JP4795515B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安全弁が設けられた二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、さまざまな分野で二次電池が用いられている。例えば、小型のものであれば、携帯電話やビデオカメラ等の電子機器の電源として用いられている。また、大型のものであれば、電気自動車の電源や家庭用等の電力貯蔵装置として用いられている。現在、従来用いられていた鉛二次電池やニッケル・カドミウム二次電池に替わって、より軽量で、コンパクト性に優れるリチウム二次電池のような非水電解質二次電池の開発が進められている。
【０００３】
しかし、このような非水電解質二次電池は、有機材料の電解液を使用しており、短絡等により電池内部の圧力が上昇した場合、電池が破損するという問題があった。例えば、何らかの原因により短絡を起こすと、短絡部分が発熱し、その熱によって電解液は分解されてガス化する。これにより、電極板等を密閉収納する容器内部の圧力が上昇し、該圧力が所定値以上になると、電池が爆発したり、電池の爆発により周辺機器を破損させたりするおそれがあった。
【０００４】
このような爆発を防止するために、非水電解質二次電池には、通常、安全弁が付設されている。この安全弁は、容器内部の圧力が所定値以上になると、開口して、容器内部の圧力を逃がす働きをするものである。
【０００５】
図９に、安全弁が設けられた二次電池の従来例を示す。図９において、符号１０１は容器、１０２は安全弁、１０３は正極端子、１０４は負極端子、１０５は上面を示す。
容器１０１の上面１０５には、安全弁１０２、正極端子１０３、負極端子１０４が設けられている。安全弁１０２は、上面１０５の略中央部に配設されており、安全弁１０２の左右に正極端子１０３、負極端子１０４が配設されている。
さらに、容器１０１内部には、電極板がセパレータを介して複数積層され、かつ電解液に浸漬した状態で密閉収納されている。各電極板は、図において、直立した状態で配置されている。電解液の液量は、任意に設定されるが、概ね容器１０１の内容積の２０〜５０パーセント程度（液位は９０パーセント程度 ←電極、セパレータ、電解液の体積の合計は容器容積の９０％くらいになるが、電解液自体は少ない）とされている。
【０００６】
上記構成により、二次電池は、短絡等により容器１０１内部の圧力が所定値以上に上昇した場合、容器１０１の上面に配設された安全弁１０２が開口して、容器１０１内部で発生したガスを外部へ流出させ、容器１０１内部の圧力を外部へリークさせるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の二次電池は、安全弁１０２が適切なタイミングで開口しないという問題があった。
【０００８】
本発明者は、上記問題の原因を究明するために、以下の実験を行った。
まず、本発明者は、短絡等により容器１０１内で発生したガスは高温となるので、容器１０１の数カ所に熱電対を設け、それらの温度変化を測定することにより、ガスの流れが解明できると考えた。そこで、図７に示すように容器１０１の上面付近の３箇所（測定点Ａ，Ｂ，Ｃ）に熱電対を設け、電極板の中心Ｄ付近を意図的に短絡させて、各測定点Ａ，Ｂ，Ｃの時間に対する温度変化を測定した。測定結果は、図８に示す通りであり、時間０の時が短絡時である。図８より、短絡後、測定点Ａ，Ｃはほぼ同一の上昇率で急速に高温となるが、測定点Ｂは緩やかに温度上昇していることがわかる。従って、本発明者は、Ｄ点で発生したガスは、Ｄ点から上昇して真上方向のＢ点に到達するのではなく、電極板の左右方向に移動し、電極板と容器１０１の側面との間の空間を上方に移動して、上面の両端部であるＡ点もしくはＣ点に到達することを導き出した。
また、狭い電極間で発生したガスは、狭い流路を通って噴出するので、容器１０１内の圧力は各時刻において常に一定となるわけではなく、ガスの流れに近いところが最も急激に圧力が上昇するものと考えられる。従って、ガスの流れに設けられた安全弁はタイミングよく即座に開口するが、ガスの流れ方向から少しずれた位置にある安全弁は、開口するタイミングが遅くなると考えられる。
以上より、発明者は、図９に示すような従来の二次電池においては、容器１０１の上面１０５の中央部に一つだけ安全弁１０２を設けた構成としているので、発生したガスが安全弁１０２の位置に到達するには時間を要し、適切なタイミングで安全弁１０２が開口しないことを見出した。
【０００９】
また、二次電池は、図９に示す如く安全弁１０２が容器１０１の上方に位置するように縦向きに設置されるとは限らず、設置場所によっては、安全弁１０２が容器１０１の側方に位置するように横向きに設置されることもある。この場合、容器１０１内部の電解液の液面が安全弁１０２の開口部よりも完全に高くなり、電解液が安全弁１０２の開口部を覆ってしまうことになり、唯一の安全弁１０２が適切に開口しないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、適切なタイミングで常に開口する安全弁を備えた二次電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池は、複数積層した電極板を電解液に浸漬した状態で密閉収納する容器を備え、前記容器には、該容器内の圧力が所定値以上になると開口する安全弁が設けられ、該安全弁が前記容器の上方に位置するような縦向きと前記安全弁が前記容器の側方に位置するような横向きとに設置可能な二次電池において、前記安全弁は、複数設けられ、かつ前記各電極板は、前記縦向きの設置状態において、略直立状態に配置されており、前記安全弁は、前記各電極板の積層方向から前記容器を視た際に左右側に位置する該容器の両端部であってかつ上面に、少なくとも一つずつ設けられていることを特徴とする。
【００１２】
この二次電池においては、安全弁が複数設けられているので、短絡等により容器内にガスが発生した場合、適切な位置の安全弁が開口することとなる。つまり、最も圧力上昇が激しい位置にある安全弁が作動するのである。
【００１４】
また、前記安全弁は、発生ガスの流れ方向に設けられているので、短絡等により前記容器内にガスが発生した場合、前記安全弁は、適切なタイミングで開口することとなる。ここで、適切なタイミングとは、部分的な圧力の上昇を敏感に察知し、ほとんど時間遅れなく作動するタイミングを言う。
【００１５】
さらに本発明によれば、前記各電極板は、略直立状態に配置されており、前記安全弁は、前記各電極板の積層方向から前記容器を視た際に上側に位置する該容器の上面であって、かつ該上面の対角する二つの角部に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
この二次電池においては、前記安全弁は、前記容器の上面であって、かつ該上面の対角する二つの角部に設けられているので、短絡等により容器内にガスが発生した場合、ガスの流れ及びガスの動圧によって適切なタイミングで開口し、また、前記容器が横向きに設置された場合においても、少なくともどちらか一方の安全弁は、前記容器内の電解液の液面よりも高い位置に設けられているので、前記安全弁は適切に作動する。
【００１７】
さらに前記安全弁は、電極端子が設けられた面に形成されていることを特徴とする。
【００１８】
この二次電池においては、前記安全弁は、電極端子が設けられた面に形成されているので、容器を構成する一面のみに複数の構成要素が集約されることとなる。
【００１９】
さらに前記容器は、設置場所におけるスペース効率を考慮して、略直方体形状とされていることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図１〜図６を用いて説明する。なお、リチウム二次電池を例として説明する。
図１は、本発明に係る二次電池の斜視図である。図２は、本発明に係る二次電池の一部分を破断視した斜視図である。
【００２１】
図１において、符号１は容器、２は安全弁、３は正極端子、４は負極端子、５は上面を示す。容器１は、幅１１６ｍｍ×高さ１７９ｍｍ×奥行き６６．５ｍｍの略直方体形状である。
容器１の上面５には、安全弁２、正極端子３、負極端子４が設けられている。
図２は、二次電池の一部分を破断視した斜視図であり、符号６は、例えばマンガン酸リチウム系材料とされる正極電極板（電極板）、７は例えば炭素系材料とされる負極電極板（電極板）、８はセパレータを示す。図に示された通り、正極電極板６、負極電極板７は略直立した状態で配置され、セパレータ８を介して、正極電極板６，セパレータ８，負極電極板７，セパレータ８，正極電極板６…の順に複数積層され、電極群９が形成されている。各正極電極板６は正極端子３に接続され、各負極電極板７は負極端子４に接続されている。
さらに、容器１内には、例えばエチレンカーボネート＋ジメチルカーボネート等の有機材料とされる電解液が封入されている。電解液の液量は、任意に設定されるが、概ね容器１の内容積に対して２０〜５０パーセント程度（液位は９０％程度）とされており、正極電極６、負極電極７、セパレータ８は、電解液に浸漬された状態となっている。
図３は、安全弁２が設けられた面を示す平面図であり、図１の二次電池においては、容器１の上面５を示す平面図である。
安全弁２は、正極電極板６（電極板），負極電極板７（電極板）の積層方向から容器１を視た際に上側に位置する容器１の上面５であって、上面５の対角する二つの角部に配設されている。また、正極端子３、負極端子４は、上面５の中心部の左右にそれぞれ配設されている。
【００２２】
この二次電池は、例えば定格２７０Ｗｈの単電池であり、複数の（４つの）単電池を直列に接続して、（定格約１ＫＷｈの）モジュールとする。そして、用途に応じて、モジュールを一または複数組み合わせて容量を適宜調節して用いる。
また、設置場所のスペースに応じて、図１に示す如く正極端子３、負極端子４が設けられた面が上面となるように縦向きに設置される場合と、正極端子３、負極端子４が設けられた面が側面となるように横向きに設置される場合とがある。
【００２３】
上記構成の二次電池を縦向きに設置した場合、例えば、何らかの理由により短絡が発生すると、短絡部分が発熱する。その熱によって、その周りの電解液は分解されてガス化する。ここで、本発明者が本発明に至った研究で得た知見によると、そのガスは、電極群９の左右方向に移動し、電極群９と容器１の側面との間の空間に到達する。その後、容器１の側面に沿って上方に移動し、上面５の両端部に設けられた安全弁２を開口して円滑にガスを外部へ放出する。
【００２４】
本実施の形態によれば、安全弁２は発生ガスの流れ方向である上面５の両端部に設けられているので、安全弁２がガスの流れに応じて適切なタイミングで開口する。さらに、この場合、ガスのもつ動圧により確実に安全弁２は開口する。従って、逃げ場を失ったガスにより容器１内が高圧になるのを防止することができ、爆発を起こすおそれのない安全な二次電池が実現できる。
【００２５】
なお、本実施の形態では、図３に示すように、安全弁２を対角する二つの角部として、上面５の左上と右下の角部に設けた構成としたが、図４に示すように安全弁２を両端部の真中に設けてもよい。すなわち、安全弁２をガスの流れ方向である上面５の両端部に少なくとも一つづつ任意の位置に設ける構成とすれば、同様の作用・効果を奏することができる。
さらに、図５に示すように安全弁２を上面５の全ての角部に設ければ、さらに顕著に本発明の効果を奏することができる。
【００２６】
次に、二次電池を横向きに設置した場合において、二次電池の安全弁が設けられた面を示す平面図を図６に示す。図６に示すように容器１内の電解液１０の液面は２点鎖線で示す位置にある。
ここで、安全弁２は対角する二つの角部に設けられているので、設置の向きにかかわらず、どちらか一方の安全弁２は電解液１０の液面よりも高い位置に配設されている。従って、電解液１０により開口部が完全に覆われることはなく、二次電池を横向きに設置した場合でも、安全弁２は適切なタイミングで作動し、安全な二次電池が実現できる。
【００２７】
本発明の実施の形態では、容器１内部で短絡が生じた場合について説明したが、安全弁２が作動するのは何も短絡に限ったものではない。短絡等の内的要因に限らず、例えば火災等の何らかの理由により外気が高温となる等の外的要因もあり得る。つまり、安全弁２は、二次電池が高温状態になって、電解液が分解されてガス化し、その発生したガスにより容器１内部が高圧になった場合に作動するものである。
従って、本発明の二次電池に係る安全弁２は、容器１内部で短絡が発生した場合に限らず、電池内部が高圧になった場合に、常に適切なタイミングで作動するものである。
【００２８】
なお、本発明の実施の形態では、容器１の上面５に安全弁を設けた構造のものについて説明したが、本発明はこれに限定されない。つまり、安全弁２は正極電極板６（電極板），負極電極板７（電極板）の積層方向から容器１を視た際に左右側に位置する容器１の両端部であってかつ上方に、少なくとも一つづつ設けられた構造であれば、本発明の作用・効果を奏することができる。従って、例えば、図１において、容器１の左右の側面１１、１２であって、ガスの流れ方向である上方に安全弁２を設けてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明における請求項１に記載の発明によれば、安全弁が複数設けられているので、短絡等により容器内にガスが発生した場合、最も圧力上昇が激しい位置にある安全弁が適切なタイミングで作動する安全な二次電池が実現できる。
【００３０】
また、安全弁が発生ガスの流れ方向に設けられているので、短絡等により容器内にガスが発生した場合、安全弁がガスの流れに応じて適切なタイミングで作動する安全な二次電池が実現できる。
【００３１】
本発明における請求項２に記載の発明によれば、安全弁が容器の上面であって、かつ上面の対角する二つの角部に設けられているので、短絡等により容器内にガスが発生した場合、安全弁がガスの流れ及びガスの動圧により適切なタイミングで作動する安全な二次電池が実現できる。また、二次電池が横向きに設置された場合においても、少なくともどちらか一方の安全弁は適切に作動する安全な二次電池が実現できる。
【００３２】
本発明における請求項３に記載の発明によれば、安全弁は電極端子が設けられた面に形成されているので、容器を構成する一面のみに複数の構成要素が集約することができ、加工工数を低減できる。
【００３３】
本発明における請求項４に記載の発明によれば、容器は略直方体形状とされているので、二次電池を複数設置する場合、限られたスペースに効率良く設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る二次電池を示す斜視図である。
【図２】 本発明に係る二次電池の一部分を破断視した斜視図である。
【図３】 本発明に係る二次電池の安全弁が設けられた面を示す平面図である。
【図４】 本発明に係る二次電池の安全弁が設けられた面の変形例を示す平面図である。
【図５】 本発明に係る二次電池の安全弁が設けられた面の変形例を示す平面図である。
【図６】 本発明に係る二次電池を横向きに設置した場合の安全弁が設けられた面を示す平面図である。
【図７】 温度変化の実験を行った二次電池の斜視図である。
【図８】 温度変化の実験の結果を示す図である。
【図９】 従来の二次電池を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 容器
２ 安全弁
３ 正極端子
４ 負極端子
５ 上面
６ 正極電極板（電極板）
７ 負極電極板（電極板）
９ 電極群

Claims (4)

1. 複数積層した電極板を電解液に浸漬した状態で密閉収納する容器を備え、
   前記容器には、該容器内の圧力が所定値以上になると開口する安全弁が設けられ、該安全弁が前記容器の上方に位置するような縦向きと前記安全弁が前記容器の側方に位置するような横向きとに設置可能な二次電池において、
   前記安全弁は、複数設けられ、かつ前記各電極板は、前記縦向きの設置状態において、略直立状態に配置されており、前記安全弁は、前記各電極板の積層方向から前記容器を視た際に左右側に位置する該容器の両端部であってかつ上面に、少なくとも一つずつ設けられていることを特徴とする二次電池。
2. 前記各電極板は、略直立状態に配置されており、
   前記安全弁は、前記各電極板の積層方向から前記容器を視た際に上側に位置する該容器の上面であって、かつ該上面の対角する二つの角部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
3. 前記安全弁は、電極端子が設けられた面に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次電池。
4. 前記容器は、略直方体形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の二次電池。

Images