CN1541427A - 非水电解质二次电池 - Google Patents

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Abstract

放置极板群(14)的电池壳体(1)的开口端用封口板(3)封口，用绝缘板(11)密封封口板(3)的上部，在形成于封口板(3)的凹部内，从由构成极板群(14)的正极板引出的正极引线(12)将温度保险丝(8)及PTC元件(9)串联，并与正极端子(+)连接。设置双重安全功能，即，在正负极间发生外部短路的情况下，PTC元件(9)随着温度上升电阻值骤增，限制过大电流，在发生PTC元件(9)不能限制的温度上升时，利用温度保险丝(8)的熔断切断电路。

Description

非水电解质二次电池
技术领域
本发明涉及非水电解质二次电池，特别是其特征为在曝露于高温状态的情况下、电池本身就具有防止热致破坏加速的功能的非水电解质二次电池。
背景技术
非水电解质二次电池之一的锂离子二次电池的能量密度高，其电解液采用可燃性的有机溶剂，因此与水溶液类的电池相比，安全性尤为重要。所以，在由于某种原因产生异常时也必须确保安全性，不损伤人和设备。例如，在电池的正极端子和负极端子之间接触到金属片等引起外部短路时，能量密度高的电池中流过过大的短路电流，因内部电阻产生焦耳热，电池温度上升。电池的温度高会引起正负极活性物质和电解液的反应及电解液的气化、分解等，使电池内部的气压骤升，造成电池的破裂及起火。
一般认为电池处于异常状态的原因不仅有这种外部短路，还有电气、机械、热等各种因素。锂离子二次电池等非水电解质二次电池设有防止电池处于异常状态、并且在处于异常状态时也不会发生危险的功能。
作为电池自身的功能一般所研究的是极板的活性物质及电解液不发生过剩的反应，分隔正极板和负极板的隔膜在采用聚烯烃系微多孔膜的情况下，具备控制异常反应的关闭功能，这是因为如果电池的温度异常高，则膜会软化而堵塞细孔，防止锂离子的流出。
如图17所示，圆筒形的锂离子二次电池中，隔着绝缘垫圈63将电池壳体61的开口部封口的封口部62形成正极或者负极的外部连接端子，电池壳体61构成和封口部62极性相反的外部连接端子。封口部62的构成是，设置将形成凸出部的端子板68、环状的PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)元件67、构成防爆阀的下金属板65和上金属板66由连接板64隔着绝缘部件69形成的整体的安全结构。该封口部62通过将电池壳体61的开口部折向内侧的紧固密封加工压缩绝缘垫圈63，利用绝缘垫圈63使封口部62与电池壳体61绝缘，同时密闭电池壳体61。
上述环状的PTC元件67具有在短路电流等过大电流通过时，随着自发热电阻值骤增，由此限制过大电流保护电池免受外部短路的损伤的功能。将上述下金属薄板65和形成鼓起部的上金属薄板66焊接于各自的中心点C，在随着温度上升内压异常升高时向外推压使上金属薄板66的鼓起部反向，中心点C的焊接断裂，切断电流电路。在内压进一步上升时，上金属薄板66从薄壁化的易断裂部66a断裂，将内压排出外部。采用这种构成可逐步实施限制电流、切断电流、排出内压的作用。
一般锂离子二次电池的构成形态为将电池和PTC元件及温度保险丝一起放入封装壳内的电池封装(如日本专利特开平6-349480号公报揭示)及将电池和构成保护电池免受过充电及过放电等影响的电池保护电路的电路基板一起放入封装壳内的电池封装。在设备中只装入电池的情况下，在连接电路上设置上述PTC元件及电池保护电路。
电池的温度异常上升是导致电池处于危险状态的最大原因，在构成上述电池封装的情况下，其控制方法也是通过设置温度保险丝使之与电池壳体接触，用热敏电阻等检测电池温度，以便在检测到异常的电池温度时切断输入输出电路。但是由于电池温度的检测是在电池的外部进行的，因此存在异常温度的检测延迟、检测精度低的问题。所以在电池内部检测温度以应对异常高温是最好的构成。为了实现这种构成，在日本专利特开平9-153355号公报中揭示了一种用内装温度保险丝的封口体密封电池壳体的开口部形成的密闭型电池。
移动电话及PDA(移动信息终端)等的小型轻量化、高性能化的进展很大程度上得益于作为其电源的电池的小型轻量化、更高容量化。而锂离子二次电池正成为这种移动设备的电池电源的主流，正在实现小型轻量化、高容量化。特别是为了适应移动设备的小型轻量化，多采用扁平的方形锂离子二次电池，用这种电池装配设备空间利用率高。
但是，方形电池等小型或薄型的电池难以确保有足够的空间来设置如前所述的PTC元件及具有电流切断机构的排出阀，因此需构成电池封装的形式，在电池的外部设置电池保护电路及PTC元件，防止电池处于危险状态。如前所述，从电池的外部检测电池处于危险状态下的温度状态存在检测延迟及检测精度低的问题，因此希望设置可根据小型薄型的电池内的温度实施动作的电池安全功能。
在这一点上，由于在前述的电池的内部设置温度保险丝的构成可根据电池内的温度实施动作，因此能有效地在因短路导致电池温度高，甚至破裂、起火之前切断短路电流电路。但是，如果温度保险丝的熔断温度设定得较低，则虽然安全性高了，但温度保险丝的熔断会使电池无法使用。因此，温度保险丝的熔断温度设定为快临近达到危险状态的温度，但这样在该设定值之前的温度下电池也会受到损伤。
本发明的目的在于提供非水电解质二次电池，该电池的安全功能可根据多个温度条件实施动作，使电池自身就能确保安全性，还可应用于小型薄型的电池。
发明的揭示
用于达成上述目的的本申请的发明1涉及的非水电解质二次电池的特征是，设置在规定的动作温度限制电流的复原式电流限制元件和在规定的动作温度切断电流的非复原式电流切断元件，这些元件与连通放置在电池内的极板的正极或负极和露出于电池外的正极端子或负极端子间的正极连接线路及/或负极连接线路串联。
采用上述非水电解质二次电池，由于在从极板到与外部连接的端子间设置复原式电流限制元件和非复原式电流切断元件，因此在类似电池外部短路的情况下，复原式电流限制元件因短路电流造成的温度上升实施动作，抑制过大的电流，防止电池上升到异常温度受到损伤。如果消除了外部短路的问题，则随着温度的降低恢复到原来的状态，从而使电池恢复到能够使用的状态。在因反充电及外加过大电压等原因复原式电流限制元件被绝缘击穿的情况下，非复原式电流元件因温度上升实施动作而切断电路，因此可防止电池上升至异常温度。依靠该双重安全动能，电池自身就能够防止因连接设备的故障及外部短路等导致电池处于危险状态。
本申请的发明2涉及的非水电解质二次电池的特征是，发电要素放置在成形为有底筒状的电池壳体内，电池壳体的开口端用朝向壳体内侧形成凹部的封口板封口，在封口板上用绝缘板密封，并且使正极端子及负极端子露出于上述绝缘板的外部，设置在规定的动作温度限制电流的复原式电流限制元件和在规定的动作温度切断电流的非复原式电流切断元件，这些元件与连通该正极端子或负极端子和构成上述发电要素的极板的正极或负极间的正极连接线路及/或负极连接线路串联。
上述非水电解质二次电池的构成是用形成凹部的封口板将电池壳体的开口端封口，用绝缘板在封口板上密封。采用这种结构可将复原式电流限制元件和非复原式电流切断元件设置在电池内，依靠该双重安全动能，电池自身就能够防止因连接设备的故障及外部短路等导致电池处于危险状态。而且，由于能够在以往用于引线连接的空区的空间内放入复原式电流限制元件和非复原式电流切断元件，因此不会因为放入了这些元件而使体积效率降低。而且复原式电流限制元件和非复原式电流切断元件放入凹部内，可以防止振动及冲击所导致的不良情况的发生。
通常，在拆开电池封装取出电池使用的情况下是无法保证其安全性的。但上述发明1及发明2涉及的非水电解质二次电池由于电池自身具备了安全功能，安全性提高，所以能够防止电池处于危险状态。
本申请的发明3涉及的非水电解质二次电池的特征是，将发电要素放置在成形为有底筒状的电池壳体内，电池壳体的开口端用朝向壳体内侧形成凹部的封口板封口，在将从构成上述发电要素的极板群引出的正极引线及负极引线分别与正极端子及负极端子连接的正极连接线路及/或负极连接线路上，连接在规定的动作温度限制电流的复原式电流限制元件和在规定的动作温度切断电流的非复原式电流切断元件，该复原式电流限制元件和非复原式电流切断元件设置在上述封口板的凹部内，设置在封口板上的与正极连接线路及负极连接线路相连的构成要素的导体面从形成于在封口板上密封的绝缘板的开口部露出于外部，作为前述正极端子及负极端子。
采用上述结构，由于在将电池壳体的开口端封口的封口板形成朝向电池壳体内侧的凹部，因此能够在凹部内设置作为电池的安全功能的复原式电流限制元件和非复原式电流切断元件等电池的构成要素。由于凹部位于在电池壳体内的极板群和封口板之间形成的空区的空间内，因此能够在不增加电池的体积的情况下构成具有安全功能的电池。设置在封口板上的构成要素的导体面可以作为正极端子或负极端子露在外面，因此无需设置用于形成端子的部件，这样可以减少部件数实现成本的降低。
附图的简要说明
图1为本发明的实施方式1～5涉及的方形锂离子二次电池的构成的外观立体图。
图2为实施方式1的锂离子二次电池的构成的部分剖面图。
图3为该电池的结构中的电路图。
图4为实施方式2的锂离子二次电池的构成的部分剖面图。
图5为该电池的结构中的电路图。
图6为实施方式3的锂离子二次电池的构成的部分剖面图。
图7为实施方式4的锂离子二次电池的构成的部分剖面图。
图8为实施方式5的锂离子二次电池的构成的部分剖面图。
图9为该电池的结构中的电路图。
图10为采用划线的异常内压排出机构的构成的部分剖面图。
图11为采用复合结构的异常内压排出机构的构成的部分剖面图。
图12为实施方式6的方形锂离子二次电池的构成的外观立体图。
图13为该电池的内部结构的部分剖面图。
图14A为图13的A-A线向视剖面图，图14B为图13的B-B线向视剖面图，图14C为图13的C-C线向视剖面图。
图15为该电池的结构中的电路图。
图16A～图16C为表示封口板采用压力加工形成的剖面图。
图17为以往技术的安全结构的示例的部分剖面图。
实施发明的最佳方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式，以供理解本发明。还有，以下所示的实施方式只是将本发明具体化的一个示例，并不是限定本发明的技术范围。
本实施方式说明的是作为非水电解质二次电池的一例的锂离子二次电池，如图1所示，所制造的是扁平的方形电池。
图1为本实施方式涉及的锂离子二次电池的外观，其结构是，在用镀镍钢板形成的有底方筒状的电池壳体1内放置发电要素，电池壳体1的开口部用后述的的封口板3封口，设置在封口板3上的正极端子(+)及负极端子(-)从形成于在封口板3上密封的绝缘板11的开口部露出在外部。
图2为用于构成上述锂离子二次电池的实施方式1的结构的部分剖面图，表示电池上部的内部结构。在电池壳体1内放入将正极板和负极板隔着隔膜卷成的极板群14，用框体2将其位置固定，以免从放置位置移动。在电池壳体1的开口端嵌合朝向壳体内侧形成凹部的封口板3，其周边与电池壳体1激光焊接，将电池壳体1的开口端封口。在形成于封口板3的两侧的开口部中的一个安装垫圈4固定铆钉6，并用上绝缘垫圈7和下绝缘垫圈5与封口板3绝缘同时保持封口性。另一个开口部用于向电池壳体1内注入电解液，注液后插入密封栓10，并通过将密封栓10焊接在封口板3上密封。
从构成上述极板群14的正极板引出的正极引线12与前述垫圈4焊接连接，从负极板引出的负极引线13与封口板3的底面焊接连接。在封口板3的凹部内设置温度保险丝(非复原式电流切断元件)8和PTC元件(复原式电流限制元件)9，该温度保险丝(非复原式电流切断元件)8通过绝缘部件15和处于负极电位的封口板3绝缘，该PTC元件(复原式电流限制元件)9通过绝缘部件16和封口板3绝缘。温度保险丝8的一个引出端8a与前述铆钉6连接，另一引出端8b与PTC元件9的下极板9a连接。前述绝缘部件15、16的材质最好是PP(聚丙烯)或PPS(对聚苯硫)，这里使用将其进行树脂成型后得到的材料。
封口板3的上部如图示，利用设有正极开口部11a及负极开口部11b的绝缘板11密封。PTC元件9的上极板9b从前述正极开口部11a露出在外部，作为正极端子(+)用。前述密封栓10从负极开口部11b露出在外部，作为负极端子(-)用。
如上所述，构成极板群14的正极板通过正极引线12、垫圈4、铆钉6、温度保险丝8、PTC元件9与正极端子(+)相连。负极板通过负极引线13、封口板3、密封拴10与负极端子(-)相连。即，如图3中的电路图所示，在极板群14的正极板和正极端子(+)之间串联温度保险丝8和PTC元件9，构成内装这些元件的锂离子二次电池。
前述PTC元件9的结构是，将在有机聚合物材料中分散导电性碳制成的PTC导电性聚合物形成平板状，在其上下面安装上极板9b、下极板9a。上极板9b、下极板9a间的电阻值通常为0.1Ω以下的低电阻值。但如果达到规定的动作温度(断路温度)，电阻值可骤增至104～106Ω。温度保险丝8的结构是在规定的动作温度熔融的低熔点合金的两端分别安装引线8a、8b，在规定的动作温度熔融时，引线8a、8b间的导通被切断。
在上述结构中，温度保险丝8的动作温度设定为100～130℃，PTC元件9的动作温度，即断路状态下的温度设定为80～100℃。PTC元件9的断路状态下的温度设定为80℃、温度保险丝8的动作温度设定为100℃的情况下，在装配有该锂离子二次电池的设备发生故障及正极端子(+)和负极端子(-)间有金属物相连引起外部短路时，因过大的短路电流使PTC元件9的温度上升，当其温度达到断路状态下的温度80℃时，电阻值骤增，从而立刻限制短路电流，能够防止因短路导致电池处于危险状态。当消除了短路状态时，由于没有了过大的短路电流，PTC元件9的温度降低，脱离断路状态，电阻值也随之下降，从而再次恢复到正常的电池使用状态。
在由于装配有该锂离子二次电池的设备发生故障等原因所导致的被外加高电压而形成反充电等情况下，当PTC元件9被绝缘击穿，其限制电流的作用无法发挥时，如果电池的温度急剧上升达到100℃的温度状态，则温度保险丝8熔断，由此在PTC元件9不能工作的状态下阻止电池陷入危险状态。通过这种双重的安全功能，可以安全地使用能量密度高的锂离子二次电池。
在盛夏的烈日下停着的车内放置电池或者装有电池的设备的情况下，有时电池温度会超过80℃。这时，由于PTC元件9达到断路状态电阻值增大，所以电池无法使用，从而能够防止在异常温度的状态下使用电池。当恢复到电池的通常的温度环境下，PTC元件9从断路状态复原，由此可重新正常地使用电池。当电池曝露于超过100℃的高温环境下时，电解液及极板活性物质受热变质，有可能无法进行正常的充放电反应。处于这种状态的情况下，温度保险丝8熔断，使电池不可使用，从而可以阻止危险状态于未然。
接着，说明本发明的实施方式2涉及的锂离子二次电池。图4为实施方式2的结构，起和实施方式1相同作用的构成要素标记相同的符号。如图5的电路图所示，本实施方式的结构中将温度保险丝8和PTC元件9设置在负极板和负极端子(-)之间。
在图4中，从放置在电池壳体1内的极板群14的正极板引出的正极引线12焊接在由铆钉6固定的垫圈4上，该铆钉6安装于封口板3，由上绝缘垫圈7及下绝缘垫圈5与封口板3绝缘，保持封口性。因此，由于极板群14的正极板与正极引线12、垫圈4、铆钉6导通，铆钉6的上部平坦面可用作正极端子(+)，可以从形成于绝缘板11的正极开口部11a与外部连接。
另一方面，从极板群14的负极板引出的负极引线13与封口板3的底面焊接连接。将形成于封口板3的电解液注入用的开口部密封，并焊接在封口板3上的密封拴10与设置在封口板3的凹部内的温度保险丝8的一个引出端8a相连，温度保险丝8的另一引出端8b与PTC元件9的下极板9a相连。设置PTC元件9时，使其上极板9b位于形成于绝缘板11的负极开口部11b的下方。因此，极板群14的负极板与负极引线13、封口板3、密封拴10、温度保险丝8、PTC元件9导通，PTC元件9的上极板用作负极端子(-)，可以从形成于绝缘板11的负极开口部11b与外部连接。
前述温度保险丝8及PTC元件9由绝缘膜27与封口板3绝缘，构成温度保险丝8及PTC元件9的串联电路。绝缘膜27可以用PP、PPS制成，温度保险丝8及PTC元件9隔着较薄的绝缘膜27紧接封口板3，因此可迅速传递电池温度，从而可进行精度高的温度控制。
在该实施方式2的结构中，在负极侧设置温度保险丝8及PTC元件9，因此和处于负极电位的封口板3是相同的电位。其绝缘可以采用简单的结构，可以在温度保险丝8及PTC元件9涂布硅树脂来代替前述绝缘薄膜27。由于硅树脂的传热性优良，因此相比于前述绝缘薄膜27，能够得到更加优良的将温度保险丝8及PTC元件9和封口板一体化的状态，从而能够更迅速地实施精度更高的温度控制。
在上述实施方式2的结构中，如图5所示，由于温度保险丝8及PTC元件9在负极板和负极端子(-)之间串联连接，因此和采用实施方式1的结构的情况相同，温度保险丝8及PTC元件9与电池的输入输出电路串联连接，可以发挥相同的作用。
接着，说明本发明的实施方式3涉及的锂离子二次电池。图6为实施方式3的结构。起和实施方式1及2相同作用的构成要素标记相同的符号。本结构的特征是，将温度保险丝8设置在封口板3的电池壳体1内侧，可更迅速地检测电池温度的上升从而可以更迅速地动作。
在图6中，放置极板群14的电池壳体1的开口端通过和整体形成凹部的封口板3的周边激光焊接被封口，封口板3的上部由设有正极开口部11a及负极开口部11b的绝缘板11密封。从构成前述极板群14的正极板引出的正极引线12焊接在被固定的铆钉6的下面，该铆钉6由上绝缘垫圈7及下绝缘垫圈5和封口板3的开口部绝缘，保持封口性。在上绝缘垫圈7的上部设置填充铆钉6的头部的空间的衬垫7a。铆钉6的顶端位于绝缘板11上所设的正极开口部11a的下端，作为正极端子(+)用。
另一方面，从构成极板群14的负极板引出的负极引线13与配置在封口板3的电池壳体1内侧的温度保险丝8的一个引出端8a焊接连接，温度保险丝8的另一引出端8b与封口板3的凹部底面相连。在封口板3的上面侧连接PTC元件9的下极板9a，PTC元件9的上极板9b位于绝缘板11上所设的负极开口部11b的下方，作为负极端子(-)用。即，形成负极板通过负极引线13、温度保险丝8、封口板3、PTC元件9与负极端子(-)相连的状态。
该结构的电路上和实施方式2的结构相同，在负极电路上串联配置温度保险丝8和PTC元件9，但其结构为温度保险丝8配置在封口板3的电池壳体1内侧，更靠近作为电池温度上升的源头的发电要素，由此利用检测温度来实施动作的速度及检测精度优良。
象这样的结构，温度保险丝8配置在封口板3的电池壳体1内侧，温度保险丝8会接触到注入电池壳体1内的电解液。因此，温度保险丝8要用在电解液中化学性质也稳定的绝缘树脂包覆。还有，在电池壳体1内配置温度保险丝8时，最好与负极电路串联，因为连接在和电解液的电位差小的负极侧，可抑制由电解液引起的腐蚀劣化。
接着，说明本发明的实施方式4涉及的锂离子二次电池。图7为实施方式4的结构。起和各实施方式1及2、3相同作用的构成要素标记相同的符号。本结构的特征是，将温度保险丝8及PTC元件9设置在封口板3的电池壳体1内侧，可更迅速地检测电池温度的上升，从而可以更迅速地动作。
在图7中，放置极板群14的电池壳体1的开口端通过和形成凹部的封口板3的周边激光焊接被封口，封口板3的上部由设有正极开口部11a及负极开口部11b的绝缘板11密封。从构成前述极板群14的正极板引出的正极引线12焊接在被固定的铆钉6的下面，该铆钉6由上绝缘垫圈7及下绝缘垫圈5和封口板3的开口部绝缘，保持封口性。在上绝缘垫圈7的上面设置填充铆钉6的头部的空间的衬垫7a。铆钉6的顶端位于绝缘板11上所设的正极开口部11a的下端，作为正极端子(+)用。
另一方面，从构成极板群14的负极板引出的负极引线13焊接在配置于封口板3的电池壳体1内侧的PTC元件9的下极板9a上，PTC元件9的上极板9b与温度保险丝8的一个引出端8a焊接连接，温度保险丝8的另一引出端8b与封口板3的凹部底面相连。将在封口板3上形成的电解液注入用开口部密封的密封拴10位于绝缘板11上所设的负极开口部11b的下方，作为负极端子(-)用。即，形成负极板通过负极引线13、PTC元件9、温度保险丝8、封口板3、密封拴10与负极端子(-)相连的状态。
如图5所示，该结构的电路上和实施方式2的结构相同，在负极电路上串联配置温度保险丝8和PTC元件9，但其结构为温度保险丝8及PTC元件9配置在封口板3的电池壳体1内侧，更靠近作为电池温度上升的源头的发电要素，由此利用检测温度来实施动作的速度及检测精度优良。
象这样的结构，温度保险丝8及PTC元件9配置在封口板3的电池壳体1内侧，温度保险丝8及PTC元件9会接触到注入电池壳体1内的电解液。因此温度保险丝8及PTC元件9要用在电解液中化学性质也稳定的绝缘树脂包覆。还有，配置在电池壳体1内侧，接触电解液的温度保险丝8如前述结构一样，最好与负极电路串联，通过连接在和电解液的电位差小的负极侧，可抑制由电解液引起的腐蚀劣化。
接着，说明本发明的实施方式5涉及的锂离子二次电池。图8为实施方式5的结构。起和各实施方式1及2、3、4相同作用的构成要素标记相同的符号。如图9的电路图所示，本实施方式的结构中将PTC元件9配置在正极板和正极端子(+)间，将温度保险丝8配置在负极板和负极端子(-)间，提高向温度保险丝8及PTC元件9的热传导性。
在图8中，从放置在电池壳体1内的极板群14的正极板引出的正极引线12焊接在由铆钉6固定的垫圈4上，该铆钉6安装于整个面形成凹部的封口板3，由上绝缘垫圈7及下绝缘垫圈5与封口板3绝缘，保持封口性。在铆钉6的上面连接隔着绝缘膜27配置在封口板3上的PTC元件9的下极板9a，PTC元件9的上极板9b位于形成于绝缘板11的正极开口部11a的下方。因此，由于极板群的正极板与正极引线12、垫圈4、铆钉6、PTC元件9导通，PTC元件9的上极板9b作为正极端子(+)用，从形成于绝缘板11的正极开口部11a与外部相连。PTC元件9隔着较薄的绝缘膜27紧接封口板3，因此电池温度的传热良好，可提高对温度的响应速度及精度。
另一方面，从极板群14的负极板引出的负极引线13焊接在封口板3的底面。直接在封口板3的凹部上面配置温度保险丝8，其一个引出端8a与封口板3相连，通过将另一引出端8b配置在绝缘台28上，该绝缘台28是为覆盖密封电解液注入用的开口部的密封拴10而设置的，使引线8b位于形成于绝缘板11的负极开口部11b的下方。因此，极板群14的负极板与负极引线13、封口板3、温度保险丝8导通，温度保险丝8的另一引出端8b用作负极端子(-)，可以从形成于绝缘板11的负极开口部11b与外部连接。在该结构中由于温度保险丝8与封口板3直接相连，因此电池温度向温度保险丝的传热快，在电池温度异常上升时，能够在设定的动作温度迅速熔断，切断电流。
在上述实施方式5中的结构中，如图9所示，将PTC元件9串联在极板群14的正极和正极端子(+)间，将温度保险丝8串联在极板群14的负极和负极端子(-)间，因此可以将温度保险丝8直接安装在封口板3上，从而提高向温度保险丝8的传热性。
还有，温度保险丝8及PTC元件9的配置位置无论是在正极侧还是在负极侧，或是如实施方式5一样分设在正极侧和负极侧，由于都是串联在电池的输入输出电路上，因此功能上没有差别。
如以上说明的各实施方式所示，在以往用于正极引线12及负极引线13的连接的空区的空间配置形成凹部的封口板3，在该凹部设置温度保险丝8及PTC元件9，因此可有效利用空区，能够在不降低体积效率、不增加电池的尺寸的前提下使电池具备双重的安全功能。还有，在凹部内设置温度保险丝8及PTC元件9，将温度保险丝8及PTC元件9与封口板3安装成一体，可以在受到震动及冲击时防止发生不良情况。
在上述各实施方式中，应用PTC元件9的复原式电流限制元件也可以由双金属构成，该双金属在超过规定的动作温度时发生变形，打开接点，而在温度降低时恢复到原先的状态闭合接点。应用温度保险丝8的非复原式电流切断元件也可以用具有形状记忆合金的开关结构构成，该形状记忆合金在超过规定的动作温度时还原到记忆的形状打开接点，切断电流电路。
在各实施方式所述的采用PTC元件9及温度保险丝8构成的双重安全功能的基础上，还可以设置异常内压排出机构构成三重安全功能，该异常内压排出机构在电池壳体1内的压力异常上升时将异常内压排到外部。前述异常内压排出机构可以采用的结构有利用划线或者刻印使电池壳体1的一部分薄壁化、薄壁部分受到内压会断裂的结构，采用在受到内压时可实施动作的阀体的结构，复合板的薄板部分受到内压断裂的结构。
如图1所示，在小型薄型的本实施方式的锂离子二次电池中，异常内压排出机构最好采用空间占有率小的结构，比较合适的是图10及图11所例示的结构。
图10为在电池壳体1的简体部分形成划线24，利用划线24将电池壳体1的材料厚度部分减薄的异常内压排出机构的示例。划线形成槽状，使电池壳体1的材料厚度减小到60～90％。伴随温度上升产生气体，引起内压异常上升，当内压超过采用划线24的电池壳体1的断裂强度时，电池壳体1从划线24处断裂，因此可将异常内压排出到外部，防止电池处于破裂等危险状态。该划线24不仅如上所述可形成于筒体部分，还可以形成于电池间的底面。还有，局部减薄形成易断裂部也可以采用刻印。刻印通过击打电池壳体1的板面，将其形成任意形状，由此使板厚减小至80～90％，可以得到和划线24同样的效果。
图11为用铝板22贴合在不锈钢板21上构成的复合板形成封口板3，在所要位置的不锈钢板21设置排气孔20，用薄的铝板22闭塞该排气孔20的异常内压排出机构的示例。伴随温度上升产生气体，引起内压异常上升，当内压超过铝板22的断裂强度时，闭塞排气孔20的铝板22断裂，因此可将异常内压排出到外部，防止电池处于破裂等危险状态。排气孔20内的铝板22如图示形成向孔内鼓出的球面，由此压力集中于球面，能够进行稳定的断裂动作。该异常内压排出机构要形成于不被配置在封口板3上的构成要素闭塞的位置。
上述示例所示的异常内压排出机构是按照如下要求构成的，即在温度保险丝8熔断，但电池温度还在100℃以上的情况下，因产生气体引起内压上升，开始进行排出动作。因此，在复原式电流限制元件及非复原电流切断元件的动作不能正常发挥功能的状态下，作为最终的安全功能实施动作。通过设置该异常内压排出机构，再配以PTC元件9、温度保险丝8能够构成具备三重安全功能的锂离子二次电池，又由于隔膜关闭的安全功能在约150℃发挥作用，因此能够安全使用高能量密度的电池。
以上所述的各实施方式是就采用镀镍钢的电池壳体1形成扁平的方形的情况进行的说明，但也可以采用铝合金及不锈钢，也能应用于将它们形成圆筒形的电池。
接着，说明本发明的实施方式6涉及的锂离子二次电池。图12为实施方式6涉及的锂离子二次电池的外观，其构成是，在用镀镍钢形成的剖面形状为椭圆形的有底筒状的电池壳体内放入发电要素，电池壳体的开口部用后述的封口板103封口，设置在封口板103上的构成正极端子(+)和负极端子(-)的部位从形成于密封封口板103上部的绝缘板111的开口部露出于外部。包括绝缘板111的边缘部的电池壳体的侧周面用包覆膜128包覆，用以显示制造者名称、产品号、对消费者的警示等。
图13及图14A～图14C为上述锂离子二次电池的内部结构的部分剖面图，图14A、图14B、图14C所示分别为图13所示的A-A线、B-B线、C-C线位置的向视剖面，表示电池上部的内部结构。在电池壳体101内放入将正极板和负极板隔着隔膜卷成的极板群114，用框体102将其位置固定，以免从放置位置移动。在电池壳体101的开口端嵌合朝向壳体内侧形成凹部的封口板3，其周边与电池壳体101激光焊接，由此将电池壳体101的开口端封口。在形成于封口板103的两侧的开口部中的一个安装垫圈104及后述的PTC元件109的下极板109a，固定铆钉106，用上绝缘垫圈107和下绝缘垫圈105与封口板103绝缘并且保持封口性。另一个开口部用于封口板103安装在电池壳体101上后向电池壳体101内注入电解液，注液后如图示插入密封栓110，并通过将密封栓110焊接在封口板3上密封该开口部。设置在封口板103上的各构成要素用树脂材料116填充，使其被绝缘体包覆固定，以便在电池受到振动及冲击时保护各构成要素，提高绝缘性，并且使热传导性良好。
从构成上述极板群114的正极板引出的正极引线112焊接在上述铆钉106的突出部106a上，从负极板引出的负极引线113焊接在封口板103的底面。在封口板103的凹部内设置用上绝缘垫圈107与封口板103绝缘的PTC元件(复原式电流限制元件)109和经树脂注型的温度保险丝(非复原式电流切断元件)108。将温度保险丝108的在达到规定的动作温度时熔断的低熔点合金树脂注型，可以保护低熔点合金和使传热性稳定，低熔点合金的一端与配置在树脂模的上面的端子板108a相连，将低熔点合金的另一端引出树脂模外作为导板108b。该导板108b用焊锡与前述PTC元件109的上极板109b相接。
封口板103的上部如图示由设有正极开口部111a及负极开口部111b的绝缘板111密封。温度保险丝108的端子板108a从前述正极开口部111a露出在外部，作为正极端子(+)用。前述密封栓110的顶面从负极开口部111b露出在外部，作为负极端子(-)用。采用这种端子结构无需使用形成正极端子(+)及负极端子(-)用的部件，就可形成外部连接端子。
如上所述，构成极板群114的正极板通过正极引线112、铆钉106、PTC元件109、温度保险丝108与正极端子(+)相连。负极板通过负极引线113、封口板103、密封拴110与负极端子(-)相连。即，如图15中的电路图所示，构成在极板群114的正极板和正极端子(+)之间串联温度保险丝108和PTC元件109的锂离子二次电池。
在上述结构中，温度保险丝108的动作温度设定为100～130℃，PTC元件109的动作温度，即断路状态下的温度设定为80～100℃。PTC元件109的断路状态下的温度设定为80℃、温度保险丝108的动作温度设定为100℃的情况下，在装配有该锂离子二次电池的设备发生故障及正极端子(+)和负极端子(-)间有金属物相连引起外部短路时，因过大的短路电流PTC元件109的温度上升，当其温度达到断路状态下的温度80℃时，电阻值骤增，从而立刻限制短路电流，能够防止因短路导致电池处于危险状态。当消除了短路状态时，由于没有了过大的短路电流，PTC元件9的温度降低，脱离断路状态，电阻值也随之下降，从而再次恢复到正常的电池使用状态。
在由于装配有该锂离子二次电池的设备发生故障等原因所导致的被外加高电压，形成反充电等情况下，当PTC元件109被绝缘击穿，其限制电流的作用无法发挥时，如果电池的温度急剧上升达到100℃的温度状态，则温度保险丝108熔断，由此在PTC元件109不能工作的状态下阻止电池陷入危险状态。通过这种双重的安全功能，可以安全地使用能量密度高的锂离子二次电池。
在安装在封口板103上前，将上述温度保险丝108和PTC元件109连为一体，构成一个复合部件，铆钉106的轴部插入形成于PTC元件109的下电极109a的孔中，铆钉106隔着上绝缘垫圈107及下绝缘垫圈105紧固在封口板103上，由此在电路上相连接的同时安装到封口板103上。
制造上述结构的电池可以按以下所示的顺序进行。首先，在封口板103的凹部内设置上绝缘垫圈107，在其上放置将温度保险丝108和PTC元件109连为一体的复合部件，在封口板103的底面侧设置下绝缘垫圈105，用铆钉106将下绝缘垫圈105、上绝缘垫圈107、PTC元件109的下极板109a、垫圈104连接紧固，由此在封口板103上形成具有安全功能及外部连接端子的更大的复合部件。又，由于封口板103的凹部内放置温度保险丝108及PTC元件109的部位由凹部的侧壁及突出部133所包围，因此填充硅树脂及环氧树脂等树脂材料116，以包裹配置在其中的构成要素。由于树脂填充在由侧壁及突出部133所包围的空间中进行，因此填充树脂时，树脂不会附着在作为负极端子(-)的密封栓110上。通过填充树脂，设置在封口板103的凹部内的各构成要素被绝缘体包覆固定，由此可以在电池受到振动及冲击时保护各构成要素，提高绝缘性，并且使热传导性良好，提高对PTC元件109及温度保险丝108的传热性。
在以上构成复合部件的封口板103和放置极板群114的电池壳体101之间进行正极引线112及负极引线113的连接。正极引线112及负极引线113从极板群114通过设于框体102的孔中引出，引出的引线应长一点，以易于和放置在电池壳体外部的封口板103的连接操作。完成该引线连接后，将封口板103嵌入电池壳体101的开口端，则正极引线112及负极引线113如图14A、14B所示，折叠在框体102上。嵌入电池壳体101的开口端的封口板103的边缘与电池壳体101的内边缘之间激光焊接，将封口板103固定于电池壳体101。
接着，从封口板103的开口部向电池壳体101内注入电解液后，将密封栓110嵌入开口部，密封开口部同时通过激光焊接固定在封口板103上。其后，将绝缘板111接合在封口板103及电池壳体101上，密封封口板103的上部。温度保险丝108的端子板108a从形成于绝缘板111的正极开口部111a露出在外部，密封栓110的顶面从负极开口部111b露出在外部，形成正极端子(+)和负极端子(-)。在前述绝缘板111的周边如图13、图14A～图14C所示减小板厚形成低凹部，如虚线所示，可以用热收缩性的薄膜或套筒状的包覆膜128包覆电池壳体101，包括绝缘板111的周边，形成如图12所示的外观。还有，通过在绝缘板111的低凹部上包覆包覆膜128，使绝缘板111的上面因包覆膜128覆盖了低凹部而形成同一水平面，能够提高外观性和绝缘性。
如图12及13所示，由于正极端子(+)和负极端子(-)形成于偏向电池的顶板一侧的位置，因此能够防止电池反装在设备的电池盒内。该电池和设备的连接是通过设置于设备侧的探头压接在正极端子(+)和负极端子(-)上完成的，由于电池的形状呈左右对称，因此虽然有时候可能会反装，但由于端子形成于这种偏向的位置，能够切实地防止反装。
在以往的方形电池中，放置发电要素的电池壳体的开口部用平的封口板封口，封口板和极板群间的空间是仅供从极板群引出的引线的连接空间用的空间，但如上述，例如实施方式6的结构，通过用形成凹部的封口板103密封电池壳体101的开口部，在封口板103的凹部设置电池的安全机构，能够有效地利用空间，构成具备安全功能的方形锂离子二次电池。
上述封口板103的加工方法是，采用加压加工对所要的板材进行深冲加工，形成凹部后，再采用外形冲模加工形成对应电池壳体101的内径尺寸的形状。通过改变进行这种外形冲模加工的冲压金属模，即改变冲压形状尺寸，可以很容易地制造不同电池容量下的电池的短侧面宽度不同的电池。方形锂离子二次电池的情况下，如果增大电池的短侧面的宽度，则可以增加卷绕的正负极板的长度，增加极板群114的反应面积，因此能够构成形状相同、电池的短侧面的宽度不同、电池容量不同的多种电池。这时，要制作用于制造每个品种的电池的封口板103，无需准备多个制作每个品种的封口板103的金属模，只要改变外形冲压的金属模就能够制造出多个品种。
图16A～图16C为用于制造电池的短侧面的宽度不同的2种电池的封口板103的外形尺寸变更的示例，如图16A所示，利用通用的深冲加工金属模深冲加工板材126形成凹部，在凹部129的周边形成凸缘部分。其后，在短侧面的宽度W1小的情况下，如实施方式6所示的电池，在凹部129的前沿部外侧的最近位置冲裁凸缘部分，进行外形冲模加工形成的封口板103如图16B所示，呈配合于短侧面的宽度W1小的电池壳体101的开口部的状态。另一方面，在短侧面的宽度增大为W2的电池的情况下，如果扩大外形冲压金属模的加工位置，如图16C所示，可以形成对应于短侧面的宽度增大为W2的电池壳体101a的封口板3a。
在上述实施方式6中，应用PTC元件109的复原式电流限制元件也可以由双金属构成，该双金属在超过规定的动作温度时发生变形，打开接点，而在温度降低时恢复到原先的状态闭合接点。应用温度保险丝108的非复原式电流切断元件也可以用具有形状记忆合金的开关结构构成，该形状记忆合金在超过规定的动作温度时还原到记忆的形状打开接点，切断电流电路。
还有，温度保险丝108及PTC元件109既可以配置在正极连接线路上，也可以配置在负极连接线路上。而且还可以将温度保险丝108及PTC元件109分设在正极连接线路和负极连接线路上。只要串联在电池的输入输出电路上，其效果可以同样发挥。
在实施方式6所述的采用PTC元件109及温度保险丝108构成的双重安全功能的基础上，还可以设置异常内压排出机构构成三重安全功能，该异常内压排出机构在电池壳体101内的压力异常上升时将异常内压排到外部。前述异常内压排出机构可以采用的结构有，采用在受到前述内压时可实施动作的阀体的结构，复合板的薄板部分受到内压断裂的结构，利用划线或者刻印使电池壳体1的一部分薄壁化、薄壁部分受到内压断裂的结构。在小型薄型的实施方式6的锂离子二次电池中，异常内压排出机构最好采用空间占有率小的结构，比较合适的是图10及图11所例示的结构。
实施方式6是就采用镀镍钢的电池壳体1形成扁平的方形的示例进行的说明，但也可以采用铝合金及不锈钢，也能将该构成应用于将它们形成圆筒形的电池。
产业上利用的可能性
如上所述，采用本发明，通过由PTC元件等复原式电流限制元件构成的安全功能，防止外部短路引起的电池温度的上升，在温度上升到超过上述复原式电流限制元件所能发挥作用的温度的情况下，通过由温度保险丝等非复原式电流切断元件构成的安全功能保护电池自身，因此可以提供在电池自身设置有双重安全功能的非水电解质二次电池，在此基础上，通过同时再设置异常内压排出机构，可提供在电池自身设置有三重安全功能的非水电解质二次电池。

Claims (33)

1、非水电解质二次电池，其特征在于，设置在规定的动作温度限制电流的复原式电流限制元件和在规定的动作温度切断电流的非复原式电流切断元件，这些元件与连通放置在电池内的极板的正极或负极和在电池外露出的正极端子(+)或负极端子(-)间的正极连接线路及/或负极连接线路串联。
2、非水电解质二次电池，其特征在于，在成形为有底筒状的电池壳体(1)内放置发电要素，将电池壳体(1)的开口端用朝向壳体内侧形成凹部的封口板(3)封口，用绝缘板(11)在封口板(3)上密封，使正极端子(+)及负极端子(-)从上述绝缘板(11)露出于外部，设置在规定的动作温度限制电流的复原式电流限制元件和在规定的动作温度切断电流的非复原式电流切断元件，这些元件与连通该正极端子(+)或负极端子(-)和构成上述发电要素的极板的正极或负极间的正极连接线路及/或负极连接线路串联。
3、如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件的动作温度为80～100℃，非复原式电流切断元件的动作温度为100～130℃。
4、如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件为温度上升到规定的动作温度以上时，电阻值骤增的PTC元件(9)。
5、如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件为温度上升到规定的动作温度以上时，发生变形打开电路的双金属。
6、如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，非复原式电流切断元件为温度上升到规定的动作温度以上时，熔断打开电路的温度保险丝(8)。
7、如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，非复原式电流切断元件为具有温度上升到规定的动作温度以上时还原到记忆的形状打开电路的形状记忆合金的开关机构。
8、如权利要求2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件及非复原式电流切断元件设置在封口板(3)的凹部内。
9、如权利要求2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件及非复原式电流切断元件中的任一方设置在封口板(3)的凹部内，另一方设置在电池壳体(1)内。
10、如权利要求2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件及非复原式电流切断元件设置在电池壳体(1)内。
11、如权利要求9所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，设置在电池壳体(1)内的复原式电流限制元件及/或非复原式电流切断元件连接在负极和负极端子(-)之间。
12、如权利要求9所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，设置在电池壳体(1)内的复原式电流限制元件及/或非复原式电流切断元件由耐电解液性的绝缘树脂包覆。
13、如权利要求2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件及/或非复原式电流切断元件在安装时和封口板(3)形成一体。
14、如权利要求2所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，设置异常内压排出机构，该异常内压排出机构在电池壳体(1)内的压力异常上升时将其排到外部。
15、如权利要求14所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，异常内压排出机构在温度上升超过100℃，且非复原式电流切断元件发挥功能的情况下动作。
16、非水电解质二次电池，其特征在于，将发电要素放置在成形为有底筒状的电池壳体(101)内，电池壳体(101)的开口端用朝向壳体内侧形成凹部的封口板(103)封口，在将从构成上述发电要素的极板群(114)引出的正极引线(112)及负极引线(113)分别与正极端子(+)及负极端子(-)连接的正极连接线路及/或负极连接线路上，连接在规定的动作温度限制电流的复原式电流限制元件和在规定的动作温度切断电流的非复原式电流切断元件，该复原式电流限制元件和非复原式电流切断元件设置在上述封口板(103)的凹部内，设置在封口板(103)上的与正极连接线路及负极连接线路相连的构成要素的导体面从形成于在封口板(103)上密封的绝缘板的开口部露出于外部，作为前述正极端子(+)及负极端子(-)。
17、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件的动作温度为80～100℃，非复原式电流切断元件的动作温度为100～130℃。
18、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件为温度上升到规定的动作温度以上时，电阻值骤增的PTC元件(109)。
19、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件为温度上升到规定的动作温度以上时，发生变形打开电路的双金属。
20、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，非复原式电流切断元件为温度上升到规定的动作温度以上时，熔断打开电路的温度保险丝(108)。
21、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，非复原式电流切断元件为具有温度上升到规定的动作温度以上时还原到记忆的形状打开电路的形状记忆合金的开关机构。
22、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件和非复原式电流切断元件串联，并且连成一体。
23、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，利用铆钉(106)将电池壳体(101)内和封口板(103)上部间通电相连，该铆钉隔着绝缘垫圈(105)嵌入形成于封口板(103)的开口部，用连接件固定于封口板(103)，在该铆钉(106)的电池壳体(101)内侧连接正极引线(112)或者负极引线(113)。
24、如权利要求23所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，在铆钉(106)的电池壳体(101)内侧形成连接引线用的突出部(106a)。
25、如权利要求23所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，复原式电流限制元件或非复原式电流切断元件的端子通过铆钉(106)的连接件与铆钉(106)通电相连。
26、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，设置在封口板(103)的凹部上的所需的构成要素用树脂包覆，并固定于封口板(103)。
27、如权利要求26所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，形成包围放置树脂包覆的构成要素的部位的凸状壁。
28、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，构成正极端子(+)及负极端子(-)的要素设置在封口板(103)上的较偏的位置，从形成于偏向绝缘板(111)一侧的位置的开口部露出于外部。
29、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，在绝缘板(111)的边缘部形成板厚减小的低凹部。
30、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，设置异常内压排出机构，该异常内压排出机构在电池壳体(101)内的压力异常上升时将其排到外部。
31、如权利要求30所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，异常内压排出机构因温度上升超过100℃产生气体所引发的异常内压而动作。
32、如权利要求16所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，用通用的金属模对板材进行深冲加工形成凹部后，用对应于电池壳体(101)的内径尺寸的金属模对凹部的周边进行外形冲模加工，形成封口板(103)。
33、如权利要求32所述的非水电解质二次电池，其特征还在于，从凹部的前沿部在外侧形成0.01mm以上的凸缘部，进行外形冲模加工。
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