(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板、負極板及びセパレータを積層し角形電池ケース内に収容された電極群と、該電極群から導電され前記電池ケース上面に固定された正極及び負極端子と、を備えた角形非水電解液電池において、前記電池ケースは所定内圧で開裂する脆弱部を有し、該脆弱部のうち少なくとも１つは前記電池ケース上面に形成され、該電池ケース上面に形成された脆弱部のうち少なくとも１つは、該電池ケース内側に配置され前記脆弱部が開裂したときに該脆弱部の閉塞を防止する閉塞防止部材の直上に形成されており、前記閉塞防止部材は、一端が前記電極群中の負極板に接続され、他端が前記負極端子に接続された長尺状の導電部材であることを特徴とする角形非水電解液電池。
【請求項２】
前記閉塞防止部材は、前記負極板の集電体と同一材質であることを特徴とする請求項１に記載の角形非水電解液電池。
【請求項３】
正極板、負極板及びセパレータを積層し角形電池ケース内に収容された電極群と、該電極群から導電され前記電池ケース上面に固定された正極及び負極端子と、を備えた角形非水電解液電池において、前記電池ケースは所定内圧で開裂する脆弱部を有し、該脆弱部のうち少なくとも１つは前記電池ケース上面に形成され、該電池ケース上面に形成された脆弱部のうち少なくとも１つは、該電池ケース内側に配置され前記脆弱部が開裂したときに該脆弱部の閉塞を防止する閉塞防止部材の直上に形成されており、前記閉塞防止部材は、一端が電極群中の負極板に接続され、他端が負極端子に接続された長尺状の導電部材と、該導電部材の直上かつ脆弱部の直下に、該導電部材とは絶縁されて、該導電部材の長手方向とねじれの位置に配置される長尺部材と、で構成されたことを特徴とする角形非水電解液電池。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の角形非水電解液電池を備えた電池モジュール。
【請求項５】
角形非水電解液電池を複数個組み合わせ、該各角形非水電解液電池及び該角形非水電解液電池全体を制御する制御回路を備えた電池モジュールにおいて、
前記角形非水電解液電池は、正極板、負極板及びセパレータを積層し角形電池ケース内に収容された電極群と、該電極群から導電され前記電池ケース上面に固定された正極及び負極端子と、を備え、前記電池ケースは所定内圧で開裂する脆弱部を有し、該脆弱部のうち少なくとも１つは前記電池ケース上面に形成され、
前記制御回路は、前記各電池ケース上面に形成された各少なくとも１つの脆弱部の直上以外で、該各電池ケース上面のうち少なくとも１つの上面に配置されたことを特徴とする電池モジュール。
【請求項６】
前記制御回路は、該制御回路を保護する制御回路保護部材を介して前記各電池ケース上面のうち少なくとも一つの上面に固定されたことを特徴とする請求項５に記載の電池モジュール。
【請求項７】
前記制御回路保護部材は、難燃ＡＢＳ樹脂であることを特徴とする請求項６に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は角形非水電解液電池及び電池モジュールに係り、特に、正極板、負極板及びセパレータを積層し角形電池ケース内に収容された電極群と、該電極群から導電され前記電池ケース上面に固定された正極及び負極端子と、を備えた角形非水電解液電池及び角形非水電解液電池を複数個組み合わせ、該各角形非水電解液電池及び該角形非水電解液電池全体を制御する制御回路を備えた電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、非水電解液電池としてリチウム一次電池、リチウム二次電池などが実用化されている。これらの電池のうち、電気容量が１．５Ａｈ程度の小型リチウム二次電池では、例えば、ＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient) 素子を発電素子と直列に挿入して温度上昇時に電流を遮断する電流遮断機構を付加したり、電池内部と外部との境界に金属薄膜を形成して電池の内圧上昇時に金属薄膜を破断させ電池内部の発生ガスを放出し、電池容器の損傷を防ぐ内圧低減機構を付加する等、非水電解液電池の安全性を確保している。
【０００３】
このように小型電池においても安全性を重視しており、電気容量が１０Ａｈを越えるような大型電池であれば、安全性を確保することが更に重要であることはいうまでもない。安全性を重視した大型電池として、例えば、特開平第９−９２２４９号公報には電池内部の発生ガスを放出するために開放弁を備えた二次電池の技術が開示されている。同公報の開放弁によれば、開放圧を再現性よく設定でき、開放圧力を低く設定できることから、圧力開放時の衝撃力を和らげることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、同公報の技術では開放弁の明確な位置を記述するには至っていない。また、同公報は円筒形電池についての技術であり、その構造上の特性から電池ケースの耐圧が低い角形電池では、安全性を確保するために、電池内部の発生ガスを放出する内圧低減機構がより一層重要となる。
【０００５】
更に、上記した金属薄膜を破断させて発生ガスを放出させる内圧低減機構では、その金属薄膜の配置位置又はその開裂機構を十分に考慮しなければ安全機能を発揮できない場合がある。すなわち、例えば、ある物体が金属薄膜の直上に配置された場合には、電池異常時に内圧が上昇し金属薄膜が破断して内部発生ガスを放出しようとしても、該物体がガス放出経路を遮断しているので放出することができず、電池容器自体の損傷を招くことも考えられる。また、該物体が非水電解液電池を安全に動作させるための制御回路である場合には、発生ガスが制御回路の真下から直接噴射することから、正常に作動していた制御回路を破壊又は制御不能の状態にし、電池の安全を確保することができない状態に至る。
【０００６】
また、電池異常時に内部発生したガスは、金属薄膜が破断すると同時に勢いよく放出する。このとき、電極群等の電池内容物は、流出ガスとともに圧力が下がった金属薄膜破断部方向に移動するので、ガス放出口を閉塞させ電池容器の損傷を引き起こす、という問題がある。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、安全性に優れた角形非水電解液電池及び該角形非水電解液電池を備えた電池モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、正極板、負極板及びセパレータを積層し角形電池ケース内に収容された電極群と、該電極群から導電され前記電池ケース上面に固定された正極及び負極端子と、を備えた角形非水電解液電池において、前記電池ケースは所定内圧で開裂する脆弱部を有し、該脆弱部のうち少なくとも１つは前記電池ケース上面に形成され、該電池ケース上面に形成された脆弱部のうち少なくとも１つは、該電池ケース内側に配置され前記脆弱部が開裂したときに該脆弱部の閉塞を防止する閉塞防止部材の直上に形成されており、前記閉塞防止部材は、一端が前記電極群中の負極板に接続され、他端が前記負極端子に接続された長尺状の導電部材であることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、閉塞防止部材を電池ケース内側に配置し、その直上に脆弱部を形成したので、電池内圧の上昇により脆弱部が開裂したとき、ガス放出に伴う電池内容物が閉塞防止部材に係止されて開裂した脆弱部の閉塞が防止され、確実に内部発生ガスを放出することができる。また、この脆弱部を正極及び負極端子等を固定した電池ケース上面に少なくとも１つ形成することにより、直方体に近い角形電池の上面以外の５面が他の物体により密着され、その５面に形成された脆弱部が閉塞された場合においても、正極及び負極端子のような凹凸のある電池ケース上面は閉塞されずに、確実に内部発生ガスを電池外部へ放出することができる。更に、塞防止部材を、一端が電極群中の負極板に接続され、他端が負極端子に接続された長尺状の導電部材としたので、新たに閉塞防止部材を設ける必要がない。第１の態様において、導電部材を負極板の集電体と同一材質とすれば、電蝕を防止することができるので、閉塞防止部材が脆弱化することを防止することができる。
【００１０】
また、正極板、負極板及びセパレータを積層し角形電池ケース内に収容された電極群と、該電極群から導電され前記電池ケース上面に固定された正極及び負極端子と、を備えた角形非水電解液電池において、前記電池ケースは所定内圧で開裂する脆弱部を有し、該脆弱部のうち少なくとも１つは前記電池ケース上面に形成され、該電池ケース上面に形成された脆弱部のうち少なくとも１つは、該電池ケース内側に配置され前記脆弱部が開裂したときに該脆弱部の閉塞を防止する閉塞防止部材の直上に形成されており、前記閉塞防止部材は、一端が電極群中の負極板に接続され、他端が負極端子に接続された長尺状の導電部材と、該導電部材の直上かつ脆弱部の直下に、該導電部材とは絶縁されて、該導電部材の長手方向とねじれの位置に配置される長尺部材と、で構成されるようにしてもよい。
【００１１】
また、本発明の第２の態様は、上述した角形非水電解液電池を備えた電池モジュールである。本発明では、電池ケース上面に固定した正極及び負極端子の凹凸によりデッドスペースとなった空間を有効利用するため、その空間に各角形非水電解液電池及び角形非水電解液電池全体を制御する制御回路を配置することにより、高エネルギー密度の電池モジュールが実現される。また、この制御回路により各角形非水電解液電池の電池ケース上面に形成された少なくとも１つの脆弱部が閉塞されないように、各電池ケース上面に形成された少なくとも１つの脆弱部の直上以外で、各電池ケース上面のうち少なくとも１つの上面に配置したので、電池異常時に発生したガスを確実に放出させる経路を確保することができると共に、発生ガスが制御回路の直下から直接噴射することがないので、正常に作動していた制御回路を破壊又は制御不能の状態に至らしめる危険も回避することができる。このとき、制御回路は、該制御回路を保護する、例えば、難燃ＡＢＳ等の制御回路保護材を介して各電池ケース上面のうち少なくとも一つの上面に固定するようにすることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用される電池モジュールの実施の形態について説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の電池モジュール３０は、角形非水電解液電池２０を複数個備えている。この角形非水電解液電池２０は、図２に示すように、角形非水電解液電池２０の容器となる角形でステンレス製の電池缶７を有している。電池缶７の中央部には、矩形状で上部方向に耳部が張り出した正極板５及び負極板６を両極板が直接接触しないように図示しないセパレータを挟んで複数枚積層した電極群が収容されている。なお、正極板５はアルミニウム箔を正極集電体とし、正極集電体両面に正極活物質合剤が塗布されており、負極板５は銅箔を負極集電体とし、負極集電体両面に負極活物質合剤が塗布されている。また、角形非水電解液電池２０は、ステンレス製の電池蓋８を備えており、電極群を電池缶７に挿入した後、電池缶７の開口部周縁とこの電池蓋８周縁とを溶接することにより封口されている。
【００１４】
正極板５の耳部上端は厚さ２ｍｍの薄板状のアルミニウム板３に超音波接合されている。電池蓋８の一側には、アルミニウム製のねじ棒からなる正極端子１が図示しないシール材を介して電池蓋８と螺合するようにねじ穴が形成されている。正極端子１の先端部は電池蓋８の上部にナットにより固定されており、アルミニウム板３の超音波接合側反対端部と正極端子１の先端部反対端とはボルトとナットにより締め付け接触（図示なし）されている。一方、負極板６の耳部上端は厚さ２ｍｍの薄板状の銅板４に超音波接合されている。電池蓋８の正極端子１固定側とは反対側には、銅製のねじ棒からなる負極端子２が図示しないシール材を介して電池蓋８と螺合するようにねじ穴が形成されている。負極端子２の先端部は電池蓋８の上部にナットにより固定されており、銅板４の超音波接合側反対端部と負極端子２の先端部反対端とはボルトとナットにより締め付け接触（図示なし）されている。従って、正極端子１はアルミニウム板３を介して正極板５に、負極端子２は銅板４を介して負極板６に、それぞれ電気的に導通されている。
【００１５】
図３及び図４に示すように、電池蓋８には、ステンレス箔を溶接した薄膜円形状の脆弱部としての安全弁９が溶接されている。この安全弁９の下部には、「一」文字状（長尺状）で大きさが２ｍｍ×２ｍｍ×２５ｍｍのステンレス製の閉塞防止部材１０の両端上面部が電池蓋８の底面に固定されて配置されている。図３に示すように、安全弁９は閉塞防止部材１０及び銅板４それぞれの直上に配置され、閉塞防止部材１０と銅板４とは電気的に絶縁されている。また、図４に示すように、閉塞防止部材１０と銅板４とはねじれの位置関係にあり、それぞれの長手方向が交差するように配置されている。
【００１６】
なお、図２に示すように、電池蓋８には注液口１１が形成されており、本実施形態の角形非水電解液電池２０では、この注液口１１からエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を溶解した電解液を注入し、電解液注入後、図示しない液口栓により注液口１１を密閉している。
【００１７】
また、図１に示すように、電池モジュール３０は、各角形非水電解液電池２０及びモジュール（角形非水電解液電池２０全体）を制御する長尺状の制御回路１２と、各角形非水電解液電池２０と制御回路１２との接触を防止すると共に、安全弁９が開裂してガスが放出されたときに放出ガスが制御回路１２に直接あたることを避けるための、厚さ２ｍｍで制御回路１２の幅と略同幅の難燃ＡＢＳ樹脂を材質とした制御回路保護部材１３と、を備えており、制御回路１２は制御回路保護部材１３を介して各角形非水電解液電池２０の電池蓋８の上面に固定されている。なお、電池モジュール３０は、各角形非水電解液電池２０の安全弁９が制御回路１２と平行に１列に並ぶように組み合わされ、制御回路１２は各角形非水電解液電池２０の安全弁９の直上の位置とはならない位置に、各安全弁９から隔離されて配置されている。
【００１８】
次に、本実施形態の角形非水電解液電池２０及び電池モジュール３０の作用について説明する。
【００１９】
角形非水電解液電池２０は、安全弁９が閉塞防止部材１０と銅板４とがそれぞれの長手方向に交差した直上に配置されているので、角形非水電解液電池２０の内圧が上昇して安全弁９が開裂したときに、電極群の内容物（正極活物質、負極活物質等）がガスとともに安全弁９の方向に移動しても、交差する閉塞防止部材１０及び銅板４に当接係止されて安全弁９の開裂部を閉塞することはない。従って、角形非水電解液電池２０内部のガスは確実に安全弁９から外部に放出されるので、角形非水電解液電池２０を損傷させることはない。また、アルミニウム板３及び銅板４はそれぞれ正極板５、負極板６の各集電体と同一材質（それぞれアルミニウム及び銅）としたので、電蝕犠牲となり脆弱化することない。従って、電極群の内容物がガスとともに安全弁９の方向に移動したときにも強度を保つことができる。また、閉塞防止部材１０を銅板４と絶縁するようにしたので、外部短絡を招くおそれもない。
【００２０】
一方、電池モジュール３０は、制御回路１２を各角形非水電解液電池２０のデッドスペースとなった空間に配置したので、高エネルギー密度の電池モジュールとすることができる。また、制御回路１２を安全弁９の位置とは離れた位置に配置したので、安全弁９の開裂時に安全弁９を外側から塞ぐこともなく、また、ガスの直接噴射により破壊や制御不能に至る状態を回避することができる。また、制御回路保護部材１３を難燃ＡＢＳ樹脂としたので、各角形非水電解液電池２０の電池蓋８に安全弁９を複数配置した場合でも、制御回路１２は電池蓋８との直接の接触が妨げられる。従って、偶々難燃ＡＢＳ樹脂を介して制御回路１２の下側に安全弁９が配置され開裂したときでも放出ガスが制御回路１２に直接あたることがないので、制御回路１２の機能を維持することができ、制御回路保護部材１３が発火することもない。
【００２１】
なお、本実施形態では、安全弁９の開裂時の閉塞を防止するために、銅板４とは別に電気的に独立した閉塞防止部材１０を設けた例について述べたが、閉塞防止部材１０を特に有しなくてもよい。すなわち、図５及び図６に示すように、角形非水電解液電池２１は、閉塞防止部材１０を有しておらず、銅板４が安全弁９の開裂時に電極群の内容物を係止させ閉塞しないようにしたものである。この角形非水電解液電池２１では、銅板４を負極板６から負極端子１への導電部材として使用すると共に、安全弁９の閉塞を防止するようにしたので、角形非水電解液電池２０より部品数を少なくすることができる。
【００２２】
[実施例]
次に、以上の実施形態に従って作製した各角形非水電解液電池２０（２１）及び電池モジュール３０の実施例について説明する。なお、実施例の効果について確認するために同時に作製した比較例の電池についても併記する。
【００２３】
（実施例１）上述した角形非水電解液電池２０と同一で、図２に示したように、安全弁９を負極端子２側に配置し、安全弁９が閉塞防止部材１０及び銅板４それぞれの直上に位置している電池。
【００２４】
（実施例２）図２において、電池蓋８のみを水平方向に１８０度回転し、正極端子１側に安全弁９を配置し、安全弁９が閉塞防止部材１０及びアルミニウム板３それぞれの直上に位置したこと以外は実施例１と同様に作製した電池。
【００２５】
（実施例３）図２において、正極端子１側と負極端子２側にそれぞれ１つずつ２個の安全弁９を設け、安全弁９が閉塞防止部材１０及びアルミニウム板３と銅板４それぞれの直上に配置したこと以外は実施例１と同様に作製した電池。
【００２６】
（実施例４）上述した角形非水電解液電池２１と同一で、図５に示したように、銅板４を導電部材かつ閉塞防止部材として用い、安全弁９が銅板４の直上に配置していること以外は実施例１と同様にして作製した電池。
【００２７】
（実施例５）図１において、実施例１の角形非水電解液電池２０（単電池）を８個組み合わせ、各単電池の安全弁９の位置を１列とし、制御回路１２は安全弁９の直上とはならない位置に配置し、制御回路保護部材１３を備えていない（制御回路１２と各電池蓋８とが直接接触している）電池モジュール。
【００２８】
（実施例６）図１において、実施例３の、安全弁９がそれぞれ正極端子側と負極端子側に配置された角形非水電解液電池を８個組み合わせ、２つの安全弁９のうち１つは、直上に制御回路１２を配置し、制御回路保護部材１３を備えていない電池モジュール。
【００２９】
（実施例７）図１において、実施例３の安全弁９がそれぞれ正極端子側と負極端子側とに配置された角形非水電解液電池を８個組み合わせ、２つの安全弁９のうちひとつは、直上に制御回路１２を配置し、制御回路保護部材１３を備えていること以外は実施例６と同様にして作製した電池モジュール。
【００３０】
（比較例１）図４に示したアルミニウム板３及び銅板４を用いずに電極群中の正極板５及び負極板６からリード（線）により直接それぞれ正極端子１及び負極端子２に導電させたこと以外は実施例４と同様に作製した電池。
【００３１】
＜試験・評価＞
[試験] 次に、以上のように作製した実施例及び比較例の各電池及び各電池モジュールについて外部短絡試験を実施した。この外部短絡試験では、電池モジュールについては、８個の単電池全てを同時には外部短絡させず、１個ずつ外部短絡させて試験を行った。単電池の検査方法として、外部短絡試験後、損傷、発火の有無を確認し、制御回路１２の検査方法として、各単電池の外部短絡試験後、制御回路１２を目視及び動作確認し、損傷、誤動作、動作不能の有無を確認した。
【００３２】
[試験結果] 外部短絡試験後の検査結果を表１に示す。なお、表１において、「○」は８０％以上損傷・発火なし、「△」は５０％以上８０％未満損傷・発火なし、「×」は５０％未満損傷・発火なし、「−」は制御回路１２を有しないため評価なし、「●」は制御回路１２の動作が正常、「◆」は制御回路１２が損傷及び／又は誤動作及び／又は動作不能となったものをそれぞれ示している。
【００３３】
【表１】
0003656459.tif 000002
【００３４】
[評価]
単電池検査の結果、比較例１の電池は５０％以上の電池が損傷・発火した。実施例２の電池は５０％以上が損傷・発火せず、単電池の安全性が向上している。実施例１、３乃至７の電池は８０％以上が損傷・発火せず安全性が一段と高まっている。
【００３５】
また、制御回路検査の結果、実施例６の電池モジュールは制御回路１２が損傷し、誤動作又は動作不能となり、制御回路１２の機能を果たせない結果となった。実施例５、７の電池モジュールは、単電池の外部短絡試験後も制御回路１２が正常動作した。
【００３６】
このことから、単電池では、安全弁９開裂時の閉塞を妨げる機能を有する部材（アルミニウム板３及び／又は銅板４及び／又は閉塞防止部材１０）を設けることにより安全性が向上し、更に、その安全弁９を電池上面中央部より負極端子２側に配置することにより、一段と安全性が向上することが分かる。また、単電池を複数個組み合わせた電池モジュールでは、安全弁９の配置位置は、直上に制御回路１２がない位置に配置させること、また、安全弁９の直上に制御回路１２を配置させるときは、各電池と制御回路１２の間に制御回路保護部材１３を設けることにより制御回路１２を損傷、誤動作又は動作不能状態にさせず正常動作させることができ、安全性を向上させることができることが分かる。
【００３７】
なお、本実施形態では、ステンレス製薄膜を安全弁９として使用した例について説明したが、安全弁９は薄膜に限定されることなく、電池蓋８上面に形成され、電池蓋８より脆弱で所定電池内圧で開裂する部材を使用することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、閉塞防止部材１０にステンレスを使用したが、他の金属、耐熱性樹脂、難燃性樹脂等も使用してもよい。
【００３９】
更に、本実施形態では、制御回路保護部材１３に難燃ＡＢＳ樹脂を使用したが、制御回路保護部材１３の材質としては、金属、他の耐熱性樹脂や難燃性樹脂なども使用可能である。なお、制御回路保護部材１３に金属を使用するときは、制御回路１２内の金属部と接触させないように制御回路保護部材１３の形状を考慮することが好ましい。
【００４０】
なお、本発明は上述の実施形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはいうまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１の態様によれば、閉塞防止部材を電池ケース内側に配置し、その直上に脆弱部を形成したので、電池内圧の上昇により脆弱部が開裂したとき、ガス放出に伴う電池内容物が閉塞防止部材に係止されて開裂した脆弱部の閉塞が防止され、確実に内部発生ガスを放出することができると共に、閉塞防止部材を、一端が電極群中の負極板に接続され、他端が負極端子に接続された長尺状の導電部材としたので、新たに閉塞防止部材を設ける必要がない、という効果を得ることができる。また、本発明の第２の態様によれば、各電池ケース上面に形成された少なくとも１つの脆弱部の直上以外で、各電池ケース上面のうち少なくとも１つの上面に、各角形非水電解液電池及び角形非水電解液電池全体を制御する制御回路を配置したので、デッドスペースを有効利用できるのみならず、電池異常時に発生したガスを確実に放出させる経路を確保することができると共に、発生ガスが制御回路の直下から直接噴射することがないので、正常に作動していた制御回路を破壊又は制御不能の状態に至らしめる危険も回避することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電池モジュールの外観斜視図である。
【図２】実施形態の電池モジュールを構成する角形非水電解液電池の一部破断正面図である。
【図３】角形非水電解液電池の安全弁付近の拡大側断面図である。
【図４】角形非水電解液電池の安全弁付近を電極群側から見たときの拡大図である。
【図５】本発明を適用した別の実施形態の角形非水電解液電池の一部破断正面図である。
【図６】別の実施形態の角形非水電解液電池の安全弁付近を電極群側から見たときの拡大図である。
【符号の説明】
１  正極端子
２  負極端子
３  アルミニウム板（閉塞防止部材の一部）
４  銅板（導電部材、閉塞防止部材の一部）
５  正極板
６  負極板
７  電池缶（角形電池ケースの一部）
８  電池蓋（角形電池ケースの一部）
９  安全弁（脆弱部）
１０  閉塞防止部材
１２  制御回路
１３  制御回路保護部材
２０、２１  角形非水電解液電池
３０  電池モジュール
【図１】
0003656459.tif 000003
【図２】
0003656459.tif 000004
【図３】
0003656459.tif 000005
【図４】
0003656459.tif 000006
【図５】
0003656459.tif 000007
【図６】
0003656459.tif 000008