JP2005093239A - 電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度変化あるいは機械的衝撃などが加えられても内部抵抗の上昇を抑制することができ、かつ、生産性にも優れた電池を提供する。
【解決手段】電池容器２０に開放部に安全機構４０と電池蓋５０とが、ガスケット６０を介してかしめられることにより取り付けられており、電池容器２０の内部は密閉されている。電池蓋５０のフランジ部は、安全機構４０の安全弁４１のフランジ部と接触しており、その接触面Ｓの表面粗さは、算術平均粗さＲａで、０．５μｍ以上５．５μｍ以下の範囲内とされている。これにより、電池蓋５０と安全弁４１との接触抵抗が低減される。また、接触面Ｓの最大高さＲｙは８．０μｍ以上５０．０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【選択図】図１
【解決手段】電池容器２０に開放部に安全機構４０と電池蓋５０とが、ガスケット６０を介してかしめられることにより取り付けられており、電池容器２０の内部は密閉されている。電池蓋５０のフランジ部は、安全機構４０の安全弁４１のフランジ部と接触しており、その接触面Ｓの表面粗さは、算術平均粗さＲａで、０．５μｍ以上５．５μｍ以下の範囲内とされている。これにより、電池蓋５０と安全弁４１との接触抵抗が低減される。また、接触面Ｓの最大高さＲｙは８．０μｍ以上５０．０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【選択図】図１
Description
内部に発電要素が収納された電池容器の開放部に、電池蓋および安全弁が重ね合わせて設けられた電池に関する。
近年、携帯電話機，カメラ一体型ＶＴＲ（Video Tape Recorder ）あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、それらのポータブル電子機器に対し性能の向上が求められている。それに伴い、ポータブル電子機器の電源として、充放電が可能な二次電池についてエネルギー密度の向上および小型軽量化が求められている。中でも、リチウムイオン二次電池は、鉛電池あるいはニッケルカドミウム電池などよりも高エネルギーを有し、長時間使用可能であるという点で優れている。
従来より、リチウムイオン二次電池には、発電要素を収納するために金属製の電池容器が広く用いられている。図４は、その金属製の電池容器を用いた一電池の一部を拡大して表すものである。この電池では、電池容器１１０の内部に発電要素１２０が一対の絶縁板１３０に挟まれ収納されている。電池容器１１０の開放部には、電池蓋１４０と電池蓋１４０の内側に設けられた安全機構１５０とがガスケット１６０を介してかしめられることにより取り付けられている。安全機構１５０には、所定圧力により変形する安全弁１５１が電池蓋１４０と重ね合わせて設けられ、発電要素１２０から導出された正極リード１２１が安全弁１５１に接触板１５２を介して接続されることにより、電池蓋１４０と発電要素１２０とが電気的に接続されている。
しかし、このように電池蓋１４０と安全弁１５１とを単に重ね合わせた電池では、温度変化あるいは機械的衝撃などが加えられると、電池蓋１４０と安全弁１５１との接触抵抗が増加し、結果として内部抵抗が増加してしまうという不具合があった。
そこで、図５に示したように、電池蓋１４０の安全弁１５１と接触しているフランジ部１４１の外周部を安全弁１５１側に曲げるなどの対策が考えられている（特許文献１参照）。
特開２００１−１２６６８２号公報
しかしながら、これでは、製造工程において自動機を使用すると、円滑に部品が搬送されなかったり、電池蓋１４０の曲げた部分で搬送治具などを削るなどの不具合が生じてしまうので、工程の自動化が難しいという問題があった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、温度変化あるいは機械的衝撃などが加えられても内部抵抗の上昇を抑制することができ、かつ、生産性にも優れた電池を提供することにある。
本発明による電池は、内部に発電要素が収納された電池容器の開放部に、電池蓋および安全弁が重ね合わせて設けられたものであって、電池蓋における安全弁との接触面の算術平均粗さが０．５μｍ以上５．５μｍ以下の範囲内のものである。
本発明の電池によれば、電池蓋における安全弁との接触面の算術平均粗さを０．５μｍ以上５．５μｍ以下の範囲内とするようにしたので、温度変化あるいは機械的衝撃が加えられたり経年変化しても、電池蓋と安全弁との接触抵抗を低く抑え、内部抵抗の上昇を抑制することができる。また、搬送を妨げることなどがないので、工程を自動化することができ、生産性にも優れている。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものであり、図２は図１に示した安全機構を拡大して表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれ、発電要素１０をほぼ中空円柱状の電池容器２０の内部に収納したものである。
発電要素１０は、例えば、帯状の正極１１と負極１２とがセパレータ１３を介して巻回され、そのセパレータ１３に液状の電解質である電解液が含浸されたものである。正極１１は、例えば、アルミニウム箔などよりなる正極集電体の両面あるいは片面に正極活物質としてリチウム（Ｌｉ）を吸蔵および離脱することが可能な正極材料を含む正極合剤層が設けられた構造を有している。正極集電体にはアルミニウムなどよりなる正極リード１４が取り付けられ、発電要素１０の外部に導出されている。負極１２は、例えば、銅箔よりなる負極集電体の両面あるいは片面に負極活物質としてリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料を含む負極合剤層が設けられた構造を有している。負極集電体には銅よりなる負極リード１５が取り付けられ、発電要素１０の外部に導出されている。セパレータ１３は、例えば、合成樹脂製あるいはセラミック製の多孔質膜により構成されている。電解液は、例えば、有機溶剤などの溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩であるリチウム塩とを含んでいる。発電要素１０の巻回周面には、一対の絶縁板３１，３２が配置されている。
電池容器２０は、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄（Ｆｅ）あるいはステンレス鋼により構成されており、一端側が閉鎖され他端側が開放されている。電池容器２０は、閉鎖部に負極リード１５が溶接されており、負極端子として機能するようになっている。また、電池容器２０の開放部には、安全機構４０と電池蓋５０とが、ガスケット６０を介してかしめられることにより取り付けられており、電池容器２０の内部は密閉されている。
安全機構４０は、アルミニウムなどの金属材料よりなる安全弁４１と、アルミニウムなどの金属材料よりなる支持ホルダ４２とが、ポリブチレンテレフタレート樹脂などの絶縁材料よりなる絶縁ホルダ４３を介して嵌合され、支持ホルダ４２の底部にアルミニウムなどの金属材料よりなる円板状の接触板４４が溶接されている。安全弁４１は、例えば、底部の中心に発電要素１０側に突出した突出部４１Ａを備えており、この突出部４１Ａが支持ホルダ４２の底部の中心に設けられた開口４２Ａに挿入され、接触板４４と接続されている。安全弁４１にはまた外周に電池蓋５０との電気的接続を確保するためのフランジ部４１Ｂが設けられ、支持ホルダ４２には、また、側壁に複数の開口４２Ｂがそれぞれ設けられている。接触板４４には、正極リード１４が溶接されている。なお、接触板４４を設けずに、正極リード１４を安全弁４１の突出部４１Ａに接続させるようにしてもよい。
この安全機構４０では、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が上昇して所定値に達すると、支持ホルダ４２の開口４２Ｂを通じて、上昇した内圧が安全弁４１に伝えられる。安全弁４１は、その内圧により例えば電池蓋５０側に変形する。これによって、電池内部の内圧が緩和されると共に、安全弁４１と正極リード１４との電気的接続が遮断されることから、電池蓋５０と発電要素１０との電気的接続が遮断される。
電池蓋５０は、電池容器２０を封口すると共に、正極端子としても機能するものであり、例えば電池缶２０と同様にニッケルのめっきがされたステンレス鋼により構成され、周囲にはフランジ部５１を有している。フランジ部５１は、安全弁４１のフランジ部４１Ｂと接触しており、その接触面Ｓの表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１に規定される算術平均粗さＲａで、０．５μｍ以上５．５μｍ以下の範囲内とされており、０．６μｍ以上であればより好ましい。算術平均粗さＲａが小さすぎても大きすぎても電池蓋５０と安全弁４１との接触抵抗が大きくなってしまうからである。接触面Ｓの表面粗さは、また、ＪＩＳＢ０６０１に規定される最大高さＲｙで、８．０μｍ以上５０．０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。電池蓋５０と安全弁４１との接触抵抗を著しく低減することができるからである。
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極１１からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極１２に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極１２からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極１１に吸蔵される。ここでは、電池蓋５０の接触面Ｓの表面粗さが所定の範囲内とされているので、温度変化あるいは機械的衝撃が加えられたり経年変化しても、電池蓋５０と安全弁４１との接触抵抗が低く抑えられ、内部抵抗の上昇が抑制される。
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、例えば、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料と導電剤と結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤を混合溶媒に分散させて正極合剤スラリーとする。次いで、正極合剤スラリーを正極集電体に塗布し乾燥させたのち圧縮成型して正極合剤層を形成し、正極１１を作製する。そののち、正極集電体に超音波溶接あるいはスポット溶接などにより正極リード１４を接合する。
また、例えば、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料と結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤を混合溶媒に分散させて負極合剤スラリーとする。次いで、負極合剤スラリーを負極集電体に塗布し乾燥させたのち圧縮成型して負極合剤層を形成し、負極１２を作製する。そののち、負極集電体に超音波溶接あるいはスポット溶接などにより負極リード１５を接合する。
次いで、正極１１と負極１２とをセパレータ１３を介して多数回巻回し、巻回電極体を作製する。そののち、巻回電極体を一対の絶縁板３１，３２で挟み、電池缶２０の内部に収納し、正極リード１４を安全機構４０の接触板４４に溶接すると共に、負極リード１５を電池缶２０に溶接する。
また、溶媒に電解質塩を溶解させ電解液を調製する。そののち、電解液を電池缶２０の内部に注入し、セパレータ１３に含浸させる。続いて、電池缶２０の開放部に安全機構４０および電池蓋５０をガスケット６０を介してかしめることにより固定する。これにより、本実施の形態の二次電池が完成する。
このように本実施の形態では、電池蓋５０の接触面Ｓの表面粗さを、算術平均粗さＲａで、０．５μｍ以上５．５μｍ以下の範囲内とするようにしたので、温度変化あるいは機械的衝撃が加えられたり経年変化しても、電池蓋５０と安全弁４１との接触抵抗を低く抑え、内部抵抗の上昇を抑制することができる。また、搬送を妨げたることなどがないので、工程を自動化することができ、生産性にも優れている。
特に、接触面Ｓの表面粗さを最大粗さＲｙで、８．０μｍ以上５０．０μｍ以下の範囲内とするようにすれば、内部抵抗の上昇を著しく抑制することができる。
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。
実施例１〜８として実施の形態で説明した二次電池を作製した。電池蓋５０はニッケルめっきを施したステンレス鋼（ＪＩＳ ＳＵＳ４３０）により構成し、安全弁４１はアルミニウムにより構成した。電池蓋５０の接触面Ｓの表面粗さは、算術平均粗さＲａおよび最大高さＲｙで実施例１〜８において表１または表２に示したように変化させた。また、実施例１〜８に対する比較例１，２として、電池蓋５０の接触面Ｓの表面粗さを、算術平均粗さＲａおよび最大高さＲｙでそれぞれ表１または表２に示したように変えたことを除き、他は実施例１〜８と同様にして二次電池を作製した。
作製した実施例１〜４および比較例１の二次電池について、−２０℃で２時間保持したのち５分間で＋６０℃まで昇温し＋６０℃で２時間保持し、引き続き５分間で−２０℃まで降温するサイクルを繰り返し行うヒートショックサイクル試験を行い、各サイクルにおける電池蓋５０と安全弁４１との接触抵抗を求めた。その結果を図３に示す。
また、作製した実施例５〜８および比較例２の二次電池に対して、ステンレス鋼よりなる径２５０ｍｍの八角形のバレル中で６６回転／分で３０分間衝撃を与える機械的衝撃試験を行った。その結果、実施例５〜８および比較例２の二次電池のいずれも電池蓋５０と安全弁４１との接触抵抗が上昇した。表２にその接触抵抗上昇値を示す。
図３から分かるように、実施例１〜４によれば、サイクル数が増しても接触抵抗は変化しなかったのに対して、比較例１ではサイクル数が増すにつれて接触抵抗が増加した。また、表２から分かるように、実施例５〜８によれば、比較例２に比べて接触抵抗上昇値を小さくすることができた。
すなわち、接触面Ｓの表面粗さを、所定の範囲内とするようにすれば、温度変化あるいは機械的衝撃が加えられても、電池蓋５０と安全弁４１との接触抵抗を低く抑えることができることが分かった。
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、安全弁４１をアルミニウムにより構成し、電池蓋５０をニッケルめっきを施したステンレス鋼により構成するようにしたが、これらの材料に限定されず、電池の機能を損なわないような金属材料であればいずれでもよい。但し、安全弁の構成材料の方が電池蓋の構成材料よりも硬度が低い方が望ましい。
また、上記実施の形態および実施例では、円筒型の電池容器２０を例に挙げて説明したが、電池容器２０の形状は特に限定されず、例えば角型としてもよい。
更に、上記実施の形態および実施例では、発電要素１０の構成について具体的に例を挙げて説明したが、他の構成としてもよい。例えば、正極および負極は折り込んだりあるいは積み重ねるようにしてもよい。また、電解質にも、電解液に限らず、高分子化合物に電解液を保持させたゲル状の電解質、または、高分子化合物に電解質塩を分散させた高分子固体電解質、または、イオン伝導性セラミックス，イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶よりなる無機固体電解質などを用いるようにしてもよい。
加えて、上記実施の形態および実施例では、本発明を二次電池に適用する場合について説明したが、一次電池に適用してもよい。
１０，１２０…発電要素、１１…正極、１２…負極、１３…セパレータ、１４，１２１…正極リード、１５…負極リード、２０，１１０…電池容器、３１，３２，１３０…絶縁板、４０，１５０…安全機構、４１，１５１…安全弁、４１Ａ…突出部、４１Ｂ，５１，１４１…フランジ部、４２…支持ホルダ、４２Ａ，４２Ｂ…開口、４３…絶縁ホルダ、４４，１５２…接触板、６０，１６０…ガスケット。
Claims (4)
- 内部に発電要素が収納された電池容器の開放部に、電池蓋および安全弁が重ね合わせて設けられた電池であって、
前記電池蓋における前記安全弁との接触面の算術平均粗さは、０．５μｍ以上５．５μｍ以下の範囲内であることを特徴とする電池。 - 前記接触面の最大高さは、８．０μｍ以上５０．０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の電池。
- 前記電池蓋は、ステンレス鋼よりなることを特徴とする請求項１記載の電池。
- 前記安全弁は、アルミニウムよりなることを特徴とする請求項１記載の電池。
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