JP2018166023A - 円筒形電池の封口体、および円筒形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池缶の内圧が過大となる前に確実にガスを排出することができる円筒形電池の封口体を提供する。【解決手段】下方を底部として、正負一方の電極集電体を兼ねる有底円筒状の電池缶２内に発電要素（３，４、５，３０）が密封されてなる円筒形電池１において、電池缶の上部開口を封止する封口体２０ａであって、中央に貫通孔６１を有する円板状の金属製封口板６ａに、貫通孔に挿通される軸部７２を有する正負他方の電極端子７が樹脂製封口ガスケット９を介して嵌着されてなり、封口板は、板面に形成された溝４３ａからなる薄肉部４０ａを備え、薄肉部は、上下方向から見たときの平面形状が封口板の外周６２の同心円から外れた開いた図形に沿って形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、円筒形電池の封口体、円筒形電池に関する。

円筒形電池は、ノートパソコン、デジタルカメラ等、さまざまな電子機器の電源として用いられている。一般的な円筒形電池は、電解液を含む発電要素が正負いずれかの電極集電体を兼ねる有底筒状の電池缶内に収容されている。そして、電池缶の開口を密封する封口体は、電池缶内の内容物の漏出を確実に防止する構造を備えるとともに、内圧が上昇した際には、その内圧を電池缶外に開放して電池缶の破裂を防止する防爆安全機構を備えている。

図１は、本発明に係る封口体の適用対象となる円筒形電池１の一例を示す図である。図示した円筒形電池１はスパイラル型リチウム一次電池であり、ここでは、円筒形電池１を円筒軸１００を含む平面で切断したときの縦断面図を示した。なお、以下では、円筒軸１００の延長方向を上下方向とするとともに、電池缶２の開口端側を上方として上下の各方向を規定することとする。

図１に示した円筒形電池１は、負極集電体を兼ねる電池缶２内に、正極３、負極４、セパレータ５、および非水系有機電解液３０が発電要素として収納されているとともに、電池缶２の開口が封口体２０によって封止された基本構造を有する。発電要素を構成する正極３は、スラリー状の正極材料を例えばステンレス製ラス板に塗布したものを所定の大きさに切断した後に乾燥させたものである。負極４は板状のリチウム金属やリチウム合金からなる。そしてこの負極４と正極３が、例えばポリオレフィン製微多孔膜からなるセパレータ５を介して対向配置されることで帯状の電極体１０が構成され、その帯状の電極体１０が円筒軸１００の周りに巻回された状態で電池缶２内に挿入されている。

封口体２０は、封口板６、正極端子７、金属製ワッシャ８、封口ガスケット９を含んで構成されている。封口板６は中央に上下方向に貫通する開口６１を有する円板状で、この例では、その円板の外周６２が上方に向かって屈曲している。正極端子７は円板状の頭部７１の下面に円筒状の軸部７２が形成された形状を有し、封口ガスケット９は、封口板６を上下方向から狭持する円板状の部位（９１、９２）が封口板６の開口６１に挿通される中空の軸９２によって連結された構造を有する。なお、封口ガスケット９の軸９２は、封口板６の開口６１に嵌め合い状態で挿通されている。そして封口ガスケット９は、封口板６の上面６３と下面６４のそれぞれに配置される二つの部材で構成されて一方の部材に軸９２を設けた構成であってもよいし、封口板６を内型としてインサート成形された一体成形品で構成されていてもよい。

封口体２０は、封口板６に金属製の正極端子７と金属製ワッシャ８が、樹脂製の封口ガスケット９を介してかしめられてなる。このような封口体２０の組み立て手順としては、まず、封口板６の開口６１に挿通されている封口ガスケット９の軸９２内の中空部９１に正極端子７の軸部７２を挿通させつつ、当該軸部７２の下端をワッシャ８に嵌め合い状態で挿通させる。次いで正極端子７の頭部７１と軸部７２の下端面との間を軸１００方向に押圧して軸部７２を拡径方向に変形させる。それによって正極端子７が封口ガスケット９を介して封口板６にかしめ付けられ、封口ガスケット９の軸９２が封口板６の開口６１の内面と正極端子７の軸部７２の外周面との間で圧縮されて封口ガスケット９の軸９２が封口板６に嵌着される。

そして上述した手順によって組み立てられた状態の封口体２０によって電池缶２を密閉するためには、封口板６の外周６２と電池缶２の上部縁端とを（図中、符号５１の位置で）レーザー溶接などによって封止すればよい。なお、図示した円筒形電池１では、正極集電体と正極端子７の下面、および負極４と電池缶２の内面が、それぞれ正極タブ１１、および負極タブ１２を介して接続されている。そして密封された電池缶２内には、リチウム塩を非水系溶媒に溶解させた非水系有機電解液３０が充填されている。

図２に封口体２０を上方から見たときの平面図を示した。この図に示したように、封口体２０を構成する封口板６の上下いずれかの面、あるいは上下両面には、平面形状が当該封口板６の外周６２と同心円をなす円弧状の溝からなる薄肉部４０が形成されている。薄肉部４０は、電池缶２内の内圧が上昇したときに封口板６の他の部位に先行して開裂し、内圧を電池缶２外に開放する防爆安全機構として機能する。なお、以下の特許文献１には、封口板の表裏両面に当該封口板と同心円となる円弧状に形成された溝からなる開裂ベントを備えた密閉型電池について記載されている。

特開２００５−２３５５３１号公報

円筒形電池における従来の封口体では、防爆安全機構として機能する溝が封口板と同心円をなす円弧状に形成されていた。そのため、円筒形の電池缶内の内圧が上昇した際に、その同心円上に円弧状に形成された薄肉部には等方的に圧力が掛かり、開裂する圧力を精度よく制御することが難しかった。特に、ＣＲ１４２５０型など、電池外径が１５ｍｍ以下の小さな円筒形電池では封口板の面積が小さく、それに伴って薄肉部に受ける圧力の面積も小さい。そして、小さな円筒形電池では、電池缶内に発生したガスの量が少なくても一気に電池缶内の圧力が上昇する。すなわち、薄肉部が開裂する時点では高い圧力が封口板に加わっており、薄肉部を開裂させる圧力を小さくすることができないという問題点があった。高い圧力が封口板に掛かっている状態で薄肉部が開裂すれば、その開裂箇所から内容物が噴出する可能性もある。

そこで本発明は、電池内部で多量のガスが発生した場合に、電池缶の内圧が過大となる前に確実にガスを排出することができる円筒形電池の封口体、およびその封口体を備えた円筒形電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、下方を底部として、正負一方の電極集電体を兼ねる有底円筒状の電池缶内に発電要素が密封されてなる円筒形電池において、前記電池缶の上部開口を封止する封口体であって、
中央に貫通孔を有する円板状の金属製封口板に、前記貫通孔に挿通される軸部を有する正負他方の電極端子が樹脂製封口ガスケットを介して嵌着されてなり、
前記封口板は、板面に形成された溝からなる薄肉部を備え、
前記薄肉部は、上下方向から見たときの平面形状が、前記封口板の外周の同心円から外れた開いた図形に沿って形成されている、
ことを特徴とする円筒形電池の封口体としている。

上記円筒形電池の封口体は、前記封口板に自身の直径に対して対称となる非円形の閉じた環状の溝を備え、前記薄肉部が、上下方向から見て、前記環状の溝の形成領域内に形成されていることとしてもよい。さらに前記封口板は、上面に前記環状の溝を備えるとともに、下面に当該溝に沿う環状の第２の溝を備え、前記薄肉部は、前記上面の溝または前記第２の溝内に形成されている円筒形電池の封口体とすることもできる。

また本発明の範囲には、下方を底部として正負一方電極集電体を兼ねる有底筒状の電池缶内に発電要素が収納されているとともに、当該電池缶の開口が上記いずれかに記載の封口体によって封止されていることを特徴とする円筒形電池も含まれている。

本発明に係る円筒形電池の封口体によれば、電池缶の内部に多量のガスが発生した場合に、電池缶の内圧が過大となる前に確実にガスを排出することができる。そして本発明に係る円筒形電池は、高い安全性を備えている。なお、その他の効果については以下の記載で明らかにする。

一般的な円筒形電池の封口構造を示す縦断面図である。 上記一般的な円筒形電池が備える封口体の平面図である。 本発明の実施例に係る円筒形電池の封口体の構造を示す図である。 上記実施例に係る円筒形電池の封口体に対する比較例となる円筒形電池の封口体の構造を示す図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。

＝＝＝実施例＝＝＝
本発明の実施例に係る封口体は、例えば、図１に示したスパイラル型リチウム一次電池などの円筒形電池に組み込まれ、基本的な構成もほぼ同様である。すなわち、円板状の金属製封口板にガスケットを介して正負一方の電極端子が嵌着されてなる。しかし、本実施例の封口体は、薄肉部の構造に特徴を有して、電池缶の内部に多量のガスが発生した場合でも、電池缶の内圧が過大となる前に確実にガスを排出することができるようになっている。

図３に本実施例に係る封口体２０ａの構造を示した。図３（Ａ）は、当該封口体２０ａを上方から見たときの平面図であり、図３（Ｂ）は図２（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。そして、図３（Ｃ）は図３（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面図である。図３（Ａ）において斜線のハッチングによって示したように、封口板６ａの板面には当該封口板６ａの円形の外周６２に対し、その外周６２の同心円から外れた平面形状に沿いつつ、開いた図形となる溝４３ａからなる薄肉部４０ａが形成されている。それによって、電池缶２の内圧が上昇した際に、薄肉部４０ａに掛かる応力に偏りが生じ、薄肉部４０ａにおいて、高い応力が掛かる部位が他の部位に先行して開裂する。すなわち、従来よりも低い所定の圧力で精度良く防爆安全機構が作動する。

なお、図３（Ｂ）に示したように、本実施例の封口体２０は、封口板６の上面６３に、長円形の閉じた平面形状を有する陸上競技のトラック状の溝（以下、上溝４１ａとも言う）が形成され、下面には、上溝４１ａに対して幅狭で、上溝４１ａに沿う閉じたトラック状の溝（以下、下溝４２ａとも言う）が形成されている。そして図３（Ｃ）に示したように、薄肉部４０ａは、その下溝４２ａの底に形成された、さらに幅狭の溝４３ａによって形成されている。すなわち、薄肉部４０ａが形成されている部位では、封口板６ａの下面６４側に段付き形状の溝（４２ａ、４３ａ）が形成されている。

ところで、本実施例における薄肉部４０ａの構造では、低い圧力で安定して防爆安全機構を作動させるという効果に加え、薄肉部４０ａを備えた封口板６ａをプレス加工によって作製する際の製造容易性やプレス型の摩耗も考慮された構造を有している。具体的には、封口板６ａは、金属製（例えば、ＳＵＳ４３０など）で、表面に凹凸がある円板状である。そしてこのような封口板６ａは、プレス加工によって製造される。そのため、上述した上溝４１ａや下溝４２ａを設けず、封口板６ａの上面６３あるいは下面６４に幅狭で深い溝４３ａのみからなる薄肉部４０ａをプレス加工によって作製すると、プレス型の摩耗が早くなる可能性がある。そこで、本実施例の封口体２０ａでは、封口板６ａを作製する際、プレス型が摩耗し難いように低い圧力でプレス加工できる幅広の浅い溝（この例では下溝４２ａ）を形成した上で、その浅い下溝４２ａの形成領域内に薄肉部４０ａを形成している。また、本実施例の封口体２０ａでは、封口板６ａの下面６４に加え上面６３にも幅広の溝（上溝４１ａ）を設け、下溝４２ａの内方に薄肉部４０ａを形成している。それによって、薄肉部４０ａを形成するために最も大きなプレス圧力を要する幅狭の溝４３ａの実質的な深さＤ３が極めて浅くなっている。さらに、容積が大きな幅広の上溝４１ａや下溝４２ａを閉じた図形にすることで、プレス加工時にこれらの溝（４１ａ、４２ａ）の容積を円板状の封口板６ａの全周にわたって逃がしている。それによって、プレス加工時における封口板６ａの歪みを抑制している。

なお、本実施例では、トラック一周分の下溝４２ａに対してトラック半周分の領域に薄肉部４０ａが形成されている。下溝４２ａの長軸４４に対して線対称となるように中心角θ＝１８０゜の領域に薄肉部４０ａが形成されていた。もちろん、薄肉部４０ａは、中心角θ＝１８０゜の範囲に形成されていなくてもよい。電池缶２内の圧力が上昇したときに、目的とする所定の圧力で確実に開裂し、かつ開裂したときに正極端子７が抜け落ちなければよく、目的とする防爆安全機構の動作圧力に応じて適宜に設定すればよい。

＝＝＝防爆安全機能の性能＝＝＝
次に本実施例の封口体２０ａの防爆安全機能の性能を確認するために、内部に発電要素が収納されていない電池缶２の開口を図２に示した封口体２０ａで封止するとともに、電池缶２の底部に孔を形成した。そして電池缶２の底部に形成した孔から電池缶２内に水圧を掛ける弁作動試験を行い、封口板６ａが開裂したときの圧力を調べた。ここでは、外径１４．０ｍｍの円筒形電池（例えば、ＣＲ１４２５０型）の電池缶２を用いた。また、図３（Ａ）に示したトラック状の上溝４１および下溝４２の長径φ１と短径φ２の比をφ１：φ２＝１：１．１５とした。封口体２０ａにおける封口板６ａ以外の構成や構造、および封口体２０ａの封止方法は市販のＣＲ１４２５０型円筒形電池と同じとした。なお、図３に示した、上溝４１ａ、下溝４２ａ、および薄肉部４０ａの幅（ｗ１〜ｗ３）や深さ（Ｄ１〜Ｄ３）は、封口板６ａを開裂させる圧力に応じて設定することができ、ここでは約２．１５ＭＰａの圧力で開裂するように設定した。

また、本実施例の封口体２０ａに対する比較例として、封口板の同心円に沿って薄肉部を形成した封口体を作製し、その封口体２０ａで上述した底部に孔が開いた空の電池缶の開口を実施例と同様にして封止した。そして比較例に係る封口体で封止された電池缶に対して上記の弁作動試験を行った。図４に比較例に係る封口体２０ｂを上方から見たときの平面図を示した。上溝４１ｂと下溝４２ｂの平面形状を封口板６ｂの外周６２に対して同心円状に形成し、薄肉部４０ｂを中心角θ＝１８０゜の円弧状に形成した。なお、図中のａ−ａ矢視断面やｂ−ｂ矢視断面の形状は、図３の（Ｂ）と（Ｃ）に示した実施例に係る封口体２０ａと同様である。上溝（４１ａ、４１ｂ）、下溝（４２ａ、４２ｂ）、および薄肉部（４０ａ、４０ｂ）の幅（ｗ１〜ｗ３）や深さ（Ｄ１〜Ｄ３）も実施例と同じである。なお、弁作動試験に際しては、実施例と比較例の封口体（２０ａ、２０ｂ）で封止した電池缶をそれぞれ５個ずつ用意した。そして実施例と比較例の封口体で封止された５個ずつの電池缶において、封口板が開裂した圧力を調べた。そして、比較例に係る封口体は、２．３０ＭＰａ〜２．７５ＭＰａの圧力で開裂し、平均値は２．５０ＭＰａであった。一方、実施例に係る封口体は２．１２ＭＰａ〜２．２０ＭＰａの圧力で開裂し、平均値は２．１６ＭＰａであった。したがって、実施例に係る封口体では、比較例に係る封口体に対して約１５％低い圧力で開裂させることができる。しかも開裂する圧力のばらつき（最大値―最小値）／最小値は、比較例が２０％程度であったのに対し、実施例では３％であり、実施例に係る封口体を用いた円筒形電池では、極めて高い精度で所定の圧力で防爆安全機構が作動することが確認できた。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例に係る封口体２０ａは、スパイラル型リチウム一次電池に組み込まれていたが、もちろん実施例に係る封口体２０ａが組み込まれる電池は、円筒状の金属製電池缶２を有したものであればよい。

上記実施例に係る封口体２０ａでは、封口板６ａにトラック形状に沿った領域に薄肉部４０ａが形成されていたが、例えば、円に沿って形成されていても、その円が封口板６ａの外周６２に対して同心円状でなければよい。すなわち封口板６ａの外周６２の中心となる円筒形電池１の円筒軸１００に対して偏心した円であってもよい。また、薄肉部４０ａは、円筒軸１００を中心とする正多角形状であってもよい。すなわち、薄肉部４０ａは、円板状の封口板６ａに対して同心円上に形成されていなければよい。

上記実施例では、プレス加工によって封口板６ａを作製する際のプレス型の耐久性を考慮し、封口板６ａの上面６３と下面６４にそれぞれ同じ形状に沿う上溝４１ａと下溝４２ａが形成され、薄肉部４０ａが形成されている領域では、下溝４２ａの底面に幅狭の溝４３ａが形成されて上方が縮幅された段付き状の断面形状を有していた。もちろん、耐久性の高いプレス型を用いるのであれば、薄肉部４０ａの断面形状は単純な溝状であってもよい。封口板６ａの全周にわたる上溝４１ａや下溝４２ａを形成せず、薄肉部４０ａとなる溝のみを形成してもよい。

１ 円筒形電池、２ 電池缶、６，６ａ,６ｂ 封口板、７ 電極（正極）端子、
８ ワッシャ、９ 封口ガスケット、２０，２０ａ,２０ｂ 封口体、
４０，４０ａ,４０ｂ 薄肉部、４１ａ，４１ｂ 上溝、４２ａ，４２ｂ 下溝、
４３ａ 下溝内の溝、６２ 封口板の外周

Claims (4)

1. 下方を底部として、正負一方の電極集電体を兼ねる有底円筒状の電池缶内に発電要素が密封されてなる円筒形電池において、前記電池缶の上部開口を封止する封口体であって、
   中央に貫通孔を有する円板状の金属製封口板に、前記貫通孔に挿通される軸部を有する正負他方の電極端子が樹脂製封口ガスケットを介して嵌着されてなり、
   前記封口板は、板面に形成された溝からなる薄肉部を備え、
   前記薄肉部は、上下方向から見たときの平面形状が、前記封口板の外周の同心円から外れた開いた図形に沿って形成されている、
   ことを特徴とする円筒形電池の封口体。
2. 請求項１に記載の円筒形電池の封口体において、
   前記封口板は、自身の直径に対して対称となる非円形の閉じた環状の溝を備え、
   前記薄肉部は、上下方向から見て、前記環状の溝の形成領域内に形成されている、
   ことを特徴とする円筒形電池の封口体。
3. 請求項２において、
   前記封口板は、上面に前記環状の溝を備えるとともに、下面に当該溝に沿う環状の第２の溝を備え、
   前記薄肉部は、前記上面の溝または前記第２の溝内に形成されている、
   ことを特徴とする円筒形電池の封口体。
4. 下方を底部として正負一方電極集電体を兼ねる有底筒状の電池缶内に発電要素が収納されているとともに、当該電池缶の開口が請求項１〜３のいずれかに記載の封口体によって封止されていることを特徴とする円筒形電池。
   

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