(57)【要約】【課題】電池が異常に発熱した際に電流を瞬時に遮断する。【解決手段】接続板９ａおよび接続板９ｂを対向するように配置し、接続板９ａの内周側端部が接続板９ｂの内周側端部に接近するようになされ、接触部を形成する。そして、所定の温度で膨張する熱膨張樹脂７を、接続板９ａおよび接続板９ｂの間隙の内周側に配置するとともに、熱膨張樹脂７と比べて熱膨張率が小さい非膨張樹脂８を熱膨張樹脂７よりも外周側に配置する。膨張時には、熱膨張樹脂７が径方向に膨張し、接続板９ａおよび接続板９ｂのうち少なくとも一方の接続板が接触部から外側に向かって分離する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部と電気的に接続するための第１の接続板および第２の接続板を備え、
上記第１の接続板と上記第２の接続板との対向間隙には、上記第１の接続板の一縁端部と、該一縁端部に対向する上記第２の接続板の一縁端部との対向間隙側に第１の樹脂部材が配設され、且つ、上記第１の接続板の上記一縁端部と逆側の逆縁端部と、該逆縁端部に対向する上記第２の接続板の逆縁端部との対向間隙には、上記第１の樹脂部材よりも熱膨張率が小なる第２の樹脂部材が配設され、
上記第１の接続板の上記一縁端部および上記第２の接続板の上記一縁端部のうちの少なくとも一方には、他方へ向けて形成され該他方の上記一縁端部に接触して接点を形成する接触部が、上記第１の樹脂部材の熱膨張時に上記他方と離間可能に形成されている
ことを特徴とする電流遮断機構。
【請求項２】
請求項１に記載の電流遮断機構において、
上記接触部は、
上記第１の接続板または上記第２の接続板のうち少なくとも一方の接続板の縁端部が折り曲げられて形成されている
ことを特徴とする電流遮断機構。
【請求項３】
請求項２に記載の電流遮断機構において、
上記第１の接続板および上記第２の接続板は、リング状をしており、
折曲され上記接触部が形成される上記縁端部は、上記第１の接続板および上記第２の接続板のうち少なくとも一方の内周縁部である
ことを特徴とする電流遮断機構。
【請求項４】
請求項１に記載の電流遮断機構において、
上記第１の樹脂部材は、
所定の温度で膨張する熱膨張性材料と絶縁性材料とを混合して生成される
ことを特徴とする電流遮断機構。
【請求項５】
請求項４に記載の電流遮断機構において、
上記熱膨張性材料は、
熱可塑性樹脂のカプセルに低沸点溶液を充填した熱膨張性マイクロカプセルである
ことを特徴とする電流遮断機構。
【請求項６】
外装体に収容された電池素子と、電流遮断機構を有する電池において、
上記電流遮断機構は、
上記電池素子と外部端子との間において互いに対向して介在配置される第１の接続板および第２の接続板を備え、
上記第１の接続板と上記第２の接続板との対向間隙には、上記第１の接続板の一縁端部と、該一縁端部に対向する上記第２の接続板の一縁端部との対向間隙側に第１の樹脂部材が配設され、且つ、上記第１の接続板の上記一縁端部と逆側の逆縁端部と、該逆縁端部に対向する上記第２の接続板の逆縁端部との対向間隙には、上記第１の樹脂部材よりも熱膨張率が小なる第２の樹脂部材が配設され、
上記第１の接続板の上記一縁端部および上記第２の接続板の上記一縁端部のうちの少なくとも一方には、他方へ向けて形成され該他方の上記一縁端部に接触して接点を形成する接触部が、上記第１の樹脂部材の熱膨張時に上記他方と離間可能に形成されている
ことを特徴とする電池。
【請求項７】
請求項６に記載の電池において、
上記外装体は、金属缶であることを特徴とする電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電池が異常発熱を起こした際に電流を遮断する電流遮断機構およびこの電流遮断機構を備える電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、ＰＤＡ(Personal Digital Assistants)等の携帯型電子機器が普及し、電源として高電圧、高エネルギー密度、軽量といった利点を有するリチウムイオン電池が広く使用されている。
【０００３】
さらに、液系電解液を用いた場合に問題となる液漏れの対策として、例えば電解質として、ポリマーに非水電解液を含浸させてなるゲル状高分子膜を用いたもの、或いは全固体状の電解質を用いた、リチウムイオンポリマー二次電池が実用化されている。
【０００４】
リチウムイオン電池やリチウムイオンポリマー二次電池は、電池の異常な発熱により、破裂したり発火したりするおそれがある。そこで、これらの電池には、破裂や発火を防止するため、電池が異常発熱したときに電流負荷を低減させるための電流遮断機構が設けられている。電池の電流遮断機構には、通常、ＰＴＣ素子（熱感抵抗素子：Positive Temperature Coefficient）が用いられ、電池の温度が設定温度と比べて高くなると電気抵抗が急激に高くなり、電池に流れる電流を実質的に遮断する。
【０００５】
下記の特許文献１には、上述の電流遮断機構をより簡単な構成とするために、所定の温度で発泡する発泡剤を含んだ絶縁層を用いた電流遮断機構について記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１９７２６０号公報
【０００７】
特許文献１に記載の電流遮断機構は、互いに重なるように配置した２枚の接続板のうちの一方を例えば凸状に折り曲げ、両接続板が重なっている中間部を接触させるとともに、所定の温度で発泡する発泡層を含んだ絶縁層を接続面の両側に設けるようにしている。そして、電池の異常発熱時には、発泡層が発泡し、絶縁層の厚みが変化することによって接続面を分離させ、電流を遮断することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の電流遮断機構では、接続板に対して垂直に圧力がかかってしまっているため、発泡層における膨張力が接続板に対して垂直な方向に集中せず、接続板と平行な方向に逃げてしまう。そのため、十分に膨張力を生かして接続板を分離させることができないという問題点があった。
【０００９】
また、接続面の両端に発泡層を設ける場合、接続面の接着強度が十分に得られないために所定の圧力を得ることが困難であり、通常使用時に接続面における抵抗が増大してしまうという問題点があった。
【００１０】
従って、この発明の目的は、電池が異常に発熱した際に電流を瞬時に遮断することができる電流遮断機構および電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、外部と電気的に接続するための第１の接続板および第２の接続板を備え、第１の接続板と第２の接続板との対向間隙には、第１の接続板の一縁端部と、一縁端部に対向する第２の接続板の一縁端部との対向間隙側に第１の樹脂部材が配設され、且つ、第１の接続板の一縁端部と逆側の逆縁端部と、逆縁端部に対向する第２の接続板の逆縁端部との対向間隙には、第１の樹脂部材よりも熱膨張率が小なる第２の樹脂部材が配設され、第１の接続板の一縁端部および第２の接続板の一縁端部のうちの少なくとも一方には、他方へ向けて形成され他方の一縁端部に接触して接点を形成する接触部が、第１の樹脂部材の熱膨張時に他方と離間可能に形成されていることを特徴とする電流遮断機構である。
【００１２】
また、第２の発明は、外装体に収容された電池素子と、電流遮断機構を有する電池において、電流遮断機構は、電池素子と外部端子との間において互いに対向して介在配置される第１の接続板および第２の接続板を備え、第１の接続板と第２の接続板との対向間隙には、第１の接続板の一縁端部と、一縁端部に対向する第２の接続板の一縁端部との対向間隙側に第１の樹脂部材が配設され、且つ、第１の接続板の一縁端部と逆側の逆縁端部と、逆縁端部に対向する第２の接続板の逆縁端部との対向間隙には、第１の樹脂部材よりも熱膨張率が小なる第２の樹脂部材が配設され、第１の接続板の一縁端部および第２の接続板の一縁端部のうちの少なくとも一方には、他方へ向けて形成され他方の一縁端部に接触して接点を形成する接触部が、第１の樹脂部材の熱膨張時に他方と離間可能に形成されていることを特徴とする電池である。
【００１３】
上述したように、第１および第２の発明は、第１および第２の接続板のうち少なくとも一方の一縁端部が他方の一縁端部に接近することによって接触部を形成し、第１の樹脂部材が第１および第２の接続板に挟み込まれるように配置されることにより、接続板に対して垂直に圧力がかかっていても、第１の樹脂部材が接触部方向に膨張して第１および第２の接続板の接触部を分離させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明は、熱膨張樹脂が膨張することにより、電池素子と正極端子板との電気的接続を切断するようにしているため、異常な発熱時に電流を瞬時に遮断することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の一形態について、図面を参照して説明する。図１は、この発明の実施の一形態によるリチウムイオン二次電池の断面図である。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶１の内部に、帯状の正極１１と負極１２とがセパレータ１５（１５ａ，１５ｂ）を介して巻回された電池素子１０を有している。電池缶１は、例えばニッケルめっきが施された鉄により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶１の内部には、電池素子１０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板２ａ，２ｂがそれぞれ配置されている。
【００１６】
電池缶１の材料としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）等が挙げられる。この電池缶１には、電池の充放電に伴う電気化学的な非水電解液による腐食を防止するために、メッキ等が施されていても良い。電池缶１の開放端部には、正極端子板３と、この正極端子板３の内側に設けられた安全弁機構４および電流遮断機構５とが、絶縁封口ガスケット６を介してかしめられることにより取り付けられている。正極端子板３は、例えば電池缶１と同様の材料により構成されている。安全弁機構４は、電流遮断機構５を介して正極端子板３と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板４ａが反転して正極端子板３と電池素子１０との電気的接続を切断するようになっている。電流遮断機構５は、温度が上昇した際に、正極端子板３と電池素子１０との電気的接続を切断することによって電流を遮断し、過大電流による異常な発熱を防止する。絶縁封口ガスケット６は、例えば絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
【００１７】
電池素子１０は、センターピン１６を中心に巻回されている。電池素子１０の正極１１には正極端子１３が接続されており、負極１２には負極端子１４が接続されている。正極端子１３は安全弁機構４に溶接されることにより正極端子板３と電気的に接続されており、負極端子１４は電池缶１に溶接され電気的に接続されている。
【００１８】
以下、電池缶１に収容された電池素子１０の構成について説明する。
【００１９】
［正極］
正極１１は、正極活物質を含有する正極活物質層１１ａが、正極集電体１１ｂの両面上に形成されたものである。正極集電体１１ｂは、例えばアルミニウム（Ａｌ）箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
【００２０】
正極活物質層１１ａは、例えば正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。正極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。
【００２１】
正極活物質としては、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な公知の正極活物質材料を用いることができ、目的とする電池の種類に応じて、金属酸化物、金属硫化物または特定の高分子を用いることができる。例えば、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＮｂＳｅ２、Ｖ２Ｏ５等のリチウムを含有しない金属硫化物あるいは金属酸化物や、ＬｉｘＭＯ２またはＬｉｘＭ２Ｏ４（式中、Ｍは１種以上の遷移金属を表し、ｘは電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５≦ｘ≦１．１０である。）を主体とする、リチウム複合酸化物またはリチウムを含んだ層間化合物が用いられる。これらを構成する遷移金属としては、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）のうち少なくとも１種類が選択される。
【００２２】
このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉｙＣｏ１−ｙＯ２（式中、ｘ、ｙは電池の充放電状態によって異なり、通常０＜ｘ≦１．２、０．７＜ｚ＜１．０２である。）あるいはＬｉＭｎ２Ｏ４等が挙げられる。このようなリチウム複合酸化物は正極活物質として用いることにより高電圧を発生させることができ、エネルギー密度に優れるため、特に好ましい材料である。
【００２３】
また、ＬｉａＭＸｂ（式中、Ｍは上述の遷移金属から選ばれる１種であり、ＸはＳ、Ｓｅ、ＰＯ４から選ばれ、ａ、ｂは整数である。）を用いることもできる。
【００２４】
なお、正極活物質材料としては、上述の正極活物質を複数種混合して用いることもできる。
【００２５】
導電剤としては、正極活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限はないが、例えばカーボンブラックあるいはグラファイトなどの炭素材料等が用いられる。また、結着剤としては、通常この種の電池の正極合剤に用いられている公知の結着剤を用いることができるが、好ましくはポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂が用いられる。また、溶剤としては、電極材料に対して不活性であり、かつ結着剤を溶解し得るものであれば特に限定はなく、無機溶剤、有機溶剤のいずれも用いることができるが、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等が用いられる。
【００２６】
上述の正極活物質、結着剤、導電剤を均一に混合して正極合剤とし、この正極合剤を溶剤中に分散させ、必要に応じてボールミル、サンドミル、二軸混練機等によりスラリー状にする。次いで、このスラリーをドクターブレード法等により正極集電体の両面に均一に塗布する。さらに、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより正極活物質層が形成される。
【００２７】
なお、塗布装置については特に限定されず、スライドコーティングやエクストルージョン型のダイコーティング、リバースロール、グラビア、ナイフコーター、キスコーター、マイクログラビア、ロッドコーター、ブレードコーターなどが使用できる。また、乾燥方法についても特に制限はないが、放置乾燥、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、遠赤外線加熱機などが使用できる。
【００２８】
正極１１の一端部には、スポット溶接または超音波溶接で接続された１本の正極端子１３が溶着される。この正極端子１３は金属箔、網目状のものが望ましいが、電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。正極端子１３の材料としては、例えばＡｌ等が挙げられる。正極端子１３は、正極１１の端部に設けられた正極集電体露出部に溶着されるようにする。
【００２９】
［負極］
負極１２は、負極活物質を含有する負極活物質層１２ａが、負極集電体１２ｂの両面上に形成されたものである。負極集電体１２ｂは、例えば銅箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
【００３０】
負極活物質層１２ａは、例えば負極活物質と、必要であれば導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。負極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、正極活物質と同様に、その混合比は問わない。
【００３１】
負極活物質としては、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料、結晶質、非結晶質金属酸化物が用いられる。具体的に、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としては、グラファイト、難黒鉛化性炭素材料、易黒鉛化性炭素材料、結晶構造が発達した高結晶性炭素材料等が挙げられる。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス）、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭等の炭素材料あるいはポリアセチレン等のポリマー等を使用することができる。
【００３２】
また、他の負極活物質材料として、リチウムと合金を形成可能な金属、またはこのような金属の合金化合物が挙げられる。ここで言う合金化合物とは、具体的にはリチウムと合金を形成可能なある金属元素をＭとしたとき、ＭｐＭ’ｑＬｉｒ（式中、Ｍ’はＬｉ元素およびＭ元素以外の１つ以上の金属元素である。また、ｐは０より大きい数値であり、ｑ，ｒは０以上の数値である。）で表される化合物である。さらに、この発明では半導体元素であるＢ，Ｓｉ，Ａｓ等の元素も金属元素に含めることとする、具体的には、マグネシウム（Ｍｇ），ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），ケイ素（Ｓｉ），ゲルマニウム（Ｇｅ），スズ（Ｓｎ），鉛（Ｐｂ），アンチモン（Ｓｂ），ビスマス（Ｂｉ），カドミウム（Ｃｄ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）の各金属とそれらの合金化合物、すなわち、例えばＬｉ−Ａｌ，Ｌｉ−Ａｌ−Ｍ（式中、Ｍは２Ａ族、３Ｂ族、４Ｂ族遷移金属元素のうち１つ以上からなる。）、ＡｌＳｂ、ＣｕＭｇＳｂ等が挙げられる。
【００３３】
上述したような元素の中でも、リチウムと合金形成可能な元素としては３Ｂ族典型元素を用いるのが好ましい。中でも、ＳｉやＳｎ等の元素またはその合金を用いるのが好ましく、さらにＳｉまたはＳｉ合金が特に好適である。Ｓｉ合金またはＳｎ合金として具体的には、ＭｘＳｉ、ＭｘＳｎ（式中、ＭはＳｉまたはＳｎを除く１つ以上の金属元素である。）で表される化合物で、具体的にはＳｉＢ４、ＳｉＢ６、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｓｎ、Ｎｉ２Ｓｉ、ＴｉＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＣａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、Ｃｕ５Ｓｉ、ＦｅＳｉ２、ＭｎＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＴａＳｉ２、ＶＳｉ２、ＷＳｉ２、ＺｎＳｉ２等が挙げられる。
【００３４】
さらに、１つ以上の非金属元素を含む、炭素を除く４Ｂ族化合物もこの発明の負極材料として利用することができる。負極材料中には、２種類以上の４Ｂ族元素が含まれていても良い。また、リチウムを含む４Ｂ族以外の金属元素が含まれていても良い。例示するならばＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ２Ｎ２Ｏ、Ｇｅ２Ｎ２Ｏ、ＳｉＯｘ(０＜ｘ≦２)、ＳＮＯｘ(０＜ｘ≦２)、ＬｉＳｉＯ、ＬｉＳＮＯ等である。
【００３５】
結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム等が用いられる。また、溶剤としては、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン、メチルエチルケトン等が用いられる。
【００３６】
上述の負極活物質、結着剤、導電剤を均一に混合して負極合剤とし、溶剤中に分散させてスラリー状にする。このとき、正極合剤の場合と同様にボールミル、サンドミル、二軸混練機等を用いてもよい。次いで、このスラリーをドクターブレード法等により負極集電体の両面に均一に塗布する。さらに、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより負極活物質層が形成される。
【００３７】
負極１２の一端部には、スポット溶接または超音波溶接で接続された１本の負極端子１４を有している。この負極端子１４は電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。負極端子１４の材料としては、例えば銅、ニッケル等が挙げられる。正極端子溶接部分と同様に、負極端子１４は、負極１２の端部に設けられた負極集電体露出部に溶着されるようにする。
【００３８】
［電解質］
電解質としては、非水溶媒に電解質塩が溶解された非水電解液、電解質塩を含有させた固体電解質、有機高分子に非水溶媒と電解質塩を含浸させたゲル状電解質のいずれも用いることができる。
【００３９】
非水電解液は、非水溶媒と電解質塩とを適宜組み合わせて調整されるが、これら有機溶媒は、この種の電池に一般的に使用される材料であればいずれも使用可能である。非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、絡酸エステルあるいはプロピオン酸エステル等が好ましく、これらのうちのいずれか１種または２種以上を混合して用いることができる。
【００４０】
電解質塩としては、上記非水溶媒に溶解するものが用いられ、カチオンとアニオンが組み合わされてなる。カチオンにはアルカリ金属やアルカリ土類金属が用いられ、アニオンには、Ｃｌ−、Ｂｒ−、Ｉ−、ＳＣＮ−、ＣｌＯ４−、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−等が用いられる。具体的には、例えばＬｉＣｌ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＬｉＢｒ、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、Ｎ（ＣｎＦ２ｎ＋１ＳＯ２）２Ｌｉなどがあり、これらのうちのいずれか１種または２種以上が混合して用いられている。中でも、ＬｉＰＦ６を主として用いることが好ましい。また、電解質塩濃度としては、上記非水溶媒に溶解することができる濃度であれば問題ないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して０．４ｍｏｌ／ｋｇ以上、２．０ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲であることが好ましい。
【００４１】
固体電解質としては、リチウムイオン導電性を有する材料であれば無機固体電解質、高分子固体電解質いずれも用いることができる。具体的に、無機固体電解質としては、窒化リチウム、ヨウ化リチウムが挙げられる。また、高分子固体電解質は電解質塩と電解質塩を溶解する高分子化合物からなり、高分子化合物としてはポリ（エチレンオキサイド）や同架橋体等のエーテル系高分子、ポリ（メタクリレート）エステル系、アクリレート系などを単独あるいは分子中に共重合、または混合して用いる。
【００４２】
ゲル状電解質のマトリックスポリマとしては、上述の非水電解液を吸収してゲル状化するものであれば種々の高分子を用いることができる。例えば、ポリ（ビニリデンフルオロライド）やポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）などのフッ素系高分子、ポリ（エチレンオキサイド）や同架橋体などのエーテル系高分子、またポリ（アクリロニトリル）などを使用できる。特に酸化還元安定性から、フッ素系高分子を用いることが望ましい。電解質塩を含有させることによりイオン導電性を賦与する。
【００４３】
また、導電性高分子化合物の単体あるいは混合物を含有する高分子固体電解質や、膨潤溶媒を含有するゲル状電解質を用いてもよい。高分子固体電解質やゲル状電解質に含有される導電性高分子化合物としては電解液に相溶するものであり、具体的にシリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリフォスファゼン変性ポリマー、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマー、およびこれらの複合ポリマーや架橋ポリマー、変性ポリマー等が使用可能である。フッ素系ポリマーとしては、例えばポリ（ビニリデンフルオライド）、ポリ（ビニリデンフルオライド−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−トリフルオロエチレン），或いはポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−テトラフルオロエチレン）等の高分子材料、およびこれらの混合物が使用される。
【００４４】
［セパレータ］
セパレータは、例えばポリプロピレン（ＰＰ）あるいはポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリエチレン、ポリプロピレンの多孔質フィルムが最も有効である。
【００４５】
一般的にセパレータの厚みは５〜５０μｍが好適に使用可能であるが、７〜３０μｍがより好ましい。セパレータは、厚すぎると活物質の充填量が低下して電池容量が低下するとともに、イオン伝導性が低下して電流特性が低下する。逆に薄すぎると、膜の機械的強度が低下する。
【００４６】
［電池素子の作製］
上述のような正極１１および負極１２を、正極１１、セパレータ１５ａ、負極１２、セパレータ１５ｂの順に積層し、巻回して電池素子１０とする。このとき、正極１１および負極１２にそれぞれ設けた集電体露出部が対向した集電体対向面を設けるようにして積層し、電池素子の最外周部、最内周部および中間層部において集電体対向面が１周以上となるように構成する。固体状あるいはゲル状の電解質を用いる場合は、電解質溶液を正極１１および負極１２の表面に均一に塗布し、常温もしくは高温雰囲気下で乾燥させ、溶媒を気化・除去して電解質層を形成する。その後セパレータとともに積層して巻回し、電池素子とする。
【００４７】
次いで、上述の電池素子１０を電池缶１に収容する。このとき、電池素子１０の巻回面の負極端子導出側が、絶縁性樹脂により作製された絶縁板２ａで覆われるようにして収容する。この後、一方の電極棒を電池素子巻回中心部から挿入し、もう一方の電極棒を電池缶底面外側に配置して抵抗溶接を行い、負極端子を電池缶に溶接する。
【００４８】
負極端子１４と電池缶１とを溶接後、センターピン１６を挿入し、電池缶開放端部に位置する巻回面部分にも絶縁板２ｂを配置して電解液を注液する。さらに、内側に安全弁機構４および電流遮断機構５を設けた正極端子板３に正極端子１３を接続するとともに、この正極端子板３が絶縁封口ガスケット６を介してかしめられることにより取り付けられ、電池缶１の内部が密閉される。
【００４９】
なお、正極端子は製造工程上、ある程度の長さを持ったものを用いる必要がある。これは、あらかじめ正極端子１３を正極端子板３に設けられた安全弁機構４に接続してから電池缶の開放端部を密閉するためであり、正極端子１３が短いほど正極端子１３と正極端子板３の接続が困難になる。このため、正極端子１３が電池内部で略Ｕ字状に屈曲して収容される。
【００５０】
次に、この発明の実施の一形態による電流遮断機構５の一例の構成について、図面を参照して詳細に説明する。図２は、この発明の実施の一形態による電流遮断機構５の層構成を示す。また、図３は、この発明の実施の一形態による電流遮断機構５の断面図である。電流遮断機構５は、第１の樹脂部材である熱膨張樹脂７、第２の樹脂部材である非膨張樹脂８、接続板９ａおよび接続板９ｂで構成される。
【００５１】
接続板９ａおよび接続板９ｂは、例えば、ニッケル箔により構成される。接続板９ａは、正極端子板３に接触するように配置され、接続板９ａと正極端子板３とが電気的に接続される。また、接続板９ｂは、安全弁機構４に接触するように配置され、接続板９ｂと安全弁機構４とが電気的に接続される。
【００５２】
なお、円筒型電池の場合、電池内圧が上昇するとディスク板４ａが反転して正極端子板３と電池素子１０との電気的接続を切断する構造になっている。そのため、電流遮断機構５の形状は、ディスク板４ａの反転の妨げとならないように図２に示すようなリング状であると好ましい。
【００５３】
さらに、接続板９ａは、一方の端部が対向する接続板９ｂの一方の端部に接近するように形成されており、接続板９ａ側の面と、接続板９ｂの一方の端部とが接する。円筒型電池の場合、電流遮断機構５は、外周側をかしめることによって固定されるため、接続板９ａ側の面と接続板９ｂの内周側の端部とが図３の部分２０に示すように接するようにする。こうすることにより、接続板９ａと接続板９ｂとが電気的に接続され、正極端子板３と安全弁機構４との間を電流が流れる。
【００５４】
熱膨張樹脂７は、例えば絶縁材料により構成され、所定の温度で体積が急激に増加する粒子と樹脂とを混合した樹脂成型品あるいは塗装膜である。このような粒子と樹脂とを混合した熱膨張樹脂７としては、通常、所定の温度で体積が２倍以上に膨張する樹脂を用いることができる。より具体的には、熱膨張樹脂７は、例えば２３℃に対する１４５℃における膨張率が２００％以上となる樹脂である。
【００５５】
温度に応じて体積が増加する粒子としては、例えば、樹脂薄膜フィルムなどの熱可塑性樹脂で作製した微小なカプセル内に低沸点溶液を充填した熱膨張性マイクロカプセルを用いることができる。この熱膨張性マイクロカプセルは、例えば、８０℃以上の温度で体積が１０倍程度に膨張するといった特性を有する。熱膨張性マイクロカプセルとしては、例えば、松本油脂製薬株式会社製の「マツモトマイクロスフェアー  Ｆ−３０」を用いることができる。この熱膨張性マイクロカプセルを、例えば、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）および水と混合させ、乾燥および硬化させたものが熱膨張樹脂７として用いられる。
【００５６】
熱膨張樹脂７は、接続板９ａおよび接続板９ｂの間に挟み込まれるようにして、両接続板間の間隙の内周側に配置される。例えば、この熱膨張樹脂７を接続板９ａまたは接続板９ｂのどちらか一方の接続板の、他方の接続板側の面の内周側に塗布し、乾燥させて硬化させた後、所定の厚みに成型する。
【００５７】
非膨張樹脂８は、例えば絶縁材料により構成される。非膨張樹脂８は、温度が上昇するにしたがって体積が僅かに増加することが考えられるが、その熱膨張率は熱膨張樹脂７と比べて極めて小さい樹脂である。非膨張樹脂８の熱膨張率は、通常、１０−６／℃程度であるが、このような殆ど膨張しない樹脂部材に限られず、例えば２３℃に対する１４５℃における膨張率が１１０％程度となる樹脂部材を用いることも可能である。このような非膨張樹脂８の具体的な例としては、ＰＰ（ポリプロピレン）などが挙げられる。
【００５８】
なお、非膨張樹脂８としては、上述の例に限られず、例えば電池使用温度での耐熱性に優れ、熱膨張率が上述の例と同様に、例えば２３℃に対する１４５℃における膨張率が１１０％以下となる樹脂部材であれば、いずれも使用可能である。
【００５９】
非膨張樹脂８は、接続板９ａおよび接続板９ｂの間に挟み込まれるようにして、両接続板間の間隙に配置された熱膨張樹脂７の外周側に配置される。例えば、別工程において、この非膨張樹脂８からなるシートやフィルムを所定の大きさのリング状に予め成型しておき、接続板９ａおよび接続板９ｂの間に挟み込むように配置する。
【００６０】
なお、熱膨張樹脂７を両接続板間に配置する方法は、この例に限られない。例えば、別工程において、熱膨張樹脂７を予めシート状に成型しておき、両接続板間に挟み込むように配置してもよい。
【００６１】
また、非膨張樹脂８を両接続板間に配置する方法は、例えば、非膨張樹脂８を接続板９ａまたは接続板９ｂのどちらか一方の接続板の、他方の接続板側の面の外周側に塗布し、乾燥させて硬化させた後、所定の厚みに成型するようにしてもよい。
【００６２】
また、例えば、接続板９ｂの内周側を接続板９ａ側に折り曲げ、接続板９ｂにおける接続板９ａ側の面と、接続板９ａの内周側の端部とを接触させ、電気的に接続するようにしてもよい。
【００６３】
次に、この発明の実施の一形態による電流遮断機構５の動作について、図４を参照して詳細に説明する。過大電流が流れていない通常動作の場合は、図４Ａに示すように、接続板９ａおよび接続板９ｂが接しており、電池素子１０と正極端子板３とが電気的に接続され、電流が流れている。
【００６４】
接続板９ａと接続板９ｂとが接する部分は、リング状の非常に小さい面積で接触しているため、電流遮断機構５に過大電流が流れると、接点において電流が流れることによる発熱が瞬時に起こる。そして、この発熱により、接点部分の温度が所定の温度を超えると、接点付近の熱膨張樹脂７が熱に反応して膨張する。この時、熱膨張樹脂７は、様々な方向に膨張しようとするが、電流遮断機構５がかしめられて固定されていることによって接続板９ａおよび９ｂの上下方向から圧力がかかっているため、熱膨張樹脂７は、上下方向には膨張せず、水平方向、特に外周側から内周側への方向に膨張する。
【００６５】
熱膨張樹脂７が膨張すると、図４Ｂに示すように、接続板９ａの内周側付近が熱膨張樹脂７の膨張により上へ押し上げられるようにして接点から離れ、電池素子１０から正極端子板３側への電流が遮断される。このように、過大電流が流れる場合には、熱膨張樹脂７の膨張による圧力が接続板９ａにかかることによって接続板同士の接点が離れ、両接続板の電気的接続が確実に切断される。
【００６６】
なお、電流を遮断する温度は、使用する熱膨張性マイクロカプセルの特性である膨張開始温度に応じて決定される。したがって、異なる膨張開始温度特性を有する熱膨張性マイクロカプセルを使用することにより、電流を遮断する温度を設定することができる。
【００６７】
また、両接続板の接点の面積や、接点の周辺の導体部分の体積によって、接点における発熱量が変化する。そのため、例えば、接続板の厚みや、両接続板の接点の面積を変えることによって、電流量が同じであっても接点の周辺における発熱量が変化し、設定温度に達するタイミングが変化する。したがって、接続板の厚みや接点の面積を調整することで、熱膨張樹脂７が膨張を開始するタイミングを設定できる。
【００６８】
さらに、電流遮断機構の構成は、上述で説明したものに限られない。例えば、図５に示すように、接続板９ａ’の内周側を接続板９ｂ’の内周側に接近するように形成する。そして、接続板９ａ’の内周側の端部が、接続板９ｂ’における接続板９ａ’側の面に接するようにした電流遮断機構５’を用いてもよい。
【００６９】
また、例えば、図６に示すように、接続板９ａ”の内周側を接続板９ｂ”の内周側に接近するように形成するとともに、接続板９ｂ”の内周側が接続板９ａ”の内周側に接近するように形成する。そして、接続板９ａ”の内周側の端部と接続板９ｂ”の内周側の端部とが接するようにした電流遮断機構５”を用いてもよい。
【００７０】
さらにまた、上述のように接続板を折り曲げて両接続板を接触させるかわりに、例えば、図７に示すように、接続板２５ａの内周側を接続板２５ｂの内周側に接近するように湾曲させて接近するように形成し、接続板２５ａにおける接続板２５ｂ側の面と、接続板２５ｂの内周側の端部とが接するようにした電流遮断機構２０を用いてもよい。
【００７１】
なお、上述の例に限られず、例えば、接続板２５ａをより複雑に湾曲させたものや、接続板２５ｂにおける接続板２５ａ側の面と、接続板２５ａの内周側の端部とが接するようにした電流遮断機構についても適用可能である。
【００７２】
また、他の構成例として、図８に、接続板３５ａおよび接続板３５ｂの形状を板状とした電流遮断機構３０の一例の構成を示す。なお、接続板３５ａ、接続板３５ｂ、熱膨張樹脂７および非膨張樹脂８には、上述の実施の一形態と同様の材料を用いることができるので、ここでは説明を省略する。
【００７３】
接続板３５ａおよび接続板３５ｂが対向して配置され、接続板３５ａの一方の端部が接続板３５ｂの端部に接近するように折り曲げられ、接触部が形成される。そして、熱膨張樹脂７が接続板３５ａおよび接続板３５ｂの間に挟み込まれるようにして、両接続板間の接触部側に配置されるとともに、非膨張樹脂８が熱膨張樹脂７に隣接するようにして、もう一方の端部側に配置される。
【００７４】
電流遮断機構３０は、電池に取り付けられる際にかしめられて固定されており、接続板３５ａおよび接続板３５ｂに対して垂直に圧力がかかっているため、熱膨張樹脂７は、膨張時には圧力がかかっていない方向に膨張しようとする。したがって、板状の接続板３５ａおよび接続板３５ｂを用いた電流遮断機構３０の場合、熱膨張樹脂７は、開放されている面の方向に膨張してしまい、接点が分離しないことが考えられる。
【００７５】
そこで、例えば、開放面を絶縁材料で覆い、熱膨張樹脂７が開放面方向に膨張するのを防ぐようにする。こうすることにより、接続板３５ａおよび接続板３５ｂに対して垂直に圧力がかかっている場合においても、熱膨張樹脂７が接点方向に膨張し、両接続板の接触部を分離させることができる。
【００７６】
なお、接続板３５ａおよび接続板３５ｂの接触部は、上述の例に限られない。例えば、接続板３５ｂを折り曲げることで接触部を形成するようにしてもよい。また、折り曲げに限らず、例えば、接続板３５ａおよび接続板３５ｂのうち一方の接続板を湾曲させることで接触部を形成するようにしてもよい。
【実施例】
【００７７】
以下、実施例により、この発明の実施の一形態による電流遮断機構５について、具体的に説明する。
【００７８】
ニッケル箔の接続板９ｂ、非膨張樹脂８、熱膨張樹脂７、ニッケル箔の接続板９ａを、図２に示すように順次積層し、接続板９ａおよび接続板９ｂに対して上下方向から各層が離れない程度の圧力を加えた状態で固定した電流遮断機構５を作製した。
【００７９】
接続板９ａおよび接続板９ｂの厚みは、それぞれ０．１ｍｍとし、熱膨張樹脂７および非膨張樹脂８の厚みは、それぞれ０．３ｍｍとした。熱膨張樹脂７に混合される熱膨張性マイクロカプセルとしては、松本油脂製薬株式会社製の「マツモトマイクロスフェアー  Ｆ−３０」を使用した。「マツモトマイクロスフェアー  Ｆ−３０」は、約８０℃から膨張を開始し、体積が最大で７０倍程度まで増加する特性を有する、粒径が１０〜２０μｍの熱膨張性マイクロカプセルである。
【００８０】
このようにして作製された電流遮断機構５を恒温槽に入れ、接続板９ａおよび接続板９ｂの接点の周囲の温度が２３℃、４５℃、６０℃、８０℃、１００℃および１２０℃となるように加熱し、設定した温度を１０分程度保持した後、接続板９ａおよび接続板９ｂ間の抵抗値を確認した。
【００８１】
以下の表１に、測定結果を示す。
【００８２】
【表１】
2007194069.tif 000003
【００８３】
この結果から、設定温度が２３℃、４５℃および６０℃の場合は、両接続板間の抵抗値が「０．０４Ω」であり、抵抗値に変動がないことが確認できた。即ち、設定温度が６０℃以下の場合は、熱膨張樹脂７が膨張せず、両接続板間の接点に変化がないので、通常使用時と同様に電流遮断機構５を介して電流を流すことができる。
【００８４】
設定温度が８０℃の場合には、両接続板間の抵抗値が「０．０８Ω」となり、６０℃以下の場合と比べて抵抗値が上昇することが確認できた。そのため、電流遮断機構５を流れる電流が制限される。
【００８５】
また、温度が１００℃および１２０℃の場合は、抵抗値が「Ｏ／Ｌ（Over Load）」となり、両接続板間の電気的接続が切断されることが確認できた。即ち、設定温度が１００℃以上の場合は、熱膨張樹脂７が膨張して、両接続板間の接点が離れるため、電流遮断機構５を流れる電流が完全に遮断される。
【００８６】
以上の結果から、異常な発熱時には、熱膨張樹脂７が膨張することにより電流を遮断することができることが確認できた。
【００８７】
以上、この発明の実施の一形態について説明したが、この発明は、上述したこの発明の実施の一形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、上述の実施の一形態では、二次電池を例にとって説明したが、これに限られず、一次電池などの他の電池にも適用可能である。また、例えば、上述の実施の一形態において挙げた数値は、あくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００８８】
また、上述の実施の一形態では、リチウムイオン電池を例にとって説明したが、これはこの例に限られず、各種の正極および負極材料を用いた電池に適用することが可能である。
【００８９】
さらに、この実施の一形態による電流遮断機構は、円筒型の電池に限られず、角型等の電池パックにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】この発明の実施の一形態による二次電池の一例の構成を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の一形態による電流遮断機構の層構成を示す略線図である。
【図３】この発明の実施の一形態による電流遮断機構の一例の構成を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の一形態による電流遮断機構の動作を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の一形態による電流遮断機構の別の例を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の一形態による電流遮断機構のさらに別の例を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の一形態による電流遮断機構のさらに別の例を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の一形態の他の構成例による電流遮断機構の一例の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９１】
１  電池缶
２ａ、２ｂ  絶縁板
３  正極端子板
４  安全弁機構
４ａ  ディスク板
５、５’、５”  電流遮断機構
６  絶縁封口ガスケット
７  熱膨張樹脂
８  非膨張樹脂
９ａ、９ａ’、９ａ”、９ｂ、９ｂ’、９ｂ”  接続板
１０  電池素子
１１  正極
１１ａ  正極活物質層
１１ｂ  正極集電体
１２  負極
１２ａ  負極活物質層
１２ｂ  負極集電体
１３  正極端子
１４  負極端子
１５ａ、１５ｂ  セパレータ
１６  センターピン
２０  電流遮断機構
２５ａ、２５ｂ  接続板
３０  電流遮断機構
３５ａ、３５ｂ  接続板
【図１】
2007194069.tif 000004
【図２】
2007194069.tif 000005
【図３】
2007194069.tif 000006
【図４】
2007194069.tif 000007
【図５】
2007194069.tif 000008
【図６】
2007194069.tif 000009
【図７】
2007194069.tif 000010
【図８】
2007194069.tif 000011