JP2006147267A - 密閉角形電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】電池製造において各電池の溝の底壁の肉厚がばらついても、開裂ベントの作動圧が安定している密閉角形電池を得る。
【解決手段】電池缶１の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋３と、蓋３に配して電池内圧が異常上昇したときに開裂する開裂ベント１６とを含んでいる。開裂ベント１６は、蓋３の外面側であって蓋３の左端部寄りに凹み形成した周回溝１９を有する。周回溝１９は、前後左右の溝部２０・２１・２２・２３によって左右横長の長方形の環状に形成されているとともに、端側溝部２２の底壁の肉厚がそれ以外の溝部２０・２１・２３の底壁よりも厚くなっている。周回溝１９の中央側溝部２３は、蓋３の中央側へ突曲する円弧状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池内圧が異常上昇したときに開裂する開裂ベントを備えた密閉角形電池に関する。
前記密閉角形電池では、過大な電気負荷が加えられたり、過度の熱負荷が加えられたりすると、電池内部で短絡状態が発生してガスを発生し、電池内圧が異常上昇する。電池が充電過剰になった場合にも、電解液の分解により電池内でガスが発生し、電池内圧が異常上昇する。電池が内圧の異常上昇に耐えられなくなると破裂して内容物が飛散する。このため、電池には、所定の内圧以上になると開裂作動して電池内圧を解放することで、電池の破裂を未然に防止する開裂ベントを備えている。
かかる開裂ベントの従来技術に特許文献１・２がある。そこでは、電池缶の開口上面を塞ぐ蓋に周回溝を設けてあり、電池内圧が所定値以上になると前記周回溝の底壁が開裂して、電池内圧を解放している。
特開平１１−２７３６４０号公報（図１−２） 特開２００１−２３５９６号公報（図１）
前記開裂ベントの周回溝は、特許文献１・２に示すごとくプレス加工で蓋に形成されるため、電池の量産において各電池の周回溝の底壁の肉厚を一定にすることは困難である。したがって、各電池において開裂ベントの作動圧がばらついてしまい、開裂ベントに対する信頼性が低下するところに問題がある。
そこで本発明の目的は、量産に伴って各電池の開裂ベントの周回溝の底壁の肉厚がばらついても、開裂ベントの作動圧が安定している密閉角形電池を提供することにある。
本発明に係る密閉角形電池は、図４に示すごとく、電池缶１の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋３と、蓋３に配されて電池内圧が異常上昇したときに開裂する開裂ベント１６とを含んでいる。
かかる密閉角形電池において、本発明の開裂ベント１６は、図１に示すごとく、蓋３の外面側であって蓋３の左右方向のいずれか一方の端寄りに凹み形成した周回溝１９を有する。周回溝１９は、前後左右の溝部２０・２１・２２・２３からなる環状に形成されていて、蓋３の左右方向の中央側に位置する中央側溝部２３が、平面視において蓋３の中央側へ突曲する円弧状に形成されている。周回溝１９は、中央側溝部２３の反対側に位置する端側溝部２２が前後方向に延びる直線状に形成されているとともに、端側溝部２２の底壁の肉厚がそれ以外の溝部２０・２１・２３の底壁よりも厚く寸法設定されている。
具体的には、図２に示すごとく、蓋３の内面側に凹部１７を凹み形成し、周回溝１９は、図１に示すごとく、この凹部１７の形成領域内に配する。
さらに、周回溝１９における前後の溝部２０・２１は、左右方向へ平行に延びる直線状に形成されている。
電池内圧が異常上昇すると、電池が膨張変形する。その挙動を実施例に即して具体的に観察すると、図５に示すごとく、電池缶１の前後壁の中央部分が前後方向に膨張する。これに伴って、蓋３は、その中央部分が電池の内方に湾曲して、左右方向の端部側が持ち上がった屈曲形状に変形しようとする。
周回溝１９の端側溝部２２は、その底壁の肉厚を厚くした分だけ変形し難くなっている。したがって、前記電池の膨張によって蓋３に対して前後方向への引っ張り力が加わったときに、その引っ張り力と電池内圧によって舌片部２５が、底壁の肉厚が薄い前後の溝部２０・２１や中央側溝部２３の底壁を確実に引きちぎる。これによって、開裂ベント１６が大きく開いて、電池内圧が迅速に解放される。
例えば端側溝部２２の底壁の肉厚を薄くした場合には、電池内圧の異常上昇時に、蓋３は肉厚の薄い端側溝部２２の個所で大きく折れ曲がり、これに伴って舌片部２５における蓋３の端部側が電池内方に押し込まれる。このため、電池内圧による舌片部２５の電池外方への変形が起こりにくくなり、開裂ベント１６が開裂し難くなる。
つまり、本発明の開裂ベント１６によれば、前述のように端側溝部２２の底壁の肉厚が厚い分だけ変形し難くなって、電池内圧の異常上昇時には開裂ベント１６が有効確実に作動する。したがって、周回溝１９の底壁の肉厚が製造誤差でばらついても、安定した作動圧を得ることができる。また、電池内圧の異常上昇時の電池内圧があまり高くなくても、開裂ベント１６を確実に開裂させることができる。端側溝部２２が前後方向に延びる直線状に形成されているので、この点からも高い開裂性が得られる。
周回溝１９が、凹部１７の形成領域内に設けられていると、肉厚の薄い周回溝１９の底壁を容易、かつ確実にプレス加工できる。これによっても周回溝１９の底壁の肉厚のばらつきを低減できて、より安定した開裂ベント１６の作動圧を得ることができる。
周回溝１９の前後の溝部２０・２１を左右方向に平行に延びる直線状に形成してあると、前後の溝部２０・２１の底壁を舌片部２５で容易に引きちぎることができる。
（実施例１） 図１ないし図４は、本発明に係る密閉角形電池としてのリチウムイオン二次電池の実施例１を示しており、図４に示すごとく、上面に左右横長の開口を有する有底角筒形状の電池缶１と、電池缶１内に収容された電極体２および非水電解液と、電池缶１の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋３と、蓋３の内側に配置されるプラスチック製の絶縁体５などを備えている。電池缶１は、アルミニウムまたはその合金からなる板材を深絞り加工して上下縦長の薄型に形成してあり、左右幅寸法を３４mm、上下高さ寸法を５０mm、前後厚み寸法を3.８mmとした。
電極体２は、シート状の正極と負極とを微多孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータを間にして渦巻状に巻回してなる。正極の電極からは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる薄板状の正極集電リード６が上向きに導出されている。負極の電極からは、ニッケルや銅、あるいはこれらの複合体からなる薄板状の負極集電リード７が上向きに導出されている。
蓋３は、アルミニウム合金などの板材をプレス成形してなり、電池缶１の開口周縁に蓋３の外周縁がレーザーでシーム溶接される。蓋３の中央には、上側の絶縁パッキング９および下側の絶縁板１０を介して負極端子１１が貫通状に取り付けられる。蓋３の左右方向の右端寄りには、電解液を電池缶１内に注入するための円形の注液孔１２が上下貫通状に形成されている。注液孔１２は、電解液の注入後に栓１３で塞いで封口する。
負極端子１１の下端には、蓋３の内面において左右横長の薄板からなるリード体１５が接続されている。リード体１５は、前記注液孔１２の反対側に延びており、下側の絶縁板１０で蓋３と絶縁されている。このリード体１５の下面に負極集電リード７をレーザー溶接する。正極集電リード６は、蓋３の裏面において絶縁板１０と注液孔１２との間のスペースにレーザー溶接する。これで正極集電リード６が蓋３および電池缶１に導通して、蓋３および電池缶１が正極電位に帯電する。
電池の組み立てに際しては、蓋３に対し、前述のように負極端子１１、上下の絶縁パッキング９・１０およびリード体１５を取り付け、さらに電極体２を電池缶１内に収容したのちに、負極集電リード９をリード体１５に、正極集電リード６を蓋３にそれぞれ前述の要領で溶接する。次に、蓋３を電池缶１の開口周縁にレーザーでシール溶接したのち、電解液を注液孔１２に注入し、注液孔１２をシールすることにより、本発明の電池が完成する。
蓋３の左右方向の一端寄り（図の左端寄り）には、電池内圧が異常上昇したときに開裂する開裂ベント１６を形成する。開裂ベント１６は、図１ないし図３に示すごとく、蓋３の内面側に凹み形成した凹部１７と、凹部１７の形成領域内において蓋３の外面側に凹み形成した左右横長で長方形状の周回溝１９とからなる。凹部１７は、平面視において左右横長で長方形状の輪郭を有している。
周回溝１９は、前後の溝部２０・２１および左右の溝部２２・２３からなる環状に形成されており、凹部１７の外周側面に沿うように配してある。蓋３の左右方向の中央側に位置する右側の中央側溝部２３は、平面視で蓋３の中央側に向かって突曲する円弧状に形成されている。左側の端側溝部２２は、前後方向に延びる直線状に形成されている。
前後の溝部２０・２１は、それぞれ左右方向に延びる平行な直線状に形成されている。周回溝１９で囲まれた部分が、左右横長の舌片部２５になっている。各溝部２０・２１・２２・２３の溝幅寸法は、それぞれ同一に設定してある。凹部１７と周回溝１９とは、プレス加工で形成する。
図２において周回溝１９は、端側溝部２２の上下深さがそれ以外の溝部２０・２１・２３の上下深さよりも浅い。これによって端側溝部２２の底壁の肉厚が、それ以外の溝部２０・２１・２３の底壁のそれよりも厚くなっている。つまり、前溝部２０、後溝部２１および中央側溝部２３の各底壁の肉厚寸法Ｔ１は、それぞれ0.０２８mmとし、端側溝部２２の底壁の肉厚寸法Ｔ２は0.１５mmとした。蓋３は、左右幅寸法を３３mm、前後幅寸法を３mm、上下厚み寸法を0.８mmとした。開裂後に端側溝部２２の底壁が容易に折れ曲がるように端側溝部２２の前後の両端部は、それぞれ肉厚を薄くしておく。
開裂ベント１６は、電池内圧が異常上昇して電池に膨張変形が生じた際に蓋３が屈曲する個所に配されている。つまり、開裂ベント１６の左右方向の中央から蓋３の左端までの長さ寸法Ｌ１をほぼ6.８mmに設定した。開裂ベント１６は、左右幅寸法を５mm、前後幅寸法を２mmとした。
開裂ベント１６の左右方向の中央から蓋３の左端までの長さ寸法Ｌ１と、蓋３の左右幅寸法Ｌ２との比率（Ｌ１／Ｌ２）は、0.１〜0.２５の範囲内が望ましく、実施例１ではほぼ0.２に設定した。前記比率が0.１よりも小さいと、開裂ベント１６が蓋３の左端に近寄り過ぎて、電池内圧の上昇時に開裂ベント１６が左右方向に圧縮されて開裂され難くなる。前記比率が0.２５よりも大きくなると、開裂ベント１６が電池の中央側に寄り過ぎて開裂ベント１６の下面にリード体１５が重なり、電池内部からのガス噴出が妨げられて電池が破裂するおそれがある。
電池内圧の異常上昇で電池に膨張変形が生じると、図５に示すごとく電池缶１の前後壁の中央部分が前後方向に膨張し、これに伴って蓋３の中央部分が電池の内方に湾曲し、蓋３は、左右方向の端部側が持ち上がった屈曲形状に変形しようとする。周回溝１９の端側溝部２２の底壁は、その肉厚寸法Ｔ２を厚くしてある分だけ変形し難くなっており、前記電池の膨張に伴う蓋３の前後方向に作用する引張り力と電池内圧によって前後の溝部２０・２１や中央側溝部２３の底壁が引きちぎられる。
すると、電池内部のガスが溝部２０・２１・２３の底壁の裂け目から噴き出し、このガス噴出に押されて舌片部２５が上側に揺動し、溝部２０・２１・２３の底壁が完全に引きちぎられる。これによって開裂ベント１６が大きく開いて電池内圧が迅速に解放される。開裂後も端側溝部２２の底壁は引きちぎられずに残っており、舌片部２５は蓋３につながっている。
（実施例２） 実施例２では、開裂ベント１６において端側溝部２２以外の溝部２０・２１・２３の各底壁の肉厚寸法Ｔ１をそれぞれ0.０３１mmに寸法設定した。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、電池の前後厚み寸法を4.０mmに大きく設定し、これに合わせて、開裂ベント１６の前後幅寸法を2.５mmに大きく寸法設定した。端側溝部２２以外の溝部２０・２１・２３の各底壁の肉厚寸法Ｔ１はそれぞれ0.０３５mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
（実施例４） 実施例４では、実施例３と同様に、電池の前後厚み寸法を4.０mmに大きくし、開裂ベント１６の前後幅寸法を2.５mmに寸法設定した。端側溝部２２以外の溝部２０・２１・２３の各底壁の肉厚寸法Ｔ１はそれぞれ0.０３８mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
（実施例５） 実施例５では、電池の左右幅寸法を３０mm、上下高さ寸法を４８mm、前後厚み寸法を4.０mmとし、これに合わせて開裂ベント１６の前後幅寸法を2.５mmに大きく寸法設定した。端側溝部２２以外の溝部２０・２１・２３の各底壁の肉厚寸法Ｔ１はそれぞれ0.０３５mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
（実施例６） 実施例６では、実施例５と同様に、電池の左右幅寸法を３０mm、上下高さ寸法を４８mm、前後厚み寸法を4.０mmとし、開裂ベント１６の前後幅寸法を2.５mmに寸法設定した。端側溝部２２以外の溝部２０・２１・２３の各底壁の肉厚寸法Ｔ１はそれぞれ0.０３８mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
（比較例１） 比較例１では、図６に示すごとく実施例１に対して開裂ベント１６の向きが左右逆になるように形成した。つまり、比較例１では、左側の端側溝部２２が円弧状に形成されており、右側の中央側溝部２３が前後方向への直線状に形成されているとともに中央側溝部２３の底壁の肉厚寸法を0.１５mmに寸法設定した。中央側溝部２３以外の溝部２０・２１・２２の各底壁の肉厚寸法は、それぞれ0.０２８mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
（比較例２） 比較例２では、中央側溝部２３以外の溝部２０・２１・２２の各底壁の肉厚寸法をそれぞれ0.０３１mmに寸法設定した。その他の点は、比較例１と同じにした。
（比較例３） 比較例３では、図７に示すごとく、開裂ベント１６の左右の溝部２２・２３をそれぞれ円弧状にするとともに、前後左右の溝部２０・２１・２２・２３の各底壁の肉厚寸法を全て0.０２８mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
（比較例４） 比較例４では、比較例１と同様に開裂ベント１６の向きを左右逆にした。そのうえで実施例３と同様に電池の前後厚み寸法を4.０mmにし、開裂ベント１６の前後幅寸法を2.５mmにした。中央側溝部２３以外の溝部２０・２１・２２の各底壁の肉厚寸法は、それぞれ0.０３５mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
（比較例５） 比較例５では、中央側溝部２３以外の溝部２０・２１・２２の各底壁の肉厚寸法をそれぞれ0.０３８mmに寸法設定した。その他の点は、比較例４と同じにした。
（比較例６） 比較例６では、比較例３と同様に左右の溝部２２・２３をそれぞれ円弧状にした。電池の前後厚み寸法は、比較例４と同様に4.０mmに寸法設定した。さらに、前後左右の溝部２０・２１・２２・２３の各底壁の肉厚寸法を全て0.０３５mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
（比較例７） 比較例７では、実施例５と同様に、電池の左右幅寸法を３０mm、上下高さ寸法を４８mm、前後厚み寸法を4.０mmに設定しており、開裂ベント１６の前後幅寸法は2.５mmにした。そのうえで中央側溝部２３以外の溝部２０・２１・２２の各底壁の肉厚寸法をそれぞれ0.０３５mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
（比較例８） 比較例８では、開裂ベント１６の中央側溝部２３以外の溝部２０・２１・２２の各底壁の肉厚寸法をそれぞれ0.０３８mmに寸法設定した。その他の点は、比較例７と同じにした。
（比較例９） 比較例９では、比較例３と同様に左右の溝部２２・２３をそれぞれ円弧状にしたとともに、前後左右の溝部２０・２１・２２・２３の各底壁の肉厚寸法を全て0.０３５mmに寸法設定した。また、実施例５と同様に、電池の左右幅寸法を３０mm、上下高さ寸法を４８mm、前後厚み寸法を4.０mmに設定し、開裂ベント１６の前後幅寸法を2.５mmに寸法設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。
つまり、実施例１・２と、実施例３・４と、実施例５・６とは電池寸法を異ならせたものであり、これに対応させて比較例１〜３を実施例１・２と、比較例４〜６を実施例３・４と、比較例７〜９を実施例５・６とそれぞれ同じ電池寸法にしてある。
実施例１、実施例２と、実施例３、実施例４と、および実施例５、実施例６とにおいて、それぞれ端側溝部２２以外の溝部２０・２１・２３の各底壁の肉厚寸法Ｔ１を0.００３mmだけ異ならせたのは、開裂ベント１６の加工において周回溝１９の底壁の肉厚寸法が0.００３mm程度ばらつくことを考慮したものである。
本発明の実施例１〜６に係る電池と、比較例１〜９の電池とをそれぞれ５０個ずつ用意して、開裂ベント１６の作動圧を測定するとともに開裂性を確認した。ここでは、各電池缶１内に電極体２および電解液を収容することに代えて、電池缶１の底壁に穴あけて、この穴から電池内に水を注入して電池内圧（水圧）を徐々に上昇させ、開裂ベント１６の作動圧の測定および開裂性を確認した。
つまり、前記作動圧の測定では、開裂ベント１６が開きあるいは亀裂が生じて水が漏れ出したときの水圧を作動圧として測定した。前記開裂性の確認では、底壁を厚くした溝部以外の溝部がほぼ完全に開裂したと目視で認められた個数を数えた。表１は、その結果を示す。
Figure 2006147267
前記作動圧の測定では、表１に示すごとく、実施例１・２の作動圧が1.６４〜1.７５ＭＰａと0.１１ＭＰａしか変動していないのに対して、比較例１・２の作動圧は1.７０〜1.９８ＭＰａと0.２８ＭＰａも変動している。前記開裂性の確認においても、実施例１・２では、開裂した電池の個数が４８個と５０個とほぼ全部の電池で完全に開裂しているのに対して、比較例１・２では、開裂した電池の個数が２３個と２５個となっていて過半数の電池で不完全な開裂が生じた。
比較例３は、作動圧が1.７０ＭＰａと比較例１と等しくなっている。比較例３では、開裂した電池の個数が１８個となっていて多数の電池で不完全な開裂が生じた。これは、比較例３では、周回溝１９の底壁の開裂が電池内圧のみに依存しているためと考えられ、比較例１の作動圧が比較例３と等しいことで、比較例１でも周回溝１９の底壁の開裂が電池内圧のみに依存していることがわかる。
実施例３・４では、作動圧が1.５０〜1.６２ＭＰａと0.１２ＭＰａしか変動していないのに対して、比較例４・５の作動圧は1.５７〜1.８８ＭＰａと0.３１ＭＰａも変動している。同様に、実施例５・６では、作動圧が1.５０〜1.６３ＭＰａと0.１３ＭＰａしか変動していないのに対して、比較例７・８の作動圧は1.５９〜1.９０ＭＰａと0.３１ＭＰａも変動している。
前記開裂性の確認においても、実施例３〜６では、開裂した電池の個数がそれぞれ５０個と全部の電池で完全に開裂しているのに対して、比較例４では開裂した電池の個数が２７個、比較例５では開裂した電池の個数が３０個、比較例７では開裂した電池の個数が２６個、比較例８では開裂した電池の個数が３１個であり、多数の電池で不完全な開裂が生じた。
比較例６では、作動圧が1.５８ＭＰａとなって比較例４とほぼ等しくなっており、開裂した電池の個数が２２個と多数の電池で不完全な開裂が生じた。比較例９では、作動圧が1.６０ＭＰａとなって比較例７とほぼ等しくなっており、開裂した電池の個数が２４個と多数の電池で不完全な開裂が生じた。
このように、実施例１〜６の開裂ベント１６は、周回溝１９の底壁の肉厚寸法が製造誤差でばらついても作動圧の変動が小さいとともに開劣性も高く、したがって電池を量産しても、安定した開裂ベント１６の作動が得られることがわかる。さらに、実施例１〜６の開裂ベント１６は、比較例１〜９と比べて作動圧が低くなっており、この分だけ確実な開裂を得ることができる。また、これらの効果は、電池寸法を変えても得られることがわかる。
実施例１の密閉角形電池の蓋の平面図 図１のＡ−Ａ線断面図 開裂ベントの斜視図 電池の縦断正面図 電池の膨張状態を説明する斜視図 比較例１の電池の蓋の平面図 比較例３の電池の蓋の平面図
符号の説明
１ 電池缶
３ 蓋
１６ 開裂ベント
１７ 凹部
１９ 周回溝
２０ 前溝部
２１ 後溝部
２２ 端側溝部
２３ 中央側溝部

Claims (3)

  1. 電池缶の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋と、前記蓋に配して電池内圧が異常上昇したときに開裂する開裂ベントとを含む密閉角形電池において、
    前記開裂ベントは、前記蓋の外面側であって前記蓋の左右方向のいずれか一方の端寄りに凹み形成した周回溝を有し、
    前記周回溝は、前後左右の溝部からなる環状に形成されていて、前記蓋の左右方向の中央側に位置する中央側溝部が、平面視において前記蓋の中央側へ突曲する円弧状に形成されており、
    前記周回溝は、前記中央側溝部の反対側に位置する端側溝部が前後方向に延びる直線状に形成されているとともに、前記端側溝部の底壁の肉厚がそれ以外の溝部の底壁よりも厚く寸法設定されている密閉角形電池。
  2. 前記開裂ベントが、前記蓋の内面側に、凹部が凹み形成されており、
    前記周回溝が、前記凹部の形成領域内に配されている請求項１記載の密閉角形電池。
  3. 前記周回溝における前後の前記溝部が、左右方向へ平行に延びる直線状に形成されている請求項２記載の密閉角形電池。
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