CN107431179A - 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进行了铆接固定的封口体。封口体至少包括：阀体、与阀体相比配置于电池内侧且具有与阀体连接的连接部的金属板、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。金属板具有设置于连接部周围的槽状的薄壁部，在与薄壁部的长度方向垂直的截面的内周侧和外周侧配置有相对于金属板的垂线的倾斜角度彼此不同的直线部。

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。
对于圆筒形电池而言，在封口体的内部设置有防爆阀、电流阻断机构和PTC(Positive Temperature 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，可列举出专利文献1和2。关于专利文献1公开的封口体，一边参照图5一边如下说明。
图5所示的封口体通过在皿状的铝盒56内层叠外部端子盖罩51、PTC元件52、铝箔53和铝箔55来构成。铝箔53的中心部与配置于该电池内侧的铝箔55连接，铝箔53的外周部借助绝缘密封垫54而与铝箔55的外周部绝缘。铝箔55形成有薄壁部55a。如果电池内压上升，则薄壁部55a破裂，封口体内部的电流通路被被阻断。像这样，电流阻断机构利用了通过电池内压而使一部分金属部件破裂的现象。
专利文献2公开了：将电流阻断时发生破裂的内部端子板的薄壁部的截面形状制成多边形、以及将该薄壁部的前端部分的截面形状制成曲线状。由此，将内部端子板焊接于阀体时，薄壁部所承受的应力得以缓和，防止薄壁部变形，因此降低电流阻断机构的工作压的偏差。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-306351号公报
专利文献2：日本特开2009-110808号公报
专利文献3：日本特开2008-251438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。另一方面，基本上没有提出过适于降低工作压偏差的圆筒形电池。
专利文献3公开了在电池盒的一部分设置有槽部的电池，所述槽部在电池内压上升时发生破裂。槽部的截面在余壁厚度最薄的区域具有一定的宽度，在该宽度的两端配置有曲率半径不同的弯曲面。专利文献3记载了：通过使其中一个弯曲面的曲率半径为另一个弯曲面的曲率半径的2倍以上，槽部的破裂压力的偏差得以降低。然而，专利文献3的槽部是为了对电池盒赋予安全阀而设置的。由于要求电流阻断机构在低于安全阀的压力下稳定地工作，因此，难以将专利文献3的槽部的形状应用于电流阻断机构。
本发明是鉴于上述内容而进行的，其目的在于，提供电流阻断机构的工作压的偏差得以降低的圆筒形电池。
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的特征在于，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、以及在外装罐的开口部隔着密封垫进行了铆接固定的封口体，
封口体包括：阀体、与阀体相比配置于电池内侧且具有与阀体连接的连接部的金属板、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，
金属板具有设置于连接部的周围的槽状的薄壁部，
在与薄壁部的长度方向垂直的截面的内周侧和外周侧分别设置有与金属板的表面连结的第1直线部和第2直线部，
将第1直线部与金属板的垂线所成的角度记作α，并将第2直线部与金属板的垂线所成的角度记作β时，α和β具有彼此不同的值。
发明效果
根据本发明的一个方式，设置有金属板的薄壁部能够在电池内压达到特定值时稳定地破裂。因此，能够提供电流阻断机构的工作压的偏差得以降低的圆筒形电池。
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(a)为本发明的一个实施方式的金属板的截面图。图3(b)为图3(a)所示的A部的放大图。
图4为用于测定工作压的装置的示意图。
图5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在各自的中心部被连接，在各自的外周部隔着绝缘部件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。
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如图2所示那样，形成有：厚度从内周部朝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12b、以及外周部的突起部12c。通过形成倾斜区域12a，阀体12可承受电池内压并稳定地反转。中心部的突起部12b使其与金属板13的连接变得容易，并且，能够形成在阀体12和金属板13的外周部所夹的环状的绝缘部件14的空间。外周部的突起部12c可隔着绝缘部件14而固定金属板13。
阀体12能够形成槽状的薄壁部。由此，阀体12能够作为防爆阀而稳定地工作。薄壁部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可通过铝或铝合金的板材的冲压加工来制作。在其冲压加工时，槽状的薄壁部13a和通气孔13b形成于金属板13。薄壁部13a设置于其与阀体12连接的连接部的周围。如图3的(a)所示那样，优选使包含薄壁部13a的周边区域的厚度薄于其它区域的厚度。
薄壁部13a的平面形状优选为环状，可以为C字状。与薄壁部13a的长度方向正交的截面中，如图3的(b)所示那样，以内周侧的第1直线部13c和外周侧的第2直线部13d连结于金属板13的表面的方式来形成。薄壁部13a的截面可以仅由第1直线部13c和第2直线部13d的直线部构成，也可以如图3的(b)所示那样，以余壁厚度最薄的部分成为回折点的方式在第1直线部13c与第2直线部13d之间设置曲线部。
第1直线部13c和第2直线部13d各自的长度优选为金属板13之中的形成有薄壁部13a的区域的厚度的30％以上、更优选为50％以上。
将第1直线部13c相对于金属板13的垂线的角度记作α，将第2直线部13d相对于金属板13的垂线的角度记作β时，以α和β具有彼此不同的值的方式形成薄壁部13a。由此，薄壁部的破裂压力的偏差得以降低，因此，电流阻断机构的工作压的偏差得以降低。α和β不需要特别限定，α与β之差优选为10°以上。用(α+β)表示的薄壁部13a的截面角度可任意确定，α和β优选满足10°≤α+β≤120°。
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作为端子板而发挥功能，但通过在金属板13的电池内侧配置其它金属板，也能够将该其它金属板制成端子板。
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，也可以添加选自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，以下使用具体的实施例进行详细说明。
(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。在阀体12和金属板13的外周部隔着环状的绝缘部件14，并且，将阀体12与金属板13的中央部进行连接。在冲压加工时，在金属板13的与阀体12的连接部的周围形成环状的薄壁部13a。使第1直线部13c相对于金属板13的垂线的角度α为60°，使第2直线部13d相对于金属板13的垂线的角度β为30°。这样操作，从而制作封口体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以隔着包含微多孔制聚烯烃膜的间隔件17的方式进行卷绕，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捅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2～5)
将第1直线部13c相对于金属板13的垂线的角度α、和第2直线部13d相对于金属板13的垂线的角度β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1～5的非水电解液二次电池。
(比较例)
将第1直线部13c相对于金属板13的垂线的角度α、和第2直线部13d相对于金属板13的垂线的角度β均设为45°，除此之外，与实施例1同样操作，从而制作比较例的非水电解液二次电池。
(工作压的测定)
准备实施例1～5和比较例的各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4所示那样，将封口体固定于具有按压部41和支承部42的固定夹具40。支承部42固定于测定装置的一部分，通过利用气缸从上方对按压部41进行加压来确保封口体与支承部42所包围的空间S的气密性。从填充有氮气的气瓶44经由调节器43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40的按压部41和金属板来进行确认。需要说明的是，按压部41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1～5和比较例分别算出标准偏差(σ)，将标准偏差用作工作压的偏差的指标。表1总结示出结果。
[表1]
角度α 角度β |α-β| 工作压的偏差
实施例1 60° 30° 30° 0.7kgf/cm2
实施例2 55° 35° 20° 0.8kgf/cm2
实施例3 50° 40° 10° 0.9kgf/cm2
实施例4 30° 60° 30° 0.7kgf/cm2
实施例5 30° 10° 20° 0.7Kgf/cm2
比较例1 45° 45° 0° 1.8kgf/cm2
由表1可知：与比较例的工作压的偏差相比，α与β彼此不同的实施例1～5的工作压的偏差大幅减少。比较例的工作压的偏差为1.8kgf/cm2，与此相对，将α与β之差设为10°的实施例3的工作压的偏差大幅减少至0.9kgf/cm2。由此可知：本发明的效果可通过将α与β设为彼此不同的值来获得。因此，α与β之差不需要特别限定。但是，如果α与β之差为10°以上，则工作压的偏差的变化也小，因此，α与β优选满足10°≤|α-β|。
如果将实施例1与实施例4进行对比，则可知：即使将α和β的值彼此替换也能够获得同等的结果。换言之，无论α与β的大小关系如何，均会发挥出本发明的效果。
实施例2和5的α与β之差相同，但α和β各自的值不同。尽管如此，实施例2与5的工作压的偏差仍然显示出基本相同的值。换言之，本发明的效果对于(α+β)所示的薄壁部角度的依赖性低。因此，薄壁部的角度不需要特别限定。但是，从能够设定的工作压的范围、制造容易性的观点出发，α和β优选满足10°≤α+β≤120°。
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 中心部的突起部
12c 外周部的突起部
13 金属板
13a 薄壁部
13b 通气孔
13c 第1直线部
13d 第2直线部
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 (6)

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进行了铆接固定的封口体，
所述封口体至少包括：阀体、与所述阀体相比配置于电池内侧且具有与所述阀体连接的连接部的金属板、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，
所述金属板具有设置于所述连接部的周围的槽状的薄壁部，
在与所述薄壁部的长度方向垂直的截面的内周侧和外周侧分别设置有与所述金属板的表面连结的第1直线部和第2直线部，
将所述第1直线部与所述金属板的垂线所成的角度记作α，并将所述第2直线部与所述垂线所成的角度记作β时，α和β具有彼此不同的值。
2.根据权利要求1所述的圆筒形电池，其中，所述α与所述β满足10°≤|α-β|和10°≤α+β≤120°。
3.根据权利要求1或2所述的圆筒形电池，其中，所述薄壁部的余壁厚度最薄的部分是被所述第1直线部和所述第2直线部所夹的曲线的回折点。
4.根据权利要求1或2所述的圆筒形电池，其中，所述薄壁部的余壁厚度最薄的部分是所述第1直线部与所述第2直线部的交点。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的圆筒形电池，其中，所述薄壁部的平面形状为环状。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的圆筒形电池，其中，所述阀体被配置于所述封口体的最外部。
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