JP2017135022A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】釘刺し試験時、開裂した圧力開放弁から電極の一部が飛散することを抑制できる蓄電装置を抵抗すること。【解決手段】圧力開放弁２０を備えた二次電池１０は、電極組立体１４の端面４４と長側壁１２ｄとの間に複数枚の厚み調整部材５０を備える。二次電池１０は、複数枚の厚み調整部材５０を積層方向に貫通し、かつ厚み調整部材５０の面方向に延在する排気通路６０を有する。排気通路６０におけるガス流通方向の下流端は、圧力開放弁２０に向けて開口している。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力開放弁を有する蓄電装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。二次電池は、例えば、特許文献１に記載されるように、ケースに電極組立体と電解液が収容されており、ケースの壁面にはケース内の圧力をケース外に開放させる圧力開放弁が設けられている。

特許第４８８１４０９号

このような二次電池において、その評価試験の一つである釘刺し試験が行われると、釘によって正極電極と負極電極の間のセパレータが破断し、正極電極と負極電極とがケース内において短絡する。そして、短絡が発生すると、その短絡部の周辺では熱が発生し、短絡部の周辺で発生した熱によって電解液成分が分解され、ケース内にガスが発生する。すると、ケース内の圧力が上昇して圧力開放弁が開裂するが、圧力開放弁からケース外へガスが放出される際、高圧のガスによって電極の一部が削られ、そのままガスに乗ってケースの外部に飛び散る虞がある。

本発明は、釘刺し試験時、開裂した圧力開放弁から電極の一部が飛散することを抑制できる蓄電装置を提供することにある。

上記問題点を解決するための蓄電装置は、異なる極性の電極がセパレータによって絶縁された状態で層状に構成された電極組立体と、電解液と、前記電極組立体及び電解液を収容するケースと、前記電極組立体の積層方向に積層された複数枚のシート部材と、前記ケースの壁部に存在し、前記ケース内の圧力が開放圧に達した場合に開裂し、ケース内の圧力をケース外に開放させる圧力開放弁と、を有する蓄電装置であって、複数枚の前記シート部材を積層方向に貫通し、かつ前記シート部材の面方向に延在する排気通路を有し、前記排気通路におけるガス流通方向の下流端は、前記圧力開放弁に向けて開口していることを要旨とする。

これによれば、蓄電装置の評価試験の一つである釘刺し試験が行われると、ケースから電極組立体の積層方向に沿って刺さった釘によって、異なる極性の電極同士の間のセパレータが破断し、異なる極性の電極同士がケース内において短絡する。そして、短絡が発生すると、その短絡部の周辺では熱が発生し、短絡部の周辺で発生した熱によって電解液成分が分解され、ケース内にガスが発生する。すると、ケース内の圧力が上昇して圧力開放弁が開裂する。また、短絡部で発生したガスは、広い空間となっている排気通路に向かって積層方向に沿って流れる。そして、ガスは排気通路に沿って上昇し、排気通路の下流端から圧力開放弁に向けて流れ、開裂した圧力開放弁を介してケース外へ放出される。すなわち、短絡部付近で発生した高圧のガスを排気通路で集約させ、纏めて排気通路で上昇させることができる。このため、短絡部付近で発生したガスが、纏まらず、そのまま短絡部の至るところから電極組立体内を上昇する場合と比べると、高圧のガスに曝される電極が減ることになる。その結果、釘刺し試験時に、発生した高圧のガスによって削られる電極が減り、電極の一部がケースの外部に飛び散ることを抑制できる。

また、蓄電装置について、前記排気通路におけるガス流通方向の上流端が、前記電極の中央部に開口していてもよい。
これによれば、釘刺し試験では、釘は電極の中央部付近に刺さり、短絡部は電極の中央部で発生する。排気通路におけるガス流通方向の上流端を短絡部付近で開口させることで、発生したガスが排気通路に速やかに流れ込む。このため、短絡部で発生したガスを、排気通路を介して速やかに圧力開放弁へ流すことができる。

また、蓄電装置について、前記排気通路は、前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する端面と該端面に対向した前記ケースの側壁との間に存在していてもよい。
これによれば、釘は、最初に電極組立体の積層方向の端に刺さる。このため、ガスは、電極組立体の積層方向の端で最初に発生する。そして、積層方向の端に排気通路が存在するため、発生したガスを排気通路へ速やかに流すことができる。

蓄電装置は二次電池である。

本発明によれば、釘刺し試験時、開裂した圧力開放弁から電極の一部が飛散することを抑制できる。

実施形態の二次電池を示す分解斜視図。 実施形態の二次電池の外観を示す斜視図。 電極組立体及び厚み調整部材を示す分解斜視図。 厚み調整部材と一体化された電極組立体を示す斜視図。 二次電池内を示す断面図。 釘刺し試験を示す部分断面図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。
図１及び図２に示すように、二次電池１０はリチウムイオン二次電池であり、その外郭を構成する金属製のケース１１を有する。ケース１１は、一面に開口部１２ａを備える有底直方体状の容器１２と、開口部１２ａを塞ぐ蓋１３とを有する。容器１２は、長方形状の底板１２ｂと、底板１２ｂの対向する一対の短側縁から立設された短側壁１２ｃと、底板１２ｂの対向する一対の長側縁から立設された長側壁１２ｄとを有する。ケース１１には、電極組立体１４及び電解液（図示略）が収容されている。電極組立体１４は、容器１２の内部空間が直方体形状であることに対応させて、全体として直方体形状である。なお、容器１２の内面には絶縁フィルム１５が設けられている。

二次電池１０は、ケース１１の壁部としての蓋１３に圧力開放弁２０を備える。圧力開放弁２０は、ケース１１内の圧力が上昇し過ぎないように、ケース１１内の圧力が所定の圧力である開放圧に達した場合に開裂し、ケース１１内の圧力をケース１１外に開放させる。圧力開放弁２０の開放圧は、ケース１１自体や容器１２と蓋１３との接合部に亀裂や破断などが生じる前に開裂し得る圧力に設定されている。そして、圧力開放弁２０は、蓋１３の板厚よりも薄い薄板状の弁体２０ａを有する。弁体２０ａは、蓋１３の表面に凹設された凹部１３ｂの底に位置しており、蓋１３と一体的に成形されている。圧力開放弁２０は、弁体２０ａ上の表面がケース１１の蓋１３の表面の一部となっている。また、圧力開放弁２０は、弁体２０ａの表面に開裂溝２０ｂを有する。弁体２０ａは、蓋１３の中央部に位置している。

図３に示すように、電極組立体１４は、矩形シート状の正極電極２１、及び矩形シート状の負極電極２２と、樹脂製にて、電気伝導に係るイオン（リチウムイオン）が通過可能な多孔質膜で形成されたセパレータ２３とを備えている。正極電極２１は、矩形状の正極用金属箔（本実施形態ではアルミニウム箔）２１ａと、その正極用金属箔２１ａの両面（表面）に設けられた矩形状の正極活物質層２１ｂと、を有する。正極電極２１は、一方の長辺に第１の辺２１ｃを備える。正極電極２１は、第１の辺２１ｃの一部から突出する形状の正極集電タブ４１を備える。正極電極２１は、第１の辺２１ｃの対辺となる長辺に第２の辺２１ｄを備える。さらに、正極電極２１は、第１の辺２１ｃの一端と第２の辺２１ｄの一端を繋ぐ短辺に第３の辺２１ｅを備えるとともに、第１の辺２１ｃの他端と第２の辺２１ｄの他端を繋ぐ短辺に第４の辺２１ｆを備える。

負極電極２２は、矩形状の負極用金属箔（本実施形態では銅箔）２２ａと、その負極用金属箔２２ａの両面（表面）に設けられた矩形状の負極活物質層２２ｂと、を有する。負極電極２２は、一方の長辺に第１の辺２２ｃを備える。負極電極２２は、第１の辺２２ｃの一部から突出する形状の負極集電タブ４２を備える。負極電極２２は、第１の辺２２ｃの対辺となる長辺に第２の辺２２ｄを備える。さらに、負極電極２２は、第１の辺２２ｃの一端と第２の辺２２ｄの一端を繋ぐ短辺に第３の辺２２ｅを備えるとともに、第１の辺２２ｃの他端と第２の辺２２ｄの他端を繋ぐ短辺に第４の辺２２ｆを備える。

図１に示すように、電極組立体１４は、積層方向の両側に、矩形状の端面４４を有し、各端面４４は、負極電極２２によって構成されている。また、電極組立体１４は、正極電極２１の第１の辺２１ｃ、負極電極２２の第１の辺２２ｃ、及びそれら第１の辺２１ｃ，２２ｃに沿うセパレータ２３の一辺が集まったタブ側端面３６を有する。電極組立体１４は、正極電極２１の第２の辺２１ｄ、負極電極２２の第２の辺２２ｄ、及びそれら第２の辺２１ｄ，２２ｄに沿うセパレータ２３の一辺が集まった底面３７を有する。また、電極組立体１４は、端面４４に繋がる四つの面のうち、タブ側端面３６及び底面３７を除く面に側面３８を有する。電極組立体１４の一方の側面３８は、正極電極２１の第３の辺２１ｅ、負極電極２２の第３の辺２２ｅ、及びそれら第３の辺２１ｅ，２２ｅに沿うセパレータ２３の一辺が集まって形成されている。電極組立体１４の他方の側面３８は、正極電極２１の第４の辺２１ｆ、負極電極２２の第４の辺２２ｆ、及びそれら第４の辺２１ｆ，２２ｆに沿うセパレータ２３の一辺が集まって形成されている。

図１及び図４に示すように、正極電極２１と、負極電極２２と、セパレータ２３は、正極集電タブ４１が積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極集電タブ４１と重ならない位置にて負極集電タブ４２が積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。そして、電極組立体１４のタブ側端面３６に正極集電タブ４１及び負極集電タブ４２が位置している。タブ側端面３６では、各正極集電タブ４１及び各負極集電タブ４２は、電極組立体１４における積層方向の一端から他端までの範囲内で集められた（束ねられた）状態で折り曲げられている。各正極集電タブ４１が重なっている箇所を溶接することによって各正極集電タブ４１が電気的に接続されるとともに、正極集電タブ４１に正極導電部材６１が接続されている。正極導電部材６１には、電極組立体１４から電気を取り出すための正極端子５１が接続されている。

同様に、各負極集電タブ４２が重なっている箇所を溶接することによって各負極集電タブ４２が電気的に接続されるとともに、負極集電タブ４２に負極導電部材６２が接続されている。負極導電部材６２には、電極組立体１４から電気を取り出すための負極端子５２が接続されている。正極端子５１及び負極端子５２は蓋１３を貫通してケース１１外に突出するとともに、正極端子５１及び負極端子５２は絶縁リング１３ａによって蓋１３から絶縁されている。

容器１２において、電極組立体１４を挟んで対向する一対の長側壁１２ｄの絶縁フィルム１５間の最短距離を容器１２の内寸とすると、電極組立体１４の積層方向の長さは、容器１２の内寸より僅かに小さい。これは、正極電極２１と、負極電極２２と、セパレータ２３とを所定枚数積層する際に、実際の厚みが製造公差の最大値を取っても、電極組立体１４がケース１１内に収まるように、各々の厚みが設定されていることによる。

電極組立体１４の両方の端面４４と、各端面４４に対向する側壁としての長側壁１２ｄ（絶縁フィルム１５）との間には、シート部材としての厚み調整部材５０が介装されている。厚み調整部材５０は、所定の厚みの樹脂製のフィルムである。厚み調整部材５０は、電極組立体１４の積層方向の長さに対応し、複数枚が重ねられる。

図４に示すように、電極組立体１４では、多数の正極電極２１と負極電極２２とセパレータ２３と複数枚の厚み調整部材５０とが、複数の保持テープ４５により、相互に固定されている。そして、厚み調整部材５０を用いることで、電極組立体１４と厚み調整部材５０を合わせた積層方向への長さが、予め決められた所定の値の範囲内に調整されている。

図３に示すように、各厚み調整部材５０は、セパレータ２３の外形に沿う形状である。厚み調整部材５０は、正極電極２１の第１の辺２１ｃ及び負極電極２２の第１の辺２２ｃに沿う第１の辺５０ａを備えるとともに、正極電極２１の第２の辺２１ｄ、及び負極電極２２の第２の辺２２ｄに沿う第２の辺５０ｂを備える。また、厚み調整部材５０は、正極電極２１の第３の辺２１ｅ、及び負極電極２２の第３の辺２２ｅに沿う第３の辺５０ｃを備えるとともに、正極電極２１の第４の辺２１ｆ、及び負極電極２２の第４の辺２２ｆに沿う第４の辺５０ｄを備える。厚み調整部材５０の第１の辺５０ａは、タブ側端面３６に沿う面上に存在し、蓋１３に対向している。

図１に示すように、厚み調整部材５０は、蓋１３に対向した第１の辺５０ａから、第２の辺５０ｂに向けて凹む通路形成部５０ｆを備える。通路形成部５０ｆは、厚み調整部材５０を厚み方向に貫通し、かつ厚み調整部材５０の面方向に延在した形状である。また、通路形成部５０ｆの一端は第１の辺５０ａの中間で開口し、他端は厚み調整部材５０の中央部に位置している。通路形成部５０ｆは、厚み調整部材５０の第１の辺５０ａと中央部との間を一定幅で真っ直ぐに延びる形状である。

二次電池１０は、通路形成部５０ｆを積層方向に複数重ねて形成された排気通路６０を備え、この排気通路６０は、複数枚の厚み調整部材５０を厚み方向に貫通し、かつ厚み調整部材５０の面方向に延在する形状である。

図５に示すように、排気通路６０の一端は、電極組立体１４の上端面（タブ側端面３６）で開口し、排気通路６０の他端は、電極組立体１４の端面４４の中央部に開口している。電極組立体１４の端面４４の中央部は、正極電極２１及び負極電極２２の中央部でもあるため、排気通路６０の他端は、正極電極２１及び負極電極２２の中央部に開口していることになる。

排気通路６０には、電極組立体１４の短絡時に発生したガスが流れ込む。ガスは上昇するため、排気通路６０におけるガス流通方向Ｇの下流端は、電極組立体１４の上端面となるタブ側端面３６で開口し、そのタブ側端面３６が対向する蓋１３の圧力開放弁２０に向けて開口している。また、排気通路６０におけるガス流通方向Ｇの上流端は、正極電極２１及び負極電極２２の中央部となる電極組立体１４の端面４４の中央部で開口している。

二次電池１０において、厚み調整部材５０が、電極組立体１４の両方の端面４４と、各長側壁１２ｄとの間に介装されていることから、排気通路６０は、電極組立体１４の端面４４と長側壁１２ｄとの間に介在する。

次に、二次電池１０の作用を効果とともに記載する。
さて、図６に示すように、釘刺し試験を行うため、いずれかの長側壁１２ｄに釘Ｆを刺すと、その釘Ｆは、電極組立体１４の端面４４の中央部に刺さり、正極電極２１、負極電極２２、及びセパレータ２３の中央部に刺さる。すると、釘Ｆを介して正極電極２１と負極電極２２の間のセパレータ２３が破断又は溶融し、正極電極２１と負極電極２２とがケース１１内において短絡する。このとき、釘Ｆは、排気通路６０におけるガス流通方向の上流端付近に刺さる。

電極組立体１４で短絡が生じると、その短絡部の周辺では熱が発生し、ガスの発生による二次電池１０内の圧力上昇が生じる。そして、ケース１１の内部圧力が圧力開放弁２０の開放圧に達すると、圧力開放弁２０の弁体２０ａが開裂溝２０ｂから開裂し、ケース１１内のガスがケース１１外に放出される。

また、短絡部で発生した高圧のガスは、図６の矢印Ｙに示すように、広い空間となっている排気通路６０に向かって釘Ｆに沿いながら積層方向に流れ、排気通路６０に集中する。そして、高圧のガスは、纏まって排気通路６０を上昇して、開裂した圧力開放弁２０からケース１１外へ放出される。

よって、短絡部付近で発生したガスが、纏まらず、そのまま電極組立体１４内を上昇する場合と比べると、排気通路６０を設けたことで、高圧のガスに曝される正極電極２１及び負極電極２２の数が減る。その結果として、正極電極２１や負極電極２２の一部が高圧のガスによって削られることが抑制され、ケース１１の外部へのガス放出に伴い電極の一部が飛び散ることを抑制できる。

そして、排気通路６０は、ガス流通方向Ｇの上流端が電極組立体１４の端面４４の中央部に開口している。このため、釘刺し試験において、電極組立体１４の端面４４の中央部に釘Ｆが刺さり、ガスが発生すると、そのガスを釘Ｆに沿って排気通路６０へ速やかに流れ込ませることができる。よって、高圧のガスに曝される正極電極２１や負極電極２２を減らすことができる。

加えて、排気通路６０は、電極組立体１４の各端面４４と各長側壁１２ｄとの間に存在する。釘刺し試験時、ガスは、釘Ｆが最初に刺さる端面４４付近で最初に発生する。このため、ガスが最初に発生する場所の直近に排気通路６０が存在することになり、発生したガスを排気通路６０へ速やかに流すことができる。

また、排気通路６０は、厚み調整部材５０の通路形成部５０ｆを積層して形成されている。厚み調整部材５０は、電極組立体１４と厚み調整部材５０を合わせた積層方向への長さが、予め決められた所定の値の範囲内に調整するための部材である。よって、厚み調整部材５０は、二次電池１０の性能に寄与しない部材である。したがって、二次電池１０の性能を変化させずに、また、部品点数を増やすことなく、ケース１１内に排気通路６０を設けることができる。

そして、排気通路６０は、各厚み調整部材５０の通路形成部５０ｆを積層して形成されているため、厚み調整部材５０の積層枚数が異なっても、排気通路６０を形成することができる。

厚み調整部材５０は、保持テープ４５によって電極組立体１４に一体化されている。このため、厚み調整部材５０によって形成された排気通路６０も電極組立体１４に一体に設けることができ、電極組立体１４から発生したガスを排気通路６０に向けて流れやすくすることができる。

厚み調整部材５０は、電極組立体１４の積層方向の両側に配置されており、排気通路６０も電極組立体１４の積層方向の両側に存在する。このため、電極組立体１４の積層方向のいずれから釘Ｆが刺さっても、排気通路６０にガスが流れ、正極電極２１及び負極電極２２が高圧のガスに曝されることを抑制できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 厚み調整部材５０は、電極組立体１４の端面４４と長側壁１２ｄとの間に介装されておらず、電極組立体１４の積層方向の途中に介装され、この積層方向途中にある複数枚の厚み調整部材５０の通路形成部５０ｆを積層して排気通路６０を設けてもよい。

このように構成した場合、短絡部付近で発生した高圧のガスは、積層方向に沿って排気通路６０に向かって流れ、排気通路６０で集約し、纏まって上昇する。このため、高圧のガスに曝される正極電極２１及び負極電極２２が減ることになる。その結果、釘刺し試験時に、発生した高圧のガスによって削られる正極電極２１及び負極電極２２が減り、それらの一部がケース１１の外部に飛び散ることを抑制できる。

○ 実施形態では、シート部材を電極組立体１４の積層方向への寸法を調整する厚み調整部材５０に具体化したが、シート部材は、電極組立体１４と容器１２とを絶縁する絶縁シートであってもよいし、電極組立体１４と長側壁１２ｄとの間に介在する短絡用電極であってもよい。

○ 排気通路６０におけるガス流通方向Ｇの上流端を、電極組立体１４の端面４４の中央部に開口させたが、排気通路６０の上流端の開口する場所は、釘刺し試験で設定された釘Ｆの刺さる場所に合わせて変更してもよい。この場合、排気通路６０におけるガス流通方向Ｇの下流端を、圧力開放弁２０が位置する蓋１３に対向した縁（第１の辺５０ａ）に開口させ、排気通路６０を、その上流端から下流端まで真っ直ぐに延びる形状とする。

○ 厚み調整部材５０の枚数は、端面４４と長側壁１２ｄとの寸法に合わせて適宜変更してもよい。厚み調整部材５０の積層枚数に合わせて、排気通路６０の流路断面積が変更される。

○ 実施形態では、通路形成部５０ｆの一端を厚み調整部材５０の第１の辺５０ａで開口させ、排気通路６０におけるガス流通方向Ｇの下流端を電極組立体１４の上端面（タブ側端面３６）で開口させたが、これに限らない。通路形成部５０ｆの一端を厚み調整部材５０の第１の辺５０ａで開口させず、厚み調整部材５０の面内で開口させ、排気通路６０におけるガス流通方向Ｇの下流端を電極組立体１４における端面４４内で開口させてもよい。この場合、例えば、排気通路６０におけるガス流通方向Ｇの下流端に対向した位置となる長側壁１２ｄに圧力開放弁２０を設けてもよいし、蓋１３に圧力開放弁２０を設けてもよい。

○ 実施形態では、通路形成部５０ｆの一端を厚み調整部材５０の第１の辺５０ａで開口させ、排気通路６０におけるガス流通方向Ｇの下流端を電極組立体１４の上端面（タブ側端面３６）で開口させたが、これに限らない。通路形成部５０ｆの一端を、厚み調整部材５０の第３の辺５０ｃや第４の辺５０ｄで開口させ、排気通路６０におけるガス流通方向Ｇの下流端を、電極組立体１４の側面３８で開口させてもよい。

○ 電極組立体１４を構成する正極電極２１、及び負極電極２２の枚数は適宜変更してもよい。
○ 厚み調整部材５０は、電極組立体１４の片方の端面４４と長側壁１２ｄとの間だけに介在し、排気通路６０が電極組立体１４の片方の端面４４と長側壁１２ｄとの間だけに存在していてもよい。

○ 電極組立体は、１枚の帯状の正極電極と１枚の帯状の負極電極とをセパレータで絶縁した状態で捲回軸を中心に捲回した捲回型であってもよい。
○ 蓄電装置は、電気二重層キャパシタ等の他の蓄電装置であってもよい。

○ 実施形態では、二次電池１０はリチウムイオン二次電池であったが、これに限られず、ニッケル水素等の他の二次電池であってもよい。要は、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記シート部材は、前記電極組立体の積層方向への寸法を調整する厚み調整部材である蓄電装置。

Ｇ…ガス流通方向、１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２ｄ…側壁としての長側壁、１３…壁部としての蓋、１４…電極組立体、２０…圧力開放弁、２１…正極電極、２２…負極電極、２３…セパレータ、４４…端面、５０…シート部材としての厚み調整部材、６０…排気通路。

Claims (4)

1. 異なる極性の電極がセパレータによって絶縁された状態で層状に構成された電極組立体と、
   電解液と、
   前記電極組立体及び電解液を収容するケースと、
   前記電極組立体の積層方向に積層された複数枚のシート部材と、
   前記ケースの壁部に存在し、前記ケース内の圧力が開放圧に達した場合に開裂し、ケース内の圧力をケース外に開放させる圧力開放弁と、を有する蓄電装置であって、
   複数枚の前記シート部材を積層方向に貫通し、かつ前記シート部材の面方向に延在する排気通路を有し、
   前記排気通路におけるガス流通方向の下流端は、前記圧力開放弁に向けて開口していることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記排気通路におけるガス流通方向の上流端が、前記電極の中央部に開口している請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記排気通路は、前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する端面と該端面に対向した前記ケースの側壁との間に存在する請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記蓄電装置は二次電池である請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。

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