(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒体(11)の開口部に蓋体(12)が固定されて気密性を有する電池缶(１)の内部に、二次電池要素となる巻き取り電極体(２)を収納して構成される円筒型二次電池において、電池缶(１)の内圧が所定値を越えたときに作動する円板状の圧力開放板(７)を具えた安全弁(５)が、蓋体(12)に開設したねじ孔(15)にねじ込み固定され、該安全弁(５)は、前記蓋体(12)のねじ孔(15)に螺合する外ねじ(52)を具えた円筒部材(51)の内部に、前記圧力開放板(７)と、該圧力開放板(７)の外周部を挟圧すべき一対の挟圧リング(６)(８)とを収容すると共に、両挟圧リング(６)(８)の外側には、円筒部材(51)の内周面に形成した内ねじ(53)に螺合する固定リング(55)を配置して構成され、両挟圧リング(６)(８)には、圧力開放板(７)に向けてそれぞれ円筒部(63)(82)が突設され、一方の挟圧リング(６)の円筒部(63)の外径は、他方の挟圧リング(８)の円筒部(82)の内径よりも、所定寸法だけ小さく形成されており、圧力開放板(７)には、両挟圧リング(６)(８)の円筒部(63)(82)による挟圧によって薄肉部(71)が形成されていることを特徴とする円筒型二次電池。
【請求項２】
円筒部材(51)の内部には、両挟圧リング(６)(８)を受け止めるための段部(54)が形成され、固定リング(55)のねじ込みによって、前記円筒部(63)(82)が圧力開放板(７)の外周部を挟圧する請求項１に記載の円筒型二次電池。
【請求項３】
電池缶(１)の内側寄りに設置された内側挟圧リング(６)は、円板部(61)の内周部に円筒部(63)を突設して構成される一方、電池缶(１)の外側寄りに配置された外側挟圧リング(８)は、円板部(81)の内周部に円筒部(82)を突設して構成され、内側挟圧リング(６)の円筒部(63)の外径が外側挟圧リング(８)の円筒部(82)の内径よりも小さく、圧力開放板(７)の外周部は、外側挟圧リング(８)の円筒部(82)によって下圧されて、内側挟圧リング(６)の円板部(61)及び円筒部(63)の表面に沿って塑性変形し、該塑性変形によって薄肉部(71)が形成されている請求項１又は請求項２に記載の円筒型二次電池。
【請求項４】
内側挟圧リング(６)の円板部(61)と円筒部材(51)の段部(54)との対向面間、並びに外側挟圧リング(８)の円板部(81)と圧力開放板(７)の外周部との対向面間には、それぞれＯリング(57)(58)が介在している請求項３に記載の円筒型二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池缶の内部に二次電池要素となる巻き取り電極体を収容して、電池缶に取り付けられた一対の電極端子から二次電池要素の発生電力を取り出すことが可能な二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯型電子機器、電気自動車等の電源として、エネルギー密度の高いリチウム二次電池が注目されている。
例えば電気自動車に用いられる比較的大きな容量の円筒型リチウム二次電池は、図４に示す様に、筒体(11)の両端部に蓋体(12)(12)を溶接固定してなる円筒状の電池缶(１)の内部に、巻き取り電極体(２)を収容して構成されている。両蓋体(12)(12)には、正負一対の電極端子機構(９)(９)が取り付けられており、巻き取り電極体(２)と両電極端子機構(９)(９)とが、複数本の集電タブ(３)により互いに接続されて、巻き取り電極体(２)が発生する電力を一対の電極端子機構(９)(９)から外部に取り出すことが可能となっている。又、蓋体(12)には復帰式の安全弁(13)が取り付けられている。
【０００３】
巻き取り電極体(２)は、リチウム複合酸化物を含む正極(21)と炭素材料を含む負極(23)の間に、非水電解液が含浸されたセパレータ(22)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。
巻き取り電極体(２)の正極(21)及び負極(23)からは夫々複数本の集電タブ(３)が引き出され、極性が同じ複数本の集電タブ(３)の先端部(31)が１つの電極端子機構(９)に接続されている。尚、図４においては、便宜上、一部の集電タブの先端部が電極端子機構(９)に接続されている状態のみを示し、他の集電タブについては、電極端子機構(９)に接続された先端部分の図示を省略している。
【０００４】
電極端子機構(９)は、電池缶(１)の蓋体(12)を貫通して取り付けられたネジ部材(91)を具え、該ネジ部材(91)の基端部には鍔部(92)が形成されている。蓋体(12)の貫通孔には絶縁パッキング(93)が装着され、蓋体(12)と締結部材(91)の間の電気的絶縁性とシール性が保たれている。ネジ部材(91)には、筒体(11)の外側からワッシャ(94)が嵌められると共に、ナット(95)が螺合している。このナット(95)を締め付けて、ネジ部材(91)の鍔部(92)とワッシャ(94)によって絶縁パッキング(93)を挟圧することにより、シール性を高めている。
前記複数本の集電タブ(３)の先端部(31)は、ネジ部材(91)の鍔部(92)に、スポット溶接或いは超音波溶接によって固定されている。
【０００５】
又、図５に示す如く、蓋体(12)に開設した貫通孔(14)に、電池缶(１)の内圧が所定値を越えたときに作動する圧力開放型の安全弁(４)を取り付けた円筒型二次電池が知られている(特開平6-68861号、特開平9-139196号等)。
図５に示す安全弁(４)は、リング体(41)の裏面に、厚さ２０μｍ程度のアルミニウム箔からなる円板状の圧力開放板(42)を固定してなり、リング体(41)の外周部が蓋体(12)の貫通孔(14)の開口縁にレーザ溶接されて、蓋体(12)に固定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示す復帰式安全弁(13)を具えた円筒型二次電池では、電池缶(１)内部の圧力が上昇したとき、安全弁(13)は復帰力に抗して開かれることになるが、急激な圧力上昇が発生した場合、復帰式安全弁(13)の開口面積が小さい初期の段階で、圧力を十分に逃がすことが出来ない問題がある。
又、バネや弁機構などの構成部品が多く、図４の如く電極端子機構(９)を越える高さとなるため、例えば複数の二次電池を配列して組電池を構成する場合、組電池の筐体が大形化する問題がある。
【０００７】
これに対し、図５に示す圧力開放型安全弁(４)を具えた円筒型二次電池では、電池缶(１)の内部に異常圧力が発生したとき、圧力開放板(42)が作動して、圧力が瞬時に開放されるので、圧力の上昇は十分に抑制される。
又、圧力開放型安全弁(４)は復帰式安全弁(13)に比べて構成部品の数が少なく、小型化が可能であるため、組電池を構成する場合にもコンパクト化が可能である。
ところが、圧力開放型安全弁(４)を具えた従来の円筒型二次電池では、その組立工程において、電池缶(１)の内部に電解液を注入する際、蓋体(12)には安全弁(４)が溶接固定されているため、別途、電解液注入用のねじ孔を開設しておき、電解液注入後、このねじ孔を塞ぐ必要がある。この結果、構成が複雑となるばかりでなく、組立工数が増加する問題がある。
【０００８】
そこで本発明の目的は、コンパクトで且つ、組立工数の増大することのない簡易な構成を有する円筒型二次電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る円筒型二次電池においては、電池缶(１)を構成する蓋体(12)に、電池缶(１)の内圧が所定値を越えたときに作動する円板状の圧力開放板(７)を具えた安全弁(５)が、蓋体(12)に開設したねじ孔(15)にねじ込み固定されている。
前記安全弁(５)は、前記蓋体(12)のねじ孔(15)に螺合する外ねじ(52)を具えた円筒部材(51)の内部に、円板状の圧力開放板(７)と、該圧力開放板(７)の外周部を挟圧すべき一対の挟圧リング(６)(８)とを収容すると共に、両挟圧リング(６)(８)の外側には、円筒部材(51)の内周面に形成した内ねじ(53)に螺合する固定リング(55)を配置して構成され、両挟圧リング(６)(８)には、圧力開放板(７)に向けてそれぞれ円筒部(63)(82)が突設されている。
一方の挟圧リング(６)の円筒部(63)の外径は、他方の挟圧リング(８)の円筒部(82)の内径よりも、所定寸法だけ小さく形成されており、圧力開放板(７)には、両挟圧リング(６)(８)の円筒部(63)(82)による挟圧によって薄肉部(71)が形成されている。
【００１０】
上記本発明に係る円筒型二次電池においては、圧力開放型の安全弁(５)が蓋体(12)にねじ込み固定されているので、組立工程にて電池缶(１)の内部に圧力をかけて電解液をセパレータに含浸させる際は、蓋体(12)のねじ孔(15)には、封口栓をねじ込んでおき、加圧工程の後に、封口栓を取り外し、電池缶(１)のねじ孔(15)に安全弁(５)をねじ込んで固定することが出来る。
【００１１】
又、圧力開放型の安全弁(５)は、復帰式安全弁に比べて部品点数が少なく、コンパクトに構成することが出来、例えば、蓋体(12)に突設された電流取り出し用の電極端子機構(９)の高さよりも低く形成することが出来る。
従って、本発明に係る円筒型二次電池を用いて組電池を構成する場合、装置全体を小形化することが可能である。
【００１３】
更に上記本発明に係る円筒型二次電池においては、固定リング(55)を円筒部材(51)の内部へ向けてねじ込むことによって、両挟圧リング(６)(８)に挟圧力が発生し、圧力開放板(７)の外周部が両挟圧リング(６)(８)によって挟圧される。ここで、両挟圧リング(６)(８)に突設された円筒部(63)(82)は、一方の円筒部(63)の外径が、他方の円筒部(82)の内径よりも、所定寸法だけ小さく形成されているので、両円筒部(63)(82)は互いに嵌合可能であり、該嵌合によって、一方の円筒部(63)の外周面と他方の円筒部(82)の内周面の間に、所定寸法のリング状空間が形成されることになる。
従って、圧力開放板(７)の外周部は、両円筒部(63)(82)により挟圧されることによって、前記リング状空間を金型空間とするプレス加工が施され、この結果、リング状空間の寸法によって規定される所定厚さの薄肉部(71)が形成される。
この様に圧力開放板(７)に所定厚さの薄肉部(71)が形成された圧力開放型安全弁(５)においては、電池缶(１)の内部に所定値を越える圧力が発生したとき、先ず薄肉部(71)に破れが発生して、瞬時に圧力開放板(７)が作動することになる。  従って、安全弁(５)の作動圧力は、圧力開放板(７)の薄肉部(71)の厚さ、即ち両挟圧リング(６)(８)の円筒部(63)(82)の寸法によって精度良く規定することが出来るのである。
【００１４】
更に具体的には、電池缶(１)の内側寄りに設置された内側挟圧リング(６)と円筒部材(51)との対向面間、並びに電池缶(１)の外側寄りに配置された外側挟圧リング(８)と圧力開放板(７)との対向面間に、それぞれＯリング(57)(58)が介在している。
これによって、電池缶(１)の内部を高い気密性でシールすることが出来る。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に係る円筒型二次電池においては、ねじ込み式圧力開放型安全弁の装備によってコンパクト化が実現されると共に、安全弁ねじ込み用の孔を電解液注入のために利用することが出来るので、構成が簡易となり、組立工数も少なくて済む。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る円筒型二次電池は、図１及び図２に示す如く、筒体(11)の両端部に蓋体(12)(12)を溶接固定してなる円筒状の電池缶(１)の内部に、巻き取り電極体(２)を収容して構成されている。両蓋体(12)(12)には、正負一対の電極端子機構(９)(９)が取り付けられており、巻き取り電極体(２)と両電極端子機構(９)(９)とが、複数本の集電タブ(３)により互いに接続されて、巻き取り電極体(２)が発生する電力を一対の電極端子機構(９)(９)から外部に取り出すことが可能となっている。
又、各蓋体(12)に開設したねじ孔(15)には、圧力開放型の安全弁(５)がねじ込み固定されている。
【００１７】
巻き取り電極体(２)は、リチウム複合酸化物を含む正極(21)と炭素材料を含む負極(23)の間に、非水電解液が含浸されたセパレータ(22)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。
巻き取り電極体(２)の正極(21)及び負極(23)からは夫々複数本の集電タブ(３)が引き出され、極性が同じ複数本の集電タブ(３)の先端部(31)が１つの電極端子機構(９)に接続されている。尚、図１においては、便宜上、一部の集電タブの先端部が電極端子機構(９)に接続されている状態のみを示し、他の集電タブについては、電極端子機構(９)に接続された先端部分の図示を省略している。
【００１８】
電極端子機構(９)は、電池缶(１)の蓋体(12)を貫通して取り付けられたネジ部材(91)を具え、該ネジ部材(91)の基端部には鍔部(92)が形成されている。蓋体(12)の貫通孔には絶縁パッキング(93)が装着され、蓋体(12)と締結部材(91)の間の電気的絶縁性とシール性が保たれている。ネジ部材(91)には、蓋体(12)の外側からワッシャ(94)が嵌められると共に、ナット(95)が螺合している。このナット(95)を締め付けて、ネジ部材(91)の鍔部(92)とワッシャ(94)によって絶縁パッキング(93)を挟圧することにより、シール性を高めている。
前記複数本の集電タブ(３)の先端部(31)は、ネジ部材(91)の鍔部(92)に、スポット溶接或いは超音波溶接によって固定されている。
【００１９】
安全弁(５)は、図３(ａ)(ｂ)に示す如く段部(54)を有する円筒部材(51)を具え、該円筒部材(51)には、下端部に外ねじ(52)、上端部に内ねじ(53)が形成され、外ねじ(52)は蓋体(12)のねじ孔(15)に螺合し、内ねじ(53)には、固定リング(55)が外ねじ(56)を螺合させて固定されている。
円筒部材(51)の内部には、所定厚さ(例えば２０μｍ)を有するアルミニウム製の円板状の圧力開放板(７)と、圧力開放板(７)の外周部を上下から挟圧する真鍮製の一対の挟圧リング(６)(８)とが、円筒部材(51)と同軸上に配備され、電池缶(１)の内側寄りの内側挟圧リング(６)と円筒部材(51)の段部(54)との間、並びに電池缶(１)の外側寄りの外側挟圧リング(８)と圧力開放板(７)との間には、それぞれシリコーン製のＯリング(57)(58)が介在している。
【００２０】
内側挟圧リング(６)は、円板部(61)の裏面にスリーブ(62)を下向きに突設すると共に、円板部(61)の表面に円筒部(63)を上向きに突設して構成されている。又、外側挟圧リング(８)は、円板部(81)の裏面に円筒部(82)を下向きに突設して構成されている。ここで、内側挟圧リング(６)の円筒部(63)と外側挟圧リング(８)の円筒部(82)とは同軸上に位置する。
内側挟圧リング(６)の円筒部(63)の外径は、外側挟圧リング(８)の円筒部(82)の内径よりも、所定寸法(例えば３６μｍ)だけ小さく形成されており、内側挟圧リング(６)の円筒部(63)と外側挟圧リング(８)の円筒部(82)とは互いに嵌合可能である。
【００２１】
安全弁(５)の組立においては、図３(ａ)に示す如く円筒部材(51)の内部に、Ｏリング(57)、内側挟圧リング(６)、圧力開放板(７)、外側挟圧リング(８)及び固定リング(55)を順に取り付けた後、同図(ｂ)の如く固定リング(55)を円筒部材(51)の内部へ向けてねじ込む。
これによって、内側挟圧リング(６)と外側挟圧リング(８)の間に圧力開放板(７)の外周部が挟圧され、内側挟圧リング(６)の円筒部(63)と外側挟圧リング(８)の円筒部(82)が金型となって、圧力開放板(７)の外周部を図示の如く内側挟圧リング(６)の円筒部(63)及び円板部(61)の表面に沿って塑性変形させる。これによって、圧力開放板(７)には、両円筒部(63)(82)に挟まれた領域に、両円筒部(63)(82)の隙間Ｓによって規定される所定厚さ(例えば１８μｍ)の薄肉部(71)が、リング状に形成されることになる。
【００２２】
又、固定リング(55)のねじ込みによって、内側挟圧リング(６)と円筒部材(51)の段部(54)との間にＯリング(57)が挟圧されると共に、外側挟圧リング(８)と圧力開放板(７)の間にＯリング(58)が挟圧されて、円筒部材(51)の内外間のシールが施されることになる。
【００２３】
上記安全弁(５)を具えた円筒型二次電池の組立においては、電池缶(１)の蓋体(12)のねじ孔(15)から電池缶(１)の内部へ電解液を注入した後、ねじ孔(15)に封口栓(図示省略)をねじ込んで封止し、この状態で電池缶(１)の内部に所定の圧力をかけて、電解液を巻き取り電極体(２)のセパレータ(22)に含浸させる。その後、封口栓を取り外し、ねじ孔(15)には安全弁(５)をねじ込んで固定する。
【００２４】
この様にして組み立てられた円筒型二次電池においては、電池缶(１)の内部の圧力が増大したとき、先ず圧力開放板(７)の薄肉部(71)に破れが生じて、圧力開放板(７)が瞬時に作動し、内圧を一気に外部へ逃がすことが出来る。ここで、圧力開放板(７)の作動圧力は、圧力開放板(７)の薄肉部(71)の厚さ、即ち内側挟圧リング(６)の円筒部(63)の外径と外側挟圧リング(８)の円筒部(82)の内径とによって、精度良く規定することが出来る。
【００２５】
【実施例】
図１〜図３に示す本発明に係る円筒型二次電池(本発明例１〜４)と、図４及び図５に示す従来の円筒型二次電池(比較例１、２)を作製して、本発明の効果を確認した。
先ず、各電池に共通の工程について説明した後、電池毎に異なる安全弁の構造及びその取付けについて説明する。
【００２６】
正極の作製
正極活物質としてのＬiＣoＯ2(リチウム複合酸化物)と導電剤としての炭素を重量比９０：５で混合し、正極合剤を作製した。次に、結着剤であるポリフッ化ビニリデンをＮ−メチル−２−ピロリドン(ＮＭＰ)に溶解させて、ＮＭＰ溶液を調製した。そして、正極合剤とポリフッ化ビニリデンの重量比が９５：５となる様に正極合剤とＮＭＰ溶液を混合して、スラリーを調製し、このスラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔の両面にドクターブレード法により塗布し、１５０℃で２時間の真空乾燥を施して正極を作製した。
【００２７】
負極の作製
結着剤であるポリフッ化ビニリデンをＮＭＰに溶解させてＮＭＰ溶液を調製し、粒子径１０μｍの黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンの重量比が８５：１５となる様に混練してスラリーと調製した。このスラリーを負極集電体としての銅箔の両面にドクターブレード法によって塗布し、１５０℃で２時間の真空乾燥を施して負極を作製した。
【００２８】
電解液の調製
エチレンカーボネートとジエルチルカーボネートを体積比１：１で混合した溶媒に、ＬiＰＦ6を１mol／lの割合で溶解し、電解液を調製した。
【００２９】
電池の組立
正極を構成しているアルミニウム箔の表面に、厚さ０.１ｍｍのアルミニウム製集電タブを１０本、一定間隔をおいて溶接すると共に、負極を構成している銅箔の表面に、厚さ０.１ｍｍのニッケル製集電タブを１０本、一定間隔をおいて溶接した。そして、正極と負極の間にセパレータを挟んで渦巻き状に巻回し、巻き取り電極体を構成した。尚、セパレータとしては、イオン透過性のポリエチレン製の微多孔性膜を用いた。
この巻き取り電極体を電池缶となる筒体の内部に装填し、該巻き取り電極体から伸びる正側及び負側の集電タブを夫々、蓋体に取り付けられた電極端子機構に接続した後、該蓋体を筒体に溶接固定して、円筒型二次電池を組み立てた。
尚、電池缶の筒体は、外径６０ｍｍ、高さ３００ｍｍ、厚さ２ｍｍのものを採用し、蓋体は、直径６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを採用した。電極端子機構の高さは、蓋体表面から２０ｍｍである。
又、電池の平均放電電圧は３.６Ｖ、電池容量は７０Ａｈ(放電電流８.７５Ａ)である。
【００３０】
本発明例１
蓋体に、厚さ５０μｍのアルミニウム箔からなる圧力開放板を具えたねじ込み式の安全弁(高さ１０ｍｍ)を２つ取り付けて、本発明に係る円筒型電池(本発明例１)を作製した。
【００３１】
本発明例２
蓋体に、厚さ５μｍのニッケル箔からなる圧力開放板を具えたねじ込み式の安全弁(高さ１０ｍｍ)を４つ取り付けて、本発明に係る円筒型電池(本発明例２)を作製した。
【００３２】
本発明例３
蓋体に、厚さ３０μｍの銅箔からなる圧力開放板を具えたねじ込み式の安全弁(高さ１０ｍｍ)を４つ取り付けて、本発明に係る円筒型電池(本発明例３)を作製した。
【００３３】
本発明例４
蓋体に、厚さ５μｍのステンレス鋼箔からなる圧力開放板を具えたねじ込み式の安全弁(高さ５ｍｍ)を２つ取り付けて、本発明に係る円筒型電池(本発明例４)を作製した。
【００３４】
比較例１
蓋体に、設定圧力１０ｋｇ／ｃｍ2の復帰式安全弁を２つ取り付けて、従来の円筒型二次電池(比較例１)を作製した。
【００３５】
比較例２
蓋体に、厚さ５０μｍのアルミニウム箔からなる圧力開放板を具えた溶接固定式の安全弁を１つ取り付けて、従来の円筒型二次電池(比較例２)を作製した。
【００３６】
本発明に係る円筒型二次電池によれば、電池の組立工程において、電池缶の内部に電解液を注入する際、図５に示す従来の二次電池(比較例２)では、別途、電解液注入用の孔を開設する必要があるが、本発明の二次電池では、筒体に開設された安全弁ねじ込み用のねじ孔を利用することが出来るので、構成が簡易となる。
又、複数本の二次電池を用いて組電池を組み立てる場合、上記本発明例１〜３の如く圧力開放型の安全弁は、電極端子機構の高さよりも低く形成することが出来るので、各二次電池を導線で互いに結線する作業が安全弁によって阻害されることはなく、従来例の二次電池を用いて同様の組電池を組み立てる場合に比べて、組立作業が容易となる。
更に、複数本の二次電池を直列に接続して組電池を構成する場合、本発明によれば、従来の二次電池を用いて同様の組電池を構成する場合に比べて、筐体の小形化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る円筒型二次電池の断面図である。
【図２】本発明に係る円筒型二次電池において、安全弁を電池缶にねじ込む様子を表わす斜視図である。
【図３】本発明に係る安全弁において、固定リングを締め付ける前の状態(ａ)と締め付けた後の状態(ｂ)を表わす拡大断面図である。
【図４】復帰式安全弁を具えた従来の円筒型二次電池の断面図である。
【図５】圧力開放型安全弁を溶接固定した従来の円筒型二次電池の断面図である。
【符号の説明】
(１)  電池缶
(11)  筒体
(12)  蓋体
(２)  巻き取り電極体
(３)  集電タブ
(５)  安全弁
(51)  円筒部材
(52)  外ねじ
(55)  固定リング
(６)  内側挟圧リング
(63)  円筒部
(７)  圧力開放板
(71)  薄肉部
(８)  外側挟圧リング
(82)  円筒部
(９)  電極端子機構
【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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