JP2000030676A

JP2000030676A - 二次電池

Info

Publication number: JP2000030676A
Application number: JP10198390A
Authority: JP
Inventors: Morio Kobayashi; 守夫小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2000-01-28

Abstract

(57)【要約】【課題】冷熱繰り返しや運転による振動・衝撃および電
解液に耐え、長期間使用できる電解液封入二次電池の電
池ケースと蓋の気密構造を改善し、寿命の長い高品質の
二次電池を提供する。【解決手段】二次電池の円筒形金属ケースの基円筒部の
開口端部に拡管段部を設け、一方、プラスチック蓋の外
周鍔部内側に円筒状のストッパー部を設け、前記ケース
拡管段部と前記蓋の鍔部内側とストッパー部とで形成さ
れた凹み部間に弾性体Ｏリングを設置してアキシャル方
向に圧縮密閉すると共に、前記蓋外周鍔部外側に弾性体
パッキンを介してケース開口端部をカーリングにより、
パッキンをアキシャル方向に圧縮密閉した２重シール構
造の二次電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車，電動
カート等の移動体機器，停電時のバックアップ機器，電
力貯蔵用機器、及びセキュリテイ機器等の製品の電源と
して長期間にわたって使われる１０Ｗｈ以上の中形およ
び大形の電解液封入二次電池の電池ケースからの電解液
の漏れ防止を図る密閉構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電解液二次電池の電池ケースの密
閉構造は、小型電池においては図３に示すように、正極
・負極・セパレータからなる巻回電極群３０を円筒形金
属ケース３２に挿入し、円筒形金属ケースの開口端近傍
をネッキング加工により段付部３２ａを形成し、一方の
電極に接続された安全装置付金属封口板３３をポリプロ
ピレン（ＰＰ）等の高分子材料のガスケット３４を介在
させ、前記段付部とケース開口端部のクリンプ３２ｂに
より圧縮固定していた。

【０００３】また、中・大形電池においては特開平9−9
2241号公報に紹介されているように、図４で説明する
と、円筒形金属ケース４２の開口端に封口板である金属
の穴あきキャップ４３を全周溶接し、キャップの穴周囲
をポリプロピレン等の高分子材料のリング４４を介し、
穴の両側をセラミック材のワッシャ４５で挟んで電気絶
縁し、一方の電極に接続された心棒付円板状電極端子４
６を前記キャップ穴に貫通させ、電極端子の内部円板部
４６ａとキャップの間にＯリング４７を介して貫通した
電極端子の心棒雄ねじ部４６ｂに外部セラミックワッシ
ャ側よりナット４８をねじ込み、円板部をキャップ側に
締め付けてＯリングで圧縮密封させていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記小
形電池の例に示すように、封口板を高分子材料のガスケ
ットを介してクリンプする方法では、弾性範囲の小さい
ＰＰ等のプラスチック材料のガスケットが弾性圧縮され
た状態で保持されるので、長期間の使用によりプラスチ
ックがクリープ変形したり、通常使用温度範囲、たとえ
ば−３０℃〜６０℃においてプラスチック材と金属のケ
ースや封口板の熱膨張率の差によってシール部に隙間が
生じ、電解液の漏れることがあった。

【０００５】また、電池組立工程において巻回電極群を
ケースに挿入した後に、封口板を保持する段付部をネッ
キング加工し、さらにケース開口端をクリンプ加工する
ため、電極群を痛めないよう注意しながらの密封作業が
わずらわしく、シール部材であるガスケット圧縮寸法の
加工管理も難しかった。

【０００６】また、特開平9−92241号公報は、弾性の無
い金属封口板キャップおよびキャップを挟んだセラミッ
クワッシャを、Ｏリングを介して心棒付円板状電極端子
とナットでねじ締結したものであり、ねじの締結摩擦力
のみにケースのシール性が委ねられている。

【０００７】したがって、使用時の振動や冷熱繰り返し
によるねじ締結部の緩みが発生し、電解液が漏れる心配
がある。さらに長期間の使用により、Ｏリングが電解液
に浸されて膨潤変形し、弾力性を失いシール性が損なわ
れるという問題がある。電解液が漏れて電池内の電解液
が不足すると、充電電気容量が減って電池寿命が短くな
るばかりでなく、漏洩した電解液は腐食性があるので電
池容器や周辺の機器を腐食させるという問題を発生す
る。

【０００８】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、生産性が
高く、しかも密封性の高い電池ケース・蓋密封構造によ
り長期間の使用に耐える高品質の二次電池を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、帯状の正極および負極をセパレータを介し
て巻回した電極群と電解液からなる発電要素を、円筒形
金属ケース内に収納し、シール材を介してプラスチック
蓋で密封する二次電池において、前記円筒形金属ケース
は開口端近傍に拡管段部を設け、前記プラスチック蓋は
外周鍔部の内側にＯリングの圧縮量を制限するストッパ
ーを設け、該ストッパーと外周鍔部とで形成される凹み
部に弾性体Ｏリングを設置し、前記ケース段部と前記蓋
の鍔部間をＯリングで圧縮密閉すると共に、蓋の鍔部外
側とケース開口端部のカーリング間に弾性体パッキンを
介して圧縮密閉し、蓋を固定したものである。

【００１０】また、本発明の二次電池は、プラスチック
蓋の外周鍔部の両側に、弾性体Ｏリングおよび弾性体パ
ッキンを介してケースとの間に互いに反発するようにし
た上述構成の二次電池である。

【００１１】また、本発明の二次電池は、弾性体Ｏリン
グおよび弾性体パッキンがエチレン・プロピレン・ジエ
ンゴム（ＥＰＤＭ）またはフッ素系ゴムである上述構成
の二次電池である。

【００１２】斯かる本発明によれば、円筒形金属ケース
の段部と蓋の鍔部間にＯリングを圧縮シールによる第１
の密封構造と、ケース開口端のカーリング部と蓋の鍔部
間にパッキンを介して圧縮した第２の密封構造による、
互いに圧縮力を及ぼし合う２重シール構造としたのでシ
ール性を高め、長期間の使用に耐える二次電池を提供す
ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる二次電池の
一実施例を、リチウムイオン二次電池を例にして図面を
参照しながら説明する。図１，図２は、本発明の二次電
池の一実施例を示す構造縦断面図であり、図中の一点鎖
線は円筒形金属ケースの開口端をカーリングする前の断
面図である。同図において、１は正極であり、帯状のア
ルミ箔からなる正極集電体２の両面に無機リチウムイン
ターカレーション・デインターカレーション材料を正極
活物質とする正極合剤３（例えば活物質としてLiMn₂O₄,
ＬｉＣｏＯ₂，ＬｉＮｉＯ₂等、導電材としてカーボン，
結着剤としてポリフッ化ビニリデンを混合調整したも
の）を塗布プレスして保持させたものである。

【００１４】４は負極であり、帯状の銅箔からなる負極
集電体５の両面にリチウムインターカレーション・デイ
ンターカレーションのカーボン材料を負極活物質とする
負極合剤６（例えば活物質として黒鉛や非晶質炭素，結
着剤としてポリフッ化ビニリデンを混合調整したもの）
を塗布プレスして保持させたものである。７はセパレー
タであり、ポリエチレン、またはポリプロピレン等の熱
可塑性樹脂の微多孔性薄膜もしくは不織布からなる。な
お、ポリエチレンフィルムは温度が上昇した時、フィル
ム自身の溶融によって前記微多孔が閉じるシャットダウ
ン開始温度が約１３０℃であり、ポリプロピレンフィル
ムのシャットダウン開始温度は約１５０℃である。つま
り、電池が内部短絡や外部短絡等の異常状態により温度
上昇した場合に、セパレータの熱可塑性樹脂が溶けて微
多孔や不織布の目詰まりを生じて、正負極間のイオンの
移動を遮断することにより電池の電流を遮断し、電池を
保護する働きがある。

【００１５】上記正極１と負極４はセパレータ７を介し
て対向した状態で渦巻き状に巻回され、電極群１０を形
成している。この場合、セパレータ７は正極１，負極４
よりも若干幅広く巻かれており、さらに巻芯部および巻
き終り部において数回セパレータ７単独で巻かれてお
り、正極，負極間及び電極群周囲との電気絶縁性を持た
せている。この電極群１０は電解液（図示せず）に浸漬
されて発電要素となる。上記電解液は、ＬｉＰＦ₆，Ｌ
ｉＢＦ₄，ＬｉＣｌＯ₄，ＬｉＡｓＦ₆等のリチウム塩を
電解質として有機溶媒（プロピレンカーボネート，エチ
レンカーボネート，ジエチルカーボネート，ジメチルカ
ーボネート等の単独または混合物）に溶解したものが使
われる。

【００１６】２０はステンレス鋼，ニッケルめっき鉄，
ニッケルめっき銅やアルミニウム等の金属からなる円筒
形金属ケースで、上記電極群１０および電解液からなる
発電要素が収納される基円筒部２０ａと、開口端側の径
を大きくした拡管段部２０ｂを形成している。図１の拡
管段部２０ｂは水平の場合であり、図２の拡管段部は傾
斜している場合を示している。

【００１７】また、ケースの缶底部２０ｃには切り込み
溝等の弱点部を有する安全弁２２が設けられており、電
池ケース内の圧力が異常温度上昇により高圧になった場
合に開裂し、密閉電池ケースの爆発を防止する。安全弁
２２の作動圧力としては、密閉電池ケース内温度と、密
閉ケース・蓋構造部の耐圧強度から決定され、先に安全
弁が開放する１０kg／cm² 前後が望ましい。２１はプラ
スチック製の蓋で、外周鍔部２１ａの内側に円筒形のス
トッパー部２１ｂを設け、外周鍔部２１ａとストッパー
部２１ｂとで形成される凹み部には弾性体Ｏリング１７
が設置される。

【００１８】蓋２１は耐熱性や耐電解液性を必要とし、
熱硬化性のフェノール樹脂や熱可塑性樹脂のポリフィニ
レンサルファイド（ＰＰＳ）が適している。蓋２１は、
円筒形金属ケース２０の開口端より挿入され、拡管段部
２０ｂとの間に弾性体のＯリング１７を介して、ストッ
パー部２１ｂが拡管段部２０ｂに当たるまで押し込ま
れ、Ｏリングの圧縮力によってケース２０と蓋２１間が
密閉される。ストッパー２１ｂはＯリング１７の圧縮量
を制限し、シールに最適な圧縮量である１０〜３０％に
保つことが望ましい。

【００１９】さらに、蓋２１の外周鍔部２１ａの外側と
ケース開口端のカーリング２０ｄ間には弾性体パッキン
１８を介して、ケース２０・蓋２１間が圧縮密閉されて
いる。蓋の外周鍔部２１ａの内側と外側に配置されたＯ
リング１７とパッキン１８の弾性力は、互いに反発しあ
いケース２０とのシールを保つ。弾性体のＯリング１７
およびパッキン１８は耐電解液性で、しかも弾性範囲の
大きいエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）
またはフッ素系ゴムなどのゴム材が適している。正極端
子１４，負極端子１５および銅管からなる電解液を注入
する注入管１６は、蓋２１に貫通してインサート成形に
より密封固定されている。

【００２０】また、ケース２０内の缶底部２０ｃ側には
電池内充電部とケースとの電気絶縁性を保つために、絶
縁板１３が設置されている。絶縁板は安全弁の動作を阻
害しないように安全弁の位置する場所は穴が開けられて
いる。８は短冊形アルミニウム材の正極リードであり、
正極１の正極集電体２とアルミニウム材の正極端子１４
に溶接等により接続されている。９は短冊形ニッケル材
又は銅材の負極リードであり、負極４の負極集電体５と
ニッケル又は銅材の負極端子１５に溶接等により接続さ
れている。なお、正極リード８および負極リード９は中
・大形電池となると１本では電流容量が取れないので、
複数個のリード線を接続する必要がある。

【００２１】１２は円筒形状の絶縁デスタントであり、
電極群１０と蓋２１間に、正極リード８および負極リー
ド９を絶縁分離する分離板１２ａを円筒内に設けて各極
リード線を収納する独立空間を確保すると共に、電極群
１０が電池ケース内で移動しないように抑えている。し
たがって、複数個からなる正極リード８および負極リー
ド９は、お互いに分離板１２ａにより分離されており、
接触することなしに絶縁が保たれる。

【００２２】次に、本発明による二次電池の製造および
組立方法について説明する。円筒形金属ケース２０はイ
ンパクト成形や深絞り成形により有底円筒缶を作り、次
に開口端部をプレス等により拡管し、拡管段付部から開
口先端部までの寸法を決めて端面をカットする。さらに
缶底部２０ｃにプレスにより弱点部を刻印して安全弁２
２をつくる。つまり、素缶の状態で、カーリング以外の
全てのケースの加工をしてしまうので、寸法精度が高
く、後の組立性の良いケースが得られる。蓋２１は、正
負極端子１４，１５および注入管１６を蓋２１の両面に
貫通した形でプラスチックインサート成形し、電極端子
と注入管を密封固定する。つまり、正負極端子１４，１
５および注入管１６は、プラスチック蓋２１との密閉性
を保つと共に、一体射出成形により安価に製造される。
蓋２１の外周鍔部２１ａとストッパー部２１ｂにより形
成された凹み部にはＯリング１７を設置しておく。

【００２３】電池の組立は、帯状の正極１および負極４
をセパレータ７を介して渦巻状に巻回しながら正極リー
ド８，負極リード９を各極の集電体にスポット溶接また
は超音波溶接により取り付けて、巻き上げる。巻回され
た電極群１０は外周部をテープ等で固定し、正極リー
ド，負極リードをそれぞれ１列に束ねて蓋２１に固定さ
れた正極端子１４，負極端子１５に溶接等により接続す
る。つぎに、ケース内に絶縁板１３，電極群１０，絶縁
デスタント１２を挿入し、蓋２１をケース２０の開口端
に、ストッパー部２１ｂが拡管段部２０ｂに突き当たる
まで圧入し、蓋の外周鍔部２１ａ外側にパッキン１８を
介してカーリング加工のみにより密閉固定する。したが
って、電極群１０をケース２０に納めてからの作業に薄
いセパレータによって絶縁されている電極群を痛める心
配がなく、作業歩留まりが良い。最後に注入管１６から
電解液を注液し、注入管の端部をプレスにより潰して閉
塞してから注入管の先端部を溶接密封する。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、円筒
形金属ケース２０は、基円筒部２０ａに拡管プレスによ
りさらに径の大きい拡管段部２０ｂを設けたので、蓋２
１を固定するための段が素缶の状態で既に形成されてお
り、組み立て工程において、ケース２０に電極群１０を
挿入後、蓋を固定するための円筒ケースの径を細くする
ネッキング加工が必要ない。さらに、素缶の状態で蓋を
カーリングするための拡管段部から開口端までの長さ寸
法を決めて切断するため、カーリングの寸法精度が良
く、カーリング部の密封品質が向上する。また、ケース
２０と蓋２１間の密封は、第１の密封をケース拡管段部
２０ｂと蓋外周鍔部２１ａ内側間に弾性体Ｏリング１７
をアキシャル方向に圧縮して行い、第２の密封を蓋外周
鍔部２１ａ外側に弾性体パッキン１８を介してケース開
口端をカーリング２０ｄ加工してアキシャル方向に圧縮
密閉したので、シール材が互いに反発しあう２重シール
となり、密閉信頼性が向上する。

【００２５】つまり、２つの弾性体によって同一方向に
圧縮シールするので、弾性圧縮寸法範囲が大きくなり、
カーリングの寸法精度が多少ばらついても十分吸収でき
る。また、第１のＯリングのシールによって電解液はシ
ールされており、第２のパッキンシール部には通常電解
液が接触しないので、電解液に対するゴム弾性体の耐力
寿命は飛躍的に延びる。万一、第１のＯリングシールが
破れた場合でも、そこからは第２のパッキンシールのみ
により密封性は保たれ、電池特性には支障がない。

【００２６】さらに、蓋にストッパー部２１ｂを設けた
ので、Ｏリング１７の圧縮量を制限して適正圧縮量にす
ると共に、Ｏリングが蓋から外れるのを防止する。長期
間の使用により、Ｏリングが電解液によって膨潤変形し
た場合にも、ストッパー部２１ｂはバックアップリング
の役目を果たし、Ｏリングの変形を阻止して弾性による
シールを保つと共に、Ｏリングが弾性力を失った場合に
も、ストッパーが拡管段部２０ｂに当たって蓋が固定さ
れ、パッキン１８とカーリング２０ｄのシールが緩むこ
とがない。

【００２７】また、金属ケースを塑性加工のカーリング
によって変形させて蓋を固定したので、長期使用による
振動等によっても緩むことはない。また、弾性体Ｏリン
グおよび弾性体パッキンの材料を、弾性範囲が広く、耐
電解液性のエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤ
Ｍ）またはフッ素系ゴムとしたので、圧縮寸法の許容範
囲が大きく取れると共に、電解液に膨潤しにくく、クリ
ープ変形の少ない安定した弾力性による密封が長期間に
わたって得られる。したがって、長期間使用される電解
液二次電池の密閉性が飛躍的に向上し、電池の寿命が延
び、安定した電池特性が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の二次電池の一実施例を示す構造断面図
である。

【図２】本発明の二次電池の一実施例を示す構造断面図
である。

【図３】ガスケットを介してクランプ法による密閉構造
の従来例を示す断面図である。

【図４】Ｏリングのねじ締め付けによる密閉構造の従来
例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…正極、２…正極集電体、３…正極合剤、４…負極、
５…負極集電体、６…負極合剤、７…セパレータ、８…
正極リード、９…負極リード、１０…電極群、１２…絶
縁デスタント、１２ａ…分離板、１３…絶縁板、１４…
正極端子、１５…負極端子、１６…注入管、１７，４７
…Ｏリング、１８…パッキン、２０…ケース、２０ａ…
基円筒部、２０ｂ…拡管段部、２０ｃ…缶底部、２０ｄ
…カーリング、２１…蓋、２１ａ…外周鍔部、２１ｂ…
ストッパー部、２２…安全弁、３０…巻回電極群、３
１，４１…リード、３２，４２…円筒形金属ケース、32
ａ…ネッキング段付部、３２ｂ…クリンプ、３３…封口
板、３４…ガスケット、４０…巻回電極群、４３…キャ
ップ、４４…リング、４５…セラミックワッシャ、４６
…電極端子、４６ａ…円板部、４６ｂ…心棒雄ねじ部、
４８…ナット。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】帯状の正極電極および負極電極をセパレー
タを介して巻回してなる電極群と電解液とからなる発電
要素を、円筒形金属ケース内に収納し、プラスチック蓋
で密封する二次電池において、前記円筒形金属ケースは
開口端近傍に拡管段部を設け、前記プラスチック蓋は外
周鍔部の内側にＯリングの圧縮量を制限するストッパー
を設け、該ストッパーと外周鍔部とで形成される凹み部
に弾性体Ｏリングを設置し、前記ケース段部と前記蓋の
外周鍔部間をＯリングで圧縮密閉すると共に、蓋の外周
鍔部外側とケース開口端部のカーリング間に弾性体パッ
キンを介して圧縮密閉したことを特徴とする二次電池。
【請求項２】プラスチック蓋の外周鍔部の内側には弾性
体Ｏリングを、外周鍔部の外側には弾性体パッキンを介
して円筒形金属ケースとの間に、Ｏリングとパッキンが
互いに反発力を及ぼすように圧縮して、ケースと蓋を密
閉したことを特徴とする請求項１記載の二次電池。
【請求項３】弾性体Ｏリングおよび弾性体パッキンがエ
チレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）またはフ
ッ素系ゴムであることを特徴とする請求項１記載の二次
電池。