(57)【要約】      （修正有）【課題】  電池の内部温度が上昇したときに、二次電池内部のエネルギーを速やかに且つ安全に消費する。【解決手段】  二次電池と、外部に電気接続するための電気接続接点を端部に有し、温度変化に対応して変形する可動アームと、可動アームの電気接続接点と接触する固定接続端子とを備え、可動アームと固定接続端子とは筺体に収容され、筺体が所定温度以上となると、可動アームの電気接続接点と固定接続端子とが接触して二次電池を外部短絡させ、筺体が所定温度未満になると、電気接続接点と固定接続端子との接触が解除されて外部短絡が遮断される構造の自己復帰型安全機構付き二次電池であって、自己復帰型安全機構付き二次電池は、更に外部短絡時の電流値を下げる抵抗を有し、かつ当該抵抗は、発生するジュール熱が可動アームの動作に影響を与えない位置に配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と、
外部に電気接続するための電気接続接点を端部に有し、温度変化に対応して変形する可動アームと、
前記可動アームの電気接続接点と接触する固定接続端子と、
を備え、
前記可動アームと前記固定接続端子とは筺体に収容され、当該筺体は前記二次電池の近傍に配置され、
かつ前記二次電池の一方の電極と前記可動アームとが電気的に接続され、前記二次電池の他方の電極と前記固定接続端子とが電気的に接続され、前記筺体が所定温度以上となると、前記可動アームの電気接続接点と前記固定接続端子とが接触して前記二次電池を外部短絡させ、前記筺体が所定温度未満になると、前記電気接続接点と前記固定接続端子との接触が解除されて前記外部短絡が遮断される構造の自己復帰型安全機構付き二次電池であって、
前記自己復帰型安全機構付き二次電池は、更に外部短絡時の電流値を下げる抵抗を有し、かつ当該抵抗は、当該抵抗から発生するジュール熱が前記可動アームの動作に影響を与えない位置に配置されている、
ことを特徴とする自己復帰型安全機構付き二次電池。
【請求項２】
請求項１に記載の自己復帰型安全機構付き二次電池において、
前記抵抗が、前記固定接続端子と、前記固定接続端子が接続されている電極との間に配置されている、
ことを特徴とする自己復帰型安全機構付き二次電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の自己復帰型安全機構付き二次電池において、
前記抵抗が、前記筐体の外に配置されている、
ことを特徴とする自己復帰型安全機構付き二次電池。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の自己復帰型安全機構付き二次電池において、
前記可動アームが、バイメタルからなる、
ことを特徴とする自己復帰型安全機構付き二次電池。
【請求項５】
請求項１、２または３に記載の自己復帰型安全機構付き二次電池において、
前記可動アームが、可動アーム本体とバイメタルスイッチからなり、前記可動アーム本体が前記バイメタルスイッチによって可動する、
ことを特徴とする自己復帰型安全機構付き二次電池。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５に記載の自己復帰型安全機構付き二次電池において、
前記所定の温度が６０〜１００℃である、
ことを特徴とする自己復帰型安全機構付き二次電池。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５または６に記載の自己復帰型安全機構付き二次電池において、
前記二次電池が、非水電解質二次電池である、
ことを特徴とする自己復帰型安全機構付き二次電池。
ことを特徴とする安全機構付き二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の内部温度が上昇したときに、電池内部のエネルギーを速やかに且つ安全に消費する自己復帰型安全機構付き二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の小型・軽量化が急速に進展しており、その駆動電源としての電池にはさらなる高容量化、高エネルギー密度化が要求されている。リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるので、上記のような移動情報端末の駆動電源として広く利用されている。
【０００３】
このような非水電解質二次電池に用いられる活物質は、充電状態での熱安定性が低く、充電状態で高温条件に晒されると、活物質の結晶構造が崩壊して、熱暴走に至ったり、電池性能を劣化させたりするという問題があった。
【０００４】
ところで、温度上昇時の電池の安全性を向上させる技術としては、下記特許文献１−３が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３２６６１０号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】特開２００２−２９８８０７号公報（第２−３頁）
【特許文献３】特開平１１−１６２４４９号公報（段落０００５−００１８）
【０００６】
上記特許文献１には、電池ケースの封口部に熱応動バイメタルスイッチによる端子間をオン、オフする安全装置を設置し、電池の異常温度上昇時に正負極間を短絡させることにより、バイメタルスイッチに短絡電流を流して電池内の温度上昇を抑制できる電池が記載されている。
しかし、この技術ではバイメタルスイッチと電池とが並列に接続されているので、バイメタルスイッチが作動しても、当該電池には電流が流れる。この電流によって、電池内部の活物質や電解液等が劣化するので、再び当該電池を用いることができないという課題を有している。
【０００７】
上記特許文献２には、電池に過電流が流れ、あるいは電池温度が設定温度よりも高くなると、オフに切り替えられて電池を保護するブレーカを備え、前記ブレーカがケーシングに固定してなる複数の半田端子を有し、ひとつまたは複数の半田端子をプリント基板にリフロー半田して固定しており、プリント基板がリードを介して電池に接続されると共に、ケース内の定位置に配設され、このプリント基板を介してブレーカをケース内の定位置に固定されたパック電池が記載されている。
この技術によると、組み立てが簡単で、ブレーカを正確な位置に配置でき、ブレーカを正確に作動させて電池を有効に保護して安全に使用できるとされる。しかし、電池内部のエネルギーが高い状態でブレーカが作動すると、上述した電池性能の劣化、熱暴走という問題が生じる。
【０００８】
上記特許文献３には、二次電池内部の温度を検出する温度検出手段と、二次電池の内部抵抗に比し十分低い抵抗体を備える放電手段と、前記温度検出手段が正常温度信号を出力するのに応動して導通作動し二次電池の正負極間電源と外部回路との閉ループ回路を形成させる作動切替手段とを要素部材に含み、前記二次電池のケース内に収設されてなる二次電池が記載されている。
この技術によると、二次電池内部における温度上昇現象が暴爆を引き起こす温度点に達するまでにその原因である化学反応をいち早く、しかも確実に停止させることができるとされる。
【０００９】
しかし、危険温度に達したことにより異常温度信号が出力されると、作動切替手段が作動して、放電手段と二次電池との閉ループ回路が形成されるが、この閉ループ回路によって電池が０Ｖまで放電される（段落００１５）。充電された二次電池が０Ｖまで放電されると、電池内部の活物質が劣化するので、再び当該電池を用いることができないという課題を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、高温条件に晒されたときの安全性が高く、且つ二次電池を劣化させない安全機構付き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】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明は、二次電池と、外部に電気接続するための電気接続接点を端部に有し、温度変化に対応して変形する可動アームと、前記可動アームの電気接続接点と接触する固定接続端子と、を備え、前記可動アームと前記固定接続端子とは筺体に収容され、当該筺体は前記二次電池の近傍に配置され、かつ前記二次電池の一方の電極と前記可動アームとが電気的に接続され、前記二次電池の他方の電極と前記固定接続端子とが電気的に接続され、前記筺体が所定温度以上となると、前記可動アームの電気接続接点と前記固定接続端子とが接触して前記二次電池を外部短絡させ、前記筺体が所定温度未満になると、前記電気接続接点と前記固定接続端子との接触が解除されて前記外部短絡が遮断される構造の自己復帰型安全機構付き二次電池であって、前記自己復帰型安全機構付き二次電池は、更に外部短絡時の電流値を下げる抵抗を有し、かつ当該抵抗は、当該抵抗から発生するジュール熱が前記可動アームの動作に影響を与えない位置に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
ここで、二次電池の近傍とは、二次電池の温度と筐体との温度が略同等となる位置のことを意味し、具体的には二次電池の外装体に直接また熱伝導性の高い部材を介して接触する位置のことを意味する。
【００１３】
また、前記抵抗が、前記固定接続端子と、前記固定接続端子が接続されている電極との間に配置されている構成とすることができる。
【００１４】
また、前記抵抗が、前記筐体の外に配置されている構成とすることができる。
【００１５】
また、前記可動アームが、バイメタルからなる構成とすることができる。
【００１６】
また、前記可動アームが、可動アーム本体とバイメタルスイッチからなり、前記可動アーム本体が前記バイメタルスイッチによって可動する構成とすることができる。
【００１７】
また、前記所定温度が６０〜１００℃である構成とすることができる。
【００１８】
また、前記二次電池が、非水電解質二次電池である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明によると、図１（ａ）に示すように、通常の温度条件では可動アーム２の電気接続接点２ａと固定接続端子３とが接続していないが、筐体が所定の温度に達すると、図１（ｂ）に示すように可動アーム２の電気接続接点２ａと固定接続端子３とが電気的に接続され、二次電池１が外部短絡する。
【００２０】
この外部短絡電流は、抵抗４を通過することにより、活物質や電解液を劣化させない程度にまで小さくなる。
【００２１】
また、抵抗４は、当該抵抗４から発生するジュール熱が前記可動アーム２の動作に影響を与えない位置に配置されているので、二次電池１が再び所定温度以下となると、速やかに可動アーム２の電気接続接点２ａと固定接続端子３との接触を解除し、外部短絡が遮断される。そして、二次電池１は、外部短絡により充電レベルが安全なレベルにまで低下するが、過放電状態となる前に外部短絡が終了する。したがって、当該二次電池１を再び用いることが可能となる。
【００２２】
また、前記抵抗によるジュール熱が前記可動アームの動作に影響を与えない位置としては、前記固定接続端子と、前記固定接続端子が接続されている電極との間や、前記筐体の外が例示できる。
【００２３】
また、可動アームがバイメタルからなる通電方式や、可動アームが可動アーム本体とバイメタルスイッチとからなる無通電方式を用いると、低コストで且つ容易に可動アームの電気接続接点と固定接続端子とを接触・解除させることができる。
【００２４】
また、二次電池に用いられるセパレータは、電池温度が約１３０〜１５０℃に達すると、溶融（シャットダウン）して正負極間の電流を遮断することにより、安全性が高められているが、シャットダウン後の二次電池は、再び使用することはできない。しかし、前記所定温度が６０〜１００℃であると、二次電池がシャットダウンする前に電池を外部短絡させて安全性を高めることができるので、二次電池がシャットダウンすることがなく、電池として再使用が可能となる。
【００２５】
また、非水電解質二次電池は、電解質に可燃性の有機溶媒を用いているので、電池が高温条件に晒された場合の危険性が高い。この非水電解質二次電池に本発明に係る自己復帰型安全機構を取り付けると、高温条件でも安全な自己復帰型安全機構付き非水電解質二次電池が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づいて説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【００２７】
（実施の形態１）
図１（ａ）に示すように、実施の形態１に係る安全機構付き二次電池は、二次電池１と、外部に電気接続するための電気接続接点２ａを端部に有し、温度変化に対応して変形する可動アーム２と、可動アームの電気接続接点２ａと接触する固定接続端子３とを備えている。そして、二次電池の負極１ａと可動アーム２とが電気的に接続され、二次電池の正極１ｂと固定接続端子３とが電気的に接続されている。
【００２８】
また、可動アーム２と前記固定接続端子３とは筺体５に収容され、当該筺体５は前記二次電池と接触する位置に配置されている。
更に、抵抗４を有し、かつ当該抵抗４は、当該抵抗４から発生するジュール熱が前記可動アーム２の動作に影響を与えないように、筐体５の外に配置されている。
【００２９】
また、前記可動アーム２は、可動アーム本体２１と、バイメタルスイッチ２２とからなる。
【００３０】
そして、二次電池１の温度が所定温度に達すると、筐体５も同時に所定温度に達し、図１（ｂ）に示すようにバイメタルスイッチ２２が熱により反転して可動アームの電気接続接点２ａと固定接続端子３とが接触し、二次電池１が外部短絡する。この外部短絡時の電流値は、抵抗４によって電池に悪影響を及ぼさないレベルにまで下げられる。
【００３１】
また、抵抗４は筐体５の外に配置されているので、そのジュール熱はバイメタルスイッチ２２に与える影響が小さい。したがって、二次電池１の温度が所定温度以下となると、速やかにバイメタルスイッチ２２が可動アームの電気接続接点２ａと固定接続端子３との接触を遮断し、図１（ａ）に示すように通常状態に復帰する。
【００３２】
上述したように、二次電池１が過放電に至る前に通常状態に速やかに自己復帰するため、当該二次電池１の活物質が劣化することがなく、再び電池として用いることができる。
【００３３】
（実施の形態２）
実施の形態２では、可動アームがバイメタルである例について説明する。
【００３４】
実施の形態２は、図２（ａ）に示すように可動アーム２がバイメタルである点、及び抵抗４が固定接続端子３と正極１ｂとの間に配置されている点以外は、実施の形態１と同様の構成である。
【００３５】
そして、二次電池１の温度が所定の温度に達すると、図２（ｂ）に示すようにバイメタルからなる可動アームの電気接続接点２ａと固定接続端子３とが接触し、二次電池１が外部短絡する。この外部短絡電流は、抵抗４によって電池に悪影響を及ぼさないレベルにまで下げられる。
【００３６】
また、抵抗４は筐体５の外部且つ正極１ｂと固定接続端子３との間に配置されているので、そのジュール熱はバイメタルからなる可動アーム２に与える影響が小さい。したがって、二次電池１の温度が所定温度以下となると、速やかにバイメタルからなる可動アームの電気接続接点２ａと固定接続端子３との接続を遮断するように作動し、図２（ａ）に示すように通常状態に復帰する。
【００３７】
上述したように、二次電池１が過放電に至る前に通常状態に速やかに自己復帰するため、当該二次電池１の活物質が劣化することがなく、再び電池として用いることができる。
【００３８】
（実施例）
以下、二次電池として非水電解質二次電池を用いた実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。
【００３９】
（実施例１）
コバルト酸リチウムを有する正極と、黒鉛を有する負極と、ポリエチレン製微多孔膜（融点：１３０℃）と、を巻回して電極体となした。
【００４０】
別途作製した角型の外装缶内に上記電極体を挿入し、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比１：１で混合した混合溶媒にＬｉＰＦ６を１モル／リットルの割合で溶解した電解液を注液した。この後、外装缶の開口部をレーザー溶接により封口して、非水電解質二次電池を作製した。この非水電解質二次電池の理論容量は１０００ｍＡｈである。
【００４１】
この非水電解質二次電池に、上記実施の形態１に係る安全機構を、図３に示すように取り付け、実施例１に係る自己復帰型安全機構付き二次電池を作製した。なお、バイメタルの作動温度は７０℃であり、抵抗は２Ωである。
【００４２】
（実施例２）
実施の形態２に係る安全機構を、図４に示すように取り付けたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例２に係る自己復帰型安全機構付き二次電池を作製した。なお、バイメタルの作動温度は８０℃であり、抵抗は３Ωである。
【００４３】
（比較例１）
自己復帰型安全機構を取り付けなかったこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１に係る二次電池を作製した。
【００４４】
（比較例２）
図５に示すように、抵抗１０４を筐体１０５の内部且つ可動アーム本体１２１と負極１０１ａの間に配置した安全機構を用いたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例２に係る自己復帰型安全機構付き二次電池を作製した。
【００４５】
〔安全性試験〕
上記で作製した安全機構付き二次電池を１０００ｍＡで４．２Ｖとなるまで充電し、その後４．２Ｖで１００ｍＡとなるまで充電した。この電池を１００℃のオーブン内に投入し、３０分経過後、電池を取り出し、室温（２５℃）まで冷却した。
【００４６】
冷却後の電池は、実施例１では電池電圧が３．２Ｖであり、実施例２では３．３５Ｖと、充電レベルが安全なレベルにまで低下していた。また、両電池ともに、その後の充放電が可能であった。
【００４７】
他方、安全機構を取り付けていない比較例１は、電池電圧は維持されていたが、熱によって活物質が劣化し、また電池の厚みが増加し、電池特性が７０％以下と大幅に劣化していた。
また、比較例２は、電池をオーブンから取り出した後でもバイメタルが動作した状態が維持されたため、電池電圧が１．０Ｖまで過放電されており、その後の充放電は可能であったものの、放電容量が実施例１の５０％以下と大幅に劣化していた。
【００４８】
（その他の事項）
上記実施例では、角型外装缶を備えた二次電池を例として説明したが、円筒型、ラミネート外装体等であってもよい。また、本発明に用いることができる二次電池としては、非水電解質二次電池、ニッケル−カドミウム二次電池（蓄電池）、ニッケル−水素二次電池（蓄電池）等が例示できる。
【００４９】
また、自己復帰型安全機構付き二次電池を複数個直列及び／又は並列に接続した組電池にも本発明を適用することができる。この場合、各二次電池に自己復帰型安全機構が設けられていることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上に説明したように、本発明によれば、二次電池に簡易な自己復帰型安全機構を取り付けることにより、電池温度が異常に上昇した場合の安全性が高く、且つ電池温度が低下した後には当該電池を再度用いることができる。したがって、産業上の利用可能性は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、実施の形態１に係る自己復帰型安全機構の要部拡大図であって、図１（ａ）は通常状態を、図１（ｂ）は電池温度上昇時を示す。
【図２】図２は、実施の形態２に係る自己復帰型安全機構の要部拡大図であって、図２（ａ）は通常状態を、図２（ｂ）は電池温度上昇時を示す。
【図３】図３は、実施例１に係る自己復帰型安全機構付き二次電池の要部拡大図である。
【図４】図４は、実施例２に係る自己復帰型安全機構付き二次電池の要部拡大図である。
【図５】図５は、比較例２に係る自己復帰型安全機構の要部拡大図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  二次電池
２  可動アーム
３  固定接続端子
４  抵抗
５  筐体
【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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