(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の正極と、シート状の負極と、該正極および該負極を積層して捲回する捲回芯とを備えてなる電極捲回型二次電池であって、
前記捲回芯に配設され電池が所定の温度以上になる場合に閉じる温度スイッチを含み、該温度スイッチが閉じた場合に前記正極と前記負極とを導通させる導通経路を有し、
前記温度スイッチは、前記正極側につながる正極端子部と、前記負極側につながる負極端子部と、電池の温度に応じて機能する熱感応部材とを有し、
前記熱感応部材は、所定の温度以上になると溶融する熱溶融部材であり、前記温度スイッチは、電池が所定の温度以上になると、該熱溶融部材の溶融により、前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じることを特徴とする電極捲回型二次電池。
【請求項２】
前記熱溶融部材は、導電性を有し、かつ所定の温度以上になると溶融して前記正極端子部と前記負極端子部との間に流入し、
前記温度スイッチは、前記熱溶融部材が溶融流入すると、前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じる請求項１に記載の電極捲回型二次電池。
【請求項３】
前記熱溶融部材は、前記正極端子部と前記負極端子部とを離間するように両者の間に介在し、所定の温度以上になると溶融流動し、
前記正極端子部および前記負極端子部の少なくとも一方は、互いに接近する方向に移動するように付勢されており、
前記温度スイッチは、前記熱溶融部材が溶融流動すると、前記正極端子部と前記負極端子部とが接触、短絡して閉じる請求項１に記載の電極捲回型二次電池。
【請求項４】
シート状の正極と、シート状の負極と、該正極および該負極を積層して捲回する捲回芯とを備えてなる電極捲回型二次電池であって、
前記捲回芯に配設され電池が所定の温度以上になる場合に閉じる温度スイッチを含み、該温度スイッチが閉じた場合に前記正極と前記負極とを導通させる導通経路を有し、
前記温度スイッチは、前記正極側につながる正極端子部と、前記負極側につながる負極端子部と、電池の温度に応じて機能する熱感応部材とを有し、
前記熱感応部材は、温度に応じて膨張する熱膨張部材であり、前記温度スイッチは、電池が所定の温度に達すると、該熱膨張部材の相変態を伴う膨張により、前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じることを特徴とする電極捲回型二次電池。
【請求項５】
前記導通経路は、該導通経路に流れる電流を規制する所定の電気抵抗値を有する請求項１〜４のうちのいずれか一つに記載の電極捲回型二次電池。
【請求項６】
前記電気抵抗値は、定格容量を１時間で放電させる電流値を１Ｃとする場合において、前記導通経路に流れる電流の最大値が３Ｃ以上５Ｃ以下となるような電気抵抗値である請求項５に記載の電極捲回型二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電極捲回型二次電池、より詳しくは、安全性に優れた電極捲回型二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池等の二次電池は、そのエネルギ密度の高さから、携帯電話、ノートパソコン、ミニディスクプレーヤー等の電子機器等に幅広く使用されている。このような二次電池の電極は正極、負極が積層して構成され、この電極の積層方式は、それぞれ複数のシート状の正極および負極を交互に重畳的に積層させる方式と、シート状の正極および負極を対向させてロール状に捲回する方式とに大別される。このうち後者の方式により積層した電極を有する電池は電極捲回型二次電池と呼ばれ、広い電極面積の電池を簡便に作製できることから比較的容量の大きい大型電子機器に用いられる。
【０００３】
このような二次電池において、安全性という見地から問題となるのは、過充電である。過充電とは、電池の充電時において、充電器の故障やユーザーの誤使用等により、電池が通常充電時において管理される電圧以上に充電されることである。二次電池が過充電されると、電池の温度が異常上昇し、電解液の分解や電池内部でのガス発生等の問題が起き、制御不能な熱暴走状態に陥るおそれがある。また、過充電されなくても、何らかの要因で電池の温度が上昇する場合にも、熱暴走状態に陥るおそれがある。そして充電状態が高い（高ＳＯＣ）ほど、熱暴走状態に陥り易い。
【０００４】
過充電時の安全対策を施した二次電池として、特開平１１−４０２０３号公報には、電池容器外部に温度スイッチを設け、電池温度が所定の温度に達したときにその温度スイッチを閉じることにより正極と負極とを短絡させ、蓄電要素に蓄えられたエネルギを解放し、過充電を防止する二次電池が紹介されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特開平１１−４０２０３号公報に記載の二次電池においては、電池容器外部に温度スイッチを設置するためのスペースを新たに設ける必要があるため、必然的に電池が大型化するという問題がある。また、電池容器内部に温度スイッチを設置する場合でも、別途設置スペースを確保する必要がある。本発明は、過充電等の場合の安全対策を施した捲回型二次電池における上記問題を解決するためになされたものであり、電池内部のデッドスペース（電池反応に寄与しないスペース）に異常温度上昇時に閉じる温度スイッチを配設することにより、体積効率に優れ、かつ過充電等による異常温度上昇の際の安全性に優れた電極捲回型二次電池を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の電極捲回型二次電池は、シート状の正極と、シート状の負極と、該正極および該負極を積層して捲回する捲回芯とを備えてなる電極捲回型二次電池であって、前記捲回芯に配設され電池が所定の温度以上になる場合に閉じる温度スイッチを含み、該温度スイッチが閉じた場合に前記正極と前記負極とを導通させる導通経路を有し、前記温度スイッチは、前記正極側につながる正極端子部と、前記負極側につながる負極端子部と、電池の温度に応じて機能する熱感応部材とを有し、電池が所定の温度以上になると、該熱感応部材の機能により、前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じることを特徴とする。
【０００７】
つまり、本発明の電極捲回型二次電池は、過充電等による異常温度上昇の際に、温度スイッチを閉じ、正極と負極とを導通させることで蓄電要素に蓄えられたエネルギを解放させる導通経路を有する電極捲回型二次電池であって、その導通経路に含まれる温度スイッチを、捲回芯に配設した電極捲回型二次電池である。
【０００８】
本発明の電極捲回型二次電池は、温度スイッチを電池容器内部のデッドスペースである捲回芯に配設したため、温度スイッチを設置するためのスペースを電池容器外部または内部に別途設ける必要が無い。捲回芯は電池の電池反応には寄与しない空間であるため、捲回芯に温度スイッチを配設することにより電池の体積増加を伴わずに、すなわち体積エネルギ密度を損失することなく電池の安全性を向上させることができる。したがって、本発明の電極捲回型二次電池は体積効率に優れ、安全性の高い電極捲回型二次電池となる。また、捲回型電池の構造上、捲回芯は蓄電要素の中心に位置しているため、捲回芯に温度スイッチを配設したことで、蓄電要素の異常温度上昇を正確に探知することができる電極捲回型二次電池となる。
【０００９】
また、本発明の電極捲回型二次電池は、温度スイッチに熱感応部材を組み込むことにより、蓄電要素が異常高温となった場合、熱感応部材の機能、すなわち溶融、変形、膨張等の熱感応部材固有の性状変化により温度スイッチを閉じ、正極と負極とを導通させる電池である。温度スイッチとしては、例えば温度検知するための温度センサと、そのセンサからの信号を処理し開閉信号を出力する処理回路と、処理回路からの出力に応じ導通経路を開閉する開閉器とを含んで構成される温度スイッチ等も用いることができるが、溶融による流動、熱膨張率の差による変形、熱膨張による体積増加等の熱感応部材固有の物性を利用した温度スイッチを用いることで、より小型化が可能で、捲回芯に配設しやすい温度スイッチを有する電極捲回型二次電池となる。
【００１０】
本発明の電極捲回型二次電池に備わる熱感応部材の上記機能として、前記熱感応部材は、所定の温度以上になると溶融する熱溶融部材であり、前記温度スイッチは、電池が所定の温度以上になると、該熱溶融部材の溶融により、前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じることを特徴とする。
【００１１】
つまり、本発明の電極捲回型二次電池は、過充電等により蓄電要素が発熱し、ある温度となった場合に、その温度を融点とする熱溶融部材が溶融して正極端子部と負極端子部とが短絡する温度スイッチを含む電極捲回型二次電池である。熱溶融部材とは、蓄電要素の発熱により、周囲の温度が融点に達した場合に溶融流動する材料からなる部材をいう。融点は材料固有の物性であるため、同じ材料からなる熱溶融部材の溶融温度は一定である。したがって同じ熱溶融部材を含む温度スイッチ相互間において、スイッチが閉じる温度も一定となり、ばらつきも少ないため、本発明の電極捲回型二次電池は、信頼性の高い二次電池となる。
【００１２】
（２）本発明の電極捲回型二次電池は、前記熱溶融部材を用いた場合の一態様として、前記熱溶融部材は、導電性を有し、かつ所定の温度以上になると溶融して前記正極端子部と前記負極端子部との間に流入し、前記温度スイッチは、前記熱溶融部材が溶融流入すると、前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じる態様とすることができる。
【００１３】
つまり、本態様の電極捲回型二次電池は、過充電等により蓄電要素が所定の温度となった場合に、その温度を融点とする熱溶融部材が正極端子部と負極端子部との間に溶融流入し、これら両端子部間の橋渡しをすることにより導通する温度スイッチを含む電極捲回型二次電池である。溶融流動し、かつ導電性を有する熱溶融部材を、両端子部間の橋渡しに利用することにより、本態様の電極捲回型二次電池は、より構造が単純な温度スイッチを含む電極捲回型二次電池となる。なお、導電性を有する熱溶融部材としては、ウッドメタル、ダルゼー合金、ローズ合金、ニュートン合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金等の金属等を用いることができる。
【００１４】
（３）本発明の電極捲回型二次電池は、前記熱溶融部材を用いた場合のもう一つの態様として、前記熱溶融部材は、前記正極端子部と前記負極端子部とを離間するように両者の間に介在し、所定の温度以上になると溶融流動し、前記正極端子部および前記負極端子部の少なくとも一方は、互いに接近する方向に移動するように付勢されており、前記温度スイッチは、前記熱溶融部材が溶融流動すると、前記正極端子部と前記負極端子部とが接触、短絡して閉じる態様とすることができる。
【００１５】
つまり、本態様の電極捲回型二次電池は、蓄電要素が発熱しある温度となった場合は、いわゆるつっかえ棒として両端子間に介在し、両端子を離間させていた熱溶融部材が溶融流動し、正極端子部と負極端子部の少なくとも一方が移動し、正極端子部と負極端子部とが直接接することにより導通する温度スイッチを含む電極捲回型二次電池である。本態様の電極捲回型二次電池は、正極端子部と負極端子部の少なくとも一方が移動するため、端子部の移動速度を調整することにより短絡速度を調整することができる電極捲回型二次電池となる。
【００１６】
端子部の移動速度は、例えば端子部の付勢手段としてばねを利用している場合は、ばねの材質、単位長さあたりの巻き数等を変えばねの復元力を変化させることにより調整することができる。また、本態様の電池の温度スイッチは、正極端子部と負極端子部とが直接接して導通するものであり、正極端子部と負極端子部とが熱溶融部材を介して導電するものではない。このため、熱溶融部材は導電性を有する必要が無く、前述したウッドメタル等の金属の他、不導体である樹脂等も使用することができる。
【００１７】
（４）本発明の電極捲回型二次電池は、上記（１）とは異なる熱感応部材の機能として、前記熱感応部材は、温度に応じて膨張する熱膨張部材であり、前記温度スイッチは、電池が所定の温度に達すると、該熱膨張部材の相変態を伴う膨張により、前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じることを特徴とする。
【００１８】
つまり、本発明の電極捲回型二次電池は、蓄電要素が異常発熱した場合に、熱膨張部材が膨張することによる体積変化を利用して両端子部が短絡する電極捲回型二次電池である。熱膨張部材を熱感応部材として利用することにより、本発明の電極捲回型二次電池は、より構造が単純な温度スイッチを含む電極捲回型二次電池となる。ここで、熱膨張部材としては、熱膨張係数の比較的高い材料を用いるのが好ましい。
【００１９】
また、固相から液相、液相から気相等の相変態を伴う熱膨張は、相変態を伴わない熱膨張と比較して体積膨張率が大きいため、相変態に伴う熱膨張を利用することにより、本発明の電極捲回型二次電池は、より温度に対する応答性のよい温度スイッチを含む電極捲回型二次電池となる。なお、液相から気相への相変態を利用する場合は温度スイッチに気密性、耐圧性が必要となるため、比較的扱いやすい固相から液相への相変態を利用する温度スイッチがより望ましい。ここで、本実施形態の熱膨張部材としては、相変態に伴う熱膨張率が大きい材料を用いるのが望ましく、例えば高位脂肪酸と高級一価アルコールからなる固形エステル（以下ワックスと称す）等を用いるのが望ましい。
【００２０】
（５）本発明の電極捲回型二次電池は、前記導通経路に、該導通経路に流れる電流を規制する所定の電気抵抗値を有する態様とすることができる。
【００２１】
導通経路は、異常温度上昇の際に、正極と負極とを導通させ蓄電要素に蓄えられた蓄電エネルギを解放させる役割を有する。しかし、導通が単なる短絡である場合は、電気抵抗となるのは蓄電要素の内部抵抗だけである。したがって、短絡により導通経路に瞬時に大電流が流れる場合は、却って蓄電要素が過熱するおそれがある。本態様の電極捲回型二次電池は、導通経路に瞬時に大電流が流れるのを防止するために、導通経路に所定の電気抵抗値を有するものである。導通経路が電気抵抗値を有することで、導通経路に瞬時に大電流が流れることによる蓄電要素の発熱を抑制することができる安全性に優れた電極捲回型二次電池となる。
【００２２】
ここで導通経路が所定の抵抗値を有するためには、導通経路の一部に所定の電気抵抗値を有する電気抵抗体を介在させたり、導通経路全体の電気抵抗により所定の電気抵抗値となるように導通経路を設計したりすればよい。電気抵抗体を介在させる場合は、導通経路内であれば設置場所、設置個数等は特に限定するものではない。また、同じく電気抵抗体を介在させる場合は、電気抵抗体の長さや断面積を変えることにより、導通経路の電気抵抗値を調整することができる。なお、ここで所定の電気抵抗値を有する電気抵抗体、および導通経路としては、カンタル線（耐熱高抵抗線）、ＭｏＳｉ2 等の各種セラミック、チタン合金、クロム合金等が使用できる。
【００２３】
（６）本発明の電極捲回型二次電池は、前記電気抵抗値が、定格容量を１時間で放電させる電流値を１Ｃとする場合において、前記導通経路に流れる電流の最大値が３Ｃ以上５Ｃ以下となるような電気抵抗値とする態様とすることができる。
【００２４】
つまり、本態様の電極捲回型二次電池は、導通経路が有する電気抵抗値を、導通経路に流れる電流の最大値が３Ｃ以上５Ｃ以下となるような値とし、蓄電要素に蓄えられた蓄電エネルギを安全に解放する電池である。本発明者の知見によれば、比較的容量の大きい電池においては、電流の最大値が３Ｃ以上５Ｃ以下となるように抵抗値を調整することにより、導通経路に流れる電流の適正化を図り、蓄電要素の、それ以上の昇温を効果的に防止することができる。したがって、本態様の電極捲回型二次電池はより安全性に優れた電池となる。
【００２５】
（７）電極捲回型二次電池は、シート状の正極と、シート状の負極と、該正極および該負極を積層して捲回する捲回芯とを備えてなる電極捲回型二次電池であって、前記捲回芯に配設され電池が所定の温度以上になる場合に閉じる温度スイッチを含み、該温度スイッチが閉じた場合に前記正極と前記負極とを導通させる導通経路を有し、前記温度スイッチは、前記正極側につながる正極端子部と、前記負極側につながる負極端子部と、電池の温度に応じて機能する熱感応部材とを有し、前記熱感応部材は、温度に応じて変形する熱変形部材であり、前記温度スイッチは、電池が所定の温度に達すると、該熱変形部材の変形により前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じる態様とすることができる。
【００２６】
つまり、本態様の電極捲回型二次電池は、過充電等により蓄電要素が異常発熱した場合に、その熱により熱変形部材が変形することにより正極端子部と負極端子部とが導通する電極捲回型二次電池である。熱変形部材を熱感応部材として利用することにより、本態様の電極捲回型二次電池は、より構造が単純で、また安価な温度スイッチを含む電極捲回型二次電池となる。ここで、熱変形部材としては、バイメタル、トリメタル等のサーモスタットメタル、あるいは形状記憶合金等を使用することができる。なお、本態様の二次電池には、熱変形部材が両端子間を橋渡しして導通する態様の他、熱変形部材の変形が引き金となって、この熱変形部材により係止されていた別の部材が移動し両端子部が接し導通する態様も含まれる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明はリチウム二次電池、ニッケル水素二次電池等に実施することができる。中でも特にリチウム二次電池は電解液に有機溶媒を用いるため安全性に留意する必要がある。この点から本発明はリチウム二次電池に適用することが望ましい。以下、本発明の電極捲回型二次電池における導通経路の概念、および本発明をリチウム二次電池に適用した場合の具体的実施形態について説明する。
【００２８】
〈導通経路の概念〉本発明の電極捲回型二次電池における導通経路の概念図を図１に示す。図１に示すように、電池１の導通経路５０は、温度スイッチ１５と、温度スイッチ１５の正極側に設置される電気抵抗体６０と、電気抵抗体６０の正極側に設置され正極１１と導通する正極側導通部材５１と、温度スイッチ１５の負極側に設置され、負極１２と導通する負極側導通部材５２とを含む。通常の充電時においては、電流は充電器２の正極側から電池の正極１１、電池の負極１２を経由して充電器２の負極側へと流れ電気回路を形成している。
【００２９】
過充電等により電池が所定の温度以上になると、温度スイッチ１５が閉じ、電流は正極１１から正極側導通部材５１、電気抵抗体６０、温度スイッチ５０、負極側導通部材５２を経由して負極１２へと流れ導通経路５０が通電することになる。ここで、正極１１と正極側導通部材５１との導通は、正極外部端子等の何らかの部材により確保されていればよい。また、負極１２と負極側導通部材５２との導通についても同様である。さらにまた、電気抵抗体６０は温度スイッチ１５の負極側に設置してもよい。
【００３０】
〈第一実施形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第一実施形態であるリチウム二次電池の基本構成を図２に、また電池の捲回芯の拡大断面図を図３に、それぞれ示す。本発明の電極捲回型二次電池の第一の実施形態は、温度スイッチの熱溶融部材を、導電性を有し、電池が所定の温度以上になると溶融し、正極端子部と負極端子部との間に流入する熱溶融部材とし、温度スイッチは、この熱溶融部材が溶融流入すると、前記正極端子部と前記負極端子部とが短絡して閉じる電池とする形態である。
【００３１】
まず電池１の基本構成について説明する。図２に示すように、本実施形態の電池１は、蓄電要素１０と、蓄電要素１０を電解液とともに密封する電池容器２０と、電池容器２０に付設され蓄電要素１０に導通する正極外部端子３０および負極外部端子４０とから構成されている。蓄電要素１０は、シート状の正極１１とシート状の負極１２とをセパレータ１３を挟装し捲回芯１４を中心に捲回したロール状電極体となっている。捲回芯１４は絶縁性を有する樹脂製であり中空円筒状をなしている。
【００３２】
正極１１は、リチウムイオンを吸蔵、離脱できる正極活物質に導電材および結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、アルミニウム箔等の金属箔製の集電体表面に塗布乾燥することで正極合材層を形成させて作製することができる。正極活物質には、基本組成をＬｉＣｏＯ2 、ＬｉＮｉＯ2 等とするリチウム遷移金属複合酸化物紛状体を用いることができる。導電材には、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素物質粉状体の１種または２種以上を混合したものを用いることができる。結着剤には、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、これらの活物質、導電材、結着剤を分散させる溶剤としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
【００３３】
負極１２は、金属リチウム、リチウム合金等により形成されているが、正極同様リチウムイオンを吸蔵、離脱できる負極活物質に結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔製の集電体の表面に塗布乾燥させることで負極合材層を形成させて作製することが望ましい。負極活物質には、黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。また、正極同様、結着剤にはポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等を、溶剤にはＮ−メチル−２−ピロリドン等の有機溶剤をそれぞれ用いることができる。
【００３４】
セパレータ１３は、正極１１と負極１２とを分離し電解液を保持する役割を有する。セパレータ１３には、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。
【００３５】
電池容器２０は、筒状の電池容器本体２１と、電池容器本体２１の両端にそれぞれ接合された円盤状の正極側蓋部２２および負極側蓋部２３とからなる。正極側蓋部２２および負極側蓋部２３には、それぞれ電池容器２０の内部圧力が所定値を超える場合に破断する安全弁２４が付設されており（正極側蓋部２２には図示していない）、また、負極側蓋部２３には、さらに電解液注入孔２５が設けられ、電解液注入孔２５を封孔する注入孔栓２６が螺合して取り付けられている。
【００３６】
この電池容器２０は、上記蓄電要素１０を外気から遮断する役割を有し、蓄電要素１０と非水電解液とが密閉収納される。その材質は、例えばアルミニウム合金、ステンレス鋼、樹脂等であり、電池容器が外部端子を兼ねる場合には、電気化学的腐食に留意して適正なものを選択すればよい。非水電解液は、電解質としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解させたものである。例えば、リチウム塩としてはＬｉＢＯ4 、ＬｉＰＦ6 、ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 等を、有機溶媒としてはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等を、それぞれ用いることができる。
【００３７】
正極外部端子３０は、アルミニウムまたはその合金等からなり、集電部３０ａと外部接続部３０ｂとからなる。集電部３０ａは捲回芯１４と、パッキン２２４を介して螺合連結されており、捲回芯１４の内部気密性を確保している。また外部接続部３０ｂは、先端を電池外部に突出する状態で電池容器２０の正極側蓋部２２に設けられた正極端子取付穴２２ａに、ガスケット２２１を介し、ワッシャ２２２、ナット２２３によって付設されており、電池容器２０とは絶縁されている。集電部３０ａには正極１１より延出する帯状の正極リード１１ａがその周囲に接合され、正極外部端子３０と蓄電要素１０の正極１１との導通が確保されている。
【００３８】
負極外部端子４０は、銅またはその合金等からなり、集電部４０ａと外部接続部４０ｂとからなる。集電部４０ａは捲回芯１４と、パッキン２３４を介して螺合連結されており、捲回芯１４の内部気密性を確保している。また外部接続部４０ｂは、先端を電池外部に突出する状態で電池容器２０の負極側蓋部２３に設けられた負極端子取付穴２３ａに、ガスケット２３１を介し、ワッシャ２３２、ナット２３３によって付設されており、電池容器２０とは絶縁されている。集電部４０ａには負極１２より延出する帯状の負極リード１２ａがその周囲に接合され、負極外部端子４０と蓄電要素１０の負極１２との導通が確保されている。
【００３９】
次に、本実施の形態の電池の捲回芯１４の内部構造について説明する。図３に捲回芯の拡大断面図を示す。図３に示すように、本実施形態の電池の捲回芯１４の内部には、図３の左側から順に、鋼製の正極側導通部材５１と、セラミック製の電気抵抗体６０と、温度スイッチ１５と、鋼製の温度スイッチ固定ばね７０と、鋼製の負極側導通部材５２とが設置されている。本実施形態における導通経路５０は、正極側から順に、正極１１の一部である正極リード１１ａにつながる正極外部端子３０と、正極側導通部材５１と、電気抵抗体６０と、温度スイッチ１５と、温度スイッチ固定ばね７０と、負極側導通部材５２と、負極１２の一部である負極リード１２ａにつながる負極外部端子４０とからなる。
【００４０】
本実施形態における温度スイッチ１５は、途中に径の小さいくびれ状の小径部１５１ｆを設けた同軸円柱状であって、その後端部１５１ｂが電気抵抗体６０と接し先端部１５１ａが負極方向に突出した鋼製の正極端子部１５１と、これと同様に途中に径の小さいくびれ状の小径部１５２ｆを設けた同軸円柱状であって、その後端部１５２ｂが温度スイッチ固定ばね７０と接し先端部１５２ａが正極方向に突出した鋼製の負極端子部１５２と、円筒状であって、正極端子部１５１と負極端子部１５２とを離間するように両端子部の間に介在する絶縁体樹脂製の端子間スペーサ１５６と、リング状であって、その内径が前記端子部の小径部１５１ｆ、１５２ｆの径とほぼ同径であり正極端子部１５１と負極端子部１５２とが導通しないように両端子部の小径部１５１ｆおよび１５２ｆにそれぞれはめ込まれたウッドメタル製の熱溶融部材１５ａとからなる。
【００４１】
本実施形態においては、電気抵抗体６０は、円柱状であって正極側導通部材５１と正極端子部１５１との間に設置されている。また温度スイッチ固定ばね７０は負極側導通部材５２と負極端子部１５２との間に設置されており、温度スイッチ１５を固定するとともに、捲回芯１４に配設される部材間の接触を確保している。
【００４２】
正極端子部１５１と負極端子部１５２とは離間して設置されているので、通常時においては、導通経路５０に電流が流れることはない。しかし、過充電等により蓄電要素１０が発熱し、蓄電要素１０の温度が熱溶融部材１５ａを形成するウッドメタルの融点に達すると、図４に示すように、熱溶融部材１５ａが溶融流動し、溶湯が正極端子部１５１と負極端子部１５２との間を架橋するようになり、導通経路５０に電流が流れる。
【００４３】
本実施形態の電池の温度スイッチ１５においては、正極端子部１５１と負極端子部１５２の小径部１５１ｆおよび１５２ｆに、それぞれ分割して熱溶融部材１５ａを設置しているので、電池が縦向き、横向き等どのような向きで使用されていても、熱溶融部材１５ａの溶湯は、端子間スペーサ１５６の内壁に沿って流動し、正極端子部１５１と負極端子部１５２とを導通させることができる。すなわち本実施形態は、使用時の電池の向きに関わらず、温度スイッチ１５を正確に作動させることができる形態である。温度スイッチ１５が作動することにより、導通経路５０に電流が流れ、電池の蓄電要素１０のエネルギを解放することができる。
【００４４】
リチウム二次電池の場合、温度スイッチ１５の閉じる温度は、８０℃から１５０℃程度に設定するのが望ましく、設定温度は熱溶融部材の材質を変えることによって調整する。例えば、設定温度を１００℃とする場合はダルゼー合金等を用いればよく、設定温度を１３９℃とする場合は４２重量％Ｓｎ−５８重量％Ｂｉ合金等を用いればよい。また、導通経路５０の電気抵抗値の調節は、電気抵抗体６０の長さ、径を変えることにより行うことができる。
【００４５】
〈第二実施形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第二実施形態である電池の内部構造について説明する。なお、電池の基本構成は図２に示すものと同様である。本発明の電極捲回型二次電池の第二の実施形態は、温度スイッチの熱溶融部材を、正極端子部と負極端子部とを離間するように両者の間に介在し、所定の温度以上になると溶融流動する熱溶融部材とし、正極端子部および負極端子部の少なくとも一方は、互いに接近する方向に移動するように付勢されており、温度スイッチは、熱溶融部材が溶融流動すると、正極端子部と負極端子部とが導通して閉じる導通経路を有する電池とする形態である。
【００４６】
電池の捲回芯の拡大断面図を図５に示す。本実施形態における導通経路５０は、正極側から順に、正極１１の一部である正極リード１１ａにつながる正極外部端子３０と、正極側導通部材５１と、電気抵抗体６０と、温度スイッチ１５と、温度スイッチ固定ばね７０と、負極側導通部材５２と、負極１２の一部である負極リード１２ａにつながる負極外部端子４０とからなる。
【００４７】
図５に示すように、本実施形態の電池の捲回芯１４に配設された温度スイッチ１５は、円板状であって、温度スイッチ固定ばね７０の正極側に設置される鋼製の温度スイッチ固定板１５０と、円筒状であって、電気抵抗体６０と温度スイッチ固定板１５０との間に介在し温度スイッチ固定ばね７０の圧縮力に抗して温度スイッチ１５を設置する空間を確保するために設けられた樹脂製の温度スイッチスペーサ１５３と、径の異なる同軸円柱状であって、後端部１５２ｄが温度スイッチ固定板１５０と接するように設けられ先端部１５２ｃが正極方向に解放された鋼製の負極端子部１５２と、リング状であって、負極端子部１５２の先端部１５２ｃに嵌合された樹脂製の絶縁部材１５５と、径の異なる同軸円柱状であって、先端部１５１ｃが負極方向に解放され負極端子部１５２の方に移動可能な鋼製の正極端子部１５１と、リング状であって、正極端子部１５１の先端部１５１ｃに嵌合された樹脂製の絶縁部材１５５と、円筒状であって、正極端子部１５１の先端部１５１ｃの絶縁部材１５５と負極端子部１５２の先端部１５２ｃの絶縁部材１５５との間に、両端子部を離間するために介在するウッドメタル製の熱溶融部材１５ａと、コイル状であって、正極端子部１５１の後端部１５１ｄと電気抵抗体６０との間に圧縮された状態で設置された鋼製の端子部移動ばね１５４とからなる。
【００４８】
本実施形態においては、鋼製の温度スイッチ固定ばね７０は、コイル状であって負極側導通部材５２の正極側に設置されており、また、セラミック製の電気抵抗体６０は、円柱状であって正極側導通部材５１の負極側に設置されている。
【００４９】
正極端子部１５１と負極端子部１５２とは離間して設置されているので、通常時においては、導通経路５０に電流が流れることはない。しかし、過充電等により蓄電要素１０が発熱し、蓄電要素１０の温度が熱溶融部材１５ａを形成するウッドメタルの融点に達すると、図６に示すように、熱溶融部材１５ａが溶融流動する。熱溶融部材１５ａが溶融流動すると、正極端子部１５１が圧縮状態の端子部移動ばね１５４の復元力により負極端子部１５２の方向に移動し、正極端子部１５１と負極端子部１５２とが接する。これにより、正極端子部１５１と負極端子部１５２とが導通し、導通経路５０に電流が流れる。
【００５０】
本実施形態の電池の温度スイッチ１５は、圧縮された端子部移動ばね１５４の復元力を利用することで、熱溶融部材１５ａが溶融軟化してから正極端子部１５１と負極端子部１５２とが接するまでの時間を短縮することができる。したがって、本実施形態の電池は、蓄電部が所定の温度に達してからスイッチが閉じるまでのタイムラグを短縮するのに好適な温度スイッチ１５を有する形態となる。また、端子部移動ばね１５４の材質や長さ、単位長さあたりの巻き数等を変えることにより、ばねの復元力を調整することができる。このため、熱溶融部材１５ａが溶融流動してから正極端子部１５１と負極端子部１５２とが接するまでの時間を制御することができる。したがって、本実施形態の電池は、蓄電部が所定の温度以上となってからエネルギを解放するまでの時間を制御することができる形態となる。
【００５１】
また、本実施形態においては、熱溶融部材１５ａとして導電性のウッドメタルを使用しており、ウッドメタルを介して両端子間が導通するのを防ぐため絶縁部材１５５を両端子部表面に設置したが、絶縁性の熱溶融部材１５ａを使用する場合は、この絶縁部材１５５を設置しない実施形態もある。さらにまた、本実施形態の温度スイッチ１５においては、正極端子部１５１のみが移動するが、負極端子部１５２、または正極端子部１５１および負極端子部１５２が移動する形態もある。
【００５２】
〈第一参考形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第一参考形態である電池の内部構造について説明する。なお、電池の基本構成は図２に示すものと同様である。本発明の電極捲回型二次電池の第一参考形態は、温度スイッチの熱感応部材を、電池が所定の温度以上になると変形する熱変形部材とし、温度スイッチは、所定の温度に達すると、熱感応部材の変形により正極端子部と負極端子部とが導通して閉じる導通経路を有する電池とする形態である。
【００５３】
電池の捲回芯の拡大断面図を図７に示す。本参考形態における導通経路５０は、正極側から順に、正極１１の一部である正極リード１１ａにつながる正極外部端子３０と、正極側導通部材５１と、電気抵抗体６０と、温度スイッチ１５と、負極側導通部材５２と、負極１２の一部である負極リード１２ａにつながる負極外部端子４０とからなる。
【００５４】
図７に示すように、本参考形態の電池の捲回芯１４に配設された温度スイッチ１５は、円柱状であって、負極側導通部材５２の正極側に接合される鋼製の負極端子部１５２と、円柱状であって、正極側面に固定部材用孔１５１ｅを有し、負極端子部１５２の正極側面と離間して正対し、負極端子部１５２の方向に移動可能な正極端子部１５１と、同軸棒状であって、その一部に刀のつば状の係止部１５８ａを有し、負極側端が正極端子部１５１の固定部材用孔１５１ｅに螺合連結された端子部固定部材１５８と、電気抵抗体６０と端子部固定部材１５８の係止部１５８ａとの間に介在し、圧縮された状態で保持される端子部移動ばね１５４と、内周端が端子部固定部材１５８の係止部１５８ａと係合し、端子部移動ばね１５４の復元力により正極端子部１５１が移動しないようにこれを係止するバイメタル製ジャンピングディスクからなる熱変形部材１５ｂと、円筒状であって、熱変形部材１５ｂの外周端を捲回芯１４の内壁面段差部１４ａと挟持して固定する樹脂製の固定筒１５９とからなる。
【００５５】
本参考形態においては、セラミック製の電気抵抗体６０は、円柱状であって正極側導通部材５１の負極側に設置されている。
【００５６】
正極端子部１５１と負極端子部１５２とは離間して設置されているので、通常時においては、導通経路５０に電流が流れることはない。しかし、過充電等により蓄電要素１０が発熱し、温度が上昇すると、熱変形部材１５ｂはディスクが裏返るように徐々に変形する。蓄電要素１０の温度が所定の温度に達すると、図８に示すように熱変形部材１５ｂの変形により、熱変形部材１５ｂと端子部固定部材１５８の係止部１５８ａとの係合が外れる。これにより正極端子部１５１は負極端子部１５２に向かって移動し、正極端子部１５１と負極端子部１５２とが接することにより、導通経路５０に電流が流れる。
【００５７】
本参考形態の電池の温度スイッチ１５は、圧縮された端子部移動ばね１５４の復元力を利用するため、正極端子部１５１の移動距離、すなわち正極端子部１５１と負極端子部１５２との間隔を広くとることができる。両端子部の間隔が広いと電池１に衝撃が加わった場合等においても、誤作動により温度スイッチ１５が閉じることがないため、本参考形態の電池は、安全性、信頼性を確保するのに好適な形態となる。
【００５８】
また、端子部移動ばね１５４の材質や長さ、単位長さあたりの巻き数を変えること等により、ばねの復元力を調整することができる。このため、熱変形部材１５ｂの変形により、熱変形部材１５ｂと端子部固定部材１５８の係止部１５８ａとの係合が外れてから両端子部が接するまでの時間を制御することができる。したがって、本参考形態の電池は、蓄電部が所定の温度以上となってからエネルギを解放するまでの時間を制御することができる形態となる。また、本参考形態の電池の温度スイッチ１５においては、正極端子部１５１のみが移動するが、負極端子部１５２、または正極端子部１５１および負極端子部１５２が移動する形態もある。
【００５９】
〈第二参考形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第二参考形態として、熱変形部材の変形を利用したもう一つの形態を示す。すなわち、図７に示す第一参考形態の電池から、端子部移動ばね１５４等を省き構造を単純化した形態である。
【００６０】
本参考形態の電池の内部構造について説明する。図９に本参考形態の電池の捲回芯の拡大断面図を示す。本参考形態における導通経路５０は、正極１１の一部である正極リード１１ａにつながる正極外部端子および正極側導通部材の役割をも有する正極端子部１５１、熱変形部材１５ｂ、負極端子部１５２からなる温度スイッチ１５と、負極側導通部材の役割をも有し負極１２の一部である負極リード１２ａにつながる負極外部端子４０とからなる。
【００６１】
図９に示すように、本参考形態の電池の捲回芯１４に配設された温度スイッチ１５は、電池の正極外部端子の役割をも有する鋼製の正極端子部１５１と、板状であって、正極端子部１５１に一端が接合され、他端が負極方向に伸びるバイメタル製の熱変形部材１５ｂと、電池の負極外部端子４０に接合された円筒状の負極端子部１５２とからなる。
【００６２】
正極端子部１５１と負極端子部１５２とは離間して設置されているので、通常時においては、導通経路５０に電流が流れることはない。しかし、過充電等により蓄電要素１０が発熱し、温度が上昇すると、熱変形部材１５ｂは徐々に変形していく。蓄電要素１０の温度が所定の温度に達すると、図１０に示すように、熱変形部材１５ｂの変形により、熱変形部材１５ｂと負極端子部１５２とが接する。これにより、正極端子部１５１と負極端子部１５２とが導通し、導通経路５０に電流が流れる。
【００６３】
本参考形態の電池の温度スイッチ１５は、構造が単純であるため、温度スイッチ１５を軽量化でき、また温度スイッチ１５の製造コストを低くすることができる。したがって、本参考形態の電池は、軽量化、低コスト化に好適な形態となる。
【００６４】
〈第三実施形態〉本発明の電極捲回型二次電池の第三実施形態である電池の内部構造について説明する。なお、電池の基本構成は図示しないが、図２において示したものと同様である。本発明の電極捲回型二次電池の第三の実施形態は、温度スイッチの熱感応部材を、温度に応じて相変態を伴いながら膨張する熱膨張部材とし、温度スイッチは、所定の温度に達すると、熱感応部材の膨張により前記正極端子部と前記負極端子部とが導通して閉じる導通経路を有する電池とする形態である。
【００６５】
本発明の電極捲回型二次電池の第三実施形態である電池の捲回芯の拡大断面図を図１１に示す。本実施形態における導通経路５０は、正極側から順に、正極１１の一部である正極リード１１ａにつながる正極外部端子３０と、正極側導通部材５１と、温度スイッチ１５と、温度スイッチ固定ばね７０と、負極側導通部材５２と、負極１２の一部である負極リード１２ａにつながる負極外部端子４０とからなる。
【００６６】
図１１に示すように、本実施形態の電池の捲回芯１４に配設された温度スイッチ１５は、正極方向に開口端を有するシリンダ状であって、負極側の面が温度スイッチ固定ばね７０に接合された鋼製のシリンダ部材１５７と、円柱状であって、シリンダ部材１５７の内部に設置されるワックス製の熱膨張部材１５ｃと、大小二つの径からなる同軸円柱ピストン状であって、径の大きい後端部１５２ｆがシリンダ部材１５７の内部に熱膨張部材１５ｃを密封し、径の小さい先端部１５２ｅがシリンダ部材１５７の開口端から突出した状態で設置され、正極側に移動可能な鋼製の負極端子部１５２と、円柱状であって負極端子部１５２と正対し、正極側導通部材５１の負極側に設置され電気抵抗を有するセラミック製の正極端子部１５１と、円筒状であって、シリンダ部材１５７の開口端と正極端子部１５１との間に介在し、正極端子部１５１と負極端子部１５２とを離間する絶縁体樹脂製の端子間スペーサ１５６と、シリンダ部材１５７の内部に設置され、シリンダ部材１５７の開口端内壁面と後端部１５２ｆとの間に介在する端子部固定ばね１５４ａとからなる。
【００６７】
本実施形態においては、温度スイッチ固定ばね７０は負極側導通部材５２とシリンダ部材１５７との間に設置されている。
【００６８】
正極端子部１５１と負極端子部１５２とは離間して設置されているので、通常時においては、導通経路５０に電流が流れることはない。しかし、過充電等により蓄電要素１０が発熱し、温度が熱膨張部材１５ｃの融点に達すると、固相から液相への相変態を伴いながら、熱膨張部材１５ｃは膨張する。図１２に示すように、熱膨張部材１５ｃが膨張すると、負極端子部１５２の後端部１５２ｆが押され、負極端子部１５２は正極端子部１５１の方向に徐々に移動する。負極端子部１５２の先端部１５２ｅが正極端子部１５１に接すると導通経路５０に電流が流れる。なお、導通経路５０に電流が流れ始めた後も、蓄電要素１０からの熱伝達の遅れにより熱膨張部材１５ｃが膨張し続ける場合は、膨張による体積増加を、温度スイッチ固定ばね７０が縮むことで吸収し、温度スイッチ１５が破損するのを防止する。
【００６９】
本実施形態の電池の温度スイッチ１５は、熱膨張という材料固有の性質を利用しているため、所定の温度にて正確に正極端子部１５１と負極端子部１５２とを導通させることができる。このため、本実施形態の電池１は、所定の温度に対し、正確に、また確実に作動する温度スイッチ１５を有する形態となる。また、本実施形態の電池の温度スイッチ１５においては、負極端子部１５２のみが移動するが、正極端子部１５１、または正極端子部１５１および負極端子部１５２が移動する形態もある。
【００７０】
さらに、本実施形態においては、熱膨張部材１５ｃとして、膨張に際し固相から液相への相変態を伴うものを用いたが、シリンダ部材１５７と負極端子部１５２とにより気密性、耐圧性等が確保できる場合は、膨張に際し液相から気相への相変態を伴う熱膨張部材１５ｃを用いる形態もある。
【００７１】
〈その他の実施形態〉以上本発明の電極捲回型二次電池の実施形態について説明したが、上記実施形態は一例に過ぎず、本発明の電極捲回型二次電池は、上記実施形態を始めとして、当業者が行い得る改良、変更を施した種々の態様にて実施することができる。
【００７２】
例えば、正極側導通部材および負極側導通部材の少なくとも一つとして捲回芯内壁を利用する形態がある。本実施形態においては、捲回芯内壁の一部が導電性を有することが必要なため、樹脂製の捲回芯の内壁側の一部分を金属等の導体に変える必要がある。また正極端子部と負極端子部とを介さず捲回芯内壁により導通することを防ぐための手段が必要な場合もある。本実施形態は、捲回芯内壁を利用するため、正極側導通部材および／または負極側導通部材を必要としない。したがって、本実施形態は、電池の軽量化に好適な形態である。
【００７３】
また上述した、本発明の実施形態および参考形態においては、温度スイッチ固定ばね、端子部移動ばね、端子部固定ばねとしてコイルばねを使用したが、これらのばねを、例えば板ばね、皿ばね、ゴム、ポリウレタン発泡体等のように、変形した状態で設置でき、その復元力により温度スイッチまたは端子部を移動させることができるように付勢できるあらゆる弾性部材とする形態もある。
【００７４】
また、第二参考形態、第三実施形態において使用したバイメタル等の熱変形部材や、ワックス等の熱膨張部材は、温度が下がると元の形状、体積に戻る性質を有する。このため、これらの形態においては、温度スイッチが閉じ、導通経路が導通することにより、蓄電要素の蓄電エネルギが解放され、温度が下がると、正極端子部と負極端子部とを再び離間することができる形態とすることもできる。この形態を採用する場合、本発明の電極捲回型二次電池は、可逆的に開閉可能な温度スイッチを有する二次電池となる。
【００７５】
さらにまた、上記実施形態および上記参考形態は円筒状の捲回電極体を有する二次電池の例を示したが、円筒状に限らず捲回芯形状は断面が楕円状もしくは長円状等の種々の形状のものを用いることができ、その結果、楕円状もしくは長円状等に捲回された捲回電極体とすることができる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の電極捲回型二次電池においては、電池内部のデッドスペースである捲回芯に、異常温度上昇時の温度スイッチを配設した。このような本発明の電池によれば、体積効率に優れ、かつ過充電等による異常温度上昇の際の安全性の高い電極捲回型二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態である電池の導通経路の概念図である。
【図２】  本発明の実施形態である電池の基本構成を示す断面図である。
【図３】  本発明の第一実施形態である電池の、温度スイッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図４】  本発明の第一実施形態である電池の、温度スイッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【図５】  本発明の第二実施形態である電池の、温度スイッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図６】  本発明の第二実施形態である電池の、温度スイッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【図７】  本発明の第一参考形態である電池の、温度スイッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図８】  本発明の第一参考形態である電池の、温度スイッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【図９】  本発明の第二参考形態である電池の、温度スイッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図１０】  本発明の第二参考形態である電池の、温度スイッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【図１１】  本発明の第三実施形態である電池の、温度スイッチ作動前の捲回芯の拡大断面図である。
【図１２】  本発明の第三実施形態である電池の、温度スイッチ作動後の捲回芯の拡大断面図である。
【符号の説明】
１：電極捲回型二次電池  ２：充電器  １０：蓄電要素  １１：正極  １２：負極  １３：セパレータ  １４：捲回芯  １５：温度スイッチ  １５ａ：熱溶融部材  １５ｂ：熱変形部材  １５ｃ：熱膨張部材  ２０：電池容器  ２１：電池容器本体  ２２：正極側蓋部  ２３：負極側蓋部  ２４：安全弁  ３０：正極外部端子  ４０：負極外部端子  ５０：導通経路  ５１：正極側導通部材  ５２：負極側導通部材  ６０：電気抵抗体  ７０：温度スイッチ固定ばね  １５０：温度スイッチ固定板  １５１：正極端子部  １５２：負極端子部  １５３：温度スイッチスペーサ  １５４：端子部移動ばね  １５５：絶縁部材  １５６：端子間スペーサ  １５７：シリンダ部材  １５８：端子部固定部材  １５９：固定筒
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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