JP4688605B2 - Cylindrical secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は円筒型二次電池に係り、特に、所定圧で開裂する開裂溝が形成され皿状で中央に平面部を有する導電性ダイヤフラムと、周縁部がダイヤフラムの周縁部に固定され中央に排気口が形成された凸部を有する上蓋キャップと、電極群を構成する正極及び負極のいずれか一方に電気的に接続されダイヤフラム側に突出した中央の平面部がダイヤフラムの電極群側の平面部に接合された接続部材とを有する上蓋を備え、上蓋がガスケットを介して円筒状電池缶にカシメ固定された大容量円筒型二次電池に関する。 The present invention relates to a cylindrical secondary battery, and more particularly, a conductive diaphragm having a dish-shaped cleavage groove that is cleaved at a predetermined pressure and having a flat portion in the center, and a peripheral portion fixed to the peripheral portion of the diaphragm and exhausted in the center. An upper lid cap having a convex portion with a mouth, and a central flat portion that is electrically connected to one of the positive electrode and the negative electrode constituting the electrode group and protrudes toward the diaphragm side is a flat portion on the electrode group side of the diaphragm. The present invention relates to a large-capacity cylindrical secondary battery including an upper lid having a joined connection member and the upper lid being caulked and fixed to a cylindrical battery can via a gasket.
従来、密閉円筒型電池は家電製品に汎用されており、最近では、密閉円筒型電池の中でも特にリチウム電池が数多く用いられるに至っている。また、リチウム電池はエネルギ密度が高いことから、電気自動車(EV)やハイブリッド車(HEV)の車載電源としても開発が進められている。 Conventionally, sealed cylindrical batteries have been widely used in household electrical appliances, and recently, lithium batteries have been used in particular, among sealed cylindrical batteries. In addition, since lithium batteries have a high energy density, they are being developed as on-vehicle power sources for electric vehicles (EV) and hybrid vehicles (HEV).
ところが、密閉円筒型二次電池は充電装置の故障などにより過充電状態に陥ると、電解液の分解でガスが発生し電池内圧が極端に上昇することがある。特に、有機溶媒を電解液の溶媒として用いるリチウム電池においては、電池容量が大きくなるので、より確実な防爆動作が要求される。このため、薄板金属板の中央部を下方に突出させた突起部を厚板金属板に溶接し、これらの金属板の周部がカシメ固定された防爆機構を有する二次電池が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 However, when the sealed cylindrical secondary battery is overcharged due to a failure of the charging device or the like, gas is generated due to decomposition of the electrolytic solution, and the internal pressure of the battery may extremely increase. In particular, in a lithium battery using an organic solvent as a solvent for an electrolytic solution, since the battery capacity is increased, a more reliable explosion-proof operation is required. For this reason, a secondary battery having an explosion-proof mechanism is disclosed in which a protruding portion in which a central portion of a thin metal plate is protruded downward is welded to a thick metal plate, and a peripheral portion of these metal plates is fixed by caulking. (For example, refer to Patent Document 1).
また、本発明者らは、防爆機構を内蔵した上蓋を備えた密閉円筒型リチウム二次電池を先に提案した(特許文献2参照)。図6に示すように、上蓋40は、鉄製でニッケルメッキが施された円板状で電池の外部端子を兼ねる上蓋キャップ1を有している。上蓋キャップ1の中央には円筒状の凸部が形成されており、凸部には排気口(開口)が形成されている。上蓋キャップ1の周縁部は、アルミニウム合金製の皿状で中央に平面部を有するダイヤフラム22の周縁部にカシメ固定されている。ダイヤフラム22の平面部には、アルミニウム合金製で正極及び負極のいずれか一方に接続された接続板26の中央のダイヤフラム22側に突出した平面部が、抵抗溶接により電気的・機械的に接合されている。ダイヤフラム22の反転圧は、電池内圧が所定圧になったときに作動(ダイヤフラム22が上蓋キャップ1側に反転)するように抵抗溶接で設定されている。また、ダイヤフラム22の中央部と周縁部との間には、薄肉化されており電池内圧が所定圧に達すると開裂する開裂溝30が形成されている。開裂溝30は、図7に示すように、円環状の開裂溝30aと、円環状の開裂溝30aから周縁部側に延びる放射状の開裂溝30bとで構成されている。開裂溝30の開裂圧は、ダイヤフラム22の反転圧より高く設定されている。
In addition, the present inventors previously proposed a sealed cylindrical lithium secondary battery having an upper lid with a built-in explosion-proof mechanism (see Patent Document 2). As shown in FIG. 6, the
このような構造の防爆機構では、電池内圧が上昇してダイヤフラム22の反転圧に達すると、ダイヤフラム22が反転してダイヤフラム22と接続板26との接合が破断するため、接続板26及び上蓋キャップ1間の電流が遮断される。電池内圧が更に上昇して開裂溝30の開裂圧に達すると、開裂溝30が開裂し電池内のガスが放出されるため、電池内圧が低減する。
In the explosion-proof mechanism having such a structure, when the internal pressure of the battery rises and reaches the reverse pressure of the
しかしながら、電池を高容量化した場合、上述した防爆機構では、過充電時の電池内圧上昇時に安全に電池を使用不能状態とすることはできるものの、電池への急激な変形を伴う外力が作用すると、図8に示すように、電池内圧の急激な上昇によりダイヤフラム22が上蓋キャップ1に張り付く現象が起こる。このため、開裂溝30の開裂が妨げられ内圧開放が不確実となり、電池内圧を低減することができない、という問題がある。この問題は、上述した家電製品等に用いられる容量1.3Ah程度の小型電池では起こらないが、例えば、容量3.5Ah以上、とりわけ、10Ahを超える大容量をもつ電池で顕著となる。
However, when the capacity of the battery is increased, the above-described explosion-proof mechanism can safely make the battery unusable when the battery internal pressure rises during overcharging, but an external force with sudden deformation of the battery acts. As shown in FIG. 8, a phenomenon occurs in which the
本発明は上記事案に鑑み、大容量をもつ電池において、急激な変形を伴う外力が作用しても安全性を確保することができる円筒型二次電池を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a cylindrical secondary battery capable of ensuring safety even when an external force accompanied by abrupt deformation is applied to a battery having a large capacity in view of the above-mentioned cases.
上記課題を解決するために、本発明は、所定圧で開裂する開裂溝が形成され皿状で中央に平面部を有する導電性ダイヤフラムと、周縁部が前記ダイヤフラムの周縁部に固定され中央に排気口が形成された凸部を有する上蓋キャップと、電極群を構成する正極及び負極のいずれか一方に電気的に接続され前記ダイヤフラム側に突出した中央の平面部が前記ダイヤフラムの前記電極群側の平面部に接合された接続部材とを有する上蓋を備え、前記上蓋がガスケットを介して円筒状電池缶にカシメ固定された大容量円筒型二次電池において、前記開裂溝は前記ダイヤフラムの平面部に形成されており、前記排気口は、中心が前記ダイヤフラムの前記開裂溝で画定される内側部分の中心と同軸線上に位置し、大きさが前記内側部分の大きさ以上であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a conductive diaphragm having a dish-shaped cleavage groove that is cleaved at a predetermined pressure and having a flat portion in the center, and a peripheral portion fixed to the peripheral portion of the diaphragm and exhausted in the center. An upper lid cap having a convex portion formed with a mouth, and a central flat portion that is electrically connected to one of the positive electrode and the negative electrode constituting the electrode group and protrudes toward the diaphragm side is on the electrode group side of the diaphragm. A large-capacity cylindrical secondary battery including an upper lid having a connecting member joined to a flat surface portion, and the upper lid is caulked and fixed to a cylindrical battery can via a gasket. The cleavage groove is formed in the flat surface portion of the diaphragm. The exhaust port is located on the same axis as the center of the inner portion defined by the cleavage groove of the diaphragm, and has a size equal to or larger than the size of the inner portion. And wherein the door.
本発明の円筒型二次電池では、過充電時や電池への急激な変形を伴う外力の作用による正極及び負極の短絡時にガス発生で電池内圧が急激に上昇し、電池内圧がダイヤフラムの反転圧に達すると、ダイヤフラムが反転してダイヤフラムの平面部と接続部材の平面部との接合が破断することで、電極群を構成する正極及び負極のいずれか一方と上蓋キャップとの電気的接続が遮断され、電池内圧が更に上昇すると、ダイヤフラムの反転圧より高い圧力に設定された開裂溝の開裂圧に達する。本発明では、上蓋キャップに形成された排気口の中心がダイヤフラムの開裂溝で画定される内側部分の中心と同軸線上に位置し、排気口の大きさが開裂溝で画定される内側部分の大きさ以上のため、反転したダイヤフラムが上蓋キャップに張り付いても開裂溝が開裂して開裂溝で画定される内側部分が排気口を越えて電池外に押し出され、電池内のガスが排気口を通じて確実に排気されるので、電池内圧が低減し電池の安全性を確保することができる。 In the cylindrical secondary battery of the present invention, when the positive electrode and the negative electrode are short-circuited due to the action of an external force accompanied by rapid deformation of the battery, the battery internal pressure rapidly increases due to gas generation, and the battery internal pressure is the reverse pressure of the diaphragm. The diaphragm is inverted and the joint between the flat portion of the diaphragm and the flat portion of the connecting member is broken, so that the electrical connection between one of the positive electrode and the negative electrode constituting the electrode group and the upper lid cap is interrupted. When the battery internal pressure further rises, it reaches the cleavage pressure of the cleavage groove set to a pressure higher than the reverse pressure of the diaphragm. In the present invention, the center of the exhaust port formed in the upper lid cap is located on the same line as the center of the inner portion defined by the cleavage groove of the diaphragm, and the size of the inner portion is defined by the cleavage groove. For this reason, even if the inverted diaphragm sticks to the top cap, the cleavage groove is broken and the inner part defined by the cleavage groove is pushed out of the battery beyond the exhaust port, and the gas in the battery passes through the exhaust port. Since the exhaust is reliably performed, the internal pressure of the battery is reduced and the safety of the battery can be ensured.
この場合において、上蓋キャップの凸部に円筒型二次電池同士を接続するためのブスバを接合し、ブスバに中心が排気口の中心と同軸線上に位置する貫通穴を形成し、該貫通穴の大きさを排気口の大きさ以上としてもよい。このようにすれば、円筒型二次電池同士を接続して使用するときに、電池への急激な変形を伴う外力が作用しても開裂溝の開裂により電池内のガスが上蓋キャップの排気口及びブスバの貫通穴を通じて確実に排気されるので、安全性を確保することができる。このとき、排気口及び貫通穴が略円形で、開裂溝が円環状であり、排気口の最小径をA、開裂溝の円環外径をB、貫通穴の最小径をCとしたときに、最小径C≧最小径A≧円環外径Bとしてもよい。また、ダイヤフラムに、円環状の開裂溝から周縁部側に放射状の開裂溝が更に形成されていてもよい。更に、開裂溝がダイヤフラムの上蓋キャップ側の平面部に形成されていることが好ましい。 In this case, a bus bar for connecting the cylindrical secondary batteries to each other is joined to the convex portion of the upper lid cap, and a through hole whose center is located on the same line as the center of the exhaust port is formed in the bus bar. The size may be greater than the size of the exhaust port. In this way, when the cylindrical secondary batteries are connected and used, even if an external force accompanied by rapid deformation of the batteries is applied, the gas in the batteries is discharged from the opening of the top cap by the cleavage of the cleavage groove. And since it exhausts reliably through the through-hole of a bus bar, safety | security can be ensured. At this time, when the exhaust port and the through hole are substantially circular, the cleavage groove is annular, the minimum diameter of the exhaust port is A, the outer diameter of the ring of the cleavage groove is B, and the minimum diameter of the through hole is C The minimum diameter C ≧ minimum diameter A ≧ annular outer diameter B may be set. Further, a radial cleavage groove may be further formed on the diaphragm from the annular cleavage groove to the peripheral edge side. Furthermore, it is preferable that the cleavage groove is formed in the flat portion on the upper lid cap side of the diaphragm.
本発明によれば、上蓋キャップに形成された排気口の中心がダイヤフラムの開裂溝で画定される内側部分の中心と同軸線上に位置し、排気口の大きさが開裂溝で画定される内側部分の大きさ以上のため、反転したダイヤフラムが上蓋キャップに張り付いても開裂溝が開裂して内側部分が排気口を越えて電池外に押し出されるので、電池内圧が低減し電池の安全性を確保することができる、という効果を得ることができる。 According to the present invention, the center of the exhaust port formed in the upper lid cap is located on the same axis as the center of the inner portion defined by the cleavage groove of the diaphragm, and the inner portion of which the size of the exhaust port is defined by the cleavage groove. Therefore, even if the inverted diaphragm sticks to the top lid cap, the cleavage groove is broken and the inner part is pushed out of the battery beyond the exhaust port, reducing the internal pressure of the battery and ensuring the safety of the battery. It is possible to obtain the effect of being able to.
以下、図面を参照して、本発明を円筒型リチウムイオン電池に適用した実施の形態について説明する。 Embodiments in which the present invention is applied to a cylindrical lithium ion battery will be described below with reference to the drawings.
(構成)
図1に示すように、本実施形態の円筒型リチウムイオン電池50は、中空円筒状の軸芯の周りに、正極及び負極を、リチウムイオンの通過を許容するポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを介して捲回した電極捲回群11を備えている。
(Constitution)
As shown in FIG. 1, a cylindrical
正極は、正極活物質のリチウムマンガン複合酸化物の粉末90重量部に対して、導電材として炭素粉末5重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記する。)5重量部と、を添加し、これに分散溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMPと略記する。)を添加、混練したスラリを、厚さ20μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、プレス、集電するための一部を残して短冊状に裁断して得られたものである。集電するために残した部分には正極タブが形成されている。上述したリチウムマンガン複合酸化物には、例えば、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)又はLiMn2O4のリチウムサイト又はマンガンサイトを他の金属元素で置換又はドープした、例えば、化学式Li1+xMyMn2−x−yO4(MはLi、Co、Ni、Fe、Cu、Al、Cr、Mg、Zn、V、Ga、B、F)や層状系マンガン酸リチウム(LiMnxM1−xO2)(MはLi、Co、Ni、Fe、Cu、Al、Cr、Mg、Zn、V、Ga、B、Fの1種類以上の金属元素)を用いることができる。 In the positive electrode, 5 parts by weight of carbon powder as a conductive material and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PVDF) as a binder with respect to 90 parts by weight of lithium manganese composite oxide powder as a positive electrode active material. Then, N-methylpyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) is added as a dispersion solvent, and the kneaded slurry is uniformly applied to both sides of a 20 μm thick aluminum foil (positive electrode current collector). Then, after drying, it was obtained by cutting into a strip shape, leaving a part for pressing and collecting current. A positive electrode tab is formed in a portion left for current collection. In the lithium manganese composite oxide described above, for example, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) or lithium sites or manganese sites of LiMn 2 O 4 are substituted or doped with other metal elements, for example, chemical formula Li 1 + x M y Mn 2−x−y O 4 (M is Li, Co, Ni, Fe, Cu, Al, Cr, Mg, Zn, V, Ga, B, F) or layered lithium manganate (LiMn x M 1-x O 2 ) (M is one or more metal elements of Li, Co, Ni, Fe, Cu, Al, Cr, Mg, Zn, V, Ga, B, and F).
一方、負極は、負極活物質の非晶質炭素粉末90重量部に、結着剤としてPVDFの10重量部を添加し、これに分散溶媒としてNMPを添加、混練したスラリを、厚さ10μmの圧延銅箔(負極集電体)の両面に塗布し、乾燥させた後、所定寸法にプレス、集電するための一部を残して短冊状に裁断して得られたものである。集電するために残した部分には負極タブが形成されている。負極活物質には、上述した非晶質炭素の他に、リチウムを吸蔵放出可能な物質または金属リチウムを用いるようにしてもよい。 On the other hand, the negative electrode was prepared by adding 10 parts by weight of PVDF as a binder to 90 parts by weight of amorphous carbon powder of the negative electrode active material, adding NMP as a dispersion solvent thereto, and kneading the slurry with a thickness of 10 μm. It was obtained by applying it to both sides of a rolled copper foil (negative electrode current collector), drying it, and cutting it into strips, leaving a part for pressing and collecting current to a predetermined size. A negative electrode tab is formed in a portion left for current collection. As the negative electrode active material, in addition to the amorphous carbon described above, a material capable of occluding and releasing lithium or metallic lithium may be used.
電極捲回群11は有底円筒状の金属製電池缶10内に挿入されており、上述した正極タブ及び負極タブは電極捲回群11の互いに反対側の両端面に位置するように配置されている。軸芯の下端には、集電用の負極集電リングが固定されており、負極集電リングの周縁部には負極タブが超音波溶接されている。負極集電リングは、電池缶10に抵抗溶接されている。一方、軸芯の上端には集電用の正極集電リング14が固定されており、正極集電リング14の周縁部には正極タブが超音波溶接されている。正極集電リング14には、短冊状のアルミニウム箔を積層し略U字状に折り曲げられた正極リード板32の一側が溶接されている。正極リード板32の他側は、電極捲回群11の上部に配置された上蓋20を構成するアルミニウム合金製のスプリッタ4の底面に溶接されている。
The
図2に示すように、上蓋20は、鉄製でニッケルメッキが施された円板状の上蓋キャップ(トップキャップ)1を有している。円板の中央には上方に向けて突出した円筒状の突起(凸部)が形成されており、突起の上面には電池内部で発生したガスを排出するための排気口(開口)9が形成されている。排気口9は略円形の形状に形成されている。上蓋キャップ1は正極外部出力端子としての機能を有しており、上蓋キャップ1の周部はダイヤフラム2の周部でカシメ固定されている。ダイヤフラム2は、アルミニウム合金製で下方に底部が形成された皿状の形状を有している。皿状の底部は平面状でありダイヤフラム2の中央部を形成している。ダイヤフラム2の上蓋キャップ1側の中央部には、薄肉化されており電池内圧が所定圧に達すると開裂する開裂溝8が形成されている。
As shown in FIG. 2, the
図3(B)に示すように、開裂溝8は、円環状の開裂溝8aと、開裂溝8aからダイヤフラム2の周縁部側に延びる放射状の開裂溝8bとで形成されている。開裂溝8aは円環の外径b(以下、円環径bという。)(円環外径B)に設定されている。図3(A)に示すように、上蓋キャップ1に形成された排気口9は最小径a(以下、排気口径aという。)(最小径A)に設定されている。排気口9は、中心が開裂溝8aの円環(ダイヤフラム2の開裂溝8aで画定される内側部分)の中心と同軸線上(同心位置)に位置している。排気口9の大きさは、開裂溝8aの円環の大きさ以上に形成されており、排気口径aは円環径b以上(排気口径a≧円環径b)に設定されている。
As shown in FIG. 3B, the
図2に示すように、ダイヤフラム2の中央部の底面(電極捲回群11側の面)には、アルミニウム合金製でダイヤフラム2より肉厚が薄い接続板(接続部材)6が配置されている。接続板6は、中央部の上面が平面状で上方(ダイヤフラム2側)に突出しており、抵抗溶接により接合部7でダイヤフラム2に電気的・機械的に接合されている。ダイヤフラム2と接続板6との接合強度は、リチウムイオン電池50の内圧が所定圧になったときにダイヤフラム2が作動(ダイヤフラム2が上蓋キャップ1側に反転)するように、抵抗溶接で調整されている。
As shown in FIG. 2, a connection plate (connecting member) 6 made of an aluminum alloy and having a thickness smaller than that of the
ダイヤフラム2の中央部の底面と接続板6の周縁部との間には、フランジ部がダイヤフラム2の中央部の底面に当接するポリプロピレン樹脂製で円環状のブッシュ5を介して、扁平ドーナツ状(皿状の中央部が空けられた形状)のスプリッタ4が狭持されている。このため、スプリッタ4と接続板6とは電気的に接続されている。また、スプリッタ4には、電池内部とダイヤフラム2とを連通させる複数の貫通穴が形成されている。ダイヤフラム2のスプリッタ4が沿う部分と、スプリッタ4とが、図1に示した正極集電リング14内に収容されている。スプリッタ4の外周部は、断面略T字状の樹脂製絶縁リング3によりダイヤフラム2の底面と所定間隔を隔てて係止されている。絶縁リング3は、内面側にスプリッタ4の外周部を支持する複数のツメを有しており、絶縁リング3とツメとは一体成形されている。なお、ダイヤフラム2、スプリッタ4、上蓋キャップ1及び接続板6は、プレス加工により成形されている。
Between the bottom surface of the center portion of the
図1に示すように、電池缶10内に非水電解液が所定量注入された後、上蓋20の周縁部は電池缶10にガスケット13を介してカシメ固定されて電池内が密閉されている。非水電解液には、6フッ化リン酸リチウムや4フッ化ホウ酸リチウムをエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの有機溶媒に1モル/リットル程度溶解した電解液が用いられている。本実施形態のリチウムイオン電池50は10Ahを超える容量を有している。なお、非水電解液には、これ以外に、例えば、カーボネート系、スルホラン系、エーテル系、ラクトン系等の有機溶剤を単体または混合して用いた溶媒中にリチウム塩を溶解させたものを用いることができる。
As shown in FIG. 1, after a predetermined amount of nonaqueous electrolyte is injected into the battery can 10, the peripheral edge of the
(作用等)
次に、本実施形態のリチウムイオン電池50の電池異常時の作用等について説明する。
(Action etc.)
Next, the operation of the
本実施形態のリチウムイオン電池50では、接合部7の接合が解除されダイヤフラム2が上蓋キャップ1側に反転する反転圧と、ダイヤフラム2に形成された開裂溝8が開裂する開裂圧とが設定されており、反転圧は大気圧より大きく(例えば、1.5MPa)、開裂圧は反転圧より大きい値に設定されている(例えば、2MPa)。
In the
電池内圧が反転圧に達すると、接続板6が破断し(ダイヤフラム2の中央部の底面と、接続板6の中央部の上面との接合部7の接合が解除され)て、ダイヤフラム2が上蓋キャップ1側に反転する。これにより、電極捲回群11の正極タブ、正極集電リング14、正極リード板32、スプリッタ4、接続板6、ダイヤフラム2、上蓋キャップ1(正極外部出力端子)の順で接続された電流経路のうち、接続板6とダイヤフラム2との間の電流経路が遮断されるので、上蓋キャップ1及び電極捲回群11間の通電が遮断される。電池内圧が更に上昇して開裂圧に達すると、開裂溝8が開裂する。これにより、電池内のガスが排気口9を通じて電池外に排気されるため、電池内圧が低減する。このため、リチウムイオン電池50が過充電状態に陥っても、安全にリチウムイオン電池50を使用不能状態とすることができる。なお、反転圧は大気圧より大きい値に設定されているので、一旦ダイヤフラム2が反転すると、再度、ダイヤフラム2の中央部の底面と、接続板6の中央部の上面とが接触することはない。
When the internal pressure of the battery reaches the reverse pressure, the
また、リチウムイオン電池50への急激な変形を伴う外力が作用した場合(例えば、リチウムイオン電池50が圧壊されたり、釘等の異物で突き刺された場合)には、電極捲回群11の正極及び負極が短絡し、非水電解液が加速度的に分解しガスが発生する。とりわけ、本実施形態のリチウムイオン電池50は容量10Ahを超えており、非水電解液の量も多いため、電池内圧は熱暴走を伴って急激に上昇する。このため、電池内圧が反転圧に達すると、ダイヤフラム2が上蓋キャップ1側に反転して上蓋キャップ1の内側に張り付いてしまう。リチウムイオン電池50では、開裂溝8の円環径bが上蓋キャップ1に形成された排気口9の排気口径a以下(排気口径a≧円環径b)のため、図4に示すように、開裂溝8が開裂して開裂溝8aの内側部分が排気口9から上蓋キャップ1を越えて電池外に押し上げられるので、電池缶10内のガスが排気口9を通じて電池外に放出される。従って、リチウムイオン電池50は、急激な変形を伴う外力が作用した場合でも、電池内圧を確実に低減させることができるので、電池の安全性を確保することができる。
Further, when an external force accompanied by abrupt deformation is applied to the lithium ion battery 50 (for example, when the
更に、本実施形態のリチウムイオン電池50では、開裂溝8a、8bがダイヤフラム2の上蓋キャップ1側の中央部に形成されている。このため、ダイヤフラム2の電極捲回群11側の中央部に接続板6を抵抗溶接で接合するときに、開裂溝8a、8bの損傷を防止することができる。
Furthermore, in the
なお、本実施形態では、排気口9を略円形、開裂溝8aを円環状とする例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、四角形状や多角形状としてもよく、排気口9の大きさが開裂溝8aの内側部分の大きさ以上であればよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、リチウムイオン電池について例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、10Ahを超える容量をもつ円筒型の二次電池に適用可能である。また、電極捲回群11を構成する正極、負極、セパレータや非水電解液について例示したが、本発明はこれらの活物質、材質、電解質、溶媒等に制限されるものでないことは論を待たない。更に、本実施形態では、電極捲回群11の正極を上蓋キャップ1に接続して正極外部出力端子とした例を示したが、負極を上蓋キャップ1に接続するようにしてもよい。
In the present embodiment, the lithium ion battery is exemplified, but the present invention is not limited to this, and can be applied to, for example, a cylindrical secondary battery having a capacity exceeding 10 Ah. Moreover, although the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the nonaqueous electrolytic solution constituting the
次に、本実施形態に従って作製した円筒型リチウムイオン電池50の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例の円筒型リチウムイオン電池についても併記する。また、実施例及び比較例の電池において、開裂圧はすべて2.0MPaとし、電池の容量はすべて13Ahとした。
Next, examples of the cylindrical
以下の実施例及び比較例では、上蓋キャップ1に形成された排気口9の排気口径a、ダイヤフラム2に形成された開裂溝8aの円環径bをそれぞれ変えて上蓋20を作製し、リチウムイオン電池50を作製した。作製したリチウムイオン電池50を2セル使用し、電池接続用のブスバを2個用いて2並列に抵抗溶接で接続し2パラセルユニットとした。図5(A)、(B)に示すように、ブスバ60は扁平楕円状の金属板で構成されており、金属板の長手方向の一側には電池内で発生したガスの放出経路となる略円形の貫通穴62が形成されている。ブスバ60は、リチウムイオン電池50の上蓋キャップ1の上面に抵抗溶接で固定されている。貫通穴62の中心は排気口9の中心と同軸線上(同心位置)に位置している。貫通穴62の大きさは、排気口9の大きさ以上に形成されている。すなわち、貫通穴62の最小径c(以下、貫通穴最小径cという。)(最小径C)は、図5(B)、(C)に示すように、排気口径a以上(貫通穴最小径c≧排気口径a)に設定されている。貫通穴62の形状は、上述した略円形の他に、例えば、四角形状や多角形状としてもよく、貫通穴62の大きさが排気口9の大きさ以上であればよい。2セルのリチウムイオン電池50にそれぞれ固定されたブスバ60の他側同士を抵抗溶接で接合することで、2パラセルユニットを作製することができる。
In the following examples and comparative examples, the
(実施例1)
下表1に示すように、実施例1では、排気口径aを6mm、円環径bを6mmに設定したリチウムイオン電池50を作製し、貫通穴最小径cを6mmに設定したブスバ60で2パラセルユニットを作製した。排気口径a、円環径b、貫通穴最小径cの大きさを比較すると、c=a=bとなる。
Example 1
As shown in Table 1 below, in Example 1, a
(実施例2)
表1に示すように、実施例2では、排気口径aを12mm、円環径bを12mmに設定したリチウムイオン電池50を作製し、貫通穴最小径cを12mmに設定したブスバ60で2パラセルユニットを作製した。排気口径a、円環径b、貫通穴最小径cの大きさを比較すると、c=a=bとなる。
(Example 2)
As shown in Table 1, in Example 2, a
(実施例3)
表1に示すように、実施例3では、排気口径aを6mm、円環径bを5mmに設定したリチウムイオン電池50を作製し、貫通穴最小径cを7mmに設定したブスバ60で2パラセルユニットを作製した。排気口径a、円環径b、貫通穴最小径cの大きさを比較すると、c>a>bとなる。
(Example 3)
As shown in Table 1, in Example 3, a
(実施例4)
表1に示すように、実施例4では、排気口径aを6mm、円環径bを5mmに設定したリチウムイオン電池50を作製し、貫通穴最小径cを6mmに設定したブスバ60で2パラセルユニットを作製した。排気口径a、円環径b、貫通穴最小径cの大きさを比較すると、c=a>bとなる。
Example 4
As shown in Table 1, in Example 4, a
(比較例1)
表1に示すように、比較例1では、排気口径aを6mm、円環径bを12mmに設定したリチウムイオン電池を作製し、貫通穴最小径cを7mmに設定したブスバ60で2パラセルユニットを作製した。排気口径a、円環径b、貫通穴最小径cの大きさを比較すると、a<c<bとなる。
(Comparative Example 1)
As shown in Table 1, in Comparative Example 1, a lithium ion battery having an exhaust port diameter a of 6 mm and an annular diameter b of 12 mm was prepared, and a 2-paracell unit was formed by a
(比較例2)
表1に示すように、比較例2では、排気口径aを6mm、円環径bを12mmに設定したリチウムイオン電池を作製し、貫通穴最小径cを13mmに設定したブスバ60で2パラセルユニットを作製した。排気口径a、円環径b、貫通穴最小径cの大きさを比較すると、a<b<cとなる。
(Comparative Example 2)
As shown in Table 1, in Comparative Example 2, a lithium ion battery having an exhaust port diameter a set to 6 mm and an annular diameter b set to 12 mm was prepared, and a 2-paracell unit was formed using a
(比較例3)
表1に示すように、比較例3では、排気口径aを7mm、円環径bを10mmに設定したリチウムイオン電池を作製し、貫通穴最小径cを10mmに設定したブスバ60で2パラセルユニットを作製した。排気口径a、円環径b、貫通穴最小径cの大きさを比較すると、a<b=cとなる。
(Comparative Example 3)
As shown in Table 1, in Comparative Example 3, a lithium ion battery having an exhaust port diameter a set to 7 mm and an annular diameter b set to 10 mm was prepared, and a 2-paracell unit was formed using a
(試験、評価)
各実施例及び比較例の2パラセルユニットについて、過充電試験、釘刺し試験、圧壊試験を行い電池挙動を評価した。過充電試験では、2パラセルユニットに対して26A(1セルあたり1C)の直流電流で過充電となるまで充電した。釘刺し試験では、電池をSOC(充電状態)100%に調整した後、半径5.5mmの釘を1.6m/minの速度で電極捲回群11の捲回軸に対して垂直方向から電池長手方向の中心へ長手方向に対して垂直な方向で降ろし、電池に釘を刺した。圧壊試験では、電池をSOC100%に調整した後、半径17.5mmの圧壊治具を1.6m/minの速度で電極捲回群11の捲回軸に対して垂直方向から電池長手方向の中心へ長手方向に対して垂直な方向で降ろし、電池に外圧をかけた。各試験における電池挙動は、◎;試験電池の100%について破裂発火が認められない、○;試験電池の81〜99%について破裂発火が認められない、△;試験電池の61〜80%について破裂発火が認められない、×;試験電池の0〜60%について破裂発火が認められない、の4段階でそれぞれ評価した。各試験の評価結果を下表2に示す。なお、各試験は試験回数n=20で行った。
(Examination, evaluation)
About 2 paracell units of each Example and the comparative example, the overcharge test, the nail penetration test, and the crush test were done, and the battery behavior was evaluated. In the overcharge test, the 2 paracell unit was charged with a direct current of 26 A (1 C per cell) until it was overcharged. In the nail penetration test, after adjusting the battery to SOC (charged state) 100%, a nail with a radius of 5.5 mm was charged at a speed of 1.6 m / min from the direction perpendicular to the winding axis of the
表2に示すように、ダイヤフラム22の中央部と周部との間に開裂溝30を形成し(図6参照)、円環径bを排気口径aより大きく設定した比較例1〜比較例3のリチウムイオン電池では、過充電試験で破裂発火が認められなかったものの、釘刺し試験や圧壊試験のような外部からの急激な変形を伴う破壊試験では破裂発火が起こった。これは、電池容量を13Ahと高容量化していることから、変形時に電池内圧が急激に上昇し、反転したダイヤフラム22が上蓋キャップ1の下部に張り付き開裂溝30の開裂が妨げられたためと考えられる(図8参照)。これに対して、ダイヤフラム2の中央部に開裂溝8を形成し、円環径bを排気口径a以下(排気口径a≧円環径b)に設定した実施例1〜実施例4のリチウムイオン電池50では、過充電試験で破裂発火が認められなかったことはもちろん、釘刺し試験や圧壊試験でもほとんど破裂発火が認められなかった。これは、反転したダイヤフラム2が上蓋キャップ1に張り付いても、開裂溝8がほぼ確実に開裂し、電池内圧が排気口9を通じて電池外に開放されたためと考えられる(図4参照)。
As shown in Table 2, Comparative Example 1 to Comparative Example 3 in which a
中でも、実施例3、実施例4のリチウムイオン電池50では、円環径b≦排気口径a≦貫通穴最小径cの関係に設定したため、開裂溝8が開裂した後でも、電池接続に使用したブスバ60が障害となることなく電池内圧をスムーズに開放することができた。従って、リチウムイオン電池50は、過充電時に安全性を確保することができるばかりではなく、釘刺しや圧壊等の急激な変形を伴う外力が作用しても安全性を確保することができることが判明した。
Among them, in the
本発明は大容量をもつ電池において、急激な変形を伴う外力が作用しても安全性を確保することができる円筒型二次電池を提供するため、二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。 The present invention contributes to the manufacture and sale of secondary batteries in order to provide a cylindrical secondary battery that can ensure safety even when an external force with sudden deformation is applied to a battery having a large capacity. Have industrial applicability.
1 上蓋キャップ
2 ダイヤフラム(導電性ダイヤフラム)
6 接続板(接続部材)
8 開裂溝
9 排気口
10 電池缶(円筒状電池缶)
11 電極捲回群(電極群)
13 ガスケット
20 上蓋
50 円筒型リチウムイオン電池(円筒型二次電池)
60 ブスバ
1
6 Connection plate (connection member)
8 Cleavage
11 Electrode winding group (electrode group)
13
60 Busba
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