JP4468290B2

JP4468290B2 - 二次電池の防爆構造

Info

Publication number: JP4468290B2
Application number: JP2005330349A
Authority: JP
Inventors: 保範下地; 重男松坂; 龍樋出
Original assignee: 株式会社ゼロム
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2025-11-15
Also published as: JP2007141518A

Description

この発明は、電解液を外気と隔離した密閉型の二次電池の防爆構造に関する。

携帯電話やその他の各種携帯端末（ＰＡＤ）のような小型電子機器等に広く使用されている二次電池は、例えばリチウム電池のような有機電解液電池（非水電解質電池）が主流となっている。有機電解液を外気と隔離した密閉型の二次電池は、通常以上の電流供給による過充電状態、あるいは誤使用による短絡状態で大電流が流れたりすると、電解液が急速に分解されてガスが発生し、このガスが電池内に充満して大きな内圧が生じ、場合によっては爆発することもある。

このような内圧による爆発を防止するため、従来から密閉型の二次電池の外装缶の上端部側又は底板に防爆用の安全弁装置を設けたものが知られている。その一例として、特許文献１の「二次電池の防爆構造」が公知である。この二次電池の防爆構造は、外装缶の端に固定した封口板又は底板に設けた安全弁から成り、この安全弁は、外周面に平板状凹部の第１加工部分を形成し、この凹部に切り欠き溝の第２加工部分を設け、その第２残厚を防爆圧＋αの圧力で切裂する板厚を有し、この第２加工部分に屈曲断面状の第３加工部分をその第３残厚が防爆圧で作動する厚さと成るようにしたというものである。

上記特許文献１の二次電池の防爆構造の安全弁は、一般にプレスベント形式と呼ばれ、外装缶の端に設けられる端板のアルミ板にプレス加工をし、薄肉部（溝）を所定形状（円又は長円）に形成したものである。これに対し、クラッドベント形式と呼ばれる安全弁が知られている。その一例として、特許文献２の「電池用安全弁付き電池ケース蓋」が公知である。この文献２の電池用安全弁素子は、貫通孔を穿設した金属基板と、貫通孔を閉塞するように基板上に積層された金属箔とから成る。金属基板は、鋼板、ステンレス鋼板、銅板又はアルミニウム板のいずれかとし、金属箔は、鋼箔、ステンレス箔、銅箔、アルミニウム箔、ニッケル箔又はニッケル−鉄合金箔のいずれかが用いられる。

ところで、上記クラッドベント形式の安全弁は、柔軟性があり、落下・変形強度に優れ、ベント作動（開裂）圧は金属箔の箔厚（膜厚）が関与して決まり、ベント開放性（ガス放出性）が優れ、低作動圧で安定して作動する。しかし、金属箔を熱圧着又は冷間圧接で金属基板に積層するため加工処理に時間が掛かり、金属箔には一般にピンホールが生じていることが多いため、全数のピンホール検査を要し、又金属箔を積層した基板を外装缶に取り付ける際も金属箔に傷が付かないようにするため取り付け作業にも時間が掛かり、このためコストが高くなるという問題がある。

一方、プレスベント形式の安全弁は、端板に凹溝をプレス成形するため、コストは安価であるが、特に変形強度に問題があり、ベント作動（開裂）圧は主に缶の膨れに伴う蓋の変形が関与し、変形によるクラックでベント作用が始まる。即ち、内圧が発生して缶に膨れが生じ缶が変形すると、その変形に伴って安全弁の凹溝にクラックが発生して安全弁が作動する。このため、ベント開放性が劣り、ガスがベント作動時に直ちに放出されず、ガス放出性に問題が残っている。特に、特許文献１のプレスベント形式の安全弁では、約数ｋｇｆ／ｃｍ²程度の低い所定圧力に防爆圧を設定し、この防爆圧以上の内圧で安全弁が作動するとしているが、本願の発明者等が上記安全弁の作動を確認したところ、実際には安全弁の作動に次のような問題がある。

即ち、安全弁の凹溝に第３加工部分をその第３残厚が防爆圧で作動する厚さに設定しているため、理論上は上記約数ｋｇｆ／ｃｍ²の作動圧で安全弁が作動する筈であるが、実際には安全弁として設定した通りには作動しない。これは、安全弁を形成した端板（封口板１ａ）を外装缶に取り付ける前の単体の状態で試験したからであり、実際に外装缶にこの端板を固定して内圧を作動させると、上記設定圧では作動しない。つまり、プレスベント形式の安全弁としてクラックが第３残厚に直ちに生じることはなく、やはり外装缶の変形に伴ってクラックが生じる。従って、安全弁としての作動は内圧が上記数ｋｇｆ／ｃｍ²で作動したのではなく、缶の変形に伴ってクラックが生じたこととなる。
特開２００１−２３５９６号公報特開平９−２２３４９０号公報

この発明は、上記の問題に留意して、クラッドベント形式ではなくプレスベント形式の安価な安全弁を採用し、封口板単体での試験圧ではなく、外装缶の端部に取り付けた状態で二次電池に対して設定された設定圧で封口板に予め形成された安全弁が、外装缶の大きな膨れを伴わず、防爆圧以上の内圧の作動時に確実に安全弁として作動する二次電池の防爆構造を提供することを課題とする。

この発明は、上記の課題を解決する手段として、発電要素を内蔵し、電池外装缶の端板に内圧で作動する安全弁を設けた二次電池において、安全弁を設ける上記端板の板素材の所定位置に第１残厚ｔ１を有する安全弁用凹部を設け、安全弁用凹部内にさらに薄い第２残厚ｔ２を有しかつ外周辺に波形屈曲部を有する加工凹部を設け、この加工凹部の内周寄り位置に第３残厚ｔ３を有する溝部を形成し、所定の防爆圧以上の内圧発生時に溝部を切裂させて内圧を逃がすことにより安全弁を作動させるように構成した二次電池の防爆構造としたのである。

上記の構成としたこの発明による二次電池の防爆構造では、所定の防爆圧以上の内圧が発生すると、二次電池の外装缶に大きな変形を与えることなく確実に作動し、プレスベント形式の安全弁でありながら、クラッドベントのようにベント開放性に優れている。通常以上の電流供給による過充電状態、あるいは誤使用による短絡状態で大電流が流れたりすると、電解液が急速に分解されてガスが発生し、このガスが電池内に充満して大きな内圧が生じることがある。

しかし、このような所定の防爆圧以上の内圧が生じた場合でも、外装缶が大きく変形することなく上記の安全弁では加工凹部内の溝部より内周側の薄板部が溝部の位置で切裂する。このためクラッドベントのように防爆圧以上の内圧で安全弁として確実に作動する。これは、所定の防爆圧以上の内圧に対して外装缶端板の第１残厚ｔ１を有する安全弁用凹部内に設けた加工凹部の第２残厚ｔ２の残厚が大きく、かつその屈曲部の弾性強度が大きいため上記の内圧では簡単に変形しないのに対して、上記加工凹部の外周辺に波形屈曲部とその内周側には溝部を形成し、溝部ではごく薄い残厚ｔ３となっているため、この位置で確実に所定の防爆圧以上の内圧に対して反応し、安全弁として作動するからである。

また、上記のように形成した溝部は、端板の単体で試験圧を掛けて作動する圧力と二次電池に端板を装着した状態で二次電池が発生する内圧とがほぼ一致した状態で作動し、従来の二次電池のように端板単体での試験圧と二次電池に装着した状態では防爆圧が試験圧と大きく異なるということはなく、従って二次電池に発生する内圧で外装缶が大きく変形しない範囲内で設定される設定圧に一致する作動圧で溝部が切裂し、安全弁として確実に作動する。

以上のように、この発明の二次電池の防爆構造は、安全弁用凹部内にさらに薄い第２残厚を有しかつ外周辺に波形屈曲部を有する加工凹部を設け、この加工凹部の内周寄り位置に第３残厚を有する溝部を形成し、所定の防爆圧以上の内圧発生時に溝部を切裂させて内圧を逃がすことにより安全弁を作動させるようにしたから、安全弁を確実に作動させ、かつプレスベント形式で経済的なコストの二次電池の防爆構造が得られるという利点がある。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態の二次電池Ａ１の外観斜視図を示す。図示の二次電池は角型電池であるが、円形断面や長円形その他各種の断面形状のものについても以下の構成は同様に適用される。ただし、内蔵される発電要素及びその接続金具の詳細は図示及び説明を省略している。外装缶１は下底板１ｂで閉じられ、その内部に発電要素２を収容して、上端を封口板１ａにより閉じ、密封状に形成されている封口板１ａには、図示しない電極部を設けるための円形の孔３，４が設けられ、かつその一端寄りに安全弁５が形成され、この安全弁５により防爆構造が構成されている。なお、５Ｆは封口板１ａの外端面である（例えば、図２参照）。

安全弁５の拡大断面形状を図２に示す。図２の（ａ）図は図１の矢視IIａの部分断面図、（ｂ）図は矢視IIｂの部分断面図、（ｃ）図は安全弁５の部分拡大図である。この安全弁５は、安全弁の板素材の厚さＴから複数段のプレス加工処理がされて得られ、３つの加工形状の組み合わせから成る。第１加工凹部５ａは、薄板の封口板１ａの一端寄りの位置に安全弁５を形成するための安全弁用凹部として形成されている。

この安全弁用凹部である第１加工凹部５ａは、後述する図３の（ｂ）図に示すように、板素材の一部に第１残厚ｔ１を有する長円形の凹部を後述する第１プレス加工により形成したものであり、さらに第１プレス加工により残った第１残圧ｔ１に対し第２プレス加工により上記長円形の凹部外周辺に深さｄの波形の屈曲部を有しかつその屈曲部内周に第２残厚ｔ２の平板部を有する第２加工凹部５ｂが形成されている。また、上記第２加工凹部５ｂが形成された凹部の波形屈曲部より内周側に長円形状の小さな溝部５ｃが形成されている。この場合、溝部５ｃが形成された位置の第３残厚ｔ３はｔ２よりさらに薄い残厚となる。

また、この溝部５ｃを形成することにより溝部５ｃより中心側の湾曲部５ｄは、図示のように、外側へ断面視凸の曲線状として形成される。そして、上記第２加工凹部５ｂと溝部５ｃとによりプレスベントが形成されることとなる。封口板１ａの板素材厚さＴは、例えば０．８〜１．０ｍｍとして設定され、他の残厚ｔ１、ｔ２、ｔ３については次のように設定されている。
ｔ１＝０．１〜０．０７ｍｍ
ｔ２＝０．０５〜０．０７ｍｍ
ｔ３＝０．０２０〜０．０３５ｍｍ（好ましくは０．０２３〜０．０２５ｍｍ）

上記のように、残厚ｔ１、ｔ２、ｔ３を設定した安全弁５は、安全弁５を形成する第２加工凹部５ｂの波形屈曲部及び屈曲部より中心側の板厚を全体に薄い板厚ｔ２としたため、全体としてプレスベントでありながら、クラッドベントのような柔軟性を確保している。そして、安全弁５の外周辺（長円形又は円形）には薄い残厚ｔ２の材料で波形屈曲部を形成しているため、柔軟性とベント耐力強度が大きくなり、又第３残厚ｔ３の薄肉部として設けた溝部５ｃにより中心側の湾曲部５ｄの内圧への関与を大きくしている。なお、第２加工凹部５ｂの波型屈曲部の深さｄは残厚ｔ１と板素材厚さＴの間の適当な値に設定している（二次電池の大きさ、種類によって異なる）。従って、安全弁５の防爆作用時には安全弁５のベント開放性が大きく向上している。その作用については後で説明する。

なお、外装缶１の素材はスチール製、封口板１ａはアルミニウム又はスチール製である。又、発電要素２は、この発明の特徴ではないため詳細な構成は図示省略しているが、例えば陰極としてリチウム金属板、陽極として硫化モリブデンなどを含む正極活性物質、電解液としてリチウムを含む有機溶媒が用いられたリチウム二次電池が用いられる。さらに、封口板１ａの中央部付近で図示しない電極部が突出しないように孔３の周辺が凹入状に形成されている。以上のように形成した安全弁を含むこの実施形態の二次電池Ａ１は、過度の充電等が行われて外装缶１内に内圧が生じた場合、安全弁５が安全な内圧の範囲で、かつ設定された防爆圧から僅かな誤差範囲内で確実に作動し、又電池を誤って落下させたときなどの衝撃があっても安全弁５が破壊されることはない。

上記構成の安全弁５の形成方法について図３Ａ、図３Ｂを参照して簡単に説明する。図３Ａ、図３Ｂは上記第１、第２加工凹部５ａ、５ｂ、溝部５ｃを形成する過程を示す。図３Ａの（ａ）図では封口板１ａの素材に対して安全弁５を設ける位置に第一加工凹部５ａの第１プレス加工が行われる。１０ａはプレス台、１１ａはプレスパンチである。封口板１ａの板素材の厚さはＴであり、これにプレスパンチ１１ａで第１加工凹部５ａの平板状の凹部をプレス成形する。この場合、プレスパンチは小径の第１プレスパンチ１１ａ、プレス台も小径の第１プレス台１０ａを用いている。第１加工凹部はこの例では図１に示す長円形状に形成される。

図３Ａの（ｂ）図では上記プレスパンチ１１ａよりさらにやや小径の第２プレスパンチ１１ｂ、第２プレス台１０ｂを用いて第２加工凹部５ｂのプレス加工を行う。この場合、図３Ａの（ｂ）図の（イ）と（ロ）に示すように、（イ）で加圧の初期に少しだけ加圧した時には未だ押圧面に大きな変化は生じていないが、（ロ）に示す段階まで加圧が進むと第２プレスパンチ１１ｂにより押圧されている面の厚さがｔ２となると共に、上記凹部の外周辺に断面視波形屈曲状の第２加工凹部５ｂが形成される。そして、この第２加工凹部５ｂも図１に示す長円形状に形成される。

さらに、図３Ｂの（ｃ）図では、第２プレスパンチ１１ｂよりさらに少しだけ小径の第３プレスパンチ１１ｃにより溝部５ｃが形成される。この場合、第２加工凹部５ｂの底部の外径より少しだけ径の大きいプレス台１０ｃを用いる。又、第３プレスパンチ１１ｃは、図示のように下端が平面状ではなく、カップ状の突出縁部を有し、かつその下端に断面視凹状の突出加工端を有する。そして、この第３プレスパンチ１１ｃでプレス加工することにより対応する位置の残厚素材には溝部５ｃが形成される。又、この溝部５ｃの形成と共に溝部より内周辺は図示のように外に凸の湾曲状に膨出した湾曲部５ｄとして形成される。

これは、溝部５ｃを形成する際のプレス圧で湾曲部５ｄが第３プレス台１０ｃから特別な作用を加えることなく膨出状に変形するからである。溝部５ｃへのプレス加圧で押された素材が内向きに変形して膨出するものと考えられている。なお、この溝部５ｃや湾曲部５ｄの形状も長円形である。

以上のようなプレス加工処理を経て形成された安全弁５によれば、大気圧より大きい所定の防爆圧以上の内圧が作用しても安全に作動する。即ち、この二次電池Ａ１に異状な大電流の充電などが行われて外装缶１内に防爆圧以上の内圧が生じても所定の内圧で確実に安全に作動し、かつ構造強度が十分なものが得られる。所定の内圧は、この例では７〜１５ｋｇｆ／ｃｍ²に設定される。これは、従来の特許文献１のように数ｋｇｆ／ｃｍ²のように低い内圧に設定しても、それはあくまで理論上の設定であり、実際には安全弁として作用する前に外装缶が先に変形して安全弁としての作用が遅れ安全弁として確実に作用せず、又二次電池Ａ１を不用意に落したような場合には耐衝撃性が低くなるからである。

即ち、特許文献１の安全弁では所定の防爆圧以上の内圧が作用した時、安全弁が作動する前にまず内圧のエネルギで電池の外装缶が大きく変形し、その後安全弁の一部が少しだけ切裂して残圧が排出される。従って、安全弁がまず先に作動して外装缶の変形を生じない状態で一気に内圧を排出するという安全弁本来の作動が得られない。これに対して、この実施形態の二次電池Ａ１は、波形屈曲形状の第２加工凹部５ｂを有するため、第２加工凹部５ｂの強度が波形形状部の弾性強度の向上により増大しており、さらにこの第２加工凹部の基部より内周の平板外側面にプレス成形された溝部５ｃを有する。

このため、所定の防爆圧以上の内圧が作用した時まずこの溝部から内側の湾曲部５ｄの部分が溝部を境にして一気に切裂し、安全弁として機能する。従って、外装缶１に大きな変形が生じることなく安全弁５が安全に、かつ確実に作用してこの二次電池Ａ１が搭載される機器へ不測の損傷を与えるなどの事故を防止することとなる。この場合、溝部５ｃは、端板である封口板１ａに単体で試験圧を掛けて作動する圧力と二次電池に封口板１ａを装着した状態で二次電池Ａ１が発生する内圧とがほぼ一致した状態で作動し、従来の二次電池のように端板単体での試験圧と二次電池に装着した状態では防爆圧が試験圧と大きく異なるということはなく、従って二次電池に発生する内圧で外装缶１が大きく変形しない範囲内で設定される設定圧に一致する作動圧で溝部５ｃが切裂し、安全弁として確実に作動する。

図４、図５に第２実施形態の二次電池Ａ２の要部断面図、及びプレス加工方法の説明図を示す。図４の（ａ）図に示すように、この実施形態では安全弁５’の構成は第１実施形態の安全弁と基本的には同じであるが、第２加工凹部５ｂの内周側に形成される溝部５ｃ’が湾曲部５ｄ’の内側に設けられている点で第１実施形態の二次電池Ａ１と部分的に異なる。又湾曲部５ｄ’の内周側が平板上であり外に凸状でない点も少し異なっている。これは、後で図５に基づいて説明するように、そのプレス加工方法が異なるからである。その他の基本的な構成は同じであるから、以下では主としてその異なる構成部について説明し、同じ構成部分については第１実施形態の構成をそのまま適用するものとして説明を省略する。

図４に、第１、第２加工凹部５ａ、５ｂは第１実施形態と同様であるが、溝部５ｃ’と湾曲部５ｄ’が異なることが示されている。即ち、第２加工凹部５ｂの内周基部よりさらに内周側に湾曲部５ｄ’に対して外に凸の溝部から成る溝部５ｃ’が形成されており、又湾曲部５ｄ’は平板状のままである。但し、図５に示すように、この例では溝部５ｃ’を加工する際に、上記溝部に対応する突起部をプレス台１０ｃ’に設けており、プレスパンチ１１ｃ’の下底面はフラットである。

上記構成の二次電池Ａ２の封口板１ａのプレス加工方法も、基本的には第１実施形態と同じであり、上述したように、プレス台１０’とプレスパンチ１１ｃ’の形状が異なるだけである。溝部５ｃと５ｃ’とは形成される方向が異なるが、湾曲部５ｄ’の外周に残される板厚ｔ３は同じである。なお、上記２つの実施形態では、安全弁５は封口板１ａに設けるとして説明したが、反対に外装缶１の下底板１ｂに設けてもよい。又、第２実施形態のように、湾曲部５ｄ’は必ずしも第１実施形態のように湾曲形状でなくとも、図示のように平板状であってもよいし、あるいは湾曲状としてもよい。

この発明の二次電池は、所定の防爆圧以上の内圧で確実に作動するプレスベント形式の安全弁を設けたから、リチウム電池のような有機電解液電池（非水電解質電池）等に広く利用される。

第１実施形態の二次電池の外観斜視図（ａ）図１の矢視IIａの部分断面図、（ｂ）図１の矢視IIｂの部分断面図、（ｃ）安全弁の部分拡大断面図（ａ）第１プレス加工の説明図、（ｂ）第２プレス加工の説明図（ｃ）第３プレス加工の説明図第２実施形態の二次電池の（ａ）図１の矢視IIａに対応する部分断面図、（ｂ）図１の矢視IIｂに対応する部分断面図同上の二次電池の（ｃ）第２プレス加工の説明図、（ｄ）第３プレス加工の説明図

符号の説明

１外装缶
１ａ封口板
１ｂ下底板
２発電要素
３、４円形の孔
５安全弁
５ａ第１加工凹部
５ｂ第２加工凹部
５ｃ溝部
５ｄ湾曲部
１０ａ第１プレス台
１１ａ第１プレスパンチ
１１ｂ第２プレスパンチ
１１ｃ第３プレスパンチ

Claims

発電要素２を内蔵し、電池外装缶１の端板に内圧で作動する安全弁５を設けた二次電池において、安全弁５を設ける上記端板の板素材の所定位置に第１残厚ｔ１を有する安全弁用凹部５ａを設け、安全弁用凹部５ａ内にさらに薄い第２残厚ｔ２を有しかつ外周辺に波形屈曲部を有する長円形の加工凹部５ｂを設け、この加工凹部５ｂの前記波形屈曲部より内周寄り位置に前記第２残厚ｔ２よりさらに薄い第３残厚ｔ３を有する長円形の溝部５ｃを形成し、この溝部５ｃより中心側に断面視凸曲線状の湾曲部５ｄを形成し、所定の防爆圧以上の内圧発生時に溝部５ｃを切裂させて内圧を逃がすことにより安全弁５を作動させるように構成した二次電池の防爆構造。
前記溝部５ｃを、第２残厚ｔ２を有する加工凹部５ｂの外面又は内面のいずれかに設けたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の防爆構造。
前記安全弁５を電池外装缶１の上端部の封口板１ａ又は下底板１ｂに設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池の防爆構造。