JP7084239B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関するものである。

電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）の駆動用電源、太陽光発電、風力発電等の出力変動を抑制するための用途や夜間に電力をためて昼間に利用するための系統電力のピークシフト用途等の定置用蓄電池システム等において、アルカリ二次電池や非水電解質二次電池が使用されている。

このような用途に使用される電池では、例えば下記特許文献１に示されているように、電池外装体内の圧力が高まったときに内圧を開放するガス排出弁を設けるだけでなく、外部端子と外装体内部の電極体との間の電気的接続を遮断する電流遮断機構が設けられている。

特開２０１８－４１６７８号公報

電流遮断機構においては、例えば特許文献１に開示された技術のように、変形板に溶接された集電体に溝状のノッチ部を設ける構造が採用されている。そしてこの構造では、電池ケース内圧力が高まって変形板が変形するとノッチ部が破断して外部端子と電極体との間の電気的接続を遮断する。

電流遮断機構は上述のように作動するが、重要なのは多数の電池を作製する際にいずれの電池においても電池ケース内において所定の圧力値になったときに電流遮断機構が安定的に作動することである。電流遮断機構の作動圧のバラツキを小さくするための検討を行ったところ、ノッチ部の形状を工夫することにより電流遮断機構の作動圧のバラツキを小さくできることを本願発明者は見出した。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電流遮断機構の作動圧のバラツキを小さくしていずれの電池においても電流遮断機構が安定的に作動する二次電池を提供することにある。

本発明の二次電池は、開口を有する電池ケースと、前記電池ケースに収納された、正極および負極を含む電極体と、前記正極又は負極に電気的に接続された集電体と、前記開口を封口する封口板と、前記封口板に取り付けられた外部端子と、前記封口板と前記電極体との間に位置し、前記外部端子に電気的に接続され、前記電極体側に開口部分を有する導電部材と、前記開口部分を密閉し、前記集電体に接続され、前記電池ケース内の圧力が所定値以上となったときに変形する変形板とを備え、前記集電体には、凹形状であって、前記変形板が変形した際に破断する薄肉部が設けられており、前記集電体の厚み方向に沿って切断した断面において、前記薄肉部は前記凹形状の底である底面部と、前記底面部の一方の端部と前記薄肉部の一方の外縁とを繋ぐ第１の側面部および他方の端部と前記薄肉部の他方の外縁とを繋ぐ第２の側面部とを有しており、前記一方の端部における前記底面部の厚みａが、前記他方の端部における前記底面部の厚みｂよりも小さく、前記他方の端部は、前記一方の端部よりも前記変形板との接続部分に近い位置に設けられている構成を有している。

前記薄肉部は、前記変形板と、前記集電体とが接続されている部分を取り囲む溝形状を有していることが好ましい。

前記一方の端部と前記他方の端部との距離ｃは、前記一方の端部における前記底面部の厚みａよりも大きくてもよい。

前記一方の端部における前記底面部の厚みａは、前記他方の端部における前記底面部の厚みｂの１／２以上９／１０以下であってもよい。

前記一方の端部における前記底面部の厚みａ、前記他方の端部における前記底面部の厚みｂおよび前記一方の端部と前記他方の端部との距離ｃにおいて、（ｂ－ａ）／ｃの値が０．１７以上０．５８以下であってもよい。

本発明の二次電池は、変形板の変形により破断する薄肉部が底面部と２つの側面部を有していて底面部の厚みが２つの側面部との境界部分において異なっているので電流遮断機構の作動圧のバラツキが生じることを抑制できる。

実施形態に係る電池の電池ケース正面部分と絶縁シート正面部分とを取り除いた電池内部を示す模式的な正面図である。 実施形態に係る電池の模式的な上面図である。 実施形態に係る電池の電池ケース側面（正極側）部分と絶縁シート側面（正極側）部分とを取り除いた正極側の電池内部を示す模式的な側面図である。 実施形態に係る電池の電池ケース側面（負極側）部分と絶縁シート側面（負極側）部分とを取り除いた負極側の電池内部を示す模式的な側面図である。 実施形態に係る電池を、正面と平行に上面の中心線に沿って切断した、正極端子近傍の模式的な拡大断面図である。 実施形態に係る電池を、側面と平行に正極端子の中心線に沿って切断した、正極端子近傍の模式的な拡大断面図である。 図６のＡで示した部分の拡大断面図である。 図７の円内の拡大断面図図である。 従来の薄肉部の形状の一例を示す模式的な断面図である。 図９の円内の拡大断面図図である。 従来の薄肉部の形状の別の例を示す模式的な断面図である。 他の実施形態の薄肉部の形状の一例を示す模式的な断面図である。 図１２の円内の拡大断面図図である。

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。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
最初に、実施形態１の二次電池を図１～図４を用いて説明する。本実施形態の二次電池は、正極板と負極板とがセパレータ（何れも図示省略）を介して巻回された扁平状の電極体１１０を有している。正極を構成している正極板は、アルミニウム箔からなる正極芯体の両面に正極活物質合剤を塗布し、乾燥及び圧延した後、アルミニウム箔が一方の端部に長手方向に沿って帯状に露出するようにスリットすることにより作製される。また、負極を構成している負極板は、銅箔からなる負極芯体の両面に負極活物質合剤を塗布し、乾燥及び圧延した後、銅箔が一方の端部に長手方向に沿って帯状に露出するようにスリットすることによって作製される。

そして、上述のようにして得られた正極板及び負極板を、正極板の正極芯体が露出した部分と負極板の負極芯体が露出した部分とがそれぞれ対向する電極と重ならない領域を有するようにずらして、ポリプロピレン及びポリエチレンからなる微多孔質セパレータを介して積層し巻回することで、電極体１１０が作製される。電極体１１０の巻回軸方向の一方の端部には正極芯体露出部１４１が形成され、他方の端部には負極芯体露出部１４０が形成される。

正極芯体露出部１４１は、正極集電体１０を介して外部端子である正極端子１３０に電気的に接続される。正極芯体露出部１４１の一方の外面には、正極集電体１０のリード部１４が溶接接続される。正極芯体露出部１４１の他方の外面には、正極集電体１０の受け部材１４３が溶接接続される。正極芯体露出部１４１の一方の外面と正極集電体１０のリード部１４との間には、開口を有する絶縁フィルムが配置され、絶縁フィルムの開口を通じて正極芯体露出部１４１と正極集電体１０のリード部１４とが溶接接続される。正極芯体露出部１４１の他方の外面と正極集電体１０の受け部材１４３との間には、開口を有する絶縁フィルム１４７が配置され、絶縁フィルム１４７の開口を通じて正極芯体露出部１４１と正極集電体１０の受け部材１４３とが溶接接続される。なお、正極集電体１０の受け部材１４３、絶縁フィルム１４７、及び正極芯体露出部１４１の一方の外面と正極集電体１０のリード部１４との間に配置された絶縁フィルムは必須の構成ではなく、省略することができる。

また、正極集電体１０は第１絶縁部材５０及び第２絶縁部材１５０によって封口板１２０と電気的に絶縁されている。

負極芯体露出部１４０は、負極集電体２０を介して外部端子である負極端子１３２に電気的に接続される。負極芯体露出部１４０の一方の外面には、負極集電体２０のリード部１１４が溶接接続される。負極芯体露出部１４０の他方の外面には、負極集電体２０の受け部材１４２が溶接接続される。負極芯体露出部１４０の一方の外面と負極集電体２０のリード部１１４との間には、開口を有する絶縁フィルムが配置され、絶縁フィルムの開口を通じて、負極芯体露出部１４０と負極集電体２０のリード部１１４とが溶接接続される。負極芯体露出部１４０の他方の外面と負極集電体２０の受け部材１４２との間には、開口を有する絶縁フィルム１４６が配置され、絶縁フィルム１４６の開口を通じて、負極芯体露出部１４０と負極集電体２０の受け部材１４２とが溶接接続される。なお、負極集電体２０の受け部材１４２、絶縁フィルム１４６、及び負極芯体露出部１４０の一方の外面と負極集電体２０のリード部１１４との間に配置された絶縁フィルムは必須の構成ではなく、省略することができる。

また、負極集電体２０は負極側絶縁部材５２ａによって、封口板１２０と電気的に絶縁されている。

正極端子１３０、負極端子１３２はそれぞれ端子部絶縁部材１５２、端子部絶縁部材１５４を介して封口板１２０に固定されている。本実施形態の二次電池では、正極と正極端子１３０の間に感圧式の電流遮断機構２００が設けられている。

電極体１１０は、封口板１２０側を除く周囲を樹脂製の絶縁シート１６１で覆われた状態で、有底筒状の電池ケース１００内に収納されている。電池ケース１００の開口部は封口板１２０により封口されている。封口板１２０には電解液注液孔１６３が設けられている。電解液注液孔１６３は、注液後、封止栓により密閉される。また、封口板１２０には、電流遮断機構２００の作動圧よりも高いガス圧が加わったときに開放されるガス排出弁１６２が設けられている。

次に、電流遮断機構２００について説明するが、この電流遮断機構２００は、正極側及び負極側のいずれに設けてもよい。以下では正極側にのみ設けるものとして説明する。なお、電流遮断機構２００は、通電経路の一部に設けられた脆弱部分が、当該脆弱部分近傍の部材が電池ケース１００内の圧力の上昇に伴い、変形することによって破断して通電が断たれるという機構により機能するものである。

図５、図６に示すように、正極端子１３０は内部に貫通孔が形成されている。そして、正極端子１３０は、端子部絶縁部材１５２、封口板１２０及び第２絶縁部材１５０及び導電部材３０のそれぞれに形成された貫通孔内に挿入され、正極端子１３０の電池内部側の先端部が導電部材３０に圧接されるようにカシメられて互いに一体的に固定されている。これにより、正極端子１３０は、端子部絶縁部材１５２及び第２絶縁部材１５０によって封口板１２０とは電気的に絶縁された状態で、導電部材３０と電気的に接続された状態となっている。図には示していないが、図５、図６では、図示された全構成要素の、第２絶縁部材１５０に対して封口板１２０とは反対側に、電極体が存している。なお、正極端子１３０の電池内部側の先端部と導電部材３０の接続部はレーザ溶接等により溶接接続されることが好ましい。また、正極端子１３０に形成された貫通孔は、上端に金属板１５９が設けられたゴム製の端子栓１５８によって封止されている。

第２絶縁部材１５０は、封口板１２０と導電部材３０の間に配置され、封口板１２０と導電部材３０を絶縁している。導電部材３０は、電極体１１０側に断面が略方形状の筒状部３２を有しており、封口板１２０側には封口板１２０に対して平行に配置されている接続部が形成されている。そして導電部材３０に設けられた貫通孔に正極端子１３０が挿入されている。

導電部材３０の筒状部３２の電極体１１０側の開口部分は、変形板４０によって密閉されている。導電部材３０の筒状部３２の先端部分と変形板４０の周囲とは溶接されている。変形板４０は、アルミニウム等の導電性材料で形成されている。変形板４０は、電池ケース１００内の圧力が増加して所定値以上になると、変形板４０の中央部が封口板１２０側（電池の外部側）に近づくように変形する。変形板４０の電極体１１０側の面には正極集電体１０が接続される。この正極集電体１０は、金属製であることが好ましく、アルミニウム製又はアルミニウム合金製であることが好ましい。正極集電体１０として、例えば、アルミニウム等の金属板を打ち抜きにより作製したものを使用することができる。以上より、通電経路は、電極体１１０の正極から正極集電体１０、変形板４０、導電部材３０そして正極端子１３０の順で形成されていることになる。

変形板４０の中央部以外と正極集電体１０との間に第１絶縁部材５０が配置されている。第１絶縁部材５０は、変形板４０と正極集電体１０とが接続された変形板の中央部に該当する部分に貫通孔が設けられている。第１絶縁部材５０と第２絶縁部材１５０とは係合により接続・固定されている。固定方法は特に限定されないが、ここでは第１絶縁部材５０に形成された爪部５５を用いてラッチ固定によって固定が行われている。この固定部分は第１絶縁部材５０の外周縁部分に形成されている。

正極集電体１０には、中央部に貫通孔が形成されている。そして図５に示すように、正極集電体１０の中央部の貫通孔の両側にも２つの両脇側の貫通孔がそれぞれ形成されている。また、 第１絶縁部材５０には、正極集電体１０の中央に設けられた貫通孔に相対する貫通孔が設けられ、その両側には、正極集電体１０に設けられた２つの両脇側の貫通孔に対応する位置にそれぞれ突起部が形成されている。

これらの第１絶縁部材５０の突起部をそれぞれ正極集電体１０の両脇側の貫通孔に挿入し、突起部の先端部を加熱し拡径することにより第１絶縁部材５０と正極集電体１０とが固定される。

正極集電体１０の中央部の貫通孔の周囲部分には、他の部分よりも厚さが薄くされた周辺領域１８が設けられており、周辺領域１８の外周近傍には、貫通孔を囲むように環状の薄肉部１５が形成されている。この薄肉部１５は厚みが周辺領域１８よりも薄くなるように溝状に設けられたものである。また周辺領域１８の内周縁には内周リブ部１９が設けられ、この内周リブ部１９において変形板４０とレーザ溶接されて変形板４０と正極集電体１０とが電気的に接続されている。なお、内周リブ部１９は必須の構成ではなく、内周リブ部１９を省略することができる。

本実施形態における電流遮断機構２００の動作は次の通りである。電池ケース１００内の圧力が大きくなっていき所定値以上になった時に、変形板４０は変形板４０の中央部が封口板１２０に近づくように変形する。正極集電体１０は内周リブ部１９において変形板４０と溶接されている。そして、薄肉部１５は正極集電体１０と変形板４０の溶接部分を取り囲んでいる。よって、変形板４０の前述の変形によって、薄肉部１５が全周破断して変形板４０と正極集電体１０との電気的接続が断たれ、電流が遮断される。

次に、本実施形態の薄肉部１５の形状について説明をする。図７，８に示すように正極集電体１０の厚み方向に沿って切断した断面において、薄肉部１５は凹形状であって、その凹形状の底である底面部８１と、底面部８１の一方の端部９１と薄肉部１５の一方の外縁とを繋ぐ第１の側面部８２と、他方の端部９２と薄肉部１５の他方の外縁とを繋ぐ第２の側面部８３とを有している。そして、一方の端部９１における底面部８１の厚みａが、他方の端部９２における底面部８１の厚みｂよりも小さい形状となっている。即ち、薄肉部１５の底面部８１は薄肉領域１８の封口板１２０側の面８０に対して平行ではなく傾いている。

なお薄肉部１５は周辺領域１８から窪んで厚みが薄くなっているが、薄肉部１５の外縁とは窪み始める境界部のことである。

一方従来の薄肉部については、図９，１０に示された一例及び図１１に示された別の例で説明を行う。図９，１０に示された従来の薄肉部１１５の例は底面部８４が薄肉領域１８の封口板１２０側の面８０に対して平行であって、底面部８４の一方の端部及び他方の端部における底面部８４の厚みｄが両方とも同じである。また、図１１に示された従来の薄肉部２１５の例では、断面形状がＶ字状であってフラットな底面部を有していない。

本願発明者は、薄肉部の破断のしやすさについて以下のように検討を行った。

本実施形態の薄肉部１５と従来の薄肉部１１５，２１５とに関して、有限要素法を用いて変形板４０が変形した場合の破断する状況の予測を行った。正極集電体１０の材料としてアルミニウム合金Ａｌ１００－Ｏを用いた。変形板４０に荷重を加え、その荷重を徐々に大きくしていって変形板４０を変形させていくシミュレーションを行うと、底面部を有する本実施形態の薄肉部１５及び従来の薄肉部１１５においては、底面部８１，８４のうち正極集電体１０と変形板４０との接続部分から遠い側（図８においては左側）に位置する端部９１に応力が集中していく結果となった。そして変形板４０の変形がある閾値を超えると、一方の端部９１の部分が破断に至る結果となった。一方Ｖ字状の薄肉部２１５においては、Ｖ字の先端部分に応力が集中し、その部分が破断に至る結果となった。

本実施形態の薄肉部１５の一方の端部９１における底面部８１の厚みａと、従来の薄肉部１１５の底面部８４の厚みｄと、従来の薄肉部２１５のＶ字の先端部分の厚みとを同じ厚みに設定したところ、破断に至る変形を生じさせる荷重の大きさはシミュレーションによると、Ｖ字の薄肉部２１５＞フラットな底面の薄肉部１１５＞本実施形態の薄肉部１５という順序になった。このように、Ｖ字状の薄肉部２１５よりもフラットな底面を有する薄肉部１１５の方が小さな荷重で破断する。これは、薄肉部１１５ではフラットな底面が存在することにより、変形板４０の変形に伴い、底面と側面部のなす角が大きくなるように薄肉部１１５が変形しやすいためである。これに対し、Ｖ字状の薄肉部２１５では、一対の側面部がなす角が大きくなるように薄肉部２１５が変化し難いため、Ｖ字状の薄肉部２１５では破断に要する荷重が大きくなる。また、フラットな底面を有する薄肉部１１５よりも本実施形態の薄肉部１５の方が小さな荷重で破断するのは、フラットな底面より、傾きのある底面の方が破断する側の端部により歪みが集中するためと考えられる。

このように従来の２種類の薄肉部１１５，２１５よりも本実施形態の薄肉部１５の方が、厚みが同じであってもより小さな荷重で破断に至るため、正極集電体部材の製造時及び／又は電池の組み立て時に衝撃や大きな力がかかったとしても、それによって一方の端部９１の底面部８１の厚みａが変わってしまわなければ、最終的な破断荷重が変化することはなく、それぞれの電池において破断荷重がばらつくことを避けられる。

本実施形態の薄肉部１５においては、一方の端部９１と他方の端部９２との距離ｃ（底面部８１の電極体１１０側の面に沿った距離であり、底面部８１の幅）は、一方の端部９１における底面部８１の厚みａよりも大きくなっていることが好ましい。このような関係にあると、多数の薄肉部１５を作製した場合、破断荷重のバラツキが小さくなる。

また、ａ／ｂは１／２以上９／１０以下であることが好ましい。ａ／ｂが１／２よりも小さいと、従来のＶ字の薄肉部２１５との差異がかなり小さくなってしまう。また、ａ／ｂが９／１０よりも大きいとフラットの底面を有する従来の薄肉部１１５との差異がかなり小さくなってしまう。

さらに、本実施形態の薄肉部１５においては、（ｂ－ａ）／ｃの値が０．１７以上０．５８以下であることが好ましい。０．１７よりも小さいと、フラットの底面を有する従来の薄肉部１１５との差異がかなり小さくなってしまう。また、０．５８よりも大きいと、従来のＶ字の薄肉部２１５との差異が小さくなってしまう。

なお、実際に薄肉部を形成する場合は角の部分が丸みを帯びる（角にＲを有する）。このように丸みを帯びている部分があっても、薄肉部の断面全体が円弧であったり楕円の一部のように全体が曲線であって角となる部分が認識できない場合以外、即ち角となる部分が判断できれば、本実施形態の薄肉部に該当するか否かを判断することができる。

（実施形態２）
実施形態２に係る二次電池は、実施形態１に係る二次電池と薄肉部の形状が異なっているが、それ以外の部分は実施形態１と同じであるので、実施形態１とは異なっている部分を以下に説明する。

本実施形態の薄肉部３１５は図１２，１３に示すように、一方の端部から薄肉部３１５の一方の外縁まで延びる第１の側面部８６，８７が途中で屈曲しているおり、この点が実施形態１とは異なっている。第２の側面部８８は実施形態１と同じである。屈曲している第１の側面部のうち、底面部８５に近い側の底面側側面部８６は、実施形態１の第１の側面部８２と同じ角度（薄肉領域１８の封口板１２０側の面８０に対する角度、約６０度）となっている。そして、開口側側面部８７は薄肉領域１８の封口板１２０側の面８０に対して垂直な角度となっている。

このように薄肉部３１５の第１の側面部が屈曲していても、底面部８５が存しており、底面部８５の厚みが一方の端部と他方の端部とで異なっていて、厚みが大きい方の端部が正極集電体１０と変形板の溶接部に近い側（図１２では変形板との接続部分である内周リブ部１９に近い側）に位置していれば、実施形態１で述べた効果を奏する。また、ｃ１＞ａ１であることが好ましく、ａ１／ｂ１は１／２以上９／１０以下であることが好ましく、（ｂ１－ａ１）／ｃ１の値が０．１７以上０．５８以下であることが好ましい。

（その他の実施形態）
上述の実施形態は本願発明の例示であって、本願発明はこれらの例に限定されず、これらの例に周知技術や慣用技術、公知技術を組み合わせたり、一部置き換えたりしてもよい。また当業者であれば容易に思いつく改変発明も本願発明に含まれる。

本願発明の二次電池は、非水電解質二次電池に対しても、ニッケル－水素二次電池等のアルカリ二次電池に対しても適用可能である。また、変形板は、正極集電体及び負極集電体の何れか一方に接続されていれば所定の作用効果が奏されるが、両方に接続されていてもよい。

電池ケースは、直方体形状（角形）に限定されず、有底の円筒形状であってもよい。また、導電部材の筒状部も、筒の横断面が長方形に限定されず、円形や楕円形、多角形であっても構わない。

側面部は垂直な壁であってもよい。

また、実施形態１においては、外部端子と導電部材が別部品からなる例を示したが、外部端子と導電部材を一つの部品とすることもできる。

１０ 正極集電体
１５ 薄肉部
２０ 負極集電体
３０ 導電部材
４０ 変形板
５０ 第１絶縁部材
７０ 第２絶縁部材
８１，８５ 底面部
８２，８６，８７ 第１の側面部
８３，８８ 第２の側面部
９１ 一方の端部
９２ 他方の端部
１００ 電池ケース
１１０ 電極体
１２０ 封口板
１３０ 正極端子（外部端子）
１３２ 負極端子（外部端子）
２００ 電流遮断機構
３１５ 薄肉部

Claims (5)

1. 開口を有する電池ケースと、
   前記電池ケースに収納された、正極および負極を含む電極体と、
   前記正極又は負極に電気的に接続された集電体と、
   前記開口を封口する封口板と、
   前記封口板に取り付けられた外部端子と、
   前記封口板と前記電極体との間に位置し、前記外部端子に電気的に接続され、前記電極体側に開口部分を有する導電部材と、
   前記開口部分を密閉し、導電性材料により形成されているとともに前記集電体及び前記導電部材に接続され、前記電池ケース内の圧力が所定値以上となったときに変形する変形板と
   を備え、
   通電経路は、前記電極体、前記集電体、前記変形板、前記導電部材及び外部端子の順で形成されており、
   前記集電体には、凹形状であって、前記変形板が変形した際に破断することにより前記変形板と前記集電体との電気的接続を断つ薄肉部が設けられており、
   前記集電体の厚み方向に沿って切断した断面において、前記薄肉部は前記凹形状の底である底面部と、前記底面部の一方の端部と前記薄肉部の一方の外縁とを繋ぐ第１の側面部および他方の端部と前記薄肉部の他方の外縁とを繋ぐ第２の側面部とを有しており、
   前記一方の端部における前記底面部の厚みａが、前記他方の端部における前記底面部の厚みｂよりも小さく、
   前記他方の端部は、前記一方の端部よりも前記変形板との接続部分に近い位置に設けられている、二次電池。
2. 前記薄肉部は、前記変形板と、前記集電体とが接続されている部分を取り囲む溝形状を有している、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記一方の端部と前記他方の端部との距離ｃは、前記一方の端部における前記底面部の厚みａよりも大きい、請求項１又は２に記載の二次電池。
4. 前記一方の端部における前記底面部の厚みａは、前記他方の端部における前記底面部の厚みｂの１／２以上９／１０以下である、請求項１から３のいずれか一つに記載の二次電池。
5. 前記一方の端部における前記底面部の厚みａ、前記他方の端部における前記底面部の厚みｂおよび前記一方の端部と前記他方の端部との距離ｃにおいて、（ｂ－ａ）／ｃの値が０．１７以上０．５８以下である、請求項４に記載の二次電池。
   

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