(57)【要約】  正極板１及び負極板２がセパレータ３を介して捲回された電極群４が、電池ケース５内に収容され、電池ケース５の開口部は、封口板１０で封口されている。封口板１０は、上部金属板１１、弁体１２、及び下部金属板１３が積層されたもので、電極群４には、電池ケース５の開口部側に絶縁板６が配設され、電極群４の一方の極の極板は、リード８を介して下部金属板１３に接続され、下部金属板１３及び絶縁板６には、第１の開口部１３ａ及び第２の開口部６ａが形成され、第１の開口部１３ａの面積をＳ１、第２の開口部６ａの面積をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１の値が、１．８〜３．３の範囲にある。
2013046712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板及び負極板がセパレータを介して捲回または積層された電極群が、電池ケース内に収容された密閉型二次電池であって、
前記電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板によって封口されており、
前記封口板は、上部金属板、弁体、及び下部金属板が積層されたものであり、
前記電極群には、前記電池ケースの開口部側に絶縁板が配設されており、
前記電極群の一方の極の極板は、リードを介して、前記下部金属板に接続されており、
前記下部金属板及び前記絶縁板には、それぞれ、第１の開口部及び第２の開口部が形成されており、
前記第１の開口部の面積をＳ１、前記第２の開口部の面積をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１の値が、１．８〜３．３の範囲にある、密閉型二次電池。
【請求項２】
前記下部金属板の前記第１の開口部は、前記電池ケースの横断面積に対して、１０％以上の大きさの面積を有している、請求項１に記載の密閉型二次電池。
【請求項３】
前記絶縁板は、前記電池ケースの側壁に形成された窪み部によって保持されている、請求項１または２に記載の密閉型二次電池。
【請求項４】
前記絶縁板は、ガラスフェノール樹脂からなる、請求項１に記載の密閉型二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁を備えた密閉型二次電池の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電可能な密閉型二次電池は、エネルギー密度が高いため、内部短絡または外部短絡が発生した場合、あるいは、異常加熱や異常衝撃等が発生した場合、電池内部で急激な充放電反応または化学反応により急激なガス発生が起こり、これにより、電池ケースが膨張したり、さらには破裂するおそれがある。そのため、多くの密閉型二次電池には、電池内の圧力が所定値に達すると、電池内に発生したガスを電池外に排気する安全弁（防爆機構）が設けられている。【０００３】
一方、エネルギー密度を高めた密閉型二次電池としては、正極板及び負極板をセパレータを介して捲回または積層した電極群を、電解液とともに電池ケース内に収容した構成が知られている。ここで、電池ケースの開口部は、ガスケットを介して安全弁を備えた封口板で封口され、正極板は、正極リードを介して封口板に接続され、負極板は、負極リードを介して電池ケースの底部に接続されている。このとき、電極群が電池ケース内で移動または変形するのを防止するとともに、正極板または負極板が、正極リードおよび負極リードまたは電池ケースと接触して内部短絡が生じるのを防止するために、電極群の上下には、絶縁板が配置されている。【０００４】
ところで、エネルギー密度を高めた密閉型二次電池では、内部短絡等の異常時に、電池内の温度及び圧力が急激に増加することによって変形した電極群が、安全弁を閉塞してしまうと、電池ケースが破裂する畏れがある。【０００５】
そこで、特許文献１には、電極群の変形を防止するために、電極群の上部に配置する絶縁板を、耐熱性及び強度に優れた、ガラスクロスを基材としたフェノール樹脂で構成する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３１３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、電極群の上部に配置する絶縁板に、耐熱性及び強度に優れた材料を用いても、電池内の圧力が急激に上昇した場合、たとえ安全弁が作動しても、電池内の圧力を素早く開放することができなければ、電池ケース自身が破裂してしまう畏れがある。また、急激に上昇した圧力が、直接封口板に作用すると、封口板自身が電池ケースから外れてしまう畏れがある。【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出することのできる密閉型二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る密閉型二次電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回または積層された電極群が、電池ケース内に収容された密閉型二次電池であって、電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板によって封口されており、封口板は、上部金属板、弁体、及び下部金属板が積層されたものであり、電極群には、電池ケースの開口部側に絶縁板が配設されており、電極群の一方の極の極板は、リードを介して、下部金属板に接続されており、下部金属板及び絶縁板には、それぞれ、第１の開口部及び第２の開口部が形成されており、第１の開口部の面積をＳ１、第２の開口部の面積をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１の値が、１．８〜３．３の範囲にある。【００１０】
ある好適な実施形態において、上記下部金属板の第１の開口部は、電池ケースの横断面積に対して、１０％以上の大きさの面積を有している。【００１１】
他の好適な実施形態において、上記絶縁板は、電池ケースの側壁に形成された窪み部によって保持されている。また、上記絶縁板は、ガラスフェノール樹脂からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出することのできる密閉型二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態における密閉型二次電池の構成を示した断面図である。
【図２】下部金属板の第１の開口部の面積と、絶縁板の第２の開口部の面積との関係を示したグラフである。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、下部金属板及び絶縁板の形状を示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態における密閉型二次電池１００の構成を模式的に示した断面図である。
【００１６】
図１に示すように、正極板１及び負極板２がセパレータ３を介して捲回された電極群４が、電解液とともに、電池ケース５内に収納されている。電池ケース５の開口部は、ガスケット１４を介して封口板１０で封口されている。封口板１０は、上部金属板（正極端子を兼ねる）１１、弁体１２、及び下部金属板１３が積層された構成をなしている。正極板１は、正極リード８を介して下部金属板１３に接続され、負極板２は、負極リード９を介して電池ケース５の底部に接続されている。また、電極群４の上下には、絶縁板６、７が、それぞれ配置されている。なお、電極群４の上方に配置された絶縁板６は、電池ケース５の側壁に形成された窪み部５ａによって保持されている。
【００１７】
下部金属板１３及び絶縁板６には、それぞれ、第１の開口部１３ａ及び第２の開口部６ａが形成されている。また、上部金属板１１にも、電池外に通じる排気孔１１ａが形成されている。ここで、電池ケース５内に異常ガスが発生し、電池ケース５内の圧力が所定値を超えると、弁体１２が破断し、電池ケース５内に発生したガスは、絶縁板６の第２の開口部６ａ、下部金属板１３の第１の開口部１３ａ、弁体１２の開口部１２ａ、及び上部金属板１１の排気孔１１ａを介して、電池外に排気される。
【００１８】
電池ケース５内で発生した異常ガスの上記排気機構において、急激な圧力上昇に対して、異常ガスを安全に電池外に排気するために、各開口部の排気能力を考慮した排気設計は、今まで行われてなかった。すなわち、絶縁板６は、上述したように、電極群の変形を防止する機能が要求されることから、絶縁板６の第２の開口部６ａの面積は、絶縁板６に要求される強度を考慮して、その大きさが定められていた。また、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの面積も、高エネルギー化に要求される集電効率を考慮して、その大きさが定められていた。
【００１９】
しかしながら、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの排気能力、及び絶縁板６の第２の開口部６ａの排気能力を考慮せずに、各開口部１３ａ、６ａの面積を、それぞれ独立に定めると、電池ケース５内で発生した異常ガスが、安全に電池外に排気されない畏れがあることを、本願発明者等は見出した。
【００２０】
例えば、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの排気能力が、絶縁板６の第２の開口部６ａの排気能力に対して十分でない場合には、下部金属板１３を含む封口板１０に過度の圧力が作用して、封口板１０が電池１００から飛ばされる畏れがある。逆に、絶縁板６の第２の開口部６ａの排気能力が、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの排気能力に対して十分でない場合には、電池ケース５内の圧力が過度に上昇して、電池ケース５が破裂する畏れがある。
【００２１】
本願発明は、かかる知見に基づきなされたもので、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するために、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの面積と、絶縁板６の第２の開口部６ａの面積との関係を定め、上記排気機構における最適な排気設計を実現したものである。
【００２２】
本願発明者等は、上記関係を定めるために、図１に示した密閉型二次電池１００を作製し、電池内の圧力が異常に上昇したときのガスの排気能力と、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの面積、及び絶縁板６の第２の開口部６ａの面積との関係を検討した。
【００２３】
検討には、以下のような構成のリチウムイオン二次電池を作製した。
【００２４】
正極板１は、アルミニウムからなる集電体上に、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、それぞれ溶剤に分散させたスラリーを塗布、乾燥した後、圧延して作製した。
【００２５】
負極板２は、銅箔からなる集電体上に、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、それぞれ溶媒に分散させたスラリーを塗布、乾燥した後、圧延して作製した。
【００２６】
得られた正極板１及び負極板２を、ポリエチレンからなるセパレータ３を介して捲回して電極群４を作製し、これを外径１８ｍｍの円筒形の電池ケース５内に収容し、電池ケース５の開口部をガスケット１４を介して封口板１０で封口して、リチウムイオン二次電池１００を作製した。
【００２７】
なお、封口板１０を構成する上部金属板１１、弁体１２、及び下部金属板１３は、それぞれ、厚み０．４ｍｍの鉄、厚み０．１５ｍｍのアルミニウム、及び厚み０．４ｍｍのアルミニウムを用いて作製した。また、絶縁板６は、厚み０．３ｍｍのガラスフェノール樹脂を用いて作製した。
【００２８】
ここで、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの面積Ｓ１、及び絶縁板６の第２の開口部６ａの面積Ｓ２を、それぞれ変えた電池を作製し、安全性の試験を行った。
【００２９】
ここで、安全性の試験は、各電池に外部から２００℃の熱を加えて強制的に電池を熱暴走状態にして、封口板１０の飛散及び電池ケース５の破裂の有無を調べることにより行った。
【００３０】
図２は、その結果を示したグラフで、図中の黒丸印が、封口板１０の飛散及び電池ケース５の破裂が生じなかった電池で、×印が、封口板１０の飛散、または電池ケース５の破裂の生じた電池である。
【００３１】
図２に示すように、Ｓ２／Ｓ１の値が、１．８〜３．３の範囲にある電池は、封口板１０の飛散及び電池ケース５の破裂は生じなかった。一方、Ｓ２／Ｓ１の値が３．３より大きいと、封口板１０の飛散が生じ、また、Ｓ２／Ｓ１の値が１．８より小さいと、電池ケース５の破裂が生じた。
【００３２】
従って、電池内の圧力が異常に上昇しても、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するためには、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの面積Ｓ１と、絶縁板６の第２の開口部６ａの面積Ｓ２との関係は、Ｓ２／Ｓ１の値が、１．８〜３．３の範囲にあることが好ましい。
【００３３】
ところで、本発明において、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの面積Ｓ１は、絶縁板６の第２の開口部６ａの面積Ｓ２よりも小さく設定されるため、電池全体の排気能力は、開口部の面積の小さい下部金属板１３で律速される。従って、電池全体の排気能力は、一定の大きさを確保する必要があり、その目安は、電池ケース５の横断面積に対して、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの面積Ｓ１の占める割合で規定することができる。
【００３４】
電池全体に要求される排気能力は、電池の種類によって異なるが、典型的には、下部金属板１３の第１の開口部１３ａは、電池ケース５の横断面積に対して、５％以上の大きさの面積を有することが好ましい。
【００３５】
例えば、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質として、ＬｉＮｉＯ２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物を用いた電池の方が、ＬｉＣｏＯ２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物を用いた電池よりも、異常時に発生する単位時間当たりのガス量が多い。従って、Ｌｉ・Ｎｉ系複合酸化物を正極活物質に用いたリチウムイオン二次電池においては、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの面積Ｓ１は、電池ケース５の横断面積に対して、１０％以上の大きさを有することが好ましい。図２に示した電池の場合、電池ケース５の横断面積は、約２５４ｍｍであるので、電池内で発生した異常ガスを安全に電池外に排出するためには、下部金属板１３の第１の開口部１３ａの面積Ｓ１を、２５．４ｍｍ（図中のＰで示した線）以上にすることが好ましい。
【００３６】
本発明において、下部金属板１３及び絶縁板６の材料、形状等は特に限定されず、また、各開口部１３ａ、６ａの形状も、任意の形状を取り得る。
【００３７】
図３は、下部金属板１３及び絶縁板６の形状の一例を示した平面図である。図３（ａ）、（ｂ）は、下部金属板１３及び第１の開口部１３ａの形状を示した図で、図３（ｃ）、（ｄ）は、絶縁板６及び第２の開口部６ａの形状を示した図である。
【００３８】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態において、密閉型二次電池として、リチウムイオン二次電池を例に説明したが、これに限定されず、例えば、ニッケル水素蓄電池等の他の非水電解質二次電池にも適用することができる。
【００３９】
また、上記実施形態において、電極群４として、正極板１及び負極板２をセパレータ３を介して捲回したものを用いたが、正極板１及び負極板２をセパレータ３を介して積層したものを用いてもよい。
【００４０】
また、上記実施形態において、密閉型二次電池として、円筒形の二次電池を例に説明したが、これに限定されず、例えば、角形の二次電池であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
１      正極板 
２      負極板 
３      セパレータ 
４      電極群 
５      電池ケース 
５ａ    窪み部 
６、７  絶縁板 
６ａ    第２の開口部 
８      正極リード 
９      負極リード 
１０    封口板 
１１    上部金属板（正極端子） 
１１ａ  排気孔 
１２    弁体 
１２ａ  開口部 
１３    下部金属板 
１３ａ  第１の開口部 
１４    ガスケット 
１００  密閉型二次電池 
【図１】
2013046712.tif 000003
【図２】
2013046712.tif 000004
【図３】
2013046712.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月17日(2014.12.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明に係る密閉型二次電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回または積層された電極群が、電池ケース内に収容された密閉型二次電池であって、電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板によって封口されており、封口板は、上部金属板、弁体、及び下部金属板が積層されたものであり、電極群には、電池ケースの開口部側に絶縁板が配設されており、電極群の一方の極の極板は、リードを介して、下部金属板に接続されており、下部金属板及び絶縁板には、それぞれ、第１の開口部及び第２の開口部が形成されており、第１の開口部の面積をＳ１、第２の開口部の面積をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１の値が、１．８〜３．３の範囲にあり、下部金属板の第１の開口部は、電池ケースの横断面積に対して、１０％以上の大きさの面積を有している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【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】
正極板及び負極板がセパレータを介して捲回または積層された電極群が、電池ケース内に収容された密閉型二次電池であって、
前記電池ケースの開口部は、ガスケットを介して封口板によって封口されており、
前記封口板は、上部金属板、弁体、及び下部金属板が積層されたものであり、
前記電極群には、前記電池ケースの開口部側に絶縁板が配設されており、
前記電極群の一方の極の極板は、リードを介して、前記下部金属板に接続されており、
前記下部金属板及び前記絶縁板には、それぞれ、第１の開口部及び第２の開口部が形成されており、
前記第１の開口部の面積をＳ１、前記第２の開口部の面積をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１の値が、１．８〜３．３の範囲にあり、
前記下部金属板の前記第１の開口部は、前記電池ケースの横断面積に対して、１０％以上の大きさの面積を有している、密閉型二次電池。
【請求項２】
前記絶縁板は、前記電池ケースの側壁に形成された窪み部によって保持されている、請求項１に記載の密閉型二次電池。
【請求項３】
前記絶縁板は、ガラスフェノール樹脂からなる、請求項１に記載の密閉型二次電池。
【国際調査報告】
2013046712.tif 000006
2013046712.tif 000007
2013046712.tif 000008
2013046712.tif 000009