JP7059623B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

本開示は、二次電池に関する。
従来、筐体の内圧が上昇した際に、正極の外部端子と負極の外部端子とを短絡させる短絡機構が設けられた二次電池が各種開発されている。このような二次電池が開示された文献として、たとえば特開2015-082500号公報(特許文献1)が挙げられる。
特許文献1に開示の二次電池にあっては、正極の外部端子と、電池要素の正極とを電気的に接続する集電部材において、外部端子側に近い側から順に第1ヒューズ部および第2ヒューズ部が互いに間隔をあけて設けられている。第1ヒューズ部と第2ヒューズ部との間に、電池要素を収容する筐体の封口板と集電部材とを電気的に連結する連結部材が設けられており、連結部材の電気抵抗は、正極の外部端子の電気抵抗よりも小さくなっている。
このような構成とすることにより、短絡機構が作動して、封口板、連結部材、集電部材、および電池要素の正極を順に短絡電流が流れる際に、短絡機構に含まれる短絡部材が溶融するより先に、外部端子側に位置する第1ヒューズを溶融させることができる。これにより、短絡部材が先に溶融して異常時の電流が外部端子から取り出されることを抑制することができる。
特開2015-082500号公報
ここで、複数の二次電池を並べて組電池として使用する場合において、外部からの衝撃等により隣り合う二次電池同士の筐体が電気的に接続されたり、当該筐体の外部に位置する導電性部材に電気的に接続されたりすることが起こり得る。このため、二次電池が筐体を介して外部短絡した場合に、短絡経路を電気的に遮断するための電流遮断機構が求められる。しかしながら、当該電流遮断機構を二次電池の筐体間に設けたり、互いに隣り合う筐体に跨るように設けたりする場合には、機構が大掛かりとなってしまい、その製造コストも増加してしまう。
本開示は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、簡易な構成で、電池要素を収容する筐体が外部短絡した場合に筐体に流れる電流を遮断することができる二次電池を提供することにある。
本開示に基づく二次電池は、電池要素と、上記電池要素を収容する筐体と、上記筐体に設けられ、上記電池要素に電気的に接続された正極端子および負極端子と、上記正極端子および上記負極端子のうち一方の端子と上記筐体との電位を同電位とする接地状態から上記一方の端子と上記筐体とが電気的に遮断された遮断状態に切り替える遮断部と、を備える。上記一方の端子は、上記筐体に対向する対向部を有し、上記遮断部は、上記対向部と上記筐体との間に配置されている。上記筐体が外部短絡した場合に、上記遮断部は、短絡電流が流れることにより発生する熱によって変形することにより、上記接地状態から上記遮断状態に切り替える。
このように構成された場合には、二次電池の筐体が、当該筐体の外部に位置する導電性部材に電気的に接続されて外部短絡した場合に、遮断部によって正極端子および負極端子のうち一方の端子と筐体とを電気的に遮断することができる。これにより、二次電池が損傷することを抑制することができる。
また、上記遮断部を、上記一方の端子が筐体に対向する対向部と当該対向部に対向する部分の筐体との間に配置し、かつ、短絡電流が流れる熱によって変形することを利用して一方の端子と筐体とを電気的に遮断する構成とすることにより、設置スペースを小さくしつつ、その構成を簡易にすることができる。
上記本開示に基づく二次電池にあっては、上記遮断部は、上記筐体が外部短絡した場合に上記遮断部に短絡電流が流れることで発生する熱によって溶融する導電性を有する溶融部材と、絶縁部材とを含んでいてもよい。この場合には、上記溶融部材および上記絶縁部材は、上記対向部と上記筐体との間において上記対向部と当接するように並んで配置されていることが好ましい。
このような構成においては、二次電池の筐体が、当該筐体の外部に位置する導電性部材に電気的に接続されて外部短絡した場合に、遮断部に短絡電流が流れることで発生する熱によって溶融部材が溶融することにより、対向部が絶縁部材によって支持されることとなる。これにより、一方の端子と筐体とを電気的に遮断することができる。また、絶縁部材と溶融部材とを並べて遮断部を構成することができるため、その構成を簡易にすることができる。
上記本開示に基づく二次電池にあっては、上記遮断部は、第1金属層と、上記第1金属層と異なる線膨張係数を有する第2金属層とを含んでいてもよい。この場合には、上記第1金属層および上記第2金属層は、上記対向部と上記筐体とが対向する対向方向に積層して配置されていることが好ましい。
このような構成においては、二次電池の筐体が、当該筐体の外部に位置する導電性部材に電気的に接続されて外部短絡した場合に、遮断部に短絡電流が流れることで発生する熱によって遮断部が反るように変形する。これにより、対向部および筐体と接触する部分の遮断部の面積が減少し、接触抵抗が大きくなる。この結果、一方の端子から筐体に流れる電流を遮断することができる。また、互いに線膨張係数が異なる第1金属層および第2金属層を積層させた構成とすることにより、遮断部の構成を簡易にすることができる。
上記本開示に基づく二次電池にあっては、上記対向部は、上記筐体の外側に位置することが好ましい。
このような構成においては、遮断部は、筐体の外部において対向部と筐体との間に配置されることなるため、遮断部の状態を目視にて確認することができる。
本開示によれば、簡易な構成で、電池要素を収容する筐体が外部短絡した場合に筐体に流れる電流を遮断することができる二次電池を提供することができる。
実施の形態1に係る組電池を示す平面図である。 実施の形態1に係る二次電池を示す斜視図である。 図2に示すIII-III線に沿った断面図である。 実施の形態1に係る組電池において互いに隣り合う二次電池同士が筐体を介して外部短絡した場合の電流の流れを示す概略図である。 図4に示すように外部短絡した場合において、二次電池の正極端子から筐体に電流が流れる状態を示す正極端子側の断面図である。 図4に示すように外部短絡した場合において、二次電池の正極端子から筐体に流れる電流が遮断された状態を示す正極端子側の断面図である。 実施の形態2に係る二次電池の正極端子側の構成を示す断面図である。 実施の形態2において、外部短絡した場合において、二次電池の正極端子から筐体に電流が流れる状態を示す正極端子側の断面図である。 実施の形態2において、外部短絡した場合において、二次電池の正極端子から筐体に流れる電流が遮断された状態を示す正極端子側の断面図である。
以下、本開示の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る組電池を示す平面図である。図1を参照して、実施の形態1に係る組電池1について説明する。
図1に示すように、組電池1は、複数の充放電可能な二次電池100が直列に接続されて構成されている。組電池1では、同形状の複数の二次電池100が直列に接続されて、組電池1を構成している。なお、組電池1を構成する二次電池100の数は特に限定されない。
各々の二次電池100は、互いに距離を隔てて配列されている。各々の二次電池100の最も面積の大きい側面同士が互いに対向するように、複数の二次電池100が配列されている。隣り合う2つの二次電池100間の隙間には、図示しない冷却板または緩衝板などが配置されている。
二次電池100は、正極用の端子(正極端子)3と負極用の端子(負極端子)4とを有する。複数の二次電池100は、各々の正極端子3と負極端子4とが交互に配置されるように、一つずつ反転させて配置されている。隣り合う2つの二次電池100のうちの一方の正極端子3と、他方の負極端子4とが近接するように、複数の二次電池100が配置されている。
組電池1は、隣り合う二次電池100を互いに接続する端子間接続具2を備えている。端子間接続具2は、隣り合う2つの二次電池100のうちの一方の正極端子3と、他方の負極端子4とを電気的に接続している。これにより複数の二次電池100が直列に接続されて、所望の電圧を有する組電池1が構築されている。
図2は、実施の形態1に係る二次電池を示す斜視図である。図3は、図2に示すIII-III線に沿った断面図である。図2および図3を参照して、実施の形態1に係る二次電池100について説明する。
図2および図3に示すように、実施の形態1に係る二次電池100は、筐体10、電池要素としての電極体13、遮断部5、インシュレータ6、ガスケット7,8、および集電体21,22をさらに備える。
筐体10は、有底角筒状の収容部11と、収容部11の開口を密閉する封口板12とを含む。筐体10は、内部に電極体13を収容している。正極端子3および負極端子4は、筐体10に取り付けられている。具体的には、正極端子3および負極端子4は、封口板12に取り付けられている。
電極体13は、正極芯体、負極芯体およびセパレータ(いずれも図示せず)を有し、正極芯体および負極芯体は、セパレータを介して巻回される。電極体13の両端には、正極芯体露出部14および負極芯体露出部15がそれぞれ設けられる。
なお、電極体13は、複数の正極シートおよび負極シートがセパレータを挟んで積層された構造であってもよい。
正極端子3は、筐体10を貫通するように設けられている。具体的には、正極端子3は、筐体10の封口板12を貫通するように設けられている。正極端子3は、集電体21によって電極体13の正極芯体露出部14に電気的に接続されている。
正極端子3は、対向部としての外部端子31と、連結端子32とを含む。外部端子31は、筐体10の外部に位置する。外部端子31は、筐体10に対向するように配置されている。外部端子31は、平面視略矩形形状を有し、導電性を有する板状部材によって構成されている。
連結端子32は、柱状の本体部321と、フランジ部322とを有する。本体部321の一端側は、封口板12から外部に突出し、外部端子31に設けられた挿入孔に挿入された状態で外部端子31に接合されている。本体部321の他端側は、筐体10の内部にて集電体21に接合されている。
フランジ部322は、本体部321から径方向に突出し、筐体10の内部で封口板12に対向する。フランジ部322は、封口板12にほぼ平行である。
ガスケット7は、封口板12と連結端子32との間に介挿されている。ガスケット7は、封口板12および連結端子32に接触して設けられている。ガスケット7は、封口板12と連結端子32との間のシール材として設けられ、筐体10の内部の気密性を維持する。
ガスケット7は、PFA(ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂)またはEPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)などの、弾性の樹脂材料またはゴム材料により形成されている。
ガスケット7は、筒部71および鍔部72を有する。筒部71は、封口板12の貫通孔に挿通されている。筒部71は、当該貫通孔を規定する封口板12の内周面と、本体部321の外周面とに接触する。
鍔部72は、筐体10の内部に位置する筒部71の端部から径方向に突出するように設けられている。鍔部72は、筐体10の内部において封口板12とフランジ部322とに挟持されている。
負極端子4は、筐体10を貫通するように設けられている。具体的には、負極端子4は、筐体10の封口板12を貫通するように設けられている。負極端子4は、集電体22によって電極体13の負極芯体露出部15に電気的に接続されている。
負極端子4は、正極端子3とほぼ同様の構成を有する。負極端子4は、板状部材によって構成された外部端子41と、柱状の本体部421およびフランジ部422を有する連結端子42とを含む。
ガスケット8は、ガスケット7とほぼ同様の構成を有する。ガスケット8は、封口板12と連結端子42との間に介挿されている。ガスケット8は、本体部421の外周面と、連結端子42が貫通する貫通孔を規定する封口板12の内周面とに接触する筒部81と、筐体10の内部において封口板12とフランジ部422とに挟持される鍔部82とを有する。ガスケット8は、封口板12と連結端子42との間のシール材として設けられ、筐体10の内部の気密性を維持する。
インシュレータ6は、外部端子41と封口板12との間に配置されている。インシュレータ6は、封口板12の直上に配置されている。インシュレータ6は、外部端子41と封口板12とを電気的に絶縁する。
遮断部5は、正極端子3と筐体10との間に配置されている。具体的には、遮断部5は、外部端子31と封口板12とによって挟持されている。遮断部5は、外部端子31と筐体10とが同電位とする接地状態および外部端子31と筐体10とが電気的に遮断された遮断状態とを切り替える可能に構成されている。
遮断部5は、絶縁部材51と、溶融部材52と、基材53とを有する。基材53は、たとえばアルミ等の金属製のプレートによって構成されている。基材53は、筐体10の外部側に位置する封口板12の主面に載置されている。基材53には、連結端子32が貫通している。
絶縁部材51および溶融部材52は、外部端子31と当接するように、外部端子31と封口板12との間において並んで配置されている。具体的には、絶縁部材51および溶融部材52は、外部端子31と封口板12とによって挟み込まれている。
絶縁部材51は、環状形状を有する。絶縁部材51は、連結端子32の周囲を取り囲むように設けられている。絶縁部材51は、たとえば、耐熱性を有するセラミックス材料によって構成される。これにより、後述するように溶融部材52が溶融する場合であっても、絶縁部材51が溶融せずに残留することとなる。
溶融部材52は、連結端子32の周囲を取り囲むように設けられている。溶融部材52は、絶縁部材51の周囲に配置されている。溶融部材52は、環状の孔部を有し、当該環状の孔部内に絶縁部材51を収容する。
溶融部材52は、筐体10が外部短絡した場合に、当該溶融部材52を短絡電流が流れることにより発生する熱によって溶融可能に設けられている。溶融部材52は、たとえば、導電性を有する樹脂層によって構成される。導電性を有する樹脂層は、複数の粒子状の導電性フィラーを含有する。溶融部材52は、導電性フィラーの含有量を調整することにより、短絡電流が流れた場合に所望の時間内に溶融できるように電気抵抗が調整されている。
図4は、実施の形態1に係る組電池において互いに隣り合う二次電池同士が筐体を介して外部短絡した場合の電流の流れを示す概略図である。図4を参照して、二次電池同士が筐体10を介して外部短絡した場合の電流の流れについて説明する。
図4に示すように、車両の衝突等によって、互いに隣り合う筐体10同士が電気的に接続された場合には、外部短絡が発生する。これにより、端子間接続具2を通って図中右側の二次電池100から図中左側の二次電池100に流れた電流が、図中左側の二次電池100の筐体10から図中右側の二次電池100の筐体10に流れる。
具体的には、図中右側の二次電池100における正極端子3から電極体13、負極端子4および端子間接続具2を通って、図中左側の二次電池100の正極端子3に入力された電流が、遮断部5、および図中左側の二次電池100の筐体10を通って、図中右側の二次電池100の筐体10に流れる。すなわち、短絡電流が遮断部5を流れることとなる。
図5は、図4に示すように外部短絡した場合において、二次電池の正極端子から筐体に電流が流れる状態を示す正極端子側の断面図である。図6は、図4に示すように外部短絡した場合において、二次電池の正極端子から筐体に流れる電流が遮断された状態を示す正極端子側の断面図である。図5および図6を参照して、外部短絡によって短絡電流が遮断部5に流れた場合における遮断部5の挙動について説明する。
筐体10が外部短絡する前の状態においては、溶融部材52および基材53が外部端子31および筐体10によって挟持されることにより、外部端子31と筐体10とが接地されている。このような接地状態において、筐体10が外部短絡した場合には、図5に示すように、短絡電流は、正極端子3側から溶融部材52、基材53、および封口板12を順に流れる。短絡電流の大きさは、たとえば、数十Aから数百Aである。短絡電流が溶融部材52を流れる際に、ジュール熱が発生する。上述のように溶融部材52は、短絡電流が流れた場合に所望の時間内に溶融できるように電気抵抗が調整されている。
図6に示すように、遮断部5に短絡電流が流れることにより発生する熱によって溶融部材52が溶融した場合には、溶融部材52および絶縁部材51のうち絶縁部材51が外部端子31に当接することとなる。これにより、外部端子31と封口板12とが電気的に遮断された遮断状態となる。
以上のように、実施の形態1に係る二次電池100にあっては、筐体10が当該筐体10の外部に位置する導電性部材(たとえば隣り合う二次電池の筐体等)に電気的に接続されて外部短絡した場合に、遮断部によって正極端子3と筐体10とを電気的に遮断することができ、二次電池100が損傷することを抑制することができる。
具体的には、遮断部5に短絡電流が流れることで発生する熱によって溶融部材52が溶融することにより、外部端子31が絶縁部材51によって支持されることとなる。これにより、外部端子31と筐体10とを電気的に遮断することができる。
また、外部端子31の筐体10との間に遮断部5を配置し、かつ、短絡電流が流れる熱によって変形することを利用して外部端子31と筐体10との電気的接続を遮断する構成とすることにより、設置スペースを小さくしつつ、その構成を簡易にすることができる。具体的には、絶縁部材51と溶融部材52とを並べて遮断部5を構成することができるため、その構成を簡易にすることができる。
(実施の形態2)
図7は、実施の形態2に係る二次電池の正極端子側の構成を示す断面図である。図7を参照して、実施の形態2に係る二次電池100Aについて説明する。
図7に示すように、実施の形態2に係る二次電池100Aは、実施の形態1に係る二次電池100と比較した場合に、遮断部5Aの構成が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。
遮断部5Aは、導電性および耐熱性を有する樹脂層51A、第1金属層52A、および第2金属層53Aを有する。樹脂層51A、第1金属層52Aおよび第2金属層53Aは、外部端子31および封口板12とが対向する対向方向に積層されている。封口板12側から順に、第2金属層53A、第1金属層52A、および樹脂層51Aが積層されている。
樹脂層51A、第1金属層52A、および第2金属層53Aは、板状形状を有する。樹脂層51A、第1金属層52Aおよび第2金属層53Aには、連結端子32の本体部321が貫通する。
樹脂層51Aは、複数の粒子状の導電性フィラーを含有する。樹脂層51Aは、耐熱性を有することにより、実施の形態1とは異なり、短絡電流が流れた場合であっても溶融されないように構成されている。樹脂層51Aの電気抵抗は、導電性フィラーの含有量等によって適宜調整される。
第1金属層52Aの線膨張係数と第2金属層52Bの線膨張係数とは、互いに異なる。たとえば、第1金属層52Aの線膨張係数は、第2金属層52Bの線膨張係数よりも大きい。
図8は、実施の形態2において、外部短絡した場合において、二次電池の正極端子から筐体に電流が流れる状態を示す正極端子側の断面図である。図9は、実施の形態2において、外部短絡した場合において、二次電池の正極端子から筐体に流れる電流が遮断された状態を示す正極端子側の断面図である。図8および図9を参照して、外部短絡によって短絡電流が遮断部5Aに流れた場合における遮断部5Aの挙動について説明する。
筐体10が外部短絡する前の状態においては、遮断部5Aが全体的に外部端子31および筐体10によって挟持されることにより、外部端子31と筐体10とが接地されている。このような接地状態において、筐体10が外部短絡した場合には、図8に示すように、短絡電流は、正極端子3側から、樹脂層51A、第1金属層52Aおよび第2金属層53Aを順に流れる。短絡電流の大きさは、たとえば、数十Aから数百Aである。短絡電流が遮断部5Aを流れる際に、ジュール熱が発生する。
上述のように、遮断部5Aは、線膨張係数が異なる第1金属層52Aおよび第2金属層53Aが積層されて構成されている。このため、遮断部5Aに短絡電流が流れることにより発生する熱によって、図9に示すように、遮断部5Aは、中央部において、外部端子31側が凸となり、封口板12側が凹となるように反る。これにより、遮断部5Aの外縁側が封口板12に接触し、遮断部5Aの中央部側が外部端子31に接触することとなる。
このように、遮断部5Aが外部端子31および封口板12に接触する面積が小さくなることにより、接触抵抗が増加する。この結果、遮断部5Aに電流が流れなくなり、外部端子31と封口板12とが電気的に遮断された遮断状態となる。
以上のように、実施の形態2に係る二次電池100Aにあっては、二次電池の筐体10が、当該筐体10の外部に位置する導電性部材に電気的に接続されて外部短絡した場合に、遮断部5Aに短絡電流が流れることで発生する熱によって遮断部5Aが反るように変形する。これにより、外部端子31および筐体10と接触する部分の遮断部5Aの面積が減少し、接触抵抗が大きくなる。この結果、外部端子31から筐体10に流れる電流を遮断することができる。また、互いに線膨張係数が異なる第1金属層52Aおよび第2金属層53Aを積層させた構成とすることにより、遮断部5Aの構成を簡易にすることができる。
なお、上述した実施の形態2においては、第1金属層52Aの線膨張係数が、第2金属層53Aの線膨張係数よりも大きい場合を例示して説明したが、第2金属層53Aの線膨張係数よりも小さくてもよい。この場合には、遮断部5Aは、中央部において、外部端子31側が凹となり、封口板12側が凸となるように反る。この場合においても、接触抵抗が増加することにより、遮断部5Aに電流が流れなくなり、外部端子31と封口板12とが電気的に遮断された遮断状態となる。
上述した実施の形態1および2においては、筐体10の外部に位置する外部端子31を対向部とし、外部端子31と筐体10との間に遮断部を設けた構成としたが、これに限定されない。正極端子3のうち筐体10に対向する対向部は、筐体10の内部に設けられており、当該対向部と筐体10との間に遮断部を設けていてもよい。なお、上記のように対向部を筐体10の外部に設けた場合には、遮断部の変形前後の状態を目視にて確認することができる。
以上、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
1 組電池、2 端子間接続具、3 正極端子、4 負極端子、5,5A 遮断部、6 インシュレータ、7,8 ガスケット、10 筐体、11 収容部、12 封口板、13 電極体、14 正極芯体露出部、15 負極芯体露出部、21,22 集電体、31 外部端子、32 連結端子、41 外部端子、42 連結端子、51 絶縁部材、51A 樹脂層、52 溶融部材、52A 第1金属層、52B,53A 第2金属層、53 基材、71 筒部、72 鍔部、81 筒部、82 鍔部、100,100A 二次電池、321 本体部、322 フランジ、421 本体部、422 フランジ。

Claims (4)

  1. 電池要素と、
    前記電池要素を収容する筐体と、
    前記筐体に収容され、前記電池要素に接続された集電部材と、
    前記筐体に設けられ、前記電池要素に電気的に接続された正極端子および負極端子と、
    前記正極端子および前記負極端子のうち一方の端子と前記筐体との電位を同電位とする接地状態から前記一方の端子と前記筐体とが電気的に遮断された遮断状態に切り替える遮断部と、を備え、
    前記一方の端子は、前記筐体に対向する対向部と、前記接地状態および前記遮断状態の双方において前記集電部材と前記対向部とを電気的に接続する連結端子とを有し、
    前記対向部は、前記筐体の外側に位置し、
    前記遮断部は、前記対向部と前記筐体との間に配置され、前記対向部と前記筐体とによって直接挟みこまれており、
    前記筐体が外部短絡した場合に、前記遮断部は、短絡電流が流れることにより発生する熱によって変形することにより、前記接地状態から前記遮断状態に切り替える、二次電池。
  2. 前記遮断部は、前記筐体が外部短絡した場合に前記遮断部に短絡電流が流れることで発生する熱によって溶融する導電性を有する溶融部材と、絶縁部材とを含み、
    前記溶融部材および前記絶縁部材は、前記対向部と前記筐体との間において前記対向部と当接するように並んで配置されている、請求項1に記載の二次電池。
  3. 電池要素と、
    前記電池要素を収容する筐体と、
    前記筐体に設けられ、前記電池要素に電気的に接続された正極端子および負極端子と、
    前記正極端子および前記負極端子のうち一方の端子と前記筐体との電位を同電位とする接地状態から前記一方の端子と前記筐体とが電気的に遮断された遮断状態に切り替える遮断部と、を備え、
    前記一方の端子は、前記筐体に対向する対向部を有し、
    前記遮断部は、前記対向部と前記筐体との間に配置され、前記対向部と前記筐体とによって直接挟みこまれており、
    前記筐体が外部短絡した場合に、前記遮断部は、短絡電流が流れることにより発生する熱によって変形することにより、前記接地状態から前記遮断状態に切り替え、
    前記遮断部は、第1金属層と、前記第1金属層と異なる線膨張係数を有する第2金属層とを含み、
    前記第1金属層および前記第2金属層は、前記対向部と前記筐体とが対向する対向方向に積層して配置されている、二次電池。
  4. 前記対向部は、前記筐体の外側に位置する、請求項に記載の二次電池。
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