JP6471735B2

JP6471735B2 - 二次電池

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Publication number: JP6471735B2
Application number: JP2016200294A
Authority: JP
Inventors: 雄太根本; 友寛大野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2036-10-11
Also published as: CN107919454A; US10283738B2; JP2018063784A; US20180102510A1; CN107919454B

Description

本発明は、二次電池に関する。

一般的な二次電池は、例えば、充電時に過充電状態となることを抑制するために、電流遮断機構を備えている。特許文献１の二次電池では、電池内部の陽極側集電体の上端で円筒状に形成された集電突起と、外部接続を可能にする締結部材（ターミナル）に接続された椀形状の反転板の頂部とを接合して、電流遮断機構が構成されている。さらに、この集電突起の頂部には、脆弱部を介して天板部が配置され、天板部には、反転板と天板部との隙間と電池内部側との圧力差を無くすための通過孔が設けられている。

このような電流遮断機構において、充電時に電池が高温になると、電池内のガス圧が上昇し、電池内のガスが通過孔を通って反転板を押し上げ、反転板が上方に反り返ることにより、脆弱部が破断し、反転板に接合された天板部が集電突起から切り離される。その結果、電池内に配置された陽極側集電体と外部接続のための締結部材とが電気的に遮断される。

特開２０１４−１３７８９１号公報

特許文献１の二次電池では、脆弱部が破断して反転板に接合された天井部が集電突起から切り離されることで、陽極側集電体と締結部材とを電気的に遮断している。そのため、脆弱部は反転板の反り返りによって破断可能な薄さにする必要があり、脆弱部での電気的な抵抗が大きく、その結果、陽極側集電体と締結部材との導通経路での抵抗が大きくなる課題を有する。

本発明は、集電体と締結部材との導通経路での抵抗を低減することができる二次電池を実現する。

本発明の一形態に係る二次電池は、電池ケース内の集電体とターミナルとを電気的に接続する外部端子と、前記電池ケース内の圧力の上昇に応じて当該電池ケースの外方に向かって変位する変位部と、を備える二次電池であって、
前記外部端子は、前記集電体に電気的に接続された第１の部分と、前記ターミナルに電気的に接続された第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分とを電気的に接続する第１の接続部と、前記第１の接続部と異なり、前記第１の部分と前記第２の部分とを電気的に接続する第２の接続部と、を備え、
前記第１の接続部は、前記変位部による前記電池ケースの外方への変位が前記第１の接続部に伝達された場合に破断され、
前記第２の接続部は、当該第２の接続部の温度が予め設定された温度に達した場合に非導通状態となる。
このような構成では、第１の接続部に加えて第２の接続部を備えているので、集電体とターミナルとの導通経路での抵抗を低減することができる。

上述の二次電池において、前記第２の部分は切り欠き部を有し、前記第１の接続部の少なくとも一部は前記第２の部分の切り欠き部内に配置されていることが好ましい。

上述の二次電池において、前記第１の部分は切り欠き部を有し、前記第１の接続部の少なくとも一部は前記第１の部分の切り欠き部内に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、集電体と締結部材との導通経路での抵抗を低減することができる。

実施の形態１の二次電池を示す斜視図である。実施の形態１の二次電池における導通経路上の構成を示す断面図である。外部端子板にインシュレータが組み付けられた状態を示す平面図である。図３のIV−IV矢視断面図である。図３のＶ−Ｖ矢視断面図である。インシュレータを示す斜視図である。第１の接続部が破断した状態を示し、図４と対応する矢視断面図である。第１の接続部が破断した状態を示し、図５と対応する矢視断面図である。実施の形態２の外部端子板を示す平面図である。実施の形態２の異なる外部端子板を示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る二次電池の好適な実施の形態について詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態の二次電池の構成を説明する。ここで、以下の二次電池の構成の説明は、正常使用状態を前提として説明する。また、説明を明確にするために、直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ座標系）を用いて説明する。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の二次電池１は、ｚ軸＋側に開口を有する電池ケース２と、電池ケース２の開口を閉鎖するための板状の蓋部３と、を備えている。電池ケース２内には、陰極側集電体４と陽極側集電体５とが配置されている。なお、本実施の形態の二次電池１も、一般的な二次電池と同様に、図示を省略した電極捲回体及び電解液を備えているが、発明の本質的な部分ではないため、説明は省略する。

陰極側集電体４は、電極捲回体の陰極部に電気的に接続されている。図２に示されるように、陰極側集電体４のｚ軸＋側の部分はＬ字状に折り曲げられ、ｙ軸−方向に延在する延在部４ａに円柱状の締結部４ｂが設けられている。

陰極側集電体４の延在部４ａは、蓋部３に対してｚ軸−側に配置されており、陰極側集電体４の延在部４ａと蓋部３との間に絶縁部材６が配置されている。蓋部３に対してｚ軸＋側には、樹脂からなる板状のインシュレータ７が配置されている。インシュレータ７のｚ軸＋側の面には、アルミからなる外部端子板８が配置されている。また、インシュレータ７のｚ軸＋側の面には、ターミナル９が配置され、このターミナル９は、外部端子板８を貫通してｚ軸＋方向に突出する。

陰極側集電体４の締結部４ｂは、絶縁部材６、蓋部３、インシュレータ７及び外部端子板８を貫通しており、当該締結部４ｂの頂部をカシメることによって、陰極側集電体４が外部端子板８に固定されている。これにより、陰極側集電体４、外部端子板８及びターミナル９により導通経路が確保されている。

陽極側集電体５は、電極捲回体の陽極部に電気的に接続されている。図２及び図４に示されるように、陽極側集電体５のｚ軸＋側の部分はＬ字状に折り曲げられ、ｙ軸＋方向に延在する延在部５ａに円柱状の締結部５ｂが設けられている。

図４に示されるように、陽極側集電体５の延在部５ａは、蓋部３に対してｚ軸−側に配置されており、陽極側集電体５の延在部５ａと蓋部３との間に絶縁部材１０が配置されている。蓋部３に対してｚ軸＋側には、樹脂からなる板状のインシュレータ１１が配置されている。インシュレータ１１のｚ軸＋側の面には、アルミからなる外部端子板１２が配置されている。また、インシュレータ１１のｚ軸＋側の面には、ターミナル１３が配置され、このターミナル１３は、外部端子板１２を貫通してｚ軸＋方向に突出する。

図４に示されるように、陽極側集電体５の締結部５ｂは、絶縁部材１０、蓋部３、インシュレータ１１及び外部端子板１２を貫通しており、当該締結部５ｂの頂部をカシメることによって、陽極側集電体５が外部端子板１２に固定されている。

図４及び図５に示されるように、陽極側において、アルミからなる蓋部３には、円形の反転板（変位部）１４が一体的に設けられている。反転板１４は、変形し易いように、薄肉で形成されており、ｚ軸−方向に向かって凸状の略椀形状である。このような反転板１４は、ｙ軸方向においてターミナル１３と陽極側集電体５の締結部５ｂとの間に配置されており、反転板１４のｚ軸−側の面が二次電池１の内部に露出する。これにより、反転板１４は、電池ケース２の圧力変化により変位する。

図６に示されるように、絶縁性の樹脂からなるインシュレータ１１は、陽極側集電体５の締結部５ｂが挿入される貫通孔１１ａと、ターミナル１３の基端部１３ａ（図４）を配置するための着座部１１ｂと、外部端子板１２を貫通して外部端子板１２に固定される円柱状のカシメ部１１ｃと、反転板１４のｚ軸＋側の面に略接触する円柱状の荷重伝達部１１ｄと、を備えている。そして、インシュレータ１１の底板部１１ｇを囲むようにして、縁部１１ｈが設けられている。この縁部１１ｈによって、インシュレータ１１に外部端子板１２を確実に嵌め込むことができる。

図６に示されるように、円柱状の荷重伝達部１１ｄは、ｙ軸方向において貫通孔１１ａと着座部１１ｂとの間に形成された円形（但し、多角形でもよい。）の開口部１１ｅの中央に配置されると共に、開口部１１ｅ内に配置された連結片１１ｆによってインシュレータ１１の底板部１１ｇに連結されている。連結片１１ｆの採用により、荷重伝達部１１ｄをインシュレータ１１に一体的に設けることができると共に、開口部１１ｅ内で荷重伝達部１１ｄを確実にｚ軸方向に変位させることができる。ちなみに、本実施の形態では、カシメ部１１ｃがｘ軸方向に間隔を開けて配置されており、大凡、隣接するカシメ部１１ｃの間に荷重伝達部１１ｄが配置されている。つまり、荷重伝達部１１ｄは、カシメ部１１ｃの近傍に配置されている。

荷重伝達部１１ｄをインシュレータ１１に一体的に設けることができる例として、接着剤で荷重伝達部１１ｄをインシュレータ１１に固定してもよく、射出成形を利用してもよい。また、接着剤で荷重伝達部１１ｄを反転板１４のｚ軸＋側の面に固定してもよい。二本からなる連結片１１ｆは、ｘ軸方向において荷重伝達部１１ｄを挟むようにして一直線上に整列する。インシュレータ１１に荷重伝達部１１ｄを一体化させることで、部品点数の低減を可能にして、二次電池１を組み立て易くなる。但し、連結片１１ｆの配置及び本数などは、限定されない。

図３に示されるように、外部端子板１２は、略矩形状を基本形態としており、陽極側集電体５に電気的に接続される第１の部分２０と、ターミナル１３に電気的に接続される第２の部分２１と、第１の部分２０と第２の部分２１とを電気的に接続する第１の接続部２２と、第１の接続部２２と異なり、第１の部分２０と第２の部分２１とを電気的に接続する第２の接続部２３と、を備えている。

図３に示されるように、第１の部分２０は、ｚ軸方向から見て、略矩形状を基本形態としている。図４に示されるように、第１の部分２０には、貫通孔２０ａが形成されており、この貫通孔２０ａに陽極側集電体５の締結部５ｂを通して当該締結部５ｂの頂部をカシメることで、第１の部分２０が陽極側集電体５に電気的に接続されている。そして、図３に示されるように、第１の部分２０には、ｘ軸方向の略中央位置であって、且つ第１の部分２０のｙ軸＋側の端面からｙ軸−方向に延在する切り欠き部２０ｂが形成されている。

図３に示されるように、第２の部分２１は、ｚ軸方向から見て、略矩形状を基本形態としており、第１の部分２０とｙ軸方向に間隔Ｓ１を開けて配置されている。図４に示されるように、第２の部分２１には、第１の貫通孔２１ａが形成されており、この第１の貫通孔２１ａにターミナル１３が通されている。そして、第２の部分２１には、第２の貫通孔（図示を省略）が形成されており、この第２の貫通孔にインシュレータ１１のカシメ部１１ｃを通して当該カシメ部１１ｃの頂部をカシメることで、外部端子板１２がインシュレータ１１に固定されている。また、図３に示されるように、第２の部分２１には、ｘ軸方向の略中央位置であって、且つ第２の部分２１のｙ軸−側の端面からｙ軸＋方向に延在する切り欠き部２１ｂが形成されている。切り欠き部２１ｂは、例えば、ｘ軸方向において隣接するカシメ部１１ｃの間に配置されている。第１の部分２０の切り欠き部２０ｂと第２の部分２１の切り欠き部２１ｂとは、ｙ軸方向で向かい合い、互いに離間する方向に延在する。

図３に示されるように、第１の接続部２２は、略矩形状であり、ｚ軸方向から見て、間隔Ｓ１を跨ぐように第１の部分２０の切り欠き部２０ｂ及び第２の部分２１の切り欠き部２１ｂの内部に配置されている。そして、第１の接続部２２のｙ軸−側の端部は、第１の部分２０における切り欠き部２０ｂの底部に接続されている。一方、第１の接続部２２のｙ軸＋側の端部は、第２の部分２１の切り欠き部２１ｂ内で当該第２の部分２１に接続されている。ちなみに、本実施の形態では、第１の接続部２２におけるｘ軸＋側の端部及びｘ軸−側の端部を夫々第２の部分２１に接続している。

図３及び図５に示されるように、第１の接続部２２における第２の部分２１との接続部２２ａには、脆弱部２２ｂが形成されている。脆弱部２２ｂは、第１の接続部２２における第２の部分２１との接続部２２ａに沿って断面Ｖ字状の直線的な溝を形成して薄肉化された部分である。そのため、本実施の形態の脆弱部２２ｂは、ｙ軸方向に向かって延在している。但し、脆弱部２２ｂは、断面Ｖ字状の直線的な溝を形成して薄肉化された部分に限定されず、接続部２２ａにおいて局所的に薄肉化された部分であればよい。

図３に示されるように、第２の接続部２３は、間隔Ｓ１を跨ぎ、例えば、ｘ軸方向において第１の接続部２２の両側に配置されている。第２の接続部２３は、第２の接続部２３の温度が予め設定された温度に達すると、非導通状態となる。第２の接続部２３としては、例えば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタを用いることができ、その場合、第２の接続部２３は、予め設定された温度に達した場合に絶縁化する。但し、第２の接続部２３は、予め設定された温度に達した場合に非導通状態となる素子であればよい。なお、予め設定された温度については後述する。

このような外部端子板１２の第１の接続部２２と反転板１４とで挟み込むように、円柱状の荷重伝達部１１ｄが配置されている。荷重伝達部１１ｄのｚ軸＋側の端部は、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂの近傍で当該第１の接続部２２に接続され、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂの近傍にカシメ部１１ｃが位置する。このような構成を採用すると、固定点としてのカシメ部１１ｃを利用して、荷重伝達部１１ｄの突き上げ力を第１の接続部２２の脆弱部２２ｂに確実に伝えることができ、これによって、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂを確実に破断させることができる。ちなみに、本実施の形態の荷重伝達部１１ｄのｚ軸＋側の端部は、第１の接続部２２に嵌合されている。なお、本実施の形態の荷重伝達部１１ｄのｚ軸＋側の端部は、第１の接続部２２に接続されているが、正常使用状態で、第１の接続部２２のｚ軸−側の面に略当接していればよい。

次に、二次電池１内の圧力が上昇して、第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続を遮断する際の動作を説明する。

図７及び図８に示されるように、二次電池１においては、内部が高温になって電池ケース２内の圧力が上昇すると、反転板１４は、圧力により押圧されてｚ軸＋方向に向かって凸状に変形する。つまり、反転板１４は、反り返るように変形する。この変形により、荷重伝達部１１ｄを介して第１の接続部２２に荷重が伝達される。このとき、荷重伝達部１１ｄの突き上げ力によって、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂが破断し、第１の接続部２２は、第１の接続部２２のｙ軸−側の端部を中心に折れ曲がるように変位する。これにより、第１の接続部２２による第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続が遮断される。

一方、高温になった電池ケース２の内部の熱が陽極側集電体５、第１の部分２０を介して第２の接続部２３に伝達され、又は第１の接続部２２による第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続が遮断されて第２の接続部２３に電流が集中して、第２の接続部２３が予め設定された温度に達すると、第２の接続部２３は非導通状態となる。これにより、第２の接続部２３による第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続が遮断される。ちなみに、第１の接続部２２による第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続の遮断と、第２の接続部２３による第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続の遮断と、の順番はどちらが先でもよく、同時でもよい。

ここで、予め設定された温度は、電池ケース２内の圧力が所定の圧力に達して第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続を遮断する際の電池ケース２内の温度に設定するとよく、例えば、１００℃程度である。但し、予め設定された温度は、二次電池１の過充電時に第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続を遮断可能な温度に設定されていればよい。

このように第１の接続部２２の脆弱部２２ｂが破断され、且つ第２の接続部２３が非導通状態となることで、第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続が遮断される。ここで、上述のように、反転板１４の反り返りで第１の接続部２２の脆弱部２２ｂを破断させる場合、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂのｚ軸方向の厚さ及びｙ軸方向の長さは、反転板１４の反り返りで当該第１の接続部２２の脆弱部２２ｂが破断するように設定する必要がある。そのため、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂの導通面積が狭くなり、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂの電気的な抵抗が大きくなる。

一方、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂの電気的な抵抗を低減することができる導通面積を確保するために、脆弱部２２ｂのｚ軸方向の厚さ及びｙ軸方向の長さを設定すると、脆弱部２２ｂを破断するための反転板１４の変位量が増加し、反転板１４が変位するための空間を電池ケース２内に確保する必要がある。そのため、電池ケース２内のデッドスペースが増加し、容量密度が低下する。

それに対して、本実施の形態の二次電池１は、第１の接続部２２に加えて第２の接続部２３でも第１の部分２０と第２の部分２１とを電気的に接続するので、陽極側集電体５と締結部材１３との導通経路での抵抗を低減することができる。これにより、本実施の形態の二次電池１は、第１の接続部２２のみで第１の部分２０と第２の部分２１とを電気的に接続する場合に比べて、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂの導通面積を狭くすることができる。そのため、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂを破断させるための反転板１４の変位量の増加を抑制することができる。したがって、電池密度の低下を抑制することができる。

このように本実施の形態の二次電池１は、電池密度の低下を抑制しつつ、正常使用時において陽極側集電体５と締結部材１３との導通経路での抵抗を低減することができる。

また、本実施の形態では、第１の接続部２２が折れ曲がって当該第１の接続部２２の脆弱部２２ｂが漸次破断する方向と、当該脆弱部２２ｂが延在する方向と、が略平行に配置されているので、第１の接続部２２が折れ曲がる際に脆弱部２２ｂに応力が集中し、第１の接続部２２が折れ曲がって脆弱部２２ｂが漸次破断する方向と、当該脆弱部２２ｂが延在する方向と、が略直交する場合に比べて、第１の接続部２２の脆弱部２２ｂを小さな荷重で破断することができる。そのため、第１の接続部２２が折れ曲がって脆弱部２２ｂが漸次破断する方向と、当該脆弱部２２ｂが延在する方向と、が略直交する場合に比べて、反転板１４の変位量を抑制することができる。

ここで、図４及び図７に示されるように、第１の接続部２２のｙ軸−側の端部に当該第１の接続部２２の折れ曲がりを誘起させるために薄肉部２２ｃを形成するとよい。これにより、第１の接続部２２を小さい力で折り曲げることができ、反転板１４の変位量を抑制することができる。

また、二次電池１の正常使用状態で、第２の接続部２３の発熱を抑制して、第２の接続部２３の誤作動を防ぐことができる構成であることが好ましい。例えば、第２の接続部２３の電気的な抵抗値を第１の接続部２２の脆弱部２２ｂの電気的な抵抗値に対して高くすることで、二次電池１の正常使用状態で、第２の接続部２３への電流集中を抑制し、第２の接続部２３の発熱を抑制するとよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、第１の接続部２２におけるｘ軸＋側の端部及びｘ軸−側の端部を第２の部分２１に接続したが、図９に示されるように、第１の接続部２２におけるｙ軸＋側の端部を第２の部分２１における切り欠き部２１ｂの底部に接続してもよい。この場合も、第１の接続部２２における第２の部分２１との接続部に沿って脆弱部２２ｂが形成される。

また、第１の部分２０の切り欠き部２０ｂ又は第２の部分２１の切り欠き部２１ｂを省略した形態でもよい。例えば、図１０に示されるように、第１の部分２０の切り欠き部２０ｂを省略する場合、第１の接続部２２のｙ軸−側の端部を第１の部分２０のｙ軸＋側の端面に接続し、第１の接続部２２のｙ軸＋側の端部を第２の部分２１の切り欠き部２１ｂ内に配置した状態で当該第２の部分２１に接続するとよい。

要するに、第１の接続部２２は、反転板１４の変位によって第１の部分２０と第２の部分２１との電気的な接続が遮断されるように、第１の部分２０と第２の部分２１とに接続されていればよい。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、下記のような種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態の第２の接続部２３は、第１の接続部２２の両側に配置されているが、第２の接続部２３の配置及び個数は、適宜、変更可能である。

例えば、上記実施の形態では、変位部として反転板１４を用いたが、変位部は、電池ケース２内の圧力変化に基づいてｚ軸方向に変位可能な構成であればよい。

１二次電池
２電池ケース
３蓋部
４陰極側集電体、４ａ延在部、４ｂ締結部
５陽極側集電体、５ａ延在部、５ｂ締結部
６、１０絶縁部材
７インシュレータ
８外部端子板
９ターミナル
１０絶縁部材
１１インシュレータ、１１ａ貫通孔、１１ｂ着座部、１１ｃカシメ部、１１ｄ荷重伝達部、１１ｅ開口部、１１ｆ連結片、１１ｇ底板部、１１ｈ縁部
１２外部端子板
１３ターミナル、１３ａ基端部
１４反転板
２０第１の部分、２０ａ貫通孔、２０ｂ切り欠き部
２１第２の部分
２１ａ第１の貫通孔
２１ｂ切り欠き部
２２第１の接続部、２２ａ接続部、２２ｂ脆弱部、２２ｃ薄肉部
２３第２の接続部
Ｓ１間隔

Claims

電池ケース内の集電体とターミナルとを電気的に接続する外部端子と、前記電池ケース内の圧力の上昇に応じて当該電池ケースの外方に向かって変位する変位部と、を備える二次電池であって、
前記外部端子は、前記集電体に電気的に接続された第１の部分と、前記ターミナルに電気的に接続された第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分とを電気的に接続する第１の接続部と、前記第１の接続部と異なり、前記第１の部分と前記第２の部分とを電気的に接続する第２の接続部と、を備え、
前記第１の接続部は、前記変位部による前記電池ケースの外方への変位が前記第１の接続部に伝達された場合に破断され、
前記第２の接続部は、当該第２の接続部の温度が予め設定された温度に達した場合に非導通状態となる、二次電池。
前記第２の部分は切り欠き部を有し、前記第１の接続部の少なくとも一部は前記第２の部分の切り欠き部内に配置されている、請求項１に記載の二次電池。
前記第１の部分は切り欠き部を有し、前記第１の接続部の少なくとも一部は前記第１の部分の切り欠き部内に配置されている、請求項１又は２に記載の二次電池。