電池安全閥及其製造方法
2023-06-12 10:42:06 4
專利名稱：電池安全閥及其製造方法
技術領域：
本發明涉及電池安全閥及其製造方法，這種電池安全閥是在封口電池的板狀封口板的開放孔上形成薄壁閥體，當電池內部壓力超過規定值時，上述閥體破碎，將電池內的氣體放到電池外。
近年來，非水電解液電池因其容量大而受到世人矚目，這種非水電解液電池以金屬鋰或LiCoO2等含鋰複合氧化物為正極材料，而以吸收、放出鋰離子得到的鋰-鋁合金、炭素材料等為負極材料。
對於上述非水電解液電池，將其投入火中，或在異常條件下進行充放電等誤操作時，電池內會放出大量的氣體，此時，若電池內的氣體不能迅速放出到電池外，則電池將會破裂或起火等現象發生。而為了使上述電池在異常時能夠使電池內的氣體迅速地放出到電池外，設計了安全閥。對這樣的安全閥提出了如下的幾種方案。
(1)特開平10-1065524號公報(參照
圖1-圖4)所示，把構成閥體(閥體由2塊鋁材構成)的覆蓋層(厚度約為基材的10％)22焊接或壓焊到環狀基材21的開放孔21a上製作安全閥23，再把該安全閥23安裝到封口板24上那樣的方式(所謂安全閥覆蓋層式)。
(2)特開平11-250885號公報(參照圖5及圖6)所示，在封口板25的開放孔25a的中間具有破裂槽26的。
(3)如特開平11-273640號公報(參照圖7及圖8)所示，封口板28的開放孔28a的下端部形成鼓狀薄壁閥體29。
(1)的安全閥的問題對於這種安全閥23，在基材21和覆蓋層22的焊接或壓焊時因焊接強度等原因會出現斷裂，或在把安全閥23安裝到封口板24上時可能會損傷覆蓋層22，因而，存在電解液洩漏或每個電池的安全閥的動作壓力差增大的問題。
(2)的安全閥的問題對於這種安全閥，由於每個電池的安全閥的動作壓力差變小，在安全閥破損時，在閥體27的開放面積上會出現斷裂現象，在開放面積較小時，因有大量的氣體產生，而要放出大量氣體。因此，不能充分發揮出作為安全閥的功能，存在電池起火，破裂等現象的發生。
(3)安全閥的問題對於這種安全閥，因為閥體29的開放面積變大，所以產生的大量氣體迅速放出，但因為薄壁閥體29形成在開放孔28a的下端部，所以在組裝電池時，電池上受到振動、衝擊等力時，所使用的工具會損傷閥體29，造成斷裂，存在電解液洩漏的問題。
本發明的目的在於提供一種電池安全閥及其製造方法，能夠使每個這種電池的安全閥的動作壓力差縮小，安全閥動作時確保足夠的開放面積。
本發明的另外的目的在於提高電池的安全閥及其製造方法，這種電池能夠防止電解液的洩漏。
為了完成上述目的，本發明中權利要求1記載的發明涉及在封口電池的板狀封口板上形成薄壁閥體，當電池內部壓力超過規定值時，上述閥體破碎，使電池內的氣體放出到電池外的電池安全閥，上述閥體為呈鼓狀的鼓狀部，且在閥體的中央部或其附近形成使閥體易於破裂的破裂槽。
因此，由於在閥體的中央部或其附近形成使閥體易於破裂的破裂槽，因此，當電池內部壓力上升時，閥體能夠可靠地從該破裂槽處破裂，且由於閥體形成為呈鼓狀的鼓狀部，因此，如上所述地閥體從破裂槽處開始破裂後，氣體所產生的應力強行使鼓狀部的邊緣部破裂。因而，即使在若干閥體的厚度上有斷裂，每個電池的安全閥的動作壓力差仍變小。
權利要求2記載的發明的特徵在於以權利要求1為基礎，上述鼓狀部設1個。
權利要求3記載的發明是在權利要求2的基礎上，上述破裂槽形成在上述鼓狀部邊緣。
若把破裂槽形成在鼓狀部邊緣上，則由於閥體破裂將更容易，能夠使每個電池的安全閥的動作壓力差更小。
權利要求4記載的發明是在權利要求1的基礎上，上述鼓狀部設置2個以上。
如果鼓狀部設置2個以上，在安全閥動作時能夠確保充分的開放面積。
權利要求5記載的發明是在權利要求4的基礎上，上述破裂槽形成在上述2個以上鼓狀中的至少一個鼓狀部的邊緣。
如果採用這樣的構成，能夠起到與權利要求3記載的相同作用效果。
權利要求6記載的發明是在權利要求1的基礎上，上述閥體的整體位於上述封口板的外側面和齊平面的假想面以及上述封口板內側面和齊平面的假想面之間。
如果採用這樣的構成，由於工具和閥體不直接接觸，因此，電池組裝時即使有振動、衝擊等，仍能夠防止工具等損傷閥體，並可抑制電解液的洩漏。
權利要求7記載的發明是在權利要求1的基礎上，上述鼓狀部是向電池外側方向膨脹地形成鼓狀。
根據這種構成，安全閥動作更可靠。
權利要求8記載的發明是在權利要求1的基礎上，上述閥體的厚度相對於上述封口板的厚度，限制在封口板厚度的0.1-10％。
之所以如上地限制閥體厚度，是因為若閥體厚度不足封口板厚度的0.1時，閥體過薄，容易出現電解液洩漏，而當閥體厚度超過封口板厚度的10％時，閥體過厚，每個電池的安全閥的動作壓力差變大。
權利要求9記載的發明是在權利要求1的基礎上，上述閥體的平面形狀是圓形，橢圓形或四方形。
對閥體的平面形狀雖然例示了圓形，橢圓形或四方形，但其中理想的是橢圓形或四方形。這是因為閥體為圓形時，閥體邊緣部上的應力是均勻的，閥體難以破碎，所以存在每個電池的安全閥的動作壓力差變大的情況，而如果閥體為橢圓形或方形，則長邊方向的應力增大，從長邊方向使閥體可靠地破碎，因此，每個電池的安全閥的動作壓力差變小。
權利要求10記載的發明是在權利要求1的基礎上，上述閥體和封口板一體地形成。
如果採取這種構成，則由於安全閥的部件數量減少，因此，可降低電池的製造成本。
權利要求11記載的發明是在權利要求1的基礎上，破碎輔助槽與上述破碎槽分開地形成在上述閥體的邊緣附近。
根據該構成，當電池內壓力上升時，因為鼓狀部上的在破碎附近的變移量增大，所以特別是閥體尺寸較小的(電池厚度較薄的)電池，即使內壓上升較小，仍可穩定地動作。而且，在製造電池時，可以放鬆對破碎槽的壁厚的公差，品質管理和模具調整變得更為容易，從而可提高生產效率。
為了完成上述目的，本發明中的權利要求12的發明具有通過塑性加工形成薄壁閥體的閥體形成步驟，其中該薄壁閥體在對電池封口的封口板上具備弓形鼓狀部，且在中央或其附近形成了易於使閥體破碎的破碎槽。
根據該方法，由於權利要求1記載的電池安全閥在封口板部件加工時形成的，因此可提高生產效率。
權利要求13記載的發明是在權利要求12的基礎上，在上述閥體形成步驟中，將上述閥體形成在上述封口板的外側面和齊平面的假想面和上述封口板的內側面和假想面之間。
根據上述的方法，權利要求6記載的電池安全閥在製造時，即使夾具和其它工具與封口板接觸，仍能防止對閥體部件的損傷。
權利要求14記載的發明是在權利要求12的基礎上，在上述閥體形成步驟中，形成向電池外側方向鼓出的鼓狀部。
根據該方法，在製造權利要求7記載的電池安全閥時，能夠製造出動作更為可靠的閥體。
權利要求15記載的發明是在權利要求12的基礎上，在上述閥體形成步驟中，在上述閥體邊緣附近形成與上述破碎槽分離的破碎輔助槽。
根據上述方法，在製造權利要求11記載的電池安全閥時，能夠製造出動作更加可靠的閥體。
權利要求16記載的發明是在權利要求12的基礎上，在上述閥體形成步驟後，還有對閥體進行退火處理的退火步驟。
當利用上述加工步驟形成薄壁閥體時，閥體材料的硬度增高，材料自身的機械強度增大，結果每個電池的安全閥的動作壓力差變大。而且，如上所述，在閥體形成步驟之後的步驟，若對閥體進行退火處理，閥體的材料硬度變低，材料自身的機械強度變小，結果每個電池的安全閥的動作壓力差變小。
圖1是現有安全閥的平面圖。
圖2是圖1中A-A線看的斷面圖。
圖3是使用現有始閥的非水電解液電池平面圖。
圖4是圖3中B-B線看的斷面圖。
圖5是現有其它類安全閥的平面圖。
圖6是圖5中C-C線看的斷面圖。
圖7是現有其它類安全閥的平面圖。
圖8是圖7中D-D線看的斷面圖。
圖9是本發明安全閥的平面圖。
圖10是圖9中E-E線看的斷面圖。
圖11是使用本發明安全閥的非水電解液電池的平面圖。
圖12是圖11的F-F線看的斷面圖。
圖13是另一例安全閥的平面圖。
圖14是說明具備圖13的安全閥的電池內壓上升時的安全閥的動作狀態。
圖15是圖14的主要部分的放大圖。
圖16是示出閥體彎曲強度增強部分的平面圖。
圖17是說明具備圖16的安全閥的電池內壓上升時的安全閥的動作狀態。
圖18是圖17的主要部分放大圖。
圖19是另一例安全閥的平面圖。
圖20是另一例安全閥的平面圖。
圖21是另一例安全閥的平面圖。
圖22是另一例安全閥的平面圖。
圖23是另一例安全閥的平面圖。
下面，參照圖9-圖23說明本發明的實施形式。
第1實施例(實施例1)如圖11及圖12所示，本發明的非水電解液電池具有帶底圓筒狀的外殼8，在該外殼8內容納了偏平渦卷狀發電元件7，該發電元件7由正極，負極和分離兩電極的隔件構成，其中的正極是在由鋁合金構成的芯體上形成以LiCoO2為主體的活性物質層而構成的，負極是在由銅構成的芯體上形成以黑鉛為主體的活性物質層而構成的。將LiPF6以1M(摩爾/升)的比例溶解在由碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)以體積比為4∶6的比例混合後的混合溶劑內而得到電解液注入上述外殼8內。此外，把鋁合金封口板6(厚度1mm)雷射焊接到上述外殼8的開放孔上，由該封口板6堵住電池開口。
上述封口板6被夾持部件16與墊圈11，絕緣板12以及導電板14一起夾持著，在該夾持部件16上固定負極端帽10。從上述負極處延伸的負極接頭15經上述導電板14和夾持部件16與上述負極端帽導電連接，而上述正極經正極接頭(圖中未示出)與上述外殼8導電連接。
在上述封口板6和上述絕緣板12上形成開放孔17，如圖9及圖10所示，在該開放孔17上設安全閥9，該安全閥9由薄壁閥體(厚度為50μm，是封口板6的厚度的5.0％)構成，且與上述封口板6一體地形成(所用材料與封口板6的相同，均為鋁合金)。該安全閥9當電池內部壓力高於規定值以上時其破碎，將電池內的氣體放出到電池外的構造。在上述閥體上形成2個弓形鼓狀部2，鼓狀部2是向電池外側方向鼓出而形成的，這些鼓狀部2.2的邊緣上形成使閥體更容易破碎的破碎槽4.4，它們在安全閥的略中央部位相鄰。安全閥9整體形成在上述封口板6的外側面6A和齊平面的假想面18A和上述封口板6的內側面6B和假想面18B之間。
上述構造的非水電解質電池按以下方式製造。
首先，把作為正極活性物質的LiCoO2重量的90％，作為導電劑的碳黑重量的5％，作為粘結劑的聚氟乙烯叉重量的5％，和作為溶劑的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)混合，調製出粘合液後，把上述粘合液塗抹在作為正極集電體的鋁箔兩面上。之後，乾燥掉溶劑，用輥壓縮到規定的厚度後，切割成確定的寬度及長度，再焊接鋁合金制的正極集電接頭。
與之相步地，把作為負極活性物質的石墨粉末重量的95％，作為導電劑的碳黑重量的5％，作為粘結劑的聚偏二氟乙烯重量的5％，和作為溶劑的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液混合，調製出粘合液後，把上述粘合液塗抹在作為負極集電體的銅箔兩面上。之後，乾燥掉溶劑，用輥壓縮到規定的厚度後，切割成確定的寬度及長度，再焊接鎳制的負極集電接頭。
然後，把由聚乙烯制多孔膜構成的分隔膜介於上述正極和負極之間並將它們捲起製作成偏平渦卷狀的發電元件7後，把該發電元件7插入外殼8內。
另一方面，與上述步驟同步地，通過鍛造加工(塑性加工的一種)在封口板的預定位置上形成薄平板部分後，在其平坦部分上進行壓印加工，形成破碎槽4，設置了鼓狀部2，因此，作成了與封口板6一體的安全閥9。之後，利用夾持部件16將封口板6，墊圈11，絕緣板12及導電板14進行夾持。
接著，用雷射焊接外殼8和封口板6後，把電解液注入外殼8內，此外，把負極端帽10固定到夾持部件16上，製作成了非水電解液電池。下面，把這樣製作成的電池稱為本發明電池A1。
(實施例2)製作了形成安全閥9的封口板6後，除了對安全閥9進行退火處理外，其它與上述第1實施形式相同的構成。
下面，把這樣製作的電池稱為A2。
(實施例3)只在鼓狀部2.2中的一個鼓狀部上，在其周邊上形成便於閥體破碎的破碎槽4，其它的以與上述實施例1相同的方法製作。
下面，把這樣製作的電池稱為A3。
(比較例1)使用現有技術的特開平10-106524號公報(參照圖1-圖4)所示的電池。
下面，把這樣製作的電池稱為X1。
(比較例2)使用現有技術的特開平11-250885號公報(參照圖5及圖6)所示的電池。
下面，把這樣製作的電池稱為X2。
(比較例3)使用現有技術的特開平11-273640號公報(參照圖7及圖8)所示的電池。
下面，把這樣製作的電池稱為X3。
實驗1對於上述本發明電池A1、A2及比較電池X1、X2，做以下的試驗在70℃下保持小時後在零下30℃保持1小時這樣1個循環的熱衝擊反覆做100次，經過100個循環後，調查電解液的洩漏量的試驗；用燃燒器加熱電池，調查電池破裂，起火的加熱試驗；以及調查安全閥的動作壓力差的動作壓力差試驗。並將這些結果列於下表1中。
表1
從上述表1可知，比較電池X1在熱擊試驗中發生電解液的洩漏，同時在動作壓力差試驗中動作壓力差增大，而比較電池X2在加熱試驗中電池破裂並起火，比較電池X3在熱擊試驗中發生電解液洩漏。相對地，對於本發明的電池A1、A2，可以確認在熱擊試驗中未發現電解液的洩漏，在加熱試驗中也未發現電池破裂起火等現象，而且，在動作壓力差試驗中，動作壓力差變小。
從上表可知，本發明電池A1、A2與比較電池X1-X3相比，能夠提高安全閥所要求的各項性能。
但是，本發明電池A2與本發明電池A1相比，在動作壓力試驗中，確認動作壓力差更小。因而，為使動作壓力變小，最好對安全閥進行退火處理。
(實驗2)對安全閥的厚度作各種不的設計，並在與上述實驗1相同條件下進行熱擊試驗以及動作壓力差試驗，並將試驗結果列於表2。且，確定封口板厚度為1.0mm，對安全閥9不作退火處理。
表2
從上述表2可知，安全閥厚度0.5μm(安全閥的厚度相對封口板厚度的0.05％)的安全閥在熱擊試驗中發生電解液的洩漏，而安全閥厚度150μm(安全閥的厚度相對封口板厚度的15.0％)的安全閥在動作壓力差試驗中動作壓力差增大。相對地，安全閥厚度1-100μm(安全閥的厚度為封口板厚度的0.1％-10.0％)的安全閥在熱擊試驗中未發生電解液的洩漏，而且，在動作壓力差試驗中確認動作壓力差變小。
因而，最好安全閥的厚度為封口板厚度的0.1％-10.0％。
(實驗3)關於上述本發明電池A1、A3，在與上述實驗相同條件下，進行動作壓力差試驗，其試驗結果示於表3中。另外，封口板的厚度是1.0mm。
表3
從上述表3可知，確認在雙方的鼓狀部2的邊緣上形成破碎槽4的本發明電池A1的動作壓力差較小，相對地只在一方鼓狀部2的邊緣上形成破碎槽4的本發明電池A3的動作壓力差較大。
因而，破碎槽4最好在雙方的鼓狀部2的邊緣上都形成。
(第2實施例)如圖13所示，在安全閥邊緣附近沒有形成破碎槽4的部位上形成破碎槽19、19，其它的與上述實施形式的構成相同。
若採用這樣的構成，則可發揮出以下的作用和效果。
即，如圖16所示，在不形成上述破碎輔助槽19時，因為距離鼓狀部2、2的部位處(圖16中的斜線部位)的彎曲強度大，所以如圖17及圖18所示，在電池內壓上升時，鼓狀部2、2上的破碎附近的變移量(安全閥的撓曲量)52變小。因此，特別對於電池厚度較薄的電池(即，安全閥9小的電池)，內壓上升較小時，不能移動地動作。此外，在製造安全閥9時，因為相對於破碎槽厚壁的公差較為嚴格，所以品質管理和模具調整是困難的，生產效果降低。
相對地，如圖13所示，若形成破碎輔助槽19、19，則因為距離鼓狀部2、2的部位(在圖13中，對應於圖16中的斜線部位)上的彎曲強度小，所以，如圖14及圖15所示，在電池內壓上升時，鼓狀部2、2處的破碎附近的變移量51變大。因此，特別是安全閥9小的電池，即使內壓上升較小，仍能穩定地動作。而且，在製造安全閥9時，能夠放鬆對破碎槽3、4壁厚的公差，所以品質管理和模具調整更為容易，生產效率高。
但是，破碎輔助槽19、19並不限於具有2個鼓狀部的結構，鼓狀部2可有3個。如圖19所示，只具一個鼓狀部2也可以。此時，破碎輔助槽19、19形成在安全閥9的邊緣附近的沒有形成破碎槽4的部位上。
(其它事項)對於上述2個實施例，雖然把社會總產值的平面形狀製成橢圓形，把鼓狀部2、2的平面形狀做成圓形，但並不限於這些形狀。例如，如圖20及圖21所示，安全閥9的平面形狀可以做成圓形或方形等，而把這些鼓狀部2、2做成橢圓形，或如圖22所示，安全閥9的平面形狀為橢圓形，而鼓狀部2、2的平面形狀做成橢圓形，用破碎槽連接它們的形狀也可以。
雖然安全閥9與封口板6為一體的，但並不限於一體的結構，如圖23所示，把框體1和安全閥9的閥體形成一體，框體1和封口板6通過雷射焊接相互固定的構造也可以。
而且，安全閥9的厚度不限於封口板6厚度的5.0％，只要在0.1％-10％的範圍內，均可得到良好的效果。
另外，作為封口板6及安全閥9的材料，不限於鋁合金，也可以使用純鋁，本發明不限於上述非水電解液電池，當然可以在封口板6及安全閥9使用鋁材料等的易損傷的材料的電池上使用。
但是，把本發明用於上述非水電解液電池上時，正極材料，除了上述LiCoO2外，例如，還可使用LiNiO2,LiMn2O4或它們的複合體等的含鋰複合氧化物，另外負極材料，除了上述碳素材料外，還可使用鋰金屬，鋰合金，或金屬氧化物(錫氧化物等)。而且，電解液的溶劑不限於上述的溶液可以用丙烯碳酸酯，碳酸乙烯酯，碳酸乙烯撐酯，γ——丁丙酯等的比較比感應率高的溶液和碳酸二乙烯酯，碳酸二甲酯，碳酸甲基—乙基酯，四氫呋喃，1,2二甲氧基乙烷，1,3二氧雜戊環，2—甲氧基四氫呋喃，乙醚等的低粘度低沸點溶劑以比率混合的溶劑。電解液的電解質可使用上述LiPF6之外的LiAsF6,LiClO4,LiBF4,LiCF3SO3等。
權利要求
1．一種電池安全閥，該安全閥是在封口電池的板狀封口板上形成薄壁閥體，當電池內部壓力超過規定值時，上述閥體破碎，使電池內的氣體放出到電池外的電池安全閥，其特徵在於上述閥體為呈鼓狀的鼓狀部，且在閥體的中央部或其附近形成使閥體易於破裂的破裂槽。
2．根據權利要求1記載的電池安全閥，其特徵在於上述鼓狀部設1個。
3．根據權利要求2記載的電池安全閥，其特徵在於上述破裂槽形成在上述鼓狀部邊緣。
4．根據權利要求1記載的電池安全閥，其特徵在於上述鼓狀部設置2個以上。
5．根據權利要求4記載的電池安全閥，其特徵在於上述破裂槽形成在上述2個以上鼓狀中的至少一個鼓狀部的邊緣。
6．根據權利要求1記載的電池安全閥，其特徵在於上述閥體的整體位於上述封口板的外側面和齊平面的假想面以及上述封口板內側面和齊平面的假想面之間。
7．根據權利要求1記載的電池安全閥，其特徵在於上述鼓狀部是向電池外側方向膨脹地形成鼓狀。
8．根據權利要求1記載的電池安全閥，其特徵在於上述閥體的厚度相對於上述封口板的厚度，限制在封口板厚度的0.1-10％。
9．根據權利要求1記載的電池安全閥，其特徵在於上述閥體的平面形狀是圓形，橢圓形或四方形。
10．根據權利要求1記載的電池安全閥，其特徵在於上述閥體和封口板一體地形成。
11．根據權利要求1記載的電池安全閥，其特徵在於破碎輔助槽與上述破碎槽分開地形成在上述閥體的邊緣附近。
12．一種閥體形成方法，其中該薄壁閥體在對電池封口的封口板上具備弓形鼓狀部，且在中央或其附近形成了易於使閥體破碎的破碎槽，塑性加工形成薄壁閥體的。
13．根據權利要求12記載的電池安全閥，其特徵在於在上述閥體形成步驟中，將上述閥體形成在上述封口板的外側面和齊平面的假想面和上述封口板的內側面和假想面之間。
14．根據權利要求12記載的電池安全閥，其特徵在於在上述閥體形成步驟中，形成向電池外側方向鼓出的鼓狀部。
15．根據權利要求12記載的電池安全閥，其特徵在於在上述閥體形成步驟中，在上述閥體邊緣附近形成與上述破碎槽分離的破碎輔助槽。
16．根據權利要求12記載的電池安全閥，其特徵在於在上述閥體形成步驟後，還有對閥體進行退火處理的退火步驟。
全文摘要
一種電池安全閥,該安全閥是在封口電池的板狀封口板上形成薄壁閥體,當電池內部壓力超過規定值時,上述閥體破碎,使電池內的氣體放出到電池外的電池安全閥,其特徵在於:上述閥體為呈鼓狀的鼓狀部,且在閥體的中央部或其附近形成使閥體易於破裂的破裂槽。因此,既能縮小每個電池的安全閥的動作壓力差,又能在安全閥動作時確保足夠的開放面積,且可防止電解液的洩漏。
文檔編號H01M2/12GK1313642SQ01116510
公開日2001年9月19日 申請日期2001年2月2日 優先權日2000年3月9日
發明者森下拓磨, 丸林啟則, 藤井繁樹, 飛田芳宏 申請人:三洋電機株式會社