JPH06290812A - 安全機構付き化学電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内部原因による場合を含む電池異常を抑制す
ることのできる安全機構付き化学電池の提供。 【構成】 電池反応を抑制する中和剤を収容した中和剤
容器２１を内蔵する化学電池１０である。中和剤容器２
１は，電池異常時のガス又は反応熱に応動して中和剤を
放出する開口手段３１を有する。開口手段３１には，ガ
ス圧に応動する感圧部材を有するもの，熱可塑性部材に
よって形成されているもの，形状記憶合金からなる駆動
部材を有するものなどがある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，異常反応を抑制する安
全機構の付いた化学電池に関する。

【０００２】

【従来技術】化学電池においては，外界から異物が混入
したり，短絡などの現象が発生すると，化学反応が異常
に進行して著しい温度の上昇や夥しい反応ガスの発生を
引き起こすことがあり，その安全性の確保が重要課題で
ある。例えば，高エネルギ密度の電池として期待の高い
リチウム金属電池では，水分の混入やデンドライトの析
出による異常反応により多量のガスの発生と温度の上昇
を引き起こし，その安全性の確保が実用化のための重要
な課題となっている。

【０００３】そのため，通常の密閉型電池には，ガス放
出の機構が設けられており，ガスの急激な噴出や爆発等
を防止している。また，異常反応の進行を抑制するた
め，様々な提案がなされている。例えば，電池の異常反
応の進行を抑制するため，内部温度が異常に上昇したと
き，電池内部の集電棒を正極端子である封口蓋から引き
離し，内部の電流通路を遮断する方法が提案されている
（特開昭５７−６７２８９号公報参照）。また，リチウ
ム金属電池においては，水分の混入による水素ガスの発
生を水素吸蔵合金で吸収し，ガスの噴出を防止する方法
が提案されている（特開昭６０−２５８８７０号公報参
照）。

【０００４】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来の電
池の安全機構には，次のような問題がある。まず，単に
ガスを放出する方法は，爆発などの危険を防止する効果
はあるが，電池反応を抑制する訳ではないから，ガスの
発生自体は停止せず，根本的な安全確保にはなっていな
い。

【０００５】同様に，リチウム金属電池内部に水素吸蔵
合金を設ける方法も，水素ガスの噴出を抑制する効果は
あるが電池反応は停止しない。また，水素ガス以外のガ
ス，例えば二酸化炭素を吸収することはできないから，
安全対策として不完全である。

【０００６】また，温度の異常上昇時に，集電棒を封口
蓋から引き離す前記方法は，外部短絡等による温度上昇
に対しては電流を遮断して反応を抑制することができる
が，電池の内部短絡に対しては効果がないという問題が
ある。即ち，内部短絡による場合は，極板間の短絡な
ど，集電棒と封口蓋との間の電流路とは異なった電流路
を形成するから，集電棒を封口蓋から引き離しても電流
は遮断されない。本発明は，かかる従来の問題点に鑑み
て，内部短絡などの内部原因を含む電池の異常反応を確
実に抑制することのできる安全機構付き化学電池を提供
しようとするものである。

【０００７】

【課題の解決手段】本発明は，電池反応を抑制する中和
剤を収容した中和剤容器を内蔵し，該中和剤容器は，電
池反応の異常時に発生するガス又は反応熱に応動して中
和剤を放出する開口手段を有することを特徴とする化学
電池にある。

【０００８】本発明において最も注目すべきことは，電
池内に中和剤容器を内蔵し，該中和剤容器は電池反応の
異常時に発生するガスや反応熱に応動して中和剤を放出
する開口手段を有していることである。中和剤容器に収
容される中和剤は，電池の化学反応を抑制するもので，
気体，液体，粉体，粒体及びそれらの混合物などであ
る。

【０００９】また開口手段は，電池の異常反応に伴って
発生するガスや反応熱に応じて作動するものである。発
生ガスのガス圧に物理的に応動するもの，発生ガスと化
学反応を起こして作動するもの，反応熱によって物理的
あるいは化学的に作動するものなど各種の開口手段があ
る。

【００１０】例えば，開口手段には，電池反応の反応ガ
スのガス圧に応動する感圧部材を有するものがある。上
記感圧部材には，ガス圧に応じて作動するピストン，ダ
イヤフラム，ベローズなどがある。このような感圧部材
を作動させ，中和剤容器から中和剤を放出させることが
できる。

【００１１】また，開口手段には，熱可塑性部材によっ
て形成されるものがある。即ち，中和剤容器の少なくと
も一部分を，熱可塑性部材によって構成し，電池の異常
反応によって生ずる反応熱によって熱可塑性部材を軟化
又は溶融させ中和剤を放出することができる。

【００１２】また，開口手段には，形状記憶合金からな
る駆動部材を有するものがある。即ち，電池の異常反応
によって発生する反応熱に応じて，形状記憶合金からな
る駆動部材を伸縮あるいは変形させ，中和剤容器を開口
することができる。

【００１３】

【作用及び効果】本発明の化学電池においては，電池が
異常反応を起こしたとき，異常反応に伴って生ずる生成
ガス又は反応熱に応動して開口手段を作動させ，中和剤
を放出させることができる。これによって，電池の活動
質を不活性化して異常反応を抑制あるいは停止させるこ
とができる。その結果，ガスの発生や発熱が抑制され，
電池の安全性を確保することができる。

【００１４】また，中和剤による反応の抑制は，異常反
応の原因が外部にある場合にも内部にある場合にも共に
有効である。即ち，異常の原因が電池の外部における短
絡等の外的原因であっても，内部短絡などの電池内部に
起因する場合であっても，共に効果的に電池反応を抑制
することができる。上記のように，本発明によれば，内
部短絡などの内部原因を含む電池の異常反応を確実に抑
制することのできる安全機構付き化学電池を提供するこ
とができる。

【００１５】

【実施例】

実施例１ 本発明の実施例にかかるリチウム金属電池につき，図１
を用いて説明する。本例は，図１に示すように，電池反
応を抑制する中和剤を収容する中和剤容器２１を内蔵
し，該中和剤容器２１は，電池反応の異常時に発生する
ガス又は反応熱に応動して中和剤を放出する開口手段３
１を有することを特徴とするリチウム金属電池１０であ
る。そして，開口手段３１は，電池の内部ガス圧に応動
する感圧部材としてのピストン３５を有している。

【００１６】以下それぞれについて詳説する。本例のリ
チウム金属電池１０は，図１に示すように，負極を兼ね
る電池容器４０に，電池反応部１５を収容し，電池容器
４０の上部に正極端子１６を設けたものである。正極端
子１６と電池容器４０との間には，絶縁部材４２１を介
設させて両者１６，４０を絶縁している。

【００１７】電池反応部１５の中心部には，ボックス４
１に収められた中和剤容器２１が配設されている。中和
剤容器２１には，若干内圧をかけた状態で中和剤が収納
されている。中和剤は二酸化炭素である。ボックス４１
は，中和剤容器を収容する上部室４１１と，後述する穿
孔ピン３６を収容する下部室４１２とを有している。ま
た，上部室４１１の底部中央には，ピン穴４１１１が穿
設してある。尚，中和剤容器２１は，電池反応部１５の
心棒と兼用しても良い。

【００１８】また，正極端子１６の中央部には，筒状の
凸部１６１が形成されており，該凸部１６１の内部に
は，コイルスプリング３５２を介してピストン３５が収
容されている。そして，凸部１６１の側部には，通常時
には上記ピストン３５の上方に位置するガスの放出口１
６２が設けられており，該放出口１６２は，通常時の気
密性を保つとともに，ガス放出を行なった異常電池であ
ることを示す手段として，例えば封印紙１６３によって
封口されている。他の異常表示手段としては，内部ガス
により変色するシート材や，感圧シート等が考えられ
る。

【００１９】また，ピストン３５の底部には，かぎ形に
曲折したロッド３５１が取付けられており，ロッド３５
１の下端には，穿孔ピン３６が取付けられている。上記
穿孔ピン３６は，ボックス４１の下部室４１２に収容さ
れている。ロッド３５１は，ピストン３５からボックス
４１の側部を迂回して下部室４１２に至り，上記穿孔ピ
ン３６に連結されている。図１において，符号１５１は
電池反応部１５と正極端子１６とを接続するリード線で
ある。

【００２０】次に本例の作用効果について述べる。電池
の負荷短絡等によって電池反応が異常に昂進すると電池
内部のガス圧が上昇する。そうすると，コイルスプリン
グ３５２の付勢力に抗してピストン３５が上昇する。

【００２１】そして，ピストン３５に連動してロッド３
５１が上昇し，穿孔ピン３６はピン室内を上昇する。更
に穿孔ピン３６が上昇すると，上部室４１１のピン穴４
１１１を挿通し，中和剤容器２１の底部を突き破る。そ
の結果，中和剤容器２１から中和剤である二酸化炭素が
噴出する。その結果リチウム金属電池１０の活物質であ
る金属Ｌｉは，炭酸リチウム（Ｌｉ₂ ＣＯ₃）となり，
不活性化され，反応が停止する。

【００２２】また，ピストン３５が放出口１６２の下端
部よりも上昇すると，放出口１６２を封止する封印紙１
６３に内部ガスの圧力が加わる。そして，ガスの圧力が
所定値以上となると，封印紙１６３が破れて，ガスが外
部に放出され，爆発等の危険を回避することができる。

【００２３】また，ガスが放出されてガスの圧力が低下
すると，スプリング３５２の付勢力により，ピストン３
５は，再び放出口１６２よりも下降し，外気が電池の内
部に浸入して，酸素や水分が活動質と反応することを防
止する。また，封印紙１６３の破損を目視することによ
り，不良となった電池を知ることができる。上記のよう
に，本例によれば，中和剤を放出することにより，電池
の異常反応を停止させると共に，ガスを放出して電池の
爆発などを回避することができる。

【００２４】そして，電池の異常反応の原因が，負荷短
絡などの電池の外部にあっても，電極間短絡など電池内
部にあっても共に反応を抑止することができる。上記の
ように，本発明によれば，内部短絡などの内部原因を含
む電池の異常反応を確実に抑制することのできる安全機
構付き化学電池を提供することができる。なお，本例の
ような構造の電池は，小型電子機器等に用いる小型電池
ばかりでなく，電気自動車用や電力貯蔵用などの大容量
の二次電池にも用いることができる。

【００２５】実施例２ 本例は，図２に示すように，実施例１において，開口手
段３２のピストン３５には可撓性の操作紐３５３が取付
けてあり，該操作紐３５３の先端には，中和剤容器２２
の底部に設けた栓口２２１に挿入されたプラグ３５４を
装着したもう１つの実施例である。

【００２６】ピストン３５の底部には，操作紐３５３が
取付けてある。上記操作紐３５３は，ガイド管３５５を
挿通して中和剤容器２２の下方に達し，その先端部には
プラグ３５４を取付けてある。そして，プラグ３５４
は，中和剤容器２２の底部に設けた栓口２２１に着脱可
能に装着されている。

【００２７】電池内部のガス圧が上昇するとピストン３
５が上昇し，操作紐３５３を引張ってプラグ３５４を栓
口２２１から引き抜き，中和剤を放出させる。その他に
ついては，実施例１と同様であり，同様の効果を得るこ
とができる。

【００２８】実施例３ 本例は，熱可塑性部材によって形成された開口手段を有
するもう１つの実施例である。本例は，図３に示すよう
に，正極端子１７と一体に形成された安全弁４３を有す
ると共に，中和剤容器２３は熱可塑性部材で構成してあ
る。

【００２９】正極端子１７には，図３に示すように，外
気に対して開口した放出口１７１を設けてあると共に，
外気を遮断する安全弁４３を設けてある。また，中和剤
を収納した中和剤容器２３は，熱可塑性部材によって形
成されている。該熱可塑性部材は，電池の内部温度が所
定の温度以上になると，軟化して溶融する部材である。

【００３０】そして，上記所定温度は電池の正常動作時
における内部温度よりも若干高めの温度とする。例え
ば，リチウム金属電池の場合には，融点が１００〜１５
０℃の間にあるポリエチレンやポリプロピレン等の樹脂
を用いる。リチウムの融点は，約１８０℃であるから，
上記の融点の素材を用いることにより，リチウムが溶融
する前に電池反応を停止し，リチウムが溶融して内部短
絡が拡大するのを抑止することができる。

【００３１】本例は，電池の異常反応により，内部温度
が上昇すると中和剤容器２３が溶融して中和剤が放出さ
れ，電池の反応を停止させる。また，電池内部のガス圧
が所定値以上に上昇すると安全弁４３が破断し，放出口
１７１からガスを放出して，危険を予防する。

【００３２】なお，一旦破断した安全弁４３には自己復
元力がないから外気を再度遮断することはできない。但
し，図１のような弁部材を用いて，再度遮断する構成と
することもできる。更に，放出口１７１を図１のような
封印紙によって封口することによって，気密性保持と異
常表示の役割を持たせることも可能である。その他につ
いては，実施例１又は実施例２と同様である。なお，中
和剤容器２３はその一部分のみを熱可塑性部材で形成し
てもよい。

【００３３】実施例４ 本例は，図４に示すように，実施例３において，開口手
段３０を，温度によって伸縮する形状記憶合金からなる
針状部材３３によって構成したもう１つの実施例であ
る。本例のリチウム金属電池１０の底部には，中和剤を
収納した中和剤容器２１を配設してある。

【００３４】上記中和剤容器２１の上部には，形状記憶
合金によって形成された，所定の温度を越えたときに下
方に向かって伸長する螺旋形の針状部材３３が取付けら
れている。電池の異常反応により，内部の温度が所定値
を越えると，針状部材３３が伸長して先端の針３３１が
中和剤容器２１を突き破る。

【００３５】その結果中和剤が放出され，電池の反応を
停止させる。その他については，実施例３と同様であ
る。なお，形状記憶合金を用いる代わりにバイメタルに
よって，針状部材３３を形成してもよい。

【００３６】バイメタルは温度が上昇すると湾曲する。
そして，その湾曲によって螺旋の径が減少するように針
状部材３３を形成する。針状部材３３の全長は，ほぼ一
定であるから螺旋の径が減少すれば，針状部材３３が軸
方向に伸長する。その結果，先端の針３３１が下降し
て，中和剤容器２１を突き刺すことができる。

【００３７】実施例５ 本例は，図５に示すように，集合電池１１のケース４４
の内部に中和剤容器２４と，開口手段３２とを設けたも
う１つの実施例である。本例の集合電池１１は，図５に
示すように，４個の単電池１４をケース４４に収納し，
正負の端子４４１，４４２を設けてある。

【００３８】４個の単電池１４はケース４４内で直列に
接続し，両端末を上記端子４４１，４４２に接続してあ
る。そして，各単電池１４とケース４４の内壁４４３と
の間には，中和剤容器２４と開口手段３２と介設させて
ある。

【００３９】開口手段３２の内部には，図６に示すよう
に，スプリング３２１によってケース４４の外方向に向
かって付勢された鍔付きピン３２２が取付けられてい
る。そして，鍔付きピン３２２の外方には，ボール３２
３を収容した筒状部材３２４が配設されている。そし
て，通常時には該筒状部材３２４の開口部３２５を，鍔
付きピン３２２の鍔３２２１が塞いでおりボール３２３
は，破線に示すように，筒状部材３２４の内部にある。

【００４０】そして，単電池１４にガス噴出等の異常が
生じてケース４４に衝撃が加わると，ボール３２３は，
同図の実線に示すように，スプリング３２１の付勢力に
打ち勝って鍔付きピン３２２を押し出して，中和剤容器
２４にピン先３２２２を突き通す。

【００４１】その結果，中和剤容器２４から中和剤が噴
出し，中和剤が電池の反応を停止させ電池の異常反応の
拡大を抑止することができる。なお，本例の開口手段３
２は，外部衝撃によっても作動するから，外部衝撃に対
しても安全機構を働かせることができる。

【００４２】即ち，外部衝撃等によって，単電池１４が
破壊して充填物が噴出し，電池化学反応が暴走するのを
未然に防止することができる。また，ボール３２３を温
度によって膨張する感温部材とすれば，異常な温度上昇
によって膨張して鍔３２２１を押圧し，開口手段３２を
作動させることができる。

【００４３】実施例６ 本例は，図７，図９に示すように，多数の泡状突部２５
１を有する中和剤容器２５を，集合電池１２のケース４
５の内側に配置し，上記泡状突起２５１内に中和剤を収
納したもう１つの実施例である。本例の集合電池１２
は，４個の単電池１４をケース４５に収納し，正負の端
子４５１，４５２を設けてある。

【００４４】そして，ケース４５の内側には，泡状突起
２５１を有する中和剤容器２５を配設する。泡状突起２
５１の内部には，中和剤を充填してある。上記泡状突起
２５１は，図８に示すように，強い衝撃によって破れ易
い薄膜２５２で形成されており，また，この薄膜２５２
は１００〜１５０℃の高温で溶融する。

【００４５】上記泡状突起２５１は，電池の異常反応に
より内部温度が上昇すると溶融して中和剤を放出して電
池反応を停止させる。また，上記中和剤容器２５は，通
常時においては，クッション材として緩衝作用を果たし
ているが，強い衝撃や爆発などの衝撃時には泡状突起２
５１の薄膜２５２が破れて中和剤を放出し電池反応を抑
制し，安全を確保する。

【００４６】上記のように，本例の集合電池は，外部衝
撃に対しても電池反応を停止して安全を確保すると共
に，通常時にはクッション作用を果たしている。その他
については，実施例５と同様である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の電池の断面図。

【図２】実施例２の電池の断面図。

【図３】実施例３の電池の断面図。

【図４】実施例４の電池の断面図。

【図５】実施例５の電池の斜視図。

【図６】実施例５の電池の開口手段周辺の拡大図。

【図７】実施例６の電池の断面図。

【図８】実施例６の中和剤容器の拡大図。

【図９】図７のＡ−Ａ矢視線断面図。

【符号の説明】

１０．．．リチウム金属電池， ２１〜２５．．．中和剤容器， ３１，３２．．．開口手段， ４０．．．電池容器，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田林 政則 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 竹内 友康 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電池反応を抑制する中和剤を収容した中
   和剤容器を内蔵し，該中和剤容器は，電池反応の異常時
   に発生するガス又は反応熱に応動して中和剤を放出する
   開口手段を有することを特徴とする化学電池。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記開口手段は，電
   池の内部ガス圧に応動する感圧部材を有していることを
   特徴とする化学電池。
3. 【請求項３】 請求項１において，上記開口手段は，熱
   可塑性部材によって形成されていることを特徴とする化
   学電池。
4. 【請求項４】 請求項１において，上記開口手段は，形
   状記憶合金からなる駆動部材を有していることを特徴と
   する化学電池。