JP6107568B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

この発明は二次電池に関し、より特定的には電流遮断機構を有する二次電池に関するものである。

従来、二次電池は、たとえば、特開２０１０−２１２０３４号公報（特許文献１）、特開２００７−１９４１６７号公報（特許文献２）、特開２０１１−１５０９６６号公報（特許文献３）、および特開２０１１−２５８５６１号公報（特許文献４）に開示されている。

特開２０１０−２１２０３４号公報 特開２００７−１９４１６７号公報 特開２０１１−１５０９６６号公報 特開２０１１−２５８５６１号公報

従来の技術で用いられる二次電池の電流遮断機構では、反転板と導電部材とを溶接した場合において、溶接部が凝固収縮すると導電部材よりも剛性の低い反転板に歪が発生し、電流遮断機構の作動圧にばらつきが生じるという問題があった。

そこで、この発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、電流遮断機構の反転板において歪の発生を防止することが可能な二次電池を提供することを目的とする。

この発明に従った二次電池は、二次電池内部に設けられる導電部材と、導電部材に溶接された反転板を有する、二次電池内部に設けられる電流遮断機構とを備え、導電部材と反転板とが対向して接触する部分における導電部材の厚みをＴ１とし、反転板の厚みをＴ２とすると、Ｔ１／Ｔ２＜１．５である。

このように構成された二次電池においては、導電部材の厚みＴ１が反転板の厚みＴ２に対し充分に薄くされているため、溶接時に凝固収縮が発生しても導電部材が変形して歪を吸収することができる。その結果、反転板の歪を抑制して電流遮断機構の作動圧が一定となる。

好ましくは、Ｔ２は０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。この場合、反転板の歪を抑制するという効果が最も顕著に現れる。

好ましくは、導電部材と反転板との接触面側において導電部材に凹部が設けられている。この場合、溶接時に発生するガスが凹部を経由して外部へ拡散するため、溶接部にガスが残らず、ボイドの発生を抑制することが可能となる。

好ましくは、導電部材と反転板との接触面の反対側において導電部材に凹部が設けられている。この場合、接触面側に凹部を設けた場合と比較して導電部材と反転板とを広い面積で接触させることができる。その結果、より確実に反転板を導電部材に固定することができる。

この発明に従った二次電池では、溶接時に凝固収縮が発生しても導電部材が変形して歪を吸収することができる。その結果、反転板の歪を抑制して電流遮断機構の作動圧が一定となる。

実施の形態１に従ったの二次電池の平面図である。 図１で示す二次電池の矢印ＩＩで示す方向から見た図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図３で示す二次電池の導電部材と反転板との溶接個所を拡大して示す断面図である。 図４中の矢印Ｖで示す方向から見た反転板および導電部材との図である。 Ｔ１／Ｔ２と反転板の高さの変化量との関係を示すグラフである。 比較例に従った二次電池の導電部材と反転板との溶接個所を拡大して示す断面図である。 実施の形態２に従った二次電池における正極の断面図である。 実施の形態３に従った二次電池における正極の断面図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態において、同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰り返さない。また、各実施の形態を組み合わせることも可能である。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に従ったの二次電池の平面図である。図２は、図１で示す二次電池の矢印ＩＩで示す方向から見た図である。図１および図２を参照して、二次電池１は、電池ケース３０内において電解液が含浸されたセパレータを介して正極と負極とが積層して巻かれた構造を採用している。

電池ケース３０からは正極１００および負極２００が突出しており、正極１００および負極２００はケース内の巻回体と接続されている。電池ケース３０は、角形、円柱形などの様々な形状を採用することが可能である。電池ケース３０の端面に設けられた封口板１４０に正極１００および負極２００が配置されている。

図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図３を参照して、二次電池１の正極１００は、封口板１４０に設けられる。封口板１４０には貫通孔１４１が形成されており、貫通孔１４１に、かしめ部としての導電部材１３０が嵌め合わせられている。

封口板１４０の内側（電池ケース３０の内部側）には、ホルダ１６０が位置している。ホルダ１６０は貫通孔１４１を封止して電池ケース３０内部の電解液が外部へ漏れだすのを防止する働きがある。

導電部材１３０は電池ケース３０内において径が大きくなる形状であり、大径部分に反転板１２０が溶接されている。反転板１２０は円板形状であり、中央部が軸方向に突出した形状とされている。

集電端子１０１が電池ケース３０内に配置されている。集電端子１０１はホルダ１６０により位置決めされている。

電解液が電池ケース３０内に封入されている。電解液の種類としては、二次電池１としてリチウムイオン電池を採用する場合には非水電解液が用いられる。非水電解液は、非水溶媒、および、支持電解質としてのリチウム塩に加え、添加材を含んでもよい。なお、二次電池１は必ずしもリチウム二次電池に限られず、電解液を用いる二次電池であればよい。

電流遮断機構１０５（CID：Current Interrupt Device）は、反転板１２０を含む。反転板１２０の圧力感知面１２１が集電端子１０１の薄肉部分１１１に溶接されている。

導電部材１３０の外周部の少なくとも一部がホルダ１６０で覆われている。これにより、電解液から導電部材１３０の外周部を通じて電流が流れることを防止できる。

電流遮断機構１０５が作動する前には、電流は、集電端子１０１、薄肉部分１１１、圧力感知面１２１、反転板１２０、導電部材１３０を流れる。これにより二次電池１から外部へ電力が供給される。充電時にはこれと逆方向に電流が流れる。

封口板１４０の外側にインシュレータ１８０および外部端子１９０が設けられる。外部端子１９０がインバーターやモーターなどの外部機器に電気的に接続される。

導電部材１３０と反転板１２０とは同軸上に設けられる。さらに、導電部材１３０と反転板１２０とは左右対称形状とされる。

導電部材１３０と反転板１２０とは溶接部１２２により溶接されることで固定されている。溶接部１２２は、反転板１２０の外周端に設けられている。導電部材１３０と反転板１２０とが互いに溶融して固溶することで溶接部１２２が構成されている。

電池ケース３０の内圧が高まった場合には、圧力感知面１２１が電池ケース３０内の気体に押圧される。このとき、気体の圧力は圧力感知面１２１に均一に加えられる。薄肉部分１１１は他の部分と比較して剛性が低いため、この部分が破壊され反転板１２０は集電端子１０１から遠ざかる方向に移動する。すると、集電端子１０１と反転板１２０とが離隔し、電気的な導通が遮断される。

図４は、図３で示す二次電池の導電部材と反転板との溶接個所を拡大して示す断面図である。図４を参照して、溶接部１２２は高温で溶接された後、凝固する。この際に収縮して矢印１２５，１３５で示す方向の応力が発生する。Ｔ１／Ｔ２は１．５未満とされており、Ｔ１は小さく設定されている。その結果、導電部材１３０の端部１３３が変形する。端部１３３は、点線で示す位置から実線で示す位置まで変形する。端部１３３側が変形するために、反転板１２０の位置が移動しない。すなわち、導電部材１３０の端部１３３が歪を吸収することが可能である。

図５は、図４中の矢印Ｖで示す方向から見た反転板および導電部材との図である。図５を参照して、円盤状の反転板１２０の外周端に、環状の溶接部１２２が形成されている。溶接部１２２は、溝形状の凹部１３１と重なり合う位置に設けられており、溶接時に発生するガスを凹部１３１から逃がすことが可能である。なお、この実施の形態では凹部１３１および溶接部１２２とも環状に設けられている。

図６は、Ｔ１／Ｔ２と反転板の高さの変化量との関係を示すグラフである。図６を参照して、Ｔ１／Ｔ２をさまざまに変化させた場合の反転板１２０の高さの変化を調べた。なお、Ｔ２は０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲とした。

Ｔ１／Ｔ２が小さいほど反転板の高さの変化量が小さいことが分かる。これは、Ｔ１が小さいために導電部材１３０の端部１３３の剛性が小さくなり、端部１３３が変形しやすくなるため反転板１２０の位置が変化しないためである。これに対してＴ１／Ｔ２が１．５を以上となると導電部材１３０の端部１３３の剛性が大きくなり、端部１３３が変形しにくくなるため、反転板１２０の高さが変化する。

さらに、一般的な二次電池の反転板１２０の厚みＴ２の範囲において、同様の傾向が表れることを確認した。

図７は、比較例に従った二次電池の導電部材と反転板との溶接個所を拡大して示す断面図である。図７を参照して、比較例に従った構成ではＴ１／Ｔ２が１．５以上に設定される。この場合、導電部材１３０の端部１３３の剛性が大きくなり、変形しにくくなる。その結果、矢印１２５で示す凝固収縮の応力が反転板１２０に伝わり、反転板１２０の高さが変化する。その結果、反転板１２０の薄肉部分１１１との間に隙間Ｗが生じる。この隙間Ｗが生じることで、反転板１２０と薄肉部分１１１とを溶接した場合に溶接品質にばらつきが生じ、溶接不良につながる。

この実施の形態に従った二次電池１は、二次電池１内部に設けられる接続部材としての導電部材１３０と、導電部材１３０に溶接された反転板１２０を有する、二次電池１内部に設けられる電流遮断機構１０５とを備え、導電部材１３０と反転板１２０とが対向して接触する部分における導電部材１３０の厚みをＴ１とし、反転板１２０の厚みをＴ２とすると、Ｔ１／Ｔ２＜１．５である。

このように構成された二次電池においては、導電部材１３０の厚みＴ１が薄くされているため、溶接後に凝固収縮が発生しても導電部材１３０が変形して歪を吸収することができる。その結果、反転板１２０の位置ずれを抑制して電流遮断機構１０５の作動圧が一定となる。その結果、歩留まり向上、品質向上を達成することが可能となる。

さらに、導電部材１３０の端部１３３を薄くすることで溶接部１２２の熱を逃げにくくする効果があり、入熱量を下げて溶接することができる。そのため、歪の発生量も低減することができ、反転板１２０の変形量をより一層抑えることができる。

凹部１３１を設けることで、変形モーメント半径が長くなる。具体的には、図４で示すように矢印１３５で示す応力により端部１３３が回動して変形する場合に回動中心１３１ａから矢印１３５までの距離（モーメント半径）は、凹部１３１がある場合には凹部１３１が無い場合と比較して長くなる。その結果、端部１３３が変形しやすくなる。

さらに、導電部材１３０と反転板１２０を導電部材１３０の凹部１３１より内側で接触させているため内圧上昇時に反転板１２０が反転する際の支点はこの接触端となる。この部分において接触していない場合には溶接部１２２が反転の支点となるが、溶接状態により支点の位置が異なり作動圧のばらつきが大きくなる。そのため、作動圧のばらつきを抑えるためには、溶接部１２２よりも内側において導電部材１３０と反転板１２０とを接触させることが好ましい。

導電部材１３０の先端部１３０ａのみを薄くして容易に端部１３３を変形させることも可能であるが、導電部材１３０と反転板１２０との溶接品質の低下を招く。先端部１３０ａの矢印１３５方向の幅が薄い場合において、溶接時に用いるレーザ光が導電部材１３０の外側にはみ出してホルダ１６０に照射されると、樹脂が焦げるなどの他の問題も発生する。

（実施の形態２）
図８は、実施の形態２に従った二次電池における正極の断面図である。図８を参照して、実施の形態２に従った二次電池における正極１００では、導電部材１３０に凹部が設けられていない点で、実施の形態１に従った正極１００の構造と異なる。凹部１３１は必ずしも設ける必要はなく、実施の形態１と比較して実施の形態２では広い面において導電部材１３０と反転板１２０とが接触する。導電部材１３０と反転板１２０とが接触する領域において、導電部材１３０と反転板１２０との厚みの比率Ｔ１／Ｔ２は１．５未満とされている。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３に従った二次電池における正極の断面図である。図８を参照して、実施の形態３に従った二次電池における正極１００では、導電部材１３０に凹部１３２が設けられているが、凹部１３２は、導電部材１３０と反転板１２０とが接触する面と反対側の面に設けられている点で、実施の形態１に従った正極１００の構造と異なる。実施の形態１と比較して実施の形態３では広い面において導電部材１３０と反転板１２０とが接触する。導電部材１３０と反転板１２０とが接触する領域において、導電部材１３０と反転板１２０との厚みの比率Ｔ１／Ｔ２は１．５未満とされている。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。まず、二次電池１としては、リチウム二次電池だけでなく、電解液を有するさまさまな二次電池とすることができる。さらに、二次電池は、車載用、据置用、携帯用などの用途で用いることができる。さらに、正極１００の構造を説明したが、負極２００側において同様の構成を採用してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、電流遮断機構を有する二次電池の分野において用いることができる。

１ 二次電池、３０ 電池ケース、１００ 正極、１０１ 集電端子、１０５ 電流遮断機構、１１１ 薄肉部分、１２０ 反転板、１２１ 圧力感知面、１２２ 溶接部、１３０ 導電部材、１３１，１３２ 凹部、１３３ 端部、１４０ 封口板、１６０ ホルダ、２００ 負極。

Claims (4)

1. 二次電池内部に設けられる導電部材と、
   前記導電部材に溶接された反転板を有する、二次電池内部に設けられる電流遮断機構と、
   薄肉部分を有する集電端子と、
   前記集電端子を内部に配置する電池ケースとを備え、
   前記反転板は圧力感知面を有し、前記圧力感知面と前記薄肉部分が溶接されており、
   前記導電部材は前記電池ケース上部から下部に向かうにつれて径が大きくなる形状であり、
   前記導電部材の大径部分に前記反転板が溶接され溶接部を有しており、
   前記溶接部は、前記反転板の外周端に設けられており、
   前記導電部材の端部は前記径の外周側に延びた部分であり、
   前記導電部材の端部と前記反転板との接触面側において前記導電部材の端部に凹部が設けられており、前記溶接部は前記凹部と重なり合う位置に設けられており、
   前記導電部材の端部と前記反転板とが前記電池ケースの上下方向に対向する部分における前記導電部材の前記端部の凹部の底部の厚みをＴ１とし、前記反転板の厚みをＴ２とするとＴ１／Ｔ２＜１．５であることにより、前記溶接部を形成する際の応力によって前記導電部材の端部が変形した状態であり、
   前記溶接部は前記反転板を厚み方向に貫通している、二次電池。
2. 二次電池内部に設けられる導電部材と、
   前記導電部材に溶接された反転板を有する、二次電池内部に設けられる電流遮断機構と、
   薄肉部分を有する集電端子と、
   前記集電端子を内部に配置する電池ケースとを備え、
   前記反転板は圧力感知面を有し、前記圧力感知面と前記薄肉部分が溶接されており、
   前記導電部材は前記電池ケース上部から下部に向かうにつれて径が大きくなる形状であり、
   前記導電部材の大径部分に前記反転板が溶接され溶接部を有しており、
   前記溶接部は、前記反転板の外周端に設けられており、
   前記導電部材の端部は前記径の外周側に延びた部分であり、
   前記溶接部は前記導電部材の端部と前記反転板とが前記電池ケースの上下方向に対向する位置に設けられており、
   前記導電部材の端部と前記反転板とが前記電池ケースの上下方向に対向する部分における前記導電部材の前記端部の厚みをＴ１とし、前記反転板の厚みをＴ２とするとＴ１／Ｔ２＜１．５であることにより、前記溶接部を形成する際の応力によって前記導電部材の端部が変形した状態であり、
   前記溶接部は前記反転板を厚み方向に貫通している、二次電池。
3. 二次電池内部に設けられる導電部材と、
   前記導電部材に溶接された反転板を有する、二次電池内部に設けられる電流遮断機構と、
   薄肉部分を有する集電端子と、
   前記集電端子を内部に配置する電池ケースとを備え、
   前記反転板は圧力感知面を有し、前記圧力感知面と前記薄肉部分が溶接されており、
   前記導電部材は前記電池ケース上部から下部に向かうにつれて径が大きくなる形状であり、
   前記導電部材の大径部分に前記反転板が溶接され溶接部を有しており、
   前記溶接部は、前記反転板の外周端に設けられており、
   前記導電部材の端部は前記径の外周側に延びた部分であり、
   前記導電部材の端部と前記反転板との接触面と反対側において前記導電部材の端部に凹部が設けられており、前記溶接部は前記凹部と重なり合う位置に設けられており、
   前記導電部材の端部と前記反転板とが前記電池ケースの上下方向に対向する部分における前記導電部材の前記端部の凹部の底部の厚みをＴ１とし、前記反転板の厚みをＴ２とするとＴ１／Ｔ２＜１．５であることにより、前記溶接部を形成する際の応力によって前記導電部材の端部が変形した状態であり、
   前記溶接部は前記反転板を厚み方向に貫通している、二次電池。
4. 前記Ｔ２は０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の二次電池。

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