CN114868305A - 圆筒形电池 - Google Patents

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Abstract

本公开的目的在于，在圆筒形电池中，使构成堵塞外装罐的一端的封口体的金属部件具有电流切断功能，由此减少封口体的构成部件的件数。圆筒形电池(10)包括：有底筒状的外装罐(100)；将外装罐的一端堵塞的封口体(11)；配置在外装罐的内部的电极体(20)；及配置在外装罐与封口体之间且具有绝缘性的树脂部件(18)。封口体具有与从电极体导出的正极引线(21a)连接的金属部件(12)。金属部件在比金属部件与正极引线的连接部更靠半径方向内侧具有易断裂部(16)，且经由树脂部件，通过外装罐而被铆接固定。树脂部件通过金属部件被铆接固定于比易断裂部更靠金属部件的半径方向内侧。

Description

圆筒形电池
技术领域
本公开涉及圆筒形电池。
背景技术
近年来，二次电池的用途向电动汽车用的电源、用于活用自然能源的蓄电装置等扩大，期待进一步的高容量化。在电动汽车、蓄电装置中，使用将多个二次电池经由外部引线串联或者并联连接而形成的电池模块。伴随着二次电池的高容量化，对二次电池及电池模块寻求更高的安全性。以往，在因二次电池的过充电等而电池内部压力异常上升的情况下，通过将二次电池内部的电流路径切断，而将二次电池的热失控及破裂防患于未然。
专利文献1记载了以下圆筒形电池：为了确保安全性，在将外装罐的一端密封的封口体组装有电流切断机构。该电流切断机构是通过将金属制的阀体、绝缘构件及具有通气孔的金属体组合而构成的。将阀体与金属体的中心部彼此连接，并在它们的外周部之间夹设有绝缘构件。若电池内压上升，则阀体将与金属体的连接部向电池外侧拉伸，该连接部、或者设置于金属体的薄壁部断裂，由此阀体与金属体之间的电流路径被切断。进而，若电池内压上升，则阀体的薄壁部成为起点，阀体断裂，由此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2016/157748号
发明内容
-发明所要解决的课题-
在专利文献1所记载的结构的情况下，为了使堵塞外装罐的一端的封口体具有电流切断功能，封口体包括阀体、绝缘构件及金属体这3个部件。要求这些部件在电池的异常时可靠地动作，设为复杂并且高精度的加工形状是不可或缺的。由此，如专利文献1所记载的结构那样封口体的构成部件增多，在加工中会变成工时的增加等大的负担，因此期望减少封口体的构成部件的件数。
本公开的目的在于，提供一种通过使构成堵塞外装罐的一端的封口体的金属部件具有电流切断功能，从而能够减少封口体的构成部件的件数的圆筒形电池。
-用于解决课题的手段-
本公开所涉及的圆筒形电池具备：有底筒状的外装罐；将外装罐的一端堵塞的封口体；配置在外装罐的内部的电极体；及配置在外装罐与封口体之间且具有绝缘性的树脂部件，封口体具有与从电极体导出的电极引线电连接的金属部件，金属部件在比金属部件与电极引线的连接部更靠半径方向内侧具有易断裂部，且经由树脂部件，通过外装罐而被铆接固定，树脂部件通过金属部件被铆接固定于比易断裂部更靠金属部件的半径方向内侧。
-发明效果-
根据本公开所涉及的圆筒形电池，由于能够使构成封口体的金属部件具有电流切断功能，故能够减少封口体的构成部件的件数。
附图说明
图1是实施方式的一例的圆筒形电池的剖视图。
图2是表示从图1的状态起电池内压上升、从而电流切断机构工作的状态的与图1的A部对应的图。
图3是表示从图2的状态起电池内压进一步上升、从而气体排出机构工作的状态的与图1的A部对应的图。
图4是比较例的圆筒形电池的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明所涉及的实施方式。在以下的说明中，具体的形状、材料、方向等是为了使本公开的理解容易的例示，能够根据圆筒形电池的用途、目的、规格等适宜变更。以下，对圆筒形电池为非水电解质二次电池的情况进行说明，但圆筒形电池并不限定于此。
图1是实施方式的圆筒形电池10的剖视图。例如，圆筒形电池10使用锂离子电池等非水电解质二次电池。圆筒形电池10构成为在大致圆筒形即有底筒状的外装罐100的内部收纳电极体20和非水电解质(未图示)。在外装罐100的一端(图1的上端)的开口，经由具有绝缘性的树脂部件18而固定封口体11。由此，外装罐100的一端的开口经由树脂部件18而被封口体11堵塞。树脂部件18为绝缘构件，具有作为将外装罐100与封口体11之间密封的垫片的功能，但如后述那样还具有在电池内压上升时将气体排出的功能。非水电解质包括非水溶剂和溶解于非水溶剂的电解质盐。非水电解质并不限定于液体电解质，也可以是使用了凝胶状聚合物等的固体电解质。
电极体20为卷绕型，具有正极板21、负极板22和分隔件23，正极板21与负极板22隔着分隔件23而被卷绕成漩涡状。以下，有时将电极体20的卷绕轴方向一侧称为“上”，将卷绕轴方向另一侧称为“下”。
封口体11仅由金属部件12构成。金属部件12具有作为正极端子的功能和作为在电池内压上升时将电流路径切断的电流切断机构的功能。金属部件12具有：配置于电池的外端的圆板状的外端板部13；配置于电池的内部侧端的圆板状的内端板部15；和将外端板部13及内端板部15连结的圆板状的连结部17。外端板部13的外径小于内端板部15的外径。连结部17的外径小于外端板部13及内端板部15的外径。外端板部13、内端板部15及连结部17是中心轴一致的同轴状。由此，在金属部件12中，在外端板部13及内端板部15之间形成圆形的槽部12a，在内端板部15的比连结部17更靠径向外侧形成凸缘部15a。金属部件12例如能够利用铝或者铝合金来制作。在由外端板部13构成的外部端子的外表面(图1的上表面)，通过焊接而接合用于与电池模块(未图示)中的其他圆筒形电池进行电连接的外部引线(未图示)。
在内端板部15中，从电极体20导出的正极引线21a的端部与凸缘部15a的径向一部分的内侧面连接。正极引线21a相当于电极引线。进而，凸缘部15a在比金属部件12与正极引线21a的连接部G更靠半径方向内侧具有易断裂部16。易断裂部16是在凸缘部15a的径向一部分形成的环状的薄壁部，通过在凸缘部15a的内侧面(图1的下侧面)的径向一部分形成圆环状的槽15b，从而形成易断裂部16。易断裂部16也能够形成于凸缘部15a的外侧面(图1的上侧面)。
树脂部件18配置于开口的内周面与封口体11的外周面之间，该开口形成于外装罐100的一端(图1的上端)。树脂部件18的周向一部分的剖面形状是电池外侧端部(图1的上端部)比电池内侧端部(图1的下端部)长的大致J字形，整体在俯视观察下形成为环状。内端板部15的凸缘部15a经由树脂部件18，通过外装罐100而被铆接固定。树脂部件18在压缩状态下被保持于外装罐100的一端与封口体11的外周面之间，并且通过金属部件12而被铆接固定在比易断裂部16更靠金属部件12的半径方向内侧。例如，如图1所示那样，从凸缘部15a与外装罐100的一端之间延伸突出的树脂部件18的前端部通过外端板部13和内端板部15而被铆接固定。树脂部件18的前端部遍及整周地通过金属部件12被铆接固定，由此树脂部件18的前端部与封口体11之间也形成密封构造。由此，即便电池内压上升、易断裂部16断裂，也确保电池内部的密闭性。树脂部件18能够使用能够确保绝缘性且不会对电池特性造成影响的材料。作为树脂部件18所使用的材料，优选聚合物树脂，例示聚丙烯(PP)树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂。
如上所述，在圆筒形电池10中，在电池内压的上升造成的易断裂部16的断裂后也确保电池内部的密闭性。若电池内压进一步上升，则如图2所示那样，树脂部件18向电池外侧变形，包括外端板部13的部分从金属部件12沿着易断裂部16而被切除。由此，构成电流切断机构，以使得连接外部引线的金属部件12的中心部与正极引线21a之间的电流路径被切断。在电池内压进一步上升的情况下，如图3所示那样，树脂部件18的一部分断裂。由此，电池内部的气体被排出地构成气体排出机构。树脂部件18的强度能够根据材质、厚度来调整，但也可以在树脂部件18设置环状的槽那样的易断裂部。
关于上述的电流切断机构及气体排出机构，进一步详细地进行说明。将易断裂部16断裂时的电池内压设为P1，将树脂部件18断裂时的电池内压设为P2，进而，将树脂部件18从金属部件12脱落时的电池内压设为P3，在该情况下，限制易断裂部16及树脂部件18的断裂强度、以及金属部件12对树脂部件18的固定强度，以使得P1＜P2＜P3的关系成立。在电池内压达到P1时，即便在仅易断裂部16的一部分发生了断裂的情况下，树脂部件18也要向电池外侧变形，因此能够将连接外部引线的部分沿着易断裂部16与金属部件12切除。若在易断裂部16的断裂后电池内压上升而达到P2，则树脂部件18断裂，电池内部的气体被排出。此外，也可以限制易断裂部16及树脂部件18的断裂强度、以及金属部件12对树脂部件18的固定强度，以使得P1＜P3＜P2的关系成立。该情况也与上述同样地，能够使连接外部引线的部分沿着易断裂部16与金属部件12切除。若在易断裂部16的断裂后电池内压上升而达到P3，则树脂部件18的前端部从金属部件12脱落，电池内部的气体被排出。在上述的关系式中，P2与P3也可以满足P2＝P3的关系。
易断裂部16优选形成为环状。也可以通过在内端板部15的径向上使厚度变化的阶差部来形成环状的易断裂部。在电流切断机构能够实现的范围内，易断裂部16也可以呈C字状地一部分非连续。树脂部件18的断裂强度能够根据其材质、厚度进行调整，还可以在树脂部件18也形成易断裂部。树脂部件18的易断裂部例如能够通过环状或者C字状的槽来形成。也可以通过在树脂部件18的径向上使厚度变化的阶差部来形成易断裂部。金属部件12对树脂部件18的固定强度能够根据对树脂部件18进行压缩时的冲压加工的压力来调整。
接下来，对电极体20进行说明。在外装罐100的内部配置电极体20。构成电极体20的正极板21具有正极集电体和形成于正极集电体上的正极活性物质层。例如，在正极集电体的两面形成正极活性物质层。正极集电体例如使用铝等金属的箔、将该金属配置到表层的膜等。优选的正极集电体是将铝或者铝合金作为主成分的金属的箔。正极集电体的厚度例如为10μm～30μm。
正极活性物质层优选包括正极活性物质、导电剂及粘合剂。通过将包括正极活性物质、导电剂、粘合剂及N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等分散介质的正极合剂料浆涂敷到正极集电体的两面后，进行干燥及压延，从而制作正极板21。
作为正极活性物质，能够例示含有Co、Mn、Ni等过渡金属元素的含锂的过渡金属复合氧化物。含锂的过渡金属复合氧化物，并未特别地加以限定，但优选为用通式Li1+xMO2(式中，-0.2＜x≤0.2，M包括Ni、Co、Mn、Al中的至少一种)来表示的复合氧化物。
作为上述导电剂的示例，可列举碳黑(CB)、乙炔黑(AB)、科琴黑、石墨等碳材料等。作为上述粘合剂的示例，可列举聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVdF)等氟系树脂、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)、丙烯酸系树脂、聚烯烃系树脂等。此外，也可以同时采用这些树脂和羧甲基纤维素(CMC)或者其盐、聚环氧乙烷(PEO)等。这些物质既可以单独使用一种，也可以组合使用两种以上。
在正极板21设置构成正极集电体的金属的表面露出的正极集电体露出部(未图示)。正极集电体露出部是连接正极引线21a的部分，是正极集电体的表面未被正极活性物质层覆盖的部分。正极引线21a的一端侧部分例如通过超声波焊接与正极集电体露出部接合。正极引线21a的另一端侧部分穿过在配置于电极体20的上侧的圆板状的第一绝缘板30形成的开口(未图示)而向上方导出，从而与金属部件12的凸缘部15a的下表面(内表面)连接。正极引线21a的材料例如使用铝、铝合金、镍、镍合金、铁、不锈钢等。
负极板22具有负极集电体和形成在负极集电体上的负极活性物质层。例如，在负极集电体的两面形成有负极活性物质层。进而，负极板22在卷绕末端部设置负极集电体露出部(未图示)。负极集电体露出部是连接负极引线22a的部分，是负极集电体的表面未被负极活性物质层覆盖的部分。负极引线22a的一端侧部分例如通过超声波焊接与负极集电体露出部接合。负极引线22a的另一端侧部分穿过在配置于电极体20的下侧的圆板状的第二绝缘板31的外周侧而与外装罐100的底部连接。
负极活性物质层优选包括负极活性物质及粘合剂。例如，通过将包括负极活性物质、粘合剂及水等的负极合剂料浆涂敷到负极集电体的两面后，进行干燥及压延来制作负极板22。
作为负极活性物质，只要是能够可逆地吸藏、释放锂离子的物质，就未特别地加以限定，例如能够使用天然石墨、人造石墨等碳材料、Si、Sn等与锂进行合金化的金属、或者包括这些的合金、复合氧化物等。负极活性物质层所包括的粘合剂例如使用与正极板21的情况同样的树脂。在利用水系溶剂来制备负极合剂料浆的情况下，能够使用丁苯橡胶(SBR)、CMC或者其盐、聚丙烯酸或者其盐、聚乙烯醇等。这些物质既可以单独使用一种，也可以组合使用两种以上。
负极板22在隔着分隔件23而层叠在正极板21的状态下进行卷绕使用。另外，也可以使用负极引线22a，并且，或者省略负极引线22a，遍及负极板22的卷绕末端部的最外周面的整周上，配置负极集电体露出部，使该负极集电体露出部与外装罐100的圆筒部的内周面接触，由此将负极板22与外装罐100电连接。由此，能够确保更良好的集电性。此时，也可以将负极引线22a的一端侧部分与在负极板22的卷绕起始侧端部形成的负极集电体露出部接合。
分隔件23使用具有离子透过性及绝缘性的多孔性片。作为多孔性片的具体示例，可列举微多孔薄膜、织物、无纺布等。作为分隔件23的材质，优选聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃系树脂。分隔件23的厚度例如为10μm～50μm。分隔件23伴随着电池的高容量化/高输出化而具有薄膜化的倾向。分隔件23例如具有130℃～180℃左右的熔点。
圆筒形电池10例如如下那样进行组装。例如，将电极体20与下侧的圆板状的第二绝缘板31一起插入对钢板进行拉深加工而制作出的有底圆筒状的外装罐100的内侧，将与负极板22连接的负极引线22a通过焊接与外装罐100的底部连接。接下来，在外装罐100的内侧将圆板状的第一绝缘板30插入电极体20的上侧，在外装罐100中比第一绝缘板30更靠上部的开口侧，遍及圆周方向整周地通过塑性加工来形成剖面U字状的槽部101(图1)。然后，将制备出的非水电解质向被放入了电极体20的外装罐100的内部注入给定量。而且，将与正极板21连接的正极引线21a通过焊接与构成封口体11的金属部件12的凸缘部15a连接。此时，在金属部件12的外周侧预先铆接固定树脂部件18。例如，进行冲压加工，以使得通过金属部件12的内端板部15和外端板部13对树脂部件18进行压缩，由此将树脂部件18铆接固定于金属部件12。而且，一边折叠正极引线21a，一边在外装罐100的内侧经由树脂部件18而将金属部件12容纳于槽部101之上，对外装罐100的开口端部进行铆接，由此制作密闭型的圆筒形电池10。此时，在封口体11的上端，外端板部13在圆筒形电池10的最上层部露出。
另外，也可以在外装罐100的一端部的内侧，将树脂部件18与金属部件12在未进行铆接固定的状态下配置后，经由树脂部件18将金属部件12的外周部铆接固定于外装罐100的一端部。而且，之后也可以进行冲压加工，以使得通过内端板部15和外端板部13来压缩树脂部件18。
根据上述的圆筒形电池10，能够使构成封口体11的金属部件12具有电流切断功能，因此能够减少封口体11的构成部件的部件件数。由此，能够减少要求加工精度的部件的加工工时，从而降低制造成本。
图4是比较例的圆筒形电池10a的剖视图。比较例的圆筒形电池10a与图1～图3示出的圆筒形电池10不同，外装罐100a的一端中的密封构造包括作为树脂部件的垫片34和封口体11a。封口体11a包括金属制的阀体36、绝缘构件38及具有通气孔的金属体40这3个部件。阀体36与金属体40的中心部彼此被连接，在它们的外周部之间夹设有绝缘构件38。正极引线21a的从电极体20被导出的端部在比阀体36及金属体40的连接部更靠径向外侧，与金属体40连接。金属体40与阀体36的连接部成为薄壁部。若电池内压上升，则阀体36受到内压而向上侧变形，由此阀体36将与金属体40的连接部向电池外侧拉伸，该连接部或者设置于金属体40的薄壁部断裂，阀体36与正极引线21a之间的电流路径被切断。进而，若电池内压上升，则阀体36的薄壁部36a成为起点，阀体36断裂，电池内部的气体被排出。在上述那样的比较例的圆筒形电池1Oa中，由于用于在封口体11a设置电流切断功能的部件增多至3部件，故在加工中成为工时增加等大的负担。根据图1～图3的实施方式，能够防止上述那样的不良情形。
-符号说明-
10、10a圆筒形电池，11、11a封口体，12金属部件，12a槽部，13外端板部，15内端板部，15a凸缘部，15b槽，17连结部，18树脂部件，20电极体，21正极板，21a正极引线，22负极板，22a负极引线，23分隔件，30第一绝缘板，31第二绝缘板，34垫片，36阀体，36a薄壁部，38绝缘构件，40金属体。

Claims (5)

1.一种圆筒形电池，具备：
有底筒状的外装罐；
将所述外装罐的一端堵塞的封口体；
配置在所述外装罐的内部的电极体；及
配置在所述外装罐与所述封口体之间且具有绝缘性的树脂部件，
所述封口体具有与从所述电极体导出的电极引线电连接的金属部件，
所述金属部件在比所述金属部件与所述电极引线的连接部更靠半径方向内侧具有易断裂部，且经由所述树脂部件，通过所述外装罐而被铆接固定，
所述树脂部件通过所述金属部件被铆接固定于比所述易断裂部更靠所述金属部件的半径方向内侧。
2.根据权利要求1所述的圆筒形电池，其中，
所述金属部件具有内端板部、外端板部及将所述内端板部与所述外端板部连结的连结部，
所述内端板部的径向外侧的凸缘部经由所述树脂部件而被铆接固定于所述外装罐的一端，
从所述凸缘部与所述外装罐的一端之间延伸突出的所述树脂部件的前端部被铆接固定于所述内端板部与所述外端板部。
3.根据权利要求1或2所述的圆筒形电池，其中，
所述易断裂部由环状的槽形成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的圆筒形电池，其中，
所述圆筒形电池被构成为：在电池内压上升的情况下，所述易断裂部遍及整个周向地断裂，所述金属部件的中心部与所述电极引线之间的电流路径被切断，在电池内压进一步上升的情况下，在所述树脂部件中，所述易断裂部的外侧部分断裂，由此内部的气体被排出。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的圆筒形电池，其中，
所述圆筒形电池被构成为：在电池内压上升的情况下，所述易断裂部遍及整个周向地断裂，所述金属部件的中心部与所述电极引线之间的电流路径被切断，在电池内压进一步上升的情况下，所述树脂部件的前端部从所述金属部件脱落，由此内部的气体被排出。
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