JP2001102015A - 新規なヘッダー集合体を有する電気化学電池 - Google Patents

新規なヘッダー集合体を有する電気化学電池

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JP2001102015A JP2000172769A JP2000172769A JP2001102015A JP 2001102015 A JP2001102015 A JP 2001102015A JP 2000172769 A JP2000172769 A JP 2000172769A JP 2000172769 A JP2000172769 A JP 2000172769A JP 2001102015 A JP2001102015 A JP 2001102015A
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M Spillman David
エム、スピルマン デービッド
Christine A Frysz
エイ、フライズ クリスティーン
Harvey A Ii Hornung
エイ、ホーナン ザ セカンド ハーヴィー
Esther S Takeuchi
エス、タケウチ エスター
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度および圧力を上げて使用でき、しかも、
エネルギー密度が増加した電気化学電池を提供すること
を課題とする。 【解決手段】 上記の課題は、a)アノード、b)カソ
ード、c)アノードおよびカソードを活性化する電解
液、d)活性化されたアノードおよびカソードを収容す
るケース(ここで、ケースは、アノードおよびカソード
の一方のための第1の端子としての役割を果たし、ケー
スから絶縁されたリード(16)は、アノードおよびカ
ソードの他方のための第2の端子としての役割を果た
す)、およびe)ケースから絶縁されたリードを囲むケ
ース内に設けられた溝(74)(この溝は、ケースの内
側表面からケースの厚さ方向のある部分にまで広がって
いる)からなる電気化学電池とすることによって解決さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、化学エネルギーを
電気エネルギーに変換することに関し、特に、圧力およ
び温度を上げて放電できるアルカリ金属電気化学電池、
またはリチウムイオン再充電可能電気化学電池に関す
る。
【0002】
【従来の技術】リチウム電気化学電池の有用な操作温度
領域は、リチウムの融点である180.54℃を越えて
約200℃に及ぶことが知られている。この操作温度
は、リチウム‐マグネシウム合金などのリチウム合金の
アノードを設けることによって、部分的には増加され
る。そのような高温度利用のために製造された機能的な
従来のリチウム電池は、重大な欠点を示す。特に、従来
のリチウム電池のエネルギー密度は、ヘッダー集合体に
含まれる継手(ferrule)を使用しているために
減少する。この継手は、ヘッダーアッセンブリの内部の
端子リードの電気的な孤立化を維持するために必要であ
り、電池が漏れるのを防止する。
【0003】本発明によると、圧力および温度を上げて
使用することが意図された一次および二次の電気化学電
池のエネルギー密度が、継手の使用を省略した新規なヘ
ッダーアッセンブリを使用することによって顕著に改良
されることを見出した。
【0004】本発明は、改良されたヘッダーアッセンブ
リに関する。このヘッダーアッセンブリは、電池が温度
を上げて高率で放電されたとき、密閉状態を維持し、同
時に更なる電気化学的活成分の含有が可能となるので、
電池のエネルギー密度が増加する。約200℃までの温
度で放電する際に、一次および二次の化学系のリチウム
電池は、ガス状生成物を生成して電池内部の圧力を増加
する。それ故、ガラス金属シールを含むヘッダー集合体
は、すべての使用条件において、密閉を維持しながら、
この増加圧力に耐えなければならない。密閉が維持でき
ない場合には、この電池は、操作できず、割れたり爆発
したりする。
【0005】先に記述したように、従来のリチウム電池
は、一般的にガラス金属シールを支持する継手を有して
いる。この継手は、ヘッダー集合体の歪みを最小化する
役割を果たすとともに、ガラス金属シール上の内部のス
トレスおよび力を減少する役割を果たす。従来の継手構
造は、リチウム電池が約200℃までの温度で操作でき
るようなっているが、それには、幾つかの欠点があっ
た。まず、従来の継手は、リングの形状になっており、
一般にヘッダー集合体に溶接されていた。それ故、継手
を単純に有するものは、ヘッダー集合体およびこれによ
って得られる電池のコストを増加する。次に、継手のリ
ングは、蓋体の厚さの2〜6倍あり、電池の下方に突き
出し、電気化学活物質のための有用な高さを減少する。
これによって、電池のエネルギー密度を減少することに
なる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明による新規なヘ
ッダー集合体は、継手の使用を省略する。ヘッダー集合
体の蓋体は、固定された幅および深さの同心円の溝を有
するように改良されている。この溝は、ガラス金属シー
ルの端部から半径方向に所定距離のところに配置され
る。蓋体の厚さおよびその配置、幅および深さは、他の
パラメータの中でも電池を活性化するために使用される
特定の電解液、電池のサイズおよび放電速度や温度に依
存する。本発明のヘッダー集合体は、高温度のリチウム
電池に特に有用であり、更なる電気化学的活成分を含む
ことによって、電池のエネルギー密度を顕著に増加す
る。約200℃までの温度で放電されたとき、このヘッ
ダーは、密閉のままである。
【0007】本発明の目的は、次の記述と添付する図面
によって当業者にさらに明らかとなる。
【0008】
【発明の実施の形態】図1〜3に示すものは、本発明に
よるプリズム状電気化学電池である。電池10は、端子
リード16に接続された集電体14を有するカソード電
極12を含んでいる。カソード電極12は、改変を加え
ることなく、固体カソードおよび液体電気化学電池の両
方のタイプのアルカリ金属/固体カソードまたはアルカ
リ金属/オキシハライド電気化学電池に容易に組み込ま
れる。
【0009】例示される電池10は、導電性ケース18
の内部に収容された固体カソードの実施例である。ケー
ス18は、間をあけた略平面的な前側面20および後側
面22を有しており、それぞれは、上部平面端部24を
有する半円形になっている。この側面20、22は、半
円形の中間の末端壁26によって接続されており、これ
は、完全に半径状の周縁部に沿って会合するように湾曲
している。ケース18の開口した上部は、蓋体28によ
って閉じられる。ケース10は、ニッケル、アルミニウ
ム、ステンレス鋼、軟鋼、タンタルおよびチタンからな
る群から選択される好適な導電性金属からなる。外部の
電池の電気的接続は、端子リード16と、端子リード1
6から絶縁された蓋体28または完全に導電性のケース
18からなる接触領域とによって提供される。
【0010】カソード電極12は、固体カソード材料か
らなるボディを有しており、これはカソード集電体14
にプレスまたはカレンダーされた活物質からなるカソー
ドプレート30、32の形態になっている。カソード電
極12は、ステップ36(図2)の近傍からのびて、ケ
ースの中間の末端壁26の半径状の湾曲に続いていて、
電解液充填孔42に設けられた電池の封鎖体40のため
の絶縁構造38の近傍の位置に続く完全に半径方向に広
がる端部34を備えている。この構成は、ケース18の
内部容積と同じだけの量のカソード活物質と、これと電
気化学的に関連付けられるアノードとを収容することが
できる。
【0011】カソード集電体14は、穴の開いたグリッ
ド44と、グリッド44と共通平面でこれによって3方
向が囲まれた形状の内部接続タブ46と、一体型の外部
接続タブ48とからなる。外部接続タブ48は、内部タ
ブ46の外側にのびる連続体である。この端子リード1
6は、図2においては、外部タブ48に接続されるよう
に示されているが、内部タブ46および外部タブ48の
いずれかの接続部分においてカソード集電体14に直接
接続されればよい。この構成は、Paulot等の米国
特許第5,750,286号に完全に記載されている。
なお、この特許は、本発明の譲受人に譲り受けられてお
り、ここに参照として組み込まれる。
【0012】カソード集電体14の好適な材料は、AS
TM B−162明細書のタイプ200または201の
シリーズのニッケルスクリーンである。使用する前にこ
のスクリーンは、洗浄されて、すべてのグリースや工程
オイルが取り除かれ。このスクリーンは、好ましくは、
アニールされている。
【0013】さらに、電池10は、例えば、50で示さ
れるような、アルカリ金属アノード電極のようなアノー
ド電極を有している。このアノード電極50は、集電体
としての役割を果たす単一の導電性部材からなり、好ま
しくは、ニッケルからなる薄いシート状金属から作製さ
れ、中間織物部56によって接続された一対の翼状部5
2、54を有している。アノード集電体は、好ましくは
アニールされており、延伸された形状である。
【0014】アノードのための好適なアルカリ金属は、
リチウムまたはリチウム合金である。リチウムアノード
プレート58および60は、集電体の翼状部52および
54のそれぞれと対応するものと圧力結合されて接触保
持されている。この翼状部52および54は、メッシュ
形状であり、リチウムアノード部58、60と接触して
いる。このリチウウムアノード部58、60は、対応す
る翼状部52、54と同様の形状および配置になってい
るが、わずかに大きな寸法または表面を有しており、各
集電体の翼状部の周縁部を囲う縁もしくは周縁の延長部
もしくは境界を規定している。すなわち、リチウムアノ
ード部58および60のそれぞれの長さおよび幅は、対
応する翼状部52および54の長さおよび幅よりもわず
かに大きくなっており、このアノード部は、電極織物部
56から近いところで末端部をむかえる。
【0015】アノード‐カソードのサブアッセンブリを
構成するために、固体カソード活物質からなるカソード
プレート30および32は、カソード集電体14に、ま
ずプレス接触されている。カソード活物質は、好ましく
は、酸化バナジウム銀や酸化バナジウム銀銅などの混合
金属酸化物、フッ化炭素材料、またはオキシハライド電
池の場合には、炭素質材料からなる。カソード集電体1
4は、コバルト‐ニッケル合金、クロムフエライト(c
hromium ferritic)、ニッケル合金、
アルミニウム、ステンレス鋼、軟鋼およびチタンからな
る群から選択される薄い金属製シートから作製される
が、チタンが好ましい。
【0016】関連付けられたアノードリチウム部58、
60とアノード翼状部52、54は、次に織物部56に
関して互いの方向に巻回されて、集電体14のいずれか
の側に共に接合されたカソードプレート30および32
の反対側の主面と作動的に接触するようにリチウムアノ
ード部58、60を配置する。封鎖し絶縁するシート
(図示せず)が、織物56とカソード電極の間に配置さ
れる。
【0017】特に、リチウムアノード部58は、セパレ
ーター材料62の部分によってカソードプレート30と
作動的に接触している。同様に、リチウムアノード部6
0は、セパレーター62のもう一方の部分によって、カ
ソードプレート32と作動的に接触しており、このセパ
レーターは、カソード体を囲んで包囲してアノードとの
直接的物理的接触を回避している。端子リード16は次
に、蓋体28に嵌合される新規なガラス金属シール64
からなるヘッダー集合体を通ってのびるカソード集電体
14に接触している。
【0018】図4に示すように、本発明のガラス金属シ
ール64は、蓋体内に設けられ、その上部平面68およ
び下部平面70の間の円筒型壁66からなる。この円筒
型壁66は、上部平面68および下部平面70に垂直な
縦軸を有しており、ガラス材料72を支持する表面の間
の十分な厚さを有する蓋体を提供している。この蓋体2
8は、好ましくは、約0.05インチ〜約0.2インチ
の厚さになっている。ガラス材料72は、端子リード1
6および円筒型壁66を間で密閉シールしている。端子
リード16は、円筒型壁66の縦軸に存在している。
【0019】本発明の一実施例によると、環状溝74
が、蓋体に設けられており、これは円筒型壁66および
端子ピン16を囲んでいる。この溝74は、蓋体の下部
表面70からのびており、チャネルの形状を有してお
り、内側壁76および外側壁78を有していて、これら
は中間壁82で会合している。側壁76および78は、
好ましくは、端子リード16に関して同心円になってお
り、中間壁は好ましくは、蓋体の上部表面58および下
部表面70と平行になっている。一般的に、同心円の溝
74は、リード16から蓋体28の端部までの距離の約
10〜90%の所定の半径距離のところに配置されてい
る。溝74の深さは、蓋体28の厚さの約10〜90%
の間で変化し、溝74の幅は蓋体28のリード16と端
部との間の所定の半径距離の約1〜50%の間で変化す
る。
【0020】本発明の改良されたヘッダー集合体は、特
に、次のようにして密閉を保持すると考えられる。電池
10内に発生した内部圧力は、電池放電中に発生する内
部熱および外部熱や上昇した環境温度によるガス状の放
電生成物の結果として増加すると、これによる内部スト
レスや力は、同心円の溝74の近傍において、蓋体28
の歪みを生ずる。蓋体28は、この領域において影響し
て、ガラス金属シールに適用されるストレスや力を減少
する。
【0021】すなわち、蓋体28およびガラス金属シー
ル64を含む本発明のヘッダー集合体は、従来設計で使
用される継手リングを省略することによって、電池のエ
ネルギー密度を増加すると考えられる。継手リングを取
り除くと、電極集合体の高さおよびケース18内の電気
化学活物質の量は増加する。また、これによって、電池
のエネルギー密度は増加する。この点に関して、電池1
0内の更なる空隙の量は、アノードおよびカソード活物
質の量を増加するのに有用であり、電池内に発生する内
部圧力を減少するのを助ける。アノード/カソード電極
集合体が、電池18内に配置され、蓋体28が溶接する
などしてケースに密閉シールされた後に、電池10は、
固体カソード電池の場合には、非水性電解液によって完
了する。オキシハライド電池の場合には、液体減極材が
電池18内に設けられ、その中で密封されて、封止材4
0が開口部42に溶接されて、ケース10を密閉封鎖す
る。リード16は、カソード体電極12に接続された正
電極端子である。アノード電極50は、それと電気的に
接触しているアノード集電体の織物部56によって導電
性ケース18と作動的に接触しており、本発明の電池1
0は、ケースが負極の電気的配置である。
【0022】カソード集電体14は、好ましくはチタン
からなる。蓋体は、好ましくはステンレス鋼からなり、
リチウムオキシハライド電池のガラス金属シール64の
ための好適なガラスは、GBC614Uであり、好適な
端子ピン材料は、52合金である。ガラスシール72の
ための好適な他の材料としては、CABAL 12、T
A−23、FUSITE−425またはFUSITE−
435の密閉シールガラスが挙げられ、電池の封止材4
0は、ステンレス鋼、チタンまたはニッケルからなる。
【0023】金属製ケースは、ステンレス鋼、軟鋼、ニ
ッケルメッキ軟鋼、チタン、タンタルまたはアルミニウ
ムからなるが、金属製材料が電池の成分と化学変化を起
こさない限り、これに限定されるわけではない。ステン
レス鋼製の蓋体の場合、ケースは、好ましくはステンレ
ス鋼である。
【0024】本発明の電気化学電池10は、導電性電池
ケース18と接触するカソード部を配置することによっ
て、ケースが正極の電気的配置を有するように構成され
てもよい。特に、図2および3のアノード‐カソードの
サブアッセンブリに示すように、ケースが正極の電気的
配置は、リチウムアノード部58、60を電極の翼状部
52、54のカソードプレート30、32と置き換える
ことによって提供される。したがって、カソード電極1
2は、リチウムアノード部58、60の一対と置き換え
られ、それぞれアノード集電体としての役割を果たす穴
の開いたグリッド40に共に挟んで、またこれは、少な
くとも1つの内部接続タブ46および外部接続タブ48
との電気的接触によって端子ピンと接触されて、リード
16は、ガラス金属シール52によって蓋体28から絶
縁されている。電極翼状部52、54と接触し、電池ケ
ース18と接触している電極織物部56を有するカソー
ドプレート30、32の場合、電池は、ケースが正極の
電気的配置になっている。他の全ての点に関して、ケー
スが正極の配置のアノード電極は、ケースが負極の配置
を有する電池に関して先に記載したものと同様である。
【0025】溝74は、端子リード16と同心円である
と記載されているが、これは、すべての電池の構成にと
って好ましいわけではない。本発明の他の実施例による
と、溝82(図5)は、リード16の縦軸に関してずれ
ていてもよい。ここに示すように、溝82およびリード
16の間の距離84は、距離86よりも小さい。さら
に、溝88は、必ずしも円形状にはなっておらず、正方
形、矩形、六角形(図6)、もしくは他の複数の側面を
有する形状になっていてもよい。また、溝90は、図7
に示すように、不規則な形状であってもよい。実際に
は、溝の形状は、当業者の創造と特定の電池の利用のた
めの必要性によってのみに限定される。
【0026】当業者は、図4〜7に示す本発明のヘッダ
ー集合体が、プリズム状電池に関して記載されており、
例示にすぎないことを容易に認識することができる。溝
およびヘッダー集合体は、螺旋巻回電池、ボタン型電
池、コイン型電池などの幅広い電池構成に容易に適用で
きる。例えば、図8は、ケース102に収容される螺旋
巻回電気化学電池100を示す。ケース102は、底壁
106によってその下方端部を封止し、ヘッダー108
によってその上部を封止する円筒型側壁104を有して
いる。ヘッダー108は、ガラス金属シール(図示せ
ず)を有しており、これは、リードを囲む内部溝を有す
る図4〜7に示す集合体のいずれかによって、ケース1
02の残りの部分から端子リード110を電気的に絶縁
している。
【0027】ここに記載する本発明の概念に種々の改良
を加えることは、添付する請求の範囲によって限定規定
される本発明の精神と概念から離れることなく、当業者
に明らかであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプリズム状電気化学電池10の斜視図
である。
【図2】本発明の電池10の側面断面図である。
【図3】図2の3−3線における断面図である。
【図4】図1の4−4線における断面図である。
【図5】本発明による端子リード16を囲む溝の他の実
施例である。
【図6】本発明による端子リード16を囲む溝の他の実
施例である。
【図7】本発明による端子リード16を囲む溝の他の実
施例である。
【図8】円筒型ケース102に収容された螺旋巻回電池
100の側面立面図である。
【符号の説明】
10 プリズム状電気化学電池 12 カソード電極 14 カソード集電体 16 端子リード 18 導電性ケース 20 前側面 22 後ろ側面 24 上部平面端部 26 末端壁 28 蓋体 30、32 カソードプレート 34 半径状の端部 38 絶縁構造 40 封鎖体 42 電解液充填孔 44 グリッド 46 内部接続タブ 48 外部接続タブ 50 アノード電極 52、54 翼状部 56 中間織物部 58、60 リチウムアノード部 62 セパレーター材料 64 ガラス金属シール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 2/04 H01M 2/04 G 2/30 2/30 B 6/16 6/16 B C D Z (72)発明者 クリスティーン エイ、フライズ アメリカ合衆国、コネチカット州 06776、 ニュー ミルフォード、リトル ベアー ヒル ロード 39 (72)発明者 ハーヴィー エイ、ホーナン ザ セカン ド アメリカ合衆国、ニューヨーク州 14731、 クラレンス、シャイマーヴィル ロード 4470 (72)発明者 エスター エス、タケウチ アメリカ合衆国、ニューヨーク州 14051、 イースト アムハースト、サン ラファエ ル コート 38

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 a)アノード、 b)カソード、 c)前記アノードおよび前記カソードを活性化する電解
    液、 d)活性化された前記アノードおよび前記カソードを収
    容するケース(ここで、前記ケースは、前記アノードお
    よび前記カソードの一方のための第1の端子としての役
    割を果たし、前記ケースから絶縁されたリードは、前記
    アノードおよび前記カソードの他方のための第2の端子
    としての役割を果たす)、および e)前記ケースから絶縁された前記リードを囲む前記ケ
    ース内に設けられた溝(前記溝は、前記ケースの内側表
    面から前記ケースの厚さ方向のある部分にまで広がって
    いる)からなる電気化学電池。
  2. 【請求項2】 前記溝は、チャネル形状であることを特
    徴とする請求項1に記載の電気化学電池。
  3. 【請求項3】 前記溝は、前記リードと同心円であるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の電気化学電池。
  4. 【請求項4】 前記ケースは、蓋体によって閉じられる
    開口端部を有する容器からなり、前記溝は、前記リード
    から半径方向に、前記リードから前記容器を閉じている
    前記蓋体の端部までの距離の約10〜90%のところに
    配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電気
    化学電池。
  5. 【請求項5】 前記溝は、前記ケースの厚さ方向にその
    約10〜90%広がっていることを特徴とする請求項1
    に記載の電気化学電池。
  6. 【請求項6】 前記ケースは、蓋体によって閉じられた
    開口端部を有する容器からなり、前記チャネル形状の溝
    は、前記リードから前記容器を閉じている前記蓋体の端
    部までの距離の約10〜50%の幅を有することを特徴
    とする請求項2に記載の電気化学電池。
  7. 【請求項7】 前記溝は、前記リードに対してずれてい
    ることを特徴とする請求項1に記載の電気化学電池。
  8. 【請求項8】 前記溝は、多数の側面を有することを特
    徴とする請求項1に記載の電気化学電池。
  9. 【請求項9】 前記溝は、不規則形状であることを特徴
    とする請求項1に記載の電気化学電池。
  10. 【請求項10】 リチウムまたはリチウム合金のアノー
    ドを有する一次電池であることを特徴とする請求項1に
    記載の電気化学電池。
  11. 【請求項11】 前記電池は、プリズム状電池、円筒型
    ケースに収容された螺旋巻回電池、ボタン型電池および
    コイン型電池からなる群から選択されることを特徴とす
    る請求項1に記載の電気化学電池。
  12. 【請求項12】 a)アノードを用意する工程、 b)カソードを用意する工程、 c)前記アノードおよび前記カソードをケース内に収容
    する工程(ここで、前記ケースは、前記アノードおよび
    前記カソードの一方のための第1の端子としての役割を
    果たし、前記ケースから絶縁されたリードは、前記アノ
    ードおよび前記カソードの他方のための第2の端子とし
    ての役割を果たす)、 d)前記アノードおよび前記カソードを電解液で活性化
    する工程、および e)前記ケース内において、前記ケースから絶縁された
    前記リードを囲う溝を設ける工程(ここで、前記溝は、
    前記ケースの内側表面から前記ケースの厚さの方向のあ
    る部分まで広がっている)からなる電気化学電池の製造
    方法。
  13. 【請求項13】 前記溝は、チャネル形状であることを
    特徴とする請求項12に記載の方法。
  14. 【請求項14】 前記溝は、前記リードと同心円である
    ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
  15. 【請求項15】 前記ケースは、蓋体によって閉じられ
    た開口端部を有する容器からなり、前記溝は、前記リー
    ドから半径方向に、前記リードから前記容器を閉じてい
    る前記蓋体の端部までの距離の約10〜90%のところ
    に配置されていることを特徴とする請求項12に記載の
    方法。
  16. 【請求項16】 前記溝は、前記ケースの厚さ方向にそ
    の約10〜90%広がっていることを特徴とする請求項
    12に記載の方法。
  17. 【請求項17】 前記ケースは、蓋体によって閉じられ
    た開口端部を有する容器からなり、前記チャネル形状の
    溝は、前記リードから前記容器を閉じている前記蓋体の
    端部までの距離の約10〜50%の幅を有することを特
    徴とする請求項12に記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記溝は、前記リードに対してずれて
    いることを特徴とする請求項12に記載の方法。
  19. 【請求項19】 前記溝は、多数の側面を有することを
    特徴とする請求項12に記載の方法。
  20. 【請求項20】 前記溝は、不規則形状であることを特
    徴とする請求項12に記載の方法。
  21. 【請求項21】 リチウムまたはリチウム合金のアノー
    ドを有する一次電池であることを特徴とする請求項12
    に記載の方法。
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