JPH10154530A

JPH10154530A - リチウム二次電池

Info

Publication number: JPH10154530A
Application number: JP8310821A
Authority: JP
Inventors: Teruhisa Kurokawa; 輝久黒川
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】【課題】電池の内部抵抗を低減し、電池使用時の温度
異常及び電流異常に対する応答性と制御性が良好であ
り、安全性と充放電特性に優れたリチウム電池を提供す
る。【解決手段】リチウム、コバルトを主成分とする複合
金属酸化物を正極活物質とし、炭素系材料を負極活物質
とするリチウム電池である。任意に設定されたある温度
において伸縮する形状記憶合金部材１１と、導電性を有
する外部端子固定板１６、支持棒１４及び通電板１０か
らなる電流遮断機構用素子３０を装着した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、安価で、安定した
放電特性が得られ、過放電や過充電による電池の温度上
昇等の異常時に瞬時に電流を遮断する安全機構を備えた
リチウム二次電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータ、ビデオ
カメラのポータブル化や携帯電話等の小型通信機が普及
するにつれて、これらの機器の電源となる電池に対して
高性能化と信頼性の向上が求められるようになってきて
いる。このような機器電源用の電池としては充放電が可
能な二次電池である、従来から知られるＮｉ−Ｃｄ電池
やＮｉ−水素電池に加え、近年では、よりエネルギー密
度の大きなリチウム二次電池が主流となりつつある。

【０００３】現在、リチウム二次電池には取り扱い者の
不注意による外部端子の短絡による過放電による発火事
故、或いは充電時の充電装置の故障や急速充電が正しく
行われなかったとによって、電池に過大電圧、過大充電
電流、逆接続電圧がかかり、電池内部の温度が上昇して
電池が破裂するといった事故を防止するために、電池温
度の上昇に対してはＰＴＣ素子により電流を制限する安
全機構が組込まれている。また、該ＰＴＣ素子の作動に
もかかわらず、電解液等の分解により電池内圧が上昇し
た場合には、電池内の金属板に設けられた破裂溝が割れ
て内圧を大気圧に開放することで、電池の破裂や発火の
防止を図っている。

【０００４】図１０は、リチウム二次電池の安全機構部
の基本構造を示している。ここで、リード線３は放圧孔
５を有する内部端子４と接続されており、該リード線３
の他端は発電部に接続される。該内部端子４は破裂溝９
を有する圧力スイッチ板７と接点Ｂにより電気的に接続
され、更に、該圧力スイッチ板７はＰＴＣ素子２１を介
して、外部端子１５に接続されている。また、該内部端
子４と該圧力スイッチ板７とは、電池の内圧上昇によっ
て接点Ｂが剥離した場合には導通がなくなるように、絶
縁体６によって隔離される構造となっており、これら全
てが電池ケース１に収納されている。

【０００５】前述したように、破裂溝９はＰＴＣ素子２
１が作動して電流が微小に制限されたにもかかわらず、
電解液の分解が起こって電池内圧が上昇した場合に、接
点Ｂが剥離して電流路が遮断され、引き続いて電池内圧
が更に上昇した場合に、破裂溝９が割れて内圧を大気圧
に開放することにより、電池の破裂を防ぐ安全機構であ
る。従って、破裂溝９が作動した場合には、電池は使用
不可能となるため、破裂溝９が作動する前に電池に起こ
った異常を解消できる安全機構が非常に重要となる。

【０００６】その安全機構の一つとしてのＰＴＣ素子２
１は、ある温度で急激に抵抗値が増大して電流を抑制す
る抵抗体素子であり、図１０において、内部端子４から
外部端子１５への導通路に配置される。リチウム二次電
池用のＰＴＣ素子としては、例えば、（株）レイケムの
Ｐｏｌｙｓｗｉｔｃｈ（登録商標）ポリスイッチ等の導
電性ポリマーを用いた加熱保護素子が、室温抵抗率が１
Ω・ｃｍ、抵抗転移温度が１００℃、抵抗変化率が１０
０００倍という特性を有し、過大電圧や過大充電電流、
逆接続電圧による電池内部の異常温度上昇時には抵抗値
が大きくなって電流を制限し、温度異常が取り除かれた
後は通常の抵抗値に復帰して電池を再使用できることか
ら、広く用いられるようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリス
イッチＰＴＣ素子の室温での抵抗率は約１Ω・ｃｍある
ことから、電池の内部抵抗が大きくなって出力損失を生
じ、放電特性を低下させて電池寿命を短くする原因とな
りかねず、特に大型電池に該ＰＴＣ素子を装着しようと
した場合には、素子の大面積化により素子内部での電流
集中が起こり易く、これにより発熱が生ずることから、
大型電池への装着が困難となっている。また、ポリスイ
ッチは一般的に高価であり、大型のものが製造されてい
ないことから、より安価で大型電池にも対応可能な低抵
抗な電流制御素子が切望されている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような従来
技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明によ
れば、リチウム（Ｌｉ）、コバルト（Ｃｏ）を主成分と
する複合金属酸化物を正極活物質とし、炭素質材料を負
極活物質とするリチウム二次電池において、任意に設定
されたある温度において伸縮する形状記憶合金からなる
部材を電流遮断機構用素子として装着した安全機構を備
えたことを特徴とするリチウム二次電池、が提供され
る。

【０００９】また、本発明のリチウム二次電池において
は、該安全機構として、リチウム二次電池の発電部に接
続する内部端子と、電気を外部に取り出す外部端子とを
有するとともに、該内部端子と該外部端子との間に形状
記憶合金からなる部材を嵌挿させ、該リチウム二次電池
の通常作動時においては両端子間を電気的に接続させ、
該リチウム二次電池の異常昇温時においては、該形状記
憶合金部材を変形させて両端子間の電気的接続を解除さ
せる、例えば、外部端子と内部端子を接続する部品とし
て棒状、コイル状、或いは板バネ状等の形状記憶合金部
材を用いることが好ましい。このような構造を採用する
ことで、形状記憶合金部材は形状記憶作用によって伸縮
することにより、電池が異常昇温によってある形状記憶
設定温度以上になった場合に、外部端子と内部端子との
導通を瞬時に遮断し、異常が解除された場合には、再び
外部端子と内部端子を短絡するために、電池の再使用が
可能となるという顕著な効果を奏するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】上述のように、本発明のリチウム
二次電池の安全機構においては、形状記憶合金部材自体
が金属であるために、抵抗率が小さく、且つ、特に大型
電池の場合にも、電流集中が起こり難いために、安定し
た電池特性が得られる。また、素子の作動が瞬時に行わ
れるので、内部端子と素子との接点部において、放電
（スパーク）が生じることがなく、スパークによる接点
部の接触抵抗の増加や電解液の分解を防止できる。以
下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する
が、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではな
い。

【００１１】図１は、本発明の一実施形態を示す断面図
であり、電池が正常に作動している状態を示している。
発電部２はリード線３によって放圧孔５を有する内部端
子４と接続されており、該内部端子４は破裂溝９を有す
る圧力スイッチ板７と接点Ｂにより電気的に接続され、
更に、該圧力スイッチ板７は放圧孔５を有する通電板８
を介して、外部端子１５に接続された電流遮断素子３０
と接点Ａにおいて導通している。該電流遮断素子３０
は、支持棒１４を中心軸として通電板１０と外部端子固
定板１６との間に形状記憶合金コイル１１が機械的に接
合（かしめ、ねじ止め等）され、更に電池の内部抵抗を
極力小さくする工夫として、通電板１０と外部端子固定
板１６との間に銅線１３が溶接された構造を有してお
り、外部端子固定板１６が外部端子１５の内面中央部に
溶接されている。但し、この銅線１３は、支持棒１４に
金属部材を使用することにより省くことも可能である。
また、内部端子４と圧力スイッチ板７の間及び通電板８
と外部端子１５の間は、それぞれ接点Ｂ及び接点Ａが剥
離した場合に絶縁するように、絶縁体６又は絶縁体１２
によって隔離される構造となっており、これら全てが電
池ケース１に収納されている。

【００１２】尚、発電部２の更に詳細な構成は図１１に
示されているように、正極５０と、負極５１と負極リー
ド５２を一体とした負極板とをセパレータ５３を介して
捲回したものを、絶縁板５４によって正極５０が電池ケ
ース１を介して導通しないように金属製の電池ケース１
に挿入し、一方、負極リード５２は電池ケース１の内面
に接続される。また、電解液は電極捲回部に充填され、
更に絶縁板５５によって負極板とリード線３とが接触し
ない構造としている。

【００１３】また、本発明におけるリチウム二次電池の
正極活物質としては、通常、コバルト酸リチウム（Ｌｉ
ＣｏＯ₂）といったリチウムとコバルトを主成分とする
複合酸化物が使用され、負極活物質には黒鉛やハードカ
ーボン等の炭素質材料が使用され、電解液としては、有
機溶媒に六フッ化リン酸リチウム電解質を溶解したもの
が主に用いられる。

【００１４】本実施形態において使用される内部端子
４、圧力スイッチ板７、通電板８、外部端子１５、通電
板１０、外部端子固定板１６等の通電性部材としては、
電気抵抗が小さく、加工が容易で安価な、銅が好適に用
いられるが、ニッケルやニッケル−銅合金等も使用可能
である。また、絶縁体６はシート状のものが好ましく、
絶縁性プラスチック等の加工が容易なものが好適に使用
されるが、耐久性の点から、形状記憶合金コイル１１の
作動温度以上の融点を有するものが好ましい。また、絶
縁体１２においては、形状記憶合金コイル１１の長さに
応じた厚みが必要であることから、軟質性の絶縁部材を
使用した場合には、電池ケース１への圧着収納の際に絶
縁部材１２が変形して各構造部材を定位置に保持するこ
とができなくなる可能性があることから、絶縁性プラス
チックを使用する場合には硬質部材が好ましく、また、
アルミナやジルコニア等の絶縁性セラミックス部材も好
適に使用することができる。

【００１５】図２は、図１に示した本発明の実施形態に
おいて、外部端子短絡による過電流や充電異常による過
充電等、何らかの理由によって電池温度が上昇し、電流
遮断素子３０が作動した状態を示す断面図である。電流
遮断素子３０が形状記憶合金コイル１１の形状記憶温度
以上となった時に、瞬時に形状記憶合金コイル１１が収
縮し、接点Ａが離れて電流が遮断される。従って、従来
のＰＴＣ素子と異なり、電流が完全に瞬時に遮断される
ことから、異常事態に迅速に対処することができるの
で、信頼性と安全性を向上させることができる。更に、
本実施形態は、電流を遮断したにも係わらず、充放電に
起因する温度上昇が急激すぎて、電流の遮断後もある一
定時間は発熱反応が継続し、電池の内圧が更に大きくな
った場合には、内蔵された破裂溝９が破裂して電池内圧
を開放する従来の安全機構を装着することが好ましい。

【００１６】図３は、電流遮断素子３１の形状記憶合金
コイル１７が、その形状記憶設定温度以上では、通常の
状態よりも延びて電流を遮断する場合の実施形態を示し
ており、図４は、図３に示した実施形態において、電流
遮断素子３１が作動した状態を示したものである。この
安全機構は、上記の図１及び図２における安全機構の場
合と同様にして作動する。但し、本実施形態において
は、図１に示した銅線１３を装着していない。これは、
電流遮断素子３１が作動し、再び通常状態に復帰する際
に、銅線１３が通電板８と形状記憶合金コイル１７との
間に挟まる等して接点Ａが良好に形成されない場合がな
いようにしたものであるが、形状記憶合金コイル１７は
金属ゆえに良導体であり、また、支持棒１４に金属部材
を使用することで実用上の問題は発生しない。

【００１７】図５は、本発明の別の実施形態を示す断面
図である。本実施形態においては、板バネ状の形状記憶
合金部材１８が、放圧孔５を有する通電板１０及び外部
端子固定板１６の間に機械的に接合（かしめ、ねじ止め
等）されて構成される電流遮断素子３２を用いており、
電流遮断素子３２は、接点Ｃを通して圧力スイッチ板７
と接触している。この場合の作動の形態は図１に示した
実施形態に準ずる。本実施形態においても、板バネ状の
形状記憶合金部材１８の断面積が一般的にはコイルの場
合よりも大きく、且つ、良導体であることから、図１に
示されるような銅線１３を設置する必要は殆どない。
尚、図１に示した実施形態に対して、形状記憶合金コイ
ル１１の伸縮方向が逆方向である形状記憶合金コイル１
７を用いた図３の実施形態があったように、本実施形態
においても、同様に、形状記憶合金板バネ１８の伸縮方
向が逆方向である実施形態が考えられることは言うまで
もない。

【００１８】図６は、形状記憶合金コイル１１とバネ性
のある金属板１９からなる電流遮断素子３３を用いた安
全機構を示した一実施形態である。バネ性のある金属板
１９は接点Ｄにおいて内部端子４と接続されており、形
状記憶合金コイル１１とバネ性のある金属板１９との接
点Ｅは、接触によって形成されており、形状記憶合金コ
イル１１が電流路を兼ねている。

【００１９】図７は、図６に示した実施形態における安
全機構が作動した状態を示している。即ち、電池内圧が
上昇した場合には、内圧によってバネ性のある金属板１
９が屈曲して接点Ｄが瞬時に離れ、電流を遮断する。こ
の状態で、異常の原因が取り除かれれば、バネ性のある
金属板１９と形状記憶合金コイル１１との接点Ｅは接続
された状態で保持され、内圧が通常状態に復帰したとき
には、形状記憶合金コイル１１の伸縮力によってバネ性
のある金属板１９の屈曲部が元の状態に戻り、接点Ｄが
再び形成されて電池の再使用が可能となる。しかし、接
点Ｄにおいて電流が遮断されたにもかかわらず、更に電
流遮断素子３３の温度上昇が継続して形状記憶合金コイ
ル１１の形状記憶温度に達した場合には、形状記憶合金
コイル１１が形状記憶作用によって更に収縮し、接点Ｅ
も離れる。これらの安全機構の作動により、異常原因が
除去され、電池内圧が通常状態に復帰した場合、又は温
度が形状記憶合金コイル１１の形状記憶温度以下となっ
た場合には、接点Ｄ及び接点Ｅが再び形成されるように
なるが、このとき、両接点が形成されなければ、電池の
再使用ができない仕組みとなっている。即ち、接点Ｄの
接触／非接触による圧力スイッチと、接点Ｅの接触／非
接触による温度スイッチの両方を備えた安全機構とする
ことで、より一層の安全性確保が図られる。また、従来
の圧力スイッチと異なり、電流が瞬時に遮断されること
から、接点Ｄにおいて放電現象（スパーク）が生じて電
解液に悪影響を与えることがない。しかし、これら２つ
の電流遮断素子の作動にもかかわらず、電池の内圧が上
昇するような異常時には、破裂溝９が破裂して内部圧力
が開放され、この場合には、電池は再使用できなくな
る。

【００２０】図８は、図１に示した実施形態と図６で示
した実施形態とを組み合わせた実施形態の断面図であ
る。本実施形態の場合には、バネ性のある金属板１９に
接するバネ２０は、図６の実施形態で示したような形状
記憶合金である必要はない。何故なら、バネ性のある金
属板１９は通電板８と直接接触しているために、バネ性
のある金属板１９とバネ２０との接点Ｆによる電流の遮
断は不要であり、バネ２０は単純に離れた接点Ｄを再形
成する機能だけを有すればよいからである。即ち、本実
施形態は、電池の温度上昇に感応して作動する電流遮断
機構と、電池の内圧上昇に感応して作動する電流遮断機
構とを装着し、安全性の確保を図っている。また、電池
本体に外部から応力が加わって変形し、内圧が上がった
状態が継続する場合等では、接点Ｄが離れて使用が不可
能となるので、不良電池を誤って使用することを回避で
きる。

【００２１】本実施形態の安全機構の作動形態は次の通
りである。先ず、充放電の異常や動作環境によって電池
温度が上昇した場合、電池本体が密閉構造であることか
ら、図９に示すように、電池の内部圧力が増加してバネ
性のある金属板１９が屈曲して接点Ｄが離れて電流を遮
断する。しかし、異常の原因が除去され、電池温度が通
常温度に下がり、電池内部圧力が通常値に復帰すると、
バネ２０による伸縮力によって接点Ｄが再形成され、通
電が可能となる。ところが、接点Ｄの剥離により、電流
を遮断したにもかかわらず、温度上昇が継続した場合に
は図９に示されるように、形状記憶合金素子３０も作動
し、接点Ａが離れる。即ち、この場合には、電池内での
電流遮断点が２箇所となるため、接点Ｄの再形成による
電池内圧の異常の解除と、接点Ａの再形成による温度異
常の解除の両方が行われなければ、電池を再使用するこ
とができない。勿論、これらの２つの安全機構の作動に
もかかわらず、電池の内圧が上昇した場合には、破裂溝
９が破裂して内部圧力が開放される従来の安全機構をも
並設する。

【００２２】以上、本発明の実施形態について詳述して
きたが、本発明はこれらの実施形態によって何ら限定を
受けるものではないことはいうまでもないところであ
る。また、本発明には上記の実施形態の他にも本発明の
趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づい
て種々の変更、修正、改良等の加え得るものであること
が理解されるべきである。

【００２３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の形状記
憶合金部材を用いた安全機構を装着したリチウム二次電
池によれば、安全機構に使用される形状記憶合金部材自
体が金属であるために、抵抗率が小さく、且つ、特に大
型電池の場合にも、電流集中が起こり難いために、安定
した電池特性が得られるという利点がある。また、バネ
性のある金属板を用いた電流遮断素子の作動が瞬時に行
われるので、内部端子と電流遮断素子との接点部におい
て、放電（スパーク）が生じることがなく、スパークに
よる接点部の接触抵抗の増大と、電解液の分解が防止さ
れて、充放電事故を防止できるという顕著な効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す断面図である。

【図２】本発明の図１に示した実施形態の絶縁作動状態
を示す断面図である。

【図３】本発明の別の実施形態を示す断面図である。

【図４】本発明の図３に示した実施形態の絶縁作動状態
を示す断面図である。

【図５】本発明の更に別の実施形態を示す断面図であ
る。

【図６】本発明の更に別の実施形態の断面図である。

【図７】本発明の図６に示した実施形態の絶縁作動状態
を示す断面図である。

【図８】本発明の更に別の実施形態のを示す断面図であ
る。

【図９】本発明の図８に示した実施形態の絶縁作動状態
を示す断面図である。

【図１０】従来のリチウム二次電池の安全機構の断面図
である。

【図１１】本発明のリチウム二次電池の発電部の構造図
である。

【符号の説明】

１…電池ケース、２…発電部、３…リード線、４…内部
端子、５…放圧孔、６…絶縁体、７…圧力スイッチ板、
８…通電板、９…破裂溝、１０…通電板、１１…形状記
憶合金コイル、１２…絶縁体、１３…銅線、１４…支持
棒、１５…外部端子、１６…外部端子固定板、１７…形
状記憶合金コイル、１８…板バネ状の形状記憶合金部材
（形状記憶合金板バネ）、１９…バネ性のある金属板、
２０…バネ、２１…ＰＴＣ素子、３０…電流遮断素子、
３１…電流遮断素子、３２…電流遮断素子、３３…電流
遮断素子、５０…正極、５１…負極、５２…負極リー
ド、５３…セパレータ、５４…絶縁板、５５…絶縁板、
Ａ…電流遮断素子（３０、３１）と通電板８との接点、
Ｂ…内部端子４と圧力スイッチ板７との接点、Ｃ…電流
遮断素子３２と圧力スイッチ板７との接点、Ｄ…内部端
子４とバネ性のある金属板１９との接点、Ｅ…形状記憶
合金コイル１１とバネ性のある金属板１９との接点、Ｆ
…バネ２０とバネ性のある金属板１９との接点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リチウム（Ｌｉ）、コバルト（Ｃｏ）を主
成分とする複合金属酸化物を正極活物質とし、炭素質材
料を負極活物質とするリチウム二次電池において、任意に設定されたある温度において伸縮する形状記憶合
金からなる部材を電流遮断機構用素子として装着した安
全機構を備えたことを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項２】該安全機構が、該リチウム二次電池の発電
部に接続する内部端子と、電気を外部に取り出す外部端
子とを有するとともに、該内部端子と該外部端子との間
に形状記憶合金からなる部材を嵌挿させ、該リチウム二
次電池の通常作動時においては両端子間を電気的に接続
させ、該リチウム二次電池の異常昇温時においては、該
形状記憶合金部材を変形させて両端子間の電気的接続を
解除させることを特徴とする請求項１記載のリチウム二
次電池。
【請求項３】該形状記憶合金部材が、棒状、コイル状又
は板バネ状に構成されていることを特徴とする請求項１
又は２記載のリチウム二次電池。