(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非水円筒形充電式リチウム電池であって、
リチウム挿入化合物の陰極と；
リチウム化合物の陽極と；
非水電解質と；
圧作動性電気断路デバイス；とを備え、
前記圧作動性電気断路デバイスは、
通気孔と該通気孔に配置された引き裂きタブとを備えたキャップ；
破裂ディスク；
絶縁ディスク；
ポリプロピレンのガスケットに弾装接続する環状溶接プレート；および
前記電池の内圧が所定の値を超えるときに断路する、破裂ディスクと環状溶接プレートとの間のリベット固定された接触部；
を備え、
前記圧作動性電気断路デバイスは、電流の道筋が電池の直径の約０．２以上の大きさのループを通って流れるようにする、非水円筒形充電式リチウム電池。
【請求項２】
前記電池の内圧が所定の値を超えるときに、前記破裂ディスクはキャップに向かって膨張し、前記環状溶接プレートから離れ、電気的接続を遮断する、請求項１に記載の非水充電式リチウム電池。
【請求項３】
前記電気的接続を遮断するときの圧力が、破断ディスクに施される圧接の程度によって制御される、請求項２に記載の非水充電式リチウム電池。
【請求項４】
前記断路するのに必要とされる以上の圧力により前記破断ディスクが膨張し続けると、前記通気孔に配置された引き裂きタブが前記破断ディスクを捕らえて引き裂いて開ける請求項２に記載の非水充電式リチウム電池。
【請求項５】
前記破裂ディスクと環状溶接プレートとの間のリベット固定された接触部は、破断ディスクが環状溶接プレートの環中心側の突出部に対して破断ディスクをくぼませて接触させることにより形成されたものである請求項１に記載の非水充電式リチウム電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水リチウム充電式電池用の改良ヘッダに関する。改良ヘッダはリベット固定された断路機構を内蔵する。改良ヘッダを通過する電流分布がより効率良く、電池の電気的インピーダンスが従来のヘッダに比べて非常に低減されるので、改良ヘッダは特に高電圧の用途に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
より大きなエネルギー密度を有する充電式電池に対する需要は、リチウム充電式電池に関する多大な研究開発活動をもたらした。リチウムの利用は、高いエネルギー密度、高い電池電圧および長い保管寿命に関連する。
【０００３】
充電式リチウムイオン電池は、多くの家庭用電化製品の用途のための好適な充電式電源である。該電池は、現在利用可能な従来の充電式システム（すなわちＮｉＣｄ電池、ＮｉＭＨ電池または鉛酸電池）の中で最大のエネルギー密度（Ｗｈ／Ｌ）を有する。加えて、リチウムイオン電池の動作電圧はより高いので、上記の他の充電式システムよりも少ない数のセルが直列接続されればよい。従ってリチウムイオン電池は、電動自転車、携帯電動工具およびハイブリッド電気車両のような高出力の用途にとってますます魅力的である。リチウムイオン電池には、活性の陰極材料および陽極材料用の、２つの異なる挿入化合物が使用される。ＬｉＣｏＯ２／グラファイトのシステムに基づいたリチウムイオン電池が現在市販されている。ＬｉＮｉＯ２およびＬｉＭｎ２Ｏ４を含む、多くの他のリチウム遷移金属酸化物の化合物が、陰極材料としての使用に適している。また、コークスおよび非グラファイト系ハードカーボンを含む広範囲の炭素系化合物が、陽極材料としての使用に適している。前述の製品には、ＬｉＢＦ４塩またはＬｉＰＦ６塩と、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの溶媒混合物とを含む、非水電解質が使用されている。この場合も、そのような電池における塩および溶媒の少なくともいずれかの選択について、多様な選択肢が当業界に存在することは周知のことである。
【０００４】
リチウムイオン電池は、ある種の誤用、特に充電の際に正常な動作電圧を上回る過充電の誤用に対して、損傷しやすい可能性がある。過充電の際には、過剰なリチウムが陰極から抽出され、これに対応して陽極にリチウムの過剰な挿入物またはリチウムめっきすら伴う。このことは、両電極を熱的に不安定化する可能性がある。過充電は、入力エネルギーの多くが蓄積されるよりも浪費されるので、電池の加熱をも招く。電池の加熱と同時に熱的安定性の低下が起きると、過充電の際の熱暴走および発火をもたらす可能性がある。多くの製造者は、過充電の誤用に対する防御を備えるべく安全装置を組み込んでいる。例えば、特許文献１および特許文献２にそれぞれ記載されるように、ソニーおよびイーワンモリエナジー（カナダ）リミテッドの現行製品は、過充電の際に電池の内圧が所定の値を越えると作動する内部断路デバイスを内蔵する。
【０００５】
従って、そのような圧作動断路デバイスは、広範囲の正常な動作状態では内圧が所定の値より下に維持されるが過充電の際には内圧が確実に前記の値をこえるような電池の構造に依存する。
【０００６】
図１に表すような従来の円筒形リチウムイオン電池では、陰極箔１０１、陽極箔１０２、およびセパレータとして作用する２枚の微小孔性ポリオレフィンシート１０３をらせん状に巻くことによって、ジェリーロール１０４が形成される。
【０００７】
ジェリーロール１０４は、従来の電池缶１１０に挿入される。ヘッダ１１１およびガスケット１１２は電池１１５を密封するために用いられる。ヘッダ１１１は、特許文献２に示されたものと類似の内部電気断路デバイスと、望ましければ追加の安全装置とを備える。多くの場合、過剰な圧力が電池内に形成されると破裂する安全通気孔が組み込まれる。また、正温度係数（ＰＴＣ）デバイスが、電池のショート回路電流の可能性を制限すべくヘッダ１１１に組み込まれてもよい。ヘッダ１１１の外表面は正端子として用いられ、缶１１０の外表面は負端子としての役割を果たす。
【０００８】
適当な陰極タブ１０６の接続子および陽極タブ１０７の接続子が、内部の電極を外部の端子に接続すべく作成される。適当な絶縁性の部品１０８および１０９が、内部ショートの可能性を防止するべく挿入されてもよい。電池を密閉するためにヘッダ１１１を缶１１０に圧接する前に、電解質１０５がジェリーロール１０４の中の孔の空間を埋めるべく添加される。
【０００９】
図２ａは、図１に表されたのと類似のヘッダの詳細を示す。アセンブリは次の一連のものを備える：通気孔を備えたキャップ１２１、２つのニッケル製のリング１２２、破裂ディスク１２３、位置決め絶縁体１２４、ポリプロピレンのガスケット１１２に弾装接続する溶接プレート１２５。破裂ディスク１２３は溶接プレート１２５の中央にレーザー溶接される。同様に陰極タブが溶接プレート１２５の底面にレーザー溶接される。従って、すべての電流が溶接プレート１２５の中央の小さな接触部分を通って流れなければならず、その結果、充電および放電の際に電池が熱くなる。局在化した高電流密度によって、そのような狭い部分から容易には分散されない熱が発生する可能性があるので、上記のことは高出力のセルにとって望ましくない。そのうえ、従来のヘッダの設計では、断路圧を電流伝達能力から分離することは困難である。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第４，９４３，４９７号明細書
【特許文献２】
カナダ国特許第２，０９９，６５７号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、円筒形リチウム充電式電池のための改良ヘッダである。該ヘッダは、電池のサイクル使用の際に発生する熱がより効率的に分散されるので、特に高出力の用途に有用である。ヘッダアセンブリは、通気孔の上に引き裂きタブを備えたキャップ、破裂ディスク、絶縁体ディスク、およびポリプロピレンのガスケットに弾装接続する環状プレートを備える。破裂ディスクと溶接プレートとの間のレーザー溶接は無くされる。その代わりに、環状溶接プレートが破裂ディスクにリベット固定される。陰極タブまたは複数のタブが、環状溶接プレートへ中央を外して溶接される。
【００１２】
改良点は、環状溶接プレートと破裂ディスクとの間に分配された接触部を通じた、電流伝達能力の増大と、電池の電気的インピーダンスの低下にある。加えて、ヘッダのための部品数が減少し、そのためアセンブリの大量生産が単純になる。
【００１３】
さらに、電気的断路を作動する機構も改良される。従来のヘッダは、図２ｂに示すように、所定の圧力を超えた状態で破裂ディスクの割れ目のある中央部分を破ることにより断路する。改良ヘッダは、図３ｂに示すように破裂ディスクが変形すると断路する。破裂ディスク３がキャップ１に向かって膨張するにつれて、破裂ディスク３は環状溶接プレート５から離れ、電気的接続を遮断する。ヘッダが断路するときの圧力は、破裂ディスク３に施される圧接の程度によって制御される。従って、断路は衝撃や振動によって容易に作動することはない。環状溶接プレート５は、破裂ディスク３が内部の圧力によって変形するまで、定位置にしっかり固定される。従来のヘッダでは、溶接プレートの割れ目のある部分が衝撃や振動による破損に弱い。
【００１４】
本発明の別の利点は、図６に示すような、キャップの通気孔に配置される引き裂きタブ７の追加である。これらは、断路を作動するのに必要とされる以上の過剰な内圧によって破裂ディスクが膨張し続けるとき破裂ディスクを捕らえて引き裂いて開けるように設計された、通気孔の下部の突出部であり、ガスを逃がし、それによって爆発が起こるのを防止する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、非水円筒形充電式リチウム電池であって、リチウム挿入化合物の陰極と；リチウム化合物の陽極と；非水電解質と；圧作動性電気断路デバイス；とを備え、前記圧作動性電気断路デバイスは、通気孔と該通気孔に配置された引き裂きタブとを備えたキャップ；破裂ディスク；絶縁ディスク；ポリプロピレンのガスケットに弾装接続する環状溶接プレート；および前記電池の内圧が所定の値を超えるときに断路する、破裂ディスクと環状溶接プレートとの間のリベット固定された接触部；を備え、前記圧作動性電気断路デバイスは、電流の道筋が電池の直径の約０．２以上の大きさのループを通って流れるようにする、非水円筒形充電式リチウム電池を要旨とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の非水充電式リチウム電池において、前記電池の内圧が所定の値を超えるときに、前記破裂ディスクはキャップに向かって膨張し、前記環状溶接プレートから離れ、電気的接続を遮断することを要旨とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の非水充電式リチウム電池において、前記電気的接続を遮断するときの圧力が、破断ディスクに施される圧接の程度によって制御されることを要旨とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の非水充電式リチウム電池において、前記断路するのに必要とされる以上の圧力により前記破断ディスクが膨張し続けると、前記通気孔に配置された引き裂きタブが前記破断ディスクを捕らえて引き裂いて開けることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の非水充電式リチウム電池において、前記破裂ディスクと環状溶接プレートとの間のリベット固定された接触部は、破断ディスクが環状溶接プレートの環中心側の突出部に対して破断ディスクをくぼませて接触させることにより形成されたものであることを要旨とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、充電式リチウム電池用の改良ヘッダの設計に関する。改良点は、溶接プレートと破裂ディスクとの間の接触部を通る、電流伝達能力の増大、およびセルの電気的インピーダンスの低下にある。加えて、ヘッダのための部品の数が減少し、そのためアセンブリの大量生産が単純になる。本発明のヘッダの設計は、特に高出力の用途に有用である。
【００２０】
充電式リチウム電池の典型的な構造を、図１に示す従来のらせん状に巻いた電池の断面図に表す。
【００２１】
陰極箔は、リチウム遷移金属酸化物のような適当な粉末状（通常約１０マイクロメートルの大きさ）の陰極材料、結合剤、および導電性希釈剤の混合物を薄いアルミニウム箔に塗布することによって作製される。通常、上記の塗布の方法は、第１に、結合剤を適当な液状の担体に溶解することを要する。次いで、他の粉末固体状の構成要素を加えた上記溶液を用いて、スラリーが作製される。次に、スラリーが基材の箔の上に均一にコーティングされる。その後、担体溶媒が蒸発乾固されて除かれる。ほとんどの場合、アルミニウム箔の基材の両面がこの方法でコーティングされ、続いて陰極箔がカレンダ加工される。
【００２２】
陽極箔は、粉末状（これも通常約１０マイクロメートルの大きさ）の炭素系の挿入化合物が陰極材料のかわりに使用され、薄い銅箔がアルミニウムのかわりに通常使用されることを除いて、類似の方法で作製される。陽極箔が常に陰極箔に向かい合うことを確実にするために、陽極箔は、通常陰極箔よりもわずかに幅が広い。ジェリーロール１０４が従来の電池缶１１０に挿入される。ヘッダ１１１およびガスケット１１２が電池１１５を密封するために使用される。ヘッダ１１１は、特許文献２に示されたものに類似の内部電気断路デバイスと、望ましければ追加の安全装置とを備える。多くの場合、過剰な圧力が電池内に形成されると破裂する安全通気孔が組み込まれる。また、正温度係数（ＰＴＣ）デバイスが、電池のショート回路電流の可能性を制限すべくヘッダ１１１に組み込まれてもよい。ヘッダ１１１の外表面は正端子として用いられ、缶１１０の外表面は負端子としての役割を果たす。
【００２３】
適当な陰極タブ１０６の接続子および陽極タブ１０７の接続子が、内部の電極を外部の端子に接続すべく作成される。適当な絶縁性の部品１０８および１０９が、内部ショートの可能性を防止するべく挿入されてもよい。電池を密閉するためにヘッダ１１１を缶１１０に圧接する前に、電解質１０５がジェリーロール１０４の中の孔の空間を埋めるべく添加される。
【００２４】
ジェリーロールの他の構造も可能であるが、出願人はヘッダの設計について論じている。従って、この点から先の全ての言及は厳密にヘッダの設計に関するものである。
【００２５】
図２ａは、図１に表されたのと類似のヘッダの詳細を示す。アセンブリは次の一連のものを備える：通気孔を備えたキャップ１２１、２つのニッケル製のリング１２２、破裂ディスク１２３、位置決め絶縁体１２４、留め具がポリプロピレンのガスケット１１２に適合する溶接プレート１２５。破裂ディスク１２３は溶接プレート１２５の中央にレーザー溶接される。同様に陰極タブが溶接プレート１２５の底面にレーザー溶接される。従って、すべての電流が溶接プレート１２５の中央の小さな接触部分を流れなければならず、その結果、充電および放電の際に電池が熱くなる。局在化した高電流密度によって、そのような狭い部分から容易には分散されない熱が発生する可能性があるので、上記のことは高出力のセルにとって望ましくない。
【００２６】
従来のヘッダの構造では、破裂ディスクを溶接プレートにレーザー溶接で接続する部位近くの小さな部分を通って電流が流れるようになっている。これは、図４に示されるように、直径ｄの狭いループを通る（Ｉと付された太線で示されるような）電流フローの道筋の狭窄部分として図解可能である。Ｄを電池の直径とすれば、比ｄ／Ｄは、従来のヘッダについては約０．１より小さい。局在化した高電流密度によって、そのような狭い部分から容易には分散されない熱が発生する可能性があるので、上記のことは高出力のセルにとって望ましくない。
【００２７】
図３ａは、円筒形リチウム電池用の改良ヘッダの断面を示す。改良ヘッダのアセンブリは次の一連のものを備える：通気孔の上に引き裂きタブを備えたキャップ１、破裂ディスク３、非融解性絶縁体ディスク４、ポリプロピレンのガスケット２に適合する環状溶接プレート５。破裂ディスク３および環状溶接プレート５は、低インピーダンスの接触部を作るべくともにリベット固定される。リベット固定の際、破裂ディスク３の材料は、環状溶接プレート５の突出部によって支持されてリベット打ち抜き機によって広げられる。これは、図３ａおよび図３ｂに破裂ディスク３の上のくぼみとして表されている。その結果、電流経路の長さが短縮され、特に環状溶接プレート５と破裂ディスク３との間の接触部において、電流密度が低減される。リベット固定の接触部の面積は、実質的に、環状溶接プレート５の内周にその時の溶接プレート５の厚みを乗じたものであり、従来のヘッダのようなレーザー溶接部の断面部分よりもずっと大きい。従って、インピーダンスは概して従来のヘッダよりも低い。
【００２８】
図３ｂは、本発明の断路されたヘッダを示す。改良ヘッダの設計は、破裂ディスク３が異常な充電状態の間に変形するとき、つまり電池内側の内圧が破裂ディスクの所定の圧力を超えて上昇すると断路する。破裂ディスク３がキャップ１に向かって膨張するにつれて、破裂ディスク３は環状溶接プレート５から離れ、電気的接続を遮断する。ヘッダが断路するときの圧力は、破裂ディスク３に施される圧接の程度によって制御される。加えて、環状溶接プレート５は破裂ディスク３が内圧によって変形するまで定位置にしっかり固定され、従って、断路は衝撃や振動によって容易に作動することはない。
【００２９】
改良ヘッダ構造は、電流フローが比較的広い範囲に広がるように、環状溶接プレートの全周に沿って分配された接触部を有する。このことは、直径ｄのループを通る、（Ｉと付された太線で示されるような）電流フローの道筋の最も狭い狭窄部分によって図５に図解される。
【００３０】
なお、ｄ／Ｄ（Ｄは電池の直径）は下限が約０．２以上であり、かつｄの上限は当然Ｄよりも小さい。つまりｄ／Ｄは約０．２以上１未満、例えば図５では約０．４である。好ましくは、ｄ／Ｄは約０．２〜約０．８である。
【００３１】
本発明の別の利点は、図６に示すような、キャップに配置される通気孔の上の引き裂きタブである。引き裂きタブ７は、破裂ディスクが異常な条件下で発生した過剰なガス圧によって変形するとその場所で裂けるであろう、硬い支持突出部を提供する。タブ７は都合よく通気孔の位置に配置されるので、破裂ディスクが破られて開くときにガスが逃げるための、直通で障害物のない通路が提供される。
【００３２】
当業者には上記の開示に照らして明らかなように、多くの変更形態および修正形態が、本発明の趣旨または範囲から離れることなく、本発明の実施において可能である。従って本発明の範囲は、請求項によって定義される内容に関して解釈されるべきである。
【００３３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、リチウムイオン電池において、過充電の際の熱暴走および発火の可能性が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の円筒形のらせん状に巻いたリチウム電池の一実施形態の断面図。
【図２】（ａ）円筒形リチウム電池用の従来のヘッダの断面図、（ｂ）電池が断路された後の、円筒形リチウム電池用の従来のヘッダの断面図。
【図３】（ａ）円筒形リチウム電池用の改良ヘッダの断面図、（ｂ）電池が断路された後の、円筒形リチウム電池用の改良ヘッダの断面図。
【図４】電流フローＩを表す、円筒形リチウム電池用の従来のヘッダの断面図。
【図５】電流フローＩを表す、円筒形リチウム電池用の改良ヘッダの断面図。
【図６】改良ヘッダのキャップの説明図。
【符号の説明】
１…キャップ、２…ガスケット、３…破裂ディスク、４…絶縁体ディスク、５…環状溶接プレート、７…引き裂きタブ。
【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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