JP2000294201A - 密閉型角薄形電池 - Google Patents

密閉型角薄形電池

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JP2000294201A
JP2000294201A JP11096339A JP9633999A JP2000294201A JP 2000294201 A JP2000294201 A JP 2000294201A JP 11096339 A JP11096339 A JP 11096339A JP 9633999 A JP9633999 A JP 9633999A JP 2000294201 A JP2000294201 A JP 2000294201A
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Koji Yoshizawa
浩司 芳澤
Kazunori Haraguchi
和典 原口
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ケースの変形を効果的に抑えるこ
とで薄型・軽量化が図れ、かつ生産性や電池特性を維持
した密閉型角薄形電池を提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明の密閉型角薄形電池は、角薄形ケ
ース内に極板群を収納した角薄形電池であって、前記短
辺部分はその断面中央部がケース内側に向かって凹状に
形成されたものである。凹部の深さをdとし、短辺側の
ケース板厚をtとしたとき、d/tは0.1〜10であ
ることが好ましい。さらに、角薄形ケースの材質はアル
ミニウム、アルミニウム合金、鉄ニッケルメッキ鋼板か
ら選ばれることが好ましい。角薄形ケース内に収納した
極板群の断面が長円形であれば、ケースコーナー部の隙
間を利用し電解液の注液をより生産性よく行うことがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、密閉型角薄形電池
の構造、特にケース形状に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、AV機器、パソコン等のコードレ
ス化、ポータブル化に伴いその駆動用電源である電池に
対し、小型、軽量、高エネルギー密度化の要望が強まっ
ている。特にリチウム二次電池は高エネルギー密度を有
するため、次世代の主力電池として期待され、その潜在
的市場規模も大きい。また電池の形状については通信機
器をはじめとする機器の薄型化に伴い、あるいは機器内
のスペースの有効利用の観点からよりデッドスペースを
小さくできる、角薄形形状の電池の要望が高まってい
る。
【0003】上記の要望に応じて角薄形形状の電池を小
型・軽量化する方法として電池ケースの変更により実現
する方法、例えば、電池ケースの板厚の薄肉化や、従来
使用していた鉄やステンレスなどの比重の比較的大きな
材料からアルミニウムなどの比重が比較的小さい材料へ
の変更が試みられている。これらの手法は電池の発電要
素である電極活物質などを変更しないので、基本的に電
池容量の低下や電池特性の変化を伴わないため、比較的
短期間で開発を行うことができ、有望な手法である。し
かし一方、電池ケースの薄肉化や、鉄やステンレス材料
からアルミニウムなどの軽量化材料への変更はいずれも
ケース強度を低下させるため、安易な軽量化は重大なト
ラブルを引き起こすおそれがある。
【0004】通常、強度の高い材料は鉄など比較的比重
の大きいものが多く、電池重量が重くなる点で好ましく
ない。また、比較的比重の小さい材料を用いると、アル
ミニウムなど強度が低いものが多く、その場合、電池ケ
ースの板厚を厚くすることで強度は確保できるが、結果
として電池厚みが厚くなり重量も増加する。つまり、比
重と強度の両方を満足する適当な材料が見あたらないた
め、角薄形電池に要望されている軽量化・薄型化は材料
の選択だけでは達成が難しい。
【0005】電池ケースの強度は一定値以上が必要であ
るが、この値は主に2つの観点から決定される。一つ目
は、ガス発生による電池内部の圧力(以下、内圧と呼
ぶ)の上昇に対し、ケースの変形を許容できる範囲以下
に抑えるために必要な強度である。たとえば、電池が高
温下で長期間放置された場合、電池内で電解液などが分
解されてガスが発生し、内圧が上昇することがある。こ
のとき、ケース強度が十分でないとケースが膨らみ、電
池厚みが増加する。この電池厚みの増加は電池を収納す
る機器に損傷を与えることがあり、重大なトラブルを引
き起こすおそれがある。
【0006】二つ目は、電極の体積膨張による電池内圧
の上昇に対し、ケースの変形を許容できる範囲以下に抑
えるために必要な強度である。通常、充放電反応によっ
て正・負それぞれの極板は体積膨張と収縮を繰り返す
が、体積膨張に伴って電池ケースが膨れると上記のよう
に電池を収納する機器への影響が考えられる。また、一
旦ケースが膨れると、電極が体積収縮した際にはケース
と極板群の間、さらにはセパレータを介して正極板と負
極板の間に隙間が空き、これが電池の内部抵抗を上昇す
る原因になる。内部抵抗が上昇すると特に強負荷放電時
に電池容量が著しく低下するなどの問題が生じる。特
に、最外周の電極とケースが接触により終電をとる方式
の電池においては、加圧力が低下することで接触抵抗が
増大し結果として電池の電気特性が低下する。また、電
池のサイクル寿命にも極板への加圧力は著しく影響し、
加圧力が弱まるとサイクル寿命が低下する。以上2つの
理由から必要なケース強度が決定されるが、なるべく強
くすることが望まれる。
【0007】このような問題を解決するために従来で
は、特開昭62−93854号公報に記載されるように
ケースの一部に肉厚部を設ける補強構造にすることや、
特開平7−326331号公報に記載されるように角薄
形ケースのコーナー部分の厚みを厚くする手法などが提
案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】特開昭62−9385
4号公報に記載されるようにケースの一部に肉厚部を設
ける補強構造にすることで変形を少なくするという効果
は得られる。しかし、ケースの一部を厚くするとケース
の断面積は増加することになり薄型化の観点では不十分
である。
【0009】また、特開平7−326331号公報に記
載されるように角薄形ケースのコーナー部分の厚みを厚
くする手法は、ケースのコーナーに存在する隙間を有効
に活用しケース変形を抑えようとするものだが、このよ
うにするとケース内空間のうち、「極板群により占有さ
れる空間以外の空間」が少なくなる。通常、電池を作製
する工程では、電解液の注入は電池ケースに極板群を挿
入した後に行うが、その際に上記した「ケース内の極板
群により占有される空間以外の空間」が少ないと、極板
群の上部に注入した電解液と極板群が内包する空気がう
まく置換されず、電解液が極板群内部にまで行き渡らな
いという不都合を生じる。また、従来、この隙間に適量
の過剰な電解液を注入することで、充放電の繰り返しに
つれて電解液が分解されて起こる液枯れを抑制するとい
う効果を有していたが、これも不可能となる。
【0010】本発明は、このような課題を解決しケース
の変形を効果的に抑えることで薄型・軽量化が図れ、か
つ生産性や電池特性を維持した密閉型角薄形電池を提供
することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の密閉型角薄形電
池は、角薄形ケース内に極板群を収納した角薄形電池で
あって、前記角薄形ケースの短辺部分はその断面中央部
がケース内側に向かって凹状に形成されたものである。
本発明の構成により、同じ板厚で凹状に形成しないケー
スと比較してケース強度を増加させることができる。こ
のことによりケース重量を増加させることなく、また電
池内容積を顕著に小さくすることなくケース強度を確保
し電池のより一層の薄型・軽量化を達成するものであ
る。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の密閉型角薄形電池は、角
薄形ケース内に極板群を収納した角薄形電池であって、
前記角薄形ケースの短辺部分はその断面中央部がケース
内側に向かって凹状に形成されたものである。その際、
前記断面中央部の凹部の深さをdとし、短辺部分のケー
ス板厚をtとしたとき、d/tは0.1〜10であるこ
とが好ましく、更に0.2〜1.0が好ましい。また、
前記角薄形ケースの材質はアルミニウム、アルミニウム
合金、鉄ニッケルメッキ鋼板からなる群から選ばれる1
種であることが好ましいが、その性質が変わらなければ
他の元素が混入しても構わない。また、角薄形ケース内
に収納した極板群の断面が長円形であれば、ケースコー
ナー部の隙間を利用し電解液の注液をより生産性よく行
うことができる。
【0013】本発明によれば、ケースの変形を効果的に
抑えることができ、電池の薄型化・軽量化が図れ、かつ
生産性や電池特性を維持した密閉型角薄形電池を提供で
きる。
【0014】
【実施例】以下本発明の実施例を、図面を参照しながら
説明する。図1に本実施例の角薄形非水電解液電池の構
造断面図を示した。(a)は従来のケースで電池の短辺
側及び長辺側ともに同じ板厚のケースを用いたものであ
る。(b)は短辺側のみ板厚を1.5倍に増加させた場
合である。(c)は本発明の角薄形電池で、板厚は同じ
で短辺側のみケースの中心に向かって変形させたもので
ある。図中に示した1はアルミニウム合金製のケース、
2は極板群、3は極板群とケースの4隅とのスペースで
ある。t1は短辺側の板厚、t2は長辺側の板厚、dは
短辺側ケースの内側への変形寸法である。(a)、
(b)及び(c)において電池外形はすべて同一寸法
で、長辺側のケース板厚も同一厚みである。また、
(b)と(c)において図に示したようにd=1/2・
t1とし、断面が長円形の極板群の場合は同一の極板群
体積となるので、電池放電容量が同一となる。(a)の
場合は極板群の長辺側の長さを1/2・t1分だけ増加
させることができるので、厳密にいえば電池容量が増加
する。
【0015】それぞれの電池に使用した電池ケースの強
度を測定した結果を図2に示す。測定は、ケース内に水
圧を加えていきそのとき最も膨れた場所の厚み変化量
(ケースの中心部で短辺方向の厚み変化量)を測った。
この図から明らかなように(a)と比較して(b)、
(c)は内圧に対して膨れ(変形)が小さくケース強度
が上昇していることがわかる。すなわち、短辺側のケー
ス厚みのみを増加させても長辺側のケース膨れ(変形)
が抑えられることがわかる。さらに、(b)と(c)を
比較すると内部圧力が比較的小さい領域ではほとんど同
じであるが、本実施例の場合は内圧が3kg/cm2以上にな
ると差が明らかとなり本発明のケースに強度増加の効果
が現れることがわかる。このことは本発明の形状におい
て、ある一定までケース中心の膨れが進行した後は、急
激に内圧増加に対する膨れの進行を抑制できることを示
している。この現象を利用すれば以下のことが可能とな
る。たとえば図3に示すようなあらかじめ中心の膨れた
ケースを用いて、膨れ部の内容積を有効に利用して極板
群を詰め込むと、これ以上のケース膨れは抑制できるの
で結果的に高容量で膨れ抑制された電池が設計可能とな
る。以上のことから、本発明の(c)の場合は、(b)
と比較しケース強度を同等以上に高めることができると
同時に、ケース板厚を増加することがないのでより軽量
化する事ができる。比較のために、(c)と同じケース
強度を得るように短辺側・長辺側ともにケース板厚を単
純に増加させると極板群の収納スペースが(c)の場合
より小さくなり、結果として電池容量は少なく、重量の
重い電池となる。
【0016】図4に本実施例の角薄形非水電解液電池の
構造断面図を示した。1はアルミニウム製の角薄形ケー
ス、2は極板群で正極板と負極板とをセパレータを介し
て巻き回し、長円形にプレス圧縮されたものである。4
はアルミニウム合金製の封口板蓋板で正極板集電リード
と接合され、1の角薄形ケースとレーザー溶接されてい
る。安全弁用の穴部が封口板蓋板に開けられその下面に
アルミニウム製の薄膜5がクラッド圧延されている。6
は封口板にあけられた注液口を封止する栓で封口板蓋板
とレーザー溶接されている。7はニッケルメッキされた
鉄製の端子を兼ねたリベットで負極板集電リードと溶接
されている。正極板は、活物質であるLiCoO2に導電剤と
してカーボンブラックを、結着剤としてポリ四フッ化エ
チレンの水性ディスパージョンを固形分の重量比で10
0:3:10の割合で混合したものをアルミニウム箔の
両面に塗着、乾燥し、圧延した後所定の大きさに切断し
たものである。これにアルミニウム製の正極リード板を
溶接している。負極板は、炭素質材料を主材料とし、こ
れとスチレンブタジエンゴム系結着剤とを重量比で10
0:5の割合で混合したものを銅箔の両面に塗着、乾
燥、圧延した後所定の大きさに切断したものである。こ
れに、ニッケル製の負極リードを溶接している。セパレ
ーターはポリエチレン製の微多孔フィルムである。正極
板と負極板とをセパレータを介して巻き回し上面が長円
形の極板群に整形する。極板群のリードを封口板に溶接
し角薄形電池ケースに挿入し、封口板とケースをレーザ
ー溶接により封口する。次に電解液を注液口から所定量
注液する。本実施例では、注液口に先端にゴム製のリン
グが取り付けてあるパイプを差し込む。パイプは3方コ
ックが備えてあり一方は電池に、一方は真空ポンプに、
もう一方は電解液が入ったポンプに接続されている。パ
イプを通して電池内を真空ポンプで減圧に引く。次にコ
ックを切り替え電解液をポンプから注入する方法で注液
を行った。一度電池内を減圧に引くことで電解液の注入
が容易になる。電解液には、エチレンカーボネート(E
C)とジエチルカーボネート(DEC)をモル比で1:
3で混合した溶媒に溶質として六フッ化リン酸リチウム
を1モル/lの濃度で溶解したものを用いた。
【0017】図1に示した3種類のケースを用いて角薄
形電池を上述の方法で試作し、サイクル寿命試験を行っ
た。サイクル条件は放電が1Cの定電流放電で終止電圧
3.0Vとした。レスト時間を20分おいた後に4.1
Vの定電圧・定電流充電(最大電流1.0C、充電時間
2時間)を行った。1C容量はいずれの電池も500m
Ahとした。図5にサイクル寿命試験結果を示した。図
の横軸にサイクル回数、縦軸には、初期容量に対する各
サイクル経過時の残存容量比を示した。図より明らかな
ように(a)に比較して(b)、(c)はサイクル寿命
が増加していることがわかる。このことは(a)のケー
ス強度に対して(b)、(c)のケース強度が高いこと
で極板群に加わる圧力が増加し、サイクルに伴って生じ
る正・負極板の密着性の低下が抑制されたことによるも
のと考えられる。サイクルに伴って電池内部ではガス発
生など多少の副反応が生じ電池内部圧力は上昇する。ま
た、極板も膨張していく。これらのことでケースは膨ら
みサイクルに伴って徐々に電池厚みは増加する。(b)
と(c)を比較するとサイクル初期はほぼ同等であるが
サイクル末期に近づくと差が生じる。このことは前述し
たように(b)と(c)のケース強度がある一定値まで
はほぼ同等でそれ以上になると(c)のケース強度が増
加することに対応しているものと考えられる。電解液の
注液に関して本実施例では前述したように以下の方法で
行った。注液口に先端にゴム製のリングが取り付けてあ
るパイプを差し込む。パイプは3方コックが備えてあり
一方は電池に、一方は真空ポンプに、もう一方は電解液
が入ったポンプに接続されている。パイプを通して電池
内を真空ポンプで減圧に引く。次にコックを切り替え電
解液をポンプから注入する方法で注液を行った。このと
き、一度に注液できる量では電池特性上不十分で、この
操作を数回繰り返し所定の電解液量を注液している。図
1から明らかなように(b)と(c)ではケース4隅と
極板群にできるスペース3に顕著な違いがあり(b)に
比べ(c)は大きなスペースを確保することができる。
このことは注液工程で生産性に差が生じ、本実施例では
(b)の場合では5回繰り返した注液工程を(c)の場
合は3回で所定の注液量を確保できる。また、スペース
の大きい分電解液の注液量を増やすことも可能で、増液
による電池特性の改良も期待できる。
【0018】次に、凹部の深さをdとし、短辺側のケー
ス板厚をtとしたとき、d/tは0.1〜10であるこ
とが好ましい理由を説明する。種々のd/t値を持った
ケースを作成し電池を構成した。図6にそれら電池のサ
イクル寿命を示した。横軸にはd/t値をとり、縦軸は
初期容量に対する各サイクルの容量比が70%に達した
ときのサイクル数を示した。図よりd/tが0.1以上
でサイクル数が増加し効果のあることがわかる。一方d
/tが10以上になると、ケース加工に高度の技術が必
要になることや、極板群の収納できるスペースが減少す
ることなどを考えるとあまり好ましくない。従って、d
/tは0.1〜10であることが好ましく、更に0.2
〜1.0が好ましいと考えられる。
【0019】本実施例では、角薄形ケースと角薄形封口
板がアルミニウム合金製でありリベットがニッケルメッ
キされた鉄製である例を示したが、角薄形ケースと角薄
形封口板がニッケルメッキされた鉄製でありリベットが
アルミニウム合金製である場合も同様の結果が得られ
た。
【0020】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ケースの
変形を効果的に抑えることで薄型・軽量化が図れ、かつ
生産性や電池特性を維持した密閉型角薄形電池を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の角薄形非水電解液電池の横断面
図 (b)同電池の他の例を示す図 (c)同電池の他の例を示す図
【図2】内部圧力に対するケース膨れ量を示す図
【図3】本発明の角薄形非水電解液電池の横断面図
【図4】本発明の角薄形非水電解液電池の縦断面図
【図5】電池のサイクル寿命を示す図
【図6】電池のサイクル寿命を示す図
【符号の説明】 1 アルミニウム合金製の角薄形ケース 2 極板群 3 極板群とケース4隅のスペース 4 アルミニウム合金製の封口板蓋板 5 アルミニウム製の薄膜 6 注液口を封止する栓 7 ニッケルメッキされた鉄製の端子を兼ねたリベット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H011 AA01 AA09 CC06 DD06 DD13 KK01 5H029 AJ11 AJ14 AK03 AL06 AM03 AM05 AM07 BJ04 BJ14 CJ03 DJ02 DJ12 HJ04 HJ12

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 角薄形ケース内に極板群を収納した角薄
    形電池であって、前記角薄形ケースの短辺部分はその断
    面中央部がケース内側に向かって凹状に形成された密閉
    型角薄形電池。
  2. 【請求項2】 前記断面中央部の凹部の深さをdとし、
    短辺部分のケース板厚をtとしたとき、d/tは0.1
    〜10である請求項1記載の密閉型角薄形電池。
  3. 【請求項3】 前記断面中央部の凹部の深さをdとし、
    短辺部分のケース板厚をtとしたとき、d/tは0.2
    〜1.0である請求項1記載の密閉型角薄形電池。
  4. 【請求項4】 角薄形ケースの材質はアルミニウム、ア
    ルミニウム合金、鉄ニッケルメッキ鋼板からなる群から
    選ばれる1種である請求項1〜3のいずれかに記載の密
    閉型角薄形電池。
  5. 【請求項5】 角薄形ケース内に収納した極板群の断面
    が長円形である請求項1〜4のいずれかに記載の密閉型
    角薄形電池。
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