JP2007220413A

JP2007220413A - 角形電池

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Publication number: JP2007220413A
Application number: JP2006038048A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Obayashi; 篤史大林
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-15
Also published as: JP5030433B2

Abstract

【課題】電池の膨張を効果的に抑制し得た角形電池を提供する。
【解決手段】正極と、負極と、電解液とが、角形外装缶に収納された電池において、前記外装缶の最も面積の大きい面の中央領域には、複数の加工溝が形成されており、前記複数の加工溝は、前記外装缶の最も面積の大きい面の全幅長を１００としたとき、最も外側同士の加工溝の最短距離が２０以上であり、隣り合う加工溝同士の最短距離が、８ｍｍ以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は電池外装缶として角形外装缶を用いた電池に関する。

近年、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の高機能化・小型化および軽量化が急速に進展しており、その駆動電源として、高いエネルギー密度を有し、高容量である非水電解質二次電池が広く利用されている。特に、正負極板をセパレータを介して渦巻状に巻き取り、扁平状にプレスしてなる扁平渦巻状電極体を角形の外装缶に収容した非水電解質二次電池は、大電流を取り出しやすく、且つ上記移動情報端末に実装しやすいことから、広く用いられている。

しかし、非水電解質二次電池は、充放電によって正負電極板が膨張し、また高温環境下で保存したときに電解液と電極板とが反応してガスが発生し、このガスが電池の厚みを増大させる。電池厚みが増大すると、電池周辺に配置された電子回路等が破壊されるおそれがある。このため、電池厚みの増大を防止することが望まれる。

この問題を解決する技術として、角形外装缶の最も広い側面を凹形状に凹まして、電池の厚みの増大を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１〜７参照。）。

特開2001-155693号公報特開2001-313063号公報特開2001-57179号公報特開2002-245975号公報特開2005-196991号公報特開平7-183010号公報特表2002-533908号公報

特許文献１にかかる技術は、正極と負極とセパレータとを巻回し扁平状にした電池要素の扁平面に平行な電池缶側面に、電池缶の中心を通り電池要素の扁平面に平行な側面に垂直な面上にあって、扁平面に対して平行な中心軸を有する曲面からなる凹部を形成する技術である。この技術によると、無駄な空間を設けることなく角形電池の充電時の電池要素の膨張による電池缶の側面の膨張を防止できるとされる。

特許文献２にかかる技術は、製造後の角形電池に対して、上部および下部ローラを用いて断面凹状の刻印を形成しつつ圧縮変形させる技術である。この技術によると、電池缶の側面が外方に向かう変形に対する強度を増大でき、電池缶の側面の膨張を防止できるとされる。

特許文献３にかかる技術は、電池ケースの少なくとも１つの面に、凹部及び／又は凸部を×状に形成する技術である。この技術によると、高温に曝された場合でも電池ケースの膨張を抑制でき、これにより高温保存特性に優れ、高い信頼性と高エネルギー密度を合わせ持つ二次電池を提供できるとされる。

特許文献４にかかる技術は、正極と負極とセパレータとからなる電池要素の積層面あるいは扁平面に平行な電池缶側面の少なくとも一方の面には、電池缶底面側の端部に段差を有さない傾斜面からなる凹部を形成する技術である。この技術によると、充電時の電池要素の膨張による電池缶の側面の膨張を防止できるとされる。

特許文献５にかかる技術は、電池ケースの側壁に、該側壁の２５％以上６０％以下の面積部分に凹部を形成し、凹部形成部分の側壁外面及び該側壁の対壁外面間の長さを凹部非形成部分の長さの０．８７倍以上０．９５倍以下とし、凹部形成部分の側壁内面及び対壁内面の長さを発電要素の収容時に配置される部分の厚さの０．９５倍以上１．０５倍以下とする技術である。この技術によると、発電要素の膨張による電池厚さ増加を抑制できるとされる。

特許文献６にかかる技術は、外装缶の発電要素の端板と当接する側面に予め凹部を形成し、当該凹部を形成した外装缶に発電要素を挿入する技術である。この技術によると、外装缶に挿入する発電要素の端板底部の崩れを防止し、且つ初期活性化の際における外装缶の膨らみを防止きるとされる。

特許文献７にかかる技術は、電池缶側面に１つ以上の陥没部を有する面を含む角柱状容器を電池容器として用いる技術である。この技術によると、充放電によるガス圧または電極膨張による電池容器の膨張を抑制できるとされる。

しかしながら、上記各技術を用いても、充放電サイクルや高温保存による電池厚みの増大を十分に抑制できない。

本発明は、上記に鑑みなされたものであって、充放電サイクルや高温保存による電池厚みの増大を効果的に抑制しえた電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための電池に係る本発明は、正極と、負極と、電解液とが、角形外装缶に収納された電池において、前記外装缶の最も面積の大きい面の中央領域には、複数の加工溝が形成されており、前記複数の加工溝は、前記外装缶の最も面積の大きい面の全幅長を１００としたとき、最も外側同士の加工溝の最短距離が２０以上であり、隣り合う加工溝同士の最短距離が、８ｍｍ以下であることを特徴とする。

この構成によると、複数の加工溝が、電池が最も膨張しやすい面積の最も大きい面の中央領域に形成されており、この加工溝が、電池中央領域の膨張を抑制するように作用する。このため、電池の厚み増大を効果的に抑制できる。

外装缶の最も面積の大きい面の全幅に対して、前記加工溝の最も外側同士の加工溝の最短距離が短すぎると、加工溝が形成されていない残余の部分で電池が膨れてしまうため、上記範囲内に規制することが好ましい。

また、隣り合う加工溝の最短距離が大きすぎると、加工溝と加工溝との間の部分で電池が膨れてしまう。このため、隣り合う加工溝同士の最短距離（溝間隔）は上記範囲内に規制することが好ましい。

ここで、外装缶の最も面積の大きい面の中央領域とは、外装缶の最も面積の大きい面の缶底から５ｍｍ、封口板側端辺から５ｍｍ、両側辺から５ｍｍの領域を除いた残余の領域を意味する。

上記構成において、前記加工溝は、外装缶の最も面積の大きい面の電池高さ方向に平行且つ直線状に形成されている構成とすることができる。

この構成であると、加工溝の作製が容易となるとともに、電池の膨張を効果的の抑制できる。

上記構成において、前記加工溝の長さは、電池高さの７０％以上である構成とすることができる。

加工溝の長さは、長いほうが電池の膨張をより効果的に抑制できる。よって、この構成を採用することが好ましい。

上記構成において、前記複数本の加工溝は、外装缶の最も面積の大きい面に、その電池高さ方向中心線を対称軸として、線対称に形成されている構成とすることができる。

外装缶の最も面積の大きい面の電池高さ方向中心線を対称軸として電池が膨張するので、この構成を採用すると、最も効果的に電池の膨張を抑制できる。

上記構成において、前記複数本の加工溝は、前記外装缶の最も面積の大きい面の全幅に対して、前記加工溝の最も外側の加工溝同士の距離が４５％以下である構成とすることができる。

前記外装缶の最も面積の大きい面の全幅に対して、前記加工溝の最も外側の加工溝同士の距離が４５％まで達すると、本発明の効果の上限に達する。このため、これ以上に加工溝を形成しても、加工溝形成工程の増加とコスト高につながるため、上記範囲に規制することが好ましい。

上記構成において、前記加工溝が、先端が曲面であるローラを備えた溝加工冶具を用いて、ローリング加工により形成されたものである構成とすることができる。

従来のプレス方式により加工溝を形成する方法では、所望の深さの加工溝を形成することが難しいが、ローリング方式では所望の深さに制御しやすい。このため、この方式を採用することが好ましい。

以上説明したように、本発明によると、電池の厚み増大を確実に抑制し得る角形電池を提供できる。

（実施の形態）
以下に、本発明電池をリチウムイオン二次電池に適用した場合について、図面を用いながら説明する。

図１に示すように、外装缶の最も面積の大きな面１には、３本の加工溝２が、電池高さ方向に平行且つ直線状に形成されている。そして、前記加工溝２のうちの１本は、外装缶の最も面積の大きい面１の電池高さ方向中心線上に形成され、さらにこの該中心線を対称軸として左右に１本ずつ線対称（等間隔：（Ｌ１−２Ｌ２）÷２）に、２本形成されている。さらに、隣り合う加工溝同士の最短距離（溝間隔）は８ｍｍ以下に設定されている。

また、加工溝２と側辺４との距離Ｌ２は５ｍｍ以上であり、加工溝２と缶底５との距離Ｌ４は５ｍｍ以上であり、加工溝２と封口板側端辺３との距離Ｌ５は５ｍｍ以上に設定されている。また、最も外側同士の加工溝の最短距離（Ｌ１−２Ｌ２）は、最も面積の大きい面の全幅長Ｌ１の２０％以上である。また、加工溝の長さ（Ｌ３−Ｌ４−Ｌ５）は、電池高さＬ３の７０％以上である。

この加工溝２は、図２に示すように直径が１７ｍｍ、先端が半径２．５ｍｍの曲率を有するローラを備えた溝加工冶具を用いて、図３に示すように、該溝加工冶具を２０ｍｍ／秒以下のスピードでローリングさせつつ、０．１〜０．３ＭＰａの圧力を印加する方法により形成された。

図４に、加工溝２の断面図を示す。溝幅Ｌ６に対する、溝深さＬ７の比Ｌ７／Ｌ６は、０．０１〜０．０６であった。

（実施例１）
＜正極の作製＞
コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）からなる正極活物質と、アセチレンブラックまたはグラファイト等の炭素系導電剤とを、質量比９：１の割合で混合した。これと、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる結着剤をＮ−メチル−２−ピロリドンに溶解させたものとを、固形分重量比で９５:５の割合で混合し、正極活物質スラリーを調製した。

次に、アルミニウム箔からなる正極芯体の両面に、この正極活物質スラリーを均一な厚みで塗布した。この極板を乾燥機内に通して上記有機溶剤を除去し、塗布質量が５００ｇ／ｍ²の乾燥極板を作製した。この乾燥極板を、ロールプレス機を用いて、圧延した。

＜負極の作製＞
リン片状天然黒鉛（ｄ₀₀₂値：３．３５６Å,Ｌｃ値：１０００Å、平均粒径：２０μｍ）と、スチレンブタジエンゴムからなる結着剤と、カルボキシメチルセルロースからなる増粘剤とを、質量比１００：３：２の割合で量り採り、これらを適量の水と混合し、負極活物質スラリーを調製した。

次に、銅箔からなる負極芯体の両面に、この負極活物質スラリーを均一な厚さで塗布した。この極板を乾燥機内に通して水分を除去し、塗布質量が２００ｇ／ｍ²の乾燥極板を作製した。この乾燥極板を、ロールプレス機を用いて、圧延した。

＜電極体の作製＞
上記正極と負極とオレフィン系樹脂からなる微多孔膜のセパレータとを、巻き取り機により捲回し、絶縁性の巻き止めテープを取り付け、プレスして扁平電極体を完成させた。

＜電解液の作製＞
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比５０：５０の割合（１気圧、２５℃と換算した場合における）で混合した非水溶媒に、電解質塩としてのＬｉＰＦ₆を１．０Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解したものを電解液とした。

＜電池の作製＞
上記扁平電極体と上記電解液とを、外装缶内に挿入し、外装缶の開口部に封口板を嵌め合わせレーザ溶接した。この後、図２に示すローラを備えた溝加工冶具を用いて、図３に示すように、ローリング加工により、外装缶の最も面積の大きい面１に４ｍｍ間隔（隣り合う加工溝同士の最短距離（（Ｌ１−２Ｌ２）÷２）が４ｍｍ、前記外装缶の最も面積の大きい面の全幅長を１００としたとき、前記加工溝の最も外側同士の加工溝の最短距離（Ｌ１−２Ｌ２）が２０（溝加工幅２０％））の３本の加工溝２を形成して、実施例１にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。この際、最初に外装缶の最も面積の大きい面の高さ方向中心軸上に加工溝を形成し、その後両サイドの２本の加工溝を同時に形成した。該外装缶の最も面積の大きい面の裏面に対しても同様にして形成した。
なお、電池の大きさは幅Ｌ１＝３９．７ｍｍ、高さＬ３＝４１．４ｍｍ、厚み４．７ｍｍであり、加工溝２と側辺との距離Ｌ２は１６ｍｍ、加工溝２と缶底５との距離Ｌ４は６ｍｍ、加工溝２と封口板側端辺との距離Ｌ５は６ｍｍである。また、加工溝の長さ（Ｌ３−Ｌ４−Ｌ５＝３０．４ｍｍ）は、電池高さＬ３の約７３％である。

（実施例２）
加工溝の間隔を５ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例２にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例３）
加工溝の間隔を６ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例３にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例４）
加工溝の間隔を７ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例４にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例５）
加工溝の間隔を８ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例５にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例１）
加工溝の間隔を１ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例２）
加工溝の間隔を２ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例２にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例３）
加工溝の間隔を３ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例３にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例４）
加工溝の間隔を９ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例４にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例５）
加工溝の間隔を１０ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例５にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例１）
加工溝を形成しなかったこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１にかかるリチウムイオン二次電池を作製した。

〔電池厚み増大量の測定〕
上記で作製した電池に対して、溝加工前後の厚み増大量、充電時の厚み増大量、充電高温保存時の厚み増大量、充放電サイクル（５００サイクル）後の厚み増大量を測定した。この結果を下記表１に示す。なお、充放電サイクル条件は以下のとおりである。

充電条件：定電流１Ｉｔ（９５０ｍＡ）で４．２Ｖまで、その後定電圧４．２Ｖで９５ｍＡまで
放電条件：定電流１Ｉｔ（９７０ｍＡ）で３．１Ｖまで
保存条件：８５℃で３時間

上記表１から、溝間隔（隣り合う加工溝同士の最短距離）が８ｍｍより大きい比較例４〜６では、高温保存時の電池厚み増加量が１．０５〜１．０８ｍｍ、充放電サイクル後の電池厚み増加量が０．５７〜０．６１ｍｍと、溝間隔が４〜８ｍｍである実施例１〜５の０．８７〜０．９９ｍｍ、０．４５〜０．５７ｍｍよりも大きく膨れていることがわかる。

このことは次のように考えられる。溝間隔が大きすぎると、加工溝と加工溝との間の領域において電池が膨れてしまい、電池厚み増加量を大きくさせる。よって、溝間隔は８ｍｍ以下であることが好ましい。

また、溝加工幅が電池の最も面積の広い側面の幅の２０％未満である比較例１〜３では、充電時の電池厚み増加量が０．２４〜０．２５ｍｍ、充放電サイクル後の電池厚み増加量が０．６２〜０．６５ｍｍと、溝加工幅が電池の最も面積の広い側面の幅の２０〜４０％である実施例１〜５の０．１９〜０．２１ｍｍ、０．４５〜０．５７ｍｍよりも大きく膨れていることがわかる。

このことは次のように考えられる。溝加工幅が電池の最も面積の広い側面の幅の２０％未満であると、最も外側の加工溝と、外装缶の側辺との間の領域が膨れてしまい、電池厚み増加量を大きくさせる。このため、溝加工幅が電池の最も面積の広い側面の幅の２０％以上であることが好ましい。

また、溝間隔が２ｍｍ以下である比較例１、２では、溝加工時の電池厚み増加量が０．０９ｍｍ、０．０８ｍｍと、溝間隔３ｍｍ以上である実施例１〜４、比較例３〜６の０．０１〜０．０６ｍｍよりも大きく膨れていることがわかる。

このことは次のように考えられる。溝間隔が狭すぎると、溝加工時の応力による溝と溝との間の膨れが相乗的に作用して、電池を膨らましてしまう。このため、溝間隔は３ｍｍ以上であることが好ましい。

次に、加工溝形成方法と、加工溝深さとの関係を検討した。
上記実施例で用いたローリング方式と、プレス冶具によるプレス方式とで、冶具の押し込み深さと加工溝深さとの関係を調べた。この結果を下記表２に示す。

上記表２から、ローリング方式のほうがプレス方式よりも確実に所望の深さの加工溝を形成できることがわかる。

（追加事項）
本発明は、充放電により電極板が膨張したり、電解液が分解したりする種類の電池すべてに適用可能であり、例えばニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池等のアルカリ二次電池にも適用可能である。

また、本発明は、外装缶の最も面積の大きい面の一方にのみ形成しても効果が得られるが、十分な効果を得るためには、両面に形成することが好ましい。

また、加工溝は、上記実施例のように外装缶の最も面積の大きい面の電池高さ方向に平行な直線状ではなく、曲線状等であってもよい。

また、加工溝は、上記実施例のように３本に限定されるものではなく、２本であってもよいし、４本以上であってもよい。しかしながら、加工溝の本数が多くなると、加工溝形成工程に時間がかかるとともに、コスト高につながることに留意する必要がある。

加工溝は、外装缶の開口部を封口するための封口レーザへの影響及び電池パック加工のためのスペースを考慮すると、電池サイズに関わらず封口板側端辺３から５ｍｍ以上、缶底５から５ｍｍ以上、両側辺４から５ｍｍ以上を残して加工することが好ましい。また、電池の膨張を効果的に抑制するには、上記範囲内でできるだけ長い加工溝を形成することが好ましい。

図４に、加工溝の断面図を示す。溝幅Ｌ６に対する、溝深さＬ７の比Ｌ７／Ｌ６は、０．０１〜０．０６の範囲が好ましい。０．０１未満であると、ほとんど溝形状を有していないため、膨れ抑制効果が僅少となる。他方、０．０６より大きいの溝を形成するには、溝が深すぎるため、溝加工の応力によって加工溝と加工溝との間の未加工部分が大きく隆起してしまう。

以上説明したように、本発明によると、電池厚みの増大を効果的に抑制できるので、産業上の意義は大きい。

図１は、本発明の角形電池の正面図である。図２は、本発明に用いた冶具のローラ部分を示す概略図である。図３は、加工溝の形成方法を示す概念図である。図４は、加工溝の断面図である。

符号の説明

１外装缶の最も面積の大きい面
２加工溝
３封口板側端辺
４側辺
５缶底

Claims

正極と、負極と、電解液とが、角形外装缶に収納された電池において、
前記外装缶の最も面積の大きい面の中央領域には、複数の加工溝が形成されており、
前記複数の加工溝は、前記外装缶の最も面積の大きい面の全幅長を１００としたとき、最も外側同士の加工溝の最短距離が２０以上であり、
隣り合う加工溝同士の最短距離が、８ｍｍ以下であることを特徴とする角形電池。
請求項１に記載の角形電池において、
前記加工溝は、外装缶の最も面積の大きい面の電池高さ方向に平行且つ直線状に形成されていることを特徴とする角形電池。
請求項２に記載の角形電池において、
前記加工溝の長さは、電池高さの７０％以上であることを特徴とする角形電池。
請求項２又は３に記載の角形電池において、
前記複数本の加工溝は、外装缶の最も面積の大きい面に、その電池高さ方向中心線を対称軸として、線対称に形成されていることを特徴とする角形電池。
請求項２ないし４いずれかに記載の角形電池において、
前記複数の加工溝は、前記外装缶の最も面積の大きい面の全幅に対して、最も外側の加工溝同士の距離が４５％以下であることを特徴とする角形電池。
請求項１ないし５いずれかに記載の角形電池において、
前記加工溝が、先端が曲面であるローラを備えた溝加工冶具を用いて、ローリング加工により形成されたものであることを特徴とする角形電池。