(57)【要約】  本発明は、電池に用いられる組立封口体の改良に関する。本発明は、特に高容量および高出力特性を有する電池において、電池に不具合が生じたときに、充放電を確実に停止させることを目的とする。  本発明の一実施形態に係る電池用組立封口体は、（i）外部端子を有する導電性のキャップ、（ii）発電要素と対向する側に配され、かつ発電要素に含まれる一方の電極と接続される金属板、（iii）キャップと導電性の膜状材料との間に配されている導電性の弁体、および（iv）弁体と導電性の膜状材料との間に配されている熱膨張性材料を含む。前記導電性の膜状材料と前記弁体とは、少なくとも１箇所の所定の位置において、導通した状態で接合されており、前記熱膨張性材料が所定倍率に膨張したときに、前記導電性の膜状材料と前記弁体との接合が破断して、前記導電性の膜状材料と前記弁体との導通が絶たれる。
2010125755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電要素を収容した電池ケースを封口するための電池用組立封口体であって、
（i）外部端子を有する導電性のキャップ、
（ii）前記発電要素と対向する側に配され、かつ前記発電要素に含まれる一方の電極と接続される導電性の膜状材料、
（iii）前記キャップと前記金属板との間に配されている弁体、および
（iv）前記弁体と前記導電性の膜状材料との間に配されている熱膨張性材料
を含み、
前記導電性の膜状材料と前記弁体とが、少なくとも１箇所の所定の位置において、導通した状態で接合されており、前記熱膨張性材料が所定倍率に膨張したときに、前記導電性の膜状材料と前記弁体との接合が破断して、前記導電性の膜状材料と前記弁体との導通が絶たれる、電池用組立封口体。
【請求項２】
前記弁体は、前記熱膨張性材料を取り囲むように、所定の円周に沿って連続的に繋がる凸部を有し、前記凸部は、前記導電性の膜状材料側に突出し、前記導電性の膜状材料と前記凸部とが接合されている、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項３】
前記弁体は、前記熱膨張性材料を取り囲むように、所定の円周に沿って設けられた少なくとも１つの別個の凸部を有し、前記少なくとも１つの凸部は、前記導電性の膜状材料側に突出し、前記導電性の膜状材料と前記凸部とが接合されている、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項４】
前記熱膨張性材料の膨張率が、１２０℃以上で最大となる、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項５】
前記熱膨張性材料の１２０℃での膨張率が、２００〜４００％である、請求項４記載の電池用組立封口体。
【請求項６】
前記熱膨張性材料が、膨張性無機材料を含む、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項７】
前記膨張性無機材料が、膨張性黒鉛を含む、請求項６記載の電池用組立封口体。
【請求項８】
前記弁体の前記熱膨張性材料と接触する部分に、耐熱性の絶縁シートが配置されている、請求項７記載の電池用組立封口体。
【請求項９】
前記熱膨張性材料が、樹脂材料をさらに含む、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項１０】
前記熱膨張性材料が１２０℃以上に加熱されたときに、前記熱膨張性材料の膨張により、前記接合されていた位置において、前記導電性の膜状材料と前記弁体とが、０．４ｍｍ以上離れる、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項１１】
前記キャップは、その厚さ方向に前記キャップを貫通する貫通孔を有し、
前記導電性の膜状材料は、その厚さ方向に前記導電性の膜状材料を貫通する貫通孔を有し、
前記弁体は、前記導電性の膜状材料側に突出した凸部を有し、前記導電性の膜状材料と前記弁体の凸部とが接合されており、前記弁体の凸部に、肉薄部が設けられている、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項１２】
抵抗値が、１ｍΩ以下である、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項１３】
発電要素と、前記発電要素を収容する電池ケースと、前記電池ケースの開口部を封口するための請求項１記載の組立封口体とを備える、電池。
【請求項１４】
前記発電要素は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたセパレータとを有し、
前記第１電極と前記導電性の膜状材料とが、第１リードにより電気的に接続されており、
前記第１リードと前記導電性の膜状材料との接続部が、前記導電性の膜状材料を介して前記熱膨張性材料と対向している、請求項１３記載の電池。
【請求項１５】
公称容量が、４Ａｈ以上である、請求項１３記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池に関し、具体的には、電池に用いられる組立封口体の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池には、多くの種類が知られている。例えば、小型民生用の代表的な電池としては、リチウム二次電池が挙げられる。リチウム二次電池は、常温での使用が可能であり、高い作動電圧と高エネルギー密度を有し、優れたサイクル特性を有する。このため、リチウム二次電池は、例えば、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノート型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラなどの携帯用小型電子機器の電源として広く利用されている。近年では、携帯型電子機器の高性能化に伴い、電源として用いられる電池のさらなる高性能化も要望されている。【０００３】
一方で、大型の電池は、電力貯蔵用に用いられたり、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車などの電気自動車のモーター駆動用に用いられたりしている。特に、前記電気自動車の電源に用いられる電池には、高容量であること、さらには高出力特性に優れること等が求められている。【０００４】
このように、電池に対しては、高性能化の要望が高い。しかしながら、電池自体の性能が高まると、短絡等の不具合が生じたときに、電池の構成等にもよるが、電解質の分解により発生したガスにより電池内圧が上昇しやすくなる。さらには、前記不具合により、電池温度が急激に上昇することもある。よって、電池の安全性をさらに向上させるために、さらなる対策が求められている。【０００５】
従来、電池の安全性をさらに向上させるために、種々の検討が行われている。例えば、特許文献１には、封口板の電解液、電解液蒸気または電解液分解ガスと接触しない部分に、電池内の圧力に感応して作動する電流遮断装置を設けることが開示されている。特許文献１は、過充放電時に、電池内圧が上昇した場合でも、電池が発火したり、破裂したりすることを防止することを目的としている。【０００６】
特許文献２には、電流遮断リードを備える封口板が開示されている。電解液の分解により可燃性のガスが発生しても、前記封口板に設けられた弁膜により、電流遮断リードは、前記可燃性のガスを含む雰囲気から隔離される。特許文献２は、過充電時や短絡時において、電池が破裂したり、電池内で発生した可燃性ガスの電流遮断時における引火が生じたりすることを防止することを目的としている。【０００７】
特許文献３には、電池ケースの内圧の上昇に応じて電池ケースの外側方向に移動する隔壁と、電池反応部と端子とを導通させる導電体と、前記隔壁に支持され、前記導電体を切断する刃部とを備える安全装置が開示されている。特許文献３は、電池内圧が上昇したときに、電流路を確実に遮断でき、スパークが発生しても、電解液の蒸気や分解ガスに引火することを防止することを目的としている。【０００８】
特許文献４には、中空円状の２つの接続板を各内周側端部が接続するように配置し、前記２つの接続板の間でかつ内周側に熱膨張樹脂を配置し、熱膨張樹脂の外周側に非膨張樹脂が配置されている電流遮断機構が開示されている。特許文献４は、電池が異常に発熱した際に電流を瞬時に遮断することを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−２５４４０１号公報
【特許文献２】特開平６−２１５７６０号公報
【特許文献３】特開平１０−３２１２１３号公報
【特許文献４】特開２００７−１９４０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１〜３に開示される技術は、電池内圧が上昇したときに、放電を停止することを意図している。しかし、例えば電気自動車等の電源として用いられる高容量の電池は、短絡の不具合が生じた場合、電池内圧が上昇しないうちに、電池温度が上昇することがある。さらに、電池温度が短時間のうちに上昇した場合、電池を密封するために用いられているガスケットが劣化し、電池内で発生したガスが外部に逃げてしまう。よって、電池内圧が上昇する前に電池温度が上昇することが想定される電池に、特許文献１〜３に開示される技術を適用したとしても、不具合が生じたときに、放電を十分に停止できるとは限らない。【００１１】
特許文献４に開示される技術では、熱膨張樹脂の厚さ方向の両側に配置されている２つの接続板は単に線接触しているだけである。このため、特許文献４の表１に記載されるように、２つの接続板間の抵抗値が０．０４Ωと非常に高い値を示している。
例えば電気自動車等の電源に用いられる電池には、高出力特性が求められる。高い出力特性を達成するためには、電池の内部抵抗をできる限り小さくする必要がある。
しかしながら、特許文献４に開示される電池は、上記のように、２つの接続板間の抵抗値は非常に高いために、電池の内部抵抗が非常に高いと考えられる。つまり、特許文献４に開示される電池は、電気自動車等の電源としてだけでなく、民生用用途の電池としても、十分に機能するとは考えにくい。【００１２】
そこで、本発明は、特に高容量および高出力特性を有する電池において、電池に不具合が生じたときに、充放電を確実に停止させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一局面において、発電要素を収容した電池ケースを封口するための電池用組立封口体は、
（i）外部端子を有する導電性のキャップ、
（ii）前記発電要素と対向する側に配され、かつ前記発電要素に含まれる一方の電極と接続される導電性の膜状材料、
（iii）前記キャップと前記導電性の膜状材料との間に配されている導電性の弁体、および
（iv）前記弁体と前記導電性の膜状材料との間に配されている熱膨張性材料
を含む。前記導電性の膜状材料と前記弁体とは、少なくとも１箇所の所定の位置において、導通した状態で接合されており、前記熱膨張性材料が所定倍率に膨張したときに、前記導電性の膜状材料と前記弁体との接合が破断して、前記導電性の膜状材料と前記弁体との導通が絶たれる。【００１４】
本発明の別の局面において、電池は、発電要素と、前記発電要素を収容する電池ケースと、前記電池ケースの開口部を封口するための上記組立封口体とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明においては、導電性の膜状材料と弁体とが、少なくとも１箇所の所定の位置において、金属接合されているため、導電性の膜状材料と弁体とを低抵抗で接続することができる。よって、例えば、高い出力特性を維持することができる。さらに、導電性の膜状材料と弁体との間に、熱膨張性材料を配置することにより、不具合が生じて電池温度が上昇したときに、接合された導電性の膜状材料と弁体とを確実に離すことができる。よって、本発明により、特に高容量および高出力特性を有する電池において、電池内部の異常を検知し、充放電を確実に停止させることができる。例えば、本発明により、電池内圧が上昇する前に電池温度が上昇したときに、充放電を確実に停止させることができる。【００１６】
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、構成および内容の両方に関し、本願の他の目的および特徴と併せ、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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池を概略的に示す縦断面図である。
【図２】熱膨張性材料が膨張した後の、弁体と導電性の膜状材料との位置関係を概略的に示す縦断面図である。
【図３】図２の円III内の拡大図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係る電池に含まれる組立封口体を概略的に示す縦断面図である。
【図５】比較例で作製した電池を概略的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一実施形態に係る電池は、発電要素と、発電要素を収容する電池ケースと、電池ケースの開口部を封口する組立封口体とを備える。組立封口体は、（i）外部端子を有する導電性のキャップ、（ii）前記発電要素と対向する側に配され、かつ前記発電要素に含まれる一方の電極と接続される導電性の膜状材料、（iii）前記キャップと前記導電性の膜状材料との間に配されている導電性の弁体、および（iv）前記弁体と前記導電性の膜状材料との間に配されている熱膨張性材料を含む。前記導電性の膜状材料と前記弁体とは、少なくとも１箇所の所定の位置において、導通した状態で接合されており、前記熱膨張性材料が所定倍率に膨張したときに、前記導電性の膜状材料と前記弁体との接合が破断して、前記導電性の膜状材料と前記弁体との導通が絶たれる。
【００１９】
以下、本実施形態に係る電池を、図１〜３を参照しながら説明する。図１に、本発明の一実施形態に係る電池の縦断面図を示す。図２に、熱膨張性材料が膨張した後の、弁体と導電性の膜状材料との位置関係を概略的に示す。図３に、図２の円III内の拡大図を示す。なお、図１〜３において、同じ構成要素には、同じ番号を付している。さらに、図２には、組立封口体のみを示している。
【００２０】
図１の密閉型の円筒形電池１０は、電池ケース１１、円筒形電池ケース１１内に収容された発電要素１２、および組立封口体３０を備える。発電要素１２は、第１電極１３、第２電極１４、第１電極１３と第２電極１４との間に配置されたセパレータ１５、および電解質（図示せず）を含む。なお、本実施形態において、第１電極１３が正極であり、第２電極１４が負極であってもよいし、第１電極１３が負極であり、第２電極１４が正極であってもよい。
【００２１】
発電要素１２は、電池ケース１１内に配置される。発電要素１２と電池ケース１１の内底部との間には、下部絶縁板１７が配置されており、発電要素１２の上部には、上部絶縁板１６が配置されている。
【００２２】
図１の電池１０において、電池ケース１１の開口部は、組立封口体３０により封口されている。具体的には、電池ケース１１の開口端部を、絶縁ガスケット１８を介して組立封口体３０の周縁部にかしめつけることにより、電池ケース１１の開口部が封口されている。
【００２３】
組立封口体３０は、（i）外部端子３１ａを有する導電性のキャップ３１、（ii）導電性の膜状材料３２、（iii）キャップ３１と導電性の膜状材料３２との間に配されている導電性の弁体３３、および（iv）弁体３３と導電性の膜状材料３２との間に配されている熱膨張性材料３４を含む。導電性の膜状材料３２は、キャップ３１とは反対側、つまり発電要素１２と対向する側に配されている。キャップ３１、および弁体３３は、例えば、導電性の膜状材料から構成されている。熱膨張性材料３４は、電池の通常使用温度域を超えて加熱されると膨張する。電池の通常使用温度域とは、例えば、−３０℃〜６０℃の範囲のことをいう。
【００２４】
組立封口体３０において、キャップ３１の周縁部には、平坦部３１ｃが設けられ、弁体３３の周縁部には、平坦部３３ｃが設けられている。キャップ３１の平坦部３１ｃと、弁体３３の平坦部３３ｃとが積層されることにより、キャップ３１と弁体３３とが電気的に接続されている。さらに、キャップ３１と弁体３３の積層された周縁部を覆うように、絶縁層３５が設けられている。
【００２５】
導電性の膜状材料３２（以下、下部導電膜３２と称す）と弁体３３とは、例えば、少なくとも１箇所で部分的に、金属接合されている。具体的には、例えば、弁体３３は、弁体３３の中央部３３ｂを取り囲むように配置され、かつ下部導電膜３２側に突出した凸部３３ａを有している。凸部３３ａの頂部が例えば部分的に下部導電膜３２に金属接合される。こうして、下部導電膜３２と弁体３３とが電気的に接合され、ひいては、下部導電膜３２とキャップ３１とが電気的に接続される。
【００２６】
下部導電膜３２の周縁部は、絶縁層３５を介して、キャップ３１と弁体３３の積層された周縁部にかしめつけられている。よって、弁体３３に設けられた凸部３３ａと、下部導電膜３２との接合が絶たれると、下部導電膜３２と弁体３３との導通が絶たれることとなる。弁体３３に設けられる凸部３３ａの数および下部導電膜３２と弁体３３との接合面積は、電池の用途、下部導電膜３２および弁体３３の厚さおよび材質等に応じて適宜選択される。
【００２７】
弁体３３は互いに別個の複数の凸部３３ａを有していてもよいし、図１に示されるように、弁体３３に、所定の円周に沿って連続的に繋がった凸部３３ａを設けてもよい。具体的には、弁体３３は、熱膨張性材料３４を取り囲むように、所定の円周に沿って連続的に繋がり、かつ下部導電膜３２側に突出する凸部を有してもよい。この場合、前記凸部が、下部導電膜３２に接合される。前記凸部は、部分的に下部導電膜３２に接合されてもよいし、凸部全体が下部導電膜３２に接合されてもよい。同様に、弁体３３は、熱膨張性材料３４を取り囲むように、所定の円周に沿って設けられ、かつ下部導電膜３２側に突出する少なくとも１つの別個の凸部を有してもよい。この場合、前記少なくとも１つの別個の凸部の一部または全てが、下部導電膜３２に接合される。
【００２８】
なお、第１電極１３には、第１リード１９の一端が接続され、組立封口体３０の下部導電膜３２の発電要素１２側の表面には、第１リード１９の他端が接続されている。第２電極１４には、第２リード２０の一端が接続され、電池ケース１１の内底面には、第２リード２０の他端が接続されている。
【００２９】
熱膨張性材料３４は、下部導電膜３２と弁体３３との間に配置される。図１に示される組立封口体３０においては、弁体３３の凸部３３ａよりも、電池１０の半径方向内側に、熱膨張性材料３４が配されている。つまり、熱膨張性材料３４は、弁体３３の中央部３３ｂと対向し、かつ連続的に繋がった凸部３３ａに取り囲まれている。膨張性材料３４が所定倍率に膨張すると、弁体３３がキャップ３１側に押し上げられるか、または下部導電膜３２が下方に押し下げられ、その結果、図２に示されるように、弁体３３の凸部３３ａが下部導電膜３２から離れる。このため、下部導電膜３２から弁体３３に、電流が流れるのを防止することができる。つまり、電池温度の上昇に反応して、電流を遮断することができる。
【００３０】
以上のように、下部導電膜３２と弁体３３とが、少なくとも１箇所の所定の位置において金属接合されるため、下部導電膜３２と弁体３３とを低抵抗で接続することができる。よって、例えば、高い出力特性を維持することができる。さらに、下部導電膜３２と弁体３３との間に、熱膨張性材料３４を配置することにより、不具合等が生じて電池温度が上昇したときに、金属接合された下部導電膜３２と弁体３３とを確実に離すことをできる。よって、上記構成により、特に高容量および高出力特性を有する電池において、電池内部の異常を検知し、充放電を確実に停止させることができる。例えば、上記構成により、電池温度が上昇したときに、充放電を確実に停止させることができる。
【００３１】
熱膨張性材料３４の膨張率は、１２０℃以上で最大となることが好ましい。このとき、熱膨張性材料３４の１２０℃での膨張率は、２００〜４００％であることがさらに好ましい。これにより、電池の充放電を確実に停止することができる。さらには、電池が高電圧であるときでも、下部導電膜３２と弁体３３とが離れたのちに、下部導電膜３２と弁体３３との接合部に位置していた部分間にスパークが生じることを確実に防止することができる。
【００３２】
電気自動車等の電源に用いられる高容量の電池の温度は、通常使用時には、８０℃以下である。一方で、このような電池に不具合が生じた場合、電池温度は、８０℃を超えて上昇する。よって、膨張率は、８０℃より十分に高い温度、つまり１２０℃以上で最大となる熱膨張性材料３４を用いることにより、電池に不具合が生じたときのみに、放電をより確実に停止させることができる。なお、熱膨張性材料３４は、１２０℃以上で膨張し始めることが好ましい。
【００３３】
上記のような特性を満たす熱膨張性材料３４としては、膨張性黒鉛、バーミキュライト等の膨張性無機材料が挙げられる。なかでも、膨張性黒鉛が好ましい。膨張性黒鉛は、１２０℃程度で膨張し始めるため、上記用途に最も適しているからである。
なお、膨張性黒鉛は、例えば、グラファイト（天然鱗状グラファイト、熱分解グラファイト）を、無機酸（硫酸、硝酸等）と、強酸化剤（過塩素酸塩、過マンガン酸塩、重クロム酸塩等）とで処理することにより得られるグラファイト層間化合物のことをいう。
【００３４】
さらに、熱膨張性材料３４は、膨張性無機材料のほかに、必要に応じて、絶縁性の樹脂材料等を含んでいてもよい。
前記樹脂材料としては、ゴム材料、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フェノール樹脂等を用いることができる。ゴム材料としては、クロロプレンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリルゴム、天然ゴム等が挙げられる。
ポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等が挙げられる。
【００３５】
なお、熱膨張性材料が、膨張性無機材料と樹脂材料等とを含む場合、膨張性無機材料の量は、下部導電膜３２と弁体３３とを確実に離すことができれば、特に限定されない。膨張性無機材料の量は、例えば、熱膨張性材料の１〜９０重量％とすることが好ましく、５〜５０重量％とすることがさらに好ましい。
また、熱膨張性材料が、膨張性無機材料と樹脂材料等とを含む場合、熱膨張性材料の膨張率は、膨張性無機材料の量を調節することにより、制御することができる。
【００３６】
なお、熱膨張性材料の１２０℃での膨張率は、
［（１２０℃での厚さ）／（膨張していない状態での厚さ）］×１００
により求めることができる。ここで、膨張していない状態での厚さとは、膨張開始温度よりも十分に低い温度での厚さ（例えば、２５℃での厚さ）であり、かつ弁体と下部導電膜との間に配置されるときの厚さのことをいう。
【００３７】
電池温度が１２０℃以上に上昇したときに、つまり熱膨張性材料３４が１２０℃以上に加熱されたときに、熱膨張性材料３４が膨張し、金属接合部で接合されていた下部導電膜３２と弁体３３とが離れる。このとき、図３に示されるように、前記金属接合部が設けられた位置において、つまり下部導電膜３２と弁体３３とが最も接近している箇所において、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離Ｈは、０．４ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることがさらに好ましい。ここで、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離Ｈとは、下部導電膜３２と弁体３３とが金属接合されている箇所における、下部導電膜３２の弁体３３に最も近い位置と、弁体３３の凸部３３ａの下部導電膜３２に最も近い位置との間の垂直距離のことをいう。
【００３８】
特に電圧が高い電池の場合、下部導電膜３２と弁体３３とが最も接近した箇所おいて、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離が短いと、下部導電膜３２と弁体３３との間にスパークが生じることがある。しかしながら、下部導電膜３２と弁体３３とが最も接近した箇所において、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離Ｈを０．４ｍｍ以上とすることにより、下部導電膜３２と弁体３３との間にスパークが生じることを防止することができる。なお、電池電圧が５０Ｖと高い場合でも、距離Ｈが０．４ｍｍ以上であれば、スパークの発生を防止することができる。
【００３９】
熱膨張性材料３４が膨張したのちの、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離Ｈは、例えば、熱膨張する前の熱膨張性材料の厚さ、熱膨張性材料の１２０℃での膨張率を調節することにより、制御することができる。
【００４０】
なお、下部導電膜３２と弁体３３との間に配置された熱膨張性材料３４の厚さは、下部導電膜３２および弁体３３の形状等に応じて適宜選択される。
【００４１】
キャップ３１、および弁体３３は、導電性の膜状材料、例えば金属箔から構成される。キャップ３１の構成材料としては、Ｎｉメッキされた冷間圧延鋼板（SPCC、SPCD）、またはステンレス鋼を用いることが好ましい。
弁体３３の構成材料としては、例えば、アルミニウム（例えば１Ｎ５０、Ａ１０５０）またはアルミニウム合金（例えば３００３等の３０００系）を用いることが好ましい。
導電性の膜状材料（下部導電膜）３２の構成材料としては、例えば、アルミニウム合金（５０５２、３００３）を用いることが好ましい。
【００４２】
絶縁層３５の構成材料としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等を用いることができる。
【００４３】
キャップ３１を構成する膜状材料の厚さは、０．４〜１ｍｍであることが好ましい。導電性の膜状材料（下部導電膜）３２の厚さは、０．４〜１ｍｍであることが好ましい。弁体３３を構成する膜状材料の厚さは、０．２〜０．５ｍｍであることが好ましい。
絶縁層３５の厚さは、特に限定されないが、０．５〜１ｍｍであればよい。
【００４４】
さらに、図１に示されるように、金属製の第１リード１９は、下部導電膜３２の熱膨張性材料３４が配置されている面とは反対の面の、熱膨張性材料３４と対向する部分に、接続されていることが好ましい。つまり、第１リード１９と下部導電膜３２との接続部が、下部導電膜３２を介して熱膨張性材料３４と対向していることが好ましい。
短絡等の不具合が発電要素１２に生じた場合、発電要素１２の温度が上昇する。発生した熱の伝達速度は、通常、電池内の気体雰囲気中よりも、金属において速い。つまり、発電要素１２で発生した熱は、金属製の第１リード１９を伝導しやすい。よって、第１リード１９を、下部導電膜３２の熱膨張性材料３４が配置されている面とは反対の面の、熱膨張性材料３４と対向する部分に接続することにより、発電要素１２で発生した熱を、熱膨張性材料３４に迅速に伝えることができる。その結果、電池温度が急激に上昇した場合でも、迅速かつ確実に充放電を停止することができる。
【００４５】
なお、第１電極が正極である場合、電池の種類にもよるが、第１リード１９の構成材料としては、例えば、アルミニウム、チタンなどが挙げられる。第２電極が負極である場合、第２リード２０の構成材料としては、例えば、銅、ニッケルなどが挙げられる。
【００４６】
さらに、組立封口体に設けられた安全機構は、電池内圧の増加によっても作動するようにしてもよい。つまり、電池内圧が増加したときにも、電流が遮断されるようにしてもよい。このことを、図４を参照しながら説明する。図４において、図１と同じ構成要素には、同じ番号を付している。
【００４７】
図４に示される組立封口体４０において、キャップ３１は、その厚さ方向にキャップ３１を貫通する貫通孔３１ｂを有し、下部導電膜３２は、その厚さ方向に下部導電膜３２を貫通する貫通孔３２ａを有するとともに、弁体４１の凸部３３ａに、肉薄部４２を設けることが好ましい。このとき、肉薄部４２は、凸部３３ａが電池内圧の上昇により肉薄部４２において破断して、下部導電膜３２と弁体４１とが完全に離れるように、凸部３３ａに設けることが好ましい。
【００４８】
これにより、電池温度が上昇するとともに、電池内圧が上昇したときに、熱膨張性材料３４が膨張するとともに、電池内圧に応じて、肉薄部４２が破断する。よって、下部導電膜３２と弁体４１とをさらに確実に離すことができるとともに、電池内に発生したガスを外部に逃がすこともできる。
肉薄部４２の厚さは、弁体４１の厚さの２０％〜５０％の範囲にあることが好ましい。例えば、肉薄部４２の厚さは０．０３〜０．０５ｍｍとすることができる。肉薄部４２の厚さが弁体４１の厚さの２０％より小さいと、肉薄部４２の形成が困難となる。肉薄部４２の厚さが弁体４１の厚さの５０％より大きくなると、電池内圧が上昇したときに、肉薄部４２が破断しにくくなる。ここで、弁体の厚さとは、弁体を構成する金属箔の厚さのことをいう。
【００４９】
または、従来から用いられている電池内圧が上昇したときに電流を遮断する機構と、図１に示されるような電流遮断機構を組み合わせて用いてもよい。
【００５０】
なお、熱膨張性材料が膨張性黒鉛を含む場合、弁体の熱膨張性材料と接する部分に、耐熱性の絶縁シートを配置してもよい。
膨張後の膨張性黒鉛の抵抗は、数十Ωに達すると考えられるため、弁体と膨張性黒鉛を含む熱膨張性材料と下部導電膜とが直接接していても、弁体と下部導電膜との接合が破断すれば、電流を十分に遮断することができると考えられる。
上記のように、弁体の熱膨張性材料と接する部分に、耐熱性の絶縁シートをさらに配置することにより、熱膨張性材料と弁体との間の絶縁性を高めることができる。その結果、熱膨張性材料が膨張性黒鉛を含む場合の電流遮断機能をより高めることができる。
【００５１】
前記耐熱性の絶縁シートの構成材料としては、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。
耐熱性の絶縁シートの厚さは、弁体と熱膨張性材料とを絶縁できれば、特に限定されない。
【００５２】
以下、再度、図１を参照しながら、組立封口体３０以外の構成要素について説明する。以下においては、第１電極１３を正極とし、第２電極１４を負極として、説明を行う。
【００５３】
正極は、例えば、正極集電体、および正極集電体に形成された正極活物質層を含むことができる。正極活物質層は、正極活物質、および必要に応じて、結着剤、導電剤等を含むことができる。
用いられる正極活物質は、電池の種類に応じて、適宜選択される。作製される電池が、リチウム電池である場合、正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）等のリチウム含有遷移金属複合酸化物、二酸化マンガン等を用いることができる。
【００５４】
作製される電池がアルカリ蓄電池である場合、正極活物質としては、水酸化ニッケル等を用いることができる。あるいは、当該分野で公知の焼結式ニッケル正極を用いることもできる。
【００５５】
正極に添加される結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンおよびポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
【００５６】
正極に添加される導電剤としては、例えば、天然黒鉛（鱗片状黒鉛など）、人造黒鉛、膨張黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、銅、ニッケル等の金属粉末類、ならびにポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料を用いることができる。
【００５７】
正極集電体を構成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、チタン等が挙げられる。
【００５８】
負極は、例えば、負極集電体、および負極集電体に形成された負極活物質層を含むことができる。負極活物質層は、負極活物質、および必要に応じて、結着剤、導電剤等を含むことができる。
用いられる負極活物質は、電池の種類に応じて、適宜選択される。作製される電池がリチウム電池である場合、負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、黒鉛等の炭素材料、ケイ素単体、ケイ素合金、ケイ素酸化物、スズ、スズ合金、スズ酸化物等が挙げられる。
【００５９】
作製される電池がアルカリ蓄電池である場合、負極活物質としては、当該分野で公知の水素吸蔵合金を用いることができる。
【００６０】
負極に添加される結着剤および導電剤としては、正極の場合と同じ材料を用いることができる。
【００６１】
負極集電体の構成材料としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅等が挙げられる。
【００６２】
電解質も、電池の種類に応じて適宜選択される。作製される電池がリチウム電池である場合、電解質としては、非水電解質が用いられる。非水電解質は、非水溶媒と、それに溶解した溶質とを含む。
非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを用いることができる。これらの非水溶媒は、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００６３】
溶質としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣｌ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、およびイミド類を用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてよい。
【００６４】
作製される電池がアルカリ蓄電池である場合、電解質としては、アルカリ電解質を用いることができる。アルカリ電解質は、例えば、比重１．３０の水酸化カリウム水溶液と、それに４０ｇ／Ｌの濃度で溶解した水酸化リチウムとを含むことができる。
【００６５】
セパレータ１５を構成する材料としては、第１電極（正極）１３と第２電極（負極）１４とを絶縁でき、かつ電池内で化学的に安定である、当該分野で公知の材料を用いることができる。このような材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンとポリプロピレンの混合物、またはエチレンとプロピレンとの共重合体が挙げられる。
【００６６】
電池ケース１１を構成する材料としては、例えば、Ｎｉメッキされた鋼板、ステンレス鋼を用いることができる。
【００６７】
本発明は、公称容量が４Ａｈ以上の電池において、特に有効である。上記のように、高容量の電池は、短絡の不具合が生じた場合、電池内圧が上昇しないうちに、電池温度が上昇することがある。電池温度が急激に上昇すると、電池を密封するために用いられている絶縁ガスケットが劣化し、電池内で発生したガスが外部に逃げてしまうことがある。よって、電池内圧の上昇により、電流を遮断する従来の電池では、不具合が生じたときに、放電を十分に停止することができない。一方、本発明では、熱膨張性材料の膨張により、電流を遮断することができる。よって、本発明により、特に高容量および高出力特性を有する電池において、電池内部で異常が生じたとしても、充放電を確実に停止させることができる。
【００６８】
さらに、上記組立封口体３０を備える電池が電気自動車等の電源として用いられる場合、高い出力特性を得るために、組立封口体３０の抵抗値は、１ｍΩ以下であることが好ましい。
なお、組立封口体３０の抵抗値は、例えば、４点端子法を用いて測定することができる。キャップ３１と下部導電膜３２との間に所定の値の電流を流し、そのときにキャップ３１と下部導電膜３２との間にかかる電圧を測定する。前記電流値と測定された電圧値とから、組立封口体３０の抵抗値を求めることができる。
【００６９】
なお、組立封口体３０の抵抗値は、下部導電膜３２と弁体３３との接合面積、キャップ３１、下部導電膜３２、および弁体３３の構成材料等により調節することができる。
【００７０】
特に、リチウム二次電池は、高電圧かつ高容量である。このため、リチウム二次電池に不具合が生じた場合、電池温度が急激に上昇することがある。よって、リチウム二次電池に本発明を適用することにより、リチウム二次電池の安全性をさらに向上させることができる。
【実施例】
【００７１】
《実施例１》
図１に示されるような密閉型の円筒形電池を作製した。
（１）正極板の作製
正極活物質として、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を用いた。正極活物質を８５重量部と、導電剤である炭素粉末を１０重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略す）のＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略す）溶液とを混合して、正極合剤ペーストを得た。ＰＶＤＦの添加量は、５重量部とした。
得られた正極合剤ペーストを、厚さ１５μｍのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１００μｍの正極板を作製した。【００７２】
（２）負極板の作製
負極活物質である人造黒鉛粉末を９５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦのＮＭＰ溶液とを混合して、負極合剤ペーストを得た。ＰＶＤＦの添加量は、５重量部とした。
得られた負極合剤ペーストを、厚み１０μｍの銅箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚み１００μｍの負極板を作製した。【００７３】
（３）非水電解質の調製
非水電解質は、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとジメチルカーボネートとを１：１：８の体積比で含む混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１．５ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解することにより調製した。【００７４】
（４）組立封口体の作製
図１に示されるような組立封口体を作製した。熱膨張性材料としては、膨張性黒鉛（１２０℃での膨張率：２００％）を用いた。
まず、所定の金属箔をプレス加工して、キャップ、下部導電膜および弁体を得た。弁体には、所定の円周に沿って連続的に繋がる凸部を設けた。なお、本実施例１においてのみ、弁体の膨張後の膨張性黒鉛と接触すると予測される部分に、耐熱性の樹脂シートを配しておいた。ただし、膨張後の膨張性黒鉛の抵抗は高いため、この耐熱性の樹脂シートを設けなくても、弁体と下部導電膜との接合が破断されれば、電流を遮断することができる。【００７５】
次に、下部導電膜の弁体と対向する面に、熱膨張性材料を配した。熱膨張性材料は、下部導電膜と弁体とを接合したとき、弁体に設けられた凸部よりも内周側に位置するように配した。
弁体の凸部と下部導電膜とを抵抗溶接して、弁体と下部導電膜とを接合した。弁体と下部導電膜との溶接面積は１．５ｍｍ２以上とした。
次いで、弁体の下部導電膜と接している側とは反対側に、キャップを積層した。下部導電膜の周縁部を、キャップと弁体との積層体の周縁部を覆うように、絶縁層を介して、前記積層体の周縁部にかしめて、組立封口体を得た。【００７６】
キャップの厚さは０．５ｍｍあり、弁体の厚さは０．４ｍｍであり、下部導電膜の厚さは０．５ｍｍであった。ここで、各部材の厚さは、前記部材を構成する金属箔の厚さのことである。【００７７】
（５）密閉型電池の作製
得られた正極板と負極板との間に、厚み２５μｍのセパレータを配置して、積層体を得た。得られた積層体を渦巻状に捲回して、円柱状の極板群を作製した。
得られた極板群を、上記のようにして調製した非水電解質２８ｍｌと共に、内径２９ｍｍφのニッケルメッキされた鉄製の有底ケース内に収容した。ニッケルメッキされた鉄箔の厚さは、０．４ｍｍであった。
アルミニウム製正極リードの一端を正極板に接続し、正極リードの他端を、組立封口体の下部導電膜の熱膨張性材料が配置されている面とは反対の面の、熱膨張性材料と対向する部分に接続した。銅製負極リードの一端を負極板に接続し、負極リードの他端を、電池ケースの内底面に接続した。極板群の上部には上部絶縁板を、下部には下部絶縁板をそれぞれ設けた。
電池ケースの開口端部を、絶縁ガスケットを介して、組立封口体の周縁部にかしめつけて、電池ケースの開口部を封口して、密閉型電池を作製した。得られた電池の公称容量は、６８００ｍＡｈとした。こうして得られた電池を電池１とした。【００７８】
《実施例２》
熱膨張性材料として、３Ｍ社のファイアバリア（商品名、クロロプレンゴムとバーミキュウライトを含有する樹脂組成物からなるシート材料、１２０℃での膨張率：３００％）を用いたこと以外、実施例１と同様にして、電池２を作製した。【００７９】
《実施例３》
熱膨張性材料として、三井金属塗料化学（株）製のメジヒカット（商品名、ポリウレタン樹脂と膨張性黒鉛を含有する樹脂組成物からなるシート材料、１２０℃での膨張率：４００％）を用いたこと以外、実施例１と同様にして、電池３を作製した。【００８０】
《比較例１》
図５に示されるような従来の組立封口体５１を用いたこと以外、実施例１と同様にして、密閉型の円筒形電池５０を作製した。得られた電池を、比較電池１とした。なお、図５において、図１と同じ構成要素には、同じ番号を付し、説明は省略する。【００８１】
組立封口体５１は、外部端子５２ａを備えるキャップ５２、上弁体５３、下弁体５４、および下部導電膜５５を含む。上弁体５３には、円状またはＣ状の肉薄部５３ａが設けられている。下弁体５４には、円状の肉薄部５４ａが設けられている。円状の肉薄部５４ａの内側には、上弁体５３の方向に突出した凸部５４ｂが設けられており、凸部５４ｂが、上弁体５３に電気的に接続さされている。なお、上弁体５３と下弁体５４との間には、絶縁層５６が設けられており、上弁体５３は、下弁体５４の凸部５４ｂのみが接している。
上弁体５３には、キャップ５２が接続され、下弁体５４には、下部導電膜５５が接続されている。キャップ５２には、その厚さ方向に貫通する貫通孔５２ｂが設けられ、下部導電膜５５には、その厚さ方向に貫通する貫通孔５５ｂが設けられている。【００８２】
電池５０においては、電池内部でガスが発生すると、電池内圧が上昇する。発生したガスは、下部導電膜５５の貫通孔５５ｂを通して、組立封口体５１の内部に入り、下弁体５４を押し上げる。このとき、下弁体５４の肉薄部５４ａが破断され、上弁体５３と下弁体５４とが離れる。このため、電池内部で、電流が遮断される。
電流が遮断されたとしても、電池内圧がさらに上昇することがある。この場合、上弁体５３の肉薄部５３ａが破断され、電池内部で発生したガスが、キャップ５２の貫通孔５２ｂを通して、外部に放出される。【００８３】
［評価］
電池１〜３および比較電池１を以下のような加熱試験に供した。
各電池を、６．８Ａ（１Ｃ）の電流で充電しながら、組立封口体付近を、１２０℃で加熱した。
その結果、電池１〜３では、充電の途中で、充電を停止することができた。一方で、比較電池１では、充電を停止させることはできなかった。【００８４】
以上のように、弁体と下部導電膜との間に熱膨張性材料が配された組立封口体を用いることにより、不具合が生じて電池温度が上昇した場合等において、充放電を確実に停止できることがわかる。【００８５】
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。種々の変形および改変は、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、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、すべての変形および改変を包含する、と解釈されるべきものである。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
上記組立封口体を備える電池は、安全性がさらに向上されているため、例えば、携帯電話、ノート型パソコン、ビデオカムコーダーなどのポータブル電子機器の駆動用電源として好適に用いることができる。さらに、前記電池は、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電動自転車等の電源としても好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０  電池
１１  電池ケース
１２  発電要素
１３  第１電極
１４  第２電極
１５  セパレータ
１６  上部絶縁板
１７  下部絶縁板
１８  絶縁ガスケット
１９  第１リード
２０  第２リード
３０、４０  組立封口体
３１  キャップ
３１ａ  外部端子
３２  導電性の膜状材料
３１ｂ、３２ａ  貫通孔
３３、４１  弁体
３３ａ  凸部
３３ｂ  弁体の中央部
３１ｃ、３３ｃ  弁体の周縁部に設けられた平坦部
３４  熱膨張性材料
３５  絶縁層
４２  弁体の肉薄部
【図１】
2010125755.tif 000003
【図２】
2010125755.tif 000004
【図３】
2010125755.tif 000005
【図４】
2010125755.tif 000006
【図５】
2010125755.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月2日(2010.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池に関し、具体的には、電池に用いられる組立封口体の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池には、多くの種類が知られている。例えば、小型民生用の代表的な電池としては、リチウム二次電池が挙げられる。リチウム二次電池は、常温での使用が可能であり、高い作動電圧と高エネルギー密度を有し、優れたサイクル特性を有する。このため、リチウム二次電池は、例えば、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノート型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラなどの携帯用小型電子機器の電源として広く利用されている。近年では、携帯型電子機器の高性能化に伴い、電源として用いられる電池のさらなる高性能化も要望されている。
【０００３】
一方で、大型の電池は、電力貯蔵用に用いられたり、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車などの電気自動車のモーター駆動用に用いられたりしている。特に、前記電気自動車の電源に用いられる電池には、高容量であること、さらには高出力特性に優れること等が求められている。
【０００４】
このように、電池に対しては、高性能化の要望が高い。しかしながら、電池自体の性能が高まると、短絡等の不具合が生じたときに、電池の構成等にもよるが、電解質の分解により発生したガスにより電池内圧が上昇しやすくなる。さらには、前記不具合により、電池温度が急激に上昇することもある。よって、電池の安全性をさらに向上させるために、さらなる対策が求められている。
【０００５】
従来、電池の安全性をさらに向上させるために、種々の検討が行われている。例えば、特許文献１には、封口板の電解液、電解液蒸気または電解液分解ガスと接触しない部分に、電池内の圧力に感応して作動する電流遮断装置を設けることが開示されている。特許文献１は、過充放電時に、電池内圧が上昇した場合でも、電池が発火したり、破裂したりすることを防止することを目的としている。
【０００６】
特許文献２には、電流遮断リードを備える封口板が開示されている。電解液の分解により可燃性のガスが発生しても、前記封口板に設けられた弁膜により、電流遮断リードは、前記可燃性のガスを含む雰囲気から隔離される。特許文献２は、過充電時や短絡時において、電池が破裂したり、電池内で発生した可燃性ガスの電流遮断時における引火が生じたりすることを防止することを目的としている。
【０００７】
特許文献３には、電池ケースの内圧の上昇に応じて電池ケースの外側方向に移動する隔壁と、電池反応部と端子とを導通させる導電体と、前記隔壁に支持され、前記導電体を切断する刃部とを備える安全装置が開示されている。特許文献３は、電池内圧が上昇したときに、電流路を確実に遮断でき、スパークが発生しても、電解液の蒸気や分解ガスに引火することを防止することを目的としている。
【０００８】
特許文献４には、中空円状の２つの接続板を各内周側端部が接続するように配置し、前記２つの接続板の間でかつ内周側に熱膨張樹脂を配置し、熱膨張樹脂の外周側に非膨張樹脂が配置されている電流遮断機構が開示されている。特許文献４は、電池が異常に発熱した際に電流を瞬時に遮断することを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−２５４４０１号公報
【特許文献２】特開平６−２１５７６０号公報
【特許文献３】特開平１０−３２１２１３号公報
【特許文献４】特開２００７−１９４０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１〜３に開示される技術は、電池内圧が上昇したときに、放電を停止することを意図している。しかし、例えば電気自動車等の電源として用いられる高容量の電池は、短絡の不具合が生じた場合、電池内圧が上昇しないうちに、電池温度が上昇することがある。さらに、電池温度が短時間のうちに上昇した場合、電池を密封するために用いられているガスケットが劣化し、電池内で発生したガスが外部に逃げてしまう。よって、電池内圧が上昇する前に電池温度が上昇することが想定される電池に、特許文献１〜３に開示される技術を適用したとしても、不具合が生じたときに、放電を十分に停止できるとは限らない。
【００１１】
特許文献４に開示される技術では、熱膨張樹脂の厚さ方向の両側に配置されている２つの接続板は単に線接触しているだけである。このため、特許文献４の表１に記載されるように、２つの接続板間の抵抗値が０．０４Ωと非常に高い値を示している。
例えば電気自動車等の電源に用いられる電池には、高出力特性が求められる。高い出力特性を達成するためには、電池の内部抵抗をできる限り小さくする必要がある。
しかしながら、特許文献４に開示される電池は、上記のように、２つの接続板間の抵抗値は非常に高いために、電池の内部抵抗が非常に高いと考えられる。つまり、特許文献４に開示される電池は、電気自動車等の電源としてだけでなく、民生用用途の電池としても、十分に機能するとは考えにくい。
【００１２】
そこで、本発明は、特に高容量および高出力特性を有する電池において、電池に不具合が生じたときに、充放電を確実に停止させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一局面において、発電要素を収容した電池ケースを封口するための電池用組立封口体は、
（i）外部端子を有する導電性のキャップ、
（ii）前記発電要素と対向する側に配され、かつ前記発電要素に含まれる一方の電極と接続される導電性の膜状材料、
（iii）前記キャップと前記導電性の膜状材料との間に配されている導電性の弁体、および
（iv）前記弁体と前記導電性の膜状材料との間に配されている熱膨張性材料
を含む。前記導電性の膜状材料と前記弁体とは、少なくとも１箇所の所定の位置において、導通した状態で接合されており、前記熱膨張性材料が所定倍率に膨張したときに、前記導電性の膜状材料と前記弁体との接合が破断して、前記導電性の膜状材料と前記弁体との導通が絶たれる。
【００１４】
本発明の別の局面において、電池は、発電要素と、前記発電要素を収容する電池ケースと、前記電池ケースの開口部を封口するための上記組立封口体とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明においては、導電性の膜状材料と弁体とが、少なくとも１箇所の所定の位置において、金属接合されているため、導電性の膜状材料と弁体とを低抵抗で接続することができる。よって、例えば、高い出力特性を維持することができる。さらに、導電性の膜状材料と弁体との間に、熱膨張性材料を配置することにより、不具合が生じて電池温度が上昇したときに、接合された導電性の膜状材料と弁体とを確実に離すことができる。よって、本発明により、特に高容量および高出力特性を有する電池において、電池内部の異常を検知し、充放電を確実に停止させることができる。例えば、本発明により、電池内圧が上昇する前に電池温度が上昇したときに、充放電を確実に停止させることができる。
【００１６】
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、構成および内容の両方に関し、本願の他の目的および特徴と併せ、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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池を概略的に示す縦断面図である。
【図２】熱膨張性材料が膨張した後の、弁体と導電性の膜状材料との位置関係を概略的に示す縦断面図である。
【図３】図２の円III内の拡大図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係る電池に含まれる組立封口体を概略的に示す縦断面図である。
【図５】比較例で作製した電池を概略的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一実施形態に係る電池は、発電要素と、発電要素を収容する電池ケースと、電池ケースの開口部を封口する組立封口体とを備える。組立封口体は、（i）外部端子を有する導電性のキャップ、（ii）前記発電要素と対向する側に配され、かつ前記発電要素に含まれる一方の電極と接続される導電性の膜状材料、（iii）前記キャップと前記導電性の膜状材料との間に配されている導電性の弁体、および（iv）前記弁体と前記導電性の膜状材料との間に配されている熱膨張性材料を含む。前記導電性の膜状材料と前記弁体とは、少なくとも１箇所の所定の位置において、導通した状態で接合されており、前記熱膨張性材料が所定倍率に膨張したときに、前記導電性の膜状材料と前記弁体との接合が破断して、前記導電性の膜状材料と前記弁体との導通が絶たれる。
【００１９】
以下、本実施形態に係る電池を、図１〜３を参照しながら説明する。図１に、本発明の一実施形態に係る電池の縦断面図を示す。図２に、熱膨張性材料が膨張した後の、弁体と導電性の膜状材料との位置関係を概略的に示す。図３に、図２の円III内の拡大図を示す。なお、図１〜３において、同じ構成要素には、同じ番号を付している。さらに、図２には、組立封口体のみを示している。
【００２０】
図１の密閉型の円筒形電池１０は、電池ケース１１、円筒形電池ケース１１内に収容された発電要素１２、および組立封口体３０を備える。発電要素１２は、第１電極１３、第２電極１４、第１電極１３と第２電極１４との間に配置されたセパレータ１５、および電解質（図示せず）を含む。なお、本実施形態において、第１電極１３が正極であり、第２電極１４が負極であってもよいし、第１電極１３が負極であり、第２電極１４が正極であってもよい。
【００２１】
発電要素１２は、電池ケース１１内に配置される。発電要素１２と電池ケース１１の内底部との間には、下部絶縁板１７が配置されており、発電要素１２の上部には、上部絶縁板１６が配置されている。
【００２２】
図１の電池１０において、電池ケース１１の開口部は、組立封口体３０により封口されている。具体的には、電池ケース１１の開口端部を、絶縁ガスケット１８を介して組立封口体３０の周縁部にかしめつけることにより、電池ケース１１の開口部が封口されている。
【００２３】
組立封口体３０は、（i）外部端子３１ａを有する導電性のキャップ３１、（ii）導電性の膜状材料３２、（iii）キャップ３１と導電性の膜状材料３２との間に配されている導電性の弁体３３、および（iv）弁体３３と導電性の膜状材料３２との間に配されている熱膨張性材料３４を含む。導電性の膜状材料３２は、キャップ３１とは反対側、つまり発電要素１２と対向する側に配されている。キャップ３１、および弁体３３は、例えば、導電性の膜状材料から構成されている。熱膨張性材料３４は、電池の通常使用温度域を超えて加熱されると膨張する。電池の通常使用温度域とは、例えば、−３０℃〜６０℃の範囲のことをいう。
【００２４】
組立封口体３０において、キャップ３１の周縁部には、平坦部３１ｃが設けられ、弁体３３の周縁部には、平坦部３３ｃが設けられている。キャップ３１の平坦部３１ｃと、弁体３３の平坦部３３ｃとが積層されることにより、キャップ３１と弁体３３とが電気的に接続されている。さらに、キャップ３１と弁体３３の積層された周縁部を覆うように、絶縁層３５が設けられている。
【００２５】
導電性の膜状材料３２（以下、下部導電膜３２と称す）と弁体３３とは、例えば、少なくとも１箇所で部分的に、金属接合されている。具体的には、例えば、弁体３３は、弁体３３の中央部３３ｂを取り囲むように配置され、かつ下部導電膜３２側に突出した凸部３３ａを有している。凸部３３ａの頂部が例えば部分的に下部導電膜３２に金属接合される。こうして、下部導電膜３２と弁体３３とが電気的に接合され、ひいては、下部導電膜３２とキャップ３１とが電気的に接続される。
【００２６】
下部導電膜３２の周縁部は、絶縁層３５を介して、キャップ３１と弁体３３の積層された周縁部にかしめつけられている。よって、弁体３３に設けられた凸部３３ａと、下部導電膜３２との接合が絶たれると、下部導電膜３２と弁体３３との導通が絶たれることとなる。弁体３３に設けられる凸部３３ａの数および下部導電膜３２と弁体３３との接合面積は、電池の用途、下部導電膜３２および弁体３３の厚さおよび材質等に応じて適宜選択される。
【００２７】
弁体３３は互いに別個の複数の凸部３３ａを有していてもよいし、図１に示されるように、弁体３３に、所定の円周に沿って連続的に繋がった凸部３３ａを設けてもよい。具体的には、弁体３３は、熱膨張性材料３４を取り囲むように、所定の円周に沿って連続的に繋がり、かつ下部導電膜３２側に突出する凸部を有してもよい。この場合、前記凸部が、下部導電膜３２に接合される。前記凸部は、部分的に下部導電膜３２に接合されてもよいし、凸部全体が下部導電膜３２に接合されてもよい。同様に、弁体３３は、熱膨張性材料３４を取り囲むように、所定の円周に沿って設けられ、かつ下部導電膜３２側に突出する少なくとも１つの別個の凸部を有してもよい。この場合、前記少なくとも１つの別個の凸部の一部または全てが、下部導電膜３２に接合される。
【００２８】
なお、第１電極１３には、第１リード１９の一端が接続され、組立封口体３０の下部導電膜３２の発電要素１２側の表面には、第１リード１９の他端が接続されている。第２電極１４には、第２リード２０の一端が接続され、電池ケース１１の内底面には、第２リード２０の他端が接続されている。
【００２９】
熱膨張性材料３４は、下部導電膜３２と弁体３３との間に配置される。図１に示される組立封口体３０においては、弁体３３の凸部３３ａよりも、電池１０の半径方向内側に、熱膨張性材料３４が配されている。つまり、熱膨張性材料３４は、弁体３３の中央部３３ｂと対向し、かつ連続的に繋がった凸部３３ａに取り囲まれている。膨張性材料３４が所定倍率に膨張すると、弁体３３がキャップ３１側に押し上げられるか、または下部導電膜３２が下方に押し下げられ、その結果、図２に示されるように、弁体３３の凸部３３ａが下部導電膜３２から離れる。このため、下部導電膜３２から弁体３３に、電流が流れるのを防止することができる。つまり、電池温度の上昇に反応して、電流を遮断することができる。
【００３０】
以上のように、下部導電膜３２と弁体３３とが、少なくとも１箇所の所定の位置において金属接合されるため、下部導電膜３２と弁体３３とを低抵抗で接続することができる。よって、例えば、高い出力特性を維持することができる。さらに、下部導電膜３２と弁体３３との間に、熱膨張性材料３４を配置することにより、不具合等が生じて電池温度が上昇したときに、金属接合された下部導電膜３２と弁体３３とを確実に離すことをできる。よって、上記構成により、特に高容量および高出力特性を有する電池において、電池内部の異常を検知し、充放電を確実に停止させることができる。例えば、上記構成により、電池温度が上昇したときに、充放電を確実に停止させることができる。
【００３１】
熱膨張性材料３４の膨張率は、１２０℃以上で最大となることが好ましい。このとき、熱膨張性材料３４の１２０℃での膨張率は、２００〜４００％であることがさらに好ましい。これにより、電池の充放電を確実に停止することができる。さらには、電池が高電圧であるときでも、下部導電膜３２と弁体３３とが離れたのちに、下部導電膜３２と弁体３３との接合部に位置していた部分間にスパークが生じることを確実に防止することができる。
【００３２】
電気自動車等の電源に用いられる高容量の電池の温度は、通常使用時には、８０℃以下である。一方で、このような電池に不具合が生じた場合、電池温度は、８０℃を超えて上昇する。よって、膨張率は、８０℃より十分に高い温度、つまり１２０℃以上で最大となる熱膨張性材料３４を用いることにより、電池に不具合が生じたときのみに、放電をより確実に停止させることができる。なお、熱膨張性材料３４は、１２０℃以上で膨張し始めることが好ましい。
【００３３】
上記のような特性を満たす熱膨張性材料３４としては、膨張性黒鉛、バーミキュライト等の膨張性無機材料が挙げられる。なかでも、膨張性黒鉛が好ましい。膨張性黒鉛は、１２０℃程度で膨張し始めるため、上記用途に最も適しているからである。
なお、膨張性黒鉛は、例えば、グラファイト（天然鱗状グラファイト、熱分解グラファイト）を、無機酸（硫酸、硝酸等）と、強酸化剤（過塩素酸塩、過マンガン酸塩、重クロム酸塩等）とで処理することにより得られるグラファイト層間化合物のことをいう。
【００３４】
さらに、熱膨張性材料３４は、膨張性無機材料のほかに、必要に応じて、絶縁性の樹脂材料等を含んでいてもよい。
前記樹脂材料としては、ゴム材料、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フェノール樹脂等を用いることができる。ゴム材料としては、クロロプレンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリルゴム、天然ゴム等が挙げられる。
ポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等が挙げられる。
【００３５】
なお、熱膨張性材料が、膨張性無機材料と樹脂材料等とを含む場合、膨張性無機材料の量は、下部導電膜３２と弁体３３とを確実に離すことができれば、特に限定されない。膨張性無機材料の量は、例えば、熱膨張性材料の１〜９０重量％とすることが好ましく、５〜５０重量％とすることがさらに好ましい。
また、熱膨張性材料が、膨張性無機材料と樹脂材料等とを含む場合、熱膨張性材料の膨張率は、膨張性無機材料の量を調節することにより、制御することができる。
【００３６】
なお、熱膨張性材料の１２０℃での膨張率は、
［（１２０℃での厚さ）／（膨張していない状態での厚さ）］×１００
により求めることができる。ここで、膨張していない状態での厚さとは、膨張開始温度よりも十分に低い温度での厚さ（例えば、２５℃での厚さ）であり、かつ弁体と下部導電膜との間に配置されるときの厚さのことをいう。
【００３７】
電池温度が１２０℃以上に上昇したときに、つまり熱膨張性材料３４が１２０℃以上に加熱されたときに、熱膨張性材料３４が膨張し、金属接合部で接合されていた下部導電膜３２と弁体３３とが離れる。このとき、図３に示されるように、前記金属接合部が設けられた位置において、つまり下部導電膜３２と弁体３３とが最も接近している箇所において、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離Ｈは、０．４ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることがさらに好ましい。ここで、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離Ｈとは、下部導電膜３２と弁体３３とが金属接合されている箇所における、下部導電膜３２の弁体３３に最も近い位置と、弁体３３の凸部３３ａの下部導電膜３２に最も近い位置との間の垂直距離のことをいう。
【００３８】
特に電圧が高い電池の場合、下部導電膜３２と弁体３３とが最も接近した箇所おいて、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離が短いと、下部導電膜３２と弁体３３との間にスパークが生じることがある。しかしながら、下部導電膜３２と弁体３３とが最も接近した箇所において、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離Ｈを０．４ｍｍ以上とすることにより、下部導電膜３２と弁体３３との間にスパークが生じることを防止することができる。なお、電池電圧が５０Ｖと高い場合でも、距離Ｈが０．４ｍｍ以上であれば、スパークの発生を防止することができる。
【００３９】
熱膨張性材料３４が膨張したのちの、下部導電膜３２と弁体３３との間の距離Ｈは、例えば、熱膨張する前の熱膨張性材料の厚さ、熱膨張性材料の１２０℃での膨張率を調節することにより、制御することができる。
【００４０】
なお、下部導電膜３２と弁体３３との間に配置された熱膨張性材料３４の厚さは、下部導電膜３２および弁体３３の形状等に応じて適宜選択される。
【００４１】
キャップ３１、および弁体３３は、導電性の膜状材料、例えば金属箔から構成される。キャップ３１の構成材料としては、Ｎｉメッキされた冷間圧延鋼板（SPCC、SPCD）、またはステンレス鋼を用いることが好ましい。
弁体３３の構成材料としては、例えば、アルミニウム（例えば１Ｎ５０、Ａ１０５０）またはアルミニウム合金（例えば３００３等の３０００系）を用いることが好ましい。
導電性の膜状材料（下部導電膜）３２の構成材料としては、例えば、アルミニウム合金（５０５２、３００３）を用いることが好ましい。
【００４２】
絶縁層３５の構成材料としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等を用いることができる。
【００４３】
キャップ３１を構成する膜状材料の厚さは、０．４〜１ｍｍであることが好ましい。導電性の膜状材料（下部導電膜）３２の厚さは、０．４〜１ｍｍであることが好ましい。弁体３３を構成する膜状材料の厚さは、０．２〜０．５ｍｍであることが好ましい。
絶縁層３５の厚さは、特に限定されないが、０．５〜１ｍｍであればよい。
【００４４】
さらに、図１に示されるように、金属製の第１リード１９は、下部導電膜３２の熱膨張性材料３４が配置されている面とは反対の面の、熱膨張性材料３４と対向する部分に、接続されていることが好ましい。つまり、第１リード１９と下部導電膜３２との接続部が、下部導電膜３２を介して熱膨張性材料３４と対向していることが好ましい。
短絡等の不具合が発電要素１２に生じた場合、発電要素１２の温度が上昇する。発生した熱の伝達速度は、通常、電池内の気体雰囲気中よりも、金属において速い。つまり、発電要素１２で発生した熱は、金属製の第１リード１９を伝導しやすい。よって、第１リード１９を、下部導電膜３２の熱膨張性材料３４が配置されている面とは反対の面の、熱膨張性材料３４と対向する部分に接続することにより、発電要素１２で発生した熱を、熱膨張性材料３４に迅速に伝えることができる。その結果、電池温度が急激に上昇した場合でも、迅速かつ確実に充放電を停止することができる。
【００４５】
なお、第１電極が正極である場合、電池の種類にもよるが、第１リード１９の構成材料としては、例えば、アルミニウム、チタンなどが挙げられる。第２電極が負極である場合、第２リード２０の構成材料としては、例えば、銅、ニッケルなどが挙げられる。
【００４６】
さらに、組立封口体に設けられた安全機構は、電池内圧の増加によっても作動するようにしてもよい。つまり、電池内圧が増加したときにも、電流が遮断されるようにしてもよい。このことを、図４を参照しながら説明する。図４において、図１と同じ構成要素には、同じ番号を付している。
【００４７】
図４に示される組立封口体４０において、キャップ３１は、その厚さ方向にキャップ３１を貫通する貫通孔３１ｂを有し、下部導電膜３２は、その厚さ方向に下部導電膜３２を貫通する貫通孔３２ａを有するとともに、弁体４１の凸部３３ａに、肉薄部４２を設けることが好ましい。このとき、肉薄部４２は、凸部３３ａが電池内圧の上昇により肉薄部４２において破断して、下部導電膜３２と弁体４１とが完全に離れるように、凸部３３ａに設けることが好ましい。
【００４８】
これにより、電池温度が上昇するとともに、電池内圧が上昇したときに、熱膨張性材料３４が膨張するとともに、電池内圧に応じて、肉薄部４２が破断する。よって、下部導電膜３２と弁体４１とをさらに確実に離すことができるとともに、電池内に発生したガスを外部に逃がすこともできる。
肉薄部４２の厚さは、弁体４１の厚さの２０％〜５０％の範囲にあることが好ましい。例えば、肉薄部４２の厚さは０．０３〜０．０５ｍｍとすることができる。肉薄部４２の厚さが弁体４１の厚さの２０％より小さいと、肉薄部４２の形成が困難となる。肉薄部４２の厚さが弁体４１の厚さの５０％より大きくなると、電池内圧が上昇したときに、肉薄部４２が破断しにくくなる。ここで、弁体の厚さとは、弁体を構成する金属箔の厚さのことをいう。
【００４９】
または、従来から用いられている電池内圧が上昇したときに電流を遮断する機構と、図１に示されるような電流遮断機構を組み合わせて用いてもよい。
【００５０】
なお、熱膨張性材料が膨張性黒鉛を含む場合、弁体の熱膨張性材料と接する部分に、耐熱性の絶縁シートを配置してもよい。
膨張後の膨張性黒鉛の抵抗は、数十Ωに達すると考えられるため、弁体と膨張性黒鉛を含む熱膨張性材料と下部導電膜とが直接接していても、弁体と下部導電膜との接合が破断すれば、電流を十分に遮断することができると考えられる。
上記のように、弁体の熱膨張性材料と接する部分に、耐熱性の絶縁シートをさらに配置することにより、熱膨張性材料と弁体との間の絶縁性を高めることができる。その結果、熱膨張性材料が膨張性黒鉛を含む場合の電流遮断機能をより高めることができる。
【００５１】
前記耐熱性の絶縁シートの構成材料としては、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。
耐熱性の絶縁シートの厚さは、弁体と熱膨張性材料とを絶縁できれば、特に限定されない。
【００５２】
以下、再度、図１を参照しながら、組立封口体３０以外の構成要素について説明する。以下においては、第１電極１３を正極とし、第２電極１４を負極として、説明を行う。
【００５３】
正極は、例えば、正極集電体、および正極集電体に形成された正極活物質層を含むことができる。正極活物質層は、正極活物質、および必要に応じて、結着剤、導電剤等を含むことができる。
用いられる正極活物質は、電池の種類に応じて、適宜選択される。作製される電池が、リチウム電池である場合、正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）等のリチウム含有遷移金属複合酸化物、二酸化マンガン等を用いることができる。
【００５４】
作製される電池がアルカリ蓄電池である場合、正極活物質としては、水酸化ニッケル等を用いることができる。あるいは、当該分野で公知の焼結式ニッケル正極を用いることもできる。
【００５５】
正極に添加される結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンおよびポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
【００５６】
正極に添加される導電剤としては、例えば、天然黒鉛（鱗片状黒鉛など）、人造黒鉛、膨張黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、銅、ニッケル等の金属粉末類、ならびにポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料を用いることができる。
【００５７】
正極集電体を構成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、チタン等が挙げられる。
【００５８】
負極は、例えば、負極集電体、および負極集電体に形成された負極活物質層を含むことができる。負極活物質層は、負極活物質、および必要に応じて、結着剤、導電剤等を含むことができる。
用いられる負極活物質は、電池の種類に応じて、適宜選択される。作製される電池がリチウム電池である場合、負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、黒鉛等の炭素材料、ケイ素単体、ケイ素合金、ケイ素酸化物、スズ、スズ合金、スズ酸化物等が挙げられる。
【００５９】
作製される電池がアルカリ蓄電池である場合、負極活物質としては、当該分野で公知の水素吸蔵合金を用いることができる。
【００６０】
負極に添加される結着剤および導電剤としては、正極の場合と同じ材料を用いることができる。
【００６１】
負極集電体の構成材料としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅等が挙げられる。
【００６２】
電解質も、電池の種類に応じて適宜選択される。作製される電池がリチウム電池である場合、電解質としては、非水電解質が用いられる。非水電解質は、非水溶媒と、それに溶解した溶質とを含む。
非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを用いることができる。これらの非水溶媒は、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００６３】
溶質としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣｌ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、およびイミド類を用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてよい。
【００６４】
作製される電池がアルカリ蓄電池である場合、電解質としては、アルカリ電解質を用いることができる。アルカリ電解質は、例えば、比重１．３０の水酸化カリウム水溶液と、それに４０ｇ／Ｌの濃度で溶解した水酸化リチウムとを含むことができる。
【００６５】
セパレータ１５を構成する材料としては、第１電極（正極）１３と第２電極（負極）１４とを絶縁でき、かつ電池内で化学的に安定である、当該分野で公知の材料を用いることができる。このような材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンとポリプロピレンの混合物、またはエチレンとプロピレンとの共重合体が挙げられる。
【００６６】
電池ケース１１を構成する材料としては、例えば、Ｎｉメッキされた鋼板、ステンレス鋼を用いることができる。
【００６７】
本発明は、公称容量が４Ａｈ以上の電池において、特に有効である。上記のように、高容量の電池は、短絡の不具合が生じた場合、電池内圧が上昇しないうちに、電池温度が上昇することがある。電池温度が急激に上昇すると、電池を密封するために用いられている絶縁ガスケットが劣化し、電池内で発生したガスが外部に逃げてしまうことがある。よって、電池内圧の上昇により、電流を遮断する従来の電池では、不具合が生じたときに、放電を十分に停止することができない。一方、本発明では、熱膨張性材料の膨張により、電流を遮断することができる。よって、本発明により、特に高容量および高出力特性を有する電池において、電池内部で異常が生じたとしても、充放電を確実に停止させることができる。
【００６８】
さらに、上記組立封口体３０を備える電池が電気自動車等の電源として用いられる場合、高い出力特性を得るために、組立封口体３０の抵抗値は、１ｍΩ以下であることが好ましい。
なお、組立封口体３０の抵抗値は、例えば、４点端子法を用いて測定することができる。キャップ３１と下部導電膜３２との間に所定の値の電流を流し、そのときにキャップ３１と下部導電膜３２との間にかかる電圧を測定する。前記電流値と測定された電圧値とから、組立封口体３０の抵抗値を求めることができる。
【００６９】
なお、組立封口体３０の抵抗値は、下部導電膜３２と弁体３３との接合面積、キャップ３１、下部導電膜３２、および弁体３３の構成材料等により調節することができる。
【００７０】
特に、リチウム二次電池は、高電圧かつ高容量である。このため、リチウム二次電池に不具合が生じた場合、電池温度が急激に上昇することがある。よって、リチウム二次電池に本発明を適用することにより、リチウム二次電池の安全性をさらに向上させることができる。
【実施例】
【００７１】
《実施例１》
図１に示されるような密閉型の円筒形電池を作製した。
（１）正極板の作製
正極活物質として、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を用いた。正極活物質を８５重量部と、導電剤である炭素粉末を１０重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略す）のＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略す）溶液とを混合して、正極合剤ペーストを得た。ＰＶＤＦの添加量は、５重量部とした。
得られた正極合剤ペーストを、厚さ１５μｍのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１００μｍの正極板を作製した。
【００７２】
（２）負極板の作製
負極活物質である人造黒鉛粉末を９５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦのＮＭＰ溶液とを混合して、負極合剤ペーストを得た。ＰＶＤＦの添加量は、５重量部とした。
得られた負極合剤ペーストを、厚み１０μｍの銅箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚み１００μｍの負極板を作製した。
【００７３】
（３）非水電解質の調製
非水電解質は、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとジメチルカーボネートとを１：１：８の体積比で含む混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１．５ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解することにより調製した。
【００７４】
（４）組立封口体の作製
図１に示されるような組立封口体を作製した。熱膨張性材料としては、膨張性黒鉛（１２０℃での膨張率：２００％）を用いた。
まず、所定の金属箔をプレス加工して、キャップ、下部導電膜および弁体を得た。弁体には、所定の円周に沿って連続的に繋がる凸部を設けた。なお、本実施例１においてのみ、弁体の膨張後の膨張性黒鉛と接触すると予測される部分に、耐熱性の樹脂シートを配しておいた。ただし、膨張後の膨張性黒鉛の抵抗は高いため、この耐熱性の樹脂シートを設けなくても、弁体と下部導電膜との接合が破断されれば、電流を遮断することができる。
【００７５】
次に、下部導電膜の弁体と対向する面に、熱膨張性材料を配した。熱膨張性材料は、下部導電膜と弁体とを接合したとき、弁体に設けられた凸部よりも内周側に位置するように配した。
弁体の凸部と下部導電膜とを抵抗溶接して、弁体と下部導電膜とを接合した。弁体と下部導電膜との溶接面積は１．５ｍｍ２以上とした。
次いで、弁体の下部導電膜と接している側とは反対側に、キャップを積層した。下部導電膜の周縁部を、キャップと弁体との積層体の周縁部を覆うように、絶縁層を介して、前記積層体の周縁部にかしめて、組立封口体を得た。
【００７６】
キャップの厚さは０．５ｍｍあり、弁体の厚さは０．４ｍｍであり、下部導電膜の厚さは０．５ｍｍであった。ここで、各部材の厚さは、前記部材を構成する金属箔の厚さのことである。
【００７７】
（５）密閉型電池の作製
得られた正極板と負極板との間に、厚み２５μｍのセパレータを配置して、積層体を得た。得られた積層体を渦巻状に捲回して、円柱状の極板群を作製した。
得られた極板群を、上記のようにして調製した非水電解質２８ｍｌと共に、内径２９ｍｍφのニッケルメッキされた鉄製の有底ケース内に収容した。ニッケルメッキされた鉄箔の厚さは、０．４ｍｍであった。
アルミニウム製正極リードの一端を正極板に接続し、正極リードの他端を、組立封口体の下部導電膜の熱膨張性材料が配置されている面とは反対の面の、熱膨張性材料と対向する部分に接続した。銅製負極リードの一端を負極板に接続し、負極リードの他端を、電池ケースの内底面に接続した。極板群の上部には上部絶縁板を、下部には下部絶縁板をそれぞれ設けた。
電池ケースの開口端部を、絶縁ガスケットを介して、組立封口体の周縁部にかしめつけて、電池ケースの開口部を封口して、密閉型電池を作製した。得られた電池の公称容量は、６８００ｍＡｈとした。こうして得られた電池を電池１とした。
【００７８】
《実施例２》
熱膨張性材料として、３Ｍ社のファイアバリア（商品名、クロロプレンゴムとバーミキュウライトを含有する樹脂組成物からなるシート材料、１２０℃での膨張率：３００％）を用いたこと以外、実施例１と同様にして、電池２を作製した。
【００７９】
《実施例３》
熱膨張性材料として、三井金属塗料化学（株）製のメジヒカット（商品名、ポリウレタン樹脂と膨張性黒鉛を含有する樹脂組成物からなるシート材料、１２０℃での膨張率：４００％）を用いたこと以外、実施例１と同様にして、電池３を作製した。
【００８０】
《比較例１》
図５に示されるような従来の組立封口体５１を用いたこと以外、実施例１と同様にして、密閉型の円筒形電池５０を作製した。得られた電池を、比較電池１とした。なお、図５において、図１と同じ構成要素には、同じ番号を付し、説明は省略する。
【００８１】
組立封口体５１は、外部端子５２ａを備えるキャップ５２、上弁体５３、下弁体５４、および下部導電膜５５を含む。上弁体５３には、円状またはＣ状の肉薄部５３ａが設けられている。下弁体５４には、円状の肉薄部５４ａが設けられている。円状の肉薄部５４ａの内側には、上弁体５３の方向に突出した凸部５４ｂが設けられており、凸部５４ｂが、上弁体５３に電気的に接続さされている。なお、上弁体５３と下弁体５４との間には、絶縁層５６が設けられており、上弁体５３は、下弁体５４の凸部５４ｂのみが接している。
上弁体５３には、キャップ５２が接続され、下弁体５４には、下部導電膜５５が接続されている。キャップ５２には、その厚さ方向に貫通する貫通孔５２ｂが設けられ、下部導電膜５５には、その厚さ方向に貫通する貫通孔５５ｂが設けられている。
【００８２】
電池５０においては、電池内部でガスが発生すると、電池内圧が上昇する。発生したガスは、下部導電膜５５の貫通孔５５ｂを通して、組立封口体５１の内部に入り、下弁体５４を押し上げる。このとき、下弁体５４の肉薄部５４ａが破断され、上弁体５３と下弁体５４とが離れる。このため、電池内部で、電流が遮断される。
電流が遮断されたとしても、電池内圧がさらに上昇することがある。この場合、上弁体５３の肉薄部５３ａが破断され、電池内部で発生したガスが、キャップ５２の貫通孔５２ｂを通して、外部に放出される。
【００８３】
［評価］
電池１〜３および比較電池１を以下のような加熱試験に供した。
各電池を、６．８Ａ（１Ｃ）の電流で充電しながら、組立封口体付近を、１２０℃で加熱した。
その結果、電池１〜３では、充電の途中で、充電を停止することができた。一方で、比較電池１では、充電を停止させることはできなかった。
【００８４】
以上のように、弁体と下部導電膜との間に熱膨張性材料が配された組立封口体を用いることにより、不具合が生じて電池温度が上昇した場合等において、充放電を確実に停止できることがわかる。
【００８５】
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。種々の変形および改変は、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、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、すべての変形および改変を包含する、と解釈されるべきものである。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
上記組立封口体を備える電池は、安全性がさらに向上されているため、例えば、携帯電話、ノート型パソコン、ビデオカムコーダーなどのポータブル電子機器の駆動用電源として好適に用いることができる。さらに、前記電池は、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電動自転車等の電源としても好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０  電池
１１  電池ケース
１２  発電要素
１３  第１電極
１４  第２電極
１５  セパレータ
１６  上部絶縁板
１７  下部絶縁板
１８  絶縁ガスケット
１９  第１リード
２０  第２リード
３０、４０  組立封口体
３１  キャップ
３１ａ  外部端子
３２  導電性の膜状材料
３１ｂ、３２ａ  貫通孔
３３、４１  弁体
３３ａ  凸部
３３ｂ  弁体の中央部
３１ｃ、３３ｃ  弁体の周縁部に設けられた平坦部
３４  熱膨張性材料
３５  絶縁層
４２  弁体の肉薄部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電要素を収容した電池ケースを封口するための電池用組立封口体であって、
（i）外部端子を有する導電性のキャップ、
（ii）前記発電要素と対向する側に配され、かつ前記発電要素に含まれる一方の電極と接続される導電性の膜状材料、
（iii）前記キャップと前記導電性の膜状材料との間に配されている弁体、および
（iv）前記弁体と前記導電性の膜状材料との間に配されている熱膨張性材料
を含み、
前記導電性の膜状材料と前記弁体とが、少なくとも１箇所の所定の位置において、導通した状態で接合されており、前記熱膨張性材料が所定倍率に膨張したときに、前記導電性の膜状材料と前記弁体との接合が破断して、前記導電性の膜状材料と前記弁体との導通が絶たれる、電池用組立封口体。
【請求項２】
前記弁体は、前記熱膨張性材料を取り囲むように、所定の円周に沿って連続的に繋がる凸部を有し、前記凸部は、前記導電性の膜状材料側に突出し、前記導電性の膜状材料と前記凸部とが接合されている、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項３】
前記弁体は、前記熱膨張性材料を取り囲むように、所定の円周に沿って設けられた複数の別個の凸部を有し、前記複数の凸部は、前記導電性の膜状材料側に突出し、前記導電性の膜状材料と前記凸部とが接合されている、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項４】
前記熱膨張性材料の膨張率が、１２０℃以上で最大となる、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項５】
前記熱膨張性材料の１２０℃での膨張率が、２００〜４００％である、請求項４記載の電池用組立封口体。
【請求項６】
前記熱膨張性材料が、膨張性無機材料を含む、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項７】
前記膨張性無機材料が、膨張性黒鉛を含む、請求項６記載の電池用組立封口体。
【請求項８】
前記弁体の前記熱膨張性材料と接触する部分に、耐熱性の絶縁シートが配置されている、請求項７記載の電池用組立封口体。
【請求項９】
前記熱膨張性材料が、樹脂材料をさらに含む、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項１０】
前記熱膨張性材料が１２０℃以上に加熱されたときに、前記熱膨張性材料の膨張により、前記接合されていた位置において、前記導電性の膜状材料と前記弁体とが、０．４ｍｍ以上離れる、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項１１】
前記キャップは、その厚さ方向に前記キャップを貫通する貫通孔を有し、
前記導電性の膜状材料は、その厚さ方向に前記導電性の膜状材料を貫通する貫通孔を有し、
前記弁体は、前記導電性の膜状材料側に突出した凸部を有し、前記導電性の膜状材料と前記弁体の凸部とが接合されており、前記弁体の凸部に、肉薄部が設けられている、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項１２】
抵抗値が、１ｍΩ以下である、請求項１記載の電池用組立封口体。
【請求項１３】
発電要素と、前記発電要素を収容する電池ケースと、前記電池ケースの開口部を封口するための請求項１記載の組立封口体とを備える、電池。
【請求項１４】
前記発電要素は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたセパレータとを有し、
前記第１電極と前記導電性の膜状材料とが、第１リードにより電気的に接続されており、
前記第１リードと前記導電性の膜状材料との接続部が、前記導電性の膜状材料を介して前記熱膨張性材料と対向している、請求項１３記載の電池。
【請求項１５】
公称容量が、４Ａｈ以上である、請求項１３記載の電池。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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】
2010125755.tif 000012
【国際調査報告】
2010125755.tif 000013
2010125755.tif 000014