JP2004134204A

JP2004134204A - 密閉型電池

Info

Publication number: JP2004134204A
Application number: JP2002296927A
Authority: JP
Inventors: Mikio Oguma; 小熊　幹男
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP3786074B2

Abstract

【課題】十分に安全でありながらも、体積効率を高めた密閉型電池を提供する。
【解決手段】密閉円筒型リチウムイオン二次電池３０は、電池缶１０内の中央に収容された電極捲回群１１を備えており、電極捲回群１１の上部には上蓋２０が配置されている。上蓋２０は皿状のダイヤフラム２を有しており、ダイヤフラム２の中央部の底面と接続板の中央部の上面とが、ダイヤフラム２に沿った扁平ドーナツ形状のスプリッタ４を狭持して、抵抗溶接により電気的・機械的に接合されている。ダイヤフラム２のスプリッタ４が沿う部分と、スプリッタ４とが、正極集電リング１４内に収容されており、スプリッタ４の外周部が、絶縁リングの内面側の３箇所以上のツメで支持されている。スプリッタ４の外周部がダイヤフラム２に近接配置されてダイヤフラム２のスプリッタ４が沿う部分と、スプリッタ４とが電池缶１０内に落とし込まれている。
【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、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが貫通穴が形成された導電性スプリッタを挟持し、前記ダイヤフラム及び接続板の平面部同士が電気的・機械的に接続された防爆機構を備えた密閉型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、密閉型電池は家電製品に汎用されており、最近では、密閉型電池の中でも特にリチウム電池が数多く用いられるに至っている。また、リチウム電池はエネルギ密度が高いことから、電気自動車（ＥＶ）又はハイブリッド車（ＨＥＶ）の車載電源としても開発が進められている。しかし、密閉型電池は充電装置の故障などによって過充電状態に陥ると、電池内圧が極端に上昇することがある。このため、例えば、特開平第８−７８６６号公報に開示されているように、薄板金属板の中央部を下方に突出させた突起部が厚板金属板に溶接されており、これらの金属板の周部がカシメられた防爆装置を有する電池が提案されている。また、特に有機溶媒を電解液として用いるリチウム電池においては、電池性能が高くなるので、より確実な防爆動作が要求される。
【０００３】
図３に示すように、本発明者らは、防爆装置を内蔵した上蓋４０を備えた密閉円筒型リチウム二次電池５０を先に提案した。密閉円筒型リチウム二次電池５０は、有底円筒状の電池缶１０を備えており、電池缶１０内に電極捲回群１１が収容されている。電極捲回群１１の上部には円環状の正極集電リング１４が配置されている。正極集電リング１４は、正極リード板３２を介して上蓋４０を構成するスプリッタ２４の底面に接続されている。正極集電リング１４の更に上部には、上蓋４０が配置されている。上蓋４０は、ガスケット１３を介して電池缶１０にカシメられている。
【０００４】
図４に示すように、上蓋４０は、円板状の上蓋キャップ２１を有している。上蓋キャップ２１の周縁部は、ダイヤフラム２２の周縁部でカシメられている。ダイヤフラム２２は、アルミニウム合金製で下方に底部が形成された皿状の形状を有している。皿状の底部は平面状でありダイヤフラム２２の中央部を形成している。ダイヤフラム２２の中央部と周縁部との間には、薄肉化されており電池内圧が所定圧に達すると開裂する開裂溝１８が形成されている。ダイヤフラム２２の中央部の底面とアルミニウム合金製の接続板６の中央で上方に平面状に突出した中央部の上面とは、抵抗溶接により電気的・機械的に接合されている。ダイヤフラム２２の中央部と接続板６の周縁部との間には、フランジ部が中央部の底面に当接する円環状でポリプロピレン樹脂製のブッシュを介して、スプリッタ２４が狭持されている。スプリッタ２４はアルミニウム合金製の平板状であり、中央には貫通穴が形成されている。スプリッタ２４の周部は、ダイヤフラム２２の周縁底面に当接しスプリッタ２４をダイヤフラム２２から隔てる断面略Ｔ字状の絶縁リング２３により係止されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平第８−７８６６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構造の防爆装置を内蔵した電池では、電池内圧上昇時に、防爆装置により安全に電池を使用不能状態とすることはできるが、防爆装置が占める体積によって、電池の体積効率が低下する、という問題点がある。
【０００７】
図３及び図４に示す構造では、防爆装置が正極集電リング１４より上部に配置されているため、絶縁リング２３の高さに相当する寸法だけ、電池の高さが大きくなる。このため、電池の体積が増加すると共に、重量も増加してしまう、という問題点がある。ＥＶやＨＥＶにおいては、電池の体積の増加は、居住空間の減少につながり、重量の増加は、燃費の悪化につながる。
【０００８】
本発明は上記事案に鑑み、十分に安全でありながらも、体積効率を高めた密閉型電池を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが貫通穴が形成された導電性スプリッタを挟持し、前記ダイヤフラム及び接続板の平面部同士が電気的・機械的に接続された防爆機構を備えた密閉型電池であって、前記スプリッタが前記ダイヤフラムに沿った扁平ドーナツ形状を有している。
【００１０】
本発明では、密閉型電池が防爆機構を備えているため、電池内圧が所定圧に達するとダイヤフラムが反転しダイヤフラム及び接続板の平面部の接続が破断することで、電流が遮断されるので、安全性を確保することができると共に、スプリッタの形状をダイヤフラムに沿った皿状形状としたため、スプリッタの周部がダイヤフラムに近づき、近づいた分防爆機構を密閉型電池内に落とし込むことができるので、密閉型電池の高さ方向の寸法を小さくすることができる。
【００１１】
この場合において、ダイヤフラムのスプリッタが沿う部分と、スプリッタとを、環状の集電部材内に収容すれば、更に密閉型電池の高さ方向の寸法を小さくすることができる。また、更に、スプリッタの周部をダイヤフラムの底面と所定間隔を隔てて係止する樹脂製スプリッタ係止部材を備え、スプリッタ係止部材がスプリッタの外周部を支持するツメを３箇所以上有するようにすれば、電池に振動が加えられても、ダイヤフラムとスプリッタとの平面部同士が接続された箇所に繰り返し応力が集中することを防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用可能な密閉円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池３０（以下、二次電池３０と略称する。）は、電極捲回群１１を備えている。電極捲回群１１は、負極端子を兼ねる有底円筒状の電池缶１０内の中央に収容されており、正極板と負極板とをポリエチレン製微多孔薄膜のセパレータを介してガラス入り樹脂製軸芯の周りに捲回されている。
【００１４】
正極は、リチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）又はＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４のリチウムサイト又はマンガンサイトを他の金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン遷移金属複合酸化物の粉末、導電材の炭素材料、結着剤のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及び粘度調整溶媒としてｎ−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た正極活物質合剤を正極集電体のアルミニウム箔の両表面に均一に塗布、乾燥、所定寸法にプレス、集電するための一部を残して短冊状に裁断して得られたものである。なお、リチウムマンガン遷移金属複合酸化物は、化学式ＬｉＭｎ_１−ｘＭ_ｘＯ_２、ＬｉＭｎ_２−ｘＭ_ｘＯ_４（Ｍは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等から選ばれる１種以上の遷移金属）で表すことができる。
【００１５】
一方、負極は、黒鉛又は炭素、結着剤のＰＶＤＦ及び粘度調整溶媒としてｎ−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た負極活物質合剤を負極集電体の銅箔の両表面に均一に塗布、乾燥、所定寸法にプレス、集電するための一部を残して短冊状に裁断して得られたものである。なお、集電するために残した部分には正、負極タブが形成されている。
【００１６】
正極タブ及び負極タブは電極捲回群１１の互いに反対側の両端面に位置するように配置されている。軸芯の下端には、集電用の負極集電リングが固定されており、負極集電リングの周縁部には負極タブが超音波溶接されている。負極集電リングは、電池缶１０に抵抗溶接されている。軸芯の上端には集電用の正極集電リング１４が固定されており、正極集電リング１４の周縁部には正極タブが超音波溶接されている。正極集電リング１４には、短冊状の正極リード板１６の一端が溶接されている。正極リード板１６の他端は、短冊状の正極リード板１２の一端に接続されており、正極リード板１２の他端は、電極捲回群１１の上部に配置された上蓋２０を構成するスプリッタ４の底面に溶接されている。
【００１７】
図２に示すように、上蓋２０は、鉄製でニッケルメッキが施された円板状の上蓋キャップ１を有している。円板の中央には上方に向けて突出した円筒状の突起が形成されている。突起の上面には開口が形成されている。上蓋キャップ１の周縁部は、ダイヤフラム２の周縁部でカシメられている。ダイヤフラム２は、アルミニウム合金製で下方に底部が形成された皿状の形状を有している。皿状の底部は平面状でありダイヤフラム２の中央部を形成している。ダイヤフラム２の中央部と周縁部との間には、薄肉化されており電池内圧が所定圧に達すると開裂する開裂溝８が形成されている。ダイヤフラム２の中央部の底面とアルミニウム合金製の接続板６の中央で上方に平面状に突出した中央部の上面とは、抵抗溶接により電気的・機械的に接合されている。ダイヤフラム２は、二次電池３０の内圧が所定圧になったときに作動（ダイヤフラム２が上蓋キャップ１側に反転）するように抵抗溶接により設定されている（以下、この抵抗溶接箇所を接合部７という。）。ダイヤフラム２の中央部と接続板６の周縁部との間には、フランジ部が中央部の底面に当接する円環状でポリプロピレン樹脂製のブッシュ５を介して、スプリッタ４が狭持されている。
【００１８】
スプリッタ４は、アルミニウム合金製で中央には貫通穴９が形成されており、ダイヤフラム２に沿った扁平ドーナツ形状（皿状の中央部が空けられた形状）を有している。ダイヤフラム２のスプリッタ４が沿う部分と、スプリッタ４とが、図１に示した正極集電リング１４内に収容されている。スプリッタ４の底面と正極集電リング１４の内面とで画定された空間Ｓは、電池の高さ方向で中央部より周部の方が大きい。図１に示した正極リード片１６は、空間Ｓの周部近傍で折り曲げられて収容されている。スプリッタ４の外周部は、断面略Ｔ字状の樹脂製絶縁リング３によりダイヤフラム２の底面と所定間隔を隔てて係止されている。絶縁リング３は、内面側にスプリッタ４の外周部を支持するツメ１５を３箇所以上有している。絶縁リング３とツメ１５とは一体成形されている。なお、ダイヤフラム２、スプリッタ４、上蓋キャップ１及び接続板６は、プレス加工により形成されている。
【００１９】
電池缶１０内に非水電解液が所定量注入された後、上蓋２０の周縁部と電池缶１０とはガスケット１３を介してカシメられて電池内が密閉されている。非水電解液には、例えば、６フッ化リン酸リチウムや４フッ化ホウ酸リチウムをエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの有機溶媒に１モル／リットル程度溶解した電解液が用いられている。
【００２０】
次に、本実施形態の二次電池３０の作用等について説明する。
【００２１】
本実施形態の二次電池３０は、スプリッタ４の形状をダイヤフラム２に沿った扁平ドーナツ形状としたため、スプリッタ４の外周部とダイヤフラム２の底面との間隔が小さくなる。このため、スプリッタ４及びダイヤフラム２を電池缶１０内に落とし込む（電極捲回群１１に近づける）ことができるので、二次電池３０の高さ方向の寸法を小さくすることができる。また、電池内圧が所定圧に達するとダイヤフラム２が反転し接続板６が破断して、電流が遮断される。従って、十分な安全性を確保できると共に、体積及び重量が小さい二次電池３０を得ることができる。また、スプリッタ４の形状が扁平ドーナツ形状のため、平板状のスプリッタよりスプリッタ４の強度を大きくできる。このため、スプリッタ４の厚さを薄くして二次電池３０を更に軽量化することができる。
【００２２】
また、本実施形態の二次電池３０は、ダイヤフラム２のスプリッタ４が沿う部分と、スプリッタ４とが、正極集電リング１４内の空間Ｓに収容されている。このため、正極集電リング１４内に収容された高さ分、二次電池３０の高さ方向の寸法を小さくすることができる。
【００２３】
更に、本実施形態の二次電池３０は、スプリッタ４の底面と正極集電リング１４の内面とで画定された空間Ｓが、二次電池３０の高さ方向で中央部より周部で大きく、正極リード片１６が空間Ｓの周部近傍で折り曲げられて収容されている。このため、正極リード片１６の折り曲げ（曲率半径Ｒ）を極端に小さくすることなく電池を作製することができる。従って、電池作製時にリード片１６が折損するおそれがない。
【００２４】
また、本実施形態の二次電池３０は、スプリッタ４の外周部をダイヤフラム２の底面と所定間隔を隔てて係止する絶縁リング３を備えている。このため、ダイヤフラム２とスプリッタ４とを絶縁することができる。また、絶縁リング３の３箇所以上のツメ１５によってスプリッタ４の外周部が支持されている。このため、外力による二次電池３０の振動時に、スプリッタ４の振動を抑制して、振動による疲労で接合部７が破断するのを防止することができる。従って、二次電池３０の耐振性を向上させることができる。また、絶縁リング３とツメ１５とは一体成形されているので、部品点数が増加することはなく、コスト高となることもない。
【００２５】
また更に、ダイヤフラム２の作動圧は大気圧より大きいので、一旦ダイヤフラム２が反転すれば、大気圧でダイヤフラム２は元の形状には戻らず、接続板６がダイヤフラム２に再度電気的に接触することもない。このため、安全性に優れた電池とすることができる。
【００２６】
更に、二次電池３０の内圧が更に上昇すると、ダイヤフラム２には薄肉化された開裂溝８が形成されているので、開裂溝８が内圧により開裂される。電池缶１０内のガスは、スプリッタ４に形成された貫通穴、開裂溝８の開裂箇所、上蓋キャップ１に形成された開口を経て外部へ開放される。従って、安全に二次電池３０を使用不能状態とすることができる。
【００２７】
また、本実施形態の二次電池３０では、ダイアフラム２とスプリッタ４との間にポリプロピレン樹脂製のブッシュ５を介在させたことで、組立時に一時的に大きな荷重がダイアフラム２に作用しても軟質材料からなるブッシュ５の変形によってダイアフラム２の開裂溝８の破損を防止することができる。このため、二次電池３０の歩留まりを高めることができると共に、電池組立作業での安全性も確保することができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、ダイヤフラム２に沿って扁平ドーナツ形状に折り曲げられたスプリッタ４を例示したが、形状はこれに限定されず、例えば、スプリッタ４の外周縁付近を更に折り曲げてもい。このようにすれば、更にスプリッタの外周縁部をダイヤフラム２に近づけて二次電池を小さくすることができる。
【００２９】
また、本実施形態では、断面略Ｔ字状の絶縁リング３を例示したが、断面形状はこれに限定されず、例えば、断面略Ｊ字状にしてもよい。このようにすれば、より確実にスプリッタ４を支持することができる。
【００３０】
更に、本実施形態では、密閉円筒型リチウムイオン二次電池を例示したが、円筒型に限定されず、角型に適用してもよいし、二次電池に限らず一次電池に適用してもよい。
【００３１】
また、本実施形態では、ダイヤフラム２、接続板６及びスプリッタ４の材質にアルミニウム合金を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、アルミニウム、ニッケル合金、導電性プラスチックなどの他の導電性材質を使用するようにしてもよい。
【００３２】
【実施例】
次に、上記実施形態に従って作製した実施例の二次電池について説明する。比較のために作製した電池についても併記する。なお、電池の容量は、すべて６Ａｈとした。
【００３３】
（比較例１）
下表１に示すように、比較例１では、ダイヤフラムに厚さ０．６ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４、スプリッタにプレス加工によってダイヤフラムに沿う扁平ドーナツ形状とした厚さ０．８ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４、絶縁リングにツメを持たない樹脂製絶縁リングを用いて電池を作製した。
【００３４】
【表１】

【００３５】
（実施例１）
表１に示すように、実施例１では、ダイヤフラムに厚さ０．６ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４、スプリッタ４にプレス加工によってダイヤフラム２に沿う扁平ドーナツ形状とした厚さ０．８ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４、絶縁リングにツメの数が３箇所の絶縁リングを用いて電池を作製した。
【００３６】
（実施例２、３）
表１に示すように、実施例２、３では、絶縁リングにツメの数がそれぞれ４、６箇所の絶縁リングを用いた以外は実施例１と同様に電池を作製した。
【００３７】
＜試験＞
上述したように作製した実施例の電池と従来の構造（図３、４参照）の電池とで、体積及び重量を比較した。
【００３８】
従来の電池（図３、４参照）では、スプリッタには、厚さ１．２ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４を必要としたが、実施例の電池では、スプリッタを扁平ドーナツ形状としたので、厚さ０．８ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４で十分な強度が得られた。また、従来の電池では、電池の総高さは、１１１ｍｍであったが、実施例の電池では、１０８ｍｍであった。つまり、実施例の電池では、電池缶１０の高さが小さくなると共に、スプリッタ４が薄くなることにより、体積効率がおよそ３％向上し電池重量（約３００ｇ）がおよそ２．５ｇ軽量化された。
【００３９】
次に、実施例及び比較例の電池をそれぞれ１００個作製し、同一構造の治具で振動試験機に取り付けて、２Ｇの加速度で１４４時間加振し、その後、電池を解体し、ダイヤフラム２と接続板６の接合部７を観察して、スプリッタ４の外周部を支持するツメの効果を調べた。下表２に結果を示す。
【００４０】
【表２】

【００４１】
表２に示すように、比較例１のツメを持たない電池では、１００個中４１個で接合部が完全に破断し、更に２７個に亀裂の発生が確認された。しかし、実施例のツメが３箇所以上設けられた電池では、異常は見られなかった。ツメは実用上３箇所で十分であることが確認された。従って、スプリッタ４がダイヤフラム２に沿った扁平ドーナツ形状を有し、絶縁リングにツメを３箇所以上有する実施例の電池は、安全性及び耐振性に優れると共に、体積及び重量の小さい電池であることが判明した。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、密閉型電池が防爆機構を備えているため、電池内圧が所定圧に達するとダイヤフラムが反転しダイヤフラム及び接続板の平面部の接続が破断することで、電流が遮断されるので、安全性を確保することができると共に、スプリッタの形状をダイヤフラムに沿った皿状形状としたため、スプリッタの周部がダイヤフラムに近づき、近づいた分防爆機構を密閉型電池内に落とし込むことができるので、密閉型電池の高さ方向の寸法を小さくすることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図２】実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の上蓋の断面図である。
【図３】従来の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図４】従来の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の上蓋の断面図である。
【符号の説明】
２　ダイヤフラム（防爆機構の一部）
３　絶縁リング（スプリッタ係止部材）
４　スプリッタ（防爆機構の一部）
６　接続板（防爆機構の一部）
９　貫通穴
１４　正極集電リング（集電部材）
２０　上蓋
３０　密閉円筒型リチウムイオン二次電池（密閉型電池）

Claims

中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが貫通穴が形成された導電性スプリッタを挟持し、前記ダイヤフラム及び接続板の平面部同士が電気的・機械的に接続された防爆機構を備えた密閉型電池であって、前記スプリッタが前記ダイヤフラムに沿った扁平ドーナツ形状を有していることを特徴とする密閉型電池。
前記ダイヤフラムの前記スプリッタが沿う部分と、前記スプリッタとが、環状の集電部材内に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池。
更に、前記スプリッタの周部を前記ダイヤフラムの底面と所定間隔を隔てて係止する樹脂製スプリッタ係止部材を備え、前記スプリッタ係止部材が前記スプリッタの外周部を支持するツメを３箇所以上有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の密閉型電池。