(57)【要約】【課題】充放電や他の安全機構の邪魔をすることなく確実に過充電を防止できる二次電池を提供する。【解決手段】本発明に係る二次電池は、第１、第２電極を含む電極体と、開口を有し電極体を収納する外装体と、開口を封ずる導電性の封口板と、第１電極端子と、第２電極端子と、第１又は第２電極の電位上昇に伴い膨張する膨張部材を備え、封口板は第１電極に電気的に接続され、膨張部材は、第１又は第２電極の電位上昇に伴い体積増加する物質とそれを収納する収納体と、収納体内から外に出て封口板に電気的に接続された第１端子と、収納体内から外に出て第２電極端子に電気的に接続された第２端子とを備え、外装体の開口を上に位置させた場合に、膨張部材の上方に、第１電極に電気的に接続された第１短絡部材、及び第２電極に電気的に接続された第２短絡部材が配置され、膨張部材の膨張によりこれら両者が接触する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極及び第２電極を含む電極体と、
開口を有し、前記電極体を収納する外装体と、
前記開口を封口し、導電性部材からなる封口板と、
前記第１電極に電気的に接続され、前記封口板に固定された第１電極端子と、
前記第２電極に電気的に接続され、前記封口板に絶縁性の部材を介して固定された第２電極端子と、を備え、
さらに、前記第１電極又は前記第２電極の電位の上昇に伴い膨張する膨張部材を有しており、
前記封口板は前記第１電極に電気的に接続されており、
前記膨張部材は、
前記第１電極又は前記第２電極の電位の上昇に伴い体積が増加する物質と、
前記物質を収納する収納体と、
前記収納体内部から前記収納体外部に引き出され、前記封口板に電気的に接続された第１端子と、
前記収納体内部から前記収納体外部に引き出され、前記第２電極端子に電気的に接続された第２端子と、を備え、
前記外装体において前記開口を上側に位置させた場合に、前記膨張部材の上方には、前記第１電極に電気的に接続された第１短絡部材、及び前記第２電極に電気的に接続された第２短絡部材が配置され、
前記膨張部材の膨張により前記第１短絡部材と前記第２短絡部材とが接触する、二次電池。
【請求項２】
前記第１短絡部材と前記封口板との間に前記第１端子が配置され、
前記第１短絡部材と前記第１端子とが前記封口板に溶接されている、請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記封口板の外面には凹部が設けられ、
前記凹部内に前記膨張部材が配置された、請求項１または２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記第２端子は貫通孔、または切り欠き部を有し、
前記第２電極端子は、前記貫通孔の孔内又は前記切り欠き部の切り欠かれた部分に配置されている、請求項１から３のいずれかに記載の二次電池。
【請求項５】
前記第２短絡部材と前記封口板の間には絶縁部材が配置され、
前記第２短絡部材と前記絶縁部材により前記第２端子が挟み込まれている、請求項１から４のいずれかに記載の二次電池。
【請求項６】
前記膨張部材の膨張により、前記第１短絡部材が変形し、前記第１短絡部材が前記第２短絡部材に接触する、請求項１から５のいずれかに記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年は電気自動車の普及に伴い、高エネルギー密度の非水電解液を用いた大容量・高出力の二次電池が開発されており、二次電池の使用に当たっては複数の二次電池を直列ないし並列に連結して高出力の二次電池集合体として利用されている。
【０００３】
上述の電気自動車など大きな出力が長時間にわたって要求される機器に使用される二次電池では、更なる高エネルギー密度と耐久性が要求されており、それに伴って安全性の確保が重要な課題となっている。特に、過充電に対する安全対策が重視されている。過充電への対策を施していない電池では、過充電が進んでいくと最悪の場合、電池は熱暴走に至り、破裂・発火を引き起こす可能性がある。
【０００４】
そこで、これらの状態を回避する為に過充電の進行を阻止する方策がいくつかなされている。代表的なものとして、過充電時に起きる発熱や内圧の上昇等を利用してＣＩＤ（電流遮断装置）を作用させるものがある。
【０００５】
別の過充電対策として特許文献１には、第２の二次電池を主たる二次電池である第１の二次電池の外装缶の上において、膨張により作動する電流遮断装置として第２の二次電池を使用する技術が開示されている。
【０００６】
特許文献１に開示されている技術では、第１の二次電池と第２の二次電池が並列に接続されており、充電時に両方の電池が過充電電圧にほぼ同時に達し、第２の二次電池は過充電により内部にガスが発生して電池が膨張する。第２の二次電池は第１の二次電池の外装缶の上であって、両極端子の間に配置されており、第２の二次電池が第１の二次電池の外部正極リードを持ち上げて外部負極リードに接触させて短絡させ、短絡電流が流れることにより第１の二次電池内の電流遮断部が溶断する、という機構で過充電を収束させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−３５８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されている機構では、外部正極リードと外部負極リードとが振動や衝撃等ですぐに接触してしまう構造であるとともに、メインの第１の二次電池のどこに配置し、どのように接続することが必要かという点についても検討されておらず、単なるアイディアを開示している機構であって、具体的な電池構造にはそのままでは対応できないという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、充放電や他の安全機構の邪魔をすることなく確実に過充電を防止できる二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の二次電池は、第１電極及び第２電極を含む電極体と、開口を有し、前記電極体を収納する外装体と、前記開口を封口し、導電性部材からなる封口板と、前記第１電極に電気的に接続され、前記封口板に固定された第１電極端子と、前記第２電極に電気的に接続され、前記封口板に絶縁性の部材を介して固定された第２電極端子と、を備え、さらに、前記第１電極又は前記第２電極の電位の上昇に伴い膨張する膨張部材を有しており、前記封口板は前記第１電極に電気的に接続されており、前記膨張部材は、前記第１電極又は前記第２電極の電位の上昇に伴い体積が増加する物質と、前記物質を収納する収納体と、前記収納体内部から前記収納体外部に引き出され、前記封口板に電気的に接続された第１端子と、前記収納体内部から前記収納体外部に引き出され、前記第２電極端子に電気的に接続された第２端子と、を備え、前記外装体において前記開口を上側に位置させた場合に、前記膨張部材の上方には、前記第１電極に電気的に接続された第１短絡部材、及び前記第２電極に電気的に接続された第２短絡部材が配置され、前記膨張部材の膨張により前記第１短絡部材と前記第２短絡部材とが接触する構成を有している。
【００１１】
前記第１短絡部材と前記封口板との間に前記第１端子が配置され、前記第１短絡部材と前記第１端子とが前記封口板に溶接されていることが好ましい。
【００１２】
前記封口板の外面には凹部が設けられ、前記凹部内に前記膨張部材が配置されていることが好ましい。
【００１３】
前記第２端子は貫通孔、または切り欠き部を有し、前記第２電極端子は、前記貫通孔の孔内又は前記切り欠き部の切り欠かれた部分に配置されていることが好ましい。
【００１４】
前記第２短絡部材と前記封口板の間には絶縁部材が配置され、前記第２短絡部材と前記絶縁部材により前記第２端子が挟み込まれていることが好ましい。
【００１５】
前記膨張部材の膨張により、前記第１短絡部材が変形し、前記第１短絡部材が前記第２短絡部材に接触する構成であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の二次電池では、膨張部材によって第１短絡部材と第２短絡部材とを接触させることにより、充放電や他の安全機構の邪魔をすることなく確実に過充電を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は実施形態に係る二次電池の模式的な上面図であり、（ｂ）は外装体の正面部分を取り除いて内部を示している模式的な正面図である。
【図２】負極端子近傍の封口板の模式的な断面図である。
【図３】（ａ）は実施形態に係る膨張部材の模式的な上面図であり、（ｂ）は膨張部材の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１９】
本願において上下方向は、外装体２０の開口を上方に位置するように二次電池を配置した場合を基準として定義している。従って、二次電池がどのような向きに配置された場合であっても、本願における各部品の位置関係の限定は、外装体２０の開口を上方に配置した場合を基準として考えるものとする。
【００２０】
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態における二次電池の構成を模式的に示した図で、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は外装体の正面部分を取り除いて内部を示している模式的な正面図である。
【００２１】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態における二次電池１では、発電要素である電極体１０が電解液とともに、外装体２０に収納されている。外装体２０は一面（図１では上面）が開口した直方体形状のケースであり、開口部から電極体１０を入れる。そして外装体２０の開口部は導電性部材からなる封口板２１により封口されている。ここで、電極体１０は、第１電極である正極を構成している正極板と、第２電極である負極を構成している負極板がセパレータ（何れも不図示）を介して巻回、または積層された構造をなす。
【００２２】
正極板及び負極板は、それぞれ、その一側部において、活物質層が形成されていない正極芯体露出部１１及び負極芯体露出部１２を有している。そして、正極板及び負極板は、正極芯体露出部１１及び負極芯体露出部１２が、それぞれ反対方向に延出するように配置されている。正極芯体露出部１１は、正極集電体１３を介して、正極端子１５に接続され、また、負極芯体露出部１２は、負極集電体１４を介して、負極端子１６に接続されている。
【００２３】
正極端子１５及び負極端子１６は、それぞれ、封口板２１に設けられた貫通孔を貫通して封口板２１に絶縁部材を介して固定されている。さらに、封口板２１の外部側において、正極端子１５及び負極端子１６には、それぞれ、正極接続部材１７及び負極接続部材（第２短絡部材）１８が電気的に接続されている。正極接続部材１７及び負極接続部材１８は、バスバーを取り付ける部材である。なお、正極接続部材１７は正極端子１５と電気的に接続されているとともに、封口板２１とも電気的に接続されている。封口板２１には、電解液を注液する電解液注液口が設けられ、この電解液注液口は、電解液を注液した後、封止部材２４で封止される。また、封口板２１には、外装体２０の内部の圧力が上昇したときに、圧力を開放する排出弁２５が設けられている。
【００２４】
次に負極端子１６近傍の封口板２１およびその周囲の構造について説明する。
【００２５】
図２に示すように、負極端子１６の近傍には膨張部材３０が封口板２１の上に置かれている。膨張部材３０が置かれている封口板２１の部分は、封口板２１の上面（外面）に形成された凹部２９である。負極端子１６は、負極集電体１４において封口板２１と電極体１０の間に配置されるベース部１４ａと接続している。膨張部材３０の上方には第２短絡部材１８が配置されており、第２短絡部材１８と封口板２１との間には絶縁部材１９が配置されている。また、第２短絡部材１８の下方であって且つ膨張部材３０の上に第１短絡部材４０が置かれており、第２短絡部材１８と第１短絡部材４０との間には隙間が存在しているので両者はこの状態では電気的に非導通の状態となっている。
【００２６】
図３に示すように、膨張部材３０は、上部側シート３５と下部側シート３７とからなる収納体の内部に可膨張物質３３を収納している。そして収納体の内部から第１端子３１が収納体外部に引き出され、その先端部分は封口板２１と第１短絡部材４０との間に配置されて封口板２１に電気的に接続されている。なお第１端子３１は第１短絡部材４０と共に封口板２１に溶接されその溶接部分を絶縁部材１９が覆っている。従って、第１端子３１と第１短絡部材４０とは封口板２１に確実に固定・電気的な接続がなされ、また確実に保護されている。
【００２７】
収納体において第１端子３１が引き出されている側とは反対側には、収納体の内部から第２端子３２が収納体外部に引き出されており、第２端子３２は第２電極端子である負極端子１６に電気的に接続されている。なお、第２端子３２の先端は、絶縁部材１９と第２短絡部材１８との間に挟み込まれているので、容易な組み立てで確実に接続を行える。収納体の内部では、第１端子３１と第２端子３２との間に絶縁性の部材からなるセパレータ３４が配置されている。
【００２８】
可膨張物質３３は、所定値以上の電圧がかかった場合（過充電の場合）に分解や気化などを生じて膨張する物質である。第１端子３１は封口板２１を介して正極端子１５に電気的に接続されており、第２端子３２は負極端子１６に電気的に接続されているので、可膨張物質３３は負極に対する正極の電位の上昇に伴って体積が増加する物質と言える。このような物質としては、例えばシクロヘキシルベンゼンや炭酸リチウムなどを挙げることができる。
【００２９】
収納体を構成している上部側シート３５と下部側シート３７の外面側は電気絶縁性の部材から構成されている。具体的には、上部側シート３５と下部側シート３７は樹脂製のシートあるいは、金属箔の両面に樹脂シートがラミネートされたラミネート材からなることが好ましい。このようなシート或いはラミネート材からなっていると、強度的および電気絶縁的に優れているうえ、フレキシブルであって変形しやすく、膨張しやすいからである。
【００３０】
第１端子３１及び第２端子３２によって所定値以上の電圧がかかると、可膨張物質３３が膨張して膨張部材３０が膨張する。それに伴い、第１短絡部材４０が膨張部材３０によって上方に押し上げられ（すなわち、第１短絡部材４０が変形して）第２短絡部材１８に接触するようになる。これにより正極と負極との間で導通して短絡する。短絡することにより、過充電が解消されて安全性が確保される。第１短絡部材４０は変形しやすいように薄い部材からなることが好ましい。また、衝撃や振動で第２短絡部材１８に接触しないように第１短絡部材４０は膨張部材３０に固定され、膨張部材３０は封口板２１に固定されていることが好ましい。
【００３１】
本実施形態では、第２短絡部材１８が負極接続部材を兼ねているため、部品点数が少なく全体を小さくできると共に、負極接続部材が膨張部材３０を外部から保護する役割も有している。また、封口板２１に凹部２９が形成されており、凹部２９内に膨張部材３０が配置されているので、膨張部材３０の位置がずれることがない。従って膨張部材３０が膨張した際には確実に第１短絡部材４０を押し上げて第２短絡部材１８に接触させることができる。膨張部材３０は封口板２１に接着剤等で固定することが好ましい。また、第１端子３１及び第２端子３２は板状・シート形状であるため、第１端子３１は封口板２１及び第１短絡部材４０と、第２端子３２は第２短絡部材１８を介して負極端子１６に広い面積で確実に接続させることができる。
【００３２】
また、膨張部材３０を含む本実施形態の短絡機構は、負極端子１６の近傍に配置されていて負極接続部材１８の下方に全て納まっており、そのため短絡機構全体を小型で小さい体積に抑えることができ、封止部材２４や排出弁２５の邪魔をすることはない。また、電池の組み立てにおいても、他部材の組み付け時に治具などが膨張部材３０に接触して膨張部材３０が破損するおそれがなくなる。
【００３３】
膨張部材３０は、第１端子３１に接続された金属板の表面に結着剤と炭素材等の導電部材とを含む層を形成した極板と、第２端子３２に接続された金属板の表面に結着剤と炭素材等の導電部材とを含む層を形成した別の極板とその間に配置されたセパレータ３４と可膨張物質３３が混合された電解液とを含む構成であってもよい。
【００３４】
なお、電解液は非水電解液であることが好ましい。また、電解液の代わりに固体電解質、あるいはポリマー電解質を用いることができる。
【００３５】
第１端子３１、第２端子３２としてはアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金等からなるものを用いることができる。
【００３６】
あるいは、膨張部材３０は、第１端子３１に接続された金属板の表面に結着剤と炭素材等の導電部材と炭酸リチウム等の可膨張物質３３を含む層を形成した極板と、第２端子３２に接続された金属板の表面に結着剤と炭素材等の導電部材とを含む層を形成した別の極板とその間に配置されたセパレータ３４と電解液とを含む構成であってもよい。
【００３７】
膨張部材３０の第２端子３２には貫通孔３９が設けられている。この貫通孔３９には円筒形状の負極端子１６が挿通され、その後負極端子１６が上からかしめられて負極端子１６と第２短絡部材１８、第２短絡部材１８と第２端子３２とを確実に固定・接続させる。貫通孔３９は、かしめられる前の円筒形状の負極端子１６の外径よりも大きな内径であって、そのため組み立てを容易に行うことができる。なお、貫通孔３９の代わりに切り欠き部を第２端子３２に設けても同様な効果が得られる。
【００３８】
（その他の実施形態）
上述の実施形態は本願発明の例示であって、本願発明はこれらの例に限定されず、これらの例に周知技術や慣用技術、公知技術を組み合わせたり、一部置き換えたりしてもよい。また当業者であれば容易に思いつく改変発明も本願発明に含まれる。
【００３９】
上記の実施形態では第１電極が正極で第２電極を負極としたが、その逆であっても構わない。また、上述の機構以外の安全機構（例えばヒューズ機構）を併用してもよい。二次電池の種類は特に限定されず、例えば、リチウムイオン二次電池を挙げることができる。電池の形状は直方体に限定されない。電圧の所定値は、電池の種類・活物質の種類等によって決定すればよい。外装体および封口板はアルミニウム又はアルミニウム合金製であることが好ましい。
【００４０】
正極芯体及び正極集電体としてはアルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましく、負極芯体及び負極集電体としては銅又は銅合金からなることが好ましいが、それ以外の金属・導電性物質でも構わない。セパレータとしては、ポリオレフィン製の微多孔性膜が好ましいが、それ以外の公知のセパレータを用いることができる。封口板や外装体を構成する材料も導電性のものであれば特に限定されないが、アルミニウム等の金属が好ましい。
【００４１】
第２短絡部材はその上にバスバーを接続する場合があるが、強度を保持するため、バスバー接続部分は厚みを大きくすることが好ましく、また、このバスバー接続部分の直下に第１短絡部材と第２短絡部材との接触予定部分を配置することが好ましい。
【符号の説明】
【００４２】
１              二次電池
１０            電極体
１５            正極端子（第１電極端子）
１６            負極端子（第２電極端子）
１８            第２短絡部材（負極接続部材）
１９            絶縁部材
２０            外装体
２１            封口板
３０            膨張部材
３１            第１端子
３２            第２端子
３３            可膨張物質
４０            第１短絡部材
【図１】
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【図２】
2017157527.tif 000004
【図３】
2017157527.tif 000005