JP2007027046A - 電池缶およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 開口端部の強度を確保しつつ、極板群にダメージを与えずにスムーズに極板群を収納することが可能な電池缶を提供する。
【解決手段】 筒状側部、底部、および開口部を有する電池缶であって、前記筒状側部は、前記底部側に形成された薄肉部、および前記開口部側に形成された前記薄肉部よりも肉厚の厚肉部からなり、前記厚肉部は、前記筒状側部の外側に向かって肉厚であり、前記筒状側部の内径は開口部から底部にかけて同寸法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ乾電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池に代表される非水電解液二次電池などの外装ケースとして用いられる電池缶およびその製造方法に関する。

最近のポータブル機器の進展にともなって電池の使用数量は拡大の一途をたどっており、二次電池、一次電池ともに価格の低減が市場から強く求められている。
電池缶の生産性を高め、その価格を低減するための電池缶の製造方法として、ＤＩ工法（Drawing and Ironing）が提案されている。ＤＩ工法では、表面がニッケルメッキ処理された鋼素材からなるカップ状の缶基材を、順次絞りしごき径が小さくなるように多段配置された複数個のダイスに、成形パンチで加圧しながら連続的に通過させることにより絞り加工およびしごき加工を施す。これにより、所定形状の電池缶が作製される。

成形パンチは、缶基材に挿入する前方に設けられた缶形成部、および缶形成部の後方に設けられ、缶形成部よりも径の小さい後端部を有するため、得られる電池缶の筒状側部は、底部側に薄肉部を形成し、開口部側において厚肉部を形成する。この厚肉部は、電池缶の内側に向かって肉厚であり、電池缶の筒状側部の内径は、開口端部付近において小さく、極板群を収容する底部側で大きくなっている（例えば、特許文献１および２）。
このため、封口部となる開口端部の強度が確保されるとともに、内容積の大きな電池缶が得られる。
しかし、電池缶内に極板群を収納する際に、極板群が電池缶の開口端部に接触して、損傷しやすいという問題があった。
特開平５−８９８６１号公報 特開２００４−２４１１８６号公報

そこで、本発明は、上記従来の問題を解決するために、極板群を収納する容積が大きく、かつ極板群にダメージを与えずに極板群をスムーズに収納することが可能な電池缶を提供することを目的とする。また、上記の電池缶が容易かつ確実に得ることのできる電池缶の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、筒状側部、底部、および開口部を有する電池缶であって、前記筒状側部は、前記底部側に形成された薄肉部、および前記開口部側に形成された前記薄肉部よりも肉厚の厚肉部からなり、前記厚肉部は、前記電池缶の外側に向かって肉厚であり、前記筒状側部の内径は開口部から底部にかけて同寸法であることを特徴とする。
前記筒状側部は、さらに前記薄肉部と前記厚肉部との間に、前記薄肉部から前記厚肉部にかけて厚さがしだいに増大する境界部を有し、前記境界部の前記薄肉部から前記厚肉部までの長さＬ１、前記薄肉部の厚さＴ１、および前記厚肉部の厚さＴ２が関係式：
５０≦Ｌ１／（Ｔ２−Ｔ１）≦１００
を満たすのが好ましい。

また、本発明は、（１）カップ状の缶基材を、多段配置された複数個の成形ダイスに成形パンチで加圧しながら連続的に通過させて絞りおよびしごき加工することにより、筒状側部、底部、および開口部からなり、前記筒状側部が、底部側に形成された薄肉部、および開口部側に形成され、薄肉部よりも筒状側部の内側に向かって肉厚の厚肉部からなり、前記筒状側部の外径が開口部から底部にかけて同寸法の中間体を得る工程と、
（２）前記工程（１）の後、厚肉部の内径と同寸法の径の挿入部、および前記挿入部の後方に設けられ、前記薄肉部の内径と同寸法の径の凸部を有する拡口パンチを、前記挿入部を前方に向けて、前記中間体の開口部より挿入し、前記凸部で前記厚肉部を内側から外側に向けて加圧して、前記厚肉部が前記筒状側部の外側に向かって肉厚であり、前記筒状側部の内径が前記開口部から前記底部にかけて同寸法となるように加工する工程とを含む電池缶の製造方法に関する。
前記拡口パンチの凸部の長さＬ２と、前記厚肉部の長さＬ３とが、関係式：
０．０５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．４
を満たすのが好ましい。

本発明によれば、筒状側部における開口部側の厚肉部が、外側に向かって肉厚となっており、筒状側部の内径が、底部側から開口部側にかけて同寸法であるため、開口部側の端部の強度を確保しつつ、極板群にダメージを与えることなく、極板群をスムーズに電池缶内に収納することができる。
この電池缶を用いることにより、高容量であり、かつ信頼性に優れた電池が得られる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態である有底円筒形の電池缶の縦断面図である。
有底円筒形の電池缶１は、筒状側部２、底部３、および開口部４からなる。筒状側部２は、底部側に形成された薄肉部２ａと、開口部４側に形成された、薄肉部よりも肉厚の厚肉部２ｂと、薄肉部２ａと厚肉部２ｂとの間に形成された、薄肉部２ａから厚肉部２ｂにかけてしだいに肉厚となる境界部２ｃとから構成される。
そして、厚肉部２ｂおよび境界部２ｃは筒状側部２の外側に向かって肉厚であり、筒状側部２の内径は底部３から開口部４にかけて同寸法である。このため、電池缶の開口端部の強度を確保しつつ、電池作製過程において、正極、負極、およびセパレータを含む極板群を、極板群が損傷することなく、電池缶内にスムーズに収納することができる。

境界部２ｃの薄肉部２ａから厚肉部２ｂまでの長さＬ１、薄肉部２ａの厚さＴ１、および厚肉部２ｂの厚さＴ２は、関係式：
５０≦Ｌ１／（Ｔ２−Ｔ１）≦１００
を満たすのが好ましい。
電池缶を、封口体を用いて封口する際には、電池缶の筒状側部における薄肉部と厚肉部との間の境界部に溝入れ加工して、環状溝を形成する。そして、環状溝の上方で、封口体を、絶縁ガスケットを介してかしめつけることにより、電池を封口する。

Ｌ１／（Ｔ２−Ｔ１）が５０未満であると、環状溝を形成するために境界部を溝入れ加工する際に、薄肉部と厚肉部との間にストレスが生じ、環状溝を形成することが困難になる。一方、Ｌ１／（Ｔ２−Ｔ１）が１００を超えると、境界部が極板群の収納部分にまで達するため、環状溝形成時に極板群が押圧され、極板群が損傷しやすくなる。

本発明の電池缶の製造方法における一実施形態として有底円筒形の電池缶１の製造方法を以下に説明する。
以下に示す工程１について図２および３を参照しながら説明する。
工程１：成形ダイス７と成形パンチ６を用いて、カップ状の缶基材５を図３に示す有底円筒形の中間体８に加工する。成形ダイス７は、１つの絞りダイス７ａおよび３段配置したしごきダイス７ｂ〜７ｄを有する。成形パンチ６で加圧しながら缶基材をダイスの孔に連続的に通過させて１段の絞り加工および３段のしごき加工を一挙に施す（ＤＩ工法）。

中間体８は、筒状側部９、底部１０、および開口部１１からなる。筒状側部９は、底部１０側に形成された薄肉部９ａ、および開口部１１側に形成された、薄肉部９ａよりも肉厚の厚肉部９ｂ、薄肉部９ａと厚肉部９ｂとの間に形成された、薄肉部９ａから厚肉部９ｂにつれてしだいに肉厚となる境界部９ｃからなる。厚肉部９ｂは、筒状側部９の内側に向かって肉厚であり、筒状側部９の外径が、開口部１１から底部１０にかけて同寸法である。

カップ状の缶基材は、例えば、片面または両面にニッケルメッキを施した鋼板をプレス機に供給し、所定形状に打ち抜き、絞り工法により得られたものが用いられる。
成形パンチ６は、缶基材５を挿入する前方に設けられ、底部１０および筒状側部９の薄肉部９ａを形成するための缶形成部６ｂと、缶形成部６ｂの後方に設けられ、径が缶形成部６ｂよりも小さい、厚肉部９ｂを形成するための後端部６ａと、缶形成部６ｂと後端部６ａとの間に設けられ、後端部６ａから缶形成部６ｂにかけてしだいに径が大きくなる、境界部９ｃを形成するためのテーパ部６ｃとを有する。

従来では、上記の中間体を電池缶として用いていたため、極板群を収納する際に極板群が厚肉部で押圧されるため、損傷しやすいという問題があった。本発明の電池缶の製造方法は、上記の工程１に続いて下記に示す工程２を行う点に特徴を有する。
本発明の電池缶の製造方法により、容易にかつ確実に、内側に向かって肉厚であった厚肉部を外側に向かって肉厚となるように加工することができる。これにより、電池缶の開口端部の強度を維持しつつ、電池缶内への極板群の挿入を、極板群が損傷することなくスムーズに行うことが可能となる。

以下に示す工程２について図４および５を参照しながら説明する。
工程２：拡口パンチ１２を用いて、中間体８を有底円筒形の電池缶１に加工する。
拡口パンチ１２は、中間体８に挿入する前方に形成された、厚肉部９ａの内径と同寸法の径の挿入部１２ｂ、および挿入部１２ｂの後方に設けられ、薄肉部９ａの内径と同寸法の径の凸部１２ａからなる。挿入部１２ｂと凸部１２ａとの間には、テーパ部１２ｃが設けられている。拡口パンチ１２にテーパ部１２ｃを設けることにより，凸部１２ａの中間体８への挿入をスムーズに行うことができる。

拡口パンチ１２を、挿入部１２ｂを前方に向けて、中間体８の開口部１１より挿入し、挿入過程において、凸部１２ａで厚肉部９ａおよび境界部９ｃを内側から外側に向けて加圧することにより、筒状側部２の外側に向かって肉厚の厚肉部２ｂおよび境界部２ｃが形成される。これにより、図１に示すような、開口部４から底部３にかけて同寸法の筒状側部２を有する電池缶１が得られる。このとき、挿入部１２ｂの径が薄肉部９ａよりも小さいため、薄肉部２ａおよび底部３は、中間体の薄肉部９ａおよび底部１０と同じ寸法となる。

図４に示す、拡口パンチ１２の凸部１２ａの長さＬ２と、厚肉部９ｂの長さＬ３とが、関係式：
０．０５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．４
を満たすのが好ましい。Ｌ３／Ｌ２が０．０５未満であると、拡口パンチを挿入した後においても、筒状側部の厚肉部はスプルングバックにより元に戻る力が働くことにより、厚肉部の内径を薄肉部の内径にまで拡げることが困難である。一方、Ｌ３／Ｌ２が０．４を超えると、拡口パンチの凸部と筒状側部との間の抵抗力が大きくなり、筒状側部の底部側が座屈し、電池缶の底部の径が大きくなりやすい。

上記では、電池缶における筒状側部の横断面が円形であったが、これ以外に、横断面が角の取れた矩形、楕円形、多角形などであってもよい。また、電池缶の底部は平坦であってもよいし、正・負極のどちらか一方の端子を兼ねる突起を有していてもよい。本発明の電池缶は、例えば、アルカリ乾電池、ニッケル・水素蓄電池、およびリチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池などに用いられる。
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

《実施例１》
以下の方法により本発明の電池缶を作製した。
Ｎｉめっきを施した鋼板を円形に打ち抜いて、Ｎｉめっきを施した面が内側になるように加工して、カップ状の缶基材を得た。
図２と同様の成形ダイスおよび成形パンチを用いてＤＩ工法（工程１）により、このカップ状缶基材を円筒形に成形し、図４に示す中間体８を得た。

次に、上記で得られた中間体８に、図４と同様の拡口パンチ１２を挿入して、外側に向かって肉厚である厚肉部２ｂおよび境界部２ｃを形成して、図１と同様の本発明の電池缶１を作製した。
拡口パンチ１２の凸部の長さＬ２は１．０ｍｍであった。
得られた電池缶１は、外径１８ｍｍ、および高さ６５ｍｍの円筒形であった。そして、筒状側部２（薄肉部２ａ、境界部２ｃ、厚肉部２ｂ）の内径は、１７．７６ｍｍであり、電池缶１の底部３の厚さは約０．３ｍｍであり、薄肉部２ａの厚さＴ１は０．１２ｍｍであり、厚肉部２ｂの厚さＴ２は０．２であった。また、薄肉部２ａの長さは５４．７ｍｍであり、厚肉部２ｂの長さＬ３は６ｍｍであり、境界部２ｃの長さＬ１は４ｍｍであった。

《比較例１》
実施例１で得られた中間体８を電池缶として用いた。中間体８の厚肉部９ｂの内径は１７．６ｍｍであり、薄肉部９ａの内径は１７．７６ｍｍであった。

実施例１および比較例１の電池缶に対して、電池缶に挿入する極板群の径を１７．５５〜１７．７５ｍｍの範囲で種々に変えて、極板群の電池缶内への挿入性を調べた。 なお、極板群の径は極板の厚さを変えることにより調整した。
極板群には、リチウムイオン二次電池用のものを使用した。図６に示すように、正極板２５および負極板２６を、ポリエチレン製のセパレータ２７を介して渦巻き状に巻回して極板群を構成した。

正極板２５は以下の手順で作製した。
正極活物質と、アセチレンブラックと、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンと、カルボキシメチルセルロース水溶液とからなる正極ペーストを調製し、これをアルミニウム箔の両面に塗着し、乾燥した。その後、極板を圧延し、所定の大きさに切り出して正極板２５を得た。正極活物質にはコバルト酸リチウムを用いたが、これに限定されるものではない。

負極板２６は以下の手順で作製した。
負極活物質と、スチレン−ブタジエンゴムの水性ディスパージョンと、カルボキシメチルセルロース水溶液とからなる負極ペーストを調製し、これを銅箔の両面に塗着し、乾燥した。その後、極板を圧延し、所定の大きさに切り出して負極板２６を得た。負極活物質にはコークス由来の人造黒鉛を用いたが、これに限定されるものではない。

電池缶内への極板群の挿入性を調べた結果を表１に示す。なお、表１中の○は電池缶内に極板群をスムーズに挿入することができた場合を示し、△は電池缶内に極板群を挿入することはできたが、極板群に変形や傷等のダメージがあった場合を示し、×は、電池缶内に極板群を挿入できなかった場合を示す。

実施例１の電池缶では、極板群の径が１７．６ｍｍを超えても、電池缶内にスムーズに挿入されるため、極板群にダメージはなかった。比較例１の電池缶（中間体）では、極板群の径が１７．６ｍｍとなると、挿入性が悪くなり、極板群にダメージを生じた。さらに、極板群の径が１７．６５ｍｍ以上では、極板群を電池缶内に挿入できなかった。
本発明の電池缶を用いることにより、従来よりも径の大きな極板群を挿入することができるため、容量の大きな電池が得られる。

《実施例２》
表２に示すように境界部の長さＬ１を変えることにより、Ｌ１／（Ｔ２−Ｔ１）の値を種々に変えた以外は、実施例１と同様の方法により電池缶Ａ〜Ｄを作製した。

電池缶Ａ〜Ｄを用いて以下の手順により封口し、図６に示すリチウムイオン二次電池を作製した。
電池缶２１には上記と同様の径が１７．７５ｍｍの極板群を収納した。正極板２５と封口体２２との間を正極リード２５ａにより電気的に接続し、負極板２６と電池缶２１の底部内面との間を負極リード２６ａにより電気的に接続した。極板群の上下部には、それぞれ絶縁リング２８ａおよび２８ｂを設けた。

電池缶２１内に電解液を注入した。電解液には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合溶媒にＬｉＰＦ_６を溶解したものを用いた。その後、電池缶２１の開口部を、安全弁を設けた正極端子を兼ねる封口体２２を用いて封口した。
電池缶２１の開口部を封口する際に、電池缶２１の開口端部を、絶縁ガスケット２３を介して封口体２２の端縁部にかしめつけた。このとき、電池缶１における筒状側部２の境界部２ｃに溝入れして、所定形状の環状溝２９を形成した電池缶２１とした。そして、環状溝２９の上部において絶縁ガスケット２３を配置した。電池缶２１と封口体２２とは、絶縁ガスケット２３で電気的に絶縁された。

Ｌ１／（Ｔ２−Ｔ１）が５０〜１００である電池缶ＢおよびＣを用いた場合、上記の電池の作製過程において、極板群が損傷することなく、所定形状の環状溝を確実に形成することができた。
しかし、境界部の長さＬ１が短い電池缶Ａでは、境界部に溝入れ加工して、環状溝を形成する際に、筒状側部の薄肉部と境界部との間にストレスが生じ、所定の環状溝を形成することが困難であった。また、境界部の長さＬ１が長い電池缶Ｄでは、境界部が極板群の収納部分にまで達するため、環状溝を形成する際に、極板群を押圧して極板群が損傷した。

《実施例３》
表３に示すように拡口パンチの凸部の長さＬ２を変えることにより、Ｌ３／Ｌ２の値を種々に変えた以外は、実施例１と同様の方法により電池缶Ｅ〜Ｉを作製した。そして、各電池缶の厚肉部の内径および底部の径を測定した。その測定結果を表３に示す。

Ｌ３／Ｌ２が０．０５〜０．４の電池缶Ｆ〜Ｈでは、所定形状のものが得られた。
拡口パンチの凸部の長さＬ２が短い電池缶Ｅでは、中間体を電池缶に加工する際に、厚肉部はスプリングバックにより元に戻る力が働き、厚肉部の内径が薄肉部の内径となるまで厚肉部の内側を拡げることができなかった。一方、拡口パンチの凸部の長さＬ２が長い電池缶Ｉでは、拡口パンチの凸部と電池缶の筒状側部との間の抵抗力が大きくなり、筒状側部の底部側が座屈し、電池缶の底部の径が大きくなり、所定形状の電池缶が得られなかった。

本発明の電池缶は、アルカリ乾電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池に代表される非水電解液二次電池などの外装ケースとして好適に用いられる。

本発明の一実施の形態における電池缶の縦断面図である。 本発明の電池缶の製造方法におけるＤＩ工程を示す縦断面図である。 本発明の電池缶の製造方法におけるＤＩ工程により中間体が得られた状態を示す縦断面図である。 本発明の電池缶の製造方法における中間体に拡口パンチを挿入する工程を示す縦断面図である。 本発明の電池缶の製造方法における拡口パンチを挿入することにより電池缶が得られた状態を示す縦断面図である。 本発明の電池缶を用いたリチウムイオン二次電池の縦断面図である。

符号の説明

１、２１ 電池缶
２、９ 筒状側部
２ａ、９ａ 薄肉部
２ｂ、９ｂ 厚肉部
２ｃ、９ｃ 境界部
３、１０ 底部
４、１１ 開口部
５ 缶基材
６ 成形パンチ
６ａ 缶形成部
６ｂ 後端部
６ｃ テーパ部
７ 成形ダイス
７ａ 絞りダイス
７ｂ、７ｃ、７ｄ しごきダイス
８ 中間体
１２ 拡口パンチ
１２ａ 凸部
１２ｂ 挿入部
２２ 封口体
２３ 絶縁ガスケット
２５ 正極板
２５ａ 正極リード
２６ 負極板
２６ａ 負極リード
２７ セパレータ
２８ａ、２８ｂ 絶縁リング

Claims (4)

1. 筒状側部、底部、および開口部を有する電池缶であって、
   前記筒状側部は、前記底部側に形成された薄肉部、および前記開口部側に形成された前記薄肉部よりも肉厚の厚肉部からなり、
   前記厚肉部は、前記筒状側部の外側に向かって肉厚であり、前記筒状側部の内径は開口部から底部にかけて同寸法である電池缶。
2. 前記筒状側部は、さらに前記薄肉部と前記厚肉部との間に、前記薄肉部から前記厚肉部にかけて厚さがしだいに増大する境界部を有し、
   前記境界部の前記薄肉部から前記厚肉部までの長さＬ１、前記薄肉部の厚さＴ１、および前記厚肉部の厚さＴ２が関係式：
   ５０≦Ｌ１／（Ｔ２−Ｔ１）≦１００
   を満たす請求項１記載の電池缶。
3. （１）カップ状の缶基材を、多段配置された複数個の成形ダイスに成形パンチで加圧しながら連続的に通過させて絞りおよびしごき加工することにより、筒状側部、底部、および開口部からなり、前記筒状側部が、底部側に形成された薄肉部、および開口部側に形成され、薄肉部よりも筒状側部の内側に向かって肉厚の厚肉部からなり、前記筒状側部の外径が開口部から底部にかけて同寸法の中間体を得る工程と、
   （２）前記工程（１）の後、厚肉部の内径と同寸法の径の挿入部、および前記挿入部の後方に設けられ、前記薄肉部の内径と同寸法の径の凸部を有する拡口パンチを、前記挿入部を前方に向けて、前記中間体の開口部より挿入し、前記凸部で前記厚肉部を内側から外側に向けて加圧して、前記厚肉部が前記筒状側部の外側に向かって肉厚であり、前記筒状側部の内径が前記開口部から前記底部にかけて同寸法となるように加工する工程とを含む電池缶の製造方法。
4. 前記拡口パンチの凸部の長さＬ２と、前記厚肉部の長さＬ３とが、関係式：
   ０．０５≦Ｌ３／Ｌ２≦０．４
   を満たす請求項３記載の電池缶の製造方法。

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