JP2002008628A - 電極捲回型二次電池 - Google Patents

電極捲回型二次電池

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JP2002008628A JP2000189307A JP2000189307A JP2002008628A JP 2002008628 A JP2002008628 A JP 2002008628A JP 2000189307 A JP2000189307 A JP 2000189307A JP 2000189307 A JP2000189307 A JP 2000189307A JP 2002008628 A JP2002008628 A JP 2002008628A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 体積効率に優れ、かつ過充電等による異常温
度上昇の際の安全性に優れた電極捲回型二次電池を提供
する。 【解決手段】 本発明の電極捲回型二次電池1は、シー
ト状の正極11と、シート状の負極12と、正極11お
よび負極12を積層して捲回する捲回芯14とを備えて
なる電極捲回型二次電池1であって、捲回芯14に配設
され電池1が所定の温度以上になる場合に閉じる温度ス
イッチ15を含み、温度スイッチ15が閉じた場合に正
極11と負極12とを導通させる導通経路50を有する
ことを特徴とする。本発明の電池1は、温度スイッチ1
5を電池容器内部のデッドスペースである捲回芯14に
配設したため、温度スイッチ15を設置するためのスペ
ースを電池容器20の外部または内部に別途設ける必要
が無い。これにより電池1の体積を増加させることな
く、電池1の安全性を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は電極捲回型二次電
池、より詳しくは、安全性に優れた電極捲回型二次電池
に関する。
【従来の技術】今日、リチウム二次電池、ニッケル水素
二次電池等の二次電池は、そのエネルギ密度の高さか
ら、携帯電話、ノートパソコン、ミニディスクプレーヤ
ー等の電子機器等に幅広く使用されている。このような
二次電池の電極は正極、負極が積層して構成され、この
電極の積層方式は、それぞれ複数のシート状の正極およ
び負極を交互に重畳的に積層させる方式と、シート状の
正極および負極を対向させてロール状に捲回する方式と
に大別される。このうち後者の方式により積層した電極
を有する電池は電極捲回型二次電池と呼ばれ、広い電極
面積の電池を簡便に作製できることから比較的容量の大
きい大型電子機器に用いられる。このような二次電池に
おいて、安全性という見地から問題となるのは、過充電
である。過充電とは、電池の充電時において、充電器の
故障やユーザーの誤使用等により、電池が通常充電時に
おいて管理される電圧以上に充電されることである。二
次電池が過充電されると、電池の温度が異常上昇し、電
解液の分解や電池内部でのガス発生等の問題が起き、制
御不能な熱暴走状態に陥るおそれがある。また、過充電
されなくても、何らかの要因で電池の温度が上昇する場
合にも、熱暴走状態に陥るおそれがある。そして充電状
態が高い(高SOC)ほど、熱暴走状態に陥り易い。過
充電時の安全対策を施した二次電池として、特開平11
−40203号公報には、電池容器外部に温度スイッチ
を設け、電池温度が所定の温度に達したときにその温度
スイッチを閉じることにより正極と負極とを短絡させ、
蓄電要素に蓄えられたエネルギを解放し、過充電を防止
する二次電池が紹介されている。
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平1
1−40203号公報に記載の二次電池においては、電
池容器外部に温度スイッチを設置するためのスペースを
新たに設ける必要があるため、必然的に電池が大型化す
るという問題がある。また、電池容器内部に温度スイッ
チを設置する場合でも、別途設置スペースを確保する必
要がある本発明は、過充電等の場合の安全対策を施した
捲回型二次電池における上記問題を解決するためになさ
れたものであり、電池内部のデッドスペース(電池反応
に寄与しないスペース)に異常温度上昇時に閉じる温度
スイッチを配設することにより、体積効率に優れ、かつ
過充電等による異常温度上昇の際の安全性に優れた電極
捲回型二次電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】(1)本発明の電極捲回
型二次電池は、シート状の正極と、シート状の負極と、
該正極および負極を積層して捲回する捲回芯とを備えて
なる電極捲回型二次電池であって、前記捲回芯に配設さ
れ電池が所定の温度以上になる場合に閉じる温度スイッ
チを含み、該温度スイッチが閉じた場合に前記正極と負
極とを導通させる導通経路を有することを特徴とする
(請求項1に対応)。つまり、本発明の電極捲回型二次
電池は、過充電等による異常温度上昇の際に、温度スイ
ッチを閉じ、正極と負極とを導通させることで蓄電要素
に蓄えられたエネルギを解放させる導通経路を有する電
極捲回型二次電池であって、その導通経路に含まれる温
度スイッチを、捲回芯に配設した電極捲回型二次電池で
ある。本発明の電極捲回型二次電池は、温度スイッチを
電池容器内部のデッドスペースである捲回芯に配設した
ため、温度スイッチを設置するためのスペースを電池容
器外部または内部に別途設ける必要が無い。捲回芯は電
池の電池反応には寄与しない空間であるため、捲回芯に
温度スイッチを配設することにより電池の体積増加を伴
わずに、すなわち体積エネルギ密度を損失することなく
電池の安全性を向上させることができる。したがって、
本発明の電極捲回型二次電池は体積効率に優れ、安全性
の高い電極捲回型二次電池となる。また、捲回型電池の
構造上、捲回芯は蓄電要素の中心に位置しているため、
捲回芯に温度スイッチを配設したことで、蓄電要素の異
常温度上昇を正確に探知することができる電極捲回型二
次電池となる。 (2)本発明の電極捲回型二次電池は、前記導通経路
に、該経路に流れる電流を規制する所定の電気抵抗値を
有する態様とすることができる(請求項2に対応)。導
通経路は、異常温度上昇の際に、正極と負極とを導通さ
せ蓄電要素に蓄えられた蓄電エネルギを解放させる役割
を有する。しかし、導通が単なる短絡である場合は、電
気抵抗となるのは蓄電要素の内部抵抗だけである。した
がって、短絡により導通経路に瞬時に大電流が流れる場
合は、却って蓄電要素が過熱するおそれがある。本態様
の電極捲回型二次電池は、導通経路に瞬時に大電流が流
れるのを防止するために、導通経路に所定の電気抵抗値
を有するものである。導通経路が電気抵抗値を有するこ
とで、経路に瞬時に大電流が流れることによる蓄電要素
の発熱を抑制することができる安全性に優れた電極捲回
型二次電池となる。ここで導通経路が所定の抵抗値を有
するためには、導通経路の一部に所定の電気抵抗値を有
する電気抵抗体を介在させたり、導通経路全体の電気抵
抗により所定の電気抵抗値となるように導通経路を設計
したりすればよい。電気抵抗体を介在させる場合は、導
通経路内であれば設置場所、設置個数等は特に限定する
ものではない。また、同じく電気抵抗体を介在させる場
合は、電気抵抗体の長さや断面積を変えることにより、
導通経路の電気抵抗値を調整することができる。なお、
ここで所定の電気抵抗値を有する電気抵抗体、および導
通経路としては、カンタル線(耐熱高抵抗線)、MoS
2等の各種セラミック、チタン合金、クロム合金等が
使用できる。 (3)本発明の電極捲回型二次電池は、前記電気抵抗値
が、定格容量を1時間で放電させる電流値を1Cとする
場合において、前記経路に流れる電流の最大値が3C以
上5C以下となるような電気抵抗値とする態様とするこ
とができる(請求項3に対応)。つまり、本態様の電極
捲回型二次電池は、導通経路が有する電気抵抗値を、経
路に流れる電流の最大値が3C以上5C以下となるよう
な値とし、蓄電要素に蓄えられた蓄電エネルギを安全に
解放する電池である。本発明者の知見によれば、比較的
容量の大きい電池においては、電流の最大値が3C以上
5C以下となるように抵抗値を調整することにより、導
通経路に流れる電流の適正化を図り、蓄電要素の、それ
以上の昇温を効果的に防止することができる。したがっ
て、本態様の電極捲回型二次電池はより安全性に優れた
電池となる。 (4)本発明の電極捲回型二次電池は、前記温度スイッ
チが、正極側につながる正極端子部と、負極側につなが
る負極端子部と、電池の温度に応じて機能する熱感応部
材とを有し、電池が所定の温度以上になると、前記熱感
応部材の機能により前記正極端子部と前記負極端子部と
が短絡して閉じる態様とすることができる(請求項4に
対応)。つまり、本態様の電極捲回型二次電池は、温度
スイッチに熱感応部材を組み込むことにより、蓄電要素
が異常高温となった場合、熱感応性部材の機能、すなわ
ち溶融、変形、膨張等の熱感応部材固有の性状変化によ
り温度スイッチを閉じ、正極と負極とを導通させる電池
である。温度スイッチとしては、例えば温度検知するた
めの温度センサと、そのセンサからの信号を処理し開閉
信号を出力する処理回路と、処理回路からの出力に応じ
導通経路を開閉する開閉器とを含んで構成される温度ス
イッチ等も用いることができるが、溶融による流動、熱
膨張率の差による変形、熱膨張による体積増加等の熱感
応性部材固有の物性を利用した温度スイッチを用いるこ
とで、より小型化が可能で、捲回芯に配設しやすい温度
スイッチを有する電極捲回型二次電池となる。 (5)本発明の電極捲回型二次電池は、前記熱感応部材
が、所定の温度以上になると溶融する熱溶融部材である
態様とすることができる(請求項5に対応)。つまり、
本発明の電極捲回型二次電池は、過充電等により蓄電要
素が発熱し、ある温度となった場合に、その温度を融点
とする熱溶融部材が溶融して正極端子部と負極端子部と
が短絡する温度スイッチを含む電極捲回型二次電池であ
る。熱溶融部材とは、蓄電要素の発熱により、周囲の温
度が融点に達した場合に溶融流動する材料からなる部材
をいう。融点は材料固有の物性であるため、同じ材料か
らなる熱溶融部材の溶融温度は一定である。したがって
同じ熱溶融部材を含む温度スイッチ相互間において、ス
イッチが閉じる温度も一定となり、ばらつきも少ないた
め、本態様の電極捲回型二次電池は、信頼性の高い二次
電池となる。 (6)本発明の電極捲回型二次電池は前記熱溶融部材を
用いた場合の一態様として、熱溶融部材が、導電性を有
し、かつ所定の温度以上になると溶融して前記正極端子
部と前記負極端子部との間に流入し、前記温度スイッチ
は、前記熱溶融部材が溶融流入すると、前記正極端子部
と前記負極端子部とが短絡して閉じる態様とすることが
できる(請求項6に対応)。つまり、本態様の電極捲回
型二次電池は、過充電等により蓄電要素が所定の温度と
なった場合に、その温度を融点とする熱溶融部材が正極
端子部と負極端子部との間に溶融流入し、これら両端子
部間の橋渡しをすることにより導通する温度スイッチを
含む電極捲回型二次電池である。溶融流動し、かつ導電
性を有する熱溶融部材を、両端子部間の橋渡しに利用す
ることにより、本発明の電極捲回型二次電池は、より構
造が単純な温度スイッチを含む電極捲回型二次電池とな
る。なお、導電性を有する熱溶融部材としては、ウッド
メタル、ダルゼー合金、ローズ合金、ニュートン合金、
Sn−Pb−In合金、Sn−Bi合金等の金属等を用
いることができる。 (7)本発明の電極捲回型二次電池は、前記熱溶融部材
を用いた場合のもう一つの態様として、前記熱溶融部材
が、前記正極端子部と前記負極端子部とを離間するよう
に両者の間に介在し、所定の温度以上になると溶融流動
し、前記正極端子部および負極端子部の少なくとも一方
は、互いに接近する方向に移動するように付勢されてお
り、前記温度スイッチは、前記熱溶融部材が溶融流動す
ると、前記正極端子部と前記負極端子部とが接触、短絡
して閉じる態様とすることができる(請求項7に対
応)。つまり、本態様の電極捲回型二次電池は、蓄電要
素が発熱しある温度となった場合は、いわゆるつっかえ
棒として両端子間に介在し、両端子を離間させていた熱
溶融部材が溶融流動し、正極端子部と負極端子部の少な
くとも一方が移動し、正極端子部と負極端子部とが直接
接することにより導通する温度スイッチを含む電極捲回
型二次電池である。本態様の電極捲回型二次電池は、正
極端子部と負極端子部の少なくとも一方が移動するた
め、端子部の移動速度を調整することにより短絡速度を
調整することができる電極捲回型二次電池となる。端子
部の移動速度は、例えば端子部の付勢手段としてばねを
利用している場合は、ばねの材質、単位長さあたりの巻
き数等を変えばねの復元力を変化させることにより調整
することができる。また、本態様の電池の温度スイッチ
は、正極端子部と負極端子部とが直接接して導通するも
のであり、正極端子部と負極端子部とが熱溶融部材を介
して導電するものではない。このため、熱溶融部材は導
電性を有する必要が無く、前述したウッドメタル等の金
属の他、不導体である樹脂等も使用することができる。 (8)本発明の電極捲回型二次電池は、前記熱感応部材
が、温度に応じて変形する熱変形部材であり、前記温度
スイッチは、所定の温度に達すると、変形により前記正
極端子部と前記負極端子部とが導電して閉じる態様とす
ることができる(請求項8に対応)。つまり、本態様の
電極捲回型二次電池は、過充電等により蓄電要素が異常
発熱した場合に、その熱により熱変形部材が変形するこ
とにより正極端子部と負極端子部とが導通する電極捲回
型二次電池である。熱変形部材を熱感応部材として利用
することにより、本態様の電極捲回型二次電池は、より
構造が単純で、また安価な温度スイッチを含む電極捲回
型二次電池となる。ここで、熱変形部材としては、バイ
メタル、トリメタル等のサーモスタットメタル、あるい
は形状記憶合金等を使用することができる。なお、本態
様の二次電池には、熱変形部材が両端子間を橋渡しして
導通する態様の他、熱変形部材の変形が引き金となっ
て、この熱変形部材により係止されていた別の部材が移
動し両端子部が接し導通する態様も含まれる。 (9)本発明の電極捲回型二次電池は、前記熱感応部材
が、温度に応じて膨張する熱膨張部材であり、前記温度
スイッチは、所定の温度に達すると、膨張により前記正
極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じる態様とす
ることができる(請求項9に対応)。つまり、本態様の
電極捲回型二次電池は、蓄電要素が異常発熱した場合
に、熱膨張部材が膨張することによる体積変化を利用し
て両端子部が短絡する電極捲回型二次電池である。熱膨
張部材を熱感応部材として利用することにより、本態様
の電極捲回型二次電池は、より構造が単純な温度スイッ
チを含む電極捲回型二次電池となる。ここで、熱膨張部
材としては、熱膨張係数の比較的高い材料を用いるのが
好ましい。 (10)本発明の電極捲回型二次電池は、前記熱膨張部
材の膨張が、相変態を伴うことを特徴とする態様とする
ことができる(請求項10に対応)。つまり、本態様の
電極捲回型二次電池は、相変態を伴う熱膨張を利用した
温度スイッチを含む電極捲回型二次電池である。固相か
ら液相、液相から気相等の相変態を伴う熱膨張は、相変
態を伴わない熱膨張と比較して体積膨張率が大きいた
め、相変態に伴う熱膨張を利用することにより本態様の
電極捲回型二次電池は、より温度に対する応答性のよい
温度スイッチを含む電極捲回型二次電池となる。なお、
液相から気相への相変態を利用する場合は温度スイッチ
に気密性、耐圧性が必要となるため、比較的扱いやすい
固相から液相への相変態を利用する温度スイッチがより
望ましい。ここで、本実施形態の熱膨張部材としては、
相変態に伴う熱膨張率が大きい材料を用いるのが望まし
く、例えば高位脂肪酸と高級一価アルコールからなる固
形エステル(以下ワックスと称す)等を用いるのが望ま
しい。
【発明の実施の形態】本発明はリチウム二次電池、ニッ
ケル水素二次電池等に実施することができる。中でも特
にリチウム二次電池は電解液に有機溶媒を用いるため安
全性に留意する必要がある。この点から本発明はリチウ
ム二次電池に適用することが望ましい。以下、本発明の
電極捲回型二次電池における導通経路の概念、および本
発明をリチウム二次電池に適用した場合の具体的実施形
態について説明する。 〈導通経路の概念〉本発明の電極捲回型二次電池におけ
る導通経路の概念図を図1に示す。図1に示すように、
電池1の導通経路50は、温度スイッチ15と、温度ス
イッチ15の正極側に設置される電気抵抗体60と、電
気抵抗体60の正極側に設置され正極11と導通する正
極側導通部材51と、温度スイッチ15の負極側に設置
され、負極12と導通する負極側導通部材52とを含
む。通常の充電時においては、電流は充電器2の正極側
から電池の正極11、電池の負極12を経由して充電器
2の負極側へと流れ電気回路を形成している。過充電等
により電池が所定の温度以上になると、温度スイッチ1
5が閉じ、電流は正極11から正極側導通部材51、電
気抵抗体60、温度スイッチ50、負極側導通部材52
を経由して負極12へと流れ導通経路50が通電するこ
とになる。ここで、正極11と正極側導通部材51との
導通は、正極外部端子等の何らかの部材により確保され
ていればよい。また、負極12と負極側導通部材52と
の導通についても同様である。さらにまた、電気抵抗体
60は温度スイッチ15の負極側に設置してもよい。 〈第一実施形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第一実
施形態であるリチウム二次電池の基本構成を図2に、ま
た電池の捲回芯の拡大断面図を図3に、それぞれ示す。
本発明の電極捲回型二次電池の第一の実施形態は、温度
スイッチの熱溶融部材を、導電性を有し、電池が所定の
温度以上になると溶融し、正極端子部と負極端子部との
間に流入する熱溶融部材とし、温度スイッチは、この熱
溶融部材が溶融流入すると、前記正極端子部と前記負極
端子部とが短絡して閉じる電池とする形態である。まず
電池1の基本構成について説明する。図2に示すよう
に、本実施形態の電池1は、蓄電要素10と、蓄電要素
10を電解液とともに密封する電池容器20と、電池容
器20に付設され蓄電要素10に導通する正極外部端子
30および負極外部端子40とから構成されている。蓄
電要素10は、シート状の正極11とシート状の負極1
2とをセパレータ13を挟装し捲回芯14を中心に捲回
したロール状電極体となっている。捲回芯14は絶縁性
を有する樹脂製であり中空円筒状をなしている。正極1
1は、リチウムイオンを吸蔵、離脱できる正極活物質に
導電材および結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペー
スト状の正極合材としたものを、アルミニウム箔等の金
属箔製の集電体表面に塗布乾燥することで正極合材層を
形成させて作製することができる。正極活物質には、基
本組成をLiCoO2、LiNiO2等とするリチウム遷
移金属複合酸化物紛状体を用いることができる。導電材
には、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素
物質粉状体の1種または2種以上を混合したものを用い
ることができる。結着剤には、活物質粒子をつなぎ止め
る役割を果たすもので、ポリテトラフルオロエチレン、
ポリフッ化ビニリデン等の熱可塑性樹脂を用いることが
できる。また、これらの活物質、導電材、結着剤を分散
させる溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン等の
有機溶剤を用いることができる。負極12は、金属リチ
ウム、リチウム合金等により形成されているが、正極同
様リチウムイオンを吸蔵、離脱できる負極活物質に結着
剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極
合材を、銅等の金属箔製の集電体の表面に塗布乾燥させ
ることで負極合材層を形成させて作製することが望まし
い。負極活物質には、黒鉛、フェノール樹脂等の有機化
合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いるこ
とができる。また、正極同様、結着剤にはポリフッ化ビ
ニリデン等の含フッ素樹脂等を、溶剤にはN−メチル−
2−ピロリドン等の有機溶剤をそれぞれ用いることがで
きる。セパレータ13は、正極11と負極12とを分離
し電解液を保持する役割を有する。セパレータ13に
は、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜を
用いることができる。電池容器20は、筒状の電池容器
本体21と、電池容器本体21の両端にそれぞれ接合さ
れた円盤状の正極側蓋部22および負極側蓋部23とか
らなる。正極側蓋部22および負極側蓋部23には、そ
れぞれ電池容器20の内部圧力が所定値を超える場合に
破断する安全弁24が付設されており(正極側蓋部22
には図示していない)、また、負極側蓋部23には、さ
らに電解液注入孔25が設けられ、電解液注入孔25を
封孔する注入孔栓26が螺合して取り付けられている。
この電池容器20は、上記蓄電要素10を外気から遮断
する役割を有し、蓄電要素10と非水電解液とが密閉収
納される。その材質は、例えばアルミニウム合金、ステ
ンレス鋼、樹脂等であり、電池容器が外部端子を兼ねる
場合には、電気化学的腐食に留意して適正なものを選択
すればよい。非水電解液は、電解質としてのリチウム塩
を有機溶媒に溶解させたものである。例えば、リチウム
塩としてはLiBO4、LiPF6、LiCF3SO3
を、有機溶媒としてはエチレンカーボネート、プロピレ
ンカーボネート等を、それぞれ用いることができる。正
極外部端子30は、アルミニウムまたはその合金等から
なり、集電部30aと外部接続部30bとからなる。集
電部30aは捲回芯14と、パッキン224を介して螺
合連結されており、捲回芯14の内部気密性を確保して
いる。また外部接続部30bは、先端を電池外部に突出
する状態で電池容器20の正極側蓋部22に設けられた
正極端子取付穴22aに、ガスケット221を介し、ワ
ッシャ222、ナット223によって付設されており、
電池容器20とは絶縁されている。集電部30aには正
極11より延出する帯状の正極リード11aがその周囲
に接合され、正極外部端子30と蓄電要素10の正極1
1との導通が確保されている。負極外部端子は40は、
銅またはその合金等からなり、集電部40aと外部接続
部40bとからなる。集電部40aは捲回芯14と、パ
ッキン234を介して螺合連結されており、捲回芯14
の内部気密性を確保している。また外部接続部40b
は、先端を電池外部に突出する状態で電池容器20の負
極側蓋部23に設けられた負極端子取付穴23aに、ガ
スケット231を介し、ワッシャ232、ナット233
によって付設されており、電池容器20とは絶縁されて
いる。集電部40aには負極12より延出する帯状の負
極リード12aがその周囲に接合され、負極外部端子4
0と蓄電要素10の負極12との導通が確保されてい
る。次に、本実施の形態の電池の捲回芯の内部構造につ
いて説明する。図3に捲回芯の拡大断面図を示す。図3
に示すように、本実施形態の電池の捲回芯14の内部に
は、図3の左側から順に、鋼製の正極側導通部材51
と、セラミック製の電気抵抗体60と、温度スイッチ1
5と、鋼製の温度スイッチ固定ばね70と、鋼製の負極
側導通部材52とが設置されている。本実施形態におけ
る導通経路50は、正極側から順に、正極11の一部で
ある正極リード11aにつながる正極外部端子30と、
正極側導通部材51と、電気抵抗体60と、温度スイッ
チ15と、温度スイッチ固定ばね70と、負極側導通部
材52と、負極12の一部である負極リード12aにつ
ながる負極外部端子40とからなる。本実施形態におけ
る温度スイッチ15は、途中に径の小さいくびれ状の小
径部151fを設けた同軸円柱状であって、その後端部
151bが電気抵抗体60と接し先端部151aが負極
方向に突出した鋼製の正極端子部151と、これと同様
に途中に径の小さいくびれ状の小径部152fを設けた
同軸円柱状であって、その後端部152bが温度スイッ
チ固定ばね70と接し先端部152aが正極方向に突出
した鋼製の負極端子部152と、円筒状であって、正極
端子部151と負極端子部152とを離間するように両
端子部の間に介在する絶縁体樹脂性の端子間スペーサ1
56と、リング状であって、その内径が前記端子部の小
径部151f、152fの径とほぼ同径であり正極端子
部151と負極端子部152とが導通しないように両端
子部の小径部151fおよび152fにそれぞれはめ込
まれたウッドメタル製の熱溶融部材15aとからなる。
本実施形態においては、電気抵抗体60は、円柱状であ
って正極側導通部材51と正極端子部151との間に設
置されている。また温度スイッチ固定ばね70は負極側
導通部材52と負極端子部152との間に設置されてお
り、温度スイッチ15を固定するとともに、捲回芯14
に配設される部材間の接触を確保している。正極端子部
151と負極端子部152とは離間して設置されている
ので、通常時においては、導通経路50に電流が流れる
ことはない。しかし、過充電等により蓄電要素10が発
熱し、蓄電要素10の温度が熱溶融部材15aを形成す
るウッドメタルの融点に達すると、図4に示すように、
熱溶融部材15aが溶融流動し、溶湯が正極端子部15
1と負極端子部152との間を架橋するようになり、導
通経路50に電流が流れる。本実施形態の電池の温度ス
イッチ15においては、正極端子部151と負極端子部
152の小径部151fおよび152fに、それぞれ分
割して熱溶融部材15aを設置しているので、電池が縦
向き、横向き等どのような向きで使用されていても、熱
溶融部材15aの溶湯は、端子間スペーサ156の内壁
に沿って流動し、正極端子部151と負極端子部152
とを導通させることができる。すなわち本実施形態は、
使用時の電池の向きに関わらず、温度スイッチを正確に
作動させることができる形態である。温度スイッチ15
が作動することにより、導通経路50に電流が流れ、電
池の蓄電要素10のエネルギを解放することができる。
リチウム二次電池の場合、温度スイッチ15の閉じる温
度は、80℃から150℃程度に設定するのが望まし
く、設定温度は熱溶融部材の材質を変えることによって
調整する。例えば、設定温度を100℃とする場合はダ
ルゼー合金等を用いればよく、設定温度を139℃とす
る場合は42重量%Sn−58重量%Bi合金等を用い
ればよい。また、導通経路50の電気抵抗値の調節は、
電気抵抗体60の長さ、径を変えることにより行うこと
ができる。 〈第二実施形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第二実
施形態である電池の内部構造について説明する。なお、
電池の基本構成は図2に示すものと同様である。本発明
の電極捲回型二次電池の第二の実施形態は、温度スイッ
チの熱溶融部材を、正極端子部と負極端子部とを離間す
るように両者の間に介在し、所定の温度以上になると溶
融流動する熱溶融部材とし、正極端子部および負極端子
部の少なくとも一方は、互いに接近する方向に移動する
ように付勢されており、温度スイッチは、熱溶融部材が
溶融流動すると、正極端子部と負極端子部とが導通して
閉じる導通経路を有する電池とする形態である。電池の
捲回芯の拡大断面図を図5に示す。本実施形態における
導通経路50は、正極側から順に、正極11の一部であ
る正極リード11aにつながる正極外部端子30と、正
極側導通部材51と、電気抵抗体60と、温度スイッチ
15と、温度スイッチ固定ばね70と、負極側導通部材
52と、負極12の一部である負極リード12aにつな
がる負極外部端子40とからなる。図5に示すように、
本実施形態の電池の捲回芯14に配設された温度スイッ
チ15は、円板状であって、温度スイッチ固定ばね70
の正極側に設置される鋼製の温度スイッチ固定板150
と、円筒状であって、電気抵抗体60と温度スイッチ固
定板150との間に介在し温度スイッチ固定ばね70の
圧縮力に抗して温度スイッチ15を設置する空間を確保
するために設けられた樹脂製の温度スイッチスペーサ1
53と、径の異なる同軸円柱状であって、後端部152
dが温度スイッチ固定板150と接するように設けられ
先端部152cが正極方向に解放された鋼製の負極端子
部152と、リング状であって、負極端子部152の先
端部152cに嵌合された樹脂製の絶縁部材155と、
径の異なる同軸円柱状であって、先端部151cが負極
方向に解放され負極端子部152の方に移動可能な鋼製
の正極端子部151と、リング状であって、正極端子部
151の先端部151cに嵌合された樹脂製の絶縁部材
155と、円筒状であって、正極端子部151の先端部
151cの絶縁部材155と負極端子部152の先端部
152cの絶縁部材155との間に、両端子部を離間す
るために介在するウッドメタル製の熱溶融部材15a
と、コイル状であって、正極端子部151の後端部15
1dと電気抵抗体60との間に圧縮された状態で設置さ
れた鋼製の端子部移動ばね154とからなる。本実施形
態においては、鋼製の温度スイッチ固定ばね70は、コ
イル状であって負極側導通部材52の正極側に設置され
ており、また、セラミック製の電気抵抗体60は、円柱
状であって正極側導通部材51の負極側に設置されてい
る。正極端子部151と負極端子部152とは離間して
設置されているので、通常時においては、導通経路50
に電流が流れることはない。しかし、過充電等により蓄
電要素10が発熱し、蓄電要素10の温度が熱溶融部材
15aを形成するウッドメタルの融点に達すると、図6
に示すように、熱溶融部材15aが溶融流動する。熱溶
融部材15aが溶融流動すると、正極端子部151が圧
縮状態の端子部移動ばね154の復元力により負極端子
部152の方向に移動し、正極端子部151と負極端子
部152とが接する。これにより、正極端子部151と
負極端子部152とが導通し、導通経路50に電流が流
れる。本実施形態の電池の温度スイッチ15は、圧縮さ
れた端子部移動ばね154の復元力を利用することで、
熱溶融部材15aが溶融軟化してから正極端子部151
と負極端子部152とが接するまでの時間を短縮するこ
とができる。したがって、本実施形態の電池は、蓄電部
が所定の温度に達してからスイッチが閉じるまでのタイ
ムラグを短縮するのに好適な温度スイッチを有する形態
となる。また、端子部移動ばね154の材質や長さ、単
位長さあたりの巻き数等を変えることにより、ばねの復
元力を調整することができる。このため、熱溶融部材1
5aが溶融流動してから正極端子部151と負極端子部
152とが接するまでの時間を制御することができる。
したがって、本実施形態の電池は、蓄電部が所定の温度
以上となってからエネルギを解放するまでの時間を制御
することができる形態となる。また、本実施形態におい
ては、熱溶融部材15aとして導電性のウッドメタルを
使用しており、ウッドメタルを介して両端子間が導通す
るのを防ぐため絶縁部材155を両端子部表面に設置し
たが、絶縁性の熱溶融部材15aを使用する場合は、こ
の絶縁部材155を設置しない実施形態もある。さらに
また、本実施形態の温度スイッチ15においては、正極
端子部151のみが移動するが、負極端子部152、ま
たは正極端子部151および負極端子部152が移動す
る形態もある。 〈第三実施形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第三実
施形態である電池の内部構造について説明する。なお、
電池の基本構成は図2に示すものと同様である。本発明
の電極捲回型二次電池の第三の実施形態は、温度スイッ
チの熱感応部材を、電池が所定の温度以上になると変形
する熱変形部材とし、温度スイッチは、所定の温度に達
すると、変形により正極端子部と負極端子部とが導通し
て閉じる導通経路を有する電池とする形態である。電池
の捲回芯の拡大断面図を図7に示す。本実施形態におけ
る導通経路50は、正極側から順に、正極11の一部で
ある正極リード11aにつながる正極外部端子30と、
正極側導通部材51と、電気抵抗体60と、温度スイッ
チ15と、負極側導通部材52と、負極12の一部であ
る負極リード12aにつながる負極外部端子40とから
なる。図7に示すように、本実施形態の電池の捲回芯1
4に配設された温度スイッチ15は、円柱状であって、
負極側導通部材52の正極側に接合される鋼製の負極端
子部152と、円柱状であって、正極側面に固定部材用
孔151eを有し、負極端子部152の正極側面と離間
して正対し、負極端子部152の方向に移動可能な正極
端子部151と、同軸棒状であって、その一部に刀のつ
ば状の係止部158aを有し、負極側端が正極端子部1
51の固定部材用孔151eに螺合連結された端子部固
定部材158と、電気抵抗体60と端子部固定部材15
8の係止部158aとの間に介在し、圧縮された状態で
保持される端子部移動ばね154と、内周端が端子部固
定部材158の係止部158aと係合し、端子部移動ば
ね154の復元力により正極端子部151が移動しない
ようにこれを係止するバイメタル製ジャンピングディス
クからなる熱変形部材15bと、円筒状であって、熱変
形部材15bの外周端を捲回芯14の内壁面段差部14
aと挟持して固定する樹脂製の固定筒159とからな
る。本実施形態においては、セラミック製の電気抵抗体
60は、円柱状であって正極側導通部材51の負極側に
設置されている。正極端子部151と負極端子部152
とは離間して設置されているので、通常時においては、
導通経路50に電流が流れることはない。しかし、過充
電等により蓄電要素10が発熱し、温度が上昇すると、
熱変形部材15bはディスクが裏返るように徐々に変形
する。蓄電要素10の温度が所定の温度に達すると、図
8に示すように熱変形部材15bの変形により、熱変形
部材15bと端子部固定部材158の係止部158aと
の係合が外れる。これにより正極端子部151は負極端
子部152に向かって移動し、正極端子部151と負極
端子部152とが接することにより、導通経路50に電
流が流れる。本実施形態の電池の温度スイッチ15は、
圧縮された端子部移動ばね154の復元力を利用するた
め、正極端子部151の移動距離、すなわち正極端子部
151と負極端子部152との間隔を広くとることがで
きる。両端子部の間隔が広いと電池1に衝撃が加わった
場合等においても、誤作動により温度スイッチ15が閉
じることがないため、本実施形態の電池は、安全性、信
頼性を確保するのに好適な形態となる。また、端子部移
動ばね154の材質や長さ、単位長さあたりの巻き数を
変えること等により、ばねの復元力を調整することがで
きる。このため、熱変形部材15bの変形により、熱変
形部材15bと端子部固定部材158の係止部158a
との係合が外れてから両端子部が接するまでの時間を制
御することができる。したがって、本実施形態の電池
は、蓄電部が所定の温度以上となってからエネルギを解
放するまでの時間を制御することができる形態となる。
また、本実施形態の電池の温度スイッチにおいては、正
極端子部151のみが移動するが、負極端子部152、
または正極端子部151および負極端子部152が移動
する形態もある。 〈第四実施形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第四の
実施形態は、熱変形部材の変形を利用したもう一つの形
態である。すなわち、図7に示す第三実施形態の電池か
ら、端子部移動ばね154等を省き構造を単純化した形
態である。第四実施形態の電池の内部構造について説明
する。図9に第四実施形態の電池の捲回芯の拡大断面図
を示す。本実施形態における導通経路50は、正極11
の一部である正極リード11aにつながる正極外部端子
および正極側導通部材の役割をも有する正極端子部15
1、熱変形部材15b、負極端子部152からなる温度
スイッチ15と、負極側導通部材の役割をも有し負極1
2の一部である負極リード12aにつながる負極外部端
子40とからなる。図9に示すように、本実施形態の電
池の捲回芯14に配設された温度スイッチ15は、電池
の正極外部端子の役割をも有する鋼製の正極端子部15
1と、板状であって、正極端子部151に一端が接合さ
れ、他端が負極方向に伸びるバイメタル製の熱変形部材
15bと、電池の負極外部端子40に接合された円筒状
の負極端子部152とからなる。正極端子部151と負
極端子部152とは離間して設置されているので、通常
時においては、導通経路50に電流が流れることはな
い。しかし、過充電等により蓄電要素10が発熱し、温
度が上昇すると、熱変形部材15bは徐々に変形してい
く。蓄電要素10の温度が所定の温度に達すると、図1
0に示すように、熱変形部材15bの変形により、熱変
形部材15bと負極端子部152とが接する。これによ
り、正極端子部151と負極端子部152とが導通し、
導通経路50に電流が流れる。本実施形態の電池の温度
スイッチ15は、構造が単純であるため、温度スイッチ
15を軽量化でき、また温度スイッチ15の製造コスト
を低くすることができる。したがって、本実施形態の電
池は、軽量化、低コスト化に好適な形態となる。 〈第五実施形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第五実
施形態である電池の内部構造について説明する。なお、
電池の基本構成は図示しないが、図2において示したも
のと同様である。本発明の電極捲回型二次電池の第五の
実施形態は、温度スイッチの熱感応部材を、温度に応じ
て相変態を伴いながら膨張する熱膨張部材とし、温度ス
イッチは、所定の温度に達すると、膨張により前記正極
端子部と前記負極端子部とが導通して閉じる導通経路を
有する電池とする形態である。本発明の電極捲回型二次
電池の第五実施形態である電池の捲回芯の拡大断面図を
図11に示す。本実施形態における導通経路50は、正
極側から順に、正極11の一部である正極リード11a
につながる正極外部端子30と、正極側導通部材51
と、温度スイッチ15と、温度スイッチ固定ばね70
と、負極側導通部材52と、負極12の一部である負極
リード12aにつながる負極外部端子40とからなる。
図11に示すように、本実施形態の電池の捲回芯14に
配設された温度スイッチ15は、正極方向に開口端を有
するシリンダ状であって、負極側の面が温度スイッチ固
定ばね70に接合された鋼製のシリンダ部材157と、
円柱状であって、シリンダ部材157の内部に設置され
るワックス製の熱膨張部材15cと、大小二つの径から
なる同軸円柱ピストン状であって、径の大きい後端部1
52fがシリンダ部材157の内部に熱膨張部材15c
を密封し、径の小さい先端部152eがシリンダ部材1
57の開口端から突出した状態で設置され、正極側に移
動可能な鋼製の負極端子部152と、円柱状であって負
極端子部152と正対し、正極側導通部材51の負極側
に設置され電気抵抗を有するセラミック製の正極端子部
151と、円筒状であって、シリンダ部材157の開口
端と正極端子部151との間に介在し、正極端子部15
1と負極端子部152とを離間する鋼製の端子間スペー
サ156と、シリンダ部材157の内部に設置され、シ
リンダ部材157の開口端内壁面と後端部152fとの
間に介在する端子部固定ばね154aとからなる。本実
施形態においては、温度スイッチ固定ばね70は負極側
導通部材52とシリンダ部材157との間に設置されて
いる。正極端子部151と負極端子部152とは離間し
て設置されているので、通常時においては、導通経路5
0に電流が流れることはない。しかし、過充電等により
蓄電要素10が発熱し、温度が熱膨張部材15cの融点
に達すると、固相から液相への相変態を伴いながら、熱
膨張部材15cは膨張する。図12に示すように、熱膨
張部材15cが膨張すると、負極端子部152の後端部
152fが押され、負極端子部152は正極端子部15
1の方向に徐々に移動する。負極端子部152の先端部
152eが正極端子部151に接すると導通経路50に
電流が流れる。なお、導通経路50に電流が流れ始めた
後も、蓄電要素10からの熱伝達の遅れにより熱膨張部
材15cが膨張し続ける場合は、膨張による体積増加
を、温度スイッチ固定ばね70が縮むことで吸収し、温
度スイッチ15が破損するのを防止する。本実施形態の
電池の温度スイッチ15は、熱膨張という材料固有の性
質を利用しているため、所定の温度にて正確に正極端子
部151と負極端子部152とを導通させることができ
る。このため、本実施形態の電池1は、所定の温度に対
し、正確に、また確実に作動する温度スイッチ15を有
する形態となる。また、本実施形態の電池の温度スイッ
チにおいては、負極端子部152のみが移動するが、正
極端子部151、または正極端子部151および負極端
子部152が移動する形態もある。さらに、本実施形態
においては、熱膨張部材15cとして、膨張に際し固相
から液相への相変態を伴うものを用いたが、シリンダ部
材157と負極端子部152とにより気密性、耐圧性等
が確保できる場合は、膨張に際し液相から気相への相変
態を伴う熱膨張部材15cを用いる形態もある。さら
に、相変態を伴わない熱膨張部材15cを用いる形態も
ある。 〈その他の実施形態〉以上本発明の電極捲回型二次電池
の実施形態について説明したが、上記実施形態は一例に
過ぎず、本発明の電極捲回型二次電池は、上記実施形態
を始めとして、当業者が行い得る改良、変更を施した種
々の態様にて実施することができる。例えば、正極側導
通部材および負極側導通部材の少なくとも一つとして捲
回芯内壁を利用する形態がある。本実施形態において
は、捲回芯内壁の一部が導電性を有することが必要なた
め、樹脂製の捲回芯の内壁側の一部分を金属等の導体に
変える必要がある。また正極端子部と負極端子部とを介
さず捲回芯内壁により導通することを防ぐための手段が
必要な場合もある。本実施形態は、捲回芯内壁を利用す
るため、正極側導通部材および/または負極側導通部材
を必要としない。したがって、本実施形態は、電池の軽
量化に好適な形態である。また上述した、本発明の実施
形態においては、温度スイッチ固定ばね、端子部移動ば
ね、端子部固定ばねとしてコイルばねを使用したが、こ
れらのばねを、例えば板ばね、皿ばね、ゴム、ポリウレ
タン発泡体等のように、変形した状態で設置でき、その
復元力により温度スイッチまたは端子部を移動させるこ
とができるように付勢できるあらゆる弾性部材とする形
態もある。また、第三実施形態、第四実施形態、第五実
施形態において使用したバイメタル等の熱変形部材や、
ワックス等の熱膨張部材は温度が下がると元の形状、体
積に戻る性質を有する。このため、これらの実施形態に
おいては、温度スイッチが閉じ、導通経路が導通するこ
とにより、蓄電要素の蓄電エネルギが解放され温度が下
がると、正極端子部と負極端子部とを再び離間すること
ができる形態とすることもできる。この形態を採用する
場合、本発明の電極捲回型二次電池は、可逆的に開閉可
能な温度スイッチを有する二次電池となる。さらにま
た、上記実施形態は円筒状の捲回電極体を有する二次電
池の例を示したが、円筒状に限らず捲回芯形状は断面が
楕円状もしくは長円状等の種々の形状のものを用いるこ
とができ、その結果、楕円状もしくは長円状等に捲回さ
れた捲回電極体とすることができる。
【発明の効果】本発明の電極捲回型二次電池において
は、電池内部のデッドスペースである捲回芯に、異常温
度上昇時の温度スイッチを配設した。このような本発明
の電池によれば、体積効率に優れ、かつ過充電等による
異常温度上昇の際の安全性の高い電極捲回型二次電池を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態である電池の導通経路の概
念図である。
【図2】 本発明の実施形態である電池の基本構成を示
す断面図である。
【図3】 本発明の第一実施形態である電池の、温度ス
イッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図4】 本発明の第一実施形態である電池の、温度ス
イッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【図5】 本発明の第二実施形態である電池の、温度ス
イッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図6】 本発明の第二実施形態である電池の、温度ス
イッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【図7】 本発明の第三実施形態である電池の、温度ス
イッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図8】 本発明の第三実施形態である電池の、温度ス
イッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【図9】 本発明の第四実施形態である電池の、温度ス
イッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図10】 本発明の第四実施形態である電池の、温度
スイッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【図11】 本発明の第五実施形態である電池の、温度
スイッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図12】 本発明の第五実施形態である電池の、温度
スイッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【符号の説明】
1:電極捲回型二次電池 2:充電器 10:蓄電要素 11:正極 12:負極 13:セパレータ 14:捲
回芯 15:温度スイッチ 15a:熱溶融部材 15b:熱
変形部材 15c:熱膨張部材 20:電池容器 21:電池容器
本体 22:正極側側蓋部 23:負極側側蓋部 24:安全
弁 30:正極外部端子 40:負極外部端子 50:導通経路 51:正極側導通部材 52:負極側
導通部材 60:電気抵抗体 70:温度スイッチ固定ばね 150:温度スイッチ固定板 151:正極端子部 1
52:負極端子部 153:温度スイッチスペーサ 154:端子部移動ば
ね 155:絶縁部材 156:端子間スペーサ 157:
シリンダ部材 158:端子部固定部材 159:固定筒
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西出 行正 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 鈴木 哲 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 松下 昇平 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 渡辺 吾朗 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 竹内 友康 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 Fターム(参考) 5H022 AA18 CC08 KK01

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シート状の正極と、シート状の負極と、
    該正極および負極を積層して捲回する捲回芯とを備えて
    なる電極捲回型二次電池であって、 前記捲回芯に配設され電池が所定の温度以上になる場合
    に閉じる温度スイッチを含み、該温度スイッチが閉じた
    場合に前記正極と負極とを導通させる導通経路を有する
    ことを特徴とする電極捲回型二次電池。
  2. 【請求項2】 前記導通経路は、該経路に流れる電流を
    規制する所定の電気抵抗値を有する請求項1に記載の電
    極捲回型二次電池。
  3. 【請求項3】 前記電気抵抗値は、定格容量を1時間で
    放電させる電流値を1Cとする場合において、前記経路
    に流れる電流の最大値が3C以上5C以下となるような
    電気抵抗値である請求項2に記載の電極捲回型二次電
    池。
  4. 【請求項4】 前記温度スイッチは、 正極側につながる正極端子部と、 負極側につながる負極端子部と、 電池の温度に応じて機能する熱感応部材とを有し、 電池が所定の温度以上になると、前記熱感応性部材の機
    能により前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して
    閉じる、 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の電極捲回型
    二次電池。
  5. 【請求項5】 前記熱感応部材は、所定の温度以上にな
    ると溶融する熱溶融部材である請求項4に記載の電極捲
    回型二次電池。
  6. 【請求項6】 前記熱溶融部材は、導電性を有し、かつ
    所定の温度以上になると溶融して前記正極端子部と前記
    負極端子部との間に流入し、 前記温度スイッチは、前記熱溶融部材が溶融流入する
    と、前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じ
    る請求項5に記載の電極捲回型二次電池。
  7. 【請求項7】 前記熱溶融部材は、前記正極端子部と前
    記負極端子部とを離間するように両者の間に介在し、所
    定の温度以上になると溶融流動し、 前記正極端子部および前記負極端子部の少なくとも一方
    は、互いに接近する方向に移動するように付勢されてお
    り、 前記温度スイッチは、前記熱溶融部材が溶融流動する
    と、前記正極端子部と前記負極端子部とが接触、短絡し
    て閉じる請求項5に記載の電極捲回型二次電池。
  8. 【請求項8】 前記熱感応部材は、温度に応じて変形す
    る熱変形部材であり、前記温度スイッチは、所定の温度
    に達すると、変形により前記正極端子部と前記負極端子
    部とが短絡して閉じる請求項4に記載の電極捲回型二次
    電池。
  9. 【請求項9】 前記熱感応部材は、温度に応じて膨張す
    る熱膨張部材であり、 前記温度スイッチは、所定の温度に達すると、膨張によ
    り前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じる
    請求項4に記載の電極捲回型二次電池。
  10. 【請求項10】 前記熱膨張部材の膨張は、相変態を伴
    う請求項9に記載の電極捲回型二次電池。
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