JP2010218709A

JP2010218709A - ボタン形電池

Info

Publication number: JP2010218709A
Application number: JP2009060561A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Tanaka; 義宏田中
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】使用機器の電池収容部において、良好に固定され得るボタン形電池を提供する。
【解決手段】下面壁、側面壁および前記下面壁と前記側面壁との間に存在する湾曲部を有する外装缶の開口部と、封口板とが、ガスケットを介してかしめられることで封口されているボタン形電池であって、前記湾曲部が、下面壁側の屈曲部、側面壁側の屈曲部、および下面壁側の屈曲部と側面壁側の屈曲部との間に存在する変曲点を有する外装缶を用いたことを特徴とするボタン形電池により、前記課題を解決する。本発明のボタン形電池では、外装缶の湾曲部において、側面壁側の屈曲部の曲率半径Ｒ_２が、下面壁側の屈曲部の曲率半径Ｒ_１よりも小さいことが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、使用機器の電池収容部において、良好に固定され得るボタン形電池に関するものである。

各種の電子機器の電源用途などに利用されているボタン形電池においては、封口板、外装缶ともにステンレス鋼板が一般的に用いられている。ステンレス鋼板は強度が高いため、封口板および外装缶の厚みを薄くしても強度をある程度確保でき、漏液や電池の変形などの問題が生じにくいことから、こうした問題の発生を抑えつつ高容量化を達成できる点で好ましい。

ボタン形電池の封口板や外装缶の素材としてのステンレス鋼板には、前記のような利点がある反面、高価格であるため、電池の製造コストが増大するというデメリットもある。

こうした事情から、ステンレス鋼よりも低価格の鉄鋼板を封口板に用いた電池も開発されている（特許文献１）。

特開２００７−２０７５３４号公報

ところで、鉄鋼板のようにステンレス鋼板よりも強度の小さな材料で構成した外装缶を用いてボタン形電池を製造しようとすると、例えば電池の封止時に、外装缶の下面壁と側面壁との間の湾曲部において変形が生じ、湾曲部の弧長が短くなりやすい。また、最近では、電池の内容積を大きくして正負極の充填量を高めるために、外装缶の厚みを小さくすることも試みられているが、このような外装缶では強度が低下するため、ステンレス鋼板で構成しても、強度の小さな材料を用いて構成した場合と同様に湾曲部の弧長が短くなりやすい。

ボタン形電池の使用機器では、電池収容部において電池を固定するにあたり、外装缶の湾曲部を固定用爪でホールドする手法を採用することが一般的であるが、前記のように湾曲部の弧長が短くなった電池では、使用機器における電池収容部の固定用爪のかかりが浅くなり、電池が浮くなどして良好に固定できない問題が生じる。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用機器の電池収容部において、良好に固定され得るボタン形電池を提供することにある。

前記目的を達成し得た本発明のボタン形電池は、下面壁、側面壁および前記下面壁と前記側面壁との間に存在する湾曲部を有する外装缶の開口部と、封口板とが、ガスケットを介してかしめられることで封口されているボタン形電池であって、前記湾曲部が、下面壁側の屈曲部、側面壁側の屈曲部、および下面壁側の屈曲部と側面壁側の屈曲部との間に存在する変曲点を有する外装缶を用いたことを特徴とするものである。

なお、電池業界においては、高さより径の方が大きい扁平形電池をボタン形電池と呼んだり、コイン形電池と呼んだりしているが、そのボタン形電池とコイン形電池との間に明確な差はなく、本発明のボタン形電池には、コイン形電池と呼ばれるものも含まれる。

本発明によれば、使用機器の電池収容部において、良好に固定され得るボタン形電池を提供することができる。

本発明のボタン形電池の一例を模式的に表す断面図である。本発明のボタン形電池に用いられる外装缶の一例を模式的に表す断面図である。図２の要部拡大図である。

図１に、本発明のボタン形電池の一例を模式的に表す断面図を示す。図１に示すボタン形電池は、正極３およびセパレータ５を内填した外装缶１の開口部に、負極４を内填した封口板２が、断面Ｌ字状で環状のガスケット６を介して嵌合しており、外装缶１の開口端部が内方に締め付けられ、これによりガスケット６が封口板２に当接することで、外装缶１の開口部が封口されて電池内部が密閉構造となっている。すなわち、図１に示す電池では、外装缶１、封口板２およびガスケット６からなる電池容器内の空間（密閉空間）に、正極３、負極４およびセパレータ５を含む発電要素が装填されており、更に電解液（図示しない）が注入されている。そして、外装缶１は正極端子を兼ね、封口板２は負極端子を兼ねている。

電池の外装缶１は、下面壁１０、側面壁１１および湾曲部１２を有している。ボタン形電池の使用機器においては、電池収容部において電池を固定するにあたり、湾曲部１２を固定用爪でホールドする手法を採用することが一般的である。そのため、図１に示す電池のように、湾曲部１２の弧長が長い場合には、固定用爪で良好にホールドできるため、電池を電池収容部に良好に固定できる。その一方で、湾曲部１２の弧長が短い場合には、固定用爪でのホールドが不十分となって電池収容部内で電池が浮くなど、電池を良好に固定できないといった問題が生じる。

外装缶１の湾曲部１２の弧長が短くなる原因は、前記の通り、例えばステンレス鋼よりも強度の小さな材料で構成した外装缶１や、従来のボタン形電池よりも厚みの小さな外装缶１を使用して電池を製造する場合に、外装缶１の開口部と封口板２とを、ガスケット６を介してかしめて電池を封止する際に、外装缶１の湾曲部１２に変形が生じるためである。

そこで、本発明では、電池に用いる外装缶に、たとえ電池を封止する際に湾曲部において変形が生じても、その弧長の減少を抑制し、例えば前記の固定用爪でホールドするのに十分な弧長を確保できる形状のものを使用して、電池とした後の外装缶の湾曲部の弧長を長くし、前記の問題の解決を図っている。

図２に、本発明のボタン形電池に用いられる外装缶の一例を模式的に表す断面図を、図３に、図２の要部拡大図を、それぞれ示している。なお、図３も図２と同様に断面図であるが、各部分の理解を容易にする目的で、断面であることを示す斜線は省略し、湾曲部１２に格子線を付している。

外装缶１の湾曲部１２は、下面壁１０側の屈曲部１２ａ、側面壁１１側の屈曲部１２ｂ、および屈曲部１２ａと屈曲部１２ｂとの間に存在する変曲点１２ｃを有している。湾曲部１２で変形が生じやすい材質や厚みを採用した外装缶１であっても前記の形状とすると、電池を封止する際に、下面壁１０側の屈曲部１２ａにおいて優先的に変形が生じる一方で、側面壁１１側の屈曲部１２ｂでの変形は抑えられる。よって、完成後の電池において、側面壁１１側の屈曲部１２ｂの形状が維持されることから、湾曲部１２の弧長の減少が可及的に抑制される。本発明の電池は、このような作用によって、使用機器の電池収容部において固定用爪でのホールドが不十分になることがなく、良好に固定され得るものとなる。

外装缶１の湾曲部１２においては、側面壁１１側の屈曲部１２ｂの曲率半径Ｒ_２が、下面壁１０側の屈曲部１２ａの曲率半径Ｒ_１よりも小さいことが好ましい。電池の封止時において、側面壁１１側の屈曲部１２ｂでの変形が抑えられ、かかる箇所が、使用機器の電池収容部における固定用爪の架かり部になる。よって、曲率半径Ｒ_１と曲率半径Ｒ_２とが前記の関係にある方が、完成後の電池における湾曲部１２の形状が、より良好に前記固定用爪にホールドされやすい形状となる。

なお、下面壁１０の屈曲部１２ａの曲率半径Ｒ_１および側面壁１１側の屈曲部１２ｂの曲率半径Ｒ_２の好適値は、例えば外装缶１のサイズによって変動するが、例えば、直径６．８ｍｍ、高さ２．６ｍｍのボタン形電池の場合、Ｒ_１は、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましく、Ｒ_２は、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍであることが好ましい。

外装缶１は、通常のボタン形電池と同様にステンレス鋼板で構成されていてもよいが、ステンレス鋼よりも安価な鉄鋼板のように、強度が小さなものも使用できる。本発明の電池では、このような材料で構成された外装缶１であっても、電池封止時における外装缶１の湾曲部１２での変形による弧長の減少を可及的に抑制できる。

なお、前記の通り、本発明に係る外装缶を構成する鉄鋼板は、例えば、鉄鋼板をそのまま用いることができるが、耐食性を向上させるために、その表面にＮｉメッキ層を形成したり、導電性を向上させるために金メッキ層を形成するなど、他の金属層を形成してもよい。

ここで、Ｎｉメッキ層を形成する場合には、その厚みは、例えば、好ましくは１．５μｍ以上、より好ましくは２．５μｍ以上であって、好ましくは１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。Ｎｉメッキ層の厚みが小さすぎると、外装缶に加工する際にＮｉメッキ層のひび割れや剥離が生じたり、ピンホールが生じたりする虞があり、耐食性向上の効果が小さくなることがある。また、Ｎｉメッキ層の厚みが大きすぎると、外装缶に加工する際のＮｉメッキ層のひび割れや剥離、ピンホールが生じにくくなる一方で、製造コストが増大するため好ましくない。

外装缶１の厚みは、３００μｍ以下であることが好ましい。なお、本発明の電池では、前記の通り、外装缶１の厚みを小さくしても、湾曲部１２の変形による弧長の減少を抑制できることから、例えば、２００μｍ以下とすることがより好ましく、このような外装缶１を用いることで電池の内容積を大きくして、高容量化を図ることもできる。ただし、外装缶１が薄すぎると、外装缶１の強度が小さくなりすぎて、前記形状の外装缶１を用いることによる前記の効果が小さくなる虞があることから、外装缶１の厚みは、１００μｍ以上であることが好ましく、１２０μｍ以上であることがより好ましい。

封口板２は、ステンレス鋼板で構成されていてもよく、鉄鋼板で構成されていてもよい。なお、鉄鋼板の場合には、外装缶１構成用のものとして先に例示したＮｉメッキを表面に有する鉄鋼板であることが好ましい。

封口板の厚みは、例えば、１００〜３００μｍであることが好ましい。

なお、本発明のボタン形電池を、例えば有機電解液電池とする場合には、負極にリチウムやリチウム合金を用いることが好ましいが、このような負極を有する場合には、電池電圧が約３Ｖとなり、鉄鋼板を素材とすると、封口板については酸化されることは無いが、外装缶については、酸化により欠陥が生じてしまう虞がある。よって、前記の負極を有する電池とする場合には、外装缶の材質はステンレス鋼であることがより好ましい。

本発明のボタン形電池には、電解液として有機電解液を有する有機電解液電池、電解液としてアルカリ電解液（アルカリ水溶液）を有するアルカリ電池のいずれの態様も含まれる。

本発明のボタン形電池に係る正極は、正極活物質および導電助剤を含み、更には必要に応じてバインダーを含む正極合剤を、ペレット状に加圧成形したものである。正極活物質は特に限定されないが、例えば、有機電解液電池である場合には、マンガン、コバルト、ニッケル、マグネシウム、銅、鉄、ニオブなどの酸化物；これらの複合酸化物；これらとリチウムとの複合酸化物；フッ化黒鉛；などが、アルカリ電池である場合には、二酸化マンガン、オキシ水酸化ニッケル、酸化銀などが挙げられる。また、導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、鱗片状黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、繊維状炭素などが用いられ、バインダーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンラバーなどが使用できる。

本発明のボタン形電池に係る負極としては、有機電解液電池である場合には、負極活物質として、リチウム金属またはリチウム合金を用いたものが好ましい。リチウム合金としては、例えば、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−鉛合金、リチウム−ビスマス合金、リチウム−インジウム合金、などの二元系リチウム合金や、リチウム−インジウム−ガリウム合金などの三元系リチウム合金などが挙げられる。これらリチウム合金の中では、リチウム−アルミニウム合金が特に好適である。

また、本発明の電池がアルカリ電池である場合には、負極には、亜鉛粒子や亜鉛合金粒子（以下、両者を纏めて「亜鉛系粒子」という。）を用いることができる。なお、この場合、負極は、亜鉛系粒子のみで構成してもよく、亜鉛系粒子に、ゲル化剤（ポリアクリル酸ソーダ、カルボキシメチルセルロースなど）およびアルカリ電解液を加えることで形成される負極剤（ゲル状負極）で構成することもできる。ゲル状負極を用いる場合、ゲル化剤の含有量は、例えば、０．５〜１．５質量％であることが好ましい。

電解液としては、本発明の電池が有機電解液電池である場合には、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状炭酸エステル；ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状炭酸エステル；や、１，２−ジメトキシエタン、ジグライム（ジエチレングリコールメチルエーテル）、トリグライム（トリエチレングリコールジメチルエーテル）、テトラグライム（テトラエチレングリコールジメチルエーテル）、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシメタン、テトラヒドロフランなどのエーテル；より選ばれる１種の溶媒あるいは２種以上の混合溶媒に電解質を０．３〜２．０ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度に溶解させることによって調製した有機電解液が用いられる。

前記電解質としては、例えば、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２などが用いられる。

また、本発明の電池がアルカリ電池である場合には、電解液（電池に注入する電解液、およびゲル状負極に添加する電解液）には、アルカリ性の水溶液（例えば、水酸化リチウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液など）を用いることができる。

セパレータとしては、微孔性樹脂フィルム、樹脂不織布のいずれも用いることができる。その材質としては、例えば、ＰＥ、ＰＰ、ポリメチルペンテンなどのポリオレフィンのほか、耐熱用として、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂；ＰＰＳ；ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）；ＰＢＴなどが挙げられる。また、前記材質の微孔性樹脂フィルムと樹脂不織布とを複数積層したり、微孔性樹脂フィルム同士や樹脂不織布同士を複数積層することによってセパレータを構成してもよい。

封口板と外装缶との間に介在させるガスケットの素材としては、例えば、ＰＰ；ナイロン（ナイロン６、ナイロン６６など）；などの他、耐熱用に、ＰＦＡなどのフッ素樹脂；ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）；ポリスルフォン（ＰＳＦ）；ポリアリレート（ＰＡＲ）；ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）；ＰＰＳ；ＰＥＥＫ；などが例示できる。

本発明のボタン形電池は、先に例示した各構成要素（発電要素）の選択によって、一次電池、二次電池いずれの形態も採り得る。そして、本発明のボタン形電池は、従来から知られているボタン形一次電池やボタン形二次電池（コイン形一次電池やコイン形二次電池）が適用されている各種用途に好適に用いることができる。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。
実施例１
この実施例１のボタン形電池を作製するにあたって、外装缶１、封口板２、ガスケット６、正極３、負極４、セパレータ５および電解液には、以下に示すものを用いた。まず、外装缶１には厚み４μｍのＮｉメッキを施した厚み１５０μｍの鉄鋼板を使用し、これを絞り加工によって、図２に示すように、外径６．８ｍｍの有底円筒状に成形した。

なお、外装缶１の湾曲部１２は、図３に示すように、下面壁１０側の屈曲部１２ａ（曲率半径Ｒ_１が０．３５ｍｍ）、側面壁１１側の屈曲部１２ｂ（曲率半径Ｒ_２が０．２５ｍｍ）および屈曲部１２ａと屈曲部１２ｂとの間に存在する変曲点を有する形状に成形した。

また、封口板２には、ニッケル層−ステンレス鋼（ＳＵＳ−３０４）板−銅層からなるクラッド板をプレス機で打ち抜き、図１に示すように、周辺折り返し部を有する形状に成形したものを用いた。

正極３には、正極活物質として１１０ｍｇの酸化第一銀と２０ｍｇの二酸化マンガンとを混合して用い、さらに導電助剤である黒鉛を２ｍｇ混合した合剤を、円板状（外径６．３ｍｍ、厚み０．９ｍｍ）に加圧成形したものを用いた。

負極４には、負極活物質として２５〜３００メッシュを通過し得る粒度を有し、インジウムを５００ｐｐｍ、ビスマスを４００ｐｐｍおよびアルミニウムを１５ｐｐｍ含有する無水銀の亜鉛合金粉末３７ｍｇを用い、負極活物質１００質量部に水酸化インジウムを０．１質量部の割合で混合し、さらにアルカリ電解液を加えたものを用いた。

電解液としては、酸化亜鉛を５質量％溶解した３６質量％水酸化カリウム水溶液を用いた。

また、セパレータ５には、厚みが２０μｍのセロハンフィルムと、厚みが３０μｍのグラフトフィルムとを積層してなるものであり、該グラフトフィルムは、ポリエチレン主鎖にアクリル酸をグラフト共重合させた構造を有するグラフト共重合体で構成されている。また、電解液保持層として厚みが２００μｍのビニロン−レーヨン混抄紙を用いた。

前記の外装缶、封口板、正極、負極、電解液、セパレータなどを用いて、図１に示す構造で外径６．８ｍｍ、厚み２．６ｍｍのボタン形電池を作製した。

ここで、この実施例１の電池の作製方法を図１を参照しつつ説明すると、外装缶１、封口板２および、ガスケット６で形成させる空間内に、正極、負極、電解液、セパレータなどを収容し、外装缶１の開口端部を内方に締め付ける、いわゆるカシメ加工をすることによってガスケット６を封口板２の周辺折り返し部と外装缶１の開口端部内周面とに圧接させることによって外装缶３の開口部を封口して、電池内部が密閉状態にされている。なお、図１では電解液保持層は図示していないが、実施例１の電池では、電解液保持層はセパレータ５の上面側（負極４側）に配置した。

実施例２
外装缶１に、Ｎｉメッキを施した厚み１００μｍのステンレス鋼板を用いた他は、実施例１と同様にしてボタン形電池を作製した。

比較例１
外装缶１の湾曲部１２の形状を、単一の屈曲部を有する形状（変曲点を持たない形状）とし、その曲率半径Ｒを０．３５ｍｍとした他は、実施例１と同様にしてボタン形電池を作製した。

比較例２
外装缶１の湾曲部１２の形状を、単一の屈曲部を有する形状（変曲点を持たない形状）とし、その曲率半径Ｒを０．５０ｍｍとした他は、実施例１と同様にしてボタン形電池を作製した。

比較例３
外装缶１の湾曲部１２の形状を、単一の屈曲部を有する形状（変曲点を持たない形状）とし、その曲率半径Ｒを０．５０ｍｍとした他は、実施例２と同様にしてボタン形電池を作製した。

実施例１、２および比較例１〜３のボタン形電池について、電池収納に際し、外装缶の湾曲部を固定用爪でホールドする手法を採用している機器への固定確認試験を実施した。

実施例の電池は、ほとんどの機器において良好な固定状態であるのに対し、比較例の電池は、カシメ加工の際に外装缶１の湾曲部１２が変形し、弧長が減少たため、固定用爪のかかりが浅くなり、電池が浮くなどの良好でない固定状態となるものが、若干発生した。

１外装缶
２封口板
３正極
４負極
５セパレータ
１０下面壁
１１上面壁
１２湾曲部

Claims

下面壁、側面壁および前記下面壁と前記側面壁との間に存在する湾曲部を有する外装缶の開口部と、封口板とが、ガスケットを介してかしめられることで封口されているボタン形電池であって、
前記湾曲部が、下面壁側の屈曲部、側面壁側の屈曲部、および下面壁側の屈曲部と側面壁側の屈曲部との間に存在する変曲点を有する外装缶を用いたことを特徴とするボタン形電池。
外装缶の前記湾曲部において、側面壁側の屈曲部の曲率半径Ｒ_２が、下面壁側の屈曲部の曲率半径Ｒ_１よりも小さい請求項１に記載のボタン形電池。
外装缶が鉄鋼板で構成されている請求項１または２に記載のボタン形電池。
外装缶の厚みが、１００〜３００μｍである請求項１〜３のいずれかに記載のボタン形電池。