JP2004152697A - 密閉形電池 - Google Patents
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Gas Exhaust Devices For Batteries (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
【課題】本発明は、リードが破断するのを防止できる密閉形電池を提供することを目的とする。
【解決手段】密閉形電池の電池缶1は、少なくとも発電素子2と絶縁板3を収納する。発電素子2の一側面に絶縁板3を配置している。安全弁装置9は電池缶1の開口部を封止する。絶縁板3と安全弁装置9の間に支持部材14を配置する。支持部材14は安全弁装置9のディスク12に固定されている。支持部材14は、安全弁装置9のディスク12の一部に切り込みを入れ、この切り込み部分を折り曲げたものである。
【選択図】 図1
【解決手段】密閉形電池の電池缶1は、少なくとも発電素子2と絶縁板3を収納する。発電素子2の一側面に絶縁板3を配置している。安全弁装置9は電池缶1の開口部を封止する。絶縁板3と安全弁装置9の間に支持部材14を配置する。支持部材14は安全弁装置9のディスク12に固定されている。支持部材14は、安全弁装置9のディスク12の一部に切り込みを入れ、この切り込み部分を折り曲げたものである。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉形電池に関する。具体的には、絶縁板と安全弁装置の間に支持部材を配置することにより、リードが破断するのを防止する密閉形電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯用電気機器に用いられる電池として、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケル亜鉛二次電池、リチウムイオン電池等が知られている。
【0003】
中でもリチウムイオン電池は、高いエネルギー密度を有することで注目を浴び、最近ではパソコンや携帯機器のバックアップ電源の主流になりつつある。
【0004】
図4は、従来のリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。
電池缶1は、上の方(図面上)に開口部を有する円筒形の缶である。電池缶1には、発電素子2が収納されている。発電素子2は、帯状の正極と帯状の負極を、帯状のセパレータを介して、卷回した電極体である。発電素子2の上の方と下の方(図面上)には、それぞれ絶縁板3と絶縁板4が配置してある。絶縁板3,4は、中央に孔を有するプラスチック製の円盤である。発電素子2の正極には正極リード5が接続されている。正極リード5は、アルミニウム製のリボンである。
【0005】
端子板7、PTC素子8、および安全弁装置9は、ガスケット6を介して、電池缶1の開口部にかしめられて固定されている。安全弁装置9は、安全弁10、ディスクホルダ11、およびディスク12を重ねて構成されている。
【0006】
図5は、従来のリチウムイオン電池に用いられるディスクを示す、斜視図、断面図、および平面図である。
ディスク12は、円盤をその一方の面側に膨らませた形状をしている。ディスク12は、通気孔12aを6つもっている。ディスク12は、その中心に中心孔12bをもっている。中心孔12bの周辺部には、中心孔2bの半径よりも大きな半径をもつサブディスク13が固定されている。
【0007】
サブディスク13には、図4に示すように、正極リード5が固定されている。ディスク12と絶縁板3は互いに離れているので、ディスク12と絶縁板3の間には空間が存在している。
【0008】
ガスケット6の支持部6aは、絶縁板3の表面に接している。絶縁板3は、上の方へ移動するのが押さえられている。この結果、発電素子2は、上の方へ移動するのが押さえられている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
電池の容量を上げていくために、絶縁板3の板厚は薄肉化され、また、ディスク12と絶縁板3の空間も小さくなってきている。この結果、以下の問題が生じている。
【0010】
図6は、従来のリチウムイオン電池において、正極リードが破断に至るまでの様子を示す断面図である。
図6Aは、通常の状態を示すものである。
【0011】
図6Bは、電池を10cmの高さから繰り返し落下させた場合の状態を示すものである。発電素子2は、落下の衝撃により、上の方へ移動する力を受ける。ガスケット6の支持部6aが絶縁板3に接しているので、発電素子2は上の方に移動するのが押さえられる。しかし、発電素子2は、正極、負極、およびセパレータを卷回したものであるので、落下の衝撃により、互いの接触面がずれる。発電素子2の中心に近い部分が上の方へ移動しようとする。絶縁板3は、薄いので発電素子2の移動を押さえるのが困難である。電池の繰り返し落下により、発電素子2の中心に近い部分は繰り返し上の方に移動する。折り返された正極リード5のうち、下側の正極リード5の山形の頂部が上側の正極リード5に接触する。
【0012】
図6Cは、電池の繰り返し落下により、正極リードが破断する状態を示すものである。下側の正極リード5の山形の頂部が上側の正極リード5に接触すると、山形の頂部は力を受けて折り曲げられる。電池の繰り返し落下により、山形の頂部は繰り返し折り曲げられる。最後に、山形の頂部は、金属疲労により破断に至る。
【0013】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、リードが破断するのを防止できる密閉形電池を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の密閉形電池は、発電素子と、前記発電素子の少なくとも一側面に配置する絶縁板と、少なくとも前記発電素子と前記絶縁板を収納する電池缶と、前記電池缶の開口部を封止する安全弁装置とを有する密閉形電池において、前記絶縁板と前記安全弁装置の間に支持部材を配置するものである。電池の落下等により、発電素子は力を受けて変形しようとする。支持部材はこの変形を抑制する。
【0015】
上述の支持部材は安全弁装置に固定されていることが好ましい。また、上述の支持部材は、安全弁装置の一部に切り込みを入れ、この切り込み部分を折り曲げたものであることが好ましい。また、上述の支持部材は絶縁板に固定されていることが好ましい。また、上述の支持部材は支持部材固定板に固定されていることが好ましい。また、上述の支持部材は、支持部材固定板の両面から突出していることが好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
まず、密閉形電池にかかる第1の発明の実施の形態について説明する。
図1は、密閉形電池の一例であるリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。
【0017】
電池缶1は、その形状が例えば有底円筒形で、上の方(図面上)に開口部を有している。電池缶1は、例えば薄肉の鉄材からなり、ニッケルめっきが施されている。
【0018】
電池缶1の中には、発電素子2が収納されている。発電素子2は、それぞれフィルム状の正極と負極とが、フィルム状のセパレータを介して積層され、この積層フィルムが円柱状に渦巻き状に巻回されてなるものである。
【0019】
正極は、正極集電体と正極合剤層からなっている。正極集電体は帯状の金属箔であり、例えばアルミニウムからなる。正極集電体の長さ方向の一端部は、正極合剤層不存在域であり、正極集電体がむき出しになっている。正極集電体の正極合剤層不存在域には、正極リード5が溶接等により固定されている。正極集電体のうち正極合剤層不存在域以外の領域では、その両面に正極合剤層が形成されている。
【0020】
正極合剤層に含まれる、正極活物質としては、以下の電池電極材料が挙げられる。
すなわち、CuO、Cu2 O、Ag2 O、CuS、CuSO4 などのI属金属化合物、TiO2 、TiS2 、SiO2 、SnOなどのIV属金属化合物、VO2 、V2 O5 、V6 O12、VOx、NbO2 、Nb2 O5 、Bi2 O3 、Sb2 O3 などのV属金属化合物、CrO3 、Cr2 O3 、MoO2 、MoO3 、MoS2 、WO2 、WO3 、SeO2 などのVI属金属化合物、MnO2 、Mn2 O3 などのVII属金属化合物、Fe2 O3 、FeO、Fe3 O4 、FeS2 、NiO2 、Ni2 O3 、NiO、CoO3 、CoOなどのVIII属金属化合物、または、一般式LixMX2 、LixMNyX2 (M、NはIからVIII属の金属、Xは酸素、硫黄などのカルコゲン化合物を示す。)などで表される、例えば、リチウム−コバルト系複合酸化物あるいはリチウム−マンガン系複合酸化物などの金属化合物などが使用できる。
【0021】
一般式LiMO2 の複合酸化物は、Mとしては具体的には、Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Zn、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Al、Sn、B、Ga、Mg、Ca、Sr、In、Si、Geからなる群のうちの少なくとも1種以上を含有することが好ましい。
【0022】
また、SO2 、SOCl2 、(CFx)n、Ag2 CrO4 、Bi2 Pb2 O5 などを使用できる。また、ポリピロール、ポリアニリン、ポリパラフェニレン、ポリアセチレン、ポリアセン系材料などの導電性高分子化合物、擬グラファイト構造炭素質材料などが使用できる。
【0023】
特に、Li+ 挿入型材料としては、二酸化マンガン、λ−MnO2 、LiMn3 O6 等のマンガン酸化物、五酸化バナジウム、八酸化三バナジウム、七酸化三バナジウム等のバナジウム酸化物、LixCoO2 、二酸化モリブデン、また二硫化チタン、二硫化モリブデン、ニオブの硫化物、CuS等の金属硫化物、NbSe、VSe2 等の金属セレン化物、CuCl2 、フッ化炭素等のハロゲン化物、クロム酸化物、および酸化銅等の公知の材料が使用できる。
【0024】
つぎに、負極について説明する。負極は、負極集電体と負極合剤層からなっている。負極集電体は一定の幅を持つ帯状の金属箔であり、例えば銅からなる。負極集電体の長さ方向の一端部には、負極合剤層不存在域があり、負極集電体がむき出しになっている。負極集電体の負極合剤層不存在域には、負極リードが固定されている。負極リードは、溶接等により負極合剤層不存在域に固定されている。負極合剤層不存在域以外の領域では、負極集電体の両面に負極合剤層が形成されている。
【0025】
負極合剤層に含まれる、負極活物質材料にはリチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料を用いることができる。例えば、リチウムと合金あるいは化合物を形成可能な金属あるいは半導体、またはこれらの合金あるいは化合物が挙げられる。これら金属、合金あるいは化合物は、例えば、化学式Ds Et Liu で表されるものである。この化学式において、Dはリチウムと合金あるいは化合物を形成可能な金属元素および半導体元素のうちの少なくとも1種を表わし、EはリチウムおよびD以外の金属元素および半導体元素のうち少なくとも1種を表す。また、s、tおよびuの値は、それぞれs>0、t≧0、u≧0である。
【0026】
中でも、リチウムと合金あるいは化合物を形成可能な金属元素あるいは半導体元素としては、4B族の金属元素あるいは半導体元素が好ましく、特に好ましくはケイ素あるいはスズであり、最も好ましくはケイ素である。これらの合金あるいは化合物も好ましく、具体的には、SiB4 、SiB6 、Mg2 Si、Mg2 Sn、Ni2 Si、TiSi2 、MoSi2 、CoSi2 、NiSi2 、CaSi2 、CrSi2 、Cu5 Si、FeSi2 、MnSi2 、NbSi2 、TaSi2 、VSi2 、WSi2 あるいはZnSi2 などが挙げられる。
【0027】
また、リチウムを吸臓・離脱可能な負極材料としては、炭素材料,金属酸化物あるいは高分子材料なども挙げられる。炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素,人造黒鉛,コークス類,グラファイト類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼成体,炭素繊維,活性炭あるいはカーボンブラック類などが挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール類やフラン類などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。また、金属酸化物としては、酸化鉄,酸化ルテニウム,酸化モリブデンあるいは酸化スズなどが挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどが挙げられる。
【0028】
つぎにセパレータについて説明する。セパレータは、一定の幅を有する帯状のプラスチック膜であり、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂の微多孔膜によって構成することができる。
【0029】
上述した正極、負極、およびセパレータを用いて発電素子2を作製する。2枚のセパレータの端部を、巻芯のスリットに挟み込む。巻芯を回転させセパレータを巻芯に巻き取る。正極の端部のうち正極リードが固定されている方の端部を巻芯側に向けて、正極をセパレータのうち上のものと巻芯の間に挿入して、正極を巻芯に巻き取る。負極の端部のうち負極リードが固定されていない方の端部を巻芯側に向けて、2枚のセパレータの間に挿入し、負極を巻芯に巻き取る。正極、負極、およびセパレータの巻き取りが完了すると発電素子2ができあがる。
【0030】
発電素子2は、非水電解液を含んでいる。非水電解液は、有機溶媒とこれに溶解した電解質からなる。あるいは、非水電解液を高分子化合物と混合させたいわゆるポリマー電解質や、高分子化合物に電解質を混合もしくは結合させたポリマー電解質を用いることもできる。
【0031】
有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等の鎖状カーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル、テトラヒドロフラン、1,2−ジメトキシエタン等のエーテル等の1種以上を用いることができる。
【0032】
電解質としては、用いる溶媒に溶解し、イオン導電性を示すリチウム塩の例えばLiPF6 、LiBF4 、LiClO4 、LiCF3 SO3 、LiN(CF3 SO2 )2 、LiC(CF3 SO2 )3 等の1種以上を用いることができる。
【0033】
発電素子2の中心部には円柱状の空間が存在する。この空間には 中空円筒状のセンターピン(図示していない)が配置されている。
【0034】
発電素子2の上側(図面上)の平面部には絶縁板3が配置されている。発電素子2の下側(図4参照)の平面部には絶縁板4が配置されている。絶縁板3,4は薄肉の円盤である。絶縁板3の中心には中心孔3aが存在する。
【0035】
絶縁板の板厚は、0.1〜0.5mmの範囲にあることが好ましい。市販品の範囲で加工性・組立性を確保できるという利点があるからである。
【0036】
絶縁板の材質としては、プラスチックを用いることができる。具体的には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイト、フッ素樹脂などを用いることができる。
【0037】
発電素子2の正極集電体から、正極リード5が導出されている。正極リード5は、絶縁板3の中心孔3aを通り空間部15に至っている。正極リード5は短冊状の形状をしている。正極リード5は例えばアルミニウムからなる。
【0038】
発電素子2の反対側の負極集電体から例えばニッケルよりなる負極リードが導出されて電池缶1の底部に溶接されている(図示していない)。負極リードは短冊状の金属板である。
【0039】
端子板7は、電池の正極側端子導出部となり、例えばステンレスにより作製されている。端子板7は外側に膨出する皿状に形成され、その一部に、通気孔が設けられている。
【0040】
端子板7の下には、PTC素子8が配置されている。PTC素子8は、大きな中心孔を有する円盤である。PTC素子8の周辺部は、端子板7のフランジ部と接している。PTC素子8は、高温になると電気抵抗が大きくなる材質からなる。PTC素子は、電池が高温になると、端子板7と安全弁10の間に電流が流れるのを阻止する。
【0041】
ガスケット6は、耐電解液性を有する例えばポリオレフィン樹脂や、フッ素樹脂、例えばポリプロピレンや、パーフルオロアルキルビニルエーテルと四フッ化エチレンとの共重合体による円筒リング状の樹脂成形品によって構成される。ガスケット6を介して、端子板7、PTC素子8、およびと安全弁装置9は、かしめられて電池缶1の開口部を封止している。
【0042】
ガスケット6は、下の方に支持部6aをもっている。支持部6aは円筒形である。支持部6aは、絶縁板3の表面のうち周辺部に近い部分と接している。支持部6aは、発電素子2のうち周辺部に近い部分が上の方に移動するのを阻止している。
【0043】
安全弁装置9は、安全弁10、ディスクホルダ11、ディスク12、およびサブディスク13から構成されている。
【0044】
PTC素子8の内側には、例えばアルミニウムよりなり、端子板7とは反対側に膨出する皿状の安全弁10が重ねられて配置されている。
【0045】
安全弁10には、リング状の絶縁体であるディスクホルダ11を介して、ディスク12が対向して配置されている。このディスク12の中心部には透孔が穿設され、この透孔を通じて安全弁10の中心部に形成した突出部が、発電素子2側に導出するようになされている。
【0046】
安全弁10の突出部の先端には、例えばアルミニウムによるサブディスク13が溶接され、このサブディスク13には、発電素子2から導出された正極リード5の遊端が溶接される。
【0047】
安全弁装置9は、過充電時に電流を遮断する仕組みの遮断弁装置、および電池内部でガスが異常発生した時に電池内部のガスを外部へ逃がす仕組みの開裂弁装置とを備えている。例えば何らかの原因で電池缶1内にガスが発生して内部の圧力が増加したとき、安全弁10が上の方に押し上げられて変形し、内圧を緩和すると共に、その突出部とサブディスク13との溶接部が剥離して発電要素2の正極リード5と、端子板7との間の電気的接続を切断する。そして、さらに内部の圧力が増大するときは、安全弁10自体が、例えばその肉薄部における機械的軟弱部で破壊して、端子板7の通気孔を通じ電池缶1を開放するようになされている。
【0048】
絶縁板3と、ディスク12またはサブディスク13との間には、空間部15が形成されている。空間部15のうち、サブディスク13と絶縁板3との距離を空間部15の厚さと定義する。空間部15の厚さは、0.2〜1.0mmの範囲にあることが好ましい。厚さが0.2mm未満であると、ガスの流通を確保できないという不具合がある。厚さが1.0mmより厚いと、容量が低下するという不具合がある。
【0049】
ディスク12について詳しく説明する。図2は、リチウムイオン電池に用いられるディスクを示す、斜視図、断面図、および平面図である。
【0050】
ディスク12は、円盤をその一方の面側に膨らませた形状をしている。ディスク12は、6つの通気孔12aをもっている。通気孔12aは、ディスク12の一部を切り取ったものである。通気孔12aは、ディスク12の中心から放射状に配置されている。
【0051】
図2のAに示すように、ディスク12には、4つの支持部材14が形成されている。支持部材14は安全弁装置のディスク12に固定されている。支持部材14は、長方形の板である。支持部材14は、ディスク12の平面部分に対して垂直の方向に向いている。
【0052】
支持部材14は、安全弁装置のディスク12の一部に切り込みを入れ、この切り込み部分を折り曲げたものである。支持部材14をこのように作製することにより、つぎのような効果が得られる。支持部材14はディスク12の一部を使用しているので、新たな材料を必要としない。支持部材14をディスク12に溶接したり接着したりする工程が不要である。
【0053】
支持部材14は、安全弁装置9のディスク12の一部に切り込みを入れ、この切り込み部分を折り曲げたものに限定されない。支持部材14は、ディスク12とは別の材料を使用できる。支持部材14は、長方形の板、直方体、円柱、角柱などの形状を採用できる。絶縁板3を支持できる形状であればいかなる形状も採用できる。支持部材14のディスク12への固定は、溶接、接着剤による接着などの方法が採用できる。
【0054】
図2のCに示すように、正極リード5が左右方向に配置されている。正極リード5はサブディスク13に固定されている。正極リード5は、左右に存在する2つの通気孔12aの一部または全部と重なっている。この2つの通気孔12aにおいては、正極リード5が邪魔になるので支持部材14は設けていない。このほかの4つの通気孔12aにおいては、正極リード5が邪魔にならないので、支持部材14を設けている。
【0055】
図2のBは、図2のCのa−a断面図である。支持部材14がディスクの一部を折り曲げたものであることがわかる。ディスク12の中心には中心孔12bが設けられている。中心孔12bの周辺部には、サブディスク13が固定されている。
【0056】
図1に示すように、絶縁板3と、安全弁装置9のディスク12との間に支持部材14が配置されている。支持部材14は2点鎖線で示している。支持部材14についてのみ、図2のCのa−a断面を表している。支持部材14の下の方は絶縁板3の表面に接している。支持部材14は、絶縁板3の内側の部分を支持している。これにより、発電素子2の内側の部分が、上の方に移動するのが押さえられる。支持部材14とガスケット6の双方により、発電素子2の全体が上の方に移動するのを押さえる。
【0057】
支持部材14は、図2のCに示すように、ディスク12の中心を中心とする円周上に配置されている。支持部材14は、円周の一部を使用している。支持部材14の形態はこれに限定されない。図3のAに示すように、正極リード5が存在する領域を除き、円周上のすべての領域に支持部材14を形成することができる。これにより、絶縁板3を支持する面積が大きくなり、発電素子2が上の方に移動するのを強力に抑えることができる。
【0058】
図3のAにおいて、上と下に存在する円弧状の支持部材14をさらに分割して複数の独立した支持部材とすることもできる。複数の支持部材14の円周上の距離の合計値は、円周の長さの20%以上であることが好ましい。合計値が20%以上あると、発電素子2の移動を阻止する機械的強度を確保できる。複数の支持部材14は点対称に存在することが好ましい。点対称に存在すると、支持部材14が発電素子2をバランス良く支持できる。
【0059】
支持部材14は、図1に示すaの領域に存在することが好ましい。このaの領域の右端は、絶縁板3の内側の縁である。このaの領域の左端は、ガスケット6の内側の面と、絶縁板3の内側の縁との中間点である。支持部材14がaの領域に存在すると、発電素子2の内側の部分が移動するのを十分に阻止できる。
【0060】
支持部材14の位置がaの領域の左側に近づくと、通気孔12aの面積が小さくなる。この場合は、ディスク12の内側から切り込みを入れ、切り込み部分を外側の部分で折り曲げる。これにより支持部材14の内側に通気孔12aを確保することができる。なお、aの領域は、図示していないが、絶縁板の中心を対称として右側にも存在する。
【0061】
本実施の形態で説明したリチウムイオン電池は、一次電池および二次電池の双方に適用することができる。
本実施の形態では、リチウムイオン電池について説明した。電池は、リチウムイオン電池に限定されない。このほか、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケル亜鉛二次電池などを採用することができる。
【0062】
以上のことから、本実施の形態によれば、絶縁板と安全弁装置の間に支持部材が配置されている。支持部材は安全弁装置に固定されている。電池の落下等により、発電素子は力を受けて変形しようとする。支持部材はこの変形を抑制する。この結果、リードが破断するのを防止できる。
【0063】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0064】
つぎに、密閉形電池にかかる第2の発明の実施の形態について説明する。
図3のB,Cは、絶縁板に設けた支持部材の例を示す図である。図3のBは、長方形の板からなる支持部材14が絶縁板3に固定されている例である。図3のCは円柱の支持部材14が絶縁板3に固定されている例である。支持部材の形状は、これらに限定されない。このほか、直方体、角柱などの形状を採用できる。ディスク12を支持できる形状であればいかなる形状も採用できる。
【0065】
絶縁板3への支持部材14の固定方法は、接着剤による接着、加熱・溶融による融着、超音波溶接などの方法を採用できる。絶縁板3と支持部材14を一体成形しても良い。絶縁板3の一部に切り込みを入れ、加熱しながら切り込み部分を折り曲げる方法も採用できる。この場合、切り込み部分に長方形の板を接着して補強したり、または切り込み部分を折り返して重ねたりすることにより、支持部材14の機械的強度を大きくすることができる。
【0066】
支持部材14は、図3のB,Cに示すように、絶縁板3の中心を中心とする円周上に配置されている。支持部材14の形態はこれに限定されない。正極リード5が存在する領域を除き、円周上のすべての領域に支持部材14を形成することができる。これにより、ディスク12を支持する面積が大きくなり、発電素子2が上の方に移動するのを強力に抑えることができる。
【0067】
上の例において、上と下に存在する円弧状の支持部材14をさらに分割して複数の独立した支持部材とすることもできる。複数の支持部材14の円周上の距離の合計値は、円周の長さの20%以上であることが好ましい。合計値が20%以上あると、発電素子2の移動を阻止する機械的強度を確保できる。複数の支持部材14は点対称に存在することが好ましい。点対称に存在すると、支持部材14が発電素子2をバランス良く支持できる。
【0068】
支持部材14は、図1に示すaの領域に存在することが好ましい。支持部材14がaの領域に存在すると、発電素子2の内側の部分が移動するのを十分に阻止できる。
【0069】
本実施の形態における、その他の点については、上述した第1の発明の実施の形態と同様である。
【0070】
以上のことから、本実施の形態によれば、絶縁板と安全弁の間に支持部材が配置されている。支持部材は絶縁板に固定されている。電池の落下等により、発電素子は力を受けて変形しようとする。支持部材はこの変形を抑制する。この結果、リードが破断するのを防止できる。
【0071】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0072】
つぎに、密閉形電池にかかる第3の発明の実施の形態について説明する。
図3のDは、支持部材固定板に設けた支持部材の例を示す図である。支持部材固定板16は、ディスク12と絶縁板3の間の空間に配置される。長方形の板からなる支持部材14が支持部材固定板16に固定されている。支持部材14の形状は、これらに限定されない。このほか、直方体、円柱、角柱などの形状を採用できる。ディスク12および絶縁板3を支持できる形状であればいかなる形状も採用できる。
【0073】
支持部材14は、支持部材固定板16の外側の縁に固定されている。支持部材14が固定される場所はここに限定されない。支持部材14は、支持部材固定板16の平面部の中に形成しても良い。
【0074】
支持部材14は、支持部材固定板16の両面から突出している。支持部材固定板16を、ディスク12と絶縁板3の間の空間に配置すると、支持部材固定板16とディスク12との間に空間ができる。支持部材固定板16と絶縁板3との間にも空間ができる。電池内部にガスが発生したとき、ガスはこの2つの空間を通過して、スムーズに通気孔12aに達することができる。
【0075】
支持部材固定板16には中心孔16aが設けられている。電池内部にガスが発生したとき、ガスはこの中心孔16aを通過して、スムーズに通気孔12aに達することができる。
【0076】
支持部材固定板16への支持部材14の固定方法は、接着剤による接着、加熱・溶融による融着、超音波溶接などの方法を採用できる。支持部材固定板16と支持部材14を一体成形しても良い。支持部材固定板16の外側の縁に、複数の曲げしろを設けても良い。曲げしろを加熱し、一部の曲げしろを一方の面側に折り曲げ、残る曲げしろを他方の面側に折り曲げる方法も採用できる。この場合、曲げしろに長方形の板を接着して補強したり、または曲げしろを折り返して重ねたりすることにより、支持部材14の機械的強度を大きくすることができる。
【0077】
支持部材14は、図3のDに示すように、支持部材固定板16の外側の縁の円周上に配置されている。支持部材14の形態はこれに限定されない。正極リード5が存在する領域を除き、円周上のすべての領域に支持部材14を形成することができる。これにより、ディスク12および絶縁板3を支持する面積が大きくなり、発電素子2が上の方に移動するのを強力に抑えることができる。
【0078】
上の例において、上と下に存在する円弧状の支持部材14をさらに分割して複数の独立した支持部材とすることもできる。複数の支持部材14の円周上の距離の合計値は、円周の長さの20%以上であることが好ましい。合計値が20%以上あると、発電素子2の移動を阻止する機械的強度を確保できる。複数の支持部材14は点対称に存在することが好ましい。点対称に存在すると、支持部材14が発電素子2をバランス良く支持できる。
【0079】
支持部材14は、図1に示すaの領域に存在することが好ましい。支持部材14がaの領域に存在すると、発電素子2の内側の部分が移動するのを十分に阻止できる。
【0080】
本実施の形態における、その他の点については、上述した第1の発明の実施の形態と同様である。
【0081】
以上のことから、本実施の形態によれば、絶縁板と安全弁の間に支持部材が配置されている。支持部材は支持部材固定板に固定されている。電池の落下等により、発電素子は力を受けて変形しようとする。支持部材はこの変形を抑制する。この結果、リードが破断するのを防止できる。
【0082】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0083】
【実施例】
つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。
【0084】
[実施例]
サンプル電池の作製方法について説明する。
粉末LiCoO2 を86質量%、導電剤としてグラファイトを10質量%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン4質量%を混合して正極合剤を調製し、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーにした。その後、この正極合剤スラリーを正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布した。正極集電体の一端には、正極合剤スラリーを両面とも塗布していない正極合剤層不存在域をつくり、乾燥後、ローラープレス機で圧縮成形を行い帯状の正極を形成した。
【0085】
黒鉛材料粉末を90質量%、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを10質量%の割合で混合して負極合剤を作製し、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーにした。その後、この負極合剤スラリーを負極集電体となる厚さ10μmの銅箔の両面に均一に塗布した。負極集電体の一端には、負極合剤スラリーを両面とも塗布していない負極合剤層不存在域をつくり、乾燥後、ローラープレス機で圧縮成形を行い帯状の負極を形成した。
【0086】
正極リードを作製した。正極リードの断面の寸法は、厚さが0.1mmで、幅が3.0mmである。正極リードの材質はアルミニウム(AlN30−H18)である。正極の正極合剤層不存在域に、正極リードを溶接により固定した。
【0087】
負極の負極合剤層不存在域に、短冊状の負極リードを溶接により固定した。負極リードはニッケルからなる。
【0088】
上述したようにして作製した正極および負極を厚さ25μmの微多孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータを介して、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に積層し、巻芯に巻回した。正極の正極合剤層不存在域は、巻芯側に配置した。負極の負極合剤層不存在域は、巻芯とは反対側に配置した。巻き終わり部は粘着テープで固定し、発電素子を作製した。発電素子の最内周の正極合剤層不存在域に正極リードが接続され、発電素子の最外周の負極合剤層不存在域に負極リードが接続されている。
【0089】
このようにして作製した発電素子をニッケルめっきを施した内径17.35mmの鉄製電池缶に収納した。発電素子の中心部にセンターピンを挿入した。発電素子の上下両面には絶縁板(外径:17mm、穴径:5mm、板厚:0.4mm、材質:ポリプロピレン)を配置した。
【0090】
ディスクは図2に示すとおりである。通気孔12aを6つ設けた。支持部材14を4つ設けた。支持部材14が存在する円周の直径は8mmである。
【0091】
アルミニウム製の正極リードを正極集電体から導出して、端子板と電気的な導通が確保された安全弁装置に溶接した。また、ニッケル製の負極リードを負極集電体から導出して電池缶に溶接した。
【0092】
電解液はエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを5:5なる容量比で混合した有機溶媒中に、電解質塩LiPF6 を1モル/リットルの濃度で溶解することで調製した。この電解液を電池缶内に注入した後、アスファルトで表面を塗布したガスケットを介し、電池缶の開口部をかしめることにより、電流遮断機構と開裂弁機構とを有する安全弁装置、PTC素子ならびに端子板を固定し、直径18mm、高さ65mmの円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。ディスクと絶縁板の距離は0.5mmであった。絶縁板3は、図1に示すように、支持部材14により支持されている。実施例の電池を5本作製した。
【0093】
[従来例]
用いたディスクは、図5に示すとおりである。図4に示すように、支持部材は存在しない。これ以外は、実施例と同様である。従来例の電池を5本作製した。
【0094】
実施例および従来例のサンプル電池はつぎの方法により評価した。
サンプル電池を10cmの高さから端子板を下にして垂直に繰り返し落下させる。試験は5000回まで実施し、500回毎に電池の電圧と抵抗値(Imp)を確認し、正極リードが切れるかを確認した。
【0095】
評価結果は、表1,2に示すとおりである。
【0096】
【表1】
【0097】
【表2】
【0098】
実施例のサンプル電池の評価結果は表1に示すとおりである。サンプル電池のサンプルNo.1〜5のすべてについて、落下を5000回行っても正極リードの破断は認められなかった。
【0099】
従来例のサンプル電池の評価結果は表2に示すとおりである。サンプル電池のサンプルNo.1〜4については、3000〜4000回落下させると、正極リードの破断が認められた。サンプルNo.5のみが、5000回落下させても正極リードの破断が認められなかった。
【0100】
表1と表2の評価結果を比較すると、従来例のサンプル電池に比較して、実施例のサンプル電池は正極リードの破断が抑制されていることがわかる。これは、ディスクと絶縁板の間に支持部材を配置することにより、発電素子の移動が抑制されたためであると考えられる。
【0101】
以上のことから、本実施例によれば、発電素子の移動が抑えられることによって、繰り返し落下した時にリードが切れることを防ぐことができる。振動が加わった場合でも、同様の効果が期待できる。発電素子の移動が抑えられることによって、落下した時に安全弁に発電素子が当たり、安全弁が変形するのを防ぐことができる。
【0102】
【発明の効果】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する
発電素子と、前記発電素子の少なくとも一側面に配置する絶縁板と、少なくとも前記発電素子と前記絶縁板を収納する電池缶と、前記電池缶の開口部を封止する安全弁装置とを有する密閉形電池において、前記絶縁板と前記安全弁の間に支持部材が配置されているので、リードが破断するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】密閉形電池の一例であるリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。
【図2】リチウムイオン電池に用いられるディスクを示す、斜視図、断面図、および平面図である。
【図3】ディスクに設けた支持部材の例、絶縁板に設けた支持部材の例、および支持部材固定板に設けた支持部材の例を示す図である。
【図4】従来のリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。
【図5】従来のリチウムイオン電池に用いられるディスクを示す、斜視図、断面図、および平面図である。
【図6】従来のリチウムイオン電池において、正極リードが破断に至るまでの様子を示す断面図である。
【符号の説明】
1‥‥電池缶、2‥‥発電素子、3‥‥絶縁板、3a‥‥中心孔、4‥‥絶縁板、5‥‥正極リード、6‥‥ガスケット、6a‥‥支持部、7‥‥端子板、8‥‥PTC素子、9‥‥安全弁装置、10‥‥安全弁、11‥‥ディスクホルダ、12‥‥ディスク、12a‥‥通気孔、12b‥‥中心孔、13‥‥サブディスク、14‥‥支持部材、15‥‥空間部、16‥‥支持部材固定板、16a‥‥中心孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉形電池に関する。具体的には、絶縁板と安全弁装置の間に支持部材を配置することにより、リードが破断するのを防止する密閉形電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯用電気機器に用いられる電池として、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケル亜鉛二次電池、リチウムイオン電池等が知られている。
【0003】
中でもリチウムイオン電池は、高いエネルギー密度を有することで注目を浴び、最近ではパソコンや携帯機器のバックアップ電源の主流になりつつある。
【0004】
図4は、従来のリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。
電池缶1は、上の方(図面上)に開口部を有する円筒形の缶である。電池缶1には、発電素子2が収納されている。発電素子2は、帯状の正極と帯状の負極を、帯状のセパレータを介して、卷回した電極体である。発電素子2の上の方と下の方(図面上)には、それぞれ絶縁板3と絶縁板4が配置してある。絶縁板3,4は、中央に孔を有するプラスチック製の円盤である。発電素子2の正極には正極リード5が接続されている。正極リード5は、アルミニウム製のリボンである。
【0005】
端子板7、PTC素子8、および安全弁装置9は、ガスケット6を介して、電池缶1の開口部にかしめられて固定されている。安全弁装置9は、安全弁10、ディスクホルダ11、およびディスク12を重ねて構成されている。
【0006】
図5は、従来のリチウムイオン電池に用いられるディスクを示す、斜視図、断面図、および平面図である。
ディスク12は、円盤をその一方の面側に膨らませた形状をしている。ディスク12は、通気孔12aを6つもっている。ディスク12は、その中心に中心孔12bをもっている。中心孔12bの周辺部には、中心孔2bの半径よりも大きな半径をもつサブディスク13が固定されている。
【0007】
サブディスク13には、図4に示すように、正極リード5が固定されている。ディスク12と絶縁板3は互いに離れているので、ディスク12と絶縁板3の間には空間が存在している。
【0008】
ガスケット6の支持部6aは、絶縁板3の表面に接している。絶縁板3は、上の方へ移動するのが押さえられている。この結果、発電素子2は、上の方へ移動するのが押さえられている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
電池の容量を上げていくために、絶縁板3の板厚は薄肉化され、また、ディスク12と絶縁板3の空間も小さくなってきている。この結果、以下の問題が生じている。
【0010】
図6は、従来のリチウムイオン電池において、正極リードが破断に至るまでの様子を示す断面図である。
図6Aは、通常の状態を示すものである。
【0011】
図6Bは、電池を10cmの高さから繰り返し落下させた場合の状態を示すものである。発電素子2は、落下の衝撃により、上の方へ移動する力を受ける。ガスケット6の支持部6aが絶縁板3に接しているので、発電素子2は上の方に移動するのが押さえられる。しかし、発電素子2は、正極、負極、およびセパレータを卷回したものであるので、落下の衝撃により、互いの接触面がずれる。発電素子2の中心に近い部分が上の方へ移動しようとする。絶縁板3は、薄いので発電素子2の移動を押さえるのが困難である。電池の繰り返し落下により、発電素子2の中心に近い部分は繰り返し上の方に移動する。折り返された正極リード5のうち、下側の正極リード5の山形の頂部が上側の正極リード5に接触する。
【0012】
図6Cは、電池の繰り返し落下により、正極リードが破断する状態を示すものである。下側の正極リード5の山形の頂部が上側の正極リード5に接触すると、山形の頂部は力を受けて折り曲げられる。電池の繰り返し落下により、山形の頂部は繰り返し折り曲げられる。最後に、山形の頂部は、金属疲労により破断に至る。
【0013】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、リードが破断するのを防止できる密閉形電池を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の密閉形電池は、発電素子と、前記発電素子の少なくとも一側面に配置する絶縁板と、少なくとも前記発電素子と前記絶縁板を収納する電池缶と、前記電池缶の開口部を封止する安全弁装置とを有する密閉形電池において、前記絶縁板と前記安全弁装置の間に支持部材を配置するものである。電池の落下等により、発電素子は力を受けて変形しようとする。支持部材はこの変形を抑制する。
【0015】
上述の支持部材は安全弁装置に固定されていることが好ましい。また、上述の支持部材は、安全弁装置の一部に切り込みを入れ、この切り込み部分を折り曲げたものであることが好ましい。また、上述の支持部材は絶縁板に固定されていることが好ましい。また、上述の支持部材は支持部材固定板に固定されていることが好ましい。また、上述の支持部材は、支持部材固定板の両面から突出していることが好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
まず、密閉形電池にかかる第1の発明の実施の形態について説明する。
図1は、密閉形電池の一例であるリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。
【0017】
電池缶1は、その形状が例えば有底円筒形で、上の方(図面上)に開口部を有している。電池缶1は、例えば薄肉の鉄材からなり、ニッケルめっきが施されている。
【0018】
電池缶1の中には、発電素子2が収納されている。発電素子2は、それぞれフィルム状の正極と負極とが、フィルム状のセパレータを介して積層され、この積層フィルムが円柱状に渦巻き状に巻回されてなるものである。
【0019】
正極は、正極集電体と正極合剤層からなっている。正極集電体は帯状の金属箔であり、例えばアルミニウムからなる。正極集電体の長さ方向の一端部は、正極合剤層不存在域であり、正極集電体がむき出しになっている。正極集電体の正極合剤層不存在域には、正極リード5が溶接等により固定されている。正極集電体のうち正極合剤層不存在域以外の領域では、その両面に正極合剤層が形成されている。
【0020】
正極合剤層に含まれる、正極活物質としては、以下の電池電極材料が挙げられる。
すなわち、CuO、Cu2 O、Ag2 O、CuS、CuSO4 などのI属金属化合物、TiO2 、TiS2 、SiO2 、SnOなどのIV属金属化合物、VO2 、V2 O5 、V6 O12、VOx、NbO2 、Nb2 O5 、Bi2 O3 、Sb2 O3 などのV属金属化合物、CrO3 、Cr2 O3 、MoO2 、MoO3 、MoS2 、WO2 、WO3 、SeO2 などのVI属金属化合物、MnO2 、Mn2 O3 などのVII属金属化合物、Fe2 O3 、FeO、Fe3 O4 、FeS2 、NiO2 、Ni2 O3 、NiO、CoO3 、CoOなどのVIII属金属化合物、または、一般式LixMX2 、LixMNyX2 (M、NはIからVIII属の金属、Xは酸素、硫黄などのカルコゲン化合物を示す。)などで表される、例えば、リチウム−コバルト系複合酸化物あるいはリチウム−マンガン系複合酸化物などの金属化合物などが使用できる。
【0021】
一般式LiMO2 の複合酸化物は、Mとしては具体的には、Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Zn、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Al、Sn、B、Ga、Mg、Ca、Sr、In、Si、Geからなる群のうちの少なくとも1種以上を含有することが好ましい。
【0022】
また、SO2 、SOCl2 、(CFx)n、Ag2 CrO4 、Bi2 Pb2 O5 などを使用できる。また、ポリピロール、ポリアニリン、ポリパラフェニレン、ポリアセチレン、ポリアセン系材料などの導電性高分子化合物、擬グラファイト構造炭素質材料などが使用できる。
【0023】
特に、Li+ 挿入型材料としては、二酸化マンガン、λ−MnO2 、LiMn3 O6 等のマンガン酸化物、五酸化バナジウム、八酸化三バナジウム、七酸化三バナジウム等のバナジウム酸化物、LixCoO2 、二酸化モリブデン、また二硫化チタン、二硫化モリブデン、ニオブの硫化物、CuS等の金属硫化物、NbSe、VSe2 等の金属セレン化物、CuCl2 、フッ化炭素等のハロゲン化物、クロム酸化物、および酸化銅等の公知の材料が使用できる。
【0024】
つぎに、負極について説明する。負極は、負極集電体と負極合剤層からなっている。負極集電体は一定の幅を持つ帯状の金属箔であり、例えば銅からなる。負極集電体の長さ方向の一端部には、負極合剤層不存在域があり、負極集電体がむき出しになっている。負極集電体の負極合剤層不存在域には、負極リードが固定されている。負極リードは、溶接等により負極合剤層不存在域に固定されている。負極合剤層不存在域以外の領域では、負極集電体の両面に負極合剤層が形成されている。
【0025】
負極合剤層に含まれる、負極活物質材料にはリチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料を用いることができる。例えば、リチウムと合金あるいは化合物を形成可能な金属あるいは半導体、またはこれらの合金あるいは化合物が挙げられる。これら金属、合金あるいは化合物は、例えば、化学式Ds Et Liu で表されるものである。この化学式において、Dはリチウムと合金あるいは化合物を形成可能な金属元素および半導体元素のうちの少なくとも1種を表わし、EはリチウムおよびD以外の金属元素および半導体元素のうち少なくとも1種を表す。また、s、tおよびuの値は、それぞれs>0、t≧0、u≧0である。
【0026】
中でも、リチウムと合金あるいは化合物を形成可能な金属元素あるいは半導体元素としては、4B族の金属元素あるいは半導体元素が好ましく、特に好ましくはケイ素あるいはスズであり、最も好ましくはケイ素である。これらの合金あるいは化合物も好ましく、具体的には、SiB4 、SiB6 、Mg2 Si、Mg2 Sn、Ni2 Si、TiSi2 、MoSi2 、CoSi2 、NiSi2 、CaSi2 、CrSi2 、Cu5 Si、FeSi2 、MnSi2 、NbSi2 、TaSi2 、VSi2 、WSi2 あるいはZnSi2 などが挙げられる。
【0027】
また、リチウムを吸臓・離脱可能な負極材料としては、炭素材料,金属酸化物あるいは高分子材料なども挙げられる。炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素,人造黒鉛,コークス類,グラファイト類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼成体,炭素繊維,活性炭あるいはカーボンブラック類などが挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール類やフラン類などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。また、金属酸化物としては、酸化鉄,酸化ルテニウム,酸化モリブデンあるいは酸化スズなどが挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどが挙げられる。
【0028】
つぎにセパレータについて説明する。セパレータは、一定の幅を有する帯状のプラスチック膜であり、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂の微多孔膜によって構成することができる。
【0029】
上述した正極、負極、およびセパレータを用いて発電素子2を作製する。2枚のセパレータの端部を、巻芯のスリットに挟み込む。巻芯を回転させセパレータを巻芯に巻き取る。正極の端部のうち正極リードが固定されている方の端部を巻芯側に向けて、正極をセパレータのうち上のものと巻芯の間に挿入して、正極を巻芯に巻き取る。負極の端部のうち負極リードが固定されていない方の端部を巻芯側に向けて、2枚のセパレータの間に挿入し、負極を巻芯に巻き取る。正極、負極、およびセパレータの巻き取りが完了すると発電素子2ができあがる。
【0030】
発電素子2は、非水電解液を含んでいる。非水電解液は、有機溶媒とこれに溶解した電解質からなる。あるいは、非水電解液を高分子化合物と混合させたいわゆるポリマー電解質や、高分子化合物に電解質を混合もしくは結合させたポリマー電解質を用いることもできる。
【0031】
有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等の鎖状カーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル、テトラヒドロフラン、1,2−ジメトキシエタン等のエーテル等の1種以上を用いることができる。
【0032】
電解質としては、用いる溶媒に溶解し、イオン導電性を示すリチウム塩の例えばLiPF6 、LiBF4 、LiClO4 、LiCF3 SO3 、LiN(CF3 SO2 )2 、LiC(CF3 SO2 )3 等の1種以上を用いることができる。
【0033】
発電素子2の中心部には円柱状の空間が存在する。この空間には 中空円筒状のセンターピン(図示していない)が配置されている。
【0034】
発電素子2の上側(図面上)の平面部には絶縁板3が配置されている。発電素子2の下側(図4参照)の平面部には絶縁板4が配置されている。絶縁板3,4は薄肉の円盤である。絶縁板3の中心には中心孔3aが存在する。
【0035】
絶縁板の板厚は、0.1〜0.5mmの範囲にあることが好ましい。市販品の範囲で加工性・組立性を確保できるという利点があるからである。
【0036】
絶縁板の材質としては、プラスチックを用いることができる。具体的には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイト、フッ素樹脂などを用いることができる。
【0037】
発電素子2の正極集電体から、正極リード5が導出されている。正極リード5は、絶縁板3の中心孔3aを通り空間部15に至っている。正極リード5は短冊状の形状をしている。正極リード5は例えばアルミニウムからなる。
【0038】
発電素子2の反対側の負極集電体から例えばニッケルよりなる負極リードが導出されて電池缶1の底部に溶接されている(図示していない)。負極リードは短冊状の金属板である。
【0039】
端子板7は、電池の正極側端子導出部となり、例えばステンレスにより作製されている。端子板7は外側に膨出する皿状に形成され、その一部に、通気孔が設けられている。
【0040】
端子板7の下には、PTC素子8が配置されている。PTC素子8は、大きな中心孔を有する円盤である。PTC素子8の周辺部は、端子板7のフランジ部と接している。PTC素子8は、高温になると電気抵抗が大きくなる材質からなる。PTC素子は、電池が高温になると、端子板7と安全弁10の間に電流が流れるのを阻止する。
【0041】
ガスケット6は、耐電解液性を有する例えばポリオレフィン樹脂や、フッ素樹脂、例えばポリプロピレンや、パーフルオロアルキルビニルエーテルと四フッ化エチレンとの共重合体による円筒リング状の樹脂成形品によって構成される。ガスケット6を介して、端子板7、PTC素子8、およびと安全弁装置9は、かしめられて電池缶1の開口部を封止している。
【0042】
ガスケット6は、下の方に支持部6aをもっている。支持部6aは円筒形である。支持部6aは、絶縁板3の表面のうち周辺部に近い部分と接している。支持部6aは、発電素子2のうち周辺部に近い部分が上の方に移動するのを阻止している。
【0043】
安全弁装置9は、安全弁10、ディスクホルダ11、ディスク12、およびサブディスク13から構成されている。
【0044】
PTC素子8の内側には、例えばアルミニウムよりなり、端子板7とは反対側に膨出する皿状の安全弁10が重ねられて配置されている。
【0045】
安全弁10には、リング状の絶縁体であるディスクホルダ11を介して、ディスク12が対向して配置されている。このディスク12の中心部には透孔が穿設され、この透孔を通じて安全弁10の中心部に形成した突出部が、発電素子2側に導出するようになされている。
【0046】
安全弁10の突出部の先端には、例えばアルミニウムによるサブディスク13が溶接され、このサブディスク13には、発電素子2から導出された正極リード5の遊端が溶接される。
【0047】
安全弁装置9は、過充電時に電流を遮断する仕組みの遮断弁装置、および電池内部でガスが異常発生した時に電池内部のガスを外部へ逃がす仕組みの開裂弁装置とを備えている。例えば何らかの原因で電池缶1内にガスが発生して内部の圧力が増加したとき、安全弁10が上の方に押し上げられて変形し、内圧を緩和すると共に、その突出部とサブディスク13との溶接部が剥離して発電要素2の正極リード5と、端子板7との間の電気的接続を切断する。そして、さらに内部の圧力が増大するときは、安全弁10自体が、例えばその肉薄部における機械的軟弱部で破壊して、端子板7の通気孔を通じ電池缶1を開放するようになされている。
【0048】
絶縁板3と、ディスク12またはサブディスク13との間には、空間部15が形成されている。空間部15のうち、サブディスク13と絶縁板3との距離を空間部15の厚さと定義する。空間部15の厚さは、0.2〜1.0mmの範囲にあることが好ましい。厚さが0.2mm未満であると、ガスの流通を確保できないという不具合がある。厚さが1.0mmより厚いと、容量が低下するという不具合がある。
【0049】
ディスク12について詳しく説明する。図2は、リチウムイオン電池に用いられるディスクを示す、斜視図、断面図、および平面図である。
【0050】
ディスク12は、円盤をその一方の面側に膨らませた形状をしている。ディスク12は、6つの通気孔12aをもっている。通気孔12aは、ディスク12の一部を切り取ったものである。通気孔12aは、ディスク12の中心から放射状に配置されている。
【0051】
図2のAに示すように、ディスク12には、4つの支持部材14が形成されている。支持部材14は安全弁装置のディスク12に固定されている。支持部材14は、長方形の板である。支持部材14は、ディスク12の平面部分に対して垂直の方向に向いている。
【0052】
支持部材14は、安全弁装置のディスク12の一部に切り込みを入れ、この切り込み部分を折り曲げたものである。支持部材14をこのように作製することにより、つぎのような効果が得られる。支持部材14はディスク12の一部を使用しているので、新たな材料を必要としない。支持部材14をディスク12に溶接したり接着したりする工程が不要である。
【0053】
支持部材14は、安全弁装置9のディスク12の一部に切り込みを入れ、この切り込み部分を折り曲げたものに限定されない。支持部材14は、ディスク12とは別の材料を使用できる。支持部材14は、長方形の板、直方体、円柱、角柱などの形状を採用できる。絶縁板3を支持できる形状であればいかなる形状も採用できる。支持部材14のディスク12への固定は、溶接、接着剤による接着などの方法が採用できる。
【0054】
図2のCに示すように、正極リード5が左右方向に配置されている。正極リード5はサブディスク13に固定されている。正極リード5は、左右に存在する2つの通気孔12aの一部または全部と重なっている。この2つの通気孔12aにおいては、正極リード5が邪魔になるので支持部材14は設けていない。このほかの4つの通気孔12aにおいては、正極リード5が邪魔にならないので、支持部材14を設けている。
【0055】
図2のBは、図2のCのa−a断面図である。支持部材14がディスクの一部を折り曲げたものであることがわかる。ディスク12の中心には中心孔12bが設けられている。中心孔12bの周辺部には、サブディスク13が固定されている。
【0056】
図1に示すように、絶縁板3と、安全弁装置9のディスク12との間に支持部材14が配置されている。支持部材14は2点鎖線で示している。支持部材14についてのみ、図2のCのa−a断面を表している。支持部材14の下の方は絶縁板3の表面に接している。支持部材14は、絶縁板3の内側の部分を支持している。これにより、発電素子2の内側の部分が、上の方に移動するのが押さえられる。支持部材14とガスケット6の双方により、発電素子2の全体が上の方に移動するのを押さえる。
【0057】
支持部材14は、図2のCに示すように、ディスク12の中心を中心とする円周上に配置されている。支持部材14は、円周の一部を使用している。支持部材14の形態はこれに限定されない。図3のAに示すように、正極リード5が存在する領域を除き、円周上のすべての領域に支持部材14を形成することができる。これにより、絶縁板3を支持する面積が大きくなり、発電素子2が上の方に移動するのを強力に抑えることができる。
【0058】
図3のAにおいて、上と下に存在する円弧状の支持部材14をさらに分割して複数の独立した支持部材とすることもできる。複数の支持部材14の円周上の距離の合計値は、円周の長さの20%以上であることが好ましい。合計値が20%以上あると、発電素子2の移動を阻止する機械的強度を確保できる。複数の支持部材14は点対称に存在することが好ましい。点対称に存在すると、支持部材14が発電素子2をバランス良く支持できる。
【0059】
支持部材14は、図1に示すaの領域に存在することが好ましい。このaの領域の右端は、絶縁板3の内側の縁である。このaの領域の左端は、ガスケット6の内側の面と、絶縁板3の内側の縁との中間点である。支持部材14がaの領域に存在すると、発電素子2の内側の部分が移動するのを十分に阻止できる。
【0060】
支持部材14の位置がaの領域の左側に近づくと、通気孔12aの面積が小さくなる。この場合は、ディスク12の内側から切り込みを入れ、切り込み部分を外側の部分で折り曲げる。これにより支持部材14の内側に通気孔12aを確保することができる。なお、aの領域は、図示していないが、絶縁板の中心を対称として右側にも存在する。
【0061】
本実施の形態で説明したリチウムイオン電池は、一次電池および二次電池の双方に適用することができる。
本実施の形態では、リチウムイオン電池について説明した。電池は、リチウムイオン電池に限定されない。このほか、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケル亜鉛二次電池などを採用することができる。
【0062】
以上のことから、本実施の形態によれば、絶縁板と安全弁装置の間に支持部材が配置されている。支持部材は安全弁装置に固定されている。電池の落下等により、発電素子は力を受けて変形しようとする。支持部材はこの変形を抑制する。この結果、リードが破断するのを防止できる。
【0063】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0064】
つぎに、密閉形電池にかかる第2の発明の実施の形態について説明する。
図3のB,Cは、絶縁板に設けた支持部材の例を示す図である。図3のBは、長方形の板からなる支持部材14が絶縁板3に固定されている例である。図3のCは円柱の支持部材14が絶縁板3に固定されている例である。支持部材の形状は、これらに限定されない。このほか、直方体、角柱などの形状を採用できる。ディスク12を支持できる形状であればいかなる形状も採用できる。
【0065】
絶縁板3への支持部材14の固定方法は、接着剤による接着、加熱・溶融による融着、超音波溶接などの方法を採用できる。絶縁板3と支持部材14を一体成形しても良い。絶縁板3の一部に切り込みを入れ、加熱しながら切り込み部分を折り曲げる方法も採用できる。この場合、切り込み部分に長方形の板を接着して補強したり、または切り込み部分を折り返して重ねたりすることにより、支持部材14の機械的強度を大きくすることができる。
【0066】
支持部材14は、図3のB,Cに示すように、絶縁板3の中心を中心とする円周上に配置されている。支持部材14の形態はこれに限定されない。正極リード5が存在する領域を除き、円周上のすべての領域に支持部材14を形成することができる。これにより、ディスク12を支持する面積が大きくなり、発電素子2が上の方に移動するのを強力に抑えることができる。
【0067】
上の例において、上と下に存在する円弧状の支持部材14をさらに分割して複数の独立した支持部材とすることもできる。複数の支持部材14の円周上の距離の合計値は、円周の長さの20%以上であることが好ましい。合計値が20%以上あると、発電素子2の移動を阻止する機械的強度を確保できる。複数の支持部材14は点対称に存在することが好ましい。点対称に存在すると、支持部材14が発電素子2をバランス良く支持できる。
【0068】
支持部材14は、図1に示すaの領域に存在することが好ましい。支持部材14がaの領域に存在すると、発電素子2の内側の部分が移動するのを十分に阻止できる。
【0069】
本実施の形態における、その他の点については、上述した第1の発明の実施の形態と同様である。
【0070】
以上のことから、本実施の形態によれば、絶縁板と安全弁の間に支持部材が配置されている。支持部材は絶縁板に固定されている。電池の落下等により、発電素子は力を受けて変形しようとする。支持部材はこの変形を抑制する。この結果、リードが破断するのを防止できる。
【0071】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0072】
つぎに、密閉形電池にかかる第3の発明の実施の形態について説明する。
図3のDは、支持部材固定板に設けた支持部材の例を示す図である。支持部材固定板16は、ディスク12と絶縁板3の間の空間に配置される。長方形の板からなる支持部材14が支持部材固定板16に固定されている。支持部材14の形状は、これらに限定されない。このほか、直方体、円柱、角柱などの形状を採用できる。ディスク12および絶縁板3を支持できる形状であればいかなる形状も採用できる。
【0073】
支持部材14は、支持部材固定板16の外側の縁に固定されている。支持部材14が固定される場所はここに限定されない。支持部材14は、支持部材固定板16の平面部の中に形成しても良い。
【0074】
支持部材14は、支持部材固定板16の両面から突出している。支持部材固定板16を、ディスク12と絶縁板3の間の空間に配置すると、支持部材固定板16とディスク12との間に空間ができる。支持部材固定板16と絶縁板3との間にも空間ができる。電池内部にガスが発生したとき、ガスはこの2つの空間を通過して、スムーズに通気孔12aに達することができる。
【0075】
支持部材固定板16には中心孔16aが設けられている。電池内部にガスが発生したとき、ガスはこの中心孔16aを通過して、スムーズに通気孔12aに達することができる。
【0076】
支持部材固定板16への支持部材14の固定方法は、接着剤による接着、加熱・溶融による融着、超音波溶接などの方法を採用できる。支持部材固定板16と支持部材14を一体成形しても良い。支持部材固定板16の外側の縁に、複数の曲げしろを設けても良い。曲げしろを加熱し、一部の曲げしろを一方の面側に折り曲げ、残る曲げしろを他方の面側に折り曲げる方法も採用できる。この場合、曲げしろに長方形の板を接着して補強したり、または曲げしろを折り返して重ねたりすることにより、支持部材14の機械的強度を大きくすることができる。
【0077】
支持部材14は、図3のDに示すように、支持部材固定板16の外側の縁の円周上に配置されている。支持部材14の形態はこれに限定されない。正極リード5が存在する領域を除き、円周上のすべての領域に支持部材14を形成することができる。これにより、ディスク12および絶縁板3を支持する面積が大きくなり、発電素子2が上の方に移動するのを強力に抑えることができる。
【0078】
上の例において、上と下に存在する円弧状の支持部材14をさらに分割して複数の独立した支持部材とすることもできる。複数の支持部材14の円周上の距離の合計値は、円周の長さの20%以上であることが好ましい。合計値が20%以上あると、発電素子2の移動を阻止する機械的強度を確保できる。複数の支持部材14は点対称に存在することが好ましい。点対称に存在すると、支持部材14が発電素子2をバランス良く支持できる。
【0079】
支持部材14は、図1に示すaの領域に存在することが好ましい。支持部材14がaの領域に存在すると、発電素子2の内側の部分が移動するのを十分に阻止できる。
【0080】
本実施の形態における、その他の点については、上述した第1の発明の実施の形態と同様である。
【0081】
以上のことから、本実施の形態によれば、絶縁板と安全弁の間に支持部材が配置されている。支持部材は支持部材固定板に固定されている。電池の落下等により、発電素子は力を受けて変形しようとする。支持部材はこの変形を抑制する。この結果、リードが破断するのを防止できる。
【0082】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0083】
【実施例】
つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。
【0084】
[実施例]
サンプル電池の作製方法について説明する。
粉末LiCoO2 を86質量%、導電剤としてグラファイトを10質量%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン4質量%を混合して正極合剤を調製し、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーにした。その後、この正極合剤スラリーを正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布した。正極集電体の一端には、正極合剤スラリーを両面とも塗布していない正極合剤層不存在域をつくり、乾燥後、ローラープレス機で圧縮成形を行い帯状の正極を形成した。
【0085】
黒鉛材料粉末を90質量%、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを10質量%の割合で混合して負極合剤を作製し、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーにした。その後、この負極合剤スラリーを負極集電体となる厚さ10μmの銅箔の両面に均一に塗布した。負極集電体の一端には、負極合剤スラリーを両面とも塗布していない負極合剤層不存在域をつくり、乾燥後、ローラープレス機で圧縮成形を行い帯状の負極を形成した。
【0086】
正極リードを作製した。正極リードの断面の寸法は、厚さが0.1mmで、幅が3.0mmである。正極リードの材質はアルミニウム(AlN30−H18)である。正極の正極合剤層不存在域に、正極リードを溶接により固定した。
【0087】
負極の負極合剤層不存在域に、短冊状の負極リードを溶接により固定した。負極リードはニッケルからなる。
【0088】
上述したようにして作製した正極および負極を厚さ25μmの微多孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータを介して、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に積層し、巻芯に巻回した。正極の正極合剤層不存在域は、巻芯側に配置した。負極の負極合剤層不存在域は、巻芯とは反対側に配置した。巻き終わり部は粘着テープで固定し、発電素子を作製した。発電素子の最内周の正極合剤層不存在域に正極リードが接続され、発電素子の最外周の負極合剤層不存在域に負極リードが接続されている。
【0089】
このようにして作製した発電素子をニッケルめっきを施した内径17.35mmの鉄製電池缶に収納した。発電素子の中心部にセンターピンを挿入した。発電素子の上下両面には絶縁板(外径:17mm、穴径:5mm、板厚:0.4mm、材質:ポリプロピレン)を配置した。
【0090】
ディスクは図2に示すとおりである。通気孔12aを6つ設けた。支持部材14を4つ設けた。支持部材14が存在する円周の直径は8mmである。
【0091】
アルミニウム製の正極リードを正極集電体から導出して、端子板と電気的な導通が確保された安全弁装置に溶接した。また、ニッケル製の負極リードを負極集電体から導出して電池缶に溶接した。
【0092】
電解液はエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを5:5なる容量比で混合した有機溶媒中に、電解質塩LiPF6 を1モル/リットルの濃度で溶解することで調製した。この電解液を電池缶内に注入した後、アスファルトで表面を塗布したガスケットを介し、電池缶の開口部をかしめることにより、電流遮断機構と開裂弁機構とを有する安全弁装置、PTC素子ならびに端子板を固定し、直径18mm、高さ65mmの円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。ディスクと絶縁板の距離は0.5mmであった。絶縁板3は、図1に示すように、支持部材14により支持されている。実施例の電池を5本作製した。
【0093】
[従来例]
用いたディスクは、図5に示すとおりである。図4に示すように、支持部材は存在しない。これ以外は、実施例と同様である。従来例の電池を5本作製した。
【0094】
実施例および従来例のサンプル電池はつぎの方法により評価した。
サンプル電池を10cmの高さから端子板を下にして垂直に繰り返し落下させる。試験は5000回まで実施し、500回毎に電池の電圧と抵抗値(Imp)を確認し、正極リードが切れるかを確認した。
【0095】
評価結果は、表1,2に示すとおりである。
【0096】
【表1】
【0097】
【表2】
【0098】
実施例のサンプル電池の評価結果は表1に示すとおりである。サンプル電池のサンプルNo.1〜5のすべてについて、落下を5000回行っても正極リードの破断は認められなかった。
【0099】
従来例のサンプル電池の評価結果は表2に示すとおりである。サンプル電池のサンプルNo.1〜4については、3000〜4000回落下させると、正極リードの破断が認められた。サンプルNo.5のみが、5000回落下させても正極リードの破断が認められなかった。
【0100】
表1と表2の評価結果を比較すると、従来例のサンプル電池に比較して、実施例のサンプル電池は正極リードの破断が抑制されていることがわかる。これは、ディスクと絶縁板の間に支持部材を配置することにより、発電素子の移動が抑制されたためであると考えられる。
【0101】
以上のことから、本実施例によれば、発電素子の移動が抑えられることによって、繰り返し落下した時にリードが切れることを防ぐことができる。振動が加わった場合でも、同様の効果が期待できる。発電素子の移動が抑えられることによって、落下した時に安全弁に発電素子が当たり、安全弁が変形するのを防ぐことができる。
【0102】
【発明の効果】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する
発電素子と、前記発電素子の少なくとも一側面に配置する絶縁板と、少なくとも前記発電素子と前記絶縁板を収納する電池缶と、前記電池缶の開口部を封止する安全弁装置とを有する密閉形電池において、前記絶縁板と前記安全弁の間に支持部材が配置されているので、リードが破断するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】密閉形電池の一例であるリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。
【図2】リチウムイオン電池に用いられるディスクを示す、斜視図、断面図、および平面図である。
【図3】ディスクに設けた支持部材の例、絶縁板に設けた支持部材の例、および支持部材固定板に設けた支持部材の例を示す図である。
【図4】従来のリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。
【図5】従来のリチウムイオン電池に用いられるディスクを示す、斜視図、断面図、および平面図である。
【図6】従来のリチウムイオン電池において、正極リードが破断に至るまでの様子を示す断面図である。
【符号の説明】
1‥‥電池缶、2‥‥発電素子、3‥‥絶縁板、3a‥‥中心孔、4‥‥絶縁板、5‥‥正極リード、6‥‥ガスケット、6a‥‥支持部、7‥‥端子板、8‥‥PTC素子、9‥‥安全弁装置、10‥‥安全弁、11‥‥ディスクホルダ、12‥‥ディスク、12a‥‥通気孔、12b‥‥中心孔、13‥‥サブディスク、14‥‥支持部材、15‥‥空間部、16‥‥支持部材固定板、16a‥‥中心孔
Claims (6)
- 発電素子と、
前記発電素子の少なくとも一側面に配置する絶縁板と、
少なくとも前記発電素子と前記絶縁板を収納する電池缶と、
前記電池缶の開口部を封止する安全弁装置と
を有する密閉形電池において、
前記絶縁板と前記安全弁装置の間に支持部材を配置する
ことを特徴とする密閉形電池。 - 支持部材は安全弁装置に固定されている
ことを特徴とする請求項1記載の密閉形電池。 - 支持部材は、安全弁装置の一部に切り込みを入れ、この切り込み部分を折り曲げたものである
ことを特徴とする請求項1記載の密閉形電池。 - 支持部材は絶縁板に固定されている
ことを特徴とする請求項1記載の密閉形電池。 - 支持部材は支持部材固定板に固定されている
ことを特徴とする請求項1記載の密閉形電池。 - 支持部材は、支持部材固定板の両面から突出している
ことを特徴とする請求項5記載の密閉形電池。
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-
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