WO2014049848A1

WO2014049848A1 - 角形二次電池

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Publication number: WO2014049848A1
Application number: PCT/JP2012/075161
Authority: WO
Inventors: 和昭浦野; 正明岩佐; 拓郎綱木; 松本　洋
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2015-03-28
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Description

角形二次電池

　本発明は、車載用途等に使用される角形二次電池に関する。

　従来から、車両やその他の機器に搭載される密閉型のリチウムイオン二次電池などにおいては、過充電や過昇温、外力による破損などによって、内部にガスが溜まり、そのガスによって、電池内部の圧力が上昇する場合がある。そのため、密閉型電池の電池ケースには、安全のための脆弱箇所が形成される。

　例えば、電池ケースの一部の箇所に、電池の内圧によって変形する部材が用いられ、その部材の変形によって脆弱部分が破損し、電流経路が遮断されるものや、密閉型電池の内外が連通されてガスを排出するものなどが提案されている。

　例えば、特許文献１には、外部端子と内部集電タブの間に封口体リードとダイアフラムを備えてあり、電池蓋に対して垂直方向に延びる筒状の封口体リードにダイアフラムの周縁が密閉され、電池内圧が上昇するとダイアフラムが変形し、脆弱箇所が破断され、それによって電流の経路を遮断するとされる技術が示されている。

特開2008-66255号公報

　しかしながら、前述した従来の技術では、例えば電池蓋に対して垂直方向に延びる筒状の封口体リードにダイアフラムの周縁を密閉しようとした場合、ダイアフラムを溶接する封口体リードの厚み部分、もしくはさらに加工を加えた部分の形状が複雑になり、平面性が出しにくいことから溶接が不安定になり、さらに、限られたスペースの中でダイアフラムを変形させ、脆弱部を破断させるだけの応力を得難いということから、さらに脆弱部を弱くしなければならない可能性があった。このため、電池に振動や衝撃が加わった際に電流遮断機構部分で密閉性を損ねたり、誤動作を起こすなどの問題点があった。

　本発明は、上記課題に対して、ダイアフラムの溶接性を安定させ、さらにダイアフラムを変形しやすくすることで、内圧が上昇した際には確実に安定して電流経路を遮断することができる角形二次電池の提供を目的としている。

　上記課題を解決するために、本発明は、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、扁平状の電極群と、該電極群を収容する電池缶と、該電池缶の開口部を閉塞する電池蓋と、該電池蓋に設けられる外部端子と、該外部端子と前記電極群との間を電気的に接続する電流経路の途中に介在されて電池内圧の上昇により前記電流経路を遮断する電流遮断機構と、を有する角形二次電池であって、前記電流遮断機構は、前記電池蓋の内側に配置されて前記外部端子に電気的に接続される接続電極と、該接続電極に接合されて電池内圧の上昇により変形する導電板を有し、前記接続電極は、電池外側に連通する貫通孔が平面部に開口する平板部材からなり、前記導電板は、軸方向に移行するにしたがって漸次縮径するドーム状のダイアフラム部と、該ダイアフラム部の外形周縁部から径方向外側に向かって拡がるフランジ部とを有し、前記ダイアフラム部が前記接続電極の前記貫通孔を覆い、前記フランジ部が前記接続電極の平面部に接合されていることを特徴としている。

　本発明の角形二次電池によれば、電池に振動や衝撃が加わった際に電流遮断機構部分で密閉性を損ねたり、誤動作を起こすことなく、内圧が上昇した際に確実に安定して電極群と外部端子との間の電流経路を遮断することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態における角形二次電池の外観斜視図。図１に示される角形二次電池の分解斜視図。図１の角形二次電池における捲回電極群の分解斜視図。第１実施形態における電流遮断機構の部分断面図。図４に示す構成の部品分解斜視図。第１実施形態における電流遮断機構の動作前の状態を示す図。第１実施形態における電流遮断機構の動作後の状態を示す図。第２実施形態における電流遮断機構の部分断面図。第３実施形態における電流遮断機構の部分断面図。第４実施形態における電流遮断機構の部分断面図。第５実施形態における電流遮断機構の部分断面図。

　以下に、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、角形二次電池の例として、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動源として用いられる角形のリチウムイオン二次電池の場合について説明する。

［第１実施形態］
　図１は、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池の外観斜視図、図２は、図１に示されるリチウムイオン二次電池の分解斜視図である。

　リチウムイオン二次電池１は、図１及び図２に示すように、角形の深絞り形状を有する電池缶４と、電池缶４の開口部４ａを封口する電池蓋３とを有する電池容器２を有している。電池容器２内には、発電要素が収容されている。発電要素は、正極電極４１と負極電極４２との間にセパレータ４３，４４を介在させて重ね合わせた状態で扁平状に捲回した捲回電極群４０を有している。捲回電極群４０は、正極集電板２１、負極集電板３１と共にその外側から絶縁シート（図示せず）によって覆われた状態で電池缶４内に挿入される。

　電池缶４及び電池蓋３は、共にアルミニウム合金で製作されており、電池蓋３は、レーザー溶接によって電池缶４に接合されて、開口部４ａを封口する。電池蓋３には、正極側端子構成部６０と、負極側端子構成部７０が設けられており、蓋組立体を構成している。

　正極側端子構成部６０と負極側端子構成部７０は、電池蓋３との間に第１の絶縁体６４、７４を介して配設された正極端子６１と負極端子７１（一対の電極端子）を有している。電池蓋３には、正極端子６１及び負極端子７１の他に、電池容器２内の圧力が所定値よりも上昇すると開放されて電池容器２内のガスを排出するガス排出弁１３と、電池容器２内に電解液を注入するための注液口１２と、電解液の注液後に注液口１２を封止する注液栓１１が配設されている。注液栓１１は、注液口１２を閉塞した状態でレーザー溶接により電池蓋３に接合され、注液口１２を封口する。

　正極端子６１及び負極端子７１は、長方形を有する電池蓋３の外側で且つ長辺に沿った方向の一方側と他方側の互いに離れた位置に配置されている。正極端子６１及び負極端子７１は、バスバー接続端子を固定するための端子ボルト６３、７３を保持し、電池蓋３の内側にまで配置されて導通接続されている。正極端子６１は、アルミニウム、またはアルミニウム合金で製作され、負極端子７１は、銅合金で製作されている。

　正極端子６１は、電池蓋３の外側にガスケット６６及び第１の絶縁体６４が介在され且つ電池蓋３の内側に第２の絶縁体６５が介在されており（図４を参照）、電池蓋３から電気的に絶縁されている。正極端子６１は、第２の絶縁体６５と接続電極６７とともにかしめられて、電池蓋３に固定される。
　正極端子６１は、電流遮断機構を間に介して正極集電板２１に電気的に接続されている。なお、電流遮断機構の構成についての詳細は後述する。負極端子７１は、接続端子(図示せず)を間に介して負極集電板３１に電気的に接続されている。

　正極集電板２１、負極集電板３１は、電池缶４の底部に向かって延出して捲回電極群４０に導通接続される平坦状の一対の接合片２３、３３を有している。各接合片２３、３３は、捲回電極群４０の捲回軸方向両端部に設けられている正極及び負極に溶接により接合される。溶接方法としては、超音波溶接、抵抗溶接、レーザー溶接等を用いることができる。

　捲回電極群４０は、正極集電板２１の接合片２３と負極集電板３１の接合片３３との間に配置されて両端が支持されており、蓋組立体及び捲回電極群４０によって、発電要素組立体５が構成されている。

　図３は、図２に示された捲回電極群４０の詳細を示し、巻き終わり側を展開した状態の外観斜視図である。

　捲回電極群４０は、第１、第２セパレータ４３、４４の間に、それぞれ負極電極４２、正極電極４１を配置して扁平状に捲回することによって構成される。捲回電極群４０は、図３に示すように、最外周の電極が負極電極４２であり、さらにその外側にセパレータ４４が捲回される。

　セパレータ４３、４４は、正極電極４１と負極電極４２を絶縁する役割を有している。負極電極４２の負極塗工部４２ａは、正極電極４１の正極塗工部４１ａよりも幅方向に大きく、これにより正極塗工部４１ａは、必ず負極塗工部４２ａに挟まれるように構成されている。

　正極未塗工部４１ｂ、負極未塗工部４２ｂは、平面部分で束ねられて溶接等により正極端子６１、負極端子７１につながる各極の集電板２１、３１に接続される。尚、セパレータ４３、４４は、幅方向で負極塗工部４２ａよりも広いが、正極未塗工部４１ｂ、負極未塗工部４２ｂで金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。

　正極電極４１は、集電体である正極電極箔の両面に正極活物質合剤を塗布した正極塗工部４１ａを有し、正極電極箔の幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極未塗工部（箔露出部）４１ｂが設けられている。

　負極電極４２は、集電体である負極電極箔の両面に負極活物質合剤を塗布した負極塗工部４２ａを有し、正極電極箔の幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極未塗工部（箔露出部）４２ｂが設けられている。正極未塗工部４１ｂと負極未塗工部４２ｂは、電極箔の金属面が露出した領域であり、図３に示すように、捲回軸方向一方側と他方側の位置に配置される。

　負極電極４２においては、負極活物質として非晶質炭素粉末１００重量部に対して、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）を添加し、これに分散溶媒としてＮ－メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという。）を添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ１０μｍの銅箔（負極電極箔）の両面に集電部（負極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断して銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極電極を得た。

　なお、本実施の形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料等でよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。

　正極電極４１に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）１００重量部に対し、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として１０重量部のＰＶＤＦとを添加し、これに分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極電極箔）の両面に無地の集電部（正極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断してアルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極電極を得た。

　また、本実施の形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。

　また、本実施の形態では、正極電極、負極電極における塗工部の結着材としてＰＶＤＦを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。

　電池蓋３に設置された注液口１２からは、非水電解液が注入される。非水電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比で１：２の割合で混合した混合溶液中へ六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／リットルの濃度で溶解したものを用いることができる。注液口１２は、電解液注入後に、注液栓１１が嵌合されて閉塞され、レーザー溶接によって封止される。

　図４は、電流遮断機構の断面図を示し、図５は、その部品分解斜視図を示す。

　電流遮断機構は、正極側端子構成部６０の正極端子６１から正極集電板２１までの電流経路に設けられている。

　正極側端子構成部６０は、図４及び図５に示すように、正極端子６１、正極端子ボルト６３、第１の絶縁体６４、第２の絶縁体６５、ガスケット６６、正極接続電極６７、電池内圧の上昇により変形する導電板６８、および正極集電板２１から構成される。正極端子６１、第１の絶縁体６４、第２の絶縁体６５、ガスケット６６、正極接続電極６７は、正極端子６１の電池内側端面部で一体的にかしめ固定され、電池蓋３に取り付けられている。そして、正極集電板２１は、第２の絶縁体６５に一体的に固定されている。

　正極端子６１は、電池蓋３の外側である上面に沿って配置される板状の本体部６１ａと、本体部６１ａを貫通して正極端子ボルト６３を挿通支持するボルト挿通孔６１ｂと、電池蓋３の開口部３ａに挿通されて電池蓋３の内側に突出する軸部６１ｃを有しており、軸部６１ｃには、その中心に沿って軸方向に貫通する貫通孔６１ｄが設けられている。

　正極端子ボルト６３は、正極端子６１のボルト挿通孔６１ｂに挿通される軸部６３ａと、本体部６１ａと第１の絶縁体６４との間に介在されて支持されるヘッド部（底平坦部）６３ｂとを有している。

　第１の絶縁体６４は、正極端子６１と電池蓋３の上面との間に介在される絶縁性の板状部材からなり、電池蓋３の開口部３ａに連通して正極端子６１の軸部６１ｃを挿通するための開口部６４ａ（図５を参照）を有している。ガスケット６６は、電池蓋３の開口部３ａに挿入されて正極端子６１の軸部６１ｃと電池蓋３との間を絶縁しかつシールする。

　正極接続電極６７は、電池蓋３の内側に配置される導電性の平板部材からなり、その中心位置には、電池蓋３の開口部３ａに連通して正極端子６１の軸部６１ｃを挿通するための開口部６７ａが設けられている。正極接続電極６７は、電池蓋３との間に第２の絶縁体６５を介在させた状態で電池蓋３の下面に沿って配置されており、平面状の下面（平面部）６７ｂに開口部６７ａが開口し、その開口部６７ａから突出する正極端子６１の軸部６１ｃの先端を径方向外側に拡げてかしめることにより、正極端子６１に電気的に接続され且つ電池蓋３から絶縁された状態で電池蓋３に一体に固定されている。正極接続電極６７の下面６７ｂには、正極端子６１の軸部６１ｃのかしめ部６１ｅが突出しており、電池外側に連通する貫通孔６１ｄが電池内側に向かって開口している。

　第２の絶縁体６５は、電池蓋３の下面に沿って配置される絶縁性の板状部材からなり、電池蓋３と正極接続電極６７との間、及び、電池蓋３と正極集電板２１との間に介在されて、これらの間を絶縁する。第２の絶縁体６５は、所定の板厚を有しており、電池蓋３の開口部３ａに連通して正極端子６１の軸部６１ｃが挿通される貫通孔６５ａが設けられている。第２の絶縁体６５は、かしめ部６１ｅによって、正極接続電極６７と共に電池蓋３に一体にかしめ固定されている。

　そして、第２の絶縁体６５には、貫通孔６５ａに連通しかつ正極接続電極６７と導電板６８が収容される凹部６５ｂが設けられている。凹部６５ｂは、第２の絶縁体６５の下面に凹設されており、電池内側の他の空間部分と連通している。

　導電板６８は、軸方向に移行するにしたがって漸次縮径するドーム状のダイアフラム部６８ａと、ダイアフラム部６８ａの外形周縁部から径方向外側に向かって拡がるリング状のフランジ部６８ｂとを有している。そして、ダイアフラム部６８ａが正極接続電極６７の下面６７ｂに開口する貫通孔６５ａの開口端に対向してこれを覆い、フランジ部６８ｂが正極接続電極６７の下面６７ｂに接合されて密閉封止し、貫通孔６１ｄによって連通されている電池外側の空間と電池内側の空間との間を区画している。

　ダイアフラム部６８ａは、電池容器２の内圧が予め設定された上限値よりも上昇した場合に、電池容器２の外部との圧力差により、その突出高さが低くなる方向に変形して、正極集電板２１の脆弱部２５を破断させ、導電板６８との接合部２４を正極集電板２１の基部２２から分離して、電流経路を遮断する（例えば、図７を参照）。

　ダイアフラム部６８ａは、軸方向に沿って正極接続電極６７の下面６７ｂから離反する方向に移行するにしたがって漸次縮径し、軸方向の少なくとも一部に断面が凸状の円弧形状となる湾曲面部を有しており、本実施の形態では、断面が半楕円形状となる半球面形状を有している。

　ダイアフラム部６８ａの外形周縁部には、正極接続電極６７の下面６７ｂに接合するためのフランジ部６８ｂが設けられている。フランジ部６８ｂは、径方向外側に向かって一平面上に沿って拡がり、全周に亘って一定幅で連続し、正極接続電極６７の下面に接面するリング形状を有しており、レーザー溶接により正極接続電極６７の下面６７ｂに全周に亘って連続して接合されて密閉封止されている。

　ダイアフラム部６８ａは、電池容器２の内圧が予め設定された上限値よりも上昇した場合に、電池容器２の外部との圧力差により、その高さが低くなる方向に変形し、正極集電板２１の脆弱部２５を破断させ、内圧が低下した後も塑性変形により接合部２４を正極集電板２１から分離した位置に保持するように、材料、板厚、断面形状等が設定されている。ダイアフラム部６８ａの頂部である中央部６８ｃは、レーザー溶接によって正極集電板２１の接合部２４に接合されている。中央部６８ｃの接合は、レーザー溶接の他、抵抗溶接、超音波溶接によって行ってもよい。

　正極集電板２１は、第２の絶縁体６５に取り付けられて固定されている。正極集電板２１は、図５に示すように、電池蓋３の下面に対向して平行に延在する平板状の基部（上面平面部）２２を有しており、複数の支持穴２２ｂが互いに所定間隔をおいて配置されるように貫通して形成されている。基部２２には、一対の長辺に沿って電池蓋３から離反する方向に折り曲げて形成された一対のエッジ２２ａが設けられており、平面形状を保つように剛性の向上が図られている。正極集電板２１の一対の接合片２３は、各エッジ２２ａに連続して突出するように設けられている。

　正極集電板２１は、第２の絶縁体６５の下面に突設された複数の凸部６５ｃを基部２２の各支持穴２２ｂに挿入して、凸部６５ｃの先端を熱溶着することにより、第２の絶縁体６５に接合されて一体に固定される。

　正極集電板２１には、導電板６８の中央部６８ｃに接合される接合部２４が設けられている。接合部２４は、基部２２の一部を薄肉化した薄肉部によって構成されている。脆弱部２５は、接合部２４の周囲を囲むように薄肉部に溝部を設けることによって構成されており、電池内圧が上昇したときに電池外方向に変形する導電板６８によって溝部で断絶されて、基部２２から接合部２４を分離できるようになっている。

　脆弱部２５は、電池容器２の内圧の上昇による導電板６８の変形に伴い、電池蓋３側に引っ張る方向の力が作用した際に破断する一方、走行中の振動などの通常の使用環境下では破断しない強度となるように、その寸法形状等が設定されている。導電板６８の中央部６８ｃと正極集電板２１の接合部２４との接合は、レーザー溶接により行われるが、その他に、抵抗溶接、超音波溶接なども可能である。

　上記構成を有する電流遮断機構は、電池容器２の内圧が予め設定された上限値よりも上昇した場合に、電池容器２の外部との圧力差により、突出高さが低くなる方向に導電板６８が変形する。そして、正極集電板２１の脆弱部２５で囲まれた接合部２４を基部２２に直交する方向に引っ張り、正極集電板２１の脆弱部２５を破断させ、導電板６８との接合部２４を正極集電板２１の基部２２から分離して、正極端子６１と正極集電板２１との間の電流経路を遮断する。

　次に、上記構成を有する正極側端子構成部６０を作製する方法について説明する。

（１）かしめ
　まず、電池蓋３の電池外側にて、第１の絶縁体６４とガスケット６６を電池蓋３の開口部３ａに位置合わせして配置する。そして、正極端子ボルト６３のヘッド部６３ｂを第１の絶縁体６４に設けられた凹部６４ｂに挿入し、正極端子６１の軸部６１ｃを第１の絶縁体６４上で開口部６４ａに挿入すると共に、正極端子６１のボルト挿通孔６１ｂに正極端子ボルト６３の軸部６３ａを挿入する。

　そして、電池蓋３の電池内側にて、電池蓋３と正極接続電極６７との間に第２の絶縁体６５が介在されるように重ね合わせて、第２の絶縁体６５の貫通孔６５ａと正極接続電極６７の開口部６７ａが同心円上に配置されるように、第２の絶縁体６５と正極接続電極６７を配置する。

　そして、正極端子６１を電池蓋３の電池外側から接近させて第１の絶縁体６４の上に正極端子６１の本体部６１ａを重ね合わせ、かつ、正極端子６１の軸部６１ｃを電池蓋３の外側から順番に、第１の絶縁体６４の開口部６４ａ、ガスケット６６、電池蓋３の開口部３ａ、第２の絶縁体６５の貫通孔６５ａ、正極接続電極６７の開口部６７ａに挿通してから、軸部６１ｃの先端をかしめる。

　かしめ加工において、かしめパンチの外径は、かしめ部６１ｅの外径よりもひとまわり大きくなる。正極接続電極６７の下面６７ｂにリブや凸部などの突起物があると、干渉してかしめができないので、かしめパンチの外径をその分小さくする必要がある。かしめ部６１ｅの外径を小さくすると、かしめされた面積が少なくなり、かしめ強度が低くなる可能性がある。

　本実施形態のリチウムイオン二次電池１における正極接続電極６７は平板部材からなり、その下面６７ｂは、平坦であり、リブや凸部などの突起物がない。したがって、その分だけ、かしめ外径もより大きく確保することができ、より高いかしめ強度を得ることができ、有利である。また、正極端子６１の軸部６１ｃの先端をかしめて正極接続電極６７を電池蓋３に固定する際に、正極接続電極６７が平板状であるので、正極接続電極６７の大きさに影響を受けることなく、かしめパンチの外径を設定することができる。

（２）正極接続電極６７と導電板６８との接合
　正極接続電極６７の下面６７ｂに、導電板６８のフランジ部６８ｂを接面させて、レーザー溶接により互いに接合し、密閉封止する。

　導電板６８は、正極端子６１のかしめ部６１ｅを避けるようにドーム形状をしており、より少ないスペースで導電板６８の表面積を、より大きく確保できるようになっている。したがって、電池容器２の内圧が上昇したときに、導電板６８が変形しやすくなり、より低圧にて確実な電流遮断が可能になる。

（３）正極集電板２１と第２の絶縁体６５、導電板６８との接合
　正極集電板２１は、基部２２に数箇所の支持穴２２ｂが設けられており、第２の絶縁体６５の下面である電池内側平面部でかつ支持穴２２ｂに対向する位置には、支持穴２２ｂに挿通される凸部６５ｃが設けられている。この凸部６５ｃを支持穴２２ｂに挿入して凸部６５ｃの先端を熱溶着することにより、正極集電板２１を第２の絶縁体６５に接合する。

　正極集電板２１は、電池蓋３と、かしめによって強固に固定された第２の絶縁体６５に対して熱溶着によって接合されるので、正極集電板２１に加わる外部からの振動や衝撃に対して、基部２２の脆弱部２５や接合部２４への悪影響を抑えることが可能である。

　なお、正極集電板２１と第２の絶縁体６５の固定に関しては、加工工程が容易であることから熱溶着の場合を例に述べたが、さらに強固な接合が必要である場合は、熱溶着の代わりに、あるいは熱溶着と併せて、ネジやリベット、接着剤の少なくともいずれか一つを使用することも可能である。

　そして、正極集電板２１の接合部２４を導電板６８の中央部６８ｃに接合する。正極集電板２１の接合部２４は、導電板６８の中央部６８ｃに溶接によって接合される。この導電板６８の中央部６８ｃと正極集電板２１の接合部２４との接合は、レーザー溶接の他に、抵抗溶接、超音波溶接なども可能である。正極側端子構成部６０は、上記した（１）、（２）、（３）の工程を経て作製される。

　正極側端子構成部６０は、正極集電板２１、導電板６８、正極接続電極６７、正極端子６１、および正極端子ボルト６３は、電気的に接続されているが、第１の絶縁体６４、ガスケット６６、および第２の絶縁体６５により、電池蓋３とは絶縁されている。

　本実施形態では、正極集電板２１、導電板６８、正極接続電極６７は、アルミニウム、またはアルミニウム合金により形成されている。リチウムイオン二次電池１は、正極側がアルミニウム合金により構成され、負極側が銅合金により構成されている場合、アルミニウム合金の方が銅合金よりも変形し易く、破断も容易である。したがって、本実施形態では、正極側に電流遮断機構を設けている。

　リチウムイオン二次電池１を組み立てるには、上記方法により作製された正極側端子構成部６０を有する蓋組立体を組み立てた後に、正極集電板２１、負極集電板３１に、捲回電極群４０を接合し、発電要素組立体５を組み立てる。

　そして、捲回電極群４０の周りを、正極集電板２１、負極集電板３１ごと、絶縁シート（図示せず）で覆って電池缶４に挿入し、電池缶４の開口部４ａを電池蓋３で閉塞して、レーザー溶接によって電池蓋３を電池缶４に接合して封止する。そして、注液口１２から電池容器２内に電解液を注液し、注液口１２を注液栓１１で閉塞してレーザー溶接により電池蓋３に接合して封止する。上記した組立作業により組み立てられたリチウムイオン二次電池１は、正極端子６１と正極端子ボルト６３、および負極端子７１と負極端子ボルト７３によって接続された外部電子機器に対して、充放電が可能となる。

　本実施形態におけるリチウムイオン二次電池１は、次の様な作用効果を奏することができる。

　電流遮断機構は、捲回電極群４０と正極端子６１（外部端子）との間の電流経路に介在されていることで、例えば過充電などの不測の事態に電流遮断機構の脆弱部が破断することによって、大きく安全性を保つことができるが、脆弱部や溶接接合した部分が外部からの振動や衝撃により破断などの密閉性を損ねてしまい、誤動作や品質劣化を起こす可能性もある。

　これに対して、本実施形態のリチウムイオン二次電池１は、平板部材からなる正極接続電極６７と、ドーム状のダイアフラム部６８を有する導電板６８とを有しており、正極接続電極６７の下面６７ｂに導電板６８のフランジ部６８ｂが接面した状態で溶接して、正極接続電極６７と導電板６８との間を密閉封止する構造を有している。

　したがって、従来と比較して、密閉部品である正極接続電極６７と導電板６８の部品形状を簡略化することができ、正極接続電極６７の下面６７ｂの平面性を利用して、導電板６８との間の溶接性を安定させることができる。

　そして、導電板６８のダイアフラム部６８ａがドーム形状を有しているので、平板状のものと比較して、電池内圧上昇によってより広い面積で圧力を受けることができ、限られたスペースの中で導電板６８を変形させて脆弱部２５を破断させるだけの応力を容易に得ることができる。したがって、同じ破断圧力の設定でも脆弱部２５の剛性を比較的強くすることができ、振動や衝撃によって脆弱部２５が破断するのを防ぐとともに、内圧が上昇した際には確実に安定して電流経路を遮断することができる。

　また、リチウムイオン二次電池１は、正極集電板２１を第２の絶縁体６５に固定する構造を有しているので、接合部２４と脆弱部２５に対して振動や衝撃が加えられるのを抑制することができる。特に、電池蓋３に強固にかしめ固定された第２の絶縁体６５に正極集電板２１を熱溶着などにより接合しているので、正極集電板２１にかかる外部からの振動や衝撃が接合部２４や脆弱部２５に伝わるのを抑制して、意図しない状況での接合部２４の剥離や脆弱部２５の破断の発生を防止することができる。したがって、振動、衝撃に対して剛性を高めた電流遮断機構を持ったリチウムイオン二次電池１を得ることができる。

　なお、本実施形態では、正極側端子構成部６０に、電流遮断機構を設けた場合について述べてきたが、同様に負極側端子構成部７０に電流遮断機構を設けることも可能である。

［第２実施形態］
　次に、第２実施形態について、図８を用いて説明する。

　図８は、第２実施形態における電流遮断機構の部分断面図を示す図である。なお、上記した第１実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

　本実施形態において特徴的なことは、正極接続電極６７の導電板６８を接合する下面６７ｂの外周部に、導電板６８のフランジ部６８ｂが嵌入して固定される円周状のリブ６７ｃを設けたことである。

　リブ６７ｃは、導電板６８のフランジ部６８ｂの径方向外側位置にてフランジ部６８ｂの外端面に全周に亘って対向して設けられている。そして、フランジ部６８ｂと面一になる高さを有している。そして、フランジ部６８ｂの外端面とそれに対向するリブ６７ｃの対向面との境目がレーザー溶接により接合されて、正極接続電極６７と導電板６８との間が密閉封止される。

　上記構成によれば、レーザー溶接する際に、導電板６８がリブ６７ｃによって嵌入固定され、その位置決めが容易になると共に、導電板６８のフランジ部６８ｂと正極接続電極６７の溶接部分の段差がなくなることで溶接エネルギーもより低く抑えることができ、正極接続電極６７と導電板６８の境目をレーザー溶接するにあたり、より溶接品質が安定される。

［第３実施形態］
　次に、第３実施形態について、図９を用いて説明する。

　図９は、第３実施形態における電流遮断機構の部分断面図を示す図である。なお、上記した各実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

　本実施形態において特徴的なことは、正極接続電極６７の導電板６８を接合する下面６７ｂに、導電板６８のフランジ部６８ｂが嵌入して固定される環状の凹溝６７ｄを設けたことである。

　凹溝６７ｄは、フランジ部６８ｂを嵌入することによってフランジ部６８ｂの外端面が凹溝６７ｄの外周側縦壁面に対向し、フランジ部６８ｂが下面６７ｂと面一の高さとなる深さの溝形状を有している。そして、凹溝６７ｄの外周側縦壁面と、それに対向するフランジ部６８ｂの外端面との境目がレーザー溶接により接合されて、正極接続電極６７と導電板６８との間が密閉封止される。

　上記構成によれば、第２実施形態と同様に、レーザー溶接する際に、フランジ部６８ｂが凹溝６７ｄに嵌入固定され、導電板６８の位置決めが容易になると共に、導電板６８のフランジ部６８ｂと正極接続電極６７の溶接部分の段差がなくなることで溶接エネルギーもより低く抑えることができ、正極接続電極６７と導電板６８の境目をレーザー溶接するにあたり、より溶接品質が安定される。そして、第１実施形態と同様に、正極接続電極６７の下面６７ｂにリブや凸部などの突起物が存在しないことから、かしめ時のかしめパンチの外径をより大きく設定することができる。したがって、かしめ強度をより高くすることができる。

［第４実施形態］
　次に、第４実施形態について、図１０を用いて説明する。

　図１０は、第４実施形態における電流遮断機構の部分断面図を示す図である。なお、上記した各実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

　本実施形態において特徴的なことは、導電板６８のドーム状のダイアフラム部６８ａを、軸方向に沿って正極接続電極６７から離反する方向に移行するにしたがって漸次縮径する形状であって、断面が直線形状となる平滑面部と、断面が円弧形状となる湾曲面部とを軸方向に並べて組み合わせた立体形状としたことである。

　上述の第１～第３実施形態では、ダイアフラム部６８ａが、断面が半楕円形状となる半球面形状を有している場合を例に説明した。

　本実施形態における導電板６８のダイアフラム部６８ａは、正極接続電極６７の下面６７ｂから離反する方向に移行するにしたがって漸次縮径し、断面が直線形状となる平滑面部と、断面が凸状の円弧形状となる湾曲面部とを軸方向に並べて組み合わせた立体形状を有している。

　本実施の形態では、正極接続電極６７に接近する側に、フランジ部６８ｂに連続する平滑面部６８ｄを有し、正極接続電極６７から離反する側に、湾曲面部６８ｅを有している。そして、平滑面部と湾曲面部との間の境界部分には、断面円弧状に屈折した屈折部６８ｈ（部分的に湾曲と平滑な面の組み合わせになった境）が設けられている。

　上記構成によれば、正極端子６１のかしめ部６１ｅの凸高さの形状が大きい場合に、導電板６８の正極接続電極６７に接合した位置から中心方向に部分的に平滑面部６８ｄを設けて、屈折部６８ｈから中心方向に湾曲面部６８ｅを設けた構成とすることによって、かしめ部６１ｅからの逃げを作り、ダイアフラム部６８ａのかしめ部６１ｅへの干渉を防ぐことができる。そして、同時に、電池内圧の上昇により、ダイアフラム部６８ａをその高さが低くなる方向である電池外側方向に効率的に変形させることができ、低圧での破断をより安定して作動させることが可能になる。また、かしめ部６１ｅの凸高さの形状によっては、これとは逆に、導電板６８の正極接続電極６７に接合した位置から中心方向に部分的に湾曲面部を設けて、屈折部６８ｈから中心方向に平滑面部を設けた構成としてもよい。

　なお、上記した実施形態では、導電板６８のダイアフラム部６８ａの形状について、単一の湾曲面部と単一の平滑面部とを組み合わせた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば湾曲面部と平滑面部のいずれか一方を複数設けてもよく、また、互いに曲率が異なる複数の湾曲面部の組み合わせや、互いに傾斜角度が異なる複数の平滑面部の組み合わせとしてもよい。

　また、図１０における導電板６８のフランジ部６８ｂに接合する部分の正極接続電極６７の構成に関しては、第３実施形態に示した凹溝（図９を参照）６７ｄの場合を例に示しているが、これに代えて、第１実施形態、第２実施形態で説明した構成（平坦面、リブ）を有するものを適用することも可能である。

［第５実施形態］
　次に、第５実施形態について、図１１を用いて説明する。

　図１１は、第５実施形態における電流遮断機構の部分断面図を示す図である。なお、上記した各実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

　本実施形態において特徴的なことは、導電板６８のドーム状のダイアフラム部６８ａを、軸方向に沿って正極接続電極６７から離反する方向に移行するにしたがって漸次縮径する第１傾斜面部６８ｆと、第１傾斜面部６８ｆから正極接続電極６７に接近する方向に移行するにしたがって漸次縮径する第２傾斜面部６８ｇとを組み合わせた断面が略Ｗ字の形状となる立体形状としたことである。そして、第１傾斜面部６８ｆと第２傾斜面部６８ｇとの間の境界部分には、断面円弧状に屈折した屈折部６８ｈが設けられている。

　第１傾斜面部６８ｆと第２傾斜面部６８ｇは、いずれも断面が直線形状となる平滑面形状を有しているが、いずれか一方もしくは両方を、断面が円弧形状を有する湾曲面形状を有するものにしてもよく、例えば、第１傾斜面部６８ｆは、断面が凸状（電池内側に向かって凸となる）の円弧形状となる湾曲面形状を有し、第２傾斜面部６８ｇは、断面が凹状（電池外側に向かって凸となる）の円弧形状となる湾曲面形状を有するものとしてもよい。

　上記構成によれば、電池の異常による内圧上昇が発生した場合、第１傾斜面部６８ｆには、径方向中心側に向かって押し込まれる方向の力が作用し、第２傾斜面部６８ｇには、中央部６８ｃを電池外側（図中に太矢印で示す方向）に押し上げる方向、すなわち、正極接続電極６７に接近移動させる方向の力が作用する。したがって、導電板６８を効率的に変形させることができ、低圧での破断をより安定して作動させることが可能になる。

　また、図１１における導電板６８のフランジ部６８ｂに接合する部分の正極接続電極６７の構成に関しては、第３実施形態に示した凹溝（図９を参照）６７ｄの場合を例に示しているが、これに代えて、第１実施形態、第２実施形態で説明した構成（平坦面、リブ）を有するものを適用することも可能である。

　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　１　リチウムイオン二次電池（角形二次電池）
　２　電池容器
　３　電池蓋
　４　電池缶
２１　正極集電板
２４　接合部
２５　脆弱部
３１　負極集電板
４０　電極群
６０　正極側端子構成部
６１　正極端子（外部端子）
６１ｄ　貫通孔
６４　第１の絶縁体
６５　第２の絶縁体
６６　ガスケット
６７　正極接続電極
６７ｂ　下面（平面部）
６７ｃ　リブ
６７ｄ　凹溝
６８　導電板
６８ａ　ダイアフラム部
６８ｂ　フランジ部
６８ｃ　中央部
６８ｄ　平滑面部
６８ｅ　湾曲面部
６８ｈ　屈折部
６８ｆ　第１傾斜面部
６８ｇ　第２傾斜面部

Claims

　扁平状の電極群と、該電極群を収容する電池缶と、該電池缶の開口部を閉塞する電池蓋と、該電池蓋に設けられる外部端子と、該外部端子と前記電極群との間を電気的に接続する電流経路の途中に介在されて電池内圧の上昇により前記電流経路を遮断する電流遮断機構と、を有する角形二次電池であって、
　前記電流遮断機構は、
　前記電池蓋の内側に配置されて前記外部端子に電気的に接続される接続電極と、該接続電極に接合されて電池内圧の上昇により変形する導電板を有し、
　前記接続電極は、電池外側に連通する貫通孔が平面部に開口する平板部材からなり、
　前記導電板は、軸方向に移行するにしたがって漸次縮径するドーム状のダイアフラム部と、該ダイアフラム部の外形周縁部から径方向外側に向かって拡がるリング状のフランジ部とを有し、前記ダイアフラム部が前記接続電極の前記貫通孔を覆い、前記フランジ部が前記接続電極の平面部に接合されていることを特徴とする角形二次電池。
　前記接続電極の平面部には、前記フランジ部が嵌入される環状の凹溝が設けられており、該凹溝の外側縦壁面と前記フランジ部の外端面との境目が溶接により接合されて密閉封止されていることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
　前記接続電極の平面部には、前記フランジ部の外端面に全周に亘って対向するリブが設けられており、該リブの対向面と前記フランジ部との間が溶接により接合されて密閉封止されていることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
　前記ダイアフラム部は、前記軸方向の少なくとも一部に断面が凸状の円弧形状となる湾曲面部を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の角形二次電池。
　前記ダイアフラム部は、前記軸方向の少なくとも一部に断面が直線形状となる平滑面部を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の角形二次電池。
　前記ダイアフラム部は、断面が凸状の円弧形状となる湾曲面部と、断面が直線形状となる平滑面部とを前記軸方向に並べて組み合わせた立体形状を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の角形二次電池。
　前記湾曲面部と前記平滑面部との間の境界部分には、断面円弧状に屈折した屈折部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の角形二次電池。
　前記ダイアフラム部は、断面が直線形状となりかつ前記軸方向に対する傾斜角が互いに異なる複数の平滑面部を前記軸方向に並べて組み合わせた立体形状を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の角形二次電池。
　前記複数の平滑面部の間の境界部分には、断面円弧状に屈折した屈折部が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の角形二次電池。
　前記ダイアフラム部は、前記軸方向に沿って前記接続電極から離反する方向に移行するにしたがって漸次縮径する第１傾斜面部と、該第１傾斜面部から前記軸方向に沿って前記接続電極に接近する方向に移行するにしたがって漸次縮径する第２傾斜面部とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の角形二次電池。
　前記第１傾斜面部と前記第２傾斜面部との間の境界部分には、断面が凸状の円弧形状を有して屈折した屈折部が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の角形二次電池。
　前記電極群に電気的に接続される集電板を有し、
　該集電板は、前記導電板の前記ダイアフラム部の中央部と接合される接合部と、該接合部の周囲に形成されて前記ダイアフラム部の変形により破断される脆弱部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
　前記電池蓋と前記接続電極との間に介在されて、前記接続電極と共に前記電池蓋に一体にかしめ固定される第２の絶縁体を有し、
　前記集電板は、前記第２の絶縁体に熱溶着、ネジ、リベット、接着剤の少なくともいずれか一つによって接合されて固定されていることを特徴とする請求項１２に記載の角形二次電池。
　前記電極群の正極電極に接続される前記集電板、前記導電板、前記接続電極、前記正極外部端子は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で製作されていることを特徴とする請求項１２に記載の角形二次電池。