CN106256030A - 圆筒形锂离子二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种在小型的圆筒形锂离子二次电池中,电池异常时释放电池内部压力的安全机构。圆筒形锂离子二次电池在电池壳体内收纳有电极组和电解液,并且利用封口体进行封闭,该电极组是在正极和负极之间隔着分隔件卷绕或者层叠而成的,其特征在于,电池壳体的外径是10mm以下,封口体具有:圆环,其具有贯穿孔;以及片状或者膜状的阀体,其以封堵圆环的贯穿孔的方式设置,该二次电池具有在电池内部达到了规定压力时使阀体裂开的安全机构,圆环具有朝向贯穿孔内侧方向突出的多个突起,并且突起由直线的棱线构成。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池壳体的外径为10mm以下的圆筒形锂离子二次电池的安全机构。
背景技术
近年来,对用于向智能手表、可穿戴式健康监测器、智能眼镜等可穿戴式设备供给电力的电池的需要有增加的倾向,希望开发小型、高容量且安全性高的锂离子二次电池。
作为搭载于可穿戴式设备的电池,存在小型的层叠型锂离子二次电池、圆筒形锂离子二次电池等,对于圆筒形锂离子二次电池而言,要求防止由在工作异常时(例如,由于活性物质、电解液的分解产生气体时)的电池的内部压力上升引起的破裂产生。
对于通常尺寸(18650尺寸等)的圆筒形锂离子电池而言,如专利文献1所示那样,公开有如下方法:在由具有阀体和用于使阀体裂开的贯穿孔的圆环构成的部分上,利用伴随着电池内部压力的上升所施加的压力使阀体朝向贯穿孔变形,并且在达到了规定的压力时使阀体开裂。
这样一来,如果朝向支承阀体的圆环的贯穿孔内侧形成有突起,则在内部压力上升时,阀体在突起顶端受到应力集中,因此,在适当的压力下可靠地使阀体断开,将在电池内部产生的气体释放,从而能够避免电池的破裂。其结果是,即使阀体面积变小也能够降低工作压。
此外,对于方形锂离子电池而言,如专利文献2所示,公开如下构造:通过使一处突起配置为与三层层叠被覆体垂直的配置,从而以向层叠被覆体的面方向刺破被覆体的方式进行作用,使被覆体裂开。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:(日本)特开平7-130346号公报
专利文献2:(日本)特开平3-116651号公报
发明内容
发明要解决的问题
如专利文献1所记载的那样,圆环的贯穿孔的开口形状为具有朝向贯穿孔内侧方向突出的尖头部的形状,对于特征在于利用多个圆形孔的组合来形成突起部的结构而言,为了刺破阀体,突起必须锐利且具有在压力下不弯曲的机械强度。
然而,在利用专利文献1所记载的结构推进电池的小型化(小径化)的情况下,为了使阀体裂开而需要规定的贯穿孔的面积,因此,圆环的贯穿孔的开口面积比变大,使得确保圆环强度变得困难。
此外,如果电池的外径变小,则需要使圆环和阀体也变小,使得在内压上升时阀体受到压力的面积变小。其结果是,用于使阀体裂开的压力变大,难以在适当的压力下可靠地释放电池的内部压力,有可能会引起电池的破裂。
而且,通过开设两个圆形的孔而在圆环上形成具有突起的贯穿孔,为了使阀体裂开而要确保必要的突起的大小,因此,必须使形成圆环的贯穿孔的孔较大,导致难以小型化。此外,在增加形成贯穿孔的圆形的孔的数量来形成圆环的贯穿孔的情况下,有可能随着加工次数增加,在形成贯穿孔时使圆环变形。
另一方面,专利文献2所记载的方法是,通过如下构造,主要利用锥形开口部来提高嵌合部的密闭性的方法,并未示出用于切断层叠被覆体的有效的方法。所述构造为通过使一处突起配置为与三层层叠被覆体垂直的配置,从而以向层叠被覆体的面方向刺破被覆体的方式进行作用,使被覆体裂开的构造。
本发明为了解决上述课题,其目的在于提供一种在搭载于可穿戴式设备的小型的圆筒形锂离子二次电池中,在电池异常时释放电池内部压力的安全机构。
用于解决问题的方案
在本发明中,圆筒形锂离子二次电池在电池壳体内收纳有电极组和电解液,并且利用封口体封闭电池壳体和绝缘密封垫,该电极组是在正极和负极之间隔着分隔件卷绕或者层叠而成的,电池壳体的外径是10mm以下,封口体具有:圆环,其具有贯穿孔;以及片状或者膜状的阀体,其以封堵圆环的贯穿孔的方式设置,该二次电池具有在电池内部达到了规定压力时使阀体裂开的安全机构,圆环具有朝向贯穿孔内侧方向突出的多个突起,并且突起由直线的棱线构成。
发明的效果
采用本发明,能够提供一种可靠性高的圆筒形锂离子二次电池,在电池壳体的外径为10mm以下这样的小型电池中,即使在不得不使各种各样的部件也变小的情况下,也能够使用具有良好的密封性和强度的阀体以适当的压力释放电池内部压力。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的圆筒形锂二次电池的上部剖视图。
图2是本发明的一实施方式的圆筒形锂二次电池的剖视图。
图3是本发明的一实施方式的封口体的剖视图。
图4的(a)是本发明的一实施方式的圆环的示意图,图4的(b)是用于说明本发明的一实施方式的圆环的面积和圆环的贯穿孔面积的示意图。
图5是表示本发明的实施例的各电池的圆环的形状的示意图。
具体实施方式
本发明是一种圆筒形锂离子二次电池,该圆筒形锂离子二次电池在电池壳体内收纳有电极组和电解液,并且被封口体封闭,该电极组是在正极和负极之间隔着分隔件卷绕或者层叠而成的,该圆筒形锂离子二次电池的特征在于,电池壳体的外径为10mm以下,封口体具有:圆环,其具有贯穿孔;片状或者膜状的阀体,其以封堵圆环的贯穿孔的方式设置,该圆筒形锂离子二次电池具有在电池内部达到了规定压力时使阀体裂开的安全机构,圆环具有朝向贯穿孔内侧方向突出的多个突起,突起由直线的棱线构成。
采用本发明,通过在外径较小且开口部较大的圆环上设置多个突起,并且使突起的棱线形成为直线,能够确保突起的机械强度,即使是较小的电池,在电池内部达到了规定压力时也能够可靠地使阀体断开。
这样一来,通过设置多个突起,针对在内部压力上升时的阀体的歪曲、各向异性变形,能够可靠地使阀体断开且进行阀工作。此外,通过将突起的棱线形成为直线,能够设置出带有锐利的顶端且突起的高度较高的突起,从而能够在圆环四周牢固地支承突起。
即、在外径为10mm以下的电池中,通过将设置于圆环的多个突起的棱线形成为直线,能够兼顾使突起顶端锐利和确保突起的宽度来保证强度这两件事,从而能够可靠地使阀体断开并确保安全性。
此外,在突起的棱线为曲线的情况下,存在突起顶端的角度过小而无法确保强度、无法设置足够的突起的高度、无法确保贯穿孔的面积等无法可靠地使阀体断开的情况。
而且,优选的是,当圆环的贯穿孔的开口面积比为0.2~0.7时,即使圆环外径为10mm以下也能够确保阀体受到来自内部压力的面积,能够在适合的工作压力下使阀体可靠地断开。
在这里,当圆环的贯穿孔的开口面积比不足0.2时,有可能无法获得用于使阀体裂开的足够的压力,当圆环的贯穿孔的开口面积比超过0.7时,有可能由于强度的降低而使圆环变形且未使阀体裂开。
此外,贯穿孔的开口面积比由以下式子求出。
开口面积比=贯穿孔面积/(圆环面积+贯穿孔面积)
此外,圆环的材质优选是从金属、陶瓷以及金属化合物构成的组中选择的至少一种,能够在确保圆环的强度的同时,具有对电解质的耐腐蚀性。
此外,阀体若是树脂和金属的层叠体,则确保了圆环和阀体的交界面的密封性以及阀体和下盖交界面的密封性,因此优选。
此外,当圆环的突起的数量为两个~八个时,能够确保适合的突起的高度和突起的强度,因此优选。
在圆环没有突起的情况下,无法将裂开的起点设置在特定的位置,使阀体裂开的压力上升。此外,在圆环设有一个突起的情况下,在阀体的内部压力上升时,阀体自圆环的突起受到的应力集中仅为一点,无法使工作压力充分降低。此外,在阀体的内部压力上升时,阀体存在各向异性变形,一个突起顶端无法产生充分的应力集中,导致阀的工作压力不稳定。
另一方面,在圆环设置有九个以上突起的情况下,突起的高度变低且向阀体的突起顶端的应力集中减少,阀工作压力提高,用于形成突起的空间变窄,对圆环的加工变得困难,因此不优选。
此外,当形成于圆环的多个突起旋转对称地配置时,突起均等地配置,在内部压力上升时,阀体在圆环四周均等地受到应力集中,使得阀体可靠地断开,获得稳定的阀工作压力,因此优选。另一方面,在多个突起并非旋转对称地配置的情况下,有可能使阀体在没有突起的区域发生各向异性变形,使得阀工作压力提高。
此外,当形成于圆环的突起的顶端角度为60°~120°时,能够获得即使阀体受到内部压力上升,在突起的顶端受到压力集中,也不会使突起顶端发生变形的突起的强度,且阀体在内部压力上升时,在突起顶端受到应力集中而能够获得起点效果,因此优选。
在这里,在突起的顶端角度不足60°的情况下,由于突起的变形而降低使阀体裂开的起点效果,在突起的顶端角度超过150°的情况下,阀体在内部压力上升时在突起顶端无法获得足够的应力集中而引起阀工作压力上升,使得起点效果降低,故此不优选。
此外,当圆环的突起的高度为0.25mm~2.5mm时,在内部压力上升时,阀体容易在突起顶端受到应力集中,使得阀工作压力降低,从而稳定化,因此优选。
另一方面,如果突起的高度不足0.25mm,则在突起顶端的应力集中将会不足而使阀工作压力上升,在突起的高度超过2.5mm的情况下,突起相对于电池的外径变大,使小型化变得困难,故此不优选。
此外,在电池内部达到了规定压力时阀体裂开的压力优选1MPa~10MPa。当阀体裂开的压力为1MPa以上时,能够在电池产生异常时早期地避免内部压力上升,当阀体裂开的压力为10MPa以下时,能够避免电池壳体的破裂。优选的是,根据电池的使用方法、尺寸,将压力设定为不会由于阀工作时的气体释放而使电池飞散的压力。
以下,说明实施本发明的方式的一例。但是,下记的实施方式是单纯的例示。本发明并不限于下记的实施方式。
此外,在供参照的各附图中,具有实质上相同功能的部件以相同的附图标记来参照。此外,供参照的各附图是示意性记载的图,在附图中描绘出的物体的尺寸的比例等有时与现实的物体的尺寸比例等不同。此外,有时附图彼此之间的物体的尺寸比例等也不同。具体的物体的尺寸比例等应该参照以下的说明来进行判断。
(圆筒形锂离子二次电池的构成)
参照图1和图2,说明本发明的圆筒形锂二次电池的一实施方式的构成。
圆筒形锂离子二次电池10具有:电极组23,其是将负极11、正极12以及将负极11、正极12隔离开的分隔件13卷绕而成的;以及电解质,其具有锂离子传导性(以下,简称为“电解液”)。电极组23和电解液收纳在电池壳体14的内部。
负极引线19和正极引线20的一端分别与负极11和正极12相连接,负极引线19与电池壳体14相连接,正极引线20与封口体5相连接,并且导出到电池壳体14的外部。电池壳体14为金属制,其开口部21被由树脂材料构成的密封垫22和具有用于缓和电池内部的压力上升的机构的封口体5所封闭,具有作为正极端子的功能。
封口体5具有:帽子形状的上盖2、带有贯穿孔的圆环1、阀体4以及下盖3,圆环1与上盖2的帽檐部相接触,阀体4以封堵圆环1的贯穿孔的方式与圆环1的下表面相接触,下盖3与阀体4的下表面相接触。即、阀体4被圆环1和下盖3夹住,以使下盖3和上盖2电导通的方式被铆接固定,封口体5具有作为正极端子的功能。
从电池壳体14的开口部21注入电解液,并且将电极组23浸渍于电解液,将封口体5和密封垫22***开口部21且铆接固定,从而构成密闭状态的圆筒形锂离子电池。
实施例
使用实施例说明本发明。
(实验例1)
(正极的制作)
将正极活性物质的钴酸锂、乙炔黑粉末以及聚偏氟乙烯以质量比为95:2.5:2.5的比例混合在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液中,调制出了正极合剂浆料。接下来,将该正极合剂浆料均匀地涂覆在由铝箔构成的正极集电体的两个面上,使浆料干燥,利用轧制辊进行轧制而制作出了正极12。
(负极的制作)
将负极活性物质的人造石墨、羧甲基纤维素钠以及苯乙烯-丁二烯橡胶以98:1:1的质量比混合在水溶液中,调制出了负极合剂浆料。接下来,将该负极合剂浆料均匀地涂覆在由铜箔构成的负极集电体的两个面上,使浆料干燥,利用轧制辊进行轧制而获得了负极11。
(电解液的制作)
以使六氟磷酸锂(LiPF6)为1.0摩尔/升的浓度的方式将六氟磷酸锂溶解于将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(MEC)以及碳酸二乙酯(DEC)以3:5:2的体积比混合而成的混合溶剂中,从而调制出了非水电解液。
(封口体的制作)
获得如下构件:对SUS板材进行冲压加工从而成型的上盖2(外径:3.9mm、厚度:0.1mm)和下盖3(外径:3.9mm、厚度:0.1mm)、对改性聚丙烯(厚度:25μm)/铝箔(厚度:25μm)/改性聚丙烯(厚度:25μm)的三层层叠材料进行冲压加工从而成型的膜状的阀体4(外径:3.5mm、厚度:75μm)以及对SUS板材进行冲压加工从而成型的圆环1(外径:3.5mm、厚度:0.2mm)。
圆环1具有贯穿孔1a(开口面积比:0.35)和四个旋转对称的、朝向贯穿孔内侧方向突出的突起1b(突起顶端角度(1f):90°、突起的高度(1c):0.37mm),并且突起1b的棱线构成为直线。此外,突起的高度1c指的是:以由直线的棱线1d形成的突起1b为顶点的两条边,通过冲切产生的、与两条边相接触的左右的半圆形状的切线1e作为底边所形成的三角形的高度。
而且,如图3所示,在下盖3的上表面配设阀体4,在阀体4的上表面配设圆环1,在圆环1的上表面配设上盖2,之后,通过铆接封口而获得了封口体5。
(电池的制作)
在电极组的制作过程中,使用了一个正极、一个负极以及由聚乙烯制微多孔膜构成的两个分隔件。首先,将引线分别安装于正负极,使正极12和负极11以隔着分隔件13彼此绝缘的状态相面对,使用卷芯将其卷绕成漩涡状从而制作出电极组23。
将如此制作出的电极组23和电解液***外径为4.5mm且壁厚为0.1mm的电池壳体14中,在电池壳体14的开口部隔着密封垫22安装了封口体5之后进行铆接封口,从而制作出了电池1。
(实验例2)
将以突起的数量为两个,并且圆环的开口面积比、突起的顶端角度以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池2。
(实验例3)
将以突起的数量为六个,并且圆环的开口面积比、突起的顶端角度以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池3。
(实验例4)
将以突起的数量为八个,并且圆环的开口面积比、突起的顶端角度以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池4。
(实验例5)
将以突起的数量为一个,并且圆环的开口面积比、突起的顶端角度以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池5。
(实验例6)
将以突起的数量为0个,并且圆环的开口面积比与电池1相同的方式制作出的电池作为电池6。
(实验例7)
将以电池壳体外径为10mm,并且圆环的开口面积比、突起的个数、突起的顶端角度以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池7。
(实验例8)
将以电池壳体外径为18mm、电池高度为65mm,并且圆环的开口面积比、突起的数量、突起的顶端角度以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池8。
(实验例9)
将以圆环的开口面积比为0.2,并且突起的数量、突起的顶端角度以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池9。
(实验例10)
将以圆环的开口面积比为0.7,并且突起的数量、突起的顶端角度以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池10。
(实验例11)
将以圆环的开口面积比为0.1、突起的高度为0.24mm,并且突起的数量和突起的顶端角度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池11。
(实验例12)
将以突起的顶端角度为30°,并且圆环的开口面积比、突起的数量以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池12。
(实验例13)
将以突起的顶端角度为60°,并且圆环的开口面积比、突起的数量以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池13。
(实验例14)
将以突起的顶端角度为120°,并且圆环的开口面积比、突起的数量以及突起高度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池14。
(实验例15)
将以突起的顶端角度为150°、突起的高度为0.24mm,并且圆环的开口面积比和突起的数量与电池1相同的方式制作出的电池作为电池15。
(实验例16)
将以突起的高度为0.2mm,并且圆环的开口面积比、突起的数量以及突起的顶端角度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池16。
(实验例17)
将以突起的高度为0.5mm,并且圆环的开口面积比、突起的数量以及突起的顶端角度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池17。
(实验例18)
将以突起的高度为0.8mm,并且圆环的开口面积比、突起的数量以及突起的顶端角度与电池1相同的方式制作出的电池作为电池18。
(评价方法)
在制作出的电池的电池壳体下表面设置电池壳体底孔,以将电池壳体底孔包围并密闭的方式连接具有压力显示器的加压器,使用气体或者液体自电池壳体底孔对电池壳体14的内侧加压,将阀体4裂开之际的压力显示器的显示值作为工作压力。
电池1~18的阀体的工作压力和评价结果表示在表1中。
此外,评价结果是利用阀体的工作压力的数值进行评价的,将1MPa~10Mpa作为阀体的工作压力的适宜范围并用“B”来表示评价结果,特别是,将2Mpa~9MPa作为阀体的工作压力的更加优选的适宜范围并用“A”来表示评价结果。此外,对于上述的阀体的工作压力以外的情况,用“C”来表示适宜范围以外的情况。
[表1]
如电池1~电池4所示,当圆环的突起的数量为两个~八个时,阀体的工作压力在3.8MPa~4.3MPa的范围且较稳定。在该范围内,能够确保适当的突起的高度和突起的强度,因此,在内部压力上升时,阀体受到多点的应力集中,获得了稳定的阀工作压力。
另一方面,如电池5所示,在圆环设置有一个突起的情况下,阀体的工作压力上升到11MPa。其原因认为是,在内部压力上升时,阀体自圆环的突起受到的应力集中仅为一点,因此,无法使工作压力充分下降,或由于阀体的各向异性变形而无法产生足够的应力集中,导致工作压力变得不稳定。
此外,如电池6所示,在圆环没有突起的情况下,阀体的工作压力进一步上升到了12MPa。其原因认为是,因为没有突起,所以难以获得阀体裂开的起点效果。
如电池1和电池7所示,当电池壳体的外径为10mm以下时,电池1中的阀体的工作压力为3.8MPa、电池7中的阀体的工作压力为1.2MPa,均是能够在电池发生异常时早期地避免内部压力上升的压力。
另一方面,在电池8中,圆环的开口面积大且具有突起,因此,阀体的工作压力低至0.4MPa,即使在圆筒形锂离子二次电池的通常使用时,也会由于电池的温度上升等产生的压力引起阀体的裂开,故此不优选。
如电池1、电池9以及电池10所示,当圆环的开口面积比为0.2~0.7时,阀体的工作压力为3.8MPa~7.5MPa,是能够避免电池壳体的破裂的压力。
另一方面,如电池11所示,在圆环的开口面积比为0.1的情况下,阀体的工作压力为10MPa。如此一来,有可能无法获得使阀体裂开的足够的压力,有可能根据电池的使用方法、尺寸的不同,由于阀工作时的气体释放而使电池在封口体的阀体工作之前就破裂。
如电池1、电池13以及电池14所示,当突起的顶端角度为90°、60°、120°时,阀体的工作压力分别为3.8MPa、4MPa、5MPa。其原因认为是,即使阀体受到内部压力上升,在突起的顶端受到压力集中,也能够获得不会使突起顶端变形的突起的强度,阀体在内部压力上升时,在突起顶端受到应力集中而能够获得起点效果。
另一方面,如电池12所示,在突起的顶端角度为30°的情况下,虽然工作压力为10MPa而满足基准条件,但是发现由于突起的强度不足而出现圆环的变形。
此外,如电池15所示,在突起的顶端角度为150°的情况下,阀体的工作压力上升到了8MPa。其原因认为是,阀体在内部压力上升时无法在突起顶端获得足够的应力集中,导致起点效果下降。
如电池1、电池17以及电池18所示,当圆环的突起的高度为0.37mm、0.5mm、0.8mm时,阀体的工作压力分别为3.8MPa、4MPa、4.5MPa。其原因认为是,阀体在内部压力上升时容易在突起顶端受到应力集中,使阀工作压力降低,从而稳定化。
另一方面,如电池16所示,当圆环的突起的高度为0.2mm时,阀体的工作压力为7.5MPa。其原因认为是,在突起顶端的应力集中不充分,导致阀体的工作压力上升。
产业上的可利用性
采用本发明,提供一种小型金属圆筒型锂离子电池,该电池具有在电池产生了异常的情况下缓和电池内部的压力上升的机构,因此,不存在电池容器主体破裂的危险,在确保安全性的可靠性高的可穿戴式设备中有用。
附图标记说明
1 圆环
1a 贯穿孔
1b 突起
1c 突起的高度
1d 棱线
1e 半圆形状的切线
1f 突起顶端角度
2 上盖
2a 上盖内高度
3 下盖
4 阀体
5 封口体
10 圆筒形锂离子二次电池
11 负极
12 正极
13 分隔件
14 电池壳体
19 负极引线
20 正极引线
21 开口部
22 密封垫
23 电极组
Claims (9)
1.一种圆筒形锂离子二次电池,其是通过在电池壳体内收纳电极组和电解液并且利用封口体进行封闭而成的,该电极组是在正极和负极之间隔着分隔件卷绕或者层叠而成的,该圆筒形锂离子二次电池的特征在于,
所述电池壳体的外径是10mm以下,
所述封口体具有:圆环,其具有贯穿孔;以及片状或者膜状的阀体,其以封堵所述圆环的贯穿孔的方式设置,该圆筒形锂离子二次电池具有所述阀体在电池内部达到了规定压力时裂开的安全机构,
所述圆环具有朝向贯穿孔内侧方向突出的多个突起,
所述突起由直线的棱线构成。
2.根据权利要求1所述的圆筒形锂离子二次电池,其中,
所述贯穿孔的开口面积比为0.2以上且0.7以下。
3.根据权利要求1或2所述的圆筒形锂离子二次电池,其中,
所述圆环的材质是从由金属、陶瓷以及金属化合物构成的组中选择的至少一种。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的圆筒形锂离子二次电池,其中,
所述阀体是树脂和金属的层叠体。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的圆筒形锂离子二次电池,其中,
所述圆环具有两个以上且八个以下的突起。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的圆筒形锂离子二次电池,其中,
所述突起旋转对称地配置。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的圆筒形锂离子二次电池,其中,
所述突起的顶端角度为60°以上且120°以下。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的圆筒形锂离子二次电池,其中,
所述突起的高度为0.25mm以上且2.5mm以下。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的圆筒形锂离子二次电池,其中,
所述规定压力为1MPa以上且10MPa以下。
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