JP2007273109A - 扁平形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータが正極材と負極缶の内面との間に強く挟まれることに起因するセパレータの破損を防止できるようにする。
【解決手段】上向きに開口する正極缶３と下向きに開口する負極缶５とからなる電池缶１と、正極材７の上側にセパレータ１０を介して負極材９を配する発電要素２とを有していて、電池缶１の内部に発電要素２が収容される。正極缶３の底壁１２の中央側を下向きに膨出させて、正極缶３の内面側に凹部１３を段落ち状に形成してある。凹部１３で正極材７を受け止めて正極材７の横方向の移動を規制し、負極缶５の上壁側に設けた収容部２１に負極材９を収容してある。凹部１３の内径寸法Ｄ２は、収容部２１の内径寸法Ｄ１よりも小さくなるよう設定してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボタン型電池やコイン型電池などの扁平形電池に関する。

特許文献１〜３には、上向きに開口する正極缶と下向きに開口する負極缶とからなる電池缶と、正極材の上側にセパレータを介して負極材を配する発電要素とを有していて、前記発電要素を収容した状態で負極缶が、密封用のガスケットと共に正極缶の開口内縁にかしめ固定される扁平形電池が開示されている。

さらに、特許文献１〜３では、正極缶の底壁の中央側を下向きに膨出させて、正極缶の内面側に凹部を段落ち状に形成してある。そして、電池内圧が異常上昇したときの正極缶の下向きの膨張変形を前記凹部で受け止め、これによって正極缶の底壁の周縁側において前記ガスケットの下面に密着する封止壁部が過度に変形して、ガスケットと前記封止壁部との間での密着性が低下することを抑えている。

特開２００３−１５１５１１号公報（図１） 特開２００５−２０３１７０号公報（図５） 特開２００５−２４３３３８号公報（図１）

特許文献１〜３の電池では、製造誤差による位置ずれや使用時の衝撃などで正極材が、正極缶の底壁の中心部から横方向にずれることがある。この場合、セパレータが、正極材と電池缶の内面との間に強く挟まれて破れるおそれがある。このセパレータの破損によって、負極材や負極缶の内面と正極材とが短絡して電池の破損などを招くおそれがある。

また、前記電池では、使用時の放電に伴って負極材の体積が徐々に減るとともに正極材の体積が徐々に増加する。この正極材の体積増加に応じてセパレータが負極缶側に徐々に上昇し、これによってセパレータが正極材と電池缶の内面との間に強く挟まれて破れるおそれがある。この場合も、負極材や負極缶の内面と正極材とが短絡するおそれがある。

そこで本発明の目的は、衝撃や放電に伴う正極材の体積増加などによって、セパレータが正極材と電池缶の内面との間に強く挟まれて破損することを防止できる扁平形電池を提供することにある。

本発明が対象とする扁平形電池は、図１に示すごとく、上向きに開口する正極缶３と下向きに開口する負極缶５とからなる電池缶１と、正極材７の上側にセパレータ１０を介して負極材９を配する発電要素２とを有していて、電池缶１の内部に発電要素２を収容するようになっている。ここでの扁平形電池は、ボタン型電池やコイン型電池などの他、扁平四角形状の電池なども含まれる。

本発明は、正極缶３の底壁１２の中央側を下向きに膨出させて、正極缶３の内面側に凹部１３を段落ち状に形成してあり、凹部１３で正極材７を受け止めて正極材７の横方向の移動を規制し、また負極缶５の上壁側に設けた収容部２１に負極材９を収容しており、凹部１３の内法（うちのり）寸法Ｄ２が、収容部２１の内法寸法Ｄ１よりも小さくなるよう設定してあることを特徴とする。

例えば、ボタン型電池の場合には、凹部１３および収容部２１がそれぞれ円柱状となっているために、前記凹部１３の内法寸法Ｄ２は凹部１３の内径寸法が該当し、前記収容部２１の内法寸法Ｄ１は収容部２１の内径寸法が該当する。扁平四角形状の電池の場合には、凹部１３の前後および左右の内法寸法Ｄ２が、収容部２１の前後および左右の内法寸法Ｄ１よりもそれぞれ小さくなるよう設定することになる。

具体的には、凹部１３の内法寸法Ｄ２が、収容部２１の内法寸法Ｄ１よりも少なくともセパレータ１０の厚さ寸法の２倍分だけ小さくなるよう設定してある。言い換えると、凹部１３の内法寸法Ｄ２と、収容部２１の内法寸法Ｄ１との比（Ｄ２／Ｄ１）が、0.８０〜0.９８になるよう設定してある。正極材７の外法寸法は、凹部１３の内法寸法Ｄ２の0.７〜0.９倍に設定されていることが好ましい。

正極材７の横方向の移動を規制する手段としては、図３に示すごとく、凹部１３内の周縁部に複数個の突起部３１を内向きに膨出形成し、これらの突起部３１の内側の領域３２で正極材７を受け止めて正極材７の横方向の移動を規制してもよい。この場合でも、負極缶５の上壁側に設けた収容部２１に負極材９を収容してあり、前記領域３２の内法寸法Ｄ３が、収容部２１の内法寸法Ｄ１よりも小さくなるよう設定することになる。

具体的には、前記領域３２の内法寸法Ｄ３が、収容部２１の内法寸法Ｄ１よりも少なくともセパレータ１０の厚さ寸法の２倍分だけ小さくなるよう設定してある。言い換えると、前記領域３２の内法寸法Ｄ３と、収容部２１の内法寸法Ｄ１との比（Ｄ３／Ｄ１）が、0.８０〜0.９８になるよう設定してある。正極材７の外法寸法は、前記領域３２の内法寸法Ｄ３の0.７〜0.９倍に設定されていることが好ましい。

正極材７は、その外周面に装着される正極リング１１を含んでいるものとすることができる。正極材７は、正極活物質として二酸化マンガンを含有するものとすることができる。正極リング１１は、平面視で円形状の場合や四角形状の場合などが含まれる。正極リング１１は、導電性を有する金属などからなる場合と、絶縁性のプラスチックなどからなる場合とが含まれる。

本発明によれば、正極缶３の底壁１２に凹部１３を設けることで、電池内圧が異常上昇したときの正極缶３の下向きの膨張変形を凹部１３のみで受け止めて、正極缶３の底壁１２の周縁側である封止壁部１５などの過度の変形を抑え、負極缶５と正極缶３との間での密封性の低下を抑えることができる。

そのうえで、凹部１３や突起部３１で正極材７の横方向の移動を規制して、正極材７が位置ずれしないようにし、かつ凹部１３や領域３２の内法寸法Ｄ２・Ｄ３を負極缶５の収容部２１の内法寸法Ｄ１よりも小さくしたので、製造誤差や衝撃などで正極材７が正極缶３の底壁１２の周縁側にずれてセパレータ１０が正極材７と電池缶１の内面との間に強く挟まれてしまうことがなく、また放電に伴う正極材７の体積増加でセパレータ１０が負極缶５側に徐々に上昇しても、セパレータ１０が正極材７と電池缶１の内面との間に強く挟まれてしまうことがない。これによって、セパレータ１０が破断することを確実に防止でき、セパレータ１０の破断で負極材９や負極缶５の内面と、正極材７とが短絡して電池が破損することなどを確実に防止できる。

正極材７が正極リング１１を含んでいると、セパレータ１０が正極リング１１と電池缶１の内面との間に挟まれたときには、正極リング１１が比較的硬いためにセパレータ１０が破断し易くなるが、この場合にも、本発明によってセパレータ１０の破断を確実に防ぐことができる。

特に、正極材７は、正極活物質として二酸化マンガンを含有すると脆くなるために正極リング１１を含むことが好ましく、この場合でもセパレータ１０の破断を確実に防ぐことができる。

（実施例１） 図１および図２は、本発明が対象とする扁平形電池の実施例１を示している。電池缶１は、図１に示すごとく、上向きに開口する正極缶３と下向きに開口する負極缶５とからなって、全体が扁平なコイン形状に形成される。電池缶１の内部には、発電要素２が収容される。負極缶５は、ガスケット６と共に正極缶３の開口内縁にかしめ固定されることで正極缶３を密封する。ガスケット６によって正極缶３と負極缶５とが絶縁される。電池缶１の外径寸法は２4.５mm、全厚寸法は5.０mmである。

発電要素２は、正極活物質などを円盤形状に固めた正極材７と、負極活物質の金属リチウムまたはリチウム合金を円盤形状に形成した負極材９と、不織布製のセパレータ１０と、非水電解質とを含み、正極材７の上側にセパレータ１０を介して負極材９が配される。正極材７は、その外周面に装着される正極リング１１を含んでいる。正極リング１１は、導電性を有するステンレス鋼で形成される。

電池組み立て前のブランク状態の正極缶３は、図２に示すごとく、丸皿形状のプレス成形品からなる。正極缶３は、その底壁１２の中央側を下向きに膨出させて、正極材７を受け止めるための凹部１３を正極缶３の内面側に段落ち状に形成してある。正極缶３の底壁１２の周縁側には、ガスケット６の下面に密着する封止壁部１５が形成されており、封止壁部１５の外周縁に連続して円筒状の周壁１６が立ち上げ形成されている。

前記凹部１３を設けることによって、電池内圧が異常上昇したときの正極缶３の下向きの膨張変形を凹部１３のみで止めて、封止壁部１５が過度に変形して、ガスケット６の下面と封止壁部１５との間での密着性が低下することを抑えている。

正極リング１１は、上下が開口していて正極材７の周側面を形成する円筒部１９と、円筒部１９の下端から内方へ水平状に延びる円環形状のフランジ部２０とを有する。円筒部１９の上下高さ寸法は、正極材７全体の上下高さ寸法よりも僅かに小さい。円筒部１９の上下高さ寸法と、正極材７全体の上下高さ寸法とは等しくてもよい。円筒部１９の上面が開口しているので、正極材７は放電時に上方へ自由に膨張できる。

負極缶５は、丸皿形状のプレス成形品からなり、その上壁側に設けられる負極材収容用の収容部２１と、収容部２１の下端の肩部から外向きに張り出されるフランジ壁２２と、フランジ壁２２に連続して下向きに突出する封止部２３とを一体に有している。封止部２３は、はぜ折りされた内外二重の壁で形成してある。

ガスケット６は、ポリプロピレン樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂やテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体などの弾性と絶縁性とに優れたプラスチック材を素材とする射出成形品からなる。ガスケット６は、リング形状のベース部２６と、ベース部２６の外周縁から上向きに張り出して正極缶３の周壁１６と負極缶５の封止部２３との間に挟持される外筒壁２７と、ベース部２６の内周縁から上向きに張り出す内筒壁２９とを有する。

正極材７は、正極活物質として二酸化マンガンを含有しており、この二酸化マンガンに、黒鉛、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体およびヒドロキシプロピルセルロースを混合して正極合剤を調整し、所定の金型内に正極リング１１をセットしたのちに、前記正極合剤を充填して加圧成形し、この成形体を加熱して円盤状に形成する。

セパレータ１０は、ポリブチレンテレフタレート繊維を素材とする不織布を使用しており、非水電解質を含浸させている。非水電解質としては、プロピレンカーボネイトと１，２−ジメトキシエタンとを混合した溶媒にＬｉＣｌＯ₄ を溶解した溶液を用いた。セパレータ１０の厚さ寸法は0.３〜0.４mm程度である。

負極材９は、図１に示すごとく、その直径寸法（外法寸法）が負極缶５の収容部２１の内径寸法（内法寸法）Ｄ１よりも小さく設定される。正極リング１１を含む正極材７は、直径寸法（外法寸法）が負極材９の直径寸法よりも小さく、かつ正極材７の横方向の移動を規制すべく、正極缶３の凹部１３の内径寸法（内法寸法）Ｄ２よりも僅かに小さく設定される。つまり、正極リング１１を含む正極材７の直径寸法は、凹部１３の内径寸法Ｄ２に対して0.７〜0.９倍程度に設定される。

正極缶３の凹部１３の内径寸法Ｄ２は、負極缶５の収容部２１の内径寸法Ｄ１よりも少なくともセパレータ１０の厚さ寸法（0.３〜0.４mm）の２倍分だけ小さくなるよう設定してある。すなわち、凹部１３の内径寸法Ｄ２は、収容部２１の内径寸法Ｄ１よりも0.６〜0.８mm程度だけ小さくなる。具体的には、凹部１３の内径寸法Ｄ２と、収容部２１の内径寸法Ｄ１との比（Ｄ２／Ｄ１）は0.８０〜0.９８に設定される。

扁平形電池の組み立てに際しては、図１とは天地を逆姿勢にした状態で組み立てる。正極材７は、前述のごとく正極リング１１内に装填しておく。そして、負極缶５の開口端部にガスケット６を装着し、負極缶５の収容部２１の内面に負極材９を導電性接着剤などで固定したのちに、セパレータ１０および正極材７を負極材９の上側に重ねるように組み付ける。

次に、負極缶５内に非水電解液を注入したうえで、正極缶３を上方より被せて負極缶５とガスケット６とを正極缶３内に嵌め込み、正極缶３の周壁１６の開口端部を内方に向けてかしめ加工する。これによって電池の組み立てが完了する。この状態で、正極リング１１を含む正極材７の下端が凹部１３内に嵌まり込んでいる（図１の状態）。

正極缶３と負極缶５との間にガスケット６が圧縮状態で挟み込まれることで、電池缶１内が密封される。正極材７および正極リング１１の下面は、正極缶５の凹部１３の内面に接していて、正極材７が正極缶３に導通している。

正極リング１１を含む正極材７の下端が凹部１３内に嵌まり込むことで、前記正極材７が正極缶３の底壁１２のほぼ中央に位置決めされ、かつＤ２／Ｄ１が0.８０〜0.９８の範囲内に設定されるので、正極リング１１を含む正極材７と、電池缶１の内面との間にセパレータ１０が挟み込まれることがない。

（実施例２） 図３は、実施例２に係る扁平形電池の正極缶３を示している。実施例２では、正極缶３の底壁１２の凹部１３内の周縁部に複数個の突起部３１が内向きに膨出形成されている。そして、これらの突起部３１の内側（底壁１２の中心側）となる中央領域３２で、正極リング１１を含む正極材７を受け止めて正極材７の横方向の移動を規制する。各突起部３１は、正極缶３の周方向に所定間隔で形成されている。前記中央領域３２の径寸法（内法寸法）Ｄ３が、前記収容部２１の内径寸法Ｄ１よりも小さくなるよう設定してある。

前記中央領域３２の径寸法Ｄ３は、収容部２１の内径寸法Ｄ１よりもセパレータ１０の厚さ寸法の２倍分だけ小さくなるよう設定してある。また、中央領域３２の径寸法Ｄ３と、収容部２１の内径寸法Ｄ１との比（Ｄ３／Ｄ１）が、0.８０〜0.９８になるよう設定してある。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。なお、図３では突起部３１は、３個だけ形成されているが、４個以上形成してもよい。また、正極缶３の凹部１３の内径寸法は、収容部２１の内径寸法Ｄ１よりも大きくするなどのよう任意の寸法に設定できる。

実施例２では、正極缶３の凹部１３の内径寸法を任意に設定できるので、電池缶１の内部容量を実施例１よりも大きくすることなどができ、その分だけ正極缶３の設計の自由度が増すことになる。なお、実施例１・２において、正極リング１１を省略した状態で、正極材７を電池缶１内に収容してもよい。

実施例１の扁平形電池の縦断面図 実施例１の扁平形電池の分解断面図 実施例２の扁平形電池に係る正極缶の平面図

符号の説明

１ 電池缶
２ 発電要素
３ 正極缶
５ 負極缶
７ 正極材
９ 負極材
１０ セパレータ
１１ 正極リング
１２ 底壁
１３ 凹部
２１ 収容部

Claims (10)

1. 上向きに開口する正極缶と下向きに開口する負極缶とからなる電池缶と、正極材の上側にセパレータを介して負極材を配する発電要素とを有していて、前記電池缶の内部に前記発電要素を収容する扁平形電池において、
   前記正極缶の底壁の中央側を下向きに膨出させて、前記正極缶の内面側に凹部を段落ち状に形成してあり、
   前記凹部で前記正極材を受け止めて前記正極材の横方向の移動を規制しており、
   前記負極缶の上壁側に設けた収容部に前記負極材を収容しており、
   前記凹部の内法寸法（Ｄ２）が、前記収容部の内法寸法（Ｄ１）よりも小さくなるよう設定してあることを特徴とする扁平形電池。
2. 前記凹部の内法寸法（Ｄ２）が、前記収容部の内法寸法（Ｄ１）よりも少なくとも前記セパレータの厚さ寸法の２倍分だけ小さくなるよう設定してある請求項１記載の扁平形電池。
3. 前記凹部の内法寸法（Ｄ２）と、前記収容部の内法寸法（Ｄ１）との比（Ｄ２／Ｄ１）が、0.８０〜0.９８になるよう設定してある請求項１記載の扁平形電池。
4. 前記正極材の外法寸法が、前記凹部の内法寸法（Ｄ２）の0.７〜0.９倍に設定されている請求項項１又は２又は３記載の扁平形電池。
5. 上向きに開口する正極缶と下向きに開口する負極缶とからなる電池缶と、正極材の上側にセパレータを介して負極材を配する発電要素とを有していて、前記電池缶の内部に前記発電要素を収容する扁平形電池において、
   前記正極缶の底壁の中央側を下向きに膨出させて、前記正極缶の内面側に凹部を段落ち状に形成してあり、
   前記凹部内の周縁部に複数個の突起部が内向きに膨出形成されていて、これらの突起部の内側の領域で前記正極材を受け止めて前記正極材の横方向の移動を規制しており、
   前記負極缶の上壁側に設けた収容部に前記負極材を収容しており、
   前記領域の内法寸法（Ｄ３）が、前記収容部の内法寸法（Ｄ１）よりも小さくなるよう設定してあることを特徴とする扁平形電池。
6. 前記領域の内法寸法（Ｄ３）が、前記収容部の内法寸法（Ｄ１）よりも少なくとも前記セパレータの厚さ寸法の２倍分だけ小さくなるよう設定してある請求項５記載の扁平形電池。
7. 前記領域の内法寸法（Ｄ３）と、前記収容部の内法寸法（Ｄ１）との比（Ｄ３／Ｄ１）が、0.８０〜0.９８になるよう設定してある請求項５記載の扁平形電池。
8. 前記正極材の外法寸法が、前記領域の内法寸法（Ｄ３）の0.７〜0.９倍に設定されている請求項項５又は６又は７記載の扁平形電池。
9. 前記正極材は、その外周面に装着される正極リングを含んでいる請求項１又は２又は３又は４又は５又は６又は７又は８記載の扁平形電池。
10. 前記正極材は、正極活物質として二酸化マンガンを含有する請求項９記載の扁平形電池。

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