JP2016100273A

JP2016100273A - 二次電池の安全弁構造

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Publication number: JP2016100273A
Application number: JP2014237949A
Authority: JP
Inventors: 優高木; Masaru Takagi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2016-05-30

Abstract

【課題】複数の安全弁領域を有する二次電池の安全弁構造において、１つの安全弁領域が破断するとほぼ同時に他の安全弁領域を破断させることである。【解決手段】二次電池１０の安全弁構造３８は、円筒形の二次電池１０の下面である底面板２０に設けられ、電池内圧が所定の閾値圧力を超えるときに破断する２つの安全弁領域４０，４１と、安全弁領域４０，４１よりも剛性の高い連結部材であって、２つの安全弁領域４０，４１を互いに連結し、１つの安全弁領域が破断する動きを用いて他の安全弁領域を押し開けて破断させる連結部材を備える。連結部材としては、負極リード３６が用いられる。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の安全弁構造に関する。

一般に、密閉した電池缶内に電解液を収容する二次電池には、電池缶内の圧力が上昇して所定値を超えた場合に開裂して電池缶内の圧力を外部へと開放する安全弁構造が設けられる。安全弁構造として、電池缶の特定面に肉厚の局部的に薄い幅の部分を設け、所定値を超えた圧力がかかったときに肉厚の薄い幅の部分を破断させるものがある。

例えば、特許文献１には、巻回型二次電池の安全弁として、正極端子となる電池容器に設けられる注液口を封口する金属箔に複数の肉薄部を設けることが開示されている。肉薄部の形状として、２つのＵ字輪郭形状、４つのＣ字輪郭形状の例が図示されている。

特開平４−２１５２４５号公報

特許文献１のように、薄肉部の輪郭で囲まれた比較的小領域を複数形成する方法によれば、例えば十字形に薄肉部を設けて電池缶内の圧力が過大のとき十字形に破断させるものに比べて広い開口面積とでき、また、薄肉部の輪郭で囲まれた広い領域を１つ形成するものに比べて電極体等が破断と共に飛び出すのを防止できる。

この場合でも、薄肉部の輪郭で囲まれた領域が同時に破断するときは問題ないが、どれか１つの領域が破断するとそこから高圧が外部に解放されて、他の領域が破断しないことが生じ、高圧が十分に抜けるのに時間がかかる。

本発明の目的は、安全弁領域を複数形成し、１つの安全弁領域が破断するとほぼ同時に他の安全弁領域も破断することを可能にする二次電池の安全弁構造を提供することである。

本発明に係る二次電池の安全弁構造は、筒形の二次電池の上面または下面に設けられ、電池内圧が所定の閾値圧力を超えるときに破断する複数の安全弁領域と、安全弁領域よりも剛性の高い連結部材であって、複数の安全弁領域を互いに連結し、１つの安全弁領域が破断する動きを用いて他の安全弁領域を押し開けて破断させる連結部材と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る二次電池の安全弁構造によれば、剛性の高い連結部材で複数の安全弁領域を互いに連結し、１つの安全弁領域が破断する動きを用いて他の安全弁領域を押し開けて破断させるので、１つの安全弁領域が破断するとほぼ同時に他の安全弁領域も破断することが可能になる。

本発明に係る実施の形態の二次電池の安全弁構造を示す図である。図１（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。ここで、図１（ａ）は、（ｂ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。本発明に係る実施の形態の二次電池の安全弁構造と従来技術とを対比して示す図である。図２（ａ）は、従来技術の安全弁構造を示し、（ｂ）は、図１の安全弁構造を示す図である。本発明に係る実施の形態の二次電池の安全弁構造の作用を時系列で示す図である。各図の横軸は時間経過で、ｔ＝ｔ₀は破断前の時間、ｔ＝ｔ₁，ｔ₂は途中経過の時間、ｔ＝ｔ₃は、完全破断した時間である。図３（ａ）は、図１（ｂ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図であり、（ｂ）は、図１（ｂ）に相当する図であり、（ｃ）は、図１（ｃ）に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図である。他の安全弁構造とこれに対応する従来技術を示す図で、図４（ａ）は、従来技術の例を示す図で、（ｂ）が本発明に係る実施の形態の他の構造を示す図である。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。以下では、二次電池の円筒形の電池缶の内部に、正極シートと負極シートがセパレータを介して円筒状に巻回された巻回型電極体に電解液が含浸される構成において、電池缶の底面に安全弁構造が設けられるものを述べるが、これは説明のための例示である。電池缶の形状は、円筒形以外で、例えば、扁平筒形状、角筒形状等であってもよい。また、電極体は巻回型でなくてもよく、正極シートと負極シートがセパレータを介して順次積層される積層型等であってもよい。また、安全弁構造は円筒型の電池缶の上面に設けてもよく、場合によっては電池缶の側面に設けてもよい。また、連結部材は、巻回型電極体から引き出される負極リードであるものとして述べるが、これは電池缶の底面に安全弁構造を設ける場合についての例示であって、例えば、電池缶の上面に安全弁構造を設ける場合には、連結部材を正極リードとできる。また、負極リードや正極リードとは独立の部材であってもよい。

以下で述べる材質等は説明のための例示であって、二次電池の仕様等に応じ適当に変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、安全弁構造を有する円筒形の外形を有する二次電池１０の構成図で、図１（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。なお、図１（ａ）の断面図は、底面側を除いて、円筒形の縦方向である軸方向に沿い、かつ軸方向を含む面に沿った断面図であるが、底面側は、（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

二次電池１０は、円筒形の側面体１２と、側面体１２に対しほぼ垂直な面で円筒形の上部開口を覆う上面板１４と、円筒形の下部開口を覆う底面板２０を含む外形を有する。この円筒状の形状の部分が、電池缶１１である。

円筒状の側面体１２は、平板を筒状に曲げて、合わせ面をカシメ等で気密に接合して得ることができる。上面板１４と底面板２０は、円筒状の側面体１２とは独立に成形された部材であり、上面板１４は中心穴を有する円環状板で、底面板２０は円板である。上面板１４は、側面体１２の上部開口の縁部とカシメ等で気密に接合され、底面板２０は、側面体１２の下部開口の縁部とカシメ等で気密に接合される。これらの接合は、カシメられる一方側の部材を他方側の部材に巻き込むように折り曲げて接触面を大きくした上でカシメ加工される。カシメ箇所に適当なガスケットを設けてもよい。側面体１２、上面板１４、底面板２０は、適当な表面処理を行った金属板を材料として用いることができる。例えば、ニッケルメッキした鉄板を用いることができる。

絶縁体１６は、上面板１４の中央開口部に嵌め込まれ、正極突部１８を保持するホルダである。正極突部１８は、二次電池１０の正極端子である。底面板２０は、円板状の形状を有し、二次電池１０の負極端子であり、ここに安全弁構造３８が設けられる。安全弁構造３８は、電池缶１１内で電池の電気化学反応で発生したガスの圧力が閾値を超えて高くなったときに破断し、破断開口から高圧ガスを外部に解放するための構造である。安全弁構造３８の詳細については後述する。

側面体１２と上面板１４と底面板２０で形成される電池缶１１の内部空間には、巻回型電極体２２が配置される。巻回型電極体２２は、正極シート２４、セパレータ２６、負極シート２８を重ねて、筒状に巻回したものである。正極シート２４は正極集電体を有し、正極集電体の上に正極活物質を含む正極合材が塗布される。セパレータ２６は、ポリプロピレン、ポリエチレン等の樹脂フィルムである。負極シート２８は負極集電体を有し、負極集電体の上に負極活物質を含む負極合材が塗布される。

二次電池１０がリチウムイオン電池の場合には、正極集電体としてアルミニウム箔、正極合材として、導電体の黒鉛と正極活物質としてのマンガン酸リチウムと適当なバインダ等の混合物、負極集電体として銅箔、負極合材として、導電体のアセチレンブラックと負極活物質としての黒鉛と適当なバインダ等の混合物が用いられる。これらは一例であって、二次電池１０の仕様により異なる材料が用いられる。

巻回型電極体２２には、非水電解質３０が含浸される。二次電池１０がリチウムイオン電池の場合には、非水電解質３０として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等の混合液に、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）等のリチウム塩を溶解したものが用いられる。

巻回型電極体２２の正極集電体には、正極リード３２が接合によって取り付けられる。正極リード３２は、一方端が導電接着剤等で正極集電体に接合され、他方端が正極突部１８に溶接等で接合されるタブ状の導電体である。巻回型電極体２２の負極集電体には、負極リード３４が接合によって取り付けられる。負極リード３４は、一方端が導電接着剤等で負極集電体に接合され、他方端が底面板２０に溶接等で接合されるタブ状の導電体である。負極リード３４は、安全弁構造３８の一部である。そこで、安全弁構造３８の構成を説明する。

安全弁構造３８は、二次電池１０の下面である底面板２０に設けられ、電池缶１１の内圧が所定の閾値圧力を超えるときに破断する２つの安全弁領域４０，４１と、安全弁領域４０，４１よりも剛性の高い連結部材であって、２つの安全弁領域４０，４１を互いに連結し、１つの安全弁領域４０が破断する動きを用いて他の安全弁領域４１を押し開けて破断させる連結部材とを備える構造である。ここで、連結部材として、負極リード３４が利用される。

２つの安全弁領域４０，４１は、図１（ｂ）に示すように、それぞれ半月形の領域で、その外縁は、底面板２０において肉厚の局部的に薄い幅の部分である薄肉輪郭部４２，４３で形成される。つまり、薄肉輪郭部４２によって半月形に囲まれた肉厚の厚い部分が安全弁領域４０で、薄肉輪郭部４３によって半月形に囲まれた肉厚の厚い部分が安全弁領域４１である。

安全弁領域４０には、接続用突起部４６が設けられ、接続用突起部４６の先端は、負極リード３６と接続部４８によって接合される。接合手段としては、溶接が用いられる。同様に、安全弁領域４１には、接続用突起部４７が設けられ、接続用突起部４７の先端は、負極リード３６と接続部４９によって接合される。

安全弁構造３８は、２つの安全弁領域４０，４１、薄肉輪郭部４２，４３、接続用突起部４６，４７、接続部４８，４９、安全弁領域４０，４１よりも剛性の高い連結部材である負極リード３６で構成される。

上記構成の作用について、図２と図３を用いてさらに詳細に説明する。図２は、上記構成の作用を従来技術の安全弁構造と比較して示す図である。図２（ａ）は、従来技術の安全弁構造を示し、（ｂ）は、図１の安全弁構造を示す図である。ここでは、二次電池１０の底面板２０の部分を、電池缶１１の内部から見た図を示す。したがって、図２の底面板２０は、図１の底面板２０と表裏の関係で、紙面上では上下逆の配置関係となる。図３でも同様である。

図２（ａ）の従来技術の安全弁構造３７では、負極リード３５と底面板２０との接合のための接続用突起部４４は、安全弁領域４０，４１と重ならない周辺領域に設けられる。したがって、負極リード３５と底面板２０の接続用突起部４４との間の接続部４５における接続は、安全弁領域４０，４１とは独立した領域で行われ、これによって、底面板２０が二次電池１０の負極端子となる。

従来技術の安全弁構造３７では、２つの安全弁領域４０，４１が負極リード３５に連結されてないので、完全に独立の機能を有する。ここで、電池缶１１の内圧が高くなって、所定の閾値圧力Ｐ_thを超えると、安全弁領域４０，４１の薄肉輪郭部４２，４３が破断するが、この２つの薄肉輪郭部４２，４３が同時に破断するとは限らず、いずれか１つが先に破断することが多い。図２（ａ）では、薄肉輪郭部４３の方が先に破断したことを、白星マークで示した。

薄肉輪郭部４３が破断すると、その破断開口から高圧ガスが外部に解放され安全弁領域４１が安全弁として機能する。これによって電池缶１１の内圧が低下し、閾値圧力Ｐ_thよりも低くなり、場合によっては、もう１方の薄肉輪郭部４２が破断しないままとなる。したがって、せっかく２つの安全弁領域４０，４１を設けて、安全弁として機能したときの破断開口面積を広く設定したにもかかわらず、一方の安全弁領域４１のみが安全弁として機能し、電池缶１１の内部の高圧ガスを外部に完全に排出させるのに時間がかかる。

図２（ｂ）に示すように、図１で説明した安全弁構造３８では、負極リード３６と底面板２０との接合のための接続用突起部４６，４７は、安全弁領域４０，４１の内部領域に設けられる。したがって、負極リード３６と底面板２０の接続用突起部４６，４７との間の接続は、安全弁領域４０，４１の内部領域の接続部４８，４９で行われ、これによって、底面板２０が二次電池１０の負極端子となる。

この安全弁構造３８では、２つの安全弁領域４０，４１が負極リード３６に連結されるので、負極リード３６の剛性を安全弁領域４０，４１の剛性よりも高くすることで、２つの安全弁領域４０，４１を互いに連結し、１つの安全弁領域が破断するときに、その破断の動きを用いて、他の安全弁領域を押し開けて破断させることができる。つまり、以下に述べるように、負極リード３６は、２つの安全弁領域４０，４１を連結してほぼ同時に破断するように機能させる連結部材として作用する。

電池缶１１の内圧が高くなって、所定の閾値圧力Ｐ_thを超えると、安全弁領域４０，４１の薄肉輪郭部４２，４３が破断するが、図２（ａ）で述べたように、この２つの薄肉輪郭部４２，４３が同時に破断するとは限らず、いずれか１つが先に破断することが多い。図２（ｂ）でも図２（ａ）と同様に薄肉輪郭部４３の方が先に破断したことを、白星マークで示した。

薄肉輪郭部４３が破断すると、その破断開口から高圧ガスが外部に解放され安全弁領域４１が安全弁として機能して電池缶１１の外部側に動く。そのとき、安全弁領域４１の接続用突起部４７も電池缶１１の外部側に動き、これによって連結部材である負極リード３６も電池缶１１の外部側に動く。負極リード３６が電池缶１１の外部側に動くと、安全弁領域４０の接続用突起部４６が電池缶１１の外部側に動くので、接続用突起部４６の動きによって、安全弁領域４０が電池缶１１の外部側に押し開けられて、薄肉輪郭部４２が破断する。

このように、負極リード３６を介して薄肉部４３の破断とほぼ同時に薄肉輪郭部４２が破断するので、２つの安全弁領域４０，４１がほぼ同時に安全弁として機能し、破断開口面積を広く確保でき、電池缶１１の内部の高圧ガスを短時間で外部に完全に排出させることができる。

図３は、上記の作用を時系列に示す図である。各図の横軸は時間経過で、破断前の時間ｔ＝ｔ₀から完全破断の時間ｔ＝ｔ₃までを４段階で示した。各図は、各時間における安全弁構造３８の状態をそれぞれ示す図で、各図の（ｂ）は、図２と同様に、二次電池１０の底面板２０の部分を電池缶１１の内部から見た図である。各図の（ａ）は、図１（ｂ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図で、安全弁領域４０の断面を示す図であり、各図の（ｃ）は、図１（ｃ）に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図で、安全弁領域４１の断面を示す図である。

時間ｔ＝ｔ₀は、電池缶１１の内圧Ｐ₀が閾値圧力Ｐ_th未満で、安全弁領域４０，４１が破断していない時間である。安全弁構造３８の状態は、図１と同じ状態である。

時間ｔ＝ｔ₁は、電池缶１１の内圧Ｐ₁が閾値圧力Ｐ_thを超え、まず安全弁領域４１の薄肉輪郭部４３が破断輪郭部７０となったときである。安全弁領域４１は、まだ破断の初期状態であるので、ほとんど動いていない。したがって連結部材である負極リード３６もほとんど動いていず、安全弁領域４０は破断していない状態である。しかし、安全弁領域４１の破断輪郭部７０から電池缶１１の内部の高圧ガスが外部に漏れ、電池缶１１の内圧は低下を始める。

時間ｔ₂は、途中経過の時間で、電池缶１１の内圧Ｐ₂は、安全弁領域４１の破断によって時間ｔ₁における内圧Ｐ₁よりも低下した内圧Ｐ₂になっている。安全弁領域４１はこの内圧Ｐ₁を受けて、電池缶１１の外部側に動く。これによって、安全弁領域４１の接続用突起も電池缶１１の外部側に動いた状態の接続用突起部７２となる。接続部４９で接続用突起部７２と一体化されている負極リードも、電池缶１１の外部側に動いた状態の負極リード７４となる。

負極リード７４は、安全弁領域４０，４１の剛性よりも高い剛性を有するので、電池缶１１の外部側に動いた状態の負極リード７４は、安全弁領域４０における接続部４８を介して安全弁領域４０の接続用突起部７６を電池缶１１の外部側に動かす。これによって、安全弁領域４０の薄肉輪郭部が破断した状態の破断輪郭部７８となる。このように、負極リード７４の連結部材としての機能によって、安全弁領域４１が破断したときにまだ破断しなかった安全弁領域４０が電池缶１１の外部側に押し開かれて破断する。これによって安全弁構造３８の破断開口面積が増加し、電池缶１１の内部の高圧ガスが外部に解放され、電池缶１１の内圧はさらに低下する。

ｔ＝ｔ₃は、安全弁領域４０，４１が共に完全破断し、電池缶１１の内圧Ｐ₃が大気圧となった時間である。ここでは、安全弁領域４１の接続用突起がさらに電池缶１１の外部側に移動した状態の接続用突起部８２となり、これによって連結部材である負極リードもさらに電池缶１１の外部側に移動した状態の負極リード８４となる。さらに電池缶１１の外部側に移動した状態の負極リード８４によって、安全弁領域４０の接続用突起もさらに電池缶１１の外部側に移動した状態の接続用突起部８６となり、安全弁領域４０が完全に破断する。これにより、安全弁構造３８において、２つの安全弁領域４０，４１が完全破断状態になり、電池缶１１の内部の高圧ガスが急速に外部に解放され、電池缶１１の内圧は大気圧まで低下する。

このように、負極リード３６の連結部材としての機能によって、１つの安全弁領域が破断すると、その破断の動きによって、他の安全弁領域が押し開かれて破断する。これによって、安全弁構造３８は、２つの安全弁領域４０，４１がほぼ同時に安全弁として作用する。

図３の時間ｔ＝ｔ₃に示されるように、負極リード８４の電池缶１１の外部側への移動は、底面板２０によって規制される。この規制の範囲内で安全弁領域４０または安全弁領域４１を押し開くように、接続用突起部４７，４８の安全弁領域４０，４１における配置位置と、接続用突起部４７，４８の高さが設定される。

図４は、他の安全弁構造とこれに対応する従来技術を示す図である。この安全弁構造は、４つの安全弁領域５０，５１，５２，５３と、これらに対応する薄肉輪郭部５４，５５，５６，５７を有する。４つの安全弁領域５０，５１，５２，５３には、それぞれ先端に接続部６０，６１，６２，６３を有する接続用突起部６４，６５，６６，６７が設けられる。安全弁領域５０，５１，５２，５３よりも高い剛性を有する負極リード５８は、接続部６０，６１，６２，６３において接続用突起部６４，６５，６６，６７と接続され、４つの安全弁領域５０，５１，５２，５３が負極リード５８と連結される。図４の安全弁構造によっても、図２、図３で述べた作用を同様に発揮することができる。

１０二次電池、１１電池缶、１２側面体、１４上面板、１６絶縁体、１８正極突部、２０底面板、２２巻回型電極体、２４正極シート、２６セパレータ、２８負極シート、３０非水電解質、３２正極リード、３４，３５，３６，５８，７４，８４負極リード（連結部材）、３７，３８安全弁構造、４０，４１，５０，５１，５２，５３安全弁領域、４２，４３，５４，５５，５６，５７薄肉輪郭部、４４，４６，４７，６４，６５，６６，６７，７２，７６，８２，８６接続用突起部、４５，４８，４９，６０，６１，６２，６３接続部、７０，７８破断輪郭部。

Claims

筒形の二次電池の上面または下面に設けられ、電池内圧が所定の閾値圧力を超えるときに破断する複数の安全弁領域と、
安全弁領域よりも剛性の高い連結部材であって、複数の安全弁領域を互いに連結し、１つの安全弁領域が破断する動きを用いて他の安全弁領域を押し開けて破断させる連結部材と、
を備えることを特徴とする二次電池の安全弁構造。