(57)【要約】【課題】装置の内圧上昇時にガス排出弁以外の部分で破断が起こらず、ガス排出弁のみから適切な速度でガスを排出することが可能な蓄電装置用の封口体を提供することである。【解決手段】実施形態の一例である封口体１３は、金属板１４から構成され、外装缶１２の開口を塞ぐ。封口体１３は、金属板１４と一体的に形成され、装置の内圧が所定圧力まで上昇したときに開口するガス排出弁２０と、ガス排出弁２０の周囲に設けられ、ガス排出弁２０を除く金属板１４の他の部分である基部Ｐよりも単位面積当たり２倍以上の熱容量を有する補強部２２とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板から構成され、外装缶の開口を塞ぐ蓄電装置用の封口体であって、
前記金属板と一体的に形成され、装置の内圧が所定圧力まで上昇したときに開口するガス排出弁と、
前記ガス排出弁の周囲に設けられ、前記ガス排出弁を除く前記金属板の他の部分である基部よりも単位面積当たり２倍以上の熱容量を有する補強部と、
を備えた、封口体。
【請求項２】
前記補強部は、前記ガス排出弁の周囲で前記金属板の厚みを大きくして形成される、請求項１に記載の封口体。
【請求項３】
前記補強部は、前記ガス排出弁の周囲に補強板を固定して形成される、請求項１に記載の封口体。
【請求項４】
前記補強部の厚みは、前記基部の厚みの２倍超過５倍未満である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の封口体。
【請求項５】
前記基部の厚みは１ｍｍ〜５ｍｍであり、前記補強部の厚みは２ｍｍ〜１０ｍｍである、請求項４に記載の封口体。
【請求項６】
前記金属板は、アルミニウムを主成分とする金属材料から構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の封口体。
【請求項７】
前記補強部は、前記ガス排出弁の全周囲にわたって略一定の厚み且つ略一定の幅で形成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の封口体。
【請求項８】
前記外装缶と、
前記外装缶の前記開口を塞ぐ請求項１〜７のいずれか１項に記載の封口体と、
前記外装缶に収容された電極体及び非水電解質と、
を備えた、非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、封口体及びこれを用いた非水電解質二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
非水電解質二次電池等の蓄電装置は、例えば電極体及び非水電解質を収容する外装缶と、外装缶の開口を塞ぐ封口体とを備える。そして、多くの封口体には、蓄電装置の内圧が所定圧力まで上昇したときに開口するガス排出弁が設けられている。例えば、特許文献１には、取り付け孔に溶接されたガス排出弁を備える蓄電装置用の封口体が開示されている。なお、特許文献１には、取り付け孔の内面とガス排出弁の周囲にアルミニウム系金属層を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１３５１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、蓄電装置の高エネルギー密度化に伴い、内部短絡等の異常発生時における発熱量が大きくなり、排出されるガス量も多くなっている。このため、従来の封口体を備えた蓄電装置では、ガス排出弁の周囲で封口体が破断し、弁以外の部分からガスが排出されることが想定される。この場合、目的とするガス排出速度が維持できず、発火に至るおそれがある。他方、封口体の軽量化、材料コストの低減も重要な課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示に係る封口体は、金属板から構成され、外装缶の開口を塞ぐ蓄電装置用の封口体であって、金属板と一体的に形成され、装置の内圧が所定圧力まで上昇したときに開口するガス排出弁と、ガス排出弁の周囲に設けられ、ガス排出弁を除く金属板の他の部分である基部よりも単位面積当たり２倍以上の熱容量を有する補強部とを備える。
【０００６】
本開示に係る非水電解質二次電池は、外装缶と、外装缶の開口を塞ぐ上記封口体と、外装缶に収容された電極体及び非水電解質とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本開示に係る封口体によれば、装置の内圧上昇時にガス排出弁以外の部分で破断が起こらず、ガス排出弁のみから適切な速度でガスを排出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の一例である非水電解質二次電池の外観を示す斜視図である。
【図２】実施形態の一例である封口体のガス排出弁及びその近傍の平面図である。
【図３】図２中のＡＡ線断面図である。
【図４】実施形態の他の一例である封口体を示す図である。
【図５】実施形態の他の一例である封口体を示す図である。
【図６】実施形態の他の一例である封口体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上述のように、ガス排出弁以外の部分で封口体が破断することを防止する必要がある。ガス排出弁は、内部短絡等により高温のガスが発生して装置の内圧が上昇したときにガスを排出させるが、高温のガスが多量に発生すると、例えばガス排出弁の周囲が溶融して弁以外の部分で封口体が破断するおそれがある。ガス排出弁以外の部分の破断は弁の縁を起点として生じ、破断箇所は一気に広がる。そして、設計通りのガス排出速度が維持できなくなり、発火に至る可能性がある。
【００１０】
本発明者らは、軽量化及び材料コストの削減を図りながら、ガス排出弁以外の部分の破断を防止すべく鋭意検討した結果、ガス排出弁の周囲に他の部分（基部）よりも単位面積当たり２倍以上の熱容量を有する補強部を設けることで、ガス排出弁以外の部分で破断が起こらず、ガス排出弁のみから適切な速度でガスを排出することができることを見出した。例えば、基部と同一の材料で、ガス弁の周囲を補強する際は、基部の厚みの２倍を超える厚みを有する厚肉部をガス排出弁の周囲に設ける構造としてもよい。かかる封口体によれば、ガス排出弁以外の部分で破断が起こらず、ガス排出弁のみから適切な速度でガスを排出することができる。
【００１１】
封口体を構成する金属板は、軽量化、材料コストの削減等を考慮すると、薄肉化することが好ましい。このため、金属板の基部の厚みは、ガス排出弁の周囲をその厚みとした場合には内圧上昇時に金属板が破断する程度にまで薄くされる。本開示に係る封口体では、基部を薄肉化し、ガス排出弁の周囲のみを局部的に厚肉化することで、軽量化及び材料コストの削減を図りながら弁以外の部分における破断を防止している。本発明者らは、補強部の単位面積当たりの熱容量を基部の同じ単位面積当たりの熱容量の２倍以上とすることで、ガス排出弁以外の部分の破断を効率良く防止できることをつきとめた。なお、補強部の熱容量が基部の熱容量の２倍未満である場合、弁の周囲で破断が生じる確率が大きく上昇する。或いは、封口体の全体の厚みを大きくする必要があり、重量増、コスト増につながる。
【００１２】
ところで、熱暴走時に発生するガスは、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池の場合、一般的には７００℃以上である。また、発火防止の観点から適切なガスの排出時間（排出速度）は、一般的に１秒〜３０秒である。即ち、ガス排出弁の周囲は、７００℃以上のガスに１秒〜３０秒曝されても破断しないことが求められる。本発明者らによる検討の結果、好適な補強部の厚みは、金属板の組成、補強部の幅等によっても多少異なるが、概ね２ｍｍ〜１０ｍｍであることが判明した。基部の厚みは、例えば１ｍｍ〜５ｍｍであって、補強部の厚みの１／２未満とすることができる。
【００１３】
以下、図面を参照しながら、実施形態の一例について詳細に説明する。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであり、各構成要素の具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断されるべきである。また、本明細書において「略〜」とは、略一定を例に説明すると、完全に一定はもとより、実質的に一定と認められるものを含む意図である。
【００１４】
以下では、蓄電装置として外装缶１２と封口体１３とで構成される角形の金属製ケース（電池ケース１１）を備えた非水電解質二次電池１０を例示するが、蓄電装置は電池に限定されず、キャパシターであってもよい。また、電池ケースは角形以外の形状であってもよい。実施形態の説明では、封口体に設けられた外部端子が並ぶ方向を「横方向」とし、封口体の厚み方向に沿った方向を「上下方向」、横方向及び上下方向に直交する方向を「縦方向」とする。
【００１５】
図１は、実施形態の一例である非水電解質二次電池１０の外観を示す斜視図である。図１に例示するように、非水電解質二次電池１０は、外装缶１２と、外装缶１２の開口を塞ぐ封口体１３とで構成された電池ケース１１を備える。非水電解質二次電池１０は、角形の金属製ケースである電池ケース１１を備えた角形電池であって、好ましくはリチウムイオン電池である。非水電解質二次電池１０の種類は、特に限定されないが、以下ではリチウムイオン電池として説明する。
【００１６】
外装缶１２には、電極体と非水電解質が収容されている。電極体は、正極と、負極と、セパレータとで構成され、正極及び負極からリードが引き出された構造を有する。電極体は、積層型、巻回型のいずれであってもよい。非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解したリチウム塩とで構成される。非水溶媒には、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、カルボン酸エステル類、及びこれらの水素原子をフッ素原子などのハロゲン原子で置換したハロゲン置換体などが用いられる。
【００１７】
正極の活物質には、リチウム含有複合酸化物が用いられる。好適な複合酸化物の一例としては、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｎ系、Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ系のリチウム含有複合酸化物が挙げられる。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出できるものであれば特に限定されず、例えば天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料、Ｓｉ、Ｓｎ等のリチウムと合金化する金属、合金、複合酸化物などを用いることができる。
【００１８】
非水電解質二次電池１０のエネルギー密度は、例えば１６０Ｗｈ／ｋｇ〜２７０Ｗｈ／ｋｇである。後述の補強部２２（図２等参照）を備えた封口体１３は、エネルギー密度が２００Ｗｈ／ｋｇ以上の蓄電装置に適用されることが特に好適である。
【００１９】
外装缶１２は、上端が開口した有底角形筒状の金属製容器である。外装缶１２は、縦方向よりも横方向、上下方向に長い扁平な形状を有するが、外装缶の形状は特に限定されない。外装缶１２を構成する金属材料は、例えばアルミニウムを主成分とする金属材料である。
【００２０】
封口体１３は、外装缶１２の開口を塞いで電池ケース１１の内部空間を密閉するための部材であって、金属板１４から構成されている。封口体１３を構成する金属板１４は、外装缶１２の開口に対応する形状を有し、図１に示す例では縦方向よりも横方向に長い略長方形状を有する。封口体１３は、例えば金属板１４の周縁部を外装缶１２に溶接することで、外装缶１２に取り付けられる。
【００２１】
金属板１４は、軽量化等の観点から、アルミニウムを主成分とする金属材料から構成されることが好ましい。当該金属材料は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金であって、アルミニウムの含有量は９０重量％以上である。以下では、金属板１４がアルミニウムを主成分とする金属材料から構成されているものとして説明する。
【００２２】
封口体１３には、正極外部端子１５、負極外部端子１６、注液部１７、及びガス排出弁２０が設けられる。図１に示す例では、封口体１３の横方向一端部に正極外部端子１５が、横方向他端部に負極外部端子１６がそれぞれ設けられている。例えば、金属板１４の横方向両端部には貫通孔がそれぞれ形成され、正極外部端子１５と負極外部端子１６が絶縁性のガスケットを介して金属板１４と電気的に絶縁された状態で当該各貫通孔に取り付けられる。各外部端子には、電極体から引き出されたリードが直接又は他の集電部材を介して接続される。なお、封口体１３に外部端子として負極外部端子のみを設け、外装缶１２を正極外部端子とする形態としてもよい。
【００２３】
ガス排出弁２０は、スムーズなガス排出を可能とすべく、封口体１３の横方向中央部に形成されることが好ましい。ガス排出弁２０は、例えば正極外部端子１５及び負極外部端子１６から略等距離の位置に形成される。注液部１７は、負極外部端子１６とガス排出弁２０の間に形成されている。注液部１７は、一般的に、電解液を注液するための注液孔と、注液孔を塞ぐ封止栓とで構成される。
【００２４】
以下、図２及び図３を参照しながら、ガス排出弁２０及び補強部２２について詳説する。図２は封口体１３のガス排出弁２０及びその近傍を示す平面図、図３は図２中のＡＡ線断面図である。
【００２５】
図２及び図３に例示するように、封口体１３は、ガス排出弁２０と、ガス排出弁２０の周囲に設けられた補強部２２とを備える。ガス排出弁２０は、コイニング加工などの加工手段により金属板１４に一体的に形成され、非水電解質二次電池１０の内圧が所定圧力まで上昇したときに開口する。封口体１３を構成する金属板１４を加工してガス排出弁２０を一体成形することにより、例えば溶接等による弁の取り付けが不要となり、また封口体１３の密閉性、信頼性が向上する。
【００２６】
本実施形態では、金属板１４に環状の凹部２１が形成されており、当該凹部２１に囲まれた部分がガス排出弁２０となる。ガス排出弁２０の横方向中央部には、内圧上昇時における弁の開口を容易にすべく、縦方向に延びて両端が環状の凹部２１に繋がった直線状の凹部２１が形成されている。凹部２１は、封口体１３の外面（電池ケース１１の外側に向いた面）に形成された刻印であって、凹部２１が形成された部分は他の部分よりも厚みが薄い薄肉部となり、内圧上昇時に当該薄肉部で金属板１４が破断し、ガス排出弁２０が開口する。なお、凹部２１を形成する代わりに、又は凹部２１を形成すると共に、ガス排出弁２０の全体で金属板１４の厚みを薄くしてもよい。
【００２７】
ガス排出弁２０は、横方向に長い角丸長方形状を有する。ガス排出弁２０の縁に角ばった部分が存在すると、その部分からガス排出弁２０の周囲に位置する部分が破断し易くなるため、ガス排出弁２０の縁には角ばった部分を形成しないことが好ましい。ガス排出弁２０は、例えば内部短絡等の異常発生時におけるガスの排出量に基づいて大きさが決定され、発火が起こらない適切な速度でガスを排出可能な大きさとされる。エネルギー密度が２００Ｗｈ／ｋｇであるリチウムイオン電池の場合、例えばガス排出弁２０の強度確保の観点から、封口体１３の幅をＬｗ、ガス排出弁２０の縦方向長さ（短手方向長さ）をＬ2としたとき、Ｌ2／Ｌｗ＝１／２〜１／４が好ましい。また、ガス排気効率の観点から、ガス排出弁２０の横方向長さ（長手方向長さ）をＬ1としたとき、Ｌ2／Ｌ1＝１／２〜１／４が好ましい。
【００２８】
補強部２２は、ガス排出弁２０を囲んで弁の全周囲に設けられ、封口体１３のガス排出弁２０の周囲に位置する部分を補強する。補強部２２は、ガス排出弁２０を除く金属板１４の他の部分である基部Ｐよりも単位面積当たり２倍以上の熱容量を有する部分であって、例えば基部Ｐの厚みの２倍を超える厚みを有する。例えば、補強部２２の厚みＴ22＞基部Ｐの厚みＴ14×２として、同じ面積で比較したときの熱容量を補強部２２の熱容量≧基部Ｐの熱容量×２することで、封口体１３の大幅な重量増、コスト増を招くことなく、ガス排出弁２０以外の部分の破断を効率良く防止できる。
【００２９】
封口体１３のガス排出弁２０及び補強部２２以外の部分である基部Ｐの厚みＴ14は、例えば１ｍｍ〜５ｍｍであり、好ましくは１．５ｍｍ〜３ｍｍである。封口体１３を構成する金属板１４は、軽量化等の観点から薄肉化することが好ましいため、基部Ｐの厚みＴ14は、上述のように、ガス排出弁２０の周囲をその厚みとした場合には内圧上昇時に金属板１４が破断する程度にまで薄くされる。そして、基部Ｐの厚みＴ14がこのような厚みである場合に、補強部２２の厚みＴ22≦基部Ｐの厚みＴ14×２とすると、ガス排出弁２０の周囲で破断が生じる確率が大きく上昇する。補強部２２の厚みＴ22は、例えば２ｍｍ〜１０ｍｍであり、好ましくは３ｍｍ〜６ｍｍである。
【００３０】
補強部２２は、ガス排出弁２０の周囲で金属板１４の厚みを局部的に厚くして形成された厚肉部である。即ち、ガス排出弁２０、補強部２２、及び基部Ｐは、１つの金属板１４を加工して一体成形されている。本実施形態では、ガス排出弁２０の周囲において、金属板１４が電池ケース１１の外側に膨出している。つまり、封口体１３の外面（電池ケース１１の外側に向いた面）がガス排出弁２０の周囲で盛り上がり、ガス排出弁２０の縁に沿って堤状に厚肉部が形成されている。
【００３１】
補強部２２の厚みＴ22は、基部Ｐの厚みＴ14の２倍超過５倍未満とすることが好ましい。補強部２２が電池ケース１１の外側に膨出する場合、厚みＴ22を大きくし過ぎると、電池の外形が大きくなるため、好ましくない。他方、補強部２２が電池ケース１１の内側に膨出する場合、厚みＴ22を大きくし過ぎると、補強部２２が電極体又はリード等の集電部材と干渉するおそれがあるため、好ましくない。補強部２２の厚みＴ22は、基部Ｐの厚みＴ14の２倍超過４．５倍以下がより好ましく、２．５倍以上４倍以下が特に好ましい。厚みＴ22を当該範囲に設定すれば、上述のような不具合を招くことなく、ガス排出弁２０の周囲を効率良く補強することができる。
【００３２】
補強部２２は、ガス排出弁２０の周囲に局部的に設けられる。電池ケース１１の外側に補強部２２が設けられるときは、外装缶１２の周縁から補強部２２がはみ出ないように形成することが好ましい。また、電池ケース１１の内側に補強部２２が設けられるときは、外装缶１２と干渉する部分には設けられない。補強部２２は、外装缶１２と封口体１３の溶接に支障がないように、金属板１４の端から所定長さ離間した部分に設けられる。
【００３３】
補強部２２の幅Ｗは、外装缶１２の周縁からはみ出ない範囲、或いは外装缶１２と干渉しない範囲であれば特に限定されないが、ガス排出弁２０の周囲を均一に補強すべく、ガス排出弁２０の全周囲にわたって略一定であることが好ましい。また、補強部２２の厚みＴ22もガス排出弁２０の全周囲わたって略一定であることが好ましい。つまり、補強部２２は、ガス排出弁２０の全周囲にわたって略一定の厚み且つ略一定の幅で形成されることが好適である。
【００３４】
以上のように、封口体１３を備えた非水電解質二次電池１０によれば、内部短絡等により高温のガスが発生して内圧が上昇したときに、ガス排出弁２０のみから適切な速度でガスを排出することができる。封口体１３のガス排出弁２０以外の部分の破断はガス排出弁２０の縁から生じ易いが、弁の周りを囲む堤状の補強部２２を設けることで、封口体１３の軽量化及び材料コストの削減等を図りながら、弁以外の部分の破断を効率良く防止できる。そして、封口体１３を用いることにより、高エネルギー密度で安全性の高い非水電解質二次電池１０を提供することができる。
【００３５】
なお、上述の実施形態は、本開示の目的を損なわない範囲で適宜設計変更できる。例えば、ガス排出弁の形状は、横方向に長い角丸長方形状に限定されず、楕円形状、真円形状等であってもよい。そして、補強部はガス排出弁の形状に合わせて形成される。
【００３６】
図４〜図６は、実施形態の他の一例である封口体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを示す図である。封口体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの各補強部は、補強部２２と同様に、基部Ｐの厚みＴ14の２倍超過５倍未満の厚みを有することが好ましい。また、各補強部は、ガス排出弁２０の全周囲にわたって略一定の厚み且つ略一定の幅で形成されることが好ましい。
【００３７】
図４に例示する封口体１３Ａの補強部２３は、電池ケース１１の外側だけでなく、内側にも膨出している点で、封口体１３と異なる。つまり、封口体１３Ａ（金属板１４Ａ）の内面及び外面がガス排出弁２０の周囲で盛り上がり、封口体１３Ａの両面にガス排出弁２０の縁に沿った堤状の厚肉部が形成されている。この場合、電池ケース１１の内側、外側それぞれに対する膨出の程度を抑えながら、補強部２３のトータルの厚みＴ23を大きくすることができる。
【００３８】
図５に例示する封口体１３Ｂの補強部２５は、ガス排出弁２０の周囲に補強板２４を固定して形成されている点で、封口体１３，１３Ａと異なる。図５に示す例では、金属板１４Ｂの外面に補強板２４が固定されているが、補強板２４は金属板１４Ｂの内面に固定されてもよく、金属板１４Ｂの両面に固定されてもよい。補強板２４は、平面視略矩形形状を有し、封口体１３Ｂを構成する金属板１４Ｂに重ねられてガス排出弁２０の周囲で封口体１３Ｂの厚みを大きくする、即ち補強部２５を形成する。封口体１３Ｂでは、補強板２４の厚みを変更することで、補強部２５の厚みを調整できる。
【００３９】
補強板２４には、厚み方向に貫通する開口部２６がガス排出弁２０と略同一形状、略同一寸法で形成されている。そして、開口部２６がガス排出弁２０と上下方向に重なるように金属板１４Ｂに補強板２４が配置される。補強板２４は、例えば溶接、ろう接により、又は接着剤を用いて、金属板１４Ｂに固定される。補強板２４は、金属板１４Ｂと同じ金属材料から構成されてもよいが、好ましくは金属板１４Ｂよりも高融点の金属材料又はセラミックスから構成される（後述の補強板２７についても同様）。好適な一例としては、銅、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、アルミナが挙げられる。金属板１４Ｂよりも熱容量が大きい材料を用いることで、補強板２４の厚さを薄くすることが可能となる。
【００４０】
図６に例示する封口体１３Ｃの補強部２８は、ガス排出弁２０の周囲に補強板２７を固定して形成されている点で、封口体１３Ｂと共通する。一方、補強板２７は、複数の貫通孔２９を有する点で、封口体１３Ｂと異なる。貫通孔２９は、補強板２７の四隅近傍にそれぞれ１つずつ合計４つ形成されている。また、金属板１４Ｃは、外側に突出したピン３０を有する。ピン３０は、ガス排出弁２０の周囲に４つ形成されている。封口体１３Ｃでは、ピン３０が貫通孔２９に圧入されることで、金属板１４Ｃに補強板２７が固定される。なお、金属板１４Ｃに対して補強板２７を安定に固定できれば、貫通孔２９及びピン３０の形状、数、配置等は特に限定されない。
【符号の説明】
【００４１】
１０  非水電解質二次電池、１１  電池ケース、１２  外装缶、１３  封口体、１４  金属板、１５  正極外部端子、１６  負極外部端子、１７  注液部、２０  ガス排出弁、２１  凹部、２２，２３，２５，２８  補強部、２４，２７  補強板、２６  開口部、２９  貫通孔、３０  ピン、Ｐ  基部
【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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