(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電極端子となる外装ケース２と、外装ケース２に絶縁部材を介して配された他方の電極端子３と、外装ケース２の内圧上昇による膨張変形によって外装ケース２と他方の電極端子３を短絡させる通電部材４と接続部材５などの短絡機構とを備えた。過充電の程度に応じて内圧がほぼ比例的に上昇し、それに伴って外装ケース２が膨張することで、所定の圧力になると短絡機構が作動し、外装ケース２と他方の電極端子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。【選択図】        図１
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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電極端子となる外装ケースと、外装ケースに絶縁部材を介して配された他方の電極端子と、外装ケースの内圧上昇による膨張変形によって外装ケースと他方の電極端子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、外装ケースの内圧上昇により膨張する部分に対向してかつ外装ケースの内圧が所定圧力以上になると相互に接触するような間隔をあけて配設した通電部材と、通電部材と他方の電極端子とを接続する接続部材にて構成した請求項１記載の二次電池。
【請求項３】
短絡機構は、外装ケースの内圧上昇に伴って膨張変形する部分に固定され、外装ケースの内圧が所定圧力以上になると他方の電極端子に接触する通電部材にて構成した請求項１記載の二次電池。
【請求項４】
接続部材又は通電部材に電流値を制限する抵抗を配設した請求項２又は３記載の二次電池。
【請求項５】
正極端子および負極端子の一方の電極端子に電気的に接続された第１接点部と、他方の電極端子に電気的に接続された第２接点部とを備え、外装ケースの内圧が所定圧力以上になると外装ケース側面の内圧上昇による膨張変形に伴って第１接点部が移動して前記第２接点部に接触し、一方の電極端子と他方の電極端子とを短絡させるように構成したことを特徴とする二次電池。
【請求項６】
外装ケースの側面に第１接点部を設け、外装ケースの外側に第２接点部を配し、この第２接点部を、第１接点部に対向しかつ外装ケースの内圧が所定圧力以上になると第１接点部に接触するような間隔をあけて保持する保持部材を備えた請求項５記載の二次電池。
【請求項７】
外装ケース自体が一方の電極端子であり、第１接点部は外装ケースの側面自体で構成されている請求項６記載の二次電池。
【請求項８】
外装ケースの側面に基部が固定された傾動部材の先端部に第１接点部を設け、外装ケースの外側に第１接点部に間隔をあけて対向するように第２接点部を配し、外装ケースの内圧が所定圧力以上になると外装ケース側面の内圧上昇による膨張に伴って前記傾動部材が傾動して第１接点部が第２接点部に接触するように構成した請求項５記載の二次電池。
【請求項９】
外装ケース自体が一方の電極端子であり、傾動部材が通電部材からなり、第１接点部は傾動部材自体で構成され、第２接点部は他方の電極端子自体で構成されている請求項８記載の二次電池。
【請求項１０】
一方の電極端子と他方の電極端子とを接続する短絡経路に電流値を制限する抵抗を配設した請求項５〜９のいずれかに記載の二次電池。
【請求項１１】
一方の電極端子と他方の電極端子とを接続する短絡経路と、二次電池に充電電流を供給する充電経路との共通の経路中に短絡電流によって溶断されるヒューズを配設した請求項５〜９のいずれかに記載の二次電池。
【請求項１２】
外装ケースは略直方体形状のものである請求項１〜１１のいずれかに記載の二次電池。
【請求項１３】
外装ケースは略直方体形状で偏平なものであり、最も広い面積の側面の内圧上昇による膨張変形に伴って第１接点部が移動して第２接点部に接触するように構成された請求項５〜１１のいずれかに記載の二次電池。
【請求項１４】
外装ケースの横断面がほぼ長方形状のものである請求項１２又は１３記載の二次電池。
【請求項１５】
外装ケースの横断面が小判形状のものである請求項１２又は１３記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二次電池に関し、特に過充電安全機構を備えた二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、１１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１２内に挿入配置されている。極板群１１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１２の底面に接続され、極板群１１の他端の他方の極板が接合された集電体１３は、外装ケース１２の開口を絶縁ガスケット１４を介して封口している封口部材１５に接続されている。外装ケース１２の開口部には封口部材１５を位置決めする凹部１６が形成されている。１７は封口部材１５に設けられた安全弁である。集電体１３には、常時はガスケット１４を径方向外方に向けて押圧するばね部材１８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１４が加熱によって溶融し、ばね部材１８の先端が外装ケース１２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１６が伸長変形し、ばね部材１８の先端が外装ケース１２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。
【特許文献１】特開平１０−１０６５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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１４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。
【０００７】
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１２の凹部１６を塑性変形させて短絡させる方式では、外装ケース１２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】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願の第１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電極端子となる外装ケースと、外装ケースに絶縁部材を介して配された他方の電極端子と、外装ケースの内圧上昇による膨張変形によって外装ケースと他方の電極端子を短絡させる短絡機構とを備えたものである。
【００１０】
以上の構成によれば、過充電の程度に応じて内圧がほぼ比例的に上昇し、それに伴って外装ケースが膨張することを利用して、短絡機構にて所定の内圧になると外装ケースと他方の電極端子が短絡して短絡電流が流れるようにしているので、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。
【００１１】
また、短絡機構を、外装ケースの内圧上昇により膨張する部分に対向してかつ外装ケースの内圧が所定圧力以上になると相互に接触するような間隔をあけて配設した通電部材と、通電部材と他方の電極端子とを接続する接続部材にて構成すると、外装ケースの内圧とその膨張部分の変位量は精度良く対応するので、外装ケースの内圧が所定圧力になった時点で外装ケースと通電部材が接触して確実に短絡させることができ、信頼性の高い安全機構を実現できる。
【００１２】
また、短絡機構は、外装ケースの内圧上昇に伴って膨張変形する部分に固定され、外装ケースの内圧が所定圧力以上になると他方の電極端子に接触する通電部材にて構成することもできる。
【００１３】
また、接続部材又は通電部材に電流値を制限する抵抗を配設することで、短絡電流を抑制でき、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。
【００１４】
上記第１発明において、外装ケースの内圧上昇による膨張変形として外装ケースの側面の変形に着目すると有効であり、特に略直方体形状で偏平な外装ケースの最も広い面積の側面の変形に着目すると有効である。他方、上記第１発明は、外装ケース自体が一方の電極端子となるものに係るが、必ずしもそうでなくとも、第１発明と同様の目的を達成することができ、例えば、外装ケースの頂端面に正極端子および負極端子を並列状態に突出形成した二次電池においても、過充電時の外装ケースの側面の内圧上昇による膨張変形によって、両電極端子間を短絡させて電池の熱暴走反応の発生を未然に防止するように構成することも可能であり、下記の第２発明はこのような構成を総括的に示すものである。
【００１５】
すなわち本願の第２発明は、正極端子および負極端子の一方の電極端子に電気的に接続された第１接点部と、他方の電極端子に電気的に接続された第２接点部とを備え、外装ケースの内圧が所定圧力以上になると外装ケース側面の内圧上昇による膨張変形に伴って第１接点部が移動して前記第２接点部に接触し、一方の電極端子と他方の電極端子とを短絡させるように構成したものである。
【００１６】
この第２発明においても、第１発明と同様、一方の電極端子と他方の電極端子とを接続する短絡路に電流値を制限する抵抗を配設して、短絡電流による発熱量を抑制するようにすると好適である。
【００１７】
また第２発明において、一方の電極端子と他方の電極端子とを接続する短絡路と、二次電池に充電電流を供給する充電経路との共通の経路中に短絡電流により溶断されるヒューズを配設すると好適である。このように構成すると、通常の充電電流に比較し短絡時には１０倍以上の大電流が流れることによってヒューズを溶断させることができ、これによって過充電の進行をストップさせて、より安全な安全機構を実現できる。しかも抵抗体はサイズが大でコストも高くつくという問題点があるが、ヒューズを用いることによりこの問題点を解消することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の二次電池によれば、過充電の程度に応じて内圧がほぼ比例的に上昇し、それに伴って外装ケースが変形することで、所定の内圧になると短絡機構にて外装ケースと他方の電極端子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ため、熱暴走反応を生じる事態の発生を未然に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の二次電池の第１の実施形態について、図１、図２を参照して説明する。なお、二次電池の基本的な内部構成は、図６を参照して説明したものと同様であり、その説明を援用してここでの説明は省略する。
【００２０】
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、２はその外装ケースであり、発電要素としての極板群が電解液とともに内蔵されている。極板群は、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。
【００２１】
外装ケース２は、極板群の一方の極性の電極板に接続されて一方の電極端子（リチウムイオン電池の場合負極端子）を構成している。３は外装ケース２に絶縁部材を介して配された他方の極性の電極端子（リチウムイオン電池の場合正極端子）であり、極板群の他方の極性の電極板に接続されている。
【００２２】
なお、本実施形態の外装ケース２は、直方体状に形成され、多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。勿論、図６に示した従来例と同様の円筒状の外装ケースであっても良いが、直方体状の外装ケース２の場合は側面、特に偏平なほぼ正方体状の外装ケース２の最も面積の広い側面の膨張変形が大きいので、本発明を適用することによる効果が大きい。
【００２３】
二次電池１の外装ケース２の側面に適当な間隔ｄをあけて対向させて金属板若しくは金属メッキを施した合成樹脂板から成る通電部材４が配設され、この通電部材４と電極端子３とが接続部材５にて接続されている。外装ケース２と通電部材４との間の間隔ｄは、二次電池１の過充電に伴って外装ケース２の内圧が所定圧力以上になると、膨張変形した外装ケース２の側面の最大膨張点（第１接点部）５４と通電部材４の対応点（第２接点部）５５が相互に接触するように設定されている。なお、上記接続部材５および通電部材４は互いに一体的に形成されると共に、正極蓋で形成された電極端子３に固着されて、前記第２接点部５５を保持する保持部材５６を構成しているが、この保持部材５６と例えば二次電池１を収容するケースに固定し、保持部材５６に保持された第２接点部５５と電極端子３とを配線によって接続することも可能である。
【００２４】
また、接続部材５には、必要に応じて途中に抵抗部材が介装されたり、接続部材５の材料として適当な抵抗値を有するものが用いられることで、図１（ｃ）に示すように抵抗６が配設され、短絡電流を制御して短絡電流による発熱を制御するように構成されている。なお、図１（ｃ）において、５１は充電電源、５２は充電経路である。
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とは、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、図２に示すように、ＳＯＣの増加に伴って外装ケース２の内部圧力が徐々にほぼ比例的に高くなり、熱暴走反応を生じる例えばＳＯＣが２００％程度の直前になると急激に上昇し、その後安全弁が作動して圧力が開放される。
【００２５】
一方、電池温度は、ＳＯＣが１００％を越えても極めて緩慢に上昇し、熱暴走反応を生じる前段階になって上昇し始めるとともに直前になって急激に上昇する。そのため、従来例で説明したように温度上昇に基づいた安全機構では未然に動作しない場合があるという問題がある。
【００２６】
本実施形態では、上記のように過充電の程度に応じて徐々に上昇する圧力上昇に応じて外装ケース２が膨張変形するという現象を利用するものであり、過充電の進行に伴って上昇する圧力が所定の圧力に到達したとき、図１（ｂ）に示し、図１（ｃ）の矢印で示すように、外装ケース２の膨張変形によって外装ケース２が通電部材４に接触し、外装ケース２と電極端子３が短絡する。特に、外装ケース２の内圧とその膨張部分の変位量は精度良く対応しているため、外装ケース２の内圧が所定圧力になった時点で外装ケース２と通電部材４が接触して確実に短絡する。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防止され、信頼性の高い安全機構を実現される。また、過充電状態の検出作動域として、過充電の開始点（ＳＯＣ１００％から熱暴走反応点（図２の例ではＳＯＣ２００％））の間の２０〜８０％の間、最適には２０〜４０％の間に設定すると、理想的な安全機能を奏することができる。
【００２７】
また、接続部材５又は通電部材４、換言すれば短絡経路５３に、電流値を制限する抵抗６を配設すると、短絡電流を抑制できるので、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。
【００２８】
次に、本発明の電池の第２の実施形態について、図３を参照して説明する。上記実施形態では、外装ケース２の膨張変形時の側面の腹部分の変位によって通電部材４と接触して短絡を生じるようにした例を示したが、本実施形態では図３（ａ）に示すように、外装ケース２の側面の電極端子３が配設されている側の一端部に通電部材（傾動部材）７の基部を固着し、この通電部材７に、電極端子（第２接点部）３に適当な隙間をあけて近接するように当接部（第１接点部）８を突設している。当接部８の配置位置と電極端子３との間の隙間は、二次電池１の過充電により外装ケース２の内圧が所定圧力以上になると、図３（ｂ）に示すように、外装ケース２が膨張変形するのに伴って通電部材７に傾きを生じ、当接部８が電極端子３に接触するように設定されている。なお、図３においては、充電電源、充電経路を省略しているが、図１の場合と同様である。
【００２９】
本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様に、外装ケース２の内圧が所定圧力になった時点で外装ケース２に固定された通電部材７の当接部８と電極端子３が接触して確実に短絡し、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防止され、信頼性の高い安全機構を実現される。
【００３０】
また、通電部材７又はその当接部８に電流値を制御する抵抗を配設することで、短絡電流を制限でき、短絡電流による発熱量を抑制することができて好適である。
【００３１】
次に本発明の第３の実施形態について、図４、図５を参照して説明する。本実施形態の二次電池は、自動車に搭載される動力電源用電池であって比較的大型のリチウムイオン電池であり、その外装ケース２は偏平な略直方体形状をしている。この外装ケース２の横断面形状は小判形であって、高さａが１００ｍｍ、横幅ｂが６０ｍｍ、厚みｃが１０ｍｍのものである。
【００３２】
本実施形態の基本構成は、第１の実施形態と同様であって、外装ケース２そのものが一方の電極端子を構成しており、外装ケース２の最も面積の広い側面２ａに間隔ｄ（５ｍｍ位が適切である。）をあけて通電部材４が配設されている。二次電池１の他方の電極端子３と前記通電部材４とは接続部材５を介して、一体的に連結されている。前記通電部材４は前記側面２ａに平行に配され、前記接続部材５の途中箇所には、短絡時に溶断されるヒューズ６１を介装している。
【００３３】
前記側面２ａの最大膨張点が前記一方の電極端子（外装ケース）２の第１接点部５４となり、前記通電部材４の第１接点部５４に対向する箇所が第２接点部５５となっている。また充電電源５１の一端は前記外装ケース（一方の電極端子）２に接続され、他端は前記接続部材５の通電部材４に寄った位置に接続されている。充電電源５１の充電電流が供給される充電経路５２中には前記ヒューズ６１が配されているが、通常の充電時にはヒューズ６１は溶断されないように構成されている。
【００３４】
二次電池１の過充電に伴って外装ケース２の内圧が所定圧以上になると、図５に仮想線で示すように、膨張変形した外装ケース２の前記側面２ａの第１接点部５４が前記通電部材４の第２接点部５５に接触し、短絡電流（例えば２０００Ａ前後）が、短絡経路５３を流れ、前記充電経路５２との共通の経路に配した前記ヒューズ６１を溶断する。以後充電電流が二次電池１に供給されなくなることによって、過充電の進行をストップさせることができ、信頼性の高い安全機構を実現しうる。
【００３５】
なお、本実施形態のヒューズ６１は第２の実施形態等にも適用できる。
【００３６】
また、本実施形態に示すように、本発明を比較的大型の偏平な略直方体形状の外装ケース２を有する二次電池に適用すると好適であり、前記高さａが５０ｍｍ以上、前記横幅ｂが３０ｍｍ以上の外装ケース２を有する二次電池に適用すると好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の二次電池の第１の実施形態を示し、（ａ）は通常状態の概略構成図、（ｂ）は過充電時の安全機構の作動状態の概略構成図、（ｃ）は模式回路図である。
【図２】二次電池の過充電量と圧力及び温度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の二次電池の第２の実施形態を示し、（ａ）は通常状態の概略構成図、（ｂ）は過充電時の安全機構の作動状態の概略構成図である。
【図４】本発明の二次電池の第３の実施形態を示す概略構成斜視図である。
【図５】上記実施形態の作動状態を示す概略構成図である。
【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】
【００３８】
１  二次電池
２  外装ケース
３  電極端子
４  通電部材
５  接続部材
６  抵抗
７  通電部材
【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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