JPWO2012133775A1 - 蓄電素子 - Google Patents

Abstract

正極板（１１）と負極板（１２）とをセパレータを介して積層してなる電極体（１０）と、この電極体（１０）を収容する電池ケース（２）と、電極体（１０）において正極板（１１）および負極板（１２）の積層方向と平行する端面（１３）と電池ケース（２）における容器（３）の側壁（４）との間に配されるものであって、容器（３）を構成する材料よりも融点の高い材料により形成された保護部材（８）とを備える。異常発熱によって電極体（１０）の内部で高温のガスが発生した場合、発生したガスは、正極板（１１）および負極板（１２）の板面方向に沿って流れ、電極体（１０）の端面（１３）から放出される。このとき、電極体（１０）の端面（１３）と容器（３）の側壁（４）との間には保護部材（８）が配されているから、放出されたガスはこの保護部材（８）によって受けられ、側壁（４）には当たらない。これにより、容器（３）の溶融・破損が防止される。

Description

本発明は、蓄電素子に関する。

従来、正極板と負極板とをセパレータを介して積層してなる蓄電要素と、電解液と、蓄電要素を電解液に浸した状態で収容するケースと、外部接続端子との接続部と極板に接続される集電部材と、を備える蓄電素子としては、例えば特許文献１に記載の電池などが知られている。

特開２００５−２０９５２９号公報

（発明が解決しようとする課題）
この種の電池においては、小型化、軽量化が可能であること、コスト的に有利であること、および加工性がよいことから、ケースの材料として、アルミニウムやアルミニウム合金等が使用されることが多い。

しかし、このような比較的低融点の材料によってケースを形成する場合には、例えば、誤使用により電池が過充電状態となった場合に、異常発熱によって高温のガスが蓄電要素から放出され、その熱によってケースが溶融・破損することが懸念される。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、簡易な構成で、安全性に優れた蓄電素子を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）
本発明は、正極板と負極板とを積層してなる蓄電要素と、前記蓄電要素を収容するケースと、前記蓄電要素において前記正極板および前記負極板の積層方向と平行する端面と前記ケースとの間に配されるものであって、前記ケースを構成する材料よりも融点の高い材料により形成された保護部材とを備える蓄電素子である。

ここで、異常発熱によって蓄電要素の内部で高温のガスが発生した場合、発生したガスは、正極板および負極板の板面方向に沿って流れ、正極板および負極板において蓄電要素の外部に露出している端部、すなわち、蓄電要素において正極板および負極板の積層方向と平行する端面から蓄電要素の外部に放出される。本発明によれば、蓄電要素の端面とケースの壁部との間に保護部材が配されているから、放出されたガスはこの保護部材によって受けられる。これにより、高温のガスがケースの壁部に直接吹き付けられることを抑制し、ケースの溶融・破損を防止することができる。

本発明は以下の構成であってもよい。

前記保護部材を形成する材料としては、セラミックス材料を好ましく適用できる。
また、前記ケースを形成する材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金のような、比較的低融点の材料である場合に、本発明を好ましく適用できる。

さらに、本発明の蓄電素子は、前記蓄電要素を包装する絶縁シートを備えていてもよい。このような構成によれば、ケースの壁部と蓄電要素との間に、絶縁シートと保護部材とが介在することとなるから、ケースの溶融・破損がより確実に防止される。

また、前記蓄電要素が、前記正極板と前記負極板とを積層したものを巻回することにより形成された巻回型のものであってもよい。巻回型の蓄電要素においては、「前記正極板および前記負極板の積層方向と平行する端面」に相当する面は巻回軸方向の両端面のみである。したがって、この２つの端面と対向するように保護部材を配すればよく、簡易な構成で蓄電素子の安全性を確保できる。

加えて、前記ケースには、このケースの内部の圧力が所定値以上となったときに開弁する安全弁が設けられ、前記保護部材が、前記蓄電要素の前記端面と対向する面に、前記ケースにおいて前記安全弁が設けられている側に対応する側の端部が開放された通路が形成されたものであってもよい。

このような構成によれば、蓄電素子の端面から放出されたガスは、この通路に導かれて、安全弁が設けられている側に速やかに流れ、安全弁から外部へ放出される。これにより、放出されたガスが、ケースの内部において蓄電要素の端面近傍に滞留する時間を少なくできるから、ケースの溶融・破損をより確実に防止することができる。

（発明の効果）
本発明によれば、簡易な構成で、安全性に優れた蓄電素子を提供できる。

図１は、実施形態１における電池の分解斜視図である。 図２は、実施形態２における電池の分解斜視図である。 図３は、実施形態３における電池の分解斜視図である。 図４は、変形例１における電池の分解斜視図である。 図５は、変形例２において、リブを設けた保護部材の斜視図である。 図６は、変形例３において、リブを設けた保護部材の一例を示す斜視図である。 図７は、変形例３において、リブを設けた保護部材の他の例を示す斜視図である。

＜実施形態１＞
実施形態１を、図１を参照しつつ説明する。

［電池の基本構成］
本実施形態の電池１（蓄電素子に該当）は、所定の容積を有する電池ケース２（ケースに該当）と、この電池ケース２内に電解液とともに収容される電極体１０（蓄電要素に該当）とを備える。

電池ケース２は、角型に形成されて上面側が開放された容器３と、板状に形成されて、容器３の開口部を封止する蓋体５とを備えている。容器３および蓋体５の材料としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金が好適に用いられる。蓋体５は、容器３の開口部に対し、溶着、圧着、接着剤による接着等の方法で固着される。

この電池ケース２の内部に収容される電極体１０は、正極板１１と負極板１２との間にセパレータを挟んで重ね合わせたものを巻回して長円筒形状としたものである。この電極体１０は、その巻回軸方向を水平方向（蓋体５の板面と平行方向）に向けて容器３の内部に収容されている。

正極板１１、負極板１２には、詳細に図示しないが、それぞれ集電体の一端部が接続され、集電体の他端部は、蓋体５に固定された出力端子６Ａ、６Ｂに電気的に接続されている。

また、蓋体５には、電池１内部の圧力が所定値以上となったときに開弁してガス等を電池１の外部へ放出する安全弁７が設けられている。

［保護部材］
この電池１の内部には、異常発熱によって高温のガスが電極体１０から放出された場合に、容器３の溶融・破損を防止するための保護部材８が配されている。

保護部材８は、板状に形成されたものであって、電極体１０において正極板１１および負極板１２の積層方向に対して平行する一対の端面１３、１３と、容器３においてこの端面１３、１３と対向する一対の側壁４、４との間に挿入されている。本実施形態においては、電極体１０は巻回型のものであるから、正極板１１および負極板１２の積層方向とは電極体１０の径方向であり、これと平行する端面１３、１３とは電極体１０の軸方向の両端面である。

保護部材８は、容器３の側壁４、４とほぼ同じ大きさに形成され、電極体１０の端面１３、１３の全面を覆うことの可能な大きさとされている。

この保護部材８を構成する材料としては、容器３を構成する材料よりも融点が高いものであることを要し、かつ、容器３を構成する材料よりも熱伝導性が低いものであることが好ましい。また、電極体１０の端面１３、１３に露出する正極板１１、負極板１２と容器３との間の絶縁を図り、正極板１１と負極板１２との間の短絡を回避するため、絶縁性の材料であることを要する。さらに、電解質の成分によって腐食されない材料であることが好ましい。具体的には、シリカ、アルミナ等のセラミックス材料、ガラスクロス、不織布を基材としてセラミックスのスラリーを塗布し固めたもの等を好適に使用することができ、特に、セラミックスを好適に使用できる。

保護部材８の好ましい厚さは、使用する材料の種類等によっても異なり一概に限定できないが、例えば使用する材料がセラミックスである場合、０．５ｍｍ以上であれば、容器３の溶融、破損を充分に防止することができる。また、保護部材８があまり厚くなりすぎると、容器３の内部において電極体１０や電解液を収容するためのスペースが小さくなり、電池容量が小さくなってしまうため、保護部材８の厚さは２ｍｍ以下とすることが好ましい。

［保護部材による電池ケースの溶融・破損防止効果］
誤使用等により電池が過充電状態となった場合には、異常発熱によって、電極体１０の内部で高温のガスが発生することがある。発生したガスは、正極板１１および負極板１２の板面方向に沿って流れ、両端面１３、１３から容器３の側壁４、４に向かって噴出される。このとき、電極体の両端面１３、１３と容器３の側壁４、４との間には保護部材８、８が配されているから、噴出されたガスはこの保護部材８、８によって受けられる。これにより、高温のガスが容器３の側壁４、４に直接吹き付けられることを抑制し、容器３の溶融・破損を防止することができる。

保護部材８、８によって受けられたガスは、この保護部材８、８の表面を伝って上方へ導かれ、蓋体５に設けられた安全弁７から外部へ放出される。

［まとめ］
以上のように本実施形態の電池１は、正極板１１と負極板１２とをセパレータを介して積層してなる電極体１０と、この電極体１０を収容する電池ケース２と、電極体１０において正極板１１および負極板１２の積層方向と平行する端面１３と電池ケース２における容器３の側壁４との間に配されるものであって、電池ケース２を構成する材料よりも融点の高い材料により形成された保護部材８とを備える。

ここで、異常発熱によって電極体１０の内部で高温のガスが発生した場合、発生したガスは、正極板１１および負極板１２の板面方向に沿って流れ、電極体１０の端面１３から放出される。このとき、電極体１０の端面１３と容器３の側壁４との間には保護部材８が配されているから、放出されたガスはこの保護部材８によって受けられる。これにより、高温のガスが容器３の側壁４、４に直接吹き付けられることを抑制し、電池ケース２の溶融・破損を防止することができる。

特に電池ケース２を形成する材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金のような、比較的低融点の材料である場合に、保護部材８を設けておくことが、容器３の溶融・破損の防止のために効果的である。

また、本実施形態においては、電極体１０が、正極板１１と負極板１２とをセパレータを介して積層したものを巻回することにより形成された巻回型のものである。このような巻回型の電極体１０においては、ガスが噴出する端面１３は、電極体１０の軸方向の両端面のみである。したがって、この２つの端面と対向するように保護部材８を配すればよく、簡易な構成で電池１の安全性を確保できる。

＜実施形態２＞
実施形態２を、図２を参照しつつ説明する。なお、本実施形態において、実施形態１と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の電池２０は、実施形態１と同様に、電池ケース２と、この電池ケース２内に電解液とともに収容される電極体１０とを備える。

本実施形態の電極体１０は、樹脂性の絶縁シート２１によって包装されている。この絶縁シート２１は、主として電池ケース２と電極体１０との間を絶縁するために用いられるものであるが、ある程度の耐熱性を有する材料により形成されることが好ましい。具体的には、ポリイミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等を好適に使用することができる。

容器３の内部には、保護部材８が配されている。この保護部材８は、絶縁シート２１の外側であって、電極体１０において正極板１１および負極板１２の積層方向に対して平行する一対の端面１３、１３と対向する一対の側壁４、４の内側に挿入されている。これにより、電極体１０の一対の端面１３、１３と、これと対向する一対の側壁４、４との間には、絶縁シート２１および保護部材８が介在することとなる。

本実施形態においても、異常発熱によって、電極体１０の内部で高温のガスが発生した場合には、発生したガスは、正極板１１および負極板１２の板面方向に沿って流れ、端面１３から容器３の側壁４に向かって噴出される。このとき、電極体１０の端面１３と容器３の側壁４との間には絶縁シート２１および保護部材８が介在しているから、噴出されたガスはこれらの絶縁シート２１および保護部材８によって受けられる。これにより、高温のガスが容器３の側壁４、４に直接吹き付けられることを抑制し、電池ケース２の溶融・破損を防止することができる。

なお、本実施形態においては、電極体１０と保護部材８との間に絶縁シート２１が介在しているから、保護部材８が必ずしも絶縁性材料によって形成されていることを要しない。しかし、保護部材８が絶縁性材料によって形成されていれば、仮に噴出したガスの熱によって絶縁シート２１が破れてしまった場合であっても、電極体１０と容器３との間の絶縁を確保し、正極板１１と負極板１２との短絡を回避することができるから、好ましい。

＜実施形態３＞
実施形態３を、図３を参照しつつ説明する。なお、本実施形態において、実施形態１と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電池３０は、実施形態１と同様に、電池ケース２と、この電池ケース２内に電解液とともに収容される電極体１０とを備える。加えて、電極体１０は、樹脂性の絶縁シート２１によって包装されている。絶縁シート２１の構成は、実施形態２と同様である。

本実施形態においては、保護部材８は、絶縁シート２１の内側に、電極体１０において正極板１１および負極板１２の積層方向に対して平行する一対の端面１３、１３を覆うように配されている。これにより、電極体１０の一対の端面１３、１３と、これと対向する一対の側壁４、４との間には、絶縁シート２１および保護部材８が介在することとなる。

本実施形態においても、異常発熱によって、電極体１０の内部で高温のガスが発生した場合には、発生したガスは、正極板１１および負極板１２の板面方向に沿って流れ、端面１３から容器３の側壁４に向かって噴出される。このとき、電極体１０の端面１３と容器３の側壁４との間には、絶縁シート２１および保護部材８が介在しているから、噴出されたガスはこれらの絶縁シート２１および保護部材８によって受けられる。これにより、高温のガスが容器３の側壁４、４に直接吹き付けられることを抑制し、電池ケース２の溶融・破損を防止することができる。

＜変形例１＞
図４に示す電池４０のように、保護部材８が容器３における側壁４、４の内側面に貼り付けられていてもよい。このような構成によれば、容器３の内部で保護部材８が固定されるから、容器３の内部での保護部材８のがたつきがない。また、組み立て時の作業性が向上する。

＜変形例２＞
図５に示す保護部材５０のように、その板面全体に、補強のための格子状のリブ５１が設けられていてもよい。

＜変形例３＞
図６に示す保護部材５２においては、電極体１０の端面１３と対向する側の面に、両側縁および下側縁から端面１３側に突出するリブ５３、５４が設けられている。リブ５３をこのような形状とすることにより、このリブ５３に囲まれた領域が、縦方向に延び、上側に開放された通路５５となる。

このような保護部材５２を上記実施形態と同様の電池に適用した場合、異常発熱によって、電極体１０の内部で高温のガスが発生した場合には、発生したガスは、正極板１１および負極板１２の板面方向に沿って流れ、端面１３から容器３の側壁４に向かって噴出される。このとき、上記と同様に噴出されたガスは保護部材５２によって受けられ、容器３の溶融・破損が防止される。加えて、保護部材５２において端面１３と対向する側の面に、縦方向に延びるとともに、上側（電池ケース２において安全弁７が設けられた側）に開放された通路５５が形成されているから、噴出したガスはこの通路５５に導かれて上方へ速やかに流れ、蓋体５（電池ケース２の天井壁）に設けられた安全弁７から外部へ放出される。これにより、噴出したガスが、容器３において電極体１０の端面１３近傍に滞留する時間を少なくできるから、容器３の溶融・破損をより確実に防止することができる。

なお、図７に示す保護部材５６のように、両側縁のリブ５３の間に、このリブ５３と平行方向に延びるリブ５７を形成することによって、通路５８が複数に分割されていてもよい。図７では、両側縁のリブ５３の間に、縦方向に延びるリブ５７が１本形成され、通路５８が２本に分割された例を示したが、両側縁のリブ５３の間に、縦方向に延びるリブが２本以上形成され、通路が３本以上に分割されていても構わない。

＜検証実験＞
本電池について、その技術的効果を検証するための実験を行なった。
（１）検証条件
実施形態１と同様の構成を有する電池を作成した。また、比較例として、保護部材を設けない他は実施形態１と同様の構成を有するに電池を作成した。これらの電池について、過充電を行い、過熱状態を作り出して、その変化を検証した。

（２）検証結果
数１０分後、保護部材を設けた電池においては、比較的低温のガスが安全弁から放出されることが確認された。一方、保護部材を設けていない電池においては、容器短側面の一部が高温となり、その後その一部が溶融し、高温ガスが吹き出していることが確認された。

以上のように、保護部材を設けることにより、電極体の内部から高温ガスが放出された場合においても、容器の破損を未然に防止し、安全性の高い連続使用ができる電池を提供することが可能となった。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
１）上記実施形態では、保護部材８は、電極体１０の端面１３の全面を覆うことの可能な大きさとされていたが、保護部材は、端面の一部を覆う大きさとされていてもよい。

２）上記実施形態では、電極体１０がその巻回軸方向を横方向（蓋体５の板面と平行方向）に向けて容器３に収容されていたが、電極体はその巻回軸を縦方向（蓋体の板面方向と平行方向）に向けて容器に収容されていてもよい。

３）上記実施形態では、電極体１０は巻回型のものであったが、電極体は、複数の正極板および負極板を、セパレータを介して積層した積層型のものであってもよい。この場合、正極板および負極板の積層方向とは、積層されている正極板、負極板の板面方向と直交する方向であり、これと平行する端面とは、板面方向の表裏面を除く４面である。

４）上記実施形態２および実施形態３では、電極体１０が絶縁シート２１により包装され、この絶縁シート２１の内側または外側に保護部材８が配されていたが、電極体の端面に対向する位置に配される保護部材と、この端面を除く面を覆う絶縁シートとが一体化された包装部材によって電極体が包装されていても構わない。

５）上記実施形態では、蓄電素子が電池である例を示したが、蓄電素子は、例えば電気化学現象を伴うキャパシタであってもよい。

１...電池（蓄電素子）
２...電池ケース（ケース）
７...安全弁
８...保護部材
１０...電極体（蓄電要素）
１１...正極板
１２...負極板
１３...端面
２１...絶縁シート
５５、５８...通路

Claims (7)

1. 正極板と負極板とを積層してなる蓄電要素と、
   前記蓄電要素を収容するケースと、
   前記蓄電要素において前記正極板および前記負極板の積層方向と平行する端面と前記ケースとの間に配されるものであって、前記ケースを構成する材料よりも融点の高い材料により形成された保護部材とを備える蓄電素子。
2. 前記保護部材を形成する材料がセラミックス材料である、請求項１記載の蓄電素子。
3. 前記ケースを形成する材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１または請求項２に記載の蓄電素子。
4. 前記蓄電要素を包装する絶縁シートを備える、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の蓄電素子。
5. 前記蓄電要素が、前記正極板と前記負極板とを積層したものを巻回することにより形成された巻回型のものである、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の蓄電素子。
6. 前記保護部材が、前記蓄電要素における巻回軸方向の両端面のうち少なくとも一方の端面と前記ケースとの間に配されている、請求項５に記載の蓄電素子。
7. 前記ケースには、このケースの内部の圧力が所定値以上となったときに開弁する安全弁が設けられ、
   前記保護部材には、前記蓄電要素の前記端面と対向する面に、前記ケースにおいて前記安全弁が設けられている側に対応する側の端部が開放された通路が形成されている、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の蓄電素子。

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