JPH09501005A - 弁組立体を備える気密二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくともその一部がプラスチック材でできていて、その内部で電解液に囲まれ、セパレータによって相互に分離されているケースを備えた気密なアルカリ二次電池。その内部には、二次電池の動作の信頼性を高め、それ以上の不都合な点を避けるために、電極がそこから電流を出入りできるように電極接点に接続され、二次電池のケースを貫通している開口部を持っている弁が設置され、またケース内の圧力が上昇した場合に、開口部を開け、上昇した圧力が下がった後で上記開口部を閉める変形可能な要素が設置されている。

Description

【発明の詳細な説明】 弁組立体を備える気密二次電池詳細な説明 本発明は、請求項１の前提部分に記載する気密なアルカリ二次電池に関する。 この種の二次電池に関する要求は、エレクトロニクスの分野において次第に厳 しくなってきている。持ち運びがもっと簡単にできるようにとの絶えざる要求、 および快適に操作できるようにとの新たな要求を満たすために、より強力で、よ り軽く、より小型のエネルーギー源の開発が行われている。それ故、例えば、現 在のＤ−ネットワークまたは将来のＥ−ネットワーク電話機のような携帯移動電 話機は、明らかにますます小型軽量になってきているが、市場での成功をかち取 るために、これらの電話機は、通常数時間の範囲内の最も短い時間で簡単に使用 できるようなものでなければならない。 この種の移動電話機または 例えば、ラップトップまたは掌サイズの（ポータ ブル・コンピュータ）カムコーダおよび補聴器のような他の携帯装置用の集積回 路および超大規模集積回路チップ・セットの開発に関して、電子回路組立を小型 化するために巨額の金が費やされているが、一方、対応する小型のエネルギー源 も同様に必要とされている。 気密なアルカリ二次電池用のプラスチック製の角柱状のケースが開発されたの で、上記アルカリ二次電池はかなり改善されている。軽量のプラスチック製のケ ースを使用し、それぞれの装置メーカが予め定めた形状にケースを適合させた結 果、または広く普及している四角いケースに適合させた結果、高い蓄電密度を持 つ軽量の二次電池が出現している。電極の形状を要求に適合させた結果、装置の 残りの全スペースを電気エネルギーの貯蔵に使用することができるようになって いる。この点に関しては、ドイツ特許Ｐ４３ ２５ ４６４を参照されたい。そ の開示内容全体を、参考のために本明細書の一部としてこの記述の中に記載して ある。 しかし、軽量で小型の二次電池の場合には、特に、材料の厚さを補強したり、 より高価なケース構造を使用して、せっかく達成した利点をむだに損なわないた めには、破裂を防止するために慎重な注意を払う必要がある。過充電をしたり、 過度の大電流で充電した場合、また極性反転またはショートを起こした場合には 、ケース内の圧力が非常に高くなる場合があり、最後にはこの圧力により上記二 次電池は破裂してしまう。 ガラス繊維または炭素繊維で補強したプラスチック材は高い強度と衝撃強さを 持っているが、二次電池の破裂は如何なる場合でも避けなければならないことは いうまでもない。特に、携帯用の装置の場合には、強いアルカリ性および腐食性 の電解液の爆発による漏れは、人を負傷させおよび／または高価な装置を損傷す る恐れがある。 大型の二次電池の場合には、圧力の増大およびそれに伴う安全に対する危険を 避けるために、ねじ込み式の圧力逃がし弁が使用されているが、これは小型のガ ス漏れを起こさないアルカリ二次電池には使用することができない。何故なら、 ネジ山を切ったり、通常、高価な構造を持っている弁装置を使用するために追加 のスペースが必要であるからである。 金属製のケースを備えたガス漏れを起こさないアルカリ二次電池の分野では周 知の、容易に破断する箇所を設けても、電解液が継続的に漏れた場合には、高品 質の装置の被害をうまく防ぐことはできない。容易に破断する箇所が開くと、引 き続き二次電池のケースの密封状態が損なわれ、電解液の望ましくない流出がさ らに続く恐れがある。 さらに、試験の結果、金属製のケースに使用されている上記の容易に破断する 箇所がそのままプラスチック製のケースに適用できないことが判明している。金 属製のケース、特に、円形二次電池の金属製のケースは、部分的には２０バール またはそれ以上の圧力に耐えることができるが、非常に高いレベルまで圧力が上 昇した場合には、角柱状または特殊な四角形状のプラスチック・ケースは、膨れ を生じ寸法上の正確さが失われてしまうので、避けなければならない。 鉛蓄電池に関して発展してきた考え方も、一般的には、高い電力密度の小型の ガス漏れを起こさないアルカリ二次電池には適用できない。鉛蓄電池は、一般的 に、実質的にもっと広いスペースを持っているので、弁を追加してもその重量も 形状も重要な影響を与えない。 それ故、本発明の目的は、請求項１の前提部分に記載してあるタイプの二次電 池の操作上の信頼性および安全性を高め、同時に上記の欠点を除去するか、少な くとも軽減することである。 上記の問題は、請求項１に記載の特徴を備えた二次電池によって解決すること ができる。 電池内の圧力が増大した場合には、ほんの短時間だけガスが放出され、ほんの 少量のガスまたは内部の電解液の成分が放出されるように、変形可能な要素によ り、開口部が開き、増大したガス圧が下がった後で直ちに開放部を閉鎖するよう に作られている。このようにすることにより、二次電池の容量は全然悪影響を受 けないわけではないが、その程度は軽度である。 それ自身の弾性により、変形可能な要素が、二次電池のケースの開口部に強く 押しつけられていて、密封状態を保っている場合には、圧力が増大した場合の開 口部の自由な動きも、通常の動作状態での密封の効果も単一の弾性を持つ変形可 能な要素によってのみ行われることになる。上記二つの機能は、一つの構成部材 によって行われ、その結果、弁組立体は簡単に製造することができ、占有するス ペースも少なくてすむ。スペースの減少は少ないままで、以下により詳細に説明 する適当な構造の弁組立体により、容量の損失を防ぐことができる。 変形可能な要素を開口部と対向する側面で支持し、一定の上方への力を受ける ようにすると、予め定めたレベルに圧力が増大した場合に弁が開くようにするこ とができる。弾性係数が既知の場合には、変形可能な要素の上方への力は、二次 電池のケース内の開口部の既知の面積とともに、予め定めた圧力の上昇値を基本 的な出発点として、容易に計算することができる。さらに、単に、変形可能な要 素の長さを選択するだけで、例えば、種々の二次電池の設計に対する増大した圧 力に関する種々の数値を、容易に達成することができる。 サイズが１７ｍｍ×６ｍｍ×４８ｍｍ程度の四角い二次電池の場合には、弁が 開く上昇圧力のレベレを、２．５−１０バールの範囲で容易に何時でも調整する ことができた。しかし、他の圧力の上昇レベルに調整することもできる。上記の 不利な点を避けるためには、圧力の上昇レベルを３．５バールまたは４．５バー ルにすることが望ましいこともわかった。 変形可能な要素に隣接して、上記要素の横の壁の中を延びている放出通路を設 けた場合には、このような構成は、放出通路が細いにも拘わらず、漏洩するガス および内蔵されている電解液の成分に対して迷路を形成している。圧力の低下は 、放出通路の場合には、その断面の大きさに従ってさらに確実に起こり、一定の ガス放出効果を生じ、放出されたガスの成分は放出通路内ですでに減速されてい る。変形可能な要素の部屋の壁の中に放出通路を形成することは、構造グループ を追加しないですむ安価な方法で行うことができ、関連する生産手順の見地から みても簡単である。 変形可能な要素を、横方向へ少し動けるように設置したり、弁室内に余裕を持 って設置したりした場合には、密封要素とそれを収容している部屋との間の隙間 は、前室効果を有する空間となる。この場合、上昇した圧力はこの前室内ですで に開放され、二次電池の外部と比較すると、実質的により低い圧力でガスの放出 が行われる。 外側から圧入することができる固定要素を使用して、弁組立体をその他の二次 電池組立とは別個に製造することができる。二次電池が別の方法で組み立てられ た場合には、変形可能な要素を、実質的に弁室内に設置することができ、固定要 素を外側から圧入することができる。上記の方法により、異なる上昇圧力に対し て、同一の二次電池を使用することができ、それにより保管が容易になり、用途 に応じて異なる長さの変形可能な要素を備えた二次電池を設計することができる 。 他の実施例において、変形可能な要素が、その側面にカップ状のカバー・キャ ップを持っている場合で、その後部で弁放出開口部を持つカバー・キャップによ り、変形可能要素と接触している場合には、外部の影響を受けない非常に小型の 機械的に安定な弁組立を作ることができる。ケースを、さらにできれば熱溶接ま たは超音波溶接でケースに溶接したカバー・キャップにより、機械的に強化する ことができる。カバー・キャップ内に追加の弁放出開口部を設けることにより、 前室効果が増大し、さらに噴出ガスの速度を下げることができる。 さらに他の実施例の場合において、変形可能な要素をその前部で接触している カップ状のカバー・キャップにより支持した場合で、上記要素内において、ケー スの開口部がカップ状のカバー・キャップの後端部に設けられている場合には、 弁組立体は、外部の影響から保護され、外部からは放出開口部を通してだけ見る ことができるようになる。 外側の端部が広くなっているカバー・キャップの側縁部により、相互に接触し ているより大きな壁により溶接効果が改善されたように、カバー・キャップとケ ースとの間の機械的接触が改善される。さらに、ガスまたは電解液の放出の際に 通る距離が増大し、密封特性が改善される。 二次電池のカバー内に弁を配置することにより、弁組立体をカバーと同時に製 造することができるようになる。弁が二次電池の電極接点間に配置されている場 合には、外部の影響から機械的に保護されている場所が関連してくるし、容量を 低下しないで二次電池内の電極供給ライン間の空間を使用することができる。さ らに、弁本体が、電極組立体を機械的に中心に設置し、および／または保持する ための装置としての働きをし、その位置を二次電池内で機械的に固定することが できる。 生産手段の見地から見て非常に有利な実施例は、変形可能な要素を備えたプラ スチック・ケースの一部を両方を加熱した状態で溶接する方法を使用している。 両方を加熱した状態で溶接する方法の場合には、溶接された表面が、二次電池の ケースのプラスチックから見た場合、接触面に沿って変形可能な要素のプラスチ ック材を射出した場合に、機械的に頑丈なものになる。それ故、できれば、両方 、少なくともケースの一部および変形することができる素子は、熱可塑性弾性体 、特に、改質ポリアミド、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体、 および／またはポリプロピレンから作ることが望ましい。硬プラスチック材の硬 度は、例えば、可塑剤の添加および／または架橋形成の程度を選択することによ り、通常のレベルのケース強度となるように調整されている。変形可能な要素の 軟プラスチック材の硬度は、可塑剤の添加および／または架橋形成の程度を既知 の密封材の範囲に選択することにより、調整することができる。 特に、有利な方法によって、変形可能な要素の製造を、両方を加熱した状態で 溶接する方法を使用して、二次電池の密封と同時に行うことができるし、またカ バーの密封および／または電極接点の密封と同時に行うことができる。 本発明を、種々の実施例および添付の図面を参照しながら以下にさらに詳細に 説明する。 第１図は、本発明の第一の実施例の二次電池の縦断面図である。 第２図は、第１図の二次電池の弁組立体の一部の拡大図である。図には固定要 素および変形可能な要素は示してない。 第３図は、二次電池の内側から密封状態に射出溶接を行った後の、第１図およ び２に示した二次電池のカバー組立体を示す。 第４図は、前部から密封状態に射出溶接を行った後の、第１図、２および３に 示した二次電池のカバー組立体を示す。 第５図は、第４図のカバー組立体の線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。 第６図は、本発明による弁組立体を第一の実施例に設置する方法を示す。 第７図は、本発明の第二の実施例の弁組立体の断面図である。 第８図は、本発明の第二の実施例の弁組立体の断面図であるが、第７図に示す 断面図の切断面から９０度回転した方向に切断したものである。 第９図は、第７図および８の弁組立体を外側からみた図である。 第１０図は、第三の実施例内の、本発明による第三の弁組立体の断面図である 。 第１１図は、第１０図の弁組立体を外側からみた図である。 第１図に示した、本発明による第一の実施例の気密なアルカリ二次電池全体を 参照番号１で示す。この二次電池は、カバー３を備えた少なくとも部分的にはプ ラスチック材でできているケース２を含んでいる。ケース２の中には、電解液に 取り囲まれ、相互にセパレータ４によって分離されているプラスの電極５と、マ イナスの電極６が配置されている。電極５および６は、それぞれそこを通って電 流が出入りするプラスの電極接点およびマイナスの電極接点８に接続されている 。 弁９は、カバー内の電極接点７および８の間に配置されていて、二次電池１の ケース２、特に、そのカバー３を貫通している開口部１０を含んでいる。変形可 能な要素１１は、開口部１０と密封状態で接し、固定要素１２によって転倒した 状態で、弁室１３内に保持されている。予め定めることができる圧力の上昇値以 上にケース２内の圧力が上昇すると、開口部１０の横断面に押しつけていた圧力 が、変形可能な要素１１を、開口部１０の少なくとも一部が開くように後ろに移 動させ、それによりガスが放出しケース２内の圧力が減少する。上昇した圧力が 減少すると、変形可能な要素１１は、開口部１０に対して密封状態に接触し、そ の後元の状態に戻りガスの放出が停止する。 例えば、以下により詳細に記述するゴムまたは熱可塑性材のような適当な材料 を選択することによって、変形可能な要素を、特にスプリング素子を使用しなく ても、その弾性を利用して開口部１０に対して密封状態に接触させることができ る。 第６図に示すとおり、弁組立体が一緒に設置されている場合には、固定要素１ ２は、変形可能な要素１１に一定の上向きの力を加え、その上向きの力を予め定 めた圧力の上昇を調整するために使用することができる。固定要素１２は、化学 的に不活性な材料、特にケース２と同じ材料から作られている。変形可能な要素 １１の弾力係数がわかっているので、変形可能な要素１１を密封状態に接触させ るのに必要な力を計算することができ、それにより、開口部１０の断面積および 上記要素の予め定めた圧力上昇値から、上記要素を押し上げるのに必要な力を計 算することができる。弁が開き始める圧力の上昇値は、２．５−１０バールであ り、できれば３．５−４．５バールであることが望ましい。 変形可能な要素１１に隣接して、上記要素１１の横の弁室１３内の壁１５の中 を、開口部１０から二次電池１の外まで、または弾性アーム１６，１７まで延び ている放出通路１４が設置されている。 第２図に概略を示した固定要素１２は、縦の方向で弁室１３に隣接しているケ ース２の二本の弾性アーム１６、１７の間に弾力によりしっかりと接続されてい る。変形可能な要素１１は、変形可能な要素１１が上方に押し上げられた後でも 、弁室１２内で横方向に少し動けるように、または隙間が開くように、固定要素 １２と開口部１０との間に固定されている。 第３図および第４図は、カバー３内に設置された弁９の前方および後方から見 たカバー組立の図である。これらの図には、電極接点７、８の密封材１８、１９ およびカバー３を密封するための密封材２０が示されている。密封材１８、１９ および２０は、それぞれ両方を加熱した状態で射出溶接によりカバーに接合され ている。 第５図に示すように、カバー３用の密封材２０は、その横方向に突出している カバー３の部分２１が、ケース２の残りの部分にしっかりと溶接できるように配 置されている。 第７図、第８図および第９図は、本発明による弁９の第二の実施例を示す。 すべての実施例において、同一構成部材または同じ働きをする構成部材には同 じ参照番号がつけられていることを指摘しておきたい。 本実施例においては、変形可能な要素１１は、ケース２、特に、カバー３およ びカバー・キャップ２２の一部により形成されている弁室１３内に配置されてい る。カバー・キャップ２２は、変形可能な要素１１上に横向きに係合していて、 上記一定の上方への力が生じるように、その後部面に押しつけられている。壁１ ５内に設けられている放出通路１４は、二次電池１の外側に通じている弁放出開 口部２３を持っている。カバー・キャップは、その半径方向に、外端部が広くな っていて、ケース２、特に、カバー３にしっかりと固定されている側縁部２４を 持っている。側縁部２４のところで、カバー・キャップ２２は、熱溶接または超 音波溶接によって、ケース２、特に、カバー３に接続している。 第１図に示すとおり、第二の実施例および以下に説明する第三の実施例の弁９ は、電極接点７および８の間のカバー３内に配置することができる。 しかし、別の構造の場合には、第二および第三の実施例の弁９は、例えば、二 次電池１の底部２５内のような任意の他の場所に配置することができる。 本発明による第三の実施例は、すでに述べた実施例と同様に、その中に開口部 １０を備えたカバー・キャプ２２を持っている。放出通路２３は、ケース２、特 に、カバー３内に設けられている。カバー・キャップ２２は、変形可能な要素１ １に圧着されている。 変形可能な要素１１は、両方を加熱した状態での射出溶接により、ケース２、 特に、カバー３と一体に製造される。そのため、通路２６は、電極接点７、８の 密封材１８、１９を、変形可能な要素１１を製造するための、加熱射出プラスチ ック材料を通して通過することができる開口部２７に接続している。 弁９の個々の配置によって、できれば、電極接点７、８用の密封材１８、１９ および／またはカバー３用の密封材２０は、同様に、変形可能な要素１１を製造 する際に形成することが望ましい。 変形可能な要素１１は、任意の化学的に耐性を持つ材料から作ることができる が、両方を加熱した状態で射出溶接を行う場合には、本発明の目的のためには、 できれば、熱可塑性の弾性体、特に、改質ポリアミド、スチレン−エチレン−ブ チレン−スチレン共重合体および／またはポリプロピレンから作ることが望まし い。変形可能な要素のプラスチック材の硬度は、可塑剤の添加および／またはそ の架橋形成の程度を選択することにより、既知の密封材の範囲内で調整すること ができる。ケース２、特に、カバー３の軟プラスチック材の硬度は、通常のケー スの硬度になるように調整される。 他の構造の場合には、強度特性を改善するために、ガラス繊維、炭素繊維、ケ ブラーまたはホウ素繊維材がケース２、特に、カバー３内に添加、埋設される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ)，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｚ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ， ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくともその一部がプラスチック材からなり、その内部に電解液で囲まれ て、相互にセパレータによってそれぞれ分離された電極が配置されて、電極がそ こから出し入れするための電極接点に接続されているケースを有する気密なアル カリ二次電池において、二次電池（１）のケース（２、３）を貫通している開口 部（１０）を有し、ケース（２、３）内の圧力が上昇した場合に、開口部（１０ ）を開放し、上昇した圧力が下がった後、開口部（１０）を閉じる変形可能な要 素（１１）を有する弁（９）を特徴とするアルカリ二次電池。 ２．変形可能な要素（１１）が、それ自身の弾力によって開口部（１０）に密封 状に圧着されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。 ３．変形可能な要素（１１）が、開口部（１０）に対向する形で支持され、弁（ ９）を開放するための予め定めることができる圧力の上昇が、変形することがで きる素子（１１）の限定された上方への移動によって発生することを特徴とする 請求項１または２に記載の二次電池。 ４．弁（９）が開放される圧力の上昇レベルが、２．５−１０バール、特に、３ ．５バールである請求項１、２または３に記載の二次電池。 ５．変形可能な要素に近接して、変形可能な要素（１１）の横の壁（１５）内を 延びている放出通路（１４）が設置されていることを特徴とする上記請求項のい ずれか一項に記載の二次電池。 ６．変形可能な要素（１１）が、弁室（１３）内に両わきに隙間ができるように 設置されていて、固定要素（１２）により後部に保持されていることを特徴とす る上記請求項のいずれか一項に記載の二次電池。 ７．変形可能な要素（１１）が、その側面に係合しているカップ状のカバー・キ ャップ（２２）を持ち、上記キャップにその後部で接触状態に保持され、カバー ・キャップ（２２）が弁放出開口部（２３）を持っていることを特徴とする請求 項１〜５のいずれか一項に記載の二次電池。 ８．変形可能な要素（１１）が、その側面に係合しているカップ状のカバー・キ ャップ（２２）を持ち、上記キャップにその前部で接触状態に保持され、 開口部（１０）がカップ状のカバー・キャップ（２２）の端部に配置されていて 、ケース（２、３）が放出開口部（２３）を持っていることを特徴とする請求項 １〜５のいずれか一項に記載の二次電池。 ９．カバー・キャップ（２２）が、外端部の方が広い側端部（２４）を持ってい ることを特徴とする請求項７または８に記載の二次電池。 10．弁（９）が二次電池（１）のカバー（３）内に設置されていることを特徴と する上記請求項のいずれか一項に記載の二次電池。 11．弁（９）が二次電池（１）の電極接点（７、８）の間に設置されていること を特徴とする上記請求項のいずれか一項に記載の二次電池。 12．上記二次電池（１）が、角柱状、特に、四角形状であることを特徴とする上 記請求項のいずれか一項に記載の二次電池。 13．変形可能な要素（１１）が、両方を加熱した状態での射出溶接により、同時 にケース（２、３）の少なくとも一部に密封状態に接続されていることを特徴と する請求項８〜１２のいずれか一項に記載の二次電池。 14．変形可能な要素（１１）が、両方を加熱した状態での射出溶接により、同時 に二次電池のケース（１８、１９、２０）に密封状態に接続されていることを特 徴とする請求項１３に記載の二次電池。 15．変形可能な要素（１１）が、両方を加熱した状態での射出溶接により、同時 にカバー密封材（２０）および／または電極接点密封材（１８、１９）に接続さ れていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の二次電池。 16．少なくとも二次電池（１）のケース（２）の一部および変形することができ る素子（１１）が、熱可塑性プラスチック弾性体、特に、変性ポリアミド、スチ レン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体および／またはポリプロピレンか らなり、ケース（２）および変形することができる素子（１１）が異なる硬度を 有することを特徴とする上記請求項のいずれか一項に記載の二次電池。 17．ガラス繊維、炭素繊維、ケブラー繊維またはホウ素繊維がケース（２、３） に埋設されていることを特徴とする上記請求項のいずれか一項に記載の二次電池 。