JPH11329405A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 過充電・過放電時にのガス発生に伴って内圧
が上昇した場合、電解液が外部に漏れ出すことなく、電
流遮断を確実に行なうことが可能で、かつ落下衝撃によ
る電流経路のオープン化を防止し得る非水電解液二次電
池を提供するものである。 【構成】 内圧上昇に伴うダイヤフラムの変形により、
このダイヤフラムと所望の部位で電気的かつ機械的に接
合される内部端子板から分離して電流経路を遮断する機
構を具備し、前記ダイヤフラムおよび前記内部端子板は
アルミニウムから作られ、かつ前記接合部に位置する前
記内部端子板の厚さは、同接合部に位置する前記ダイヤ
フラムの厚さの９０％以下であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解液二次電
池に関し、特に電流経路遮断機構を備えた非水電解液二
次電池に係わる。

【０００２】

【従来の技術】近年、パソコンなどの電子機器の小型
化、軽量化、コードレス化に伴い、その駆動電源として
小型、軽量でエネルギー密度が高く、繰り返し充放電が
可能な電池が要望されている。

【０００３】この種の二次電池としては、負極活物質に
リチウム、リチウム合金等を用い、正極活物質としてバ
ナジウム、チタン、モリブデン、ニオブなどの酸化物、
硫化物、セレン化物を用いたものが知られている。最近
では負極活物質にカーボンを用い、正極活物質にはリチ
ウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウ
ムマンガン酸化物を用いたリチウムイオン二次電池の開
発、商品化がなされている。

【０００４】具体的には、前記正負極の活物質に導電剤
を結着剤と共に混合し、これらのペーストを集電体にそ
れぞれ圧着、シート化して正極および負極を作製する。
つづいて、これら正負極間にポリエチレン等からなる多
孔質フィルムを介在し、捲回して発電要素を作製する。
この後、前記発電要素を外装缶内に収納し、非水電解液
を収容し、蓋体を前記外装缶の開口部に気密に取付ける
ことにより密閉形のリチウムイオン二次電池のような非
水電解液は二次電池を製造する。

【０００５】また、電池形状としてはコイン形、筒形の
他に機器の薄型化、省スペース化の要請から角形、長円
形などの収納時の体積効率の優れた電池の要求も高まっ
ている。

【０００６】ところで、前述した非水電解液二次電池に
おいて充放電時に過充電・過放電の状態になると発電要
素の活物質や電解液の分解等により電池内にガスが発生
して内圧上昇が起こる。この内圧上昇を放置すると、電
池の破裂や電解液の飛散を招き、電池が搭載された電子
機器を損傷する。

【０００７】このようなことから、従来の非水電解液二
次電池は発電要素と外部端子の間の電流経路に内部端子
板およびこれと接続する変形可能なダイヤフラムを有す
る電流経路遮断機構が組込まれている。この電流経路遮
断機構は、通常時、前記内部端子板と前記ダイヤフラム
とが接続され、内圧上昇時に前記ダイヤフラムが変形し
て前記内部端子板から分離されることにより電流経路を
遮断する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電流経路遮断機構はダイヤフラムと内部端子板との接続
構造に起因して内圧上昇時にダイヤフラムが破断し、そ
の破断部から電解液が漏れ出したり、ダイヤフラムに穴
が開いて内圧が開放され、電流遮断機能が働かなくなっ
たり、或いは落下等により前記ダイヤフラムと内部端子
板とが外れて内部経路がオープンになったりする問題が
あった。

【０００９】本発明は、過充電・過放電時にのガス発生
に伴って内圧が上昇した場合、電解液が外部に漏れ出す
ことなく、電流遮断を確実に行なうことが可能で、かつ
落下衝撃による電流経路のオープン化を防止し得る非水
電解液二次電池を提供しようとするものである。

【００１０】本発明は、内部短絡時のガス発生に伴って
内圧上昇した場合、ガスを外部に放出して爆発を未然に
防止する安全弁機構をさらに備えた非水電解液二次電池
を提供しようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる非水電解
液二次電池は、 前記ダイヤフラムおよび前記内部端子
板はアルミニウムから作られ、かつ前記接合部に位置す
る前記内部端子板の厚さは、同接合部に位置する前記ダ
イヤフラムの厚さの９０％以下であることを特徴とする
ものである。

【００１２】本発明に係わる非水電解液二次電池におい
て、前記電流経路遮断機構に対して極性の異なる部材に
内圧を開放するための安全弁機構をさらに設けることを
許容する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる非水電解液
二次電池を角型非水電解液二次電池を例として図面を参
照して詳細に説明する。ここで、角型とは外装缶を発電
要素を含む面で切断したときの形状が長方形であること
を意味するが、コーナ部においてアールが付けられるこ
とを許容するものである。

【００１４】図１は、本発明に係わる非水電解液二次電
池、例えば角型リチウムイオン二次電池を示す斜視図、
図２は図１の要部拡大断面図である。

【００１５】金属からなる有底矩形筒状をなす外装缶１
は、例えば負極端子を兼ね、底部内面に図示しない絶縁
フィルムが配置されている。発電要素である電極体２
は、前記外装缶１内に収納されている。前記電極体２
は、負極とセパレータと正極とを前記負極が最外周に位
置するように渦巻状に捲回した後、扁平状にプレス成形
することにより作製したものである。中心付近にリード
取り出し穴3 を有する有底矩形筒状をなす合成樹脂製の
保護部材４は、前記外装缶１内の前記電極体２上に配置
されている。

【００１６】金属製蓋体５は、前記外装缶１の上端開口
部に例えばレーザ溶接により気密に接合されている。前
記蓋体５の中心付近には、電解液の注液孔６が開口さ
れ、かつこの注液孔６から右側に離れた前記蓋体５の箇
所には正極端子取出用円形穴７が開口されている。栓体
８は、前記外装缶１内に電解液を注液した後の前記注液
孔６に挿着されている。環状の薄膜部からなる安全弁９
は、前記蓋体５の前記注液孔６から左側に位置する部分
に形成されている。

【００１７】合成樹脂製の板状絶縁ガスケット１０は、
前記蓋体５の前記注液孔６付近から右側全体の裏面に固
定され、かつ前記正極端子取出用円形穴７と合致するよ
うに円形穴１１が開口されている。上部に円形穴１２を
有する帽子形のアルミニウムもしくはアルミニウム合金
製のケース１３は、前記板状絶縁ガスケット１０裏面に
前記円形穴１２が前記ガスケット１０の円形穴１１に対
向するように配置されている。上端にフランジ１４を有
する筒状外部端子１５は、前記蓋体５の正極端子取出用
円形穴７、前記板状ガスケット１０の円形穴１１および
前記ケース１３の円形穴１２に合成樹脂製の筒状絶縁ガ
スケット１６を介して挿入され、例えば前記外部端子１
５の下端を前記金属ケース１３の内面に折り曲げること
により前記ケース１３を前記蓋体５にかしめ固定すると
ともに、前記ケース１３に前記外部端子１５を電気的に
接続している。

【００１８】前記ケース１３は、その下端周縁が内側に
屈曲され、この屈曲部１７にアルミニウムからなる円形
のダイヤフラム１８が電気的導通および気密性を持って
支持固定されている。中心付近に円形穴１９が開口され
た円形絶縁板２０は、前記ケース１３の底面からその屈
曲部１７上面に亘ってに配置されている。

【００１９】アルミニウムからなる内部端子板２１は、
前記絶縁板２０の下面に位置し、周縁に立ち上がり部２
２を有する円板部２３と、この円板部２３に一体化さ
れ、他端が前記板状ガスケット１０の左端付近の下面ま
で延出された帯状導出部２４とからなる。前記円板部２
３は、その立ち上がり部２２を前記金属ケース１３の屈
曲部１７に前記絶縁板２０を介して内側に屈曲させるこ
とにより前記ケース１３に支持、固定されている。前記
円板部２３の中心付近には、前記ダイヤフラム１８の厚
さの９０％以下の厚さを持つ円形肉薄部２５が形成さ
れ、この円形肉薄部２５上面は前記絶縁板２０の円形穴
１９を通して前記ダイヤフラム１８下面と例えば超音波
溶接、抵抗溶接、レーザ溶接により接合されている。前
記円板部２３には、複数のガス流通穴２６が前記円形肉
薄部２５を中心にして同心円状に開口されている。

【００２０】正極リード２７は、前記電極体２の正極
（図示せず）に一端が接続され、かつ他端が前記保持部
材４のリード取り出し穴３を通して前記内部端子板２１
の帯状導出部２４に接続されている。

【００２１】このような構造において、前記電極体２の
正極（図示せず）は前記正極リード２７、内部端子板２
１の帯状導出部２４、円形部２２、前記ダイヤフラム１
８、前記ケース１３を通して前記外部端子１５に接続さ
れる。

【００２２】また、前記電極体２の正極と外部端子１５
の電流経路に配置された内部端子板２１、絶縁板２０お
よびダイヤフラム１８により電流経路遮断機構を構成し
ている。

【００２３】なお、前記注液孔６に対向する前記板状ガ
スケット１０および帯状導出部２４にはそれぞれ孔２
８，２９が開口されている。

【００２４】前記外装缶は、例えばステンレスまたは鉄
から作られる。

【００２５】前記負極は、例えばリチウムイオンが出し
入れされる炭素質物質を含むペーストを銅薄板のような
集電体に保持させた構造を有する。

【００２６】前記正極は、例えばリチウムニッケル酸化
物、リチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物
のような活物質を含むペーストをアルミニウム薄板のよ
うな集電体に保持させた構造を有する。

【００２７】前記セパレータとしては、例えばポリエチ
レンのような合成樹脂からなる多孔性フィルムが用いら
れる。

【００２８】前記電解液としては、例えば過塩素酸リチ
ウム、ホウフッ化リチウム、六フッ化リチウム、六フッ
化燐リチウム等の電解質をエチレンカーボネート、プロ
ピレンカーボネートのような有機溶媒で溶解したもの等
が用いられる。

【００２９】前記ダイヤフラム１８および内部端子板２
１に用いられるアルミニウムとしては、例えばＡ１０５
０，Ａ１０７０，Ａ１１００，Ａ１２００，Ａ１Ｎ３０
等を挙げることができる。

【００３０】前記ダイヤフラム１８と接合される前記内
部端子板２１の前記円形肉薄部２５の厚さを前記ダイヤ
フラム１８の厚さの９０％以下に規定したのは、次のよ
うな理由によるものである。前記肉薄部２５の厚さが前
記ダイヤフラム１８の厚さの９０％を超えると、前記肉
薄部２５の接合部における破断強度を前記ダイヤフラム
１８の破断強度より小さくすることが困難になり、良好
な電流経路の遮断を行なうことが困難になる。より好ま
しい前記円形肉薄部２５の厚さは前記ダイヤフラム１８
の厚さの４０〜８０％である。

【００３１】前記安全弁９の作動圧は、前記電流遮断機
構の作動圧より高めに設定される。

【００３２】このような構成によれば、充放電に際して
の過充電時や過放電時に外装缶１内の電極体２を構成す
る正負極中の活物質の分解や非水電解液の分解によりガ
スが発生して内圧が上昇すると、前記ガスは保護部材４
のリード取り出し穴３を通して内部端子板２１の円形部
２３に開口した複数のガス流通穴２６に流入し、さらに
絶縁板２０の円形穴１９を通してダイヤフラム１８を加
圧するため、その加圧力により前記ダイヤフラム１８が
前記内部端子板２１の円板部２３から離れるように上方
に湾曲する。

【００３３】この時、前記内部端子板２１は前記ダイヤ
フラム１８の厚さ９０％以下の厚さを有する円形肉薄部
２５の部位で前記ダイヤフラム１８と接合されているた
め、その接合部における前記円形肉薄部２５の破断強度
が前記ダイヤフラム１８の破断強度より小さくなる。そ
の結果、図３および図４に示すように前記肉薄部２５の
みが破断されてその破断片３０がダイヤフラム１８の下
面に移行され、ダイヤフラム１８自体の破断を防止でき
る。したがって、前記内部端子板２１とダイヤフラム１
８との導通が遮断され、外装缶１内の電極体２の正極と
蓋体５に筒状絶縁ガスケット１６を介してかしめ固定さ
れた筒状外部端子１４の電流経路が断たれるため、過充
電状態または過放電状態を停止させて過度の内圧上昇を
未然に防止することができる。

【００３４】また、前記内部端子板２１とダイヤフラム
１８との導通遮断においてダイヤフラム１８自体の破断
を防止できるため、外装缶１内の電解液が破断箇所から
漏れ出して電池を搭載した電子機器の破損を防止でき
る。

【００３５】さらに、前記電流経路遮断機構は前記内部
端子板２１の円形部２３の肉薄部２５と前記ダイヤフラ
ム１８とはアルミニウムからなり、それらの部材が電気
的かつ機械的に良好な接続状態で接合されているため、
落下等の衝撃によりそれら接合部が外れて電気的にオー
プン状態になるのを防止できる。

【００３６】さらに、蓋体５に環状の薄膜部からなる安
全弁９を形成することにより前記過充電・過放電におけ
る内圧上昇が急激であったり、電流経路遮断機構では対
処し得ない内部短絡が生じて内圧が上昇した場合、図３
に示すように前記安全弁９で蓋体５が開放状態になる。
その結果、急激な内圧上昇や電流経路遮断機構では対処
し得ない内部短絡が生じて外装缶１が破裂する等の事故
を未然に防止することができる。

【００３７】

【実施例】以下、本発明の実施例を前述した図１、図２
に示す角型リチウムイオン二次電池を参照して詳細に説
明する。

【００３８】（実施例１）まず、鉄からなる有底角形の
外装缶１内の底面に絶縁紙（図示せず）を配置し、この
外装缶１内に電極体２を収納した後、中央部にリード取
出用穴３が開口された有底矩形筒状の保護部材４を前記
電極体２上に配置した。

【００３９】前記電極体２は、次のような方法により作
製した。まず、リチウムコバルト複合酸化物、導電剤お
よび結着剤を溶媒の存在下で混合してペーストを調製
し、このペーストをアルミニウム基板に塗布、乾燥、圧
縮することにより正極を得た。また、グラファイトおよ
び結着剤を溶剤の存在下で混合してペーストを調製し、
このペーストを銅基板に塗布、乾燥、圧縮することによ
り負極を得た。つづいて、これら正負極間にポリエチレ
ン製の多孔質フィルムからなるセパレー５を介在させて
渦巻き状に捲回し、扁平状に成形することにより電極体
を作製した。

【００４０】次いで、前記外装缶１の開口部に鉄製の蓋
体５をレーザ溶接により気密に接合した。なお、前記蓋
体５は中心に開口された注液孔６と、作動圧力が１８．
０〜３０．０ｋｇｆの環状薄膜部からなる安全弁９と、
アルミニウムからなるケース１３、ダイヤフラム１８お
よび内部端子板２１を有する電流経路遮断機構と、前記
遮断機構に接続された外部端子１５とを備える。また、
前記蓋体５のレーザ溶接に先立って前記電極体２の正極
リード２７を前記内部端子板２１に接続した。

【００４１】前記電流経路遮断機構を構成するダイヤフ
ラム１８としては、Ａ１１００、厚さ１３０μｍのアル
ミニウム板を使用した。同遮断機構を構成する内部端子
板２１としては、Ａ１０５０、厚さ２５０μｍのアルミ
ニウム板を使用し、前記ダイヤフラム１８との接合部に
圧潰により厚さ７０μｍの円形肉薄部２５を形成した。
前記ダイヤフラム１８と前記内部端子板２１の肉薄部２
５とは超音波溶接により接合した。このような構造の電
流経路遮断機構は電流遮断圧力が７．０〜１２．０ｋｇ
ｆの範囲あった。

【００４２】次いで、六フッ化燐リチウムの電解質をエ
チレンカーボネートとメチルエチルカーボネートで溶解
した非水溶媒系電解液を前記蓋体５の注液孔６を通して
前記外装缶１内に注液した後、前記注液孔６をステンレ
ス（ＳＵＳ３０４）からなる栓８を溶接し、密閉するこ
とにより前述した図１、図２に示す構造の角型リチウム
イオン二次電池を製造した。

【００４３】（比較例１）内部端子板として、円形肉薄
部のないＡ１０５０、厚さ２５０μｍのアルミニウム板
を使用した以外、実施例１と同様な電流経路遮断機構を
有する角型リチウムイオン二次電池を製造した。なお、
前記電流経路遮断機構は電流遮断圧力が７．０〜１２．
０ｋｇｆの範囲あった。

【００４４】（比較例２）内部端子板として、円形肉薄
部のないＡ５０５２、厚さ２５０μｍのアルミニウム合
金板を使用した以外、実施例１と同様な電流経路遮断機
構を有する角型リチウムイオン二次電池を製造した。な
お、前記電流経路遮断機構は電流遮断圧力が７．０〜１
２．０ｋｇｆの範囲あった。

【００４５】得られた実施例１および比較例１，２の１
５個の二次電池について、過充電試験を行なった。その
結果を下記表１に示す。

【００４６】また、実施例１および比較例１，２の１５
個の二次電池について１５０ｃｍの高さから樫の木面に
落下させる試験を行なった。その結果を下記表１に示
す。

【００４７】

【表１】

【００４８】前記表１から明らかなように実施例１で
は、全ての二次電池の電流経路遮断機構が作動するとと
もに、電解液の漏れを生じることなく非常に安全な状態
に終息した。また、発熱温度もすべて７０℃以下であっ
た。さらに、いずれの電池も１００回の落下試験後にお
いてもダイヤフラムと内部端子板との接続性に起因する
内部抵抗の大きな変化が認められなかった。

【００４９】これに対し、比較例１では１５個中５個の
二次電池において破裂し、残りの１０個の二次電池にお
いて電流経路遮断機構と接続された外部端子付近から電
解液の漏れ出しを生じた。外部端子付近から電解液の漏
れ出しを生じた二次電池を分解して調べた。その結果、
ダイヤフラムが変形して破損されることにより電流遮断
がなされ、その破損箇所から電解液が漏れ出したことが
確認された。

【００５０】また、比較例２の二次電池では全ての二次
電池の電流経路遮断機構が作動するとともに、電解液の
漏れを生じることがなかったが、落下試験において１０
回の落下後に２個の電池が内部抵抗の増大を生じ、５０
回の落下後に残りの１３個の電池が内部抵抗の増大を生
じた。内部抵抗が増大した電池を分解して調べた。その
結果、ダイヤフラムと内部端子板との接合部が外れてオ
ープンになっていることが確認された。

【００５１】なお、実施例１では外装缶および蓋体を鉄
により作り、電極体の正極と電流系遮断機構を通して接
続される正極外部端子を前記蓋体に絶縁ガスケットを介
して取付けた構造の二次電池について説明したが、これ
に限定されない。例えば、外装缶および蓋体をアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金により作り、電極体の正極
と電流経路遮断機構を通して接続される正極外部端子を
前記蓋体に直接取付け、かつ前記蓋体に負極外部端子を
絶縁ガスケットを介して取り付け、この外部端子に電極
体の負極をリードを通して接続した構造にしてもよい。

【００５２】実施例１では角形リチウムイオン二次電池
を例にして説明したが、円筒形リチウムイオン二次電池
等にも同様に適用できる。

【００５３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば過
充電・過放電時にのガス発生に伴って内圧が上昇した場
合、電解液が外部に漏れ出すことなく、電流遮断を確実
に行なうことが可能で、かつ落下衝撃による電流経路の
オープン化を防止し得る高信頼性の非水電解液二次電池
を提供できる。

【００５４】また、本発明によれば内部短絡時のガス発
生に伴って内圧上昇した場合、ガスを外部に放出して爆
発を未然に防止する安全弁機構をさらに備えたより信頼
性の高い非水電解液二次電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる角型リチウムイオン二次電池を
示す部分切欠断面図。

【図２】図１の二次電池の要部拡大断面図。

【図３】図１の角型リチウムイオン二次電池の電流経路
遮断機構および安全弁の作動状態を示す部分切欠断面
図。

【図４】図３の二次電池の要部拡大断面図。

【符号の説明】

１…外装缶、 ２…電極体、 ５…蓋体、 ６…注液孔、 ９…安全弁、 １３…金属ケース、 １８…ダイヤフラム、 ２１…内部端子板、 ２５…円形肉薄部、 ２６…ガス流通孔、 ２７…正極リード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿左美 義明 神奈川県川崎市幸区堀川町72番地 株式会 社エイ・ティーバッテリー内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内圧上昇に伴うダイヤフラムの変形によ
   り、このダイヤフラムと所望の部位で電気的かつ機械的
   に接合される内部端子板から分離して電流経路を遮断す
   る機構を具備し、 前記ダイヤフラムおよび前記内部端子板はアルミニウム
   から作られ、かつ前記接合部に位置する前記内部端子板
   の厚さは、同接合部に位置する前記ダイヤフラムの厚さ
   の９０％以下であることを特徴とする非水電解液二次電
   池。
2. 【請求項２】 前記内部端子板は、前記ダイヤフラムと
   の接合部の厚さがその周囲部分のそれより薄いことを特
   徴とする請求項１記載の非水電解液二次電池。
3. 【請求項３】 内圧を開放するための安全弁機構は、前
   記電流経路遮断機構に対して極性の異なる部材に形成さ
   れることを特徴とする請求項１記載の非水電解液二次電
   池。