JP5249605B2 - リチウム二次電池および組電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム二次電池およびこれを用いた組電池に関するものである。

リチウム二次電池では、内部に注液された電解液が電池注液初期および電池運用時に極微量の分解ガスを発生する。この分解ガスが蓄積すると、電池容器の内圧が徐々に継続して上昇するので、たとえば、数年の間放置して置くとこの内圧が電池容器の許容圧力を越え、電池容器を破壊する恐れがあった。これは、特に長期の寿命が要求される比較的大型のリチウム二次電池で重要な問題となっている。
また、リチウム二次電池の大小を問わず、電池内部の異常などによって電池容器の内圧が上昇する場合もある。
このような電池容器の内圧の上昇が電池容器の許容圧力を越えない範囲に抑えるものとして、たとえば、特許文献１に示されるガス抜き弁（ガス放出弁）が設けられている。

ガス抜き弁は、電池容器、たとえば、電池蓋の開口部を弾性部材によって覆い、それを封止している。内圧が所定値以上になると、その圧力によって弾性部材が変形するので、開口部が開放され、内部に蓄積したガスは外部に放出される。これによって、内圧を所定値以下に抑制することができる。
このガス抜き弁は、電池に電解液を注液する穴を利用して装着されることが多いこともあって、たとえば、特許文献１に示されるように電池蓋の略中央位置に設けられている。
電池は通常電池蓋が上面となるようにして用いられるので、電池蓋が直接電解液に接触することはない。したがって、ガス抜き弁も電解液に接触することがないので、ガス抜き弁はその機能を阻害されることはない。

特開２００１−２１０３７９号公報

ところで、近年、寿命の長い比較的大型のリチウム二次電池の用途が広がり、限られた空間に効率的に配置することが求められている。このため、たとえば、設置スペースの問題あるいは使い勝手の面から電池蓋が側面に位置する、すなわち、電池が横に寝かされたように設置されることがある。
このように設置されると、ガス抜き弁が電池蓋の略中央位置に設けられている場合、ガス抜き弁の位置が電池内の電解液の液面がよりも低くなる。したがって、ガス抜き弁が電解液に浸かるので、本来のガス抜き機能を果たさなくなる恐れがある。
また、内圧が高くなった場合、ガス抜き弁から電解液が外部にしみ出る恐れがあるので、電池蓋外部の周囲を汚濁するし、また、電池性能の低下を招くこととなる。

本発明は、上記問題に鑑み、電池容器の設置姿勢に拘わらずガス抜き弁の機能を有効に維持することのできるリチウム二次電池および組電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明にかかるリチウム二次電池は、正極、負極および非水電解液が収納されている函体構造をした電池容器と、該電池容器の一面を構成し、前記正極と接続された正極端子および前記負極と接続された負極端子が突出するように取り付けられている電池蓋と、を備えているリチウム二次電池であって、前記電池蓋における対向する各辺にそれぞれ近接した位置で、かつ、これら辺の一方が他方に対して上に位置した場合に前記非水電解液の液位よりも上にくる位置に、これら辺に対応してそれぞれ少なくとも１箇所に前記電池蓋を貫通するように設けられた複数の装着孔と、前記複数の装着孔のうち、前記非水電解液の液位よりも上に位置する前記装着孔に選択的に装着され開口部を弾性部材によって封止するガス抜き弁と、前記複数の装着孔のうち、前記非水電解液に浸かる位置の前記装着孔に螺合されて該装着孔を封止するボルトと、が備えられていることを特徴とする。

本発明によれば、電池蓋の対向する辺に近接して、各辺に対応してそれぞれ少なくとも１箇所の装着孔が設けられ、すなわち、複数の装着孔が設けられているので、ガス抜き弁を装着する位置を選択することができる。すなわち、適当な位置に位置する装着孔を選択してガス抜き弁を設置することができる。たとえば、電池蓋が上面に位置するように設置される場合には、電池蓋が直接非水電解液に接触することはないので、たとえば、全ての装着孔にガス抜き弁を取付けるようにしてもよい。

また、対向する各辺にそれぞれ近接して設けられた装着孔は、これら辺の一方が他方に対して上に位置した場合に非水電解液の液位よりも上にくる位置に設けられているので、電池蓋が側面に位置するようにリチウム二次電池が配置された場合であっても、この対向する辺が上下に位置する関係であれば、いずれか一方の辺に近接した装着孔は非水電解液の液位よりも上に位置することになる。したがって、この上に位置する装着孔にガス抜き弁を装着すれば、ガス抜き弁は非水電解液に接触することはないので、本来のガス抜き機能を果たすことができる。この場合、残りの装着孔は完全に封止することになる。
このように、電池蓋が上面に、あるいは側面に向くように電池容器が配置されたとしてもガス抜き弁は有効な機能を果たすように取付けることができる。

なお、本発明における「対向する辺」は、電池蓋の区切られた縁部、すなわち辺の内、向き合っているものを意味する。この辺は電池蓋の形状によって直線であっても、曲線であってもよいし、相互に平行していても、延長部分がまたは直接に交わるような関係であっても、ねじれの関係であってもよい。
電池蓋の対向する辺はいずれが上に位置したとしても上に位置した辺に近接して設けられた装着孔にガス抜き弁を装着すれば、該ガス抜き弁は非水電解液の液位よりも上に位置することにより、ガス抜き弁は有効に機能するので、対向する辺が平行になる、例えば、略矩形状（偶数角形状）をした電池蓋を有する電池容器とすると、二つのリチウム二次電池を電池蓋を同じ側の側面として上下方向に並べる場合、一方を他方に対して裏返した形とすることができる。これにより、一方の正極端子の上に他方の負極端子が位置するように並べることができるので、両端子間の距離を短くすることができる。したがって、この両端子間を接続するブスバーの長さを短くすることができる。これは、電池蓋を上面にして並べる場合にも同様である。

上記リチウム二次電池において、前記装着孔は、隣り合う辺で形成される隅部に設けられていてもよい。
また、上記リチウム二次電池において、前記装着孔は、対向する前記隅部に設けられるようにしてもよい。

このようにすると、隣り合う辺のいずれもが上方に位置するように電池蓋を配置してもガス抜き弁は有効な機能を果たすように取付けることができる。
たとえば、電池蓋が略矩形状とされている場合に、装着孔が対向する隅部に設けられていると、４辺のいずれが上に来てもガス抜き弁を有効な機能を果たすように取付けることができる。

また、装着性を考慮して、前記弾性部材は、Oリングを用いるようにしてもよい。

また、上記リチウム二次電池を直列または並列に複数接続されることにより、組電池を構成してもよい。

このように、電池蓋が上面に位置してもあるいは側面に位置しても、有効なガス抜き機能を果たすようにガス抜き弁を取り付けられるリチウム二次電池を直列または並列に接続するので、多様な形状をした組電池を構成することができる。
したがって、設置場所の空間形状にあるいは使い勝手に応じて種々の形態の組電池を提供することができる。

本発明によれば、電池蓋における対向する各辺にそれぞれ近接した位置で、かつ、これら辺の一方が他方に対して上に位置した場合に非水電解液の液位よりも上にくる位置に、これら辺に対応してそれぞれ少なくとも１箇所にガス抜き弁を装着できる装着孔を設けているので、電池蓋が上面に、あるいは側面に向くように電池容器が配置されたとしてもガス抜き弁は有効な機能を果たすように取付けることができる。

以下に、本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池１について、図面を参照して説明する。
［リチウム二次電池の一実施形態］
図１および図２は、リチウム二次電池１の一実施形態における概略構成を示し、図１は平面図、図２は正面図である。図３は、リチウム二次電池１の内部構成を模式的に示した模式図である。

リチウム二次電池１には、図３に示されるように電池容器３と、電池容器３の内部に注液されるリチウムイオンを含む非水電解液５と、正極７と、負極９と、正極端子１１と、負極端子１３と、が備えられている。
電池容器３は、中空の略直方体形状とされ、たとえば、ステンレス等の鋼材、アルミ系材料等で形成されている。また、電池容器３の内面は、非水電解液と直接接していても構わないが、変性ポリオレフィン等の絶縁物で被覆されたものを用いることも出来る。

電池容器３は、一面（上面）が開放された形状として形成され、たとえば、内部に正極７および負極９を格納した後、この一面を覆うように電池蓋１５を固定して取り付けることで完成される。
電池蓋１５は、略矩形状をした板状体であり、周囲は、対向する長辺部（辺）ＬＥ１，ＬＥ２と対向する短辺部（辺）ＳＥ１，ＳＥ２とで構成されている。
長辺部ＬＥ１と長辺部ＬＥ２と、は相互に略平行している。また、短辺部ＳＥ１と短辺部ＳＥ２とは相互に略平行している。長辺部ＬＥ１，ＬＥ２と短辺部ＳＥ１，ＳＥ２とは相互に略直交する関係となっている。

電池蓋１５の短辺部ＳＥ１，ＳＥ２の中間位置を結ぶ位置には、短辺部ＳＥ１側から正極端子１１、安全弁２９および負極端子１３が所定間隔を空けて設けられている。
電池蓋１５の長辺部ＬＥ１と短辺部ＳＥ１とで構成される隅部および長辺部ＬＥ２と短辺部ＳＥ２とで構成される隅部には、それぞれガス抜き弁装着孔（装着孔）２３が電池蓋１５を貫通するように設けられている。これらの隅部は、電池蓋１５の対角線に位置し、本発明の対向する隅部を構成している。

長辺部ＬＥ１と短辺部ＳＥ１とで構成される隅部に形成されたガス抜き弁装着孔２３は、電池蓋１５が側面に位置する、すなわち、電池容器３が寝かされた状態とされ、かつ、長辺部ＬＥ１あるいは短辺部ＳＥ１のいずれかが上に位置する場合、内部に注液された非水電解液５の液面の位置（液位）よりも上方になる位置に設けられている。
また、長辺部ＬＥ２と短辺部ＳＥ２とで構成される隅部に形成されたガス抜き弁装着孔２３は、電池蓋１５が側面に位置する、すなわち、電池容器３が寝かされた状態とされ、かつ、長辺部ＬＥ２あるいは短辺部ＳＥ２のいずれかが上に位置する場合、内部に注液された非水電解液５の液面の位置（液位）よりも上方になる位置に設けられている。

正極７は、たとえば、アルミニウム箔等からなる本体の表面にリチウムイオンを吸蔵、放出可能なマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）が正極活性物質として塗布されて構成されている。
負極９は、たとえば、カーボン或いはグラファイトで成形されている。
正極７および負極９は交互に複数配置されており、それらの間には、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔性高分子材料膜、ガラス繊維、各種高分子繊維からなる不織布等で形成されたセパレータが介装される。

電池蓋１５には、絶縁物２５を介して正極端子１１が取り付けられている。正極端子１１は、たとえば、アルミニウムで形成され、内側端部は正極７と接続されている。正極端子１１の外側端部の表面には、接触抵抗を下げるため、たとえば、ニッケルめっきを施すようにしてもよい。
電池蓋１５には、絶縁物２５を介して負極端子１３が取り付けられている。負極端子１３は、たとえば、銅で形成され、内側端部は負極９と接続されている。

電池蓋１５の中央位置には、安全弁２９が装着されている。安全弁２９は、薄い円板状をし、電池蓋１５の中央に取り付けられている。安全弁２９は、たとえば、アルミニウム等の金属材料で形成され、たとえば、リチウム二次電池１において内部短絡が発生し、内部圧力が急激に上昇した際、安全弁２９が破裂開放される。これにより内部圧力が低下するので、電池容器３の全体が破裂するような事態を防止することができる。
なお、上記リチウム二次電池の構造や材料は一例であり、各種公知の構造、材料を用いることが可能である。

次に、ガス抜き弁装着孔２３に装着されるガス抜き弁３１について図４〜図６に基づいて説明する。図４は、ガス抜き弁３１の装着状態を示す断面図である。図５は、ガス抜き弁３１の縦断面図である。図６は、図５のＸ視図である。
ガス抜き弁３１には、略円筒形状をした本体３３と、封止Ｏリング（弾性部材：Ｏリング）３５と、密閉Ｏリング３７とが備えられている。
本体３３の軸線方向における略中間位置には、外周が略正六角形状をした突起部３９が形成されている。本体３３の一端側には、外周部に雄ネジが形成されたネジ部４１が設けられている。

本体３３の軸線中心部には、一端側に開口した空洞部４３が設けられている。空洞部４３の他端部分は、突起部３９よりも他端側位置において本体３３の外周側面部に開口した連通孔４５と接続されている。
本体３３の外周側面部には、連通孔４５が開口した位置に周状の凹部が形成され、この凹部に封止Ｏリング３５が装着されている。封止Ｏリング３５の締付力は、所定の大きさとなるように調整されている。連通孔４５からこの締付力以上の圧力が作用すると、封止Ｏリング３５が外周側に移動し、連通孔４５の開口部と封止Ｏリング３５との間に隙間が生じることになる。

突起部３９の一端側面には、円周状の凹所が形成されており、この凹所に密閉Ｏリング３７が装着されている。
ガス抜き弁装着孔２３の内周面にはネジ部４１の雄ネジが螺合する雌ネジが形成されている。
また、図８に示されるように、ガス抜き弁装着孔２３に螺合するボルト４７が備えられている。ボルト４７を螺合させることによってガス抜き弁装着孔２３を完全に封止することができる。なお、ボルト４７を装着して、その頭部の周囲を電池蓋１５に溶接して封止を確実にするようにしてもよい。
ガス抜き弁装着孔２３には、ガス抜き弁３１あるいはボルト４７を選択的に装着することができる。

［組電池としての参考実施形態］
次に、このリチウム二次電池１を用いた組電池の参考実施形態について説明する。
図７に示される組電池５１は、４個のリチウム二次電池１を直列に接続した構成とされている。この組電池５１は、リチウム二次電池１の電池蓋１５が上面に位置するように設置されている。
組電池５１には、略直方体形状のケース５３が備えられている。図７はケース５３の上部を形成する蓋（図示省略）を取り除いた状態を示す平面図である。

ケース５３には、各リチウム二次電池１は相互に間隔を空けて所定の位置に収める仕切がある。一のリチウム二次電池１に対して隣なりのリチウム二次電池１は裏返しにされた状態で並べられている。言い換えれば、隣り合うリチウム二次電池１の長辺部ＬＥ１同士あるいは長辺部ＬＥ２同士が隣り合うように配置されている。
これにより、一のリチウム二次電池１の正極端子１１（負極端子１３）と隣なりのリチウム二次電池１の負極端子１３（正極端子１１）との最短距離とすることができる。
この隣り合う正極端子１１と負極端子１３とがブスバー５５によって接続されることによってリチウム二次電池１が直列に接続されることになる。このとき、ブスバー５５で接続される正極端子１１および負極端子１３の間隔が最短距離となるので、両端子間を接続するブスバー５５の長さを短くすることができる。

組電池５１の端部の監視部６１には図示しない監視回路が設けられ、各端子における電位と、各電池容器内の温度を監視するものであり、それらに異常があれば充放電停止信号を出す。
この組電池５１に用いられるリチウム二次電池１は、電池蓋１５が上面に位置するので、電池蓋１５が直接非水電解液５に接触することはない。このため、本来のガス抜き機能を果たすことができるので、全てのガス抜き弁装着孔２３にガス抜き弁３１を装着している。
また、本参考実施形態では、リチウム二次電池１を直列に接続する場合について述べたが、同様の接続方法により、リチウム二次電池１を並列に接続して組電池を構成することとしてもよい。

［組電池としての一実施形態］
次に、リチウム二次電池１を用いた組電池の一実施形態について説明する。
図８に示される組電池５１は、図７のものと略同様な構成とされているが、リチウム二次電池１の電池蓋１５がリチウム二次電池１の側面に位置するように設置されている点が異なる。図８は、この組電池を示す正面図である。
すなわち、監視部６１が上部に位置するように設定されている。この場合、電池蓋１５の下部は非水電解液５に直接接触することになるので、各々のリチウム二次電池１の下方に位置するガス抜き弁装着孔２３は非水電解液５に浸かることになる。このため、このガス抜き弁装着孔２３には、ボルト４７を装着してガス抜き弁装着孔２３を完全に、かつ、確実に封止するようにしている。これにより、非水電解液５が外部に漏れる恐れを防止している。

各々のリチウム二次電池１の上方に位置するガス抜き弁装着孔２３には、ガス抜き弁３１が装着されている。このガス抜き弁装着孔２３は、非水電解液５の液面の位置（液位）よりも上方になる位置に設けられているので、非水電解液５に直接接触することはない。
したがって、このガス抜き弁３１は、本来のガス抜き機能を果たすことができる。
また、この組電池５１を図８の状態で右周りに９０度回した配置、すなわち、短辺部ＳＥ１あるいは短辺部ＳＥ２が上下方向に位置するような配置としても、このガス抜き弁３１は、本来のガス抜き機能を果たすことができる。

このように、複数のガス抜き弁装着孔２３が設けられているので、ガス抜き弁３１を装着する位置を選択することができる。すなわち、適当な位置に位置するガス抜き弁装着孔２３を選択してガス抜き弁３１を設置することができる。
また、電池蓋１５が上面に、あるいは側面に向くように電池容器３が配置されたとしてもガス抜き弁３１は有効な機能を果たすように取付けることができる。

隣り合う辺、すなわち、長辺部ＬＥ１，ＬＥ２と短辺部ＳＥ１，ＳＥ２のいずれもが、それが上方に位置するように電池蓋１５を配置してもガス抜き弁３１は有効な機能を果たすように取付けることができる。
また、電池蓋１５が略矩形状であるので、本実施形態のようにガス抜き弁装着孔２３が対向する隅部に設けられていると、４辺のいずれが上に来てもガス抜き弁３１を有効な機能を果たすように取付けることができる。

したがって、電池蓋１５が上面に位置してもあるいは側面に位置しても、有効なガス抜き機能を果たすようにガス抜き弁３１を取り付けられるリチウム二次電池１を直列または並列に接続するので、多様な形状をした組電池５１を構成することができる。
これにより、設置場所の空間形状にあるいは使い勝手に応じて種々の形態の組電池５１を提供することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

たとえば、本実施形態では、電池容器３は略直方体形状をし、したがって、電池蓋１５は略矩形（長方形、四角形）状をしているが、電池蓋１５の形状はこれに限定されることはない。電池蓋１５の区切られた縁部、すなわち辺の内、向き合っているものを有すればよい。たとえば、電池蓋１５は三角形を含む多角形状であってもよい。また、これらの各辺が直線でなく曲線であってもよい。

特に、矩形状のように偶数角形状であれば、二つのリチウム二次電池１を上下方向あるいは水平方向に並べる場合、一方を他方に対して裏返した形とすることができる。これにより、一方の正極端子１１の上に他方の負極端子１３が位置するように並べることができるので、両端子間の距離を短くすることができる。したがって、この両端子間を接続するブスバー５５の長さを短くすることができる。

また、本実施形態では、各長辺部ＬＥ１，ＬＥ２あるいは各短辺部ＳＥ１，ＳＥ２にそれぞれ近接するガス抜き弁装着孔２３を１箇所に設けているが、これは複数箇所に設けるようにしてもよい。
たとえば、電池蓋１５の４隅に設けるようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池の平面図である。 本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池の正面図である。 本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池の内部構成を模式的に示した模式図である。 本発明の一実施形態に係るガス抜き弁の装着状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るガス抜き弁の縦断面図である。 図５のＸ視図である。 本発明の参考実施形態を示す組電池のケースの上部を形成する蓋を取り除いた状態を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る組電池の設置例を示し、そのケースの前部を形成する蓋を取り除いた状態を示す正面図である。

符号の説明

１ リチウム二次電池
３ 電池容器
５ 非水電解液
７ 正極
９ 負極
１１ 正極端子
１３ 負極端子
１５ 電池蓋
２３ ガス抜き弁装着孔
３１ ガス抜き弁
３５ 封止Ｏリング
４７ ボルト
５１ 組電池
ＬＥ１，ＬＥ２ 長辺部

Claims (5)

1. 正極、負極および非水電解液が収納されている函体構造をした電池容器と、
   該電池容器の一面を構成し、前記正極と接続された正極端子および前記負極と接続された負極端子が突出するように取り付けられている電池蓋と、を備えているリチウム二次電池であって、
   前記電池蓋における対向する各辺にそれぞれ近接した位置で、かつ、これら辺の一方が他方に対して上に位置した場合に前記非水電解液の液位よりも上にくる位置に、これら辺に対応してそれぞれ少なくとも１箇所に前記電池蓋を貫通するように設けられた複数の装着孔と、
   前記複数の装着孔のうち、前記非水電解液の液位よりも上に位置する前記装着孔に選択的に装着され開口部を弾性部材によって封止するガス抜き弁と、
   前記複数の装着孔のうち、前記非水電解液に浸かる位置の前記装着孔に螺合されて該装着孔を封止するボルトと、
   が備えられていることを特徴とするリチウム二次電池。
2. 前記装着孔は、隣り合う辺で形成される隅部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
3. 前記装着孔は、対向する前記隅部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
4. 前記弾性部材は、Oリングを用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のリチウム二次電池。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の複数のリチウム二次電池が直列または並列に接続されていることを特徴とする組電池。

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