JPH09199105A

JPH09199105A - ２次電池用防爆封口板

Info

Publication number: JPH09199105A
Application number: JP8007065A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Takeuchi; 康弘竹内; Kazuhiko Watanabe; 和彦渡邊; Kanehito Masumoto; 兼人増本; Mamoru Iida; 守飯田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】電流遮断圧を安定化させ、電池の安全性・信
頼性が確保できる２次電池用防爆封口板を提供する。【解決手段】外装缶の上端開口部に絶縁ガスケットに
よりシールカシメされた防爆機能および端子を兼ねる防
爆封口板において、前記防爆封口板は、少なくとも端子
キャップ、ＰＴＣ素子、防爆弁体、および絶縁インナー
ガスケットを金属ケースに収納させて一体カシメされた
防爆封口板であって、前記防爆弁体には、易破断性薄肉
部が形成され、中央部が凹部となる切頭円錐形もしく
は、球面状湾曲形とし、易破断性薄肉部を切頭円錐形の
切頭部円周部もしくは、球面湾曲部の一部に位置するよ
うにした前記防爆弁体と、通気孔を有する金属ケース
が、前記絶縁インナーガスケットを介して、溶接されて
なることを特徴とした２次電池用防爆封口板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、防爆型の密閉２次
電池に関し、とくに電池の内圧が上昇すると電池内部で
電流を遮断する機構を備えた防爆封口板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビデオカメラや、パソコンなどの
電子機器の高性能化、小型化は目覚ましく、コードレス
化・ポータブル化にともない、その駆動用電源となる２
次電池の重負荷特性の改善や、小型、軽量で高エネルギ
ー密度への要求が強まっている。特に、近年注目を集め
ているリチウム２次電池は、高エネルギー密度を有する
電池であり、次世代電池としても有望である。

【０００３】ところが、密閉型２次電池、特にリチウム
金属やカーボン材料を負極として使用するリチウム２次
電池は外部短絡・過充電・逆充電等の使用状態では、電
解液や活物質の分解等により電池内でガスが多量に発生
し、電池内圧が急激に上昇する。特に、電池の過充電状
態が長時間継続すると、電池内圧は高まり電池温度も急
激に上昇する恐れがある。あるいは、放電時に誤使用等
により短絡状態となり大電流が流れた場合も過充電状態
と同様に、電解液の分解が起こり多量のガスが発生する
恐れがあった。

【０００４】そこで、このような短絡、過充電、逆充電
時の電池の爆発を未然に防止する方法が、特開平６−１
９６１５０号公報に記載されている。この公報に記載さ
れた密閉型２次電池は、図４に示す構造からなってお
り、電池内の内圧が上昇した場合に電流を遮断する機
構、および、さらに内圧が上昇した場合には、隔壁の強
度の小さい部分を破裂させガス体を電池内部から流出さ
せることを開示している。このときの隔壁の強度の小さ
い部分は、図面上より切頭円錐形以外の部分に設けられ
る。また、先行技術の特徴としては、下部に向けて凸部
を有する隔壁で電池を密封する点、および隔壁形状を切
頭円錐形とし、円錐形の傾斜角度により電流遮断圧レベ
ルを変えることができるとしている。これは、切頭円錐
形の形状により隔壁の反転力が変化するからと説明され
ている。また、これによって、隔壁を反転させるのに要
する圧力が実質的に一定となり、溶接部の破断圧力全体
に対する割合は小さくなるとも説明されている。

【０００５】本発明者らも前記公報に示された切頭円錐
形形状にて隔壁を製作し、電流遮断圧の安定化を試みた
が溶接部の溶接強度に依存する影響を払拭することがで
きず、不十分であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上の構造を有する従
来防爆型の密閉型２次電池では、電流遮断圧を安定させ
るには溶接強度による依存性を払拭できず不十分であ
り、電池の品質保証をすることが困難であった。また、
前記従来構造では、溶接強度がある程度弱くとも隔壁の
反転力のため見掛け上は電流遮断圧が確保でき、電池内
部との電気的接続が保たれるが、反面、電池の実使用に
おいては、わずかなショックで溶接部がハズレ、電池が
使用不可になる等の課題を有していることが判明した。
よって、本発明は電流遮断圧を安定化させることを主課
題とし、溶接強度は、あくまでもある程度強いレベルで
溶接し、しかも電流遮断圧を安定化させ、上記課題を解
決するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の２次電池用封口
板は、前述の目的を達成するために下記の構成を備え
る。

【０００８】外装缶の上端開口部に絶縁ガスケットによ
りシールカシメされた防爆機能および端子を兼ねる防爆
封口板において、前記防爆封口板は、少なくとも端子キ
ャップ、ＰＴＣ素子、防爆弁体、および絶縁インナーガ
スケットを金属ケースに収納させて一体カシメされた防
爆封口板であって、前記防爆弁体には、易破断性薄肉部
が形成され、中央部が凹部となる切頭円錐形とし、易破
断性薄肉部が切頭円錐形の切頭部円周に位置するように
した前記防爆弁体と通気孔を有する金属ケースを、前記
絶縁インナーガスケットを介して、溶接し構成した。あ
るいは、防爆弁体の中央凹部切頭円錐形を、球面状に湾
曲させ、湾曲部の一部に易破断性薄肉部を形成して防爆
封口板を構成してなる２次電池用防爆封口板とした。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明防爆封口板の一実施例によ
り、以下、図１、図２、図３に従い作用を説明する。

【００１０】本発明の防爆封口板を用いることにより、
電池が過充電、逆充電、外部短絡等の異常使用状態とな
り、電池内圧が急激に上昇すると、防爆弁体３には上方
（端子キャップ１側）に変形する応力が働き、通気孔６
ａを有する金属ケース６と防爆弁体３の溶接部５に、引
っ張りの力が生ずる。この引っ張り力が溶接強度を上回
ると溶接部５で防爆弁体３が剥離し上方に湾曲し電池内
部との電気的導通を遮断する。

【００１１】これによって、ガス発生はストップし、電
池の内圧上昇が抑制され電池の爆発を未然に防止する。
この時の引っ張り力は電池内圧にそのまま通常は依存す
る。しかし、溶接部を剥離させようとする力は、電流遮
断が起こるまでの防爆弁体の形状変化にも影響を受ける
ことを本発明者らは見いだした。図１は防爆封口板を電
池として組み立てた時の防爆封口板状態図である。図２
は電池内部の圧力を測定しながら急速充電し溶接部が剥
離する手前で充電をストップした時の防爆封口板状態図
である。また、図３は同様に急速充電を行い溶接部が剥
離し電流遮断が起こった時点で、電池内圧を解放した時
の防爆封口板状態図である。本発明防爆封口板のもっと
も大きな特徴は、図１の状態図から、図２で示した電流
遮断が起こる一歩手前の防爆弁体の形状にあり、電池内
圧が上昇するに従い、溶接部５、および防爆弁体凹部開
始周縁部３ｂを支点とし、易破断性薄肉部３ａが作用点
となって、均一に上方に折れ曲がる。この時の、電池内
圧上昇に対して生ずる力は、最初はもっとも強度的に弱
い易破断性薄肉部３ａに作用し内圧上昇に従い変形さ
れ、そして、この変形が限界に達すると、次に溶接部５
に対して、引っ張り力のほぼ１００％が集中し、垂直方
向上方に均一に引っ張り力として作用する。これによっ
て、防爆弁体の変形が限界に達すると、一定レベル以下
の溶接強度しか有していない防爆封口板は、出荷検査
（ガス圧１０ｋｇｆ／ｃｍ²を加圧）にて確実に排出さ
れる。（防爆弁体の変形が限界に達するまでに溶接がは
ずれる防爆封口板。）また、これ以降は溶接部分５に集
中して発生した引っ張り力により、電流遮断圧がほぼ１
００％依存することになる。さらに詳しくは、図２の状
態図より、さらに内圧が上昇すれば防爆弁体の溶接部を
剥離させ、反転し、形状的にもっとも安定な形状に防爆
弁体はなろうとする。

【００１２】これ以降の引っ張り力は、溶接部５に集中
し、電池内圧（ｋｇｆ／ｃｍ²）の微小な変化に対して
も、溶接部５には大きな引っ張り力となって作用する。

【００１３】この関係は、溶接部の面積にも影響される
が、本発明防爆封口板の如き構造では、極めて小さな面
積で溶接がなされるため、溶接部５の単位面積あたりに
加わる引っ張り力が非常に大きな力となって、溶接部５
に作用するからである。よって、溶接強度が多少バラツ
キ、強めに溶接されたとしても、電池内圧に対応する電
流遮断圧バラツキには、大きく影響をおよぼさない。よ
って、溶接強度を微妙にコントロールする必要がなく、
溶接は、一定レベル以上で溶接するようにすれば良く、
溶接としては大変やりやすい。

【００１４】溶接法としては、本発明者らも種々検討し
たが、使い勝手の良い、また溶接部を剥離しやすい超音
波溶接が優れていた。超音波溶接で管理すべきことは、
溶接部面積、および超音波エネルギー、超音波振動を伝
えるホーンの加圧力である。これらの設定条件は、電流
遮断圧の設定値を考慮して、最適な設定条件とすれば良
い。溶接面積等を均一にするためには、金属板７に面積
の一定な突起部を設け、この部分で防爆弁体と溶接する
等の方法がある。

【００１５】また、電池内圧が上昇し、溶接部が剥離
し、電流遮断が機能しても、電池の急激な温度上昇があ
った場合は、さらに内部圧力は上昇するので、防爆弁体
に易破断性薄肉部を設けている。そして、電流遮断後の
内圧上昇に対し、所定設定圧で易破断性薄肉部が破断し
電池内圧を解放する様になっている。

【００１６】防爆弁体３と端子キャップ１間に設置され
るＰＴＣ素子２は、電池が異常使用充電時・逆充電時・
外部短絡時等により大電流が投入された場合や、高電圧
が印加された場合に、ＰＴＣ素子抵抗は急激に上昇し、
電流を遮断する機能を有する部品である。よって本発明
防爆封口板は、２重の安全機構が付加された防爆封口板
である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の一例を例
示するもので、材質・構造等を特定するものではない。

【００１８】（実施例１）図１は本発明封口板を用いた
防爆型電池の側面断面図であり、これに従い実施例を説
明する。

【００１９】ニッケルメッキ鋼板からなる外装缶８内部
に、アルミニウム箔を集電体として、ＬｉＣｏＯ₂を主
成分とするペーストを塗布、乾燥し短冊状に切断して作
成した正極板と、銅箔を集電体として、正極板のＬｉＣ
ｏＯ₂の代わりに球状炭素を主成分として同様に作成し
た負極板を、フィルム状セパレーターを介して渦巻き状
に巻回し、非水電解液を注入し、発電要素群として外装
缶８に内蔵させた。また、外装缶８開口部に、本発明防
爆封口板を絶縁ガスケット９を介して、外装缶８の上方
開口部に設けた環状段部上に圧入し、外装缶８の開口部
を金型で内方に折り曲げて密封口した。

【００２０】防爆封口板は、端子キャップ１、ＰＴＣ素
子２、防爆弁体３、および絶縁インナーガスケット４を
金属ケース７に収納させて一体カシメされた封口板であ
って、前記防爆弁体３は、易破断性薄肉部３ａをＣ型形
状（¢５．０ｍｍ）にプレス刻印により形成される。こ
の防爆弁体３と、通気孔７ａを有して形成した金属ケー
ス７を、前記絶縁インナーガスケット４を介して、溶接
した。

【００２１】さらに本発明防爆封口板を製造工程順に、
構成を詳しく説明する。通気孔７ａ（¢１．０×４）を
有し、さらには周縁に立ち上がり部を有する金属ケース
７に、ポリプロピレン樹脂を略Ｌ字形で環状に成形した
絶縁性を有する絶縁インナーガスケット４および、防爆
機能のため、金型プレスでＣ型形状に刻印で設けた易破
断性薄肉部３ａを有する防爆弁体３を挿入し、前記金属
ケース７と前記防爆弁体３を超音波溶接によって溶接し
両者を電気的に接続する。

【００２２】次に、充電時や、電池外部短絡時等に大電
流が流れた場合これをカットし、電池の安全性を確保す
るためのＰＴＣ素子と、電池の外部端子となるキャップ
状の端子キャップ１を積重載置し金属ケース７周縁部を
カシメ金型により内方に折り曲げてカシメ密封口する。

【００２３】防爆弁体３は、外径；¢１４ｍｍ、厚み；
０．３ｍｍのアルミニウム金属を使用し、中央部が凹部
となる切頭円錐形とし、Ｃ型形状（¢５．０ｍｍ）刻印
を打つことで、易破断性薄肉部（約３０μｍ）３ａを形
成した。また、この易破断性薄肉部３ａが切頭円錐形の
切頭部円周に位置するようにした。この時の易破断性薄
肉部は、弁体破断圧として、約２０ｋｇｆ／ｃｍ²にな
るように設定した。また、防爆弁体３と金属板７の溶接
は、溶接条件が設定しやすく、使い勝手の良い超音波溶
接機を用いた。超音波振動子に接続されたホーンの先端
に１０ｋｇｆ／ｃｍ²の荷重を加え、超音波振動（４０
ｋＨｚ）を印加し溶接した。

【００２４】また、金属ケース７も防爆弁体３と同様に
材質は、非水電解液に対する耐触性の良いアルミニウム
を使用し、通気孔７ａ、および周縁立ち上がり部の加工
も、板材からのプレス加工で製作した。

【００２５】また、組み立てられた防爆封口板は、出荷
検査に相当するガス圧１０ｋｇｆ／ｃｍ²加圧を実施
し、１０ｋｇｆ／ｃｍ²以下の防爆封口板は、排出し
た。

【００２６】（比較例１）図４に、比較例１として用い
た防爆封口板の側面断面図を示す。防爆弁体には、切頭
円錐形の凹部を設け凹部の一部に易破断性薄肉部３ｂを
設けた。この防爆弁体を用い実施例１と同様に防爆封口
板を組み立て実施例１の比較防爆封口板として製作し
た。

【００２７】（比較例２）図５に、比較例として用いた
防爆封口板の側面断面図を示す。防爆弁体には、切頭円
錐形の凹部を設け凹部に掛からない凹部開始周縁部より
外側に、易破断性薄肉部３ｂを設けた。この防爆弁体を
用い実施例１と同様に防爆封口板を組み立て実施例１の
比較防爆封口板として製作した。

【００２８】これら実施例１、比較例１、２防爆封口板
を使用して２次電池を試作し、これら電池の内圧上昇時
による電流遮断圧の測定、および電池の落下試験を行っ
た。

【００２９】−落下試験方法− １ｍの高さからコンクリート上に電池のキャップ端子
側、底側、横側の３方向から電池を各５回・各１０回づ
つ（Ｎ＝１００個）落下させ、落下前と落下後での溶接
部ハズレ電池の発生率を比較した。

【００３０】その結果を図５、および（表１）に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】図５に示した実施例１電池および、比較例
電池の電流遮断圧測定値データのバラツキ（標準偏差）
比較より明らかなように、本発明の防爆封口板の電流遮
断圧は比較例に比べ、大変に安定していた。

【００３３】また、表１に示した電池落下試験結果にお
いても、本発明防爆封口板では、溶接部ハズレは発生し
なかった。

【００３４】（実施例２）実施例１では金属ケース７と
防爆弁体３を絶縁インナーガスケット４を介して溶接し
た本発明防爆封口板を紹介したが、図６にこれ以外の構
造から成る本発明防爆封口板を示す。

【００３５】図６防爆封口板は、金属ケース７の代わり
に内端子板６を別に内蔵させ、内端子板６を実施例１と
同様の防爆弁体３と、絶縁インナーガスケット４を介し
て溶接した本発明防爆封口板の一例を示した。

【００３６】図６に示した防爆封口板についても、実施
例同様に電流遮断圧測定、および電池落下試験を実施し
たが、電流遮断圧（標準偏差＝０．７０）は安定してい
た。また、電池落下試験でも溶接部ハズレは発生しなか
った。内端子板６を内蔵させることは、金属ケース７底
部をフラットにすることが可能となり、極板とのリード
溶接をする際、生産面でやり易くなる等のメリットがあ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上記述した如く本発明防爆封口板を用
いた２次電池によれば、電流遮断圧は安定し、また電池
の実使用においても、電池への衝撃等で溶接部がハズレ
電池が使用不可になることもなくなった。

【００３８】よって、本発明によれば電池の短絡・過充
電・逆充電等の状態においても、所定の電池内圧で精度
良く電気的導通を遮断し信頼性の高い密閉型電池を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明防爆封口板を用いた密閉型電池上部の側
面断面図

【図２】本発明防爆封口板を用いた密閉型電池上部にお
いて、電池内圧が上昇した時の側面断面図

【図３】本発明防爆封口板を用いた密閉型電池におい
て、電流遮断した時の側面断面図

【図４】本発明防爆封口板のその他の一例を示した側面
断面図

【図５】実施例１における電池評価試験結果を示す図

【図６】従来例の防爆封口板側面断面図

【符号の説明】

１キャップ状端子２ＰＴＣ素子３防爆弁体３ａ易破断性薄肉部３ｂ防爆弁体凹部開始周縁部４絶縁インナーガスケット５溶着部６内端子板６ａ通気孔７金属ケース７ａ通気孔８外装缶９絶縁ガスケット

フロントページの続き (72)発明者飯田守大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外装缶の上端開口部に絶縁ガスケットによ
りシールカシメされた防爆機能および端子を兼ねる防爆
封口板において、前記防爆封口板は、少なくとも端子キ
ャップ、ＰＴＣ素子、防爆弁体、および絶縁インナーガ
スケットを金属ケースに収納させて一体カシメされた防
爆封口板であって、前記防爆弁体には、易破断性薄肉部
が形成され、中央部が凹部となる切頭円錐形とし、易破
断性薄肉部が切頭円錐形の切頭部円周に位置するように
した前記防爆弁体と通気孔を有する金属ケースが、前記
絶縁インナーガスケットを介して、溶接されてなること
を特徴とする２次電池用防爆封口板。