二次電池及びそれを用いた組電池
【課題】過充電等の異常時にガス発生を早期に停止させつつ、通常使用時には外部との安定した電気的接続を確保することが可能な二次電池を提供する。
【解決手段】セパレータを介して積層された電極板を有する発電要素１０９と、発電要素１０９を収容して封止する外装部材１０６、１０７と、電極板にそれぞれ接続された外装部材１０６、１０７から外部に導出している電極端子１０４、１０５と、を備えた二次電池１０ａは、外装部材１０６の表面に設けられ、電極端子１０４、１０５に電気的に接続された導電性部材１１０、１１１と、外装部材１０６が膨張した際に、電極端子１０４、１０５同士とを電気的に接続する接続回路１１２と、をさらに備え、接続回路１１２は、外装部材１０６の非膨張時に導電性部材１１０、１１１が非接触であり、外装部材１０６の膨張時に導電性部材１１０、１１１が接触するように配置されている。
【解決手段】セパレータを介して積層された電極板を有する発電要素１０９と、発電要素１０９を収容して封止する外装部材１０６、１０７と、電極板にそれぞれ接続された外装部材１０６、１０７から外部に導出している電極端子１０４、１０５と、を備えた二次電池１０ａは、外装部材１０６の表面に設けられ、電極端子１０４、１０５に電気的に接続された導電性部材１１０、１１１と、外装部材１０６が膨張した際に、電極端子１０４、１０５同士とを電気的に接続する接続回路１１２と、をさらに備え、接続回路１１２は、外装部材１０６の非膨張時に導電性部材１１０、１１１が非接触であり、外装部材１０６の膨張時に導電性部材１１０、１１１が接触するように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極板を有する発電要素を外装部材に収容して封止すると共に、電極板に接続された電極端子が外装部材から外部に導出した二次電池及びそれを用いた組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極板を有する発電要素を外装部材に収容して封止すると共に電極板に接続された電極端子を外装部材から外部に導出した二次電池では、過充電等の異常時に電池内部にガスが発生して内圧が上昇する場合がある。
【０００３】
このような内圧上昇を解消するために、二次電池と外部とを電気的に接続する接続部品を電極端子に機械的に係合させ、ガス発生時に外装部材の膨張を利用してこの係合を解除することにより、二次電池を外部から電気的に遮断する技術が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような技術では、接続部品の係合強度を強く設定すると、電極端子との係合が解除され難くなり、電気的接続が遮断される際には二次電池の内圧が高くなり過ぎる。これに対し、当該係合強度を弱く設定すると、通常使用時でも電極端子との係合が解除され易くなり、二次電池の電気的接続が不安定となる。
【特許文献１】特開平１０−２９４０９７号公報
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、過充電等の異常時にガス発生を早期に停止させつつ、通常使用時には外部との安定した電気的接続を確保することが可能な二次電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、セパレータを介して積層された正極板及び負極板を有する発電要素と、前記発電要素を収容して封止する外装部材と、前記正極板及び前記負極板にそれぞれ接続された前記外装部材から外部に導出している正極端子及び負極端子と、を備えた二次電池であって、前記外装部材の膨張を検出する膨張検出手段と、前記膨張検出手段が前記外装部材の膨張を検出した際に、前記正極端子と前記負極端子とを電気的に接続する接続回路と、をさらに備えた二次電池が提供される。
【０００６】
本発明では、過充電等の異常時に二次電池の内部にガスが発生した際に、膨張検出手段が当該ガス発生に伴う外装部材の膨張を検出し、この検出結果に基づいて接続回路が正極端子と負極端子とを電気的に接続して、二次電池を短絡させる。
【０００７】
このように、外装部材の膨張を利用して、機械的に接続を遮断するのではなく二次電池を短絡させてその機能を停止させることにより、過充電等の異常時におけるガス発生の早期停止と、通常使用時における二次電池の外部との安定した電気的接続と、を容易に両立させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿った断面図、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は図１に示す薄型電池の膨張前後の様子を示す要部断面図である。
【００１０】
図１及び図２は一つの薄型電池１０ａ（単位電池）を示し、この薄型電池１０ａを複数接続することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。
【００１１】
本実施形態に係る薄型電池１０ａは、積層可能な平板状のリチウムイオン二次電池であり、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質と、から構成されており、例えば１０ｍｍ以下の総厚を有する。このうちの正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解液を特に発電要素１０９と称する。
【００１２】
発電要素１０９を構成する正極板１０１は、正極端子１０４まで延びている正極側集電体１０１ａと、正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃと、を有している。
【００１３】
この正極板１０１の正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
【００１４】
正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃは、例えば、ＬｉＮｉＯ２等のリチウム・ニッケル系複合酸化物、ＬｉＭｎ２Ｏ４等のリチウム・マンガン系複合酸化物、又は、ＬｉＣｏＯ２等のリチウム・コバルト系複合酸化物等や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリフッ化エチレンの水性ディスパージョン等の結着剤と、を混合させたものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。
【００１５】
発電要素１０９を構成する負極板１０３は、負極端子１０５まで延びている負極側集電体１０３ａと、当該負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃと、を有している。
【００１６】
この負極板１０３の負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
【００１７】
負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。
【００１８】
特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いる急激な出力低下がないので有利である。
【００１９】
発電要素１０９のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
【００２０】
なお、本発明のセパレータは、ポリオレフィン等の単層膜のみに限定されず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものを用いることも出来る。このようにセパレータを複層化することで、過電流防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することが出来る。
【００２１】
以上の発電要素１０９は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが交互に積層されている。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属箔製の負極端子１０５にそれぞれ接続されている。
【００２２】
なお、発電要素１０９の正極板１０１、セパレータ１０２、及び、負極板１０３は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、１枚の正極板１０１、３枚のセパレータ１０２、及び、１枚の負極板１０３でも発電要素１０９を構成することが出来、必要に応じて正極板、セパレータ及び負極板の枚数を選択して構成することが出来る。
【００２３】
正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることが出来る。また、負極端子１０５としては、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることが出来る。
【００２４】
以上のように構成される発電要素１０９は、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７に収容されて封止されている。
【００２５】
上部外装部材１０６は、図２に示すように、発電要素１０８を収容可能なカップ状の外形形状を有している。この上部外装部材１０６は、特に図示しないが、薄型電池１０ａの内側から外側に向かって、例えばポリエチレンやポリプロピレン等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている内側層と、例えばアルミニウム等の金属箔から構成されている中間層と、例えばポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムから構成されている外側層と、の三層構造から成る樹脂−金属薄膜ラミネート材で構成されている。
【００２６】
これに対し、下部外装部材１０７は、図２に示すように、平板状の外形形状を有しており、上部外装部材１０６と同様に、特に図示しないが、薄型電池１０ａの内側から外側に向かって、例えばポリエチレンやポリプロピレン等の耐電解液及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている内側層と、例えばアルミニウム等の金属箔から構成されている中間層と、例えばポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムから構成されている外側層と、の三層構造から成る樹脂−金属薄膜ラミネート材で構成されている。
【００２７】
これら外装部材１０６、１０７によって、上述の発電要素１０９、正極端子１０４の一部及び負極端子１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）やホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、外装部材１０６、１０７により形成される空間を吸引して減圧し、外装部材１０６、１０７をその外周縁に沿って熱プレスにより熱融着して封止する。
【００２８】
有機液体溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等のエステル系溶媒を挙げることが出来るが、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他の混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。
【００２９】
本実施形態に係る薄型電池１０ａは、当該電池１０ａ内の封止性を維持するために、正極端子１０４と外装部材１０６、１０７とが接触する部分にポリエチレンやポリプロピレン等の耐電解液性及び熱融着性に優れたシールフィルム１０８が介在している。同様に、外装部材１０６、１０７の他方の端部からは負極端子１０５が導出するが、ここにも正極端子１０４側と同様に、当該負極端子１０５と外装部材１０６、１０７とが接触する部分にシールフィルム１０８が介在している。
【００３０】
さらに、本実施形態に係る薄型電池１０ａは、正極側導電性部材１１０と、負極側導電性部材１１１と、接続回路１１２と、を有している。
【００３１】
正極側導電性部材１１０は、図１及び図２に示すように、正極端子１０４側から薄型電池１０ａの中央側に向かって延びるように、上部外装部材１０６における正極端子１０４近傍の表面に貼り付けられており、正極端子１０４に電気的に接続されている。この正極側導電性部材１１０は、正極端子１０４より薄い金属箔等から構成されており、これにより上部外装部材１０６の膨張変形に追従し易くなっている。
【００３２】
負極側導電性部材１１１も同様に、負極端子１０５側から薄型電池１０ａの中央側に向かって延びるように、上部外装部材１０６における負極端子１０５近傍の表面に貼り付けられており、負極端子１０５に電気的に接続されている。この負極側導電性部材１１１は、負極端子１０５より薄い金属箔等から構成されており、これにより、上部外装部材１０６の膨張変形に追従し易くなっている。
【００３３】
接続回路１１２は、略コ字状の外形形状を有する導電性に優れた金属製の部材である。この接続回路１１２は、上部外装部材１０６のカップ部を囲むように薄型電池１０ａに対して配置されており、特に図示しないが薄型電池１０ａを収容する筐体等に固定されている。さらに、この接続回路１１２は、その一方の端部が正極側導電性部材１１０に対向し、他方の端部が負極側導電性１１１に対向するように配置されており、図３（Ａ）に示すように、上部外装部材１０６の非膨張時には、正極側導電性部材１１０に非接触となっているのに対し、図３（Ｂ）に示すように、上部外装部材１０６の膨張時には、正極側導電性部材１１０と接触することが可能となっている。同様に、特に図示しないが、上部外装部材１０６の非膨張時には、接続回路１１２が負極側導電性部材１１１に非接触となっており、上部外装部材１０６の膨張時には、接続回路１１２が負極側導電性部材１１１に接触することが可能となっている。
【００３４】
以上のような構成の薄型電池１０ａでは、図３（Ｂ）に示すように、過充電等の異常時に薄型電池１０ａ内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００３５】
同様に、特に図示しないが、上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた負極側導電性部材１１１が接続回路１１２の他方の端部に押し付けられ、負極側導電性部材１１１と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００３６】
従って、上部外装部材１０６の膨張に伴って、導電性部材１１０、１１１及び接続回路１１２を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ａが短絡する。これにより、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ａの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来る。
【００３７】
また、本実施形態に係る薄型電池１０ａは、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ａを短絡させてその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ａの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００３８】
なお、上部外装部材１０６が膨張して各導電性部材１１０、１１１と接続回路１１２とが接触している限り、薄型電池１０ａが組み込まれた回路等を当該薄型電池１０ａの異常により電気的に遮断することなく、各導電性部材１１０、１１１及び接続回路１１２を介して維持することが出来る。
【００３９】
［第２実施形態］
図４は本発明の第２実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図、図５は図４のV-V線に沿った断面図である。
【００４０】
本発明の第２実施形態に係る薄型電池１０ｂは、外装部材１０６、１０７の間に未シール部１０６ａが形成されている点、接続回路１１２上に弁部材１１３が設けられている点、及び、正極端子１０４側のみに導電性部材１１０が設けられている点、で上述の第１実施形態に係る薄型電池１０ａと相違するが、その他の構成は第１実施形態に係る薄型電池１０ａと同一である。以下に、第２実施形態に係る薄型電池１０ｂについて、第１実施形態に係る二次電池１０ａとの相違点のみを説明する。
【００４１】
本実施形態に係る薄型電池１０ｂは、図４及び図５に示すように、薄型電池１０ｂの内部と外部とを連通させるように、上部外装部材１０６と下部外装部材１０７との間に熱融着していない未シール部１０６ａが形成されている。
【００４２】
弁部材１１３は、この未シール部１０６ａの開口を閉塞するように外装部材１０６、１０７に接合された金属箔（ヒューズエレメント（可溶体））であり、接続回路１１２上に設けられている。この弁部材１１３は、正極側導電性部材１１０との導通により接続回路１１２を流れる電流により発熱し、その熱により当該弁部材１１３自体が溶融して未シール部１０６ａを介して薄型電池１０ｂの内部と外部とを連通させることが可能となっている。この弁部材１１３を構成する材料としては、例えば、鉛、錫又はこれらの合金等を挙げることが出来る。
【００４３】
以上のような構成の薄型電池１０ｂでは、過充電等の異常時に薄型電池１０ｂ内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。なお、本実施形態では、接続回路１１２の他方の端部は負極端子１０５に直接接続されている。
【００４４】
この接続により、上部外装部材１０６の膨張に伴って、正極側導電性部材１１０、接続回路１１２及び弁部材１１３を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ｂが短絡する。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流により弁部材１１３が発熱し、その発熱により当該弁部材１１３自体が溶融して未シール部１０６ａが開口し、薄型電池１０ｂ内部に発生したガスが外部に放出される。
【００４５】
従って、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ｂの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来ると共に、当該ガスを外部に早期に放出することが出来る。
【００４６】
また、本実施形態に係る薄型電池１０ｂは、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ｂを短絡させてその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ｂの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００４７】
なお、本実施形態では、弁部材１１３が本発明における発熱手段及び連通手段に相当する。
【００４８】
［第３実施形態］
図６は本発明の第３実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図、図７は図６のVII-VII線に沿った断面図である。
【００４９】
本発明の第３実施形態に係る薄型電池１０ｃは、弁部材１１３の代わりに、弁部材１１４及び発熱体１１５を有する点で上述の第２実施形態に係る薄型電池１０ｂと相違するが、その他の構成は第２実施形態に係る薄型電池１０ｂと同一である。以下に、第３実施形態に係る薄型電池１０ｃについて、第２実施形態に係る薄型電池１０ｂとの相違点のみを説明する。
【００５０】
本実施形態に係る薄型電池１０ｃは、図６及び図７に示すように、第２実施形態における弁部材１１３の代わりに、弁部材１１４及び発熱体１１５を有している。
【００５１】
弁部材１１４は、外装部材１０６、１０７に形成された未シール部１０６ａの開口を閉塞するように外装部材１０６、１０７に接合されており、第２実施形態と異なり、発熱体１１５の発熱により溶融可能な合成樹脂フィルムで構成されている。この弁部材１１４を構成する合成樹脂材料としては、例えばポリエチレンやポリプロピレン等を挙げることが出来る。
【００５２】
発熱体１１５は、この弁部材１１４の３辺を囲むように略コ字状に配置されており、接続回路１１２上に設けられている、この発熱体１１５は、例えば、コイル状のニクロム線や、熱伝導性に優れた金属材料から成る金属箔等で構成されており、正極側導電性部材１１０との導通により接続回路１１２を流れる電流により発熱することが可能となっている。
【００５３】
以上のような構成の薄型電池１０ｃでは、過充電等の異常時に薄型電池１０ｃ内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００５４】
この接続により、上部外装部材１０６の膨張に伴って、正極側導電性部材１１０、接続回路１１２及び発熱体１１５を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ｃが短絡する。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流により発熱体１１５が発熱し、その発熱により弁部材１１４が溶融して未シール部１０６ａが開口し、薄型電池１０ｃ内部に発生したガスが外部に放出される。
【００５５】
従って、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ｂの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来ると共に、当該ガスを外部に早期に放出させることが出来る。
【００５６】
また、本実施形態に係る薄型電池１０ｃは、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ｃを短絡させてその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ｃの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００５７】
なお、本実施形態では、弁部材１１４が本発明における連通手段に相当し、発熱体１１５が本発明における発熱手段に相当する。
【００５８】
［第４実施形態］
図８は本発明の第４実施形態に係る組電池の構成を示す回路図である。
【００５９】
本発明の第４実施形態に係る組電池２０ａは、図８に示すように、複数の薄型電池１０ｄを電気的に直列接続して構成されている。
【００６０】
この組電池２０ａを構成する各薄型電池１０ｄは、正極端子１０４側のみに導電性部材１１０が設けられており、接続回路１１２の他方の端部がヒューズ２１を介して負極端子１０５に接続されている。この薄型電池１０ｄのその他の構成は、第１実施形態に係る薄型電池１０ａと同一であるのでここでは省略する。
【００６１】
本実施形態に係る組電池２０ａは、このような構成の薄型電池１０ｄを複数用いて構成されており、当該複数の薄型電池１０ｄの電極端子１０４、１０５同士が前記ヒューズ２１を介して相互に接続されることにより、当該複数の薄型電池１０ｄが電気的に直列接続されている。
【００６２】
以上のような組電池２０ａでは、一つの薄型電池１０ｄに過充電等の異常が発生し内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００６３】
この接続により、上部外装部材１０６の膨張に伴って、正極側導電性部材１１０、接続回路１１２及びヒューズ２１を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ｄが短絡する。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流によりヒューズ２１が溶断して、異常が発生した薄型電池１０ｄが、組電池２０ａを構成する他の薄型電池１０ｄから電気的に遮断される。
【００６４】
これに対し、この電気的に遮断された（異常な）薄型電池１０ｄに隣接する正常な薄型電池１０ｄ同士は、当該異常な薄型電池１０ｄの上部外装部材１０６が膨張している間は、当該異常な薄型電池１０ｄの接続回路１１２と正極側導電性部材１１０と正極端子１０４とを介して、電気的な接続が維持されている。
【００６５】
以上のように本実施形態では、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ｄの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来る。また、上部外装部材１０６の膨張時にヒューズ２１を溶断させることにより、異常が発生した薄型電池１０ｄを正常な薄型電池１０ｄから電気的に遮断して当該正常な薄型電池１０ｄにより組電池２０ａの使用を継続することが出来る。
【００６６】
さらに、本実施形態では、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ｄを短絡させその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ｄの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００６７】
［第５実施形態］
図９は本発明の第５実施形態に係る組電池の構成を示す回路図である。
【００６８】
本発明の第５実施形態における薄型電池１０ｅは、負極側導電性部材１１１、スイッチ回路１１６及びバイパス回路１１８をさらに備えている点で、第４実施形態における薄型電池１０ｄと相違するが、その他の構成は第４実施形態に係る薄型電池１０ｄと同一である。以下に、第５実施形態における薄型電池１０ｅについて、第４実施形態における薄型電池１０ｄとの相違点のみを説明する。
【００６９】
本実施形態における薄型電池１０ｅは、図９に示すように、スイッチ回路１１６と、バイパス回路１１８とを備えている。
【００７０】
スイッチ回路１１６は、その一方の端部が正極端子１０４に直接接続されているのに対し、他方の端部が負極側導電性部材１１１に接続されている。さらに、このスイッチ回路１１６上には、バイパス回路１１８を開閉するスイッチ１１７が設けられており、当該スイッチ回路１１６を流れる電流により当該スイッチ１１７を閉じることが可能となっている。
【００７１】
バイパス回路１１８は、薄型電池１０ｅ正極端子１０４、正極側導電性部材１１１及び接続回路１１２をバイパスして隣接する薄型電池１０ｅ同士を電気的に接続するように設けられている。このバイパス回路１１８上には、スイッチ回路１１６により開閉制御されるスイッチ１１７が設けられており、当該スイッチ１１７を閉じることにより、バイパス回路１１８を閉路することが可能となっている。
【００７２】
本実施形態に係る組電池２０ｂは、以上のような薄型電池１０ｅを複数用いて構成されており、当該複数の薄型電池１０ｅ同士が電気的に直列接続されている。
【００７３】
以上のような組電池２０ｂでは、一つの薄型電池１０ｅに過充電等の以上が発生し内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００７４】
この接続により、上部外装部材１０６の膨張に伴って、正極側導電性部材１１０、接続回路１１２及びヒューズ２１を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ｅが短絡する。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流によりヒューズ２１が溶断して、異常が発生した薄型電池１０ｅが、組電池２０ｂを構成する他の薄型電池１０ｅから電気的に遮断される。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流によりヒューズ２１が溶断して、異常が発生した薄型電池１０ｅが、組電池２０ａを構成する他の薄型電池１０ｅから電気的に遮断される。
【００７５】
また、本実施形態では、上部外装部材１０６が膨張した際に、当該外装部材１０６に貼り付けられた負極側導電性部材１１１がスイッチ回路１１６の一方の端部に押し付けられ、負極側導電性部材１１１とスイッチ回路１１６とが電気的に接続される。この接続により、スイッチ１１７が閉じてバイパス回路１１８が閉路され、正極端子１０４、正極側導電性部材１１０、及び、接続回路１１２をバイパスして、異常な薄型電池１０ｅに隣接する正常な薄型電池１０ｅ同士が電気的に接続される。
【００７６】
以上のように本実施形態では、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ｅの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来る。また、上部外装部材１０６の膨張時にヒューズ２１を溶断させることにより、異常が発生した薄型電池１０ｅを、正常な薄型電池１０ｅから電気的に遮断し、当該正常な薄型電池１０ｅにより組電池２０ｂの使用を継続することが出来る。
【００７７】
さらに、本実施形態では、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ｅを短絡させその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ｅの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００７８】
また、本実施形態では、バイパス回路１１８により、正極端子１０４、正極側導電性部材１１０、及び、接続回路１１２をバイパスするので、上部外装部材１０６の膨張が解消したような場合にも、正常な薄型電池１０ｅ同士の電気的な接続を維持することが出来る。
【００７９】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、図１に示す薄型電池の膨張前後の様子を示す要部断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図である。
【図５】図５は、図４のV-V線に沿った断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図である。
【図７】図７は、図６のVII-VII線に沿った断面図である。
【図８】図８は、本発明の第４実施形態に係る組電池の構成を示す回路図である。
【図９】図９は、本発明の第５実施形態に係る組電池の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０ａ〜１０ｅ…薄型電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ、１０１ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ、１０３ｃ…負極層
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６…上部外装部材
１０６ａ…未シール部
１０７…下部外装部材
１０８…シールフィルム
１０９…発電要素
１１０…正極側導電性部材
１１１…負極側導電性部材
１１２…接続回路
１１３、１１４…弁部材
１１５…発熱体
１１６…スイッチ回路
１１７…スイッチ
１１８…バイパス回路
２０ａ、２０ｂ…組電池
２１…ヒューズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極板を有する発電要素を外装部材に収容して封止すると共に、電極板に接続された電極端子が外装部材から外部に導出した二次電池及びそれを用いた組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極板を有する発電要素を外装部材に収容して封止すると共に電極板に接続された電極端子を外装部材から外部に導出した二次電池では、過充電等の異常時に電池内部にガスが発生して内圧が上昇する場合がある。
【０００３】
このような内圧上昇を解消するために、二次電池と外部とを電気的に接続する接続部品を電極端子に機械的に係合させ、ガス発生時に外装部材の膨張を利用してこの係合を解除することにより、二次電池を外部から電気的に遮断する技術が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような技術では、接続部品の係合強度を強く設定すると、電極端子との係合が解除され難くなり、電気的接続が遮断される際には二次電池の内圧が高くなり過ぎる。これに対し、当該係合強度を弱く設定すると、通常使用時でも電極端子との係合が解除され易くなり、二次電池の電気的接続が不安定となる。
【特許文献１】特開平１０−２９４０９７号公報
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、過充電等の異常時にガス発生を早期に停止させつつ、通常使用時には外部との安定した電気的接続を確保することが可能な二次電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、セパレータを介して積層された正極板及び負極板を有する発電要素と、前記発電要素を収容して封止する外装部材と、前記正極板及び前記負極板にそれぞれ接続された前記外装部材から外部に導出している正極端子及び負極端子と、を備えた二次電池であって、前記外装部材の膨張を検出する膨張検出手段と、前記膨張検出手段が前記外装部材の膨張を検出した際に、前記正極端子と前記負極端子とを電気的に接続する接続回路と、をさらに備えた二次電池が提供される。
【０００６】
本発明では、過充電等の異常時に二次電池の内部にガスが発生した際に、膨張検出手段が当該ガス発生に伴う外装部材の膨張を検出し、この検出結果に基づいて接続回路が正極端子と負極端子とを電気的に接続して、二次電池を短絡させる。
【０００７】
このように、外装部材の膨張を利用して、機械的に接続を遮断するのではなく二次電池を短絡させてその機能を停止させることにより、過充電等の異常時におけるガス発生の早期停止と、通常使用時における二次電池の外部との安定した電気的接続と、を容易に両立させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿った断面図、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は図１に示す薄型電池の膨張前後の様子を示す要部断面図である。
【００１０】
図１及び図２は一つの薄型電池１０ａ（単位電池）を示し、この薄型電池１０ａを複数接続することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。
【００１１】
本実施形態に係る薄型電池１０ａは、積層可能な平板状のリチウムイオン二次電池であり、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質と、から構成されており、例えば１０ｍｍ以下の総厚を有する。このうちの正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解液を特に発電要素１０９と称する。
【００１２】
発電要素１０９を構成する正極板１０１は、正極端子１０４まで延びている正極側集電体１０１ａと、正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃと、を有している。
【００１３】
この正極板１０１の正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
【００１４】
正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃは、例えば、ＬｉＮｉＯ２等のリチウム・ニッケル系複合酸化物、ＬｉＭｎ２Ｏ４等のリチウム・マンガン系複合酸化物、又は、ＬｉＣｏＯ２等のリチウム・コバルト系複合酸化物等や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリフッ化エチレンの水性ディスパージョン等の結着剤と、を混合させたものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。
【００１５】
発電要素１０９を構成する負極板１０３は、負極端子１０５まで延びている負極側集電体１０３ａと、当該負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃと、を有している。
【００１６】
この負極板１０３の負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
【００１７】
負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。
【００１８】
特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いる急激な出力低下がないので有利である。
【００１９】
発電要素１０９のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
【００２０】
なお、本発明のセパレータは、ポリオレフィン等の単層膜のみに限定されず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものを用いることも出来る。このようにセパレータを複層化することで、過電流防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することが出来る。
【００２１】
以上の発電要素１０９は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが交互に積層されている。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属箔製の負極端子１０５にそれぞれ接続されている。
【００２２】
なお、発電要素１０９の正極板１０１、セパレータ１０２、及び、負極板１０３は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、１枚の正極板１０１、３枚のセパレータ１０２、及び、１枚の負極板１０３でも発電要素１０９を構成することが出来、必要に応じて正極板、セパレータ及び負極板の枚数を選択して構成することが出来る。
【００２３】
正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることが出来る。また、負極端子１０５としては、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることが出来る。
【００２４】
以上のように構成される発電要素１０９は、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７に収容されて封止されている。
【００２５】
上部外装部材１０６は、図２に示すように、発電要素１０８を収容可能なカップ状の外形形状を有している。この上部外装部材１０６は、特に図示しないが、薄型電池１０ａの内側から外側に向かって、例えばポリエチレンやポリプロピレン等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている内側層と、例えばアルミニウム等の金属箔から構成されている中間層と、例えばポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムから構成されている外側層と、の三層構造から成る樹脂−金属薄膜ラミネート材で構成されている。
【００２６】
これに対し、下部外装部材１０７は、図２に示すように、平板状の外形形状を有しており、上部外装部材１０６と同様に、特に図示しないが、薄型電池１０ａの内側から外側に向かって、例えばポリエチレンやポリプロピレン等の耐電解液及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている内側層と、例えばアルミニウム等の金属箔から構成されている中間層と、例えばポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムから構成されている外側層と、の三層構造から成る樹脂−金属薄膜ラミネート材で構成されている。
【００２７】
これら外装部材１０６、１０７によって、上述の発電要素１０９、正極端子１０４の一部及び負極端子１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）やホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、外装部材１０６、１０７により形成される空間を吸引して減圧し、外装部材１０６、１０７をその外周縁に沿って熱プレスにより熱融着して封止する。
【００２８】
有機液体溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等のエステル系溶媒を挙げることが出来るが、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他の混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。
【００２９】
本実施形態に係る薄型電池１０ａは、当該電池１０ａ内の封止性を維持するために、正極端子１０４と外装部材１０６、１０７とが接触する部分にポリエチレンやポリプロピレン等の耐電解液性及び熱融着性に優れたシールフィルム１０８が介在している。同様に、外装部材１０６、１０７の他方の端部からは負極端子１０５が導出するが、ここにも正極端子１０４側と同様に、当該負極端子１０５と外装部材１０６、１０７とが接触する部分にシールフィルム１０８が介在している。
【００３０】
さらに、本実施形態に係る薄型電池１０ａは、正極側導電性部材１１０と、負極側導電性部材１１１と、接続回路１１２と、を有している。
【００３１】
正極側導電性部材１１０は、図１及び図２に示すように、正極端子１０４側から薄型電池１０ａの中央側に向かって延びるように、上部外装部材１０６における正極端子１０４近傍の表面に貼り付けられており、正極端子１０４に電気的に接続されている。この正極側導電性部材１１０は、正極端子１０４より薄い金属箔等から構成されており、これにより上部外装部材１０６の膨張変形に追従し易くなっている。
【００３２】
負極側導電性部材１１１も同様に、負極端子１０５側から薄型電池１０ａの中央側に向かって延びるように、上部外装部材１０６における負極端子１０５近傍の表面に貼り付けられており、負極端子１０５に電気的に接続されている。この負極側導電性部材１１１は、負極端子１０５より薄い金属箔等から構成されており、これにより、上部外装部材１０６の膨張変形に追従し易くなっている。
【００３３】
接続回路１１２は、略コ字状の外形形状を有する導電性に優れた金属製の部材である。この接続回路１１２は、上部外装部材１０６のカップ部を囲むように薄型電池１０ａに対して配置されており、特に図示しないが薄型電池１０ａを収容する筐体等に固定されている。さらに、この接続回路１１２は、その一方の端部が正極側導電性部材１１０に対向し、他方の端部が負極側導電性１１１に対向するように配置されており、図３（Ａ）に示すように、上部外装部材１０６の非膨張時には、正極側導電性部材１１０に非接触となっているのに対し、図３（Ｂ）に示すように、上部外装部材１０６の膨張時には、正極側導電性部材１１０と接触することが可能となっている。同様に、特に図示しないが、上部外装部材１０６の非膨張時には、接続回路１１２が負極側導電性部材１１１に非接触となっており、上部外装部材１０６の膨張時には、接続回路１１２が負極側導電性部材１１１に接触することが可能となっている。
【００３４】
以上のような構成の薄型電池１０ａでは、図３（Ｂ）に示すように、過充電等の異常時に薄型電池１０ａ内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００３５】
同様に、特に図示しないが、上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた負極側導電性部材１１１が接続回路１１２の他方の端部に押し付けられ、負極側導電性部材１１１と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００３６】
従って、上部外装部材１０６の膨張に伴って、導電性部材１１０、１１１及び接続回路１１２を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ａが短絡する。これにより、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ａの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来る。
【００３７】
また、本実施形態に係る薄型電池１０ａは、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ａを短絡させてその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ａの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００３８】
なお、上部外装部材１０６が膨張して各導電性部材１１０、１１１と接続回路１１２とが接触している限り、薄型電池１０ａが組み込まれた回路等を当該薄型電池１０ａの異常により電気的に遮断することなく、各導電性部材１１０、１１１及び接続回路１１２を介して維持することが出来る。
【００３９】
［第２実施形態］
図４は本発明の第２実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図、図５は図４のV-V線に沿った断面図である。
【００４０】
本発明の第２実施形態に係る薄型電池１０ｂは、外装部材１０６、１０７の間に未シール部１０６ａが形成されている点、接続回路１１２上に弁部材１１３が設けられている点、及び、正極端子１０４側のみに導電性部材１１０が設けられている点、で上述の第１実施形態に係る薄型電池１０ａと相違するが、その他の構成は第１実施形態に係る薄型電池１０ａと同一である。以下に、第２実施形態に係る薄型電池１０ｂについて、第１実施形態に係る二次電池１０ａとの相違点のみを説明する。
【００４１】
本実施形態に係る薄型電池１０ｂは、図４及び図５に示すように、薄型電池１０ｂの内部と外部とを連通させるように、上部外装部材１０６と下部外装部材１０７との間に熱融着していない未シール部１０６ａが形成されている。
【００４２】
弁部材１１３は、この未シール部１０６ａの開口を閉塞するように外装部材１０６、１０７に接合された金属箔（ヒューズエレメント（可溶体））であり、接続回路１１２上に設けられている。この弁部材１１３は、正極側導電性部材１１０との導通により接続回路１１２を流れる電流により発熱し、その熱により当該弁部材１１３自体が溶融して未シール部１０６ａを介して薄型電池１０ｂの内部と外部とを連通させることが可能となっている。この弁部材１１３を構成する材料としては、例えば、鉛、錫又はこれらの合金等を挙げることが出来る。
【００４３】
以上のような構成の薄型電池１０ｂでは、過充電等の異常時に薄型電池１０ｂ内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。なお、本実施形態では、接続回路１１２の他方の端部は負極端子１０５に直接接続されている。
【００４４】
この接続により、上部外装部材１０６の膨張に伴って、正極側導電性部材１１０、接続回路１１２及び弁部材１１３を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ｂが短絡する。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流により弁部材１１３が発熱し、その発熱により当該弁部材１１３自体が溶融して未シール部１０６ａが開口し、薄型電池１０ｂ内部に発生したガスが外部に放出される。
【００４５】
従って、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ｂの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来ると共に、当該ガスを外部に早期に放出することが出来る。
【００４６】
また、本実施形態に係る薄型電池１０ｂは、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ｂを短絡させてその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ｂの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００４７】
なお、本実施形態では、弁部材１１３が本発明における発熱手段及び連通手段に相当する。
【００４８】
［第３実施形態］
図６は本発明の第３実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図、図７は図６のVII-VII線に沿った断面図である。
【００４９】
本発明の第３実施形態に係る薄型電池１０ｃは、弁部材１１３の代わりに、弁部材１１４及び発熱体１１５を有する点で上述の第２実施形態に係る薄型電池１０ｂと相違するが、その他の構成は第２実施形態に係る薄型電池１０ｂと同一である。以下に、第３実施形態に係る薄型電池１０ｃについて、第２実施形態に係る薄型電池１０ｂとの相違点のみを説明する。
【００５０】
本実施形態に係る薄型電池１０ｃは、図６及び図７に示すように、第２実施形態における弁部材１１３の代わりに、弁部材１１４及び発熱体１１５を有している。
【００５１】
弁部材１１４は、外装部材１０６、１０７に形成された未シール部１０６ａの開口を閉塞するように外装部材１０６、１０７に接合されており、第２実施形態と異なり、発熱体１１５の発熱により溶融可能な合成樹脂フィルムで構成されている。この弁部材１１４を構成する合成樹脂材料としては、例えばポリエチレンやポリプロピレン等を挙げることが出来る。
【００５２】
発熱体１１５は、この弁部材１１４の３辺を囲むように略コ字状に配置されており、接続回路１１２上に設けられている、この発熱体１１５は、例えば、コイル状のニクロム線や、熱伝導性に優れた金属材料から成る金属箔等で構成されており、正極側導電性部材１１０との導通により接続回路１１２を流れる電流により発熱することが可能となっている。
【００５３】
以上のような構成の薄型電池１０ｃでは、過充電等の異常時に薄型電池１０ｃ内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００５４】
この接続により、上部外装部材１０６の膨張に伴って、正極側導電性部材１１０、接続回路１１２及び発熱体１１５を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ｃが短絡する。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流により発熱体１１５が発熱し、その発熱により弁部材１１４が溶融して未シール部１０６ａが開口し、薄型電池１０ｃ内部に発生したガスが外部に放出される。
【００５５】
従って、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ｂの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来ると共に、当該ガスを外部に早期に放出させることが出来る。
【００５６】
また、本実施形態に係る薄型電池１０ｃは、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ｃを短絡させてその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ｃの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００５７】
なお、本実施形態では、弁部材１１４が本発明における連通手段に相当し、発熱体１１５が本発明における発熱手段に相当する。
【００５８】
［第４実施形態］
図８は本発明の第４実施形態に係る組電池の構成を示す回路図である。
【００５９】
本発明の第４実施形態に係る組電池２０ａは、図８に示すように、複数の薄型電池１０ｄを電気的に直列接続して構成されている。
【００６０】
この組電池２０ａを構成する各薄型電池１０ｄは、正極端子１０４側のみに導電性部材１１０が設けられており、接続回路１１２の他方の端部がヒューズ２１を介して負極端子１０５に接続されている。この薄型電池１０ｄのその他の構成は、第１実施形態に係る薄型電池１０ａと同一であるのでここでは省略する。
【００６１】
本実施形態に係る組電池２０ａは、このような構成の薄型電池１０ｄを複数用いて構成されており、当該複数の薄型電池１０ｄの電極端子１０４、１０５同士が前記ヒューズ２１を介して相互に接続されることにより、当該複数の薄型電池１０ｄが電気的に直列接続されている。
【００６２】
以上のような組電池２０ａでは、一つの薄型電池１０ｄに過充電等の異常が発生し内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００６３】
この接続により、上部外装部材１０６の膨張に伴って、正極側導電性部材１１０、接続回路１１２及びヒューズ２１を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ｄが短絡する。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流によりヒューズ２１が溶断して、異常が発生した薄型電池１０ｄが、組電池２０ａを構成する他の薄型電池１０ｄから電気的に遮断される。
【００６４】
これに対し、この電気的に遮断された（異常な）薄型電池１０ｄに隣接する正常な薄型電池１０ｄ同士は、当該異常な薄型電池１０ｄの上部外装部材１０６が膨張している間は、当該異常な薄型電池１０ｄの接続回路１１２と正極側導電性部材１１０と正極端子１０４とを介して、電気的な接続が維持されている。
【００６５】
以上のように本実施形態では、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ｄの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来る。また、上部外装部材１０６の膨張時にヒューズ２１を溶断させることにより、異常が発生した薄型電池１０ｄを正常な薄型電池１０ｄから電気的に遮断して当該正常な薄型電池１０ｄにより組電池２０ａの使用を継続することが出来る。
【００６６】
さらに、本実施形態では、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ｄを短絡させその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ｄの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００６７】
［第５実施形態］
図９は本発明の第５実施形態に係る組電池の構成を示す回路図である。
【００６８】
本発明の第５実施形態における薄型電池１０ｅは、負極側導電性部材１１１、スイッチ回路１１６及びバイパス回路１１８をさらに備えている点で、第４実施形態における薄型電池１０ｄと相違するが、その他の構成は第４実施形態に係る薄型電池１０ｄと同一である。以下に、第５実施形態における薄型電池１０ｅについて、第４実施形態における薄型電池１０ｄとの相違点のみを説明する。
【００６９】
本実施形態における薄型電池１０ｅは、図９に示すように、スイッチ回路１１６と、バイパス回路１１８とを備えている。
【００７０】
スイッチ回路１１６は、その一方の端部が正極端子１０４に直接接続されているのに対し、他方の端部が負極側導電性部材１１１に接続されている。さらに、このスイッチ回路１１６上には、バイパス回路１１８を開閉するスイッチ１１７が設けられており、当該スイッチ回路１１６を流れる電流により当該スイッチ１１７を閉じることが可能となっている。
【００７１】
バイパス回路１１８は、薄型電池１０ｅ正極端子１０４、正極側導電性部材１１１及び接続回路１１２をバイパスして隣接する薄型電池１０ｅ同士を電気的に接続するように設けられている。このバイパス回路１１８上には、スイッチ回路１１６により開閉制御されるスイッチ１１７が設けられており、当該スイッチ１１７を閉じることにより、バイパス回路１１８を閉路することが可能となっている。
【００７２】
本実施形態に係る組電池２０ｂは、以上のような薄型電池１０ｅを複数用いて構成されており、当該複数の薄型電池１０ｅ同士が電気的に直列接続されている。
【００７３】
以上のような組電池２０ｂでは、一つの薄型電池１０ｅに過充電等の以上が発生し内部にガスが発生して上部外装部材１０６が膨張すると、当該外装部材１０６に貼り付けられた正極側導電性部材１１０が接続回路１１２の一方の端部に押し付けられ、正極側導電性部材１１０と接続回路１１２とが電気的に接続される。
【００７４】
この接続により、上部外装部材１０６の膨張に伴って、正極側導電性部材１１０、接続回路１１２及びヒューズ２１を介して、正極端子１０４と負極端子１０５とが電気的に接続されて薄型電池１０ｅが短絡する。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流によりヒューズ２１が溶断して、異常が発生した薄型電池１０ｅが、組電池２０ｂを構成する他の薄型電池１０ｅから電気的に遮断される。これと同時に、接続回路１１２を流れる電流によりヒューズ２１が溶断して、異常が発生した薄型電池１０ｅが、組電池２０ａを構成する他の薄型電池１０ｅから電気的に遮断される。
【００７５】
また、本実施形態では、上部外装部材１０６が膨張した際に、当該外装部材１０６に貼り付けられた負極側導電性部材１１１がスイッチ回路１１６の一方の端部に押し付けられ、負極側導電性部材１１１とスイッチ回路１１６とが電気的に接続される。この接続により、スイッチ１１７が閉じてバイパス回路１１８が閉路され、正極端子１０４、正極側導電性部材１１０、及び、接続回路１１２をバイパスして、異常な薄型電池１０ｅに隣接する正常な薄型電池１０ｅ同士が電気的に接続される。
【００７６】
以上のように本実施形態では、過充電等の異常時において内圧が上昇する前に薄型電池１０ｅの機能が停止するので、ガス発生を早期に停止させることが出来る。また、上部外装部材１０６の膨張時にヒューズ２１を溶断させることにより、異常が発生した薄型電池１０ｅを、正常な薄型電池１０ｅから電気的に遮断し、当該正常な薄型電池１０ｅにより組電池２０ｂの使用を継続することが出来る。
【００７７】
さらに、本実施形態では、過充電等の異常時に上部外装部材１０６の膨張を利用して薄型電池１０ｅを短絡させその機能を停止させるので、通常使用時には薄型電池１０ｅの外部との安定した電気的接続が確保される。
【００７８】
また、本実施形態では、バイパス回路１１８により、正極端子１０４、正極側導電性部材１１０、及び、接続回路１１２をバイパスするので、上部外装部材１０６の膨張が解消したような場合にも、正常な薄型電池１０ｅ同士の電気的な接続を維持することが出来る。
【００７９】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、図１に示す薄型電池の膨張前後の様子を示す要部断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図である。
【図５】図５は、図４のV-V線に沿った断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施形態に係る薄型電池の全体の構成を示す平面図である。
【図７】図７は、図６のVII-VII線に沿った断面図である。
【図８】図８は、本発明の第４実施形態に係る組電池の構成を示す回路図である。
【図９】図９は、本発明の第５実施形態に係る組電池の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０ａ〜１０ｅ…薄型電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ、１０１ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ、１０３ｃ…負極層
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６…上部外装部材
１０６ａ…未シール部
１０７…下部外装部材
１０８…シールフィルム
１０９…発電要素
１１０…正極側導電性部材
１１１…負極側導電性部材
１１２…接続回路
１１３、１１４…弁部材
１１５…発熱体
１１６…スイッチ回路
１１７…スイッチ
１１８…バイパス回路
２０ａ、２０ｂ…組電池
２１…ヒューズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを介して積層された正極板及び負極板を有する発電要素と、
前記発電要素を収容して封止する外装部材と、
前記正極板及び前記負極板にそれぞれ接続された前記外装部材から外部に導出している正極端子及び負極端子と、を備えた二次電池であって、
前記外装部材の膨張を検出する膨張検出手段と、
前記膨張検出手段が前記外装部材の膨張を検出した際に、前記正極端子と前記負極端子とを電気的に接続する接続回路と、をさらに備えた二次電池。
【請求項２】
前記膨張検出手段は、前記外装部材の表面に設けられ、前記正極端子又は前記負極端子の少なくとも一方に電気的に接続された導電性部材を有し、
前記接続回路は、前記外装部材の非膨張時には前記導電性部材が非接触であり、前記外装部材の膨張時には前記導電性部材が接触するように配置されている請求項１記載の二次電池。
【請求項３】
前記接続回路を流れる電流により発熱可能な発熱手段と、
前記外装部材の一部に設けられ、前記発熱手段によって発生した熱で開口することにより前記外装部材の内部と外部とを連通させる連通手段と、をさらに備えた請求項１又は２記載の二次電池。
【請求項４】
前記連通手段は、前記発熱手段の発熱で溶融することにより前記外装部材の内部と外部とを連通させる請求項３記載の二次電池。
【請求項５】
前記発熱手段及び連通手段は、前記外装部材に形成された開口を閉塞するように設けられた金属箔である請求項４記載の二次電池。
【請求項６】
前記連通手段は、前記外装部材に形成された開口を閉塞するように設けられた合成樹脂フィルムであり、
前記発熱手段は、前記連通手段に囲むように配置されている請求項４記載の二次電池。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の二次電池を複数有し、前記複数の二次電池を電気的に接続した組電池。
【請求項８】
前記複数の二次電池の電極端子同士は、ヒューズを介して相互に接続されており、
前記各導電性部材は、前記正極端子又は前記負極端子の一方に接続され、
前記各接続回路は、前記正極端子又は前記負極端子の他方に接続された前記ヒューズを介して当該正極端子又は負極端子の他方に接続されている請求項７記載の組電池。
【請求項９】
前記複数の二次電池は、前記膨張検出手段が前記外装部材の膨張を検出した際に、前記正極端子又は前記負極端子の一方、前記導電性部材、及び、前記接続回路をバイパスするバイパス回路をそれぞれ備えた請求項８記載の組電池。
【請求項１０】
前記複数の二次電池は、前記膨張手段が前記外装部材の膨張を検出した際に、前記バイパス手段を閉路するスイッチ手段をさらに備えた請求項９記載の組電池。
【請求項１】
セパレータを介して積層された正極板及び負極板を有する発電要素と、
前記発電要素を収容して封止する外装部材と、
前記正極板及び前記負極板にそれぞれ接続された前記外装部材から外部に導出している正極端子及び負極端子と、を備えた二次電池であって、
前記外装部材の膨張を検出する膨張検出手段と、
前記膨張検出手段が前記外装部材の膨張を検出した際に、前記正極端子と前記負極端子とを電気的に接続する接続回路と、をさらに備えた二次電池。
【請求項２】
前記膨張検出手段は、前記外装部材の表面に設けられ、前記正極端子又は前記負極端子の少なくとも一方に電気的に接続された導電性部材を有し、
前記接続回路は、前記外装部材の非膨張時には前記導電性部材が非接触であり、前記外装部材の膨張時には前記導電性部材が接触するように配置されている請求項１記載の二次電池。
【請求項３】
前記接続回路を流れる電流により発熱可能な発熱手段と、
前記外装部材の一部に設けられ、前記発熱手段によって発生した熱で開口することにより前記外装部材の内部と外部とを連通させる連通手段と、をさらに備えた請求項１又は２記載の二次電池。
【請求項４】
前記連通手段は、前記発熱手段の発熱で溶融することにより前記外装部材の内部と外部とを連通させる請求項３記載の二次電池。
【請求項５】
前記発熱手段及び連通手段は、前記外装部材に形成された開口を閉塞するように設けられた金属箔である請求項４記載の二次電池。
【請求項６】
前記連通手段は、前記外装部材に形成された開口を閉塞するように設けられた合成樹脂フィルムであり、
前記発熱手段は、前記連通手段に囲むように配置されている請求項４記載の二次電池。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の二次電池を複数有し、前記複数の二次電池を電気的に接続した組電池。
【請求項８】
前記複数の二次電池の電極端子同士は、ヒューズを介して相互に接続されており、
前記各導電性部材は、前記正極端子又は前記負極端子の一方に接続され、
前記各接続回路は、前記正極端子又は前記負極端子の他方に接続された前記ヒューズを介して当該正極端子又は負極端子の他方に接続されている請求項７記載の組電池。
【請求項９】
前記複数の二次電池は、前記膨張検出手段が前記外装部材の膨張を検出した際に、前記正極端子又は前記負極端子の一方、前記導電性部材、及び、前記接続回路をバイパスするバイパス回路をそれぞれ備えた請求項８記載の組電池。
【請求項１０】
前記複数の二次電池は、前記膨張手段が前記外装部材の膨張を検出した際に、前記バイパス手段を閉路するスイッチ手段をさらに備えた請求項９記載の組電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−１８５７０９（Ｐ２００６−１８５７０９Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７６９５７（Ｐ２００４−３７６９５７）
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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