JP2002110108A

JP2002110108A - 密閉電池

Info

Publication number: JP2002110108A
Application number: JP2000304566A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yoshio; 英明吉尾; 裕明 ▲今▼西; Hiroaki Imanishi; Seiichi Mizutani; 精一水谷; Tomoaki Haraishi; 友明原石; Yoshitaka Matsumasa; 義高松政
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2002-04-12

Abstract

(57)【要約】【課題】電池内圧に対する耐圧強度が高く、保存や充
放電サイクルを繰返しても、変形防止性に優れ且つ安全
性の高い密閉電池を提供する。【解決手段】外装缶の長辺面表面にレーザー加工によ
る硬化層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、密閉電池、特にリ
チウムイオン二次電池に適用される外装缶に関するもの
で、さらに詳しくは、電池内圧に対する耐圧強度が高
く、変形防止性に優れ、且つ安全性も確保できる外装缶
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、通信機，ＡＶ機器，パソコンのコ
ードレス化・ポータブル化に伴いその駆動用電源である
電池に対して小型・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
度を有する電池であり、その潜在的市場規模も大きい。
またその形状としては機器の薄型化あるいは機器のスペ
ースを有効利用する観点からも角形電池の要望が高まっ
ている。

【０００３】特に通信機においては、本体の軽量化に伴
い電池に対しても小型、軽量が強く要望されている。そ
の軽量化を達成するための方法として外装缶および封口
板の材質にアルミニウムまたはアルミニウムを主成分と
する合金材料が用いられている。

【０００４】その外装缶は、角形の扁平状に成形された
形状をしており、また電極群は、正極板及び負極板がセ
パレータを介して配され、これらを非真円形の渦巻形状
に巻回されている。その電極群を前記外装缶に収納し、
電解液を注液して封口板により外装缶を密閉して電池と
している。

【０００５】保存や充放電サイクルを繰返すと、電気化
学反応によるガス発生に伴う内圧上昇や電極群の膨潤な
どによって、外装缶の側面、底面、封口部に内部圧力が
かかる。この内部圧力に対して、安全弁の作動圧と、外
装缶の材質や構造設計による耐圧の最適化によって対処
しており、円筒形電池の場合には、その側面全体に対し
て均等な圧力がかかる為、角形電池と比較して耐圧強度
が高い。また、角形電池の形状によっても耐圧強度が異
なり、断面が長方形のものほど耐圧強度が低く、外装缶
の長辺面が膨れるなどの変形を生じやすい。また、過充
電等により極度に膨れた際に極板の変形に伴う内部短絡
が発生して安全性を損なうことがある。

【０００６】そこで、上記のような問題点を解決するた
めに、角形外装缶の長辺面に長方形の凹部を設ける方法
（特開平７−１８３０１０号公報）、また角形外装缶の
長辺面に一つ以上のＸ字状の凹部を設ける方法（特開平
１１−６７２７６号公報）が知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法は、電池内圧がごく低い時には、ある程度の膨れ
抑制効果は認められるが、一定内圧を超える全く膨れ抑
制するこができず、外装缶が大きく膨れ変形してしま
う。

【０００８】本発明は、保存や充放電サイクルを繰返し
ても、膨れ難く耐圧強度に優れた信頼性の高い密閉電池
を提供することを主たる目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明は、正極板、負極板、セパレータからなる電
極群を上部開口した有底の金属外装缶に収納してなる密
閉電池であって、前記外装缶の材質が金属からなり、そ
の表面にレーザー加工による硬化層を形成したことを特
徴とする。また、金属外装缶にはアルミニウムまたはア
ルミニウム合金からなる外装缶を用いるのが好ましく、
外装缶の主面表面にほぼ連続的に形成されたレーザービ
ーム痕によって硬化層を形成するのが好適である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１１】図１は本発明による外装缶の斜視図であ
る。

【００１２】外装缶１は上部開口した有底の金属外装缶
であり、角形電池への使用には好適である。その材質
は、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、マグネシウ
ム、これらのクラッド材からなる金属である。これらの
金属の中で、アルミニウムまたはアルミニウム合金で、
耐圧強度の観点からマンガン、銅等の金属を微量含有す
るアルミニウムが好ましく、缶形状成形にはＪＩＳ規格
における３０００系のアルミニウム合金が最適である。

【００１３】缶形状成形を良好に行うために、伸び性の
良い低硬度のアルミニウム材質を選定しているが、アル
ミニウム合金にレーザーを照射すると、照射熱で溶融
し、再凝固した硬化層が形成された部分は、他の部分に
比べて弾性率が向上し、応力による変形量が小さくなる
特性を有する。このことから、角形外装缶において最も
膨れ易く、この膨れによる変形量が大きくなる外装缶の
主面にレーザーを照射し、硬化層を形成することにより
前記主面の変形量を抑制することができる。

【００１４】また硬化層は、ほぼ連続的に形成した方が
弾性率向上の効果が大きく、外装缶の膨れ抑制の観点か
らより好ましい。

【００１５】更に、前記硬化層は弾性率が向上する反
面、破断強度が低下してしまう特性も有している。この
特性に基づきレーザーによる溶融深さ及び幅を変えるこ
とにより破断強度を局部的に低下させることができる。
このため、レーザー出力アップ等により部分的に溶融深
さを深く、広くすれば部分的に破断強度のごく低い部分
を形成することができる。

【００１６】部分的に破断強度のごく低い部分を形成す
ることにより、充電機器が故障等によって万一過充電状
態になり、ガス発生よって電池が異常に膨れた際には、
極板が大きく変形して内部短絡が起こる前に破断強度が
低い部分が破断し、電池内部のガスを外部に放出するた
め内部短絡を抑制できる効果もあり、安全性を確保でき
る。

【００１７】従って、硬化層の深さは膨れ抑制の観点か
らケース厚みの６０％から８５％の範囲が好ましく、安
全性を確保する破断強度を低下させる部分はケース厚み
の８５％から１００％の範囲が好ましい。また、硬化層
の幅は膨れ抑制や安全性を確保する破断強度観点から硬
化層の深さの１００％から５００％の範囲が好ましい。

【００１８】そして、硬化層は長辺面の稜線に対して平
行、直角、斜め、これらを組み合わせた連続的な硬化層
で有れば良く、特に限定されるものでない。

【００１９】ところで、本発明の正極板の正極活物質と
しては、例えば、リチウムイオンをゲストとして受け入
れ得るリチウム含有遷移金属化合物が使用される。例え
ば、コバルト、マンガン、ニッケル、クロム、鉄および
バナジウムから選ばれる少なくとも一種類の金属とリチ
ウムとの複合金属酸化物、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＭｎＯ₂、
ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＣｏ_xＮｉ_(1-x)Ｏ₂（０＜ｘ＜１）、
ＬｉＣｒＯ₂、αＬｉＦｅＯ₂、ＬｉＶＯ₂等が好まし
い。

【００２０】負極板の負極活物質としては、例えば、リ
チウムイオンを吸蔵、脱離し得る黒鉛型結晶構造を有す
るグラファイトを含む材料、例えば天然黒鉛や人造黒鉛
が使用される。特に、格子面（００２）の面間隔（ｄ
₀₀₂）が３．３５０〜３．４００Åである黒鉛型結晶構
造を有する炭素材料を使用することが好ましい。

【００２１】セパレータとしては、ポリエチレン樹脂、
ポリプロピレン樹脂などの微多孔性ポリオレフイン系樹
脂が好ましい。

【００２２】

【実施例】以下、実施例と比較例を用いて更に詳しく説
明する。

【００２３】（実施例１）まず、外装缶１はＪＩＳ規格
における３０００系のアルミニウム合金を用いて、角形
形状にプレス成型により作製し、このとき長辺面の板厚
は０．２ｍｍとした。

【００２４】この外装缶１の長辺面の両面にレーザー加
工の溶融痕が直径０．６ｍｍ、ピッチ約０．６ｍｍで連
続的に格子状になるように形成し、溶融深さがケース板
厚の８０％程度のレーザー加工２を施した。このように
して得られた外装缶１から図３（ａ）、図４（ａ）に示
すような試験片を切りだし、荷重と硬化層と平行方向の
伸びの関係を評価した結果を図３（ｂ）に、荷重と硬化
層と垂直方向の伸びの関係を評価した結果を図４（ｂ）
に示す。

【００２５】次に、ＬｉＣｏＯ₂を正極活物質とする正
極と炭素材料を負極活物質とする負極とを厚さ２５μｍ
の微多孔性ポリエチレン樹脂からなるセパレータを介し
て扁平状に巻回した電極群を、長辺面からのプレス加工
により長円状の電極群を得た。

【００２６】このようにして得られた長円状の電極群を
外装缶１に挿入し、外装缶１と封口板３とをレーザー溶
接して図１に示すような密閉角形電池を得た。

【００２７】（実施例２）外装缶４の長辺面の両面にレ
ーザー加工の溶融痕が直径０．６ｍｍ、ピッチ約０．６
ｍｍで連続的に格子状になるように形成し、全体的には
溶融深さがケース板厚の７０％程度のレーザー加工５を
施した。また、格子状に形成されたレーザー加工５の交
差部６では、その溶融深さがケース板厚の９５％になる
ようなレーザー加工とした。

【００２８】このようにして得られた外装缶４の溶融深
さがケース板厚の９５％の箇所から図４（ａ）に示すよ
うな試験片を切りだし、荷重と垂直方向の伸びの関係を
評価した結果を図４（ｂ）に示す。

【００２９】次に、実施例１と同様にして得られた長円
状の電極群を外装缶４に挿入し、外装缶４と封口板３と
をレーザー溶接して図２に示すような密閉角形電池を得
た。

【００３０】（比較例１）長辺面にレーザー加工も凹み
加工も施していない外装缶７から図３（ａ）、図４
（ａ）に示すような試験片を切りだし、荷重と硬化層と
平行方向の伸びの関係を評価した結果を図３（ｂ）に、
荷重と硬化層と垂直方向の伸びの関係を評価した結果を
図４（ｂ）に示す。

【００３１】次に、実施例１と同様にして得られた長円
状の電極群を外装缶７に挿入し、外装缶７と封口板３と
をレーザー溶接して図６に示すような密閉角形電池を得
た。

【００３２】（比較例２）長辺面の両面に長方形で深さ
が０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ凹部８を形成した外装缶９に
実施例１と同様にして得られた長円状の電極群を挿入
し、外装缶９と封口板３とをレーザー溶接して図７に示
すような密閉角形電池を得た。

【００３３】（比較例３）レーザー加工のピッチを広げ
レーザー痕間隔を持たせてレーザー加工１１を行った以
外は実施例１と同様にして、図８に示すような密閉角形
電池を得た。

【００３４】（電池内圧と外装缶の膨れ量）実施例１及
び比較例１〜比較例３で得られた密閉角形電池に孔をあ
け、これに窒素ガスを用い電池内圧を可変できる装置を
取付け、電池内圧０ＭＰａにおける外装缶の厚みをマイ
クロメータにて測定した厚みを基準として、各電池内圧
における外装缶の厚みを測定し、膨れ量を求めた結果を
図５に示す。

【００３５】図５から明らかなように長辺面に凹み加工
を施した比較例２の外装缶は、長辺面の加工を施してい
ない比較例１と比較して、電池内圧０．０３ＭＰａ以下
の低圧領域においては、若干の膨れ抑制効果が認められ
るものの内圧０．０４ＭＰａ以上の領域では全く効果が
ないことがわかった。

【００３６】一方本発明による実施例１の外装缶ではケ
ース内圧の大小の関係なく全域で大きな膨れ抑制効果が
あることがわかる。特に０．０４ＭＰａ以下の低圧領域
（充放電繰り返し時のガス発生によるケース内圧上昇領
域）においては比較例１に比べて１／２以上の膨れ抑制
効果がある。従って保存や充放電サイクルを繰返して
も、耐圧強度に優れているので、電池膨れが大幅に抑制
される。

【００３７】（電池内ガス解放時の外装缶の膨れ量）実
施例１〜実施例２、比較例１で得られた密閉角形電池に
孔をあけ、これに窒素ガスを用い電池内圧を可変できる
装置を取付け、電池内ガス放出時の電池内圧、最大膨れ
量、破断箇所を評価した結果を表１に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１から、実施例１の外装缶はレーザー加
工による硬化層を有しており、伸びが少なく破断強度が
低下しているので、過充電等によって異常なガス発生が
生じて電池が極度にふくれた際にはレーザー加工による
硬化層が破断するため、長辺面に加工を施していない比
較例１の外装缶と比較して電池の最大膨れ量を大きく抑
制することができることがわかった。

【００４０】また、実施例２の部分的にレーザー加工の
溶け込み深さを深くした外装缶は、実施例１の外装缶以
上にレーザー加工による硬化層の破断強度が低下してい
るため、小さな電池膨れでもレーザー加工による硬化層
が破断して電池内部のガスを放出するため、電池の最大
膨れを更に抑制することができることがわかった。

【００４１】

【発明の効果】以上説明の通り本発明の密閉電池によれ
ば、保存や充放電サイクルを繰返しても、電池の膨れを
大きく抑制できるだけでなく、過充電等によって異常に
大量のガス発生が生じた際でも電池が大きく膨れる前に
電池内部のガスを放出することができるため、極板の変
形に伴う内部短絡による発熱、発火等を発生させること
もなく、高い安全性を有する密閉電池を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）実施例１における外装缶の斜視図（ｂ）領域Ａの拡大図

【図２】（ａ）実施例２における外装缶の斜視図（ｂ）領域Ｂの拡大図（ｃ）領域Ｂの断面図（ｄ）領域Ｃの拡大図（ｅ）領域Ｃの断面図

【図３】（ａ）外装缶から切り出した試験片の形状及び
荷重方向を示す図（ｂ）荷重と伸びの関係を示す特性図

【図４】（ａ）外装缶から切り出した試験片の形状及び
荷重方向を示す図（ｂ）荷重と伸びの関係を示す特性図

【図５】電池内圧と電池膨れの関係を示す特性図

【図６】比較例１における外装缶の斜視図

【図７】比較例２における外装缶の斜視図

【図８】（ａ）比較例３における外装缶の斜視図（ｂ）領域Ｄの拡大図

【符号の説明】

１、４、７、９、１０外装缶２、５、６、１１レーザー加工痕軌跡３封口板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水谷精一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者原石友明大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者松政義高大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H011 AA01 BB04 CC06 DD09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極板、負極板、セパレータからなる電
極群を上部開口した有底の金属外装缶に収納してなる密
閉電池であって、前記金属外装缶の表面にレーザー加工
による硬化層を形成したことを特徴とする密閉電池。
【請求項２】前記金属外装缶の断面形状が長方形状で
ある請求項１記載の密閉電池。
【請求項３】前記金属外装缶がアルミニウムまたはア
ルミニウム合金からなる請求項１または請求項２記載の
密閉電池。
【請求項４】前記硬化層が、ほぼ連続的に形成された
レーザービーム痕によって、前記外装缶の表面に形成さ
れた請求項１記載の密閉電池。
【請求項５】前記硬化層を前記金属外装缶の主面表面
に形成した請求項１または請求項４記載の密閉電池。
【請求項６】前記硬化層の深さおよび／または幅が他
の部位に比べて大きくされた部位を有する請求項１〜請
求項５のいずれかに記載の密閉電池。