JP2007227283A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】封口板の排気面積が大きくなってもそれに対応した溶接面積で的確に電流遮断の機能が働く密閉型電池を提供する。
【解決手段】封口板は、ガス通気孔を有する有底皿形状の金属ケースの内部、または上部に、リング状の絶縁ガスケットと、中央部に凸部を持つ金属箔と、前記金属箔の上面部に端子を兼ねた金属キャップにより構成され、前記金属箔は、刻印部を有しており、さらに前記金属箔は、前記絶縁ガスケットにより互いに絶縁されている前記金属ケースまたは他金属箔と、前記凸部で電気的導通を確保するために、前記凸部に溶接部があり、前記溶接部または前記刻印部の破断により電気的遮断の機能を有し、前記溶接部の溶接を複数のスポット溶接により構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は密閉型電池、特にリチウム二次電池など高エネルギー密度を有する電池に用いられる密閉型電池に関するものである。

近年では、電子機器のポータブル化やコードレス化が進展して定着するに従って、駆動用電源となる二次電池の高エネルギー密度化や小型軽量化の要望が、ますます強くなっている。このような要望に応える電池として、小型・軽量でありながら急速充電が可能で、高エネルギー密度を有するという極めて顕著な特徴を有するリチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池が、開発され主流になっている。

この非水電解液二次電池は、リチウム含有遷移金属化合物を正極活物質とする正極と、炭素材料を負極活物質とする負極とをセパレータを介して絶縁した状態で捲回してなる極板群、非水電解液を電池ケースに収納した電池である。

しかしながら、電子機器の高機能化等に伴う消費電力の増加に伴い、さらなる高容量化、高エネルギー密度化、長寿命化が強く要望されており、容量に寄与しないセパレータや集電体を薄くし、極板の充填密度を上げているため正負極間の距離が狭くなり、電池内の空間体積も減少している。また、電子機器の小型化に伴い各構成要素が高密度で実装されていることから、発熱が大きく電池が使用される使用環境は６０℃を超える過酷な条件になる場合がある。

このような現状において、充電器の故障や充電制御不能により、過充電状態に陥った場合でも電池の安全性を確保できることが重要になっている。

過充電状態に陥った場合の電池の安全性を確保する方法として、電池内圧が所定の値を超えると、電流遮断機構を作動させる防爆型密閉電池が知られており、過充電状態が進んで電池内部の化学変化によりガスが発生・充満しそのガスの充満により電池内圧が上昇し、所定の値に達すると、電流遮断機構が作動し充電電流を遮断する。これにより、電池内部の異常反応の進行を停止させ、急激な電池温度の上昇を防ぎ、安全性を確保するものである。

安全機構を有する封口板は、一般的に、ガス通気孔のある有底皿形状の金属ケースの内部もしくは上部にリング状の絶縁性ガスケットをはさんで金属箔が重ねられている。その金属箔は中央部分が凸状になっており、金属箔は金属箔と絶縁ガスケットで絶縁された有底皿形状の金属ケースもしくは別の金属箔と凸状部で溶接により電気的に接続されている。金属箔の周縁部の上面には、外部端子を兼ねた金属キャップが載置された構造をしている。電流遮断機構は、電池内圧が上昇した際に金属ケースのガス通気孔を通して金属箔が電池内圧を受けて膨らむ。金属箔にはリング状に刻印部があり、電池内圧が所定の値に達すると刻印部を全周引きちぎるように破断させ、電流を遮断する。（例えば特許文献１参照）
この他には、金属箔の溶接部を破断させて電流を遮断するものもある。（例えば特許文献２参照）
また、温度上昇で電流遮断をさせるために金属箔と金属キャップとの間に温度上昇に伴い抵抗値が上昇するＰｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｎｅｔ（以下ＰＴＣという）素子を積層させている封口板もある。（例えば特許文献３参照）
特開平１０−０２１８９２号公報 特開平０９−１９９１０５号公報 特開平０６−２１５７４７号公報

電池の電気的容量の増加や、電池径の増大に伴い封口板の排気面積の拡大が必要となる。前記封口板遮断機構において、排気面積が大きくなると内圧上昇時に金属箔が圧力を受ける面積が広がるため、刻印部破断遮断機構では金属箔の伸びる面積が大きくなり刻印部の破断が困難になり、溶接部破断遮断機構では低い圧力でも溶接部が破断しやすくなり、どちらも電流遮断の作動が困難となる。

そこで、本発明はこのような従来の課題を解決するもので、封口板の排気孔面積が拡大しても、的確な電流遮断機構を有し、安全性に優れた密閉型電池を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明の密閉型電池は、発電要素を収納した電池ケースの開口部を封口板により密閉してなる密閉型電池であり、前記封口板は、ガス通気孔を有する有底皿形状の金属ケースの内部、または上部に、リング状の絶縁ガスケットと、中央部に凸部を持つ金属箔と、前記金属箔の上面部に端子を兼ねた金属キャップにより構成され、前記金属箔は、刻印部を有しており、さらに前記金属箔は、前記絶縁ガスケットにより互いに絶縁されている前記金属ケースまたは他金属箔と、前記凸部で電気的導通を確保するために、前記凸部にスポット溶接による溶接部があり、前記溶接部または前記刻印部の破断により電気的遮断の機能を有する密閉型電池であって、前記溶接部は、複数のスポット溶接により構成されているものである。

本構成では、リング状の絶縁ガスケットがあるので、凸部にある溶接部のみで、前記金属ケースまたは、もう一枚の金属箔と溶接により電気的導通が確保されている。

本構成においては、複数のスポット溶接にすることで、電流遮断機構に必要な金属箔溶接径を封口板の排気面積に応じて容易に得ることができる。特に電池径や電池容量の増大に伴う封口板排気面積の増大に対応可能である。特に、１点のスポット溶接で、大きな溶接径を得ようとすると、溶接部における温度分布の均一化や、金属箔の厚みが溶接径の大きさにあわせて厚くなり、封口板の狙いの条件が狭まるなど困難な課題が多く出現する。このような課題に対して、複数のスポット溶接であれば、１点の溶接において、溶接部温度分布が安定しやすく、溶接する金属箔の厚みにあわせた溶接条件で複数点溶接するので、封口板の排気面積に応じて必要な溶接径を確保しつつ、安定して溶接を行うことが出来る。

金属箔の刻印部を破断させる電流遮断機構では、電池内圧により金属箔が膨らみ、圧力を受けている面が伸びて刻印部が破断するが、排気面積が大きい封口板になると、圧力を受ける面が大きくなり、圧力上昇時に金属箔をより大きく膨らませなければ刻印部の破断をさせることが困難となる。封口板で金属箔の膨らませるスペースは限られているので、そのような場合でも刻印部を破断させるためには、圧力上昇で金属箔が伸びる面積を小さくすればよい。そこで、中央の溶接部の溶接径を複数のスポット溶接で広げ、固定された面積を広げることで、圧力上昇で金属箔の伸びる面積が小さくでき、刻印部の破断が容易になり所定の内圧で電流を遮断することができる。

金属箔中央溶接部の破断による電流遮断機構では、電池内圧により金属箔が膨らみ、溶接部を引き離す力が働き溶接部が破断するが、排気面積が大きい封口板になると、圧力を
受ける面が大きくなり、低い圧力でも容易に破断してしまい、高温などの保存性が悪くなる。そこで圧力を受ける面積に応じて溶接部の強度を確保すればよいので、中央の溶接部の溶接径を複数のスポット溶接で必要な大きさを確保することで、容易に溶接部が破断することがなくなり、所定の内圧で電流を確実遮断することができる。

さらに、前記刻印部の最小外接円の直径を刻印径とし、前記溶接部全体の溶接径が、前記刻印径以下の大きさとなるように構成され、前記刻印部の破断により電気的遮断の機能を有するように構成されていることが好ましい。

本構成では、さらに確実に所定の内圧で電流を遮断することができる。

また、前記金属箔と前記金属キャップの間にリング状の金属板、もしくは温度上昇に伴い抵抗値が上昇するＰＴＣ素子を積層するのが、好ましい。

本構成により、前記凸部をもつ金属箔の安定的な作動が図れる。

本発明によれば、電池径や電池容量の増大に伴う封口板排気面積が増大する場合において、電流遮断に必要な溶接部溶接径を容易に得ることができ、確実に所定の内圧で電流を遮断することができる。

以下、本発明の実施形態について、図を用いてさらに、詳細に説明する。

本発明の密閉電池は、封口板に、特徴があり、金属箔の凸部にある溶接部の溶接がスポット溶接で、複数のスポット溶接により構成されたものである。

図１に本実施の形態に関する密閉型電池用防爆封口板の一例の概略断面図を示す。

図１において、密閉型電池用防爆封口板は上部金属箔１に対接された下部金属箔２、両金属箔１、２の各々の周縁部の間に介在されたリング状の絶縁ガスケット３、上部金属箔１の上面に載置されたＰＴＣ４、ＰＴＣ４の上面に載置された金属キャップ５、各部材を挿入させて保持するガス通気孔を有する有底皿形状の金属ケース６にて構成されている。また、上部金属箔１には凹状の膨らみ部、下部金属箔２には凸状の膨らみ部が設けられ、両膨らみ部は絶縁ガスケット３の内径３ａを介して接触するようになっており、この接触面７は溶接部7ａで溶接されている。上部金属箔１および下部金属箔２はそれぞれリング状の刻印部１ａおよび２ａが設けられている。

本構成における刻印部の形状は、リング状が好ましいが、Ｃ字状でもかまわない。

図２および図３は溶接部全体の溶接径の概念を示している。図２または図３に示しているように、複数のスポット溶接部８を囲む円の内で面積が最小のもの、つまり、任意の溶接部形状の最小外接円９の直径を溶接径とする。

図１で示した実施の形態は、絶縁ガスケット３、金属箔１、２、金属キャップ５が金属ケース６の内部にある例である。

絶縁ガスケット、金属箔、金属キャップが金属ケースの内部にあるものには、図１で示したもの以外にも、例えば図４のように金属ケース６内で絶縁ガスケット３、金属箔１０、金属キャップ５など全ての部品が金属ケース６内に配置され、金属ケース６を内側へか
しめをされて密閉された封口板の構成が含まれている。

それに対し、絶縁ガスケット、金属箔、金属キャップが金属ケースの上部にあるものには、例えば図５のように、絶縁ガスケット３、金属箔１０、金属キャップ５など全ての部品が、金属ケース６内に配置されるというよりは、金属ケース６の上部に配置され、これらの集合体を、電池ケースを内側へかしめることにより密閉された封口板の構成が含まれている。

また、本発明にはこれら実施の形態の中間の状態の形態も含まれる。

以下、本発明について、具体例を用いてさらに説明する。

絶縁ガスケット３のリング内径に対する溶接部7ａの溶接径の検討を行った。スポット溶接にはすべて1点の溶接径がφ１ｍｍとなるレーザ溶接を用いて行った。実施例では溶接部溶接径が図３に示すような３点のスポット溶接で溶接径がφ２．１５ｍｍとなり、ガスケット内径がφ１２ｍｍで、金属箔１、２の厚みがそれぞれ０．１５ｍｍで封口板を作成した。

以上のように作成した実施例の封口板、１００個で電流遮断試験を行った。試験方法は、ガス通気孔を有する有底皿形状の金属ケースの下方から窒素ガスを２９．４ｋPａ／ｓで加圧する。金属ケースの底部外周をガスが漏れないようにパッキンし、ガス通気孔を通して、下部金属箔の下方からのみ圧力が加えられる状態にし、試験を行った。試験の結果、適切に電流遮断が行われない封口板の発生率を調べた。

試験の結果、実施例の封口板において、全数適切に電流遮断機構が作動し、また、溶接部７ａを複数のスポット溶接で必要な溶接径を得ることが有効なことを示した。

本発明の密閉型電池は、高容量化や大型化においても優れた防爆安全性を有する密閉型電池であり、ポータブル用電源等から高出力分野において有用である。

本発明の一実施の形態の密閉型電池用防爆封口板の概略断面図 溶接部溶接径を説明するための一例の説明図 溶接部溶接径を説明するためのその他の例の説明図 本発明の第２の実施の形態の密閉型電池用防爆封口板の概略断面図 本発明の第３の実施の形態の密閉型電池用防爆封口板の概略断面図

符号の説明

１ 上部金属箔
１ａ 上部金属箔刻印部
２ 下部金属箔
２ａ 下部金属箔刻印部
３ 絶縁ガスケット
３ａ 絶縁ガスケット内径
４ ＰＴＣ
５ 金属キャップ
６ 金属ケース
７ 上部金属箔と下部金属箔の接触面
７ａ 溶接部
８ スポット溶接部
９ 最小外接円
１０ 金属箔
１０ａ 金属箔刻印部
１１ 金属箔

Claims (3)

1. 発電要素を収納した電池ケースの開口部を封口板により密閉してなる密閉型電池であり、
   前記封口板は、ガス通気孔を有する有底皿形状の金属ケースの内部、または上部に、リング状の絶縁ガスケットと、中央部に凸部を持つ金属箔と、前記金属箔の上面部に端子を兼ねた金属キャップにより構成され、
   前記金属箔は、刻印部を有しており、さらに前記金属箔は、前記絶縁ガスケットにより互いに絶縁されている前記金属ケースまたは他金属箔と、前記凸部で電気的導通を確保するために、前記凸部にスポット溶接による溶接部があり、前記溶接部または前記刻印部の破断により電気的遮断の機能を有する密閉型電池であって、
   前記溶接部は、複数のスポット溶接により構成されている密閉型電池。
2. 前記刻印部の最小外接円の直径を刻印径とし、前記溶接部全体の最小外接円の直径を溶接径としたとき、前記溶接部全体の溶接径が、前記刻印径以下の大きさとなるように構成され、前記刻印部の破断により電気的遮断の機能を有する請求項１記載の密閉型電池。
3. 前記金属箔と前記金属キャップの間にリング状の金属板または温度上昇に伴い抵抗値が上昇するＰｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｎｅｔ素子を積層した構成の請求項１または２記載の密閉型電池。