JP2016122581A - 密閉型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイレート充放電時のジュール熱による集電板の変形（クリープ）および溶断を防止する耐熱性の高い電流遮断機構を備えた密閉型二次電池を提供する。【解決手段】本発明により提供される密閉型二次電池１０の電流遮断機構８０は、ケース１２内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に該内圧によって電流遮断弁３０がプレート形状の集電板７２から離れる方向に変形して該集電板の中央薄肉部７４の環状溝７９の部分で集電板が破断するように構成されており、集電板の中央薄肉部７４のうちの環状溝７９の底面に該当する部分には、該環状溝７９の底面よりも凹んだ細孔が溝の底面に沿って複数形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、密閉型二次電池（典型的には全体形状が角形（直方体形状）である密閉型二次電池）に関する。詳しくは、内圧上昇により作動する電流遮断機構を備えた密閉型二次電池に関する。

リチウム二次電池、ニッケル水素電池等の二次電池は、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として好ましく用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の駆動用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。

このような二次電池の典型的な構造の一つとして、正極および負極を備える電極体を電解質とともに電池ケース内に密閉して成る密閉構造の電池（密閉型電池）が挙げられる。この種の電池を充電処理する際、不良電池の存在や充電装置の故障による誤作動等があった場合、電池に通常以上の電流が供給されて過充電状態に陥る場合が想定される。かかる過充電等の際に、電池反応が急速に進行して密閉された電池ケースの内部でガスが発生して該電池ケースの内圧が上昇し、当該異常内圧（ガス圧）によって該ケースの変形等を生じたりすることがあり得る。このような異常時に対処すべく、従来技術として、電池の異常時に伴うケース内部の圧力（ガス圧）を用いて部品を変形させ、通電部分を物理的に開裂させることにより電流を遮断する電流遮断機構を備えた電池構造が提案されている。

例えば、そのような構成の電流遮断機構を備えた二次電池に関する従来例として特許文献１が挙げられる。かかる文献に記載されている電流遮断機構は、角形状の密閉型二次電池のケース内部に収容された電極体に接続されたプレート状の集電板と、該集電板の一部に通電可能に溶接された反転板（電流遮断弁）とを備えており、ケース内圧（ガス圧）が上昇した際には当該ガス圧によって当該反転板が電極体および集電板から離れる方向に反転・変形し、その変形とともに上記溶接された部分を含む集電板の一部が破断されるように構成されている。このように反転板が反転・変形して集電板の本体から離脱することにより、電流遮断が実現される。

特開２０１０−２１２０３４号公報

上記特許文献１に記載されるような構成の電流遮断機構では、予め設定されたケース内圧（即ち所定のガス圧）に到達した際に正しく電流が遮断されることを実現するため、当該ケース内圧に到達した際に上記反転板（電流遮断弁）の反転・変形とともに上記溶接部分を含む集電板の一部の破断が速やかに行われるべく、集電板の当該溶接される部分およびその周囲を集電板の他の部分よりも相対的に薄肉に形成する、更に／或いは、破断させたい部位に予め溝（ノッチ：切り込み部）を形成する、等の措置が行われている。

ところで、電気自動車、ハイブリッド自動車（プラグインハイブリッド自動車を含む）等の車両の駆動電源用として使用される密閉型二次電池には、更なる高性能化のため、高出力で大容量（典型的には１時間率容量が３Ａｈ以上、例えば５〜２０Ａｈ又は２０Ａｈ以上（例えば２０〜３０Ａｈ）であるような大容量）の電池が求められる。このため、パソコンや携帯端末の電源として使用される（即ち民生用）電池とは比較にならないほどのハイレートな充放電が要求される。

しかし、従来の車両駆動電源用二次電池よりも一層のハイレートでの充放電が求められる場合、上記のような構成の電流遮断機構を備える密閉型二次電池においては、当該ハイレート充放電時においても正常に維持されて不測な動作を行わないように電流遮断機構を構築する必要がある。例えば、上記のとおり、所定のケース内圧（ガス圧）時に電流遮断弁（反転板）を速やかに反転・変形させ、集電板の一部を破断させるために当該集電板に形成された薄肉部分や溝（ノッチ）が形成された部分は、その部分の断面積が周囲の相対的に厚肉な部分の断面積よりも小さい。特に薄肉部分に更に溝を設けた場合には当該溝形成部の断面積は更に小さくなる。そのような小さい断面積の部分をハイレート充放電時に大電流が流れる際には、発生するジュール熱によって当該部分が発熱し、該発熱が過剰すぎる場合には当該箇所が過熱に伴って変形（クリープ）および溶断する虞がある。かかる変形（クリープ）および溶断は、電流遮断の原因となるため好ましくない。

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、電池の高出力化に伴うハイレート充放電時にも上記ジュール熱による集電板の変形（クリープ）および溶断を防止し、且つ、所定のケース内圧（ガス圧）が生じた場合には精度よく電流遮断を実現する信頼性の高い電流遮断機構を備えた密閉型二次電池を提供することである。

本発明者は予め破断用の溝が形成されたプレート形状の集電板と電流遮断弁を使用する電流遮断機構を採用する場合において、該集電板に形成された溝の形状に関して所定の条件を具備するように該集電板を設計することにより、上記目的を実現し得ることを見出して本発明を完成するに至った。
即ち、ここで開示される密閉型二次電池は、正極および負極を備える電極体と、上記電極体を収容する電池ケースと、上記電池ケースの外面に設けられて上記電極体の正極および負極とそれぞれ電気的に接続される正極外部端子および負極外部端子と、上記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に電流を遮断する電流遮断機構とを備える密閉型二次電池である。
上記電流遮断機構は、上記電極体の正極と上記正極外部端子との間または上記電極体の負極と上記負極外部端子との間において、上記正負いずれかの端子と電気的に接続される電流遮断弁と、上記電極体の正負いずれかの電極と電気的に接続されるプレート形状の集電板とを備える。
また、上記集電板は、相対的に薄肉に形成された中央薄肉部と該中央薄肉部の周囲であって相対的に厚肉に形成された厚肉部とから構成されており、且つ、該中央薄肉部の内側において所定の直径で環状に破断用の溝が形成されている。
また、上記電流遮断弁は、その一部が上記環状溝の内側において上記集電板の中央薄肉部に通電可能に接合されており、上記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際には、該内圧によって電流遮断弁が上記集電板から離れる方向に変形するとともに上記環状溝の部分で上記集電板の中央薄肉部が破断することによって、上記集電板から上記破断した中央薄肉部を伴う電流遮断弁が離れて電流遮断が実現するように構成されている。
そして、ここで開示される密閉型二次電池は、上記薄肉部のうちの上記環状溝の底面に該当する部分に、当該環状溝の底面よりも凹んだ細孔が該溝の表面に沿って複数形成されていることを特徴とする。

ここで開示される密閉型二次電池において、該電池のケース内圧が所定の圧力に達すると、集電板の薄肉部のうちの環状溝の底面に形成された細孔（典型的には当該細孔の端部）に応力が集中し、当該応力が集中した細孔（典型的には当該細孔の端部）を起点として集電板が破断され得る。このため、ここで開示される密閉型二次電池に備えられる電流遮断機構は、従来の密閉型二次電池に備えられる集電板に設けられる環状溝の深さと比較して該環状溝の深さを浅くしても（即ち、上記集電板の薄肉部のうちの環状溝が形成された部分の残肉部の厚みを厚くしても）、電池ケース内の圧力（ケース内圧、ガス圧）が所定の圧力に達した際に電流遮断弁を速やかに変形させて集電板の一部を破断させることができる。即ち、ここで開示される密閉型二次電池に備えられる電流遮断機構によると、上記所定のケース内圧（ガス圧）時の電流遮断効果を高度に発揮しつつ、上記集電板の薄肉部のうちの環状溝形成部分の断面積を増大することができる。これにより、当該環状溝形成部分におけるジュール熱の発熱量を低減し、上記薄肉部（特に上記環状溝形成部分）における発熱（過熱）を抑制することができる。即ち、かかる構成の密閉型二次電池では、電池の高出力化に伴うハイレート充放電時における集電板の変形および溶断を防止し、且つ、所定のケース内圧（ガス圧）時に電流遮断弁を速やかに変形させて集電板の一部を破断させることができる。以上より、電池の高出力化に求められるハイレート充放電に対応して電流遮断機構の信頼性を向上させ、より高品質の密閉型二次電池（例えば密閉型リチウム二次電池）を提供することができる。

一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池（リチウムイオン電池）の外形を模式的に示す斜視図である。 一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池における集電板の構造を模式的に示す図である。 一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池の正極側に設けられた電流遮断機構の構成と状態（電流遮断前）を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池の正極側に設けられた電流遮断機構の構成と状態（電流遮断後）を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係る密閉型リチウム二次電池の電流遮断機構に備えられる集電板に形成される環状溝および細孔の形状を模式的に示す斜視図である。かかる斜視図は、環状溝の中心を通過し且つ集電板を厚み方向に切断する断面であって、一の細孔を横切る断面で集電板の一部を切断して示す。 一試験例において評価した集電板（サンプル１〜５）の環状溝および細孔の形状を模式的に示す斜視図である。 一試験例において集電板の応力解析を行う際の荷重負荷条件を模式的に示す断面図である。 サンプル３に係る集電板を応力解析した結果について、環状溝形成部分を拡大して示す模式図である。 一試験例において評価した集電板（サンプル１〜５）の環状溝形成部分の断面積および該集電板（サンプル１〜５）に生じる応力分布をＣＡＥ（computer aided engineering）解析したときの最大応力を示すグラフである。各サンプルに係る環状溝形成部分の断面積は、サンプル１における環状溝形成部分の断面積を１００％としたときの相対比で示し、各サンプルに係る最大応力は、サンプル１で生じた最大応力を１００％としたときの相対比で示す。

本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。一般にリチウムイオン電池（若しくはリチウムイオン二次電池）等と称される二次電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。また、本明細書において「活物質」とは、正極側又は負極側において蓄電に関与する物質（化合物）をいう。即ち、電池の充放電時において電子の吸蔵および放出に関与する物質をいう。

以下、ここで開示される密閉型二次電池の一例としてリチウム二次電池（リチウムイオン電池）１０に関する好適な一実施形態を図面を参照しつつ説明する。特に限定することを意図したものではないが、以下では捲回タイプの電極体（以下「捲回電極体」という。）と非水電解液とを角形（即ち直方体の箱形状）のケースに収容した形態のリチウムイオン電池を例として説明する。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。
なお、本発明はここで開示される構成の電流遮断機構を有する限りにおいて、二次電池の種類はリチウム二次電池（典型的には非水電解質を備えたリチウムイオン電池）に限定されず、ニッケル水素電池その他の二次電池にも適用することができる。

本実施形態に係るリチウムイオン電池１０は、図２に示すような扁平形状の捲回電極体５０が、図示しない液状電解質（電解液）とともに、捲回電極体５０の形状に対応する図１に示すような扁平な角形状の電池ケース（即ち外装容器）１２に収容されて構成される電池である。
電池ケース１２は、一端（電池１０の通常の使用状態における上端部に相当する。）に開口部を有する箱形（すなわち有底直方体状）のケース本体１４と、その開口部に取り付けられて該開口部を塞ぐ矩形状プレート部材からなる封口板（蓋体）１６とから構成される。かかる封口板（蓋体）１６がケース本体１４の開口部周縁に溶接されることにより、扁平形状の捲回電極体５０の幅広面に対向する一対のケース幅広面と、該ケース幅広面に隣接する４つの矩形状ケース面（即ち、そのうちの一つの矩形状ケース上面が封口板１６により構成される。）との六面体形状の密閉構造の電池ケース１２が構成される。
特に制限するものではないが、この種の角形電池の六面体形状ケースの好適なサイズとして、ケース本体１４及び封口板１６の長辺側の長さ：約８０〜２００ｍｍ（例えば１００〜１５０ｍｍ）、ケース本体１４及び封口板１６の短辺側の長さ（即ちケース１２の厚み）：約８〜２５ｍｍ（例えば１０〜２０ｍｍ）、ケース１２の高さ：約７０〜１５０ｍｍを例示することができる。

ケース１２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、特に制限はない。軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成されたケース１２が好ましく、このような金属製材料としてアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等が例示される。本実施形態に係るケース１２（ケース本体１４および封口板１６）はアルミニウム若しくはアルミニウムを主体とする合金によって構成されている。
また、ケース１２（ケース本体１４および封口板１６）の厚みは、特に限定されないが、車両駆動電源用の密閉型電池を構成する場合、０．３ｍｍ〜２ｍｍ程度が適当であり、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度が好ましい。

図１に示すように、封口板１６には外部接続用の正極外部端子２０および負極外部端子１８が形成されている。これら外部端子１８，２０には、本実施形態に係るリチウムイオン電池１０の利用形態に応じて適当な形状の端子板若しくは外部接続端子を装着し得る。
封口板１６の両端子１８，２０間には、ケース１２の内圧が所定レベル（例えば設定開弁圧０．３〜１．０ＭＰａ程度）以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成された薄肉の安全弁４０と、注液口４２（図１は当該注液口４２が注液後に封止材４３により封止されてマスクされた状態である。）が形成されている。

図２に示すように、捲回電極体５０は通常のリチウムイオン電池の捲回電極体と同様、長尺なシート状正極（正極シート）５２と、該正極シート５２と同様の図示されない長尺シート状負極（負極シート）とを計二枚の長尺シート状セパレータ（セパレータシート）５４とともに積層して長手方向に捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製される。具体的には、正極シート５２と負極シートとは幅方向に位置をややずらしてセパレータシート５４の幅方向の一端および他端から該正負いずれかのシートの幅方向の一端がそれぞれはみ出すように積層された状態で捲回される。その結果として、捲回電極体５０の捲回軸方向の一方および他方の端部に、それぞれ、正極シート５２および負極シートの幅方向の一端が捲回コア部５５（すなわち正極シートと負極シートとセパレータシートとが密に捲回された部分）から外方にはみ出した部分が形成されている。

図２には、正極シート５２のはみ出し部分５２Ａが図示されており、かかる正極シート５２のはみ出し部分５２Ａに対して、ケース１２の内部に配置される正極集電タブ６０および正極内部端子７０を介して上記外部接続用の正極外部端子２０と電気的に接続されている。図示しない負極側も同様に、ケース１２の内部に配置される図示しない負極集電タブおよび負極集電板を介して上記外部接続用の負極外部端子１８と電気的に接続されている。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン電池１０において、電流遮断機構８０は、正極外部端子２０の一部と、正極内部端子７０の一部と、電流遮断弁（反転板）３０により構成されている。かかる電流遮断機構８０については後述する。

捲回電極体５０を構成する材料および部材自体は、従来のリチウムイオン電池に備えられる電極体と同様でよく、特に制限はない。例えば正極シート５２は、長尺状の正極集電体（例えばアルミニウム箔）の上に正極活物質層が形成された構成であり得る。この正極活物質層の形成に用いる正極活物質としては、従来からリチウムイオン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。好適例として、リチウムニッケル酸化物（例えばＬｉＮｉＯ_２）、リチウムコバルト酸化物（例えばＬｉＣｏＯ_２）、リチウムマンガン酸化物（例えばＬｉＭｎ_２Ｏ_４）等のリチウムと遷移金属元素とを構成金属元素として含む酸化物（リチウム遷移金属酸化物）や、リン酸マンガンリチウム（ＬｉＭｎＰＯ_４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）等のリチウムと遷移金属元素とを構成金属元素として含むリン酸塩等が挙げられる。
負極シートは、長尺状の負極集電体（例えば銅箔）の上に負極活物質層が形成された構成であり得る。この負極活物質層の形成に用いる負極活物質としては、従来からリチウムイオン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。好適例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属窒化物等が挙げられる。また、上記セパレータシートの好適例としては、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。

液状電解質（電解液）としては、従来からリチウムイオン電池に用いられる非水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。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ_６，ＬｉＢＦ_４，ＬｉＡｓＦ_６，ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３，ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３，ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２，ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒（例えば質量比１：１）にＬｉＰＦ_６を約１ｍｏｌ／Ｌの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。なお、電解液の代わりに固体状やゲル状の電解質を採用してもよい。

以下、電流遮断機構８０について図面を参照しつつ詳述する
図２に示すように、捲回電極体５０の捲回軸方向の一方の端部にはみ出した正極はみ出し部分５２Ａには、電気伝導性に優れた金属製（例えばアルミニウム又はアルミニウム主体の合金製）の正極集電タブ６０が接続されている。かかる集電タブ６０から上方（即ち封口板方向）に延びるようにして電気伝導性に優れた金属製（例えばアルミニウム又はアルミニウム主体の合金製）の正極内部端子７０が形成されている。正極内部端子７０は、封口板１６の内面側に近接して当該内面とほぼ平行に配置されるプレート形状（典型的には矩形のプレート形状、例えば長方形のプレート形状）の集電板７２と、該集電板７２と正極集電タブ６０とを連結するアーム状の連結部７１とから構成されている。
集電板７２は、後述する電流遮断弁（反転板）３０の一部（中央凹部３０Ａ）が溶接される中央薄肉部７４とその周囲の相対的に厚い厚肉部７８とから構成されている。中央薄肉部は典型的には円形状若しくは矩形状に形成される。また、図２に示すように、中央薄肉部７４の中心部ならびに厚肉部７８の複数箇所（本実施形態では２箇所）に、ガス流通孔７４Ａ，７８Ａが形成されている。また、図３に示すように、中央薄肉部７４の内側において所定の直径で環状に破断用の溝（ノッチ）７９が形成されている。かかる破断用の環状溝（ノッチ）７９は、図３に示すように、集電板７２の薄肉部７８の表面のうち、電極体５０に対向する面、或いは絶縁ホルダー３２に対向する面のいずれに形成してもよい。また、上記環状溝７９を横切る位置に適宜切り込みを設けてもよい。かかる切り込みを形成することで、集電板７２の薄肉部７４が変形する際の周方向の変形阻害を抑制し、集電板７２が変形するのに必要な応力（変形応力）を低減することができる。

図５に示すように、環状溝７９の底面には、当該環状溝７９の底面よりも凹んだ細孔７６が該溝の底面に沿って複数個（例えば３０〜１３０個、好ましくは６４〜１１２個）環状に形成されている。また、各細孔は、細孔７６の中心と細孔７６の中心とが等間隔に配置されることが好ましい。かかる細孔７６は、貫通孔あるいは非貫通孔のいずれであってもよい。貫通孔は、細孔端部に応力を集中させやすく、該応力集中部において集電板を好適に破断し得るため好ましい。細孔７６の形状は特に限定されないが、集電板７２について当該細孔７６が形成された面を平面視したときの該細孔７６の形状が略円形状（典型的には円形）、即ち円柱状の細孔であり得る。

特に限定されるものではないが、車両の駆動電源用として使用する電池の場合、かかる集電板７２の短辺の長さ（短径）は典型的には６ｍｍ〜１５ｍｍ程度であり、集電板７２の長辺側の長さ（長径）は典型的には短径の２〜５倍程度に規定される。
なお、中央薄肉部７４の大きさは特に制限はないが、集電板７２の短径の長さの４０〜７０％に相当する長さ（例えば集電板７２の短径が８ｍｍの場合で３．２ｍｍ〜５．６ｍｍ）を直径とする円形若しくは方形状に形成されることが適当である。
環状溝７９の直径は２ｍｍ以上（典型的には３ｍｍ以上６ｍｍ以下）であることが好ましい。また、環状溝７９の形成位置であるが、集電板７２の変形および溶断に対する抵抗性（耐熱性）向上の観点から、厚肉部７８と環状溝７９との距離が１ｍｍ以下であることが適当であり、０．４〜０．６ｍｍ（例えば０．５ｍｍ±０．０５ｍｍ程度）が好ましい。

厚肉部７８の厚みは典型的には２ｍｍ以下（例えば０．４ｍｍ〜２ｍｍ）であり、１ｍｍ以下（例えば０．５ｍｍ〜１ｍｍ）が好ましい。中央薄肉部７４の厚みは典型的には０．２ｍｍ以下（例えば０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ）であり、０．１５ｍｍ以下（例えば０．０８ｍｍ〜０．１５ｍｍ）が好ましい。
環状溝７９の深さ（切り込み深さ）は、当該環状溝７９形成部分における残肉部のうちの最薄部分の厚みが少なくとも０．０３ｍｍ以上となるように設定することが適当であり、例えば０．０５ｍｍ以上、典型的には０．０８ｍｍ以上となるように設定することが好ましい。残肉部の厚みが小さすぎると、当該環状溝７９形成部分の発熱が大きくなり過ぎて集電板（典型的には集電板の薄肉部のうちの環状溝７９形成部分）が変形（クリープ）および溶断する虞があるため好ましくない。一方で、残肉部の厚みが多すぎると、所定のケース内圧発生時に上記集電板の破断が困難となるため好ましくない。このため、上記環状溝７９の深さ（切り込み深さ）は、当該環状溝形成部分における残肉部のうちの最薄部分の厚みが例えば０．１５ｍｍ以下、典型的には０．１２ｍｍ以下、一般的には０．１０ｍｍ以下となるように設定することが好ましい。

また、上記細孔を環状溝７９の底面に形成することで、環状溝７９形成部分の集電板の断面積を大きくしたとしても、所定のケース内圧（ガス圧）が生じた場合には精度よく電流遮断を実現することができる。換言すると、本発明における集電板の環状溝７９形成部分の断面積は、環状溝７９の底部に細孔７６が形成されていない集電板７２における環状溝７９形成部分の断面積よりも大きく（例えば１．１倍以上、典型的には１．２倍以上、好ましくは１．６倍以上）することができる。ここで、本明細書において集電板７２の環状溝７９形成部分の断面積とは、環状溝７９の環の中心を通過するように集電板７２を厚み方向に切断したときの環状溝７９形成部分の集電板７２（即ち、集電板の残肉部）の断面積であって、当該断面積が最小となる断面（典型的には細孔７６の中心を通過するように切断した断面）の断面積をいう。

細孔７６の大きさは特に限定されないが、当該細孔７６の直径が環状溝７９の幅よりも小さくなるように設定することが好ましい。典型的には０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下（例えば０．０４ｍｍ以上０．０８ｍｍ以下、好ましくは０．０６ｍｍ±０．０１ｍｍ程度）が適当である。また、上記細孔７６を形成する間隔は、例えば、２つの細孔７６の中心間の距離が、細孔７６の直径の１．８倍〜４倍程度が適当である。細孔７６の直径および細孔７６の間隔を適宜調整することで、集電板７２が破断する圧力（反転圧）を設計することができる。
このような細孔７６の形成方法は、特に限定されず、公知の細孔形成方法を採用すればよい。例えば放電加工、或いはレーザ加工等の手法によって形成することができる。

図３に示すように、本実施形態に係る正極外部端子２０は、封口板１６の外面側（図３の上方向）において、封口板１６に予め形成されている正極装着孔１６Ａに装着される筒状の接続端子２２と、該筒状接続端子２２と封口板１６（装着孔１６Ａの周縁）との間に挟み込まれるガスケット２４とを備える。筒状接続端子２２の貫通孔２２Ｂ内には、ゴム製の端子栓２３が封入される。
さらに本実施形態に係る正極外部端子２０は、封口板１６の内面側（図３の下方向）において、上記筒状接続端子２２が挿入され得る挿入孔がそれぞれ形成されたキャップ状の合成樹脂製の絶縁板２６および金属製の封口体タブ２８を備える。
より具体的には、図３に示すように、正極内部端子７０と電気的に接続される筒状接続端子２２は、ガスケット２４、封口板１６、絶縁板２６および封口体タブ２８にそれぞれ形成された孔内に挿入され、その先端部２２Ｃが図示されるようにかしめられることにより、これら部材２２，２４，１６，２６，２８が一体に固定される。

また、かかるキャップ状の封口体タブ２８の縁部には、プレート状の電流遮断弁として機能する反転板３０が溶接されており、さらに集電板７２および反転板３０の周辺部には、当該集電板７２および反転板３０の位置決めと周辺部の電気的絶縁とを目的として合成樹脂製の絶縁ホルダー３２が配置されている。
また、プレート状の反転板３０の中央部は、対応する絶縁ホルダー３２の中央部に形成された孔を介して集電板７２の中央薄肉部７４に接するように凹んでおり、かかる反転板３０の中央凹部３０Ａはレーザ溶接あるいは超音波溶接によって集電板７２の中央薄肉部７４の環状溝７９の内側に接合されている。換言すれば、正極内部端子７０の集電板７２の中央薄肉部７４において、上記反転板３０の中央凹部３０Ａの接合箇所の周囲に破断用環状溝７９が存在する。
上記構成の結果、正極シート５２は、正極はみ出し部分５２Ａ、集電タブ６０、正極内部端子７０、反転板３０および封口体タブ２８を介して接続端子２２と電気的に接続される。

そして反転板３０は、電池ケース１２内の圧力（ガス圧）が所定値以上に増大すると、接続端子２２側に撓んで変形する（典型的には接続端子２２側に反転・変形する）ように形成されているとともに、当該反転板３０の中央凹部３０Ａに集電板７２が溶接されているため、ケース１２内の圧力が所定値を超えて反転板３０が上記のように変形した際はそれに伴って集電板７２の薄肉部７４が環状溝７９の部分で破断する。このことにより、図４に示すように、反転板３０と集電板７２との間の電気的接続が遮断される。なお、本実施形態に係る電流遮断機構８０は正極外部端子２０側に設けられているが、この態様に限られず、負極外部端子１８側に設けられていてもよい。

以下、本発明によって提供される集電板に関する具体的な試験例の幾つかを紹介するが、本発明によって提供される集電板を以下に紹介する形態のものに限定することを意図したものではない。

環状溝７９が図６に示す形状である計５種類（サンプル１，２，３，４および５）のプレート形状のアルミニウム製集電板７２を設計し、各サンプルついてＣＡＥ（computer aided engineering）解析にて応力解析を行った。サンプル１〜３および５は、当該集電板７２を備えた電流遮断機構８０を用いて電池１０を構築した場合に絶縁ホルダー３２に対向する面に環状溝７９を形成し、サンプル４は、サンプル１〜３および５の環状溝形成面とは逆の面（即ち、電池構築時に電極体５０に対向する面）に環状溝７９を形成した。なお、各サンプルに係る集電板７２は、環状溝７９の深さ（残肉部の厚み）、環状溝７９の形成面、環状溝形成部分の断面積、細孔７６の間隔以外は同様のパラメータとなるように設計した。
サンプル１に係る集電板７２の環状溝７９は、所定の応力が負荷された際に（かかる集電板７２を備えた電流遮断機構８０を備えた電池１０のケース内圧が所定の圧力に達した際）に破断されるように設計された、従来の集電板７２に形成される環状溝７９と同様の形状の環状溝７９であり、残肉部のうちの最薄部分の厚みを０．０７５ｍｍとした。また、サンプル２に係る集電板７２の環状溝７９は、上記サンプル１の環状溝７９よりも切り込み深さが浅く（即ち、残肉部の厚みが厚い）、残肉部のうちの最薄部分の厚みを０．１５ｍｍとした。また、サンプル３〜５に係る集電板７２の環状溝７９の底面には、直径０．０６ｍｍの貫通孔（細孔７６）を形成し、サンプル３とサンプル４は細孔間隔が同じになるように、またサンプル５はサンプル３、４よりも細孔間隔が広くなるように設計した。なお、サンプル３〜５について、残肉部のうちの最薄部分の厚みはサンプル２と同様に０．１５ｍｍとした。各サンプルに係る集電板７２の環状溝形成部分の断面積について、サンプル１における環状溝形成部分の断面積を１００％としたときの相対比として図９に示す。

各例に係る集電板７２について、図７に示すように、当該集電板７２を用いた電流遮断機構８０を備える電池１０を構築した際に絶縁ホルダー３２に対向する面が上面となるように配置し、厚肉部７８の端部側面を固定し且つ薄肉部７４の端部を上方向に押し上げる方向に荷重を負荷したときの応力分布をＣＡＥ（computer aided engineering）解析にて応力解析した。サンプル３に係る集電板７２の応力解析の結果を図８に示す（当該図８では、応力が集中している箇所を濃い色で示す）。図８に示すように、環状溝７９の底面に細孔７６を設けたサンプル３では、該細孔７６の端部に応力が集中することを確認した。また、ここでは図示していないが、サンプル４及びサンプル５も、サンプル３と同様に、細孔７６の端部に応力が集中することを確認した。各サンプルに係る集電板７２で生じた最大応力について、サンプル１に係る集電板７２において生じた最大応力を１００％としたときの相対比を図９に示す。サンプル２に係る集電板７２で生じた最大応力はサンプル１で生じた最大応力の０．６倍であり、所定荷重（設定荷重）を負荷しても環状溝７９が破断する破断応力には至らなかった。その一方で、環状溝７９の底面に細孔７６を設けたサンプル３〜５に係る集電板で生じた最大応力はサンプル１で生じた最大応力の０．９〜１．３倍であり、所定荷重（設定荷重）を負荷することで、環状溝７９が破断し得る破断応力に達することを確認した。
また、図９に示す通り、サンプル３およびサンプル４に係る集電板７２の環状溝形成部分の断面積はサンプル１の集電板の環状溝形成部分の断面積と比較して１．２５倍であり、サンプル５に係る集電板７２の環状溝形成部分の断面積はサンプル１の集電板７２の環状溝形成部分の断面積と比較して１．６倍であった。即ち、各サンプルに係る集電板７２について環状溝形成部分のうちの断面積が最も小さい箇所で発生するジュール熱を比較すると、サンプル３およびサンプル４はサンプル１の１／１．２５倍（凡そ８０％）であり、サンプル５はサンプル１の１／１．６倍（凡そ６２％）であった。即ち、環状溝７９の底部に細孔７６を設けることで、該環状溝形成部分におけるジュール熱の発生を抑制し得ることを確認した。

上記のとおり、本発明によると、ここで開示される集電板を使用した電流遮断機構を備える密閉型二次電池（典型的には外形が角形状のリチウム二次電池その他の密閉型二次電池）を提供することができる。かかる集電板は充放電に伴って発生し得るジュール熱による変形（クリープ）および溶断が抑制された集電板であるため、当該集電板を使用した電流遮断機構は、耐熱性に優れ且つ所定のケース内圧（ガス圧）が生じた場合には精度よく電流遮断を実現する信頼性の高い電流遮断機構である。したがって、かかる電流遮断機構を備える密閉型二次電池は、高出力化にともなうハイレート充放電を要求される車両（例えばプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等）の駆動用電源として好適である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０ 二次電池（リチウムイオン電池）
１２ 電池ケース
１４ ケース本体
１６ 封口板（蓋体）
１８ 負極外部端子
２０ 正極外部端子
２２ 接続端子
２２Ｂ 貫通孔
２２Ｃ 先端部
２４ ガスケット
２６ 絶縁板
２８ 封口体タブ
３０ 反転板（電流遮断弁）
３０Ａ 中央凹部
３２ 絶縁ホルダー
５０ 捲回電極体
５２ 正極シート
５４ セパレータシート
５５ 捲回コア部
６０ 正極集電タブ
７０ 正極内部端子
７１ 連結部（アーム部）
７２ 集電板
７４ 中央薄肉部
７４Ａ ガス流通孔
７６ 細孔
７８ 厚肉部
７８Ａ ガス流通孔
７９ 環状溝（ノッチ）
８０ 電流遮断機構

Claims (1)

1. 正極および負極を備える電極体と、
   前記電極体を収容する電池ケースと、
   前記電池ケースの外面に設けられ、前記電極体の正極および負極とそれぞれ電気的に接続される正極外部端子および負極外部端子と、
   前記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に電流を遮断する電流遮断機構と、を備える密閉型二次電池であって、
   前記電流遮断機構は、前記電極体の正極と前記正極外部端子との間または前記電極体の負極と前記負極外部端子との間において、前記正負いずれかの端子と電気的に接続される電流遮断弁と、前記電極体の正負いずれかの電極と電気的に接続されるプレート形状の集電板と、を備えており、
   前記集電板は、相対的に薄肉に形成された中央薄肉部と該中央薄肉部の周囲であって相対的に厚肉に形成された厚肉部とから構成されており、且つ、該中央薄肉部の内側において所定の直径で環状に破断用の溝が形成されており、
   前記電流遮断弁は、その一部が前記環状溝の内側において前記集電板の中央薄肉部に通電可能に接合されており、
   前記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際には、該内圧によって電流遮断弁が前記集電板から離れる方向に変形するとともに前記環状溝の部分で前記集電板の中央薄肉部が破断することによって、前記集電板から前記破断した中央薄肉部を伴う電流遮断弁が離れて電流遮断が実現するように構成されており、
   前記薄肉部のうちの前記環状溝の底面に該当する部分には、当該環状溝の底面よりも凹んだ細孔が該溝の底面に沿って複数形成されている、密閉型二次電池。