(57)【要約】【課題】長期間の使用による短絡機構の誤作動を防止する。【解決手段】蓄電装置１００は、ケース１の内部空間の圧力が所定値を超えると、正極電極端子５と負極電極端子７とを短絡させる短絡機構１０を備えている。短絡機構１０は、正極電極端子５と負極電極端子７の一方の電極端子と電気的に接続され、他方の電極端子と絶縁される変形板２０と、他方の電極端子と電気的に接続される短絡板３０と、を備えている。変形板２０は、短絡板３０に対して凸状となる第１状態と、短絡板３０に対して凹状となる第２状態とに変形可能である。ケース１の内部空間の圧力が前記所定値を超えると、変形板２０は第１状態から第２状態となり、変形板２０が短絡板３０と接触する。変形板２０は、全体を１００ｗｔ％とした場合に、０．５ｗｔ％以上かつ２．０ｗｔ％以下の鉄を含むアルミニウム合金により形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極電極及び負極電極を備える電極組立体と、
前記電極組立体と電解液とを収納可能なケースと、
前記ケースに設けられ、前記電極組立体の前記正極電極と電気的に接続される正極電極端子と、
前記ケースに設けられ、前記電極組立体の前記負極電極と電気的に接続される負極電極端子と、
前記ケースの内部空間の圧力が所定値を超えると、前記正極電極端子と前記負極電極端子とを短絡させる短絡機構と、を備えており、
前記短絡機構は、前記正極電極端子と前記負極電極端子の一方の電極端子と電気的に接続され、他方の電極端子と絶縁される変形板と、前記他方の電極端子と電気的に接続される短絡板と、を備えており、
前記変形板は、前記短絡板に対して凸状となる第１状態と、前記短絡板に対して凹状となる第２状態とに変形可能であり、
前記ケースの内部空間の圧力が前記所定値を超えると、前記変形板は前記第１状態から前記第２状態となり、前記変形板が前記短絡板と接触し、
前記変形板は、全体を１００ｗｔ％とした場合に、０．５ｗｔ％以上かつ２．０ｗｔ％以下の鉄を含むアルミニウム合金により形成されている、蓄電装置。
【請求項２】
前記変形板は、全体を１００ｗｔ％とした場合に、０．７ｗｔ％以上かつ１．７ｗｔ％以下の鉄を含むアルミニウム合金により形成されている、請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記ケースは、前記アルミニウム合金により形成されており、
前記ケースと前記変形板とは一体成形されている、請求項１又は２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記変形板は、前記ケースと別体に成形されている、請求項１又は２に記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する技術は、蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電装置には、過充電等が発生したときに、正極電極と負極電極との間を短絡させる機構が設けられることがある。例えば、特許文献１に開示される蓄電装置は、ケースに設けられた正極電極端子と負極電極端子との間に短絡機構が設けられている。短絡機構は、互いに対向して配置される変形板と短絡板とを備えている。変形板は、正極電極端子と電気的に接続されており、負極電極端子と絶縁されている。また、短絡板は、負極端子と電気的に接続されている。過充電等によってケースの内部空間の圧力が所定値を超えると、変形板が変形し、短絡板に接触する。すると、負極電極端子と正極電極端子との間が短絡される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３５８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の変形板は、金属の板材をプレス成形しており、変形板には内部応力が残存し易い。このため、蓄電装置を長期間使用すると、変形板の内部の残留応力が時間の経過とともに緩和され、変形板の引っ張り強さが低下する。これによって、変形板が変形する圧力が低下し、ケースの内部空間の圧力が所定値に達する前に変形板が変形する虞がある。本明細書は、長期間の使用による短絡機構の誤作動を防止する技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示する蓄電装置は、正極電極及び負極電極を備える電極組立体と、電極組立体と電解液とを収納可能なケースと、ケースに設けられ、電極組立体の正極電極と電気的に接続される正極電極端子と、ケースに設けられ、電極組立体の負極電極と電気的に接続される負極電極端子と、ケースの内部空間の圧力が所定値を超えると、正極電極端子と負極電極端子とを短絡させる短絡機構と、を備えている。短絡機構は、正極電極端子と負極電極端子の一方の電極端子と電気的に接続され、他方の電極端子と絶縁される変形板と、他方の電極端子と電気的に接続される短絡板と、を備えている。変形板は、短絡板に対して凸状となる第１状態と、短絡板に対して凹状となる第２状態とに変形可能である。ケースの内部空間の圧力が前記所定値を超えると、変形板は第１状態から第２状態となり、変形板が短絡板と接触する。変形板は、全体を１００ｗｔ％とした場合に、０．５ｗｔ％以上かつ２．０ｗｔ％以下の鉄を含むアルミニウム合金により形成されている。
【０００６】
上記の蓄電装置では、変形板が０．５ｗｔ％以上かつ２．０ｗｔ％以下の鉄を含むアルミニウム合金により形成されている。当該アルミニウム合金を用いると、変形板を成形する際に当該変形板内に生じる残留応力を少なくすることができる。このため、時間の経過とともに緩和される残留応力が少なく、長期間経過しても変形板が変形する作動圧が低下し難い。したがって、蓄電装置の製造から長期間が経過しても、短絡機構が誤作動することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例に係る蓄電装置の断面図。
【図２】実施例に係る短絡機構について、通常時の状態を示す図。
【図３】実施例に係る短絡機構について、短絡した状態を示す図。
【図４】実施例に係る変形板に用いる鉄含有アルミニウム合金について、引っ張り強さと時間の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
【０００９】
（特徴１）本明細書が開示する蓄電装置では、変形板は、全体を１００ｗｔ％とした場合に、０．７ｗｔ％以上かつ１．７ｗｔ％以下の鉄を含むアルミニウム合金により形成されていてもよい。このような構成によると、変形板を成形する際に変形板内に生じる残留応力をより減少させることができる。このため、蓄電装置の製造から長期間が経過しても、短絡機構が誤作動することを好適に防止することができる。
【００１０】
（特徴２）本明細書が開示する蓄電装置では、ケースは、前記アルミニウム合金により形成されていてもよく、ケースと変形板とは一体成形されていてもよい。このような構成によると、ケースと変形板を同一の成形行程で成形できるため、その分だけ成形工程を減らすことができる。
【００１１】
（特徴３）本明細書が開示する蓄電装置では、変形板は、ケースと別体に成形されていてもよい。このような構成によると、ケースと変形板についてそれぞれ異なる材料を用いることができる。このため、変形板に上記のアルミニウム合金を用いるとともに、ケースにはケースに好適な別の材料を用いることができる。
【実施例】
【００１２】
以下、図面を参照して実施例に係る蓄電装置１００について説明する。図１に示すように、蓄電装置１００は、ケース１と、ケース１に収容された電極組立体３と、ケース１に固定された正極電極端子５と負極電極端子７を備えている。電極組立体３と正極電極端子５とは電気的に接続されており、電極組立体３と負極電極端子７とは電気的に接続されている。また、蓄電装置１００は、ケース１に固定された短絡機構１０を備えている。ケース１の内部は、電解液が注入されており、電極組立体３は、電解液に浸漬している。
【００１３】
ケース１は、金属製であり、略直方体形状の箱型部材である。ケース１は、本体１１１と、本体１１１に固定された蓋部１１２とを備えている。蓋部１１２は、本体１１１の上部を覆っている。蓋部１１２には、取付孔８１、８２が形成されている。正極電極端子５は、取付孔８１を介してケース１の内外に通じており、負極電極端子７は、取付孔８２を介してケース１の内外に通じている。蓋部１１２は、正極電極端子５と電気的に接続されている。蓋部１１２と負極電極端子７との間には、絶縁部材６１が配置されている。絶縁部材６１は、蓋部１１２と負極電極端子７とを絶縁している。
【００１４】
電極組立体３は、正極電極と、負極電極と、正極電極と負極電極との間に配置されたセパレータとを備えている。電極組立体３は、正極電極、負極電極及びセパレータからなる積層体が複数積層されて構成されている。複数の正極電極のそれぞれ及び複数の負極電極のそれぞれは、集電部材と、集電部材上に形成されている活物質層とを備えている。集電部材としては、正極電極に用いられるものは、例えばアルミ箔であり、負極電極に用いられるものは、例えば銅箔である。また、電極組立体３は、正極電極毎に設けられた正極集電タブ５１と、負極電極毎に設けられた負極集電タブ５２を備えている。正極集電タブ５１は、正極電極の上端部に形成されている。負極集電タブ５２は、負極電極の上端部に形成されている。正極集電タブ５１及び負極集電タブ５２は、電極組立体３の上方に突出している。複数の正極集電タブ５１は、１つに纏められて正極リード５３に固定されている。複数の負極集電タブ５２は、１つに纏められて負極リード５４に固定されている。
【００１５】
正極リード５３は、正極集電タブ５１と正極電極端子５とに接続されている。正極リード５３を介して、正極集電タブ５１と正極電極端子５とが電気的に接続されている。負極リード５４は、負極集電タブ５２と負極電極端子７とに接続されている。負極リード５４を介して、負極集電タブ５２と負極電極端子７とが電気的に接続されている。
【００１６】
図２を参照して短絡機構１０について説明する。図２に示すように、短絡機構１０は、ケース１の蓋部１１２に設けられている。短絡機構１０は、短絡板３０及び変形板２０を備えている。短絡板３０は、金属製の部材であり、導電性を有している。短絡板３０は、平面視において略矩形状に形成されており、変形板２０の上方に配置されている。短絡板３０は、負極電極端子７と電気的に接続されている。短絡板３０とケース１の蓋部１１２との間には、絶縁部材６１，６２が配置されている。短絡板３０は、絶縁部材６１，６２によって蓋部１１２上に支持されている。絶縁部材６１は、負極電極端子７と蓋部１１２とを絶縁するとともに、短絡板３０の一端と蓋部１１２とを絶縁している。絶縁部材６２は、短絡板３０の他端と蓋部１１２とを絶縁している。このため、短絡板３０は蓋部１１２と絶縁されている。すなわち、短絡板３０は正極電極端子５と絶縁されている。
【００１７】
変形板２０は、板厚が一定の板材を塑性加工（例えば、プレス加工）することによって成形されており、平面視すると円形となる導電性のダイアフラムである。変形板２０は、ケース１の蓋部１１２に溶接等によって固定されている。変形板２０の板厚は、蓋部１１２の板厚より小さくされており、かつ、短絡板３０の板厚より小さくされている。変形板２０は、ケース１内の圧力が所定値より低い状態では下方に凸状（短絡板３０に向かって凹状）となっている。変形板２０の外周部は、ケース１の蓋部１１２に接合されている。このため、変形板２０の下面には、ケース１内の圧力が作用する。一方、変形板２０の上面には、大気圧が作用する。変形板２０は、蓋部１１２と電気的に接続されている。上述したように、蓋部１１２は、正極電極端子５と電気的に接続されており、負極電極端子７と絶縁されている。このため、変形板２０は、正極電極端子５と電気的に接続されており、負極電極端子７とは絶縁されている。
【００１８】
変形板２０は、鉄（Ｆｅ）を含有するアルミニウム合金によって形成されている。変形板２０に用いる鉄含有アルミニウム合金は、全体を１００ｗｔ％とした場合に、鉄（Ｆｅ）の含有率が０．５ｗｔ％以上かつ２．０ｗｔ％以下となっており、特に、０．７ｗｔ％以上かつ１．７ｗｔ％以下であることが好ましい。鉄の含有率を０．５ｗｔ％以上とすることで軟化効果が発生することができる。一方、鉄の含有率を２．０ｗｔ％以下とすることで耐腐食性の確保ができ、１．７ｗｔ％以下とすることで耐腐食性をより高くすることができる。なお、変形板２０に用いる鉄含有アルミニウム合金は、鉄（Ｆｅ）以外に、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）等や、不可避の不純物を含有していてもよい。
【００１９】
図２及び図３を参照して、短絡機構１０によって、正極電極端子５と負極電極端子７との間が短絡される構成について具体的に説明する。図２に示すように、ケース１内の圧力が所定値以下のとき、変形板２０は下方に凸の状態になっている。すなわち、変形板２０は、短絡板３０に向かって凹状の第１状態となっている。上述したように、変形板２０は正極電極端子５と電気的に接続されており、負極電極端子７と絶縁されている。このため、正極電極端子５と負極電極端子７との間には、短絡機構１０を介した通電経路は形成されていない。ケース１内の圧力が上昇すると、変形板２０の下面に作用する圧力が上昇する。一方、変形板２０の上面には大気圧が作用する。このため、ケース１内の圧力が上昇して所定値に達すると、図３に示すように、変形板２０は反転して、上方に凸の状態に変化する。すなわち、変形板２０は、短絡板３０に向かって凸状の第２状態となる。このとき、変形板２０の上面が、短絡板３０に接触する。変形板２０は正極電極端子５と電気的に接続されている。一方、短絡板３０は負極電極端子７と電気的に接続されている。このため、変形板２０と短絡板３０とが接触すると、正極電極端子５と負極電極端子７との間には、変形板２０及び短絡板３０を介した通電経路が形成される。すなわち、正極電極端子５と負極電極端子７との間が短絡した状態となる。これによって、電極組立体３に流れる電流を小さくすることができる。
【００２０】
図４及び表１を参照して、変形板２０に用いる鉄含有アルミニウム合金の残留応力の経時変化を測定した結果を説明する。実験では、実施例に係る鉄含有アルミニウム合金の板材をプレス加工することで試験片を製作し、その試験片を一定の温度環境下（実験では８０℃）で所定時間放置し、その後に試験片に対して引張試験を行った。試験片はプレス成形されているため、その内部に残留応力が生じている。このため、試験片を一定の温度環境下で放置すると、試験片に残留している残留応力が解放される。ここで、試験片に残留する残留応力が大きいと、試験片の引張り強さが大きくなる。一方、試験片に残留する残留応力が小さいと、試験片の引張り強さは低くなる。したがって、試験片の引張り強さの低下率（所定時間経過前の引張り強さに対する所定時間経過後の引張り強さの低下率）が大きいほど、試験片に残留していた残留応力がより多く解放されたことになる。すなわち、試験片の引張強さの低下率が大きい場合、プレス加工時に試験片に生じた残留応力が大きいと評価でき、一方、試験片の引張強さの低下率が小さい場合、プレス加工時に試験片に生じた残留応力が小さいと評価できる。実験では、試験片を一定の温度環境下に放置する時間を変えて引張試験を行うことで、試験片の残留応力の解放が経時的にどのように進むかを評価した。鉄含有アルミニウム合金としては、全体を１００ｗｔ％とした場合に、鉄（Ｆｅ）をそれぞれ０．７ｗｔ％、０．８ｗｔ％、０．９ｗｔ％、１．０ｗｔ％、１．１ｗｔ％、１．２ｗｔ％、１．３ｗｔ％、１．４ｗｔ％、１．５ｗｔ％、１．６ｗｔ％、１．７ｗｔ％含有するものを用いた。以下に代表的なものとして、鉄を０．７ｗｔ％含有した鉄含有アルミニウム合金の結果を示す。鉄の含有率が高くなると軟化効果が高くなる。このため、上記のうち、鉄含有量が最も少ない、鉄を０．７ｗｔ％含有する鉄含有アルミニウム合金についての結果を示し、本実施例で用いる鉄含有アルミニウム合金の残留応力について評価した。また、比較例として、アルミニウム合金Ａ１０５０についても同様の試験を行った。アルミニウム合金Ａ１０５０は、全体を１００ｗｔ％とした場合に、アルミニウム（Ａｌ）の含有率が９９．５０ｗｔ％以上であり、０．４０ｗｔ％以下の鉄（Ｆｅ）等を含有していた。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１は、実験に用いた鉄含有アルミニウム合金と比較例に係るアルミニウム合金Ａ１０５０の引張り強さと時間との関係を示しており、図４は表１をグラフに表したものである。表１及び図４に示すように、比較例のアルミニウム合金Ａ１０５０の引張り強さは、１５６Ｍｐａから時間の経過とともに減少し、７２０時間後には１１５．４４Ｍｐａとなり、約２６％低下した。一方、変形板２０に用いる鉄含有アルミニウム合金の引張り強さは、１６７Ｍｐａから７２０時間後には１４７．６２Ｍｐａとなり、約１２％低下した。この結果から、変形板２０に用いる鉄含有アルミニウム合金は、アルミニウム合金Ａ１０５０と比較して、時間の経過による引張り強さの低下率が低いことがわかった。すなわち、変形板２０に用いる鉄含有アルミニウム合金では、プレス成形時に試験片に生じる圧縮残留応力が小さく、その分、解放される圧縮残留応力も小さくなることがわかった。すなわち、変形板２０に用いる鉄含有アルミニウム合金は、内部の残留応力がより緩和されているということができる。
【００２３】
次に、変形板２０に用いる鉄含有アルミニウム合金の耐腐食性を評価した結果を説明する。実験では、実施例に係る鉄含有アルミニウム合金の試験片を作製し、その試験片を一定の温度環境下（実験では８０℃）で、３．５ｗｔ％の食塩水に浸漬した状態で放置した。５０時間放置した後、試験片の表面粗さの変化の有無を確認した。放置前の試験片の表面粗さと比較して、放置後の試験片の表面粗さに変化がなければ、試験片は耐腐食性を確保していると評価できる。鉄含有アルミニウム合金としては、鉄をそれぞれ１．５ｗｔ％、１．７ｗｔ％、２．０ｗｔ％含有するものを用いた。この結果、用いた鉄含有アルミニウム合金の試験片の全てにおいて、放置前と放置後の表面粗さの変化が見られなかった。すなわち、変形板２０に用いる鉄含有アルミニウム合金は、鉄の含有量が２．０ｗｔ％以下であれば、耐腐食性を確保できることがわかった。
【００２４】
本実施例の変形板２０は、上述の鉄含有アルミニウム合金によって成形されているため、成形時に生じる残留応力が小さくなっている。比較例に係るアルミニウム合金Ａ１０５０を用いて変形板を成形すると、成形時に生じる残留応力が大きいため、時間の経過とともに残留応力が緩和されていき、クリープ耐性が悪い。このため、比較例に係るアルミニウム合金Ａ１０５０を用いて成形した変形板は、長期間経過すると、残留応力の緩和により変形板の機械的強度が大きく低下し、ケースの内部空間の圧力が設定値に達する前に反転する虞がある。本実施例の変形板２０は上述の鉄含有アルミニウム合金を用いて成形されているため、蓄電装置１００を長期間使用しても、変形板２０の機械的強度が低下し難く、短絡機構１０が誤作動を起こし難くなる。また、比較例に係るアルミニウム合金Ａ１０５０を用いて変形板を成形した場合であっても、プレス加工後に熱処理等を行うことによって残留応力を予め緩和することができるが、この場合には製造時の工程（すなわち、熱処理工程）が増加することになる。本実施例の変形板２０は、上述の鉄含有アルミニウム合金を用いることによって、成形後に熱処理等を行うことなく変形板２０の残留応力を小さくすることができる。したがって、上述の鉄含有アルミニウム合金を用いて変形板２０を成形することにより、製造から長期間が経過しても、短絡機構１０が誤作動を起こし難い蓄電装置１００を容易に製造することができる。
【００２５】
また、上述した実施例では、変形板２０は、蓋部１１２とは別体に成形した後に、蓋部１１２に接合していた。このため、変形板２０と蓋部１１２を異なる材料を用いて成形することができる。例えば、変形板２０は上述の鉄含有アルミニウム合金を用いて成形するとともに、蓋部１１２はアルミニウム合金Ａ１０５０やアルミニウム合金Ａ３００３等を用いて成形することができる。アルミニウム合金Ａ３００３は、１．０ｗｔ％以上かつ１．５ｗｔ％以下のマンガン（Ｍｎ）を含有するアルミニウム合金であり、強度が高いという特徴を有している。変形板２０はケースの内部空間の圧力が所定値を超えたときに変形することを考慮して材料を選択する必要があるが、蓋部１１２は変形し難く強度の高い材料を用いることが適している。変形板２０と蓋部１１２を別体に成形すると、変形板２０と蓋部１１２のそれぞれに適した材料を用いて蓄電装置１００を製造することができる。なお、上述した実施例とは異なり、ケース１の蓋部１１２と変形板２０とを一体成形してもよい。変形板２０と蓋部１１２とを一体成形すると、製造時の加工工程及び蓋部１１２と変形板２０とを接合する接合工程を減らすことができ、変形板２０をより容易に成形することができる。
【００２６】
以上、本明細書に開示の技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００２７】
１：ケース
３：電極組立体
５：正極電極端子
７：負極電極端子
１０：短絡機構
２０：変形板
３０：短絡板
６１，６２：絶縁部材
１００：蓄電装置
１１２：蓋部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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