WO2014129462A1 - 封口体 - Google Patents

Abstract

　製造が容易であり、また、より小型化が可能な、密閉型電池用の封口体を提供する。密閉型電池用の封口体は、（１）かしめ部およびガス抜き口を有する第１正極キャップと、（２）第１正極キャップ上に位置する導電性金属箔と、（３）導電性金属箔上に位置し、ヒューズ機能を有する保護素子と、（４）保護素子上に位置し、ガス抜き口を有する第２正極キャップとを有し、上記第１正極キャップのかしめ部により、上記導電性金属箔、上記保護素子および上記第２正極キャップが、かしめ付けられている。

Description

封口体

　本発明は、密閉型電池用の封口体に関する。

　リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高い、作動電圧が高い、放電時の電圧平坦性が優れている、自己放電が少ない、メモリー効果がない等の利点を有するため、例えば携帯電話、パソコン、ビデオカメラなどの電源として適している。しかしながら、リチウムイオン電池等の有機溶媒を電解液として含む二次電池には、過充電、内部短絡などの異常、または誤使用などにより、電解液が分解され、電池内部でガスが発生し、電池の内圧が上昇する等の問題があった。

　このような問題に対して、例えば、特許文献１には、図１に示すように、ガス抜き穴を有する弁キャップ１０２と、内部ガスケット１０４を介してその上に位置する防爆弁１０６と、その上に位置するＰＴＣ素子１０８と、その上に位置するガス抜き穴を有する正極端子１１０とから構成される封口体１００を有する密閉型電池が開示されている。かかる封口体を有する密閉型電池は、電池内圧が設定値を超えると、防爆弁１０６が作動し、ガスを電池外部に排出することにより、電池の内圧の上昇を防止している。

特開平１１－２８３５８８号公報

　しかしながら、上記のような封口体は、正常時には防爆弁が電流の経路となる為、防爆弁１０６と弁キャップ１０２との電気的接続を確実にするために、これらの接続箇所１１２にて両者の溶接が必要となる。したがって、封口体の製造時に、溶接工程が必要となり、製造工程が煩雑になるという問題がある。

　また、ＰＴＣ素子は異常時に作動して（トリップして）高抵抗となり、そこを流れる電流を遮断することができるが、作動後も微少電流（リーク電流）が流れ得る。しかしながら、異常の種類によっては回路が完全に開くことが求められる。したがって、従来の封口体では、この微小電流を遮断するため、防爆弁に、電流遮断機構（ＣＩＤ：Current Interrupt Device）としての機能が付加されている。そのため、上記の封口体１００では、防爆弁の作動後に、弁キャップ１０２と防爆弁１０６の電気的接続の遮断を可能にするために、弁キャップ１０２と防爆弁１０６のフランジ部の間に、絶縁性の内部ガスケット１０４が設置されている。したがって、封口体全体としての厚みが、ガスケットの分厚くなるという問題がある。また、部品点数が多くなる為、それぞれの部品固有の寸法（厚み）バラツキの影響が大きくなり、かしめによりＰＴＣ素子にかかる負荷圧力が安定せず、ＰＴＣ素子の耐電圧特性が低下するという問題もある。

　また、防爆弁が、防爆弁としての機能と電流遮断機構としての機能を兼備するため、防爆弁の形状および構造が複雑となり、防爆弁自体の加工が煩雑になるという問題もある。

　そこで、本発明が解決しようとする課題は、製造が容易であり、また、より小型化が可能な、密閉型電池用の封口体を提供することである。

　第１の要旨において、本発明は、密閉型電池用の封口体であって、
（１）かしめ部およびガス抜き口を有する第１正極キャップと、
（２）第１正極キャップ上に位置する導電性金属箔と、
（３）導電性金属箔上に位置し、ヒューズ機能を有する保護素子と、
（４）保護素子上に位置し、ガス抜き口を有する第２正極キャップ
とを有し、上記第１正極キャップのかしめ部により、上記導電性金属箔、上記保護素子および上記第２正極キャップが固定されていることを特徴とする封口体を提供する。

　本発明の封口体においては、上記（３）のヒューズ機能を有する保護素子が電流遮断機構として機能するので、導電性金属箔は防爆弁として機能すればよい。したがって、導電性金属箔は複雑な形状および構造を必要としない。また、導電性金属箔のフランジ部と第１正極キャップとの絶縁を確保する必要がない。したがって、導電性金属箔と第１正極キャップとの間に絶縁性ガスケットを配置する必要がない。さらに、導電性金属箔と第１正極キャップとの電気的接続は、両者が面で接触していることに加え、第１正極キャップのかしめ部による押圧により確実になされているため、導電性金属箔と第１正極キャップとを溶接する必要がない。

　第２の要旨において、本発明は、本発明の封口体を有する密閉型電池を提供する。

　本発明の封口体は、ヒューズ機能を有する保護素子を電流遮断機構として用いることにより、防爆弁としての導電性金属箔の形状および構造を単純化することが可能になり、また、導電性金属箔と第１正極キャップとを溶接することを必要としない。これにより封口体の製造を簡略化することができる。さらに、よりコンパクトな封口体を提供することができる。

図１は、従来の密閉型電池用の封口体を断面図にて模式的に示す。 図２は、本発明の密閉型電池用の封口体の１つの態様を断面図にて模式的に示す。 図３は、図２の封口体を平面図にて模式的に示す。

　以下に、図面を参照して、本発明の封口体を詳細に説明する。但し、本発明の封口体は、図示する態様に限定されないことに留意されたい。

　本発明の封口体の１つの態様を、図２にその厚さ方向に沿った断面図にて、図３に平面図にて模式的に示す。

　図示した封口体１０は、円筒型電池用の封口体であり、第１正極キャップ１２上に、導電性金属箔１４、ヒューズ機能を有する保護素子１６および第２正極キャップ１８が順に積層されており、これらの周囲および第２正極キャップ１８のフランジ部（外縁部）２０上に位置する絶縁性ガスケット２２を有し、これらが第１正極キャップ１２の縁部に位置するかしめ部２４により固定されている。

　図示した態様では、第１正極キャップ１２は、その中央部にガス抜き口２６を有する。該ガス抜き口２６は、電解液および／または活物質等の異常反応により、電池内部でガスが発生し、電池内圧が上昇して防爆弁が作動した際に、ガスを電池外部に排出するために設けられる。したがって、ガス抜き口２６の直上には、ヒューズ機能を有する保護素子が存在しないことが好ましい。また、第１正極キャップ１２はかしめ部２４を有し、第１正極キャップ１２上に封口体を構成する他の部材を所定の位置に設置した後、このかしめ部２４を内側に折り曲げることにより他の部材を固定する。

　本発明において、第１正極キャップは、導電性金属から形成される。該導電性金属は、特に限定されないが、例えば封口体がリチウムイオン電池用である場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。

　図示した態様では、導電性金属箔１４は、円盤状の金属箔であり、防爆弁として機能する。また、正常時には、導電性金属箔１４は、電解液が、ガス抜き口を介して電池外部へ漏れ出ることを防止する。

　本発明において、導電性金属箔１４を形成する金属材料は、電解液に対して耐性を有するものであれば特に限定されないが、例えば封口体がリチウムイオン電池用である場合、好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。

　上記導電性金属箔の厚さは、防爆弁として機能できる厚さであれば特に限定されない。当業者であれば、所望の圧力（一般的には、１０～１５ｋｇｆ）が負荷された場合に防爆弁が作動する（破裂する）ように、封口体の構成、特に保護素子の内径に応じて、上記導電性金属箔の厚さを適宜決定することができる。

　上記導電性金属箔は、一般的な金属箔の製造方法、例えば圧延により簡便に製造することができる。

　本発明において、ヒューズ機能を有する保護素子とは、封口体に過剰電流が流れた場合に溶断し、その過剰電流を遮断することができる非復帰型のヒューズ機能を有する保護素子である。

　図示した態様では、保護素子１６は、円環状であり、
　（ｉ）絶縁性樹脂により形成され、少なくとも１つの貫通開口部を有する層状要素と、
　（ｉｉ）層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層電極と
　（ｉｉｉ）該貫通開口部の少なくとも１つを規定する側面上に位置し、導電性金属薄層電極を電気的に接続するヒューズ層
とを有して成る保護素子（ディスク型保護素子）である。なお、図示した態様では、簡単のため、ヒューズ層および層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層電極の図示は省略し、全体としての保護素子１６を図示している。該ディスク型保護素子は、例えば、国際公開第２０１２／１１８１５３号（図面に図示された保護素子およびその製造方法を含む全開示内容は、参照により本明細書に組み入れる）に開示されている。

　上記絶縁性樹脂により形成された層状要素は、少なくとも１つの貫通開口部を有する。この貫通開口部は、層状要素の厚さ方向に沿って延びて層状要素を貫通しており、電池内部でガスが発生し、防爆弁が作動した場合に、電池内部で発生したガスを電池外部に排出できるように、第１正極キャップのガス抜き口２６および第２正極キャップのガス抜き口２８と気体連通している。当該貫通開口部の位置および数は、特に限定されないが、層状要素の中心部に１つであってもよく、または、中心貫通開口部を有する円環状の層状要素の周状部分に複数、例えば２つ、３つまたは４つ設けてもよい。

　層状要素を構成する絶縁性樹脂は、電気的に絶縁性を有する樹脂であれば特に限定されるものではない。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、フッ素系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート－ＡＢＳアロイ樹脂、ＰＢＴ樹脂、エラストマー等の樹脂を例示できる。特にポリエチレンやポリフッ化ビニリデンのような樹脂を使用するのが好ましい。

　この層状要素は、その両側の主表面上に配置された導電性金属薄層電極を有して成る。この導電性金属薄層電極は、導電性を有する金属の薄い層（例えば、厚さが０．１μｍ～１００μｍ程度）であれば特に限定されるものではなく、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、金等の金属によって構成でき、複数の金属薄層により形成されていてもよい。

　導電性金属薄層電極が各主表面上に位置する層状要素は、層状要素を構成する絶縁性樹脂を、金属薄層を構成する金属シート（または金属箔）と一緒に同時押し出しすることによって、金属シート（または金属箔）の間に絶縁性樹脂が挟まれた状態の押出物を得ることによって、製造することができる。別の態様では、絶縁性樹脂の層状物を例えば押出によって得、この層状物を金属シート（または金属箔）の間に挟み、これらを一体に熱圧着して圧着物を得ることによって、製造することもできる。更に、別の態様では、絶縁性樹脂の層状要素に導電性金属のメッキを施すことによって、両側の主表面上に導電性金属薄層電極を形成してもよい。このようにして得られた導電性金属を有する層状要素（押出物または圧着物など）は、導電性金属薄層電極を両側の主表面に有する、絶縁性樹脂の層状要素が多数隣接して集合した状態であり、この層状要素を所定の形状・寸法に切り出して、単一の、導電性薄層を有する層状要素を得ることができる。

　層状要素の形態は、厚さ方向のディメンションが他のディメンションより小さい、好ましくは相当小さいもの（例えばシート状形態）であれば、特に限定されるものではない。図示した態様では、層状要素の平面形状は円環状であるが、特に限定されるものではなく、封口体の平面形状に対応した形状であることが好ましい。

　上記保護素子は、貫通開口部の少なくとも１つを規定する側面上に位置し、層状要素の両側主表面に位置する導電性金属薄層電極を電気的に接続するヒューズ層を有する。

　本発明において、上記ヒューズ層は、１つの金属層であっても、融点の異なる複数の金属層を含んでいてもよいが、好ましくは融点の異なる複数の金属層を含む。

　上記金属層を形成する金属材料としては、導電性であれば特に限定されるものではなく、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ－Ａｕ合金、Ｎｉ－Ｐ合金、Ｎｉ－Ｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ－Ａｇ合金、Ｓｎ－Ｃｕ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｐ－Ｇｅ合金、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｎｉ－Ｃｏ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｃｏ－Ｎｉ合金、Ｓｕ－Ｂｉ－Ａｇ合金、Ｓｎ－Ｚｎ合金、Ｓｎ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ｆｅ合金、Ｚｎ－Ｎｉ合金、Ｚｎ－Ｆｅ合金、Ｚｎ－Ｃｏ合金、Ｚｎ－Ｃｏ－Ｆｅ合金、Ｓｎ－Ｚｎ合金、Ｐｄ－Ｎｉ合金およびＳｎ－Ｂｉ合金が挙げられる。

　上記ヒューズ層は、好ましくは、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ－Ａｕ合金、Ｎｉ－Ｐ合金およびＮｉ－Ｂ合金から選択される金属材料から形成された一の金属層、および、Ｓｎ、Ｓｎ－Ａｇ合金、Ｓｎ－Ｃｕ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ｓｂ合金、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｐ－Ｇｅ合金、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｎｉ－Ｃｏ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｃｏ－Ｎｉ合金、Ｓｕ－Ｂｉ－Ａｇ合金、Ｓｎ－Ｚｎ合金およびＳｎ－Ｂｉ合金から選択される金属材料から形成された別の金属層を含む。上記ヒューズ層は、より好ましくは、Ｎｉから形成される金属層、および、Ｓｎ、Ｓｎ－Ｃｕ合金またはＳｎ－Ｂｉ合金から形成される金属層を含む。

　このように、ヒューズ層を融点の異なる複数の金属層とすることにより、一方の主表面上の導電性金属薄層電極から他方の主表面上の導電性金属薄層電極に向かって過剰電流が流れようとする場合に、過剰電流が集中的にヒューズ層を流れて発熱する結果、まず、相対的に低い融点を有する金属から形成される金属層が溶融する。その結果、その金属層を流れていた電流が相対的に高い融点を有する金属から形成される金属層に流れ、そこを流れる電流が増大して、相対的に高い融点を有する金属から形成される金属層が速やかに溶融することにより、過剰電流が迅速かつ確実に遮断される。このような構成とすることにより、ヒューズ層の定格電流をそれほど大きく上回らない過剰電流、例えば定格容量の２倍程度の過剰電流に対しても確実な保護を提供することができ、保護素子の電流遮断機構としての機能を向上させることができる。

　一の態様において、上記保護素子の（ｉｉ）導電性金属薄層電極のうち、導電性金属箔側の導電性金属薄層電極を省略することができる。この場合、導電性金属箔は、ディスク型保護素子の一方の電極としても機能する。即ち、導電性金属箔は、上記層状要素の主表面に接しており、第２正極キャップ側の導電性金属薄層電極と、上記ディスク型保護素子のヒューズ層により直接接続されている。このような構成とすることにより、一方の導電性金属薄層電極が省略できるので、部品数を少なくすることができ、また厚みを薄くすることができる。

　図示した態様では、第２正極キャップ１８は、ガス抜き口２８を有する。当該ガス抜き口２８は、上記第１正極キャップ１２のガス抜き口２６と同様に、電解液および／または活物質等の異常反応により、電池内部でガスが生じ、電池内圧が上昇して防爆弁が作動した際に、ガスを排出するために設けられる。

　本発明において、第２正極キャップは、導電性金属から形成される。該導電性金属は、特に限定されないが、例えば封口体がリチウムイオン電池用である場合、ニッケルメッキ鋼であることが好ましい。

　図示した態様では、導電性金属箔１４、保護素子１６および第２正極キャップ１８の周囲ならびに第２正極キャップ１８のフランジ部２０上に、絶縁性ガスケット２２を設置する。導電性金属箔１４、保護素子１６、第２正極キャップ１８および絶縁性ガスケット２２は、図示したように設置した後、第１正極キャップ１２のかしめ部２４により固定される。

　本発明において、絶縁性ガスケットは、電解液に対し耐性があり、絶縁性であれば、一般的に用いられるガスケットを用いることができる。例えば、該絶縁性ガスケットの材料としては、絶縁性樹脂、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等が挙げられる。

　上記絶縁性ガスケットは、第１正極キャップと、保護素子（詳細には、図示した態様では、保護素子の第２正極キャップ側の主表面上の導電性金属薄層電極）および第２正極キャップとの間の絶縁を確保する。この第１正極キャップと保護素子および第２正極キャップとの間を絶縁することにより、第１正極キャップから第２正極キャップに直接電流が流れる、換言すれば、ヒューズ層を介さずに電流が流れることを防止することができる。このような構成とすることにより、保護素子が作動して、導電性金属箔から保護素子を介して第２正極キャップへ流れる電流を遮断することによって、封口体を流れる電流を遮断することが可能になる。また、上記絶縁性ガスケットは、電解液の液漏れを防止する。

　本発明の封口体は、何らかの異常により過電流が生じた場合、ヒューズ機能を有する保護素子が作動し、その電流を遮断する。また、電池の内部でガスが発生し、電池の内圧が設定値を超えた場合、防爆弁としての導電性金属箔が作動し、ガスを電池の外部に排出して、電池の内圧が異常に上昇するのを防止する。

　一の態様において、本発明の封口体は、防爆弁としての導電性金属箔が作動するより先に、ヒューズ機能を有する保護素子が作動し、電流を遮断する。

　図示した封口体１０は、例えば、以下のようにして製造することができる。
　まず、かしめ部２４が伸びた状態である皿形の第１正極キャップ１２を準備する。この第１正極キャップの壁面の内側に絶縁性ガスケット２２を設置する。この際、第１正極キャップの底面部には絶縁性ガスケットを設けない。
　次いで、第１正極キャップの内部に、導電性金属箔１４、保護素子１６、第２正極キャップ１８を順に積層する。なお、導電性金属箔１４および保護素子１６は、予め接着して一の部品としてもよい。
　最後に、第１正極キャップのかしめ部を内側に折り曲げ、導電性金属箔１４、保護素子１６、第２正極キャップ１８および絶縁性ガスケット２２をかしめ付けて固定する。

　本発明の封口体は、第１正極キャップ１２と導電性金属箔１４とが面で接触し、接触面積が大きく、かつ、その接触部分がかしめ部分により押圧されているため、両者の電気的接続を確実にするための溶接を必要としない。したがって、本発明の封口体は簡便に製造することができる。本発明の封口体では、導電性金属箔は防爆弁としての機能を有していればよく、したがって、従来の封口体における電流遮断機構としても機能する防爆弁と比較して、形状および構造を単純化することが可能になる。

　また、本発明の封口体は、第１正極キャップの底面部と導電性金属箔のフランジ部との間の絶縁が不要である為、そこに絶縁層を必要とする従来の封口体と比較して厚みを小さくすることができる。また、封口体の部品の積層方向の部品数を少なくできる為、厚みのバラツキを抑えることができ、部品にかかる負荷圧力をより安定させることができる。

　本発明の封口体は、密閉型電池、特に円筒型電池、具体的には円筒型リチウムイオン二次電池の封口体として好適に用いることができる。したがって、本発明は、本発明の封口体を有する密閉型電池、特に円筒型電池、具体的には円筒型リチウムイオン二次電池をも提供する。

　本発明の封口体は、密閉型電池、例えば円筒型の密閉型電池、具体的には円筒型のリチウムイオン二次電池の封口体として用いることができる。

　　１０…封口体
　　１２…第１正極キャップ
　　１４…導電性金属箔
　　１６…保護素子
　　１８…第２正極キャップ
　　２０…第２正極キャップのフランジ部
　　２２…絶縁性ガスケット
　　２４…かしめ部
　　２６…ガス抜き口
　　２８…ガス抜き口
　　１００…封口体
　　１０２…弁キャップ
　　１０４…内部ガスケット
　　１０６…防爆弁
　　１０８…ＰＴＣ素子
　　１１０…正極端子
　　１１２…接続箇所

Claims (11)

1. 　密閉型電池用の封口体であって、
   （１）かしめ部およびガス抜き口を有する第１正極キャップと、
   （２）第１正極キャップ上に位置する導電性金属箔と、
   （３）導電性金属箔上に位置し、ヒューズ機能を有する保護素子と、
   （４）保護素子上に位置し、ガス抜き口を有する第２正極キャップ
   とを有し、上記第１正極キャップのかしめ部により、上記導電性金属箔、上記保護素子および上記第２正極キャップが固定されていることを特徴とする封口体。
2. 　ヒューズ機能を有する保護素子が、
   　（ｉ）絶縁性樹脂により形成され、少なくとも１つの貫通開口部を有する層状要素と、
   　（ｉｉ）層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層電極と
   　（ｉｉｉ）該貫通開口部の少なくとも１つを規定する側面上に位置し、導電性金属薄層電極を電気的に接続するヒューズ層
   とを有して成る保護素子である、請求項１に記載の封口体。
3. 　上記（ｉｉ）導電性金属薄層電極のうち、上記（２）導電性金属箔側の導電性金属薄層電極が省略され、他方の導電性金属薄層電極と導電性金属箔が、上記（ｉｉｉ）ヒューズ層により直接接続されている、請求項２に記載の封口体。
4. 　ヒューズ層が融点の異なる複数の金属層を含む、請求項２または３に記載の封口体。
5. 　ヒューズ層が、Ｎｉから形成される金属層、およびＳｎ、Ｓｎ－Ｃｕ合金またはＳｎ－Ｂｉ合金から形成される金属層を含む、請求項２～４のいずれかに記載の封口体。
6. 　導電性金属箔がアルミ箔である、請求項１～５のいずれかに記載の封口体。
7. 　円筒型電池用である、請求項１～６のいずれかに記載の封口体。
8. 　リチウムイオン二次電池用である、請求項１～７のいずれかに記載の封口体。
9. 　請求項１～８のいずれかに記載の封口体を有する、密閉型電池。
10. 　円筒型電池である、請求項９に記載の密閉型電池。
11. 　リチウムイオン二次電池である、請求項９または１０に記載の密閉型電池。

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