JP2007273111A - 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を収容するようになっている。正極材７が、その外周面に装着される正極リング１１を含んでいる。負極缶５の上壁側に設けた収容部２１に負極材９を収容している。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って、凹部１３で正極材７を受け止めている。正極リング１１の上端部の外径寸法Ｄ２が、収容部２１の内径寸法Ｄ１よりも小さく、かつ正極リング１１の下部の外径寸法Ｄ３が、正極リング１１の上端部の外径寸法Ｄ２よりも大き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、放電に伴う正極材の体積増加や衝撃などによって、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、正極材７が、その外周面に装着される正極リング１１を含んでおり、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、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って、凹部１３で正極材７を受け止めており、正極リング１１の上端部の外法（そとのり）寸法Ｄ２が、収容部２１の内法（うちのり）寸法Ｄ１よりも小さく、かつ正極リング１１の下部の外法寸法Ｄ３が、正極リング１１の上端部の外法寸法Ｄ２よりも大きくなるよう設定してあることを特徴とする。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。

例えば、ボタン型電池の場合には、正極リング１１の外法寸法Ｄ２・Ｄ３は、円筒状の正極リング１１の外径寸法が該当し、収容部２１の内法寸法Ｄ１は、円柱状の収容部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、正極リング１１の上端部の前後および左右の外法寸法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、正極缶３の凹部１３の内法寸法Ｄ４と正極リング１１の下部の外法寸法Ｄ３との差（Ｄ４−Ｄ３）が、負極缶５の収容部２１の内法寸法Ｄ１と正極リング１１の上端部の外法寸法Ｄ２との差（Ｄ１−Ｄ２）よりも小さくなるよう設定してある。

詳しくは、正極リング１１の上端部の外法寸法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。

より詳しくは、正極リング１１の下部の外法寸法Ｄ３と正極リング１１の上端部の外法寸法Ｄ２との差（Ｄ３−Ｄ２）が、正極缶３の凹部１３の内法寸法Ｄ４と負極缶５の収容部２１の内法寸法Ｄ１との差（Ｄ４−Ｄ１）よりも少なくともセパレータ１０の厚さ寸法の２倍分だけ大きくなるよう設定してある。

具体的には、正極リング１１の上端部は、円筒状に形成されているものとすることができる。また、正極リング１１は、上側ほど外法寸法が小さくなる上窄まり状に形成されて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。

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、正極リング１１の上端部の外法寸法Ｄ２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の周縁側にずれてもセパレータ１０が正極材７、特に正極リング１１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。

しかも、正極リング１１の下部の外法寸法Ｄ３を正極リング１１の上端部の外法寸法Ｄ２よりも大きくしたので、前記正極リング１１の上端部の外法寸法Ｄ２を小さくしたことに伴う正極材７の体積の減少を低減して、電池容量を高く維持できる。

正極材７は、正極活物質として二酸化マンガンを含有した場合には脆くなるために、保形性などの点から強度のある正極リング１１を含むことが好ましく、本発明の正極リング１１を適用することで、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。

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。負極材９は、図１に示すごとく、その外径寸法が負極缶５の収容部２１の内径寸法（内法寸法）Ｄ１よりも小さくなるよう設定される。

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。

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３１と、円筒部３１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３２とを有する。円筒部３１は、下端部が前記凹部１３内に嵌まり込む円筒状の下部円筒部（下部）３１ａと、下部円筒部３１ａから内向きの段差状に繋がって上方へ延びる円筒状の上部円筒部（上端部）３１ｂとを一体に有している。

正極リング１１の上部円筒部３１ｂの外径寸法（外法寸法）Ｄ２は、負極缶５の収容部２１の内径寸法Ｄ１よりも小さく、かつ正極リング１１の下部円筒部３１ａの外径寸法Ｄ３が、上部円筒部３１ｂの外径寸法Ｄ２よりも大きくなるよう設定される。また、下部円筒部３１ａの外径寸法Ｄ３は、正極缶３の凹部１３の内径寸法Ｄ４よりも小さくなるよう設定してある。

具体的に説明すると、正極缶３の凹部１３の内径寸法Ｄ４と正極リング１１の下部円筒部３１ａの外径寸法Ｄ３との差（Ｄ４−Ｄ３）が、負極缶５の収容部２１の内径寸法Ｄ１と正極リング１１の上部円筒部３１ｂの外径寸法Ｄ２との差（Ｄ１−Ｄ２）よりも小さくなるよう設定してある。そのうえで、正極リング１１の上部円筒部３１ｂの外径寸法Ｄ２は、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。

そして、正極リング１１の下部円筒部３１ａの外径寸法Ｄ３と正極リング１１の上部円筒部３１ｂの外径寸法Ｄ２との差（Ｄ３−Ｄ２）は、正極缶３の凹部１３の内径寸法Ｄ４と負極缶５の収容部２１の内径寸法Ｄ１との差（Ｄ４−Ｄ１）よりもセパレータ１０の厚さ寸法の２倍分だけ大きくなるよう設定してある。

詳しく説明すると、正極リング１１の上部円筒部３１ｂの外径寸法Ｄ２は、負極缶５の収容部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。なお、正極リング１１の円筒部３１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３１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３１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。

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の下部円筒部３１ａ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３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。

これにより、正極缶３の凹部１３内で正極リング１１を含む正極材７がずれ動いても、その正極リング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に係る扁平形電池を示している。実施例２では、正極リング１１の円筒部３１が上側ほど外径寸法が小さくなる上窄まりのテーパ状に形成されている。正極リング１１の円筒部３１は、上端よりもやや下寄りの高さ位置までの上端部の外径寸法Ｄ２が負極缶５の収容部２１の内径寸法Ｄ１よりも小さくなるよう設定してある。前記上端部より下側となる正極リング１１の下部側の外径寸法Ｄ３は、前記上端部の外径寸法Ｄ２よりも大きくなっている。その他の点は、実施例１と同様であるので説明を省略する。

正極リング１１の円筒部３１は、上側ほど外径寸法が小さくなるものであればよく、縦断面が円弧状であってもよく、それ以外の形状であってもよい。

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の扁平形電池の部分縦断面図

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
３１ 円筒部
３１ａ 下部円筒部
３１ｂ 上部円筒部

Claims (7)

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、
   前記正極材は、その外周面に装着される正極リングを含んでおり、
   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って、前記凹部で前記正極材を受け止めており、
   前記正極リングの上端部の外法寸法（Ｄ２）が、前記収容部の内法寸法（Ｄ１）よりも小さく、かつ前記正極リングの下部の外法寸法（Ｄ３）が、前記正極リングの上端部の外法寸法（Ｄ２）よりも大き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（Ｄ４）と前記正極リングの下部の外法寸法（Ｄ３）との差（Ｄ４−Ｄ３）が、前記収容部の内法寸法（Ｄ１）と前記正極リングの上端部の外法寸法（Ｄ２）との差（Ｄ１−Ｄ２）よりも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. 前記正極リングの上端部の外法寸法（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又は２記載の扁平形電池。
4. 前記正極リングの下部の外法寸法（Ｄ３）と前記正極リングの上端部の外法寸法（Ｄ２）との差（Ｄ３−Ｄ２）が、前記凹部の内法寸法（Ｄ４）と前記収容部の内法寸法（Ｄ１）との差（Ｄ４−Ｄ１）よりも少なくとも前記セパレータの厚さ寸法の２倍分だけ大きくなるよう設定してある請求項３記載の扁平形電池。
5. 前記正極リングの上端部が、円筒状に形成されている請求項項１又は２又は３又は４記載の扁平形電池。
6. 前記正極リングが、上側ほど外法寸法が小さくなる上窄まり状に形成されている請求項項１又は２又は３又は４記載の扁平形電池。
7. 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１又は２又は３又は４又は５又は６記載の扁平形電池。

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