CN111194491A - 圆筒形电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的一方式所涉及的圆筒形电池具备电极体、电解液、外装罐以及封口体(20)。封口体(20)由在俯视时呈圆形的阀体(22)；与阀体(22)的电池内侧的表面接触地配置、且在中央部具有开口(24a)的绝缘板(24)；和夹着绝缘板(24)与阀体(22)对置地配置、经由绝缘板(24)的开口(24a)与阀体(22)的中央部(22a)连接的金属板(26)构成。阀体(22)将中央部(22a)和外周部(22b)形成为厚壁部，将中央部(22a)和外周部(22b)连起来的中间部(22c)形成为具有沿着半径方向的平坦面的薄壁部，所述中间部(22c)从内周部持续到外周部与绝缘板(24)接触。

Description

圆筒形电池
技术领域
本发明涉及具备具有电流切断机构的封口体的圆筒形电池。
背景技术
在专利文献1中，公开了具备包含由阀体、绝缘构件以及金属板构成的电流切断机构的封口体的圆筒形电池。在该封口体中，金属板被阀体隔着绝缘构件固定。在阀体的中央部形成有突出部，该突出部与金属板的中央部连接。在阀体的突出部的周围设置有倾斜区域。在该倾斜区域中，厚度从内周部向外周部沿着半径方向连续地减少。
在具备构成上述那样的电流切断机构的封口体的电池中，在电池内压上升时，内部压力经由金属板的通气孔作用于阀体，将阀体向电池外侧按压，以使拉拽与金属板的中央部的连接部。而且，当电池内压达到规定值时，金属板的与阀体的连接部或者设置于金属板的槽状的薄壁部断裂，阀体与金属板之间的电流路径被切断。之后，若电池内压进一步上升，则设置于阀体的倾斜区域的最外周部即薄壁部成为起点而阀体断裂，电池内部的气体被排出。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/157749号
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所记载的圆筒形电池中，通过在阀体设置有倾斜区域，阀体随着电池内压的上升而稳定地变形，因此能够降低电流切断机构的工作压的偏差。但是，优选使电流切断机构的工作压更稳定。
本发明的目的在于，在具备包含由阀体、绝缘板以及金属板构成的电流切断机构的封口体的圆筒形电池中，使电流切断机构的工作压稳定。
用于解决课题的手段
本发明所涉及的圆筒形电池是具备：电极体，将正极板和负极板隔着隔板卷绕而成；电解液；外装罐，收容所述电极体以及电解液，是有底圆筒状；以及封口体，隔着垫片铆接固定于所述外装罐的开口部的圆筒形电池，所述封口体由如下要素构成：在俯视时呈圆形的阀体；与所述阀体的电池内侧的表面接触地配置、且在中央部具有开口的绝缘板；和夹着所述绝缘板与所述阀体对置地配置，经由所述绝缘板的开口与所述阀体的中央部连接的金属板构成，所述阀体将所述中央部和外周部形成为厚壁部，将连起所述中央部和所述外周部的中间部形成为具有沿着半径方向的平坦面的薄壁部，所述中间部从内周部持续到外周部与所述绝缘板接触。
发明效果
根据本发明，在具备包含由阀体、绝缘板、以及金属板构成的电流切断机构的封口体的圆筒形电池中，能够使电流切断机构的工作压稳定。
附图说明
图1是作为本发明的一个实施方式的圆筒形电池的剖视图。
图2(a)是本实施方式的圆筒形电池的封口体的剖视图，图2(b)是比较例的封口体的剖视图。
图3是具备包含端子帽的封口体的其他实施方式的圆筒形电池的剖视图。
图4是表示阀体的变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细地说明。在该说明中，具体的形状、材料、数值、方向等是用于容易理解本发明的例示，能够根据用途、目的、规格等适当变更。此外，在以下包含多个实施方式、变形例等的情况下，从最初就设想了适当地组合使用这些特征部分。
图1是作为本发明的一实施方式的圆筒形电池10的剖视图。图2是封口体20的剖视图。圆筒形电池10例如是非水电解质二次电池。
如图1所示，圆筒形电池10是在有底圆筒状的外装罐12的内部收容电极体14和未图示的电解液而构成的。在外装罐12的开口部隔着垫片16铆接固定有封口体20。由此，电池内部被密封。
封口体20由阀体22、绝缘板24、以及金属板26构成。封口体20构成电流切断机构。阀体22在俯视时呈圆形。绝缘板24与阀体22的电池内侧的表面接触地配置。
绝缘板24在俯视时形成为圆环状，在中央部具有开口24a。该开口24a的内径优选为3mm以上。如果这样设定，则能够稳定且可靠地进行阀体22与金属板26的中央部彼此的连接。
金属板26在俯视时具有圆形的外形，夹着绝缘板24与阀体22对置地配置。阀体22和金属板26经由绝缘板24的开口24a将它们的中心部彼此连接。在本实施方式中，阀体22露出于电池外部，作为外部端子(更详细而言为正极端子)发挥功能。
电流切断机构如下进行工作。在金属板26上设置有通气孔26a，在绝缘板24上设置有通气孔(未图示)。因此，如果电池内压上升，则阀体22经由金属板26的通气孔26a以及绝缘板24的通气孔承受该压力。其结果是，伴随着电池内压的上升，阀体22发挥作用，以使向电池外侧拉拽与金属板26的连接部。而且，当电池内压达到规定值时，金属板26的与阀体22的连接部或者设置于金属板26的槽26b断裂，阀体22与金属板26之间的电流路径被切断。之后，当电流切断机构工作后电池内压进一步上升时，后述的阀体22的薄壁部即中间部22c断裂，电池内部的气体被排出。
阀体22能够通过铝或者铝合金的板材的冲压加工来制作。由于铝以及铝合金的挠性优异，因此优选作为阀体22的材料。
阀体22在俯视时呈圆形，其中央部22a和外周部22b分别形成为厚度Ta、Tb的厚壁部。与此相对，连起中央部22a和外周部22b的中间部22c形成为厚度Tc的薄壁部。中间部22c的厚度Tc小于中央部22a的厚度Ta，且小于外周部22b的厚度Tb。另外，在阀体22中，中央部22a的厚度Ta与外周部22b的厚度Tb可以相同，也可以不同。
中间部22c的厚度Tc优选从内周部至外周部形成为均匀厚度。通过这样设为均匀厚度，具有阀体22的制作变得容易的优点。但是，并不限定于此，中间部22c的厚度Tc也可以形成为从内周部向外周部连续地减少或者增加。
通过阀体22的中央部22a形成为厚壁部，中央部22a呈扁平的圆柱状并向电池内侧的表面突出。通过这样使中央部22a突出，阀体22与金属板26的连接变得容易，并且能够给出用于使绝缘板24介于阀体22与金属板26之间的空间。
阀体22的电池外侧的表面优选形成为平坦面。通过这样形成为平坦面，在通过例如超声波接合将集电构件与成为外部端子的阀体22的表面连接的情况下，具有能够更可靠地连接集电构件的优点。但是，并不限定于此，例如，也可以是阀体22的电池外侧的表面在中央部22a鼓出的形状。
如上所述，阀体22的电池外侧的表面形成为平坦面。由此，作为厚度Tc的薄壁部的中间部22c在阀体22的电池内侧的面上形成圆环状的凹部22d。在陔凹部22d嵌合固定有绝缘板24。在绝缘板24的内周部嵌合固定有金属板26。因此，金属板26隔着绝缘板24固定于阀体22。
作为薄壁部的中间部22c的电池内侧的表面(即，由中间部22c形成的凹部22d的底面)形成为沿着阀体22的半径方向的平坦面。由此，阀体22的中间部22c与嵌合于凹部22d内的绝缘板24从内周部持续到外周部进行接触。
绝缘板24能够确保绝缘性，能够使用不对电池特性造成影响的材料。作为用于绝缘板24的材料，优选聚合物树脂，可例示聚丙烯(PP)树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂。
绝缘板24在其外周部具有向电池内侧延伸的裙部24b。在裙部24b的内周部嵌合固定有金属板26。裙部24b的前端也可以向阀体22的中央部22a侧折弯。由此，以裙部24b的前端与设置于金属板26的外周的凸缘部26c卡合的状态组装，能够可靠地防止金属板26相对于绝缘板24的位置偏移。
金属板26在俯视时呈直径比绝缘板24小的圆形，中央部形成为薄壁部。金属板26优选与阀体22同样由铝或者铝合金形成。由此，阀体22与金属板26的中央部彼此的连接变得容易。作为连接方法，优选使用激光焊接。在金属板26的外周部贯通形成有通气孔26a。位于金属板26的外周缘部的凸缘部26c由绝缘板24的裙部24b保持。
封口体20如下组装。首先，准备构成封口体20的阀体22、绝缘板24以及金属板26。接下来，使金属板26嵌合于绝缘板24的裙部24b的内侧，接着，在阀体22的凹部22d嵌合绝缘板24。另外，嵌合上述构件的两个步骤也可以调换顺序。
阀体22与金属板26的连接优选在完成了上述步骤之后进行。由于能够在阀体22与金属板26相互固定的状态下进行连接，因此连接强度的偏差降低。
如上所述，在本实施方式的圆筒形电池10的封口体20中，固定有金属板26的绝缘板24从内周部持续到外周部与阀体22的中间部22c接触。因此，在电池内压上升而对金属板26以及绝缘板24作用向电池外侧按压的压力时，通过被阀体22的中间部22c接触支承而金属板26以及绝缘板24的变形被抑制，其结果是，能够使电流切断机构的工作压稳定。
接下来，对电极体14进行说明。在本实施方式中，如图1所示，使用将正极板30和负极板32隔着隔板34卷绕而形成的电极体14。
正极板30例如能够如下制作。首先，将正极活性物质和粘结剂在分散介质中均匀地混炼，制作正极合剂浆料。作为粘结剂，优选使用聚偏二氟乙烯作为分散介质，优选使用N-甲基吡咯烷酮。优选在正极合剂浆料中添加石墨、碳黑等导电剂。将该正极合剂浆料涂布在正极集电体上并干燥，形成正极合剂层。此时，在正极集电体的一部分设置未形成有正极合剂层的正极集电体露出部。接下来，利用辊将正极合剂层压缩为规定厚度，将压缩后的极板切断成规定尺寸。最后，将正极引线31与正极集电体露出部连接，从而获得正极板30。
作为正极活性物质，能够使用能够包藏、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、及Mn中的至少一种)、LiMn2O4以及LiFePO4。它们可以单独使用1种或者将2种以上混合使用，也可以添加从由Al、Ti、Mg以及Zr构成的组中选择的至少一种，或者与过渡金属元素置换后使用。
负极板32例如能够如下制作。首先，将负极活性物质和粘结剂在分散介质中均匀地混炼，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，分散介质优选使用水。优选在负极合剂浆料中添加羧甲基纤维素等增粘剂。将该负极合剂浆料涂布在负极集电体上并干燥，形成负极合剂层。此时，在负极集电体的一部分设置未形成有负极合剂层的负极集电体露出部。接下来，用辊将负极合剂层压缩为规定厚度，将压缩后的极板切断成规定尺寸。最后，将负极引线33与负极集电体暴露部连接，从而获得负极板32。
作为负极活性物质，能够使用能够包藏、放出锂离子的碳材料、金属材料。作为碳材料，可例示天然石墨以及人造石墨等石墨。作为金属材料，可举出硅和锡以及它们的氧化物。碳材料以及金属材料可以单独使用或者两种以上混合使用。
作为隔板34，能够使用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)这样的以聚烯烃为主要成分的微多孔膜。微多孔膜能够单独使用1层或者将2层以上层叠使用。在2层以上的层叠隔板中，优选将以熔点低的聚乙烯(PE)为主要成分的层作为中间层，将耐氧化性优异的聚丙烯(PP)作为表面层。进而，能够向隔板34中添加氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)以及氧化硅(SiO2)那样的无机粒子。这样的无机粒子能够担载于隔板中，也能够与粘结剂一起涂布于隔板表面。
作为非水电解液，能够使用在非水溶媒中溶解有作为电解质盐的锂盐的非水电解液。
作为非水溶媒，能够使用环状碳酸酯、链状碳酸酯、环状羧酸酯以及链状羧酸酯，它们优选将2种以上混合使用。作为环状碳酸酯，可例示包括碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)以及碳酸亚丁酯(BC)。此外，也能够使用如氟代碳酸亚乙酯(FEC)那样将氢的一部分用氟置换的环状碳酸酯。作为链状碳酸酯，可例示碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)以及碳酸甲丙酯(MPC)等。作为环状羧酸酯，可例示γ-丁内酯(γ-BL)以及γ-戊内酯(γ-VL)，作为链状羧酸酯，可例示特戊酸甲酯、特戊酸乙酯、异丁酸甲酯以及丙酸甲酯。
作为锂盐，可例示LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiAsF6、LiClO4、Li2B10Cl10以及Li2B12Cl12。其中，特别优选LiPF6，非水电解液中的浓度优选为0.5～2.0mol/L。也能够在LiPF6中混合LiBF4等其他锂盐。
以下，对本实施方式所涉及的圆筒形电池10的实施例进行详细地说明。
(实施例1)
(封口体的制作)
如下制作图2(a)所示的封口体20。通过冲压加工将阀体22以及金属板26分别成型为规定的形状。阀体22使用直径19mm的圆形铝板。阀体22的中央部22a的厚度Ta0.8mm、外周部22b的厚度Tb0.8mm、中间部22c的厚度Tc0.1mm。
绝缘板24在将作为热塑性树脂的聚丙烯制的板材冲裁成环状后，热成型成图2(a)所示的截面形状，并且形成通气孔。绝缘板24将直径形成为15mm，将裙部24b以外的部分的厚度设为0.4mm。此外，将绝缘板24的开口24a的直径Da设为3mm，将外形的直径Db设为15mm。
金属板26使用直径13mm、厚度0.6mm的圆形铝板。在金属板26的中央部形成薄壁部，在外周部形成通气孔26a。在金属板26的薄壁部的周围形成平面形状为环状且断面形状为V字状的槽26b。该槽26b作为电流切断部发挥功能。
将如上述那样制作的金属板26嵌合于绝缘板24的裙部24b的内周部，以使绝缘板24保持金属板26。接下来，在阀体22的凹部22d嵌合固定保持金属板26的绝缘板24。然后，通过激光焊接将阀体22的中央部22a与金属板26的薄壁部连接。如此制作封口体20。
在这样制作的封口体22中，如图2(a)所示，绝缘板24从直径Da：3mm的开口24a到外形的直径Db：15mm之间的区域被阀体22接触支承，成为金属板26被这样支承的绝缘板24接触支承的结构。
(正极板的制作)
使用LiNi0.91Co0.06Al0.03所示的锂镍复合氧化物作为正极活性物质。混合100质量部分的正极活性物质、1质量部分的作为导电剂的乙炔黑(AB)和1质量部分的作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVdF)。将该混合物在作为分散介质的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中混炼，制备正极合剂浆料。将该混合物在作为分散介质的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中混炼，制备正极合剂浆料。将该正极合剂浆料涂布于由厚度13μm的铝箔构成的正极集电体的两面并进行干燥，形成正极合剂层。此时，在正极集电体的一部分设置未形成有正极合剂层的正极集电体露出部。接下来，用辊压缩正极合剂层以使填充密度达到3.6g/cm3，将压缩后的极板切断成规定尺寸。最后，将铝制的正极引线31与正极集电体露出部连接，制作正极板30。
(负极板的制作)
作为负极活性物质，使用93质量部分的石墨和7质量部分的氧化硅(SiO)的混合物。混合100质量部分的负极活性物质、1质量部分的作为增粘剂的羧甲基纤维素(CMC)和1质量部分的作为粘结剂的苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)。将该混合物在作为分散介质的水中进行混炼，制备负极合剂浆料。将该负极合剂浆料涂布于由厚度6μm的铜箔构成的负极集电体的两面并进行干燥，形成负极合剂层。此时，在负极集电体的一部分设置未形成有负极合剂层的负极集电体露出部。接下来，用辊压缩负极合剂层，以使填充密度成为1.65g/cm3，将压缩后的极板切断成规定尺寸。最后，将镍制的负极引线33与负极集电体露出部连接，制作负极板32。
(电极体的制作)
通过隔着隔板34卷绕正极板30和负极板32来制作电极体14。隔板34使用了在单面形成有包含聚酰胺和氧化铝(Al2O3)的填料的耐热层的聚乙烯制的微多孔膜。
(试验用圆筒形电池的组装)
如图1所示，在电极体14的下部配置下部绝缘板36，将电极体14插入有底圆筒状的外装罐12。负极引线33通过电阻焊接与外装罐12的底部连接。在试验用圆筒形电池中，不向外装罐12注入电解液。
接下来，在电极体14的上部配置上部绝缘板38，在外装罐12的开口部的附近通过塑性加工在圆周方向上形成U字状的槽部13。然后，将正极引线31的上端部与金属板26连接，将封口体20隔着垫片16铆接固定在形成于外装罐12的槽部13，由此制作外径为21mm、高度为70mm的试验用圆筒形电池。
(比较例1)
作为比较例1的试验用圆筒形电池用，制作图2(b)所示的封口体20A。在该封口体20A的阀体22A，在中央部22a与外周部之间形成倾斜区域23。在该倾斜区域23中，从内周部向外周部沿着半径方向厚度连续地减少，将其最外周部23a的厚度形成为0.2mm。另外，倾斜区域23的最外周部23a在电池内压上升而阀体22作为安全阀发挥功能时成为断裂的起点。
在阀体22A形成倾斜区域23，由此在倾斜区域23的下方形成有空间，阀体22A的倾斜区域23与绝缘板24成为非接触。而且，在比较例1的封口体20A中，在阀体22A与绝缘板24之间形成微小的间隙，使得在阀体22A中被中央部22a和倾斜区域23包围的范围也与绝缘板24成为非接触。因此，在比较例1的封口体20A中，如图2(b)所示，绝缘板24成为如下结构：在倾斜区域23的最外周部23a的直径Da：10mm与绝缘板24的外形的直径Db：15mm之间的区域被阀体22接触支承，金属板26被这样支承的绝缘板24接触支承。
阀体22A以外的绝缘板24以及金属板26使用与实施例1相同的材料，来制作封口体20A。使用该封口体20A，与实施例1同样地组装试验用圆筒形电池。
(电流切断机构的工作压的测定)
使用实施例1的封口体20以及比较例1的封口体20A分别制作试验用圆筒形电池各30个。在试验用圆筒形电池的外装罐12的底部形成直径3mm的贯通孔，插入铜管，用密封剂将贯通孔与铜管之间密封为气密状态。然后，经由铜管，以0.3MPa/sec的加压速度向试验用圆筒形电池内注入空气，使电池内压上升，测定电流切断机构工作时的工作压。对各30个封口体20、20A进行这样的测定，针对封口体20、20A分别算出工作压的标准偏差。将其结果示于下述表1。
[表1]
Figure BDA0002440803120000101
如表1所示，在从金属板26的最外周部到中央部的薄壁部附近的范围内金属板26隔着绝缘板24被阀体22支承的结构的实施例1中，电流切断机构的工作压的偏差变得比较小，仅金属板26的外周部分隔着绝缘板24被阀体22A支承的结构的比较例1中电流切断机构的工作压的偏差变得比较大。这被认为是由于，被阀体22接触支承的区域增加到金属板26的薄壁部附近，从而在电池内压上升时金属板26和绝缘板24向电池外侧的变形得到抑制，其结果是，金属板26的薄壁部的断裂动作稳定。
另外，本发明所涉及的圆筒形电池并不限定于上述的实施方式以及其变形例，在不变更本发明的主旨的范围内能够进行各种变更、改良。
例如，在上述中，对阀体22露出于圆筒形电池10的外部而作为外部端子发挥功能的情况进行了说明，但并不限定于此。如图3所示的圆筒形电池10B那样，也可以在阀体22上配置端子帽29，具备将该端子帽29用作外部端子的类型的封口体20B。在该情况下，端子帽29的中央部呈大致圆柱状地鼓出而形成，设置有未图示的通气孔。此外，端子帽29的外周部经由垫片16铆接固定于外装罐12的上端部。通过这样具备具有端子帽29的封口体20B的圆筒形电池10B，也能够起到与上述实施方式同样的效果。
此外，在上述中，如图4(a)所示，对形成为阀体22的中央部22a以及外周部22b向一个表面突出的形状的例子进行了说明，但并不限定于此，也可以如图4(b)所示，形成为中央部22a以及外周部22b向阀体22的两侧表面突出的形状。
附图标记说明
10、10B：圆筒形电池
12：外装罐
13：槽部
14：电极体
16：垫片
20、20A、20B：封口体
22：阀体
22a：中央部
22b：外周部
22c：中间部
22d：凹部
23：倾斜区域
23a：最外周部
24：绝缘板
24a：开口
24b：裙部
26：金属板
26b：：槽
26c：凸缘部
29：端子帽
30：正极板
31：正极引线
32：负极板
33：负极引线
34：隔板
36：下部绝缘板
38：上部绝缘板。

Claims (5)

1.一种圆筒形电池，具备：
电极体，将正极板和负极板隔着隔板卷绕而成；
电解液；
外装罐，收容所述电极体以及电解液，是有底圆筒状；以及
封口体，隔着垫片铆接固定于所述外装罐的开口部，
所述封口体由如下要素构成：在俯视时呈圆形的阀体；与所述阀体的电池内侧的表面接触地配置、且在中央部具有开口的绝缘板；和夹着所述绝缘板与所述阀体对置地配置，经由所述绝缘板的开口与所述阀体的中央部连接的金属板，
所述阀体将所述中央部和外周部形成为厚壁部，将连起所述中央部和所述外周部的中间部形成为具有沿着半径方向的平坦面的薄壁部，所述中间部从内周部持续到外周部与所述绝缘板接触。
2.根据权利要求1所述的圆筒形电池，其中，
所述中间部从内周部至外周部形成为均匀厚度。
3.根据权利要求1或者2所述的圆筒形电池，其中，
所述绝缘板的开口的内径为3mm以上。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的圆筒形电池，其中，
所述阀体的电池外侧的表面形成为平坦面。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的圆筒形电池，其中，
所述封口体具有配置于所述阀体上的端子帽。
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