JP5129280B2

JP5129280B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP5129280B2
Application number: JP2010041792A
Authority: JP
Inventors: 豊佐藤; 拓郎綱木; 竜治河野; 孝佐々木
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP2011181214A; CN102170011A; CN102170011B; US8753760B2; US20110212350A1

Description

本発明は、ガス排出弁を設けた二次電池に関する。

近年、環境問題等から二次電池を搭載したハイブリット車や電気自動車の開発が進んでいる。二次電池は何らかの異常動作により発熱し、電池内圧が高くなる可能性があり、その安全対策として、ガス排出弁を設けた構造が提案されている。

例えば、特許文献１記載の密閉型電池では、開口部を塞ぐ封口板に、溝によって囲繞された領域を形成してガス排出弁としている。特許文献２記載の電池の安全弁は、環状の破砕溝と、この破砕溝の内方領域に形成された破砕補助溝とを備えて構成されている。

特許４１５５７３４号特許３２２２４１８号

特許文献１、２記載のガス排出弁は、連続的な溝によって囲繞された領域が破断される構成であるため、ガス排出時に、破断した破片が飛散するおそれがある。

（１）請求項１の発明は、発電体が収容された電池容器にガス排出弁を設けた二次電池において、前記ガス排出弁は、前記電池容器の内圧によって外部に膨張する弁体を含み、前記弁体には、前記膨張により開裂して前記弁体を複数の弁素片に分割するための複数の溝と、前記溝の開裂によって開放した複数の弁素片が前記弁体から飛散することを抑止する飛散抑止部と、前記複数の溝の開裂が開始して前記弁素片が変形する過程において、前記溝の開裂の進展速度を遅延させる遅延部とが設けられ、前記複数の溝は、前記ガス排出弁の外周に沿って設けた外周溝部と、前記外周溝部で取り囲まれる内側領域に設けた内側溝部とにより構成され、前記外周溝部は、前記複数の溝要素（以下、外周溝要素）が環状に不連続に配置されて構成され、前記内側溝部は、前記ガス排出弁の中央部から放射状に延在する複数の溝要素であって、前記内側領域を複数の弁素片に分割する複数の溝要素（以下、内側溝要素）により構成され、前記弁素片の少なくとも外周側の一辺には、第１不連続部を挟んで配置される少なくとも一対の外周溝要素が配置され、前記内側溝要素の外周方向の端部が、前記複数の外周溝要素の間に形成される第２不連続部まで延在しており、前記飛散抑止部は、前記外周側の一辺に配置される前記第１不連続部であり、前記遅延部は、前記弁素片を区画する前記内側溝要素の外周方向の端部と前記外周溝要素との間に位置する前記第２不連続部であることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の二次電池において、前記複数の外周溝要素は、概ね楕円を形成するように配置され、前記複数の内側溝要素は、前記楕円の長軸、短軸に対して対称に配置されていることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項２記載の二次電池において、前記内側領域が、前記長軸に対して対称に配置された略台形形状である２つの台形領域と、前記長軸の方向に離間して配置された略三角形状である２つの三角形領域とに分割されるように、前記内側溝要素が配置され、前記２つの台形の上底は共通の内側溝要素であり、前記台形の側辺は隣接する三角形状の側辺と共通の内側溝要素であり、前記側辺を構成する内側溝要素の外周側端部が、前記外周溝要素の間の第２不連続部に位置することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池において、前記外周溝要素と前記内側溝要素は、前記弁体の表面に形成した溝であり、前記外周溝要素の溝深さは、前記内側溝要素の溝深さよりも浅いことを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二次電池において、前記発電体は、セパレータを介して正極板と負極板を捲回した捲回群を含み、前記電池容器内には電解液が充填されていることを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項５に記載の二次電池において、前記電池容器は、扁平形状のケースと、前記ケースの開口端を塞ぐ蓋とを含み、前記ガス排出弁は前記蓋に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ガス排出弁が開弁した際の破片の飛散を防止することができる。

本発明による二次電池の第１実施形態を示す外観斜視図。図１の二次電池の分解斜視図。図１の二次電池のガス外出弁の拡大図。図３におけるガス排出弁の平面図。図４のV−V矢視線に沿う断面図。図５におけるVI部を示す拡大図。図５におけるVII部を示す拡大図。図４のガス排出弁の開口時の状態を示す斜視図。図８のIX−IX矢視線に沿う断面図。図９におけるX部を示す断面図。本発明による二次電池の第２実施形態におけるガス排出弁の平面図。図１１のXII−XII矢視線に沿う断面図。図１２におけるXIII部を示す拡大図。図１２におけるXIV部を示す拡大図。

本発明による二次電池の実施形態を、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１に示す二次電池は、電池容器を構成するケース１および蓋６を備える。ケース１内には発電体３（図２）が収納され、ケース１は蓋６によって封止される。蓋６はケース１に溶接されて電池容器が構成される。蓋６には、正極外部端子８Ａと、負極外部端子８Ｂとが設けられている。発電体３から外部端子８Ａ，８Ｂを介して外部負荷に電力が供給される。また、外部で発電された電力が外部端子８Ａ，８Ｂを介して発電体３に充電される。

蓋６にはガス排出弁１０が一体的に設けられ、電池容器内の圧力が上昇すると、ガス排出弁１０が開いて内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。これによって、二次電池の安全性が確保される。

図２を参照して、二次電池のケース１内に収容される電池の構成を説明する。二次電池のケース１内には、絶縁シート２を介して発電体３が収容されている。発電体３は、セパレータを介して正負極体を扁平形状に捲回した電極群であり、捲回軸方向の両端面側には、正極合剤および負極合剤が塗布されていない電極泊露出面（不図示）が設けられている。発電体３の電極泊露出面である正極接続部と負極接続部には、それぞれ正負極集電板４Ａ，４Ｂの一端が接続されている。正負極集電板４Ａ，４Ｂの他端は正負極外部端子８Ａ，８Ｂにそれぞれ接続されている。正負極集電板４Ａ，４Ｂと外部端子８Ａ，８Ｂを蓋６から電気的に絶縁するため、ガスケット５および絶縁リング７が蓋6に設けられている。

蓋６には、ケース１内に電解液を注入する注液口９が穿設され、注液口９は、電解液注入後に注液栓１９によって封止される。

図３〜図７を参照してガス排出弁１０を詳細に説明する。ガス排出弁１０は、蓋６の板厚よりも薄く成形され、電池容器内の圧力が所定値に達したときに開裂して容器内部の圧力を逃がすものである。

蓋６は、例えば、アルミニウム合金板をプレス加工して成形され、ガス排出弁１０は、その成形時に、蓋６の外周よりも内側に一体的に成形される。すなわち、蓋６の上面には略楕円形状の凹部１０ａが設けられ、ガス排出弁１０は、凹部１０ａの底面の略楕円形状の薄板１０ｂ（図３および図５参照）により構成されている。薄板１０ｂの表面には、内側溝部１１と外周溝部１２とがプレス加工にて形成され、薄板１０ｂがガス排出弁の弁体として機能する。

図３と図４を参照して説明すると、外周溝部１２は、凹部１０ａの外周に沿った第１溝要素群１２Ｄ１，１２Ｄ２と、第２溝要素群１２Ｄ３，１２Ｄ４と、第３溝要素群１２Ｓ１，１２Ｓ２と、第４溝要素群１２Ｓ３，１２Ｓ４により構成されている。第１溝要素群を構成する溝要素１２Ｄ１と１２Ｄ２との間、第２溝要素群を構成する溝要素１２Ｄ３と１２Ｄ４との間、第３溝要素群を構成する溝要素１２Ｓ１と１２Ｓ２との間、第４溝要素群を構成する溝要素１２Ｓ３と１２Ｓ４との間には、それぞれ第１不連続部１３Aが形成されている。また、第１溝要素群〜第４溝要素群の各群間には、第２不連続部１３Ｂが形成されている。

後述するように、第１不連続部１３Ａは弁素片が分離するのを防止する飛散抑止としての機能を有し、第２不連続部１３Ｂは、内側溝から外周溝へ開裂が進展するのを遅延する開裂進展遅延部としての機能を有する。

内側溝部１１は、ダブルＹ字形状の溝であり、１本の中央溝要素１１ａと４本の放射溝要素１１ｂとで構成されている。溝要素１１ａは、凹部１０ａの中央部で楕円の長手軸方向に延在する。溝要素１１ｂのそれぞれは、溝要素１１ａの両端部から放射状に不連続部１３Ｂまで延在する。すなわち、溝要素１１ｂの端部１１Ｅは不連続部１３に位置している。

図６、図７に示すように、内側溝部１１、外周溝部１２は断面三角形状に形成され、内側溝部１１は外周溝部１２よりも深く形成されている。これは、外周溝部１２が内側溝部１１よりも遅れて開裂することを保証するためである。

図４に示すように、略楕円形状の薄板１０ｂの表面は、外周溝部１２と内側溝部１１により４つの領域、すなわち、台形形状の領域Ｄ１、Ｄ２と三角形形状の領域Ｓ１、Ｓ２とに区画されている。２つの台形形状の領域Ｄ１、Ｄ２の上底は共通の内側溝要素１１ａであり、台形形状のＤ１、Ｄ２の側辺は、隣接する三角形状の領域Ｓ１、Ｓ２の側辺と共通の内側溝要素１１ｂである。

台形領域Ｄ１、Ｄ２と三角形領域Ｓ１、Ｓ２は、電池容器の内圧が所定値以上に上昇して内側溝部１１が開裂すると、それぞれ外周溝部１２を開き運動回転軸として容器外方に開くように構成されている。したがって、台形領域Ｄ１、Ｄ２と三角形領域Ｓ１、Ｓ２の４つの領域をそれぞれ弁素片と呼ぶ。

以上のように構成されたガス排出弁１０の動作と作用効果について説明する。
電池容器内部の圧力が上昇すると、弁体１０ｂは外方に膨張し、内側溝部１１に引張応力が発生する。内圧が所定値以上に達すると、内側溝部１１が開裂し弁素片が開弁する。すなわち、容器内圧により、ガス排出弁１０は、２個の台形領域Ｄ１、Ｄ２と２個の三角形領域Ｓ１、Ｓ２とに分割される。すなわち、台形領域Ｄ１、Ｄ２、三角形領域Ｓ１、Ｓ２は分断されつつ、外側にめくれ上がることによって、ガス排出弁１０には大きな開口が生じる。

このとき、図８および図９に示すように、台形領域Ｄ１、Ｄ２は上記楕円の短軸方向にめくれ上がり、三角形領域Ｓ１、Ｓ２は長軸方向にめくれ上がる。内側溝部１１は、上記楕円の短軸、長軸両方向について対称形状であり、全方向に均等に開裂する。これによって、開裂はガス排出弁１０全面に渡って、均等に生じ、ガス排出は円滑である。

放射溝要素１１ｂの外周端部１１Ｅは、外周溝部１２の溝要素群間の不連続部１３Ｂに位置する。放射溝要素１１ｂが裂けて、亀裂が外周端部１１Ｅに到達したとき、台形領域Ｄ１、Ｄ２および三角形領域Ｓ１、Ｓ２は大きく変形し、外側に大きくめくれ上がる。これによって、ガス排出弁１０に大きな開口が形成され、内部のガスを急速に排出することができる。

外周溝部１２を変形支点とした弁素片の開弁動作に際して、不連続部１３Ｂは、放射溝要素１１ｂの亀裂が外周溝部１２の溝要素へ進展するのを遅延させ、内側溝部１１全体に亀裂が生じたときに、外周溝部１２の溝要素が亀裂を開始する。これによって、台形領域Ｄ１、Ｄ２、三角形領域Ｓ１、Ｓ２の一部のみがめくれ上がることを防止し、台形領域Ｄ１、Ｄ２、三角形領域Ｓ１、Ｓ２が均等に開口するようになっている。

また、不連続部１３Ａを、各溝要素群における一対の溝要素の間、すなわち、一対の溝要素１２Ｄ１、１２Ｄ２の間、一対の溝要素１２Ｄ３、１２Ｄ４の間、一対の溝要素１２Ｓ１、１２Ｓ２の間、一対の溝要素１２Ｓ３、１２Ｓ４の間にそれぞれ設けた。不連続部１３Ａは、各溝要素群の中央部に配置されているから、開弁する際、台形領域Ｄ１、Ｄ２、三角形領域Ｓ１、Ｓ２は安定に保持されつつ開弁動作する。

図８〜図１０に示すように、ガス排出弁１０が充分大きく開口した際には、台形領域Ｄ１、Ｄ２、三角形領域Ｓ１、Ｓ２は、不連続部１３Ａにおいて支持されつつ、外側方向に大きく変形し、充分大きな開口が生じる。これによって、電池容器内部の圧力が所定値に達したときに、弁素片を飛散させることなく、迅速に内側溝部１１を大きく開裂させることができる。

以上のとおり、第１実施形態による排出弁構造によれば、排出弁１０を構成する弁体１０ｂが破片となって分離することなく、充分な開口面積を確保することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明による二次電池の第２実施形態を、図１１〜図１４を参照して説明する。第２実施形態は、内側溝部１１の形状をＸ字状に変更したものである。図中、第１実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。

図１１に示すように、内側溝部１１は、上記楕円の中心で交差し、かつ長軸、短軸に対して傾斜した対称な線分１１ｃ、１１ｄよりなるＸ字状に形成されている。内側溝部１１によって、ガス排出弁１０は、楕円の中心を頂点とし、外周溝部１２を底辺とする４個の三角形領域Ｓ１１〜Ｓ１４に分割される。

電池容器内部の圧力が上昇すると、弁体１０ｂは外方に膨張し、内側溝部１１に引張応力が発生する。内圧が所定値以上に達すると、内側溝部１１が開裂し、三角形領域である弁素片Ｓ１１〜Ｓ１４が開弁する。すなわち、容器内圧により、ガス排出弁１０は、４個の三角形形状の弁素片Ｓ１１〜Ｓ１４に分割される。すなわち、三角形形状の弁素片Ｓ１１〜Ｓ１４は分断されつつ、外側にめくれ上がることによって、ガス排出弁１０には大きな開口が生じる。

なお、三角形領域である弁素片Ｓ１１〜Ｓ１４は、底辺の外周溝部１２を支点として、外側にめくれ上がり、不連続部１３Ｂが破断して外周溝要素に亀裂が進展し、弁素片の開放運動が終了したときは、弁素片は不連続部１３Ａのみによって弁体である薄板１１ｂに接続支持される。

第２実施形態は第１実施形態と同様の効果を奏する。

［変形例］
本発明によるガス排出弁を有する二次電池は次のように変形して実施することができる。
（１）ガス排出弁１０を蓋６と一体に形成したが、別体に製作し、蓋６の開口を覆うように設置してもよい。この場合も、ガス排出弁１０の形状、機能は、第１実施の形態のガス排出弁１０と同様に構成することができる。

（２）ガス排出弁１０を蓋６に設けたが、ケース１にガス排出弁１０を一体形成し、あるいは別体のガス排出弁をケース１に装着してもよい。
（３）蓋６をアルミニウム製として説明したが、ＳＵＳで蓋を作製した場合、ガス排出弁をニッケルにより製作し、蓋に穿設したガス排出口を弁体で塞ぐように装着する。

（４）内側溝部１１および外周溝部１２の断面形状を三角形としたが、円弧状等他の形状も採用することができる。また、内側溝部１１と外周溝部１２とを異なる断面形状としてもよい。ガス排出弁１０の開裂を目的とする内側溝部１１が外周溝部１２よりも先に開裂して弁素片が開くような形状、強度であればよい。

（５）ガス排出弁１０を楕円形状としたが、円形、凸多角形等、種々の形状を採用できる。この場合、外周溝要素は、その外周形状に沿って不連続の環状として配置される。
（６）弁素片の形状も、上記実施形態に限定されないが、弁素片が花びらが開く如く開弁動作するような形状が好ましい。

（７）角形二次電池に代えて、円筒形二次電池の上蓋に設けたガス排出弁に本発明を適用してもよい。
（８）内側溝部１１と外周溝部１２の形状は実施形態に限定されない。

（９）上記実施形態では、外周溝部１２に２種類の不連続部１３Ａ，１３Ｂを設けたが、少なくとも不連続部１３Ａを飛散抑止部として設ければよい。

上記の説明は本発明の一例であり、本発明が上記実施形態や変形例に限定されるものではない。
したがって、本発明は、発電体が収容された電池容器にガス排出弁を設けた二次電池であって、ガス排出弁は、電池容器の内圧によって外部に膨張する弁体を含み、弁体には、膨張により開裂して弁体を複数の弁素片に分割するための複数の溝と、溝の開裂によって開放した複数の弁素片が弁体から飛散することを抑止する飛散抑止部とが設けられている種々の二次電池にも適用できる。

１：電池ケース
３：発電体
６：電池蓋
１０：ガス排出弁
１０ａ：凹部
１０ｂ：弁体
１１：内側溝部
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ:：内側溝要素
１１Ｅ：外周端部
１２：外周溝部
１２Ｓ１〜Ｓ４，１２Ｄ１〜Ｄ４：外周溝要素
１３Ａ：不連続部（飛散抑止部）
１３Ｂ：不連続部（開裂進展遅延部）

Claims

発電体が収容された電池容器にガス排出弁を設けた二次電池において、
前記ガス排出弁は、前記電池容器の内圧によって外部に膨張する弁体を含み、
前記弁体には、前記膨張により開裂して前記弁体を複数の弁素片に分割するための複数の溝と、前記溝の開裂によって開放した複数の弁素片が前記弁体から飛散することを抑止する飛散抑止部と、前記複数の溝の開裂が開始して前記弁素片が変形する過程において、前記溝の開裂の進展速度を遅延させる遅延部とが設けられ、
前記複数の溝は、前記ガス排出弁の外周に沿って設けた外周溝部と、前記外周溝部で取り囲まれる内側領域に設けた内側溝部とにより構成され、
前記外周溝部は、前記複数の溝要素（以下、外周溝要素）が環状に不連続に配置されて構成され、
前記内側溝部は、前記ガス排出弁の中央部から放射状に延在する複数の溝要素であって、前記内側領域を複数の弁素片に分割する複数の溝要素（以下、内側溝要素）により構成され、
前記弁素片の少なくとも外周側の一辺には、第１不連続部を挟んで配置される少なくとも一対の外周溝要素が配置され、
前記内側溝要素の外周方向の端部が、前記複数の外周溝要素の間に形成される第２不連続部まで延在しており、
前記飛散抑止部は、前記外周側の一辺に配置される前記第１不連続部であり、
前記遅延部は、前記弁素片を区画する前記内側溝要素の外周方向の端部と前記外周溝要素との間に位置する前記第２不連続部であることを特徴とする二次電池。
請求項１に記載の二次電池において、
前記複数の外周溝要素は、概ね楕円を形成するように配置され、
前記複数の内側溝要素は、前記楕円の長軸、短軸に対して対称に配置されていることを特徴とする二次電池。
請求項２記載の二次電池において、
前記内側領域が、前記長軸に対して対称に配置された略台形形状である２つの台形領域と、前記長軸の方向に離間して配置された略三角形状である２つの三角形領域とに分割されるように、前記内側溝要素が配置され、
前記２つの台形の上底は共通の内側溝要素であり、前記台形の側辺は隣接する三角形状の側辺と共通の内側溝要素であり、前記側辺を構成する内側溝要素の外周側端部が、前記外周溝要素の間の前記第２不連続部に位置することを特徴とする二次電池。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池において、
前記外周溝要素と前記内側溝要素は、前記弁体の表面に形成した溝であり、前記外周溝要素の溝深さは、前記内側溝要素の溝深さよりも浅いことを特徴とする二次電池。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二次電池において、
前記発電体は、セパレータを介して正極板と負極板を捲回した捲回群を含み、
前記電池容器内には電解液が充填されていることを特徴とする二次電池。
請求項５に記載の二次電池において、
前記電池容器は、扁平形状のケースと、前記ケースの開口端を塞ぐ蓋とを含み、前記ガス排出弁は前記蓋に設けられていることを特徴とする二次電池。