JP2000231912A - 二次電池の安全弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二次電池の電池内圧の上昇による防爆機構が
確実に作動することはもとより、高温度の使用環境下に
おいても耐候性、耐薬品性、あるいは強度特性に優れる
安全弁装置を安価に市場に提供すること。 【解決手段】 充放電発電要素が収納される電池ケース
１２の開口部に封口キャップ２８が気密に被着された二
次電池１０において、前記封口キャップ２８に電池内圧
上昇時のガス抜き穴３４が設けられると共に、該ガス抜
き穴３４に常時は閉塞し電池内圧上昇時に破裂される弁
体３６が耐熱性あるフッ素系ポリマー３８を介して接合
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池の安全弁
装置に関し、さらに詳しくは、リチウム二次電池等の非
水系有機電解液が用いられる二次電池において電池ケー
スの開口部に気密性をもって被着される封口キャップに
備えられる安全装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、リチウム二次電池等の非水系有機
電解液が用いられる二次電池では、長期に亘って安定し
た密閉性、特に気密性が要求され、極めて気密性の高い
封口がなされている。こうした気密構造のために、内部
短絡、外部短絡時や漏れ電流などによる充電時等におい
て電池内部でガスが発生すると、電池内圧が上昇して外
装缶（電池ケース）等の破裂に至る問題がある。このた
め従来、次の様な防爆構造が設けられている。

【０００３】電池ケースの一部を薄肉とし、電池内圧
が上昇した時に電池ケース全体が破裂する前に薄肉部が
破裂してガスを外部に逃がす。 ガス抜き穴を有する上下ケースにより弁室を形成した
組み立て封口板のなかに封止部材として、金属薄板、合
成樹脂・合成ゴムの薄板等を配置し、内圧上昇時に薄板
を鋭利な突起物で破壊してガスを外部へ逃がす（特公昭
６２−２５９３４２号公報参照）。 封口板（蓋）にガス抜き穴を形設し、変性ポリエチレ
ンや変性ポリプロピレン等の熱接着性プラスチックフィ
ルムと金属薄板とを貼り合わせた複合被膜をガス抜き穴
の外面周囲に熱接着し、ガス抜き穴を常時閉塞する弁体
とする。内圧上昇時に気密接着が破壊されガスが電池外
部へ逃される（特開平１−３１１５５８号、特開平１−
２２０３６８号公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
に述べた防爆構造（安全弁装置）によれば、例えば鉄
製の電池ケースに薄肉部を形成させる際、加工精度から
その肉圧を０．０８〜０．１５ｍｍ程度までしか薄く加
工出来ないのが現状である。このため電池内圧が５０〜
７０ｋｇｆ／ｃｍ２の高圧に達しないと防爆構造が作動
しないという問題があった。

【０００５】また上述のに述べた防爆構造によれば、
上下の板材の間に薄板を挟持したり、板材に鋭利な突起
物を取り付けたりする必要があるため、その製作が極め
て繁雑となる。また部品点数の増加によりコスト高とな
るという問題があった。

【０００６】さらに上述のに述べた防爆構造によれ
ば、プラスチックフィルムとして適用される変性ポリエ
チレン、変性ポリプロピレンのビカット軟化点がそれぞ
れ９０〜１４５℃、１００〜１３０℃とされる。そのた
め自動車などにおいて充放電が繰り返されるような使用
環境は厳しく、軟化点ならびに融点を高くしないと通常
使用時において防爆構造が作動してしまう危険性が高
い。また自動車のような厳しい使用環境においては、耐
候性・耐薬品性を備え、強度特性が一層高いものでなけ
ればならないので使用に耐え得ないという問題があっ
た。

【０００７】本発明の解決しようとする課題は、リチウ
ム二次電池などの非水系有機電解液が用いられる二次電
池において、電池内圧の上昇により防爆構造が確実に作
動することはもとより、高温度の使用環境下においても
耐候性・耐薬品性あるいは高い強度特性等の耐久性を備
える安全弁装置を安価に市場に提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明に係る二次電池の安全弁装置は、充放電の発電要
素が収納される電池ケースの開口部に封口キャップが気
密性をもって被着され、前記封口キャップに電池内圧上
昇時のガス抜き穴が設けられると共に、該ガス抜き穴に
常時は閉鎖し電池内圧上昇により破裂される弁体が耐熱
性あるフッ素系ポリマーを介して接合されていることを
要旨とするものである。

【０００９】上記構成を有する安全弁装置によれば、電
池使用中に電解液の分解によりガスが発生して電池内圧
が高くなった時には、電池そのものが破裂する前に封口
キャップのガス抜き穴に被着される弁体が破裂して電池
の破裂トラブルが回避される。そして、この安全弁装置
では、弁体が耐熱性のフッ素系ポリマーを介して封口キ
ャップに接合されているので高温度での使用環境でもそ
のフッ素系ポリマーが熱的に劣化して弁体が不用意に剥
がれるというようなことはなく、長期間安定して使用に
耐え得るものとなる。

【００１０】「フッ素系ポリマー」の代表的な例として
は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が挙げられる。
このフッ素系ポリマーの接着剤は、封口キャップ側と弁
体側の両方に塗布して接合するようにしてもよいし、封
口キャップ側又は弁体側のどちらか一方にのみ塗布して
接合するようにしてもよい。

【００１１】封口キャップあるいは弁体にフッ素系ポリ
マーを塗布する際には予めこれらの表面に活性化処理
（例えば、エッチング処理、アノーダイズド処理等）を
施し、フッ素系ポリマーの密着性を高めるようにするの
がよい。封口キャップと弁体との接着は、フッ素系ポリ
マーを加熱溶融して用いるが、単純に加熱加圧して接着
するほか、誘導加熱により溶融させ封口キャップと弁体
とを接合するものであってもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好適な実施の形態
を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施例に
係るリチウム二次電池の概略構成を示している。このリ
チウム二次電池１０は、有底筒状をした電槽缶（電池ケ
ース）１２内に充放電の発電要素である電極体１４が収
納され、その周囲には非水系有機電解液が充填されてい
る。

【００１３】前記電極体１４は正極シート１６と負極シ
ート１８とがセパレータシート２０を介して重ね合わさ
れ、芯棒２２に巻回されてなるものである。この場合正
極シート１６は集電体シートの両面にコバルト酸リチウ
ム、マンガン酸リチウム等の正極物質が塗工されてお
り、負極シート１８は集電体シートの両面にカーボン、
グラファイト等の負極物質が塗工されている。またセパ
レータシート２０は絶縁性のポリプロピレンなどが用い
られている。

【００１４】また電槽缶１２内に充填される非水系有機
電解液としては、例えば、ポリカーボネットとジメトキ
シエタンの１：１混合溶媒に、１規定のリンフッ化リチ
ウム（ＬｉＰＦ_６）の電解質を溶解したものが用いられ
ている。そして負極側の負極集電端子２４は電槽缶１２
の内底面に接続され、正極集電端子２６は電槽缶１２に
被着される封口板（封口キャップ）２８にリード線３０
を介して接続されている。

【００１５】図２は、その封口板２８に設けられる本実
施例の安全弁装置Ｓｖを拡大して示したものである。図
示されるように前記封口板２８は電槽缶１２の開口端縁
を内向きにかしめ加工し、絶縁パッキン３２を介して気
密性をもって該電槽缶１２の開口端部に被着されてい
る。

【００１６】そして該封口板２８には、充放電による電
解液の分解によりガスが発生して電池内圧が異常に上昇
した時にそのガスを放出させるガス抜き穴３４が設けら
れると共に、該ガス抜き穴３４にはそのガスの発生によ
り電池内圧が上昇した時にそのガス圧により破壊される
金属製薄板からなる弁体３６がポリフッ化ビニリデン
（ＰＶＤＦ）系のポリマー３８を介して密閉状に接合さ
れている。

【００１７】図３は、このリチウム二次電池１０の安全
弁装置Ｓｖである封口板２８と弁体３６との接合構造の
１例（第１の実施例）を示している。この図３に示した
実施例では、封口板２８には、厚さ２ｍｍのアルミニウ
ム合金（Ａ３００３）を使用している。そしてこの封口
板２８は、円盤状に加工するとともに４×７ｍｍの長方
形状をしたガス抜き穴を形成した。そしてこの封口板の
表面をアノーダイズド法により前処理し、その後、片側
表面の全面に亘ってポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）
の塗膜３８をペイントブラシを用いて形成した。

【００１８】一方、弁体３６には、厚さ０．５ｍｍの同
じくアルミニウム合金（Ａ３００３）を使用し、表面を
同じくアノーダイズド法により前処理した。そしてこの
実施例では弁体３６にはポリフッ化ビニリデンの塗膜は
形成していない。これら封口板２８と弁体３６とを重ね
合わせて上部から１８０℃〜２００℃に調節した加熱板
４０を押し当て、数秒間保持することにより両者を接合
したものである。

【００１９】次に二次電池の作製方法について具体的に
説明する。電極体１４の捲回外径を３０ｍｍ、内径を１
０ｍｍとした。また各電極合材の未塗工部幅は２０ｍｍ
とした。電槽缶１４はＮｉメッキ鋼板製の有底缶（ｔ＝
０．５ｍｍ）を使用し、電槽缶そのものを負極電位とし
た。集電部品は負極側がニッケル製、正極側がアルミ製
とした。各集電部品を電極体１４の内部へ挿入し、各極
未塗工部の集電体箔を束ねて超音波接合した。正極側の
集電部品端部には正極側のアルミ製の封口板２８とを連
結するためのアルミ製リード板を超音波接合した。

【００２０】この電極体１４を電槽缶１２に挿入後、中
空部へφ６ｍｍのクロム銅製丸棒電極を挿入し、電槽缶
１２の外側に設置したクロム銅製電極との間で加圧・通
電加熱（抵抗溶接）を行なった。一方、正極側はリード
板と端板とを超音波接合し、リード板を折り曲げて封口
板２８を電槽缶の内部に収納した。その後絶縁パッキン
を介して、かしめ方式により電槽缶４２と封口板２８と
を締結し、封缶したものである。

【００２１】次に安全弁装置の基本性能としてその破壊
圧力を調査したのでその結果を述べる。実験には油圧を
用い、所定の温度に保持した油槽の中で行った。比較例
として変性ポリプロピレン系接着剤フィルムを封口板２
８上に転写したものを用いた。そして弁体３６を重ねて
実験例と同様に熱圧着をおこなった。図４には各温度で
の弁の破壊圧力の比較を示す。破壊実験の保持温度とし
ては、２０℃、６０℃、１００℃、１４０℃、１６０℃
の５段階を採用し、それぞれの温度での弁体３６の破壊
圧力を測定した。

【００２２】その結果、本発明の実施例品も比較品も温
度の上昇とともに弁体の破壊圧力は徐々に低下するが、
いずれの温度においても本実施例品の方が比較品よりも
弁体の破壊圧力が高いことを示している。そして、実施
例品では１００℃を越えると破壊圧力の低下が見られる
ものの６０℃近辺での低下はほとんど無く、比較例に対
して高強度、耐熱性に優れ、信頼性の高い接合部が形成
されていることがわかった。

【００２３】この実施例によれば、従来のように電槽缶
１２の一部を薄肉化したり、電槽缶１２内に電池内圧の
上昇により薄板を突起で破壊させるような複雑な構造も
必要ではない。そして封口板２８と弁体３６との接合に
耐熱性のポリフッ化ビニリデンを使用したことにより高
強度化、耐熱性、耐候性、耐薬品性、絶縁性に優れた接
合部を形成でき、これにより電池の使用環境温度が１０
０℃近くとなる様な自動車等の厳しい使用環境にも適応
できるものとなる。

【００２４】また前述の図３に示した実施例のように、
封口板２８の全面に亘ってポリフッ化ビニリデンの塗膜
を形成することにより負極となる電槽缶１２と正極とな
る封口板２８との絶縁性が確保され、使用上の安全性も
担保されることになる。

【００２５】図５は、本発明の安全弁装置Ｓｖである封
口板２８と弁体３６との接合構造の第２の実施例を示し
ている。この第２の実施例では、フッ素系ポリマー３８
を封口板２８と弁体３６の両方に塗布している。このよ
うにすれば、封口板２８と弁体３６との接着により確実
に、かつ強固になるものと期待される。

【００２６】また図６は、この封口板２８と弁体３６と
の接合構造の第３の実施例を示している。この第３の実
施例ではフッ素系ポリマー３８を弁体３６にのみ塗布
し、封口板２８には塗布していない。この例では弁体３
８が接着される部分を除いてフッ素系ポリマーが塗布さ
れていないので塗布量を削減することによるコスト低減
が図れる。

【００２７】図７は、本発明の別の実施形態に係る二次
電池を示している。この二次電池５０は、電槽缶１２に
被着される封口板２８に安全弁４２を設けるほか、電槽
缶１２の底面にも安全弁４４を設けている。すなわち、
封口板２８に設けた安全弁４２についてはすでに説明し
たのでその構造の説明を省略するが、電槽缶１２の底面
に設けられる安全弁４４は、電槽缶１２の底面にガス抜
き穴３４を開設し、このガス抜き穴３４に電槽缶１２の
外側から弁体３６をポリフッ化ビニリデンにより密封状
に接着している。

【００２８】この図７に示した安全弁装置の構造によれ
ば、充放電による電解液の分解によりガスが発生して電
池内圧が上昇した時には電槽缶１２の封口板２８に設け
られる安全弁４２が開いてガス抜きが行われるほか、特
に電槽缶１２の内底部に多くのガスが発生した場合には
電槽缶１２の底面の安全弁４４が開かれることによりガ
ス抜きが行われ、電池の破裂トラブルが未然に回避され
ることになる。

【００２９】尚、上記各種実施例において、ガス抜き穴
３４はこの二次電池に用いられる電解液の注液口として
使用し、注液後に弁体３６をガス抜き穴３４に熱圧着に
より接合し、安全弁機構を設けるようにしてもよい。

【００３０】また封口板２８の中心付近の端子接続部に
干渉しないで出来るだけガス抜き穴３４の開口面積を広
くするために、図８（ａ）に示したように、封口板２８
に馬蹄形状のガス抜き穴３４ａを設け、そこに弁体３６
ａを接着したり、あるいは図８（ｂ）に示したように、
封口板２８に円弧形状のガス抜き穴３４ｂを設け、そこ
に弁体３６ｂを接着したりすることは効果的である。

【００３１】以上各種実施例について説明したが、本発
明は上記した実施の形態になんら限定されるものではな
く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能
である。例えば、上記実施例では二次電池としてリチウ
ムイオン電池の例を示したが、これに把われるものでは
なく各種のアルカリ二次電池、あるいはニッケル水素電
池などのニッケル系二次電池などにも適用される。

【００３２】また本発明の安全弁装置である封口板と弁
体との接合には上記したポリフッ化ビニリデンに限ら
ず、各種のフッ素系ポリマーの接着剤が耐熱性を有する
ものとして使用できることは勿論である。またこのポリ
フッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマーによる加熱接着
には誘導加熱を用いるようにしてもよい。尚、電槽缶や
封口板の材質としては、アルミニウム合金のほかにＮｉ
メッキ鋼板、ステンレス鋼板を使用することができるこ
とは言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】本発明に係る二次電池の安全弁装置によ
れば、電池使用中のガス発生により電池内圧が上昇した
時には、電池そのものが破裂する前に電池ケースの封口
キャップに設けられる弁体が破裂してガス抜き穴よりガ
ス抜きがなされ、電池の爆発トラブルが未然に回避され
ることはもとより、例えば１００℃近くとなるような高
温度の使用環境下においても弁体が封口キャップに耐熱
性あるフッ素系ポリマーを介して強固に接着されている
ので不用意に剥がれるようなこともなく、長期間安定し
て使用できるものである。したがってこの安定弁装置を
備えた二次電池を携帯電話や携帯用パソコン等の情報機
器類、あるいは特に使用環境の厳しく、高温環境での使
用に耐え得ることが要求される自動車用の電源等に用い
ることは極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るリチウム二次電池
の概略構成図である。

【図２】図１に示した二次電池の安全弁装置の要部を拡
大して示した図である。

【図３】本発明の安全弁装置の第１の実施例に係る製造
方法を説明した図である。

【図４】本発明の安全弁装置の性能実験データとして安
全弁の破壊圧力と温度との関係を示した図である。

【図５】本発明の安全弁装置の第２の実施例に係る製造
方法を説明した図である。

【図６】本発明の安全弁装置の第３の実施例に係る製造
方法を説明した図である。

【図７】本発明の他の実施形態に係るリチウム二次電池
の概略構成図である。

【図８】本発明の安全弁装置の封口板に設けられるガス
抜き穴の形状の変形例を示した図である。

【符号の説明】

１０ リチウム二次電池 １２ 電槽缶（電池ケース） １４ 電極体 ２８ 封口板（封口キャップ） Ｓｖ 安全弁装置 ３４ ガス抜き穴 ３６ 弁体 ３８ ポリフッ化ビニリデン系ポリマー ４２ 安全弁 ４４ 安全弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 吾朗 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 佐伯 徹 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 野崎 耕 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 竹内 友康 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H012 AA01 BB02 CC01 DD01 DD06 EE01 EE04 FF01 GG01 JJ02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充放電の発電要素が収納される電池ケー
   スの開口部に封口キャップが気密性をもって被着された
   二次電池において、前記封口キャップに電池内圧上昇時
   のガス抜き穴が設けられると共に、該ガス抜き穴に常時
   は閉塞し電池内圧上昇により破裂される弁体が耐熱性あ
   るフッ素系ポリマーを介して接合されていることを特徴
   とする二次電池の安全弁装置。
2. 【請求項２】 前記フッ素系ポリマーがポリフッ化ビニ
   リデンであることを特徴とする請求項１に記載される二
   次電池の安全弁装置。