JP6778393B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

本発明は、密閉されたケース内に電極体と電解液とが収容された密閉型電池に関し、詳しくは、ケース内圧が上昇した際に開放されるガス排出弁を備えた密閉型電池に関する。

近年、リチウムイオン二次電池などの二次電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用の高出力電源として好ましく用いられている。かかる二次電池は、例えば、密閉されたケース内に、発電要素である電極体と電解液とが収容された、いわゆる密閉型電池の構造を有している。

一般に、かかる密閉型電池のケースには、過充電等によりケース内のガス圧（内圧）が過剰に上昇した場合に該内圧を開放するための内圧開放機構が設けられている。かかる内圧開放機構の具体的な一例として、特許文献１に記載されているようなガス排出弁（開裂弁）が挙げられる。当該特許文献１におけるガス排出弁は、開裂圧力が所定の圧力に調整されたニッケル箔等の金属箔から構成されており、ケース（電池缶）内の圧力が上昇した際に当該ガス排出弁を開裂（開放）させることによってケース内のガスを排出して内圧を低下させるように構成されている。

特開平１１−１８５８２０号公報

しかしながら、上記した構造の密閉型電池では、ガス排出弁を開放してケース内部からガスを排出させる際に、当該ガスの排出に伴って電解液の飛沫がガス排出弁から噴出することがあった。このような場合、噴出した電解液の飛沫が広範囲に拡散してケースに付着することによってケースを劣化（腐食）させる虞がある。また、一般的な密閉型電池では、当該電池と外部機器とを接続するための電極端子がケース外に設けられており、電解液の飛沫が外部接続用の電極端子に付着すると外部短絡を生じさせる虞がある。

本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス排出弁が開放された際に、当該ガス排出弁から噴出した電解液の飛沫が広範囲に拡散することを抑制し、ケースの劣化や外部短絡の発生を適切に防止することができる密閉型電池を提供することを目的とする。

上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の密閉型電池が提供される。

ここで開示される密閉型電池は、正極および負極を備えた電極体と電解液とが角型のケース内に収容されており、該ケースが密閉されている。
かかる密閉型電池では、角型のケースの外面のうちの何れかの面に、ケース内部に向かって窪んだ凹部が形成されており、該凹部の内壁のうち少なくとも一面にケースの外方に向けて開口する開口部が設けられているとともに、凹部の底面にケースの内圧が所定レベル以上に上昇した場合に開放されるガス排出弁が形成されている。

ここで開示される密閉型電池では、ケース内部に向かって窪んだ凹部がケースの外面に形成されており、当該凹部の底面にガス排出弁が設けられている。そして、かかる凹部の内壁のうち少なくとも一面にケースの外方に向けて開口した開口部が設けられている。
かかる構造の密閉型電池によれば、ケース内圧の上昇によってガス排出弁が開放された際に、当該ガス排出弁から噴出した電解液の飛沫が広範囲に拡散することを凹部の内壁によって抑制することができるとともに、ケース外方に向けて開口した開口部から当該電解液の飛沫を排出することができる。このため、ガス排出弁から噴出した電解液によってケースが劣化したり、外部短絡が生じたりすることを適切に防止することができる。

本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の断面構造を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池のガス排出弁近傍を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば電極体の作製方法や当該電極体に使用される各種の材料）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

なお、以下では、ここで開示される密閉型電池の一実施形態としてリチウムイオン二次電池を説明するが、かかる説明は本発明の適用対象を限定する意図ではない。すなわち、ここで開示される密閉型電池は、リチウムイオン二次電池以外の密閉型電池（例えばニッケル水素電池など）であってもよい。

図１は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の断面構造を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０は、正極３２および負極３４を備えた電極体３０と電解液（図示省略）とが角型のケース２０に収容され、該ケース２０が密閉されることによって構成されている。

（１）ケース
本実施形態におけるケース２０は扁平な角型の容器である。かかるケース２０は、一面が開口した箱形のケース本体２１と、該ケース本体２１の開口部を塞ぐ封口板２２とを備えている。
ケース２０（ケース本体２１および封口板２２）の材質は、従来の密閉型電池で使用されるものと同じであればよく、強度を考慮して適切な材質を適宜選択することができる。かかるケース２０の材質としては、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等が挙げられる。

また、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０は、いわゆる薄型セルと称される構造を有している。かかる薄型セル構造のリチウムイオン二次電池１０では、厚みが薄いケース２０の内部に電極体３０を容易に収容するために、該電極体３０を収容するための開口部がケース本体２１の扁平面（すなわち、扁平な角型のケース２０を構成する各面のうち最も面積が広い面）に設けられている。そして、かかる薄型セルでは、ケース本体２１の扁平面（ケース２０の上面２０ａ）と電極体３０の扁平面３０ａとが対向するように、電極体３０がケース２０内部に収容される。
なお、かかる薄型セルのケース２０の具体的な厚み（電極体３０の積層方向Ｘにおける寸法）は０．５ｍｍ〜１５ｍｍ程度に設定される。

また、図示は省略するが、ケース２０の上面２０ａには、リチウムイオン二次電池１０と外部機器とを接続ための電極端子（正極端子および負極端子）が設けられており、それぞれの電極端子が、ケース２０内部に収容された電極体３０を構成する正極３２と負極３４に電気的に接続されている。

なお、具体的な構造は後述するが、図１および図２に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０では、ケース２０の上面２０ａ（ケース本体２１の扁平面）に凹部２３が形成されており、かかる凹部２３の底面２３ａにガス排出弁４０が設けられている。

（２）電極体
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０では、電極体３０として積層電極体が用いられている。かかる積層電極体３０は、シート状の正極３２と負極３４とを、セパレータ３６を介して複数枚積層させることによって構成されている。上記したように、本実施形態においては、かかる積層電極体３０が略扁平形状に形成されており、かかる積層電極体３０の扁平面３０ａがケース２０の上面２０ａと対向するように（換言すれば、積層電極体３０の積層方向Ｘとケース２０の上面２０ａとが略垂直になるように）積層電極体３０がケース２０内に収容されている。

本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０において、積層電極体３０を構成する各々の部材の構造および当該部材の材料は、一般的なリチウムイオン二次電池の電極体と同様のものを用いることができる。以下、積層電極体３０を構成する各部材について簡単に説明する。

（ａ）正極
正極３２は、シート状の正極集電体（例えばアルミニウム箔）と当該正極集電体の表面に付与された正極活物質層とを備えており、正極活物質層にはリチウムイオンを吸蔵・放出可能な物質である正極活物質が含まれている。かかる正極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。
また、正極３２の正極活物質層には、上記した正極活物質の他に、必要に応じて導電材、バインダ等の添加材が添加されていてもよい。

（ｂ）負極
一方、負極３４は、シート状の負極集電体（例えば銅箔）と、当該負極集電体の表面に付与された負極活物質層とを備えている。当該負極活物質層に含まれている負極活物質についても同様に、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。
また、負極３４の負極活物質層についても、正極活物質層と同様にバインダなどの添加材が添加されていてもよい。

（ｃ）セパレータ
セパレータ３６は、正極３２と負極３４との間に配置されており、当該正極３２と負極３４とを絶縁するとともに、正極３２と負極３４との間を移動する電荷担体（例えばリチウムイオン）を通過させることができる微小な孔を複数有している。

（３）電解液
上記したように、ケース２０の内部には電解液（図示省略）が収容されている。かかる電解液としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。

（４）ガス排出弁
図２は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池のガス排出弁近傍を模式的に示す斜視図である。
本実施形態におけるガス排出弁４０は、ケース２０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に開放（開裂）するように構成されている。具体的には、ガス排出弁４０は、図１に示すようにケース２０の壁面の厚みよりも薄くなるように形成されている。例えば、ケースの壁面の厚みが０．３ｍｍ〜１．５ｍｍ（例えば０．５ｍｍ）である場合には、ガス排出弁４０の厚みは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの肉厚に設定される。そして、本実施形態におけるガス排出弁４０の上面には、図２に示すように破断溝部４２が形成されている。このような構造を有するガス排出弁４０をケース２０に設けることによって、ガスの発生等でケース２０の内圧が所定レベル以上（例えば、０．３ＭＰａ以上）まで上昇した際に、ガス排出弁４０を破断溝部４２に沿って開裂させて、ケース２０の内圧を低下させることができる。
なお、ガス排出弁４０は、ケース２０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に開放されるような構造を有していればよく、上記した構造には限定されない。

そして、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０では、ケース２０の上面２０ａの外縁２０ｂの近傍に、ケース２０内部に向かって窪んだ凹部２３が形成されており、かかる凹部２３の底面２３ａにガス排出弁４０が設けられている。また、かかる凹部２３の内壁２３ｂのうちの一面には、ケース２０の外方に向けて開口した開口部２３ｃが設けられている。

本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０によれば、上記のように、開口部２３ｃを有した凹部２３の底面２３ａにガス排出弁４０を設けることによって、ガス排出弁４０が開放された際にケース２０内部から噴出する電解液が広範囲に拡散してケース２０の劣化や外部短絡を生じさせることを適切に抑制することができる。
具体的には、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０では、ガス排出弁４０の周囲が凹部２３の内壁２３ｂによって囲われているため、ガス排出弁４０から電解液が噴出した際に当該電解液が広範囲に拡散することを抑制できる。そして、本実施形態では、かかる凹部２３の内壁２３ｂの一面にケース２０の外方に向けて開口した開口部２３ｃが設けられているため、図２中の矢印Ａに示すように、ガス排出弁４０から噴出した電解液が開口部２３ｃを通過してケース２０外方に向けて排出される。このように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０では、ガス排出弁４０から噴出した電解液が広範囲に拡散することを抑制した上で、当該電解液をケース２０外方に向けて排出することができるため、電解液によるケース２０の劣化や外部短絡の発生を適切に防止することができる。

また、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０は、組電池を構成する単電池として特に好ましく用いることができる。一般的な組電池は、扁平面同士が対向するように扁平な角型の単電池を複数配列し、該配列された単電池群を拘束することによって構築される。かかる構造の組電池において各々の単電池の扁平面にガス排出弁が形成されていると、かかるガス排出弁が隣接する他の単電池によって塞がれてしまう虞がある。
これに対して、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０では、ケース２０の上面（扁平面）２０ａに凹部２３が形成されており、該凹部２３の底面２３ａにガス排出弁４０が設けられているため、扁平面同士が対向するように複数の電池を配列させて組電池を構築した場合であっても、隣接する他の電池によってガス排出弁４０が塞がれることを適切に防止することができる。

なお、上記のように、ケースの上面に凹部を形成した場合、当該凹部が形成されている部分のケースの厚みが他の部分よりも薄くなるため、当該凹部の下方に電極体を配置すると、電極体によってガス排出弁が塞がれる可能性がある。特に、薄型セルの場合には、かかる積層電極体によるガス排出弁の閉塞が生じる可能性がより高くなる。
このため、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０では、ケース２０内の凹部２３の下方に、積層電極体３０が配置されないガス排出領域５０が形成されるように積層電極体３０の寸法と収容位置を調節している。これによって、積層電極体３０によってガス排出弁４０が内側から塞がれることを確実に防止することができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、上記した実施形態は本発明を限定するものではなく、勿論、種々の改変が可能である。
例えば、上記した実施形態においては、シート状の正極３２と負極３４とセパレータ３６とを複数枚積層させた積層電極体３０を電極体として用いているが、かかる電極体の構造は特に限定されない。電極体としては、例えば、長尺の正極と負極とセパレータとを重ね合せた積層体を長手方向に捲回することによって構成される捲回電極体を用いることもできる。
また、上記した実施形態においては、凹部２３がケース２０の上面２０ａに形成されているが、かかる凹部を形成する位置は、角型のケースの外面のうちの何れかの面であればよく、特に限定されない。例えば、ガス排出弁を設けるための凹部は封口板に設けられていてもよい。

１０ リチウムイオン二次電池
２０ ケース
２０ａ ケースの上面（扁平面）
２０ｂ ケースの外縁
２１ ケース本体
２２ 封口板
２３ 凹部
２３ａ 凹部の底面
２３ｂ 凹部の内壁
２３ｃ 開口部
３０ 電極体（積層電極体）
３０ａ 電極体の扁平面
３２ 正極
３４ 負極
３６ セパレータ
４０ ガス排出弁
４２ 破断溝部
５０ ガス排出領域
Ｘ 積層方向

Claims (1)

1. 正極および負極を備えた電極体と電解液とが角型のケース内に収容されており、該ケースが密閉されている密閉型電池であって、
   前記角型のケースの外面のうちの何れかの面に、前記ケース内部に向かって窪んだ凹部が形成されており、該凹部の内壁の一面のみに前記ケースの外方に向けて開口する開口部が設けられているとともに、
   前記凹部の底面に、前記ケースの内圧が所定レベル以上に上昇した場合に開放されるガス排出弁が形成されている、密閉型電池。
   
   
   

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