JP2013197019A

JP2013197019A - 電池及び電池システム

Info

Publication number: JP2013197019A
Application number: JP2012065229A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Chiba; 大介智葉
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: US20130252037A1; CN103325974A; JP5461610B2

Abstract

【課題】安全弁から放出されるガスの放出方向を考慮した電池を提供する。
【解決手段】電池容器の第一の面上に配され、電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に破断し、電池容器内のガスを第一の面の法線方向に対して所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出する弁部を備える。弁部は、第一の面上に形成された貫通孔を密閉し、電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に破断する破断部と、破断部の周縁から電池容器の外側に向けて突出し、両端面の中心軸のなす角度が所定角度傾斜した筒状形状に形成されており、破断部が破断した際にガスを所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出する案内部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池に関し、特に、電池に設けられる安全弁に関する。

電池には、放電のみ行う一次電池や充放電を行う二次電池が存在する。近年、特に、二次電池として、高エネルギ密度、高出力、及び長寿命といった特長を有するリチウム二次電池が注目されている。リチウム二次電池は、一般的に、電極板、すなわち正極板及び負極板がセパレータを介して積層された積層電極体を電解液等とともに電池容器に密閉した構成をしている。

リチウム二次電池などの電池において、例えば、短絡や過充電などの異常が生じた場合、電解液が急激に気化するなどの要因により電池容器内で多量の高温ガスが発生し、電池容器の内部圧力が急激に上昇して電池容器本体が破裂するおそれがある。

そのため、一般的には、電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に電池容器内のガスを外部に放出するための安全弁を電池容器の蓋に設けることによって、電池容器の破裂を防止している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３３２７００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電池などの従来の電池は、安全弁を蓋の表面形状に合わせて設けているので、電池の異常時におけるそのガスの放出方向は、蓋の表面の面する方向で決まってしまう。すなわち、電池容器は、一般的に直方体又は円柱体の形状をなし、その底面と上面とが水平面に対して平行で、且つ、その電池容器の上面に位置する蓋に安全弁が設けられて形成されるので、電池容器内で発生したガスは、安全弁から水平面に対して法線方向（例えば、重力方向）に放出される。そのため、例えば、電池容器の上面に位置する蓋に安全弁が設けられた電池をコンテナ内の各棚にそれぞれ配置して１つの大容量の蓄電装置を構成する場合、ある棚の電池の安全弁が作動すると、その電池の上棚に高温のガスが直接的に放出されることになり、その結果、上棚に配された電池も熱せられ且つその内部圧力が上昇して安全弁が作動するといった異常連鎖を誘発してしまうおそれがある。

したがって、本発明は上記問題点に鑑み、安全弁から放出されるガスの放出方向を考慮した電池を提供することを目的とする。

本発明による電池は、電池容器の第一の面上に配され、電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に破断し、電池容器内のガスを第一の面の法線方向に対して所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出する弁部を備える。

かかる構成によれば、電池容器内で発生したガスを電池容器の第一の面の法線方向に対して所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出する弁部（安全弁）を有するために、電池を配置する際、その電池の安全弁が設けられた第一の面の面する方向に種々の物が存在しても、これらの物に対してガスが直接放出されることを回避することができる。その結果、例えば、上述したように、電池容器の上面に位置する蓋に安全弁が設けられた電池をコンテナ内の各棚にそれぞれ配置して１つの大容量の蓄電装置を構成する場合、ある棚の電池の安全弁が作動しても、その電池の上棚に直接高温のガスが放出されず、その結果、上棚に配された電池が熱せられ且つその内部圧力が上昇して安全弁が作動するといった異常連鎖の誘発を防ぐことができる。

以上のように構成された本発明の電池によれば、電池が異常となって電池の安全弁からガスが生じた場合でも、安全弁が設けられた電池蓋の面方向に位置する種々の物に対してガスが直接放出されることを回避することができる。

本実施形態の電池の概略的な斜視図を示す。本実施形態の電池における弁部を構成する各要素を説明するための図である。本実施形態の電池における弁部の断面図を示し、（ａ）は図１のＡ−Ａ’線断面図であり、（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。（ａ）は、従来の電池を複数組み合わせた電池モジュールを各棚に配置した場合の参考図を示し、（ｂ）は、本実施形態の電池を複数組み合わせた電池モジュールを各棚に配置した場合の参考図を示す。弁部がそれぞれ異なる電池を複数組み合わせた電池モジュールを各棚に配置した場合の参考図を示す。本実施形態の電池における弁部の変形例１の断面図を示す。本実施形態の電池における弁部の変形例２の断面図を示す。本実施形態の電池における弁部の変形例３の概略図を示し、（ａ）は、弁部を破断面から見た正面図であり、（ｂ）は、弁部の破断面の垂直方向の断面図である。本実施形態の電池における弁部の変形例４の断面図を示す。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、下記実施形態では、電池として、リチウム二次電池を一例にとって説明するものとする。また、各図面において、電池を構成する各部の形状は、明確性の観点から寸法や縮尺を実際と異ならせていることがある。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態の電池１の概略的な斜視図を示す。

本発明の第１実施形態の電池１は、図１に示すとおり、電池容器本体１０と、電池容器本体１０の開口部を被覆し、２つの電極端子２１（正極端子２１Ａ及び負極端子２１Ｂ）と安全弁（弁部）２２とが配された電池蓋２０とから構成される。なお、以下では、電池容器本体１０と電池蓋２０とが一体となったものを「電池容器」と称する。

電池容器本体（電池容器の本体部）１０は、電極板、すなわち正極板及び負極板がセパレータを介して積層された積層電極体（図示せず）を電解液等とともに収容する角型容器であり、例えば、アルミニウム合金などの金属材料で形成される。正極板の一端には正極タブが形成されており、該正極タブと正極端子２１Ａとを正極リードで電気的に接続し、また、負極板の一端には負極タブが形成されており、該負極タブと負極端子２１Ｂとを負極リードで電気的に接続する。上記構成により、電池１は、正極端子２１Ａ及び負極端子２１Ｂから電流を取り出すことが可能となる。

電池蓋２０は、図１に示すように、電池容器本体１０を被覆して密閉するための平板状の蓋であり、例えば、電池容器本体１０と同様に、アルミニウム合金などの金属材料で形成される。また、電池蓋２０は、正極端子２１Ａ及び負極端子２１Ｂをそれぞれ通すための貫通孔が設けられ、これら貫通孔にそれぞれ接触しないように通された正極端子２１Ａ及び負極端子２１Ｂの隙間に充填され且つその隙間が封口されるように絶縁性樹脂（封口部材）２３が設けられる。そして、電池容器本体１０に積層電極体等を収容後、電池蓋２０の外縁部を電池容器本体１０の開口部の周縁部と溶接（例えば、レーザ溶接）することで、電池容器本体１０は密閉される。

ここで、図２及び図３を参照して、本実施形態における弁部２２の構造について詳細に説明する。図２は、弁部２２を構成する各要素（破断部３０及び案内部４０）を説明するための図であり、図３は、弁部２２が電池蓋２０と一体化した場合の断面図（図１のＡ−Ａ’線断面図）を示す。なお、以下の実施形態では、ＸＹＺ直交座標系を適宜用いて説明する。電池１において、図１に示す電池容器本体１０の底面（電池蓋２０と対向する面）から電池蓋２０に向かう垂線方向をＺ軸方向とし、このＺ軸方向と直交し且つ電池蓋２０の長手方向の辺に沿う方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に直交する方向（電池蓋２０の長手方向と垂直をなす辺に沿う方向）をＹ軸方向とする。

弁部２２は、電池１において短絡や過充電などの異常が生じた場合、電解液が急激に気化するなどの要因により電池容器の内部で多量の高温ガスが発生し、内部圧力が急激に上昇することによる電池容器自体の破裂を防止するための破断型の安全弁である。

弁部２２は、図２に示すように、電池蓋２０の面上（第一の面上）に形成された貫通孔２４を密閉し、電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に破断するための破断部３０と、破断部３０の周縁から電池容器の外側に向けて突出し、破断部３０が破断した際にガスを所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出する案内部４０とで構成される。

破断部３０は、電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に破断する破断面３１、電池蓋２０と接合するための第一接合部３２、及び案内部４０と接合するための第二接合部３３を有する。

破断面３１は、電池蓋２０の貫通孔２４を被覆し、電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に破断する部位であって、破断面３１の材質、形状及びその破断条件自体は、従来の安全弁の破断面と同一とすることができる。

第一接合部３２は、破断面３１の外周に沿って設けられ、電池蓋２０の貫通孔２４の周縁部から電池容器の外側（＋Ｚ方向側）に突出された突出部２５と溶接接合される部位である。この部位における溶接接合は、例えば、レーザ溶接や超音波溶接など各種方法を用いて行うことができる。

第二接合部３３は、第一接合部３２の外周に沿って設けられ、案内部４０と接合するための部位であって、外周上の所定の位置に凹部（切り欠き部）３３１を有している。この凹部３３１は、破断部３０の第二接合部３３と案内部４０の凸部（接合部）４１とを接合する際に、この凹部３３１に対応した位置に設けられた案内部４０の凸部４１をＺ軸方向に通過させる。

案内部４０は、図２及び図３（ａ）に示すように、破断部３０に面し、開口された第一の端面４２と、外部に面し、開口された第二の端面４３とが連通された筒状形状に形成されており、第二接合部３３の凹部３３１と対応するよう第一の端面４２の内周縁の所定の位置に凸部４１を有している。案内部４０は、ガス放出時のガスの温度に耐えられる材質、例えば、鋼板やセラミックなどの材質で形成されることが望ましい。また、案内部４０は、破断面３０が破断した際に、電池容器内部で発生したガスを外部へ放出しやすいよう、第一の端面４２の開口面積、第一の端面と第二の端面とを連通する筒状形状の胴体部位におけるガスの流路面積、及び第二の端面４２の開口面積が略同一に形成される。かように案内部４０を形成することで、ガスをスムーズに外部に放出することができるとともに、外部へ放出されるガスは指向性を有することになるため、所望の方向及び位置に向けてガスを放出することができる。なお、第一の端面４２の開口面積、ガスの流路面積、及び第二の端面４２の開口面積は略同一の場合に限られず、例えば、第一の端面４２の開口面積より第二の端面４３の開口面積を大きくし、且つ、第一の端面４２から第二の端面４２に向かうに従ってガスの流路面積を大きくするようにしてもよい。

案内部４０は、破断部３０と接合する際、例えば、凸部４１が破断部３０の第二接合部３３の切り欠き部３３１に対してＺ軸方向に通された後、案内部４０をＺ軸を中心として回転（すなわち、図３（ｂ）に示すように、凸部４１と第二接合部３３とがＸＹ平面上で異なる位置になるよう回転）させることで接合させることができる。なお、電池蓋２０の貫通孔２４の周縁部に突出部２５を設けて、上記のように破断部３０及び案内部４０設けることで、案内部４０自体を破断部３０に対して着脱可能にすることができる。案内部４０を、破断部３０、すなわち電池蓋２０に対して着脱可能とすることで、電池１の配置位置、案内部４０を設けるスペースなど様々な要因に応じて適宜その取付けの要否を判断することができる。

また、案内部４０は、破断部３０が破断した際にガスを所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出するために、図３（ａ）に示すように、第一の端面４２の中心軸（Ｚ軸）と第二の端面４３の中心軸とのなす角度が所定角度θ傾斜している。なお、所定角度θは、電池１を配する場所に応じて、電池蓋の面する方向（Ｚ軸方向）にガスが直接放出されないように、例えば、０°＜θ≦９０°の範囲で適宜設定することができる。

以上のように構成された本実施形態の電池１によれば、電池容器内で発生したガスを電池容器の電池蓋２０の面（第一の面）の法線方向に対して所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出する弁部（安全弁）２２を有することで、電池１を配置する際、その電池１の電池蓋２０の面の面する方向に種々の物が存在しても、これらの物に対してガスが直接放出されることを回避することができる。

具体的には、例えば、図４に示すように、複数の電池１で構成される電池モジュールをコンテナの各棚にそれぞれ配置して１つの大容量の蓄電装置を構成する場合に有効である。すなわち、従来の電池のように、安全弁の破断面が電池蓋２０の面と平行に設けられていると、図４（ａ）に示すように、下棚の電池モジュールを構成する電池１の安全弁（弁部）が作動した場合、その電池の上棚に直接高温のガスが放出されてしまっていた。しかし、本実施形態の電池１によれば、図４（ｂ）に示すように、下棚の電池モジュールを構成する電池１の安全弁（弁部）が作動した場合、弁部２２が、そのガスを電池容器の電池蓋２０の面の法線方向に対して所定角度θ傾斜した方向に案内して外部に放出するため、その電池１の上棚には直接高温のガスが放出されず、その結果、上棚に配された電池１が熱せられてアルミで形成された電池容器が溶けるのを抑止し、また、電池１が熱せられることによりその内部圧力が上昇して弁部（安全弁）が作動するといった異常連鎖の誘発を防ぐことができる。

また、複数の電池１で構成される電池モジュールの側部に防火板５０を配し、複数の電池１の各弁部２２は、電池容器内で発生したガスを防火板５０に向けて所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出するようにしてもよい。ガスの放出方向に、防火板５０を設けることで、コンテナを形成する枠組み自体に直接熱が加えられず、その変形等を防ぐことができる。なお、防火板５０は、例えば、１．６ｍｍ以上の厚みを有する鋼板とすることができるが、厚みや材質はこれに限られず、ガスに対して耐火性能を有するような厚みや材質を適宜選択すればよい。

さらに、電池モジュールの配置によって各電池１の防火板５０までの距離が異なる場合、電池１の各弁部２２は、防火板５０までの距離に応じてガスの外部への放出方向が異なるように設計してもよい。具体的には、図５に示すように、防火板５０までの距離が異なる電池１ａと電池１ｂとが存在する場合（電池１ａは防火板５０までの距離ｄ１、及び電池１ｂは防火板５０までの距離ｄ２とする（ｄ１＜ｄ２））、電池１ａの弁部２２ａ、及び電池１ｂの弁部２２ｂにおけるガスのそれぞれの放出方向を、例えば、４５°及び６０°とすることができる。このように防火板５０までの距離に応じてガスの外部への放出方向が異なるように設計することで、上棚に直接高温のガスが放出されることを確実に防ぐことができる。

＜変形例＞
以上のように本発明の電気器具の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、及び省略が当業者によって可能である。

例えば、上記実施形態では、破断部３０の第二接合部３３と案内部４０の凸部４１とが接合されることで、破断部３０と案内部４０とが接合される場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、案内部４０を電池蓋２０に直接接合するようにしてもよい。たとえば、図６に示すように、電池蓋２０の貫通孔２４の周縁部から電池容器の外側（＋Ｚ方向）に突出した柱状の突出部において、その外周面に接合部（例えば、雄ネジ）２６を形成し、案内部４０Ａの第一の端面４２の内周面に接合部（例えば、雌ネジ）４４を形成して、これらで案内部４０Ａと電池蓋２０とを接合してもよい。

また、上記実施形態では、電池蓋２０の貫通孔２４の周縁部から電池容器の外側に突出部２５を設けて弁部２２を構成する場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、従来の電池に設けられた安全弁の周縁に、本実施形態における案内部４０を直接接合することで取付けて、本発明の弁部としてもよい。すなわち、図７に示すように、案内部４０Ｂの第一の端面４２の周縁に電池蓋２０と接合するための接合部４５を設けて、この接合部４５において電池蓋２０の安全弁の周縁と溶接接合するようにしてもよい。このように弁部を構成することができれば、既存の電池であっても、電池の配置箇所に応じて適宜取り付けることができる点で有用である。

さらに、上記実施形態では、破断部３０が電池蓋２０の面に対して平行（又は略平行）に設けられている場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図８に示すように、電池蓋２０に案内部４０Ｃを接合し、その案内部４０Ｃの外部に面する第二の端面４３に破断面３１’を設けてもよい。

またさらに、図９に示すように、上記実施形態の電池１において、案内部４０Ｄを電池蓋２０に対して不動の固定部４６と、固定部に対して回動可能な回動部４７とで構成し、例えば、第一の端面４２の中心軸を中心に回動可能とするようにしてもよい。この場合、電池１の配置場所の変更など状況に応じて適切な方向にガスの放出方向を設定することができる点で有用である。

さらに、上記実施形態では、電池蓋２０に破断部３０が設けられる場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、電池蓋２０ではなく、電池容器の側面に破断部３０を設けてもよい。

上記実施形態では、電池として、特にリチウム二次電池を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、安全弁が設けられた電池であれば他の電池に適用できることはもちろんである。

１…電池、１０…電池容器本体、２０…電池蓋、２１Ａ…正極端子、２１Ｂ…負極端子、２２…弁部（安全弁）、２３…絶縁性樹脂、２４…貫通孔、２５，２６…突出部、３０…破断部、３１…破断面、３２…第一接合部、３３…第二接合部、３３１…凹部、４０…案内部、４１…凸部、４２…第一の端面、４３…第二の端面、５０…防火板。

Claims

電池容器の第一の面上に配され、前記電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に破断し、前記電池容器内のガスを前記第一の面の法線方向に対して所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出する弁部を備えることを特徴とする電池。
前記弁部は、
前記第一の面上に形成された貫通孔を密閉し、前記電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に破断する破断部と、
前記破断部の周縁から前記電池容器の外側に向けて突出し、両端面の中心軸のなす角度が所定角度傾斜した筒状形状に形成されており、前記破断部が破断した際に前記ガスを前記所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出する案内部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電池。
前記案内部は、前記破断部に着脱可能に接合されることを特徴とする請求項２に記載の電池。
前記案内部は、前記第一の端面の中心軸を中心に回動可能であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電池。
電池容器の第一の面上に配され、前記電池容器内のガス圧力が所定値以上に上昇した場合に破断し、前記電池容器内のガスを前記第一の面の法線方向に対して所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出する弁部をそれぞれ備えた複数の電池で構成される電池モジュールと、
前記電池モジュールの側部に配置された防火板と、を含み、
前記複数の電池の各弁部は、前記電池容器内で発生したガスを前記防火板に向けて所定角度傾斜した方向に案内して外部に放出することを特徴とする電池システム。
前記複数の電池の各弁部は、前記防火板までの距離に応じて前記ガスの外部への放出方向が異なることを特徴とする請求項５に記載の電池システム。