通孔１３ｂの総面積は金属板１３の最外周部で囲まれる領域の面積の５%以上４０％以下であることが好ましく、１５％以上３０％以下であることがより好ましい。なお、金属板１３の最外周部とは金属板１３の垂線方向からみたときの金属板１３の最外周部を指す。なお、金属板１３の垂線方向は弁体１２、金属板１３、及び絶縁板１４の積層方向に一致する。

図４に示すように、絶縁板１４には中央部に中空部１４ａが形成されており、その周囲に４個の第２貫通孔１４ｂが形成されている。中空部１４ａの面積は絶縁板１４の最外周部で囲まれる領域の面積の２％以上２０％以下であることが好ましい。なお、絶縁板１４の最外周部とは金属板１３の垂線方向からみたときの絶縁板１４の最外周部を指す。第２貫通孔１４ｂの数や形状には特に制限はないが、金属板１３の垂線方向からみて第２貫通孔１４ｂの少なくとも一部が第１貫通孔１３ｂに重なるように第２貫通孔１４ｂを配置することが好ましい。第１貫通孔１３ｂの総面積Ｓ１に対する第１貫通孔１３ｂと第２貫通孔１４ｂの重なり部の総面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）は０．５以上１以下であることが好ましい。

絶縁板１４に用いることができる材料としては高分子樹脂材料が好ましく、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂及びポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂が例示される。

以下、実施例を用いて本実施形態に係る非水電解液二次電池１０をより詳細に説明する。

（実施例１）
（封口体の作製）
弁体１２と、内部端子板としての金属板１３をアルミニウム板のプレス加工により作製した。金属板１３の中央部に円形状の薄肉部１３ａを形成した。金属板１３の第１貫通孔１３ｂの総面積は３０ｍｍ²とした。絶縁板１４はポリプロピレン樹脂の射出成型により作製した。絶縁板１４の中空部１４ａの直径は２．８ｍｍとした。図５に示すように、第１貫通孔１３ｂの全てが第２貫通孔１４ｂに重なるように絶縁板１４を金属板１３上に配置した。さらに、絶縁板１４上に弁体１２を配置し、弁体１２に設けられた突起部１２ａで弁体１２と金属板１３をレーザー溶接で接合して封口体１１を作製した。

金属板１３上に絶縁板１４を上記のように配置した場合、第１貫通孔１３ｂと第２貫通孔１４ｂの重なり部の総面積Ｓ２は第１貫通孔１３ｂの総面積Ｓ１に一致する。つまり、第１貫通孔１３ｂの総面積Ｓ１に対する重なり部の総面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）は１である。

（正極板の作製）
正極活物質としてＬｉＮｉ_0.91Ｃｏ_0.06Ａｌ_0.03Ｏ₂で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。１００質量部の正極活物質と、１質量部の導電剤としてのアセチレンブラック（ＡＢ）と、１質量部の結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を混合し、その混合物をＮ−メチル−２−ピロリドン中で混練して正極合剤スラリーを調製した。その正極合剤スラリーを厚みが１３μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成した。その正極合剤層を充填密度が３．６ｇ／ｃｍ³になるようにローラーで圧縮し、圧縮後の極板を所定の寸法に切断して正極板１５を作製した。正極板１５の一部に正極合剤層が形成されていない正極芯体露出部を設け、正極芯体露出部にアルミニウム製の正極リード１５ａを接続した。

（負極板の作製）
負極活物質として９３質量部の黒鉛と７質量部の酸化ケイ素（ＳｉＯ）の混合物を用いた。１００質量部の負極活物質と、１質量部の増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）と、１質量部の結着剤としてのスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）を混合し、その混合物を水中で混練して負極合剤スラリーを調製した。その負極合剤スラリーを厚みが６μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成した。その負極合剤層を充填密度が１．６５ｇ／ｃｍ³となるようにローラーで圧縮し、圧縮後の極板を所定の寸法に切断して負極板１６を作製した。負極板１６の一部に負極合剤層が形成されていない負極芯体露出部を設け、負極芯体露出部に銅製の負極リード１６ａを接続した。

（非水電解液の調製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）と、を２０：７５：５の体積比で混合して非水溶媒を調製した。その非水溶媒に電解質塩としてのヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を１．４ｍｏｌ／Ｌの濃度になるように溶解して非水電解液を調製した。

（電極体の作製）
正極板１５と負極板１６をセパレータ１７を介して巻回することにより電極体１８を作製した。セパレータ１７には、ポリアミドにアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）が分散した耐熱層を片面に形成したポリエチレン製の微多孔膜を用いた。耐熱層は正極板に対向するように配置した。

（非水電解液二次電池の作製）
電極体１８の上下にそれぞれ上部絶縁板１９及び下部絶縁板２０を配置し、電極体１８を有底筒状の外装缶２２に挿入した。正極リード１５ａを封口体１１に接続し、負極リード１６ａを外装缶２２の底部に接続した。そして、非水電解液を外装缶へ注入し、封口体１１を外装缶２２の開口部にガスケット２１を介してかしめ固定して外径が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍの実施例１に係る非水電解液二次電池１０を作製した。

（実施例２〜４）
絶縁板の第２貫通孔の総面積や絶縁板の配置位置を変更することによって、Ｓ２／Ｓ１を表１に示す値に設定したこと以外は実施例１と同様にして実施例２〜４に係る非水電解液二次電池を作製した。

（比較例）
絶縁板に第２貫通孔を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして比較例に係る非水電解液二次電池を作製した。

（加熱試験）
実施例１〜４及び比較例の各１０個の電池の加熱試験を行い、試験後の電池の外観を観察して外装缶の破断などの損傷の有無を確認した。加熱試験は次の手順で行った。まず、２５℃の環境下で、０．３Ｉｔ（＝１０５０ｍＡ）の定電流電で電池電圧が４．２Ｖになるまで電池を充電し、その後４．２Ｖの定電圧で電流値が０．０２Ｉｔ（＝７０ｍＡ）になるまで充電した。充電後の電池の側面に熱電対を取り付けて、７００℃に加熱した管状炉に電池を投入した。電池が熱暴走するまで管状炉内に電池を保存した。保存中は熱電対で電池温度を測定し、電池温度の変化によって熱暴走の有無を判断した。実施例１〜４及び比較例の加熱試験の結果を表１に示す。

加熱試験の結果、実施例４と比較例に外装缶の損傷がみられた。外装缶の損傷の程度は、破裂までは至らず側面の一部に破断がみられる程度であった。電池を強制的に熱暴走させた場合でも、電池内部で発生したガスが破断した弁体から排出されるため電池の破裂に至る危険性は低い。しかし、比較例のように絶縁板の通気孔として中央部に中空部しか設けられていない場合は、電池内部のセパレータなどの溶融物で中空部の一部が目詰まりしてガスの排出能力が不十分となる。そのために比較例の外装缶の側面の一部が破断したと考えられる。

実施例１〜４では絶縁板に中空部とともにその周囲に通気孔としての第２貫通孔が設けられている。そのため、外装缶損傷の発生率が低減されている。絶縁板の中空部の周囲に第２貫通孔を設けることで封口体のガス排出機構としての能力が高められる。しかし、実施例１〜４の結果を比較すると、第１貫通孔の総面積Ｓ１に対する重なり部の総面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）を０．５以上１以下とすることが好ましいことがわかる。

多数の電池を用いて組電池を構成する場合、電池の側面同士が密着するように電池が配置される。そのため、電池の一部に異常が生じて電池の側面が破断すると、周囲の電池温度を高めて類焼の危険性が生じる。本発明のように電池が熱暴走しても側面の破断を抑制することができれば、組電池の安全性が向上する。

また、実施例のように絶縁板の中空部の周囲に第２貫通孔を設ける場合は、中空部の面積を低減することが可能になる。中空部の面積を低減することにより、金属板に形成された易破断部としての薄肉部が絶縁板に隣接することになり、電流遮断機構が作動した後の弁体と金属板の間の絶縁性を確保することができる。

以上説明したように本発明によれば、優れた電流遮断機構とガス排出機構を備えた円筒形電池を提供することができる。本発明は円筒形電池に広く適用可能であるため、その産業上の利用可能性は大きい。

１０ 非水電解液二次電池
１１ 封口体
１２ 弁体
１２ａ 突起部
１３ 金属板
１３ａ 薄肉部
１３ｂ 第１貫通孔
１４ 絶縁板
１４ａ 中空部
１４ｂ 第２貫通孔
１８ 電極体
２２ 外装缶

Claims (5)

1. 電極体と、電解液と、前記電極体と前記電解液を収容する有底筒状の外装缶と、前記外装缶を封止する封口体と、を備え、
   前記封口体が、弁体、中空部を有する絶縁板、及び第１貫通孔を有する金属板を含み、
   前記絶縁板が前記弁体及び前記金属板の間に配置され、
   前記弁体及び前記金属板の少なくとも一方が前記中空部の内部方向へ突出する突起部を有し、
   前記突起部で前記弁体及び前記金属板が互いに接合され、
   前記絶縁板が、前記中空部の周囲に形成された第２貫通孔を有する、
   円筒形電池。
2. 前記金属板の垂線方向からみて、前記第２貫通孔の少なくとも一部が前記第１貫通孔に重なる重なり部を有する請求項１に記載の円筒形電池。
3. 前記第１貫通孔の総面積に対する前記重なり部の総面積の比は０．５以上１以下である請求項２に記載の円筒形電池。
4. 前記弁体が電池外部に露出している請求項１から３のいずれかに記載の円筒形電池。
5. 前記封口体が前記弁体上に配置された端子キャップを有する請求項１から３のいずれかに記載の円筒形電池。

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