(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装缶(7)とこの外装缶(7)の開口部を密閉する封口蓋(3)からなる電池ケース(14)に安全弁(6)を設けた密閉型蓄電池において、
前記安全弁(6)は、開弁と閉弁を繰り返しできる自己復帰可能な第１安全弁(6A)と、ひんじ部(10)を残して環状に形成されたスリット(8)及びこのスリット(8)を気密に閉塞する熱可塑性樹脂(9)で構成された自己復帰しない第２安全弁(6B)とを備え、
前記第２安全弁(6B)の開弁圧力は、第１安全弁(6A)よりも高くて、前記電池ケース(14)の封口部が破損する圧力よりも低く設定され、かつ、前記第２安全弁(6B)は、前記熱可塑性樹脂(9)が破壊されて前記スリット(8)で囲まれた部分が前記ひんじ部(10)で折曲されて開弁することを特徴とする密閉型蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池内圧や温度が異常に上昇したときに開弁して、電池の破損を防止する安全弁を内蔵する密閉型蓄電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルカリ蓄電池等の従来の密閉型蓄電池は、安全弁を内蔵している。安全弁は、電池内部にガスが発生して、内部の圧力が上昇したときに開弁されて、電池内部のガスを電池ケースの外に放出して、電池ケースが破裂するのを防止する。安全弁を設けていない電池ケースは、内圧が異常に上昇したときに、外装缶の開口部を気密に閉塞している封口部が破損する。封口部の強度が他の部分よりも弱いからである。高圧の気体に押されて電池ケースが破損すると、その衝撃は液体に押圧されるのに比較して相当に大きくなる。液体は圧縮性がないので、極微量を排出して圧力を急激に低下できるが、気体は圧縮性があるので、微量を排出しても直ちに圧力が低下せず、封口部に連続して高い圧力が作用して破損させるからである。
【０００３】
密閉型の蓄電池は、使用環境によって一時的に内圧が上昇することがある。たとえば、大電流で放電したり、あるいは過充電したりすると電池ケースの内部でガスが発生して、電池内圧が上昇することがある。このとき、安全弁を開弁してガスを排出する。電池内圧が正常な値に低下すると、安全弁は閉弁する。安全弁が閉弁すると、密閉型蓄電池は再使用できる状態となる。安全弁が開弁したときに、少量のガスが排出されて、電池性能は多少低下するが、再使用できる状態に復元する。密閉型の二次電池は、充電して、繰り返し使用可能であることから、安全弁の作動後においても自己復帰させて使用可能な構造としている。
【０００４】
自己復帰する安全弁を内蔵する従来の密閉型蓄電池の断面構造を図１に示す。この図の密閉型蓄電池は、電池ケース１４の内部に電極体１１を内蔵している。電極体１１を定位置に配設するために、電極体の上にはスペーサー１５を配設している。電池ケース１４の封口蓋３には、安全弁６を設けている。安全弁６は、電池内圧が上昇すると開弁し、内圧が低下すると閉弁できるように、弾性を有するバネ１と弁体２を封口蓋３に設けている。バネ１は弁体２を、封口蓋３の封口板３Ａに開口された弁孔４の上面に弾性的に押圧している。バネ１が弁体２を弁孔４に押圧して、安全弁６は閉弁状態となる。この構造の密閉型蓄電池は、電池内圧が上昇すると、弁体２が押し上げられて、弁孔４が開口される。弁孔４が開口されると、電池内のガスは、弁孔４を通過して、電極キャップ３Ｂに開口されたガス抜孔５を通過して、電池の外に排出される。電池内圧が低下すると、バネ１が弁体２を弁孔４に押し付けて閉塞し、安全弁６を閉弁する。この図の密閉型蓄電池は、バネ１で弁体２を押圧しているが、バネに代わってゴムで弁体を押圧することもできる。またゴムは弁体を使用することなく、直接に弁孔を閉塞する構造とすることもできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示すように、自己復帰する安全弁を内蔵する密閉型蓄電池は、安全弁作動後に、弾性により弁体が自己復帰してもとの位置に戻り、電池内部を密閉状態に保持して、電池として使用できる特長がある。
【０００６】
ところが、電池を適正に使用している場合には問題はないが、適正な状況で使用されず、電池が異常に温度上昇するような状態に置かれると、電池内部のスペーサーなどのプラスチックが溶融、硬化して弁孔を塞ぎ、安全弁が正常に作動しなくなることが考える。また、安全弁にゴムを使用する電池は、前述のような異常な温度上昇によって、安全弁のゴムが溶融、硬化して弁孔を閉塞することも考えられる。さらにまた、適正な状況で使用されない場合には、弁体を押圧するのにバネを使用する安全弁においても、バネが錆びて弁体を正常に作動させなくなることも推測できる。このように、安全弁が正常に作動できなくなると、密閉型蓄電池の内部圧力が上昇したときに、安全弁を設けていない電池と同様に、電池の封口部が破壊されて、内部ガスを電池外に放出することになる。更に電池を異常な方法で使用し、安全弁のガス排出能力を越えて電池内部の圧力が急激に上昇すると、電池の封口部が破損することが考えられる。
【０００７】
これらの弊害は、機械的に作動する安全弁の故障を皆無にすれば解消できる。極めて簡単な構造で、電池内圧が異常に上昇したときに確実に開弁する安全弁を内蔵する密閉型蓄電池として、下記のものが開発されている。
▲１▼  外装缶にＣ形に裂けやすい弱み線を設け、電池の内圧が上昇すると弱み線が破壊されて開弁される安全弁を備える電池（実開昭６３−６０２７３号公報）。
▲２▼  封口蓋の弁孔を閉塞するように金属薄板を溶着し、電池の内圧が上昇すると金属薄板を破壊させて安全弁を開弁する密閉型蓄電池（実開昭５８−１７９７５７号公報）。
▲３▼  封口蓋の弁孔をダイヤフラムで閉塞し、電池の内圧が上昇するとダイヤフラムが変形されて切刃で破壊され安全弁を開弁する密閉型蓄電池（実開平２−７１９６６号公報）。
▲４▼  外装缶に溝を設けて、この溝を破壊させる密閉型蓄電池（実開平６−３８１５５号公報、実公平５−４２０４号公報）。この構造の密閉型蓄電池は、外装缶の内面、あるいは外面に、安全弁として溝を設けている。外装缶の溝の部分は破損しやすいので、電池内圧が異常に高くなったときに、この部分で破損して、ガスを放出できる。
【０００８】
これ等の公報に記載される密閉型蓄電池は、簡単な構造の安全弁を備えるので、安全弁を確実に開弁できる特長がある。しかしながら、この構造の密閉型蓄電池は、安全弁が開弁した後は、電池として使用できなくなる欠点がある。安全弁が自己復帰しないからである。このため、この構造の密閉型蓄電池は、電池ケースの破裂を有効に阻止できるが、電池を有効利用できない欠点がある。
本発明者等は、この欠点を解決することを目的に、自己復帰する第１安全弁と、自己復帰しない第２安全弁とを備える密閉型蓄電池を開発した（特願平７−１７７０４３号）。この密閉型蓄電池は、第１安全弁の開弁圧を、第２安全弁の開弁圧よりも低く設定し、さらに、第２安全弁の開弁圧を、封口部が破損する破損圧力よりも低く設定している。この構造の密閉型蓄電池は、電池内圧が異常に上昇すると第１安全弁が先に開弁し、第１安全弁が作動しないときに、さらに電池内圧が上昇すると、第２安全弁を開弁させて電池内圧の異常な上昇を防止するものである。
【０００９】
第２安全弁６Ｂとして、図２の外装缶７の底面図で示すように、外装缶７の底面に溝を設けている。電池の内圧が異常に高くなったときは、第２安全弁６Ｂの溝を亀裂させて開弁して内圧の上昇を防止する。この構造の密閉型蓄電池は、内圧が異常に上昇したときに、仮に第１安全弁が開弁しなくても、第２安全弁６Ｂの溝が亀裂するので、確実に高圧ガスを排気して、電池ケース１４の破裂を防止できる。
【００１０】
しかしながら、この構造の第２安全弁は、外装缶の底面に設ける溝加工に極めて高い精度が要求される。それは、溝を設けて外装缶を薄く加工する薄肉部の厚さによって、第２安全弁が開弁する圧力が大幅に変動するからである。このため、この構造の密閉型蓄電池は、第２安全弁の加工に高い精度が要求されると共に、第２安全弁を設定された圧力で正確に開弁させるのが難しい欠点がある。
【００１１】
本発明はさらにこの欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、自己復帰する第１安全弁でもって、電池内圧が上昇した後も再使用でき、さらに、自己復帰しない第２安全弁でもって、電池ケースの破裂を有効に防止でき、さらにまた、第２安全弁を簡単な構造として、加工を容易にし、電池異常時には確実に開弁して安全に使用できる密閉型蓄電池を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の密閉型蓄電池は、前述の目的を達成するために下記の構成を備える。密閉型蓄電池は、電池ケース１４に安全弁６を設けている。電池ケース１４は、外装缶７と、この外装缶７の開口部を密閉する封口蓋３からなっている。
【００１３】
安全弁６は、開弁と閉弁を繰り返しできる自己復帰可能な第１安全弁６Ａと、ひんじ部１０を残して環状に形成されたスリット８及びこのスリット８を気密に閉塞する熱可塑性樹脂９で構成された自己復帰しない第２安全弁６Ｂとを備える。第２安全弁６Ｂの開弁圧力は、第１安全弁６Ａよりも高くて、電池ケース１４の封口部が破損する圧力よりも低く設定され、かつ、第２安全弁６Ｂは、熱可塑性樹脂９が破壊されてスリット８で囲まれた部分がひんじ部１０で折曲されて開弁するように構成されている。
【００１４】
電池が異常な使用状態となって、内圧が上昇すると、第２安全弁６Ｂよりも先に第１安全弁６Ａが圧力で開弁される。さらに、異常な状態が進行して、しかも、第１安全弁６Ａが正常に開弁しないで、内圧と温度が上昇すると、第２安全弁６Ｂの熱可塑性樹脂９が熱破壊される。熱可塑性樹脂９が熱破壊されると、熱可塑性樹脂９はスリット８の対向する側縁を連結できなくなり、封口蓋３はひんじ部１０で折曲されて、スリット８の内側で開口されて第２安全弁６Ｂが開弁される。自己復帰できる構造の第１安全弁６Ａは、圧力で開閉するために、構造が複雑になる。これに対して、熱可塑性樹脂９を熱で破壊されて開弁される第２安全弁６Ｂは、簡単な構造で確実に開弁されて、電池内圧と温度の異常な上昇を確実に阻止する。
【００１５】
密閉型蓄電池は、異常な状態で使用されると、電池の内圧が上昇すると共に、温度も上昇する。本発明の密閉型蓄電池は、自己復帰可能な第１安全弁６Ａを圧力で開弁させ、自己復帰できない第２安全弁６Ｂを熱で開弁させる。電池が異常な状態で使用されるとき、自己復帰可能な第１安全弁６Ａを第２安全弁６Ｂより先に開弁して、少々の異常が発生してそれが解消された後は、電池を再び使用できるようにする。第１安全弁６Ａが正常に動作しないとき、あるいは第１安全弁６Ａの排出能力を超えるガスが発生してさらに圧力が上昇すると、自己復帰できない第２安全弁６Ｂを開弁させる。第２安全弁６Ｂは、熱可塑性樹脂９を熱破壊して開弁させる構造、いいかえると、第１安全弁６Ａのように機械的な可動部分を必要とせず、熱可塑性樹脂９を熱で破壊して確実に開弁する。このため、第２安全弁６Ｂは温度が上昇すると電池の封口部を破損することが無く確実に開弁される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための密閉型蓄電池を例示するものであって、本発明は密閉型蓄電池を下記のものに特定しない。
【００１７】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。
【００１８】
図３に示す密閉型蓄電池は、円筒状のニッケル−カドミウム電池で、外装缶７に、電極体１１と電解液（図示せず）を充填している。電池ケースは外装缶７の開口部を、封口蓋３で気密に閉塞している。図に示す密閉型蓄電池はニッケル−カドミウム電池であるが、本発明は電池をニッケル−カドミウム電池に特定しない。密閉型蓄電池は、たとえば、ニッケル−水素電池やリチウムイオン二次電池等とすることもできる。ニッケル−カドミウム電池である密閉型蓄電池は、電極体の−極を外装缶７に接続し、＋極を封口蓋３に電気接続している。
【００１９】
外装缶７は、有底円筒状に成形されている。この外装缶７は、開口部に封口蓋３をかしめて固定して、気密に閉塞している。封口蓋３と外装缶７の間には、絶縁パッキン１２を挟着している。絶縁パッキン１２は外装缶７と封口蓋３とを電気的に絶縁するとともに、この間のガス漏れを防止している。
【００２０】
図４は前記密閉型蓄電池の封口蓋の平面図、図５は図４のＡ−Ａ断面図である。これ等の図に示す封口蓋３は、封口板３Ａの上面に電極キャップ３Ｂをスポット溶接している。電極キャップ３Ｂは中央部を上方に突出し、封口板３Ａは中央部を下方に突出させて、電極キャップ３Ｂと封口板３Ａの間に、第１安全弁６Ａの弾性体であるバネ１と弁体２とを配設している。封口板３Ａは中心に弁孔４を開口している。弁孔４の外周縁には、弁体２を気密に密着させる凸部１３を設けている。弁体２は金属板２Ａの下面にゴム２Ｂを積層して接着している。弁体２が封口板３Ａの弁孔４を閉塞するために、弁体２は弁孔４の上面に、弾性体であるバネ１で弾性的に押圧されている。弁孔４に押圧される弁体２は、弁孔４を気密に閉塞して第１安全弁６Ａを閉弁状態に保持する。バネ１は、下方に向かって巻き径が次第に小さくなる渦巻状のコイルバネである。弾性体にはバネ１に代わってゴム状弾性体も使用できる。
【００２１】
この構造の第１安全弁６Ａは、電池内圧が設定圧よりも低いときに閉弁状態に保持される。バネ１が弁体２を封口板３Ａに押し付けて弁孔４を閉塞しているからである。電池内圧が上昇すると、弁孔４に作用するガス圧が弁体２を押し上げて開弁する。この状態になると、電池内のガスは、封口板３Ａの弁孔４と、電極キャップ３Ｂのガス抜孔５を通過して電池外に放出される。電極キャップ３Ｂには、図４と図５に示すように、凸部との境界部分にガス抜孔５を開口している。弁体２が弁孔４から離れる電池内圧、いいかえると第１安全弁６Ａが開弁する開弁圧は、たとえば、ニッケル−カドミウム電池の場合は約１〜２ＭＰａに設定される。第１安全弁６Ａの開弁圧は、電池の電池ケース１４が破裂する圧力に比較して充分に低い圧力に設定される。
【００２２】
外装缶７は、鉄板等の金属板を、プレスして、底のある円筒状、すなわち有底筒状に成形して製造される。鉄板製の外装缶７は、プレス加工した後に、あるいはプレス加工する前工程で、表面にニッケル等のメッキを施している。
【００２３】
封口蓋３には、自己復帰可能な第１安全弁６Ａに加えて、第２安全弁６Ｂを設けている。第２安全弁６Ｂは、電池が異常な状態で使用されて、電池内圧が第１安全弁６Ａの設定圧まで上昇しても第１安全弁６Ａが正常に開弁せず、あるいは、第１安全弁６Ａの排出能力よりも多量のガスが発生して内圧が上昇し、圧力と温度がさらに上昇すると、熱破壊されて開弁する安全弁６である。第２安全弁６Ｂは、いったん開弁されると閉弁しない、すなわち、自己復帰しない。第２安全弁６Ｂは、封口蓋３を構成する封口板３Ａに設けたスリット８と、このスリット８を気密に閉塞する熱可塑性樹脂９で構成される。
【００２４】
スリット８は、ここを閉塞する熱可塑性樹脂９が熱破壊されたときに、図６と図７に示すように開口される。このように、スリット８は封口蓋３の封口板３Ａに、ひんじ部１０を残してＣ形に設けられている。ひんじ部１０を残してスリット８をＣ形に設けるのは、スリット８の熱可塑性樹脂９が熱で軟化、溶融して破壊されたときに、スリット８の内側の封口板３Ａが完全に分離されないようにするためである。完全に分離されないで開弁される第２安全弁６Ｂは、開弁時の安全性を相当に高くできる。それは、スリット８の内側が完全に分離して開弁されると、開弁した瞬間の高圧ガスで、吹き飛ばされるが、ひんじ部１０を残してＣ形に設けたスリット８は、熱可塑性樹脂９が熱破壊されて開弁しても、ひんじ部１０でスリット８の内側を連結しているので、この部分が分離して吹き飛ばされないからである。
【００２５】
第２安全弁６Ｂを開弁する温度は、第１安全弁６Ａが開弁されてから、電池ケース１４が破壊される前に開弁されるように、たとえば、電池温度が２００〜３００℃になると開弁するように設定される。第２安全弁６Ｂが開弁する温度は、スリット８を閉塞する熱可塑性樹脂９の種類と、スリット８の形状で調整できる。熱可塑性樹脂９に、軟化、溶融温度の低いプラスチックを使用すると、第２安全弁６Ｂの開弁温度は低くなる。反対に、熱可塑性樹脂９に軟化、溶融温度の高いプラスチックを使用すると、第２安全弁６Ｂの開弁温度は高くなる。第２安全弁６Ｂの熱可塑性樹脂９には、たとえば、ナイロン、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂等のプラスチックが使用されるが、軟化、溶融温度を考慮するとナイロンが最適である。
【００２６】
図３と図４に示す第２安全弁６Ｂは、熱可塑性樹脂９の上下に、両側に突出する凸条９Ａを設け、凸条９Ａで封口板３Ａの上面と下面を挟着して気密に閉塞している。凸条９Ａが大きいと、軟化した熱可塑性樹脂９が外れ難くなる。したがって、凸条９Ａを大きくすると第２安全弁６Ｂが開弁する温度が高くなる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の密閉型蓄電池は、自己復帰型の第１安全弁と、自己復帰しない第２安全弁とを備え、自己復帰する第１安全弁は圧力で開弁し、自己復帰しない第２安全弁は熱可塑性樹脂が破壊されて開弁される。この構造の密閉型蓄電池は、電池が異常な状態で使用されて第１安全弁が開弁されても、その後に電池内圧が低下すると再び電池として使用できる。さらに、第１安全弁で電池の異常な状態が解消されないときは、電池の圧力と温度が上昇して、第２安全弁の熱可塑性樹脂が破壊されて第２安全弁が開弁する。第２安全弁を構成する熱可塑性樹脂は、軟化、溶融温度になると、確実に破壊されて第２安全弁を開弁させる。熱可塑性樹脂を熱破壊させて開弁する第２安全弁は、機械的な可動部分を必要とせず、極めて簡単な構造で熱可塑性樹脂の熱軟化、溶融特性で開弁されるので、故障することがなく、設定温度になると確実に開弁して、密閉型蓄電池を安全に保護する。
【００２８】
第２安全弁の熱可塑性樹脂を熱破壊させる状況になった密閉型蓄電池は、たとえ、第２安全弁が自己復帰したとしても、その後に再使用できることはほとんど期待できない。それは、電池に内蔵されるセパレータ等のプラスチックも溶融されているからである。したがって、本発明の密閉型蓄電池は、第２安全弁で安全性を著しく改善するが、第２安全弁が開弁することによって、異常が解消された後に再使用できる電池を使用できなくするものではない。再使用できないほど厳しい環境で使用される場合での、密閉型蓄電池の安全性を著しく改善する。
【図面の簡単な説明】
【図１】自己復帰する安全弁を内蔵する従来の密閉型蓄電池の断面図
【図２】本発明者等が先に開発した密閉型蓄電池の底面図
【図３】本発明の実施の形態の密閉型蓄電池の断面図
【図４】図３に示す密閉型蓄電池の封口蓋の平面図
【図５】図４に示す密閉型蓄電池の封口蓋のＡ−Ａ断面図
【図６】図３に示す封口蓋の第２安全弁が開弁した状態を示す断面図
【図７】図３に示す封口蓋の第２安全弁が開弁した状態を示す平面図
【符号の説明】
１…バネ
２…弁体          ２Ａ…金属板        ２Ｂ…ゴム
３…封口蓋        ３Ａ…封口板        ３Ｂ…電極キャップ
４…弁孔
５…ガス抜孔
６…安全弁        ６Ａ…第１安全弁    ６Ｂ…第２安全弁
７…外装缶
８…スリット
９…熱可塑性樹脂  ９Ａ…凸条
１０…ひんじ部
１１…電極体
１２…絶縁パッキン
１３…凸部
１４…電池ケース
１５…スペーサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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