JPH10188946A - 内部短絡保護装置を有する角形電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電池内部の万一の電極間短絡に対して、事故
を局部に止どめ安全性が高い中容量角形２次電池の保護
方式を提供すること。 【構成】 箔状の電極側タブ８と、同じく端子側タブ９
の中間に電極１枚分の最大瞬間電流では異常ないがそれ
を超す電流では溶断する特性を有する可溶片１０を置
き、耐熱性が高い２枚の絶縁フィルムでこれらを挟み込
んで一体に接合して密閉構造となした絶縁ケース１２の
内部に可溶片１０を取巻く消弧スペース１１を設け、電
極側タブ８には１枚の正電極タブ５を接合し、端子側タ
ブ９は数十枚分を一体に接合成形してから正極端子へ接
合してなる電極ヒューズ７を有する中容量角形２次電
池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は単機電池容量が１０Ｗ
ｈから１ｋＷｈ程度であって、数十枚から数百枚の角形
薄葉電極で構成されているリチウムイオン電池などのよ
うな中容量２次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】中容量２次電池として一般的な機種は、
鉛電池、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオ
ン電池であろう。このうち前から３機種は水溶液系電解
液を使用する共通点があるが、リチウムイオン電池のみ
は非水系電解液に属する有機電解液を使用する特異性が
ある。

【０００３】水溶液系電解液に対して非水系電解液のイ
オン伝導度はおよそ２桁低いため、所要の負荷電流を取
出すためには、前者を用いる電池に対して後者を用いる
電池は対向する電極面積を増し、電極間隔を狭くしなけ
ればならない。

【０００４】角形電池の外形寸法から１枚の角形電極の
面積と電極積層体（電池中身）の総積み厚さが規定され
るから、対向する電極面積を増すには１枚当りの電極厚
さを小さく（薄葉化）して電極枚数を増さなければなら
ない。このため代表的なリチウムイオン電池では電池を
構成する最少単位である１枚の正電極、１枚の負電極と
２枚のセパレータの厚さを合計して０．３〜０．５ｍｍ
程度の厚さに収まっている。このため、電極枚数は容量
が１０Ｗｈ程度で数十枚、１ｋＷｈ程度で数百枚と水溶
液系電解液を使用する電池と比べると桁違いに多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電池に関する事故で最
も危険なのは内部短絡である。内部短絡は本来あっては
ならない事故である。内部短絡が軽微な場合は電池本体
の異常発熱程度で済むが、重篤な場合は発火、爆発に至
る。このため、温度上昇するとイオンを通過させる微細
孔を閉鎖する能力を持つセパレータを使用して事故電流
を遮断したり、温度上昇による電池内圧上昇を圧力解放
機構により一定の圧力を超えた時点で逃がすことにより
ケースの爆発を予防するなどの対策が設計に盛込まれて
きた。

【０００６】しかしながら、１個の電池容量が大きくな
ると従来技術によるこれらの対策だけでは完全とは言い
難い。事故点に流れ込む電流が電池容量に見合って大き
くなるため、事故が拡大する速度が全体的な温度上昇を
動作原理とするこれらの対策の反応速度を上回り、一気
に発火、爆発に至るからである。

【０００７】一定の電極面積当りの内部短絡発生率が同
一なら、電池容量に比例して事故発生率が大きくなるこ
と、また、事故の規模は電池容量におよそ比例するであ
ろうから、電池容量の２乗に比例して事故のリスクが大
きくなると考えることができる。もちろん、製造者は内
部短絡発生率を零にすべく設計上、製造上の管理の万全
を期すであろう。しかしながら、万一事故が発生した場
合の影響の大きさを考えると、従来技術に加えてより安
全な防御策を追加することが望ましい。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明になる角形電池
では、端子と正電極あるいは負電極の１枚ごとの間に設
置することができるヒューズ（以下、電極ヒューズと呼
ぶ）を提供する。電極ヒューズは設計上の最大瞬間電流
では異常なく、それより大きい電流では内部短絡が発生
したものと見なして溶断して当該電極を端子から電気的
に切り離す。

【０００９】電極ヒューズをリチウムイオン電池などの
薄葉電極を有する電池に適用するには、スペース上の制
約から厚さが０．３〜０．５ｍｍ程度以下でなければな
らない。このため、この発明になる電極ヒューズは金属
箔によるタブを両側に引出し、その中間に可溶片を置
き、前述可溶片には接触しないように保って周囲を耐熱
性が高い樹脂フィルムでできた絶縁ケースで囲ぎょうし
て閉鎖空間を作る。

【００１０】また、この発明では電極積層体を複数の群
に分け数十枚程度の電極が１群となったものを電極モジ
ュールと呼び、説明の事例では正電極タブに電極ヒュー
ズを接合することとすると、電極モジュールごとに電極
ヒューズの端子側タブと負電極側タブをそれぞれ一体に
接合成形し、それらを正極端子および負極端子に接続し
た櫛状母線に挿入・接合して組立てを行う。

【００１１】

【作 用】従来技術の電池では、万一内部短絡が発生し
た場合に短絡電流が流れ始め、当該電池のセパレータの
全領域の温度が上昇して電流制限機能が作動するまで、
あるいは電解液が温度上昇でガス化するなどして圧力解
放機構が作動して電解液が放出されて放電機能が喪失す
るまでに数秒ないし数十秒の時間の遅れがある。それま
での時間、当該電池の放電能力と事故点の抵抗値で定ま
る電流が事故点に流れ続け、事故点に大きな電気エネル
ギーが熱量として放出され高温領域を作り出す。容量の
大きな電池では、この放出電気エネルギーも大きく、事
故点の温度上昇速度も速く、高温領域も急速に拡大して
事故の規模が大きくなる。

【００１２】この発明になる角形電池では、万一内部短
絡が発生した場合は最初の瞬間は健全な電極から大きな
電流が流れ込むが、ミリ秒単位の時間で電極ヒューズが
溶断して続流を遮断し、事故点には事故点を有する電極
が放電する小さな電流が流れ続けるだけで、事故点に放
出される電気エネルギーの絶対量が小さく、事故点で放
出される熱量と事故点の周囲の構造体が熱を吸収する冷
却能力のバランスによりその後の経過が決まる。電極ヒ
ューズが溶断した瞬間に事故が解消する訳ではないが、
事故点に電流を送り込む電源の放電能力が従来技術によ
る電池よりも数十分の１から数百分の１であり、事故が
局部に限定されて鎮静化する可能性が大きくなり、より
高い安全性が得られる。

【００１３】また、この発明になる電極ヒューズを前述
のような構造にすることにより、材料費が安価で、か
つ、連続的に製造でき、帯状の連続体として供給できて
電極との自動組立が容易な電極ヒューズを提供すること
ができる。

【００１４】また、この発明になる電極モジュールと端
子との接続方法により、電極枚数が著しく多い角形薄葉
電極の組立てを電極モジュール単位で行うことができ、
電極モジュール組立を別ラインで行ってから総組立ライ
ンに搬入できるため、総組立が簡略化され、生産効率を
向上することができる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面によって説明
する。図１はこの発明による角形電池の電極面に平行な
平面で見た断面図である。ケース１の内部に電極２が収
容されており、図１ではたまたま正電極が表にあるが、
正電極タブ５は電極ヒューズ７の電極側タブ８と超音波
溶接などにより接合されてある。電極ヒューズ７の端子
側タブ９および負電極タブ６はそれぞれ正極端子３と負
極端子４に接続されているが、その詳細については後出
の図４以下で説明する。

【００１６】図２および図３は電極ヒューズ７の上面図
および正面図である。具体的な設計により寸法を入れて
説明すると、厚さ０．０５ｍｍのアルミ箔である電極側
タブ８および端子側タブ９の中央に設置された可溶片１
０は例えば厚さ０．１５ｍｍの耐熱性が高い絶縁フイル
ムを２枚接合した絶縁ケース１２の内部に設けられた消
弧スペース１１の内部に位置する。

【００１７】プレスによる連続打抜き工程で電極側タブ
８、端子側タブ９および可溶片１０を一体に製造するに
は大略３通りの方式がある。第一は一条のアルミ箔から
図３のような形状を打抜くことである。この場合は可溶
片の溶断温度は６６０度以上であるが、電流が大きけれ
ば充分高速に溶断することは試作により確認した。第二
は一条のアルミ箔の中央部だけをなんらかの方法で合金
化により低融点化して、２００度程度で溶断するように
変成させたものを図３のような形状に打抜くことであ
る。第三は左右にアルミ箔の条を置き中央に低融点合金
を置いて連続溶接した帯状金属箔を図３のような形状に
打抜くことである。なお、生産効率が高いプレス工程に
拘らなければ、左右のアルミ箔のタブを別けて、その中
央部にワイヤーボンディングなどの工程で可溶片を接合
することもできる。

【００１８】消弧スペース１１内部で絶縁ケース１２に
接触しないような位置に可溶片１０を保持することが重
要である。仮に可溶片１０と絶縁ケース１２が接触して
いると、していない場合に比べて多少大きい電流で溶断
はするのだが、溶断するまでの時間が数倍から十数倍に
なることが確認されており、保護性能を高めるため接触
しないことが望ましい。溶断時間が長くなるのは、可溶
片から発生する熱が接触した部分から絶縁ケース１２に
熱伝導で奪われて、融点までの温度上昇時間が長くなる
ためである。消弧スペース１１内に熱伝導度が極めて低
いガラス・マイクロカプセルなどを可溶片１０と絶縁ケ
ース１２の間に介在させて、熱絶縁を施すのも有効であ
る。

【００１９】図２および図３に示すように、図面の右側
に絶縁ケース１２の片側のフイルムが電極側タブ８より
も大きく張出しているが、これは隣合った正電極タブ５
を互いに絶縁するためである。

【００２０】図４に電極モジュール２０の上面図を示
す。水溶液系電解液の角形電池では数枚から数十枚の電
極タブを一か所にまとめて端子に接続することに特に困
難はなかった。しかしながら、非水系電解液の角形電池
では電極枚数が数百枚にも及ぶため、電極タブを一か所
に集めて端子に接続することは物理的に容易でない。こ
のため、取扱いが容易な数十枚程度の電極で一つの群を
構成させ、これらのタブを溶接などの方法で一体に接合
成形したのが電極モジュール２０である。電極ヒューズ
・タブブロック２１は電極モジュール２０の電極ヒュー
ズ７の端子側タブ９を集めて一体に接合成形したもので
あり、負電極タブブロック２２は同じく負電極タブ６を
集めて一体に接合成形したものである。

【００２１】図５、図６は電極モジュール２０のタブブ
ロックを端子に接続する様態を示す。図５では正極端子
３に接続された正極櫛型母線２３の切込部に複数個の電
極モジュール２０の電極ヒューズ・タブブロック２１が
挿入・接合されている。また、図６では負極端子４に接
続された負極櫛型母線２４の切込部に複数個の電極モジ
ュール２０の負電極タブブロック２２が挿入・接合され
ている。

【００２２】

【発明の効果】この発明は以上説明したように構成され
ているので、以下に記載するような効果を奏する。

【００２３】この発明になる電極ヒューズは万一１枚の
電極で内部短絡が発生した場合、残りの健全な多数の電
極から事故点へ向かって流入する電流によって当該電極
の電極ヒューズが瞬間的に溶断して続流を遮断して事故
の拡大を防ぎ、事故を当該電極だけの内部短絡に局限化
して事故現象の鎮静化を図るので、万一の内部短絡に対
して極めて安全性が高い中容量角形２次電池を提供する
ことができる。

【００２４】また、この発明によれば、電極枚数が数百
枚におよぶ薄葉角形電極を用いる電池において、電極タ
ブを数十枚程度の取扱い容易な群として一体に接合成形
してから端子側の櫛型母線と接続するため、組立が容易
で生産効率が高い電池構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明になる角形電池の実施例の断面正面
図である。

【図２】 この発明になる電極ヒューズの実施例の上面
図である。

【図３】 この発明になる電極ヒューズの実施例の正面
図である。

【図４】 この発明になる電極モジュールの実施例の上
面図である。

【図５】 この発明になる電極モジュールと正極櫛型母
線との接続の様態の実施例を示す断面図である。

【図６】 この発明になる電極モジュールと負極櫛型母
線との接続の様態の実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ ケース、２ 電極、３ 正極端子、４ 負極端子、
５ 正電極タブ、６ 負電極タブ、７ 電極ヒューズ、
８ 電極側タブ、９ 端子側タブ、１０ 可溶片、１１
消弧スペース、１２ 絶縁ケース、２０ 電極モジュ
ール、２１ 電極ヒューズ・タブブロック、２２ 負電
極タブブロック、２３ 正極櫛型母線、２４ 負極櫛型
母線、

フロントページの続き (72)発明者 平井 実 千葉県松戸市稔台333番地 東洋高砂乾電 池株式会社開発部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方は電池の電極に、他方は電池の端子
   に接続される２個の金属箔の端子を設けてその中央部に
   可溶片を接合し、前述２個の端子の可溶片に接近する部
   位を両面から耐熱性が高い樹脂フイルムで接合して前述
   可溶片の周囲に閉鎖空間を形成させて短冊状の密閉型ヒ
   ューズとなし、前述密閉型ヒューズの厚さは隣合う１枚
   の正電極と負電極、２枚のセパレータの一組からなる単
   位電極の厚さより薄く設定し、前述密閉型ヒューズは１
   枚の電極の最大瞬間負荷電流では異常なく、それを超す
   電流では溶断するように設定し、前述密閉型ヒューズを
   正電極と正極端子との間、あるいは負電極と負極端子の
   間に設置してなる角形電池。
2. 【請求項２】 前述単位電極の数組から数十組分のタブ
   （電流取出導体部）を固めて一体に接合成形し、前述成
   形部を端子に接続された櫛状の切込みを有する母線に挿
   入し接合してなる角形電池。