JP4789295B2

JP4789295B2 - 密閉形電池

Info

Publication number: JP4789295B2
Application number: JP33496298A
Authority: JP
Inventors: 剛文井上; 吉田　　浩明; 真也北野
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2018-11-09
Also published as: JP2000149979A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉形電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換することのできる電池は、近年めざましい技術的進歩を遂げてきた。二酸化マンガンと亜鉛を組み合わせたマンガン乾電池と、充電のできる鉛蓄電池に始まり、新しい発想、新しい材料をもとに、次々と新しい組み合わせの蓄電池が生まれ、またこれら新しい電池を採用する新しい市場が広がっていった。水素吸蔵合金や導電性ポリマーといった新材料や、活性で軽量なリチウムを使いこなす工夫など、新しい構成のものも提案されるようになってきた。その結果、現在実用化されている蓄電池を単位質量、容積あたり貯えられる電気エネルギーで比較すると、この１０年で数倍に向上した。
【０００３】
この駆動力とも言えるものが、ＡＶ機器から始まった小型エレクトロニクス機器のポータブル化・コードレス化の潮流である。そして、この流れは経済性、環境性、利便性の点から、使い捨ての一時電池に代わり高性能な二次電池、すなわちより一層軽量で、高いエネルギー密度を有する二次電池の出現を要望するものであった。
【０００４】
このような時代の要請を受けて、１９９０年頃からニッケル・水素化物電池とリチウムイオン電池の二大新型二次電池が開発、実用化された。これら二大新型二次電池は、小型電池分野での成功を引き金にして、長年の懸案であった電気自動車への応用をも今やその視野に入れるようになった。
【０００５】
こうした状況が背景となり、電池単体の高容量化とともに、その電池を複数個組み合わせたモジュールタイプの需要が増大するとともに、過酷な条件下での使用が増し、その基本的技術思想である安全性については、より一層の向上を図らねばならない。
【０００６】
例えば、ニッケル水素化物電池では、電池の容器には電池を過充電する際の内部圧力の上昇に耐えるように、ニッケルめっきを施した鉄などの金属製のものが用いられる。また、異常な条件で使用された場合の電池の破裂を防止するために、復帰式の安全弁を電池の蓋に取り付けてある。
【０００７】
リチウムイオン二次電池は、金属リチウム（あるいはリチウム合金）を使用したリチウム二次電池に比べると本質的に安全性が高いと言える。しかし、内部に可燃性の有機電解液を持っており、高エネルギー密度電池であるために、過充電や過放電、外部短絡、内部短絡、過大電流、異常高温（１００℃以上）などの過酷な条件に遭遇したときには、破裂や発火の可能性がある。そこで、このような異常防止のために、シャットダウンセパレータ、ＰＣＴ素子、保護回路および電流遮断機構、安全弁などの安全対策が施されている。このように、電池を安全に保つために複数の保護手段が講じられているが、それでも何らかの原因で電池の内圧が異常に上昇したときは、安全弁からガスを放出し、電池の破裂を防止している。安全弁は電池容器の上面か底面もしくはその両面に設けているのが一般的である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
エネルギー密度を高めるため、電池容器に正極、負極およびセパレータからなる発電要素を空隙を有することのないように挿入している。そのため、電池容器に安全弁を設けているものの、多量のガスが発生した時には円滑に排出が行われず、大きな破裂、発火が生じるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、異常時に発生したガスを円滑に安全弁まで誘導するための隙間を有する電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明においては、電池容器に長円筒形の巻回式発電要素が収納されてなる密閉形電池において、前記電池容器の発電要素収納部の横断面積に対する発電要素の横断面積の比の値が、０．７以上０．９以下となるように隙間部を設けるとともに、前記隙間部の少なくとも一部が前記巻回式発電要素の巻回曲面部と前記電池容器の内壁面との間に前記発電要素の巻回曲面部および前記電池容器の内壁面と接するように形成されたことを特徴とする密閉形電池を提供することとしている。
【００１１】

【００１２】
電池容器の発電要素収納部の横断面積に対する長円筒形の巻回式発電要素の横断面積の比の値が、０．７以上０．９以下となるように隙間部を設けるとともに、前記隙間部の少なくとも一部を前記巻回式発電要素の巻回曲面部と前記電池容器の内壁面との間に前記発電要素の巻回曲面部および前記電池容器の内壁面と接するように形成することにより、質量あるいは体積エネルギー密度を大きく低下させることなく、ガス排出経路が確保でき、何らかの原因でガスが発生し電池の内圧が異常上昇した場合であっても、前記経路をガスが通り、安全弁からのガス放出を円滑に進めることができる。このため、大きな破裂、発火を回避でき、安全性を向上させることができる。
【００１３】
特に発電要素が長円筒形の密閉電池では、高エネルギー密度を損なうことなくガスの排出を効率的に行うことができる。
【００１４】
金属の電池容器を用いた電池においては、耐圧に強い反面、ガス排出経路の確保が十分でないと、ガス発生時に内圧が異常に上昇し、大きな爆発を引き起こすことになる。このため、電池内部に隙間部を設けてガス排出経路を確保することにより、発生したガスを円滑に排出することができる。
【００１５】
また、非水電解質電池においては、異常時に多量のガスが発生するため、電池内部に隙間部を設けてガス排出経路を確保することにより、円滑にガスを排出し安全性能を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の密閉形電池は、特に限定されるものではないが、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などの水系二次電池、リチウム電池、リチウムイオン電池などの非水電解質電池などである。
【００１７】
電池容器の形状は、角形、長円筒形のほか、角形であって角部外側に曲面を有するか内側に曲面を有するかあるいは両側に曲面を有するもの、または断面が略多角形であるものなど、どのようなものであっても良い。
【００１８】
発電要素の形状は、長円筒形の巻回式発電要素である。
【００１９】
電池容器の材質は特に限定されるものではなく、電池の種類に応じて適当なものを用いれば良い。鉛蓄電池であればＡＳ（アクリロニトリル・スチレン）樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）樹脂、ＰＥ（ポリエチレン）樹脂、ＥＰＰ（エチレン・ポリプロピレン）樹脂などである。アルカリ蓄電池では、ポリスチレンやＡＢＳなどの合成樹脂、鉄、ステンレスなどの金属にニッケルメッキを施したものなどである。リチウムイオン二次電池では、鉄、ニッケル、ステンレス、アルミニウムなどの金属が用いられる。また、必要に応じて種々の材質を混合させて複合材料としたり、多層構造としても良い。
【００２０】
鉄、ステンレス、アルミニウムなどの金属からなる電池容器にあっては、ガス排出用の隙間部を設けることが特に好ましい。なぜなら、機械的強度が強い反面、ガス発生時にガス排出を円滑に行わないと内圧が高くなりすぎて、大きな破裂につながるといった安全上の問題を解決できるからである。
【００２１】
電池容器の発電要素収納部の横断面積は、電池容器内周の面積であり、発電要素の横断面積は、巻回式発電要素の巻回軸と垂直な方向に切断した切断面である。電池容器の発電要素収納部の横断面積と発電要素の横断面積の関係のうち、発電要素の横断面積を発電要素収納部の横断面積で割ったものを電池容器の発電要素収納部の横断面積に対する発電要素の横断面積の比の値とする。
【００２２】
なお、選択する電池の種類によっては、端子を有する電池上部と電池底部付近において発電要素の形状が大きく変化しているものがあるため、断面は電池の上部と底部の中間付近をとるものとする。
【００２３】
電池に対する高エネルギー密度の要求から、電池の体積および重量はできる限り小さい方が良い。特に、有機電解質電池の場合には、電解質に可燃性の有機材料を用いているので、安全上該有機電解質の量は少ない方が良い。このことから、前記比の値は大きいことが望まれる。
【００２４】
ところが、比の値が０．９を超えると、電池の構造上ほぼ電池容器内に隙間のない状態となり、従って内圧上昇時にガス排出が困難なものとなる。
【００２５】
一方、隙間部を大きく、すなわち比の値を小さくするにつれてガス排出効率は向上するが、比の値を０．７より小さくしても、排出効率の点からは特に大きな変化は見られないが、体積エネルギー密度、重量エネルギー密度が小さくなる。
【００２６】
以上の点から、比の値は０．７以上０．９以下とすることが好ましい。
【００２７】
ここで言う隙間とは、電池内部において底部から上部に通ずるものであって、ガスの排出経路となりうるものである。すなわち、単なる空間であってもよいし、電解液に満たされていてもよい。好ましくは、発電要素の周囲に均一に隙間が設けられているものである。巻回式発電要素であれば、隙間部の少なくとも一部は巻回式発電要素の巻回曲面部と前記電池容器の内壁面との間に前記発電要素の巻回曲面部および前記電池容器の内壁面と接するように形成し、発電要素の周囲かつ中心部に隙間が設けられているものが好ましい。角形や長円筒形であれば、四隅に同一形状の隙間部を有するものがよい。発電要素各部から発生したガスを効率よく排出することができるからである。
【００２８】

【００２９】
特に、電池数個を、電池側面を隣接させることによって組み合わせたモジュール電池とする際には、各電池の側部と底部が拘束されているため、ガス発生時には内圧の異常上昇により大きな破裂を引き起こすことになる。このため、電池内部に隙間部を設けてガス排出経路を確保することが効果的である。
【００３０】
【実施例】
以下で本発明の実施例を図を参照しながら説明する。
【００３１】
（実施例１）図２に、長円筒形リチウムイオン電池７の構造を示す。１は正極端子、２は安全弁、３は負極端子、４は発電要素、５は電池容器である。電池発電要素は、電極を扁平状に巻き取ることにより組み立てた。
【００３２】
上記電池は、電極は組成の異なる２層の合剤層から構成される。合剤層は、正極活物質（ＬｉＣｏ０．９８Ｍｇ０．０１Ｎｉ０．０１Ｏ２）とバインダー（ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ））と導電助剤（カーボンブラック）との混合物からなり、アルミニウム箔上に形成されている。負極合剤層は、炭素材料（黒鉛）とバインダ（ＰＶｄＦ）との混合物からなり、銅箔上に形成されている。上記帯状正極板と負極板とをセパレータを介して扁平形に巻き取った後、長円筒形の有底アルミニウム容器に挿入し、封口、注液して製造した。容器の封口には二重巻き締め法を適用した。
【００３３】
図１に電池７のＡ−Ａ´横断面図を示す。隙間部を容器内の四角（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）に設け、電池容器の発電要素収納部の横断面積（５´）に対する発電要素の横断面積（４´）の比の値を０．６から１まで０．０２ごとに電池を作製し、異常状態に至った電池の挙動を把握することを目的として、満充電状態の電池が、内部短絡に至った場合を模擬して釘刺し試験を、端子間が短絡状態に至った場合を想定して外部短絡試験を行った。試験電池数量は各々５０個である。その時の結果を図３（ａ）、（ｂ）に示す。
【００３４】
（実施例２）電池容器の発電要素収納部の横断面積に対する発電要素の横断面積の比が０．０５である隙間部を発電要素の中心部に設けたこと以外は実施例１と同様にして試験を行った。その結果を図３（ａ）、（ｂ）に示す。
【００３５】
図３の（ａ）は釘刺し試験を、（ｂ）は外部短絡試験の結果である。横軸は電池容器の発電要素収納部の横断面積に対する発電要素の横断面積の比の値であり、縦軸は試験を行った電池の個数で破裂した電池の個数を割った電池の破裂率である。比の値が０．９を超えたあたりから急激に破裂率が高まっていることがわかる。また、０．７以下では破裂率に大きな変化は見られない。隙間部の位置に関しては、隙間部の少なくとも一部は巻回式発電要素の巻回曲面部と前記電池容器の内壁面との間に前記発電要素の巻回曲面部および前記電池容器の内壁面と接するように形成し、発電要素中心部にも隙間部を有する構造の方が、破裂を防ぐために効果的であるといえる。従って、隙間部は一ヶ所に集中させるよりも、容器角部や発電要素中心部などに分散させることにより、高い効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の構成により電池内圧の異常上昇による破裂、発火を抑制した安全性の高い電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の電池のＡ−Ａ´断面図。
【図２】本発明実施例の電池の構造を示す図。
【図３】本発明実施例の電池の安全性試験結果を示す図。
【符号の説明】
１正極端子
２安全弁
３負極端子
４発電要素
５電池容器
１０ａ隙間部

Claims

電池容器に長円筒形の巻回式発電要素が収納されてなる密閉形電池において、前記電池容器の発電要素収納部の横断面積に対する発電要素の横断面積の比の値が、０．７以上０．９以下となるように隙間部を設けるとともに、前記隙間部の少なくとも一部が前記巻回式発電要素の巻回曲面部と前記電池容器の内壁面との間に前記発電要素の巻回曲面部および前記電池容器の内壁面と接するように形成されたことを特徴とする密閉形電池。