CN116868418A - 圆筒形电池 - Google Patents

Abstract

圆筒形电池(10)具备：正极(11)和负极(12)隔着分隔件(13)卷绕而成的电极体(14)；收容电极体(14)的有底筒状的外装罐(16)；以及将外装罐(16)的开口部密封的封口体(17)。外装罐(16)的底部(40)具有翻转部(43)，其具有向轴向的电极体(14)侧突出的凸形状，并且在电池内压达到第1压力时翻转。封口体(17)具有封口板(27)，其通过在电池内压达到比第1压力大的第2压力时断裂，来将电池内部的气体排气。封口板(27)作为安全阀发挥功能。

Description

圆筒形电池

技术领域

本公开涉及圆筒形电池。

背景技术

过去，作为圆筒形电池，有专利文献1记载的方案。该圆筒形电池具备封口体，其具有封口板、作为内部端子板的金属板、以及介于封口板与金属板之间的绝缘构件。该圆筒形电池通过在有底圆筒状的金属制的外装罐的开口部隔着树脂制的衬垫铆接固定封口体，来将内部密闭。在该圆筒形电池的封口板设有倾斜部，其随着从内周部向外周部在径向上行进而向轴向的外方侧位移，并且厚度连续减少。该圆筒形电池中，若因其异常发热而内压上升，则安全机构工作。详细地，该圆筒形电池中，若因其异常发热而内压上升，则封口板的倾斜部翻转，电池内部的电流路径被切断。此外，若内压进一步上升，则倾斜部断裂，电池内部的气体被排出到外部。封口板作为安全阀发挥功能。

现有技术文献

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

在卷绕电极体中，极板上产生的气体从电极体的轴向的两端面流出。在将外装罐的开口部密封的封口体设有安全阀的情况下，从电极体的底部侧的端面流出的气体扩散到电极体的中空部、侧面内侧。扩散到电极体的中空部的气体能不给外装罐带来损伤地到达安全阀，但扩散到电极体的外侧的气体有可能会在外装罐的侧面生成贯通孔等，引起该侧面的损伤。

在相关的背景中，在圆筒形电池异常发热的情况下，若高温的气体从安全阀以外的外装罐的侧面喷出，则例如在具备多个圆筒形电池的电池组中，高温的气体有时会引起周围的圆筒形电池、设备的损伤。

为此，本公开的目的在于，提供一种圆筒形电池，在异常发热的情况下，侧面难以损伤，易于使高温的气体经由安全阀平稳地排气到外部。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本公开的圆筒形电池具备：正极和负极隔着分隔件卷绕而成的电极体；收容电极体的有底筒状外装罐；和将外装罐的开口部密封的封口体，外装罐的底部具有翻转部，该翻转部具有向轴向的电极体侧突出的凸形状，并且在电池内压达到第1压力时进行翻转，封口体具有安全阀，该安全阀通过在电池内压达到比第1压力大的第2压力时断裂来将电池内部的气体排气。

发明的效果

根据本公开所涉及的圆筒形电池，在异常发热的情况下，侧面难以损伤，易于使高温的气体经由安全阀平稳地排气到外部。

附图说明

图1是本公开的一实施方式所涉及的圆筒形电池的轴向的截面图。

图2是上述圆筒形电池的电极体的立体图。

图3是上述圆筒形电池的封口体周边部处的放大截面图。

图4是说明上述圆筒形电池的封口板的翻转动作的图。

图5是说明上述圆筒形电池的翻转部的翻转动作的图。

图6是变形例的圆筒形电池中的与图1对应的截面图。

具体实施方式

以下参考附图来详细说明本公开所涉及的圆筒形电池的实施方式。另外，本公开的圆筒形电池可以是一次电池，也可以是二次电池。此外，可以是利用了水系电解质的电池，也可以是利用了非水系电解质的电池。以下，作为一实施方式的圆筒形电池10，例示利用了非水电解质的非水电解质二次电池(锂离子电池)，但本公开的圆筒形电池并不限定于此。

以下，在包含多个实施方式、变形例等的情况下，最初就设想了将它们的特征部分适宜组合来构建新的实施方式。在以下的实施方式中，在附图中对相同结构标注相同附图标记，省略重复的说明。此外，在多个附图中包含示意图，在不同的图间，各构件中的纵、横、高度等尺寸比不一定非要一致。圆筒形电池10的轴向与圆筒形电池10的高度方向一致，为了说明方便，将轴向的封口体17侧设为“上”，将轴向的外装罐16的底侧设为“下”。关于以下说明的构成要素当中的未记载于表示最上位概念的独立权利要求的构成要素，是任意的构成要素，不是必须的构成要素。

图1是本公开的一实施方式所涉及的圆筒形电池10的轴向的截面图，图2是圆筒形电池10的电极体14的立体图。如图1所示那样，圆筒形电池10具备：卷绕型的电极体14；非水电解质(未图示)；收容电极体14以及非水电解质的电池壳体15。如图2所示那样，电极体14包含正极11、负极12、和介于正极11以及负极12之间的分隔件13，具有正极11和负极12隔着分隔件13卷绕的卷绕构造。如图1所示那样，电池壳体15由有底筒状的外装罐16和堵塞外装罐16的开口的封口体17构成。此外，圆筒形电池10具备配置于外装罐16与封口体17之间的树脂制的衬垫28。

非水电解质包含非水溶媒和溶解于非水溶媒的电解质盐。非水溶媒例如可以使用酯类、醚类、腈类、酰胺类以及它们的2种以上的混合溶媒等。非水溶媒可以含有将这些溶媒的氢原子的至少一部分用氟等卤素原子取代的卤素取代体。另外，非水电解质并不限定于液体电解质，可以是利用了凝胶状聚合物等的固体电解质。电解质盐使用LiPF₆等锂盐。

如图2所示那样，电极体14具有长条状的正极11、长条状的负极12和长条状的2片分隔件13。此外，电极体14具有与正极11接合的正极引线20和与负极12接合的负极引线21。负极12为了抑制锂的析出而以比正极11大一圈的尺寸形成，长边方向以及宽度方向(短边方向)形成得比正极11长。此外，2片分隔件13以至少比正极11大一圈的尺寸形成，例如配置成夹着正极11。

正极11具有正极集电体和形成于集电体的两面的正极合剂层。正极集电体能使用铝、铝合金等在正极11的电位范围内稳定的金属的箔、在表层配置了该金属的薄膜等。正极合剂层包含正极活性物质、导电剂以及粘合剂。例如在正极集电体上涂布包含正极活性物质、导电剂以及粘合剂等的正极合剂浆料，在使涂膜干燥后进行压缩，来在集电体的两面形成正极合剂层，能由此来制作正极11。

正极活性物质以含锂金属复合氧化物为主成分来构成。作为含锂金属复合氧化物中含有的金属元素，能举出Ni、Co、Mn、A1、B、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、In、Sn、Ta、W等。优选的含锂金属复合氧化物的一例是含有Ni、Co、Mn、Al的至少1种的复合氧化物。

作为正极合剂层中所含的导电剂，能例示碳黑、乙炔黑、科琴黑、石墨等碳材料。作为正极合剂层中所含的粘合剂，能例示聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVdF)等氟树脂、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺树脂、丙烯酸树脂、聚烯烃树脂等。也可以并用这些树脂、和羧甲基纤维素(CMC)或其盐等纤维素衍生物、聚环氧乙烷(PEO)等。

负极12具有负极集电体和形成于集电体的两面的负极合剂层。负极集电体能使用铜、铜合金等在负极12的电位范围稳定的金属的箔、在表层配置了该金属的薄膜等。负极合剂层包含负极活性物质以及粘合剂。例如在负极集电体上涂布包含负极活性物质以及粘合剂等的负极合剂浆料，在使涂膜干燥后进行压缩，来在集电体的两面形成负极合剂层，由此制作负极12。

负极活性物质一般使用可逆地包藏、放出锂离子的碳材料。优选的碳材料是鳞片状石墨、块状石墨、土状石墨等天然石墨、块状人造石墨、石墨化中间相碳微珠等人造石墨等石墨。负极合剂层中，作为负极活性物质，可以包含含有硅(Si)的Si材料。此外，负极活性物质也可以使用Si以外的与锂合金化的金属、含有该金属的合金、含有该金属的化合物等。

负极合剂层中所含的粘合剂与正极11的情况同样，可以使用氟树脂、PAN、聚酰亚胺树脂、丙烯酸树脂、聚烯烃树脂等，但优选使用丁苯橡胶(SBR)或其改性体。负极合剂层例如可以除了SBR等以外，还包含CMC或其盐、聚丙烯酸(PAA)或其盐、聚乙烯醇等。

分隔件13使用具有离子透过性以及绝缘性的多孔性片。作为多孔性片的具体例，能举出微多孔薄膜、织布、无纺布等。作为分隔件13的材质，优选聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃树脂、纤维素等。分隔件13可以是单层构造、层叠构造的任一者。在分隔件13的表面可以形成耐热层等。另外，负极12也可构成电极体14的卷绕开始端，但一般情况下分隔件13超出负极12的卷绕开始侧端而延伸出，分隔件13的卷绕开始侧端成为电极体14的卷绕开始端。

在图1以及图2所示的示例中，正极引线20与正极芯体中的卷绕方向的中央部等中间部电连接，负极引线21与负极芯体中的卷绕方向的卷绕结束端部电连接。但负极引线也可以与负极芯体中的卷绕方向的卷绕开始端部电连接。或者，电极体也可以具有2个负极引线，一方的负极引线与负极芯体中的卷绕方向的卷绕开始端部电连接，另一方的负极引线与负极芯体中的卷绕方向的卷绕结束端部电连接。或者，也可以通过使负极芯体中的卷绕方向的卷绕结束侧端部与外装罐的内表面抵接，来将负极和外装罐电连接。

如图1所示那样，圆筒形电池1O具有：配置于电极体14的上侧的绝缘板18；和配置于电极体14的下侧的绝缘板19。在图1所示的示例中，安装于正极11的正极引线20穿过绝缘板18的贯通孔而延伸到封口体17侧，安装于负极12的负极引线21经过绝缘板19的外侧而延伸到外装罐16的底部40侧。正极引线20与封口体17的底板即端子板23的下表面采用焊接等而连接，与端子板23电连接的封口体17的顶板即封口板27成为正极端子。此外，负极引线21与外装罐16的底部40的内表面采用焊接等而连接，外装罐16成为负极端子。

外装罐16是具有有底筒状部的金属制容器。通过将外装罐16与封口体17之间用环状的衬垫28密封，来将电池壳体15的内部空间密闭。此外，衬垫28包含被外装罐16和封口体17夹持的夹持部32，将封口体17相对于外装罐16进行绝缘。即，衬垫28具有用于保持电池内部的气密性的密封件的作用、和防止外装罐16与封口体17的短路的作为绝缘件的作用。

外装罐16在圆筒外周面的轴向的一部分具有环状的开槽部35。例如能通过对圆筒外周面的一部分向径向内侧进行旋压加工而使得凹向径向内方侧，由此来形成开槽部35。外装罐16具有：包含开槽部35的有底筒状部30；和环状的肩部33。有底筒状部30收容电极体14和非水电解质，肩部33从有底筒状部30的开口侧的端部向径向的内方侧折弯，从而向该内方侧延伸。肩部33在将外装罐16的上端部向内侧折弯并铆接在封口体17的周缘部31时形成。封口体17通过该铆接而被肩部33和开槽部35隔着衬垫28夹持，从而被固定在外装罐16。

接下来，对外装罐16的底部40详细说明构造。如图1所示那样，外装罐16的底部40具有翻转部43，其具有向轴向的电极体14侧突出的凸形状。翻转部43存在于底部40的径向的中央部，从轴向的底侧的外方观察时的平面形状成为大致圆形状。翻转部43包含：随着去往轴向的电极体14侧而内径变小的锥形部43a；与锥形部43a的轴向的电极体14侧的环状的端部相连且与轴向大致正交的平坦部43b。在本实施方式中，锥形部43a和平坦部43b具有大致圆锥台的形状。但锥形部43a可以是随着去往轴向的电极体14侧而内径变小的任何形状。此外，平坦部面43b的从轴向的底侧的外方观察时的平面形状成为大致圆形状。负极引线21与翻转部43的平坦部43b连接。

接下来，详细说明封口体17的构造。图3是圆筒形电池10的封口体周边部处的放大截面图。如图3所示那样，封口体17具有从电极体14侧起依次层叠端子板23、环状的绝缘板25、封口板27的构造。构成封口体17的各构件具有圆板形状或环形形状，除了绝缘板25以外的各构件电连接。端子板23构成封口体17的底板，具有位于大致相同的平面上的圆形的上表面23a。端子板23具有：位于径向的外方侧的环状的厚壁部23b；和与厚壁部23b的径向内方侧的环状端部相连并且比厚壁部23b薄的圆板状的薄壁部23c。正极引线20与端子板23的厚壁部23b的下表面采用焊接等连接。封口体17也可以具有载置于封口板27上的端子帽。

封口板27在俯视观察下形成圆形。封口板27例如通过对铝或铝合金的板材进行压制加工来制作。铝以及铝合金由于挠性卓越，因此，优选当作作为安全阀(防爆阀)发挥功能的封口板27的材料。封口板27在俯视观察下形成圆形。封口板27具有中央部27a、外周部27b以及将中央部27a和外周部27b相连的倾斜部27c。端子板23的薄壁部23c的上表面和封口板27的中央部27a的下表面通过冶金的接合例如激光焊接而接合。若与封口板27同样地用铝或铝合金来形成端子板23，就能容易地执行封口板27与端子板23的接合。

倾斜部27c的厚度比中央部27a薄。倾斜部27c的下表面位于比中央部27a的下表面更上侧，与中央部27a的下表面经由环状的阶梯部29相连。倾斜部27c的环状的上表面26a成为随着去往径向的外方侧而位于上侧的倾斜面，倾斜部27c的环状的下表面26b也成为随着去往径向的外方侧而位于上侧的倾斜面。倾斜部27c的厚度随着去往径向的外方侧而变小。

绝缘板25例如通过压入而外嵌地固定在环状的阶梯部29的外周面。绝缘板25在径向的外周侧具有向轴向下侧折弯的环状突出部25a，端子板23的厚壁部23b例如通过压入而内嵌地固定在环状突出部25a的内周面。绝缘板25为了确保绝缘性而设置，防止端子板23的厚壁部23b与封口板27电连接。

绝缘板25优选含有不给电池特性带来影响的材料。作为绝缘板25的材料，能举出聚合物树脂，能例示聚丙烯(PP)树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂。绝缘板25在与封口板27的倾斜部27c在轴向上重叠的部位具有在轴向上贯通的1个以上的通气孔25b，端子板23在与绝缘板25在轴向上重叠的部位具有在轴向上贯通的1个以上的通气孔23d。根据该结构，电极体14中产生的气体能通过通气孔23d、绝缘板25与绝缘板25之间以及通气孔25b，而流入关于轴向而设于倾斜部27c与绝缘板25之间的空间36。

在以上的结构中，若圆筒形电池10异常发热而圆筒形电池10的内压达到给定值，封口体17就如下那样进行电流切断动作以及气体放出动作。详细地来说，若圆筒形电池10异常发热而圆筒形电池10的内压达到给定值，则如图4所示那样，封口板27的中央部27a以及倾斜部27c因箭头a所示的电池内部的压力而在倾斜部27c以刚性低的径向外方侧的环状端部39为支点翻转到轴向上侧。与该翻转同时，如图4所示那样，端子板23的薄壁部23c断裂，从端子板23切离与封口板27连接的部分，或者，端子板23与封口板27的焊接部脱落。通过该动作，端子板23与封口板27之间的电流路径被切断。

进而，若内压上升，则如图5所示那样，底部40的翻转部43以其径向外方侧的环状端部48为支点翻转到轴向下侧。在底部40的翻转部43翻转后，翻转部43成为向轴向的与电极体14侧相反侧地突出的凸形状。之后，若内压进一步上升，则倾斜部27c的环状端部39断裂，电池内部的气体经由通气孔23d以及通气孔25b从封口板27的断裂部位排气到外部。由此，即使圆筒形电池10的内压上升也会防止电池的破裂，能抑制给搭载圆筒形电池10的设备的影响，能提高安全性。封口板27构成安全阀，封口板27的倾斜部27c通过断裂而成为将内部的气体排出到外部的断裂部。

作为安全阀的封口板27断裂的第1压力例如能通过倾斜部27c的径向外方侧的环状端部39的厚度来调整。翻转部43进行翻转的第2压力例如能通过底部40的锥形部43a的径向外方侧的环状端部48处的厚度来调整。第2压力调整成比第1压力小，但优选调整成比封口体17进行电流切断的压力小。

[实施例]

本发明者确认到，若制作接下来的实施例的圆筒形电池，就能在封口板(安全阀)断裂前使翻转部翻转到轴向的与电极体侧相反侧。

(正极的制作)

作为正极活性物质而使用LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂。将正极活性物质100质量份、作为粘合剂的聚偏二氟乙烯1.7质量份以及作为导电剂的乙炔黑2.5质量份在分散介质中混合，调制正极合剂浆料。将该正极合剂浆料在包含铝箔的正极集电体的两面除了正极引线的连接部分以外进行涂布、干燥，之后压延成给定的厚度，由此得到正极板。将该正极板裁断成给定的尺寸，在集电体的露出部通过超声波熔敷连接Al制的正极引线，来制作正极。

(负极的制作)

作为负极活性物质而使用易石墨化碳。将负极活性物质100质量份、作为粘合剂的聚偏二氟乙烯0.6质量份、作为增稠剂的羧甲基纤维素1质量份、和适量的水在双臂式揉合机中进行搅拌，得到负极合剂浆料。将该负极合剂浆料在包含铜箔的负极集电体的两面除了负极引线的连接部分以外进行涂布、干燥，之后，压延成给定的厚度，由此得到负极板。将该负极板裁断成给定的尺寸，在集电体的露出部通过超声波熔敷连接包含Ni-Cu-Ni包覆件的负极引线，来制作负极。

(非水电解液的调制)

在碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)以及碳酸甲乙酯(EMC)的混合溶媒中，作为电解质而溶解六氟磷酸锂(LiPF₆)，以使其成为1.0mol/L，来调制非水电解液。

(封口体的制作)

制作图2所示的构造的封口体。首先，使用铝材来形成圆形的端子板，在端子板的径向的中央部设置薄壁部。之后，将端子板和封口板以及绝缘板一体化，来制作封口体。

(外装罐的制作)

制作图1所示的构造的外装罐。在外装罐的制作时，在拉深加工前在相当于罐底的钢板位置通过压制加工来制作翻转机构。将电池的内压上升所引起的翻转时的压力调整成比作为安全阀的封口板的断裂压小的1.5MPa，设为在内压4Mpa时翻转部也不断裂的壁厚设计。之后，通过对钢板进行拉深加工，来制作在底部具有翻转部的外装罐。

(圆筒形电池的组装)

将上述正极和极板隔着聚烯烃系树脂制的分隔件卷绕成漩涡状，来制作电极体。将该电极体经由圆板状的罐底绝缘板插入外装罐中，将与负极连接的负极引线和电池罐底面通过焊接而电连接。将该电极体经由圆板状的罐底绝缘板插入外装罐中，将与负极电连接的负极引线和罐底面电连接。在将正极引线焊接在封口体后，将非水电解液注入外装罐内给定量。然后，将封口体隔着衬垫配置在外装罐的开槽部上。之后，通过将封口体铆接在外装罐的开口部，来将电池内部密闭，制作圆筒形电池。

根据本公开，在作为安全阀发挥功能的封口板27断裂前，设于圆筒形电池10的底部40并且具有向轴向的电极体14侧突出的凸形状的翻转部43翻转。因此，在封口板27将高温的气体排气前，在电极体14的下表面与外装罐16的底部40之间形成空间60(参考图5)。其结果，能使从电极体14的下表面流出的高温的气体如图5中的箭头b1以及箭头b2所示那样经由电极体14的中空部57整流到封口体17侧。如此地，由于能抑制高温气体在外装罐16的外周侧流动，因此，能有效地抑制在圆筒形电池10异常发热时外装罐16的侧面损伤。因此，由于即使圆筒形电池10异常发热，也能将高温的气体经由安全阀平稳地进行排气，因此，能抑制圆筒形电池10的周围的电池、设备损伤。

[所采用的优选的圆筒形电池的结构、其作用效果]

翻转部43可以包含：随着去往轴向的电极体14侧而内径变小的锥形部43a；和与该锥形部43a的内周端部相连并且大致平行于与轴向大致正交的平面地扩展的平坦部43b。此外，翻转部43优选设置在底部40的中心，翻转部43的平面形状更优选是圆形状。

根据上述的结构，翻转部43易于将锥形部43a的环状的径向外方侧的环状端部48作为支点而平稳地进行翻转。此外，由于在翻转后，电极体14的中空部57的下表面与外装罐16的底部40的间隔变大，因此，能将高温气体有效率地引导到封口体17侧。

另外，本公开并不限定于上述实施方式及其变形例，能在本申请的权利要求书记载的事项及其等同的范围内进行各种改良、变更。

例如在上述实施方式中，说明了翻转部43具有锥形部43a和平坦部43b的情况。但翻转部可以具有向轴向的电极体侧突出的任何凸形状，例如，翻转部也可以具有在使拱形以其顶部为中心水平旋转时形成的穹顶形状。

此外，说明了翻转部43设于底部40的中心的情况，但翻转部也可以包含位于底部的径向外侧的部分。此外，说明了翻转部43的平面形状为圆形状的情况，但翻转部的平面形状也可以是圆形状以外的任何形状，例如，翻转部的平面形状也可以是正方形的形状、长方形的形状或椭圆形状。

此外，如图6即变形例的圆筒形电池110中的与图1对应的截面图所示那样，翻转部143也可以在径向外方侧具有随着去往径向外方侧而轴向厚度变小的环状部160。如此一来，能使环状部160的外周端部161可靠地成为翻转的支点，能实现所期望的翻转。

附图标记的说明

10、110：圆筒形电池、11：正极、12：负极、13：分隔件、14：电极体、15：电池壳体、16：外装罐、17：封口体、20：正极引线、21：负极引线、23：端子板、27：封口板、28：衬垫、40：底部、43、143：翻转部、43a：锥形部、43b：平坦部。

Claims (4)

1.一种圆筒形电池，具备：

电极体，正极和负极隔着分隔件卷绕而成；

外装罐，收容所述电极体且为有底筒状；和

封口体，将所述外装罐的开口部密封，

所述外装罐的底部具有翻转部，所述翻转部具有向轴向的所述电极体侧突出的凸形状，并且在电池内压达到第1压力时翻转，

所述封口体具有安全阀，所述安全阀通过在所述电池内压达到比所述第1压力大的第2压力时断裂来将电池内部的气体排气。

2.根据权利要求1所述的圆筒形电池，其中，

所述翻转部的底面包含：

锥形部，随着去往所述轴向的所述电极体侧而内径变小；和

平坦部，与所述锥形部的内周端部相连，并且与所述轴向大致正交。

3.根据权利要求1或2所述的圆筒形电池，其中，

所述翻转部设于所述底部的中心。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的圆筒形电池，其中，

所述翻转部的平面形状为圆形状。