JP2005235531A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】開裂ベントの作動の確実性を図り、開裂ベントが作動した場合に内容物が飛び出し難い密閉型電池を得る。
【解決手段】円筒形状の電池ケース１と、これの上面を密封する円形の封口板２とを有する。封口板２には、開裂ベント７が設けられている。開裂ベント７は、封口板２の表裏に溝１０・１１をそれぞれ設けることで、電池内圧が所定値以上の場合に開裂する薄肉部分１２を有する。薄肉部分１２は、封口板２の周縁と同心円になる円弧状に延びている。封口板２の中心Ｏと、開裂ベント７の両端とをそれぞれ結ぶ仮想直線間のベント角度θ１が、９０°〜１５０°に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、開裂ベントを備えたリチウムイオン二次電池などの円筒形の密閉型電池に関する。

近年、電子機器の小型化および高機能化に伴って、電源に用いられる密閉型電池の高容量化が求められている。これらの用途に有用な電池としては、金属リチウムなどを正極活物質に用いた密閉型電池が注目されている。かかる密閉型電池では、電子機器のトラブルなどによって異常な充放電を行なったり、電池を火中に投下した場合などの誤った取り扱いにより、電池内で多量のガスが発生して電池内圧が過大になり、電池が破裂することがある。

これに対し、特許文献１〜５には、円筒形状の電池ケースの上下面を密封する円形の封口壁に、電池の破裂を防止するための開裂ベントを設けたものが開示されている。かかる開裂ベントは、封口壁に溝を設けることで薄肉部分を形成しており、電池内圧が所定値以上になった場合に薄肉部分が開裂して、電池内部のガスを速やかに放出するようになっている。

実公昭５１−３３７６号公報（第２頁左欄第２６−３２行目、第３図） 実公昭６１−３０２７６号公報（第１頁右欄第１９−２６行目、第２図） 特開平２−２８１５５２号公報（第３頁左上欄−右上欄、第３図） 特開平９−１１５４９７号公報（段落番号００１２−００１３、図２） 特開平１１−２１３９７８号公報（段落番号００１３、図１）

特許文献１〜３では、薄肉部分が封口壁の中心を通っており、電池内圧が上昇して封口壁がドーム状に膨張変形したときに封口壁の中心付近の変形が最大になることで、封口壁の中心部分が起点となって薄肉部分が開裂する。このため、特許文献１〜３では、封口壁の中心に正極端子などが配されていると薄肉部分が開裂し難くなる。

特許文献４では、薄肉部分が封口壁の周縁と同心円になる半円状に形成されており、前記封口壁がドーム状に膨張変形したときに、封口壁の中心側が弾性復元力で平面状態に戻ろうとして、薄肉部分を上下に引っ張って引きちぎる。この場合、封口壁に大きな開口が形成される。このため、特許文献４では、薄肉部分の開裂に伴なって内容物である電極の一部などが飛び出して、電池周辺を汚したり電池周辺の物に損傷を与えたりするおそれがある。また、薄肉部分以外の部分まで開裂するおそれがあり、この場合には内容物がより飛び出し易くなる。

そこで本発明の目的は、開裂ベントの作動を確実なものにしたうえで、開裂ベントが作動した場合に内容物が飛び出し難い密閉型電池を提供することにある。

本発明が対象とする密閉型電池は、図３に示すごとく、円筒形状の電池ケース１の上下面が円形の封口壁２で密封されており、封口壁２の少なくとも一方に開裂ベント７が配されている。開裂ベント７は、封口壁２に対して溝１０・１１を設けることで、電池内圧が所定値以上の場合に開裂する薄肉部分１２を含んでいる。ここでの封口壁２は、電池ケース１と別体に作製して電池ケース１に接合するものや、電池ケース１に一体形成されたものなどが該当する。

薄肉部分１２は、図１および図２に示すごとく、封口壁２の周縁と同心円になる円弧状に延びており、封口壁２の中心Ｏと、開裂ベント７の両端とをそれぞれ結ぶ仮想直線間のベント角度θ１が、９０°〜１５０°に設定されていることを特徴とする。ベント角度θ１が９０°よりも小さいと、薄肉部分１２の面積が小さくなり過ぎて開裂ベント７の加工が困難になるとともに、開裂ベント７の作動圧力が高くなり過ぎて電池の破裂を適正に防止できなくなる。ベント角度θ１が１５０°よりも大きいと、薄肉部分１２が開裂したときに電池の内容物が飛び出すおそれがある。

具体的に説明すると、開裂ベント７の薄肉部分１２は、封口壁２の表裏に溝１０・１１を対向状にプレス加工することで形成してあり、前記表裏の溝１０・１１の少なくとも一方は２段のプレス加工で形成されている。

本発明によれば、薄肉部分１２が封口壁２の周縁と同心円となる円弧状に形成されているので、封口壁２の中心部に正極端子５などが配されていても、その正極端子５などと干渉しないように開裂ベント７を形成でき、開裂ベント７を確実に作動させることができる。つまり、電池の上下面への端子などの配置の自由度が大きくなる。

開裂ベント７のベント角度θ１を９０°以上にしたので、開裂ベント７の加工が容易であるとともに、開裂ベント７の作動圧力が大きくなり過ぎず、電池の破裂を適正に防止できる。そのうえで、ベント角度θ１を１５０°以下にしたので、開裂ベント７の作動時に電池の内容物の飛び出しを確実に防止でき、電池の内容物で電池周辺を汚したり、電池周辺の物に損傷を与えることを確実に防止でき、更に薄肉部分１２の面積が大きくなり過ぎず、開裂ベント７の作動圧力が安定する。

表裏の溝１０・１１の少なくとも一方を２段にプレス加工して薄肉部分１２が形成されていると、電池内圧の上昇による封口壁２の膨張変形の際に、薄肉部分１２に応力を集中させて開裂させることができ、開裂ベント７の作動の確実性をより高めることができるとともに、薄肉部分１２の厚さの寸布精度を高めることができて、より安定した開裂ベント７の作動圧力を得ることができる。

（実施例１） 図１ないし図３は、本発明が対象とする密閉型電池の実施例１を示しており、図３に示すごとく、上面が開口する有底円筒形状の電池ケース１と、電池ケース１の上面開口を塞ぐ円形状の封口板（封口壁）２と、電池ケース１内に収容される電極巻回体３および非水電解液とを有する。電池ケース１および封口板２は、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）で形成されている。

封口板２の中央には、絶縁ガスケット４および正極端子５が通る端子取付孔６を貫通状に設けてある。電池ケース１の上面開口に封口板２を内嵌して、電池ケース１の開口内周面に封口板２の外周縁をレーザ溶接することにより、電池ケース１の開口を封口板２で密封している。正極端子５は、絶縁ガスケット４を介して端子取付孔６の周縁にかしめ固定される。

電極巻回体３は、正極活物質を塗布したシート状の正極と、負極活物質を塗布したシート状の負極とを合成樹脂製フィルムからなるシート状のセパレータとを挟んで積層し、これを円柱状に巻回した電極群を電池ケース１内に収容している。電極巻回体３の正極と正極端子５と、および電池ケース１の内面と電極巻回体３の負極とはそれぞれ導電タブで接続されている。

封口板２には、図１に示すごとく、封口板２の周縁と同心円になる円弧状に延びる開裂ベント７が設けられている。開裂ベント７は、図２に示すごとく、封口板２の表裏に溝１０・１１を対向状にプレス加工することで形成してある。封口板２の表側に設けた溝１０は１段のプレス加工で形成され、封口板２の裏側に設けた溝１１は２段のプレス加工で形成される。かかるプレス加工で表裏の溝１０・１１の底面の間に薄肉部分１２が形成される。

開裂ベント７の薄肉部分１２は、図１および図２に示すごとく、その中心線における直径Ｌ１が１0.７mm、上下厚さＴ１が0.０５mmである。開裂ベント７の表側の溝１０は、幅寸法Ｌ２が1.２mm、上下深さ寸法Ｔ２が0.２５mmである。開裂ベント７の裏側の溝１１における１段目の溝１１ａの幅寸法Ｌ３は1.２mm、溝１１ａの上下深さ寸法Ｔ３は0.１５mmである。開裂ベント７の裏側の溝１１における２段目の溝１１ｂの幅寸法Ｌ４は0.３mm、溝１１ｂの上下深さ寸法Ｔ４は0.１５mmである。因みに、封口板２の上下厚さ寸法Ｔ５は0.６mm、封口板２の直径は１6.１mmである。

図１に示す封口板２の中心Ｏと、開裂ベント７の両端とをそれぞれ結ぶ仮想直線間のベント角度θ１は１２０°、図２に示すごとく、表側の溝１０における幅方向の側面の開き角度θ２は６０°、裏側の溝１１における１段目の溝１１ａの幅方向の側面の開き角度θ３は６０°、２段目の溝１１ｂにおける幅方向の側面の開き角度θ４は６０°である。

異常な充放電を行った場合や電池を火中に投下した場合などのように、電池内圧が急激に上昇して一定値を越えた場合には、開裂ベント７の薄肉部分１２が電池内圧で開裂して電池内のガスが放出され、電池が破裂する事態を未然に防止することができる。

（実施例２） 実施例２では、ベント角度θ１を９０°とした。その他の点は、実施例１と同じであるので説明を省略する。

（実施例３） 実施例３では、ベント角度θ１を１５０°とした。その他の点は、実施例１と同じであるので説明を省略する。

（比較例１） 比較例１では、ベント角度θ１を１８０°とした。その他の点は、実施例１と同じであるので説明を省略する。

（比較例２） 比較例２では、ベント角度θ１を２４０°とした。その他の点は、実施例１と同じであるので説明を省略する。

（比較例３） 比較例３では、裏側の溝１１を１段のプレス加工で形成した。また、裏側の溝１１の幅寸法は1.２mm、上下深さ寸法は0.２７５mmである。表側の溝１０は、幅寸法が1.２mm、上下深さ寸法は0.２７５mmである。因みに、薄肉部分１２の上下厚さＴ１は0.０５mmである。その他の点は、実施例１と同じであるので説明を省略する。

（比較例４） 比較例４では、表側の溝１０の幅寸法と、裏側の溝１１の幅寸法とをそれぞれ0.３mmとした。その他の点は、比較例３と同じであるので説明を省略する。

本発明の実施例１〜３に係る電池と、比較例１〜４の電池とをそれぞれ５個ずつ用意して、開裂ベント７の作動圧試験と、開裂ベント７の作動時における開裂度合の確認とを行なった。

（開裂ベント７の作動圧試験） 開裂ベント７の作動圧の試験では、電池ケース１内に電極巻回体３を装着しない状態で、電池ケース１の底壁に試験用の孔を設け、この孔から水を電池内に注入して、水圧によって封口板２を内側から加圧した。表１は、その試験結果である開裂ベント７の作動圧の平均値と、その標準偏差値とを示す。

実施例１〜３および比較例１・２の試験結果に示すごとく、ベント角度θ１が大きくなるにつれて、開裂ベント７の作動圧が低下し、かつ標準偏差値が大きくなった。開裂ベント７の作動圧が低下したのは、ベント角度θ１が大きくなるにつれて薄肉部分１２の面積が増加するためと考えられる。標準偏差値が大きくなったのは、薄肉部分１２の厚みのばらつきが、薄肉部分１２の面積の増加と共に大きくなったためと考えられる。

比較例３・４の試験結果は、実施例１と同様にベント角度θ１が１２０°であるが、実施例１よりも比較例３・４の標準偏差値が大きくなった。比較例３・４では、１段のプレス加工で薄肉部分１２を形成したので、薄肉部分１２の厚みのばらつきが大きくなったためと考えられる。つまり、１段のプレス加工では、薄肉部分１２の厚みの寸法精度の高いプレス加工が困難である。

（開裂ベント７の開裂度合の確認） 開裂ベント７の開裂度合の確認では、電池ケース１の側面をガスバーナーで加熱した擬似的な火中投入試験によって開裂ベント７を開裂させて、その開裂度合および電極巻回体３などの内容物の飛び出しの有無を目視で確認した。表２は、その結果を示す。

実施例１〜３および比較例３・４では、開裂ベント７の開裂度合が小さく、あるいは中程度で収まったために内容物の飛び出しがなかったのに対し、比較例１・２では、開裂ベント７の開裂度合が大きいために、比較例１で内容物の一部が露出し、比較例２で内容物の大部分が露出した。比較例１・２で内容物が露出するのは、ベント角度θ１が大きいために開裂面積が大きくなって、内容物が飛び出し易くなるためと考えられる。

ベント角度θ１を９０°より小さくした場合には、薄肉部分１２の面積が小さくなり過ぎるため、開裂ベント７のプレス加工が困難になるとともに、開裂ベント７の作動圧が過度に高くなる。ベント角度θ１を１５０°より大きくした場合には、比較例１・２に示すごとく内容物が飛び出し易くなる。

また、ベント角度θ１を大きくするほど、開裂ベント７の円弧方向の端部に生じる応力が小さくなるため、薄肉部分１２が開裂する前に前記開裂ベント７の端部に生じる応力が封口板２の許容応力以上になることを防止できる。つまり、開裂ベント７の円弧方向の中心部で生じた破砕が開裂ベント７の円弧方向の端部で止まって、開裂ベント７以外の部分まで破断することがない。その一方で、ベント角度θ１が大きくなり過ぎると、前述のように開裂ベント７の開裂時に内容物が飛び出し易くなる。

例えば、封口板２が前記冷間圧延鋼板である場合は、ベント角度θ１を１２０°にすると、開裂ベント７以外の部分まで破断することがないうえに内容物の飛び出しがない。因みに、封口板２の許容応力は、３００ＭＰａである。ベント角度θ１は、１２０°が最も好ましいが、１１０〜１３０°の範囲でも好ましく、更に９０°〜１５０°の範囲であればよい。

なお、封口板２の表側に設けた溝１０を２段のプレス加工で形成してもよく、両溝１０・１１を２段のプレス加工で形成してもよい。溝１０・１１の一方の溝だけを設けてもよい。開裂ベント７は、電池ケース１の下面を密封する円形の底壁（封口壁）に配してもよく、封口板２と電池ケース１の底壁との双方に配してもよい。電池ケース１の上下面を開口し、これらの上下面を封口板（封口壁）でそれぞれ密封してもよい。この場合でも開裂ベント７は、上下の封口板にそれぞれ配してもよい。

平面図 図１のＡ−Ａ線断面図 縦断正面図

符号の説明

１ 電池ケース
２ 封口板
７ 開裂ベント
１０・１１ 開裂ベントの溝
１２ 薄肉部分

Claims (2)

1. 円筒形状の電池ケースの上下面が円形の封口壁で密封されており、
   前記封口壁の少なくとも一方に開裂ベントが配されており、
   前記開裂ベントは、前記封口壁に対して溝を設けることで、電池内圧が所定値以上の場合に開裂する薄肉部分を含む密閉型電池において、
   前記薄肉部分は、前記封口壁の周縁と同心円になる円弧状に延びており、
   前記封口壁の中心と、前記開裂ベントの両端とをそれぞれ結ぶ仮想直線間のベント角度が、９０°〜１５０°に設定されていることを特徴とする密閉型電池。
2. 前記開裂ベントの前記薄肉部分は、前記封口壁の表裏に前記溝を対向状にプレス加工することで形成してあり、
   前記表裏の溝の少なくとも一方は２段のプレス加工で形成されている請求項１記載の密閉型電池。

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