(57)【要約】【課題】過充電による熱暴走反応の発生を未然にかつ確実に防止することができる安全性の高い二次電池を提供する。【解決手段】発電要素を内部に収容するとともに一方の極性の電極端子となる外装ケース３と、発電要素２に設けられた他方の極性の集電体５と、外装ケース３の内圧上昇に伴ってピストン部材１４を出退動作するシリンダ機構１１と、シリンダ機構１１の出退動作によって集電体５と外装ケース３を短絡させるねじりコイルばね１５などの短絡機構１２とを備え、過充電の程度に応じて内圧が上昇して所定の圧力になるとシリンダ機構１１が作動し、短絡機構１２にて集電体５と外装ケース３が短絡されて短絡電流が流れ、電池の熱暴走反応が発生する前に電池エネルギーが放散されるようにした。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電要素を内部に収容するとともに一方の極性の電極端子となる外装ケースと、発電要素に設けられた他方の極性の集電体と、外装ケースの内圧上昇に伴ってピストン部材を出退動作するシリンダ機構と、シリンダ機構の出退動作によって集電体と外装ケースを短絡させる短絡機構とを備えた二次電池。
【請求項２】
短絡機構は、シリンダ機構から突出したピストン部材に係合した位置から外装ケースに当接した位置に向けて移動付勢された短絡部材から成り、シリンダ機構は外装ケースの内圧上昇に伴ってピストン部材を退入動作するように構成した請求項１記載の二次電池。
【請求項３】
短絡部材は、一端が集電体に固定され、他端がピストン部材と外装ケースとの間で移動及び係合可能なねじりコイルばねから成る請求項２記載の二次電池。
【請求項４】
短絡機構は、ピストン部材に連結若しくは押圧移動可能に係合されるとともに集電体に電気的に接続された短絡軸体から成り、シリンダ機構のピストン部材の出退動作によって短絡軸体が外装ケースに当接するように構成した請求項１記載の二次電池。
【請求項５】
短絡機構を構成する部材が、抵抗体からなる請求項１〜４の何れかに記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池に関し、特に発電要素を収容している外装ケースが一方の電極端子となっている二次電池における過充電安全機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池に対して過充電が行われた場合には、内部圧力が上昇するとともに、発熱反応が発生して電池温度が上昇し、使用条件によってはその温度上昇により活物質が熱分解したガスを発生し、電池の熱暴走反応を生じる恐れがある。
【０００３】
従来、このような過充電時の危険な挙動に対する安全機構として、温度上昇によって外装ケース内における発電要素と電極端子との間の通電部材を溶融させて電流通路を遮断するようにしたものや、内圧上昇によって発電要素と電極端子を接続している接続部品を破壊させて電流通路を遮断するようにして、それ以上の充電が停止されるようにしたものなどが知られている。
【０００４】
また、図６に示すような構成の二次電池も知られている。図６において、２１は正極板と負極板をセパレータを介して積層して構成された発電要素としての極板群であり、外装ケース２２内に挿入配置されている。極板群２１の一端の一方の極板が接合された集電体（図示せず）は外装ケース２２の底面に接続され、極板群２１の他端の他方の極板が接合された集電体２３は、外装ケース２２の開口を絶縁ガスケット２４を介して封口している封口部材２５に接続されている。外装ケース２２の開口部には封口部材２５を位置決めする凹部２６が形成されている。２７は封口部材２５に設けられた安全弁である。集電体２３には、常時はガスケット２４を径方向外方に向けて押圧するばね部材２８が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
この二次電池において、過充電によって温度が所定温度以上に上昇すると、図７（ａ）に示すように、ガスケット２４が加熱によって溶融し、ばね部材２８の先端が外装ケース２２に接触して短絡し、また内部圧力が所定圧力以上に上昇すると、図７（ｂ）に示すように、凹部２６が伸長変形し、ばね部材２８の先端が外装ケース２２に接触して短絡し、電池エネルギーが放電消費され、過充電状態が継続するのが防止される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１０６５３２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、過充電時に、通電部材の加熱溶融によって発電要素と電極端子の間の電流通路を遮断したり、図７（ａ）に示すように、ガスケット２４の溶融によって短絡させる方式では、過充電に伴う温度上昇の特性は、途中の過程では温度上昇は緩やかで、電池の熱暴走反応を生じる寸前に急激に大きくなるため、安全機構の動作時点が遅くなる恐れがあり、安全機構に対する信頼性が十分でないという問題がある。
【０００８】
また、過充電時に接続部品の圧力破壊によって発電要素と電極端子の間の電流通路を遮断する方式では、圧力の上昇に伴って確実に破壊させるためには、接続部品を薄い部品で構成する必要があり、その結果通電抵抗が大きくなってしまい、出力低下を来すという問題がある。また、図７（ｂ）に示すように、圧力によって外装ケース２２の凹部２６を塑性変形させて短絡させる方式では、外装ケース２２の強度と剛性を確保すると、極めて大きな圧力が発生しないと短絡しないため、安全機構の動作時点が遅くなったり、凹部２６のかしめ状態によって動作にばらつきが発生したり、また複数の二次電池を直列状に配置して拘束されている場合には動作不能になる恐れがあり、安全機構に対する信頼性が十分でないという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、発電要素を収容している外装ケースが一方の電極端子となっている二次電池において、過充電による熱暴走反応の発生を未然にかつ確実に防止することができる安全性の高い二次電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池は、発電要素を内部に収容するとともに一方の極性の電極端子となる外装ケースと、発電要素に設けられた他方の極性の集電体と、外装ケースの内圧上昇に伴ってピストン部材を出退動作するシリンダ機構と、シリンダ機構の出退動作によって集電体と外装ケースを短絡させる短絡機構とを備えたものである。
【００１１】
以上の構成によれば、過充電の程度に応じて内圧が上昇して所定の内圧になると、シリンダ機構が動作して短絡機構にて集電体と外装ケースが短絡され、短絡電流が流れるので、電池の熱暴走反応が発生する前に電池エネルギーが放散され、熱暴走反応の発生を未然に確実に防止することができる。
【００１２】
また、短絡機構が、シリンダ機構から突出したピストン部材に係合した位置から外装ケースに当接した位置に向けて移動付勢された短絡部材から成り、シリンダ機構は外装ケースの内圧上昇に伴ってピストン部材を退入動作するように構成すると、内圧上昇に伴ってピストン部材が退入することで集電体と外装ケースを確実に短絡させることができ、さらにシリンダ機構のその後の動作状態に関わりなく短絡状態を保持することができる。
【００１３】
また、短絡部材は、一端が集電体に固定され、他端がピストン部材と外装ケースとの間で移動及び係合可能なねじりコイルばねから成ると、簡単な構成にてピストン部材の退入によって集電体と外装ケースを確実に短絡させることができる。
【００１４】
また、短絡機構が、ピストン部材に連結若しくは押圧移動可能に係合されるとともに集電体に電気的に接続された短絡軸体から成り、シリンダ機構のピストン部材の出退動作によって短絡軸体が外装ケースに当接するように構成すると、シリンダ機構にて直接短絡軸体を移動させて短絡させるので、単純な構成にて安価に構成することができる。
【００１５】
また、短絡機構を構成する部材が抵抗体からなると、その抵抗値によって短絡電流を制御することができ、短絡電流による発熱をコントロールできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の二次電池の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１７】
図１において、１はリチウムイオン電池などから成る二次電池であり、正極板と負極板をセパレータを介して積層して構成された発電要素としての極板群２が電解液とともに外装ケース３内に挿入配置して構成されている。極板群２は、例えばリチウムイオン電池の場合には、ＬｉＣｏＯ２  などの正極活物質を含む正極合剤をアルミニウム箔等の集電芯材に塗着して構成された正極板と、リチウムイオンを吸脱する炭素材料などの負極活物質を含む負極合剤を銅箔などの集電芯材に塗着して構成された負極板と、微孔型ポリエチレンフィルムにて構成されたセパレータを積層して構成されている。
【００１８】
極板群２の一端の一方の極板が接合された集電体４が外装ケース３の底面に接続され、外装ケース３が一方の電極端子を構成している。極板群２の他端の他方の極板が接合された集電体５は、外装ケース３の開口を絶縁ガスケット６を介して封口している封口部材７に接続タブ８を介して接続され、封口部材７が他方の電極端子を構成している。外装ケース３の開口部には封口部材７を位置決めする凹部９が形成されている。１０は封口部材７に設けられた安全弁である。
【００１９】
なお、本実施形態の外装ケース３は、直方体状に形成され、複数枚の矩形状の正極板と負極板をセパレータを介して積層した極板群、若しくは帯状の正極板と負極板をセパレータを介して積層し、平板状の巻芯に巻回して積層した極板群が内蔵されている。なお、外装ケース３は円筒状であっても良い。
【００２０】
外装ケース３内の集電体５上には、図２に示すように、外装ケース３の内圧上昇に伴ってピストン部材１４を出退動作するシリンダ機構１１と、シリンダ機構１１の出退動作によって集電体５と外装ケース３を短絡させる短絡機構１２とが配設されている。
【００２１】
シリンダ機構１１は、外装ケース３の一内側面に一端が適当間隔あけて対向するように配設され、かつその一端面に圧力導入口１３ａが開口されたシリンダケース１３と、シリンダケース１３内にシールパッキン１４ｂを介して摺動自在に嵌合配置され、かつピストンロッド１４ａがシリンダケース１３の一端から貫通して突出されたピストン部材１４にて構成されており、外装ケース３内の圧力が高くなるとピストン部材１４が退入動作するように構成されている。
【００２２】
短絡機構１２は、一端１５ａが集電体５に固定され、他端１５ｂがシリンダケース１３の一端から突出しているピストンロッド１４ａに係合した位置から外装ケース３の一内側面に係合した位置に向けて移動付勢されているねじりコイルばね１５にて構成されている。１６はねじりコイルばね１５を支持するため、そのコイル部を貫通するように集電体５に立設された支軸である。また、ねじりコイルばね１５は短絡電流を制御するため、適当な抵抗値の抵抗体にて構成されている。
【００２３】
以上の構成の二次電池において、充電時に、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ：ここで、ＳＯＣは電池の公称容量に対する投入電気量のパーセンテージを意味するものとする。）が１００％を越える過充電状態になると、ＳＯＣの増加に対応して外装ケース３の内部圧力が徐々に高くなる。過充電が進行して、過充電の開始点（ＳＯＣ１００％）から熱暴走反応開始点（例えば、ＳＯＣ２００％）の間の２０〜８０％の間、最適には２０〜４０％の間になると、図３に示すように、シリンダケース１３の圧力導入口１３ａから導入された圧力によってピストン部材１４が退入動作し、ピストンロッド１４ａとねじりコイルばね１５の他端１５ｂの係合が解除され、ねじりコイルばね１５の他端１５ｂが外装ケース３の一内側面に係合し、集電体５と外装ケース３がこのねじりコイルばね１５にて確実に短絡される。
【００２４】
かくして、短絡電流が流れて電池エネルギーが放散され、熱暴走反応を生じるというような事態の発生が未然に防止され、信頼性の高い安全機構が実現される。また、安全弁１０が作動して外装ケース３内の圧力が再度低下し、ピストン部材１４が突出した場合でも、ねじりコイルばね１５からなる短絡機構１２は影響を受けず、短絡状態を保持することができる。また、短絡機構１２をねじりコイルばね１５にて構成しているので、簡単な構成にて集電体５と外装ケース３を確実に短絡させることができる。また、短絡機構１２を構成しているねじりコイルばね１５が抵抗体にて構成されているので、その抵抗値によって短絡電流を制御することができ、短絡電流による発熱量をコントロールできる。
【００２５】
次に、本発明の二次電池の他の実施形態について図４を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と同一の構成要素については同一参照符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。
【００２６】
上記実施形態では、シリンダ機構１１とねじりコイルばね１５から成る短絡機構１２を設けた例を示したが、本実施形態では、図４に示すように、シリンダ機構１１の向きを逆向きに配設してシリンダケース１３の一端を外装ケース３の一内側面とは反対側に向け、ピストン部材１４のピストンロッド１４ａをＬ字状に屈曲させ、その先端に連結若しくは押圧移動可能に係合させた短絡軸体１７にて短絡機構１２を構成している。短絡軸体１７は、中間部が軸承部１８にて外装ケース３の一内側面に対して遠近方向に移動可能に支持されている。軸承部１８は集電体５に機械的に固定されるとともに電気的に接続されており、好適には短絡軸体１７の移動に対して制動を加え若しくは外装ケース３の一内側面に向かう一方向に容易に移動を許し、逆方向には移動を阻止又は抑制するように構成されている。なお、この軸承部１８は図示のようにシリンダケース１３と一体に構成しても、別部材にて構成してもよい。
【００２７】
本実施形態においても、外装ケース３の内部圧力が所定の圧力になると、シリンダケース１３の圧力導入口１３ａから導入された圧力によってピストン部材１４が退入動作し、ピストンロッド１４ａにて短絡軸体１７が外装ケース３の一内側面に向けて押圧移動されて当接し、軸承部１８と短絡軸体１７を介して集電体５と外装ケース３が確実に短絡される。かくして、短絡電流が流れて電池エネルギーが放散され、熱暴走反応を生じるというような事態の発生が未然に防止され、信頼性の高い安全機構が実現される。
【００２８】
なお、外装ケース３内の圧力が再度低下しても、短絡軸体１７が軸承部１８にて制動され若しくは逆方向移動が阻止されていると、短絡状態が保持される。また、その場合ピストンロッド１４ａと短絡軸体１７が押圧移動可能に係合されているのが好ましい。
【００２９】
また、シリンダ機構１１にて直接短絡軸体１７を移動させて短絡させるので、単純な構成にて安価に構成することができる。また、短絡軸体１７を抵抗体にて構成すると、短絡電流を制御でき、短絡電流による発熱量を制御することができて好適である。
【００３０】
次に、本発明の二次電池のさらに別の実施形態について、図５を参照して説明する。
【００３１】
上記実施形態では、シリンダケース１３の一端を外装ケース３の一内側面とは反対側に向け、ピストン部材１４のピストンロッド１４ａをＬ字状に屈曲させた例を示したが、本実施形態ではシリンダ機構１１におけるシリンダケース１３の一端を外装ケース３の一内側面に向け、圧力導入口１３ａを外装ケース３の一内側面とは反対側に開口し、シリンダケース１３の一端部を、軸承部１８と同じ機能を奏する軸承部１９にて構成し、この軸承部１９内でピストンロッド１４ａ先端と短絡軸体１７を連結若しくは押圧移動可能に係合させている。
【００３２】
本実施形態においても、外装ケース３の内部圧力が所定の圧力になると、シリンダケース１３の圧力導入口１３ａから導入された圧力によってピストン部材１４が突出動作し、ピストンロッド１４ａにて短絡軸体１７が外装ケース３の一内側面に向けて押圧移動されて当接し、シリンダケース１３と軸承部１９と短絡軸体１７を介して集電体５と外装ケース３が確実に短絡される。かくして、短絡電流が流れて電池エネルギーが放散され、熱暴走反応を生じるというような事態の発生が未然に防止され、信頼性の高い安全機構が実現される。また、部品点数をさらに少なくできて安価に構成できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の二次電池によれば、発電要素を内部に収容するとともに一方の極性の電極端子となる外装ケースと、発電要素に設けられた他方の極性の集電体と、外装ケースの内圧上昇に伴ってピストン部材を出退動作するシリンダ機構と、シリンダ機構の出退動作によって集電体と外装ケースを短絡させる短絡機構とを備えているので、過充電の程度に応じて内圧が上昇して所定の内圧になると、シリンダ機構が動作して短絡機構にて集電体と外装ケースが短絡され、短絡電流が流れるので、電池の熱暴走反応が発生する前に電池エネルギーが放散され、熱暴走反応の発生を未然に確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次電池の一実施形態の縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視拡大断面図である。
【図３】同実施形態における過充電時の動作状態を示す図２と同様の断面図である。
【図４】本発明の二次電池の他の実施形態の図２と同様の断面図である。
【図５】本発明の二次電池のさらに別の実施形態の図２と同様の断面図である。
【図６】従来例の二次電池の縦断面図である。
【図７】同従来例における過充電時の安全機構の作動状態を示し、（ａ）はガスケットが溶融した場合の縦断面図、（ｂ）は外装ケースの凹部が塑性変形した場合の縦断面図である。
【符号の説明】
１  二次電池
２  極板群（発電要素）
３  外装ケース
５  集電体
１１  シリンダ機構
１２  短絡機構
１４  ピストン部材
１５  ねじりコイルばね（短絡部材）
１７  短絡軸体
１８  軸承部
１９  軸承部
【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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【図７】
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