JP2012009332A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電要素を収容する収容体の強度を低下させることがないとともに、内部が複数の室に区分された収容体が内圧の上昇により破損するときに、破損される部分を内圧が上昇した室に対応する部分に限定して、破片及び電解液の飛散を抑制することができる二次電池を提供する。
【解決手段】二次電池１０は、複数の極板群２４、電解液、並びに、極板群２４及び電解液を収容する収容体１を備える。収容体１の内部は、隔壁により複数の収容室２２に区分されている。その隔壁は、一対の板状部からなる上側壁４４と、下側壁２０とで構成される。下側壁２０の上部が一対の板状部の間に差し込まれて、難破断部が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電要素を収容する収容体が内圧の上昇により破損するときに、収容体の破片や電解液が飛散するのを抑制する飛散抑制機構を有する二次電池に関する。

鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、及びリチウムイオン電池などの二次電池は、充電により繰り返し使用できることから、車載用電源、携帯電子機器用電源、及び蓄電設備用電源等に、幅広く使用されている。このように、二次電池の使用範囲が拡がるにつれて、充電方法や使用方法を誤って使用する誤使用も増加する。誤使用により過充電や逆接続がなされると、二次電池の種類によっては、電解液の漏液や電池の破損のおそれが生じる。

そこで、特に携帯電子機器用電源として二次電池、例えばリチウムイオン電池を使用する場合には、１または複数の二次電池をパック化した電池パックとして使用することが多い。電池パックは、特定の機種のための電源として形状、容量等が特化されており、その充電装置には、特定の電池パックの充電特性に対応して、過充電や逆接続を防止するための機能が組み込まれる。それゆえに、二次電池を電池パックとして使用する場合には、充電時の漏液や電池の破損のおそれは極めて低くなる。

一方、例えば自動車用のバッテリとして用いられる鉛蓄電池、ニッケル水素電池、及びニッケルカドミウム電池等は、電池パックの形態で特定の機種用の電源として使用されるのではなく、様々な機種で使用することができる汎用性を求められることが多い。このため、これらの二次電池において過充電や逆接続等の誤使用を避けるためには、電池ケースや、その蓋に充電方法や使用方法を明示して注意を喚起するといった方法に頼らざるを得ない。

よって、電池パックとして使用されない、鉛蓄電池等の二次電池には、誤使用による漏液や収容体の破損が発生した場合に、それによって生じる被害を最小限度に抑えるための機構を付属させることが望ましい。

この点に関連して、特許文献１〜３では、鉛蓄電池のケースの蓋の内面を切り欠く等して、蓋に薄肉部を設けることが提案されている。これらの提案によれば、過充電等を原因として収容体の内部にガスが充満し、そのガスの化学反応により内圧が上昇して収容体が破損するときには、まず薄肉部が破断する。よって、内圧が上昇する早期の段階で、収容体の内部のガスが外部に放出されて、破損のエネルギが小さくなる。よって、収容体が大きく破損されるのを防止するとともに、収容体の破片や電解液が広範囲に飛散するのを防止することができる。

実開昭６３−１３５７６０号公報 特開昭５４−１１１６３９号公報 実開平２−１２０７５０号公報

ところが、鉛蓄電池等の二次電池は、内部が、いくつかの独立した室に区分されているものも多い。そのような二次電池の蓋に特許文献１のような薄肉部を設けると、１つの室の内圧の上昇により薄肉部が破断したときに、薄肉部の、いくつかの室に対応する部分が連鎖的に破断してしまうこともあり得る。その結果、蓋の破損が広範囲に及ぶことになり、いくつかの室の中に収容された電解液が飛散してしまうことも考えられる。よって、かえって破片や電解液の飛散の程度が大きくなることも考えられる。さらには、蓋に、そのような薄肉部を設けると、蓋の強度が低下し、落下等の衝撃で、蓋が容易に破壊されてしまうことも考えられる。

そこで、本発明は、発電要素を収容する収容体の強度を低下させることがなく、内部が複数の室に区分された収容体が内圧の上昇により破損するときに、破損される部分をできるだけ内圧が上昇した室に対応する部分に限定することを目的としている。これにより、破片及び電解液の飛散を抑制することが可能な二次電池を提供することができる。

本発明は、正極板、負極板及びセパレータをそれぞれが有する複数の極板群、電解液、前記複数の極板群及び前記電解液を収容する収容体、並びに前記収容体の内部を複数の収容室に区分する少なくとも１つの隔壁、を備える二次電池であって、
前記複数の収容室が、それぞれ、少なくとも１つの前記極板群及び前記電解液を収容し、
前記収容体が、前記電解液の液面よりも上部で内部に気体を保持する気体保持部を有し、
前記隔壁が、前記気体保持部と隣接する部分に難破断部を有する、二次電池に関する。

本発明の二次電池によれば、内部が複数の室に区分された収容体が内圧の上昇により破損するときに、破損される部分を内圧が上昇した室に対応する部分に限定して、破片及び電解液の飛散を抑制することができる。また、発電要素を収容する収容体の強度を低下させることもない。

本発明の一実施形態に係る二次電池の外観を示す斜視図である。 図１の二次電池の内部構造を示す、ケースから蓋を取り外し、蓋の一部を切り欠いた斜視図である。 図２のIII-III線による矢視拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係る二次電池の特徴部分の拡大断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る二次電池の特徴部分の拡大断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る二次電池の特徴部分の拡大断面図である。

本発明の二次電池は、正極板、負極板及びセパレータをそれぞれが含む複数の極板群、電解液、複数の極板群及び電解液を収容する収容体、並びに収容体の内部を複数の収容室に区分する少なくとも１つの隔壁、を備えている。複数の収容室は、それぞれ、少なくとも１つの極板群、及び電解液を収容している。収容体は、電解液の液面よりも上部で内部に気体を保持する気体保持部を有している。隔壁は、気体保持部と隣接する部分に難破断部を有している。

収容体が内圧の上昇により破損するのは、収容体の気体保持部に充満したガスが化学反応を起こし、その反応熱により収容体内部の気体が膨張することが原因となる場合が多い。収容体の内部がいくつかの収容室に区分されている二次電池においては、最初は１つの収容室の中だけで化学反応が発生する。しかし、各収容室を区分する隔壁が破断してしまうと、反応が順次、他の収容室に伝搬していく。

本発明の二次電池では、いずれかの収容室の内部で化学反応が発生したときに、最も大きな力が加わりやすい、隔壁の、気体保持部に隣接した部分に難破断部が設けられている。このため、いずれかの収容室の内部で反応が発生して、収容体の、当該収容室に対応する部分が破損したとしても、難破断部の存在により、隔壁が破断してしまうのを避けることができる。

よって、隣接する他の収容室で反応が誘発されるのを防止することができ、収容体の破損を最小限度に抑えることができる。その結果、破片の飛散が抑えられるだけではなく、電解液が複数の収容室から飛散するのを防止することができる。よって、電解液の飛散を抑制することもできる。

本発明の一形態に係る二次電池においては、収容体は、開口部を有する方形のケースと、その開口部を封口する蓋と、を含む。隔壁は、ケースに支持された下側壁と、蓋に支持された上側壁とを含む。上側壁は、所定の間隔で配置された一対の板状部を含む。難破断部は、一対の板状部と、その間に差し込まれた下側壁の上部とで形成されている。

以上の構成によれば、下側壁は、従来の二次電池と同様の一重構造の板状部とし、上側壁だけを従来とは異なる二重構造の板状部とするだけの簡単な構成で、難破断部を形成することができる。よって、特にコストを増大させることなく、破片や電解液の飛散を抑制することが可能となる。

また、隔壁の気体保持部と隣接する部分に難破断部を設けることで、電解液の液面よりも下の部分（収容体の液体保持部）とほぼ対応している下側壁の厚みを、従来の隔壁の厚み（例えば、２〜３ｍｍ）よりも小さな厚み（例えば、１〜１．５ｍｍ）とすることも可能である。よって、液体保持部の実質的な容積を増大させることも可能となり、電池容量の増加が容易となる。なお、隔壁は、一般的には、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、スチロール樹脂、及びＡＢＳ樹脂等の材料から形成される。

本発明の他の形態に係る二次電池においては、一対の板状部の間隔を、下側壁の上部の厚みよりも０．２〜５ｍｍだけ大きくし、下側壁の上端部を蓋と接合することにより、難破断部が形成される。

このように、一対の板状部の間隔を、下側壁の上部の厚みよりも０．２ｍｍ以上大きくすることにより、下側壁の上端部と蓋とを、溶着、または接着剤により接着する等して、接合するための治具（例えば、溶着のための熱板）を板状部と下側壁との間に差し込むことが容易となる。一方、一対の板状部の間隔を、下側壁の上部の厚みよりも５ｍｍを超えて大きくしないことにより、一対の板状部と下側壁の上部とが難破断部として機能しなくなるのを防止することができる。一対の板状部の間隔が大きくなりすぎると、一対の板状部と下側壁の上部との一体性が薄れ、相互に補強し合わなくなるからである。

さらには、上記構成によれば、一対の板状部と下側壁との間に適度の余裕が生じる。よって、気体保持部の内部で化学反応が生じたときに、下側壁に伝わる衝撃を緩和することができる。よって、隔壁の破断を効果的に防止することができる。

本発明のさらに他の形態に係る二次電池においては、一対の板状部の間に差し込まれた、下側壁の上部が、蓋及び一対の板状部に接合されている。これにより、一対の板状部と下側壁の上部とが一体化されて、強度の大きい難破断部を形成することができる。また、各収容室の間の密閉性を高めることができる。

本発明のさらに他の形態に係る二次電池においては、難破断部が、隔壁を部分的に厚くした肉厚部を含んでいる。この構成により、難破断部を形成するために、特別に強度の高い材料を使用する必要がなく、容易に難破断部を形成することができる。よって、従来、二次電池内部の隔壁に使用されているのと同じ材料で難破断部を形成できるので、コストの上昇を抑えることができる。

このとき、肉厚部の肉厚は、隔壁の他の部分の肉厚（例えば、２〜３ｍｍ）よりも１００〜４００％大きくするのが好ましい。その下限を１００％以上とすることにより、効果的に隔壁の破断を防止できる。その上限を４００％以下とすることにより、二次電池の重量が無用に増大するのを防止することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る二次電池を斜視図により示す。図２に、二次電池の内部構造を斜視図により示す。図３に、図２のIII-III線の矢視拡大断面図を示す。なお、図２においては、ケース及び蓋の一部を切り欠いて、内部の可視性を高めている。

図示例の電池１０は、方形で天側に開口部を有するケース１６、及びケース１６の開口部を塞ぐ蓋（封口体）１８を備えている。ケース１６及び蓋１８が、電池１０の発電要素を収容する収容体１を構成している。発電要素は、複数の電極群２４と、例えば図示しない硫酸水溶液からなる電解液とを含む。電極群２４は、それぞれ、正極、負極及びそれらの間に介在されるセパレータを含む。

ケース１６及び蓋１８は、絶縁体から構成される。その絶縁体の例としては、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、スチロール樹脂、ＡＢＳ樹脂などが挙げられる。

ケース１６には、一般的に、その深さＨの７０〜８０％の液位となるように電解液が入れられる。収容体１の電解液の液面よりも上の部分は、空気などの気体を内部に保持する気体保持部１ａとなっている。したがって、隔壁の「気体保持部と隣接する部分」とは、ケースの深さをＨとすると、例えば、隔壁の下から０．６Ｈ〜０．９Ｈの位置を境界として、その境界よりも上の部分を指す。

気体保持部１ａは、過充電や逆接続の際に発生するガスが内部に充満する部分であり、充満したガスが化学反応を生じると、非常に破損されやすい部分である。

これに対して、収容体１の電解液の液面よりも下の部分は、電解液を内部に保持する液体保持部１ｂとなっている。液体保持部１ｂは、収容体１が破損するときにも化学反応の影響を直接的に受けることがなく、比較的破損されにくい部分である。

収容体１の内部は、所定数（図示例では６つ）のセル室２２に区分されている。各セル室２２には、それぞれ電極群２４、及び電解液が収容されている。隣接するセル室２２間では、各電極群２４が、ストラップ２６及び接続部２８を介して、直列に接続されている。ケース１６の両端のセル室２２に収容された電極群２４は、それぞれの正極または負極が、正極または負極の極柱３０及び３２と接続されている。

そして、ケース１６の内側には、各セル室２２を区分する隔壁４６の一部分である、所定数（図示例では５つ）の下側壁２０が形成されている。下側壁２０には、上述したケース１６及び蓋１８に使用される材料と同じ材料を使用することができる。また、繊維や金属でそれらの材料を補強した複合材料を使用することもできる。

蓋１８は、略長方形の天板部１８ａ、及び天板部１８ａの外周部を下側に垂直に折り曲げるようにして設けられた所定高さの脚部１８ｂを有する。蓋１８の天板部１８ａには、極柱３０及び３２とそれぞれ接続される一対の電極端子３４及び３６が設けられている。電極端子３４及び３６は、天板部１８ａの、収容体１の上面視の長手方向Ｘの両端部近傍で、収容体１の上面視の幅方向Ｙの一方に偏った位置にそれぞれ設置されている。また、天板部１８ａにおける幅方向Ｙの他方に偏った位置には、長手方向Ｘと平行に等間隔で並ぶように、各セル室２２に電解液を補充するための開口部（電解液補充用孔）３８が設けられている。電解液補充用孔３８は栓４０で密封されている。

さらに、蓋１８は、天板部１８ａの下面の各下側壁２０と対応する位置に、それぞれ、所定の間隔で平行に配置された一対の板状部４２からなる上側壁４４が形成されている。蓋１８は、脚部１８ｂの下端部が、ケース１６の開口部の上端部と溶着されることでケース１６の開口部を封口する。

隔壁４６は、下側壁２０の上部を一対の板状部４２の間に差し込み、その状態で下側壁２０の上端部を天板部１８の下面に溶着、または接着剤により接着することで、隔壁４６が形成される。つまり、隔壁４６は、下側壁２０と上側壁４４とから構成されている。

そして、一対の板状部４２と、下側壁２０の上部との重なりの部分が、隔壁４６の他の部分よりも破断しにくい難破断部４８を形成している。ここで、一対の板状部４２の間隔Ｌ２は、下側壁２０の厚さＬ１よりも０．２〜５ｍｍ、より好ましくは、１〜２ｍｍだけ大きくされている。

例えば、板状部４２の厚みは、１〜６ｍｍとすることができる。例えば、板状部４２の幅（天板部１８ａの下面からの高さ）は、２０〜８０ｍｍとすることができる。板状部４２は、天板部１８ａと同じ材料から構成することも、天板部１８ａとは異なる材料から構成することも可能である。ケース１６及び蓋１８の材料を、繊維や金属で補強した複合材料を使用することもできる。

ここで、図３に示すように、上側壁４４の下端部が、電解液の通常の液面Ｓよりもわずかに下の位置となるように一対の板状部４２の上下方向の幅を設定することで、気体保持部１ａの内部で化学反応が発生したときの反応エネルギが直接的に下側壁２０に及ぶのを避けることができる。よって、隔壁４６が下側壁２０の単独部分で破断してしまうのを防止することができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２を説明する。

図４に、実施形態２に係る二次電池の特徴部分を、二次電池の一部拡大断面図により示す。実施形態２は、上側壁５０が一対の板状部４２から形成され、上側壁５０と下側壁２０とで隔壁５２が形成され、一対の板状部４２の間に下側壁２０の上部が差し込まれて、難破断部５４が形成されている点で実施形態１と同様である。

実施形態２が実施形態１と異なるのは、一対の板状部４２を下側壁２０の上部の厚みＬ１とほぼ等しい間隔で平行に配置している点である。
さらに、実施形態２が実施形態１と異なるのは、下側壁２０の上端部が天板部１８の下面に接合しているだけではなく、下側壁２０上部の、一対の板状部４２と接触している部分を一対の板状部４２と接合している点である。

このように、下側壁２０を、蓋１８と接合するだけではなく、一対の板状部とも接合することで、下側壁２０と上側壁５０との一体性が高くなり、難破断部５４の強度を大きくすることができる。これらの接合は、実施形態１と同様に、溶着及び接着剤による接着とすることができる。上側壁５０及び下側壁２０の材質も実施形態１と同様である。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３を説明する。

図５に、実施形態３に係る二次電池の特徴部分を、二次電池の一部拡大断面図により示す。実施形態３では、二次電池の各隔壁６０は、肉厚の上側壁６２と、通常厚みの下側壁５６とで構成されている。

肉厚の上側壁６２は、天板部１８ｂの下面から通常の液面Ｓにまで達するように形成されており、その下端部が下側壁５６の上端部と溶着等により接合されている。本形態では、肉厚の上側壁６２が単独で難破断部を構成している。ここで、上側壁６２の肉厚は、下側壁５６よりも１００〜４００％だけ大きくされている。例えば、下側壁５６の厚みが２〜３ｍｍであれば、上側壁６２の厚みは４〜１５ｍｍである。下側壁５６及び上側壁６２の材質は、実施形態１と同様である。

このように、肉厚の上側壁６２により難破断部を構成することで、従来の蓋と全く同じ材料で難破断部を形成することができるとともに、隔壁の上部を厚くするだけの簡単な構成で、低コストで難破断部を形成できる。

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４を説明する。

図６に、実施形態４に係る二次電池の特徴部分を、二次電池の一部拡大断面図により示す。実施形態４では、二次電池は、上側壁を備えておらず、隔壁は、下側壁５８だけで構成されている。

下側壁５８は上部に高強度部５８ａを有しており、その上端部が天板部１８ｂの下面と溶着等により接合されている。高強度部５８ａが難破断部を構成している。ここで、高強度部５８ａは、下側壁５８の他の部分５８ｂよりも強度（引張強さ）の大きい材料から形成されている。

高強度部５８ａの材料の例としては、ケース１６及び蓋１８に使用される材料を、繊維や金属で補強した複合材料を挙げることができる。

下側壁５８に高強度部５８ａを形成する具体的方法としては、高強度部５８ａを樹脂材料から形成する場合には、上記した強度の大きい材料を、下側壁５８の他の部分５８ｂの上端に一体成形することにより高強度部５８ａを形成することが考えられる。高強度部５８ａを他の部分５８ｂの上端に溶着または接着剤により接着してもよい。
高強度層５８ａに金属材料を使用する場合には、金属板が下側壁５８と一体化するようにインサート成形することが考えられる。高強度部５８ａの厚みは、他の部分５８ｂと同じでもよく、異なっていてもよい。

本発明の二次電池は、例えば、車載用電源、各種携帯型電子機器の駆動用電源、蓄電設備における電源として二次電池を用いる場合に有用である。とりわけ、パック化されずに、ユーザーの使用方法に安全性がゆだねられる二次電池、例えば鉛蓄電池において有用である。

１…収容体
１０…電池
１６…ケース
１８…蓋
２０、５６、５８…下側壁
４２…板状部
４４、５０…上側壁
４６、５２、６０…隔壁
４８、５４…難破断部
６２…肉厚部
５８ａ…高強度部

Claims (6)

1. 正極板、負極板及びセパレータをそれぞれが有する複数の極板群、電解液、前記複数の極板群及び前記電解液を収容する収容体、並びに前記収容体の内部を複数の収容室に区分する少なくとも１つの隔壁、を備える二次電池であって、
   前記複数の収容室が、それぞれ、少なくとも１つの前記極板群、及び前記電解液を収容し、
   前記収容体が、前記電解液の液面よりも上部で内部に気体を保持する気体保持部を有し、
   前記隔壁が、前記気体保持部と隣接する部分に難破断部を有する、二次電池。
2. 前記収容体が、開口部を有する方形のケースと、その開口部を封口する蓋とを含み、
   前記隔壁が、前記ケースに支持された下側壁と、前記蓋に支持された上側壁とを含み、
   前記上側壁が、所定の間隔で配置された一対の板状部を含み、
   前記難破断部が、前記一対の板状部と、その間に差し込まれた前記下側壁の上部とで形成されている、請求項１記載の二次電池。
3. 前記一対の板状部の間隔が、前記下側壁の上部の厚みよりも０．２〜５ｍｍだけ大きく、前記下側壁の上端部が、前記蓋と接合されている、請求項２記載の二次電池。
4. 前記一対の板状部の間に差し込まれた、前記下側壁の前記上部が、前記蓋及び前記一対の板状部に接合されている、請求項２記載の二次電池。
5. 前記難破断部が、前記隔壁を部分的に厚くした肉厚部を含む、請求項１記載の二次電池。
6. 前記肉厚部の肉厚が、前記隔壁の他の部分よりも１００〜４００％だけ大きい、請求項５記載の二次電池。

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