JP2005038709A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】全体が扁平で正方形状の密閉型電池において、電池の内圧が所定値に達した状態で開裂部を確実に破断できるうえ、開裂部の破断に伴う電池要素や電解液などの飛散を防止できるようにする。
【解決手段】全体が扁平で正方形状に形成された電池容器１が、電池要素２およびガスケットを収容する電池ケース４と、ガスケットとともにかしめ固定されて電池ケース４を密封する電池蓋とで構成されている。電池ケース４の底壁の中央に、防爆用の開裂部１１を形成する。開裂部１１は、直線状の一対の開裂溝１７を互いに直交する状態で配置して構成する。各開裂溝１７の溝中心を通る仮想中心軸線Ｐと、電池容器１の各辺部との交差角度をθとするとき、交差角度を８０＜θ＜１００°に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池容器に防爆用の開裂部を設けてある密閉型電池、なかでも電池全体が扁平で正方形状に形成された密閉型電池に関する。

密閉型電池において、電池容器の周壁に他の壁部分より薄肉の開裂部を設けて、電池の内圧が所定圧に達した状態で開裂部を破断させて内圧を開放し、電池の爆発を防止することは公知である（特許文献１参照）。そこでは、平行な一対の第１開裂溝と、第１開裂溝に直交する３個の第２開裂溝とで開裂部を III字状に形成し、この開裂部が長方形状の封口板の一部に形成されている。筒状の密封型電池において、その筒底外面に、非直角Ｘ字形の開裂部を形成した電池もある（特許文献２参照）。本発明では、密閉型電池を扁平で、平面から見て正方形状に形成するが、この種の電池は公知である（特許文献３参照）。

特開２０００−３４８７００号公報（段落番号００１３、図１） 特開平９−３２０５４９号公報（段落番号０００９、図１） 特開２０００−１６４２５９号公報（段落番号００１９、図２）

上記の開裂部を備えた密閉型電池によれば、電池の内圧が所定圧に達した状態で、開裂部を破断させて圧力を開放し、電池内に収容した電解質などが周辺に飛び散るのを解消できる。つまり、電池の爆発を防止できる。扁平に形成した密閉型電池においても、電池ケースの面壁に例えば十文字状の開裂部を設けることにより、電池の内圧が所定圧に達した時点で開裂部を破断させて、同様に電池の爆発を防止できることが期待できる。

本発明者らは、全体が扁平で正方形状の密閉型電池において、開裂部を電池容器に対していかに設けるかを検討し、試行錯誤を重ねる過程で、後述する事実を確認し、本発明を提案するに至った。多くの場合、扁平な密閉型電池の電池容器は円形（ボタン形）に形成されることが多い。その場合には、開裂部の中心が電池ケースの中心に設けてある限り、開裂部の構造や、開裂溝の向きが問題になることはない。開裂部の中心から電池ケースの周縁までの距離は、任意の周縁位置において常に一定であり、開裂部の破断強度は周方向へ一様となるからである。

ところが、正方形状の密閉型電池においては、例えば十文字状の開裂部の中心を電池ケースの中心に設けたとしても、その開裂溝の向きが変化すると、開裂部の破断開始圧力が大きく変化する。例えば、図４に示すように、電池ケースの中心にＸ字状の開裂部１１を形成し、Ｘ字状に交差する各開裂溝１７の中心軸線Ｐを、電池ケース４の隅部分に向かって指向させると、破断開始圧力が設定値より低いにもかかわらず、開裂部が急速に破断して、電池ケース４内に収容した電池要素や電解液などが爆発的に飛散する。また、破断開始圧力と開裂部の破断速度とは必ずしも比例せず、むしろ開裂溝の向きの違いが、破断開始圧力や開裂部の破断速度に大きく影響していることが判った。

本発明は、上記の知見に基づき提案されたものであって、その目的は、電池の内圧が所定値に達した状態で開裂部を確実に破断できるうえ、開裂部が爆発的に破断するのを解消して内圧を開放できる。従って電池容器内に収容された電池要素や電解液などが周囲に飛散されるのを防止できる。そんな全体が扁平で正方形状の密閉型電池を提供することにある。

本発明の目的は、開裂部を常に確実に破断できるうえ、開裂部が破断するときの破断開始圧力のばらつきを抑止でき、防爆機能の信頼性に優れる密閉型電池を提供することにある。

本発明の目的は、開裂部が一対の開裂溝で形成して開裂部構造を簡素化できる分だけ加工誤差を排除でき、溝深さが異なる２種の開裂溝を組み合わせて構成した従来の開裂部に比べて、開裂部の破断開始圧力のばらつきをさらに小さくできる密閉型電池を提供することにある。

本発明の密閉型電池においては、電池容器１の全体を扁平で正方形状に形成する。電池容器１は、電池要素２およびガスケット３を収容する電池ケース４と、ガスケット３とともに電池ケース４の開口内縁にかしめ固定されて、電池ケース４を密封する電池蓋５とで構成する。互いに対向する電池ケース４と電池蓋５とのいずれか一方の面壁中央には、防爆用の開裂部１１を形成する。開裂部１１は、直線状の一対の開裂溝１７を互いに直交する状態で配置して構成する。各開裂溝１７の溝中心を通る仮想中心軸線Ｐと、電池容器１の各辺部との交差角度をθとするとき、交差角度が８０＜θ＜１００°に設定してあることを特徴とする。

開裂部１１は、電池ケース４の底壁外面に凹み形成した一対の開裂溝１７で形成する。その開裂溝１７は、広幅の第１溝１８と、第１溝１８の溝底に凹み形成した第２溝１９とからなる。好ましくは、一対の開裂溝１７の交差角度を８５＜θ＜９５°に設定する。

本発明では、電池ケース４と電池蓋５とのいずれか一方の面壁中央に設けられる防爆用の開裂部１１を、互いに直交する状態で配置した一対の開裂溝１７で構成した。そのうえで、各開裂溝１７の溝中心を通る仮想中心軸線Ｐと、電池容器１の各辺部との交差角度をθとするとき、交差角度を８０＜θ＜１００°に設定したので、全体が扁平で正方形状に形成してある電池において、電池内圧が所定値に達した状態で、開裂部１１を確実に破断できるうえ、破断が爆発的に進行するのを阻止して内圧を開放できる。従って、開裂部１１が破断するとき、電池容器１内に収容された電池要素２や電解液などが周囲に飛散し、電池収容部分の周辺構造が故障するなど、電池の内圧開放に付随する故障の発生を防止できる。

開裂溝１７の交差角度θが８０°未満、あるいは交差角度θが１００°を越えると、開裂溝１７の交差角度が８０＜θ＜１００°である場合に比べて、開裂部１１の破断開始圧力が低いにもかかわらず破断が爆発的に進行し、電解液や電池要素２などの電池内部の部材が周辺へ飛散し、電池収容部分の周辺構造の故障を招くことがある。直交する一対の開裂溝１７で開裂部１１を形成するので、溝深さが異なる２種の開裂溝を組み合せて構成した従来の開裂部に比べて、開裂部構造を簡素化できる分だけ、開裂溝１７を形成する際に加工誤差が含まれるのを排除できる。従って、電池内圧が一定値に達した時点で、開裂部１１を的確に破断させることができる（請求項１）。

広幅の第１溝１８と、第１溝１８の溝底に凹み形成した第２溝１９とで開裂溝１７が形成されていると、第２溝１９の溝底壁が危険断面部分となり、開裂部１１が破断を開始する個所を常に第２溝１９の溝底壁に特定することができる。具体的には、両第２溝１９が交差する中央部分の面積が他の溝底壁より大きいので、第２溝１９どうしが交差する中央正方形部分で破断を開始させて、開裂部１１の破断開始圧力がばらつくのをさらに抑止できる。従って、防爆構造の信頼性が向上する（請求項２）。

一対の開裂溝１７の交差角度を８５＜θ＜９５°に設定した開裂部１１によれば、交差角θが８０＜θ＜８５°である場合、あるいは交差角θが９５＜θ＜１００°である場合に比べて、開裂部１１の破断開始圧力が増加するにもかかわらず、破断進行度を小さくできる。従って、電池内圧を開放する際に、電池内の部材が周辺に飛び散るのを防止できる（請求項３）。

図１および図２は、本発明に係る密閉型電池の実施例を示しており、電池容器１とその内部に収容される電池要素２および非水電解液などで、非水電解液２次電池として構成してある。電池容器１は、電池要素２およびガスケット３を収容する電池ケース４と、ガスケット３とともに電池ケース４の開口内縁にかしめ固定されて、電池ケース４を密封する電池蓋５とで構成する。図１において電池容器１は、全体が扁平な正方形状に形成されている。

図２において電池要素２は、それぞれシート状に形成した正極材７および負極材８を、セパレータ９を間にして重ねたうえで渦巻状に巻き込んだのち、全体を押し潰して扁平ブロック状に形成してある。このように、扁平ブロック状に押し潰された電池要素２は、平面から見て電池ケース４よりひと回り小さな正方形状になっており、電池ケースが円形に形成してある場合に比べて、電池ケース４内の空間を無駄なく利用できる。

正極材７はアルミニウム箔の一部に無地部を残して両面に正極合材を塗布し、乾燥して形成してあり、同様に負極材８は銅箔の一部に無地部を残して両面に負極合材を塗布し、乾燥して形成してある。これら両者の間に介装されるセパレータ９は、絶縁性を有する微多孔膜シート、例えばポリエチレン製微多孔膜で形成してある。ガスケット３は、絶縁性に富むプラスチック成形品からなり、電池ケース４と電池蓋５とを絶縁分離し、さらに両者４・５のかしめ固定部分をシールするために設けてある。

電池ケース４は、例えばニッケル、ステンレス、アルミニウムのクラッド材を素材にして、アルミニウムがケース内面に露出する状態で角皿状に形成してあり、その底壁の外面中央に防爆用の開裂部１１が形成されている。電池蓋５は、ニッケルメッキを施したステンレス板材、あるいはニッケル、ステンレス、銅のクラッド材を素材にして銅がケース内面が露出する状態で形成する。図２に示すように、電池蓋５は浅い角皿状に形成し、その周縁を外向きに折り返してシール部１２が形成してある。

ガスケット３は、弾性と絶縁性とに優れたプラスチック材、例えばポリフェニレンサルファイドを素材とする射出成形品からなり、先の電池蓋５のシール部１２を受け入れるシール溝１３と、シール部１２の外面に密接するシール壁１４とを備えている。

ガスケット３を電池蓋５に装填した後、負極材８の銅箔無地部を電池蓋８の内面に溶接し、正極材７のアルミニウム箔無地部を電池ケース４の内面に溶接した後、電池要素２を電池蓋５内に収容し、その内部に非水電解液を注入する。この状態で電池ケース４を電池蓋５に被せ付けて、電池ケース４の開口壁を封口金型で内向きにかしめ変形して電池を完成する。

図２は防爆用の開裂部１１の詳細を示す。開裂部１１は、それぞれプレス加工によって形成される直線状の一対の開裂溝１７で形成してある。両開裂溝１７は互いに直交する状態で配置され、両者の交差中心は電池ケース４の底壁の中央に位置する。開裂溝１７は広幅の第１溝１８と、第１溝１８の溝底に凹み形成された第２溝１９とからなる。第１溝１８は、断面逆台形状の溝からなり、その溝底壁の幅方向中央に第２溝１９が形成されている。

上記のように、広幅の第１溝１８の溝底に第２溝１９が凹み形成されていると、第２溝１９の溝底壁が危険断面部分となるので、開裂部１１が破断を開始する個所を常に第２溝１９の溝底壁に特定することができる。実際には、第２溝１９が交差する中央正方形部分の面積が他の溝底壁より大きいので、図１に示すように破断は、常に第２溝１９が交差する中央正方形部分の隅部Ｃのひとつから始まる。

本発明者は、上記の密閉型電池において、開裂部１１の配置形態に検討を加える過程で、開裂部１１の配置形態が破断開始圧力や、破断進行速度に影響していることに気付いた。そのことを確認するために、開裂部１１の配置形態が異なる電池ケース４を試作し、過充電試験を行った。

（実施例１） 先の実施例で説明した電池要素２、ガスケット３、電池ケース４、電池蓋５で非水電解液２次電池を形成した。正極合材としては、コバルト酸リチウムと、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデンとを、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを溶剤にして混合してペースト化した。この正極合材ペーストを、厚みが２０μｍのアルミニウム箔に間欠塗布し、乾燥工程、プレス工程を経たのち所定形状に切断して、帯状の正極材７を得た。負極合材としては、黒鉛とポリフッ化ビニリデンとを、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを溶剤にして混合してペースト化した。この負極合材ペーストを、厚みが１５μｍの銅箔に間欠塗布し、乾燥工程、プレス工程を経たのち、所定形状に切断して帯状の負極材８を得た。

セパレータ９は、厚みが２５μｍのポリエチレン製の微多孔膜を用いた。非水電解液としては、エチレンカーボネイトとジエチルカーボネイトとを体積比１対２の割合で混合し、この混合溶媒にＬｉＰＦ₆ を１ mol／ｌの濃度になるように溶解した。

得られた電池は、１辺の長さが２４mmの正方形で、厚みが３mm、電池ケース４の隅部の丸み半径は３mmとした。電池ケース４の底壁の厚み寸法は0.３mm、開裂溝１７の長さは９mmとした。各開裂溝１７の第１溝１８の開口幅は0.５mm、開口縁に連続する斜面の傾斜角度は６０°、溝深さＤ１は0.２５mm、第２溝１９の溝底幅は0.２mm、溝底に連続する斜面の傾斜角度は６０°、溝深さＤ２は0.０２mmとした。なお、第２溝１９の溝底壁の厚みは、0.０３mmである。図１に示すように、開裂溝１７の溝中心を通る仮想中心軸線Ｐと、電池ケース４の各辺部との交差角度をθとするとき、θ＝９０°とした。

（実施例２） θ＝８５°とし、他は実施例１と同様にして非水電解液２次電池を形成した。

（比較例１） θ＝７８°とし、他は実施例１と同様にして非水電解液２次電池を形成した。

（比較例２） θ＝４５°とし、他は実施例１と同様にして非水電解液２次電池を形成した。

（比較例３） 開裂部１１を省略し、他は実施例１と同様にして非水電解液２次電池を形成した。

実施例１・２、および比較例１〜３の各電池に１Ｃの過充電試験を行って、開裂部１１の破断状況を観察した。さらに各実施例および各比較例の電池の電池ケース４に水圧を作用させて、開裂部１１の破断状況を観察し、破断圧力を計測した。過充電試験の試験結果を表１に、水圧試験の結果を表２にそれぞれ示す。

過充電試験において、実施例１の電池は、試験開始１００分後に、電池ケース４の底壁中心が試験前に比べて３mmふくらみ、開裂部１１が破断した。電解液や電池要素２などの、電池内部に収容された部材の漏出や飛散はなかった。

実施例２の電池は、試験開始８０分後に、電池ケース４の底壁中心が試験前に比べて4.５mmふくらみ、開裂部１１が破断した。破断部分から少量の電解液が漏れ出た。

比較例１の電池は、試験開始６０分後に、電池ケース４の底壁中心が試験前に比べて５mmふくらみ、開裂部１１が破裂した。破裂部分から少量の電解液が周辺に飛散した。

比較例２の電池は、試験開始９０分後に、電池ケース４の底壁中心が、試験前に比べて６mmふくらみ、開裂部１１が破裂した。破裂個所から電解液とともに正極集電体の一部が飛散した。

比較例３の電池は、試験開始１５０分後に、電池ケース４のかしめ部分から電池蓋５の一部、およびガスケット３の一部が飛び出し、電解液および電池要素２の一部が周辺に飛散した。

水圧試験において実施例１の電池は、水圧が２０ kgf／cm² となったとき、開裂部１１が破断した。電池ケース４の底壁のふくらみ量は、３mmであった。実施例２の電池は、水圧が１８ kgf／cm² となったとき、開裂部１１が破断した。電池ケース４の底壁のふくらみ量は、4.５mmであった。

比較例１の電池は、水圧が１５ kgf／cm² となったとき、開裂部１１が破断した。電池ケース４の底壁のふくらみ量は、５mmであった。比較例２の電池は、水圧が１０ kgf／cm² となったとき、開裂部１１が破断した。電池ケース４の底壁のふくらみ量は、６mmであった。

上記の試験結果から、実施例１および実施例２の電池は、開裂部１１の破断開始圧力が他の実施例に比べて高いにもかかわらず、破断進行度が小さく、電池内の部材が周辺に飛び散るのを防止しながら、電池内圧を開放できることが判明した。一方、比較例１・２の電池では、実施例１・２の電池に比べて、開裂部１１の破断開始圧力が低いにもかかわらず、開裂部１１が爆発的に破断していると思われ、電池内圧が一気に開放される結果、電解液や電池要素２の一部などが周辺に飛散して、機器の故障などの２次被害を生じやすいことが判った。比較例３の電池が爆発するのは当然である。

本発明者は、上記の試験結果から、開裂溝１７の交差角度を８０＜θ＜１００°に設定することにした。なお、図１に示す開裂溝１７の傾斜方向は、想像線で示すように逆方向になる状態で開裂部１１を形成することができるが、この場合の両開裂部１１は、電池ケース４の各辺部と直交する中心軸線を対称軸にして線対称であるので、交差角度θが８０°である場合と、交差角度θが１００°である場合とは同義とみなす。より好ましくは、開裂溝１７の交差角度を８５＜θ＜９５°に設定する。

上記の実施例では、開裂溝１７を第１溝１８と第２溝１９とで形成したが、単一の溝で形成してもよい。開裂部１１は電池蓋５の側に形成することができる。

開裂部を示す密閉型電池の底面図である。 密閉型電池の縦断正面図である。 比較例１の開裂構造を示す密閉型電池の底面図である。 比較例２の開裂構造を示す密閉型電池の底面図である。

符号の説明

１ 電池容器
２ 電池要素
３ ガスケット
４ 電池ケース
５ 電池蓋
１１ 開裂部
１７ 開裂溝
１８ 第１溝
１９ 第２溝

Claims (3)

1. 全体が扁平で正方形状に形成してある電池容器が、電池要素およびガスケットを収容する電池ケースと、前記ガスケットとともに前記電池ケースの開口内縁にかしめ固定されて、前記電池ケースを密封する電池蓋とで構成されており、
   互いに対向する前記電池ケースと前記電池蓋とのいずれか一方の面壁中央に、防爆用の開裂部が形成してある密閉型電池であって、
   前記開裂部は、直線状の一対の開裂溝を互いに直交する状態で配置して構成されており、
   各開裂溝の溝中心を通る仮想中心軸線Ｐと、前記電池容器の各辺部との交差角度をθとするとき、交差角度が８０＜θ＜１００°に設定されていることを特徴とする密閉型電池。
2. 前記開裂部が、前記電池ケースの底壁外面に凹み形成した一対の前記開裂溝で形成されており、
   前記開裂溝が、広幅の第１溝と、前記第１溝の溝底に凹み形成された第２溝とからなる請求項１記載の密閉型電池。
3. 一対の前記開裂溝の交差角度が、８５＜θ＜９５°に設定されている請求項１または２記載の密閉型電池。

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