JP2005310579A

JP2005310579A - 角型二次電池

Info

Publication number: JP2005310579A
Application number: JP2004126641A
Authority: JP
Inventors: Shuji Sugimoto; 修二杉本; Toshitaka Niitsuma; 敏孝新妻; Fuminori Ozaki; 文則尾▲崎▼
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】積層型電極群を備えた電池において、電池の内空間体積を減らすことなく、また保存や充放電サイクルを繰り返しても、電池内圧に対して耐圧強度の高い変形防止性に優れた角型二次電池を提供することを目的とする。
【解決手段】セパレータで正極と負極とが絶縁されている積層型電極群を、上端が開口する有底の角型扁平状外装缶に収納してなる密閉角型電池において、前記外装缶コーナー部４箇所に内側凸部を設けたことにより、前記外装缶の強度を向上させることを特徴とする角型二次電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、充放電可能な二次電池に関し、特に、積層型電極群を備えた角型二次電池に関するものである。

近年デジタルスティールカメラ、オーディオなどＡＶ機器のポータブル化が進んでいる。これらの機器に利用される角型電池において、軽量化・薄型化・高容量化への要望が高まっており、形状としては機器のスペースの有効活用を考慮して、円筒型よりも角型の電池が使用されている。

二次電池は保存や充放電サイクルを繰り返すと、電気化学反応によるガス発生に伴う内圧上昇や電極群の膨潤によって外装缶の側面、底面、封口部に圧力がかかる。また円筒型電池の場合、側面全体に均等に圧力がかかるが、角型電池の場合、長辺面に圧力がかかり膨張などの変形を生じやすい。

電池が膨張すると、機器内部からの着脱が困難になったり、時には機器を破損してしまうこともあった。

そこでこのような変形を防ぐ方法として特許文献１には、外装缶のコーナー部厚みを大きくすることで、外装缶のたわみ強度を補強し外装缶の膨れ量を小さくする方法が記載されている。
特開平７−３２６３３１号公報

しかし上記の方法は、渦巻状電極群を収納する場合には有効であるが、ニッケル−水素蓄電池で使用される積層型電極群の場合については、以下に述べる課題があった。

特許文献１に記載されているように、外装缶のコーナー部の厚みを厚くしてＲ寸法を大きくすることにより、渦巻状電極群の外周部と外装缶内側との間に隙間が生じることなく挿入することができる（図８参照）。しかし積層型電極群の挿入を想定した場合、外装缶のコーナー部の厚みを厚くしてＲ寸法を大きくすると、積層型電極群が外装缶のコーナーと接触してしまい、電極群の寸法を小さくしなければ外装缶に挿入できない（図９参照）。従って、スペースの有効活用は期待できず、電極群の寸法減少により放電容量の減少につながるものと考えられる。

本発明は、積層型電極群を備えた電池において、電池の内空間体積を減らすことなく、また保存や充放電サイクルを繰り返しても、電池内圧に対して耐圧強度の高い変形防止性に優れた角型二次電池を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の角型二次電池は、正極と負極が平板状である積層型電極群を、２ヶ所の長辺ストレート部と２ヶ所の短辺ストレート部からなる計４ヶ所のストレート部と、４ヵ所のコーナー部を持つ角型扁平状外装缶に収納してなる角型二次電池において、前記コーナー部それぞれに内側凸部を設けたことを特徴とするものである。

本構成により、外装缶ストレート部のうち、長辺ストレート部については内側凸部を設けることにより長辺ストレート部の長さが短くなり、外装缶のたわみ強度は長辺ストレート部の長さの３乗に比例することから、外装缶の膨らみを抑えることができるという作用がある。

さらに、本発明の請求項２に記載の角型二次電池は、請求項１に記載の角型二次電池において、前記内側凸部と前記ストレート部を、円弧で接続したものであり、加工性良く、内側凸部を作成できるという作用がある。

また、本発明の請求項３に記載の角型二次電池は、請求項１に記載の角型二次電池おいて、前記内側凸部の形状が円弧形状であるとしたものであり、円弧形状にすることにより加工性よく内側凸部を作成できるという作用がある。

本発明の請求項４に記載の角型二次電池は、請求項１に記載の角型二次電池おいて、前記内側凸部の形状が矩形であるとしたものである。

そして、本発明の請求項５に記載の角型二次電池は、請求項１に記載の角型二次電池において、前記ストレート部は、２ヵ所の長辺ストレート部と２ヵ所の短辺ストレート部からなり、前記長辺ストレート部表面に積層型電極群が接触しているとしているものである。

本構成により、外装缶と積層型電極群との接触面積が大きくなることで、角型二次電池の放電特性が向上するという作用がある。

本発明では、外装缶コーナー部に内側凸部を設けることにより、外装缶の内空間を有効に活用しながら積層型電極群を挿入することができ、内圧上昇や電極群の膨潤に対して、外装缶が膨れにくい構造をもつ角型二次電池を供給できる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図１は密閉角型電池の断面平面図である。１は角型二次電池の外装缶である。外装缶の内部には電極群が挿入されている。外装缶１のコーナー部に設けた内側凸部が２である。このとき内側凸部２は円弧状をしている。外装缶１と内側凸部２を新たに円弧３で外装缶短辺面と接続し、円弧４で外装缶長辺面と接続している。

外装缶１を成型する際は、従来公知の方法が使えるが、特に多段式深しぼり法で成型することが実用的である。

外装缶のたわみ強度は長辺ストレート部の長さの３乗に比例することがわかっている。例えば長辺ストレート部の長さが１６ｍｍである外装缶と、１５ｍｍである外装缶を比較すると、たわみ強度は（１６／１５）³＝１．２２倍となり、強度が増していることがわかる。

図２（ａ）は図１の状態で積層型電極群の負極板５が外装缶長辺面に接触して挿入された状態である。本形態では積層型電極群を挿入することを前提としており、図２（ｂ）のように、渦巻状電極群を挿入すると内側凸部近傍で無駄なスペースが生じる。このように積層型電極群の挿入を考えたとき、本実施形態は有効である。

図３は図１において内側凸部２と円弧４を外装缶短辺面に平行な直線部８で接続した状態である。さらに積層型電極群の正極板７を挿入している。内側凸部の形状を図１の状態より大きくすることにより、長辺ストレート部の長さは変化しないが、４ヶ所あるコーナー部の強度を向上させることにより、膨れをさらに抑えることが可能である。

図４は図１において内側凸部２の形状を矩形にしたものである。内側凸部形状を円弧から矩形にすることにより、凸部Ｒ寸法の大きさだけ電極群と外装缶の接触部分が大きくなる。例えば内側凸部のＲ寸法が０．２であれば、内側凸部を矩形にすることにより外装缶内側全体で接触部分長さが１．６ｍｍ大きくなる。積層型電極群の負極板と外装缶の接触面積が大きくなることにより、放電効率の向上につながる。

図５（ａ）は図３において内側凸部２の形状を矩形にしたものである。図５（ｂ）のように渦巻状電極群を挿入すると、内側凸部近傍のみならず、長辺ストレート部においても無駄なスペースを生じてしまう。さらに内側凸部の形状が矩形であるため、渦巻状電極群を傷めてしまう可能性がある。以上より本実施例が積層型電極群の挿入に適していることがわかる。

図６は従来の密閉角型電池に積層型電極群を収納した状態での断面平面図である。本実施例のような内側凸部がなく、長辺ストレート部が長いため外装缶膨れが大きい。

図７は短辺ストレート部の厚さを増やした従来の角型二次電池の断面平面図である。短辺ストレート部の厚さを増やすことにより、長辺ストレート部の長さが短くなり、膨れを抑えることができる。しかし、短辺ストレート部の厚さが厚くなるために、電極群を収納するスペースが小さくなり、放電容量の減少につながる。

以下、本発明のさらに具体的な例について、実施例をもとに説明する。本実施例においては、膨れ量をＣＡＥシミュレーションによって計算する。

（比較例１）
まず、ＣＡＥシミュレーションの整合性を検討するため、図６で示す従来の角型外装缶を用いて、膨れ量を測定した。

ＪＩＳＧ３１４１で規定されている鋼鈑を外装缶の材質とし、電池状態での外形寸法を長辺１６．４５ｍｍ、短辺５．７５ｍｍ、高さ３３．２０ｍｍとする。さらに外装缶長辺ストレート部の厚さを０．２５ｍｍ、短辺ストレート部の厚さを０．２６ｍｍとする。

上記外装缶に圧力１０ｋｇ／ｃｍ²で窒素ガスを注入したところ、膨れ量は１．１９６ｍｍとなった。

一方、ＪＩＳＧ３１４１で規定されている鋼鈑を外装缶の材質とし、電池状態での外形寸法を長辺１６．４５ｍｍ、短辺５．７５ｍｍ、高さ３３．２０ｍｍとし、外装缶長辺ストレート部の厚さを０．２５ｍｍ、短辺ストレート部の厚さを０．２６ｍｍとする前記と同様の外装缶について、ＣＡＥシミュレーションにより圧力１０ｋｇ／ｃｍ²を加えたところ、膨れ量は１．１２ｍｍとなった。この外装缶を、比較例１の外装缶とする。

これにより、ＣＡＥシミュレーションによる計算値は整合性があると判断し、図１の形状においては実際に外装缶を成型することにより膨れ量を測定した。図３、図４、図５の形状においては、ＣＡＥシミュレーションを用いて膨れ量を計算した。

（実施例１）
図１に基づく本実施例の外装缶について、多段式深しぼり法を用いることにより実際に成型した。ＪＩＳＧ３１４１で規定されている鋼鈑を外装缶の材質とし、電池状態での外形寸法は長辺１６．４５ｍｍ、短辺５．７５ｍｍ、高さ３３．２０ｍｍとなった。このとき内側凸部２の曲率半径は０．２、円弧３および円弧４の曲率半径は０．１である。

この成型した外装缶に窒素ガスを注入して膨れ量を測定した。内圧１０ｋｇ／ｃｍ²という条件においては、膨れ量は１．０８２ｍｍになった。

さらにＣＡＥシミュレーションにより上記外装缶に圧力１０ｋｇ／ｃｍ²を加えたところ、膨れ量は１．０８２ｍｍとなった。この外装缶を、実施例１の外装缶とする。

これにより、ＣＡＥシミュレーションによる計算値は、従来の比較例のみならず、本実施例においても整合性があると判断した。

（実施例２）
さらに図３に基づく本実施例の外装缶について、ＣＡＥシミュレーションによって膨れ量を計算した。図３では正極板と負極板が内側凸部に接触するように、内側凸部の寸法を設定している。

ＪＩＳＧ３１４１で規定されている鋼鈑を外装缶の材質とし、電池状態での外形寸法を長辺１６．４５ｍｍ、短辺５．７５ｍｍ、高さ３３．２０ｍｍとする。さらに外装缶長辺ストレート部の厚さを０．２５ｍｍ、短辺ストレート部の厚さを０．２６ｍｍとする。このとき凸部２の曲率半径は０．２、円弧３および円弧４の曲率半径は０．１であり、内側凸部の寸法は０．５ｍｍ×１．５ｍｍである。

ここで内圧１０ｋｇ／ｃｍ²という条件においては、膨れ量は０．７１２ｍｍになった。

（実施例３）
次に図４に基づく本実施例の外装缶について、ＣＡＥシミュレーションによって膨れ量を計算した。図４では負極板が内側凸部に接触するように、内側凸部の寸法を設定し、内側凸部の形状を矩形にしている。

ＪＩＳＧ３１４１で規定されている鋼鈑を外装缶の材質とし、電池状態での外形寸法を長辺１６．４５ｍｍ、短辺５．７５ｍｍ、高さ３３．２０ｍｍとする。さらに外装缶長辺ストレート部の厚さを０．２５ｍｍ、短辺ストレート部の厚さを０．２６ｍｍとする。このとき円弧３および円弧４の曲率半径は０．１であり、内側凸部の寸法は０．５ｍｍ×０．５ｍｍである。

ここで内圧１０ｋｇ／ｃｍ²という条件においては、膨れ量は０．９０６ｍｍになった。

（実施例４）
最後に図５に基づく本実施例の外装缶について、ＣＡＥシミュレーションによって膨れ量を計算した。図５では負極板と正極板が内側凸部に接触するように、内側凸部の寸法を設定し、内側凸部の形状を矩形にしている。

ＪＩＳＧ３１４１で規定されている鋼鈑を外装缶の材質とし、電池状態での外形寸法を長辺１６．４５ｍｍ、短辺５．７５ｍｍ、高さ３３．２０ｍｍとする。さらに外装缶長辺ストレート部の厚さを０．２５ｍｍ、短辺ストレート部の厚さを０．２６ｍｍとする。このとき円弧３および円弧４の曲率半径は０．１であり、内側凸部の寸法は０．５ｍｍ×１．５ｍｍである。

以上述べた外装缶の膨れ量を下記の（表１）にまとめて示す。

この表から明らかな様にコーナー部に内側凸部を設けることにより、膨れ量が小さくなっていることがわかる。さらに内側凸部の形状を変化させることにより、さらに膨れ量を低減させることも可能である。

また実施例４の形状から図７のような断面をもつ外装缶が想像できる。この場合長辺ストレート部が短くなり、膨れ量も実施例４に示した値よりも小さくなると予想される。しかし、積層型電極群の挿入を考えたとき、図５では短辺ストレート部のくぼみ部分に電極群を挿入することができるが、短辺ストレート部のくぼみ部がなく短辺ストレート部の厚さを厚くしたような図７の場合では、電極群の寸法が短くなり容量低下を招くことになる。従って、容量を大幅に減少させることなく膨れ量を抑えることができる本実施例が優れていることがわかる。

デジタルスティールカメラ、オーディオなどのポータブルＡＶ機器等の電源として有用である。

本発明の一実施形態を表わす外装缶の断面平面図（ａ）積層型電極群を挿入した場合の本発明の一実施形態を表わす外装缶と積層角型電極群の負極板との位置関係を示す断面平面図（ｂ）渦巻型電極群を挿入した場合の本発明の一実施形態を表わす外装缶と渦巻型電極群との位置関係を示す断面平面図本発明の第２の実施形態を表わす外装缶の断面平面図本発明の第３の実施形態を表わす外装缶の断面平面図（ａ）積層型電極群を挿入した場合の本発明の第４の実施形態を表わす外装缶の断面平面図（ｂ）渦巻型電極群を挿入した場合の本発明の第４の実施形態を表わす外装缶の断面平面図従来の外装缶の断面平面図短辺ストレート部の厚さを増やした場合の外装缶の断面図渦巻型電極群を挿入した場合の先行例の一実施形態を表わす外装缶と渦巻型電極群との位置関係を示す断面平面図積層型電極群を挿入した場合の先行例の一実施形態を表わす外装缶と積層型電極群との位置関係を示す断面平面図

符号の説明

１外装缶
２，９内側凸部
３，４円弧
５負極板
６，１０渦巻状電極群
７正極板
８直線部

Claims

正極と負極が平板状である積層型電極群を、２ヶ所の長辺ストレート部と２ヶ所の短辺ストレート部からなる計４ヶ所のストレート部と、４ヵ所のコーナー部を持つ角型扁平状外装缶に収納してなる角型二次電池において、前記コーナー部それぞれに内側凸部を設けたことを特徴とする角型二次電池。
前記内側凸部と前記外装缶のストレート部を、円弧で接続した請求項１に記載の角型二次電池。
前記内側凸部の形状が円弧形状である請求項１に記載の角型二次電池。
前記内側凸部の形状が矩形である請求項１に記載の角型二次電池。
前記ストレート部は、２ヶ所の長辺ストレート部と２ヶ所の短辺ストレート部からなり、前記長辺ストレート部表面に積層型電極群が接触している請求項１に記載の角型二次電池。