JP2008282679A

JP2008282679A - 密閉型電池

Info

Publication number: JP2008282679A
Application number: JP2007125961A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Tomimoto; 和生富本; Masanori Ogi; 雅統大木; Hiromitsu Suwa; 弘光諏訪; Shuichi Yamashita; 修一山下; Shuichi Matsuura; 周一松浦
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: JP5110958B2

Abstract

【課題】密閉性に優れた密閉型電池を提供する。
【解決手段】電極タブ８を介して電極と電気的に接続される端子板１と、電池外方に突出した突出部６を有する形状である端子キャップ５と、端子板１と端子キャップ５との間に介在し、電池内部圧力が上昇した際に変形して、端子板１と端子キャップ５との電気的接続を遮断するラプチャーディスク３と、ラプチャーディスク３が電流を遮断する際、ラプチャーディスク３と端子板１との電気的接触を防止する絶縁部材２と、を有する封口体１０と、有底筒状の外装缶２０と、を備え、外装缶２０の開口部を、絶縁ガスケット３０を介して封口体をカシメ固定することにより封口した密閉型電池において、ラプチャーディスク３の外周縁３ａの硬度を中央部３ｂの硬度よりも高くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、密閉型電池の改良に関し、より詳しくは密閉型電池の密閉性の向上に関する。

非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるため、携帯機器の駆動電源として広く利用されている。この非水電解質二次電池には、極めて反応性の高い物質が用いられているため、安全性の確保が重要となる。

非水電解質二次電池の安全性を高めるためには、電池を密閉化するとともに、電池内部で異常が生じた場合には速やかに通電を遮断する等の機構が不可欠である。このため、この種の電池の封口体には、電池内圧が上昇した場合に動作する電流遮断機構が組み込まれている。

封口体に関する技術としては、下記特許文献１、２が挙げられる。

特開2005-259410号公報特開平9-199104号公報

特許文献１の技術は、封口板が電池缶の外側に面する第１金属板と電池缶の内側に面する第２金属板とを互いに密着させて構成され、第１金属板が第２金属板よりも強度の高い材質によって形成される一方、第２金属板が第１金属板よりも非水電解液に対する耐腐食性の高い材質によって形成され、カシメ部による挟圧力が作用する第２金属板の外周部を、その内側の中央部よりも薄く形成することを特徴とする。この技術によると、封口板を大きな力でカシメ固定したとしても電池出力の低下を招くことのない電池が得られるとされる。

特許文献２の技術は、封口板製造及び封口板を電池に組み込む際に受ける応力による変形を最も受けやすい、電流遮断機構を構成する内端子板、皿状蓋板のどちらか一方、または双方に使用する金属板材に、耐力が２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上の金属の両面に異種の金属を配したクラッド板を使用した防爆封口板を用いる技術である。この技術によると、安全性に優れた防爆封口板が得られるとされる。

しかし、これらの技術には、未だ密閉性が十分ではないという問題が残っている。

本発明者らは、電流遮断機構を組み込んだ密閉型電池の密閉性の向上について鋭意研究を行った。従来、電池内部圧力に応じて変形等して電流を遮断するラプチャーディスクについては、変形しやすい硬度の低い材料が用いられており、外力が加わることのある端子キャップには剛性が強い硬度の高い材料が用いられている。このために、カシメ封口の際にカシメ圧力が加わるラプチャーディスクの外周縁部分が伸びて薄くなるため、絶縁ガスケットと封口体との間に隙間ができ、この結果として密閉性が低下することを知った。本発明は、この知見に基づき完成されたものであって、密閉性に優れた密閉型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本発明は次のように構成されている。
有底筒状の外装缶２０の開口部に絶縁ガスケット３０を介して封口体１０をカシメ固定することにより密閉した密閉型電池において、前記封口体１０は、電池外方に突出した突出部６を有する端子キャップ５と、前記端子キャップ５より電池内方に位置し、電極タブを介して電極と電気的に接続された端子板１と、前記端子キャップ５と前記端子板１との間に配置され、周辺部が前記端子キャップ５と通電可能に接続され、前記周辺部以外に設けられた通電接触部７が前記端子板１と通電可能に接続されるとともに、電池内部圧力が上昇したときには前記端子板１との通電が遮断される構造のラプチャーディスク３と、前記端子板１の周辺部と前記ラプチャーディスク３との間に配置された絶縁部材２と、を有し、前記ラプチャーディスク３の外周縁の硬度を中央部の硬度よりも高めたことを特徴とする。

この構成では、ラプチャーディスク３の外周縁（３ａ）の硬度を中央部（３ｂ）よりも高く形成してあるので、カシメ封口の際に加わる圧力によってラプチャーディスク（３）の外周縁（３ａ）が変形しにくい。よって、ラプチャーディスク（３）の外周縁（３ａ）の変形に起因する密閉性不良が生じにくい。なお、ラプチャーディスク（３）の外周縁（３ａ）の変形に起因する密閉性不良は、加圧力が作用するラプチャーディスク部分（外周縁３ａ部分）が薄くなり前方に伸びる結果、封口体の先端部分が不揃いになる等して、封口体（１０）と絶縁ガスケット（３０）との間に隙間が生じるためと考えられる。

上記構成において、前記ラプチャーディスク（３）は、金属元素組成が同一の単一材料により構成されており、外周縁を加工硬化または焼入れすることにより外周縁の硬度が中央部よりも高められている。

ラプチャーディスクを複数の材料により作製することにより、外周縁部分（３ａ）の硬度を高めることができるが、この方法は、複雑な工程を必要とし、コスト高になる。これに対し、単一の材料でラプチャーディスク体を形成した上で、このものの外周縁（３ａ）を加工硬化し、または焼入れをする方法により、ラプチャーディスク３の外周縁（３ａ）の硬度を中央部（３ｂ）よりも高めることができる。

ここで加工硬化とは、叩きや加圧などにより圧縮力を作用させ硬さを増す加工法をいい、焼き入れとは、金属を高温に加熱した後、これを急冷し、硬さを増す加工法をいう。

上記構成において、ラプチャーディスク３の硬度の高い外周縁３ａを、少なくともカシメ封止の際にカシメ固定力が直接作用する部分を含むものとする。このようにすると、本発明の効果が十分に得られる。

また、上記構成において、前記ラプチャーディスク３の外周縁３ａの厚みを、中央部３ｂの厚みよりも薄くする。なお、加工硬化法によると当該部分の厚みが他の部分よりも薄くなる。

この構成によると、充放電反応に寄与しない封口体の体積を小さくすることができるので、電池の体積エネルギー密度を高めることができる。

また、上記構成において、前記ラプチャーディスク３の外周縁３ａの硬度は、好ましくは中央部３ｂよりも１０％以上高くする。

この構成によると、ラプチャーディスク３の外周縁３ａの変形を十分に抑制でき、電池の密閉性がより確かになる。なお、１０％という値は、通常の材料が有する不均一さに起因する硬度のバラツキを超える値である。

また、上記構成において、前記ラプチャーディスク３と、前記端子キャップ５とが、直接又は中間材４を介して溶接されている構成とすることができる。

ラプチャーディスク３と、端子キャップ５との固定は、溶接を用いることが好ましいが、ラプチャーディスク３には変形しやすい性質が求められ、他方、端子キャップには強度が求められる。このため、ラプチャーディスク３と、端子キャップ５とを直接溶接することが難しい場合がある。この場合にラプチャーディスク３と端子キャップ５との間に、中間材４を介在させるとよい。

上記溶接としては、抵抗溶接、超音波溶接、又は高エネルギー線を用いた溶接を採用でき、高エネルギー線としては、レーザ光又は電子ビームを採用することができる。

上記で説明したように、本発明によると、構成部材を新たに附加することなく、密閉性に優れた密閉型電池を生産性よく提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することができる。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態にかかる密閉型電池に用いる封口体の断面図であり、図２は、本実施の形態にかかる密閉型電池の要部拡大断面図である。

図１に示すように、封口体１０は、電極タブ８を介して正極または負極と電気的に接続される端子板１と、電池外方に突出した突出部６を有する端子キャップ５と、端子板１と端子キャップ５との間に介在し、電池内部圧力が上昇した際に変形して、端子板１と端子キャップ５との電気的接続を遮断するラプチャーディスク３と、ラプチャーディスク３が電流を遮断する際、ラプチャーディスク３と端子板１との電気的接触を防止する絶縁部材２と、ラプチャーディスク３と端子キャップ５との間に介在する中間材４と、を備えている。

図２に示すように、外装缶２０の開口部は、絶縁ガスケット３０を介して封口体１０がカシメ固定されて封口されている。

ラプチャーディスク３の外周縁３ａは、加工硬化や焼入れなど、材質変化させる手段により、中央部３ｂよりも硬度が高くなるように加工され、中央部近傍に電池内方に凸の通電接触部７が設けられて入る。

本発明を、実施例を用いて詳細に説明する。

（実施例１）
〈正極の作製〉
コバルト酸リチウム９４質量部と、導電剤としての炭素粉末３質量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３質量部と、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）と、を混合して正極活物質スラリーとした。この正極活物質スラリーを、ドクターブレード法を用いて、アルミニウム製の正極集電体の両面に塗布し、乾燥してスラリー調製時に必要であった溶剤（ＮＭＰ）を除去し、圧延して、正極を完成させた。

〈負極の作製〉
負極活物質としての黒鉛９６質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）２質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）２質量部と、水とを混合して負極活物質スラリーとした。この負極活物質スラリーを、ドクターブレード法を用いて、銅製の負極集電体の両面に塗布し、乾燥してスラリー調製時に必要であった水を除去し、圧延して、負極を完成させた。

〈電極体の作製〉
上記正極及び負極を、ポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータ（厚み２２μｍ）を介して巻回することにより、電極体を作製した。

〈封口体の作製〉
厚み０．４ｍｍのアルミニウム板の外周（直径１６．５ｍｍよりも外側部分）を厚みが０．３ｍｍとなるまでプレスすることによりアルミニウム板の周囲を加工硬化した。この後、Ｖ字状の破砕溝を形成すると共に中心部をプレスし通電接触部７（凸部）を形成した後、直径１７ｍｍに打ち抜いて、図１に示すようなラプチャーディスク３を作製した。このラプチャーディスク３の外周縁３ａの幅は０.２５ｍｍである。
この後、ラプチャーディスク３の上面に、ニッケルめっきを施された鉄製の端子キャップ５を、ニッケル−アルミニウムクラッド材製の中間材４を介してレーザ溶接し、下面に、樹脂製の絶縁板２を介してアルミニウム製の端子板１を溶接し、封口体１０を作製した。なお、中間材４のニッケル面は端子キャップ５と面し、アルミニウム面はラプチャーディスク３と面するように配置した。

〈非水電解質の調製〉
エチレンカーボネート５０体積部と、ジエチルカーボネート５０体積部と、を混合し（２５℃、１気圧）、これに電解質塩としてのＬｉＰＦ_６を１．０Ｍ（モル／リットル）となるように溶解し、非水電解質となした。

〈電池の組み立て〉
円筒形の外装缶に、上記電極体を挿入し、電極体と外装缶、電極体と封口体とを溶接し、上記非水電解質を注液し、封口体により外装缶の開口を、ガスケットを介してカシメ封止することにより、実施例１に係る非水電解質二次電池を作製した。

（比較例１）
封口体の作製の際に、ラプチャーディスク３の外周縁３ａの加工硬化を行わ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に係る非水電解質二次電池を作製した。

〔ラプチャーディスクのせり出し率の測定〕
上記実施例１、比較例１にかかる電池について、カシメ封止部分のラプチャーディスクの絶縁ガスケットへのせり出し率を測定した。この結果を、実施例１の値を１００とした相対値で下記表１に示す。

〔ラプチャーディスクのはみ出し率の測定〕
上記実施例１、比較例１にかかる電池のラプチャーディスクにおけるカシメ部分の硬度をビッカース硬さ測定法により測定した。比較例１の値を１００とした相対値で下記表１に示す。

〔密閉性試験〕
上記実施例１、比較例１にかかる電池をそれぞれ１０個ずつ用意し、１．８５ｍの高さからコンクリート床に落下させる試験を行った（縦方向、横方向、高さ方向からの落下を１セットとして合計１０セット）。この落下により、非水電解質の液漏れが確認されたものをＮＧと判定した。この結果を下記表１に示す。

上記表１から、加工硬化を行った実施例１では、せり出し率が１００％と、加工硬化を行っていない比較例１の１１５％よりも小さいことがわかる。

このことは、次のように考えられる。加工硬化を行うことにより、ラプチャーディスクの外周縁部分の硬度が高まる（表１参照）。このため、カシメ力によってもラプチャーディスクがせり出すように変形することがない。他方、比較例１では、加工硬化を行っていないため、ラプチャーディスクの外周縁部分の硬度が小さく、カシメの力によってラプチャーディスクがせり出すように変形する。

また、加工硬化を行った実施例１では、密閉性試験が０／１０ＮＧと、加工硬化を行っていない比較例１の３／１０ＮＧよりも優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。加工硬化を行うことにより、ラプチャーディスクの外周縁部分の硬度が高まる（表１参照）。このため、カシメの力によってもラプチャーディスクがせり出すように変形することがない。このため、ガスケットと封口体との間に隙間が生じなくなり、密閉性が高まる。よって、液漏れが生じることがない。

なお、上記実施例では、圧縮によりラプチャーディスクの外周縁を加工硬化させたが、ラプチャーディスクの外周縁を叩いて加工硬化させてもよい。また、焼き入れにより、外周縁を材質変化させ硬化させてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、密閉性が極めて高い密閉型電池を実現することができる。よって、産業上の利用可能性は大きい。

図１は、実施例１にかかる密閉電池の封口体の断面図である。図２は、実施例１にかかる密閉電池の要部断面図である。

符号の説明

１端子板
２絶縁板
３ラプチャーディスク
４中間材
５端子キャップ
６突出部
７通電接触部
８電極タブ
２０外装缶
３０絶縁ガスケット

Claims

有底筒状の外装缶（２０）の開口部に絶縁ガスケット（３０）を介して封口体（１０）をカシメ固定することにより密閉した密閉型電池において、
前記封口体（１０）は、
電池外方に突出した突出部（６）を有する端子キャップ（５）と、
前記端子キャップ（５）より電池内方に位置し、電極タブ（８）を介して電極と電気的に接続された端子板（１）と、
前記端子キャップ（５）と前記端子板（１）との間に配置され、周辺部が前記端子キャップ（５）と通電可能に接続され、前記周辺部以外に設けられた通電接触部（７）が前記端子板（１）と通電可能に接続されるとともに、電池内部圧力が上昇したときには前記端子板（１）との通電が遮断される構造のラプチャーディスク（３）と、
前記端子板（１）の周辺部と前記ラプチャーディスク（３）との間に配置された絶縁部材（２）と、を有し、
前記ラプチャーディスク（３）の外周縁の硬度を中央部の硬度よりも高めた、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１に記載の密閉型電池において、
前記ラプチャーディスク（３）は、金属元素組成が同一の単一材料により構成されており、外周縁を加工硬化または焼入れすることにより外周縁の硬度が中央部よりも高められている、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１に記載の密閉型電池において、
前記ラプチャーディスク（３）の外周縁は、外装缶のカシメ固定力が直接作用する部分を含む領域である、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１に記載の密閉型電池において、
前記ラプチャーディスク（３）の外周縁の厚みは、中央部の厚みよりも薄い、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１に記載の密閉型電池において、
前記ラプチャーディスク（３）の外周縁の硬度は、前記ラプチャーディスク（３）の中央部の硬度よりも１０％以上高い、
ことを特徴とする密閉型電池。
請求項１に記載の密閉型電池において、
前記端子キャップ（５）と前記ラプチャーディスク（３）の周辺部とは、直接又は中間材（４）を介して溶接されている、
ことを特徴とする密閉型電池。