JP2002117814A - 角形外装缶とこれを用いる電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池のエネルギー密度を確保しながら従来よ
り豊富に電解液を保持し、良好な性能を発揮することが
可能な電池用のアルミニウムを主体とする材料からなる
角形外装缶と、これを用いる電池を提供する。 【解決手段】 外装缶30の底部内面に外装缶30の横方向
に沿って、電解液を溜めるための2条の溝状凹部302a、3
02bを配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は角形外装缶とこれを
用いる電池に関し、特に電解液の保液性の技術改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話機や携帯情報端末（ＰＤ
Ａ）などの携帯型電子機器が急速に普及している。これ
らの電子機器には高エネルギー密度の電源としてリチウ
ムイオン電池などの角形外装缶を有する電池が多用され
ている。このような角形外装缶を有する電池には、角形
外装缶に電解液を含む発電素体が収納される。発電素体
は、例えばいずれも帯状のセパレータ、正極、負極とを
重ねてなる電極体に電解液を含浸したものである。電極
体の体積は、電池の高エネルギー密度を得るために外装
缶の容積近くまで大きくされる。

【０００３】上記構成を持つ角形外装缶を有する電池で
は、アルミニウムを主体とする外装缶に電極体を収納し
た後、外装缶の開口部に封口体を装着し、外装缶と封口
体の境界をレーザ溶接する。そして封口体に設けた注入
口により必要量の電解液を注入し、注入口を封止栓で塞
ぎ、電池内部を密閉する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来に
おいては、すばやく電池内に必要量の電解液を注入し
て、電池内を密封することができないという問題点があ
った。すなわち、注入口から注入した電解液は最終的に
電極体に含浸されるが、電解液注入後すぐには電極体に
含浸せず、外装缶と電極体の隙間や封口体の隙間に一時
蓄えられ、徐々に電極体に含浸されていく。ところが、
電池の高エネルギー密度化に伴い、外装缶内に収納する
極板が増加することとなり、電解液を一時蓄える空間が
減少し、必要量の電解液を注入しようとしてもあふれ出
てしまい、必要量の電解液を密閉できず、電解液不足と
いう問題が発生した。また、あふれ出た電解液が注入口
付近に付着することにより、封止栓の溶接不良の原因と
なった。

【０００５】これに対し、外装缶のサイズを大きくして
電解液の量を確保しようとすると、電極体に対する電池
体積が増大することになり、電池のエネルギー密度が減
少してしまい、高エネルギー密度電源としての性能を低
下させてしまう。また、外装缶の厚みを薄くすることも
考えられるが、アルミニウムを主体とする外装缶は強度
が比較的小さく、厚みを薄くすることで必要な強度を確
保できなくなる。また、電解液量を分割して少しずつ注
入するという方法も考えられるが、注入完了までに時間
がかかり、電池の大量生産の際に律速となる。

【０００６】このような問題は、近年、アルミニウムを
主体とする材料からなる角形外装缶を持つリチウムイオ
ン電池などで比較的顕著にみられ、早急な対策が望まれ
ている。本発明は上記課題に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、電池のエネルギー密度を確保しながら
従来より豊富に電解液を保持し、良好な性能を発揮する
ことが可能な電池用のアルミニウムを主体とする材料か
らなる角形外装缶と、これを用いる電池を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、アルミニウムを主体とする材料からな
り、電解液と電極体からなる発電素体を収納する角形外
装缶であって、外装缶の内面に凹部が形成され、かつ、
当該凹部の周縁部に対応する外装缶の外面部分が面一状
に保たれた構成とした。このようにすれば、外装缶サイ
ズを電解液の保持のために大きくすることなく、良好に
電解液を保持できる。

【０００８】すなわち、当該角形外装缶に従来と同量の
電解液を入れると、外装缶内部に形成された凹部に電解
液が確保されるぶん、外装缶内部に保持できる電解液量
は多くなる。これにより本発明では、電解液を外装缶に
注入する際において、従来より電解液がこぼれ出る心配
が少ない。しかも、このような凹部を形成しても、外装
缶の外寸は変わらないので、エネルギー密度が減少しな
い。

【０００９】ここで、前記凹部は、具体的には外装缶の
底部に設けるのが望ましい。外装缶の底部はこれ以外の
部分よりも肉厚なため、比較的凹部を形成しやすい。ま
た、外装缶の底部に凹部を形成するようにすると、電極
体を外装缶に収納する際に凹部が支障になったり、これ
を変形させてしまうこともないので望ましい。なお、こ
の場合前記凹部は、外装缶に収納される電極体の底部よ
りも小さい寸法で形成すると、電極体が凹部にはまりこ
むのが防止され、電極体底部と外装缶の内面底部との間
に電解液を蓄える空間が確保でき、かつ外装缶の強度を
確保しやすいので望ましい。

【００１０】以上のような本発明の角形外装缶を用いる
電池によれば、従来と同様の電池サイズを維持しながら
電解液を良好に保持し、高いエネルギー密度を確保する
ことが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】1.実施の形態 図1は、本発明の角形外装缶の一適用例であるリチウム
イオン電池の主要構成を示す一部切欠図である。当図の
ように、リチウムイオン電池1（以下、単に電池1とい
う）は、主として封口体10、電極体20、角形外装缶30
（以下、単に外装缶30という）の各部品から構成され
る。ここで当該電池1は、一例として、縦50ｍｍ（ｚ方
向）×横34ｍｍ（ｙ方向）×奥行（ｘ方向）10ｍｍのサ
イズに作製されている。

【００１２】1-1.封口体と電極体 封口体10はアルミニウム板を打ち抜いてなる封口板104
を主体とし、その電池内部側の主面にポリプロピレン製
の絶縁板103、電池外側の主面中央に負極端子101をそれ
ぞれ配した構成をもつ。絶縁板103は、外装缶30内部で
電極体20が振動するのを防止する。

【００１３】封口板104と絶縁板103の主面中央は穿孔加
工されており、これにガスケット102を介して中空の負
極リベット106がカシメ固定されている。負極リベット1
06は、外装缶30の内部側において、電極タブ（不図示）
で電極体20の負極（不図示）と接続される。この負極リ
ベット106の中空部が、電解液の注入口となる。封口板1
04の上面（電池外面側）では、負極リベット106の中空
部分を覆うようにしてゴム製の封止栓107が配され、負
極リベット106の周囲が負極端子101と溶接されている。
これにより、電池内部の電解液が漏れ出ないようになっ
ている。

【００１４】電極体20は、それぞれ帯状の負極、セパレ
ータ202、正極204、セパレータ202を順次積層させて巻
き回し、側面から押しつぶして外装缶30の形状に合わせ
たものである。ここで、電池1のエネルギー密度を出来
るだけ高くするために、電極体20の体積は外装缶30の容
積近くまで確保するのが望ましい。電極体20は電池1の
内部で電解液（ここでは非水電解液）に含浸される。

【００１５】正極204は、アルミニウム製の正極芯体表
面に、正極活物質であるコバルト酸リチウムＬiＣｏＯ2
を主体として、導電剤と結着剤を混合した正極合剤を塗
布してなる。当該正極204は、外装缶30の内部におい
て、外装缶30とタブ（不図示）で電気的に接続される。
負極は、銅製の負極芯体表面に、黒鉛を主体とし、結着
剤を混合した負極合剤を塗布してなる。

【００１６】セパレータ202は、ポリエチレン製の微多
孔膜であって、負極と正極204の絶縁に用いられる。そ
の耐熱温度は120℃程度に設定されている。このような
構成の電池1では、充放電時に次の反応が起こってい
る。すなわち、充電時にはまず、正極204において、正
極活物質であるコバルト酸リチウムの結晶格子中のコバ
ルトが酸化され、これとともにリチウムイオンが放出さ
れる。放出されたリチウムイオンは、電解液を含浸した
セパレータ202を通って、負極側へ移動する。負極側で
は、リチウムイオンは黒鉛の結晶格子中に取り込まれ
る。

【００１７】そして放電時においては、この充電時とは
逆の反応が起こって、電気エネルギーを外部へ取り出す
ことができる。 1-2.外装缶 外装缶30はアルミニウム板を絞り加工してなる有底缶の
角形筐体である。その内部には電極体20が収納され、開
口部301と封口体10の周縁部105がレーザ溶接される。外
装缶30は前記正極204と電気的に接続されており、主に
その底部が正極端子として使用される。

【００１８】さらに外装缶30の底部には、電池1の幅方
向（図1中のｙ方向）に沿って、2条の平行な溝状の凹部
302a、302bが形成されている。ここで、図2は外装缶30
を各方向から見た部分断面図である。当図における
（a）はＡ-Ａ’断面図、（b）はＢ-Ｂ’断面図、（c）
はＣ-Ｃ’断面図である。

【００１９】当図の（a）〜（c）から分かるように、凹
部302a、302bは、外装缶30の底部内面が、材料の厚み方
向に凹んだものである。さらに凹部302a、302bが外装缶
30の底部に形成されながらも外装缶30の底部外面が面一
状に維持されており、従来と変わらない外観となってい
る（すなわち凹部302a、302bを形成した影響が外観に出
ないようになっている）。

【００２０】このような凹部302a、302bは、具体的には
平らな台の上に外装缶30を載置し、凹部302a、302bの形
状に対応する金型（凸部を有するパンチ）を外装缶30底
部の内面にプレスして鍛造加工することにより形成でき
る。ここにおいて、凹部302a、302bは本発明の主な特徴
部分であって、主として電池1の製造プロセスにおい
て、外装缶30に電極体20と電解液を入れる際に、以下の
重要な役割を持っている。

【００２１】すなわち、注入口から注入した電解液は、
最終的に電極体20に含浸されるものの、電解液注入後す
ぐには電極体20に含浸せず、外装缶30と電極体20の隙間
や封口体10と電極体20との隙間に一時蓄えられ、徐々に
電極体20に含浸される。したがって、必要量の電解液を
一度に注入しようとしてもあふれ出てしまい、十分な量
の電解液を注入できずに電解液不足を招くことがある。
また、あふれ出た電解液が外装缶30に付着すると、溶接
不良の原因となることがある。

【００２２】このような問題に対し、本実施の形態で
は、上記凹部302a、302bを設けることにより、電極体20
を外装缶30の容積近くに設定しても、良好に電解液を保
持できるようになっている。すなわち、当該角形外装缶
に凹部302a、302bが形成されていない従来と比べると、
同量の電解液を入れたときに外装缶30の内部に形成され
た凹部302a、302bに電解液が確保されるぶん、外装缶30
内部に蓄えることができる電解液量が多くなる。

【００２３】また、凹部302a、302bに保持された電解液
は、電極体20を外装缶30に収納した後に、当該電極体20
に徐々に浸透してゆき、電解液は最終的にほとんど電極
体20に含浸されることとなる。そして、このような凹部
302a、302bを形成しても、外装缶30の外寸は変わらず、
外装缶30として必要な強度を保つことができるので、凹
部302a、302bを形成することによってエネルギー密度が
減少したり、強度不足になることもない。

【００２４】以上のようなことから、本実施の形態で
は、従来と同様の電池サイズを維持しながらも電解液を
良好に保持し、高いエネルギー密度を確保することが可
能になっている。 1-3.実施の形態に関するその他の事項 ここで、前記凹部302a、302bは外装缶20内部のどこに設
けてもよいが、その場合は電池強度を考慮して、なるべ
く外装缶20の材料厚みが比較的厚い場所を選ぶのが望ま
しい。その点、外装缶30の底部はこれ以外の部分よりも
肉厚なので比較的凹部302a、302bを形成するのに適して
いる。また、外装缶30の側面に凹部302a、302bを形成す
ると、電極体20を外装缶30に収納する際にひっかかり、
電極体20を損傷する可能性があるが、外装缶の底部に凹
部302a、302bを形成するようにすると、電極体20を外装
缶30に収納する際に電極体20が凹部302a、302bの縁に引
っ掛かることもないので、製造プロセスにおける作業効
率としても有利である。

【００２５】また、前記凹部302a、302bは、外装缶に収
納される電極体の底部よりも小さい寸法で形成されてい
るので、電極体20が凹部302a、302bにはまりこむのが防
止されるので、電極体20の底部と外装缶30の内面底部と
の間に電解液を蓄える空間が確保でき、かつ外装缶30の
強度を保つことができるので望ましい。特に、上記のよ
うに凹部302a、302bを電池1の横方向（ｙ方向）に沿っ
て2条の溝状に形成すれば、外装缶30の強度を維持しな
がら凹部302a、302bの容積を比較的大きく確保できるの
で有利である。

【００２６】また、この形態の電池では、過放電や過充
電から電池を保護するために保護回路（不図示）を取り
付けることがある。この場合、保護回路から延長した電
力供給用のタブが、負極端子101と外装缶30底部の正極
端子にそれぞれ取り付けられる。このとき、電池1で
は、凹部302a、302bを形成した外装缶30の内面底部に対
応する外面底部が、面一状に加工されているので、この
部分に容易に導電タブを取り付けることができるといっ
た効果も奏される。

【００２７】なお、本発明は単純に外装缶30の材料厚み
を薄くする（例えば外装缶30の底面を薄くする）ことに
よって、外装缶30の容積を確保する技術とは異なる。す
なわち、単純に外装缶30の厚みを薄くするだけでは十分
な電池強度が得られないため、本発明では外装缶30の内
面に凹部302a、302bを形成するものとしている。ここ
で、凹部302a、302bの面積としては、実施の形態のよう
に凹部302a、302bを外装缶30の底部に形成する場合に
は、外装缶内底面の面積の6割程度の大きさで作製する
のが望ましい。

【００２８】2.実施例の作製 上記実施の形態に基づき、下記の仕様を実施例のリチウ
ムイオン電池（縦50mm×横34mm×奥行き（厚さ）10mmの
寸法）として、また凹部302a、302bを形成しない電池を
比較例としてそれぞれ作製し、両者の性能比較実験を行
った。電池仕様は以下の通りである。ここで実施例と比
較例とは、実施例の外装缶に凹部302a、302bの形成する
ことで差違をつけるのみとした。

【００２９】＜電極体の作製＞正極204は、長さ708mm、
幅38.5mm、厚さ20μｍのアルミニウム製正極芯体の表面
に、コバルト酸リチウムを主体として、その他導電剤と
して黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを含む
正極合剤スラリー（溶剤はＮ-メチル-2-ピロリドン）を
塗布後、溶剤を乾燥揮発させ、厚さ165μｍに圧縮して
作製した。

【００３０】なお、電極体20の最外周部分になる領域
は、タブを取り出すためにスラリーを塗布しないことと
した。そして正極204の最外周の一部（スラリーを塗布
しない領域の一部）にほぼU字型の切り込みを入れ、当
該切り込み部分を起こしてタブ（正極タブ）とした。負
極は、長さ670mm、幅40.5mm、厚さ18μｍの銅製負極芯
体表面に、天然黒鉛を主体として、その他結着剤として
ポリフッ化ビニリデンを含む負極合剤スラリー（溶剤は
Ｎ-メチル-2-ピロリドン）を塗布後、溶剤を乾燥揮発さ
せ、厚さ150μｍに圧縮したものである。

【００３１】なお、当該負極については、電極体20の巻
き始めになる部分（電極体20の中心部分）にニッケル製
のタブ（負極タブ）を取り付けた。このように作製した
正極204および負極を、正極204が外面となるように、幅
43mm、厚さ27μｍのポリエチレン製セパレータ202を介
して巻き回し、巻き終わり部分を粘着テープで固定す
る。そして、これを外装缶30の形状に合わせて押しつぶ
し、縦43mm、横31mm、厚さ8mmの電極体20として成形す
る。 ＜電池の組立て＞上記のように組み立てた電極体20は、
外装缶30（底面材厚0.7mm、それ以外の部分の材厚0.6m
m）の内部に収納する。このとき、負極タブと負極リベ
ット106とを電気的に接続する。また、正極タブは、開
口部301と封口体10の周縁部105との間に挟み込んで長さ
を調整し、これらとともにレーザ溶接した。

【００３２】これにより、電解液注入前の電池を完成し
た。 ＜実験＞上記のように組み立てた電解液注入前の電池
を、実施例と比較例で各100個ずつ作製した。そして、
個々の電池の質量を計測したのち、電解液4.8gを注入し
た。電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボ
ネートを体積比で3：7の割合で混合した溶媒に、電解質
として六フッ化リン酸リチウムを1mol/ｌの濃度で溶解
して調整したものを用いた。なお電解液の注入量として
は、電池性能が十分発揮するのに最適と思われる量を用
いた。そして注入終了直後に、注入口からあふれて外装
缶の外面に付着している電解液をふき取り、再度質量を
計測して、次の式1によりあふれ出た電解液質量（電解
液吐出量）を求めた。 （式1） あふれた電解液量（電解液吐出量、g）＝4.8-（注入後
質量-注入前質量） この実験結果を次の表1にまとめる。

【００３３】

【表1】 3.実験結果の考察 実施例と比較例の電解液吐出量は、表1に示すように、
それぞれ平均0.00g、平均0.11gであった。このように、
同じ条件下でも比較例では吐出量の平均値が多いのに対
し、実施例では吐出量の平均値が皆無になるまで改善さ
れており、凹部302a、302bによって電解液の吐出が良好
に防止されているのが窺える。

【００３４】4.その他の事項 実施の形態および実施例で角形のリチウムイオン電池の
例を示したが、本発明はこれに限定するものではなく、
他の発電素体を有する角形外装缶を持つ電池に適用して
もよい。また、外装缶の材質としてアルミニウム材を用
いる例を示したが、アルミニウム合金をはじめ、アルミ
ニウムを主体とする材料であれば、他の成分が混合され
ていてもよい。

【００３５】また、凹部の形状は上記2条の溝状に限定
するものではなく、これ以外の形状であってもよいが、
外装缶の強度を良好に確保するためには、大型の凹部を
1つ設けるよりも小型の凹部を複数設ける方がよいと思
われる。さらに、電極体は帯状の電極およびセパレータ
を巻回した構成に限定せず、例えば短冊型など、これ以
外のタイプであってもよい。

【００３６】

【発明の効果】 以上のことから明らかなように、本発
明はアルミニウムを主体とする材料からなり、電解液と
電極体からなる発電素体を収納する角形外装缶であっ
て、外装缶の内面に凹部が形成され、かつ、当該凹部の
周縁部に対応する外装缶の外面部分が面一状に保たれた
構成なので、外装缶のサイズを増大させることなく良好
に電解液を保持できる。しかも、凹部を形成しても外装
缶の外観は従来と変わらないので、高いエネルギー密度
を維持できるといった効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の一適用例である角形外装缶電池の主要
構成を示す一部切欠図である。

【図2】角形外装缶の形状を示す一部切欠図である。 （a）主面方向から見た一部切欠図である。 （b）開口部方向から見た一部切欠図である。 （c）側面方向から見た一部切欠図である。

【符号の説明】

10 封口体 20 電極体 30 外装缶 202 セパレータ 204 正極 302a、302b 凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H011 AA03 AA09 BB04 CC06 DD03 KK01 5H029 AJ03 AJ14 AK03 AL07 AM03 AM05 AM07 BJ02 BJ14 CJ03 CJ13 DJ02 DJ14 EJ01 HJ04 HJ12

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項1】 アルミニウムを主体とする材料からな
   り、電解液と電極体からなる発電素体を収納する角形外
   装缶であって、 外装缶の内面に凹部が形成され、 かつ、当該凹部の周縁部に対応する外装缶の外面部分が
   面一状に保たれた構成であることを特徴とする角形外装
   缶。
2. 【請求項2】 前記凹部は、外装缶の底部に形成されて
   いることを特徴とする請求項1に記載の角形外装缶。
3. 【請求項3】 前記凹部は、外装缶に収納される電極体
   の底部よりも小さい寸法で形成されていることを特徴と
   する請求項2に記載の角形外装缶。
4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の角形外装
   缶を用いることを特徴とする電池。
5. 【請求項5】 アルミニウムを主体とする材料から角形
   外装缶を作製する外装缶作製ステップと、電解液と電極
   体からなる発電素体を前記外装缶に収納する第一ステッ
   プを経る電池の製造方法であって、 前記外装缶作製ステップでは、外装缶の外面部分を面一
   状に保ちながら、前記板材をその厚み方向に変形させて
   外装缶の内面に凹部を形成することを特徴とする電池の
   製造方法。
6. 【請求項6】 前記外装缶作製ステップでは、前記外装
   缶の底部において、当該外装缶に収納される電極体の底
   部よりも小さい寸法で前記凹部を形成することを特徴と
   する請求項5に記載の電池の製造方法。