JP5044884B2

JP5044884B2 - 組電池

Info

Publication number: JP5044884B2
Application number: JP2004195821A
Authority: JP
Inventors: 行正西出
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: JP2006019140A

Description

本発明は、端子部材を有する二次単電池を複数配置した組電池に関し、特に、隣り合う二次単電池の端子部材間を導電部材で接続し、二次単電池の膨張により端子部材間の距離が大きくなるように各々の二次単電池を配置した組電池に関する。

リチウムイオン型などの二次電池では、過充電状態となったり、逆充電状態となったり、過負荷状態となったり、あるいは、短絡を起こして大電流が流れたりすると、電解液が分解して発熱と共にガスが発生する。さらには発熱により異常反応が加速されて、熱暴走を起こし急激にガスを発生することがある。そうすると、電池の内圧が急激に上昇して、電池（容器）が急激に膨張変形し、ときには破裂する場合がある。
このような二次電池の極端な膨張や破裂を未然に防止するために、従来より様々な安全機構が提案されている。例えば、特許文献１や特許文献２には、電池の異常膨張時に電流を遮断し、それ以上のガスの発生を抑制して、電池変形を防止する電流遮断機構を備える電池が開示されている。

特許文献１の電池は、その請求項１等に記載されているように、電池内圧の上昇により変形する安全弁と、安全弁の変形によって作動する電流遮断手段を有する。安全弁は、中央部に発電要素側に膨出した安全弁凸部を有する。そして、安全弁と発電要素との間に、安全弁凸部が挿入される中央貫通孔と、ガスを通ずるガス貫通孔とを有するディスクが固定されている。更に、ディスクの発電要素側に、発電要素の一方のリード板が電気的に接続された金属薄板が中央貫通孔を塞ぐように取着され、安全弁凸部が中央貫通孔を通じてこの金属薄板に溶接されている。
この電池では、電池内圧が上昇した場合、安全弁が変形し、発電要素とは反対側に膨出する。このとき、予め安全弁と金属薄板との溶接強度を所要強度に選定しておくことによって、安全弁が変形膨出すると共に、その溶接部が剥離する。そうすると、発電要素のリード板と安全弁との電気的連結が断たれるので、これ以上のガスの発生を抑え、電池の破裂等を回避できる。

特許文献２の電池は、その請求項１等に記載されているように、発電要素に連なる入出力端子部が存在する電池ケースの幅広な側面以外の端面部に、リード端子板を配置してある。そして、このリード端子板中央部の所定部位が、入出力端子部に電気的導通可能且つ引っ張りにより切断可能に固着されており、その周辺部が上記端面部に絶縁層を介して接触した状態にされている。
この電池では、電池ケース内の内圧が上昇し、電池ケースが変形したとき、電池ケースの入出力端子部とリード端子板との固着部に、これらを引き離そうとする引っ張り力が作用し、ここで切断されて電気的導通が遮断される。従って、これ以上のガスの発生を抑え、電池の破裂等を回避できる。

特開平５−３４３０４３号公報特開２００１−３１３０２１号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２の電池に代表される従来の電池においては、異常膨張時の変形を防止するための電流遮断機構は、その構造が複雑であるものが多く、電池のコスト高を招いていた。また、電流遮断機構を設けることにより、電池を小型化できないものも少なくない。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、二次単電池が複数配置された組電池において、電池内圧の異常上昇による異常膨張時に確実に通電を遮断して、二次単電池のさらなる異常膨張や破裂を確実に防止できると共に、その構造を簡易なものとすることができる組電池を提供することを目的とする。

その解決手段は、外部に露出する端子部材を有する複数の二次単電池からなり、隣り合う前記二次単電池の前記端子部材間を導電部材で接続してなり、前記二次単電池の膨張により前記端子部材間の距離が大きくなるように各々の前記二次単電池を配置してなる組電池であって、前記端子部材と前記導電部材とで構成される電気的接続路の少なくとも一部に、ＳＯＣが０％〜１００％での使用時における前記二次単電池の膨張による応力では破断しないで、且つ、熱暴走の開始時における前記二次単電池の膨張よりも小さい膨張による応力で破断し、隣り合う前記二次単電池間の通電を遮断する脆弱部を有する組電池である。

このような組電池は、ＳＯＣが０％〜１００％での使用時（本明細書では、これを通常使用時とも言う）における二次単電池の膨張では、端子部材と導電部材とで構成される電気的接続路に引っ張り応力が掛かっても、この程度の応力によっては電気的接続路が破断しないので、二次単電池間の通電を維持できる。
一方、過充電、短絡、逆充電、過負荷など何らかの理由で二次単電池内にガスが発生し、電池内圧が異常上昇し電池（容器）が異常に膨張したとき（本明細書では、これを異常膨張時とも言う）には、二次単電池が熱暴走を起こす前に、端子部材と導電部材とで構成される電気的接続路のうち脆弱部が破断し、隣り合う二次単電池間の通電を遮断できる。従って、二次単電池内でそれ以上のガスが発生することを抑制でき、熱暴走の発生及びこれに伴う二次単電池のさらなる異常膨張や破裂を未然に防止できる。
しかも、本発明は、従来のように電流遮断機構を電池内に設ける必要がないので、二次単電池を簡素な構造にでき、二次単電池及び組電池の小型化を図ることもできる。

ここで、「脆弱部」は、端子部材と導電部材とで構成される電気的接続路の少なくとも一部に設けられていればよい。従って、端子部材の一部または全部が脆弱部であっても、導電部材の一部または全部が脆弱部であっても、あるいは、端子部材と導線部材の接続部が脆弱部であってもよい。また、脆弱部は、通常使用時における二次単電池の膨張では破断しないで、且つ、熱暴走が開始する前の異常膨張時に破断し、隣り合う二次単電池間の通電を遮断するものであればよく、その形状や材質や特に限定されない。
例えば、後述するように、導電部材の一部に他の部分よりも断面積が小さい小断面積部を設け、これを脆弱部とすることができる。また、導電部材の材料強度を適宜選択し、導電部材全体を脆弱部とすることもできる。また、後述するように、端子部材と導電部材との溶接強度を適宜選択し、その接合部を脆弱部とすることもできる。

また、他の解決手段は、外部に露出する端子部材を有する複数の二次単電池からなり、隣り合う前記二次単電池の前記端子部材間を導電部材で接続してなり、前記二次単電池の膨張により前記端子部材間の距離が大きくなるように各々の前記二次単電池を配置してなる組電池であって、前記端子部材と前記導電部材とで構成される電気的接続路の少なくとも一部に、ＳＯＣが０％〜１００％での使用時における、前記導電部材で接続された隣り合う前記二次単電池の膨張による応力では破断しないで、且つ、前記導電部材で接続された隣り合う前記二次単電池の容器が膨張破壊するときの前記二次単電池の膨張よりも小さい膨張による応力で破断し、隣り合う前記二次単電池間の通電を遮断する脆弱部を有する組電池である。

このような組電池は、通常使用時における二次単電池の膨張では、電気的接続路に引っ張り応力が掛かっても、この程度の応力では電気的接続路が破断しないので、二次単電池間の通電を維持できる。
一方、異常膨張時には、二次単電池の容器が膨張破壊する前に、電気的接続路の脆弱部が破断し、隣り合う二次単電池間の通電を遮断できる。従って、二次単電池内でそれ以上のガスが発生することを抑制でき、二次単電池の破裂を未然に防止できる。
しかも、従来のように電流遮断機構を電池内に設ける必要がないので、二次単電池を簡素な構造にでき、二次単電池及び組電池の小型化を図ることもできる。
なお、「脆弱部」については、前述の発明で説明した通りである。

更に、上記のいずれかに記載の組電池であって、前記脆弱部は、前記端子部材と前記導電部材との接合部である組電池とすると良い。

本発明によれば、異常膨張時に破断する脆弱部は、端子部材と導電部材との接合部である。端子部材と導電部材との接合部は、溶接条件などを適宜選択することで、その接合強度を容易に調整できる。例えば、溶接は、レーザ溶接や超音波溶接など公知の手法により行うことができ、接合強度は、溶接エネルギー、溶接ポイントの大きさ、溶接ポイント数等を適宜選択することで調整できる。従って、端子部材と導電部材とで構成される電気的接続路に、容易に脆弱部を設けることができる。

更に、上記のいずれかに記載の組電池であって、前記導電部材は、他の部分よりも断面積が小さくされてなる小断面積部を有し、前記脆弱部は、この小断面積部である組電池とすると良い。

本発明によれば、導電部材に、他の部分よりも断面積が小さくされてなる小断面積部を設け、これを脆弱部としている。導電部材に小断面積部を設けることは容易であるので、端子部材と導電部材とで構成される電気的接続路に、容易に脆弱部を設けることができる。
なお、「小断面積部」は、他の部分よりも断面積が小さければ、その形状は適宜変更できる。例えば、中央部が幅狭となるように導電部材を形成し、この中央部を小断面積部とすることができる。また、導電部材にプレス加工等でＶ字溝等の凹部を設け、この部分を小断面積部とすることもできる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
（実施形態１）
図１に本実施形態に係る組電池１００の上方から見た模式図を示す。
この組電池１００は、複数の二次単電池１１０，１１０，…からなる。これらの二次単電池１１０，１１０，…は、リチウムイオン型の二次電池である。各々の二次単電池１１０は、アルミニウム等の金属からなり、約１５ｍｍ×約１００ｍｍ×約１５０ｍｍの略直方体形状の電池ケース１１１を備える。この電池ケース１１１の内部には、正極シートと負極シートとがセパレータを介して捲回された発電要素（図示しない）が収容されている。発電要素には、アルミニウム（正極）や銅（負極）等の金属からなる一対の端子部材１１３，１１３が電気的に接続されている。これらの端子部材１１３，１１３は、電池ケース１１１に絶縁を保ちつつ固定され、電池外部（上方）に向かって突出している。また、二次単電池１１０内には、電解液が注入されている。

組電池１００を構成する二次単電池１１０，１１０，…は、図示しない絶縁フィルムを介して隙間なく一方向に積層されている。従って、いずれかの二次単電池１１０が膨張すれば、それと隣り合う二次単電池１１０，１１０の端子部材１１３，１１３間の距離が大きくなる。隣り合う二次単電池１１０，１１０の端子部材１１３，１１３間は、銅等の金属からなり、板状をなすバスバー（導電部材）１２０によって電気的に接続されている。端子部材１１３とバスバー１２０は、レーザ溶接により接合され、電気的接続路１３０を構成している。この電気的接続路１３０のうち、端子部材１１３とバスバー１２０との接合部１３１は、ＳＯＣが０％〜１００％での使用時における二次単電池１１０の膨張では破断しないで、且つ、熱暴走の開始時における二次単電池１１０の膨張よりも小さい膨張で破断し、隣り合う二次単電池１１０，１１０間の通電を遮断する脆弱部とされている。
また、この脆弱部（接合部１３１）は、ＳＯＣが０％〜１００％での使用時における二次単電池１１０の膨張では破断しないで、且つ、二次単電池１１０の電池ケース１１１が膨張破壊するときの二次単電池１１０の膨張よりも小さい膨張で破断し、隣り合う二次単電池１１０，１１０間の通電を遮断するものでもある。

このような組電池１００は、ＳＯＣが０％〜１００％での通常使用時における二次単電池１１０の膨張では、端子部材１１３とバスバー１２０とで構成される電気的接続路１３０が破断しないので、通電を維持できる。具体的には、本実施形態の組電池１００では、この通常使用時に最大およそ５ｋｇｆ／ｍｍ²の応力が電気的接続路１３０に掛かるが、この程度の応力範囲内では、電気的接続路１３０は破断しない。

一方、過充電、短絡、逆充電、過負荷など何らかの理由で二次単電池１１０内にガスが発生し、電池内圧が異常上昇する異常膨張時には、図２に示すように、二次単電池１１０が熱暴走を起こす前に、及び、電池ケース１１１が膨張破壊する前に、電気的接続路１３０のうち脆弱部（接合部１３１）が破断し、隣り合う二次単電池１１０，１１０間の通電を遮断する。従って、二次単電池１１０内でそれ以上ガスが発生するのを抑制でき、熱暴走に伴う二次単電池１１０のさらなる異常膨張及び破裂を未然に防止できる。具体的には、本実施形態の組電池１００では、電池が膨張して、およそ７５ｋｇｆ／ｍｍ²の応力が電気的接続路１３０に掛かると、電気的接続路１３０の脆弱部（接合部１３１）が破断し、通電が遮断される。
また、本実施形態の組電池１００は、従来のように電流遮断機構を電池内に設ける必要がないので、二次単電池１１０を簡素な構造にでき、二次単電池１１０及び組電池１００の小型化を図ることができる。

（実施形態２）
次いで、第２の実施形態について説明する。なお、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。
図３に本実施形態に係る組電池２００の上方から見た模式図を示す。この組電池２００は、上記実施形態１と同様な複数の二次単電池１１０，１１０，…が、図示しない絶縁フィルムを介して積層されている。従って、この組電池２００も、二次単電池１１０が膨張すれば、それと隣り合う二次単電池１１０，１１０の端子部材１１３，１１３間の距離が大きくなる。

本実施形態の組電池２００は、隣り合う二次単電池１１０，１１０の端子部材１１３，１１３間が、上記実施形態１のバスバー（導電部材）１２０とは形状が異なるバスバー（導電部材）２２０によって接続され、電気的接続路２３０を構成している。このバスバー２２０は、銅等の金属からなり、長手方向の中央部が両端部よりも幅狭とされた平板状形状をなす。従って、この中央部は、他の部分よりも断面積が小さい小断面積部２３１となっている。また、バスバー２２０と端子部材１１３は、ボルト２２３を利用して高い強度で固定されている。

このような電気的接続路２３０のうち、バスバー２２０の小断面積部２３１は、ＳＯＣが０％〜１００％での使用時における二次単電池１１０の膨張では破断しないで、且つ、熱暴走の開始時における二次単電池１１０の膨張よりも小さい膨張で破断し、隣り合う二次単電池１１０，１１０間の通電を遮断する脆弱部である。
また、この脆弱部（小断面積部２３１）は、ＳＯＣが０％〜１００％での使用時における二次単電池１１０の膨張では破断しないで、且つ、二次単電池１１０の電池ケース１１１が膨張破壊するときの二次単電池１１０の膨張よりも小さい膨張で破断し、隣り合う二次単電池１１０，１１０間の通電を遮断する。

このような組電池２００は、ＳＯＣが０％〜１００％での通常使用時における二次単電池１１０の膨張では、端子部材１１３とバスバー２２０とで構成される電気的接続路２３０が破断しないので、通電を維持できる。具体的には、本実施形態の組電池２００では、この通常使用時に最大およそ５ｋｇｆ／ｍｍ²の応力が電気的接続路２３０に掛かるが、この程度の応力範囲内では、電気的接続路２３０は破断しない。

一方、過充電、短絡、逆充電、過負荷など何らかの理由で二次単電池１１０内にガスが発生し、電池内圧が異常上昇する異常膨張時には、図４に示すように、二次単電池１１０が熱暴走を起こす前に、及び、電池ケース１１１が膨張破壊する前に、電気的接続路２３０のうち脆弱部（小断面積部２３１）が破断し、隣り合う二次単電池１１０，１１０間の通電を遮断する。従って、二次単電池１１０内でそれ以上ガスが発生するのを抑制でき、熱暴走に伴う二次単電池１１０のさらなる異常膨張や破裂を未然に防止できる。具体的には、本実施形態の組電池２００では、電池が膨張して、およそ７５ｋｇｆ／ｍｍ²の応力が電気的接続路２３０に掛かると、電気的接続路２３０の脆弱部（小断面積部２３１）が破断し、通電が遮断される。
また、本実施形態の組電池２００も、従来のように電流遮断機構を電池内に設ける必要がないので、二次単電池１１０を簡素な構造にでき、二次単電池１１０及び組電池２００の小型化を図ることができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、複数の二次単電池１１０，１１０，…が図示しない絶縁フィルムを介して積層されているが、隣り合う二次電池１１０，１１０間に例えば冷却フィン等を介在されてもよい。このような構成としても、本発明の効果を得ることができる。
また、組電池１００，２００を構成する二次単電池１１０，１１０，…同士は、直接接続としてもよいし、並列接続としてもよい。このような接続形態に拘わらず、本発明の効果を得ることができる。

実施形態１に係る組電池に関し、通常使用時における組電池の一部を上方から見た模式図である。実施形態１に係る組電池に関し、異常膨張時における組電池の一部を上方から見た模式図である。実施形態２に係る組電池に関し、通常使用時における組電池の一部を上方から見た模式図である。実施形態２に係る組電池に関し、異常膨張時における組電池の一部を上方から見た模式図である。

符号の説明

１００，２００組電池
１１０二次単電池
１１３端子部材
１２０，２２０導電部材
１３０，２３０電気的接続路
１３１接合部（脆弱部）
２３１小断面積部（脆弱部）

Claims

外部に露出する端子部材を有する複数の二次単電池からなり、隣り合う前記二次単電池の前記端子部材間を導電部材で接続してなり、前記二次単電池の膨張により前記端子部材間の距離が大きくなるように各々の前記二次単電池を配置してなる組電池であって、
前記端子部材と前記導電部材とで構成される電気的接続路の少なくとも一部に、ＳＯＣが０％〜１００％での使用時における前記二次単電池の膨張による応力では破断しないで、且つ、熱暴走の開始時における前記二次単電池の膨張よりも小さい膨張による応力で破断し、隣り合う前記二次単電池間の通電を遮断する脆弱部を有する
組電池。
外部に露出する端子部材を有する複数の二次単電池からなり、隣り合う前記二次単電池の前記端子部材間を導電部材で接続してなり、前記二次単電池の膨張により前記端子部材間の距離が大きくなるように各々の前記二次単電池を配置してなる組電池であって、
前記端子部材と前記導電部材とで構成される電気的接続路の少なくとも一部に、ＳＯＣが０％〜１００％での使用時における、前記導電部材で接続された隣り合う前記二次単電池の膨張による応力では破断しないで、且つ、前記導電部材で接続された隣り合う前記二次単電池の容器が膨張破壊するときの前記二次単電池の膨張よりも小さい膨張による応力で破断し、隣り合う前記二次単電池間の通電を遮断する脆弱部を有する
組電池。
請求項１または請求項２に記載の組電池であって、
前記脆弱部は、前記端子部材と前記導電部材との接合部である
組電池。
請求項１または請求項２に記載の組電池であって、
前記導電部材は、他の部分よりも断面積が小さくされてなる小断面積部を有し、
前記脆弱部は、この小断面積部である
組電池。