JP6957164B2

JP6957164B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP6957164B2
Application number: JP2017035067A
Authority: JP
Inventors: 前園　寛志
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: JP2018142428A

Description

本発明は、電池ケース内に電流遮断機構を備えた二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池等の二次電池において、過充電等によって、電池ケース内の圧力が上昇した際、電流を遮断する電流遮断機構を備えた二次電池が知られている（例えば、特許文献１）。

かかる電流遮断機構は、外部端子と電極体を構成する極板とを電気的に接続する電流経路の途中に設けられ、具体的には、外部端子に電気的に接続された変形板と、極板に電気的に接続された集電体とで構成されている。変形板と集電体とは、互いに接合されており、集電体には、一定の応力が作用したときに破断する薄肉部ないしノッチ部等の破断予定部が設けられている。そして、電池ケース内の圧力が所定値以上に上昇すると、その圧力によって変形板が変位することによって、集電体の破断予定部が破断する。これにより、変形板が集電体から剥離することによって、変形板と集電体との間の電流経路が遮断される。

特開２０１０−２１２０３４号公報

上記のような構成の電流遮断機構において、変形板の周縁部は、電池ケース内に配置され、外部端子に電気的に接続された導電体の周縁部に、溶接によって固定されている。

しかしながら、変形板の周縁部を、導電体の周縁部に当接させて溶接する際、当接の状態によって、圧力の上昇に伴う変形板の変位が変動する。その結果、集電体の破断予定部が破断する圧力が変動するため、電流遮断機構の作動圧がばらつくという問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、電流遮断機構の作動圧のばらつきを低減した二次電池を提供することにある。

本発明に係る二次電池は、外部端子と、電池ケース内に収容された極板との間の電流経路に電流遮断機構が配置された二次電池であって、電流遮断機構は、外部端子に電気的に接続された変形板と、極板に電気的に接続され、変形板と溶接された接合部を有する集電体とを備えている。変形板の周縁部は、電池ケース内に配置され、外部端子に電気的に接続された導電体の周縁部に溶接されており、導電体は、その周縁部において、変形板の周縁部を載置する平面部と、変形板の周縁部端面と当接する側壁部とを有する段差部が形成されており、変形板の周縁部端面と、段差部の側壁部とが当接した状態で、変形板と導電体とが溶接されている。導電体は、平面視で、四辺と四隅のコーナ部とを有する矩形状に形成されており、段差部において、四辺の各辺に形成された平面部の幅は、コーナ部に形成された平面部の幅よりも狭くなっていることを特徴とする。

本発明によれば、変形板の周縁部と導電体の周縁部との当接状態が安定することによって、電流遮断機構の作動圧のばらつきを低減することができる。

本発明の一実施形態における二次電池の外観を模式的に示した斜視図である。図１のII−II線に沿った電流遮断機構の構成を模式的に示した断面図である。（ａ）は、導電体と変形板との接合状態を示した断面図で、（ｂ）は、導電体の周縁部を拡大した図である。（ａ）〜（ｃ）は、変形板の周縁部を導電体の平面部に載置した状態を示した図である。変形板と導電体の平面部との間の隙間を変えたときの変形板の突出部中央の変位と、電池の圧力との関係を、シミュレーションにより求めた結果を示したグラフである。（ａ）〜（ｃ）は、導電体の平面部の幅を小さくしたときの変形板と平面部との接触状態を示した図である。（ａ）〜（ｃ）は、導電体の平面部の構成を模式的に示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は、７（ａ）のVIIb−VIIb線に沿った断面図、（ｃ）は、（ａ）のVIIc−VIIc線に沿った断面図である。導電体の平面部の他の構成を模式的に示した平面図である。（ａ）、（ｂ）は、導電体の長辺側に形成される平面部の幅の最適な範囲を説明した図である。（ａ）、（ｂ）は、導電体の周縁部における段差部の形状の変形例を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態における二次電池の外観を模式的に示した斜視図で、図２は、図１のII−II線に沿った電流遮断機構の構成を模式的に示した断面図である。ここで、本実施形態における二次電池は、その種類は特に限定されず、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等を含む。

図１に示すように、本実施形態における二次電池１０は、正極板と負極板とがセパレータを介して積層または巻回された電極体（不図示）が、電解液とともに、開口部を有する電池ケース１１に収容され、開口部は、封口体１２で封口されている。また、封口体１２には、正極外部端子１３、負極外部端子１４、安全弁１５、及び電解液を注入する注入部１６が設けられている。なお、注入部１６においては、電解液が注入される注液孔（不図示）が封止栓（不図示）により封止されている。

図２に示すように、電池ケース１１の内部には、電池ケース１１内の圧力が上昇した際、電流を遮断する電流遮断機構４０が設けられている。ここで、電流遮断機構４０は、（正極）外部端子１３に電気的に接続された変形板５０と、電極体を構成する正極（不図示）に電気的に接続された集電体６０とで構成されている。また、変形板５０の中央部に形成された突出部５１は、集電体６０に溶接により接合されている。また、集電体６０は、変形板５０との接合部６１よりも、径方向外側に破断予定部（例えば、薄肉部ないしノッチ部等）６２を有している。なお、接合部６１以外は、集電体６０と変形板５０とは、絶縁板２２によって電気的に絶縁されている。

外部端子１３の筒部１３ａは、ガスケット２０、封口体１２、絶縁板２１、及び導電体３０にそれぞれ形成された開口部に挿入され、その先端部がかしめられて、封口体１２に固定されている。なお、筒部１３ａの先端部においてかしめられた部分は導電体３０に溶接されることが好ましい。また、変形板５０の周縁部は、導電体３０の周縁部に溶接されている。これにより、外部端子１３は、導電体３０、変形板５０、集電体６０を介して、正極と電気的に接続されていることになる。すなわち、本実施形態における電流遮断機構４０は、外部端子１３と正極との間の電流経路に配置されていることになる。

電池ケース１１内の圧力が上昇すると、変形板５０の突出部５１が、電池ケース１１の外側（図中の上側）に向かって変位するが、突出部５１は、集電体６０に溶接されているため、電池ケース１１内の圧力が所定値を超えると、集電体６０の破断予定部６２が破断する。これにより、変形板５０が集電体６０から剥離することによって、変形板５０と集電体６０との間の電流経路が遮断される。

ところで、導電体３０は、その周縁部において、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、変形板５０の周縁部を載置する段差部３１が形成されている。すなわち、変形板５０の周縁部と、導電体３０の周縁部との溶接は、変形板５０の周縁部を、導電体３０の段差部３１に載置した状態で行われる。ここで、図３（ａ）は、導電体３０と変形板５０との接合状態を示した断面図（図２に示したものと、軸方向に反転させた状態）で、図３（ｂ）は、導電体３０の周縁部を拡大した図である。

図３（ｂ）に示すように、導電体３０の周縁部に形成された段差部３１は、変形板５０の周縁部を載置する平面部３２と、変形板５０の周縁部端部５２と当接する側壁部３３とを有している。そして、変形板５０の周縁部端面と、段差部３１の側壁部３３とが当接した状態で、変形板５０と導電体３０との境界が溶接される。なお、当該溶接は、レーザ溶接等のエネルギー線の照射により行われることが好ましい。

ところで、変形板５０の周縁部を、導電体３０の平面部３２に載置する際、図４（ａ）〜（ｃ）に例示するように、変形板５０と導電体３０の平面部３２との間に、隙間が生じる場合がある。ここで、図４（ａ）は、隙間がない状態を示し、図４（ｂ）、（ｃ）は、隙間がある状態を示す。図４（ｂ）は、変形板５０に突起５３があることにより隙間Ｌが生じている例、図４（ｃ）は、変形板５０に撓み５４があることにより隙間Ｌが生じている例をそれぞれ示す。

このように、変形板５０と導電体３０の接触状態が異なる状態で、変形板５０の周縁部と導電体３０の周縁部とを溶接すると、電流遮断機構４０の作動圧が変動するという問題が生じる。

なお、図４（ｂ）に例示した突起５３、及び図４（ｃ）に例示した撓み５４は、それぞれ、理解し易くするため誇張（デフォルメ）したもので、実際の寸法を表したものではない。

また、図４（ｂ）に例示した突起５３、及び図４（ｃ）に例示した撓み５４は、変形板５０の周縁部の一部に生じる場合もあれば、周縁部全体に生じる場合もある。なお、かかる突起５３及び撓み５４は、意図して形成したものではなく、意図せず生じたものである。

図５は、変形板５０と導電体３０の平面部３２との間の隙間Ｌを、０μｍ（隙間なし）、１５μｍ、３０μｍと変えたときの変形板５０の突出部５１中央の変位（μｍ）と、電池ケース１１内の圧力（ＭＰａ）との関係を、シミュレーションにより求めた結果を示したグラフである。ここで、曲線Ａは、隙間Ｌが０μｍの場合、曲線Ｂは、隙間Ｌが１５μｍの場合、曲線Ｃは、隙間Ｌが３０μｍの場合をそれぞれ示す。なお、変形板５０の周縁部を載置する導電体３０の平面部３２の幅を０．５ｍｍとした。

図５に示すように、電池ケース１１内の圧力が同じときの突出部５１中央の変位は、変形板５０と導電体３０の平面部３２との間の隙間Ｌが大きくなるに従い、小さくなっている。換言すれば、隙間Ｌが０μｍ（隙間なし）のときの集電体６０の破断予定部６２が破断する変位（０．２７ｍｍ）を示す直線Ｐと、各曲線Ａ、Ｂ、Ｃとの交点における圧力、すなわち、電流遮断機構４０の作動圧は、変形板５０と導電体３０の平面部３２との間の隙間Ｌが大きくなるに従い、大きくなっている。

このような変形板５０と導電体３０の平面部３２との接触状態に起因した電流遮断機構４０の作動圧のばらつきを低減するために、本発明は、変形板５０の周縁部を載置する導電体３０の平面部３２を、従来よりも幅の狭いものを採用したものである。

図６（ａ）〜（ｃ）は、平面部３２の幅を、図４（ａ）〜（ｃ）に例示した従来の平面部３２の幅よりも小さくしたときの変形板５０と導電体３０の平面部３２との接触状態を示した図である。図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、変形板５０に、図４（ｂ）、（ｃ）に例示したような意図しない部分的な突起５３や撓み５４があっても、変形板５０と導電体３０の平面部３２との間に隙間は生じていない。

このように、変形板５０に、突起５３や撓み５４等が存在していると、平面部３２の幅が大きいほど、突起５３や撓み５４等が平面部３２に接触しやすくなる。すなわち、平面部３２の幅を小さくすることによって、突起５３や撓み５４等が平面部３２に接触する可能性を低減することができる。これにより、変形板５０と導電体３０の平面部３２との接触状態が安定し、その結果、電流遮断機構４０の作動圧のばらつきを低減することができる。

ところで、変形板５０の周縁部と、導電体３０の周縁部との溶接は、図３（ａ）、（ｂ）に示したように、変形板５０の周縁部を、導電体３０の段差部３１における平面部３２に載置した状態で行われる。そのため、平面部３２の幅が狭いと、変形板５０を導電体３０に組み付ける際に、変形板５０が、導電体３０の平面部３２から落ち込んでしまうおそれがある。

一方、導電体３０は、平面視で、四辺と四隅のコーナ部とを有する矩形状に形成されており、変形板５０の周縁部は、導電体３０の周縁部である四辺及び四隅のコーナ部に溶接されている。そして、変形板５０は、電池ケース１１内の圧力が上昇すると、導電体３０の四辺及び四隅のコーナ部の溶接部を支点に、変形板５０の突出部５１が変位する。このとき、変形板５０は、導電体３０の四辺における溶接部を支点とした変形のほうが、四隅のコーナ部における溶接点を支点とした変形よりも大きくなる。その結果、導電体３０の四辺における溶接部を支点とした変形板５０の変形によって、集電体６０の破断予定部６２の破断が律速される。
このことから、変形板５０と導電体３０の四辺の平面部３２との接触状態の方が、四隅のコーナ部の平面部３２との接触状態よりも、電流遮断機構４０の作動圧に与える影響は大きいと考えられる。

このような知見から、本発明は、導電体３０の四辺の各辺に形成された平面部３２の幅を、コーナ部に形成された平面部３２の幅よりも狭くする構成を採用する。これにより、導電体３０の四辺においては、平面部３２の幅を小さくすることによって、変形板５０と導電体３０の平面部３２との接触状態が安定し、その結果、電流遮断機構４０の作動圧のばらつきを低減することができる。一方、導電体３０の四隅のコーナ部においては、平面部３２の幅を大きくすることによって、変形板５０の導電体３０への組み付け性を向上させることができる。

また、導電体３０が、平面視で、長辺と短辺とを有する長方形状に形成されている場合、変形板５０は、導電体３０の長辺における溶接部を支点とした変形のほうが、短辺における溶接点を支点とした変形よりも大きくなる。その結果、導電体３０の長辺における溶接部を支点とした変形板５０の変形によって、集電体６０の破断予定部６２の破断が律速される。
このことから、変形板５０と導電体３０の長辺の平面部３２との接触状態の方が、短辺の平面部３２との接触状態よりも、電流遮断機構４０の作動圧に与える影響は大きいと考えられる。それ故に、導電体３０の長辺に形成された平面部３２の幅を、短辺に形成された平面部３２の幅よりも狭くすることによって、電流遮断機構４０の作動圧のばらつきを低減しつつ、変形板５０の導電体３０への組み付け性をさらに向上させることができる。

図７（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態における導電体３０の平面部３２の構成を模式的に示した図で、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のVIIb−VIIb線に沿った断面図、図７（ｃ）は、図７（ａ）のVIIc−VIIc線に沿った断面図である。

図７（ａ）に示すように、導電体３０は、平面視で、長辺３０Ａ、短辺３０Ｂ、及び四隅のコーナ部３０Ｃを有する長方形状に形成されている。ここで、長辺３０Ａ及び短辺３０Ｂに形成された平面部３２の幅Ｗａ、Ｗｂは、コーナ部３０Ｃに形成された平面部３２の幅Ｗｃよりも狭くなっている。これにより、コーナ部３０Ｃに形成された幅広の平面部３２によって、変形板５０の導電体３０への組み付け性が維持される一方、長辺３０Ａ及び短辺３０Ｂに形成された平面部３２の幅Ｗａ、Ｗｂを狭くすることによって、電流遮断機構４０の作動圧のばらつきを低減することができる。さらに、長辺３０Ａに形成された平面部３２の幅Ｗａを、短辺３０Ｂに形成された平面部３２の幅Ｗｂよりも狭くすることによって、電流遮断機構４０の作動圧のばらつきを低減しつつ、変形板５０の導電体３０への組み付け性をさらに向上させることができる。

図８は、本実施形態における導電体３０の平面部３２の他の構成を模式的に示した平面図である。

図８に示すように、導電体３０は、平面視で、長さの等しい四辺３０Ａと四隅のコーナ部３０Ｃを有する正方形状に形成されている。ここで、四辺３０Ａに形成された平面部３２の幅Ｗａは、コーナ部３０Ｃに形成された平面部３２の幅Ｗｃよりも狭くなっている。これにより、コーナ部３０Ｃに形成された幅広の平面部３２によって、変形板５０の導電体３０への組み付け性を維持される一方、四辺３０Ａに形成された平面部３２の幅Ｗａを狭くすることによって、電流遮断機構４０の作動圧のばらつきを低減することができる。

なお、本実施形態において、コーナ部３０Ｃに形成された平面部３２の幅Ｗｃは、平面部３２の径方向外側端部と径方向内側端部との距離のうち、最大の距離をいう。

次に、図９（ａ）、（ｂ）を参照しながら、導電体３０の長辺側に形成される平面部３２の幅の最適な範囲について説明する。

図９（ａ）は、導電体３０の長辺側周縁部の拡大図で、導電体３０の長辺側周縁部には、変形板５０の周縁部を載置する平面部３２と、変形板５０の周縁部端面５２と当接する側壁部３３とを有する段差部３１が形成されている。

図９（ｂ）は、変形板５０の周縁部端面５２と、段差部３１の側壁部３３とが当接した状態で、変形板５０と導電体３０と溶接した状態を示した拡大図で、変形板５０と導電体３０との境界に溶接痕７０が形成されている。

図９（ａ）、（ｂ）に示すように、側壁部３３から平面部３２の径方向内側端部までの距離（平面部３２の幅）をＤ_１、側壁部３３から溶接痕７０の径方向内側端部までの距離をＤ_２としたとき、平面部３２の幅Ｄ_１は、Ｄ_１≦２Ｄ_２を満たすことが好ましい。平面部３２の幅Ｄ_１が、このような範囲にあることにより、変形板５０と導電体３０の平面部３２との接触状態が安定し、その結果、電流遮断機構４０の作動圧のばらつきを低減することができる。なお、平面部３２の幅Ｄ_１が小さすぎると、変形板５０を導電体３０の段差部３１に組み付ける際、変形板５０が導電体３０の内部側の入り込んでしまうおそれがある。従って、このおそれを低減するために、平面部３２の幅Ｄ_１は、Ｄ_１≧０．５Ｄ_２であることがより好ましい。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、長辺３０Ａ及び短辺３０Ｂに形成された平面部３２の幅Ｗａ、Ｗｂを、コーナ部３０Ｃに形成された平面部３２の幅Ｗｃよりも狭くしたが、平面部３２を、長辺３０Ａには形成せず、短辺３０Ｂにのみ形成してもよい。これにより、変形板５０の周縁部が、導電体５０の長辺において、平面部３２に接触することがなくなるため、変形板５０と導電体３０の平面部３２との接触状態に起因した電流遮断機構４０の作動圧のばらつきを大幅に低減することができる。なお、この場合、短辺３０Ｂに形成された平面部３２の幅Ｗｂは、変形板５０の導電体３０への組み付け性を損なわない程度の大きさにしておくことが好ましい。

また、上記実施形態では、導電体３０は、外部端子１３と別部材としたが、導電体３０と外部端子１３とは一つの部品で構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、電流遮断機構を、正極外部端子１３と正極とを電気的に接続する電流経路の途中に設けたが、負極外部端子１４と負極とを電気的に接続する電流経路の途中に設けても勿論構わない。

また、導電体３０の周縁部における段差部３１は、本発明で規定する平面部３２及び側壁部３３を有するものであれば、その形状は特に限定されない。例えば、図９（ｂ）に示したような形状の他、図１０（ａ）、（ｂ）に示したような形状であってもよい。

なお、側壁部３３から溶接痕７０の径方向内側端部までの距離をＤ_２は、２ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ〜１ｍｍであることがより好ましく、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることがさらに好ましい。

また、コーナ部３０Ｃに形成された平面部３２の幅Ｗｃは、２ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ〜１ｍｍであることがより好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることがさらに好ましい。

なお、変形板５０と導電体３０の平面部３２との間に隙間が存在してもよい。当該隙間の大きさが安定していれば、即ち、変形板５０と導電体３０の接触状態が安定していれば、電流遮断機構４０の作動圧も安定する。
導電体３０、変形板５０及び集電体６０は、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましい。

１０二次電池
１１電池ケース
１２封口体
１３（正極）外部端子
１３ａ筒部
１４負極外部端子
１５安全弁
１６注入部
２０ガスケット
２１、２２絶縁板
３０導電体
３０Ａ長辺（四辺）
３０Ｂ短辺
３０Ｃコーナ部
３１段差部
３２平面部
３３側壁部
４０電流遮断機構
５０変形板
５１突出部
５２周縁部端面
５３突起
５４撓み
６０集電体
６１接合部
６２破断予定部
７０溶接痕

Claims

外部端子と、電池ケース内に収容された極板との間の電流経路に電流遮断機構が配置された二次電池であって、
前記電流遮断機構は、前記外部端子に電気的に接続された変形板と、前記極板に電気的に接続され、前記変形板と溶接された接合部を有する集電体とを備え、
前記変形板の周縁部は、前記電池ケース内に配置され、前記外部端子に電気的に接続された導電体の周縁部に溶接されており、
前記導電体は、その周縁部において、前記変形板の周縁部を載置する平面部と、前記変形板の周縁部端面と当接する側壁部とを有する段差部が形成されており、
前記変形板の周縁部端面と、前記段差部の側壁部とが当接した状態で、前記変形板と前記導電体とが溶接されており、
前記導電体は、平面視で、四辺と四隅のコーナ部とを有する矩形状に形成されており、
前記段差部において、前記四辺の各辺に形成された前記平面部の幅は、前記コーナ部に形成された前記平面部の幅よりも狭く、前記段差部において、長辺に形成された前記平面部の幅は、短辺に形成された前記平面部の幅よりも狭く、
前記変形板の周縁部端面と、前記段差部の側壁部とが当接した状態で、前記変形板と前記導電体との境界に溶接痕が形成されており、前記長辺側において、前記側壁部から前記平面部の径方向内側端部までの距離をＤ１、前記側壁部から前記溶接痕の径方向内側端部までの距離をＤ２としたとき、
Ｄ１≧０．５Ｄ２であり、
前記コーナ部に形成された前記平面部の幅は、前記平面部の径方向外側端部と径方向内側端部との距離のうち、最大の距離である、
二次電池。
前記長辺側において、前記側壁部から前記平面部の径方向内側端部までの距離をＤ１、前記側壁部から前記溶接痕の径方向内側端部までの距離をＤ２としたとき、
Ｄ１≦２Ｄ２である、
請求項１に記載の二次電池。
前記変形板と前記集電体との前記接合部は、前記集電体の中央部に形成されており、
前記集電体は、前記接合部よりも径方向外側に破断予定部を有している、
請求項１に記載の二次電池。
前記導電体と前記外部端子とは一つの部品である、
請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。