JPH1125933A

JPH1125933A - 密閉型非水電解液二次電池

Info

Publication number: JPH1125933A
Application number: JP9179352A
Authority: JP
Inventors: Korenobu Morita; 是宣森田; Toshiichi Murata; 敏一村田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】危険物に属する電解液を有する二次電池を、
容易かつ安全に組立て、電池を軽量化する。【解決手段】極板群を装填し、開口部を密閉部材８に
より封口する外装缶９をマグネシウム合金により形成
し、このマグネシウム合金は、１０ｗｔ％以下のアルミ
ニウム、２ｗｔ％以下の亜鉛を含有する組成の場合は、
射出成形が可能となり、さらに、危険物に属する電解液
を有する場合でも超音波溶接により安全に封口すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、密閉型非水電解液
二次電池、特に密閉型非水電解液リチウム二次電池の外
装缶に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、負極活物質として軽金属のリチウ
ムを使用するリチウム二次電池は、高エネルギー密度を
有するので、ノートブックパソコン等の電子機器、ある
いは携帯電話，ＰＨＳ等の通信機器の主電源として注目
されてきている。特に携帯電話，ＰＨＳ等の小型通信機
器のコードレス化，ポータブル化，軽量化が急速に進ん
でいることにより、この種機器の主電源として使用され
るリチウム二次電池の小型化，軽量化も重要なポイント
として要望されている。

【０００３】リチウム二次電池を軽量化する有効な手段
としては、外装缶の材質を鉄やステンレスからアルミニ
ウムに変更すると効果が大きくなる。その理由は、リチ
ウム二次電池の総重量に占める外装缶の重量の割合が大
きいからである。また、外装缶に鉄を使用すると、外装
缶はマイナス極にする必要があるが、アルミニウムを使
用すると、外装缶はプラス極にも使用できる効果もあ
る。

【０００４】しかし、外装缶の材質を鉄からアルミニウ
ムに変更すると、強度が著しく低下するという問題点が
ある。例えば、鉄やステンレス鋼の外装缶をアルミニウ
ムの外装缶に変更すると、アルミニウムの引張強度と縦
弾性係数が鉄の約１／３であることから、同寸法の外装
缶を設計すると、アルミニウム製の外装缶の強度は鉄製
の外装缶の強度の１／３に激減する。ちなみに、鉄の引
張強度は４２ｋｇｆ／ｍｍ²、アルミニウムの引張強度
は１３．５ｋｇｆ／ｍｍ²であり、変形した外装缶が元
の形に復元する力を決定する耐力は、鉄製の外装缶の場
合が２６．６ｋｇｆ／ｍｍ²、アルミニウム製の外装缶
の場合が１２．５ｋｇｆ／ｍｍ²である。

【０００５】外装缶の強度が低下すると、密閉されたリ
チウム二次電池の場合、その内圧が上昇した時に、外装
缶が変形するという問題点があった。密閉型のリチウム
二次電池は、ショートしたり、過電流が流れたり、ある
いは過放電をしたりする等の電池異常が発生した際に、
内部でガスが発生して電池内圧を上昇させ、電池の内圧
が上昇すると、強度が充分でない外装缶の場合は変形す
る惧れがあった。

【０００６】そして、外装缶が大きく変形して破損する
と、電池を電源として収納している通信機器等に損傷を
与え、さらに、外装缶に渦巻状の極板群を収納し、その
渦巻状の極板群の最外周を外装缶に接触させている密閉
型リチウム二次電池の場合は、外装缶が変形すると、電
極と外装缶との接触抵抗が大きくなって内部抵抗が増加
し、電池容量が減少するという問題点があった。

【０００７】このような問題点を解決するために、外装
缶を独特の補強構造とする技術が例えば、特開昭６２−
９３８５４号公報に開示されている。この開示されてい
る技術は、密閉型電池の外装缶の一部に肉厚部を設け、
この肉厚部により、外装缶を補強して変形を少なくする
ものである。しかし、外装缶の一部を厚くすると、外装
缶の外径が大きくなって、電池を小型化することができ
なくなるという問題点が新たに発生した。

【０００８】また、アルミニウムの強度を増強するため
に、アルミニウムにマグネシウムを添加した合金が開発
されている。例えば、アルミニウムに２．３ｗｔ％のマ
グネシウムと０．２５ｗｔ％のクロムを含有するアルミ
ニウム合金は、引張強度が２９．５ｋｇｆ／ｍｍ²、耐
力が２６．６ｋｇｆ／ｍｍ²となり、アルミニウムに比
較して相当強くなる。しかし、マグネシウムを添加した
アルミニウム合金を外装缶に用いる場合は、深絞りの成
形加工が容易なインパクト加工によっては、効率よく大
量生産できないという問題点があり、また外装缶と電池
を密閉するための密閉部材とを溶接する時にクラックが
発生し易いという問題点もあり、このようなアルミニウ
ム合金は強度的には優れているが、二次電池の外装缶と
しては使用することができなかった。

【０００９】さらに、アルミニウムの融点は約６００℃
程度であり、樹脂のように射出成形方式で外装缶を成形
することもできるので、従来のインパクト加工では発生
し易い強度的に弱い部分の厚みを厚くし、補強すること
も考えられるが、伸び率が最大で３％であり、二次電池
を製造する時にリード板を取り付ける抵抗溶接の工程、
密閉するために開口部を折り曲げる工程等の後加工工程
が非常に煩難になるという問題点もあった。

【００１０】これらの問題点を解決するために、０．５
ｗｔ％以上、２．５ｗｔ％以下のマンガンを含有するア
ルミニウム合金を外装缶として使用する技術が開示され
ている（例えば、特開平８−３２９９０８号公報参
照）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のマンガンを含有
するアルミニウム合金により形成した外装缶を有するリ
チウム二次電池にあっては、電池を密閉するために行う
外装缶と密閉部材とを溶接する時に、クラックが発生し
ないように改善することはできるが、電池が小型化して
くると、新たに電池の質量と、電解液の注入方法とが非
常に問題視されてきた。すなわち、リチウムを負極とす
る二次電池にあっては、形状が大型の二次電池の場合
は、使用する機器自体も大きく、質量も大きいので、そ
の中に占める二次電池の質量が大きくても余り問題にな
らないが、主たる市場からの要望であるポータブル化，
軽量化を指向する、例えば小型の通信機器に使用する小
型の二次電池の場合には、その質量が問題となる。

【００１２】また、リチウムを負極とする二次電池は、
電解液として、炭酸エチレン，炭酸プロピレン，炭酸
１，２−ブチレン等の非水溶媒に、電気伝導性を得るた
めに陰イオンを有する塩を溶解させたもの、例えば１モ
ル濃度程度のＬｉＰＦ₆，ＬｉＣｌＯ₄，ＬｉＡｓＦ₆
等を溶解させたものを使用しているが、この電解液は、
消防法で危険物第四類に分類される可燃物であるので、
電池組立工程において電解液を注入した後、電池を密封
する部材をレーザーにより溶接する場合に安全上問題が
あった。特に、電池の小型化に伴い、電解液を電池内に
正確に注入することは、その危険が増大するので、電池
の製造工程上では大きな問題となっていた。

【００１３】本発明は、マグネシウムを主体とした合金
により外装缶を形成することにより、非効率な生産方式
であるインパクト成形により深絞り加工することなく、
効率的に軽量な電池が提供でき、かつ可燃性の電解液を
用いても安全に電池の組立てができるようにすることを
目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明は、極板群を装填し、開口部を密閉部材
により封口する外装缶をマグネシウムを主体とする合金
により形成することとしている。マグネシウムを主体と
する合金としてアルミニウムを１０ｗｔ％以下、亜鉛を
２ｗｔ％以下含有するマグネシウム合金を用いると一般
の合成樹脂の場合のように射出成形が可能となるので、
射出成形機に複数の金型を取り付けることによって一回
の成形で複数個の外装缶を効率的に製造することがで
き、効率よい大量生産が可能となる。

【００１５】また、外装缶の開口部を封口する密閉部材
と外装缶との間に、マグネシウムを主体とする合金によ
り形成した封口板支持体を介在させることによって、従
来の樹脂製ガスケットのみを介在させた場合と異なり、
寸法精度を著しく向上させることができる。それは、電
池を封口する場合、外装缶は射出成形が可能であるの
で、封口板支持体が介在する外装缶の開口部の寸法精度
は±０．０２ｍｍの公差範囲にすることができ、また、
封口板支持体も射出成形により寸法精度は±０．０２ｍ
ｍの範囲にすることができるからである。そして、この
ように精度がよい外装缶と封口板支持体を用いることに
より、電池を封口した時の封口部からの漏液を防止する
ことができる。

【００１６】また、外装缶と封口板支持体とを、マグネ
シウムを主体とする合金により形成しているので、電池
を封口する際に、超音波溶接が可能となり、危険物第四
類の電解液を内蔵した密閉型非水電解液二次電池を組立
てる上で安全性が向上する。

【００１７】その上、マグネシウムを主体とする合金に
より外装缶を形成することにより、市場の要望が強い小
型の二次電池の質量を低減して軽量化することができ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明は、極板群を装填する外装
缶を、マグネシウムを主体とする合金により形成し、こ
の外装缶の開口部を密閉部材により封口したものであ
る。そして、従来のアルミニウムや鉄により形成した外
装缶を使用した密閉型非水電解液二次電池よりも軽量化
が可能となるので、電源として使用する機器の小型化，
軽量化に適用できる。

【００１９】また、外装缶を形成するマグネシウムを主
体とする合金としては、アルミニウムを１０ｗｔ％以
下、亜鉛を２ｗｔ％以下含有するものが効果的である。
そのような組成のマグネシウム合金を用いることによ
り、射出成形が可能となり、その結果、高い精度により
大量生産が容易となる。

【００２０】また、極板群を装填した外装缶と、封口板
の周縁部に樹脂製ガスケットを装着し、前記外装缶の開
口部を封口する密閉部材とを備え、前記外装缶と密閉部
材との間には、マグネシウムを主体とする合金により形
成した封口板支持体を介在させたものである。そして、
従来の電池のように、密閉部材の最外周の樹脂ガスケッ
トと外装缶とを接触させて封口する場合に比較して寸法
精度が向上するので、耐漏液性構造に形成することがで
きる。

【００２１】また、アルミニウムを１０ｗｔ％以下、亜
鉛を２ｗｔ％以下含有するマグネシウム合金により、封
口板支持体を形成すると効果的である。そして、射出成
形が可能となるので、高い精度で大量生産が容易とな
り、また、マグネシウム合金は、アルミニウム，亜鉛を
含有しているので、延び性が高く、折り曲げ加工が容易
となり、外装缶の開口端部の折曲により密閉部材の周縁
部へ締着することができ、耐漏液性に優れたものとな
る。

【００２２】また、外装缶およびこの外装缶の開口部を
封口する密閉部材と外装缶との間に介在させる封口板支
持体をマグネシウムを主体とする合金により形成したも
のである。そして、マグネシウムを主体とする合金を用
いることにより軽量な密閉型非水電解液二次電池が得ら
れ、しかも封口部の寸法精度が高くなって耐漏液性に優
れたものとなる。

【００２３】また、外装缶と封口板支持体とは、アルミ
ニウムを１０ｗｔ％以下、亜鉛を２ｗｔ％以下含有する
マグネシウム合金により形成すると射出成形が可能とな
り、寸法精度がより高くなって耐漏液性が向上する。

【００２４】さらに、外装缶と封口板支持体とは、マグ
ネシウムを主体とする合金により形成すると、両者を超
音波溶接することが可能となり、耐漏液性に優れた密閉
型非水電解液二次電池が得られ、また、電池組立工程で
の安全性が確保される。

【００２５】

【実施例】以下本発明の実施例について、図１，図２，
図３を参照して説明する。

【００２６】図３に示す射出成形機により、マグネシウ
ム合金を成形した外装缶を使用している角型のリチウム
二次電池について、その要部を断面で示した図１を参照
して説明する。キャップ状の封口板１とリング状のＰＴ
Ｃ素子２と上部弁体３とを積層し、その周縁部を樹脂製
の第１のガスケットリング４により締着して一体化して
いる。この一体化したものの下面にフィルタ５を当接
し、これらの周縁部を下部弁体６の周縁を折曲して締着
することによりさらに一体化し、その周縁部を樹脂製の
第２のガスケットリング７により締着して密閉部材８を
構成している。セパレータを介して積層された正極層お
よび負極層は、渦巻状に巻回して極板群を形成し、外装
缶９内に収納され、この外装缶９の開口端部を、密閉部
材８の周縁部に折曲して締着することにより密閉してい
る。なお、極板群の正極側は、正極リード１０を介して
封口板１に接続され、負極側は外装缶９に接続されてい
る。

【００２７】図２に示す角型のリチウム二次電池は、基
本的な構成は図１の場合と同じであるので、同一の構成
部分については同一の符号を付してその説明を省略す
る。

【００２８】そして、密閉部材８の周縁部に、マグネシ
ウム合金よりなる封口板支持体１１を嵌着し、この封口
板支持体１１と外装缶９との接触部１２を、超音波溶接
することにより溶着して密閉している構成が異なってい
る。

【００２９】次に外装缶９について説明する。外装缶９
を形成するマグネシウム合金として合金Ｍ１，合金Ｍ２
の２種類を準備した。合金Ｍ１の組成は、マグネシウム
８９ｗｔ％以上、アルミニウム９ｗｔ％、亜鉛１ｗｔ％
であり、合金Ｍ２の組成は、マグネシウム９３ｗｔ％以
上、アルミニウム６ｗｔ％，亜鉛０．２ｗｔ％であり、
これらを用いて形成した外装缶のそれぞれの物性値は表
１に示す通りである。なお、マグネシウム合金として
は、アルミニウムを１０ｗｔ％以下、亜鉛を２ｗｔ％以
下含有するマグネシウムを主体とする合金が、射出成形
する上からは好ましい。

【００３０】

【表１】

【００３１】また、表１には比較のために、射出成形に
より製造されたアルミニウム製の外装缶とインパクト加
工された鉄製の外装缶の場合の物性値も記載した。

【００３２】また、図１および図２において、正極は、
コバルト酸リチウムを正極活物質とし、ポリテトラフル
オロエチレンを結着材とし、正極集電体としての厚さ１
５μｍのアルミニウム箔の両面に、厚み８０〜９０μｍ
に塗布し、乾燥して長尺層状に形成している。また、負
極は、リチウムイオンがインターカーレイトするメゾフ
ェーズカーボンを主体とし、ネオプレンゴムを結着材と
して、負極集電体としての厚さ１５μｍの銅箔の両面
に、厚み１００〜１１０μｍに塗布し、乾燥して長尺層
状に形成している。また、セパレータは、厚み２５〜２
８μｍのポリエチレン製で、細孔径８００〜１０００Å
の微孔膜を使用した。

【００３３】そして、リチウム二次電池は、上記のよう
にして長尺層状に形成された正極層，負極層をセパレー
タを介して重ね合わせ、数回巻回して形成した極板群を
外装缶９内に装填して構成している。それぞれの集電体
にはリード板が取りつけられ、電池を組立てる工程で電
極端子を兼ねる外装缶９および封口板１に抵抗溶接され
て金属端子を形成している。ここでは、マグネシウム合
金製の外装缶９には負極側が、封口板１には正極側が接
続されている。

【００３４】なお、電解液には、エチレンカーボネート
およびエチルメチルカーボネートをベース電解液とし、
６フッ化燐酸リチウムを電解質としてベース電解液に対
して１モル濃度溶解したものを使用した。

【００３５】つぎに、マグネシウムを主体とする合金を
用い、図３に示す射出成形機により外装缶を成形する場
合について説明する。チップ状のマグネシウム合金Ｍ
１，Ｍ２を原料ホッパー１３にそれぞれ投入し、ヒータ
ー１４により６００〜７００℃に加熱されているシリン
ダー１５に、原料供給装置１６より供給する。合金は、
シリンダー１５内でチクソトロピー状態の半溶融とな
り、高速射出システム１７およびスクリュー１８によ
り、ノズル１９から金型２０のキャビティ内に射出して
成形される。なお、２１は逆流防止リングである。この
ような成形を一般的には、チクソモールディング法と呼
んでいる。

【００３６】アルミニウムの密度が２．７ｇ／ｃｍ³で
あるのに対してマグネシウム合金の密度は１．７〜１．
９ｇ／ｃｍ³であり、約３５％軽量となり、また、アル
ミニウム合金並みの引張強度と耐性を有するので、外装
缶として優れたものとなる。

【００３７】（実施例１）合金Ｍ１を使用して射出成形
し、高さ４７．５ｍｍ，横幅２９．５ｍｍ，厚さ５．８
ｍｍで、側厚を０．４ｍｍ，底厚を０．２ｍｍとした外
装缶を製造した。この外装缶を用いて図１に示す構成の
リチウム二次電池を組立てた。

【００３８】（実施例２）合金Ｍ２を使用して実施例１
の場合と同じ条件で射出成形した外装缶を用いて図１に
示す構成のリチウム二次電池を組立てた。

【００３９】（実施例３）合金Ｍ１を使用して断面Ｌ字
状に射出成形した封口板支持体１１を、密閉部材８の周
縁部に位置させ、封口板支持体１１の上端部を密閉部材
８の内方向へ折曲して密閉部材８の周縁部に嵌着させた
ものを用い、実施例１の場合と同じ条件で合金Ｍ１を射
出成形した外装缶を用いて図２に示す構成のリチウム二
次電池を組立てた。なお、封口板支持体１１と外装缶９
との接触部は超音波溶接により密閉して閉塞している。

【００４０】（実施例４）実施例３の場合において、封
口板支持体１１として合金Ｍ２を使用している以外は、
同じ構成に組立てている。

【００４１】（比較例１，２）また、比較例１としてダ
イカスト法により形成したアルミニウム製の外装缶を用
い、図１に示す構成のリチウム二次電池を組立て、比較
例２としてインパクト加工した鉄製の外装缶を用い、図
１に示す構成のリチウム二次電池を組立てた。

【００４２】各実施例および比較例で説明したリチウム
二次電池を、それぞれ２０個組立て、それらの電池の評
価結果の平均値は表２に示す通りである。

【００４３】

【表２】

【００４４】表２における密封部からの漏液の評価は、
電池組立て後、−１０℃に６時間保存し、ついで、−１
０℃から６０℃まで６時間かけて直線的に昇温し、６０
℃に６時間保存し、その後、６０℃から−１０℃まで６
時間かけて直線的に冷却するサイクルを１サイクルと
し、３０サイクル後での漏液を目視により検査した。分
母は検査個数を示し、分子は漏液個数を示している。こ
の評価結果から、実施例におけるリチウム二次電池は、
従来の電池以上の耐漏液を有することがわかる。

【００４５】また、電池質量の評価結果から、実施例に
おけるリチウム二次電池は、従来の鉄製の外装缶を用い
た電池よりも約２０％軽量に、アルミニウム製の外装缶
を用いた電池よりも約４％軽量にすることができる。

【００４６】さらに、外装缶と密閉部材との密閉部を超
音波溶接によって閉塞することにより、可燃性の電解液
を用いても安全に電池を組立てることができ、保存後に
おける耐漏液性を著しく向上させることができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載するような効果を奏する。

【００４８】マグネシウムを主体とする合金により形成
した外装缶を備えているので、得られる密閉型非水電解
液二次電池は、使用機器の小型化，軽量化に適応した軽
量となり、１０ｗｔ％以下のアルミニウム、２ｗｔ％以
下の亜鉛を含有するマグネシウム合金を用いると、外装
缶を射出成形で製造することが可能となり、効率よく大
量生産をすることができる。

【００４９】また、外装缶の開口部を封口する封口板の
周縁部に樹脂製ガスケットを装着した密閉部材を用い、
その外周にマグネシウムを主体とする合金により形成し
た封口板支持体を配することによって、従来の樹脂製ガ
スケットのみを用いた電池の場合と異なり、寸法精度が
著しく向上し、電池を封口した時の封口部からの漏液を
防止する効果は非常に大きくなる。

【００５０】また、マグネシウムを主体とする合金によ
り形成した外装缶と封口板支持体とは超音波溶接により
溶着することが可能となり、危険物第四類の電解液を内
蔵した二次電池を封口する工程での安全性を向上させる
ことができる。

【００５１】また、マグネシウム合金は、アルミニウ
ム，亜鉛の含有量が減少するにつれて耐力は少し劣化す
るが、延び性が増大するので、市場要望の強い小型の二
次電池の質量をアルミニウム製の外装缶を使用した二次
電池に比べ軽量化することができる。

【００５２】さらに、今後、使用済み製品のリサイクル
が必要な時代が確実に到来することが予想されるが、マ
グネシウム合金は、新地金の４％程度のエネルギーコス
トで再生が可能であり、二次電池の外装缶としては今後
有望となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１および２における密閉型非水
電解液二次電池の要部を断面で示した側面図

【図２】本発明の実施例３および４における密閉型非水
電解液二次電池の要部を断面で示した側面図

【図３】本発明の実施例において用いる外装缶を成形す
る射出成形機の模式図

【符号の説明】

１封口板４，７ガスケットリング８密閉部材９外装缶１１封口板支持体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】極板群を装填する外装缶を、マグネシウ
ムを主体とする合金により形成し、この外装缶の開口部
を密閉部材により封口した密閉型非水電解液二次電池。
【請求項２】アルミニウムを１０ｗｔ％以下、亜鉛を
２ｗｔ％以下含有するマグネシウム合金により外装缶を
形成した請求項１記載の密閉型非水電解液二次電池。
【請求項３】外装缶を射出成形により形成した請求項
１または２記載の密閉型非水電解液二次電池。
【請求項４】極板群を装填した外装缶と、封口板の周
縁部に樹脂製ガスケットを装着し、前記外装缶の開口部
を封口する密閉部材とを備え、前記外装缶と密閉部材と
の間には、マグネシウムを主体とする合金により形成し
た封口板支持体を介在させた密閉型非水電解液二次電
池。
【請求項５】アルミニウムを１０ｗｔ％以下、亜鉛を
２ｗｔ％以下含有するマグネシウム合金により封口板支
持体を形成した請求項４記載の密閉型非水電解液二次電
池。
【請求項６】封口板支持体を射出成形により形成した
請求項４または５記載の密閉型非水電解液二次電池。
【請求項７】極板群を装填した外装缶と、封口板の周
縁部に樹脂製ガスケットを装着し、前記外装缶の開口部
を封口する密閉部材と、この密閉部材と前記外装缶の間
に介在させる封口板支持体とを備え、前記の外装缶およ
び封口板支持体はマグネシウムを主体とする合金により
形成した密閉型非水電解液二次電池。
【請求項８】アルミニウムを１０ｗｔ％以下、亜鉛を
２ｗｔ％以下含有するマグネシウム合金により外装缶お
よび封口板支持体を形成した請求項７記載の密閉型非水
電解液二次電池。
【請求項９】外装缶および封口板支持体を射出成形に
より形成した請求項７または８記載の密閉型非水電解液
二次電池。
【請求項１０】外装缶と封口板支持体とを超音波溶接
した請求項７ないし９のいずれかに記載の密閉型非水電
解液二次電池。