JP4859374B2

JP4859374B2 - 密閉型電池

Info

Publication number: JP4859374B2
Application number: JP2005054380A
Authority: JP
Inventors: 聡司吉田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: JP2006244722A

Description

本発明は、電池外装缶に形成された薄肉の弁体が、電池内圧上昇時に破砕されて開口を形成することにより電池内のガスを排出する安全機構付き密閉型電池に関する。

近年、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の小型・軽量化が急速に進展しており、その駆動電源としての電池にはさらなる高容量化、高エネルギー密度化が要求されている。リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるので、移動情報端末の駆動電源として広く利用されており、移動情報端末用の駆動電源としては器機内部に実装しやすいことから、角型電池が広く使用されている。

ところで非水電解質二次電池は、高温にさらされた場合や、適正でない充放電が行われた場合には、電極と電解液とが反応することにより電解液が分解しガスを発生するため、電池内圧が上昇する。電池内圧の上昇が進行すると、電池を破裂させる危険性があるため、電池が破裂に至る前に電池内のガスを速やかに電池外に放出させる必要がある。

電池内のガスを速やかに電池外に放出させる技術としては、下記特許文献１〜３が提案されている。

特開２０００−１００４００号公報（要約書）特開２００１−１０２０２４号公報（要約書）特開２００３−１８７７７４号公報（要約書）

特許文献１は、環状薄肉部をガスケット軸部に対して、電池内部側に鋭角に形成する技術であり、この技術によると、電池内圧上昇時のガスケット破断力を低下させ、防爆機構作動時のガス排出の勢いを抑制し、電解液の外部への飛散を抑制できるとされる。

しかし、この技術によっても、防爆機構の作動圧を低くすることができない。

特許文献２は、安全弁部の連結部と突出部を蓋体の板厚の厚み内に位置させる技術であり、この技術によると、外力によって連結部が破断することを防止できるとされる。

しかし、この技術では、安全弁に力を集中させることができないので、低い作動圧で確実に安全弁を作動させることができない。

特許文献３は、薄肉の弁体に弁体を開放する環状の破砕溝と、この破砕溝の内方側領域にその一端が破砕溝に連結された破砕補助溝を形成する技術であり、この技術によると、電池ごとの作動圧力差を小さくでき、安全弁作動時に十分な開放面積を確保できる一方、無用に弁体が作動して電解液が漏れることを抑制できる。

しかし、この技術によっても、未だ安全弁の作動圧が高くなることがあり、この点において更なる改良が求められている。

本発明者は、以上に鑑み鋭意研究を行ったところ、安全機構の弁作動には、外装缶や封口板の変形が強く関与していることを知った。本発明者は、以上の知見に基づきさらに研究を行い、本発明を完成させた。

本発明は、低い作動圧で的確に作動する、信頼性の高い安全機構を備えた密閉型電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、角型外装缶と、前記角型外装缶の開口部を封口する封口板と、を備え、前記封口板に薄肉の弁体が形成され、前記弁体が、電池内部圧力が所定値以上となったときに破砕して、電池内のガスを電池外に放出する安全機構付き密閉型電池において、前記弁体全体が、一方の封口板長軸方向端部と封口板中央との間に位置し、且つ、前記弁体が、前記封口板の短軸に平行な直線部を有する破砕補助溝と、前記破砕補助溝よりも前記封口板長軸方向端部側に位置し、電池外側に向かって突出したドーム部と、前記ドーム部の周縁に形成された破砕溝と、を備え、前記封口板長軸方向端部から前記破砕補助溝までの直線距離をＬ２、前記封口板長軸方向端部から前記封口板中央までの直線距離をＬ１としたとき、１／５Ｌ１≦Ｌ２≦３／５Ｌ１であり、前記ドーム部の前記封口板長軸方向端部側端部が、前記ドーム部の封口板中央側端部よりも高い位置にあることを特徴とする。

通常、電池内圧が上昇し電池が膨張する際には、図３（ａ）に示すように、封口板が電池内方に突出するように変形する。この変形においては、封口板の中立軸よりも電池外方側では圧縮力が、電池内方側では引張力がそれぞれ作用し、これらの力は中立軸から離れるに従い大きくなる。

ここで、従来の構造の弁体を図６（ｃ）に示すが、封口板に電池外方に突出したドーム部を形成すると、このドーム部は中立軸よりも電池外方に位置するため、ドーム部は強い圧縮力を受ける。この圧縮力が、破砕補助溝の封口板短軸方向に平行な直線部に作用して、図７（ａ）に示すようにこの破砕補助溝を基点に折れ曲がるように変形させる。そして、さらに内部圧力が上昇すると、図７（ｃ）に示すように、折れ曲がりがさらに進行して破砕補助溝と破砕溝との直線距離が最も短い位置付近の破砕溝が開裂する。この位置での開裂を起点として、破砕溝が破壊、開裂して開口を形成し、電池内部のガスが外部に放出される。

本発明の基本構成では、ドーム部が、その封口板長軸方向端部側端部がその封口板中央側端部よりも高い位置にあることを特徴としている。この構成では、図３（ｂ）に示すように、図７（ａ）の構造よりもドーム部が中立軸よりも電池外方に位置するため、圧縮力がより強く作用する。このため、同じ内部圧力における破砕補助溝の折れ曲がりが従来よりも大きくなるので（図３（ｄ）と図７（ｃ）参照）、低い圧力で破砕補助溝と破砕溝との直線距離が最も短くなる位置付近の破砕溝が開裂する。

封口板の変形は、封口板長軸方向端部側の方が、封口板中央側よりも大きくなり、変形が大きいほど作用する圧縮力も大きくなる。図２（ａ）に示す封口板の平面図を参照すると、封口板長軸方向端部から破砕補助溝までの直線距離をＬ２、長軸方向端部から封口板中央までの直線距離をＬ１としたとき、Ｌ２≦３／５Ｌ１であることが好ましい。また、破砕補助溝を封口板長軸方向端部に近づけすぎると、ドーム部の形成が困難となるので、1／５Ｌ１≦Ｌ２とすることが好ましい。

次に、封口板の中央、長軸、短軸について説明すると、中央とは、封口板の面積中心点を意味する。また、封口板の２つの長辺に平行で且つ封口板の中央を通る直線が長軸である。短軸は、前記長軸に直交し且つ封口板の中央を通る直線をいう。

上記基本構成において、前記破砕補助溝の直線部が前記破砕溝の一部を構成する、とすることができる。

この構成であると、破砕補助溝の直線部と破砕溝との交差部付近に圧縮力、折り曲げ力を集中させることができ、より低い圧力で破砕溝を破砕することができ、且つこの開裂に連なって破砕溝が破壊されて大きな開口が形成される。よって一層速やかにガスを放出することができるので、安全性が高まる。

上記構成において、前記破砕補助溝の直線部の終端点でこの終端点に連なる破砕溝の外縁に接線を引いたとき、前記直線部と当該接線との内角が９０°以下である構成とすることができる。

この構成によると、直線部と破砕溝との内角９０°以下の終端点に圧縮力、折り曲げ力を集中させることができ、さらに低い圧力で当該終端点付近の破砕溝を開裂させることができる。

上記基本構成において、前記弁体は、更に、電池外方に突出したドーム部を前記破砕補助溝よりも封口板中央側にも有する構成とすることができる。

上記構成によると、封口板中央側に位置するドーム部もまた、封口板の中立軸よりも電池外方側に位置するため、圧縮力を受けるが、この位置のドームはむしろ圧力の影響を大きく受ける。従って、２つのドーム部の間に位置する破砕補助溝には、端部側は圧縮（ドーム部を押し込む力）、中央側は引張（ドーム部を押し上げる力）とそれぞれ反対方向の力が働き、折り曲げ力を強めるように作用する。このため、より低い圧力で破砕補助溝を開裂させることができる。

上記構成において、前記破砕補助溝の直線部が前記破砕溝の一部を構成しており、かつ前記直線部の終端点でこの終端点に連なる破砕溝の外縁に接線を引いたとき、前記直線部と当該接線との内角が９０°以下である構成とすることができる。

この構成による効果は、上述したとおりである。

本発明によると、低い作動圧で的確に弁を作動させることのできる安全性に優れた密閉型電池を得ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、非水電解質二次電池を例として、図面に基づいて説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

図１は本発明電池を示す図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は側面図、図１（ｃ）は斜視図、図１（ｄ）は部分断面図である。

図１（ｄ）に示すように、本発明の非水電解質二次電池は、有底筒状のアルミニウム合金製の外装缶（側面部の厚み：０．２０ｍｍ）を有しており、この外装缶内には、正極と、負極と、これら両電極を離間するセパレータとから成る偏平渦巻状の電極体が収納されている。また、上記外装缶内には、電解液が注入されている。更に、上記外装缶の開口部にはアルミニウム合金から成る封口板がレーザー溶接されており、これによって電池が封口されている。上記電池の大きさは、縦４８．５ｍｍ、横３３．７ｍｍ、厚み３．４ｍｍである。

上記封口板３は、図２（ａ）、図2（ｂ）に示すように、薄肉の弁体を有し、弁体には電池外方に突出した２つのドーム部と、その周縁に形成された破砕溝とを有している。２つのドーム部の境界部は直線状であり、破砕溝の開裂を起こし易くさせる破砕補助溝が形成されている。そして、図２（ｃ）に示すように、ドーム部は、封口板長軸方向端部側が封口板中央側よりも高い位置にある。また、図２（ｂ）に示す直線部と破砕溝との内角βが９０°である。

上記非水電解質二次電池は、公知の材料、方法を用いて作製することができる。具体的には、正極材料としてはコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属複合酸化物、負極材料としては黒鉛、コークス等の炭素質物、リチウム合金、金属酸化物等、非水溶媒としてはエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート類、γ−ブチロラクトン等のエステル類、１，２−ジメトキシエタン等のエーテル類等、電解質塩としてはＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＰＦ₆等をそれぞれ単独で、あるいは二種以上混合して用いることができる。また本発明は、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池等に利用することもできる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。

〔実施例1〕
電極体、電解液を挿入しないでレーザー溶接により封口したこと以外は、上記実施の形態と同様にして、実施例１に係るセルを５個作製した。

〔比較例１〕
ドーム部に高低差を設けていない封口板を用いたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１に係るセルを５個作製した。封口板の形状、安全弁の形状、ドーム部の形状は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すとおりである。

上記セルの封口板の注液孔から窒素ガスを注入し、安全弁の破砕溝が開裂するときの内部圧力（作動圧）を測定した。なお、参考例として、封口板単体の安全弁部に圧力を加え、同様に安全弁の破砕溝が開裂するときの圧力（作動圧）を測定した。この結果を下記表１に示す。

上記表1において、括弧外は平均値、括弧内はバラツキを示す。

表１から明らかなように、実施例１の作動圧は０．５０ＭＰａ、比較例１は０．６９ＭＰａと、封口板のみの参考例の２．２５ＭＰａよりもはるかに低い圧力で作動すること、実施例１では、比較例１よりも０．１９ＭＰａ低い圧力で作動することがわかる。この理由を、図面を用いて以下に考察する。

通常、電池内圧が上昇し電池が膨張する際には、図３（ａ）に示すように、封口板が電池内方に突出するように変形する。このとき、封口板の中立軸よりも電池外方側では圧縮力が、電池内方側では引張力がそれぞれ作用し、またこれらの力は中立軸から離れるに従い大きくなる。

ここで、比較例１では、封口板に形成されたドーム部は封口板中立軸よりも電池外方に位置するため、ドーム部は強い圧縮力（ドーム部を押し込む力）を受ける。この圧縮力と電池内圧上昇による膨張力（ドーム部を押し上げる力）とが弁体に作用する。ここで作用する力を微視的に見ると、２つのドーム部の境界にある破砕補助溝には、図７（ｂ）に示す力が作用して、破砕補助溝を基点に折れ曲がるように変形する（図７（ｃ）参照）。そして、さらに内部圧力が上昇すると、折れ曲がりがさらに進行して、破砕補助溝と破砕溝の交差部（破砕補助溝の直線部の終端点）付近が開裂する。参考例では、圧縮力が働かず、折れ曲がりによる力が全く作用しないので、比較例１よりも作動圧が大きくなる。

一方、実施例１では、ドーム部がその封口板長軸方向端部側端部が封口板中央側端部よりも高い位置にあることを特徴としており、図３（ｂ）に示すように、比較例１の図７（ａ）の構造よりもドーム部が中立軸よりも電池外方に位置するため、圧縮力がより強く作用する。ここで作用する力を微視的に見ると、２つのドーム部の境界にある破砕補助溝には、図３（ｃ）に示す力が作用する。図７（ｂ）に示す比較例１と比較すると、実施例１のほうが破砕補助溝に作用する折れ曲がり変形力が大きくなる。実施例１では比較例１よりもさらに低い圧力で、図３（ｅ）において丸で囲まれた部分、つまり破砕補助溝と破砕溝の交差部付近が開裂する。

（その他の事項）
なお、上記実施例では、封口板及び外装缶としてアルミニウム合金を用いたが、これに限定するものではなく、純アルミニウム・鉄・ステンレススチール等の公知の材質でも良い。

また、上記実施例では、図２（ｂ）に示すようにドーム部を２つ形成したが、図４（ａ）、（ｂ）に示すようにドーム部の数は１個でもよく、図４（ｃ）に示すように３個以上でもよい。また、図４（ａ）に示すように、破砕溝と破砕補助溝とを独立に形成してもよく、図４（ｂ）に示すように直線部と破砕溝との内角βが９０°より大きくてもよい。また、ドーム部を２以上形成する場合、封口板長軸方向端部側以外のドーム部の周囲の破砕溝は、封口板長軸方向端部側の破砕溝より、残肉厚を大きくしてもよい。

また、上記実施例では、図２（ｃ）に示すように２つのドーム部ともに高低差を設けたが、図５（ａ）に示すように、外側に位置するドーム部のみに高低差を設けてもよく、図5（ｂ）に示す構造であってもよい。

また、図２（ｃ）に示すドーム部の封口板長軸方向端部側端部と封口板中央側端部とを結ぶ線分と封口板表面とのなす角αは、本発明の効果を得るために３°以上であることが好ましい。また、加工上の問題から、αが３０°以下であることが好ましい。

加えて、本発明は、角型外装缶を有する電池に関するものであるが、角型外装缶とは電池の角の部分が曲面になっている形状の外装缶を含むものである。

以上に説明したように、本発明によれば、低い作動圧で確実に安全機構を作動させることができ、これにより電池の安全性を飛躍的に高めることができるという優れた効果を奏する。したがって、産業上の利用可能性は大きい。

図１は、本発明電池を示す図であって、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は封口板の正面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。図２は、本発明に係る封口板の要部拡大図であって、図２（ａ）は封口板の平面図、図２（ｂ）は弁体の部分拡大平面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ’断面図である。図３は、本発明に係る封口板の変形と、ドーム部に作用する力とを示す説明図である。図４は、本発明に係る弁体の変形例を示す部分拡大平面図である。図５は、本発明に係る弁体の変形例を示す断面図である。図６は、本発明に係る封口板の要部拡大図であって、図６（ａ）は封口板の平面図、図６（ｂ）は弁体の部分拡大平面図、図６（ｃ）は図６（ｂ）のＡ−Ａ’断面図である。図７は、比較例に係る封口板の変形と、ドーム部に作用する力とを示す説明図である。

Claims

角型外装缶と、前記角型外装缶の開口部を封口する封口板と、を備え、前記封口板に薄肉の弁体が形成され、前記弁体が、電池内部圧力が所定値以上となったときに破砕して、電池内のガスを電池外に放出する安全機構付き密閉型電池において、
前記弁体全体が、一方の封口板長軸方向端部と封口板中央との間に位置し、且つ、前記弁体が、前記封口板の短軸に平行な直線部を有する破砕補助溝と、前記破砕補助溝よりも前記封口板長軸方向端部側に位置し、電池外側に向かって突出したドーム部と、前記ドーム部の周縁に形成された破砕溝と、を備え、
前記封口板長軸方向端部から前記破砕補助溝までの直線距離をＬ２、前記封口板長軸方向端部から前記封口板中央までの直線距離をＬ１としたとき、１／５Ｌ１≦Ｌ２≦３／５Ｌ１であり、
前記ドーム部の前記封口板長軸方向端部側端部が、前記ドーム部の封口板中央側端部よりも高い位置にあることを特徴とする密閉型電池。
前記破砕補助溝の直線部が前記破砕溝の一部を構成することを特徴とする請求項１記載の密閉型電池。
前記破砕補助溝の直線部の終端点でこの終端点に連なる破砕溝の外縁に接線を引いたとき、前記直線部と当該接線との内角が９０°以下であることを特徴とする請求項２記載の密閉型電池。
前記弁体は、更に、電池外方に突出したドーム部を前記破砕補助溝よりも封口板中央側にも有することを特徴とする請求項1記載の密閉型電池。
前記破砕補助溝の直線部が前記破砕溝の一部を構成しており、かつ前記直線部の終端点でこの終端点に連なる破砕溝の外縁に接線を引いたとき、前記直線部と当該接線との内角が９０°以下であることを特徴とする請求項４記載の密閉型電池。