JP4605823B1 - 密閉型電池の安全弁及びそれを用いた密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉型電池ケースの開口部を封口する封口板に設けた安全弁において、電池内部圧力上昇時に、電池内部のガスを速やかに放出できる電池の安全弁を提供する。
【解決手段】電池ケース１の開口部を封口する封口板２に薄肉の弁体１１が形成されており、電池内部圧力が所定値以上となったときに弁体が開放されて電池内のガスを電池外に放出する密閉型電池５０の安全弁１０において、安全弁は、弁体周縁に設けられ弁体全体を開放する環状薄肉の外側環状溝１２と、この外側環状溝の内方領域に設けられた環状薄肉の内側環状溝１３と、外側環状溝と内側環状溝とを連結する直線状薄肉の連結溝１５，１６と、を備え、且つ、内側環状溝及び連結溝の肉厚は、外側環状溝の肉厚よりも厚く構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、密閉型電池の安全弁及びそれを用いた密閉型電池に関し、特に電池内の圧力が過大となったときに外部に連通する弁体機能を有する安全弁に関する。

密閉型電池において、電池内部で何らかの原因により異常反応が発生し、電池内部圧力が上昇した場合、密閉型電池では、電池自体の爆発により人的、物的損害を生じる可能性がある。その対策として、爆発に至る前に電池内部のガスを放出する必要があり、そのために電池ケースに安全弁を備えている。

この安全弁は、予め設計された内圧で破裂開放して内部ガスを外部に放出する弁体を有するが、この弁体に要求される特性上、破裂開放圧力は通常の電池内部圧力よりは高いことは当然であるが、出来る限り低い開放圧力（作動圧）である事が安全上望ましい。
また、電池内部でのガス発生量が多いと、このガスを放出する弁体の面積が小さければ、一時的に電池内部圧力が増加してなお爆発にいたる危険性がある。

従って、破裂容易溝の破裂によって生じるガス放出部の面積は発生ガス量を放出するに充分な面積を有する事が重要である。
また、この密閉型電池は、携帯電話やデジカメ等に使用されるため、取り扱いによってはこれを使用者が地上または床上に落として弁体部が破損し、電解液が漏洩するなどの可能性がある。このため落下事故に対して、弁体が損傷し難い事が重要であり、落下強度が要求される。

以上のような目的のために、密閉型電池は安全機構として安全弁を有する。この安全弁を形成する方法としては、封口板面内にプレスまたはエッチング等により所定の大きさを有する薄膜を形成する方法がある（プレス弁や刻印弁）。
また、封口板面内に所定の大きさを有する開放孔を開けておき、その開放孔へ薄い薄膜を弁体としてクラッドもしくは溶接により貼着した方法もある（クラッド弁）。

クラッド弁は、安全弁の要求特性である低い作動圧、広めの放出面積および強めの落下強度を保つという長所を有するが、プレス工程とクラッド工程を要するなど製造工程が複雑で、かつ製造技術が難しく歩留が悪いため、コストが高いというマイナス面がある。

これに対し、プレス弁はプレスのみによって封口板内面に弁体を形成する事が可能なため安価に出来る。
また、ガス放出に充分な所定の大きさ以上の安全弁面積を容易に確保出来るが、クラッド弁に比して、安定した低い作動圧を得る事が困難であった。

そのためプレス弁の開発は、プレス装置の精密な下死点制御や適応素材の改良開発によって進められてきている。

特開平１１−２７３６４０号公報（特許文献１）には、封口板にドーム状をなす薄肉の弁体が形成され、この弁体の周辺近傍に容易破裂溝を形成した安全弁が記載されている。

特開２００５−１３５８７３号公報（特許文献２）には、封口板に薄肉の弁体が形成され、弁体には電池内側に向かって突出した少なくとも一つのドーム部が形成され、ドーム部の少なくとも一つの周縁山には弁体の破裂を容易にするための破裂溝が形成された安全弁が記載されている。

特開平１１−２７３６４０号公報 特開２００５−１３５８７３号公報

しかし、近年、電池容量の増大とともに過重電などの異常時に発生するガス量も従来に比べて大きくなり、異常時に発生する発生するガスを安全弁の開放孔から一気に開放しないと電池ケースの爆発のおそれがあり、上述した先行技術の安全弁では対応できなくなった。
そこで、本発明は、密閉型電池ケースの開口部を封口する封口板に設けた安全弁において、電池内部圧力上昇時に、電池内部のガスを速やかに放出できる電池の安全弁及びそれを用いた密閉型電池を提供することを目的とする。

（１）本発明の密閉型電池の安全弁は、
電池ケースの開口部を封口する封口板に薄肉の弁体が形成されており、
電池内部圧力が所定値以上となったときに弁体が開放されて電池内のガスを電池外に放出する密閉型電池の安全弁において、
上記安全弁は、
弁体周縁に設けられ弁体全体を剥離する環状薄肉の外側環状溝と、
この外側環状溝の内方領域に設けられた環状薄肉の内側環状溝と、
外側環状溝と内側環状溝とを連結する直線状薄肉の連結溝と、を備え、
且つ、外側環状溝、内側環状溝及び連結溝は、封口板の、電池外方となる上側及び／又は電池内方となる下側の、同じ側に設けられており、
内側環状溝及び連結溝の肉厚は、外側環状溝の肉厚よりも厚く構成されていることを特徴とする。
（２）本発明の密閉型電池の安全弁は、前記（１）において、
前記外側環状溝と内側環状溝とを連結する直線状薄肉の連結溝は、
電池ケース側面の横平面に対して平行に形成された横方向連結溝と、
電池ケース側面の縦平面に対して平行に形成された縦方向連結溝と、
からなることを特徴とする。
（３）本発明の密閉型電池の安全弁は、前記（１）又は（２）において、
環状薄肉の外側環状溝と安全弁の外周縁を区画する段差部とが相似形に形成されていることを特徴とする。
（４）本発明の密閉型電池の安全弁は、前記（１）〜（３）のいずれかにおいて、
前記直線状薄肉の連結溝が複数設けられており、
電池内部圧力が上昇したときに、
内側環状溝と直線状薄肉の連結溝との交点で変形が開始し、
その変形が、該連結溝から前記環状薄肉の外側環状溝へ伝播し、
外側環状溝を破砕して、電池内部に発生したガスを一気に放出するようにしたことを特徴とする。
（５）本発明の密閉型電池は、
電池ケースの開口部を封口する封口板に薄肉の弁体が形成されており、
電池内部圧力が所定値以上となったときに弁体が開放されて電池内のガスを電池外に放出する密閉型電池において、
上記密閉型電池の安全弁は、
弁体周縁に設けられ弁体全体を剥離する環状薄肉の外側環状溝と、
この外側環状溝の内方領域に設けられた環状薄肉の内側環状溝と、
外側環状溝と内側環状溝とを連結する直線状薄肉の連結溝と、を備え、
且つ、外側環状溝、内側環状溝及び連結溝は、封口板の、電池外方となる上側及び／又は電池内方となる下側の、同じ側に設けられており、
内側環状溝及び連結溝の肉厚は、外側環状溝の肉厚よりも厚く構成されていることを特徴とする。

本発明の安全弁は、外側環状溝の内方側領域に内側環状溝、それらを連結する縦横の連結溝を形成することによって、電池内部圧力が加わった場合には、内方側領域が変形しようとする力を受けて、内側環状溝に大きな応力が加わり、連結溝の一端が内側環状溝に連結されていることから、内側環状溝と連結溝との交点に変形応力が集中するように構成されている。
この結果、電池内部圧が上昇した際に内側環状溝と連結溝との交点を起点として応力が外側環状溝に伝播して、最も薄肉の外側環状溝を破砕して、電池内部圧力上昇時に速やかに作動し、当該圧力上昇時に電池内部のガスを速やかに、且つ確実に放出できるいう優れた効果を奏する。

本発明の実施形態に係る安全弁を取り付けた密閉型電池の斜視図である。 本発明の実施形態に係る安全弁を取り付けた封口板の平面図である。 本発明の実施形態に係る安全弁の拡大図平面図である。 図３の安全弁のＡ−Ａ線矢視断面図である。 電池内部に発生したガスにより電池ケースが膨れた状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る安全弁の電池内部圧力が増大したときの変形の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る安全弁において、電池内部圧力が増大したときの安全弁に加わる応力の状態を示す説明図である。

本発明の安全弁の実施の形態を、図１〜図７に基づいて、以下に説明する。
図１に示すように、本発明の安全弁１０が取り付けられる密閉型電池５０は、有底矩形型筒状で上方に開口部を有する電池ケース１の中に、アルミニウム合金から成る芯体に活物質層が形成された正極と、銅から成る芯体に黒鉛を主体とする活物質層が形成された負極と、これら両電極を離間するセパレータとから成る偏平渦巻き状の電極体が収納されている。
また、電池ケース１内には電解液が注入されており、電池ケース１の開口部にはアルミニウム合金から成る封口板２がレーザー溶接され、電池ケース１の開口部が封口されている。
封口板２に用いられるアルミニウム合金材料としては、焼鈍材、非焼鈍材のいずれでもよく、非焼鈍材の場合は、非硬化型アルミニウム合金材が用いられる。封口板２は、ガスケットと共に、電池ケース内に収納された電極体の負極端子キャップから延設される負極タブ７が設けられている。
一方の正極は正極タブを介して、電池ケース１と電気的に接続されている。

図２に示すように、封口板２には、封口板２と一体形成された、アルミニウム合金から成る安全弁１０が設けられている。
図３の安全弁の拡大図に示すように、安全弁１０は、その周縁を区画する薄肉の段差部１０ａと、内部ガスを放出する開放孔を形成する弁体１１と、平面形状が小判状の薄肉の外側環状溝１２が段差部１０ａの内側に沿って形成されており、電池内部圧力が所定値以上となったときに外側環状溝１２が破砕して、弁体１１全体を剥離し開放孔を形成し（開放され）、電池ケース１内のガスを電池ケース外に放出する構造となっている。
なお、外側環状溝１２は、安全弁１０の段差部１０ａと相似形で同心状に設けられていることが内部ガスを放出する開放孔を大きくできて望ましい。

また、この外側環状溝１２の内方領域に環状薄肉の内側環状溝１３が設けられている。
さらに、外側環状溝１２と内側環状溝１３とを連結する直線状薄肉の連結溝は、電池ケース１側面の横平面３、４に対して平行に形成された横方向連結溝１５と、電池ケース１側面の縦平面５，６に対して平行に形成された縦方向連結溝１６と、を備えている。
なお、図３では、安全弁１０の形状を楕円形としているため、外側環状溝１２や内側環状溝１３の平面形状も相似形の楕円形としているが、円形としてもよい。

図４のＡ−Ａ線矢視断面図に示すように、外側環状溝１２の断面形状は、電池ケース１の内部圧力が高くなった場合に、外側環状溝１２の破砕を容易にするため、プレス成形によって厚み方向にＶ字状やＵ字状のノッチを形成して環状溝としている。
また、内側環状溝１３、横方向連結溝１５，縦方向連結溝１６の断面形状も、外側環状溝１２の断面形状と同じく、Ｖ字状やＵ字状に形成されていることが望ましいが、内側環状溝１３、横方向連結溝１５及び縦方向連結溝１６の残肉（肉厚）は、外側環状溝１２の破裂を優先するため、外側環状溝１２の残肉（肉厚）よりも厚く構成されていることが望ましい。
なお、本実施形態では、内側環状溝１３、横方向連結溝１５及び縦方向連結溝１６の残肉は５０〜１２０μｍとし、外側環状溝１２の残肉は２０〜９０μｍと設定している。
また、外側環状溝１２、内側環状溝１３、横方向連結溝１５，縦方向連結溝１６のＶ字状やＵ字状のノッチの形成は、封口板２の上側だけでなく、下側であってもよく、両側にあってもよい。

図５は、電池内部に発生したガスにより電池ケースが膨れた状態を示す斜視図である。
すなわち、電池内部に異常ガスが発生して内部圧力によって密閉型電池が変形する場合は、封口板２の長手方向に対して垂直下方向に延出して形成されている電池ケース側面の横平面３，４の変形量が、電池ケース側面の縦平面５，６の変形量よりも大きくなる。
横平面３，４の面積が、封口板２の長手方向と直角方向に延出して形成されている縦平面５，６よりも大きく、ガス圧によって受けるトータル圧力が大きいからである。

さらに、図６の安全弁の断面図に示すように、電池内部圧力が増大したときは、薄肉の安全弁１０は内圧によって外方にドーム状に変形するようになる。すなわち、安全弁１０の効果的な作動（弁体の開放）は、図５に示す電池ケース側面の横平面３，４の変形と、図６に示すドーム状の変形とを併せて考慮して、電池内部に発生したガスの内部圧力によって外側環状溝１２を破砕して、内部ガスを一気に開放させる必要がある。

すなわち、密閉型電池の内部でガスが発生して内圧が高まった場合には、安全弁１０の中心部領域がもっとも上まで膨張してドーム状に変形しようとする力を受けるが、本実施形態の安全弁のように、内側環状溝１３と、内側環状溝１３に連結した直線状の横方向連結溝１５及び縦方向連結溝１６を形成することによって、まずは、内側環状溝１３とそれに連結した直線状の横方向連結溝１５及び縦方向連結溝１６の連結箇所に大きな応力が加わることになる。
そして、内側環状溝１３は、直線状の横方向連結溝１５と連結されていることから、図７の安全弁に加わる応力の状態を示す説明図に示すように、電池ケース１の横平面３，４の変形に伴う応力２１、横方向連結溝１５の変形応力２２，及び安全弁のドーム状変形応力（図６参照）によって、内側環状溝１３に連結した横方向連結溝１５、１５との交点ａ、ｂに上記応力が集中することになる。
この結果、電池内部圧が上昇した際に、内側環状溝１３に連結した横方向連結溝１５との交点ａ、ｂから弁体１１破砕の歪みが確実に進行して、
ａ→ｃ→ｅ方向、ａ→ｃ→ｆ方向、ｂ→ｄ→ｅ方向、ｂ→ｄ→ｆ方向、に歪みが伝播して、最も薄肉の外側環状溝１２に亀裂を生じさせ、破裂で安全弁１０から弁体１１を開放させて（安全弁が速やかに作動して）、電池内部のガスを一気に放出する。

なお、本実施形態では、電池ケース１の変形量が横平面３，４で大きくなることで、この場合の応力の伝播は、横方向連結溝１５を伝わるように説明したが、電池ケースの形状が偏平状ではなく立方体状に近づけば、縦方向連結溝１６にも伝播するようになる。

＜安全弁及び電池の製造方法＞
次に、本実施形態の安全弁及び電池の製造方法について説明する。
封口板２の所定位置にプレス加工により、安全弁を区画する薄肉の段差部１０ａを形成するとともに、その段差部１０ａの内側に剥離する弁体１１を形成する外側環状溝１２、その内側に内側環状溝１３、外側環状溝１２と内側環状溝１３とを連結する横方向連結溝１５，縦方向連結溝１６を、封口板２と一体的に形成する。
この後、封口板２にガスケット等を取り付け、電池ケース１の開口部にレーザー溶接した後、封口板２に設けた注入口７より、電池ケース１内に電解液を注入して密閉型電池を作製する。

＜実施の形態の作用効果＞
このように、安全弁の外側環状溝の内方側領域に内側環状溝、それらを連結する横方向連結溝、縦方向連結溝を形成することによって、電池内部圧力が加わった場合には、安全弁のドーム状変形及び電池ケースが変形しようとする力を受けて、まずは内側環状溝に大きな応力が加わることになる。
そして、連結溝の一端が内側環状溝に連結されていることから、内側環状溝と連結溝との交点に変形応力が集中することになる。
この結果、電池内部圧が上昇した際に内側環状溝と連結溝との交点を起点として応力が外側環状溝に伝播して、最も薄肉の外側環状溝を破砕して、安全弁が速やかに作動する。

アルミニウム合金板を用いて安全弁を作製し、それを電池ケースにレーザ溶接して実施例の模擬電池とした。
なお、実施例の模擬電池においては、安全弁の外側環状溝の厚さ（残肉）を３０μｍ（実施例１）、５０μｍ（実施例２）の２種類とした。内側環状溝の残肉はそれぞれ７０μｍ、９０μｍとした。
また、中心からの内側環状溝までの距離Ｙを、安全弁の半径Ｘとした場合の割合を変えたものを比較例で試験した。
ここで、半径Ｘは、安全弁１０の中心と安全弁段差部１０ａとの距離とした。
また、比較例として、環状溝を、内側と外側の二重環状溝としないものを作製した。この場合は、外側環状溝のみを３０μｍの残肉とした。
なお、本実施例及び比較例では、安全弁の形状を楕円形としたので、長径の方を採用して比較した。

＜作動圧テスト＞
上記模擬電池の内部に空気圧をかけて安全弁の作動圧を調査した。
作動圧テストは、封口板２の注入口７から徐々に空気を入れながら、安全弁が作動するときの空気圧をとした。それらの結果を表１に示す。尚、試料数は、各電池２０個である。
表１の結果から、安全弁の残肉を３０μｍ、安全弁の中心からの内側環状溝までの距離を１／３Ｘとした実施例１は、作動圧の平均が１．２１ＭＰａであった。
安全弁の残肉を５０μｍ、安全弁の中心からの内側環状溝までの距離を１／３Ｘとした実施例２は、作動圧の平均が１．８７ＭＰａであった。
また、安全弁の残肉を３０μｍ、安全弁の中心からの環状溝までの距離を１／３Ｘとした比較例１は、作動圧の平均が１．２２ＭＰａであった。
安全弁の残肉を３０μｍ、安全弁の中心からの環状溝までの距離を２／３Ｘとした比較例２は、作動圧の平均が１．４０ＭＰａであった。
安全弁の残肉を３０μｍ、安全弁の中心からの環状溝までの距離を略Ｘとした比較例３は、作動圧の平均が１．６２ＭＰａであった。

＜開放面積テスト＞
次に、本実施例の安全弁の作動状況を試験した。作動状況の試験方法は、次のようにして行った。すなわち、封口板を取り付け密閉した実際の密閉型電池を２５０℃に加熱した鉄板の上において、急激加熱してガス発生させ、安全弁を意図的に作動させ、開放面積を確認した。
安全弁作動時の開放面積が小さいと、急激に発生したガスを一気に開放できず電池ケースが爆発してしまうことになるので、安全弁の開口面積が大きいことが求められる。
この開放面積テストにおいて、実施例１、２の安全弁は、開放面積が最大となる外側環状溝１２で弁体１１を開放（吹き飛ばして）して発生したガスを一気に開放できた。
これに対し、比較例１の安全弁は、環状溝が形成されてはいるが、安全弁の１／３の位置に環状溝が形成されているため、急激に発生したガスを一気に開放できず電池ケースが爆発した。
また、比較例１の安全弁は、実施例１と略同じ作動圧であったが、開放面積が小さい。
比較例２の安全弁は、安全弁の２／３の位置に環状溝が形成されており環状溝の半径が大きく、ドーム状の変形によって環状溝に発生する応力が連結溝に伝播せずに、環状溝及連結溝のそれぞれに亀裂が生じ、その亀裂から急激に発生したガスを開放し、環状溝を剥離して弁体が吹き飛ぶことはなかった。
比較例３の安全弁は、安全弁の中心からの環状溝までの距離を略Ｘとして外側環状溝で内部ガスを開放したが、内側環状溝や連結溝を有しないので、同一残肉の場合（３０μｍ）、作動圧（１．６２ＭＰａ）が実施例１（１．２１ＭＰａ）の場合よりも高くなり、急激な内部ガス圧の上昇において、低圧で安全弁の作動ができなかった。
なお、外側環状溝の残肉は、落下強度と関係があり、厚いと落下強度が高くなるが、一方で、低圧での速やかな作動ができない。
これらの結果から、実施例の安全弁の方が、作動圧を低くでき、開放面積も大きくできた。

本発明の安全弁は、外側環状溝の内方側領域に内側環状溝、それらを連結する縦横の連結溝を形成することによって、電池内部圧力が加わった場合には、内方側領域が変形しようとする力を受けて、内側環状溝に大きな応力が加わり、連結溝の一端が内側環状溝に連結されていることから、内側環状溝と連結溝との交点に変形応力が集中するように構成されているので、電池内部圧が上昇した際に内側環状溝と連結溝との交点を起点として応力が外側環状溝に伝播して、最も薄肉の外側環状溝を破砕して、電池内部圧力上昇時に速やかに作動し、当該圧力上昇時に電池内部のガスを速やかに、且つ確実に放出できる。
したがって、本発明の安全弁は、密閉型電池に好ましく適用され産業上の利用可能性が極めて高い。

５０ 密閉型電池
１ 電池ケース
２ 封口板
３，４ 電池ケース横平面
５，６ 電池ケース縦平面
７ 注入口
１０ 安全弁
１１ 弁体
１２ 外側環状溝
１３ 内側環状溝
１５ 横方向連結溝
１６ 縦方向連結溝
２１，２２ 応力
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ，ｆ 交点

Claims (5)

1. 電池ケースの開口部を封口する封口板に薄肉の弁体が形成されており、
   電池内部圧力が所定値以上となったときに弁体が開放されて電池内のガスを電池外に放出する密閉型電池の安全弁において、
   上記安全弁は、
   弁体周縁に設けられ弁体全体を剥離する環状薄肉の外側環状溝と、
   この外側環状溝の内方領域に設けられた環状薄肉の内側環状溝と、
   外側環状溝と内側環状溝とを連結する直線状薄肉の連結溝と、を備え、
   且つ、外側環状溝、内側環状溝及び連結溝は、封口板の、電池外方となる上側及び／又は電池内方となる下側の、同じ側に設けられており、
   内側環状溝及び連結溝の肉厚は、外側環状溝の肉厚よりも厚く構成されていることを特徴とする密閉型電池の安全弁。
2. 前記外側環状溝と内側環状溝とを連結する直線状薄肉の連結溝は、
   電池ケース側面の横平面に対して平行に形成された横方向連結溝と、
   電池ケース側面の縦平面に対して平行に形成された縦方向連結溝と、
   からなることを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池の安全弁。
3. 環状薄肉の外側環状溝と安全弁の外周縁を区画する段差部とが相似形に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の密閉型電池の安全弁。
4. 前記直線状薄肉の連結溝が複数設けられており、
   電池内部圧力が上昇したときに、
   内側環状溝と直線状薄肉の連結溝との交点で変形が開始し、
   その変形が、該連結溝から前記環状薄肉の外側環状溝へ伝播し、
   外側環状溝を破砕して、電池内部に発生したガスを一気に放出するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の密閉型電池の安全弁。
5. 電池ケースの開口部を封口する封口板に薄肉の弁体が形成されており、
   電池内部圧力が所定値以上となったときに弁体が開放されて電池内のガスを電池外に放出する密閉型電池において、
   上記密閉型電池の安全弁は、
   弁体周縁に設けられ弁体全体を剥離する環状薄肉の外側環状溝と、
   この外側環状溝の内方領域に設けられた環状薄肉の内側環状溝と、
   外側環状溝と内側環状溝とを連結する直線状薄肉の連結溝と、を備え、
   且つ、外側環状溝、内側環状溝及び連結溝は、封口板の、電池外方となる上側及び／又は電池内方となる下側の、同じ側に設けられており、
   内側環状溝及び連結溝の肉厚は、外側環状溝の肉厚よりも厚く構成されていることを特徴とする密閉型電池。

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