JP2005302427A - 液体作用物質電池 - Google Patents

Abstract

【課題】外部端子を電池組立後に溶接することになる液体作用物質電池において、電池缶内面に圧着する負極作用物質に位置ずれが生じて電池缶底面に負極作用物質がはみ出した場合でも、その後の外部端子溶接作業において防爆弁の切裂破壊を起こさないようにして、電池の安全性を向上させる。
【解決手段】負極作用物質２としてリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属またはその合金を用い、正極作用物質１４として常温で液体である塩化チオニル、塩化スルフリル、塩化ホスホリルなどのオキシハロゲン化物を用い、底部を有する電池缶１内に負極作用物質および正極作用物質を収納して密封口されている液体作用物質電池であって、電池缶底部内面に金属板１６を、電池缶底部内面との間に一部空間が形成されるように溶接したことにより、外部端子１７を溶接した際に溶接熱が直接負極作用物質に伝わらないようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体の作用物質兼電解液を用いた液体作用物質電池に係わり、さらに詳しくは、電池缶に外部端子を溶接する際の作業安全性を高めた液体作用物質電池に係わる。

負極作用物質としてリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、またはその合金を用い、正極作用物質として常温で液体である塩化チオニル、塩化スルフリル、塩化ホスホリルなどのオキシハロゲン化物を用いたいわゆる液体作用物質電池は、エネルギー密度が大きく、貯蔵特性に優れ、作動温度範囲が広いという特徴をもち、産業用機器のメモリバックアップ等の電源として広く使用されている。

かかる電池は、一般に負極端子を兼ねる缶体の内周面にアルカリ金属またはその合金からなる負極活物質が圧着されており、缶体内に多孔質炭素を主構成材とする正極体がセパレータを介して設置されている。また、正極作用物質兼電解液である前述のオキシハロゲン化物を主成分とする液体作用物質が、缶体内に収容されている。また前記正極体は、多孔質炭素と金属メッシュや金属棒の様な正極集電体とからなっている。

この様な液体作用物質電池は、負極作用物質と正極作用物質とが直接接触するが、負極作用物質の表面に、正極作用物質やそれに溶解せしめた電解質との反応生成物（塩化リチウムなどのハロゲン化アルカリ金属塩）の保護被膜が形成されるため、これが負極作用物質と液体正極作用物質兼電解液の直接的な反応を抑制し、電池の自己放電を防止すると共に、発熱の回避など、電池の安全性の確保に寄与している。

一方で、これらの電池はその用途から電池に外部端子やコネクターを接合して使われることが多く、電池の底部およびトップにスポット溶接などにより外部端子やリード箔を溶接して用いられることが多い。

しかしながら、電池缶底部に外部端子を溶接する際の溶接熱が直接的に電池内部の負極作用物質に伝わると、負極作用物質が溶融し、負極作用物質の表面を被覆していた保護被膜による正負極作用物質の隔離機能が働かず、電池内で負極作用物質と正極作用物質が瞬時に反応し、電池の内部圧力が上昇し、ごく稀に電池缶底部に設けた略十字状の薄肉部による防爆弁機構が、切裂破壊を起こすことがあった。

電池缶底面へ外部端子を溶接する際のこの危険性を回避するため、通常は外部端子の溶接位置を電池缶の底面中央よりとし、負極作用物質の設置面に近接する底面外周部を避けるようにして対処していた。

しかしながら、電池缶への負極作用物質の圧着位置がずれ、電池缶底面に負極作用物質がはみ出した場合には、その後の外部端子溶接作業時に溶接熱が負極作用物質に伝わり、電池の内部圧力が上昇し、防爆弁の切裂破壊を起こすことがごく稀にあった。

このような問題に対して対策を示したものとしては特許文献１がある。この特許文献１は、液体作用物質電池が半田槽への落下した場合に高温の熱が瞬時に大量にかかって防爆機能が作動しないうちに破裂する、という事態に対処したものであるが、その二次的効果として、上記の外部端子溶接時の電池破裂の危険性にも対処できることが示されており、その対策として、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂製環状体を電池缶底部に挿入することが示されている。

しかしながら、この場合には次のような問題点がある。すなわち、樹脂製環状体は熱的安定性とオキシハロゲン化物に対する耐性から実質的にはポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂が用いられており、このフッ素樹脂と負極作用物質のリチウムとが反応してフッ化リチウムを形成するため好ましくない。また、電池の構造及び製造上の制約から負極作用物質を電池缶内面に圧着する前に予め電池缶底部に樹脂製環状体を挿入しておく必要があるが、樹脂製環状体を電池缶に挿入した後の移載工程での振動や静電気により、負極作用物質を電池缶に圧着する前に樹脂製環状体が外れたり、傾いたりすることがあり、電池の量産を考慮した場合、十分な対策になり得るとは言えなかった。
特開平６−６８８６３号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その課題は、外部端子を電池組立後に溶接することになる液体作用物質電池において、電池缶内面に圧着する負極作用物質に位置ずれが生じ、電池缶底面に負極作用物質がはみ出した場合でも、その後の外部端子溶接作業において破裂を起こさないように、安全性を向上させることにある。

すなわち本発明は、負極作用物質としてリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属またはその合金を用い、正極作用物質として常温で液体である塩化チオニル、塩化スルフリル、塩化ホスホリルなどのオキシハロゲン化物を用い、底部を有する電池缶内に負極作用物質および正極作用物質を収納して密封口されている液体作用物質電池において、電池缶底部内面に金属板が、電池缶底部内面との間に一部空間が形成されるように設けられていることを特徴とする。

これにより、たとい負極作用物質の圧着位置にずれが生じ電池缶底面に負極作用物質がはみ出した場合でも、溶接熱が直接的に負極作用物質に伝わることを防止でき、その後の外部端子溶接作業を安全に行うことができる。

上記において金属板と電池缶底部内面との間に空間を形成するには、金属板が予め該空間を形成するような形に成形加工されていてもよいし、また、電池缶底面が該空間を形成するような形に予め成形加工されていてもよい。これにより前記金属板と電池缶底面の空間を確実に保つことができる。金属板と電池缶の空間は０．２ｍｍ以上であることが望ましく、実質的には０．３ｍｍから０．６ｍｍの間にあることが好ましい。なぜなら、空間が０．２ｍｍ未満であると外部端子溶接の際に電池缶が溶接棒から受ける加圧力により変形した場合、溶接熱がはみ出した負極作用物質に伝わることがあり、また空間を厚く設けるとその分、電池の内容積が減少し、電池の放電容量の減少を招くからである。

また、電池缶の底部に十字状の薄肉部を設けるなど、電池缶に防爆弁機構を持たせる場合には、防爆弁の開口機構を妨げないように、金属板の中央部に開口部を設けるとよい。これにより電池の高温加熱や過充電等により電池の内圧が異常に上昇した場合でも、防爆弁が作動して速やかに内圧を開放することができ、破裂などの危険を未然に防ぐことができる。

電池缶底部への金属板設置方法は、溶接による固定が好ましい。金属板が溶接固定されていると、電池生産工程中での位置ずれなどがなく、安定して取り扱うことができる。また、万が一電池を落下させた場合においても、金属板の位置ずれによる電池特性への不具合がない。

以上説明したように、本発明によれば、電池缶内面に圧着する負極作用物質に位置ずれが生じ、電池缶底面に負極作用物質がはみ出した場合でも、その後の端子溶接作業において破裂を起こすことがなく安全に作業を行える、安全性に優れた電池を提供することができる。

以下、本発明の液体作用物質電池について図面を用いて説明する。
（実施例１）
図１に本発明の実施例１の電池の断面図を示す。図１は、負極作用物質にリチウム、正極作用物質に塩化チオニルを用いた、１／２AAサイズの塩化チオニル・リチウム電池の断面図である。また図２に同じく電池缶底部の断面拡大図を、図３に本発明の実施例及び比較例の電池の電池底面図をそれぞれ示す。

図１において、１は負極端子を兼ねる直径１４ｍｍのステンレス製の電池缶で、電池缶の底面には長さ８ｍｍ、残厚60μmの×字刻印による防爆弁が設置してある。この電池缶の内周面には金属リチウムからなる筒状の負極２が圧着されている。３は多孔質炭素正極体で、アセチレンブラック４５質量％、ファーネスブラック４５質量％及びポリテトラフルオロエチレン１０質量％を、水とエタノールとの混合液と共に混練したものを、正極集電体７の周囲に直径１０ｍｍ、高さ１５ｍｍに成形し、１５０℃で８時間真空乾燥したものである。この正極集電体７はニッケルのエキスパンドメタルを円筒状に成形したものである。

図中、８はガラス繊維不織布によるセパレータで、負極と正極とを隔離している。５は底紙、４はつば紙で、いずれもガラス繊維不織布からなり、セパレータとして機能している。電池缶１の上面開口部には、電池蓋９がレーザー溶接されている。この電池蓋９の中心には、パイプ状の正極端子１１がガラスシール１０により電気的に絶縁されている。正極端子１１の下端は、正極集電体７とリード箔１３を介して電気的に接続されている。

前記缶体１内にはパイプ状の正極端子１１から注入された正極作用物質兼電解液１４が収容されている。この電解液は塩化チオニルに電解質として塩化アルミニウムと塩化リチウムをそれぞれ１．２ｍｏｌ／ｌづつ溶解したものである。パイプ状の正極端子１１には封口体１５が挿入され、レーザー溶接されている。

１２はエポキシ樹脂からなる封口樹脂であり、６は熱収縮フィルムからなる外装チューブである。
ここで１６は板厚０．３ｍｍのステンレス製の金属板であり、電池缶１に金属リチウム２を圧着する前の工程で電池缶１の底部内面にスポット溶接を行い固定している。金属板１６は外径φ１２．８ｍｍ、内径φ４ｍｍのリング状であり、缶内底面と金属板の内円部との間に０．３ｍｍの空間ができる様に、金属板の中央部ににφ９ｍｍの皿状の隆起部が設けられている。電池缶との溶接は金属板のフランジ部分で行っている。この金属板は予め溶接により電池缶に固定されているため、次工程のリチウム圧着工程でも金属板がずれることがなく、量産性の点からも優れている。

また図中において１７は負極外部端子であり、電池組立後に電池缶１の底面にスポット溶接を行ない接合している。外部端子１７は図３に示すごとく、外部端子１７が電池缶に設けた防爆弁と重なり合わないような位置になるように溶接されている。この溶接位置の詳細は、溶接中心が電池の中心に対しφ７ｍｍの円周上に配置するように行っており、φ９ｍｍの隆起部を設けた金属リングに対し、電池缶と外部端子の溶接点の熱が直接的に伝わることはない。この電池を１０００個製作した。

（実施例２）
金属リチウム２を意図的に電池底面よりにずらして電池缶に圧着し、図４に示す断面拡大図のように金属リチウムを電池缶底面にはみ出させた。それ以外は実施例１と同様にして、電池を１０００個製作した。

（実施例３）
金属板の断面形状を図５の断面拡大図に示すように、周辺部を電池缶側に突き出すように凸部を設けた形状に替えた以外は実施例２と同様にして、電池を１０００個製作した。電池缶と金属板の溶接はこの金属板の凹部で行っている。

（実施例４）
金属板及び電池缶底面の断面形状を、図６の断面拡大図に示すように金属板をフラット形状とし、電池缶を金属板との間に隙間ができるように凸部のある形とした。それ以外は実施例２と同様にして、電池を１０００個製作した。この場合、電池缶と金属板との空間は０．６ｍｍであり、電池缶と金属板の溶接はこの電池缶の凸部で行った。

（実施例５）
図５の断面拡大図に示す断面形状の金属板を、電池缶内径とほぼ同一の寸法とし、電池缶底部へ圧入した以外は、実施例２と同様にして電池１０００個を製作した。

（比較例１）
金属板を用いなかったこと以外は実施例２と同様にして、図７の断面拡大図に示すような電池を１０００個製作した。

（比較例２）
金属板の形状をフラット形状とし、図８の断面拡大図に示すように金属板と電池缶底面の間に隙間を設けなかった。それ以外は実施例２と同様に電池を１０００個製作した。

（比較例３）
金属板の替わりにポリテトラフルオロエチレンからなるフラット形状の樹脂板を用いた。それ以外は比較例２と同様に電池を１０００個製作した。

これらの電池を製作した際の電池の防爆弁の切裂破壊の発生率を表１に示す。

表１により明らかなように本発明の実施例１から５の電池では何れも破裂が起こっていない。実施例２から５に示した如く、意図的に金属リチウムを電池缶底面にはみ出させた状態で電池を製作しても、外部端子の溶接時に防爆弁の切裂破壊を起こすことはなく、極めて安全である。

それに引き換え、金属板を用いなかった比較例１、及びフラットな金属板を用い電池缶底面との間に空間を設けず金属板を固定した比較例２の電池では、防爆弁の切裂破壊を起こす電池が見られた。これは、電池の実生産においても誤って金属リチウム圧着位置がずれた場合には、外部端子溶接時に電池の防爆弁が切裂破壊に至る危険性があることを示している。

また、金属板の替わりに樹脂板を用いた比較例３の電池でも防爆弁の切裂破壊が発生している。防爆弁の切裂破壊した電池を調査した結果、樹脂板の位置ずれが発生しており、量産性には劣るものであることがわかった。

本発明の実施例１の電池の断面図。 図１の電池缶底部の断面拡大図。 本発明の実施例及び比較例の電池の電池底面図 本発明の実施例２の電池の缶底部断面拡大図。 本発明の実施例３の電池の缶底部断面拡大図。 本発明の実施例４の電池の缶底部断面拡大図。 本発明の比較例１の電池の缶底部断面拡大図。 本発明の比較例２の電池の缶底部断面拡大図。

符号の説明

１…電池缶、２…負極、３…多孔質炭素正極体、４…つば紙（ガラスセパレータ）、５…底紙（ガラスセパレータ）、６…外装チューブ、７…正極集電体、８…セパレータ、９…電池蓋、１０…ガラスシール、１１…正極端子、１２…封口樹脂、１３…リード箔、１４…正極作用物質兼電解液、１５…封口体、１６…金属板、１７…負極外部端子、１８…正極外部端子。

Claims (3)

1. 負極作用物質としてアルカリ金属またはその合金を用い、正極作用物質として常温で液体であるオキシハロゲン化物を用い、底部を有する電池缶内に負極作用物質および正極作用物質を収納して密封口されている液体作用物質電池において、電池缶底部内面に、金属板が電池缶底部内面との間に一部空間が形成されるように設けられていることを特徴とする液体作用物質電池。
2. 金属板が予め成形加工されており、その形状により金属板と電池缶底面との間に空間が形成されている請求項１記載の液体作用物質電池。
3. 電池缶底面が予め成形加工されており、その形状により金属板と電池缶底面との間に空間が形成されている請求項１記載の液体作用物質電池。
   
   

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