JP3734210B2

JP3734210B2 - Sealed battery

Info

Publication number: JP3734210B2
Application number: JP01865799A
Authority: JP
Inventors: 裕司四月朔日; 清秀滝本; 遠藤　　隆之
Original assignee: Ｎｅｃトーキン栃木株式会社
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: JP2000223102A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型電池に関し、とくに内部圧力の増大の際に圧力を開放する圧力開放弁を有するリチウムイオン電池等の密閉型電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小型の電子機器が広く使われており、これらの電源として電池が用いられている。携帯電話、ノート型パソコン、カメラ一体型ビデオレコーダ等の電源としては、小型で大容量の密閉型電池であるリチウムイオン二次電池等の非水電解液電池が用いられている。
【０００３】
これらの電池では、充放電時に異常な電池反応が進むと、電池内部で圧力が上昇し、電池の爆発、燃焼等の事態が発生する可能性がある。そこで、充放電時の過大な電流、電池の過充電、過放電等を検出し、電流を遮断する等の保護回路が設けられている。
【０００４】
ところが、これらの保護回路が正常に動作しない場合や、電池が予期し得ない異常な状態で使用された場合には、電池内部の発電要素の化学反応によって気体が発生し、電池内部の圧力が上昇し、電池の発熱、発煙、発火等がおこり、最悪の場合には、破裂、爆発等の危険が生じる。
【０００５】
特に、昨今の密閉型電池の小型大容量化に伴い、電池内部に蓄えられるエネルギー量も格段と大きくなり、異常な電池反応が発生すると異常反応は急激に進むために、異常反応の早い段階、すなわちより低い圧力で電池内部の圧力を開放し、より穏やかな状態で危険を回避することが求められている。そこで、これらの電池には内部圧力の上昇の際に内部圧力を開放する圧力開放弁が設けられている。
【０００６】
図３は、圧力開放弁を有する電池を説明する図である。
図３は、角型電池１の上部を示す図であり、圧力開放弁を電池の上部に設けた例を説明する図である。角型電池１においては、一般に電池缶２の上部の開口部に、電流取り出し端子３等を設けた電極ヘッダ４を溶接して電池を作製しており、電極ヘッダ４には、電池内部の圧力上昇時に圧力を開放する圧力開放弁５を設けている。
【０００７】
図４は、電極ヘッダに設ける圧力開放弁を説明する図である。
圧力開放弁は、電極ヘッダの他の部分よりも厚さが薄い金属で構成されており、図４（Ａ）の電極ヘッダ４の圧力開放弁５は、電極ヘッダの構成部材よりも厚みが薄い面状薄肉部５ａを設けたものである。面状薄肉部５ａは、電極ヘッダの一部の厚みを薄くするか、あるいは厚みの薄い金属を電極ヘッダに設けた開口部に溶接あるいはかしめ等によって密着させて製造されている。
図４（Ｂ）ないし図４（Ｅ）は、いずれも溝状の薄肉部を設けたものであり、図４（Ａ）と同様に電極ヘッダと一体にあるいは電極ヘッダに溶接等の手段で取り付けられている。図４（Ｂ）は、対角線状薄肉部５ｂを設けたものであり、図４（Ｃ）は、コの字状薄肉部５ｃを設けたものである。また、図４（Ｄ）は、放射状薄肉部５ｄを設けたものであり、図４（Ｅ）は、馬蹄状薄肉部５ｅを設けたものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の電池の圧力開放弁は、いずれも圧力開放弁の面に垂直な方向から作用する電池内部の圧力によって薄肉部が開裂するものであるので、比較的低い圧力で開裂させるためには、薄肉部の厚さを薄くすることが必要であった。薄肉部の厚さが薄くなると、強度が小さくなり通常時の圧力の保持にも問題を生じたり、異物との接触によって開孔が生じる等の可能性もあるので、薄肉部の周上を保護樹脂を塗布、充填して補強する必要があり、圧力の増大時の開裂の応答が早く、しかも充分な強度を有し、簡便で安価な圧力開放弁を有する密閉型電池を提供することが求められていた。
【０００９】
とくに、電池の上部の面積が小さな薄型の角型電池においては、圧力開放弁が占める面積の割合が大きなものとなるので、圧力開放弁によって電池の強度が小さくなることを防止することが重要であり、開裂が速やかに起こり、強度が低下することがない圧力開放弁を有する密閉型電池を提供することが求められていた。
【課題を解決するための手段】
本発明は、開裂により電池内部の圧力を開放する圧力開放弁を有する密閉型電池において、面積が大きな面と面積が小さな面との接合部の近傍の面積が小さな面に圧力開放弁を有し、圧力開放弁は作動時に開裂する溝部を有し、作動時に開裂する溝部は、面積が大きな面の変形による変形力が作用する位置に設けた密閉型電池である。
圧力開放弁を形成する開裂する溝部は、幅が小さな側の接合部に平行であって、小さな幅に対して接合部から２０％以下の距離に形成したものである前記の密閉型電池である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、角型電池のような密閉型電池にあっては、内部圧力が増大すると、圧力は均等に各面に作用するとともに、圧力開放弁を設けた面と接合した面積の大きな面が圧力の増大の結果、膨らみを生じることとなり、膨らみによる変形力が圧力開放弁を設けた面にも作用して圧力開放弁の溝部を開裂する力として作用することを見出したものである。
【００１１】
すなわち、図４に示したように、従来の圧力開放弁は、いずれも薄肉部が開裂する作用は、圧力開放弁の面に垂直な方向から印加される圧力を利用したものであり、圧力開放弁を設けた面と接合した面積が大きな面の変形を利用したものはなかった。
【００１２】
ところが、薄型の角型電池においては、電池内部の圧力の上昇によって一般には、電池の側面である面積が大きな部分が膨らみ、その結果、面積が大きな部分と垂直に交わる面にも、膨らみによる変形力が作用する。この変形力を利用するならば内部圧力の上昇によって圧力開放弁に作用する圧力とともに、変形力を圧力開放弁の開裂に利用することができるので、圧力開放弁の面に垂直方向から作用する圧力のみでは開裂しないような圧力であっても開裂可能であることを見出したものである。
【００１３】
以下に、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例を説明する図であり、角型電池の上部を示す図である。
角型電池１は、電池缶２内に発電要素を収容した後に上部の開口部に、電流取り出し端子３等を設けた電極ヘッダ４をレーザー溶接等の方法によって溶接し、電池缶の上部の開口部を密閉した後に、電解液注入口６から電解液を注入した後に、電解液注入口を封止して密閉型電池としている。
【００１４】
電池缶内の圧力が上昇すると、電極ヘッダ４に設けた圧力開放弁５の面に垂直な方向から圧力が加わると共に、面積が大きな側面７に加わる圧力によって、面積が大きな側面７が外側へ膨らむ力８が作用し、両者の力の相乗効果によって圧力開放弁５の溝部９が開裂することとなる。
面積が大きな側面に加わる圧力による変形によって作用する力は、電極ヘッダ４の面において一様ではなく、電極ヘッダの面と面積が大きな側面との接合部１０の近傍であるほど大きな影響を受ける。したがって、電極ヘッダ４に設ける圧力開放弁は、面積が大きな側面との接合部の近傍に設ける方がより小さな圧力によって開裂させることができる。
【００１５】
圧力開放弁の溝部は、面積が大きな面の膨張による変形が作用する位置に設けることが必要であり、圧力開放弁の開裂する部位をコの字状の溝部で形成する場合には、溝の位置は面積が大きな面と圧力開放弁を設けた電極ヘッダの接合部のごく近傍に設ける方が、変形力が大きく作用するので好ましい。
【００１６】
具体的には、圧力開放弁を形成する開裂する溝部は、幅が小さな側の接合部に平行であって、小さな幅に対して接合部から２０％以下の距離に形成したものであることが好ましく、１５％以下のすることがより好ましく、１３％以下とすることがさらに好ましい。
例えば、電極ヘッダと電池缶を溶接するレーザースポットの直径が０．５ｍｍの場合には、電極ヘッダ端面から溝部端面までの距離を１．０ｍｍとすることが挙げられる。
【００１７】
本発明の密閉型電池に使用することができる圧力開放弁の薄肉部は、エッチング、プレス加工等によって製造することができる。プレス加工による方法は製造が容易であり、電極ヘッダの構成部材と一体に構成することが可能となる。
【００１８】
また、プレス加工等のような金属材料の組織に影響を与える可能性のある方法では、金属組織の硬化等が生じるためにエッチングした場合に比べて開裂には大きな力を要する場合があるが、そのような場合には、焼鈍処理を行っても良い。
【００１９】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を示し、本発明を説明する。
実施例１
縦６ｍｍ、横３０ｍｍ、高さ４８ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの、ニッケル層を具備した圧延鋼板（ＳＰＣＣ材）製の電池缶に、炭素質材料の組成物を塗布した負極板とマンガン酸リチウムを含む組成物を塗布した正極板をセパレータを介して巻回した発電要素を収容した。また、厚さ０．５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の電極ヘッダを図２に示した。
図２（Ａ）に平面図を示し、図２（Ｂ）に、図２（Ａ）のＡ−Ａ線で切断した拡大した断面図を示す。圧力開放弁のコの字状の溝部の接合部からの距離ａを０．８ｍｍ、距離ｂを７ｍｍ、距離ｃを４ｍｍとするとともに、溝の幅ｄを０．５ｍｍ、深さｅを０．４５ｍｍとした。
このようなコの字状の溝状部をプレス加工によって圧力開放弁として作製した。電極ヘッダ、電池缶の底部に穴を具備した発電要素を収納しない空の電池缶を圧力試験用の試料１ないし試料５の電池とした。
圧力試験用の試料１ないし試料５の電池を、それぞれの試料に油を注入して昇圧し、圧力開放弁が開裂して内部の圧力が開放される圧力を測定し、測定結果を表１に示す。圧力の単位はいずれもｋｇ／ｃｍ² である。
【００２０】
【表１】

【００２１】
比較例１
圧力開放弁のコの字状の溝の位置を図２（Ａ）において、ａで示す距離を１．３ｍｍに変更した点を除き、実施例１と同様にして比較試料１ないし５の圧力測定用の試料を製造し、実施例１と同様に圧力開放弁の開裂する圧力を測定し、測定結果を表２に示す。圧力の単位はいずれもｋｇ／ｃｍ² である。
【００２２】
【表２】

【００２３】
【発明の効果】
本発明の圧力開放弁は、圧力開放弁を設ける面と面積が大きな面との接合部の近傍に設けたので、内部圧力の増大による面積が大きな面の変形による変形力が作用するので、単に圧力開放弁の面に垂直な方向からの圧力のみによる圧力開放弁に比べてほぼ半分の圧力によって開裂するので、通常使用時の強度の保持特性を従来水準に維持するとともに電池内部の異常反応が発生した場合は、低い圧力での開裂特性を有する密閉型電池を簡便に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例を説明する図である。
【図２】図２は、本発明の圧力開放弁を設けた位置を説明する図である。
【図３】図３は、圧力開放弁を有する電池を説明する図である。
【図４】図４は、電極ヘッダに設ける圧力開放弁を説明する図である。
【符号の説明】
１…角型電池、２…電池缶、３…電流取り出し端子、４…電極ヘッダ、５…圧力開放弁、５ａ…面状薄肉部、５ｂ…対角線状薄肉部、５ｃ…コの字状薄肉部、５ｄ…放射状薄肉部、５ｅ…馬蹄状薄肉部、６…電解液注入口、７…面積が大きな側面、８…外側へ膨らむ力、９…溝部、１０…接合部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sealed battery, and more particularly to a sealed battery such as a lithium ion battery having a pressure release valve that releases pressure when the internal pressure increases.
[0002]
[Prior art]
Small electronic devices are widely used, and batteries are used as these power sources. Non-aqueous electrolyte batteries such as lithium-ion secondary batteries, which are small, large-capacity sealed batteries, are used as power sources for mobile phones, notebook computers, camera-integrated video recorders, and the like.
[0003]
In these batteries, if an abnormal battery reaction proceeds during charging / discharging, the pressure increases inside the battery, and there is a possibility that a situation such as explosion or combustion of the battery may occur. Therefore, a protection circuit for detecting an excessive current at the time of charge / discharge, battery overcharge, overdischarge, etc., and cutting off the current is provided.
[0004]
However, when these protection circuits do not operate normally or when the battery is used in an unexpected and abnormal state, gas is generated by the chemical reaction of the power generation element inside the battery, and the pressure inside the battery is reduced. As the battery rises, the battery generates heat, emits smoke, ignites, and the like, and in the worst case, dangers such as explosion and explosion occur.
[0005]
In particular, along with the recent increase in the size and capacity of sealed batteries, the amount of energy stored inside the battery also increases dramatically, and when an abnormal battery reaction occurs, the abnormal reaction proceeds rapidly. That is, it is required to release the pressure inside the battery at a lower pressure and avoid danger in a more gentle state. Therefore, these batteries are provided with a pressure release valve that releases the internal pressure when the internal pressure increases.
[0006]
FIG. 3 is a diagram illustrating a battery having a pressure release valve.
FIG. 3 is a diagram showing the upper part of the prismatic battery 1, and is a diagram for explaining an example in which a pressure release valve is provided on the upper part of the battery. In the square battery 1, a battery is generally manufactured by welding an electrode header 4 provided with a current extraction terminal 3 or the like to an opening at the top of a battery can 2, and the electrode header 4 includes a pressure inside the battery. A pressure release valve 5 is provided to release the pressure when the pressure rises.
[0007]
FIG. 4 is a diagram illustrating a pressure release valve provided in the electrode header.
The pressure release valve is made of a metal that is thinner than the other parts of the electrode header, and the pressure release valve 5 of the electrode header 4 in FIG. 4A is thinner than the constituent members of the electrode header. A planar thin portion 5a is provided. The planar thin portion 5a is manufactured by thinning a part of the electrode header, or by attaching a thin metal to an opening provided in the electrode header by welding or caulking.
4 (B) to 4 (E) are all provided with a groove-like thin portion, and are attached to the electrode header or by welding or the like, as in FIG. 4 (A). It has been. FIG. 4B shows a diagonal thin-walled portion 5b, and FIG. 4C shows a U-shaped thin-walled portion 5c. FIG. 4 (D) is provided with a radial thin portion 5d, and FIG. 4 (E) is provided with a horseshoe-like thin portion 5e.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, since all of the conventional battery pressure release valves are those in which the thin wall portion is cleaved by the pressure inside the battery acting from the direction perpendicular to the surface of the pressure release valve, in order to cleave at a relatively low pressure. It was necessary to reduce the thickness of the thin part. If the thickness of the thin part is reduced, the strength will be reduced and there will be a problem in maintaining normal pressure, or there may be holes due to contact with foreign matter, so the circumference of the thin part is protected. There is a need to provide a sealed battery that has a pressure release valve that has a simple and inexpensive pressure relief valve that requires a resin to be applied, filled, and reinforced. It was done.
[0009]
In particular, in a thin prismatic battery with a small area at the top of the battery, the ratio of the area occupied by the pressure release valve is large, so it is important to prevent the battery from being reduced in strength by the pressure release valve. There has been a need to provide a sealed battery having a pressure release valve in which cleavage occurs quickly and strength does not decrease.
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a sealed battery having a pressure release valve that releases pressure inside the battery by cleavage, and has a pressure release valve on a surface having a small area in the vicinity of a joint between a surface having a large area and a surface having a small area. The pressure release valve has a groove portion that is cleaved during operation, and the groove portion that is cleaved during operation is a sealed battery provided at a position where a deformation force due to deformation of a surface having a large area acts.
The groove to be cleaved that forms the pressure release valve is the above sealed battery that is parallel to the joint portion on the smaller width side and formed at a distance of 20% or less from the joint portion with respect to the small width. .
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the present invention, in a sealed battery such as a prismatic battery, when the internal pressure increases, the pressure acts uniformly on each surface, and the surface with a large area joined to the surface provided with the pressure release valve As a result of the increase in pressure, bulging occurs, and it has been found that the deformation force caused by the bulging acts on the surface on which the pressure release valve is provided and acts as a force for cleaving the groove of the pressure release valve.
[0011]
That is, as shown in FIG. 4, in the conventional pressure release valve, the action of the thin-walled portion rupturing is based on the pressure applied from the direction perpendicular to the surface of the pressure release valve. None of them utilized the deformation of the surface with a large area joined to the surface provided with the valve.
[0012]
However, in a thin prismatic battery, generally, a large area that is the side surface of the battery swells due to an increase in the pressure inside the battery, and as a result, the surface perpendicular to the large area also deforms due to the bulge. Force acts. If this deformation force is used, the pressure acting on the pressure release valve along with the pressure acting on the pressure release valve due to the increase of the internal pressure can be used for the cleavage of the pressure release valve. It has been found that it can be cleaved even at a pressure that does not cleave by itself.
[0013]
Hereinafter, description will be given with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention and showing an upper part of a prismatic battery.
In the rectangular battery 1, after the power generation element is accommodated in the battery can 2, the electrode header 4 provided with the current extraction terminals 3 and the like is welded to the upper opening by a method such as laser welding, and the upper opening of the battery can After sealing the part, the electrolyte solution is injected from the electrolyte solution inlet 6 and then the electrolyte solution inlet is sealed to form a sealed battery.
[0014]
When the pressure in the battery can rises, pressure is applied from a direction perpendicular to the surface of the pressure release valve 5 provided on the electrode header 4, and the large side surface 7 swells outward due to the pressure applied to the large side surface 7. The force 8 acts, and the groove portion 9 of the pressure release valve 5 is torn by the synergistic effect of both forces.
The force acting by the deformation due to the pressure applied to the side surface having a large area is not uniform on the surface of the electrode header 4 and is more greatly affected in the vicinity of the joint portion 10 between the surface of the electrode header and the side surface having a large area. Therefore, the pressure relief valve provided in the electrode header 4 can be cleaved by a smaller pressure when provided in the vicinity of the joint with the side surface having a large area.
[0015]
The groove part of the pressure release valve must be provided at a position where deformation due to expansion of the surface having a large area acts, and if the cleavage part of the pressure release valve is formed by a U-shaped groove part, It is preferable that the position is provided in the vicinity of the joint portion of the electrode header provided with the surface having a large area and the pressure release valve because the deformation force acts greatly.
[0016]
Specifically, the groove part to be cleaved forming the pressure release valve is parallel to the joint part on the small width side, and is formed at a distance of 20% or less from the joint part with respect to the small width. Preferably, it is 15% or less, more preferably 13% or less.
For example, when the diameter of the laser spot welding the electrode header and the battery can is 0.5 mm, the distance from the electrode header end surface to the groove end surface may be 1.0 mm.
[0017]
The thin portion of the pressure release valve that can be used in the sealed battery of the present invention can be manufactured by etching, pressing, or the like. The method by press working is easy to manufacture and can be configured integrally with the constituent members of the electrode header.
[0018]
In addition, in a method that may affect the structure of the metal material such as press working, the metal structure may be hardened and the like. In such a case, annealing treatment may be performed.
[0019]
【Example】
Examples of the present invention will be described below to explain the present invention.
Example 1
A negative electrode plate and a lithium manganate coated with a carbonaceous material composition on a battery can made of a rolled steel plate (SPCC material) having a nickel layer, 6 mm long, 30 mm wide, 48 mm high, and 0.25 mm thick. A power generation element in which a positive electrode plate coated with the composition containing the composition was wound through a separator was accommodated. An electrode header made of stainless steel (SUS304) having a thickness of 0.5 mm is shown in FIG.
FIG. 2A shows a plan view, and FIG. 2B shows an enlarged cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2A. The distance a from the joint of the U-shaped groove of the pressure release valve is 0.8 mm, the distance b is 7 mm, the distance c is 4 mm, the groove width d is 0.5 mm, and the depth e is 0. It was 45 mm.
Such a U-shaped groove portion was produced as a pressure release valve by press working. An empty battery can which does not contain a power generation element having a hole at the bottom of the electrode header and battery can was used as a battery of Sample 1 to Sample 5 for pressure test.
The batteries of Sample 1 to Sample 5 for pressure test were pressurized by injecting oil into each sample, the pressure at which the pressure release valve was opened and the internal pressure was released was measured, and the measurement results are shown in Table 1. Show. All units of pressure are kg / cm ² .
[0020]
[Table 1]

[0021]
Comparative Example 1
The pressure measurement of the comparative samples 1 to 5 was performed in the same manner as in Example 1 except that the position of the U-shaped groove of the pressure release valve was changed to 1.3 mm in FIG. Samples for manufacturing were manufactured, and the pressure at which the pressure release valve was cleaved was measured in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the measurement results. All units of pressure are kg / cm ² .
[0022]
[Table 2]

[0023]
【The invention's effect】
Since the pressure release valve of the present invention is provided in the vicinity of the joint between the surface on which the pressure release valve is provided and the surface having a large area, the deformation force due to the deformation of the surface having a large area due to the increase in internal pressure acts, Since it is cleaved by almost half the pressure of the pressure release valve only by the pressure from the direction perpendicular to the surface of the pressure release valve, the strength retention characteristics during normal use are maintained at the conventional level and abnormal reactions inside the battery are also observed. When generated, a sealed battery having a cleavage property at a low pressure can be easily obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a position where a pressure release valve of the present invention is provided.
FIG. 3 is a diagram illustrating a battery having a pressure release valve.
FIG. 4 is a diagram for explaining a pressure release valve provided in an electrode header.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Square-shaped battery, 2 ... Battery can, 3 ... Current extraction terminal, 4 ... Electrode header, 5 ... Pressure release valve, 5a ... Planar thin part, 5b ... Diagonal thin part, 5c ... U-shaped thin part 5d: Radial thin part, 5e ... Horseshoe-like thin part, 6 ... Electrolyte injection port, 7 ... Side surface with large area, 8 ... Force to bulge outward, 9 ... Groove part, 10 ... Joint part

Claims

開裂により電池内部の圧力を開放する圧力開放弁を有する密閉型電池において、面積が小さな面であって、面積が大きな面との接合部から、面積が小さな面の幅の１５％以下の距離に、接合部に平行な溝部の両端部から接合部と反対方向に伸びた溝部からなるコの字状の溝部を形成した圧力開放弁を有することを特徴とする密閉型電池。 In a sealed battery having a pressure release valve that releases the pressure inside the battery by cleavage, the distance is 15% or less of the width of the small surface from the junction with the large surface. A sealed battery comprising a pressure release valve having a U-shaped groove formed of a groove extending in the opposite direction to the bonded portion from both ends of the groove parallel to the bonded portion.