JP2005294012A

JP2005294012A - 密閉型電池

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Publication number: JP2005294012A
Application number: JP2004106877A
Authority: JP
Inventors: Soji Yoshida; 聡司吉田; Yasuhiro Yamauchi; 康弘山内; Keisaku Nakanishi; 圭作中西
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】電池内圧に起因する電池厚みの増加を抑制する。
【解決手段】開口部を有する角形外装缶と、前記外装缶内に収納される電極体と、外周側面が前記開口部に嵌合されて前記開口部を封口する略長方形状の封口板と、を有する密閉型電池であって、前記封口板の電池外方側表面における中央が、当該封口板表面における両短辺端部を含む平面よりも電池外方側に盛り上がっていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、密閉型電池構造に関し、特に電池内圧の上昇に起因する電池膨張を抑制する電池構造に関する。

近年、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の小型・軽量化が急速に進展しており、その駆動電源としての電池にはさらなる高容量化、高エネルギー密度化が要求されている。リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるので、上記のような移動情報端末の駆動電源として広く利用されている。

このような非水電解質二次電池は、電解液に有機溶媒を使用しているので、電池を高温条件下（約８５℃）で使用すると、上記有機溶媒が揮発して電池の内圧を高めるため、電池が膨張する。電子機器内に実装された電池が膨張すると、その周囲に配置されている電子回路等を破壊する恐れがあるので、このような電池膨張は最小限に押さえる必要がある。

そこで、従来、電池の膨張を防止するために、外装缶材料の強度を増やし外装缶の剛性を高めることが行われている。しかし、外装缶材料の強度を増やすと、絞り加工性が悪くなり、規格サイズの外装缶を作製することが困難になるという問題がある。

密閉型電池に関する技術としては、例えば、外装缶筐体の開口部に平行な断面が長方形に形成されるとともに、この長方形の短辺部の板厚が長辺部の板厚よりも厚く構成する技術が提案されている（特許文献１）。
また、上面に開口を有する平箱上の缶に発電要素を収容し、前記缶の開口部を蓋体で密封し、更に前記蓋体をその中央部を押圧して内方に湾曲せしめ、前記発電要素を前記蓋体と前記缶の缶壁で押圧挟持させる技術が提案されている（特許文献２）。

特開平１１−１３５０８０号公報（第２−４頁）特開平１１−２２４６９１号公報（第２−４頁）

上記特許文献１の技術によると、短辺部の板厚が長辺部の板厚よりも厚く構成されているため、内部からの圧力の上昇に起因する膨張に耐えられるだけの剛性の高い外装缶筐体を提供できるとされる。しかしながら、この技術では、短辺部の肉厚を大きくする必要があるので、体積エネルギー密度が低下するという課題を有している。

上記特許文献２の技術によると、発電要素の収納に要する時間を短くでき、正極又は負極と缶又は端子との電気的な接続不良の可能性を減少できるとされる。しかし、この技術は内圧上昇による膨張を抑制することを目的とするものではない。

本発明者らは、電池の膨れについて鋭意研究を行ったところ、電池の膨れには外装缶の最も面積の広い側面以外の側面や、封口板の変形が関与していることを知った。

以下に、従来の電池の膨れの様子を説明する。
従来の電池は、図１１、図１２に示すように封口板１０３が平面状に形成されている。そして、電池内圧が上昇すると、外装缶１０２は、図１３に示すように、外装缶の最も面積の広い側面１１０ａの四隅から、凸部稜線１１１を形成して膨張する。

外装缶の他の側面１１０ｂ、底面１１０ｃ及び外装缶の開口部に溶接された封口板１０３は、電池の形状を固定し、内圧上昇時の電池の膨張を小さくする膨張抑制作用を有している。しかし、内圧が過度に高まると、図１３（ｃ）示すように、電池外方側表面における側面１１０ｂ、底面１１０ｃ及び封口板１０３が電池内方に突出するように（図１３（ｃ）の矢印方向に）変形する。このように側面１１０ｂ、底面１１０ｃ及び封口板１０３が変形すると、当該側面・底面・封口板は、もはや電池の膨張抑制作用を失い、電池の膨張が更に大きくなる。

特に、封口板１０３は、外装缶１０２と別部材であるため、側面１１０ｂ、底面１１０ｃの近傍よりも膨張抑制作用が小さく、且つ電池内方に向かって突出変形しやすい。このため、図１３（ｂ）に示すように封口板近傍領域１１４の電池の膨張が最も大きくなる。

本発明者らは、以上の知見に鑑み更に研究を行った結果、側面や封口板の電池内方に向かって突出する変形を抑制する手段を採用することにより、電池の膨張を効果的に抑制できることを見いだし、本発明を完成させた。

上記課題を解決するための第一の態様の本発明は、開口部を有する角形外装缶と、前記外装缶内に収納される電極体と、外周側面が前記開口部に嵌合されて前記開口部を封口する略長方形状の封口板と、を有する密閉型電池であって、前記封口板の電池外方側表面における中央が、当該封口板表面における両短辺端部を含む平面よりも電池外方側に盛り上がっていることを特徴とする。

ここで、略長方形状とは、長方形の角の部分が落とされた（丸く形成された）形状も含む意味である。

また、前記封口板の電池外方側表面における長辺端部の長さＬ１と、前記封口板の電池外方側表面における中央の突出高さＬ２との比Ｌ２／Ｌ１が、０．０１〜０．１の範囲内である構成とすることができる。

また、前記密閉型電池は、前記電極体と前記封口板との間に、両者の電気的接触を阻止する絶縁部材を有し、前記絶縁部材は、前記両短辺端部側が前記中央側よりも薄く形成されている構成とすることができる。

上記課題を解決するための第二の態様の本発明は、開口部を有する角形外装缶と、前記外装缶内に収納される電極体と、外周側面が前記開口部に嵌合されて前記開口部を封口する略長方形状の封口板と、を有する密閉型電池であって、前記外装缶の外側表面を構成する各面のうち、最も面積が大なる面以外の面のうち、少なくとも一つの面の中央が、当該面の両短辺端部を含む平面よりも電池外方側に盛り上がっていることを特徴とする。

ここで、中央とは、図４（ｅ）に示すように、電池外方側表面における封口板の対向する隅同士を結ぶ２つの対角線が交わった点３ａをいう。また、中央が盛り上がっているとは、中央３ａだけが突出した形状をいうのではなく、図４（ａ）〜（ｄ）の斜線部として示されるように、電池外方側表面における中央を含む一定の領域３ｃが、両短辺端部３ｂを含む平面より電池外方側に盛り上がっていることを意味する。

上記第一の態様の本発明の構成によると、図１、図４に示すように長方形の封口板３の中央３ａが、封口板３の両短辺端部３ｂを含む平面よりも電池外方に盛り上がっている。このような形状の封口板３を用いると、電池膨張時に、封口板３が一平面となり、さらには従来の技術と同様に電池内方へ突出するように変形するのであるが、封口板３の電池外方側表面が一平面となるように変形するまでは、封口板３は膨張抑制作用を失わない。したがって、電池が膨張した場合の厚みの増加量が、従来の電池よりも小さくなる。

また、膨張抑制効果を大きくし、かつ体積エネルギー密度を低下させないため、Ｌ２／Ｌ１が、０．０１〜０．１の範囲内であることが好ましい。

通常、密閉型電池の内部は、図１２に示すように、内部圧力が上昇したときにガスを電池外部へと導くガス抜き穴１１３ｃ、負極端子１０４と電極体との電気的接続をする負極タブ１０５、内部に収納された電極体１０１と封口板１０３との電気的接続を防止するための絶縁部材１０７等を備えている。
ここで、ガス抜き穴や負極タブ等の厚みが大きいと、体積エネルギー密度を低下させるため必要最低限の厚みに設計されているが、現在の技術では最低０．５ｍｍ程度の厚みが必要である。また、これらの部材と封口板１０３との電気的接触を防止するため、絶縁部材１０７もまた、０．５ｍｍ程度の厚みを有している。

上記本発明の構成では、図２に示すように、ガス抜き穴等と接触している中央側の絶縁部材７の厚みを従来と同様とし、絶縁部材７の両短辺端部側の絶縁部材７ａの厚みを薄く形成しているが、このような構成を採用することにより、確実な絶縁が確保でき、且つ電池の体積エネルギー密度の低下を招くことなく電池の膨張を抑制できる。

この場合において、前記封口板中央の突出の高さＬ２の最大値は、
Ｌ２＝〔中央側の絶縁部材７の厚み−両短辺端部側の絶縁部材７ａの厚み〕…（１）
となる。
本発明では、封口板の突出の高さＬ２に対応して膨張抑制効果が大きくなるのであるが、突出の高さを過大に設計すると、電池の体積エネルギー密度を低下させる。したがって、電池の体積エネルギー密度の低下を招くことなく、本発明の効果を最大限に得るためには、Ｌ２を上記式（１）とするのが最も好ましい。
ここで、絶縁部材の厚みを小さくするためには、例えば絶縁テープを用いればよい。

また、上記第二の態様の本発明の構成によると、前記外装缶の表面を構成する各面のうち、最も面積が大なる面以外の面のうち、少なくとも一つの面の中央が、当該面の両短辺部よりも電池外方に盛り上がっている。このため、上記第一の態様の本発明と同様に、当該面の膨張抑制作用が高く、電池膨張時の厚みの増加量が小さくなる。

本発明を実施するための最良の形態を、非水電解質二次電池を例として、図面に基づいて説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

図１は本発明電池を示す図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は封口板の正面図であり、図２は図１の断面部分拡大図である。

図２に示すように、本発明の非水電解質二次電池は、有底筒状のアルミニウム合金製の外装缶２（側面部の厚み：０．２０ｍｍ）を有しており、この外装缶２内には、正極と、負極と、これら両電極を離間するセパレータとから成る偏平渦巻状の電極体１が収納されている。また、上記外装缶２内には、電解液が注入されている。更に、上記外装缶２の開口部１２にはアルミニウム合金から成る封口板３がレーザー溶接されており、これによって電池が封口されている。上記電池の大きさは、縦４８．５ｍｍ、横３３．７ｍｍ、厚み３．４ｍｍである。

上記封口板３は、図１、図４に示すように、その中央を含む領域３ｃが両短辺端部３ｂを含む平面よりも電池外方に突出した形状であり、上記外装缶の開口部は、図１（ａ）に示すように、上記形状の封口板に嵌合するように形成されている。また、封口板の長辺端部の長さＬ１は、３３．３ｍｍであり、中央の突出高さＬ２は、０．５ｍｍである。

上記非水電解質二次電池は、公知の材料、方法を用いて作製することができる。具体的には、正極材料としてはコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属複合酸化物、負極材料としては黒鉛、コークス等の炭素質物、リチウム合金、金属酸化物等、非水溶媒としてはエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート類、γ−ブチロラクトン等のエステル類、１，２−ジメトキシエタン等のエーテル類等、電解質塩としてはＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＰＦ₆等をそれぞれ単独で、あるいは二種以上混合して用いることができる。また本発明は、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池等に利用することもできる。

以下、実験例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。

〔実験例〕
以下に示すサイズの外装缶２と、封口板３とを作製した後、両者をレーザー溶接（電極体、電解液を挿入しないで）して、本発明セルＡ１〜Ａ３及び比較セルＸ１〜Ｘ３を作製した。このセルのサイズを下記表１に示す。

なお、本発明セルに係る封口板３は、平面状の封口板を湾曲させることにより、図１（ｃ）に示すように、封口板の中央領域３ａが両短辺領域３ｂよりも０．５ｍｍ突出したアーチ形状とした。外装缶２の開口部は、封口板３をあてがった状態で開口部を切削加工して、アーチ形状に形成した。

また、レーザー溶接においては被照射体である封口板３と外装缶２との嵌合部の距離が変化するが、その幅が０．５ｍｍと微小であるため、焦点距離の変更は行わずにレーザー溶接により開口部と封口板３とを溶接した。

他方、比較セルでは、図１１に示すように、封口板１０３は平面状に形成した。また、外装缶の開口部は、封口板１０３と嵌合するように平面となるように形成した。

上記セルの封口板の注液孔１２から窒素ガスを注入し、加圧力と外装缶２の最大厚みとを測定した。この結果を下記表２及び図７〜９に示す。なお、検体数は、各セルとも３である。

表２及び図７〜９から明らかなように、内部圧力が上昇するに伴い、本発明セルＡ１〜Ａ３の厚みと、比較セルＸ１〜Ｘ３の厚みとの差が大きくなる傾向があることがわかる。

このことは、次のように考えられる。外装缶の他の側面１１０ｂ、底面１１０ｃ及び外装缶の開口部に溶接された封口板１０３は、セルの形状を固定し、内圧上昇時のセルの膨張を小さくする膨張抑制作用を有している。しかし、内圧が過度に高まると、図１３（ｃ）示すように、側面１１０ｂ、底面１１０ｃ及び封口板１０３がセル内方に突出するように（図１３（ｃ）の矢印方向に）変形する。このように側面１１０ｂ、底面１１０ｃ及び封口板１０３が変形すると、当該側面・底面・封口板は、もはやセルの膨張抑制作用を失い、セルの膨張が更に大きくなる。

特に、封口板１０３は、外装缶１０２と別部材であるため、側面１１０ｂ、底面１１０ｃの近傍よりも膨張抑制作用が小さく、且つセル内方に向かって突出変形しやすい。このため、図１３（ｂ）に示すように封口板近傍領域１１４のセルの膨張が最も大きくなる。

他方、本発明セルでは、図１、図４に示すように、封口板の中央を含む領域３ｃが両短辺端部３ｂよりも０．５ｍｍ盛り上がった形状である。このような形状の封口板３は、セル膨張時に、電池外方側表面が一平面となり、さらには比較セルと同様にセル内方へ突出するように変形するのであるが、封口板３の電池外方側表面が一平面となるように変形するまでは、封口板３は膨張抑制作用を失わない。したがって、セルが膨張した場合のセル厚みの増加量が、比較セルよりも小さくなる。

次に、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
上記本発明セル１と同様の外装缶、封口板を用い、電極体、電解液等は公知の材料、公知の方法を用いて非水電解質二次電池を作製した。なお、実施例１に係る電池は、図２に示すように絶縁部材７の両短辺端部側を削り、当該部分に絶縁テープ７ａを貼り付けることにより、アーチ形状の封口板の両短辺領域を嵌合させる空間を確保した。

（比較例１）
上記比較セル１と同様の外装缶、封口板を用いて、公知の材料、公知の方法により非水電解質二次電池を作製した。

〔保存試験〕
上記で作製した各電池を満充電し、その後８５℃で保存し、保存時間とその厚みを測定した。また、室温（２５℃）まで冷却した後の厚みを測定した。この試験結果を下記表３及び図１０に示す。なお、検体数は、各電池とも４である。

表３及び図９から明らかなように、保存時間が長くなるに伴い、実施例１に係る電池の厚みと、比較例１に係る電池の厚みとの差が大きくなる傾向があることがわかる。

このことは、上記実験例で考察したものと同様の理由によるものと考えられる。

（その他の事項）
なお、上記実施例では、封口板及び外装缶としてアルミニウム合金を用いたが、これに限定するものではなく、純アルミニウム・鉄・ステンレススチール等の公知の材質でも良い。

また、上記実施例では、図１に示すようにアーチ形状の封口板を用いたが、封口板の中心が電池外方に突出している形状であればいかなる変形をしても本発明の効果が得られる。例えば、図４（ｄ）に示すような四辺が同一平面にあり、その中央部が突出したドーム形状や、図５に示すような角張ったアーチ形状、四角錐台等でもよい。

また、上記実施例では、絶縁部材の端部を取り除き、当該部分に絶縁テープを貼り付けたが、図５（ｂ）に示すように当該部分の絶縁部材を外装缶の加工時に切削してもよい。

また、上記実施例では切削加工によって開口部を形成したが、絞り加工後の外装缶をアーチ形状に切断して開口部を形成してもよい。

また、封口板以外に、図６に示すように外装缶の側面１０ｂ、底面１０ｃを電池外方に突出させても本発明の効果が得られる。

また、アーチ状等の照射対象物との距離が変化する外装缶と封口板をレーザー溶接を行う場合、焦点距離の誤差を更に小さくするために、レーザー集光の焦点距離を大きくしてもよい。

また、レーザー溶接以外に、電子ビーム溶接によっても開口部と封口板とを溶接することができる。

また、本発明の効果を十分に得るためには、Ｌ２が０．３ｍｍ以上であることが好ましい。

加えて、本発明は、角型外装缶を有する電池に関するものであるが、角型外装缶とは電池の角の部分が曲面になっている形状の外装缶を含むものである。

以上に説明したように、本発明によれば、封口板を電池外方に向かって突出するように湾曲するという簡便な手段によって、電池の膨張を効果的に抑制できるという優れた効果を奏する。したがって、産業上の利用可能性は大きい。

図１は、本発明電池を示す図であって、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は封口板の正面図である。図２は、図１の断面部分拡大図である。図３は、本発明電池の膨張の様子を示す図であって、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は斜視図である。図４は、封口板の中央と、両短辺端部と、中央を含む領域とを示す図であって、図４（ａ）〜（ｄ）は正面図、図４（ｅ）は平面図である。図５は、本発明に係る電池の他の変形例を示す図であって、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は断面部分拡大図である。図６は、本発明電池の変形例を示す正面図である。図７は、本発明セルＡ１と比較セルＸ１の加圧力と電池厚みとの関係を示すグラフである。図８は、本発明セルＡ２と比較セルＸ２の加圧力と電池厚みとの関係を示すグラフである。図９は、本発明セルＡ３と比較セルＸ３の加圧力と電池厚みとの関係を示すグラフである。図１０は、充電放置試験の保存時間と電池厚みとの関係を示すグラフである。図１１は、従来の電池を示す図であって、図１１（ａ）は正面図、図１１（ｂ）は平面図、図１１（ｃ）は封口板の正面図である。図１２は、図１１の断面部分拡大図である。図１３は、従来の電池の膨張の様子を示す図であって、図１３（ａ）は正面図、図１３（ｂ）は側面図、図１３（ｃ）は斜視図である。

符号の説明

１電極体
２外装缶
３封口板
４負極端子
５負極タブ
６ガスケット
７絶縁部材
８導電板
９狭持部材
１０側面
１１凸部稜線
１２注液孔
１３ガス抜き穴
１４封口板近傍領域

Claims

開口部を有する角形外装缶と、
前記外装缶内に収納される電極体と、
外周側面が前記開口部に嵌合されて前記開口部を封口する略長方形状の封口板と、
を有する密閉型電池であって、
前記封口板の電池外方側表面における中央が、当該封口板表面における両短辺端部を含む平面よりも電池外方側に盛り上がっている、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１に記載の密閉型電池において、
前記封口板の電池外方側表面における長辺端部の長さＬ１と、前記封口板の電池外方側表面における中央の突出高さＬ２との比Ｌ２／Ｌ１が、０．０１〜０．１の範囲である、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１または２に記載の密閉型電池において、
前記密閉型電池は、前記電極体と前記封口板との間に、両者の電気的接触を阻止する絶縁部材を有し、
前記絶縁部材は、前記両短辺端部側が前記中央側よりも薄く形成されている、
ことを特徴とする密閉型電池。
開口部を有する角形外装缶と、
前記外装缶内に収納される電極体と、
外周側面が前記開口部に嵌合されて前記開口部を封口する略長方形状の封口板と、
を有する密閉型電池であって、
前記外装缶の外側表面を構成する各面のうち、最も面積が大なる面以外の面のうち、少なくとも一つの面の中央が、当該面の両短辺端部を含む平面よりも電池外方側に盛り上がっている、
ことを特徴とする密閉型電池。