JP5638748B2 - 扁平形電池 - Google Patents

Description

本発明は、コイン形電池やボタン形電池と呼ばれる扁平形電池に関する。

コイン形電池やボタン形電池と呼ばれる扁平形電池は、情報機器や映像機器等のメモリバックアップ用を中心とした電源として利用されている。図１１に従来の扁平形電池の一例の斜視図を示している。扁平形電池１００は、正極缶である外装缶１０１と負極缶である封口缶１０２とを組み合わせたものである。

図１２は、図１１のＢＢ線における断面図である。扁平形電池１００内には、発電要素１１０を収納し、非水電解液を充填している。外装缶１０１の周壁１０４と、封口缶１０２の周壁１０５の折り返し部１０７との間には、ガスケット１０３を介在させている。封口缶１０２に折り返し部１０７を形成したことにより、ガスケット１０３との密着部分の強度を確保している。

外装缶１０１の周壁１０４の先端部１０４ａを、封口缶１０２の中心軸１０６側に湾曲させて、外装缶１０１を封口缶１０２にかしめ固定している。このことにより、外装缶１０１と封口缶１０２との間の隙間をガスケット１０３により封止し、かつ極性の異なる外装缶１０１と封口缶１０２とを絶縁している。

折り返し部１０７に相当する構成を備えた扁平形電池は、例えば下記特許文献１、２も記載されている。折り返し部１０７を形成した構成は、強度面では有利になるが、高容量化の点では不利になる。

具体的には、扁平形電池１００の外形寸法は、所定寸法に規定されている。同一外形寸法の扁平形電池では、折り返し部１０７のある構成は、折り返し部１０７の無い構成と比較すると、封口缶１０２のコーナ部１０８が、中心軸１０６側に移動することになり、その分容量が小さくなる。

他方、下記特許文献３−６には、折り返し部１０７の無い構成が記載されており、これらの各構成では、高容量化の点では有利になる。
ＷＯ０２／０１３２９０号公報 特開２００３−１５１５１１号公報 特開平７−５７７０６号公報 特開２００３−６８２５４号公報 特開平４−３４１７５６号公報 特許第３３９９８０１号公報

しかしながら、前記特許文献３−６に提案されているような折り返し部１０７の無い構成では、高容量化の点では有利になるが、強度面では不利になる。具体的には、図１２において、外装缶１０１の周壁１０４の先端部１０４ａを、中心軸１０６側に湾曲させて、かしめ加工する際に、封口缶１０２の周壁１０５も中心軸１０６側に変形する。すなわち、周壁１０５はガスケット１０３の内周面から離れる方向に変形する。この際、折り返し部１０７の無い構成では、周壁１０５とガスケット１０３との密着性が弱くなり、ガスケット１０３による封止が不十分になる場合があった。

前記特許文献３には、このような不十分な封止を防止する構成が提案されているが、強度不足を補うことまでの提案はなく、周壁の板厚を変化させる加工も必要であった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、封止性を確保しつつ、高容量化に有利な扁平形電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の扁平形電池は、外装缶の開口を封口缶で封口した扁平形電池であって、前記外装缶及び封口缶は、底部の外周に周壁を立設させ、一端が開口した円筒状であり、前記封口缶の周壁の外周面と、前記外装缶の周壁の内周面との間に、ガスケットを介在させており、前記外装缶の周壁の先端部を、前記封口缶の中心軸側に湾曲させて、前記外装缶を前記封口缶にかしめ固定しており、前記封口缶の中心軸方向における断面形状において、前記封口缶の周壁は、折り返しの無い一重壁であり、前記封口缶の底部は平面部であり、前記封口缶の周壁は、コーナ部を介して前記平面部とつながった直線部と、前記直線部に対して段差を形成する肩部とを、前記底部の側からこの順に備え、前記平面部と前記直線部とのなす角度θ１は、９０度より大きく９５度以下であることを特徴とする。

本発明によれば、封止性を確保しつつ、高容量化にも有利になる。

本発明の扁平形電池によれば、封口缶の平面部と直線部とのなす角度θ１は、９０度より大きいので、封口缶の周壁とガスケットとの接触部分における密着性が保たれ、ガスケットによる封止性が保たれることになる。また、封口缶の周壁のスプリングバックによる封止性の向上効果や、封口缶のコーナ部近傍の加工硬化により強度が高まる効果が得られる。

前記本発明の密閉型電池においては、前記角度θ１は、９０．５度以上であることが好ましい。この構成によれば、角度θ１を確実に９０度より大きくすることができる。

また、前記角度θ１は、９５度以下である。この構成によれば、内容積のむだ容量を小さくすることができる。

また、前記ガスケットは、前記封口缶の周壁を前記中心軸側に押圧するように、前記封口缶の周壁に押し当てられていることが好ましい。この構成によれば、極性の異なる外装缶と封口缶との間の絶縁性及び封止性が良好になる。

また、前記封口缶の周壁は、肩部を介して段差を形成しており、前記肩部と前記外装缶の周壁との間に前記ガスケットを介在させており、前記封口缶の高さ方向に前記ガスケットが押圧されていることが好ましい。この構成によっても、極性の異なる外装缶と封口缶との間の絶縁性及び封止性が良好になる。

また、前記封口缶の組み立て前の単体状態において、前記平面部と前記直線部とのなす角度θ２は、９２度以上であることが好ましい。この構成によれば、密閉型電池の完成状態の角度である角度θ１を、より確実に９０度より大きくすることができる。

また、前記封口缶の組み立て前の単体状態において、前記平面部と前記直線部とのなす角度を角度θ２とすると、前記角度θ２と前記角度θ１との角度差θ３は、０．５°以上５°以下であることが好ましい。この構成によれば、製造を容易にしつつ、封口缶の周壁のスプリングバックによる封止性の向上効果や封口缶のコーナ部近傍の加工硬化により強度が高まる効果が得られる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る扁平形電池の斜視図を示している。扁平形電池１は、正極缶である外装缶２と負極缶である封口缶３とを組み合わせたものである。扁平形電池１の一例として、外径寸法（図２のＤ寸法）を２０．０ｍｍとし、厚さを５ｍｍとしたものが挙げられる。

図２は、図１のＡＡ線における断面図である。外装缶２は、底部１１の外周に周壁１２を立設させ、一端が開口した円筒状である。封口缶３は、底部である平面部１５の外周に周壁１６を立設させ、一端が開口した円筒状である。外装缶２の周壁１２の内周面と封口缶３の周壁１６の外周面との間には、ガスケット４を介在させている。

外装缶２の周壁１２の先端部１２ａを、封口缶３の中心軸９側に湾曲させて、外装缶２を封口缶３にかしめ固定している。このことにより、外装缶２と封口缶３との間の隙間をガスケット４により封止し、かつ極性の異なる外装缶２と封口缶３とを絶縁している。

扁平形電池１内には、発電要素１０を収納し、非水電解液を充填している。発電要素１０は、正極活物質等を円盤形状に固めた正極材（電極材）５と、負極活物質の金属リチウム又はリチウム合金を円盤形状に形成した負極材（電極材）６と、不織布製のセパレータ７とを含んでいる。セパレータ７を介して正極材５と負極材６とが配置されている。正極材５に外面には、ステンレス鋼等で形成した正極リング８を装着している。

図３は、図２に示した扁平形電池１の分解図を示している。前記の通り、外装缶２及び封口缶３は、一端が開口した円筒状である。これらは、例えばステンレス材をプレス成形して成形することができる。封口缶３の周壁部１６は直線部１７を含んでおり、平面部１５と直線部１７との交差部にコーナ部１８を形成している。さらに、周壁部１６は肩部１９を介して段差を形成している。

ガスケット４は樹脂成形品であり、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を主成分とし、オレフィン系エラストマーを含有した樹脂組成物で成形する。ガスケット４はリング状部材であり、ベース部２０から内壁２１と外壁２２とが立ち上がっている。内壁２１と外壁２２との間には、隙間２３を形成している。この隙間２３に封口缶３の周壁１６を挿入することができる。

正極材５は、正極リング８と一体に正極活物質を円盤状に成形したものである。正極活物質としては、例えば二酸化マンガンに、黒鉛、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体およびヒドロキシプロピルセルロースを混合して調整した正極合剤を成形したものが挙げられる。

セパレータ７は不織布で形成しており、例えばポリブチレンテレフタレート製の繊維を素材とする不織布である。

セパレータ７には非水電解液が含浸する。非水電解液としては、例えば、プロピレンカーボナイトと、１，２−ジメトキシエタンとを混合した溶媒にＬｉＣｌＯ₄を溶解した溶液を用いることができる。セパレータ７の厚さは、例えば０．３−０．４ｍｍ程度である。

図４は、図３に示した封口缶３の周壁１６近傍の拡大図を示している。角度θ２は、封口缶３の単体状態において、平面部１５と直線部１７とのなす角度である。角度θ２は、９０度より大きくしている。このことにより、封口缶３の内径は、コーナ部１８から周壁部１６の先端１６ａに向かうにつれて大きくなっている。

図３に示した構成部品を組み立てる際には、図３の上下を逆にした状態で組み立てを進める。図５に組み立て途中の状態の断面図を示している。図５（ａ）は、封口缶３にガスケット４を装着した状態を示す断面図である。ガスケット４の隙間２３に、封口缶３の周壁１６を挿入して、封口缶３にガスケット４を装着している。

図５（ｂ）は、封口缶３内に発電要素１０を収納した状態を示している。負極材６は封口缶３に導電性接着剤等で固定する。負極材６に、セパレータ７及び正極材５を重ねる。その後、封口缶３内に非水電解液を注入する。

図６は、図５（ｂ）の組立体に、外装缶２を嵌合させた状態を示す断面図である。この状態では、ガスケット４の外周面と外装缶２の周壁１２の内周面とが嵌合している。図６に示した状態からかしめ工程へ移行する。かしめ工程では、外装缶２の周壁１２の先端部１２ａを、封口缶３の中心軸９側に曲げ加工する。

図７は、かしめ前の状態を示す断面図である。ノックアウトピン３０とパンチ３１との間に、図６に示した扁平形電池１を挟み込んでいる。外装缶２の周壁１２を囲むように、周壁１２の外周面に封口金型３２の金型面が嵌合している。この状態でノックアウトピン３０及びパンチ３１とを下降させる。このことにより、外装缶２の周壁１２は、封口金型３２の曲面に沿って、封口缶３の中心軸９側に曲げ加工されることになる。

図８は、ノックアウトピン３０及びパンチ３１の下降が完了した状態を示す断面図である。この状態では、外装缶２の周壁１２の内周面と、封口缶３の周壁１６の外周面との間にガスケット４が挟み込まれている。

さらに、ガスケット４の先端部は、周壁１６を中心軸９側に押圧するように、封口缶３の周壁１６に押し当てられている。このことにより、極性の異なる外装缶２と封口缶３との間の絶縁性及び封止性が良好になる。

また、封口缶３の肩部１９と外装缶２の周壁１２の先端部１２ａとの間において、封口缶３の高さ方向にガスケット４が押圧されている。このことによっても、外装缶２と封口缶３との間の絶縁及び封止性が良好になる。

図８の状態から扁平電池１を取り出すことになる。図２の図示は、図８の状態から扁平電池１を取り出し、上下を逆にした図示である。この状態では、外装缶２の周壁１２のかしめ加工に伴ない、封口缶３の周壁１６も変形している。

図４に示したように、封口缶３は、組み立て前の単体状態では、平面部１５と直線部１７とのなす角度はθ２であり、角度θ２は、９０度より大きくしている。図２のかしめ加工後の状態では、角度θ２は、角度θ２より小さな角度θ１になっている。このことについて、図９を参照しながら説明する。

図９は、封口缶３の単体状態と組立完了状態とにおける平面部１５と直線部１７とのなす角度の変化を説明する断面図である。図９における角度θ２は、図４の角度θ２と同じであり、封口缶３の組み立て前の単体状態におけける平面部１５と直線部１７とのなす角度である。

図９の２点鎖線は、かしめ固定後における周壁１６を示しており、周壁１６は中心軸９側に変形している。このことにより、平面部１５と直線部１７とのなす角度は、角度θ２から、角度θ２より小さい角度θ１に変化している。

かしめ固定後の角度θ１は、９０度より大きい状態を維持している。したがって、図２において、封口缶３の周壁１６とガスケット４との接触部分は、密着性が保たれ、ガスケット４による封止性は保たれる。

また、かしめ加工後には、封口缶３の周壁１６が元の状態に戻ろうとするスプリングバック効果が得られる。このことにより、周壁１６はガスケット４を押圧することになる。このことも、ガスケット４による封止性の確保に役立つ。

一方、周壁１６がガスケット４を押圧した状態を維持するには、応力が集中するコーナ部１８近傍の強度が必要になる。コーナ部１８近傍は、角度θ２から角度θ１への曲げ加工により、加工硬化が得られる。このことにより、コーナ部１８近傍の強度を高めることができる。

次に、角度θ１、θ２の数値範囲について説明する。かしめ固定後の角度θ１は、前記の通り９０度より大きい値であり、下記の式（１）を満足している。角度θ１を確実に９０度より大きくするために、式（２）を満足することが好ましい。

式（１） ９０°＜θ１
式（２） ９０．５°≦θ１
また、内容積確保を考慮すれば、角度θ１は下記の式（３）の範囲が好ましく、式（４）の範囲がより好ましい。

式（３） ９０°＜θ１≦９５°
式（４） ９０．５°≦θ１≦９３°
式（３）において、上限値を９５°としているのは、角度θ１が大きくなるほど、内容積のむだ容量が大きくなるためである。具体的には、図２において、扁平電池１の外形寸法Ｄは維持する必要がある。外形寸法Ｄを固定した状態で角度θ１を大きくすると、コーナ部１８は、中心軸９側に変位し、内容積が小さくなってしまう。

また、封口缶３の単体状態における角度θ２と、かしめ固定後の角度θ１との角度差θ３（θ２−θ１）は、下記の式（５）の範囲が好ましく、式（６）の範囲がより好ましい。

式（５） ０．５°≦θ３≦５°
式（６） １°≦θ３≦３°
角度差θ３が大き過ぎると、図５（ａ）に示したガスケット４の挿入や、図６に示した外装缶２の嵌め込みが困難になる。角度差θ３が式（５）、（６）の範囲内であれば、製造を容易にしつつ、スプリングバックによる封止性の向上効果やコーナ部１８近傍の加工硬化により強度が高まる効果が得られる。

なお、式（５）、（６）の下限値近傍においては、スプリングバック効果や加工硬化の程度は小さくなるが、かしめ固定後の角度θ１が９０度より大きい状態を維持していれば、ガスケット４による封止性は保たれることには変りない。

次に、前記のように角度θ１を９０度より大きくするためには、封口缶３の単体状態における角度θ２は、下記式（７）を満足することが好ましい。

式（７） ９２°≦θ２
他方、内容積確保を図った前記式（３）、（４）や、製造の容易性と、加工硬化やスプリングバック効果とのバランスを図った前記式（５）、（６）を考慮すれば、角度θ２は、下記の式（８）の範囲が好ましく、式（９）の範囲がより好ましい。

式（８） ９２°≦θ２≦９８°
式（９） ９３°≦θ２≦９５°
以上の数値範囲内にある一実施例として、かしめ固定後の封口缶３の角度θ１を９０．９°とし、封口缶３の単体状態における角度θ２を９３．８°とし、角度差θ３を２．９°としたものが挙げられる。

次に、図１０を参照しながら、本実施の形態と比較例とを比較してみる。図１０（ａ）は、比較例に係る扁平電池１００の要部断面図である。本図は図１２に示した従来例と同一構成である。図１０（ｂ）は、本実施の形態に係る扁平電池１の要部断面図である。本図は、図２に示した扁平電池１と同一構成である。

扁平電池１００、扁平電池１は共に外形寸法Ｄは同じである。扁平電池１００が、封口缶１０２に折り返し部１０７を形成しているのに対し、扁平電池１の周壁１６は、折り返しの無い一重壁である。

封口缶１０２から折り返し部１０７を省いても、周壁１０５の肩部１０９とガスケット１０３との掛り代は変らない。この場合、折り返し部１０７を省いた分、封口缶１０２の周壁１０５全体を、外装缶１０１の周壁１０４側に移動させることができる。

この移動後の状態が図１０（ｂ）に相当する。図１０（ｂ）の扁平電池１は、図１０（ａ）の扁平電池１００に比べ、封口缶３の内周面が寸法Ａだけ外側に移動している。このことにより、扁平電池１は、扁平電池１００と外形寸法Ｄが同じでありながら、容量を大きくすることができる。

また、直線部１７を形成していることも、容量確保に有利になっている。図１０（ｂ）において、コーナ部１８の半径を大きくすると、直線部１７はコーナ部１８の一部になってしまう。この構成では、コーナ部１８が中心軸９側に変位するので、容量確保に不利になる。すなわち、コーナ部１８の半径を小さくし、直線部１７の長さを大きくするほど容量を大きくすることができる。

一方、前記の通り、扁平電池１は角度θ１を９０度より大きくしているので、ガスケット４による封止性を確保することができる。また、スプリングバック効果により、封止性を一層向上でき、加工硬化により強度不足を補うこともできる。

すなわち、本実施の形態は、封口缶３の周壁１６を、折り返しの無い一重壁とし高容量化に有利な構造としながらも、ガスケット４による封止性の確保にも有利な構成であるといえる。

なお、本実施の形態に係る封口缶３は、かしめ加工の前後の双方において、周壁１６の断面形状には直線部１７を形成している。一方、かしめ加工により周壁１６には外力が加わる。このため、かしめ加工後は、直線部１７は完全な直線形状を維持できない場合がある。このような構成であっても、ガスケット４による封止性を高める効果が得られることには変りない。

したがって、直線部１７の形状は完全な直線だけでなく、曲率半径が大きく直線とみなすことができる曲線も含んでいる。より具体的には、直線部１７の形状は、曲率半径が５ｍｍ以上の曲線、又はコーナ部１８の半径の２０倍以上の曲率半径の曲線も含むものとする。

また、図１−３を用いて、扁平電池１の寸法や構成部品の材料について説明したが、これらは一例であり、他の寸法のものでもよく、他の材料を用いたものであってもよい。

以上のように、本発明によれば、封止性を確保しつつ、高容量化に有利であるので、本発明の扁平形電池は、例えば情報機器や映像機器等のメモリバックアップ用を中心とした電源として有用である。

本発明の一実施の形態に係る扁平形電池の斜視図。 図１のＡＡ線における断面図。 図２に示した扁平形電池１の分解図。 図３に示した封口缶３の周壁１６近傍の拡大図。 本発明の一実施の形態に係る扁平形電池の組み立て途中の断面図であり、（ａ）図は、封口缶３にガスケット４を装着した状態を示す断面図、（ｂ）図は、封口缶３内に発電要素１０を収納した状態を示す断面図。 図５（ｂ）の組立体に、外装缶２を嵌合させた状態を示す断面図。 本発明の一実施の形態に係るかしめ前の状態を示す断面図。 本発明の一実施の形態に係るかしめ後の状態を示す断面図。 本発明の一実施の形態に係る封口缶の単体状態と組立完了状態とにおける平面部と直線部とのなす角度の変化を説明する図。 本実施の形態と比較例とを比較するための断面図であり、（ａ）図は比較例の断面図、（ｂ）図は本実施の形態の断面図。 従来の扁平形電池の一例の斜視図。 図１１のＢＢ線における断面図。

符号の説明

１ 扁平形電池
２ 外装缶
３ 封口缶
４ ガスケット
１１ 外装缶の底部
１２ 外装缶の周壁
１５ 封口缶の平面部
１６ 封口缶の周壁
１７ 封口缶の直線部
１８ 封口缶のコーナ部
１９ 封口缶の肩部

Claims (6)

1. 外装缶の開口を封口缶で封口した扁平形電池であって、
   前記外装缶及び封口缶は、底部の外周に周壁を立設させ、一端が開口した円筒状であり、
   前記封口缶の周壁の外周面と、前記外装缶の周壁の内周面との間に、ガスケットを介在させており、
   前記外装缶の周壁の先端部を、前記封口缶の中心軸側に湾曲させて、前記外装缶を前記封口缶にかしめ固定しており、
   前記封口缶の中心軸方向における断面形状において、
   前記封口缶の周壁は、折り返しの無い一重壁であり、
   前記封口缶の底部は平面部であり、
   前記封口缶の周壁は、コーナ部を介して前記平面部とつながった直線部と、前記直線部に対して段差を形成する肩部とを、前記底部の側からこの順に備え、
   前記平面部と前記直線部とのなす角度θ１は、９０度より大きく９５度以下であることを特徴とする扁平形電池。
2. 前記角度θ１は、９０．５度以上である請求項１に記載の扁平形電池。
3. 前記ガスケットは、前記封口缶の周壁を前記中心軸側に押圧するように、前記封口缶の周壁に押し当てられている請求項１又は２に記載の扁平形電池。
4. 前記肩部と前記外装缶の周壁との間に前記ガスケットを介在させており、前記封口缶の高さ方向に前記ガスケットが押圧されている請求項１から３のいずれかに記載の扁平形電池。
5. 前記封口缶の組み立て前の単体状態において、前記平面部と前記直線部とのなす角度θ２は、９２度以上である請求項１から４のいずれかに記載の扁平形電池。
6. 前記封口缶の組み立て前の単体状態において、前記平面部と前記直線部とのなす角度を角度θ２とすると、前記角度θ２と前記角度θ１との角度差θ３は、０．５°以上５°以下である請求項１から５のいずれかに記載の扁平形電池。

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