TWI594483B - Sealed battery safety valve and the use of sealed batteries - Google Patents

Description

密封型電池的安全閥及使用其的密封型電池

本發明係關於一種密封型電池的安全閥及使用具的密封型電池，尤其係關於電池內的壓力過大時具有連通外部的閥體功能的安全閥。

密封型電池中，在電池內部因某些原因而發生異常反應，使電池內部壓力上升的情形時，在密封型電池會有因電池本身的爆炸造成人體、財物上的損失的可能性。作為解決其問題的對策，就必須在達到電池爆炸前排出電池內部的氣體，因此在電池外殼具備安全閥。

此安全閥雖有以預先設計的內壓破裂釋放而將內部氣體向外部排出的閥體，但此閥體所要求的特點上，雖破裂釋放壓力比一般的電池內部壓力還高係理所當然的，但盡可能低的釋放壓力(作動壓)則在安全上較理想。

又，在電池內部的氣體產生量若大，排出此氣體的閥體的面積假使較小，電池內部壓力會暫時增加而仍然有達到爆炸的危險性。

因此，根據易破裂槽的破裂所形成的氣體排出部的面積，對排出產生氣體量具有足夠面積係很重要的。

又，此封閉型電池係使用於行動電話及數位相機等，因此由於處理而使用者將該等掉落在地上或地板上使閥體部損壞，有電解液洩漏等可能性。因此對於掉落意外，閥體不易損壞係相當重要，而要求有掉落強度。

為了如以上目的，密封型電池具有安全閥作為安全機構。形成此安全閥的方法，係有於密封板面內藉由加壓或蝕刻等形成具有固定大小的薄膜之方法(加壓閥及壓印閥)。

另，亦有在密封板面內先開設具有固定大小的開孔，往其開孔將薄的薄膜藉由金屬複合或者焊接而貼附作為閥體之方法(金屬複合閥)。

金屬複合閥雖具有保持安全閥的必要特性之低作動壓、寬廣的排出面積及強的掉落強度的優點，但需要加壓步驟和金屬複合步驟等製造步驟複雜，且製造技術困難而產量差，因此有成本高之缺點。

對此，加壓閥可僅根據加壓於密封板內面形成閥體因此可降低成本。

且，對氣體排出可容易確保足夠的預定大小以上的安全閥面積，但相比較於金屬複合閥，難以獲得穩定的低作動壓。

因此，加壓閥的開發，係根據加壓裝置的精確的下止點控制及適合材料的改良開發而被不斷進行。

日本特開平11-273640號公報(專利文獻1)中記載一種安全閥，在密封板形成圓頂狀而薄片的閥體，此閥體的邊緣附近形成易破裂槽。

日本特開2005-135873號公報(專利文獻2)中記載一種安全閥，在密封板形成薄片的閥體，於閥體形成向電池內側突出的至少一圓頂部，圓頂部的至少一邊緣峰形成用以使閥體容易破裂的破裂槽。

【專利文獻1】日本特開平11-273640號公報

【專利文獻2】日本特開2005-135873號公報

然而，近年來，電池容量增加的同時，過度充電等異常時產生的氣體量亦變得比以往多，若異常時產生的氣體未從安全閥的開孔一次釋放的話，有電池外殼爆炸之虞，而如上述的現有技術的安全閥則無法對應。

因此，本發明之目的係提供一種電池的安全閥及使用其的密封電池，其係於將密封型電池外殼的開口部封口的密封板所設置之安全閥中，在電池內部壓力上升時，可快速將電池內部的氣體排出。

(1)本發明之密封型電池的安全閥，係在將電池外殼的開口部封口的密封板形成薄形的閥體，電池內部壓力超過設定值時閥體被開啟而將電池內的氣體排出電池外的密封型電池的安全閥中，其特徵係構成上述安全閥具備設置於閥體外緣而剥離閥體整體的環狀薄形的外側環狀槽、此外側環狀槽的內側區域所設的環狀薄形的內側環狀槽、連接外側環狀槽和內側環狀槽的直線狀薄形的連接槽，且外側環狀槽、內側環狀槽、及連接槽係設置於電池外方的上側及/或電池內側的下側的同一側，內側環狀槽及連接槽的厚度比外側環狀槽的厚度還厚。

(2)本發明之密封型電池的安全閥，係於(1)中，其特徵係連接上述外側環狀槽和內部環狀槽之直線狀薄形的連接槽，係由相對電池外殼側面的橫向平面所平行形成之橫向連接槽、相對電池外殼側面的縱向平面所平行形成之縱向連接槽所組成。

(3)本發明之密封型電池的安全閥，係於上述(1)或(2)中，其特徵係環狀薄形的外側環狀槽和劃分安全閥的外緣之階梯部為形成相似形狀。

(4)本發明之密封型電池的安全閥，係於上述(1)～(3)任一者中，其特徵係複數設置上述直線狀薄形的連接槽，當電池內部壓力上升時，在內側環狀槽和直線狀薄形的連接槽的交叉點開始變形，該變形從該連接槽往上數環狀薄形的外側環狀槽傳播，粉碎外側環狀槽，以將電池內部產生的氣體一次排出。

(5)本發明之密封型電池，係在將電池外殼的開口部封口的密封板形成薄形的閥體，電池內部壓力超過設定值時閥體被開啟而將電池內的氣體排出電池外的密封型電池中，其特徵係構成上述密封型電池的安全閥具備設置於閥體外緣而剥離閥體整體的環狀薄形的外側環狀槽、此外側環狀槽的內側區域所設的環狀薄形的內側環狀槽、連接外側環狀槽和內側環狀槽的直線狀薄形的連接槽，且外側環狀槽、內側環狀槽、及連接槽係設置於電池外方的上側及/或電池內側的下側的同一側，內側環狀槽及連接槽的厚度比外側環狀槽的厚度還厚。

本發明之安全閥係構成為，根據於外側環狀槽的內側區域形成內側環狀槽、連結該等的縱橫向的連接槽，在電池內部壓力增加的情形時，接受使內側區域變形的力量，於內側環狀槽施加大的應力，連接槽的一端連接內側環狀槽，所以於內側環狀槽與連接槽的交叉點集中變形應力。

結果，電池內部壓力上升時，以內側環狀槽與連接槽的交叉點為起點，應力傳播至外側環型槽，粉碎最薄的外側環型槽，而在電池內部壓力上升時迅速作動，可達到在該壓力上升時將電池內部的氣體迅速且確實地排出之優異效果。

本發明之安全閥的實施型態，根據第一圖～7說明如下。如第一圖所示，安裝本發明之安全閥10之密封型電池50，係於以有底長方形筒狀而上方有開口部的電池外殼1中，收納有鋁合金所組成的芯體上形成活性物質層的正極、銅所組成的芯體上形成以石墨為主體的活性物質層的負極、以及分隔該等兩電極的隔體所組成的扁平螺旋狀的電極體。

又，電池外殼1內被注入電解液，於電池外殼1的開口部雷射溶接鋁合金所組成的密封板2，而封口電池外殼1的開口部。

密封板2所使用的鋁合金材料，退火材料、非退火材料的任一者皆可，而非退火材料的情況係使用非硬化型鋁合金。密封板2係設置有，與墊圈同時從收納於電池外殼內的電極體的負極端子帽所延伸設置的負極柄7。

另一方的正極係經由正極柄，與電池外殼1電性連接。

如第二圖所示，在密封板2設置鋁合金所組成的安全閥10，其係與密封板2一體成形。

如第三圖的安全閥之擴大圖所示，安全閥10之構造係形成劃分其外緣的薄形的階梯部10a、形成排出內部氣體的開孔之閥體11，以及沿階梯部10a的內側形成平面形狀為橢圓幣狀的薄形的外側環狀槽12，電池內部壓力超過設定值時，外側環狀槽12粉碎，剝離閥體11整體而形成開孔(被開啟)，將電池外殼1內的氣體排出電池外殼外。

再者，外側環狀槽12係以和安全閥10的階梯部10a相似形狀而設置為同心狀，可使排出內部氣體的開孔變大而較理想。

又，此外側環狀槽12的內側區域設置環狀薄形的內側環狀槽13。此外，連接外側環狀槽12和內側環狀槽13的直線狀薄形的連接槽，係具備相對電池外殼1側面的橫向平面3、4所平行形成之橫向連接槽15、相對電池外殼1側面的縱向平面5、6所平行形成之縱向連接槽16。

另，第三圖中，安全閥10的形狀為橢圓形，因此外側環狀槽12及內側環狀槽13的平面形狀也係相似形狀的橢圓形，但亦可為圓形。

如第四圖之A-A線箭頭方向剖面圖所示，外側環狀槽12的剖面形狀係，在電池外殼1的內部壓力高的情形，容易進行外側環狀槽12的粉碎，因此根據壓合成形而形成厚度方向V字形或U字形的缺口作為環狀槽。

又，內側環狀槽13、橫向連接槽15、縱向連接槽16的剖面形狀，亦與外側環狀槽12的剖面形狀相同形成V字形或U字形為理想，但內側環狀槽13、橫向連接槽15、縱向連接槽16的剩餘厚度(厚度)係因為外側環狀槽12的破裂為優先，以構成比外側環狀槽12的剩餘厚度(厚度)還厚為理想。

另，本實施型態中，內側環狀槽13、橫向連接槽15、縱向連接槽16的剖面形狀，亦與外側環狀槽12的剖面形狀相同形成V字形或U字形為理想，但內側環狀槽13、橫向連接槽15、縱向連接槽16的剩餘厚度(厚度)設定為50～120μm，內側環狀槽12的剩餘厚度(厚度)設定為20～90μm。

此外，外側環狀槽12、內側環狀槽13、橫向連接槽15、縱向連接槽16的V字形或U字形缺口的形成，係不僅係在密封板2的上側，在下側亦可，或在兩側亦可。

第五圖係表示因電池內部所產生氣體而使電池外殼膨脹的狀態之立體圖。亦即，電池內部產生異常氣體而因內部壓力使密封型電池變形的情形，對密封板2的長邊方向往垂直下方所延伸形成的電池外殼側面的橫平面3、4的變形量，係比電池外殼側面的縱平面5、6的變形量還要大。

橫平面3、4的面積係比密封板2的長邊方向與直角方向所延伸形成的縱平面5、6還要大，係因氣體壓力所接受的總壓力大的緣故。

此外，如第六圖的安全閥之剖面圖所示，電池內部壓力增大時，薄形的安全閥10因內壓而於外側變形為圓頂狀。亦即，安全閥10的有效作動(閥體的開放)，係需要合併考慮第五圖所示的電池外殼側面的橫平面3、4的變形以及第六圖所示的圓頂狀的變形，根據電池內部產生的氣體的內部壓力而粉碎外側環狀槽12，使內部氣體一次釋放。

亦即，在密封型電池的內部產生而提高內壓的情形時，安全閥10的中心部區域雖接受原本往上膨脹變形為圓頂狀的力量，但如本實施型態的安全閥，藉由形成內側環狀槽13、內側環狀槽13所連接的直線狀的橫向連接槽15及縱向連接槽16，首先於內側環狀槽13與其所連接的直線狀的橫向連接槽15及縱向連接槽16之連接處施加大的應力。而內側環狀槽13係連結於直線狀的連接橫向連接槽15，所以如第七圖的表示安全閥所施加的應力的狀態之說明圖所示，根據伴隨電池外殼1的橫平面3、4的變形之應力21、橫向連接槽15的變形應力22、以及安全閥的圓頂狀變形應力(參照第六圖)，在內側環狀槽13所連接的橫向連接槽15的交叉點a、b集中上述應力。

結果，電池內部壓力上升時，從內側環狀槽13所連接的橫向連接槽15的交叉點a、b，確實進行閥體11粉碎的歪扭，於a→c→e方向、a→c→f方向、b→d→e方向、b→d→f方向傳播，而最薄形的外側環狀槽12產生龜裂，以破裂從安全閥10使閥體11開啟(安全閥迅速作動)，一次排出電池內部的氣體。

再者，本實施型態中，因電池外殼1的變形量比橫平面3、4大，此情況的應力的傳播雖說明係通過橫向連接槽15，但係若電池外殼的形狀並非扁平而接近立方體狀，亦傳播至縱向連接槽16。

＜安全閥及電池的製造方法＞

以下，對本實施型態的安全閥及電池的製造方法進行說明。

藉由在密封板2的設定位置沖壓加工，形成劃分安全閥的薄形的階梯部10a，同時一體形成在該階梯部10a的內側形成剥離的閥體11的外側環狀槽12、在該內側的內側環狀槽13、連接外側環狀槽12和內側環狀槽13的橫向連接槽15及縱向連接槽16、密封板2。

之後，於密封板2安裝墊圈等，在電池外殼1的開口部雷射溶接後，由密封板2所設的注入口7，向電池外殼1內注入電解液而製作密封型電池。

＜實施的型態的作用效果＞

如此，藉由在安全閥的外側環狀槽的內側區域形成內側環狀槽、連接該等的橫向連接槽、縱向連接槽，施加電池內部壓力的情形時，接受使安全閥的圓頂狀變形及電池外殼變形的力量，首先係在內側環狀槽施加大的應力。

而連接槽的一端係連接內側環狀槽，所以在內側環狀槽和連接槽的交叉點集中變形應力。

結果，電池內部壓力上升時，以內側環狀槽和連接槽的交叉點為起點，應力傳播至外側環狀槽，粉碎最薄形的外側環狀槽而安全閥迅速作動。

[實施例]

使用鋁合金板製作安全閥，將其雷射溶接於電池外殼成為實施例的模擬電池。

又，實施例的模擬電池中，安全閥的外側環狀槽的厚度(剩餘厚度)設為30μm(實施例1)、50μm(實施例1)的兩種。內側環狀槽的剩餘厚度分別設為70μm、90μm。

又，將從中心至內側環狀槽為止的距離Y，改變安全閥的半徑X的情形的比率者，用比較例進行實驗。

在此，半徑X係作為安全閥10的中心和和安全閥階梯部10a之間的距離。

又，作為比較例，將環狀槽，製作不形成內側、外側的雙重環狀槽者。此情況下，僅外側環狀槽設為剩餘厚度30μm。

再者，本實施例及比較例係安全閥為橢圓形，故採用長徑一方進行比較。

＜作動壓測試＞

於上述模擬電池的內部加入空氣壓調查安全閥的作動壓。

作動壓測試係從密封板2的注入口7逐步注入空氣，同時作為安全閥作動時的空氣壓。該等的結果表示於表1。此外，測試材料數為電池各20個。

從表1的結果，安全閥的剩餘厚度30μm、從安全閥的中心至內側環狀槽為止的距離為1/3X的實施例1，係作動壓的平均為1.21MPa。

安全閥的剩餘厚度50μm、從安全閥的中心至內側環狀槽為止的距離為1/3X的實施例2，係作動壓的平均為1.87MPa。

又，安全閥的剩餘厚度30μm，從安全閥的中心至環狀槽為止的距離為1/3X的比較例1，係作動壓的平均為1.22MPa。

安全閥的剩餘厚度30μm，從安全閥的中心至環狀槽為止的距離為2/3X的比較例2，係作動壓的平均為1.40MPa。

安全閥的剩餘厚度30μm，從安全閥的中心至環狀槽為止的距離為概略X的比較例3，係作動壓的平均為1.62MPa。

＜開啟面積測試＞

接著，實驗本實施例的安全閥的作動狀況。作動狀況的實驗方法係如以下方式進行。亦即，將安裝密封板而密閉的實際的密封型電池置於加熱至250℃的電板上，急遽加熱使氣體產生，故意使安全閥作動而確認開啟面積。

安全閥作動時的開啟面積若小，無法將急遽產生的氣體釋放，電池外殼會爆炸，故安全閥的開口面積需要係大的。

此開啟面積測試中，實施例1、2的安全閥係在開啟面積最大的外側環狀槽12開啟(吹掉)閥體11而可將產生的氣體一次釋放。

相對於此，比較例1的安全閥雖形成環狀槽，但在安全閥的1/3的位置形成環狀槽，因此無法一次釋放急遽產生的氣體而電池爆炸。

又，比較例1的安全閥，雖與實施例1大致相同的作動壓，但開啟面積小。

比較例2的安全閥係在安全閥的2/3的位置形成環狀槽而環狀槽的半徑大，根據圓頂狀的變形環狀槽所產生的應力不傳播至連接槽，並沒有發生環狀槽及連接槽分別產生龜裂後從該龜裂釋放急遽產生的氣體，且剥離環狀槽而吹走閥體。

比較例3的安全閥係從安全閥的中心至環狀槽為止的距離為概略X而在外側環狀槽釋放內部氣體，但沒有內側環狀槽及連接槽，故相同剩餘厚度的情形(30μm)，作動壓(1.62MPa)比實施例1(1.21MPa)的情形高，急遽的內部氣體壓力的上升中，無法以低壓進行安全閥的作動。

另，外側環狀槽的剩餘厚度與落下強度有關，厚的話落下強度變高，但另一方面則無法進行低壓下的迅速作動。

由該等結果，可瞭解實施例的安全閥的方面，可降低作動壓、開啟面積亦大。

本發明的安全閥係購成為，藉由於外側環狀槽的內側區域形成內側環狀槽、連接該等的縱衡向的連接槽，在電池內部壓力增加的情形時，接受使內側區域變形的力量，於內側環狀槽施加大的應力，連接槽的一端連接內側環狀槽，所以於內側環狀槽與連接槽的交叉點集中變形應力，故電池內部壓力上升時，以內側環狀槽與連接槽的交叉點為起點，應力傳播至外側環型槽，粉碎最薄的外側環型槽，而在電池內部壓力上升時迅速作動，可在該壓力上升時將電池內部的氣體迅速且確實地排出。

因此，本發明的安全閥可較佳地運用於密封型電池，產業上的可利用性非常高。

50．．．密封型電池

1．．．電池外殼

2．．．密封板

3、4．．．電池外殼橫平面

5、6．．．電池外殼縱平面

7．．．注入口

10．．．安全閥

11．．．閥體

12．．．外側環狀槽

13．．．內側環狀槽

15．．．橫向連接槽

16．．．縱向連接槽

21、22．．．應例

a、b、c、d、e、f．．．交叉點

第一圖係安裝本發明之實施型態的安全閥之密封型電池之立體圖。

第二圖係安裝本發明之實施型態的安全閥之密封板之平面圖。

第三圖係本發明之實施型態的安全閥之擴大平面圖。

第四圖係第三圖的安全閥之A-A線箭頭方向剖面圖。

第五圖係表示因電池內部所產生氣體而使電池外殼膨脹的狀態之立體圖。

第六圖係表示本發明之實施型態的安全閥的電池內部壓力增大時的變形狀態之剖面圖。

第七圖係表示本發明之實施型態的安全閥中，電池內部壓力增大時的安全閥被施加的應力的狀態之說明圖。

1．．．電池外殼

2．．．密封板

3、4．．．電池外殼橫平面

5、6．．．電池外殼縱平面

10．．．安全閥

50．．．密封型電池

Claims (5)

1. 一種密封型電池的安全閥，係在將電池外殼的開口部封口的密封板形成薄形的閥體，電池內部壓力超過設定值時閥體被開啟而將電池內的氣體排出電池外的密封型電池的安全閥中，其特徵係構成上述安全閥具備設置於閥體外緣而剥離閥體整體的環狀薄形的外側環狀槽、此外側環狀槽的內側區域所設的環狀薄形的內側環狀槽、連接外側環狀槽和內側環狀槽的直線狀薄形的連接槽，且外側環狀槽、內側環狀槽、及連接槽係設置於電池外方的上側及/或電池內側的下側的同一側，內側環狀槽及連接槽的厚度比外側環狀槽的厚度還厚。
2. 如申請專利範圍第1項所述之密封型電池的安全閥，其特徵係連接上述外側環狀槽和內部環狀槽之直線狀薄形的連接槽，係由相對電池外殼側面的橫向平面所平行形成之橫向連接槽、相對電池外殼側面的縱向平面所平行形成之縱向連接槽所組成。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之密封型電池的安全閥，其特徵係環狀薄形的外側環狀槽和劃分安全閥的外緣之階梯部為形成相似形狀。
4. 如申請專利範圍第1項所述之密封型電池的安全閥，其特徵係複數設置上述直線狀薄形的連接槽，當電池內部壓力上升時，在內側環狀槽和直線狀薄形的連接槽的交叉點開始變形，該變形從該連接槽往上數環狀薄形的外側環狀槽傳播，粉碎外側環狀槽，以將電池內部產生的氣體一次排出。
5. 一種密封型電池，係在將電池外殼的開口部封口的密封板形成薄形的閥體，電池內部壓力超過設定值時閥體被開啟而將電池內的氣體排出電池外的密封型電池中，其特徵係構成上述密封型電池的安全閥具備設置於閥體外緣而剥離閥體整體的環狀薄形的外側環狀槽、此外側環狀槽的內側區域所設的環狀薄形的內側環狀槽、連接外側環狀槽和內側環狀槽的直線狀薄形的連接槽，且外側環狀槽、內側環狀槽、及連接槽係設置於電池外方的上側及/或電池內側的下側的同一側，內側環狀槽及連接槽的厚度比外側環狀槽的厚度還厚。