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WO2014006883A1 - 密閉型二次電池 - Google Patents

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WO2014006883A1
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conductor plate
secondary battery
opening
hole
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PCT/JP2013/004098
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万郷 藤川
明宏 前田
智彦 横山
啓介 清水
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Priority to JP2014523598A priority patent/JP6108119B2/ja
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a sealed secondary battery, and more particularly, to an improvement in a sealed secondary battery having a valve mechanism for discharging gas generated inside the battery to the outside.
  • a sealed secondary battery having a high energy density may undergo a rapid reaction when an internal short circuit or an external short circuit occurs, and a large amount of gas may be generated inside the battery.
  • a secondary battery when such a secondary battery is heated to a high temperature or subjected to a large impact, a rapid reaction may occur inside the battery and a large amount of gas may be generated.
  • a sealed secondary battery with a particularly high energy density is a valve that operates to quickly discharge the gas generated inside the battery to the outside and suppress an increase in the internal pressure of the battery case. It has a mechanism.
  • an electrode group is configured by winding a plate-like or sheet-like positive electrode and negative electrode in a spiral shape with a separator interposed therebetween.
  • the electrode group is housed in the battery case together with the electrolytic solution.
  • the electrode group may be configured by laminating a positive electrode and a negative electrode with a separator interposed therebetween.
  • the opening of the battery case is sealed by the sealing unit after the electrode group and the electrolytic solution are stored in the case.
  • the sealing unit has a valve mechanism.
  • the positive electrode is connected to, for example, a sealing unit via a positive electrode lead
  • the negative electrode is connected to, for example, the bottom of a battery case via a negative electrode lead.
  • the sealing unit functions as a positive electrode terminal of the battery
  • the battery case functions as a negative electrode terminal.
  • insulating plates are respectively arranged above and below the electrode group inside the battery case (the opening side is “up” and the bottom side of the battery case is “down”). By disposing the insulating plates above and below the electrode group, the electrode group is prevented from moving inside the battery case and the electrode group from being deformed. As a result, contact between the positive electrode and the negative electrode lead can be prevented.
  • Patent Document 1 discloses a valve mechanism by optimizing the area of a vent hole provided in an insulating plate (hereinafter referred to as an upper insulating plate) disposed on an electrode group inside a battery case. Has been proposed to function effectively.
  • the present invention has been made in view of such problems, and its main purpose is to ensure sufficient exhaust capacity in a sealed secondary battery having a valve mechanism.
  • the present invention includes an electrode group including a positive electrode, a negative electrode, and a separator; A case having an opening for housing the electrode group; An insulating plate disposed in a position closer to the opening than the electrode group in the case; A sealing unit for sealing the opening of the case,
  • the sealing unit includes a first conductor plate, a second conductor plate, and a valve body interposed between the first conductor plate, the first conductor plate is located on the outer side of the case, and the second conductor plate is It is attached to the opening of the case so as to be located on the inner side of the case,
  • the first conductor plate has a first hole through which gas passes,
  • the insulating plate has a second hole for passing gas,
  • An opening area S1 (mm 2 ) of the first hole and an opening area S2 (mm 2 ) of the second hole are: (3 / t + 12) mm 2 ⁇ S1 ⁇ S2 Wherein the coefficient t of the inequality corresponds to the thickness (mm) of the case.
  • the gas generated inside the battery is quickly discharged to the outside. Therefore, the safety of the sealed secondary battery can be improved.
  • the sealed secondary battery of the present invention includes a case having an opening for housing an electrode group having a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and an insulating plate disposed in the case closer to the opening than the electrode group And a sealing unit for sealing the opening of the case.
  • the sealing unit includes a first conductor plate, a second conductor plate, and a valve body interposed therebetween. The sealing unit is attached to the opening of the case so that the first conductor plate is located on the outer side of the case and the second conductor plate is located on the inner side of the case.
  • the 1st conductor board has the 1st hole for letting gas pass.
  • the insulating plate has a second hole through which gas passes.
  • the opening area S1 (mm 2 ) of the first hole and the opening area S2 (mm 2 ) of the second hole are set so as to satisfy the following inequality. (3 / t + 12) mm 2 ⁇ S1 ⁇ S2
  • the coefficient t in the above inequality corresponds to the thickness (mm) of the case. It should be noted that the coefficient t is preferably determined based on, for example, the thickness of the side wall when the thickness of the case is different at each part of the case (for example, when the side wall and the bottom are different).
  • the opening area S2 of the second hole provided in the insulating plate is set to be larger than the opening area S1 of the first conductor plate.
  • the opening areas of the first hole and the second hole can be appropriately set according to the strength of the case. This is because the strength of the case greatly depends on its thickness.
  • the first hole and the second hole having appropriate opening areas can be handled so that the gas inside the case can be quickly discharged by the valve mechanism without causing extreme deformation of the case. It can provide in each member (1st conductor board, insulating board) to do. By providing such first hole and second hole in each corresponding member, sufficient exhaust capacity by the valve mechanism can be obtained, and sufficient safety of the sealed secondary battery can be ensured.
  • the opening area S1 can be set to a necessary minimum area, and thereby the above-described effect can be obtained without impairing the original function of each member. For example, a decrease in strength of the first conductor plate constituting the sealing unit can be minimized.
  • a 1st conductor board is a member located in the exterior side of a case in a sealing unit.
  • the first conductor plate usually doubles as a positive electrode (external) terminal of the battery. Therefore, since external force of various magnitudes is applied to the first conductor plate, it is desired to form the first conductor plate so as to ensure a certain level of strength.
  • the opening area S1 of the first hole is too large, it is difficult to ensure such strength.
  • the upper limit value UV of the opening area S1 is, for example, 5% of the planar view area PS of the first conductor plate (for example, the projected area when the battery is viewed from the opening side) and the lower limit value LV of 1.
  • the smaller area is preferred.
  • an inequality, (3 / t + 12) mm 2 ⁇ S1 ⁇ 0.05 ⁇ PS, or (3 / t + 12) mm 2 ⁇ S1 ⁇ 1.6 ⁇ (3 / t + 12) mm 2 Is preferably satisfied.
  • the upper limit of opening area S2 it can set suitably in the range which does not impair the insulation function inside the case by an insulating board.
  • the gas can be quickly discharged without impairing the effect of providing the first hole with the sufficient opening area S1 in the first conductor plate. it can. Further, when an abnormality such as an internal short circuit occurs and the internal pressure of the case suddenly increases, the increase in pressure can be promptly transmitted to the valve mechanism. Thereby, the valve mechanism can be operated without delay, and the case internal pressure can be quickly reduced.
  • the coefficient t corresponds to the case thickness of 0.1 mm or more and 0.25 mm or less.
  • the present invention is particularly effective for a sealed secondary battery having a thick case in such a range.
  • the volume of the case decreases as the thickness of the case increases. For this reason, if the thickness of the case is increased more than necessary, the desired energy density of the sealed secondary battery may not be obtained. Therefore, the case thickness is preferably 0.25 mm or less.
  • the first conductor plate and the valve plate include aluminum, and the second conductor plate includes iron or stainless steel.
  • iron, stainless steel, etc. are preferable.
  • a high energy density sealed secondary battery having an energy density of 600 Wh / L or more is prone to extreme deformation of the case due to an increase in the internal pressure of the case. Therefore, there is a great need to apply the present invention to such a battery. Therefore, the present invention is particularly effective for a battery having a cylindrical case. This is because, if the case is cylindrical, it is easy to increase the ratio of the electrode group in the internal volume of the case, and thus it is easy to increase the energy density of the sealed secondary battery. Furthermore, the present invention typically has a cylindrical battery with a case diameter of 17.8 to 18.5 mm and a total height of the case of 64.0 to 65.2 mm (cylindrical battery of 18650 size). It can be particularly preferably applied to.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a sealed secondary battery according to the present embodiment.
  • a battery 100 shown in FIG. 1 is an example of a sealed secondary battery, and a positive electrode 1 and a negative electrode 2 are wound with a separator 3 interposed therebetween to form an electrode group 4.
  • the electrode group 4 is housed inside the case 5 together with an electrolyte (not shown).
  • the opening of the case 5 is sealed by the sealing unit 10 via the gasket 14.
  • the sealing unit 10 is configured by laminating a first conductor plate 11 which is a hat-shaped terminal plate, a valve body 12 which is a component of the valve mechanism, and a dish-like second conductor plate 13.
  • a first conductor plate 11 which is a hat-shaped terminal plate
  • a valve body 12 which is a component of the valve mechanism
  • a dish-like second conductor plate 13 In FIG. 1, the height of the convex portion of the first conductor plate 11 is exaggerated. Actually, since the first conductor plate 11 is substantially flat, the area of the first hole 11a is equal to the projected area of the first hole 11a when the battery is viewed from the opening side.
  • the first conductor plate 11 positive electrode 1 is connected to the second conductor plate 13 via the positive electrode lead 8.
  • the negative electrode 2 is connected to the bottom of the case 5 via the negative electrode lead 9.
  • An insulating plate 6 (also referred to as an upper insulating plate) and an insulating plate 7 (also referred to as a lower insulating plate) are respectively provided above and below the electrode group 4 (the opening side is referred to as “upper” and the bottom side is referred to as “lower”). ) Are arranged respectively.
  • the upper insulating plate 6 is fixed by a recess 5a formed so that the side wall of the case 5 protrudes inward.
  • the first conductor plate 11 is formed with a first hole 11a through which gas exhausted by the valve mechanism passes.
  • a vent hole 13 a is also formed in the second conductor plate 13.
  • the insulating plate 6 is formed with a second hole 6a through which gas exhausted by the valve mechanism passes.
  • the valve mechanism is configured by welding a central portion of the valve body 12 formed of, for example, a circular thin metal sheet to the central portion of the valve substrate 21.
  • the outer periphery of the valve body 12 is located between the outer periphery of the valve substrate 21 and the outer periphery of the first conductor plate 11 via a donut disk-shaped PTC (positive temperature coefficient) element plate 22. It is sandwiched between and fixed.
  • the valve substrate 21 has at least one vent hole 12a and a welded portion 21a to which the valve body 12 is welded in the central portion.
  • the relationship between the opening area S1 (mm 2 ) and the opening area S2 (mm 2 ) is set so as to satisfy the following inequality (1). (3 / t + 12) mm 2 ⁇ S1 ⁇ S2 (1)
  • the coefficient t in the inequality (1) corresponds to the thickness (mm 2 ) of the case 5.
  • the coefficient t specifically corresponds to the thickness of the case 5 that covers the side surface of the electrode group 4 disposed between the insulating plate 6 and the insulating plate 7.
  • the first conductor plate 11 of the sealing unit 10 also serves as the positive electrode terminal of the battery.
  • the opening area S1 it is preferable to make the opening area S1 as small as possible.
  • the preferable upper limit UV of the opening area S1 is, for example, an area of 5% of the planar view area PS of the first conductor plate (for example, the area when the battery is viewed from the opening side, mm 2 ), Of the area 1.6 times the lower limit LV, the area is equal to the smaller one.
  • the case thickness (coefficient t) be 0.1 mm or more.
  • the thickness of case 5 increases, the internal volume of the case decreases. For this reason, it is preferable that the thickness of case 5 is 0.25 mm or less.
  • the shape of the first hole 11a of the first conductor plate 11 and the number of holes are not particularly limited. The same applies to the second hole.
  • the second conductor plate 13 and the valve substrate 12 are usually formed of aluminum foil. And the temperature of the gas generated at the time of abnormality such as an internal short circuit is usually higher than the melting point of aluminum. For this reason, the second conductor plate 13 and the valve substrate 12 are easily melted by the gas. Therefore, as for the opening area of the holes that they have, the necessary amount for exhaust is quickly secured. As a result, it is mainly the opening area S1 of the first hole 11a of the first conductor plate 11 made of iron that restricts the exhaust capability of the valve mechanism in the event of an abnormality.
  • the insulating plate does not melt because the melting point of glass is higher than the generated gas.
  • the opening area S2 is made larger than the opening area S1
  • the presence of the insulating plate does not regulate the exhaust capability of the valve mechanism.
  • a lithium ion secondary battery having the following configuration As a sealed secondary battery, a lithium ion secondary battery having the following configuration was produced. A slurry in which a positive electrode active material made of lithium nickelate in which a part of nickel is replaced with cobalt and aluminum, a binder made of polyvinylidene fluoride (PVDF), and a conductive agent made of acetylene black are dispersed in a dispersion medium (positive electrode slurry ) was prepared. The positive electrode was prepared by applying a positive electrode slurry to the surface of a positive electrode current collector made of aluminum, drying the coating film of the slurry, and rolling the coating film.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • a slurry (negative electrode slurry) in which a negative electrode active material made of graphite and a binder made of styrene-butadiene rubber were dispersed in a dispersion medium was prepared.
  • the negative electrode 2 was prepared by applying a negative electrode slurry to the surface of a negative electrode current collector made of copper foil, drying the slurry coating, and rolling the coating.
  • the positive electrode and the negative electrode obtained as described above were wound with a separator made of polyethylene interposed therebetween to produce a columnar electrode group.
  • This was housed in a cylindrical case having an outer diameter of 18 mm, and an electrolytic solution was injected into the case. Thereafter, the opening of the case was sealed with a sealing unit via a gasket.
  • a lithium ion secondary battery of 18650 size was produced as a sealed secondary battery.
  • the capacity of the battery was 2.86 Ah, and the amount of power was 10.3 Wh.
  • the first conductor plate, the valve body, and the second conductor plate constituting the sealing unit are respectively an iron sheet having a thickness of 0.4 mm, an aluminum sheet having a thickness of 0.15 mm, and an aluminum sheet having a thickness of 0.4 mm.
  • a glass phenol resin having a thickness of 0.3 mm was used for the insulating plate.
  • a test battery is manufactured by changing the opening area S1 of the first hole of the first conductor plate and the opening area S2 of the second hole of the insulating plate (upper insulating plate). A sex test was conducted.
  • the opening area S2 was uniformly 80 mm 2 .
  • the battery was forced into a thermal runaway state by applying heat from the outside so that the temperature of the test battery was 200 ° C. Then, it was examined whether the case of each test battery was extremely deformed or damaged.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of the above safety test.
  • the black circles in the figure indicate the data of the test battery whose case was not deformed extremely.
  • a cross indicates data of a test battery in which the case is extremely deformed or damaged.
  • the test battery having an opening area S1 larger than (3 / t + 12) mm 2 did not cause extreme deformation in the case.
  • the test battery having an opening area S1 smaller than (3 / t + 12) mm 2 the tendency of extreme deformation in the case is remarkable. From the above results, by setting the opening area S1 to be larger than (3 / t + 12) mm 2, even if a large amount of gas is generated inside the battery at the time of abnormality such as an internal short circuit, the gas is quickly removed by the valve mechanism. It was confirmed that it can be discharged. From the above, it is confirmed that the safety of the sealed secondary battery can be improved by satisfying (3 / t + 12) mm 2 ⁇ S1 ⁇ S2 or (3 / t + 12) mm 2 ⁇ S1 ⁇ S2. It was.
  • test battery having a capacity of 2.6 Ah and an electric energy of 9.4 Wh was manufactured in the same procedure as described above. The same safety test as described above was performed on the test battery. Also in this case, the test battery having an opening area S1 larger than (3 / t + 12) (mm 2 ) did not undergo extreme deformation in the case.
  • the sealed secondary battery having an 18650 size and an energy density exceeding 10 Wh is an example of a sealed secondary battery having a volume energy density exceeding 600 Wh / L.
  • a lithium ion secondary battery is taken as an example of a sealed secondary battery.
  • the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to other nonaqueous electrolyte secondary batteries.
  • an electrode group in which the positive electrode and the negative electrode are wound in a spiral shape with a separator interposed therebetween is shown.
  • the electrode group is not limited to this, and the positive electrode and the negative electrode may be laminated via a separator.
  • the cylindrical secondary battery was mentioned as an example as a sealed secondary battery.
  • the present invention can be applied to a rectangular secondary battery.
  • the present invention is useful as a power source for driving automobiles, electric motorcycles, electric playground equipment and the like.
  • SYMBOLS 1 Positive electrode, 2 ... Negative electrode, 3 ... Separator, 4 ... Electrode group, 5 ... Case, 5a ... Recessed part, 6 ... (Upper) insulating plate, 6a ... 2nd hole, 7 ... Lower insulating plate, 8 ... Positive electrode Lead, 9 ... negative electrode lead, 10 ... sealing unit, 11 ... first conductor plate, 11a ... first hole, 12 ... valve body, 12a, 13a ... vent hole, 13 ... second conductor plate, 14 ... gasket, 21 ... Valve substrate, 21a ... weld, 22 ... PTC element plate, 100 ... battery, S1, S2 ... opening area

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Abstract

　密閉型二次電池は、正極、負極およびセパレータを有する電極群を収納する、開口部を有するケースと、ケースの内部で電極群よりも開口部に近い位置に配される絶縁板と、ケースの開口部を封口する封口ユニットと、を備える。封口ユニットは、第１導体板と第２導体板とを、弁機構を間に挟んで積層して構成される。第１導体板がケースの外部側に位置し、第２導体板がケースの内部側に位置する。第１導体板の第１孔の開口面積Ｓ１（ｍｍ2）と、絶縁板の第２孔の開口面積Ｓ２（ｍｍ2）とが、不等式（３／ｔ＋１２）ｍｍ2≦Ｓ１＜Ｓ２を満足している。ただし、係数ｔは、ケースの肉厚（ｍｍ）と対応している。

Description

密閉型二次電池
　本発明は、密閉型二次電池に関し、特に、電池の内部で発生したガスを外部に排出するための弁機構を備えた密閉型二次電池の改良に関する。
　エネルギ密度が高い密閉型二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池）は、内部短絡や外部短絡が発生すると、急激な反応が起こり、電池の内部で多量のガスが発生することがある。あるいは、そのような二次電池が高温に加熱されたり、大きな衝撃を受けたりすると、電池の内部で急激な反応が起こり、多量のガスが発生することがある。その結果、電池ケースの内圧が急激に上昇すると、ケースが極端に変形することもあり得る。そのような不都合を防止するために、特にエネルギ密度が高い密閉型二次電池は、電池の内部で発生したガスを速やかに外部に排出し、電池ケースの内圧の上昇を抑えるように作動する弁機構を有している。
　以下に、密閉型二次電池の構造、ないしは製造方法を簡単に説明する。例えば円筒形電池であれば、板状またはシート状の正極及び負極を、これらの間にセパレータを介在させて、渦巻き状に捲回することで電極群が構成される。電極群は、電解液とともに電池ケースに収納される。また、扁平電池や角形電池であれば、正極及び負極を、間にセパレータを介在させて積層することで、電極群を構成してもよい。
　電池ケースの開口部は、電極群と電解液をケースに収納した後、封口ユニットにより封口される。通常、封口ユニットが弁機構を有している。正極は、正極リードを介して例えば封口ユニットに接続され、負極は、負極リードを介して例えば電池ケースの底部に接続される。この場合には、封口ユニットが電池の正極端子として機能し、電池ケースが負極端子として機能する。
　また、電池ケースの内部で電極群の上下（開口部側を「上」とし、電池ケースの底部側を「下」とする）には、それぞれ、絶縁板が配置される。絶縁板を電極群の上下に配置することで、電極群が電池ケースの内部で移動したり、電極群が変形したりすることが防止される。その結果、正極と負極リードとの接触などを防止することができる。
　弁機構が封口ユニットに備えられた密閉型二次電池では、十分な速度で電池ケースの内部のガスを外部に排出することが重要である。特に、電池のエネルギ密度が高い場合には、内部短絡等の異常によりガスが急激に発生する。このため、電池ケースの内圧の上昇も急激となり、ケースが極端に変形することもあり得る。したがって、異常時に急激に上昇するケース内圧を速やかに低下させるように、弁機構の排気能力を十分に確保することが望まれる。
　上記の課題に関連して、特許文献１は、電池ケースの内部で電極群の上に配置する絶縁板（以下、上側絶縁板という）に設ける通気孔の面積を適正化することで、弁機構を有効に機能させることを提案している。
特開２００７－２９４４４０号公報
　封口ユニットに設けた弁機構による排気能力を十分に確保するために、上側絶縁板に適切な面積の通気孔を設けることは確かに重要である。しかしながら、弁機構の排気能力を十分に確保するためには、上側絶縁板の通気孔の面積を適正化するだけでは十分とはいえない。排気経路を形成する各要素について、さらなる検討を行うことが望まれる。
　本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであり、その主な目的は、弁機構を有する密閉型二次電池において、十分な排気能力を確保することにある。
　そこで、本発明は、正極、負極およびセパレータを含む電極群と、
　前記電極群を収納する、開口部を有するケースと、
　前記ケースの内部で前記電極群よりも前記開口部に近い位置に配される絶縁板と、
　前記ケースの開口部を封口する封口ユニットと、を備え、
　前記封口ユニットは、第１導体板と、第２導体板と、これらの間に介在する弁体とを含み、前記第１導体板が前記ケースの外部側に位置し、前記第２導体板が前記ケースの内部側に位置するように、前記ケースの前記開口部に装着されており、
　前記第１導体板は、ガスを通すための第１孔を有しており、
　前記絶縁板は、ガスを通すための第２孔を有しており、
　前記第１孔の開口面積Ｓ１（ｍｍ2）と、前記第２孔の開口面積Ｓ２（ｍｍ2）とが、
　（３／ｔ＋１２）ｍｍ2≦Ｓ１＜Ｓ２
を満たし、ただし、前記不等式の係数ｔは、前記ケースの肉厚（ｍｍ）と対応している、密閉型二次電池を提供する。
　本発明によれば、電池ケースの内圧が急激に上昇したときに、電池の内部で発生したガスが速やかに外部に排出される。これにより、密閉型二次電池の安全性を向上させることができる。
　本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成及び内容の両方に関し、本発明の他の目的及び特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
本発明の一実施形態に係る密閉型二次電池の概略構成を示す断面図である。 密閉型二次電池の封口ユニットに設けた弁機構の排気能力と、第１導体板に設けた第１孔の開口面積Ｓ１と、ケース肉厚との関係を示したグラフである。
　本発明の密閉型二次電池は、正極、負極およびセパレータを有する電極群を収納する、開口部を有するケースと、そのケースの内部で電極群よりも開口部に近い位置に配される絶縁板と、ケースの開口部を封口する封口ユニットと、を備える。封口ユニットは、第１導体板と、第２導体板と、これらの間に介在する弁体とを含む。そして、封口ユニットは、第１導体板がケースの外部側に位置し、第２導体板がケースの内部側に位置するように、ケースの開口部に装着されている。第１導体板は、ガスを通すための第１孔を有している。絶縁板も、同様に、ガスを通すための第２孔を有している。そして、第１孔の開口面積Ｓ１（ｍｍ2）と、第２孔の開口面積Ｓ２（ｍｍ2）とは、下記不等式を満足するように設定されている。
　（３／ｔ＋１２）ｍｍ2≦Ｓ１＜Ｓ２
　ただし、上記不等式の係数ｔは、ケースの肉厚（ｍｍ）と対応している。なお、係数ｔは、ケースの肉厚がケースの各部で異なる場合（例えば側壁と底部で異なる場合）には、例えば側壁の肉厚を基準として決めるのが好ましい。
　上記の不等式に示されているように、本発明においては、第１導体板に設けられる第１孔の開口面積Ｓ１の下限値ＬＶ（＝３／ｔ＋１２）が、ケースの肉厚（係数ｔ）に応じて設定される。さらに、絶縁板に設けられる第２孔の開口面積Ｓ２は、第１導体板の開口面積Ｓ１よりも大きな面積に設定される。以上により、第１孔および第２孔の開口面積を、ケースの強度に対応して、適切に設定することが可能となる。ケースの強度は、その肉厚に大きく依存するからである。
　本発明によれば、ケースに極端な変形を生じさせることなく、速やかにケース内部のガスを弁機構により排出することができるように、適切な開口面積の第１孔および第２孔を、対応する各部材（第１導体板、絶縁板）に設けることができる。そのような第１孔および第２孔を対応する各部材に設けることで、弁機構による十分な排気能力を得て、密閉型二次電池の十分な安全性を確保することができる。また、開口面積Ｓ１を必要最小限の面積とすることが可能であり、これにより、各部材の本来の機能を損なわずに上記の効果を得ることができる。例えば封口ユニットを構成する第１導体板の強度の低下を最小限度に抑えることができる。
　第１導体板は、封口ユニットの中でケースの外部側に位置する部材である。このため、第１導体板は、通常、電池の正極（外部）端子を兼ねている。したがって、第１導体板には様々な大きさの外力が掛かるので、ある程度以上の強度を確保するように第１導体板を形成することが望まれる。このときに第１孔の開口面積Ｓ１が余りにも大きいと、そのような強度を確保することが困難となる。このため、開口面積Ｓ１の上限値ＵＶは、第１導体板の平面視面積ＰＳ（例えば電池を開口部側から見たときの投影面積）の例えば５％の面積と、下限値ＬＶの１．６倍の面積のうち、小さい方の面積とするのが好ましい。その結果、開口面積Ｓ１については、不等式、（３／ｔ＋１２）ｍｍ2≦Ｓ１≦０．０５×ＰＳ、または、（３／ｔ＋１２）ｍｍ2≦Ｓ１≦１．６×（３／ｔ＋１２）ｍｍ2が満足されることが好ましい。なお、開口面積Ｓ２の上限については、絶縁板によるケース内部の絶縁機能を損なわない範囲で、適宜に設定することができる。
　また、開口面積Ｓ２を開口面積Ｓ１よりも大きな面積に設定することで、第1導体板に十分な開口面積Ｓ１の第１孔を設けた効果を損なわずに、ガスを速やかに排出することができる。また、内部短絡等の異常が発生してケース内圧が急激に上昇したときに、その圧力の上昇を弁機構に速やかに伝えることも可能となる。これにより、弁機構を遅滞なく作動させて、速やかにケース内圧を低下させることができる。
　本発明の一形態においては、係数ｔは、０．１ｍｍ以上、かつ０．２５ｍｍ以下のケースの肉厚と対応している。そのような範囲の肉厚のケースを有する密閉型二次電池に対して、本発明は、特に有効である。ケースの内圧が異常に上昇したときにケースが極端に変形しない程度のケースの強度を得るためには、ケースの肉厚を０．１ｍｍ以上に設定することが望ましい。一方で、ケースの肉厚を厚くするほどにケースの容積が減少する。このため、ケースの肉厚を必要以上に厚くすると、密閉型二次電池の望ましいエネルギ密度が得られなくなり得る。したがって、ケースの肉厚は０．２５ｍｍ以下であることが好ましい。
　また、本発明の一形態においては、第１導体板および弁板は、アルミニウムを含み、第２導体板は、鉄、もしくはステンレス鋼を含む。なお、ケースの材質としては、鉄、ステンレス鋼等が好ましい。
　エネルギ密度が６００Ｗｈ／Ｌ以上であるような、高エネルギ密度の密閉型二次電池は、ケース内圧の上昇によるケースの極端な変形が起こりやすい。したがって、そのような電池に対して、本発明を適用すべき必要性は大きい。それゆえ、本発明は、特にケースが円筒形状である電池に対して特に有効である。ケースが円筒形状であれば、ケースの内容積に占める電極群の割合を高くすることが容易であるので、密閉型二次電池を高エネルギ密度化することも容易だからである。さらに、本発明は、代表的には、ケースの直径が１７．８～１８．５ｍｍであり、ケースの総高が６４．０～６５．２ｍｍである円筒型電池(１８６５０サイズの円筒型電池)に特に好適に適用できる。
　以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、下記の実施形態を適宜変更することが可能である。さらに、本実施形態を他の実施形態と組み合わせたり、他の実施形態を互いに組み合わせたりすることも可能である。
　図１に、本実施形態に係る密閉型二次電池の概略構成を断面図により示す。図１に示す電池１００は、密閉型二次電池の一例であり、正極１及び負極２が、これらの間にセパレータ３を介在させて捲回されて、電極群４が構成されている。電極群４は、図示しない電解液とともに、ケース５の内部に収納されている。ケース５の開口部は、ガスケット１４を介して、封口ユニット１０により封口されている。
　封口ユニット１０は、断面ハット状の端子板である第１導体板１１、弁機構の構成要素である弁体１２、および、皿状の第２導体板１３を積層して構成されている。なお、図１は、第１導体板１１の凸部の高さを誇張している。実際には、第１導体板１１は、ほぼ平坦なので、第１孔１１ａの面積は、電池を開口部側から見た第１孔１１ａの投影面積と同等である。第１導体板１１正極１は、正極リード８を介して第２導体板１３に接続されている。負極２は、負極リード９を介してケース５の底部に接続されている。電極群４の上下（開口部側を「上」とし、底部側を「下」とする）には、それぞれ、絶縁板６（上側絶縁板ともいう）及び絶縁板７（下側絶縁板ともいう）が、それぞれ配置されている。なお、上側絶縁板６は、ケース５の側壁を内側に突出させるようにして形成された窪み部５ａにより固定されている。
　第１導体板１１には、弁機構により排気されるガスが通過する第１孔１１ａが形成されている。第２導体板１３にも通気孔１３ａが形成されている。絶縁板６には、弁機構により排気されるガスが通過する第２孔６ａが形成されている。また、弁機構は、例えば円形の薄い金属シートから形成された弁体１２の中央部を、弁基板２１の中央部に溶接して構成されている。弁体１２の外周部は、ドーナッツ円板状のＰＴＣ（positive temperature coefficient：正の温度係数）素子板２２を介して、弁基板２１の外周部と、第１導体板１１の外周部との間に挟まれて、固定されている。弁基板２１は、少なくとも１つの通気孔１２ａと、弁体１２が溶接される溶接部２１ａを中央部に有している。以上の構成により、弁体１２は、内部短絡等に起因してケース５の内圧が所定圧力まで上昇すると、その圧力により破断する。これにより、弁機構が作動する。弁機構が作動すると、ケース内のガスは、絶縁板６の第２孔６ａ、第２導体板１３の通気孔１３ａ、弁基板２１の通気孔１２ａ、第１導体板１１の第１孔１１ａといった排気経路を介して、電池外に排出される。
　ここで、開口面積Ｓ１（ｍｍ2）と、開口面積Ｓ２（ｍｍ2）との関係は、下記不等式（１）を満足するように設定される。
　（３／ｔ＋１２）ｍｍ2≦Ｓ１＜Ｓ２                 （１）
　ただし、上記不等式（１）の係数ｔは、ケース５の肉厚（ｍｍ2）と対応している。開口面積Ｓ１およびＳ２を、ケース５の肉厚を基準に設定することで、内圧の上昇によりケース５が極端に変形しないように、適切に、開口面積Ｓ１およびＳ２を設定することが可能となる。ここで、係数ｔは、具体的には、絶縁板６と絶縁板７との間に配置された電極群４の側面を覆っている箇所のケース５の肉厚と対応している。
　封口ユニット１０の第１導体板１１は上述したように電池の正極端子を兼ねている。このため、開口面積Ｓ１は、可能な限り小さくすることが好ましい。より具体的には、開口面積Ｓ１の好ましい上限値ＵＶは、第１導体板の平面視面積ＰＳ（例えば電池を開口部側から見たときの面積、ｍｍ2）の例えば５％の面積と、下限値ＬＶの１．６倍の面積のうち、小さい方と等しい面積である。また、ケース内圧が異常に上昇したときにケース５が破裂しない強度を確保するためには、ケースの肉厚（係数ｔ）は、０．１ｍｍ以上にすることが望ましい。一方で、ケース５の肉厚が厚くなるに伴って、ケースの内容積は小さくなる。このため、ケース５の肉厚は０．２５ｍｍ以下であることが好ましい。第１導体板１１の第１孔１１ａの形状や孔の数は特に限定されない。第２孔についても同様である。
　なお、第２導体板１３の通気孔１３ａ、および弁基板２２の通気孔１２ａの開口面積に関し、第２導体板１３および弁基板１２は通常アルミニウム箔から形成される。そして、内部短絡等の異常時に発生するガスの温度は、通常、アルミニウムの融点よりも高い。このため、第２導体板１３および弁基板１２はガスにより容易に溶融する。したがって、それらが有する孔の開口面積については、排気のための必要量が速やかに確保される。その結果、異常時に弁機構の排気能力を制限するのは、主に、鉄製である第１導体板１１の第１孔１１ａの開口面積Ｓ１となる。また、密閉型電池にガラスフェノール製の絶縁板が使用された場合には、ガラスの融点が発生ガスよりも高いために絶縁板も溶融しない。ただし、開口面積Ｓ１よりも開口面積Ｓ２を大きくすることで、絶縁板の存在は、弁機構による排気能力を規制しない。
　以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、下記の実施例に限定されない。
（実施例）
　密閉型二次電池として、以下の構成のリチウムイオン二次電池を作製した。ニッケルの一部をコバルトとアルミニウムで置換したニッケル酸リチウムからなる正極活物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる結着剤、及びアセチレンブラックからなる導電剤を分散媒に分散させたスラリー（正極スラリー）を調製した。正極は、アルミニウムからなる正極集電体の表面に、正極スラリーを塗布し、そのスラリーの塗膜を乾燥した後、その塗膜を圧延して作製した。
　黒鉛からなる負極活物質、及びスチレン－ブタジエンゴムからなる結着剤を分散媒に分散させたスラリー（負極スラリー）を調製した。負極２は、銅箔からなる負極集電体の表面に、負極スラリーを塗布し、そのスラリーの塗膜を乾燥した後、その塗膜を圧延して作製した。
　上記のようにして得られた正極及び負極を、ポリエチレンからなるセパレータを間に介在させて捲回することで円柱状の電極群を作製した。これを外径１８ｍｍの円筒形のケースに収納するとともに、電解液を上記のケースに注入した。その後、ケースの開口部を、ガスケットを介して封口ユニットにより封口した。そのようにして、密閉型二次電池として１８６５０サイズのリチウムイオン二次電池を作製した。その電池の容量は２．８６Ａｈ、電力量は１０．３Ｗｈであった。
　なお、封口ユニットを構成する第１導体板、弁体、及び第２導体板には、それぞれ、厚み０．４ｍｍの鉄シート、厚み０．１５ｍｍのアルミニウムシート、及び厚み０．４ｍｍのアルミニウムシートを用いた。また、絶縁板には、厚み０．３ｍｍのガラスフェノール樹脂を用いた。そして、第１導体板の第１孔の開口面積Ｓ１、および絶縁板（上側絶縁板）の第２孔の開口面積Ｓ２を変化させて試験電池を作製し、それぞれの試験電池について、電池の安全性に関する試験を行った。開口面積Ｓ２は、一律に８０ｍｍ2とした。
　その安全性に関する試験においては、試験電池の温度を２００℃とするように、外部から熱を加えることで、強制的に電池を熱暴走状態にした。そして、各試験電池のケースが極端に変形、ないしは破損したか否かを調べた。
　図２は、上記の安全性に関する試験の結果を示したグラフである。図中の黒丸が、ケースが極端に変形しなかった試験電池のデータを示している。×印が、ケースが極端に変形、ないしは破損した試験電池のデータを示している。
　図２に示されているように、開口面積Ｓ１が（３／ｔ＋１２）ｍｍ2より大きい試験電池は、ケースに極端な変形が生じなかった。これに対して、開口面積Ｓ１が（３／ｔ＋１２）ｍｍ2よりも小さい試験電池は、ケースに極端な変形が生じる傾向が顕著である。以上の結果から、開口面積Ｓ１を（３／ｔ＋１２）ｍｍ2より大きくすることで、内部短絡等の異常時に電池の内部で多量のガスが発生しても、そのガスを弁機構により速やかに外部に排出することができることが確かめられた。以上により、（３／ｔ＋１２）ｍｍ2≦Ｓ１＜Ｓ２、もしくは、（３／ｔ＋１２）ｍｍ2＜Ｓ１＜Ｓ２が満足されることで、密閉型二次電池の安全性を向上させ得ることが確かめられた。
　また、容量が２．６Ａｈであり、電力量が９．４Ｗｈである試験電池を、上記と同様の手順で作製した。その試験電池に対して、上記と同様の安全性に関する試験を実施した。この場合にも、開口面積Ｓ１が（３／ｔ＋１２）（ｍｍ2）より大きい試験電池には、ケースに極端な変形が生じなかった。なお、１８６５０サイズでエネルギ密度が１０Ｗｈを超える密閉型二次電池は、体積エネルギ密度が６００Ｗｈ／Ｌを超える密閉型二次電池の一例である。
　以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は本発明を限定するものではなく、上述の実施形態を、本発明の範囲内で種々改変することが可能である。例えば、上記実施形態においては、密閉型二次電池としてリチウムイオン二次電池を例に挙げた。これに限定されず、他の非水電解質二次電池にも本発明は適用することができる。
　また、上記実施形態においては、正極及び負極を、セパレータを介して渦巻き状に捲回した電極群を示した。これに限られず、電極群は、正極及び負極を、セパレータを介して積層したものであってもよい。さらに、上記実施形態においては、密閉型二次電池として、円筒形の二次電池を例に挙げた。これに限定されず、例えば角形の二次電池にも本発明は適用することができる。
　本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。
　本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形及び改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、すべての変形及び改変を包含する、と解釈されるべきものである。
　１…正極、２…負極、３…セパレータ、４…電極群、５…ケース、５ａ…窪み部、６…（上側）絶縁板、６ａ…第２孔、７…下側絶縁板、８…正極リード、９…負極リード、１０…封口ユニット、１１…第１導体板、１１ａ…第１孔、１２…弁体、１２ａ，１３ａ…通気孔、１３…第２導体板、１４…ガスケット、２１…弁基板、２１ａ…溶接部、２２…ＰＴＣ素子板、１００…電池、Ｓ１，Ｓ２…開口面積

Claims (5)

  1. 　正極、負極およびセパレータを含む電極群と、
    　前記電極群を収納する、開口部を有するケースと、
    　前記ケースの内部で前記電極群よりも前記開口部に近い位置に配される絶縁板と、
    　前記ケースの開口部を封口する封口ユニットと、を備え、
    　前記封口ユニットは、第１導体板と、第２導体板と、これらの間に介在する弁体とを含み、前記第１導体板が前記ケースの外部側に位置し、前記第２導体板が前記ケースの内部側に位置するように、前記ケースの前記開口部に装着されており、
    　前記第１導体板は、ガスを通すための第１孔を有しており、
    　前記絶縁板は、ガスを通すための第２孔を有しており、
    　前記第１孔の開口面積Ｓ１（ｍｍ2）と、前記第２孔の開口面積Ｓ２（ｍｍ2）とが、
    　（３／ｔ＋１２）ｍｍ2≦Ｓ１＜Ｓ２
    を満たし、ただし、前記不等式の係数ｔは、前記ケースの肉厚（ｍｍ）と対応している、密閉型二次電池。
  2. 　前記係数ｔが、０．１ｍｍ以上、かつ０．２５ｍｍ以下の前記ケースの肉厚と対応している、請求項１に記載の密閉型二次電池。
  3. 　前記第１導体板および前記弁体が、アルミニウムを含み、
    　前記第２導体板が、鉄を含む、請求項１または２に記載の密閉型二次電池。
  4. 　前記密閉型二次電池のエネルギ密度が６００Ｗｈ／Ｌ以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載の密閉型二次電池。
  5. 　前記正極と前記負極とが前記セパレータを介して捲回されて、円柱状の前記電極群を形成しており、前記ケースが円筒形状である、請求項１～４のいずれか１項に記載の密閉型二次電池。
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