JP2007165039A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電要素を収納する電池内容積の増大が可能となる優れた密閉型電池を提供することを目的とする。
【解決手段】有底筒状の電池ケースに発電要素が収納され、前記電池ケースには溝部が設けられ、前記電池ケースの開口部がガスケットを介して封口板でカシメ封口された密閉型電池であって、前記封口板は、少なくとも、弁体と封口板ケースを有しており、前記弁体は易破断部を有しており、前記易破断部は、前記密閉型電池の内圧が上昇することにより変形し破断することができ、前記電池ケースの、前記溝部と前記開口部の先端部との間に挟まれた部分には、前記弁体が介在していない密閉型電池。
【選択図】図２

Description

本発明は、密閉型電池、特にその封口構造に関するものである。

近年、ＡＶ機器あるいはパソコンなどの電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源としては、高容量化したアルカリ蓄電池や非水電解液二次電池の代表であるリチウム二次電池が適しており、さらに、これら電池は、高エネルギー密度で負荷特性に優れた密閉型電池であることが要望されている。

このような密閉型電池の封口は、封口板と電池ケースの開口部とをレーザー溶接により密閉する方法や、封口板とガスケットを電池ケースの開口部付近に設けられた溝部を介してカシメ封口する方法が採用されている。

ところで、高エネルギー密度の密閉型電池は、充電器等の故障による過充電、誤使用により過充電・過放電した場合、化学反応により電池内部にガスが発生し電池内圧が増大して電池が不安全な状態になる可能性がある。電池内圧が増大することを防ぐため、封口板に安全機構を設けている。特に、カシメ封口する方法に用いられる封口板には、電池内圧が設定値を超えた場合、封口板内に設けた弁体を開いて、電池内のガスを外部へ放出し、電池内圧を減少させるようにしている。さらに、非水電解液二次電池の場合、電池内圧が上昇すると温度が急激に上昇する可能性がある。そのため、電池内圧の上昇を検知することによって、ガスを電池外部に放出する前に電流を遮断する電流遮断機構を封口板に設けている（例えば、特許文献１参照）。

この電流を遮断する機構について図１を参照しながら説明する。金属箔製の上部弁体１には、中央部分に下方に突出させる膨出部を形成し、この膨出部にＣ字形状の薄肉部からなる易破断部を形成している。金属箔製の下部弁体２には、上部弁体１の易破断部よりも径の小さい円形の薄肉部からなる易破断部を周縁に形成した膨出部を中央部分に上方に突出させて形成している。上部弁体１と下部弁体２の易破断部同士を膨出部が同心円状に対向するように重ね合せている。上部弁体１と下部弁体２の周縁部分にリング状の絶縁性材料からなるインナーガスケット３を介在させ、封口板ケース４の周縁をキャップ５の周縁に固定している。その後、上部弁体１と下部弁体２の中央部の膨出部をレーザー溶接により接続した電流遮断機構を備えた封口板を形成している。そして、上部弁体１と下部弁体２とは弾性を保持した状態で固定されている。

この封口板は、上部弁体１と下部弁体２が、中央部に形成した膨出部における溶接部のみで電気的に接続している。電流を遮断する圧力は、刻印により形成された易破断部の破断強度に依存している。すなわち、電池内圧が所定値まで上昇した時、封口板ケース４に設けた通気孔より封口板内にガスが流入し、その圧力で下部弁体２の易破断部が破断する。下部弁体２の膨出部は上部弁体１に溶接されているため、上部弁体１がガス圧により上方へ反転し、下部弁体２と分離し、上部弁体１と下部弁体２の間で電流が遮断される。

電池内圧がさらに上昇した場合、上部弁体１の易破断部が破断され、ガスは破断した易破断部からキャップ５の通気孔を経て外部に排出される。

このような機構を設けた封口板とガスケット６を、電池ケース７の開口部付近に設けた溝部を介してカシメにより封口することで密閉型電池を構成している。
特開平１１−１４４７０５号公報

しかしながら前記従来の密閉型電池では、封口板に前述したような機構を有する部品が、電池ケースの溝部と電池ケース開口部先端部の間に挟まれた部分に存在しているため封口部が厚くなっていた。密閉型電池の外形寸法が同じ場合、封口部が厚くなると発電要素を収納する電池内の容積が減少し電池容量が小さくなるという課題があった。

そこで、本発明はこのような従来の課題を解決するもので、発電要素を収納する電池内の容積を大きくでき、電池容量が大きい密閉型電池を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の密閉型電池は、有底筒状の電池ケースに発電要素が収納され、前記電池ケースには溝部が設けられ、前記電池ケースの開口部がガスケットを介して封口板でカシメ封口されている。封口板は、少なくとも、弁体と封口板ケースを有している。弁体は易破断部を有している。易破断部は、密閉型電池の内圧が上昇することにより変形し破断することができる。電池ケースの、前記溝部と前記開口部の先端部との間に挟まれた部分には、弁体が介在していないことが特徴である。

本発明の密閉型電池によると、開口部付近に設けられた溝部を有する電池ケースと、外周にフランジ部を有する封口板ケースを用いて構成された封口板のフランジ部を、ガスケットを介してカシメ封口されているので、溝部と電池ケース開口部の先端部との間に挟まれた部分には、封止、絶縁を目的とするガスケットと、フランジしか存在しないため、従来の密閉型電池に比べ、封口部の厚みを薄くすることができ、電池容量を大きくすることができるようになる。

また、密閉型電池の封口板にＰＴＣサーミスタを有していることが好ましい。それは、大電流が流れた時にＰＴＣサーミスタの抵抗が急激に増大するため、信頼性が高く、安価に、過充電に対する保護機構を構成することができる。

ここで、ＰＴＣサーミスタとは、導電性のカーボンと、ポリオレフィンや、フッ素系樹脂等のポリマーが配合された素子であり、素子の温度がある温度以上に上昇すると、急激に抵抗値が増大するという機能を有している。

本発明によれば、封口部の厚みを薄くでき、発電要素を収納する電池内の容積を大きくでき、電池容量が大きい密閉型電池を得ることができる。

本発明の実施の形態における密閉型電池は、有底筒状の電池ケースに発電要素が収納され、電池ケースには溝部が設けられ、電池ケースの開口部がガスケットを介して封口板でカシメ封口されている。封口板には、少なくとも、弁体と封口板ケースを有している。弁体は易破断部を有している。易破断部は、密閉型電池の内圧が上昇することにより変形し破断する。電池ケースの、溝部と開口部の先端部との間に挟まれた部分には、弁体が介在していないことを特徴としている。

こうすることにより、溝部と電池ケース開口部の先端部との間に挟まれた部分には、封止、絶縁を目的とするガスケットと、フランジしか存在しない為、封口部の厚みを薄くすることが可能である。

またフランジ部を有する封口板ケースは形状が複雑である為、材質は加工性の優れるアルミニウム、もしくはアルミニウム合金が好ましい。

さらに、前記封口板の形状が円形である密閉型電池ならば、封口部形状が円形であるため、ガスケット、封口板のフランジ部も円形であり、かしめ時にガスケットの圧縮状態が安定し、封口性能が向上する。

本発明の好ましい実施の形態における密閉型電池の封口板はＰＴＣサーミスタを有しているのが好ましい。

こうすることにより、電池に大電流が流れた時にＰＴＣサーミスタの温度が上昇し、それに伴い抵抗が急激に増大することにより、大電流を流さないことで電池を保護する機能が加わる。

その際、図２のように上弁体１とキャップ５の間にＰＴＣサーミスタ８を挿入することで、電解液に直接触れることによる抵抗の増大をさけることができる点で好ましい。

以下、本発明を実施するための一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

正極活物質としてコバルト酸リチウム（以下、ＬｉＣｏＯ₂ と略す）、結着剤としてフッ化ビニリデン（以下、ＶＤＦと略す）とヘキサフルオロエチレン（以下、ＨＦＰと略す）との共重合体Ｐ（ＶＤＦ−ＨＦＰ）、および導電材としてアセチレンブラック（以下、ＡＢと略す）を、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略す）に混練分散して正極合剤ペーストを作製する。正極合剤ペーストを集電体として厚さ１５μｍのアルミニウム(以下、Ａｌと略す)箔に塗着、乾燥、そして圧延して、厚さ０．１５０ｍｍの正極板を作製する。

負極活物質として易黒鉛化炭素、結着剤としてＰ（ＶＤＦ−ＨＦＰ）の粉末を、アセトンとシクロヘキサノンからなる混合有機溶剤に混練分散して負極合剤ペーストを作製する。負極合剤ペーストを集電体として厚さ１２μｍの銅箔に塗着、乾燥、そして圧延して、厚さ０．１６０ｍｍの負極板を作製する。

このようにして作製した正極板と負極板を、セパレータとして厚さ２５μｍの微多孔性ポリエチレン樹脂を介して、電極群を作製する。

ニッケルメッキを施した鉄製の有底筒状の電池ケースを作製する。電池ケースは外径１８．０ｍｍ、底部板厚０．３ｍｍ、側部板厚０．２ｍｍである。

電極群を、電池ケースの中にポリプロピレン（以下、ＰＰと略す）製円板状底部絶縁板と共に挿入し、負極板に抵抗溶接により接続した負極リードと、電池ケース底面を抵抗溶接により接続した。

さらに、電極群上部にＰＰ製円板状上部絶縁板を挿入した後、電池ケース開口部付近に幅１．０ｍｍ、深さ１．５ｍｍのＵ字状の溝部を円周方向に塑性加工によって形成する。

その後、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）の混合溶媒に、電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）が１．０ｍｏｌ／Ｌになるように溶かし非水電解液を調整する。調整した非水電解液を電極群が入った電池ケース内に所定量注入する。

非水電解液を注入した後、正極板に超音波溶着により接続した正極リードと、ポリプロピレン（ＰＰ）製ガスケットに挿入された封口板をレーザー溶接により接続する。その後、正極リードを折り畳みながら、封口板を電池ケース開口部に挿入し、溝部を介してカシメ封口を行なって密閉型電池を作製する。

以下、本発明の密閉型電池における封口板の一実施の形態について詳述する。

（実施例１）
図２に示すように、封口板は、厚さ０．１５ｍｍ、外径１２．０ｍｍのアルミニウム（以下、Ａｌと略す）製円板状の上部弁体１と、この上部弁体１に対設された厚さ０．１ｍｍ、外径１２．７ｍｍのＡｌ製円板状の下部弁体２と、上部弁体１と下部弁体２の各々の周縁部分の間に介在された厚み０．４ｍｍのリング状のポリプロピレン（以下、ＰＰと略す）製インナーガスケット３と、上部弁体１の周縁部の上面に重ねられた厚み０．３ｍｍ、外径１１．９ｍｍのリング状のＰＴＣサーミスタ８と、このＰＴＣサーミスタ８に載置された板厚０．４ｍｍの排気孔を有する鉄（以下、Ｆｅと略す）製キャップ５と、および前述した各部材を積層状態で挿入させてカシメを行なうことにより、それらの部材を保持する、外周部に厚み１．８ｍｍ、外径１６．６ｍｍの通気孔を有するフランジ４ａを配した板厚０．４ｍｍ、外径１３．０ｍｍのＡｌ製の封口板ケース４を備えている。インナーガスケット３は、リング状の周縁部の周端から筒状部が上方に延出した形状をしている。

上部弁体１は、中央部分が下方に向け湾曲形状に膨出した凹状部と、この凹状部の周囲に、Ｃ字形状の刻印を用いて形成されたＣ字形状の易破断性の薄肉部とを有している。下部弁体２は、中央部分の周囲に、円形状の刻印により易破断性の薄肉部を有している。これら薄肉部は、電池内圧が所定値に達した時に破断する程度の破断強度である。下部弁体２の薄肉部の破断郷土は上部弁体１の薄肉部の破断強度よりも低く設定している。

上部弁体１と下部弁体２の各々の中心部がレーザー溶接により接続されている。上部弁体１と下部弁体２は接続部により電気的に接続されている。

この封口板を用いて密閉型電池を作製した。

（比較例１）
図１に示すように、封口板は、厚さ０．１５ｍｍ、外径１５．０ｍｍのＡｌ製円板状の上部弁体１と、この上部弁体１に対設された厚さ０．１ｍｍ、外径１５．７ｍｍのＡｌ製円板状の下部弁体２と、上部弁体１と下部弁体２の各々の周縁部分の間に介在された厚み０．４ｍｍのリング状のＰＰ製インナーガスケット３と、上部弁体１の周縁部の上面に重ねられた厚み０．３ｍｍ、外径１４．９ｍｍのリング状のＰＴＣサーミスタ８と、このＰＴＣサーミスタ８に載置された板厚０．４ｍｍの排気孔を有するＦｅ製キャップ５と、および前述した各部材を積層状態で挿入させてカシメを行なうことにより、それらの部材を保持する、板厚０．４ｍｍ、外径１６．６ｍｍの通気孔を有するＡｌ製筒状の封口板ケース４を備えている。

実施例１と同様に、非水電解液を注入した後、正極板に接続した正極リードと、ガスケットに挿入された封口板をレーザー溶接により接続後、正極リードを折り畳みながら、封口板をケース開口部に挿入し、溝部を介してカシメにより封口した。

この封口板を用いて密閉型電池を作製した。

実施例１と比較例１の密閉型電池の電池総高（キャップ天面〜ケース底面）、封口部厚
み（溝を介してガスケットとともにカシメ封口をした部分の厚み）、および有効高さ（電池ケース内の溝下〜底面）を測定し、それら結果を表１に示す。

また、これら密閉型電池について電流遮断作動圧、内圧作動圧、および耐漏液特性の評価を行った。

電流遮断作動圧、内圧作動圧は次のようにして測定した。電極群、非水電解液を除いた密閉型電池を製作し、電池内部に窒素ガスを注入し、封口部から窒素ガスのリークが始まった時の圧力を測定した。電池ｎ＝５の平均値を算出した。

耐漏液特性は、各々の電池を１００個ずつ温度６０℃の環境下に３０日間放置した。放置後の電池を拡大鏡で漏液の有無を確認した。

電流遮断作動圧は、比較例１は０．９１ＭＰａだったのに対し、実施例１は０．９０ＭＰａであった。また、内圧作動圧は、比較例１は１．９５ＭＰａだったのに対し、実施例１は１．９５ＭＰａであった。この結果から、封口板における電流遮断作動圧、内圧作動圧の性能は同等であった。耐漏液特性は、実施例１、比較例１の両方とも漏液は確認されなかった。

以上のことから、封口板の電流遮断作動圧、内圧作動圧、および耐漏液特性の性能を変えることなく、電池内有効高さ、すなわち、発電要素を収納し得る電池内の容積を大きくすることができる密閉型電池を得ることができることとなる。

なお、実施例では円筒形の密閉型電池について説明したが、密閉型電池の形状については特に限定されず、ボタン形、扁平形、および角形などいずれにも適用できる。

本発明の密閉型電池は、封口部の厚みを薄くでき、発電要素を収納する電池内の容積を大きくできるため、高エネルギー密度の密閉型電池を使用する電子機器等に有用である。例えば、携帯電話やノート型パソコン等の民生用モバイルツールの主電源、電動ドライバー等のパワーツールの主電源、およびＥＶ自動車等の産業用主電源の用途に適している。

従来の密閉型電池の概略断面図 本発明の一実施の形態による密閉型電池の概略断面図

符号の説明

１ 上部弁体
２ 下部弁体
３ インナーガスケット
４ 封口板ケース
４ａ フランジ
５ キャップ
６ ガスケット
７ 電池ケース
８ ＰＴＣサーミスタ

Claims (2)

1. 有底筒状の電池ケースに発電要素が収納され、前記電池ケースには溝部が設けられ、前記電池ケースの開口部がガスケットを介して封口板でカシメ封口された密閉型電池であって、前記封口板は、少なくとも、弁体と封口板ケースを有しており、前記弁体は易破断部を有しており、前記易破断部は、前記密閉型電池の内圧が上昇することにより変形し破断することができ、前記電池ケースの、前記溝部と前記開口部の先端部との間に挟まれた部分には、前記弁体が介在していない密閉型電池。
2. 前記封口板は、ＰＴＣサーミスタを有している請求項１に記載の密閉型電池。