(57)【要約】【課題】充電の制御が容易な二次電池システム、ならびに、それに用いられる二次電池および充電器を提供する。【解決手段】ケース２０と、ケース２０に収納された極板群１１と、ケース２０の一端を封口するとともに第１の電極端子として機能する封口体１２とを備える。ケース２０は、上記一端とは反対側の他端に、第２の電極端子として機能する端子部２２ｃと、ケース２０内の圧力に応じて可逆的に突出するダイアフラム部２２ａとを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースと、前記ケースに収納された極板群と、前記ケースの一端を封口するとともに第１の電極端子として機能する封口体とを備える二次電池であって、
前記ケースは、前記一端とは反対側の他端に、第２の電極端子として機能する端子部と、前記ケース内の圧力に応じて可逆的に突出するプレートとを備えることを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記封口体は所定の作動圧で作動する安全弁を含み、
前記プレートは、前記作動圧よりも低い所定の圧力以上で突出する請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記プレートは金属製の薄板である請求項１または２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記プレートは、その中央部に、前記ケースの外側に向かって突出する絶縁性の凸部を備える請求項１ないし３のいずれかに記載の二次電池。
【請求項５】
前記プレートが突出していない状態では前記プレートが前記端子部よりも内側に配置されており、前記プレートが突出した状態では前記プレートの一部が前記端子部よりも外側に配置されている請求項１ないし４のいずれかに記載の二次電池。
【請求項６】
二次電池を充電するための充電器であって、
前記二次電池が、その内圧に応じて可逆的に突出するプレートを備える二次電池であり、
前記プレートが突出していない状態では前記二次電池の充電を行い、
前記プレートが突出した状態では前記二次電池の充電を行わないことを特徴とする充電器。
【請求項７】
前記二次電池の第１および第２の電極端子に電圧を印加して前記二次電池を充電するための第１および第２の端子を備え、
前記プレートが突出していない状態では前記第１および第２の端子がそれぞれ前記第１および第２の電極端子に接続され、
前記プレートが突出した状態では前記第１の端子と前記第１の電極端子との接続、および前記第２の端子と前記第２の電極端子との接続から選ばれる少なくとも１つの接続が切断される請求項６に記載の充電器。
【請求項８】
前記プレートが突出したときに、前記第１の端子および前記第２の端子から選ばれる少なくとも１つの端子が前記プレートが押す力によって移動し、前記少なくとも１つの接続が切断される請求項７に記載の充電器。
【請求項９】
前記プレートが突出していない状態でＯＮとなり前記プレートが突出した状態でＯＦＦとなるスイッチを備え、前記スイッチによって充電のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う請求項６に記載の充電器。
【請求項１０】
充電時において、９Ｃ以上の定電流で充電を行う請求項６ないし９に記載の充電器。
【請求項１１】
請求項１ないし５のいずれかに記載の二次電池と、請求項６ないし１０の何れかに記載の充電器とを用いた二次電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池、およびその二次電池に適した充電器、ならびにそれらを用いた二次電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な二次電池は、安全弁を備える封口体を用いてケースを封口している（たとえば特許文献１および２参照）。このような封口板を用いた場合、電池内部の圧力が異常に上昇した場合には、安全弁が作動するため電池内部の圧力が過度に上昇することを防止できる。
【０００３】
このような二次電池を大電流で急速充電した場合、電池の内圧が急激に上昇して安全弁が作動する場合がある。このとき、電池内部のガスや電解液が安全弁から電池外に排出されて電池の内圧が下がるが、一方でそれらが排出されることによって電池の特性が著しく低下する場合がある。
【０００４】
このため、現在は、小電流による充電が主流となっており、通常は、充電器側に、電圧制御（−ΔＶ制御）、温度制御（ｄＴ／ｄｔ制御）、タイマー制御などの複雑な制御機能をもたせる必要がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２３７６２０号公報
【特許文献２】
特開２０００−９０９６０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような制御方法は複雑であり、より簡単な方法で急速充電を行う方法が求められている。また、上記従来の制御方法では、電池の内圧に対応した制御を行っているわけではないため、ある程度の余裕をもって充電を行う必要があった。
【０００７】
このような状況に鑑み、本発明は、充電の制御が容易な二次電池システム、ならびに、それに用いられる二次電池および充電器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、本発明の二次電池は、ケースと、前記ケースに収納された極板群と、前記ケースの一端を封口するとともに第１の電極端子として機能する封口体とを備える二次電池であって、前記ケースは、前記一端とは反対側の他端に、第２の電極端子として機能する端子部と、前記ケース内の圧力に応じて可逆的に突出するプレートとを備えることを特徴とする。
【０００９】
上記二次電池では、前記封口体は所定の作動圧で作動する安全弁を含み、前記プレートは、前記作動圧よりも低い所定の圧力以上で突出してもよい。
【００１０】
上記二次電池では、前記プレートは金属製の薄板であってもよい。
【００１１】
上記二次電池では、前記プレートは、その中央部に、前記ケースの外側に向かって突出する絶縁性の凸部を備えてもよい。
【００１２】
上記二次電池では、前記プレートが突出していない状態では前記プレートが前記端子部よりも内側に配置されており、前記プレートが突出した状態では前記プレートの一部が前記端子部よりも外側に配置されていてもよい。
【００１３】
また、本発明の充電器は、二次電池を充電するための充電器であって、前記二次電池が、その内圧に応じて可逆的に突出するプレートを備える二次電池であり、前記プレートが突出していない状態では前記二次電池の充電を行い、前記プレートが突出した状態では前記二次電池の充電を行わないことを特徴とする。
【００１４】
上記充電器は、前記二次電池の第１および第２の電極端子に電圧を印加して前記二次電池を充電するための第１および第２の端子を備え、前記プレートが突出していない状態では前記第１および第２の端子がそれぞれ前記第１および第２の電極端子に接続され、前記プレートが突出した状態では前記第１の端子と前記第１の電極端子との接続、および前記第２の端子と前記第２の電極端子との接続から選ばれる少なくとも１つの接続が切断されてもよい。
【００１５】
上記充電器では、前記プレートが突出したときに、前記第１の端子および前記第２の端子から選ばれる少なくとも１つの端子が前記プレートが押す力によって移動し、前記少なくとも１つの接続が切断されてもよい。
【００１６】
上記充電器では、前記プレートが突出していない状態でＯＮとなり前記プレートが突出した状態でＯＦＦとなるスイッチを備え、前記スイッチによって充電のＯＮ／ＯＦＦ制御を行ってもよい。
【００１７】
上記充電器では、充電時において、９Ｃ以上の定電流で充電を行ってもよい。
【００１８】
また、本発明の二次電池システムは、上記本発明の二次電池と、上記本発明の充電器とを用いた二次電池システムである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施形態１）
実施形態１では本発明の二次電池の一例として円筒形の二次電池を説明する。ただし、本発明の二次電池は円筒形の電池に限らず、角形などのような他の形状であってもよい。
【００２１】
実施形態１の二次電池１０の断面図を図１に示す。図１を参照して、二次電池１０は、ケース２０（ハッチングは省略する）と、ケース２０に収納された極板群１１および電解液（図示せず）と、封口体１２とを備える。封口体１２は、ケース２０の一端を封口するとともに、第１の電極端子として機能する。封口体１２によって、ケース２０の内部は一定の気密性が確保されている。
【００２２】
極板群１１は、二次電池に一般的に用いられる極板群であり、正極１１ａ、負極１１ｂ、および正極と負極との間に配置されたセパレータ１１ｃを備える。円筒形の二次電池の場合には、通常、正極と負極とセパレータとは積層されてスパイラル状に捲回される。また、角形の二次電池の極板群は、円筒形と同様にスパイラル状に捲回される場合と、単に積層される場合とがある。極板群１１を構成する材料は、形成する二次電池に応じて選択される。本発明の二次電池は、たとえば、ニッケル・カドミウム二次電池、ニッケル・水素二次電池などであるが、これに限定されず、充放電の際に電池の内圧が変化する二次電池であればどのような電池にも適用可能である。極板群１１は、電池の種類に応じて公知の材料および方法で形成できる。たとえば、ニッケル・水素二次電池の場合、水酸化ニッケルを用いた正極と、水素吸蔵合金を用いた負極と、親水化処理されたポリオレフィン不織布（たとえばポリプロピレン不織布）などを用いることができる。また、ニッケル・カドミウム二次電池の場合、水酸化ニッケルを用いた正極と、カドミウムを用いた負極と、親水化処理されたポリオレフィン不織布などを用いることができる。
【００２３】
封口体１２には、二次電池に用いられる一般的な封口体を適用できる。図１には、一例として、安全弁１２ａ、正極端子板１２ｂ（ハッチングは省略する）、円板１２ｃ（ハッチングは省略する）、およびガスケット１２ｄを備える封口体１２を示している。安全弁１２ａは、正極端子板１２ｂと円板１２ｃとによって形成される空間の内部に配置されている。安全弁１２ａは、ゴムなどで形成されており、ケース２０内部の圧力（電池内圧）が所定の圧力（安全弁作動圧）よりも高くなった際に作動して電池内圧を低下させる機能を有する。安全弁作動圧は、通常、１．５ＭＰａ〜３．０ＭＰａ程度の範囲内の所定の値に設定される。正極端子板１２ｂは、正極１１ａと電気的に接続されており、正極端子として機能する。
【００２４】
ケース１１内に封入される電解液には、二次電池の種類に応じて公知の電解液を適用できる。たとえば、ニッケル・水素二次電池やニッケル・カドミウム二次電池の電解液には、水酸化カリウムなどのアルカリ金属塩の水溶液などを用いることができる。
【００２５】
ケース２０は、円筒部２１と底部２２とを備える。円筒部２１は、たとえば金属（たとえば鉄やステンレスなどの金属）からなり、円筒形状を有する。ケース２０の一端は、封口体１２によって封口されている。ケース２０の他端には、底部２２が溶接されている。円筒部２１は、封口体１２および底部２２によって気密にされている。
【００２６】
底部２２は、ダイアフラム部２２ａと絶縁体２２ｂと端子部２２ｃとを含む。ダイアフラム部２２ａは、電池の内圧に応じて可逆的に突出または陥没するプレートである。ダイアフラム部２２ａは、たとえば、ステンレスなどの金属からなる薄板で形成できる。絶縁体２２ｂは、たとえば樹脂などの絶縁物からなり、リベット２２ｄによってダイアフラム部２２ａの略中央部に取り付けられている。端子部２２ｃは、リング状の形状を有し、円筒部２１の端部の外周部分に配置されている。端子部２２ｃは、ダイアフラム部２２ａと端子部２２ｃとの間の部分よりも突出しており、段差を形成している。端子部２２ｃは、負極と電気的に接続されており、負極端子として機能する。このような段差形状を有する端子部２２ｃを用いた場合、充電器の負極側端子を凹部の内部に配置することができ、本発明の充電器で通常の電池が充電されることを防止できる。ただし、本発明の二次電池は、負極側端子が他の部分よりも突出していなくともよい。
【００２７】
底部２２のダイアフラム部２２ａは、ケース２０内の圧力（電池内圧）が所定の圧力（ダイアフラム作動圧）よりも高い場合にはケース２０の外側に向かって突出し、ケース２０内の圧力がダイアフラム作動圧よりも低い場合にはケース２０の内部に向かって陥没する。底部２２の外周部付近２３は、たとえば厚さが０．６ｍｍ程度の金属板で形成すればよく、ダイアフラム部２２ａは、たとえば厚さが０．１５ｍｍ〜０．２０ｍｍ程度の金属板で形成すればよい。これらの厚さを変化させることによって、ダイアフラム作動圧を制御できる。
【００２８】
ダイアフラム作動圧は、電池の種類や大きさなどによって最適な値が変化するが、少なくとも安全弁作動圧よりも低い値に設定される。ニッケル・水素二次電池の場合、ダイアフラム作動圧は、たとえば１．０ＭＰａ〜１．５ＭＰａの範囲内の所定の値とすることができる。ニッケル・カドミウム二次電池の場合、ダイアフラム作動圧は、たとえば０．５ＭＰａ〜１．０ＭＰａの範囲内の所定の値とすることができる。
【００２９】
底部２２は、ダイアフラム部２２ａがケース２０の外側に向かって突出した場合には絶縁体２２ｂが端子部２２ｃよりも外側に位置し、ダイアフラム部２２ａが陥没した場合には絶縁体２２ｂが端子部２２ｃよりも内側に位置するように形成される。ただし、充電器によっては底部２２の変形がそのような変形でなくともよい場合がある。たとえば、充電器の負極側端子が陥没している場合や、充電器がＯＮ／ＯＦＦスイッチを備える場合や、ダイアフラム部２２ａに対応する部分に充電器が凸部を備える場合である。底部２２は、ダイアフラム部２２ａが突出したときに充電器の充電がＯＦＦとなるように変形するものであればよい。
【００３０】
なお、底部２２は、上述した構造に限定されず、ケース２０内の圧力に応じて突出／陥没し、これによって充電のＯＮ／ＯＦＦ制御が可能となるものであればよい。たとえば、底部２２は、絶縁体２２ｂや端子部２２ｃを備えなくともよい。また、上記の説明では底部２２を溶接する場合について説明したが、ケース２０を圧延加工で形成する際に、ケース２０の底部の厚さを制御することによってケース２０の底面にダイアフラム部を形成してもよい。
【００３１】
（実施形態２）
実施形態２では、本発明の充電器および二次電池システムの一例について説明する。本発明の充電器は、実施形態１で説明した本発明に二次電池を充電するための充電器である。この充電器は、電池の内圧に応じて可逆的に陥没／突出するプレートの状態によって、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。すなわち、電池の内圧が高いためにプレートが突出している場合には充電を停止し、プレートが陥没している場合には充電を行う。以下に、本発明の充電器の一例を説明する。
【００３２】
実施形態２の充電器３０の平面図を図２に示す。充電器３０は、第１の端子３１と、第２の端子３２と、ケース３３とを備える。第２の端子３２は、絶縁性の平板３４の一部に埋め込まれている。絶縁性の平板３４は、バネ３５によってケース３３に固定されている。後述するように、平板３４および第２の端子３２は移動可能である。
【００３３】
ケース３３には、充電される二次電池が配置される。第１の端子３１と第２の端子３２との間には、二次電池を充電するために電圧が印加される。電圧を印加するための回路には、充電器に用いられる一般的な回路、たとえば一定の電流で充電を行うための回路を適用できる。
【００３４】
ダイアフラム部２２ａが突出していない状態では、第１の端子３１は二次電池の正極端子に接続され、第２の端子３２は二次電池の負極端子に接続され、第１の端子３１と第２の端子３２との間に電圧が印加されて二次電池が充電される。この場合の第２の端子部の拡大図を図３（Ａ）に示す。なお、図３（Ａ）および（Ｂ）では、第２の端子３２の部分のみにハッチングを付している。
【００３５】
一方、二次電池を充電すると電池の内圧が上昇する。たとえば、ニッケル・水素二次電池を充電する場合、電池内部で酸素ガスが発生し、電池の内圧が上昇する。そして電池内圧の上昇は、高い充電レート（電流値）で充電を行うほど顕著になる。本発明の二次電池では、電池内圧がダイアフラム作動圧以上になると、ダイアフラム部２２ａが突出し、絶縁体２２ｂが端子部２２ｃよりも外側に突出する。その結果、平板３４および第２の端子３２が移動し、図３（Ｂ）に示すように、端子部２２ｃと第２の端子３２との接続が切断される。バネ３５の反発力は、ダイアフラム部２２ａが突出したときに端子部２２ｃと第２の端子３２との接続が切断されるように選択される。
【００３６】
このように、ダイアフラム部２２ａが突出すると、充電が中断される。充電が中断されると、電池内部で発生したガスが徐々に消滅するため、電池の内圧が低下する。そして、電池の内圧がダイアフラム部２２ａの作動圧よりも低い所定の値になると、ダイアフラム部２２ａが陥没し、二次電池の端子部２２ｃと第２の端子３２とが接続される。その結果、二次電池の充電が再び開始される。
【００３７】
実施形態２の充電器では、充電の制御をするための特別な回路が不要である。なお、安全性の向上や、より急速な充電といった目的のために、何らかの電子回路を備えてもよいことは言うまでもない。たとえば、従来の充電器で用いられていた様々な制御回路と本発明の充電器とを組み合わせることによって、より安全に急速充電を行うことができる。
【００３８】
実施形態１の二次電池と本発明の充電器とを組み合わせることによって、急速充電が可能である。たとえば、４Ｃ（１Ｃは１時間で満充電となる電流値）以上の電流値での充電が可能であり、９Ｃ以上の電流値での充電も可能である。急速充電時の電流値は、３Ｃ以上で１０Ｃ以下が好ましい。
【００３９】
なお、本発明の充電器は、以上で説明した充電器に限定されない。本発明の充電器は、電池の内圧に応じて可逆的に突出するプレートを備える二次電池の充電器であり、そのプレートが突出していない状態では充電を行い、プレートが突出した状態では充電を行わない充電器であればよい。たとえば、以上の説明では負極側の第２の端子３２が移動する充電器について説明したが、正極側の第１の端子３１が移動してもよい。また、端子が移動する手段はバネに限らず、板バネのような他の移動手段であってもよい。また、以上の説明ではダイアフラム部２２ａが突出することによって端子が移動する充電器について説明したが、ダイアフラム部２２ａの移動によってＯＮ／ＯＦＦ制御されるスイッチを備える充電器でもよい。この場合、端子の移動は不要となる。スイッチは機械的なスイッチでもよいし、ダイアフラム部２２ａの移動を検出するセンサと、そのセンサの出力に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御を行う回路とを組み合わせたものであってもよい。
【００４０】
本発明の二次電池システムは、実施形態１の二次電池と、上述した本発明の充電器とを備える。この二次電池システムによれば、急速充電が可能である。また、この二次電池システムでは、充電器に複雑な回路を搭載する必要がないという利点がある。なお、本発明の二次電池システムでは、二次電池を充電する際に、専用の電池ボックス内に二次電池をセットして充電を行ってもよい。
【００４１】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。この実施例では、図１に示した二次電池１０を実際に作製した。具体的には、容量１７００ｍＡｈのニッケル・水素二次電池を作製した。このニッケル・水素二次電池は、底部２２の外周部付近２３を厚さ０．６ｍｍ程度のステンレスで形成し、ダイアフラム部２２ａの部分を厚さ０．１５ｍｍ〜０．２０ｍｍのステンレスで形成した。また、安全弁１２ａの作動圧を約２．５ＭＰａに設定し、ダイアフラム作動圧を約１．０ＭＰａに設定した。
【００４２】
作製した電池を、本発明の充電器を用いて１５Ａ（約９Ｃ）で１０分間充電した。ただし、１０分間の間には、ダイアフラム部が突出して充電が停止された時間があった。その後、１．７Ａ（１Ｃ）で電池電圧が０．９Ｖになるまで放電した。このときの放電容量は、１２５０ｍＡｈ〜１３５０ｍＡｈ程度であった。また、充電後の電池表面温度は６０℃程度であり、大電流で充電したにも関わらず、低い温度に抑えられていた。また、充電によって電池の温度上昇および内圧上昇による漏液が発生することはなかった。
【００４３】
本発明の電池と比較するため、従来の構造の電池（標準容量１７００ｍＡｈ、安全弁作動圧は約２．５ＭＰａ）を１０セル用意し、同様の実験を行った。その結果、７セルで漏液が確認された。また、漏液しなかった３セルの放電容量は、８００ｍＡｈ〜９００ｍＡｈ程度と低い値を示した。さらに、従来の電池では、充電後の表面温度は１００℃程度にまで達していた。このように、本発明の二次電池システムを用いることによって、大電流での急速充電を安全に行うことができた。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の二次電池、充電器および二次電池システムによって、大電流による超急速充電が可能となる。また、この二次電池を含む電池パックおよび電子機器に同様の機能をもたせることで、電池パックおよび電子機器の急速充電が可能となる。さらに、従来のような複雑な制御（−ΔＶ、ｄＴ／ｄｔなど）が不要となるため、本発明によれば、充電器の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次電池の一例の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の充電器の一例を示す平面図である。
【図３】（Ａ）および（Ｂ）は本発明の充電器の機能を示す図である。
【符号の説明】
１０  二次電池
１１  極板群
１１ａ  正極
１１ｂ  負極
１１ｃ  セパレータ
１２  封口体
１２ａ  安全弁
１２ｂ  正極端子板
１２ｃ  円板
１２ｄ  ガスケット
２０  ケース
２１  円筒部
２２  底部
２２ａ  ダイアフラム部
２２ｂ  絶縁体
２２ｃ  端子部
３０  充電器
３１  第１の端子
３２  第２の端子
３３  ケース
３４  平板
３５  バネ
【図１】
2004158262.tif 000003
【図２】
2004158262.tif 000004
【図３】
2004158262.tif 000005