CN1395749A - 矩形电池 - Google Patents

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Abstract

一种矩形电池，电池壳体(1、8)具有这样的横截面形状：横截面形状为基本正方形的4个侧板部分(5、6)呈分别以曲率半径R1向外侧鼓出的平缓的圆弧形，同时各侧板部分(5、6)的中点(C2)至电池壳体(1、8)的横截面中心点(C1)的距离r与曲率半径R1之间，满足式R1/r＝4－20。此外，电池壳体(8)的各角部具有这样的横截面形状：形成为有曲率半径R2的圆弧形状，同时各侧板部分(6)的中点(C2)至电池壳体(8)的横截面中心点(C1)的距离r与各角部的曲率半径R2之间满足式R2/r＝0.3－0.8。

Description

矩形电池
技术领域
本发明涉及在横截面基本呈矩形的电池壳体内封入产生电能要素而构成的封闭型矩形电池。
技术背景
近年来，随着各种便携式电器的发展，成为其驱动电源的电池作为一种重要的关键装置其开发也得到重视。尤其是可充电的镍氢电池、锂二次电池之类的小型二次电池，其用途以便携式电话、笔记本式计算机及摄像机等为首，近年来作为混合式电动汽车的驱动电源等的用途也在开发，其需求在越来越扩大。
近年来的便携式电话机等的电气设备对小型化和薄型化的需求强烈，对其驱动电源即电池的小型化及薄型化的需求也在不断提高。目前的电池形状大致可分为圆筒形和矩形，圆筒形电池无论是将多个电池装入在电池组壳体内构成电池组时，还是在将多个电池装入电气设备的电池收容部内时，均存在较多的无用剩余空间死空间，空间利用的效率差，且收容空间内的稳定性也差，所以对上述电气设备的小型化及薄型化不合适。对此，矩形电池因为空间利用效率高且能以稳定状态收容在收容空间内，所以适合于电气设备的小型化及薄型化。
但是，封闭型的矩形二次电池当由于充放电时产生的气体或装入在内的产生电能要素泡胀而引起电池内压上升时，会发生变得更稳定的形状即圆形的变形，尤其是电池壳体的长侧板部容易变为向外较大鼓出的状态。这样的电池变形会带来种种弊端。例如，使涡卷状电极组之中最外周电极板与电池壳体的内周面以电接触状态接触的封闭型电池，会发生最外周电极板与电池壳体的接触电阻增大、电池的内阻增大的不良情况。
因此，传统上，作为对矩形电池因电池内压上升引起的电池壳体变形的防止手段，已提出了如下一些方法：日本特开昭62-93854号公报所披露的方法是，在电池壳体的一部分设置厚壁部以增强电池壳体；日本特开平7-326331号公报所公开的方法是，将横截面的外形为矩形的电池壳体的各角部的内侧面分别做成平缓的圆弧状，并针对长侧板部分及短侧板部分的壁厚，增大它们的连接部分即角部的壁厚。
但是，在电池壳体的一部分设置厚壁部分的方法虽然能对电池内压的上升防止电池壳体的变形，但存在的缺点是，电池壳体的外形增大，不能实现小型化。另一方面，增大矩形电池壳体的角部壁厚的方法，虽然能在防止电池壳体外形变大的情况下，对电池内压的上升防止电池壳体的变形，但存在的缺点是，电池壳体的容积下降，电极组中的正极及负极的各活性物质的充填量减少，每一单位体积的能量密度下降。
因此，本发明是考虑了上述历来的课题而作出的，其目的在于，提供一种虽然将电池壳体做成不会导致外形增大及内部容积减少的形状，却能可靠防止电池内压上升时电池壳体变形的、有很强耐压性的矩形电池。
发明的公开
为了达到上述目的，本发明的矩形电池，在长方体筒状的电池壳体内装入电极组及电解液，所述电池壳体的开口部由封口体封闭，其特征在于，所述电池壳体具有这样的横截面形状：横截面形状为基本正方形的的4个侧板部分为分别以曲率半径R1向外鼓出的平缓的圆弧形，并且所述各侧板部分的中点至所述电池壳体横截面中心点的距离r与所述曲率半径R1之间满足R1/r＝4-20的式子。
采用该矩形电池，因为电池壳体的各侧板部分满足R1/r＞4的条件，仅向外稍许鼓出，具有大致正方形的截面形状，所以，具有与现有的矩形电池基本相同的很高的空间效率。而且，该矩形电池因为电池壳体的侧板部分满足R1/r＜20的条件，呈预先向外鼓出的平缓的圆弧状，所以，当因充放电时产生的气体及因电极组泡胀而引起电池内压上升时，能可靠抑制各侧板部分变形成向外侧更鼓出的状态。因此，采用该矩形电池，因为与侧板部分稍许向外侧鼓出的量相应地增大了内容积，所以，在该增大的空间内可以装入电解液等的产生电能要素，提高能量密度，同时，可以虽然将整个电池壳体均形成为一定壁厚却能防止侧板部分的鼓出，所以，在与现有的矩形电池做成基本相同的外形时也不会减少内容积，因此充放电时能流过大电流，作为电池特性，能获得大容量且高能量密度。
此外，本发明的矩形电池，在长方体筒状的电池壳体内装入有电极组及电解液，所述电池壳体的开口部由封口体封闭，其特征在于，所述电池壳体具有这样的横截面形状：横截面形状为基本长方形的相对的一对长侧板部分为分别以曲率半径R11向外鼓出的平缓的圆弧形，所述长侧板部分的中点至所述电池壳体横截面中央点的距离r1与所述曲率半径R11之间满足R11/r1＝4-20的式子，同时，横截面形状为基本长方形的相对的一对短侧板部分为分别以曲率半径R12向外鼓出的平缓的圆弧形，所述短侧板部分的中点至所述电池壳体横截面中央点的距离r2与所述曲率半径R12之间满足R12/r2＝4-20的式子。
采用该矩形电池，因为电池壳体的长侧板部分满足R11/r1＞4的条件，仅向外侧稍许鼓出，并且短侧板部分满足R12/r2＞4的条件，仅向外侧稍许鼓出，具有大致长方形的截面形状，所以，具有与已有的矩形电池基本相同的很高的空间效率。而且，在这种矩形电池中，因为电池壳体的长侧板部分满足R11/r1＜20的条件，呈预先向外侧鼓出的平缓的圆弧状，短侧板部分满足R12/r2＜20的条件，呈预先向外侧鼓出的平缓的圆弧状，所以，当因充放电时产生的气体及因电极组泡胀而引起电池内压上升时，能可靠抑制各侧板部分变形成向外侧更鼓出的状态。因此，采用该矩形电池，因为与侧板部分稍许向外侧鼓出的量相应地增大了内容积，所以，在该增大的空间内可以装入电解液等产生电能要素，提高能量密度，同时，可以虽然将整个电池壳体均形成为一定壁厚却能防止各侧板部分的鼓出，所以，在与已有的矩形电池做成基本相同的外形时也不会减少内容积，因此充放电时能流过大电流，作为电池特性，能获得大容量且高能量密度。
附图的简单说明
图1所示为本发明第1实施形态涉及的矩形电池的立体图。
图2所示为沿图1中的II-II线的剖视图。
图3所示为本发明第2实施形态的矩形电池的横剖视图。
图4所示为本发明第3实施形态的矩形电池的立体图。
图5所示为沿图4中的V-V线的剖视图。
图6A至图6C所示为按次序示出该矩形电池制造工序的立体图。
实施发明的最佳形态
下面参照附图对本发明的最佳实施形态予以说明。图1所示为本发明第1实施形态的矩形电池的立体图，图2为沿图1中的II-II线的剖视图。该矩形电池在有基本正方形的横截面形状的有底长方体筒状电池壳体1的内部，装入有将公知的带状正极板与负极板其间夹着隔片卷成涡卷状而组成的电极组2，且注入电解液(未图示)，在电池壳体1的圆筒状开口头部3嵌入封口体4，然后将开口头部3的开口周边部分向内侧弯折压紧，这样就做成开口头部3被封口体4封闭的结构。
如图2所示，电池壳体1的截面形状为，构成截面形状为基本正方形的4个边的各侧板部分5呈分别以规定的曲率半径R1向外侧鼓出的平缓的圆弧状，同时，上述曲率半径R1与各侧板部分5的内侧面的中点C2至电池壳体1的截面中心点C1的距离r的关系，满足R1/r＝4-20的式子。
理想的是，电极组2在将分别为带状的正极板、负极板及隔片卷成涡卷状之后，利用金属模进行压缩成型，做成与电池壳体1的截面形状对应的截面大致矩形状，并以压入状态插入电池壳体1内。由此，电极组2在插入到电池壳体1内后，紧迫度稍许缓和，由于恢复到原来的圆形的复原力，稍许变形成鼓出的状态，相对各侧板部分5的内侧面分别紧密接触。
该矩形电池因为电池壳体1的各侧板部分5仅向外侧稍许鼓出，具有基本正方形的截面形状，所以，具有与已有的矩形电池基本相同的高的空间效率。此时，如果设定为R1/r＜4，则空间效率下降到与已有的圆筒型电池相同的程度。
而且，该矩形电池因为电池壳体1中的4个侧板部分5分别为预先向外侧鼓出的平缓的圆弧状，所以，当由于充放电时产生的气体及电极组2泡胀引起电池内压上升时，与有呈直线状平坦面的4个侧板部分的已有的矩形电池不相同，能可靠抑制电池壳体1的各侧板部分5变形成向外侧更鼓出的状态。此时，如果设定为R1/r＞20，就不能充分获得抑制上述侧板部分5向外侧鼓出的效果。
因此，由于该矩形电池能将电池壳体1因电池内压引起的变形抑制为极小，所以，电极组2中的最外周电极板与电池壳体1的内周面的接触电阻能维持在规定值，因此，不会发生作为电池的内阻增大这样的弊端。还有，该矩形电池其横截面形状与呈矩形的已有矩形电池相比较，与4个侧板部分5向外侧鼓出的量对应地容积增大，所以，在该增大的空间装入电解液等产生电能要素，能提高能量密度。另外，电池壳体1因为不是如上述已有的矩形电池那样发置厚壁部分，而是整体全部形成为一定的壁厚，却能防止侧板部分5的鼓出，所以，不会降低内容积。由此，该矩形电池在充放电时能流过较大的电流，能获得作为电池特性的大容量且高能量密度。
图3示出本发明第2实施形态涉及的矩形电池的横剖视图，在该图中，与图2相同或同等的部分标上相同的符号。该矩形电池的电池壳体7的横截面形状为大致长方形，具有相互相对的一对长侧板部分7a和相互相对的一对短侧板部分7b。
即，电池壳体7具有这样的截面形状：长侧板部分7a为分别以曲率半径R11向外方鼓出的平缓的圆弧形，并设定，长侧板部分7a的内表面中点C21至电池壳体7截面的中央点C3的距离r1与所述曲率半径R11之间满足式11/r1＝4-20的关系，短侧板部分7b为分别以曲率半径R12向外鼓出的平缓的圆弧形，并设定为，短侧板部分7b的内表面中点C22至电池壳体7的截面中央点C3的距离r2与所述曲率半径R12之间满足式R12/r2＝4-20的关系
因此，该矩形电池虽然将电池壳体做成截面长方形，但也与第1实施形态的矩形电池一样，当由于充放电时产生的气体或电极组2泡胀而引起电池内压上升时，能可靠抑制电池壳体7进一步向外鼓出变形，同时，因为能装入比已有的矩形电池较多的电解液等产生电能要素，所以充放电时能流过较大的电流，能获得作为电池特性的大容量且高的能量密度。
图4所示为本发明第3实施形态涉及的矩形电池的立体图，图5所示为沿图4中的V-V线的剖视图，在这些图中，与图1、图2相同的部分标上相同的符号。该矩形电池的电池壳体8与第1实施形态的一样有基本为正方形的横截面形状，在该电池壳体8的内部，收容着由众所周知的带状正极板和负极板其间夹着隔片卷成涡卷状而构成的电极组2，且注入电解液，在电池壳体8的圆筒状开口头部9内嵌入封口体4，然后将开口头部9的开口周边部分向内弯折压紧，于是开口头部9利用封口体4而成封闭结构。
电池壳体8的截面形状如图5所示，构成截面形状基本正方形的4条边的各侧板部分6分别以规定的曲率半径R1向外侧鼓出，呈平缓的圆弧形，同时，各侧板部分6的内表面中点C2至电池壳体8的截面中心点C1的距离r与曲率半径R1之间满足式R1/r＝4-20的关系。该形状本身与第1实施形态的电池壳体是一样的，但除了该形状之外还有，相邻两个侧板部分6的分界部分即4个棱角部分别形成为规定曲率半径R2的圆弧形状。该圆弧形状形成的横截面形状为，所述各侧板部分6的内表面中点C2至电池壳体8的截面中心点C1的距离r与所述曲率半径R2之间满足式R2/r＝0.3-0.8的关系。
因此，该矩形电池除了能获得与第1实施形态相同的效果之外，还因为设定为R2/r＞0.3，所以，当将多个矩形电池以并置状态装入电池组壳体组成电池组时，或者，装入电气设备的电池收容部内时，能预先防止发生电池之间相互接触而产生损伤或擦痕，同时，抑制因侧板部分6因电池内压上升而鼓起的效果也不会降低。此外，因为设定为R2/r＜0.8，所以，空间效率不会降低。
图6A-图6C所示为依次示出本发明矩形电池制造方法的工序图，作为例子，示出的是第3实施形态的矩形电池的制造工序，但第1和第2实施形态的矩形电池也可以经过相同的工序制造。首先，如图6A所示，将电池壳体8形成为具有与图5所示相同的基本正方形截面形状的有底长方体筒状的形状。电极组2是将均为带状的正极板和负极板以其间夹着隔片的重叠状态卷成涡卷状之后，压缩成形为与电池壳体8的截面形状相对应的截面基本正方形形状。该电极组2上，正极引出片11向上方伸出，而负极引出片(未图示)向下方伸出。这样的电极组2插入电池壳体8内。
电极组2插入电池壳体8内之后，从电极组2的中央孔插入焊接用电极棒，将负极引出片经电阻焊焊接在电池壳体8的底面上。接着，在电池壳体8内的电极组2的上端面上盖上绝缘板10。另外，在图6A中，为了便于图示，示出了在插入电池壳体8之前，在电极组2的上端面盖上了绝缘板10的状态。
接着，对电池壳体8的开口端附近部位，用金属模进行压缩成型，如图6B所示，形成圆筒状的开口头部9。再边使电池壳体8转动，边从与该电池壳体8的转动方向相反的方向将旋转的滚子模(未图示)按压在开口头部9的侧面，从而形成如图4所示的环形槽12，电极组2被固定在电池壳体8内。
接着，从电极组2的中央孔向电池壳体8内注入规定量的电解液。再对图6C所示的封口体4，通过电阻焊将正极引出片连接在它的连接片(未图示)上，将绝缘环(未图示)插入开口头部9内之后，将封口体4插入开口头部9内，放置在由于环状槽12而向电池壳体8的内侧鼓出的环状支承部上，在该状态下，通过对开口头部9进行向内侧弯折压紧的加工，于是开口头部9被封口体4紧密封闭，制成图4所示的矩形电池。
下面说明本发明人等实施的实验结果。首先，如下所述那样制作第1实施形态的矩形电池。即，在以氢氧化镍为主体的带状正极板与以氢吸留合金为主体的带状负极板之间夹入隔片后相互重叠，同时使正极引出片11从正极板的顶端向一方向伸出，并使负极引出片从负极板的顶端部向另一方向伸出，在该状态下，将正极板、负极板及隔片卷成涡卷状，构成电极组2。另一方面，电池壳体1将曲率半径R1设定为50mm，将距离r设定为11mm，形成R1/r＝4.5的截面形状。用该电极组2和电池壳体1，经过与图6A-图6C说明过的相同的工序，制作第1矩形电池。
此外，在制作第3实施形态的矩形电池时，做成与上述第1矩形电池所使用的相同的电极组2，另一方面，对电池壳体8，分别设定曲率半径R1为100mm，距离r为11mm，角部的曲率半径R2为4mm，形成R1/r＝9.1及R2/r＝0.36的截面形状。使用该电极组2和电池壳体8，经过与图6A-图6C说明过的相同的工序，制作第2矩形电池。
再制作第3、第4及第5矩形电池作为比较例用矩形电池。这些比较例的矩形电池如下述表1所示，是使用不满足本发明中的R1/r＝4-20及R2/r＝0.3-0.8的条件的各电池壳体制作的。上述5种电池壳体包括侧板及角部在内全部是均匀的0.26mm的壁厚。另外，上述各电池全部是镍氢电池。
将上述各矩形电池在25℃的周围温度下放置12小时之后，进行首次充放电(充电是以0.1C的电流值进行15小时，放电是以0.2C的电流值进行4小时)，检查了电池壳体的鼓出程度。该鼓出程度是这样求出的：在充电之前，测定电池壳体长度方向中央部分外侧面处的相对侧板部分中央点间的距离，接着进行充电，直到电池内压达到封口体4内的安全阀开始动作的15kgf/cm2的时刻为止，然后测定与上述相同部位的距离，再从充电后的距离中减去充电前的距离而求得。该试验结果在表1中示出，在表1中，将上述第1至第5电池简称为B1-B5，侧板部分的曲率半径记为上述的R1，角部的曲率半径记为上述的R2，数值的单位除了R1/r及R2/r之外全部是mm。
表1
  R1   R2     R1/r     R2/r     试验前    试验后   鼓出程度
    B1   50   -     4.5     -     22.00     22.95     0.95
    B2   100   4     9.1     0.36     22.00     22.73     0.73
    B3   -   4     -     0.36     22.00     23.65     1.63
    B4   250   -     22.7     -     22.00     23.60     1.60
    B5   100   2     9.1     0.18     22.00     23.55     1.55
从上述的试验结果可知，本试验的第1和第2矩形电池B1、B2其鼓出程度分别为0.95mm和0.73mm，与比较例的第3、第4及第5矩形电池的鼓出程度相比明显要小。这是由于使侧板部分向外侧鼓出，形成R1/r＝4-20范围内的适当的圆弧状，从而抑制了鼓出的缘故。
与此相对照，第3矩形电池B3，虽然在角部设有圆弧，但因为侧板部分是平的，所以鼓出程度为1.63mm，很大。此外，第4矩形电池B4由于侧板部分曲率半径很大(R1＝250mm)，是以R1/r＞20的条件鼓出的，所以，不能充分获得鼓出的抑制效果，鼓出程度为1.60mm，仍很大。还有，第5矩形电池B5，虽然侧板部分以4＜R1/r＜20之内的合适的范围向外侧鼓出成平缓的圆弧状，但因为角部形成为R2/r＜0.3圆弧，所以鼓出的抑制效果减小一半，鼓出程度为比第1和第2矩形电池B1、B2大的1.55mm。从此可以判明，如果使侧板部分以R1/r＝4-20的范围向外侧鼓出，同时使各角部的形状做成R2/r＝0.3-0.8范围内的圆弧状，能有效抑制电池内压上升时的鼓出。
产业上应用的可能性
如上所述，根据本发明的矩形电池，因为基本矩形的截面形状，以及与已有的矩形电池有基本相同的高空间效率的电池壳体的各侧板部分向外鼓出成平缓的圆弧状，所以，适合用于可靠抑制因充放电时产生的气体及电极组泡胀导致电池内压上升时引起的各侧板部分向外侧的变形。
此外，根据该矩形电池，因为内容积与侧板部分稍向外鼓出的量相对应地增大，所以，能在该增大的空间内装入电解液等产生电能要素，能提高能量密度，并且在将电池壳体形成为整个电池壳体的壁厚全部一定的情况下，也能防止侧板部分的鼓出，所以，即使在做成与已有的矩形电池基本相同的外形的情况下，内容积也不会减少，在充放电时流过大的电流，在获得作为电池特性的大容量且高能量密度方面是有用的。

Claims (5)

1.一种矩形电池，在长方体筒状的电池壳体(1、8)内装有电极组(2)及电解液，所述电池壳体的开口端由封口体(4)封闭，其特征在于，
所述电池壳体(1、8)具有这样的横截面形状：横截面形状为基本正方形的4个侧板部分(5、6)为分别以曲率半径R1向外鼓出的平缓的圆弧形，并且所述各侧板部分(5、6)的中点(C2)至所述电池壳体(1、8)的横截面中心点(C1)的距离r与所述曲率半径R1之间，满足式R1/r＝4-20。
2.根据权利要求1所述的矩形电池，其特征在于，具有这样的横截面形状：电池壳体(8)的各角部形成为有曲率半径R2的圆弧形状，并且所述距离r与所述曲率半径R2之间，满足式R2/r＝0.3-0.8。
3.根据权利要求1所述的矩形电池，其特征在于，电极组(2)的横截面形状形成得与电池壳体(1、8)的横截面对应。
4.一种矩形电池，在长方体筒状的电池壳体(7)内装有电极组(2)及电解液，所述电池壳体(7)的开口部由封口体(4)封闭，其特征在于，
所述电池壳体(7)具有这样的横截面形状：横截面形状为基本长方形的相对的一对长侧板部分(7a)为分别以曲率半径R11向外鼓出的平缓的圆弧形，所述长侧板部分(7a)的中点(C21)至所述电池壳体(7)的横截面中央点(C3)的距离r1与所述曲率半径R11之间满足式R11/r1＝4-20，同时，横截面形状为基本长方形的相对的一对短侧板部分(7b)为分别以曲率半径R12向外鼓出的平缓的圆弧形，所述短侧板部分(7b)的中点(C22)至所述电池壳体(7)的横截面中央点(C3)的距离r2与所述曲率半径R12之间满足式R12/r2＝4-20。
5.根据权利要求4所述的矩形电池，其特征在于，电极组(2)的横截面形状与电池壳体(7)的横截面形状相对应地形成。
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