CN107431178A - 圆筒形电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个方式的圆筒形电池具有：正极板与负极板隔着间隔件卷绕而成的电极体、电解液、有底圆筒状的外装罐、以及在外装罐的开口部隔着密封垫被铆接固定的封口体。封口体包括：外形为圆形的阀体、与阀体相比配置于电池内侧且连接于阀体中央部的金属板、以及介于阀体的外周部与金属板的外周部之间的环状的绝缘部件。阀体具有厚度沿着半径方向连续减少或增加的倾斜区域。

Description

圆筒形电池
技术领域
本发明涉及具备封口体的圆筒形电池，所述封口体具有电流阻断机构。
背景技术
密闭型电池因容纳作为发电要素的电极体的外装体的形状、材质而大致分为圆筒形电池、方形电池和袋状电池。其中，圆筒形电池被应用于电动工具、电动辅助自行车和电动汽车等的广泛用途。因此，要求圆筒形电池即使处于严苛的使用环境中也显示出高安全性。
在圆筒形电池的封口体的内部设置有防爆阀、电流阻断机构和PTC(PositiveTemperature Coefficient，正温度系数)元件等用于确保安全性的单元。作为公开了这种封口体的现有技术文献，可列举出下述的专利文献1～4。关于专利文献4公开的封口体，参照图6并进行如下说明。
图6所示的封口体通过在皿状的金属盒66内层叠金属板65、阀体63、PTC元件62和端子盖罩61来构成。阀体63的中心部焊接于金属板65，其外周部凭借绝缘密封垫64而与金属板65绝缘。金属板65和金属盒66分别具有通气孔65a和通气孔66a。如果电池内部产生气体而导致电池内压上升，则阀体63会承受该压力，因此，阀体63以向电池外侧拉伸焊接部的方式发挥作用。如果电池内压达到特定值，则焊接部破裂而阻断阀体63与金属板65之间的电流通路。如果电池内压进一步上升，则阀体63以形成于阀体63的薄壁部63a作为起点而发生破裂，电池内部的气体被排出至电池外部。设置于该封口体的电流阻断机构、防爆阀如上那样地工作。
在上述例子中，阀体与金属板的焊接部作为电流阻断部而发挥功能，如专利文献2、3那样地，也可以使设置于金属板的薄壁部作为电流阻断部而发挥功能。电流阻断机构的工作压取决于焊接部、薄壁部的破裂强度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6-196150号公报
专利文献2：日本特开平7-105933号公报
专利文献3：日本特开平9-147821号公报
专利文献4：日本特开平9-199106号公报
发明内容
发明要解决的问题
电流阻断机构的工作压在一定的范围内存在偏差。如果工作压的偏差大，则出现必须预先降低工作压的设定值等设计上的制约。此外，在工作压的偏差大的情况下，电流阻断机构有可能不会稳定地工作。因此，期望降低电流阻断机构的工作压偏差的技术。
为了降低电流阻断机构的工作压的偏差，以往主要进行了阀体与金属板的焊接部、设置于金属板的易破裂部的形成方法或形成条件的优化。基本上没有提出过适于降低工作压的偏差的圆筒形电池。
专利文献3公开了通过将阀体的外周部制成波状而使电流阻断机构的工作压的偏差得以降低的结果。但是，专利文献3的技术的目的在于，防止阀体与金属板的焊接部发生剥离这一在封口体的组装工序中发生的不良、以及在电流阻断机构工作后确实地保证阀体与金属板之间的绝缘状态。专利文献3确实记载了工作压的偏差得以降低，但也记载了工作压自身增加。因此，根据专利文献3的技术，存在难以在维持工作压的条件下降低工作压的偏差这一课题。
本发明是鉴于上述内容而进行的，其是基于通过在阀体的一部分设置厚度连续变化的倾斜区域而使阀体稳定变形这一见解而完成的。
用于解决问题的方法
为了解决上述课题，本发明的一个方式的圆筒形电池具有：正极板与负极板隔着间隔件卷绕而成的电极体、电解液、有底圆筒状的外装罐、以及在外装罐的开口部隔着密封垫被铆接固定的封口体。封口体包括：外形为圆形的阀体、与阀体相比配置于电池内侧且连接于阀体的中央部的金属板、以及介于阀体的外周部与金属板的外周部之间的环状的绝缘部件。阀体具有厚度沿着半径方向连续减少或增加的倾斜区域。
发明效果
根据本发明的一个方式，阀体随着电池内压的上升而稳定变形，因此，电流阻断机构的工作压的偏差得以降低。
附图说明
图1为本发明的一个实施方式的圆筒形的非水电解液二次电池的截面图。
图2为本发明的一个实施方式的封口体的截面图。
图3为图2所示的A部分的放大图。
图4为从电池内侧观察本发明的一个实施方式的封口体的平面图。
图5为用于测定工作压的装置的示意图。
图6为以往例的封口体的截面图。
具体实施方式
以下，针对本具体实施方式，使用作为圆筒形电池的一例的非水电解液二次电池进行说明。需要说明的是，本发明不限定于下述实施方式，可在不变更其主旨的范围内适当变更来实施。
图1所示的非水电解液二次电池10在有底圆筒状的外装罐22的内部容纳有电极体18和未经图示的电解液。封口体11隔着密封垫21被铆接固定于外装罐22的开口部。由此，电池内部被密封。
封口体11如图2所示那样地由阀体12、金属板13和环状的绝缘部件14构成。阀体12与金属板13在各自的中心部彼此被连接，在阀体12的外周部与金属板13的外周部之间隔着绝缘部件14。在封口体11的最外部配置的阀体12作为外部端子而发挥功能，从电极体18导出的正极引线15a上连接的金属板13作为内部端子而发挥功能。具有上述构成的封口体11具备在阀体12破裂时的电池内部的排气能力优异这一优点。
电流阻断机构如下那样地工作。金属板13设置有通气孔13b，如果电池内压上升，则阀体12承受该压力。因此，随着电池内压的上升，阀体12以向电池外侧拉伸其与金属板13连接的连接部的方式发挥作用。并且，如果电池内压达到特定值，则金属板13的与阀体12焊接的焊接部的周围设置的作为易破裂部的薄壁部13a发生破裂，阀体12与金属板13之间的电流通路被阻断。换言之，只要封口体11包括阀体12、金属板13和环状的绝缘部件14这三个部件，则能够构成电流阻断机构。需要说明的是，在金属板13不具有薄壁部的情况下，可以将金属板13与阀体12的焊接部作为电流阻断部，但优选在金属板13形成薄壁部13a。这是因为：与焊接部的破裂强度相比更容易调整薄壁部的破裂强度。薄壁部13a优选形成于金属板13的与阀体12焊接的焊接部的周围，薄壁部13a的截面形状优选制成V字状或U字状。
阀体12可通过铝或铝合金的板材的冲压加工来制作。阀体12的俯视外形为圆形。阀体12的电池内侧的面如图2和图4所示那样，形成有厚度自内周部向外周部沿着半径方向连续减少的倾斜区域12a、中心部的突起部12d、以及外周部的突起部12e。中心部的突起部12d使其与金属板13的连接变得容易，并且，形成在阀体12的外周部与金属板13的外周部之间隔着绝缘部件14的空间。外周部的突起部12e可隔着绝缘部件14而固定金属板13。
本实施方式中，倾斜区域12a以厚度自内周部向外周部连续减少的方式形成，因此，倾斜区域12a的外周侧的端部成为阀体12的变形起点。反之，如果倾斜区域12a以阀体的厚度自内周部向外周部连续增加的方式形成，则倾斜区域12a的内周侧的端部成为阀体12的变形起点。在这些构成之中，本实施方式的构成能够使阀体12更稳定地变形，因此优选。需要说明的是，“阀体的厚度连续减少或增加”并不要求倾斜区域12a中的阀体的厚度变化率在所有范围内为恒定。
本实施方式中，以占据被阀体12的外形的内周侧的同心圆12b和外周侧的同心圆12c包围的区域的方式形成倾斜区域12a。如图3所示那样，将自倾斜区域12a的内周侧的端部起至外周侧的端部为止的沿着阀体12的半径方向的长度记作L时，L优选为阀体12的半径的10％以上且90％以下。本实施方式中，L在任意部分均相等，因此，阀体12能够随着电池内压的上升而稳定变形。
阀体12可以形成槽状的薄壁部。由此，阀体12作为防爆阀进一步稳定工作。薄壁部也可以形成于倾斜区域12a的内部。薄壁部的截面形状优选制成V字状或U字状。
金属板13可以由铝或铝合金的板材制作。金属板13设置有通气孔13b。作为金属板13与阀体12连接的连接方法，可例示出激光焊接。
绝缘部件14能够确保阀体12与金属板13之间的绝缘性，可以使用不对电池特性造成影响的材料。作为绝缘部件14中使用的材料，优选为聚合物树脂，可例示出聚丙烯(PP)树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂。
本实施方式中，采用了封口体11由阀体12、金属板13和绝缘部件14构成的例子，封口体可以包含其它部件。作为其它部件，可例示出端子盖罩和PTC元件。通过将端子盖罩配置于阀体12的电池外侧，可代替阀体12作为外部端子而发挥功能。本实施方式中，金属板13作为内部端子而发挥功能，但通过在金属板13的电池内侧配置其它金属板，该其它金属板作为内部端子而发挥功能。
接着，针对电极体18进行说明。本实施方式中，如图1所示那样，采用了由正极板15与负极板16隔着间隔件17卷绕而形成的电极体18。
正极板15例如可如下操作来制作。首先，以正极活性物质和粘结剂在分散介质中达到均匀的方式进行混炼，制作正极合剂浆料。粘结剂优选使用聚偏氟乙烯，分散介质优选使用N-甲基吡咯烷酮。正极合剂浆料优选添加石墨、炭黑等导电剂。将该正极合剂浆料涂布在正极集电体上并干燥，从而形成正极合剂层。此时，在正极集电体的一部分设置未形成正极合剂层的正极集电体露出部。接着，将正极合剂层用辊压缩至特定厚度，并将压缩后的极板切断至特定尺寸。最后，在正极集电体露出部连接正极引线15a。
作为正极活性物质，可以使用能够吸藏、放出锂离子的锂过渡金属复合氧化物。作为锂过渡金属复合氧化物，可列举出通式LiMO2(M为Co、Ni和Mn中的至少一种)、LiMn2O4和LiFePO4。它们可以单独使用或者混合使用2种以上，可以添加选自Al、Ti、Mg和Zr中的至少1种，或者与过渡金属元素替换来使用。
负极板16例如可如下操作来制作。首先，以负极活性物质和粘结剂在分散介质中达到均匀的方式进行混炼，制作负极合剂浆料。粘结剂优选使用苯乙烯丁二烯(SBR)共聚物或聚偏氟乙烯(PVdF)，分散介质优选使用水。负极合剂浆料优选添加羧甲基纤维素等增稠剂。将该负极合剂浆料涂布在负极集电体上并干燥，从而形成负极合剂层。此时，在负极集电体的一部分设置未形成负极合剂层的负极集电体露出部。接着，将负极合剂层用辊压缩至特定厚度，并将压缩后的极板切断至特定尺寸。最后，在负极集电体露出部连接负极引线16a。
作为负极活性物质，可以使用能够吸藏、放出锂离子的碳材料、金属材料。作为碳材料，可例示出天然石墨和人造石墨等石墨。作为金属材料，可列举出硅和锡以及它们的氧化物。碳材料和金属材料可以单独使用，或者混合使用2种以上。
作为间隔件17，可以使用以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)这样的聚烯烃作为主要成分的微多孔膜。微多孔膜可以单独使用1层或者层叠2层以上来使用。在2层以上的层叠间隔件中，优选的是，在以熔点低的聚乙烯(PE)为主要成分的层的中间层上，将抗氧化性优异的聚丙烯(PP)设为表面层。进而，间隔件中可以添加氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)和氧化硅(SiO2)这样的无机颗粒。这种无机颗粒可以负载于间隔件中，也可以与粘结剂一同涂布至间隔件表面。
作为非水电解液，可以使用在非水溶剂中溶解作为电解质盐的锂盐而得到的非水电解液。
作为非水溶剂，可以使用环状碳酸酯、链状碳酸酯、环状羧酸酯和链状羧酸酯，它们优选混合2种以上使用。作为环状碳酸酯，可例示出碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)和碳酸丁烯酯(BC)。此外，也可以如氟代碳酸乙烯酯(FEC)那样地使用一部分氢被氟取代而得到的环状碳酸酯。作为链状碳酸酯，可例示出碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲丙酯(MPC)等。作为环状羧酸酯，可例示出γ-丁内酯(γ-BL)和γ-戊内酯(γ-VL)，作为链状羧酸酯，可例示出特戊酸甲酯、特戊酸乙酯、异丁酸甲酯和丙酸甲酯。
作为锂盐，可例示出LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiAsF6、LiClO4、Li2B10Cl10和Li2B12Cl12。这些之中，特别优选为LiPF6，非水电解液中的浓度优选为0.5～2.0mol/L。LiPF6也可以混合LiBF4等其它锂盐。
实施例
针对作为本发明的一个实施方式而说明的圆筒形电池，使用具体的实施例更详细地进行说明。
(实施例1)
(封口体的制作)
阀体12和金属板13通过将包含铝的板材进行冲压加工来制作。构成倾斜区域12a的端部的阀体12的外形的内周侧的同心圆12b和外周侧的同心圆12c的半径分别设为7mm和12mm。此外，如图3所示那样，将倾斜区域12a的内周侧和外周侧各自的厚度记作T1和T2时，以该T1和T2分别达到0.3mm和0.2mm的方式形成倾斜区域12a。在阀体12的外周部与金属板13的外周部之间隔着环状的绝缘部件14的状态下，将阀体12与金属板13的中央部连接，从而制作图2所示的封口体11。
(正极板的制作)
以作为正极活性物质的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2达到100质量份、作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVdF)达到1.7质量份、作为导电剂的乙炔黑达到2.5重量份的方式投入至分散介质中，并进行混炼，从而制备正极合剂浆料。将该正极合剂浆料涂布于由铝箔构成的正极集电体的两面并进行干燥，从而形成正极合剂层。此时，在正极集电体的一部分设置未形成正极合剂层的正极集电体露出部。接着，将正极合剂层用辊压缩成特定厚度，将压缩后的极板切断至特定尺寸。最后，通过超声波焊接将铝制的正极引线15a连接于正极集电体露出部，从而制作正极板15。
(负极板的制作)
以作为负极活性物质的石墨达到100质量份、作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVdF)达到0.6质量份、作为增稠剂的羧甲基纤维素(CMC)达到1重量份的方式投入至分散介质中，并进行混炼，从而制作负极合剂浆料。将该负极合剂浆料涂布于由铜箔构成的负极集电体的两面并进行干燥，从而形成负极合剂层。此时，在负极集电体的一部分设置未形成负极合剂层的负极集电体露出部。接着，将负极合剂层用辊压缩成特定厚度，将压缩后的极板切断至特定尺寸。最后，通过超声波焊接将镍制的负极引线16a连接于负极集电体露出部，从而制作负极板16。
(非水电解液的制备)
将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)进行混合，从而制备非水溶剂。在该非水溶剂中以浓度达到1mol/L的方式溶解作为电解质盐的六氟磷酸锂(LiPF6)，从而制备非水电解液。
(电极体的制作)
将如上操作而制作的正极板15与负极板16隔着包含微多孔制聚烯烃膜的间隔件17进行卷绕，从而制作电极体18。
(非水电解液二次电池的制作)
如图1所示那样，在电极体18的下部配置下部绝缘板19，将电极体18插入至有底圆筒状的外装罐22。负极引线16a通过电阻焊接而连接于外装罐22的底部。接着，在电极体18的上部配置上部绝缘板20，在外装罐22的开口部附近沿着圆周方向通过塑性加工而形成宽度为1.0mm、深度为1.5mm的U字状的槽部。并且，通过激光焊接将正极引线15a与金属板13进行连接，在形成于外装罐22的槽部隔着密封垫21铆接固定封口体11，从而制作非水电解液二次电池10。
(实施例2和3)
将倾斜区域12a的外周侧的端部的厚度T2变更为表1记载的值，除此之外，与实施例1同样操作，从而制作实施例2和3的非水电解液二次电池10。
(比较例1)
以对应于实施例1中的倾斜区域12a的区域的阀体厚度为0.2mm(与实施例1的T2相等)且达到均一的方式制作阀体，除此之外，与实施例1同样操作，从而制作比较例1的非水电解液二次电池。
(比较例2)
以对应于实施例2中的倾斜区域12a的区域的阀体厚度为0.195mm(与实施例2的T2相等)且达到均一的方式制作阀体，除此之外，与实施例2同样操作，从而制作比较例2的非水电解液二次电池。
(比较例3)
以对应于实施例3中的倾斜区域12a的区域的阀体厚度为0.205mm(与实施例3的T2相等)且达到均一的方式制作阀体，除此之外，与实施例3同样操作，从而制作比较例3的非水电解液二次电池。
(工作压的测定)
准备实施例1～3和比较例1～3的各10个电池，以充电深度达到30％的方式对各电池进行充电。从已充电的电池中取出封口体后，测定封口体的电流阻断机构的工作压。工作压的测定如下那样地进行。
如图5所示那样，将封口体固定于具有按压部51和支承部52的固定夹具50。支承部52固定于测定装置的一部分，通过利用气缸从上方对按压部51进行加压来确保封口体与支承部52所包围的空间S的气密性。从填充有氮气的气瓶54经由调节器53以恒定的速度向该空间S供给氮气。
在供给氮气的过程中，实时地确认空间S的压力、以及阀体与金属板之间是否确保电流通路。是否确保电流通路通过将连接于检流计的一对电极端子分别连接于固定夹具50的按压部51和金属板来进行确认。需要说明的是，按压部51由金属构成，因此与阀体电连接。
在供给氮气的过程中，将阀体与金属板之间的电流通路被阻断的时刻的空间S的压力作为封口体的电流阻断机构的工作压。由这样操作而测定的工作压，对实施例1～3和比较例1～3分别算出作为工作压的偏差指标的工序能力指数(Cpk)。工序能力指数是工作压的标准值与工作压的上限值和下限值之中的更接近标准值的值之差除以3×σ(标准偏差)而得到的值。表1总结示出结果。
[表1]
由表1可知：任意实施例与比较例相比工序能力指数均大幅提高，因此，实施例的工作压的偏差大幅减少。比较例1的阀体成为将实施例1的倾斜区域的阀体厚度设为作为最小厚度的T2且均一的构成。关于阀体厚度，比较例与实施例1相比更薄，因此，与实施例1相比，比较例1的阀体容易变形。但是，设置有倾斜区域的实施例1的工作压的偏差大幅降低。这表示：如实施例1那样，如果阀体设置有倾斜区域，则厚度的最小部成为阀体变形的起点，阀体的变形行为难以出现个体差异。通过实施例2与比较例2、以及实施例3与比较例3的对比也能够得到相同的结果。换言之，本发明的效果通过倾斜区域而得以发挥。
需要说明的是，实施例1～3的倾斜区域以阀体的厚度自阀体的内周部向外周部沿着半径方向连续减少的方式形成。反之可以认为：以阀体的厚度自阀体的内周部向外周部沿着变形方向增加的方式形成倾斜区域时，倾斜区域的最内周部成为阀体变形的起点，因此同样地发挥出本发明的效果。
需要说明的是，作为本具体实施方式，使用非水电解液二次电池进行了说明，但本发明也可以应用于镍氢电池等非水电解液二次电池之外的圆筒形电池。
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明，能够降低电流阻断机构的工作压偏差，因此能够提供安全性优异的圆筒形电池。尤其是，本发明适合于使用高能量密度的圆筒形电池的用途。作为这种用途，可列举出笔记本电脑等小型电子设备、电动工具、电动辅助自行车等动力工具、以及电动汽车等的驱动电源。
符号说明
10 非水电解液二次电池
11 封口体
12 阀体
12a 倾斜区域
12b 阀体的外形的内周侧的同心圆
12c 阀体的外形的外周侧的同心圆
12e 外周部的突起部
13 金属板
13a 薄壁部
14 绝缘部件
15 正极板
16 负极板
17 间隔件
18 电极体
22 外装罐

Claims (8)

1.一种圆筒形电池，其具备：正极板与负极板隔着间隔件卷绕而成的电极体、电解液、有底圆筒状的外装罐、以及在所述外装罐的开口部隔着密封垫被铆接固定的封口体，
所述封口体包括：外形为圆形的阀体、与所述阀体相比配置于电池内侧且连接于所述阀体的中央部的金属板、以及介于所述阀体的外周部与所述金属板的外周部之间的环状的绝缘部件，
所述阀体具有厚度自内周部向外周部沿着半径方向连续减少的倾斜区域。
2.一种圆筒形电池，其具备：正极板与负极板隔着间隔件卷绕而成的电极体、电解液、有底圆筒状的外装罐、以及在所述外装罐的开口部隔着密封垫被铆接固定的封口体，
所述封口体包括：外形为圆形的阀体、与所述阀体相比配置于电池内侧且连接于所述阀体的中央部的金属板、以及介于所述阀体与所述金属板各自的外周部之间的环状的绝缘部件，
所述阀体具有厚度自内周部向外周部沿着半径方向连续增加的倾斜区域。
3.根据权利要求1或2所述的圆筒形电池，其中，所述倾斜区域的沿着所述阀体的半径方向的长度为所述阀体的半径的10％以上且90％以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的圆筒形电池，其中，所述倾斜区域占据被所述阀体的外形的两个同心圆包围的区域。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的圆筒形电池，其中，所述阀体具有槽状的薄壁部。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的圆筒形电池，其中，所述金属板与所述电极体经由引线进行了电连接。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的圆筒形电池，其中，所述阀体被配置于所述封口体的最外部。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的圆筒形电池，其中，所述金属板在与所述阀体焊接的焊接部的周围具有槽状的薄壁部。
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