JP2011175937A

JP2011175937A - 密閉型電池

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Publication number: JP2011175937A
Application number: JP2010040784A
Authority: JP
Inventors: Soji Yoshida; 聡司吉田; Eiji Okuya; 英治奥谷
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2011-09-08

Abstract

【課題】落下等の衝撃によって電解液が漏れることがない安全機構付き密閉型電池を提供する。
【解決手段】電池内部圧力が上昇したときに弁体が破砕して電池内のガスを電池外に放出する安全機構を備えた密閉型電池において、前記弁体は、外装缶底面又は外装缶の開口部を封口する封口板に設けられ、前記弁体の厚さは前記外装缶底面または前記封口板の厚さよりも薄く、且つ前記弁体を開放する破砕溝を有し、前記弁体と、前記弁体が設けられた外装缶の缶底面又は封口板の本体部と、の境界における前記本体部の電池外側面の少なくとも一部は、角が面取りされた面取り部が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電池内圧上昇時に電池内のガスを排出する安全機構を備えた密閉型電池に関する。

近年、携帯電話、ノートパソコン等の移動情報端末の小型・軽量化が急速に進展しており、その駆動電源としての電池にはさらなる高容量化、高エネルギー密度化が要求されている。リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるので、移動情報端末の駆動電源として広く利用されている。

ところで非水電解質二次電池は、高温にさらされた場合や、適正でない充放電が行われた場合には、電極と電解液とが反応して電解液が分解し、分解により生成したガスにより電池内圧が上昇する。電池内圧の上昇が進行すると、電池が破裂に至る危険性があるので、電池内のガスを速やかに電池外に放出させる必要がある。

そこで、電池内のガスを速やかに電池外に放出させる技術として、電池を封口する封口板に、電池内圧上昇時に破砕・開裂してガス排出孔を形成させるための溝を設ける技術が種々提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開２００３−１８７７７４号公報特開２００７−１４１５１８号公報

特許文献１は、薄肉の弁体に、弁体を開放する環状の破砕溝と、この破砕溝の内方側領域に設けられた、破砕溝より残肉厚が大きく、一端は破砕溝に連結されている破砕補助溝と、を形成する技術である。

特許文献２は、封口板の板素材に設けた第１残厚ｔ１を有する第１加工凹部の所定位置に第２残厚を有する第２加工凹部を設け、この第２加工凹部内にさらに薄い第３残厚ｔ３を有しかつ外周辺に波形屈曲部の溝部を設け、この溝部の内周寄り位置に湾曲部を形成し、所定の防爆圧以上の内圧発生時に溝部を切裂させて内圧を逃がすことにより安全弁を作動させるように構成した防爆構造に関する技術である。

しかしながら、上記特許文献１，２に係る技術では、電池内のガスを速やかに排出できるものの、落下等の衝撃によって誤作動して電解液が漏液することを十分に防止できないという問題があった。

本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、衝撃等によって誤作動して電解液が漏れることを防止できるガス排出機構を備えた密閉型電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、電池内部圧力が上昇したときに弁体が破砕して電池内のガスを電池外に放出する安全機構を備えた密閉型電池において、前記弁体は、外装缶底面又は外装缶の開口部を封口する封口板に設けられ、前記弁体の厚さは前記外装缶底面または前記封口板の厚さよりも薄く、且つ前記弁体を開放する破砕溝を有し、前記弁体と、前記弁体が設けられた外装缶の缶底面又は封口板の本体部と、の境界における前記本体部の電池外側面の少なくとも一部は、角が面取りされた面取り部が形成されていることを特徴とする。

落下等の衝撃は、床面等と直接接触した封口板部分や外装缶部分に作用し、これが弁体へと伝播し、伝播した衝撃が蓄積することによって弁体が破砕して漏液を招く。ここで、直接衝撃を受ける部分が弁体に近いほど、また直接衝撃を受ける面積が大きいほど、弁体に伝播する衝撃が大きくなる。上記構成では、弁体と、弁体が設けられた外装缶又は封口板の本体部と、の境界における本体部の電池外側面の角部の少なくとも一部が面取りされているので、弁体近傍の外装缶又は封口板の本体部に衝撃が直接作用しにくく、また弁体近傍の外装缶又は封口板の本体部が衝撃を受ける面積が小さくなる。このため、弁体に伝播する衝撃も小さくなるので、落下等の衝撃による弁体の誤作動を防止できる。

また、前記弁体は、電池内側又は電池外側に突出したドーム部をさらに備え、前記破砕溝は、前記ドーム部を囲うように形成されている構成とすることができる。

この構成では、ドーム部を形成する際の残留応力の効果によって破砕溝全体が確実に破砕されるようになるので、電池内部のガスをより速やかに排出することができる。

また、電池内側に突出したドーム部を設けると、当該ドーム部が落下等の衝撃による電解液や電極体の移動による電池内部圧力の変化を緩和するように作用する。このため、落下等の衝撃による電池内部圧力の変化に起因する弁体誤作動を防止できる。

また、前記弁体は、前記弁体が形成された外装缶の缶底面又は封口板の外側面と面一の仮想面と前記封口板の内側面と面一の仮想面との間にある構成とすることができる。

この構成によると、加工器具や接続端子等の接触による弁体の誤作動を防止できる。

ここで、面取り部の電池の高さ方向に平行な断面形状は、多角形状、円弧状、楕円弧状、その他不定形状であってもよい。弁体に伝播する衝撃をより小さくするためには、面取り部２０の電池の高さ方向に平行な断面形状は、図３（ｃ）に示すように、弁体が設けられた封口板１３の電池外表面と、弁体６の根元部までの距離をｔとするとき、曲率半径が０．５ｔ〜ｔのＲ形状（円弧状）とすることが好ましい。また、弁体６を封口板に設け、封口板と外装缶との嵌合部をレーザ溶接して封口する電池に本発明を適用する場合、面取り部２０の末端はレーザ溶接部２ａにかからないようにすることが好ましい。

また、前記弁体の最も応力が集中する部位近傍には、前記面取り部が形成されている構成とすることができる。

弁体の最も応力が集中する部位は、衝撃等によって最も開裂しやすいので、この部位近傍には面取り部を設けることが好ましい。最も好ましくは、弁体を完全に囲うように、境界部全てに面取り部を形成する。ここで、弁体の最も応力が集中する部位は、次の（ａ）〜（ｃ）順で決定することができる。

（ａ）残肉厚が最も薄い部位
（ｂ）破砕溝同士が交わる交点
（ｃ）弁体が形成された封口板面または缶底面の縁部（封口板面または缶底面と、缶側面との境界部）に最も近い地点

上記方法によって決定される最も応力が集中する部位が複数ある場合には、全て部位の近傍に面取り部を設ける。

以上に説明したように、本発明によると、衝撃等によって誤作動して電解液が漏れることを防止できるガス排出機構を備えた密閉型電池を実現できる。

図１は、本発明に係る電池の斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線部分断面図である。図３は、本発明に係る密閉型電池の弁体を示す図であって、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。図４は、本発明に用いる弁体の変形例を示す平面図である。図５は、面取り部の形成箇所の変形例を示す平面図である。図６は、比較例１に係る密閉型電池の弁体を示す図であって、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。

（実施の形態）
本発明を実施するための形態を、図面に基づいて、以下に説明する。図１は本発明に係る密閉型電池の斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は、本発明に係る安全機構を示す図であって、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。

図１、図２に示すように、本発明に係る密閉型電池は、外装缶２の開口部に、封口体１が嵌合され、当該嵌合部がレーザ溶接されることにより密閉されてなる。また、図１、図２に示すように、本発明に係る密閉型電池用封口体１は、電池内圧が異常に上昇したときに電池内部のガスを電池外部に排出する弁体６と、電解液を外装缶２内部に注液するための注液孔を封止する押さえ板と突状部とを有する封止栓８と、電極外部端子（端子板）１１と、を有している。なお、注液孔及び封止栓８は、本発明の必須の構成要素ではない。

図２に示すように、本発明に係る密閉型電池用封口体は、封口板１３と、端子板１１と、絶縁ガスケット１２と、端子リベット１５と、絶縁板１４とを有している。封口体１は、端子板１１、絶縁ガスケット１２、封口板１３、及び絶縁板１４それぞれに設けられた貫通孔に端子リベット１５を挿入し、端子リベット１５の先端部を押しつぶしてかしめることにより、上記各部材が固定される構造である。電極外部端子は、電流取り出しに関与する端子リベット１５、端子板１１と、これらを固定するための絶縁板１４、絶縁ガスケット１２とで構成される。なお、封口体は、この構成に限定されるものではない。

図２に示すように、外装缶２内部には、正極と負極とを有する電極体３が収容されており、電極体３と封口板１３との間には、両者を絶縁する絶縁部材４が配置されている。また、電極体３と、端子板１１とが、集電タブ３１及び端子リベット１５を介して接続されることにより、電流が外部に取り出される構造である。

ここで、前記絶縁板４には、開放孔１７が形成されており、この開放孔１７上には、図１及び図２に示すように、前記封口板１３と一体形成された弁体６（封口板１３と同様にアルミニウム合金から成る）が配置されている。この弁体６は、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、封口板１３の本体部の肉厚よりも薄肉となっている。また、当該弁体６には電池内側方向に突出したドーム形状を成すドーム部６ｂが形成されており、このドーム部６ｂの周縁には弁体の破砕を容易にするための破砕溝６ａが形成されている。また、弁体６全体が、前記封口板１３の外側面と面一の仮想面１８ａと前記封口板１の内側面と面一の仮想面１８ｂとの間に形成されている（図３（ｃ）参照）。

以下、本発明に係る密閉型電池の製造方法について説明する。

〈正極の作製〉
正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）粉末９質量部と、導電剤としての人造黒鉛粉末１質量部とを混合して、正極合剤を調製する。この正極合剤と、ポリフッ化ビニリデンをＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に５質量％溶かした結着剤溶液とを、乾燥後の固形分質量比が正極合剤：ポリフッ化ビニリデン＝９５：５となるように混練して、正極活物質スラリーを調製する。

このスラリーを、正極集電体としてのアルミ箔（箔厚み：１５μｍ）の両面に塗布する。この後、乾燥し、その後圧縮して正極板を作製する。その後、正極板を電池高さに合うように裁断して正極となす。

〈負極の作製〉
リン片状天然黒鉛(ｄ００２値：３．３５６Å，Ｌｃ値：１０００Å，平均粒径：２０μｍ)と、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）のディスパージョン（固形分：４８％）を水に分散させ、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を添加して負極活物質スラリーを調製する。固形分質量組成比は、例えば黒鉛：ＳＢＲ：ＣＭＣ＝１００：３：２となるように調製する。

このスラリーを負極集電体としての銅箔（箔厚み：１０μｍ）の両面に塗布した後、乾燥させ、その後圧縮し、負極板を作製する。その後負極板を電池高さに合うように裁断した後、集電タブを取り付けて負極となす。

〈電極体の作製〉
上記正極及び負極を、ポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを介して巻回し、この後プレスして、更に正極最外周に集電タブを取り付けることにより、偏平渦巻状の電極体３を作製する。

〈電解液の調製〉
非水電解質として、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）との体積比５０：５０（２５℃）の混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１モル／リットルとなるように溶かして、電解液となす。

〈封口板の作製〉
封口板１３（板厚１．０ｍｍ）の天面（電池外側面）から深さｔが０．４ｍｍとなるように、板厚が４０μｍの薄肉部（１．８×５．０ｍｍサイズの小判形状（両端が半径０．９ｍｍの半円形状、線分長さ３．２ｍｍ））を鍛造加工にて成形する。このとき、鍛造加工に用いるパンチの先端を所定のＲ形状にしておくことにより、封口板本体部と薄肉部との境界における封口板本体部の天面側角部を面取りする（Ｒ形状になる）ように成形して、面取り部２０を形成する。その後、この薄肉部にコイニング加工して、ドーム部６ｂ及び破砕溝６ａとを一体成型して、弁体６を備える封口板１３を作製する。

なお、面取り部２０の形成方法については、上記方法に限定されるものではなく、たとえば従来と同様にして弁体６を形成した後、切削加工や化学的腐食を行う方法を採用することができる。

〈封口体の組み立て〉
この後、絶縁板１４、上記封口板１３、絶縁ガスケット１２、端子板１１のそれぞれに設けられた貫通孔に端子リベット１５を挿入する。この後、端子リベット１５の先端部を押しつぶすことにより、端子板１１、絶縁ガスケット１２、絶縁板１４及び端子リベット１５を封口板１３に固定して、封口体１を得る。

〈電池の組み立て〉
上記電極体３に取り付けられた負極集電タブ３１と、端子リベット１５とを接続する。この電極体３をアルミニウム合金製の有底角形の外装缶２に挿入した後、外装缶２と封口体１との間に上記電極体３に取り付けられた正極集電タブを挟み込む。この後、外装缶２の開口部と上記封口体１とをレーザ溶接し、封口体１の注液孔から上記電解液を注液する。この後、注液孔を押さえ板と突状部とを有する封止栓８で密閉し、封口板１３と封止栓８の押さえ板の外周縁とをレーザ溶接することにより、４．０（厚み）×４２（幅）×６１ｍｍ（高さ）の本実施の形態に係る非水電解質二次電池を作製する。

（実施例１）
上記実施の形態と同様にして、実施例１に係る電池を作製した。

（実施例２）
電池サイズを３．６（厚み）×４４（幅）×６１ｍｍ（高さ）とし、上記実施の形態と同様にして、電池を作製した。作製した電池は、電池の端子版１１と封口板１３に図示しないリード板をそれぞれ取り付けた。リード板には外部端子を備える保護回路基板（不図示）を接続した。電池に接続された保護回路基板を、外部端子が外部に露出するように、そして樹脂製キャップ（不図示）で覆うように封口板１３の上に固定した。さらに電池の缶底には樹脂製カバー（不図示）を取り付けた。そして、外装缶２の側面の全面全周を覆うように、片面に粘着剤が塗布されたラベル（不図示）を貼り付けて実施例２に係るパック電池（不図示）を作製した。

（比較例１）
図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、面取り部を形成しなかったこと以外は、前記実施例１と同様にして比較例１に係る電池を作製した。

（比較例２）
図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、面取り部を形成しなかったこと以外は、前記実施例２と同様にして比較例２に係るパック電池を作製した。

（落下試験１）
上記実施例１、比較例１の電池をそれぞれ１０個用意した。これらの電池を、所定の高さから、上面を下方に向けて、１．６５ｍの高さからコンクリート製の床に５０回落下させた。そして、弁体からの漏液発生に至るまでの落下回数を目視にて測定した。試験結果を下記表１に示す。尚、試料数は、各電池１０個である。

（落下試験２）
上記実施例２、比較例２のパック電池をそれぞれ１０個用意した。これらのパック電池を、１．６５ｍの高さから、正面、背面、右側面、左側面、上面、底面をそれぞれ下方に向けて、コンクリート製の床に落下させた。この落下を、６面の落下を１サイクルとして、４０サイクル行った。そして、弁体からの漏液発生に至るまでの落下サイクル数を目視にて測定した。試験結果を下記表２に示す。

表１から、比較例１では４０回以下で全ての電池に漏液が発生していたのに対し、実施例１では、５０回の落下による漏液が発生していないことがわかる。

また、表２から、比較例２では３５サイクル以下で全ての電池に漏液が発生していたのに対し、実施例２では、１０個中８個は漏液が発生していないことがわかる。

また、電池（実施例１）の状態だけでなく、電池を加工したパック電池（実施例２）の状態であっても、落下による漏液の発生が抑制されていることがわかる。

これらのことは、次のように考えられる。電池に落下等の衝撃が加えられると、この衝撃が弁体にも伝播し、弁体に加えられた衝撃が蓄積して弁体が破壊されて漏液する。ここで、直接衝撃を受ける部分が弁体に近いほど、また直接衝撃を受ける面積が大きいほど、弁体に伝播する衝撃が大きくなる。実施例１，２では、弁体６と、弁体６が設けられた封口板１３の本体部と、の境界における本体部の電池外側面の角部が面取りされた面取り部２０が形成されているので、弁体６近傍の封口板１３の本体部に衝撃が直接作用しにくく、また弁体６近傍の封口板１３の本体部が衝撃を受ける面積が小さくなる（図３参照）。このため、弁体に伝播する衝撃が面取り部を有さない比較例１，２（図６参照）よりも小さくなり、落下衝撃による弁体の誤作動が比較例１，２よりも顕著に起こりにくくなる。

〔追加事項〕
上記実施の形態では、弁体の平面形状をトラック形状としたが、図４（ａ）に示すような真円形状や、図４（ｂ）に示すような楕円形状とすることができ、またこれら以外のオーバル形状としてもよい。

上記実施の形態では、弁体全体を囲うように面取り部を設けたが、一部のみに設ける構成であってもよい。この場合、少なくとも弁体の最も応力が集中する部位近傍には、面取り部を設けることが好ましい。ここで、弁体の最も応力が集中する部位は、次の（ａ）〜（ｃ）順で決定することができる。

上記方法によって決定される最も応力が集中する部位が複数ある場合には、少なくとも全て最も応力が集中する部位の近傍に面取り部を設ける。

たとえば、弁体が形成された封口板面または缶底面の縁部からの距離が等しい位置に破砕溝が交わる交点が２つ存在し、一方の残肉厚のほうが薄い場合、図５（ａ）に示すように、残肉厚の薄い方の交点（同図では上側）近傍に面取り部２０を設ける。

弁体が形成された封口板面または缶底面の縁部からの距離が等しい位置に破砕溝が交わる交点が２つ存在し、残肉厚が等しい場合、当該２つの交点近傍に面取り部２０を設ける。

トラック形状である場合には、好ましくは当該最も応力が集中する部位を含んだ長辺部分に近接する部分全てに面取り部を設ける。また、図４（ａ）に示すように真円形状の場合、好ましくは、弁体６における封口板１３の長辺に平行な軸（長軸）と、封口板１３の短辺に平行な軸（短軸）との交点を中心点として、短軸を含んだ左右それぞれ４５°の範囲に設ける。また、図４（ｂ）に示すように楕円形状の場合、長軸と短軸との交点を中心点とし、短軸を含んだ左右それぞれ６０°の範囲に設ける。

また、弁体の厚みは、封口板厚みの０．１〜２０％の範囲、４０μｍ〜１００μｍとすることができる。

また、弁体は、封口板以外に、外装缶の缶底面に設けることもできる。また、本発明は、角形外装缶を用いる電池以外に、円筒形外装缶を用いる電池にも適用できる。

また、封口板及び弁体の材質としてはアルミニウム合金に限定するものではなく、鉄、ステンレススチール、純アルミニウム等を用いてもよい。中でも軽量な純アルミニウムやアルミニウム合金を用いると、重量エネルギー密度が向上するので好ましい。また、本発明は非水電解質二次電池に限定するものではなく、非水電解質一次電池等に用いることができる。

また、本発明を前記非水電解液二次電池に適用する場合には、正極材料としては前記コバルト酸リチウムの他、例えば、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケルマンガン酸リチウム、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム、鉄酸リチウム、オリビン構造を有するリチウム鉄リン酸塩或いはこれらの混合物、これらの化合物の結晶格子内に他の元素が含まれている化合物等が好適に用いられる。また、負極材料としては炭素材料の他、リチウム金属、リチウム合金、珪素、珪素化合物、或いはリチウムイオンを吸蔵脱離することができる金属酸化物（スズ酸化物等）等やこれらの混合物が好適に用いられる。

更に、電解液の溶媒としては前記のものに限らず、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に代表される環状カーボネート、γ−ブチロラクトン・γ−バレロラクトンに代表されるラクトン、ジエチルカーボネート・ジメチルカーボネート・メチルエチルカーボネートに代表される鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン・１，２−ジメトキシエタン・ジエチレングリコールジメチルエーテル・１，３−ジオキソラン・２−メトキシテトラヒドロフラン・ジエチルエーテルに代表されるエーテル等を単独で、あるいは二種以上混合して用いることができる。また、電解液の電解質としては、前記ＬｉＰＦ₆の他、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂等を用いることができる。

以上説明したように、本発明によれば、衝撃等によって誤作動して電解液が漏れることを防止できるガス排出機構を備えた密閉型電池を実現できる。よって、産業上の利用可能性は大きい。

１：封口体
２：外装缶
２ａ：レーザ溶接部
３：電極体
４：絶縁板
６：弁体
６ａ：破砕溝
６ｂ：ドーム部
８：封止栓
１１：端子板
１２：絶縁ガスケット
１３：封口板
１４：絶縁板
１５：端子リベット
１７：開放孔
１８ａ：仮想面
１８ｂ：仮想面
２０：面取り部
３１：集電タブ

Claims

電池内部圧力が上昇したときに弁体が破砕して電池内のガスを電池外に放出する安全機構を備えた密閉型電池において、
前記弁体は、外装缶底面又は外装缶の開口部を封口する封口板に設けられ、前記弁体の厚さは前記外装缶底面または前記封口板の厚さよりも薄く、且つ前記弁体を開放する破砕溝を有し、
前記弁体と、前記弁体が設けられた外装缶の缶底面又は封口板の本体部と、の境界における前記本体部の電池外側面の少なくとも一部は、角が面取りされた面取り部が形成されている、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１に記載の密閉型電池において、
前記弁体は、封口板に形成されている、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１又は２に記載の密閉型電池において、
前記弁体は、電池内側又は電池外側に突出したドーム部をさらに備え、
前記破砕溝は、前記ドーム部を囲うように形成されている。
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１、２又は３に記載の密閉型電池において、
前記弁体は、前記弁体が形成された外装缶の缶底面又は封口板の外側面と面一の仮想面と前記封口板の内側面と面一の仮想面との間にある、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１ないし４いずれか１項に記載の密閉型電池において、
前記面取り部の前記密閉型電池の高さ方向に平行な断面形状が、前記弁体が設けられた外装缶の缶底面又は封口板の電池外表面と、前記弁体の根元部までの距離をｔとするとき、曲率半径が０．５ｔ〜ｔのＲ形状である、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１ないし５いずれか１項に記載の密閉型電池において、
前記弁体の最も応力が集中する部位近傍には、前記面取り部が形成されている、
ことを特徴とする密閉型電池。