JPH10326610A

JPH10326610A - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JPH10326610A
Application number: JP9136425A
Authority: JP
Inventors: Morio Kobayashi; 守夫小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】電池の温度上昇による発煙・発火・爆発を防止
し、電池の安全性の改善および電池の使い勝手の改善を
図る。【解決手段】電池ケースの封口部に熱応動バイメタルス
イッチによる端子間をオン，オフする安全装置を設置
し、電池の異常温度上昇時に正負極端子間を短絡させる
ことにより、バイメタルスイッチに短絡電流を流して電
池内の温度上昇を抑えると共に、異常電池を複数個直列
接続された組電池から切り離す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車，電動
カート等の移動体機器、ビデオカメラ，パソコン等の携
帯機器，停電時のバックアップ機器、及びセキュリテイ
機器等の製品の電源として使われる非水電解液二次電池
の異常発熱による発火や爆発を防止し、異常電池を切り
離しバイパスして使用する電池の安全性に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来の非水電解液二次電池の異常温度と
なった発電要素を切り離してバイパスして使う電池の安
全保護装置としては、特開平6−290767 号公報に示され
ている通り、電池反応部と正又は負の極端子と他の極端
子を兼ねる電池容器とを有する化学電池で、電池の異常
反応時に発生するガス圧又は反応熱にて駆動する駆動部
材により、電極に接続され絶縁材を介して電池容器を密
封している仕切板と極端子間の導通を遮断し、極端子と
電池容器間を短絡する方法等が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の異常温度となった電極を外部端子と電気的に遮断し
正負極端子間を短絡してバイパスする方法には、次のよ
うな問題がある。単に電池ケース内の異常温度となった
発電要素を電気回路的に遮断する方法では、外部短絡や
過充電等の外部に原因がある場合には効果があるが、異
物混入，活物質脱落，デンドライト析出等による発電要
素自身の内部に原因のある短絡に対しては、外部電気回
路と遮断しても効果はない。しかも、外部要因について
は電池と外部回路を遮断すれば良いので保護手段は色々
あるが、電池内の短絡については発電要素自身内の正極
と負極間で蓄電されたエネルギーが放電されるので、保
護する手段がないのが現状である。また、上記従来例の
構造では電気通路となり、かつシール部材となる仕切板
が絶縁材を介して電池容器の開口部に加締め構造で電池
容器を密封している。この内側に曲げられた電池容器の
開口端の内側と仕切板間に、電池の外部と接続される極
端子がガス圧により移動可能に設置される構造となって
いる。

【０００４】従って電解液の漏れを防止するパッキンの
役目をするポリプロピレン等の軟質の厚い絶縁材を介し
て仕切板を加締める必要があり、加締めばらつきにより
仕切板の位置が上下方向に安定しないばかりか、軟質肉
厚樹脂の経時温度変化により電池容器の密封が緩み、液
漏れを起こしやすい。また、電気接続部となる内側に曲
げた電池容器開口端部と仕切板の距離及び平行度がばら
つくため、極端子との間の接触・開離が確実に行われな
い等の不具合があった。また、極端子は外部と電気的に
接続されると共に極端子の移動可能が必須であり、一方
の電極接続部である電池容器開口端部も電池外郭を形成
しているため、外力により接続部が変形したり、ゴミ等
が侵入したりしてスイッチ機能をさせるには実用上適さ
ない構造であった。さらに、電気接触部が電池内やガス
通路にあるため、電解液やその高温ガスにより電気接触
部が腐食して接触不良や端子の切り換え動作不良が発生
し易いばかりでなく、可燃性の電解液の高温ガスが接点
アークにより着火する恐れもあった。

【０００５】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、複数個直
列接続された非水電解液二次電池の内、異常温度上昇し
た電池の正負極端子間を短絡して蓄電エネルギーを電池
外に放出し、さらに異常電池のみをバイパスして使用
し、電池の安全性の向上を図ると共に、使い勝手の良い
非水電解液二次電池を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、正極および負極をセパレータを介して対向
させた電極群と非水電解液からなる発電要素を電池ケー
ス内に収納し、各電極をリード線で封口部材に貫通設置
された各極端子に接続し、前記封口部材と一体となり各
極端子間を熱応動のバイメタルスイッチによりオン，オ
フする安全装置を電池ケースの開口部に設置し、防爆弁
をバイメタルスイッチのある密閉空間外としたものであ
る。前記安全装置は、通常は正負極端子間をオフとし、
バイメタルの温度上昇時は正負極端子間をオン状態とな
るようにしたので、異常温度となった電池ケース内部の
発電要素の蓄電エネルギーが電池外で消費されると共
に、異常電池のみがバイパスされて使用されるものであ
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる非水電解液
二次電池の一実施例を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の非水電解液二次電池の一実施例を示す
構造縦断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３
は図２のＢ−Ｂ断面図である。同図において、１は正極
であり、アルミ箔からなる正極集電体１ａの両面に無機
リチウムインターカレーション材料を正極活物質とする
正極合剤１ｂ（例えば活物質としてＬｉＭｎ₂Ｏ₄，Ｌｉ
ＣｏＯ₂，ＬｉＮｉＯ₂等、導電剤としてカーボン，結着
剤としてポリフッ化ビニリデンを混合調整したもの）を
保持させたものである。２は負極であり、銅箔からなる
負極集電体２ａの両面にリチウムインターカレーション
カーボン材料を負極活物質とする負極合剤２ｂ（例えば
活物質として黒鉛，結着剤としてポリフッ化ビニリデン
を混合調整したもの）を保持させたものである。３はセ
パレータであり、微多孔性のポリエチレンフィルム、ま
たはポリプロピレンフィルムからなる。なお、ポリエチ
レンフィルムは温度が上昇した時、フィルム自身の溶融
によって前記微多孔が閉じるシャットダウン開始温度が
約１３０℃であり、ポリプロピレンフィルムのシャット
ダウン開始温度は約１５０℃である。

【０００８】上記、正極１と負極２はセパレータ３を介
して対向した状態で渦巻き状に捲回され、電極群１５を
形成している。この場合、セパレータ３は正極１，負極
２よりも若干幅広く巻かれており、さらに巻芯部および
巻き終わり部において数回セパレータ３単独で巻かれて
おり、正極，負極間及び電極群周囲との絶縁性を持たせ
ている。この電極群１５は非水電解液（図示せず）に浸
漬されて発電要素となる。上記非水電解液は、ＬｉＰＦ
₆，ＬｉＢＦ₄，ＬｉＣｌＯ₄，ＬｉＡｓＦ₆等のリチウム
塩を電解質として有機溶媒（プロピレンカーボネート，
エチレンカーボネート，ジエチルカーボネート，ジメチ
ルカーボネート等の単独または混合物）に溶解したもの
が使われる。

【０００９】１０は電池ケースでステンレス鋼，ニッケ
ルめっき鉄，ニッケルめっき銅やアルミニウムが使わ
れ、上記電極群１５と非水電解液からなる発電要素を有
底円筒形の容器に収納し、封口部材１１を有する安全装
置２０を被せてガスケット１９を介して電池ケース１０
の開口部に加締め密封したものである。封口部材１１は
ステンレス，ニッケルめっき鉄，ニッケルめっき銅，ア
ルミニウム等の熱伝導性の良い金属材料からなる。ま
た、電池ケース１０内の封口部材１１側および容器底部
１０ａには電池内充電部と電池ケース１０との電気絶縁
性を保つために、絶縁板１２ａ，１２ｂが設置されてい
る。４はアルミニウム材の正極リードであり、正極１の
正極集電体１ａとアルミニウム材の正極端子６に溶接等
により接続されている。５はニッケル又は銅材の負極リ
ードであり、負極２の負極集電体２ａとニッケル又は銅
材の負極端子７に溶接等により接続されている。１３は
絶縁デスタントであり、電極群１５と封口部材１１間
に、正極リード４および負極リード５を取りまとめて収
納する空間を確保すると共に、電極群１５が電池ケース
１０内で移動しないように押さえている。

【００１０】正極端子６，負極端子７は、封口部材１１
に、ガラスまたはプラスチック層を介在させて電気絶縁
をすると共に、密封性を持たせたハーメチックシール８
により貫通固定され、さらにスイッチケース２１を貫通
し端子ケース外に出た部分が外部との電気接続部とな
る。封口部材１１に設けられた防爆穴１１ａは、切り込
み等の弱点部を有する金属板や薄膜金属板からなる防爆
弁９（図３）でシールされており、電池ケース１０内の
圧力が異常温度上昇により高圧になった場合に開裂し、
電池ケース１０の爆発を防止する。防爆弁９の部分に位
置するスイッチケース２１の鍔部２１ａにもガス抜き穴
２１ｂが開けられてガスが直接外部の大気中に放出でき
るようにしてある。

【００１１】防爆弁の設置場所としては、噴出ガスがス
イッチケース２１のスイッチ内蔵密閉空間の外部に放出
される位置ならば、封口部材に限定されずどこでも良
い。防爆弁９の作動圧力としては、電池ケース内の温度
上昇限度と、電池ケース自身および加締め部が先に破壊
しない強度から決定され、１０Kg／cm² 〜２０Kg／cm²
が望ましい。安全装置２０はプラスチック等の絶縁材か
ら成る鍔付き帽子形の端子ケース２１とその鍔部２１ａ
周辺を前記封口部材１１の周辺部で包み込むように加締
められて一体の密閉空間を形成し、その内部に熱応動の
バイメタルスイッチ２２を内蔵している。

【００１２】正極端子６および負極端子７はスイッチケ
ース２１内の封口部材１１面上でクランク状に曲がって
おり、その水平部には正極端子接点６ａおよび負極端子
接点７ａを有している。この正極端子接点６ａと負極端
子接点７ａ間にはバイメタルスイッチ２２がスプリング
２４を介し支持棒２３により端子ケース２１の底部にね
じ込まれた後、ナット２５により固定されている。支持
棒２３のねじ込み量を調整することによりバイメタルス
イッチ２２の位置が調整でき、バイメタルの接点の接触
圧力を適正にすることができる。

【００１３】バイメタルスイッチ２２はバイメタル両端
に接点２２ａを有する両接点バイメタルであり、通常温
度では上側に湾曲して正極端子接点６ａと負極端子接点
７ａから離れオフ状態となり、バイメタルスイッチ２２
が設定温度以上に上昇すると下側に急激に反転湾曲して
正極端子接点６ａと負極端子接点７ａにバイメタルスイ
ッチの接点２２ａが接触しオン状態になる。つまり、発
電要素が温度上昇により異常温度になると正極端子と負
極端子間がバイメタルスイッチにより短絡するものであ
る。スプリング２４は、バイメタルスイッチ２２を支持
棒２３の端部に押えるのと、バイメタルスイッチ２２が
反転動作する時の振動を吸収して接点のチャタリング防
止をする。

【００１４】図４は安全装置２０の他の実施例を示す断
面図である。同図においてバイメタルスイッチ２２の構
造のみが図１から図３の一実施例と異なるものである。
つまり、バイメタルスイッチ２２は一端部のみ片面に接
点２２ａを有する片接点バイメタルであり、バイメタル
スイッチ２２の他端部は、正極端子６が端子ケース２１
の内側でクランク状に曲げられた水平部にリベット２８
により圧着接続されている。バイメタルスイッチ２２の
接点２２ａは、負極端子７の接点７ａの上側に配置さ
れ、通常は上側に湾曲してオフ状態となり、設定温度以
上に上昇すると下側に急激に反転湾曲して負極端子の接
点７ａと短絡する。つまり、前記一実施例と同じように
温度上昇により異常温度になると正極端子と負極端子間
が短絡するものである。

【００１５】図５は本発明の非水電解液二次電池を複数
個直列接続して使用する場合の電気回路ブロック図であ
る。同図ではｎ個の単電池（３０ａ〜３０ｎ）を直列接
続した組電池３１を示し、組電池３１の出力端子ＸＹは
ヒューズ３２，メインスイッチ３３を介して制御回路３
４，負荷３５と接続されている。３６は組電池３１に流
れる電流を検出する電流センサであり、また、３７は組
電池の温度を検出する温度センサで、それぞれ制御回路
３４に入力される。３８は電流センサ３６または温度セ
ンサ３７が異常電流や異常温度を感知した場合に制御回
路３４から出される出力信号であり、メインスイッチ３
３を切る働きをする。

【００１６】この回路で単電池の電圧をＥ（Ｖ）とする
と、組電池の出力端子Ｘ−Ｙ間の電圧はｎ×Ｅ（Ｖ）と
なる。ａは発電要素の正極に接続された正極端子６，ｂ
は発電要素の負極に接続された負極端子７を表してい
る。通常は端子ａ，ｂはオフ状態であり、温度上昇によ
り異常温度となるとオン状態に切り換わる。

【００１７】次に、本発明による非水電解液二次電池の
組み立て方法について説明する。先ず、正極１および負
極２にそれぞれ正極リード４，負極リード５をスポット
溶接または超音波溶接により取り付けておく。このと
き、電池容量の大きさにより取り付けるリードの数は増
減される。

【００１８】上記正極１，負極２をセパレータ３を介し
て捲回し、巻き終わり部はテープ等で止めて電極群１５
を作る。有底二重円筒形容器の底部１０ａ側から絶縁板
12ｂ，電極群１５，絶縁デスタント１３の順に入れ，正
極リード４，負極リード５をそれぞれ束ねて纏めてお
く。次に、絶縁板１２ａを安全装置２０の封口部材１１
側に重ね合わせ、正極リード４，負極リード５を封口部
材１１の正極端子６，負極端子７に溶接する。次に電池
ケース１０の開口部付近にネッキング成形してから電解
液を注入し、安全装置２０をガスケット１９を介して加
締めにより密封して完成する。このように、安全装置２
０を備えた非水電解液二次電池を従来の組立工程と変わ
りなく組み立てられるので作業性が良い。

【００１９】次に、本発明による非水電解液二次電池の
作用について説明する。電池は充電回路の故障により設
定電圧以上に過充電されると、リチウムインターカレー
ションとしての電池反応以外の電解液を分解する化学反
応を起こし、電池を劣化させると共に電池の温度を上昇
させる。また、放電回路の故障により設定電圧以下に過
放電されると、負極にデントライト反応によりリチウム
金属が析出し、セパレータ３を突き破り、正・負極間短
絡を起こし、短絡電流が流れて異常温度になる。さら
に、通常の電池の使用温度範囲を越えた高温での使用
や、誤使用による外部短絡、何らかの原因による電池内
の内部短絡によっても、電池は発熱し異常温度となる。
非水電解液二次電池の温度が上昇すると、正極１，負極
２間にあるセパレータ３のフィルムが１３０℃〜１５０
℃で溶融し、フィルムの微多孔が閉じて正負電極間のリ
チウムイオンの移動を停止させるシャットダウン効果に
より電流を遮断する働きがある。

【００２０】しかしながら、セパレータの材料であるポ
リエチレンフィルムやポリプロピレンフィルムは、更な
る温度上昇により溶融収縮し、正負電極間の絶縁性が確
保出来ずに、電極間短絡に至ってしまう場合がある。電
池内温度が１５０℃を越えると、電極に使われている正
極活物質が熱暴走を起こし、発煙・発火・爆発に至る危
険な温度領域となる。つまり、正極活物質であるＬｉＭ
ｎ₂Ｏ₄，ＬｉＣｏＯ₂，ＬｉＮｉＯ₂ 等の結晶格子から
の酸素脱離反応により急激な発熱を伴い熱暴走状態にな
る。酸素脱離開始温度は活物質の種類や各元素の構成比
により異なるが１５０℃〜４００℃の範囲にある。

【００２１】電池が何らかの原因により異常温度上昇す
ると、電池内の電解液は分解し、また、電解液と正極，
負極の活物質が化学反応を起こしてガスを発生し、電池
ケース内の圧力が急上昇する。電池内の圧力が上昇して
１０Kg／cm² 〜２０Kg／cm²になると、防爆弁９が開裂
しガスを電池ケース外に放出して、電池の爆発力を軽減
する。この時、高温ガスはバイメタルスイッチのある密
閉空間外のガス抜き穴２１ｂから放出されるので、スイ
ッチを腐食させたり、電解液の高温ガスに着火したりす
ることがない。

【００２２】一方、電池の異常温度上昇は熱伝導の良い
封口部材１１を通して安全装置２０のバイメタルスイッ
チ２２の温度を上昇させ、バイメタルが反転して正極端
子６と負極端子７が発電要素を接続したまま短絡され
る。つまり、図５の異常単電池のａ−ｂ間が短絡され
る。従って、異常単電池の電極間が短絡されると共に、
異常単電池が切り離されてバイパスされた直列回路が形
成され、出力電圧は（ｎ−１）×Ｅ（Ｖ）で運転を継続
する。この時、内部短絡が原因で電池が温度上昇した場
合、密封された発電要素の蓄電エネルギーを電池内部の
正極・負極間に放電すると同時にバイメタルスイッチ２
２を通して電池ケース１０外にも放電するので電池内の
温度上昇が抑えられる効果がある。

【００２３】つまり、本来の内部短絡の場合は蓄電エネ
ルギーが電池内で供給と消費を完結していたが、本案に
よれば蓄電エネルギーの消費の一部が電池外で行われる
ので、電池内の温度上昇が軽減され、最悪の爆発に至る
危険温度状態になる可能性を低減できるものである。ま
た、外部短絡が原因で電池が温度上昇した場合は、制御
回路の電流センサ３６や温度センサ３７の感知により、
出力信号３８が発せられてメインスイッチ３３がオフ
し、組電池３１および負荷３５を保護する。

【００２４】さらに、制御回路３４が故障し過電流が流
れた場合には、ヒューズ３２が溶断し二重に保護する。
バイメタルスイッチ２２の作動温度としては電池の実使
用温度を阻害しない範囲と電池の劣化が加速される温度
との関係から８０℃〜１３０℃が望ましい。また、外部
短絡時のバイメタルスイッチ２２の作動温度は制御回路
３４による作動より高く設定する必要がある。つまり、
外部短絡時の異常温度上昇により制御回路３４よりバイ
メタルスイッチ２２が先に作動した場合は、正負極端子
間が短絡するので電力が負荷に供給されないので負荷は
保護されるが、電池自身は蓄電エネルギーを放電し尽く
すまで外部短絡状態がバイメタルスイッチにより継続さ
れたのと同じであり、電池の内部抵抗ジュール熱による
温度上昇は保護できないからである。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、正極
および負極をセパレータを介して対向させた電極群と非
水電解液からなる発電要素を電池ケース内に収納し、各
電極を熱応動バイメタルスイッチにより正負極端子間を
オンできる安全装置により電池ケースの開口部を密封し
たものであり、前記安全装置は、通常は正負極端子間が
オープン状態となり、バイメタルの温度上昇時は正負極
端子間がバイメタルを通して導通状態となるようにし
た。したがって、複数個の単電池が直列接続されて使用
される組電池の場合、ある単電池が異常温度上昇すると
異常電池の正負極端子間が短絡されてバイパスし、残り
の正常電池は継続使用できるので使い勝手が良い。

【００２６】また、内部短絡による異常温度上昇にも発
電要素の蓄電エネルギーがバイメタルスイッチを通して
短絡し、電池ケース外にエネルギー放出が行われるので
電池内の異常温度上昇が抑えられ、安全性が向上する。
また、安全装置の受熱板となる封口部材は熱伝導の良い
一枚の金属板であるので、電池内部の熱変化に対して熱
応答性が良く、電池ケース封口部の密閉信頼性が高い。
さらに、バイメタルスイッチによる接点切り換え回路が
スイッチケース２１と封口部材１１でインクローズされ
ており、かつ、防爆弁がバイメタルスイッチのある密閉
空間外にあるので、ゴミやガス等が入る恐れがなく接点
の接触不良が少なく、接点のアークにより噴出した可燃
性電解液の高温ガスに着火の恐れのない安全装置とする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非水電解液二次電池の一実施例を示す
構造断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図２のＢ−Ｂ断面図である。

【図４】本発明の非水電解液二次電池の安全装置の他の
実施例を示す構造断面図である。

【図５】本発明の非水電解液二次電池を直列接続して使
用した電気回路ブロック図である。

【符号の説明】

１…正極、１ａ…正極集電体、１ｂ…正極合剤、２…負
極、２ａ…負極集電体、２ｂ…負極合剤、３…セパレー
タ、４…正極リード、５…負極リード、６…正極端子、
６ａ…正極端子の接点、７…負極端子、７ａ…負極端子
の接点、８…ハーメチックシール、９…防爆弁、１０…
電池ケース、１０ａ…容器底部、１１…封口部材、１１
ａ…防爆穴、１２ａ，１２ｂ…絶縁板、１３…絶縁デス
タント、１５…電極群、１９…ガスケット、２０…安全
装置、２１…スイッチケース、２１ａ…鍔部、２１ｂ…
ガス抜き穴、２２…バイメタルスイッチ、２２ａ…バイ
メタルスイッチの接点、２３…支持棒、２４…スプリン
グ、２５…ナット、２６…フタ、２８…リベット、３０
ａ，３０ｂ，３０ｎ…単電池、３１…組電池、３２…ヒ
ューズ、３３…メインスイッチ、３４…制御回路、３５
…負荷、３６…電流センサ、３７…温度センサ、３８…
出力信号。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極および負極をセパレータを介して対向
させた電極群と非水電解液からなる発電要素を電池ケー
ス内に収納し、電極群の正極および負極をリード線で封
口部材に貫通した正極端子および負極端子に接続し、前
記封口部材とスイッチケースとにより一体に形成された
密閉空間内に正極端子と負極端子をオン，オフするバイ
メタルスイッチを内蔵した安全装置により、前記電池ケ
ースの開口部を密封すると共に、前記スイッチケースの
密閉空間の外部に電池ケース内のガス圧が設定値を越え
ると開放する防爆弁の放出部を設けたことを特徴とする
非水電解液二次電池。