JP2004063254A - 密閉型電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】異常時に強制的に内部ガスを排出することのできる安全装置を備えた密閉型電池を提供する。また絞り加工が可能で、強制ガス排出時に極板が電池外部に突出することのない密閉型電池を提供する。
【解決手段】一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、前記外装容器内に収容される正極板および負極板を備えた電極体と、前記正極板または負極板の一方の前記封口体側に位置する端部と前記封口体とを集電体を介して接続する電池であって、前記安全弁装置は、前記封口体内に設けられた第1の安全弁3と、前記外装容器のカシメ領域7に形成された孔8とこの孔を塞ぐように配設されたシール部材9とを具えた第2の安全弁4とを具備してなることを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、前記外装容器内に収容される正極板および負極板を備えた電極体と、前記正極板または負極板の一方の前記封口体側に位置する端部と前記封口体とを集電体を介して接続する電池であって、前記安全弁装置は、前記封口体内に設けられた第1の安全弁3と、前記外装容器のカシメ領域7に形成された孔8とこの孔を塞ぐように配設されたシール部材9とを具えた第2の安全弁4とを具備してなることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は密閉型電池に係り、特に安全弁を備えることにより外装容器内のガスや溶解物質を逃がして外装容器内の圧力を正常圧に保つことができる密閉型電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
密閉型電池としてのNi−Cd電池やニッケル水素電池等のアルカリ蓄電池は、正極板と負極板との間にセパレータを介在させて巻回することにより電極体を形成し、この電極体を外装容器の開口から外装容器内に収容し、図7に示すように、外装容器100の開口を封口部50で封口されている。この封口部50は、外装容器の開口部に封口板51が装着され、この封口板51にゴム式あるいはスプリング式の安全弁55が設けられている。図7はこの密閉型電池の外観図である。
【0003】
例えばスプリング式の安全弁55は、図8に示すように、封口板51の開口部52に臨むように弁板56が配置され、この弁板56と正極キャップ57との間にスプリング58を配置することにより、スプリング58の付勢力で弁板56を封口板51の凹部53に押し付けて、開口部52を封止できるようになっている。
【0004】
そして、外装容器内の圧力が、万一規定圧まで上昇した場合には、スプリング58の付勢力に抗して弁板56を押し上げる。これにより、封口板51の開口部52から外装容器内のガス及び溶解物質を排出することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の安全装置は、安全弁のみであることから、異物の混入、電解液の結晶化などにより弁への付着物の存在、あるいは弁板が溶融してくっついてしまう等何らかのトラブルにより安全弁が作動しなくなった場合、電池破裂にいたるという問題があった。
【0006】
このような電池破裂を防止するために、外装容器にキズを設け、電池内部圧力異常上昇時にキズが割れることにより、電池内部圧力を逃がすことができるようにしたものも提案されている(特開平6−333548号公報)。
【0007】
また、封口キャップに、異常圧力によって破断しうるような肉薄ラインを設け、異常時に気体を排出できるようにしたものも提案されている(特開平10−284037号公報)。
【0008】
このように直接外装容器や封口キャップに肉薄部を形成すると、変形領域を制御するのが困難であった。
【0009】
また、外装容器の封口部近傍で絞り加工を行い、強度を高める工夫がなされているが、圧縮しながら絞るためキズがあるとキズの部分で変形しやすくなり、十分に絞り加工ができないという問題があった。
【0010】
また、異常時に外装容器が割れるため、極板が電池外部に突出することがあり、極板には活物質を構成するカドミウム等の重金属が含まれており、これが環境汚染の原因となるという問題があった。
【0011】
さらに、近年の小型化、および容量増大への要求に伴い、内部容積利用の高効率化および外装容器の小型化への要求は進む一方である。
【0012】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、異常時に強制的に内部ガスを排出することのできる安全装置を備えた密閉型電池を提供することを目的とする。
また絞り加工が可能で、強制ガス排出時に極板が電池外部に突出することのない密閉型電池を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る密閉型電池は、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、前記外装容器内に収容される正極板および負極板を備えた電極体と、前記正極板または負極板の一方の前記封口体側に位置する端部と前記封口体とを集電体を介して接続する電池であって、前記外装容器または封口体に形成された孔とこの孔を塞ぐように配設されたシール部材とを具えた安全弁装置を含むことを特徴とする。
【0014】
キズや肉薄領域ではなく、孔を形成し、この孔を塞ぐようにシール部材を具えた安全弁装置を用いているため、絞り加工による成形も制御性よく実行することができる。また、内部圧力が上昇して、安全弁装置が作動した場合も孔を塞ぐシール部材がはずれて孔からガスが排出されるのみであり、極板が露出したりするおそれはない。また非破壊型であるため、ガスが排出されたあと、シール部材を装着すればそのまま復帰させることが可能である。
【0015】
この安全弁装置を、缶底に設けるようにすれば、ガスの排出が容易である。
【0016】
またこの安全弁装置は、封口体内に設けられた第1の安全弁と、前記外装容器のカシメ領域に形成された孔とこの孔を塞ぐように配設されたシール部材とを具えた第2の安全弁とを具備してなることを特徴とする。
【0017】
かかる構成によれば、上記作用効果に加え、第1の安全弁が作動しなかったとしても、第2の安全弁装置によってカシメ領域が変形し、ガスが効率よく排出される。
【0018】
望ましくは、前記第2の安全弁は、前記外装容器の底部に設けられた凹部と、前記凹部から突出する筒部と、前記筒部の外周に設けられたカシメ領域と、前記筒部に設けられた孔を塞ぐように前記カシメ領域に配設された弾性リングとを含むことを特徴とする。
【0019】
かかる構成によれば、第1の安全弁が作動しない場合にも第2の安全弁が作動し、底部のカシメ領域が変形し、強制的に内部ガスを排出することで電池破裂を防ぐことができる。また、絞り加工を行うこともでき、極板が電池外部に突出する可能性のない電池を得ることが可能となる。
【0020】
また望ましくは、記第1の安全弁は、穴を有する弁板と、前記穴を塞ぐように、弾性部材を介して設けられた封口キャップとからなることを特徴とする。
【0021】
望ましくは、前記封口体は、外方に突出した筒部を備えた封口キャップからなり、前記第1の安全弁は、封口キャップの筒部において内方にむかって設けられた環状の凹部からなるカシメ領域と、前記筒部に設けられた孔を塞ぐように前記カシメ領域に配設された弾性リングとを含むことを特徴とする。
【0022】
かかる構成によれば、封口キャップに設けられた孔に弾性リングをとりつけた極めて簡単な構造であって、かつ封口キャップの外部に弾性リングが装着されているのみであり、封口キャップの内部空間がそのまま空間として存在するため、電極体を最大限に大きくすることができ、容量の増大を図ることが可能となる。またプレス成形のみで容易に封口キャップを形成することができる。さらにまた部品点数も少なく極めて容易に組み立て可能である。
【0023】
また望ましくは、前記安全弁装置は、作動圧が、封口体と外装容器とのかしめ強度よりも小さいことを特徴とする。
かかる構成によれば、封口体が外れる前に、安全弁装置が作動し、ガスを排出することができるため、定常状態への復帰も容易である。
【0024】
望ましくは、前記第1の安全弁は、前記第2の安全弁よりも作動圧を小さく形成すれば、第2の安全弁は第1の安全弁が作動した後あるいは第1の作動弁が作動できない状況となったときのみ作動することになる。
【0025】
なおこの第1の安全弁の構造は、第2の安全弁がなく、1個のみである場合、この構造単独でも有効であることはいうまでもない。あるいは第2の安全弁の構造が、カシメ領域と、前記筒部に設けられた孔を塞ぐように前記カシメ領域に配設された弾性リングからなるものではない場合にも、同様に有効である。これは、封口キャップの筒部において内方にむかって設けられた環状の凹部からなるカシメ領域と、前記筒部に設けられた孔を塞ぐように前記カシメ領域に配設された弾性リングとを含むことにより、内部空間を最大限に有効に利用することができ、小型化、大容量化、安全性の向上という排他的要件をいずれも必要とする次世代の電池に、有効な構造である。
特に、孔を筒部の根元近傍に設けることにより、内部ガスを効率的に排出することができる。また、カシメ領域で構成された凹部に弾性リングが入り込み、鍔部で抑えた形になるようにすることにより、封止効果が高く、強度も増大する。また鍔部の端縁が凹部内壁に当接するようにすれば、封口キャップ自体の内部抵抗も低減される。さらにまた封口キャップ表面を有効に端子として使用することができる。
【0026】
ここでシール部材は、ウォーレンス硬度を80以上に設定するのが望ましい。また、シール部材をゴム材や樹脂材で形成することで、定常時の、孔とシール部材とのシール性を確実に確保することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の密閉型電池の好適な実施の形態を図面を参照にして詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る密閉型電池を示す断面説明図、図2は本発明に係る密閉型電池の第2の安全弁のガス排出時の状態を示す要部断面図、図3はこの第2の安全弁の形成工程を示す図である。
【0028】
図1に示すように、本発明に係る密閉型電池は、円筒状の外装容器1の開口部を封口部2で封口したNi−Cdタイプの密閉型電池を構成するもので、この封口部2に設けた第1の安全弁3と、外装容器1の底部に配置された第2の安全弁4とを具備したことを特徴とするものである。ここで第1の安全弁の規定圧は、第2の安全弁の規定圧よりも低く、かつ封口体と外装容器とのかしめ強度よりも小さいものとする。
【0029】
この密閉型電池の封口部2は、外装容器1の開口部に封口板がかしめられ、この封口板に第1の安全弁3が設けられている。
そして第2の安全弁4は、外装容器1の底部に設けられた凹部5と、前記凹部5から突出する筒部6と、前記筒部6の外周に設けられたカシメ領域7と、前記筒部に設けられた孔8を塞ぐように前記カシメ領域7に配設された弾性リング9とを含むことを特徴とする。
【0030】
他の構成は、従来の密閉型電池と同様である。
【0031】
ここで第1の安全弁3は、封口板10の開口部12を塞ぐように弁板11を配設したことを特徴とするもので、この弁板11と封口キャップ(正極キャップ)13との間にスプリング14を配置することにより、スプリング14の付勢力で弁板11を封口板10の開口部12に押し付けてこの開口部12を封止できるように構成したものである。
【0032】
外装容器1の内部には、正極板15と負極板17との間にセパレータ16を介在させて巻回された電極体18が配置されており、この電極体18の上部には正極集電板19が設けられ溶接接続により電気的接続を達成している。一方この電極体18の下部には負極集電体20が設けられ外装容器1の内壁との間で溶接がなされて電気的接続を達成している。
【0033】
ここで第2の安全弁4では、外装容器1の底部に設けられた凹部5から突出する筒部6に設けられた孔8を弾性リング9の付勢力で押し付けるように、孔8の周辺の環状のカシメ領域7にはめ込むことにより、通常時には孔8を、封止することができる。
【0034】
そして、外装容器内の内圧が、第1の安全弁の規定圧を超え、第1の安全弁が作動しなかったときに、第2の安全弁の規定圧まで上昇した場合には、弾性リング9の付勢力に抗して弾性リング9を押し広げる。これにより、図2に示すように筒部6の孔8から外装容器1内のガス及び溶解物質を排出することができる。
【0035】
ここで第1の安全弁3では、封口板10の開口部12に臨むように弁板11が配置され、この弁板11と封口キャップ13との間にスプリング14を配置することにより、スプリング14の付勢力で弁板11を封口板10の開口部12に押し付けて通常時には開口部12を封止できる。
【0036】
そして、外装容器内の内圧が、万一第1の安全弁の規定圧まで上昇した場合には、スプリング14の付勢力に抗して弁板11を押し上げる。これにより、封口板10の開口部12から外装容器内のガス及び溶解物質を封口キャップ13内に逃がすことができ、封口キャップ13に逃がしたガス及び溶解物質をガス抜き孔hから排出することができる。
【0037】
弁板11は金属板にゴム製のシール材が貼り合わされているが、このシール材には封口板10の開口部12に向けて突出するように突出部を形成しても良い。これにより、弁板11に封口板10の開口部12に向けて突出する突出部を形成してことで、封口板10の開口部12に突出部10を嵌め込むことができる。よって、封口板10の開口部12から弁板10がズレるのを突出部で防ぐことができる。
【0038】
また、シール材をゴム材とすることで、シール材を封口板10に押圧した際に、シール材と封口板10とのシール性を確実に確保することができる。
【0039】
ここで第1の安全弁の変形荷重は3.0から3.6Mpa、第2の安全弁の変形荷重は6.0〜6.3Mpaとした。
【0040】
なお、第2の安全弁は第1の安全弁が開いてもなお、内圧が上昇しているとき、あるいは第1の安全弁が開かなかったときに作動し、ガスを排出することにより、電解液の漏れや、電極板の露出さらには、電池の破裂を防止することができる。
【0041】
次に、前記第1の実施の形態のNi−Cdタイプの密閉型電池の第2の安全弁の形成工程について説明する。
【0042】
まず、図3(a)に示すように、プレス加工により、筒状に形成された外装容器1の底面に孔8を形成するとともに、環状の凹部5を形成する。ここで孔8は、環状の凹部の形成により、凹部内に形成される筒状部6の底部近傍に位置するように位置決めして形成される。
【0043】
次いで、図3(b)に示すように、この凹部5から突出する筒状部に弾性リング9を装着し、カシメ加工を行うことにより、図3(c)に示すように、弾性リングを覆うように凹部5に鍔状に張り出し、平坦な底面をもつカシメ領域7を得る。
【0044】
このようにして、極めて容易にプレス加工により形成される。追加部品も弾性リングのみであり、部品点数も少なく組み立ても容易である。
【0045】
そして他の組み立て工程は通常の電池と同様に形成される。上述したように、第2の安全弁4を形成した後、電極体を外装容器内に配置し、集電体の溶接工程を経て封口体を装着し、最後に封口部のカシメ加工を行い、図1に示したような電池が完成する。
【0046】
このようにして形成された電池を10個用意し、使用時の破裂率を測定した結果、0であった。比較のために図7に示した第2の安全弁を付さない従来例の電池に対し、同様の試験を行った結果、破裂率は100%であった。
【0047】
これらの比較から、本発明によれば、耐圧信頼性の高い電池を提供することが可能であることがわかる。
【0048】
(第2の実施の形態)
図4は本発明の第2の実施の形態の密閉型電池を示す断面説明図である。
図4に示すように、本発明に係る密閉型電池は、第1の安全弁の構造に特徴を有するもので、前記第1の実施の形態で説明したNi−Cdタイプの密閉型電池の第2の安全弁構造と同様、封口キャップのガス抜き孔に弾性リングを装着し、安全弁として用いた構造を、採用したことを特徴とするものである。
【0049】
すなわち、第1の安全弁30は、突出部の側面にガス抜き孔hを有する封口キャップ13のガス抜き孔hの近傍を環状のスプリングからなる弾性リングで覆い、ガス抜き孔hを塞ぐようにしたことを特徴とするものである。
【0050】
この構造では、封口部2が、封口板10を用いることなく、封口キャップ13の周縁を外装容器1の開口部に到達するまで外方に伸長させ、ガスケット21を介して直接封止しており、封口キャップ13の内部には正極集電体19から突出する筒状の集電リード19Rが存在しているのみであり、空間となっている。そしてガス抜き孔hの近傍がカシメ領域32を形成し、このカシメ領域32に弾性リング31が装着されている。
【0051】
また、第2の安全弁など、他の部分は前記第1の実施の形態と同様に形成されている。
このため内部空間が有効に利用でき、電極体18を最大限に大きくすることができる。
【0052】
ここで第1の安全弁30では、封口キャップ13のガス抜き孔hを弾性リング31の付勢力で押し付けるように、ガス抜き孔hの周辺の環状のカシメ領域32にはめ込むことにより、通常時にはガス抜き孔hを、封止することができる。
【0053】
そして、外装容器内の内圧が、第1の安全弁の規定圧を超え、第2の安全弁の規定圧まで上昇した場合には、弾性リング31の付勢力に抗して弾性リング31を押し広げる。これにより、ガス抜き孔hから外装容器1内のガス及び溶解物質を排出することができる。また、封口キャップ内の内部空間を十分に広く取ることができるため、電極体の容積を大きくすることができるため、電池容量を高めることが可能となる。
【0054】
製造に際しても、封口キャップ13の本来もつガス抜き孔hを弾性リング31で塞ぎ、必要に応じてカシメ領域を形成するのみで安全弁を形成することができる。従って、特別な加工も不要である上、封口板やスプリング(ゴム式安全弁の場合はゴム)も不要であり部品点数も少なくてすむ。また集電リード19Rと封口キャップ13との接続は封口キャップと外装容器との間に通電し、電解液を解して電流を流すことにより、直接溶接を行う方法でなされるが、この際にも距離が近く抵抗損失が少なくなるため効率よく溶接がなされる。また正極端子を構成する封口キャップと電極体との距離が極めて近いため、使用時の電流損失も低減される。
【0055】
なお、前記実施の形態ではカシメ領域を形成したが、カシメ領域を形成することなくガス抜き孔hを塞ぐように弾性リングを装着してもよい。
【0056】
また、前記実施の形態では、弾性リングとして環状のスプリングを用いたがゴムリングを用いるようにしても良い。
【0057】
図3と図1との比較から明らかなように本実施の形態の構造によれば、封口キャップの内部空間にスプリングがない構造であるため電池内部残空間の体積率は前記第1の実施の形態の体積率を100%としたとき130%となった。ゴムリングの場合も同様に体積率は130%となった。
【0058】
これはそのまま電極体容積の拡大可能領域につながり、電池容量を増大することが可能となる。
【0059】
このようにして形成された電池を10個用意し、使用時の破裂率を測定した結果、0であった。前記第1の実施の形態と同様の耐圧信頼性を得ることができた。
これらの比較から、本発明によれば、耐圧信頼性の高い電池を提供することが可能であることがわかる。
【0060】
なお、前記実施の形態では、第1の安全弁として用いたが、第2の安全弁を用いることなく、この封口キャップの筒部に形成したガス抜き孔を塞ぐ弾性リングで構成した安全弁を、1個の安全弁のみを有する密閉型電池の安全弁としても適用可能である。
この場合にも耐圧信頼性は同程度であり、スプリングあるいはゴムなどの弾性部材を封口キャップ内に収納したタイプの安全弁に比べ内部空間を大幅に増大することができ、電池容量の増大を図ることが可能となる。
近年、デバイスの高機能化、微細化に伴い、電池自体の微細化、信頼性の向上および大容量化への要求は高まる一方である。このような状況の中で安全装置についても、電池内部空間を最大限に有効に利用することができ、小型化、大容量化、安全性の向上という排他的要件をいずれも満たすような構造への要求が高まっている。この構造はこのような排他的要件の全てを満たす次世代の電池に、有効な構造である。
特に、封口キャップに安全弁を設ける場合にも、図3(c)に示した第2の安全弁と同様に、孔を筒部の根元近傍に設けることにより、内部ガスを効率的に排出することができる。また、カシメ領域で構成された凹部に弾性リングが入り込み、この弾性リングを鍔部で押さえた形になるようにすることにより、封止効果が高く、封口キャップの強度も増大する。また鍔部の端縁が凹部内壁に当接するようにすれば、封口キャップ自体の内部抵抗も低減される。さらにまた封口キャップ表面を有効に端子として使用することができ、外形を最小限に抑え、特性が良好で信頼性が高い安全装置付きNi−Cd電池を提供することが可能となる。
【0061】
内部空間容積の差に着目した、本発明と従来例との封口部の構造を示す説明図を図5(a)乃至(d)に示す。図5(c)および(d)は本発明の環状スプリング方式およびゴムリング方式の安全弁を備えた封口部を示す図である。環状スプリング方式は弾性リングとして環状スプリング33を用いたものであり、ゴムリング方式は弾性リング31としてゴムリングを用いたものである。
【0062】
図5(a)および(b)は従来例のスプリング方式およびゴム方式の安全弁を備えた封口部を示す図である。従来例のスプリング方式の安全弁は図8に示した封口体と同様であり、同一部位には同一符号を付した。またゴム式の例では封口キャップと封口板との間に弁板としてゴム製の弁体48を挿入したものである。これらの比較から本発明の構造によれば、スプリングあるいはゴムなどの弾性部材を封口キャップ内に収納した従来例のタイプの安全弁に比べ内部空間を大幅に増大することができることがわかる。
【0063】
また、前記第2の実施の形態では、直接溶接法により集電体と封口キャップとを接合する例について説明したが、これに限定されることなく、溶接後、封口する構造の電池にも適用可能であり、この場合にも内部空間の増大を図ることが可能であることはいうまでもない。
【0064】
さらに、前記実施の形態では、封口部に取付ける封口キャップを正極キャップとして説明したが、負極キャップにすることも可能である。
【0065】
(第3の実施の形態)
また本発明の第3の実施の形態として図6に示すように、第2の安全弁を外装容器の底面でなく側面に形成したものである。この構造では第2の安全弁40を外装容器1の側面に設けたものであり、外装容器1の側面に設けられたガス抜き孔hと、このガス抜き孔hを塞ぐように形成された弾性リング41とで構成されている。安全弁の構造については前記第2の安全弁と同様である。また他部の構造についても同様である。
【0066】
このように、第2の安全弁の設置位置については、前記実施の形態に限定されることなく適宜形成可能である。
【0067】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、部品点数も少なく、製造が容易で耐圧信頼性の高い密閉型電池を得ることが可能となる。
また、電池内部空間を低減させることなく形成でき、容量の増大を図ることが可能となる。
また、安全装置を、封口体内に設けられた第1の安全弁と、外装容器のカシメ領域に形成された孔とこの孔を塞ぐように配設されたシール部材とを具えた第2の安全弁とで構成すれば、異常などにより第1の安全弁が作動しなかったときでも第2の安全弁が作動するため、破裂の危険を招くこともない。
また第2の安全弁ではかしめ部分が広がるので従来のように外装容器が切れたりすることなく、安全にガスを排出することができる。
さらに、外装容器が切れないため、内容物が飛び出したり、露出したりすることがないので安全ある。
特に極板にカドミウムを用いるNi−Cd電池の場合はカドミウムが露出しないため、環境汚染を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の密閉型電池を示す断面図である。
【図2】同密閉型電池のガス排出時の状態を示す要部図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態の密閉型電池の製造工程の一部を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態の密閉型電池を示す断面図である。
【図5】図5(a)、(b)は従来例の密閉型電池の封口部を示す説明図、図5(c)、(d)は本発明の密閉型電池の封口部を示す説明図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態の密閉型電池を示す断面図である。
【図7】従来の密閉型電池の外観図である。
【図8】同電池の封口部を示す要部断面図である。
【符号の説明】
1 外装容器
2 封口部
3 第1の安全弁
4 第2の安全弁
5 凹部
6 筒部
7 カシメ領域
8 孔
9 弾性リング
10 封口板
11 弁板
12 開口
【発明の属する技術分野】
本発明は密閉型電池に係り、特に安全弁を備えることにより外装容器内のガスや溶解物質を逃がして外装容器内の圧力を正常圧に保つことができる密閉型電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
密閉型電池としてのNi−Cd電池やニッケル水素電池等のアルカリ蓄電池は、正極板と負極板との間にセパレータを介在させて巻回することにより電極体を形成し、この電極体を外装容器の開口から外装容器内に収容し、図7に示すように、外装容器100の開口を封口部50で封口されている。この封口部50は、外装容器の開口部に封口板51が装着され、この封口板51にゴム式あるいはスプリング式の安全弁55が設けられている。図7はこの密閉型電池の外観図である。
【0003】
例えばスプリング式の安全弁55は、図8に示すように、封口板51の開口部52に臨むように弁板56が配置され、この弁板56と正極キャップ57との間にスプリング58を配置することにより、スプリング58の付勢力で弁板56を封口板51の凹部53に押し付けて、開口部52を封止できるようになっている。
【0004】
そして、外装容器内の圧力が、万一規定圧まで上昇した場合には、スプリング58の付勢力に抗して弁板56を押し上げる。これにより、封口板51の開口部52から外装容器内のガス及び溶解物質を排出することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の安全装置は、安全弁のみであることから、異物の混入、電解液の結晶化などにより弁への付着物の存在、あるいは弁板が溶融してくっついてしまう等何らかのトラブルにより安全弁が作動しなくなった場合、電池破裂にいたるという問題があった。
【0006】
このような電池破裂を防止するために、外装容器にキズを設け、電池内部圧力異常上昇時にキズが割れることにより、電池内部圧力を逃がすことができるようにしたものも提案されている(特開平6−333548号公報)。
【0007】
また、封口キャップに、異常圧力によって破断しうるような肉薄ラインを設け、異常時に気体を排出できるようにしたものも提案されている(特開平10−284037号公報)。
【0008】
このように直接外装容器や封口キャップに肉薄部を形成すると、変形領域を制御するのが困難であった。
【0009】
また、外装容器の封口部近傍で絞り加工を行い、強度を高める工夫がなされているが、圧縮しながら絞るためキズがあるとキズの部分で変形しやすくなり、十分に絞り加工ができないという問題があった。
【0010】
また、異常時に外装容器が割れるため、極板が電池外部に突出することがあり、極板には活物質を構成するカドミウム等の重金属が含まれており、これが環境汚染の原因となるという問題があった。
【0011】
さらに、近年の小型化、および容量増大への要求に伴い、内部容積利用の高効率化および外装容器の小型化への要求は進む一方である。
【0012】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、異常時に強制的に内部ガスを排出することのできる安全装置を備えた密閉型電池を提供することを目的とする。
また絞り加工が可能で、強制ガス排出時に極板が電池外部に突出することのない密閉型電池を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る密閉型電池は、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、前記外装容器内に収容される正極板および負極板を備えた電極体と、前記正極板または負極板の一方の前記封口体側に位置する端部と前記封口体とを集電体を介して接続する電池であって、前記外装容器または封口体に形成された孔とこの孔を塞ぐように配設されたシール部材とを具えた安全弁装置を含むことを特徴とする。
【0014】
キズや肉薄領域ではなく、孔を形成し、この孔を塞ぐようにシール部材を具えた安全弁装置を用いているため、絞り加工による成形も制御性よく実行することができる。また、内部圧力が上昇して、安全弁装置が作動した場合も孔を塞ぐシール部材がはずれて孔からガスが排出されるのみであり、極板が露出したりするおそれはない。また非破壊型であるため、ガスが排出されたあと、シール部材を装着すればそのまま復帰させることが可能である。
【0015】
この安全弁装置を、缶底に設けるようにすれば、ガスの排出が容易である。
【0016】
またこの安全弁装置は、封口体内に設けられた第1の安全弁と、前記外装容器のカシメ領域に形成された孔とこの孔を塞ぐように配設されたシール部材とを具えた第2の安全弁とを具備してなることを特徴とする。
【0017】
かかる構成によれば、上記作用効果に加え、第1の安全弁が作動しなかったとしても、第2の安全弁装置によってカシメ領域が変形し、ガスが効率よく排出される。
【0018】
望ましくは、前記第2の安全弁は、前記外装容器の底部に設けられた凹部と、前記凹部から突出する筒部と、前記筒部の外周に設けられたカシメ領域と、前記筒部に設けられた孔を塞ぐように前記カシメ領域に配設された弾性リングとを含むことを特徴とする。
【0019】
かかる構成によれば、第1の安全弁が作動しない場合にも第2の安全弁が作動し、底部のカシメ領域が変形し、強制的に内部ガスを排出することで電池破裂を防ぐことができる。また、絞り加工を行うこともでき、極板が電池外部に突出する可能性のない電池を得ることが可能となる。
【0020】
また望ましくは、記第1の安全弁は、穴を有する弁板と、前記穴を塞ぐように、弾性部材を介して設けられた封口キャップとからなることを特徴とする。
【0021】
望ましくは、前記封口体は、外方に突出した筒部を備えた封口キャップからなり、前記第1の安全弁は、封口キャップの筒部において内方にむかって設けられた環状の凹部からなるカシメ領域と、前記筒部に設けられた孔を塞ぐように前記カシメ領域に配設された弾性リングとを含むことを特徴とする。
【0022】
かかる構成によれば、封口キャップに設けられた孔に弾性リングをとりつけた極めて簡単な構造であって、かつ封口キャップの外部に弾性リングが装着されているのみであり、封口キャップの内部空間がそのまま空間として存在するため、電極体を最大限に大きくすることができ、容量の増大を図ることが可能となる。またプレス成形のみで容易に封口キャップを形成することができる。さらにまた部品点数も少なく極めて容易に組み立て可能である。
【0023】
また望ましくは、前記安全弁装置は、作動圧が、封口体と外装容器とのかしめ強度よりも小さいことを特徴とする。
かかる構成によれば、封口体が外れる前に、安全弁装置が作動し、ガスを排出することができるため、定常状態への復帰も容易である。
【0024】
望ましくは、前記第1の安全弁は、前記第2の安全弁よりも作動圧を小さく形成すれば、第2の安全弁は第1の安全弁が作動した後あるいは第1の作動弁が作動できない状況となったときのみ作動することになる。
【0025】
なおこの第1の安全弁の構造は、第2の安全弁がなく、1個のみである場合、この構造単独でも有効であることはいうまでもない。あるいは第2の安全弁の構造が、カシメ領域と、前記筒部に設けられた孔を塞ぐように前記カシメ領域に配設された弾性リングからなるものではない場合にも、同様に有効である。これは、封口キャップの筒部において内方にむかって設けられた環状の凹部からなるカシメ領域と、前記筒部に設けられた孔を塞ぐように前記カシメ領域に配設された弾性リングとを含むことにより、内部空間を最大限に有効に利用することができ、小型化、大容量化、安全性の向上という排他的要件をいずれも必要とする次世代の電池に、有効な構造である。
特に、孔を筒部の根元近傍に設けることにより、内部ガスを効率的に排出することができる。また、カシメ領域で構成された凹部に弾性リングが入り込み、鍔部で抑えた形になるようにすることにより、封止効果が高く、強度も増大する。また鍔部の端縁が凹部内壁に当接するようにすれば、封口キャップ自体の内部抵抗も低減される。さらにまた封口キャップ表面を有効に端子として使用することができる。
【0026】
ここでシール部材は、ウォーレンス硬度を80以上に設定するのが望ましい。また、シール部材をゴム材や樹脂材で形成することで、定常時の、孔とシール部材とのシール性を確実に確保することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の密閉型電池の好適な実施の形態を図面を参照にして詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る密閉型電池を示す断面説明図、図2は本発明に係る密閉型電池の第2の安全弁のガス排出時の状態を示す要部断面図、図3はこの第2の安全弁の形成工程を示す図である。
【0028】
図1に示すように、本発明に係る密閉型電池は、円筒状の外装容器1の開口部を封口部2で封口したNi−Cdタイプの密閉型電池を構成するもので、この封口部2に設けた第1の安全弁3と、外装容器1の底部に配置された第2の安全弁4とを具備したことを特徴とするものである。ここで第1の安全弁の規定圧は、第2の安全弁の規定圧よりも低く、かつ封口体と外装容器とのかしめ強度よりも小さいものとする。
【0029】
この密閉型電池の封口部2は、外装容器1の開口部に封口板がかしめられ、この封口板に第1の安全弁3が設けられている。
そして第2の安全弁4は、外装容器1の底部に設けられた凹部5と、前記凹部5から突出する筒部6と、前記筒部6の外周に設けられたカシメ領域7と、前記筒部に設けられた孔8を塞ぐように前記カシメ領域7に配設された弾性リング9とを含むことを特徴とする。
【0030】
他の構成は、従来の密閉型電池と同様である。
【0031】
ここで第1の安全弁3は、封口板10の開口部12を塞ぐように弁板11を配設したことを特徴とするもので、この弁板11と封口キャップ(正極キャップ)13との間にスプリング14を配置することにより、スプリング14の付勢力で弁板11を封口板10の開口部12に押し付けてこの開口部12を封止できるように構成したものである。
【0032】
外装容器1の内部には、正極板15と負極板17との間にセパレータ16を介在させて巻回された電極体18が配置されており、この電極体18の上部には正極集電板19が設けられ溶接接続により電気的接続を達成している。一方この電極体18の下部には負極集電体20が設けられ外装容器1の内壁との間で溶接がなされて電気的接続を達成している。
【0033】
ここで第2の安全弁4では、外装容器1の底部に設けられた凹部5から突出する筒部6に設けられた孔8を弾性リング9の付勢力で押し付けるように、孔8の周辺の環状のカシメ領域7にはめ込むことにより、通常時には孔8を、封止することができる。
【0034】
そして、外装容器内の内圧が、第1の安全弁の規定圧を超え、第1の安全弁が作動しなかったときに、第2の安全弁の規定圧まで上昇した場合には、弾性リング9の付勢力に抗して弾性リング9を押し広げる。これにより、図2に示すように筒部6の孔8から外装容器1内のガス及び溶解物質を排出することができる。
【0035】
ここで第1の安全弁3では、封口板10の開口部12に臨むように弁板11が配置され、この弁板11と封口キャップ13との間にスプリング14を配置することにより、スプリング14の付勢力で弁板11を封口板10の開口部12に押し付けて通常時には開口部12を封止できる。
【0036】
そして、外装容器内の内圧が、万一第1の安全弁の規定圧まで上昇した場合には、スプリング14の付勢力に抗して弁板11を押し上げる。これにより、封口板10の開口部12から外装容器内のガス及び溶解物質を封口キャップ13内に逃がすことができ、封口キャップ13に逃がしたガス及び溶解物質をガス抜き孔hから排出することができる。
【0037】
弁板11は金属板にゴム製のシール材が貼り合わされているが、このシール材には封口板10の開口部12に向けて突出するように突出部を形成しても良い。これにより、弁板11に封口板10の開口部12に向けて突出する突出部を形成してことで、封口板10の開口部12に突出部10を嵌め込むことができる。よって、封口板10の開口部12から弁板10がズレるのを突出部で防ぐことができる。
【0038】
また、シール材をゴム材とすることで、シール材を封口板10に押圧した際に、シール材と封口板10とのシール性を確実に確保することができる。
【0039】
ここで第1の安全弁の変形荷重は3.0から3.6Mpa、第2の安全弁の変形荷重は6.0〜6.3Mpaとした。
【0040】
なお、第2の安全弁は第1の安全弁が開いてもなお、内圧が上昇しているとき、あるいは第1の安全弁が開かなかったときに作動し、ガスを排出することにより、電解液の漏れや、電極板の露出さらには、電池の破裂を防止することができる。
【0041】
次に、前記第1の実施の形態のNi−Cdタイプの密閉型電池の第2の安全弁の形成工程について説明する。
【0042】
まず、図3(a)に示すように、プレス加工により、筒状に形成された外装容器1の底面に孔8を形成するとともに、環状の凹部5を形成する。ここで孔8は、環状の凹部の形成により、凹部内に形成される筒状部6の底部近傍に位置するように位置決めして形成される。
【0043】
次いで、図3(b)に示すように、この凹部5から突出する筒状部に弾性リング9を装着し、カシメ加工を行うことにより、図3(c)に示すように、弾性リングを覆うように凹部5に鍔状に張り出し、平坦な底面をもつカシメ領域7を得る。
【0044】
このようにして、極めて容易にプレス加工により形成される。追加部品も弾性リングのみであり、部品点数も少なく組み立ても容易である。
【0045】
そして他の組み立て工程は通常の電池と同様に形成される。上述したように、第2の安全弁4を形成した後、電極体を外装容器内に配置し、集電体の溶接工程を経て封口体を装着し、最後に封口部のカシメ加工を行い、図1に示したような電池が完成する。
【0046】
このようにして形成された電池を10個用意し、使用時の破裂率を測定した結果、0であった。比較のために図7に示した第2の安全弁を付さない従来例の電池に対し、同様の試験を行った結果、破裂率は100%であった。
【0047】
これらの比較から、本発明によれば、耐圧信頼性の高い電池を提供することが可能であることがわかる。
【0048】
(第2の実施の形態)
図4は本発明の第2の実施の形態の密閉型電池を示す断面説明図である。
図4に示すように、本発明に係る密閉型電池は、第1の安全弁の構造に特徴を有するもので、前記第1の実施の形態で説明したNi−Cdタイプの密閉型電池の第2の安全弁構造と同様、封口キャップのガス抜き孔に弾性リングを装着し、安全弁として用いた構造を、採用したことを特徴とするものである。
【0049】
すなわち、第1の安全弁30は、突出部の側面にガス抜き孔hを有する封口キャップ13のガス抜き孔hの近傍を環状のスプリングからなる弾性リングで覆い、ガス抜き孔hを塞ぐようにしたことを特徴とするものである。
【0050】
この構造では、封口部2が、封口板10を用いることなく、封口キャップ13の周縁を外装容器1の開口部に到達するまで外方に伸長させ、ガスケット21を介して直接封止しており、封口キャップ13の内部には正極集電体19から突出する筒状の集電リード19Rが存在しているのみであり、空間となっている。そしてガス抜き孔hの近傍がカシメ領域32を形成し、このカシメ領域32に弾性リング31が装着されている。
【0051】
また、第2の安全弁など、他の部分は前記第1の実施の形態と同様に形成されている。
このため内部空間が有効に利用でき、電極体18を最大限に大きくすることができる。
【0052】
ここで第1の安全弁30では、封口キャップ13のガス抜き孔hを弾性リング31の付勢力で押し付けるように、ガス抜き孔hの周辺の環状のカシメ領域32にはめ込むことにより、通常時にはガス抜き孔hを、封止することができる。
【0053】
そして、外装容器内の内圧が、第1の安全弁の規定圧を超え、第2の安全弁の規定圧まで上昇した場合には、弾性リング31の付勢力に抗して弾性リング31を押し広げる。これにより、ガス抜き孔hから外装容器1内のガス及び溶解物質を排出することができる。また、封口キャップ内の内部空間を十分に広く取ることができるため、電極体の容積を大きくすることができるため、電池容量を高めることが可能となる。
【0054】
製造に際しても、封口キャップ13の本来もつガス抜き孔hを弾性リング31で塞ぎ、必要に応じてカシメ領域を形成するのみで安全弁を形成することができる。従って、特別な加工も不要である上、封口板やスプリング(ゴム式安全弁の場合はゴム)も不要であり部品点数も少なくてすむ。また集電リード19Rと封口キャップ13との接続は封口キャップと外装容器との間に通電し、電解液を解して電流を流すことにより、直接溶接を行う方法でなされるが、この際にも距離が近く抵抗損失が少なくなるため効率よく溶接がなされる。また正極端子を構成する封口キャップと電極体との距離が極めて近いため、使用時の電流損失も低減される。
【0055】
なお、前記実施の形態ではカシメ領域を形成したが、カシメ領域を形成することなくガス抜き孔hを塞ぐように弾性リングを装着してもよい。
【0056】
また、前記実施の形態では、弾性リングとして環状のスプリングを用いたがゴムリングを用いるようにしても良い。
【0057】
図3と図1との比較から明らかなように本実施の形態の構造によれば、封口キャップの内部空間にスプリングがない構造であるため電池内部残空間の体積率は前記第1の実施の形態の体積率を100%としたとき130%となった。ゴムリングの場合も同様に体積率は130%となった。
【0058】
これはそのまま電極体容積の拡大可能領域につながり、電池容量を増大することが可能となる。
【0059】
このようにして形成された電池を10個用意し、使用時の破裂率を測定した結果、0であった。前記第1の実施の形態と同様の耐圧信頼性を得ることができた。
これらの比較から、本発明によれば、耐圧信頼性の高い電池を提供することが可能であることがわかる。
【0060】
なお、前記実施の形態では、第1の安全弁として用いたが、第2の安全弁を用いることなく、この封口キャップの筒部に形成したガス抜き孔を塞ぐ弾性リングで構成した安全弁を、1個の安全弁のみを有する密閉型電池の安全弁としても適用可能である。
この場合にも耐圧信頼性は同程度であり、スプリングあるいはゴムなどの弾性部材を封口キャップ内に収納したタイプの安全弁に比べ内部空間を大幅に増大することができ、電池容量の増大を図ることが可能となる。
近年、デバイスの高機能化、微細化に伴い、電池自体の微細化、信頼性の向上および大容量化への要求は高まる一方である。このような状況の中で安全装置についても、電池内部空間を最大限に有効に利用することができ、小型化、大容量化、安全性の向上という排他的要件をいずれも満たすような構造への要求が高まっている。この構造はこのような排他的要件の全てを満たす次世代の電池に、有効な構造である。
特に、封口キャップに安全弁を設ける場合にも、図3(c)に示した第2の安全弁と同様に、孔を筒部の根元近傍に設けることにより、内部ガスを効率的に排出することができる。また、カシメ領域で構成された凹部に弾性リングが入り込み、この弾性リングを鍔部で押さえた形になるようにすることにより、封止効果が高く、封口キャップの強度も増大する。また鍔部の端縁が凹部内壁に当接するようにすれば、封口キャップ自体の内部抵抗も低減される。さらにまた封口キャップ表面を有効に端子として使用することができ、外形を最小限に抑え、特性が良好で信頼性が高い安全装置付きNi−Cd電池を提供することが可能となる。
【0061】
内部空間容積の差に着目した、本発明と従来例との封口部の構造を示す説明図を図5(a)乃至(d)に示す。図5(c)および(d)は本発明の環状スプリング方式およびゴムリング方式の安全弁を備えた封口部を示す図である。環状スプリング方式は弾性リングとして環状スプリング33を用いたものであり、ゴムリング方式は弾性リング31としてゴムリングを用いたものである。
【0062】
図5(a)および(b)は従来例のスプリング方式およびゴム方式の安全弁を備えた封口部を示す図である。従来例のスプリング方式の安全弁は図8に示した封口体と同様であり、同一部位には同一符号を付した。またゴム式の例では封口キャップと封口板との間に弁板としてゴム製の弁体48を挿入したものである。これらの比較から本発明の構造によれば、スプリングあるいはゴムなどの弾性部材を封口キャップ内に収納した従来例のタイプの安全弁に比べ内部空間を大幅に増大することができることがわかる。
【0063】
また、前記第2の実施の形態では、直接溶接法により集電体と封口キャップとを接合する例について説明したが、これに限定されることなく、溶接後、封口する構造の電池にも適用可能であり、この場合にも内部空間の増大を図ることが可能であることはいうまでもない。
【0064】
さらに、前記実施の形態では、封口部に取付ける封口キャップを正極キャップとして説明したが、負極キャップにすることも可能である。
【0065】
(第3の実施の形態)
また本発明の第3の実施の形態として図6に示すように、第2の安全弁を外装容器の底面でなく側面に形成したものである。この構造では第2の安全弁40を外装容器1の側面に設けたものであり、外装容器1の側面に設けられたガス抜き孔hと、このガス抜き孔hを塞ぐように形成された弾性リング41とで構成されている。安全弁の構造については前記第2の安全弁と同様である。また他部の構造についても同様である。
【0066】
このように、第2の安全弁の設置位置については、前記実施の形態に限定されることなく適宜形成可能である。
【0067】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、部品点数も少なく、製造が容易で耐圧信頼性の高い密閉型電池を得ることが可能となる。
また、電池内部空間を低減させることなく形成でき、容量の増大を図ることが可能となる。
また、安全装置を、封口体内に設けられた第1の安全弁と、外装容器のカシメ領域に形成された孔とこの孔を塞ぐように配設されたシール部材とを具えた第2の安全弁とで構成すれば、異常などにより第1の安全弁が作動しなかったときでも第2の安全弁が作動するため、破裂の危険を招くこともない。
また第2の安全弁ではかしめ部分が広がるので従来のように外装容器が切れたりすることなく、安全にガスを排出することができる。
さらに、外装容器が切れないため、内容物が飛び出したり、露出したりすることがないので安全ある。
特に極板にカドミウムを用いるNi−Cd電池の場合はカドミウムが露出しないため、環境汚染を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の密閉型電池を示す断面図である。
【図2】同密閉型電池のガス排出時の状態を示す要部図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態の密閉型電池の製造工程の一部を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態の密閉型電池を示す断面図である。
【図5】図5(a)、(b)は従来例の密閉型電池の封口部を示す説明図、図5(c)、(d)は本発明の密閉型電池の封口部を示す説明図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態の密閉型電池を示す断面図である。
【図7】従来の密閉型電池の外観図である。
【図8】同電池の封口部を示す要部断面図である。
【符号の説明】
1 外装容器
2 封口部
3 第1の安全弁
4 第2の安全弁
5 凹部
6 筒部
7 カシメ領域
8 孔
9 弾性リング
10 封口板
11 弁板
12 開口
Claims (3)
- 一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、前記外装容器内に収容される正極板および負極板を備えた電極体と、前記外装容器内のガスを放出する安全弁装置とを備えた密閉型電池であって、
前記安全弁装置は、
前記封口体内に設けられた第1の安全弁と、
前記外装容器のカシメ領域に形成された孔とこの孔を塞ぐように配設されたシール部材とを具えた第2の安全弁とを具備してなることを特徴とする密閉型電池。 - 前記第2の安全弁は、前記外装容器の底部に設けられた凹部と、前記凹部から突出する筒部と、前記筒部の外周に設けられたカシメ領域と、前記筒部に設けられた孔を塞ぐように前記カシメ領域に配設された弾性リングとを含むことを特徴とする請求項1に記載の密閉型電池。
- 前記第2の安全弁は、前記第1の安全弁よりも作動圧が大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の密閉型電池。
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