JP2009054531A

JP2009054531A - 電池

Info

Publication number: JP2009054531A
Application number: JP2007222627A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kobayashi; 隆史小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-03-12

Abstract

【課題】外部圧力等によるシール破壊が原因となる液漏れが低減され、封口の密閉性に優れた信頼性の高い電池を提供する。
【解決手段】取り付け孔を有する蓋８と、筒部と凹部を有するフランジ部とを備えた絶縁パッキング９と、取り付け孔を有する絶縁板１１と、取り付け孔を有するリード１２と、絶縁パッキング９のフランジ部の凹部内に配置された頭部と、頭部から伸び出ており、絶縁パッキング９の筒部に挿入された状態で蓋８の取り付け孔、絶縁板１１の取り付け孔及びリード１２の取り付け孔にかしめ固定された軸体とを有する出力端子１０とを具備する電池であって、出力端子１０の頭部におけるフランジ部の凹部と接する面と、蓋８におけるフランジ部と接する面と、蓋８における絶縁板１１と接する面とに、環状の凸部がそれぞれ形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池に関するものである。

密閉型の電池として以下に説明する構造を有するものが知られている。電池ケースの開口部を密封する蓋（キャップ）に開口された取り付け孔に、樹脂性の絶縁パッキング（ガスケット）を介して出力端子（リベット）を挿入し、先端を蓋の下面側まで貫通させる。貫通した出力端子の先端を押圧してカシメ処理すると、出力端子の挿入部が膨張変形するため、出力端子の挿入部がガスケット及び蓋の各部位に密着することにより抜け外れ不能に固定され、蓋の取り付け孔がシールされる。

しかしながら、このような密閉型電池が機器に取り付けられる場合、出力端子に外部リードを溶接することが多く、機器への取り付け時や外部リード溶接時の振動等による外部圧力が出力端子に加わることでシール破壊が生じ、液漏れの原因になることがあった。また、電池ケース内圧上昇が生じた場合等の液漏れの原因になることもあった。

前記原因の改善策の１つとして、出力端子の下面と絶縁パッキングのフランジ面とが接する面の出力端子下面側や、蓋上面と絶縁パッキングのフランジ面とが接する面の蓋上面に１個あるいは複数個の突起を設ける構造にすることによって、出力端子への外部圧力等が原因となるシール不良を改善する提案がなされている（例えば特許文献１〜３）。

しかしながら、特許文献１〜３に記載の電池では、前記各面に設けられた１個あるいは複数個の突起がカシメ処理による押圧力によって、それと接する絶縁パッキングのフランジ面に食い込んで廻り止め形成されるものの、外部圧力等によるシール破壊、すなわち液漏れの防止に対しては不十分であった。
特開２００３−２７２５７４特開２００５−５６６４８特開２００５−５６６４９

本発明は、外部圧力等によるシール破壊が原因となる液漏れが低減され、封口の密閉性に優れた信頼性の高い電池を実現することを目的とする。

本発明に係る電池は、容器と、
前記容器内に収納され、正極及び負極を備えた電極群と、
前記容器内に収容された電解液と、
前記容器の開口部に配置され、取り付け孔を有する蓋と、
前記蓋の前記取り付け孔に挿入された筒部と、前記蓋上に配置されるように前記筒部の一端に形成され、凹部を有するフランジ部とを備えた絶縁パッキングと、
前記蓋における前記絶縁パッキングが配置されている面と反対側の面に配置され、前記蓋の前記取り付け孔と連通する取り付け孔を有する絶縁板と、
前記絶縁板に重ねられ、前記絶縁板の前記取り付け孔と連通する取り付け孔を有し、前記正極または前記負極と電気的に接続されたリードと、
前記絶縁パッキングの前記フランジ部の前記凹部内に配置された頭部と、前記頭部から伸び出ており、前記絶縁パッキングの前記筒部に挿入された状態で前記蓋の前記取り付け孔、前記絶縁板の前記取り付け孔及び前記リードの前記取り付け孔にかしめ固定された軸体とを有する出力端子と
を具備する電池であって、
前記出力端子の前記頭部における前記フランジ部の前記凹部と接する面と、前記蓋における前記フランジ部と接する面と、前記蓋における前記絶縁板と接する面とに、環状の凸部がそれぞれ形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、液漏れが低減され、封口の密閉性に優れた信頼性の高い電池を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１に示す角形のリチウムイオン二次電池は、有底矩形筒状をなす容器（電池ケース）１を具備する。容器１は、例えば、アルミニウム板もしくはアルミニウム合金板に深絞り加工を施すことにより成形されたものである。電極群２は、例えば、シート状の正極３と、シート状の負極４とをセパレータ（図示しない）を間にして渦巻状に捲回した後、全体を容器の横断面形状に合致した断面四角形状に押し潰し変形することにより作製される。セパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物等を用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー等を挙げることができる。

非水電解液（図示しない）は容器１内に収容されており、電極群２に含浸されている。非水電解液は、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより調製される。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄）、六フッ過リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ₄）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ₆）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃）等のリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、０．２ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌとすることが望ましい。

正極導電タブ５は、正極３に電気的に接続されており、電極群２の上側の端面から上向きに導出されている。一方、負極導電タブ６は、負極４に電気的に接続されており、電極群２の上側の端面から上向きに導出されている。

容器１の開口部は封口部材７によって封止されている。封口部材７は、図２に示すように、容器１の開口部を塞ぐ蓋（キャップ）８と、蓋８に絶縁パッキング（ガスケット）９を介して取り付けられた出力端子（リベット）１０と、蓋８の反対側の面に絶縁板１１を介して取り付けられたリード１２とを備える。

図２の（ａ）に示すように、蓋８は、その板面右側に絶縁パッキング９を内嵌するために凹状に形成された受座１３と、受座１３の中心に設けられ、出力端子１０が挿入された状態の絶縁パッキング９の筒部が挿入されるために筒部より内径の大きな取り付け孔１４と、板面左側に設けられ、廻り止めを目的とした円形以外の形状（例えば四角形状）の突起からなる正極端子１５と、板面中央に設けられた防爆用の開裂ベント１６と、正極端子１５及び開裂ベント１６の間に設けられた電解液用の注入口１７とを有する。蓋８の取り付け孔１４を裏面側から見たものを図２の（ｂ）に示す。開裂ベント１６は、周回する溝で囲まれており、容器１内の内圧が一定値を超えると溝が破断してガスを放出する。注入口１７は、電解液の注入後、図１に示すように封止栓１７ａで閉止される。封止栓１７ａは、蓋８に溶接により固定される。このような構造を有する蓋８は、例えば、アルミニウム板材またはアルミ合金板材を素材にしたプレス成形品からなる。

出力端子１０は、正極端子または負極端子として機能することが可能であるが、図２の場合は負極端子として機能する。出力端子１０は、図２の（ａ）に示すように、廻り止めを目的とした円柱以外の形状（例えば四角柱形状）を有する頭部１８と、頭部１８から突出し頭部１８より小さな外径を有する胴部１９と、胴部１９から突出し胴部１９よりさらに小さな外径を有する軸部２０とを備えた３段構造を有する。ここで、胴部１９と軸部２０の双方を合わせて軸体と呼ぶ。このような構造を有する出力端子１０は、例えば、アルミニウム板材またはアルミ合金板材から形成可能である。出力端子１０を軸部２０から見た斜視図を図２の（ｂ）に示す。

絶縁パッキング９は、図２の（ａ）に示すように、フランジ部２１と、筒部２２とを有する。フランジ部２１は、出力端子１０の頭部１８が内嵌される凹部２１ａを有している。また、筒部２２には、出力端子１０の胴部１９が挿入される。このような絶縁パッキング９は、例えば、樹脂から形成される。

絶縁板１１は、図２の（ａ）に示すように、蓋８の取り付け孔１４を貫通した絶縁パッキング９の筒部２２が配置されるために筒部２２より内径の大きな取り付け孔２３と、蓋８の正極端子１５の中空内に嵌め合わされ、廻り止めを目的とした円形以外の形状（例えば四角形状）の凸部２４と、蓋８の注入口１７と連通するように設けられ、注入口１７から注入された電解液が通過するための電解液孔２５と、蓋８の開裂ベント１６と対応する箇所に設けられたガス抜き孔２６とを有する。このような構造の絶縁板１１は、例えば、樹脂から形成されている。蓋８の正極端子１５が円柱形以外の形状を有し、かつ絶縁板１１の凸部２４が正極端子１５の中空内に配置されることによって、出力端子１０に外側から力が加わった際に蓋８が回転しようとするのを阻止することができる。

リード板１２は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる板材が直角に折り曲げられたものからなる。絶縁板１１の裏面と接する取り付け部２７には、絶縁板１１の取り付け孔２３と連通するように取り付け孔２８が設けられている。取り付け孔２８は、絶縁板１１を貫通した出力端子１０の軸部２０が配置されるために軸部２０より大きな径を有する。取り付け部２７に対して垂直な集電部２９には、図１に示すように、負極導電タブ６が溶接されている。

図２及び図３に示すように、出力端子１０の頭部１８には、絶縁パッキング９のフランジ部２１の凹部２１ａ内の底面と接する面に、円環状の凸部３０が同心円状に形成されている。また、蓋８の受座１３内の底面に、円環状の凸部３１が取り付け穴１４と同心円状に形成されている。蓋８の受座１３と反対側の面に、円環状の凸部３２が取り付け穴１４と同心円状に形成されている。リード板１２の取り付け部２７のうち絶縁板１１と対向する面に、円環状の凸部３３が取り付け孔２８と同心円状に形成されている。各部位に配される凸部の形状および配する位置は各々が任意で形成される。また、各部位に配する凸部はいずれも１箇所であるが、２箇所以上にすることができる。なお、凸部の形状を径方向の断面が半円形となるものにすることによって、部材間の密着性を向上することができる。また、凸部の形状を径方向の断面が四角形となるものにすることによって、電解液の拡散経路を長くすることができるため、漏液防止効果をより高くすることができる。

封口部材の組み付けは次の手順で行われる。治具（図示しない）に出力端子１０の頭部１８を下にしてはめ込み、絶縁パッキング９のフランジ部２１の凹部２１ａを頭部１８に嵌合させる。これにより、出力端子１０の頭部１８の円環状の凸部３０が、絶縁パッキング９のフランジ部２１の凹部２１ａ内の底面と接する。次に、絶縁パッキング９の筒部２２を蓋８の取り付け孔１４に挿入すると共に、絶縁パッキング９のフランジ部２１を、蓋８の受座１３内の円環状の凸部３１と接触させる。出力端子１０の胴部１９を絶縁板１１の取り付け孔２３に挿入し、また、蓋８の受座１３と反対側の面に設けられた円環状の凸部３２を絶縁板１１と接触させる。次に、出力端子１０の軸部２０をリード板１２の取り付け孔２８に挿入すると共に、リード板１２の取り付け部２７の円環状の凸部３３を絶縁板１１と接触させる。

上記工程の後、出力端子１０の軸部２０の先端を押圧してカシメ処理することにより、図４に示すように、出力端子１０の胴部１９が横方向に膨張変形し、胴部１９が絶縁パッキング９の筒部２２を介して蓋８の取り付け孔１４及び絶縁板１１の取り付け孔２３と密着してシールされる。それと同時に、出力端子１０の軸部２０が縦方向および横方向に膨張変形し、絶縁板１１とリード板１２とが密着してシールされる。このカシメ処理する際の押圧力によって、出力端子１０の頭部１８の下面側の凸部３０と蓋８の受座１３内の凸部３１とが絶縁パッキング９に食い込んで密封される。さらに、このカシメ処理する際の押圧力によって、蓋８の下面側の凸部３２とリード板１２の取り付け部２７の上面側の凸部３３が絶縁板１１に食い込んで密封される。

上記に説明した方法で組み立てられた封口部材７において、図１に示すように、リード板１２の集電部２９に負極導電タブ６が溶接され、正極導電タブ５が蓋８の内面に接続されたリード３４に接続される。この後に、蓋８が容器１の開口部に嵌めこまれ、蓋８と容器１との嵌合面が溶接により封止される。最後に、注入口１７から電解液が容器１内へ注入された後、注入口１７が封止栓１７ａで閉塞され、封止栓１７ａが溶接によって固定され、角形のリチウムイオン二次電池が得られる。

本発明によれば、出力端子１０を蓋８と絶縁板１１とリード板１２とにカシメ固定する際の押圧力によって、出力端子１０の頭部１８の下面側の凸部３０と蓋８の受座１３内の凸部３１とが絶縁パッキング９に食い込んで密封される。さらに、このカシメ固定する際の押圧力によって、蓋８の下面側の凸部３２が絶縁板１１に食い込んで密封される。その結果、出力端子１０と絶縁パッキング９と蓋８と絶縁板１１との密閉性が大幅に向上されるため、出力端子１０に外部圧力が加わった際に部材間に隙間が生じるシール破壊を回避することができる。また、凸部３０〜３２の形成により、電極群２から負極導電タブ６及びリード板１２を伝ってはい上がってきた電解液が、出力端子１０等を伝って外部へ拡散するための距離を長くすることができる。これらの結果、液漏れが低減される。

さらに、リード板１２の取り付け部２７の上面側に凸部３３を設けることによって、この凸部３３が絶縁板１１に食い込んで密封されるため、液漏れを抑制する効果をより一層大きくすることができる。

上記実施形態では出力端子１０が負極端子である場合について説明したが、正極端子であっても良い。また、注入口１７は任意位置に形成でき、必要あれば複数個所に成形できることが可能である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

（実施例１）
前述した図１〜図４に示す構造を有する角形の密閉型リチウムイオン二次電池を組み立てた。この際、正極３には、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）と導電剤として黒鉛粉末と結着剤としてポリフッ化ビニリデン（PVdF）とを含む活物質含有層が、アルミニウム製の集電体に担持されたものを使用した。また、負極４には、リチウム金属の開回路電位に対して開回路電位0.4V以上のリチウム吸蔵電位を有する負極活物質（例えば、スピネル型のチタン酸リチウム）の粉末と導電剤として炭素粉末と結着剤としてポリフッ化ビニリデン（PVdF）とを含む活物質含有層が、アルミニウム製の集電体に担持されたものを使用した。

（実施例２〜９及び比較例１〜８）
出力端子、蓋及びリード板に設ける凸部の数を下記表１に示す値としたこと以外は実施例１と同様にして角形の密閉型リチウムイオン二次電池を組立てた。

以上のようにして組立てた密閉型電池について、出力端子に対し外部から回転方向に任意の圧力をかけた後、真空（０Torr）、常温の環境下において漏液試験を３０分間、試験個数ｎ＝１５０で実施した。漏液発生状況を下記表１に示す。

表１から明らかな通りに、各部位の全てが凸部を１箇所有する実施例１の漏液発生件数は、試験個数ｎ＝１５０のうち３件であった。また、いずれか、あるいは複数の部位が凸部を２箇所有し、その他の部位が凸部を１箇所有する実施例２〜９では漏液発生件数は１０件以下であり、実施例１との明確な差が確認されなかった。

しかしながら、比較例１のようにいずれの部位も凸部を有さない場合、さらには比較例２〜５のようにいずれかの部位が凸部を１箇所以上有し、その他の各部位が凸部を有さない場合は漏液発生率が６０％を超えており、凸部による効果が確認されなかった。また比較例６〜８のように他の各部位が凸部を２箇所有しても、出力端子、蓋の上面及び下面のいずれかの部位が凸部を有さない場合には漏液発生率が４０％を超え、凸部による効果が殆ど有効でないことが明らかになった。

以上説明したとおり、本発明によれば、各部位の全てが少なくとも凸部を１箇所以上有する場合、あるいはリード板上面を除く全ての部位が凸部を２箇所以上有することにより、各部位間の密閉性を大幅に向上させ、シール破壊が原因となる液漏れを生じさせることのない、封口の密閉性に優れた信頼性の高い密閉型電池を提供することができる。

正極及び負極の活物質は、上記種類に限定されるものではなく、例えば、正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物（例えば、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＭｎＯ₂）、リチウム含有ニッケル酸化物、（例えば、ＬｉＮｉＯ₂）、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_0.8Ｃｏ_0.2Ｏ₂）、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。一方、負極活物質としては、例えば、黒鉛質材料もしくは炭素質材料（例えば、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体など）、カルコゲン化合物（例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブ等）、軽金属（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム、リチウム合金等）等を挙げることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態に係る角形リチウムイオン二次電池の断面図。図１に示す角形リチウムイオン二次電池に用いる封口部材の分解斜視図。図１に示す角形リチウムイオン二次電池に用いる封口部材の分解断面図。図１に示す角形リチウムイオン二次電池に用いる封口部材の拡大断面図。

符号の説明

１…容器、２…電極群、３…正極、４…負極、５…正極導電タブ、６…負極導電タブ、７…封口部材、８…蓋、９…絶縁パッキング、１０…出力端子、１１…絶縁板、１２…リード板、１３…受座、１４，２３，２８…取り付け孔、１５…正極端子、１６…開裂ベント、１７，２５…注入口、１８…頭部、１９…胴部、２０…軸部、２１…フランジ部、２１ａ…凹部、２２…筒部、２４…凸部、２６…ガス抜き孔、２７…取り付け部、２９…集電部、３０〜３３…円環状の凸部、３４…正極リード。

Claims

容器と、
前記容器内に収納され、正極及び負極を備えた電極群と、
前記容器内に収容された電解液と、
前記容器の開口部に配置され、取り付け孔を有する蓋と、
前記蓋の前記取り付け孔に挿入された筒部と、前記蓋上に配置されるように前記筒部の一端に形成され、凹部を有するフランジ部とを備えた絶縁パッキングと、
前記蓋における前記絶縁パッキングが配置されている面と反対側の面に配置され、前記蓋の前記取り付け孔と連通する取り付け孔を有する絶縁板と、
前記絶縁板に重ねられ、前記絶縁板の前記取り付け孔と連通する取り付け孔を有し、前記正極または前記負極と電気的に接続されたリードと、
前記絶縁パッキングの前記フランジ部の前記凹部内に配置された頭部と、前記頭部から伸び出ており、前記絶縁パッキングの前記筒部に挿入された状態で前記蓋の前記取り付け孔、前記絶縁板の前記取り付け孔及び前記リードの前記取り付け孔にかしめ固定された軸体とを有する出力端子と
を具備する電池であって、
前記出力端子の前記頭部における前記フランジ部の前記凹部と接する面と、前記蓋における前記フランジ部と接する面と、前記蓋における前記絶縁板と接する面とに、環状の凸部がそれぞれ形成されていることを特徴とする電池。
前記リードにおける前記絶縁板と接する面に、環状の凸部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の電池。