JP2000508469A - 電気化学的電池のための電流遮断器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気化学的電池のための電流遮断機構が開示される。熱作動型電流遮断機構（３８）が電気化学的電池のためのエンドキャップ組み立て体（１０）に一体に組み込まれる。好ましくは、熱感応機構はエンドキャップ組み立て体内の導電路を遮断するために自由に浮動する、バイメタルディスク（４０）あるいは１塊の溶融材料（図４、１７５）を備える。また、このエンドキャップ組み立て体は一体に組み込まれる、圧力感応型電流遮断機構（４８）を備える。この圧力感応機構は電池を通って流れる電流を防ぐためにエンドキャップ組み立て体（１０）内の導電路を切り離すように作動し、蓄えられたガス圧が過度な状態に陥ったときに破断するダイアフラム（７０）を備える。

Description

【発明の詳細な説明】 電気化学的電池のための電流遮断器 本発明は電池内の温度が過度に上昇したときに電池を通って電流が流れるのを 安全に防ぐ、電気化学的電池のための熱感応型電流遮断器に係るものである。 また、本発明は電池内に蓄えられたガス圧が過度に上昇したときに電池を安全 に休止する、電池のための圧力感応型電流遮断器に係るものである。 電気化学的電池、特にリチウムが活物質であるような高エネルギ密度の電池は その電池によって働く装置あるいは周囲の環境に害をもたらす漏洩ないし破裂を 引き起こす。充電式電池の場合、過充電から電池の内部温度が上昇する。温度上 昇が望ましくない状態ではしばしば内部ガス圧の上昇が付随して発生する。これ は外部で短絡状態に陥る事故を引き起こす可能性がある。望ましいのは製造コス トの上昇、サイズないし電池群の寸法増大を伴わずに電池に安全装置を組み込む ことである。 このような電池、特に活物質としてリチウムを用いる充電式電池は同時にしば しば圧力の上昇を伴う、内部の温度上昇によって漏洩ないし破裂を引き起こす。 これは過充電、あるいは短絡状態のような誤った使用状態によって引き起こされ る。また、重要なことは電解液の流出および外部環境からの湿分の流入を防ぐた めにこれらの電池を密封状態で封じることである。 上述したように、電池は充電され、自己発熱を生じる。充電における速度があ まりに早いとき、あるいは過充電になったとき、電池の温度が上昇する。電池の 化学的性質ないし構造により変わる、ある値を超える温度になったとき、望まし くない制御不可能で、手に負えない状態が始まる。これに加えて、過熱のために 内部に蓄えられた圧力および電解液が突然電池から放出されることがある。好ま しいのは、このようなことが起こる前に、制御した状態でこれらを外に逃がすよ うにすることである。 従来の方法で設計される電池においては電池アノードおよびカソード活物質な らびに適当なセパレータ材料および電解液を円筒状のケースに収容した後に、こ のケースの開口端部に挿入する、エンドキャップが用いられている。このエンド キャップはアノードないしカソード材料の１つと電気的に接続し、露出させたエ ンドキャップの反対側の部分が電池端子の１つを形成している。この電池ケース の露出させた部分は他の端子を形成している。従来技術は電池のエンドキャップ と一体に形成される、圧力感応型手段を開示している。 本発明は単一のエンドキャップ組み立て体内に一体に組み込まれる、１個ない し数個の電流遮断機構を備えるもので、このエンドキャップ組み立て体は、たと えば電池ケースの開口端部にエンドキャップ組み立て体を挿入する方法により一 時電池あるいは二次（充電式）電池に適用することが可能である。 本発明によるエンドキャップ組み立て体は電池が高温にさらされ、過剰ないし 不適当な充電状態におかれ、短絡状態に陥る間、過熱および内部に蓄えられた圧 力によりもたらされる危険を克服するために、たとえば、リチウム−イオン、ニ ッケル金属水素化物、ニッケルカドニウム、または他の充電式電池のような充電 式電池に特に適した用途を有する。 １つの様相では本発明は電池内部が予め決められた温度を超えて過熱状態に陥 ったとき、導電路を遮断し、電池を通って流れる電流を防ぐように働く、熱感応 型電流遮断機構が組み込まれる、エンドキャップ組み立て体を備える、電気化学 的電池のためのエンドキャップ組み立て体に関する。このエンドキャップ組み立 て体は電池の端子として働く、露出させたエンドキャッププレートを有する。こ の組み立て体が電池に適用されるとき、電池は正常に作動し、エンドキャッププ レートが電池極（アノードないしカソード）と電気的接続を保っている。エンド キャップ組み立て体内に一体に組み込まれる熱作動型電流遮断機構は予め決めら れた値を超える温度にさらされたとき、反りを生じるバイメタル部材を備えてい る。このバイメタル部材の反りにより電池極とエンドキャッププレートとの間の 電気的接触を切り離すように可動金属部材が押され、このため電池を通って流れ る電流を防ぐことが可能になる。 本発明の別の様相ではバイメタル部材に代えて、熱溶融ペレットが用いられる 。この熱ペレットは電池の温度が予め決められた値を超えたとき、電池極とエン ドキャッププレートとの間の導電路を切り離すように熱ペレットの一方の面に支 持される、金属部材を十分に変位させるために溶融する。熱感応型電流遮断機構 に加えて、エンドキャップ組み立て体には破断プレートないし薄膜が一体に組み 込まれる。電池内に蓄えられた圧力が予め決められた値を超えたとき、破断プレ ートないし薄膜はガスを電池の内部から外部環境に放出する。 他の様相では本発明はエンドキャップ組み立て体が一つは熱感応型で、他は圧 力感応型である、２つの電流遮断機構を一体に組み込む電池、特に充電式電池の ためのエンドキャップ組み立て体に関する。この熱感応型電流遮断機構は、好ま しくは電池内部が予め決められた温度を超えて過熱状態に陥ったとき、導電路を 遮断し、電池を通って流れる電流を防ぐように働く、バイメタル部材ないし熱溶 融ペレットを使用する。 圧力感応型電流遮断機構は電池の内部に蓄えられた圧力が予め決められた値を 超えて上昇したとき、電流を遮断するように働く。この場合、圧力感応型電流遮 断機構はエンドキャップ組み立て体内で金属ダイアフラムを反らせるように働き 、これによりエンドキャッププレートと電池極との間の電気的接続を切り離し、 電池を通って流れる電流を防ぐことが可能になる。蓄えられたガス圧が頂点に達 した場合、金属膜または破断プレートが電池内のガスをエンドキャップ組み立て 体内にある、チャンバに逃がし、さらに一続きのベント孔を通して外部環境まで 導 く。 本発明の他の様相は本発明のエンドキャップ組み立て体のための密封機構に関 する。この密封機構はエンドキャップから外部環境への電解液、液体ないしガス の漏洩を防止し、外部から電池内への湿分の流入を防ぐ。 本発明の特徴は図面を参照してより正確に理解することができる。図面におい て、 図１、図２および図３は図６のエンドキャップ組み立て体の１−１線に沿う縦 断面図であり、 図１は回路接続モードである熱作動型電流遮断機構および圧力作動型電流遮断 機構を示しており、 図２は回路遮断モードにある熱作動型電流遮断機構を示しており、 図３は回路遮断モードにある圧力作動型電流遮断機構を示しており、 図４は回路を開くように熱感応部材が弾性部材を解き放すように柔らかくなる 、圧力作動型電流遮断機構および熱作動型電流遮断機構を有するエンドキャップ 組み立て体の他の実施例に係る縦断面図であり、 図５は図１の実施例に示される、本発明のエンドキャップ組み立て体の構成要 素の分解組み立て図であり、 図６は抗圧プレートおよびそれを貫く透孔を示す、エンドキャップ組み立て体 の斜視図であり、 図７は電池の円筒状のケースの開口端部に挿入されている、本発明のエンドキ ャップ組み立て体を示す斜視図であり、 図８は電池の端子を形成するエンドキャップ組み立て体用エンドキャッププレ ートを有する、電池の円筒ケースの開口端部に挿入された状態の本発明によるエ ンドキャップ組み立て体を備えた完成電池を示す斜視図である。 本発明のエンドキャップ組み立て体１０（図１参照）は１次電池および２次 （充電式）電池に適用することが可能である。好ましい実施例において、エンド キャップ組み立て体１０は典型的には電池の円筒状のケース９０の開口端部９５ （図７参照）に挿入可能である。この電池は陽極（放電中、カソード）、陰極（ 放電中、アノード）セパレータおよび電解液ならびに陽、陰極と電気的な接続を 保持する、正、負の外部端子を有する。 図面の図１を参照すると、電池ケースの開口端部に挿入することを意図したエ ンドキャップ組み立て体１０は熱作動可能な電流遮断器組み立て体３８およびそ こに一体に組み込まれた圧力逃がし機構組み立て体４８を備えている。電流遮断 器組み立て体３８と圧力逃がし機構組み立て体４８とは共通の支持プレート６０ によって隔てられている。双方の組み立て体３８、４８はエンドキャップ組み立 て体１０の外壁を形成する、カバー３０内に保持されている。 電流遮断器組み立て体３８はカップ状のエンドキャッププレート２０によって それの天上面が形成され、支持プレート６０に溶接で固定される、接触プレート １５によってそれの底面が形成される。支持プレート６０は電流遮断器組み立て 体３８内のチャンバ６８を圧力逃がし機構組み立て体４８内のチャンバ７８から 隔てている。接触プレート１５はエンドキャップ組み立て体１０が電池に適用さ れたとき、電池極（アノードないしカソード）と電気的に接続される、支持プレ ート６０と電気的に接続される。接触プレート１５とエンドキャッププレート２ ０との回路を完備するために熱感応型回路遮断機構（４０、５０）が備えられる 。 電池内の温度が予め決められたしきい値を超えたとき、その回路遮断機構はエ ンドキャッププレート２０と接触プレート１５との間の電気的接続を切り離すよ うに作動し、これにより電池を通って流れる電流を防ぐ。 圧力逃がし機構組み立て体４８は抗圧プレート８０と接合された金属製のダイ アフラム７０を備えている。この抗圧プレート８０はそこに溶接で固定される、 導電性タブ８７を介して電池極８８と電気的に接続されている。（抗圧プレート ８０は電気的伝導性を有し、かつ少なくとも約６００psi（４．１４×１０⁶パス カル）の圧力で変形しない十分な厚さの材料からなる。）電池内に蓄えられたガ ス圧が予め決められたしきい値を超えたならば、ダイアフラム７０は抗圧プレー ト８０との電気的な接続を切り離すように外側にふくらみ、これにより電池にか けて流れ、あるいは電池から流れ出る電流を防ぐ。また、好ましくは、抗圧プレ ート８０および支持プレート６０はそれぞれ電池の内部のガスを放出し、蓄えら れた圧力を逃がすための透孔７３および６３を有する。 図１に示される好ましい実施例において、エンドキャップ組み立て体１０は充 電式電池、たとえばリチウム−イオン充電式電池において使用される。リチウム −イオン充電式電池は、電池放電中、陰極から陽極にリチウム−イオンが移動し 、電池充電中、リチウム−イオンが陽極から陰極にかけて移動することに特徴が ある。この電池の典型的なものは酸化リチウムコバルト（ＬｉＣｏＯ₂）ないし スピネル結晶構造の酸化リチウムマンガン（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）からなる、陽極と、 炭素陰極とを有する。この陰極は、放電中、電池のアノードを、また充電中、電 池のカソードを構成し、陽極は、放電中、電池のカソードを、また充電中、電池 のアノードを構成する。この電池に適した電解液は非水性溶剤の混合液に溶かし たリチウム塩を含む。この塩はＬｉＰＦ₆であり、溶剤はジメチル炭酸塩（ＤＭ Ｃ）、エチレン炭酸塩（ＥＣ）、プロピレン炭酸塩（ＰＣ）およびこれらの混合 物を含む。本発明は他の充電式電池、たとえばニッケル金属水素化物電池および ニッケルカドミウム電池にも同様に適用することができる。 エンドキャップ組み立て体１０は充電式電池の正端子である、エンドキャップ 端子２０、エンドキャッププレート２０の下側の支持ベースを形成する、金属製 の支持プレート６０、エンドキャッププレート２０と支持プレート６０との間に 配置される、絶縁ディスク３５を有する。 また、エンドキャップ組み立て体１０は図１に示されるように、支持プレート ６０の下側に圧力逃がし用ダイアフラム７０を備えている。ダイアフラム７０は 下側にある抗圧プレート８０に溶接で固定されている。これは下側にある抗圧プ レート８０の隆起部８２にダイアフラム７０のベース７２を溶接することにより 固定される。 ダイアフラム７０は電気的伝導性を有し、ダイアフラムが圧力に依存して作動 する、約０．１から０．５ミリメートルの間の最小厚さを有する材料で構成する 必要がある。このダイアフラム７０は、好ましくは、アルミニウムからなる。ダ イアフラム７０は予め決められた圧力で破断するように加工される。すなわち、 ダイアフラム表面はその表面部が残りの部分よりも厚さが薄くなるようにスタン プ加工ないしエッチング加工で形成される。 本発明において使用されるのに好ましいダイアフラム７０の一例はその表面に 半円状ないし“Ｃ”字状の溝７０ａを置くように加工される。この溝の形状はダ イアフラム７０の外周縁の主要な部分の形状と同一か、それに類似した形状であ り、外周縁に接近した位置に置かれる。材料の硬さと共に、たとえば溝の深さ、 位置、あるいは形状のような、設計条件を変えることによりガス放出が起こる特 定の圧力を制御することができる。圧力が過度に上昇したとき、ダイアフラムは その溝線に沿って破断する。 エンドキャッププレート２０および支持プレート６０は熱作動型電流遮断器組 み立て体３８がその間に配置される、チャンバ６８を形成している。絶縁ディス ク３５は外周部分のベース部３５ａおよびベース部３５ａから延びる下に傾斜し ている、アーム３５ｂから形成される。このアーム３５ｂはチャンバ６８にかけ て延びている。ダイアフラム７０は電池内に蓄えられた圧力が予め決められたし きい値レベルに達したとき、破断するように設計される。支持プレート６０とダ イアフラム７０との間の領域はダイアフラム７０の破断時、電池内に蓄えられた ガスが逃げる、チャンバ７８を形成している。 電流遮断器組み立て体３８は熱を感知して働くバイメタルディスク４０および ばねのような弾性部材５０と電気的接続を保っている金属製の接触プレート１５ を備えている。図１および図５に示されるように、弾性部材５０は単一の可撓性 を備えた部材から形成され、そこからディスク保持部５０ｃが半径方向内側に延 びる、環状の外周部５０ａを有する。この弾性部材５０は電池の向きがどのよう であっても、ディスク保持部の撥ねる動きを拘束せずに自由にバイメタルディス ク４０を保持することが可能である。 弾性部材は外周部５０ａのある区域においてエンドキャッププレート２０に溶 接で固定され、中心にある溶接部５０ｂが接触プレート１５と接触した状態に取 り付けられる。この接触部５０ｂは力の動揺する状態を抑えるために分解可能な 連合リンクとして働くように寸法を減少させた断面積を持たせて設計することが できる。 バイメタルディスク４０はそのディスク４０のための座として働く、絶縁ディ スク３５の傾斜しているアーム３５ｂと自由に係合するように位置決めされてい る。また、バイメタルディスク４０は、好ましくは、接触プレート１５の隆起さ せた接触部を受け入れるための中心孔を備える。好ましくは、接触プレート１５ は支持プレート６０に溶接で固定され、図１に示されるように、弾性部材５０が そこに載る平面部を有する。 エンドキャッププレート２０の外周縁を覆い、かつダイアフラム７０の底面外 周縁に沿って延びるように電気的に絶縁する絶縁環２５が設けられる。また、こ の絶縁環２５は、図１に示されるように、電流遮断器組み立て体３８の外周縁と 接している。エンドキャップ組み立て体の内部構成要素を封じるために絶縁環２ ５の上面端部を覆って圧着され、しかもダイアフラム７０と向き合う側を圧着さ れる、金属製の圧着リング５５が設けられる。絶縁環２５は圧着リング５５か らエンドキャッププレート２０を電気的に絶縁し、また、支持プレート６０と圧 着リング５５との間を密封するのに役立つ。 エンドキャップ組み立て体１０のカバー３０は図５に最もよく示されるように 、端を切り取った円筒部材から形成される。完成した電池組み立て体（図８参照 ）において、カバー３０の外面は電池ケース９０の内面と接している。支持プレ ート６０は電流遮断器組み立て体３８の構成要素がそこに載るベースを備え、好 ましくは、絶縁環２５の内面に当てて半径方向に作用する圧縮力を支えるために 弓形に形成される。支持プレート６０はダイアフラム７０が破断したとき、ガス を上部にあるチャンバ６８に逃がすためにそれの面を貫く透孔６３を備えている 。チャンバ６８に流れたガスはエンドキャッププレート２０に形成される主ベン ト孔６７を通って外部環境に流出する。 カバー３０は典型的にはリチウム−イオン充電式電池の場合に負端子である、 正反対の端子と電気的接触を保っている、電池ケース９０と接している。したが って、絶縁環２５はエンドキャッププレート２０とカバー３０の外壁との間、す なわち、電池の２つの端子間の電気的絶縁を与えることになる。図１に示される ように、追加の絶縁リング、すなわち、カバー３０の外壁の頂部と抗圧プレート ８０との間を遠ざける、絶縁リング４２が設けられる。また、この絶縁リング４ ２により電池の正、負端子間で短絡が起こるのを確実に回避することが可能であ る。 好ましくは、ダイアフラム７０は約３milから１０milまでの厚さを有する、ア ルミニウムからカップ状に形成される。この厚さにおいて、電池の内部でガス圧 が少なくとも約１００psiから２００psi（６．８９４×１０⁵から１３．８９× １０⁵パスカル）のしきい値に上昇したとき、ダイアフラムベース７２と抗圧プ レート８０との間で溶接がこわれ、ダイアフラムベース７２がふくらみ、抗圧プ レート８０から離れる（図３参照）。（この圧力は、たとえば、電池が推 奨される電圧よりも高い電圧で充電されるような場合、または電池が短絡し、あ るいは誤用されるような場合に生じることがある。） しかしながら、望まれるならば、ダイアフラムベース７２の厚さは他の圧力レ ベルでふくらませるために調節することが可能である。抗圧プレート８０からダ イアフラムベース７２を分離することによりダイアフラム７０と抗圧プレート８ ０との間のすべての電気的接触が断たれる。また、この分離によりエンドキャッ ププレート２０と抗圧プレート８０と接している電池極８８との間の導電路が切 り離され、この結果、電流はもはや電池に流れず、あるいは電池から流れ出ず、 実際上、電池を休止させる。 電流が遮断されたにもかかわらず、もし、電池内の圧力が、たとえばオーブン における加熱のように、他の理由により上昇し続けるならば、ダイアフラム７０ は、好ましくは電池の破裂を防ぐために少なくとも約２５０から４００psi（１ ７．２×１０⁵から２７．６×１０⁵パスカル）のしきい圧力で破断する。この極 限状況ではダイアフラム７０の破断により電池の内部からガスが抗圧プレート８ ０の透孔７３（図１および図６参照）を通って流出し、チャンバ７８（図１参照 ）に入る。この後、このガスはチャンバ７８から支持プレート６０の透孔６３を 通り、もし必要であれば、絶縁ディスク３５の透孔（図示せず）を通ってチャン バ６８に流れる。チャンバ６８に集められたガスはエンドキャッププレート２０ の主ベント孔６７を通って外部環境に流出する。 本発明の電流遮断動作の特徴が図１ないし図３を参照して説明される。注目す べきは、ここに示された特定の実施例ではエンドキャップ組み立て体１０が電池 に適用されたとき、電池極の一方がタブ８７を介して抗圧プレート８０と接触す ることである。正常に電池が作動する間、抗圧プレート８０はエンドキャッププ レート２０と電気的に接続される。リチウム−イオン電池では抗圧プレート８０ と接する極８８が陽極になる。この極は電池ケース９０から絶縁される。陰極 （図示せず）は電池ケース９０と接続される。 図１の実施例は熱感応型電流遮断器用バイメタルディスク４０ないし圧力逃が し機構用ダイアフラム７０のいずれかの作動により電流が遮断される前のエンド キャップ組み立て体を示している。図１に示された特別の実施例において、抗圧 プレート８０はダイアフラム７０と電気的接触状態にあり、ダイアフラム７０は 支持プレート６０ど電気的接触状態にある。支持プレート６０はエンドキャップ プレート２０と電気的接触状態にある弾性部材５０と電気的に接触している接触 プレート１５と電気的接触状態にある。図１に示される本発明のエンドキャップ の設計において、抗圧プレート８０と接している極８８とエンドキャッププレー ト２０との間の電気的接触は２つの方法で遮断される。 上述したように、電池内において圧力が予め決められたしきい値に上昇したな らば、ダイアフラムベース７２が抗圧プレート８０から離れてふくらみ、ダイア フラム７０と抗圧プレート８０との接触が断たれる。この回路の遮断により電池 に流れる電流、あるいはそこから流れ出る電流が止まる。これに代わり、電池が 過熱したならば、熱感応型電流遮断器組み立て体３８のバイメタルディスク４０ が作動し、アーム３５ｂから上方に押し、これにより弾性部材５０が接触プレー ト１５から離れる。これは、実際上、電極タブ８７とエンドキャッププレート２ ０との間の導電路を切り離し、電池に流れる電流、あるいはそこから流れ出る電 流が止まる。本発明の利点は電池ケースの開口端部に単一ユニットとして挿入可 能なエンドキャップ組み立て体１０に２つの電流遮断機構を組み合わせることが できることである。 バイメタルディスク４０は、好ましくは、下側にある絶縁ディスク３５に物理 的に固定せずに自由に移動し得る状態、すなわち、図１に示されるように、絶縁 ディスクのアーム３５ｂ上に浮動状態で載っている。この設計において、電流は 電池が充電であるか、あるいは放電であるかにかかわらず、どのようなときもバ イメタルディスク４０を通って流れない。これはバイメタルデイスク４０が不作 動であるとき、接触プレート１５と電気的接触を生じさせないためである。 しかしながら、電池が予め決められたしきい値を超えて過熱したならば、バイ メタルディスク４０が撥ね、あるいは変形し（図２参照）、弾性部材５０を接触 プレート１５から離し、電池端子間に電流が流れるのを止めるために調整し得る ように設計される。バイメタルディスク４０はあるしきい温度に達したとき、バ イメタルディスクが作動することのできる、予め決められた中低の形状を持つよ うに調整される。 上述したように、アーム３５ｂ上に載るバイメタルディスク４０の浮動設計に より電池が充電であるか、あるいは放電であるかにかかわらず、どのようなとき もそこを通って電流が流れない。これはバイメタルディスク４０を通る電流で生 じる加熱効果（Ｉ²Ｒによる加熱）がなくなるので、バイメタルディスク４０の 調整を容易にし、かつより精度を高めることができる。 バイメタルディスク４０は異なる熱膨張率を有する相違した２層の金属からな る。バイメタルディスク４０の上層（エンドキャッププレート２０により近い層 ）は高い熱膨張率の金属、好ましくはニッケル−クロム−鉄合金で構成され、下 層ないし底部層は低い熱膨張率の金属、好ましくはニッケル−鉄合金で構成され る。この実施例において、バイメタルディスク４０は温度が少なくとも約６０℃ から７５℃の間に上昇したとき作動し、接触プレート１５と接触する位置から弾 性部材５０を押すように十分に変形させることができる。また、バイメタルディ スク４０が大部分の用途において装置を単一動作の自動温度調節装置とする２０ ℃以下の温度を除いてリセットしないように高、低熱膨張金属層を選択すること が可能である。 上述した構成要素のための望ましい材料は以下の通りである。好ましくは、エ ンドキャッププレート２０は適当な支持、強度および耐食性を与えるために約８ から１５mil（０．２から０．３７５mm）の間の厚さのステンレスメッキ鋼ある いはニッケルメッキ鋼からなる。また、エンドキャップ組み立て体１０の外壁３ ０は、好ましくは約８から１５mil（０．２から０．３７５mm）の間の厚さを有 する、ステンレスメッキ鋼あるいはニッケルメッキ鋼からなる。 好ましくは、抗圧プレート８０はダイアフラムベース７２との溶接接触部に合 わせて約２から５mil（０．０５から０．１２５mm）の間の厚さの中心部として 寸法を減少させる、約１０から２０mil（０．２５から０．５mm）の間の厚さを 有する、アルミニウムからなる。絶縁リング４２は強度および耐久性のために高 温ポリエステルのような高温熱可塑性材料からなり、商品名ヴァロックス（ＶＡ ＬＯＸ）のもとにジェネラルエレクトリックプラスチック社から入手することが できる。 圧着リング５５は、好ましくは強度および耐食性のために約８から１５mil（ ０．２から０．３７５mm）の間の厚さを有する、ステンレスメッキ鋼あるいはニ ッケルメッキ鋼からなる。好ましくは、ダイアフラム７０は約３から１０mil（ ０．０７５から０．２５mm）の間の厚さを有する、アルミニウムからなる。この 厚さにおいてダイアフラムは内部ガス圧が約１００から２５０psi（６．８９× １０⁵から１７．２×１０⁵パスカル）の間の圧力を超えたとき、抗圧プレート８ ０との溶接部分からこわれる。 内部ガス圧は蓄えられたガス圧で追加の放出を行うためにダイアフラム７０が 破断する、約２５０から４００psi（１７．２×１０⁵から２７．６×１０⁵パス カル）の間の圧力を超えていなければならない。バイメタルディスク４０が載る 絶縁ディスク３５は、好ましくは、圧縮強さが高く、熱的安定性が高く、モール ド収縮性が低い材料からなる。絶縁ディスク３５に適した材料は約１０から３０ mil（０．２５から０．７５mm）の間の厚さの液晶ポリマーないしそれに類する もので、商品名ヴェクトラ（ＶＥＣＴＲＡ）のもとにセラネース社から入手 することができる。支持プレート６０は、好ましくは、約１０から３０mil（０ ．２５から０．７５mm）の間の厚さで適切な強度および耐食性を与えるためにス テンレスメッキ鋼、あるいはニッケルメッキ鋼からなる。弾性部材５０は良好な ばね動作および優れた電気的伝導性を有する、ベリリウム−銅合金、ニッケル− 銅合金、ステンレス鋼またはこれに類する材料から形成される。 ベリリウム−銅合金またはニッケル−銅合金で形成されるとき、十分な強度お よび導電性能を与えるために弾性部材５０の厚さは約３から８mil（０．０７５ から０．２mm）の間に保たれる。この材料は接触域の電気抵抗を小さくするため に当該領域を銀または金を用いてメッキするか、あるいは埋め込む。 接触プレート１５は接触抵抗を下げ、信頼性を向上させるために金または銀の ような貴金属でメッキされる、冷間加工用鋼から形成される。また、これはニッ ケル−銅クラッド合金、ステンレス鋼、あるいはニッケルメッキ鋼から形成して もよい。絶縁環２５はナイロンまたはポリプロピレンのようなポリマー材料から 作られる。 エンドキャップ組み立て体の構成要素を封じる密閉は気液両相の電解液がエン ドキャップ内のチャンバに入り、電池から流出するのを防ぐために密封でなけれ ばならない。エンドキャップ組み立て体１０が完成した後に、図７に示される円 筒状の電池ケース９０の開口端部９５にエンドキャップ組み立て体１０を挿入す る。電池ケース９０の周縁は開口端部においてエンドキャップ組み立て体１０と 電池ケース９０との間を密封するためにエンドキャップ組み立て体１０のカバー ３０の外壁に溶接で固定される。絶縁環２５およびダイアフラム７０に圧着リン グ５５の周壁から半径方向に加えられる圧力によりエンドキャップ組み立て体１ ０の構成要素を取り囲んで密封が与えられる。 図４にエンドキャップ内に組み合わせて用いる、圧力逃がし機構および熱作動 型電流遮断機構の双方を有する、エンドキャップの代替的な実施例が示されてい る。図４の実施例はバイメタルディスクがばねのような機構を作動させるために 使用されない点を除いて図１ないし図３に関して先に説明されたものに類似して いる。 弾性部材１５０を接触プレート１１５と電気的接触を保って保持するために熱 ペレット１７５が備えられる。さらに、接触プレート１１５がエンドキャッププ レート２０と電気的接続状態を保っている。弾性部材１５０は一端において支持 プレート６０に溶接で固定される、金属製のアーム１５０ａを備えている。支持 プレート６０は下側にある抗圧プレート８０の隆起部８２に溶接で固定される、 ダイアフラム７０と電気的接続状態を保っている。電極タブ８７は抗圧プレート ８０と電気的接続状態を保持している。 好ましくは、弾性部材１５０はその反対側の端部が接触プレート１１５と接す る、カップ状ないし凸状部１５０ｂで終わる。支持プレート６０の外周縁６０ａ を覆って支持プレート６０と接触プレート１１５との間の接触を防ぐ、絶縁ディ スク１２０が設けられる。したがって、弾性部材１５０が接触プレート１１５に 当てて保持される限り、支持プレート６０とエンドキャッププレート２０との間 の電気的接触が保たれる。 エンドキャップ組み立て体１１０が電池に適用されたとき、支持プレート６０ はタブ８７を介して抗圧プレート８０および電池極８８と接触している、ダイア フラム７０と電気的接触を保っている。（エンドキャップ組み立て体１１０は図 １に示された実施例を参照して先に述べた方法と同じ方法で円筒状の電池ケース ９０の開口端部に挿入することで、電池に用いられる。）したがって、弾性部材 １５０が熱ペレットによって接触プレート１１５に当接して保持されるとき、（ タブ８７を介して）電池極８８とエンドキャッププレート２０との間の電気的接 続状態が保たれ、正常な電池の作動が可能である。 電池が予め決められたしきい温度を超えて過熱したならば、熱ペレット１７５ が溶融し、これにより弾性部材１５０に対する支持が除かれる。熱ペレット１７ ５の溶融により弾性部材１５０が下方に撥ね、接触プレート１１５との電気的接 触を断つ。これは、実際上、電極タブ８７とエンドキャッププレート２０との間 の導電路を切り離し、この結果、電池に流れる電流が止まり、電池から流れ出る 電流が止まる。 電池の内部ガス圧が予め決められた値を超えたならば、ダイアフラム７０が破 断し、これにより抗圧プレート８０とダイアフラム７０との間の電気的接触を切 り離し、電池内のガスが支持プレート６０およびエンドキャッププレート２０の 透孔６３および主ベント孔６７をそれぞれ通って外部環境に流出する。 図４に示される実施例で言及されるエンドキャッププレート２０、支持プレー ト６０、接触プレート１１５およびダイアフラム７０に好ましい材料は図１ない し図３に示される同じ参照符号を有する同一の要素について説明されたものと同 じである。好ましくは、接触プレート１１５は接触抵抗を下げるために銀または 金でメッキされる、ステンレス鋼ないしニッケルメッキ冷間加工用鋼から形成さ れる。 図４に示される絶縁ディスク１２０は、好ましくは、優れた絶縁性を有する、 高温熱可塑性材料から作られる。絶縁ディスク１２０に好ましい材料は商品名カ プトン（ＫＡＰＴＯＮ）のもとにイー・アイ・デュポン社から入手することがで きる、ポリイミド、あるいは商品名ヴァロックス（ＶＡＬＯＸ）のもとにジェネ ラルエレクトリックプラスチック社から入手することができる、高温ポリエステ ルである。 弾性部材１５０は接触プレート１１５と接触したときの良好な電気的伝導性を 与え、熱ペレット１７５の圧力が除かれるときのばね動作を確実にするために約 ５から１０mil（０．１２５から０．２５mm）の間の厚さを有する、ベリリウム −銅合金から形成される。 弾性部材１５０は付加的に電気的伝導性を増すために銀または金を用いてメッ キしてもよい。熱ペレット１７５は、たとえば約６５℃から１００℃の間の比較 的低い溶融点を有する、ポリマーから形成されるが、電池が正常に作動する間、 所定の位置に弾性部材１５０を保持するために優れた圧縮強度を持たせる。この ような特性を有する熱ペレット１７５に適する材料は商品名ポリワックス（ＰＯ ＬＹＷＡＸ）のもとにペトロライト社から入手することのできるポリエチレンワ ックスである。このポリエチレンワックスの熱ペレット１７５は約７５°Ｃから ８０℃の間の望ましい温度範囲で溶融する。 図１のエンドキャップ組み立て体１０の分解組み立て図が図５に示されている 。このエンドキャップ組み立て体１０は図５に示される構成要素を以下に述べる 手順で組み立てることによって作られる。すなわち、構成要素２０、５０、６０ 、７０、２５および５５を含む組み立て体を形成する。これは、初めに、絶縁環 ２５を圧着リング５５に挿入し、次に、ダイアフラム７０を絶縁環２５に挿入し 、次に、そこに溶接された接触プレート１５と共に支持プレート６０をダイアフ ラム７０に挿入して成し遂げる。 これに続けて、絶縁ディスク３５を接触プレート１５のまわりに置き、バイメ タルディスク４０を絶縁ディスク３５の下方に傾斜しているアーム３５ｂに載る ように置く。バイメタルディスク４０は絶縁ディスク３５と結合せず、浮動状態 でそこに載っており、絶縁ディスクはバイメタルディスクのための位置決め手段 として働く。弾性部材５０の外側端部の上面をエンドキャッププレート２０の周 縁に溶接する。次に、弾性部材５０がそこに溶接されたエンドキャッププレート ２０を接触プレート１５の中心部が弾性部材５０の内側端部と接触し、かつ弾性 部材５０の外側端部の底面が絶縁ディスク３５の周縁と接触するように絶縁ディ スク３５を覆って置く。 したがって、弾性部材５０の外側端部がエンドキャッププレート２０と絶縁デ ィスク３５との間に溶接され、弾性部材５０の反対側ないし内側端部が接触プレ ート１５と接触した状態になる。 次に、絶縁環２５の上面端部をエンドキャッププレート２０の周縁に堅く密着 させるために絶縁環２５の上面端部を覆って圧着リング５５を圧着する。この圧 着は圧着リング５５の中心（縦）軸に沿って機械的な力を加えることで、なし遂 げる。 次に、第２の圧着工程において、機械的な圧力を圧着リング５５の外面に半径 方向から加え、これにより中間エンドキャップ組み立て体が完成する。半径方向 の圧着によりエンドキャップ組み立て体の内部構成要素は圧着リング５５内に堅 く、しかも密封を保って取り付けることができる。 次に、圧着リング５５の底部下面がカバー３０の内側端部の底面に載るように 中間エンドキャップ組み立て体をカバー３０内に挿入する。これに続けて、圧着 リング５５の底部下面をカバー３０の内側端部底面に溶接する。次に、抗圧プレ ート８０を絶縁リング４２の底部に嵌め込み、抗圧プレート８０が取り付けられ た絶縁リング４２を抗圧プレート８０の中心部がダイアフラム７０と接触するよ うにカバー３０の底部外面に当接して置く。次に、抗圧プレート８０とダイアフ ラム７０との接触点をスポット溶接し、エンドキャップ組み立て体１０として完 成させる。 電池への適用では、たとえば、図７に示されるように、電池の円筒状のケース ９０の開口端部にエンドキャップ組み立て体１０を挿入し、開口端部９５におい てケース９０の内面にカバー３０の底部外面を溶接することによりエンドキャッ プ組み立て体１０を電池に組み込むことができる。これは結果として、エンドキ ャップ組み立て体１０がケース９０内に堅く密封され、エンドキャッププレート ２０が電池の端子を形成する、図８に示される電池１００を得る。 本発明は好ましい実施例に関連づけて説明されたが、本発明はこの特定の実施 例に限定されることなく、請求の範囲ならびにそれと同等なものにより定義され る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 ウイリアム、ティー．マクヒュー アメリカ合衆国マサチューセッツ州、ウェ ストウッド、アルペナ、アベニュ、16 (72)発明者 ロバート、ジェイ．ピノルト アメリカ合衆国ロードアイランド州、ウェ スト、ウォーリック、プロスペクト、ヒ ル、アベニュ、59 (72)発明者 ジェーン、エイ．ブラシ アメリカ合衆国マサチューセッツ州、アク トン、ブラックホース、ドライブ、11

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 正端子および負端子ならびに一対の内部極（アノードおよびカソード） を有する電気化学的電池に適用するためのエンドキャップ組み立て体であって、 前記エンドキャップ組み立て体はハウジングと電池端子として働くエンドキャッ ププレートとを備えると共に、該エンドキャップ組み立て体が電池に適用された ときにそれを貫く導電路を有し、該エンドキャッププレートを電池極と電気的に 接続することを可能にしており、さらに前記エンドキャップ組み立て体が、ａ） 前記導電路を通って流れる電流を防ぐための熱感応手段を備え、前記熱感応手段 は該エンドキャップ組み立て体内の温度が予め決められたレベルに達したときに 作動可能であり、前記導電路内で遮断を引き起こすようにしたエンドキャップ組 み立て体。 ２． さらに、ｂ）該エンドキャッププレートと向き合う前記エンドキャップ 組み立て体の端部に配置される、破断可能な部材を有する、圧力感応手段を備え 、該エンドキャッププレートから最も遠い面に作用するガス圧が予め決められた レベルに達したときに前記破断可能な部材が破断し、該破断可能な部材に破断を 生じ、ガスがそこを通り抜けるのを可能にした請求の範囲第１項記載のエンドキ ャップ組み立て体。 ３． 前記電池が円筒状のケースを有し、前記ケースの開口端部に前記エンド キャップ組み立て体を挿入し、該エンドキャップ組み立て体を前記ケースに溶接 することにより前記エンドキャップ組み立て体を前記電池に適用するようにした 請求の範囲第１項記載のエンドキャップ組み立て体。 ４． 前記熱感応手段が該エンドキャップ組み立て体内にチャンバを有し、さ らにバイメタル部材および導電性弾性部材を備え、前記弾性部材が該導電路の一 部を形成しており、該エンドキャップ組み立て体内の電池温度が予め決められた レベルに達したときに前記バイメタル部材が変形し、これにより該弾性部材を押 して該導電路内に遮断を引き起こすようにした請求の範囲第１項記載のエンドキ ャップ組み立て体。 ５． 前記バイメタル部材が該エンドキャップ組み立て体内の電気的絶縁部材 の面上に自由な状態で載るようにした請求の範囲第４項記載のエンドキャップ組 み立て体。 ６． 前記弾性部材の一部が前記エンドキャッププレートの一部と前記絶縁部 材の一部との間に挟持されると共に、前記エンドキャップ組み立て体が前記導電 路の一部分を形成する、接触プレートを備え、前記弾性部材が前記接触プレート と電気的接触を保持するようにした請求の範囲第５項記載のエンドキャップ組み 立て体。 ７． さらに、前記エンドキャップ組み立て体の内側幅を横切り、該エンドキ ャッププレートと前記破断可能な部材との間に配置される、隔離部材を備え、前 記隔離部材が前記熱感応手段を前記圧力感応手段から隔てるようにした請求の範 囲第２項記載のエンドキャップ組み立て体。 ８． 前記隔離部材が少なくとも１個の透孔を有する金属プレートを備え、前 記破断可能な部材が破断したとき、ガスが前記透孔を通って前記エンドキャップ 組み立て体内の該チャンバに流出するようにした請求の範囲第７項記載のエンド キャップ組み立て体。 ９． 前記エンドキャッププレートが少なくとも１個の透孔を備え、前記破断 可能な部材が破断したとき、前記チャンバから集められたガスが前記エンドキャ ッププレートの該透孔を通って外部環境に流出するようにした請求の範囲第８項 記載のエンドキャップ組み立て体。 １０． 前記破断可能な部材が破断可能なダイアフラムからなる請求の範囲第 ７項記載のエンドキャップ組み立て体。 １１． 前記バイメタル部材が予め決められた温度に達したときに該バイメタ ル部材が変形し、前記弾性部材をもって接触プレートとの電気的接続を切り離さ せ、これにより前記導電路内に遮断を引き起こすようにした請求の範囲第６項記 載のエンドキャップ組み立て体。 １２． さらに、前記エンドキャッププレートの外周縁および前記ダイアフラ ムの外周縁と接して電気的に絶縁する絶縁環を備え、前記エンドキャップ組み立 て体が、さらに機械的な圧縮を与えて前記ダイアフラムと前記エンドキャッププ レートとを保持するために前記絶縁環を囲み機械的に圧着される、金属部材（圧 着部材）を有する請求の範囲第１０項記載のエンドキャップ組み立て体。 １３． さらに、前記圧着部材を取り囲む金属カバーを備える請求の範囲第１ ２項記載のエンドキャップ組み立て体。 １４． 前記エンドキャップ組み立て体を電池のための円筒状のケースの開口 端部に挿入し、前記カバーの外面を前記ケースの内面に溶接し、その結果、該電 池の端子を構成する前記エンドキャッププレートが該外部環境に露出し、前記エ ンドキャップ組み立て体が前記ケース内に堅く密封されるようにした請求の範囲 第１３項記載のエンドキャップ組み立て体。 １５． 前記熱感応手段が前記エンドキャッププレートと電気的接続状態を保 っている導電性弾性部材および前記エンドキャッププレートと該エンドキャップ 組み立て体の他の導電部との間の電気的接続状態を保って前記弾性部材を保持す る１塊の溶融可能な材料を備え、前記エンドキャップ組み立て体が電池に適用さ れたとき、他の前記導電部が電池極と電気的に接続されるように適応され、これ により前記電池が作動する間、前記エンドキャッププレートと前記電池極との間 の電気的接続を与え、前記電池の温度が予め決められたレベルに達したときに前 記溶融可能な材料が溶融し、これにより前記エンドキャッププレートと前記電池 極との間の電気的接続を切り離すように前記弾性部材を移動させ、これにより前 記電池の作動を防ぐようにした請求の範囲第１項記載のエンドキャップ組み立て 体。 １６． 電池のための円筒状のケースの終りの部分をなす開口に挿入される、 エンドキャップ組み立て体によって形成される種類の電気化学的電池であって、 前記電池は正端子および負端子ならびに一対の内部極（アノードおよびカソード ）を有し、前記エンドキャップ組み立て体はハウジングと電池端子として働く、 エンドキャッププレートとを備えたものにおいて、前記エンドキャッププレート は前記エンドキャップ組み立て体内の導電路を介して前記電池極の１つと電気的 に接続されており、さらに、前記エンドキャップ組み立て体が、ａ）前記電池を 通って流れる電流を防ぐための熱感応手段およびｂ）該電池内部のガス圧が予め 決められたレベルに達したときにガスが前記電池の内部から該エンドキャップ組 み立て体内を通り抜けるのを可能にする、圧力感応手段を備え、前記熱感応手段 は前記電池内の温度が予め決められたレベルに達したときに作動可能であり、前 記エンドキャッププレートと前記電池極との間の該導電路内に遮断を引き起こし 、これにより該電池を通って流れる電流を防ぐようにした電気化学的電池。 １７． 前記電池を通って流れる電流を防ぐための該熱感応手段が前記エンド キャップ組み立て体内にチャンバを有し、さらに、バイメタル部材および導電性 弾性部材を備え、前記弾性部材が前記エンドキャッププレートおよび電池電極と 電気的接続状態を保っており、これによりそれらの間に導電路を与え、該電池の 温度が予め決められたレベルに達したときに前記バイメタル部材が変形し、かつ 前記弾性部材を押し、該弾性部材をもって該エンドキャッププレートと該電池極 との間の前記導電路を切り離させ、これにより前記電池の作動を防ぐようにした 請求の範囲第１６項記載の電気化学的電池。 １８． 前記バイメタル部材が該エンドキャップ組み立て体内の電気的絶縁部 材の面上に自由な状態で載るようにした請求の範囲第１７項記載の電気化学的電 池。 １９． 前記弾性部材の一部が前記エンドキャッププレートの一部と前記絶縁 部材の一部との間に挟持されるようにした請求の範囲第１８項記載の電気化学的 電池。 ２０． 前記圧力感応手段が該エンドキャッププレートと向き合う前記エンド キャップ組み立て体の端部に配置される、破断可能なダイアフラムを備え、該エ ンドキャッププレートから最も遠い面に作用するガス圧が予め決められたレベル に達したときに前記ダイアフラムのプレートが破断し、前記ダイアフラムに破断 を生じ、ガスがそこを通り抜けるのを可能にした請求の範囲第１６項記載の電気 化学的電池。 ２１． さらに、前記エンドキャップ組み立て体の内側幅を横切り、該エンド キャッププレートと前記ダイアフラムとの間に配置される、隔離部材を備え、前 記隔離部材が前記熱感応手段を前記圧力感応手段から隔てるようにした請求の範 囲第２０項記載の電気化学的電池。 ２２． 前記エンドキャッププレートが少なくとも１個の透孔を有し、前記チ ャンバに流れたガスが前記エンドキャッププレートの該透孔を通って外部環境に 流出するようにした請求の範囲第２０項記載の電気化学的電池。 ２３． 前記エンドキャップ組み立て体が前記導電路の一部分を形成する、接 触プレートを備え、前記弾性部材が前記接触プレートと電気的接触を保持するよ うにした請求の範囲第２０項記載の電気化学的電池。 ２４． 前記電池の温度が予め決められた温度に達したときに前記バイメタル 部材が変形し、前記弾性部材をもって該接触プレートとの電気的接触を切り離さ せるようにした請求の範囲第２０項記載の電気化学的電池。 ２５． さらに、前記エンドキャッププレートの外周縁および前記ダイアフラ ムの外周縁と接して電気的に絶縁する絶縁環を備え、前記エンドキャップ組み立 て体が、さらに機械的な圧縮を与えて前記ダイアフラムと前記エンドキャッププ レートとを保持するために前記絶縁環を囲み機械的に圧着される、金属部材（圧 着部材）を有する請求の範囲第２０項記載の電気化学的電池。 ２６． さらに、前記圧着部材を取り囲む金属カバーを備える請求の範囲第２ ５項記載の電気化学的電池。 ２７． 前記エンドキャップ組み立て体を該電池のための円筒状のケースの開 口端部に挿入し、前記カバーの外面を前記ケースの内面に溶接し、その結果、該 電池の端子を構成する前記エンドキャッププレートが該外部環境に露出し、前記 エンドキャップ組み立て体が前記ケース内に堅く密封されるようにした請求の範 囲第２５項記載の電気化学的電池。 ２８． 前記熱感応手段が前記エンドキャッププレートと電気的接触を保って いる、導電性弾性部材および前記エンドキャッププレートと電池極との間の電気 的接続を与えるように所定の位置に前記弾性部材を保持している、１塊の溶融可 能な材料を備え、前記電池の温度が予め決められたレベルに達したときに前記溶 融可能な材料が溶融し、これにより前記エンドキャッププレートと前記電気極と の間の電気的接続を切り離すように前記弾性部材を移動させ、これにより前記電 池の作動を防ぐようにした請求の範囲第１６項記載の電気化学的電池。