JP2010061821A

JP2010061821A - 密閉型電池

Info

Publication number: JP2010061821A
Application number: JP2008223115A
Authority: JP
Inventors: Naoto Kunoike; 直人九之池; Shuji Sugimoto; 修二杉本; Kazuhiko Watanabe; 和彦渡邉
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】密閉型電池の樹脂ガスケットの改良により、封口部へ金属異物等が混入するような不慮時において樹脂ガスケットのせん断に起因する微小短絡を抑制し、電気特性及び安全性に優れた密閉型電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の密閉型電池は、正極板と負極板とセパレータとからなる電極群４と電解液とを収納した金属ケース５と、金属ケース５の開口部を絶縁性の樹脂ガスケット２を介して封口板１で封口した密閉型電池であって、樹脂ガスケット２の表面に用いる樹脂より柔軟性が高い樹脂からなる層２ａを樹脂ガスケット２の内部に備える。
【選択図】図２

Description

本発明は密閉型電池に関し、特にその封口部の樹脂ガスケットの改良に関する。

密閉型電池、特に小型携帯機器等の駆動用電源として用いられる密閉型二次電池は、高容量のアルカリ蓄電池に代表される水系電解液二次電池や、リチウム二次電池に代表される非水電解液二次電池などの密閉型二次電池が知られている。

これら密閉型二次電池は、正極板と負極板とセパレータとからなる電極群と電解液とを金属ケースに収納し、この金属ケースの開口部と封口板とを絶縁性の樹脂ガスケットを介して封口した密閉構造をしている。また、封口板と金属ケースに、電極群から導出された正、負極リードを接続することにより、封口板と金属ケースは正、負極のどちらかの外部端子を兼ねている。

このような密閉構造にした場合、一方の外部端子を兼ねた金属ケースと他方の外部端子を兼ねた封口板との間に絶縁性の樹脂ガスケットを介し、金属ケースと封口板とを電気的に絶縁している。また、金属ケースと封口板とを電気的に絶縁するとともに、金属ケースと封口板との間の密閉性を保っている。

この金属ケースと封口板との電気的な絶縁と密閉性を保つという機能を満たすために、絶縁性の樹脂ガスケットは、例えば非水電解液二次電池の場合、ポリプロピレン樹脂などのオレフィン系ポリマー、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素系ポリマー、その他セルロース系ポリマー、ポリイミド、ポリアミド、さらにはプロピレンとエチレンのブロック共重合ポリマーなどを一体樹脂成型した樹脂ガスケットが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００１−２０２９３５号公報特開２００５−３１０５６９号公報

上記の提案によれば、互いに端子の機能を有する金属ケースと封口板との間に一体樹脂成型した樹脂ガスケットを設置することにより金属ケースと封口板との絶縁性と密閉性を保つことにおいて有効である。しかしながら、金属ケースの開口部と封口板とを絶縁性の樹脂ガスケットを介して封口し、この樹脂ガスケットが狭圧され厚みが薄くなる部分（狭圧部）に、不特定形状の金属粒子や針状バリ等の導電体の異物が挟まった場合、樹脂ガスケットの狭圧部が全厚みに渡ってせん断し、導電体の異物が貫通し、金属ケースと封口板とが導電体の異物を介して接触し、微小短絡する恐れがあった。

そこで、本発明はこのような従来の課題を解決するもので、金属ケースと封口板との間の樹脂ガスケットの狭圧部に導電体の異物が挟まって樹脂ガスケットにせん断作用が働いても、樹脂ガスケットの表面に用いる樹脂より柔軟性が高い樹脂からなる層が樹脂ガスケットの厚み方向のせん断を可能な限り止める。これにより導電体の異物が樹脂ガスケットを貫通することを可能な限り止めて、微小短絡する恐れがない電気特性及び安全性に優れた密閉型電池を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の密閉型電池は、正極板と負極板とセパレー
タとからなる電極群と電解液とを収納した金属ケースと、金属ケースの開口部を絶縁性の樹脂ガスケットを介して封口する封口板を備えた密閉型二次電池であって、樹脂ガスケットの表面に用いる樹脂より柔軟性が高い樹脂からなる層を樹脂ガスケットの内部に備えたことを特徴とする。

これにより、不特定形状の金属粒子や針状バリ等の導電体の異物が、金属ケースと封口板と、この両者の間で狭圧され厚みが薄くなる樹脂ガスケットの狭圧部との間に挟まり、樹脂ガスケットをせん断させる作用が働く場合であっても、樹脂ガスケットの内部に備えた柔軟性が高い樹脂からなる層によりせん断の進行を止め、導電体の異物の貫通を可能な限り止めることができる。

本発明によれば、導電体の異物が、金属ケースと封口板と、この両者の間で狭圧され厚みが薄くなる樹脂ガスケットの狭圧部との間に挟まり、樹脂ガスケットをせん断させる作用が働く場合であっても、樹脂ガスケットの内部に備えた柔軟性が高い樹脂からなる層によりせん断の進行を止め、導電体の異物の貫通を可能な限り止めることができるため、金属ケースと封口板とが導電体の異物を介して接触し、微小短絡することを抑制できる。

本発明の実施の形態における密閉型電池は、正極板と負極板とセパレータとからなる電極群と電解液とを収納した金属ケースと、金属ケースの開口部を絶縁性の樹脂ガスケットを介して封口する封口板を備えた密閉型電池であって、樹脂ガスケットの表面に用いる樹脂より柔軟性が高い樹脂からなる層を樹脂ガスケットの内部に備えたものである。即ち、樹脂ガスケットの表面に用いる樹脂より弾性率が低い樹脂からなる層を樹脂ガスケットの内部に備えたものである。

これによれば、不特定形状の金属粒子や針状バリ等の導電体の異物が、金属ケースと封口板と、樹脂ガスケットの狭圧部との間に挟まり、樹脂ガスケットをせん断させる作用が働く場合であっても、樹脂ガスケットの内部に備えた柔軟性が高い樹脂からなる層によりせん断の進行を止めることができる。また、樹脂ガスケットの基材（表面）より硬度が低く柔軟性が高い樹脂からなる層が圧縮されつつ、導電体の異物が、柔軟性が高い樹脂からなる層に食い込み、導電体の異物を好適に吸収することができる。その結果、導電体の異物が樹脂ガスケットを貫通することを可能な限り止めることができるので、金属ケースと封口板との接触、微小短絡を効果的に抑制することができる。

ここで、本発明で使用できる樹脂ガスケットは、例えば非水電解液二次電池の場合、材質として、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ポリアミド等であり、なかでも耐有機溶媒性及び低水分透過性から、オレフィン系ポリマーが好ましい。

また、柔軟性が高い樹脂として、合成ゴムが好ましい。柔軟性が高い樹脂として用いる合成ゴムは、材質として、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム等、樹脂ガスケットの表面より高い柔軟性を有した材料が好ましい。これによれば、合成ゴムからなる層が導電体の異物による樹脂ガスケットの厚み方向のせん断を止め、金属ケースと封口板との接触、微小短絡を抑制する効果が得られる。

また、柔軟性が高い樹脂として、熱可塑性エラストマーが好ましい。柔軟性が高い樹脂として用いる熱可塑性エラストマーは、材質として、オレフィン系、ウレタン系等のコストパフォーマンスと加工性に優れた材料が好ましい。これによれば、熱可塑性エラストマーからなる層が導電体の異物による樹脂ガスケットの厚み方向のせん断を止め、金属ケー
スと封口板との接触、微小短絡を抑制する効果が得られる。

また、柔軟性が高い樹脂からなる層は樹脂ガスケットの内部（中間層）のできる限り広い範囲に備えることが好ましい。樹脂ガスケットの表面の封口板と接触する内側（内部層）と金属ケースと接触する外側（外部層）との間全面に、柔軟性が高い樹脂からなる層を中間層として備えることがより好ましい。

これによれば、樹脂ガスケットの表面を構成する内部層及び外部層に用いる樹脂より柔軟性が高い樹脂を中間層に備えることにより、柔軟性が高い樹脂からなる中間層が樹脂ガスケットの厚み方向のせん断を止め、同時に中間層の高い展延性を活かすことができる。中間層は高い展延性を有するため、樹脂ガスケットの狭圧部に導電体の異物が混入した場合、この異物を介して封口板と金属ケースが接触しないように、封口板が僅かに動いて、導電体の異物が混入した箇所の樹脂ガスケットの厚みが確保される。例えば、樹脂ガスケットの狭圧部の厚み寸法に相当するような大きな異物が混入した場合、本発明の中間層を備えていなければ、封口板と金属ケースは異物を介して容易に接触し微小短絡するが、本発明の中間層を備えることにより封口板と金属ケースとの接触を可能な限り抑制することができる。つまり、高い展延性を有する中間層が封口板の外周側の広い範囲に備わっているため、樹脂ガスケットの狭圧部の一部に導電体の異物が混入しても、この異物が混入した箇所の樹脂ガスケットの内部層または外部層の厚みを残すように封口板が動き易くなるという作用により微小短絡を抑制できる効果が得られる。

また、本発明の構成によれば、金属ケースと接触する樹脂ガスケット、および封口板と接触する樹脂ガスケットの材質は変更する必要がないため、金属ケースと封口板との間の密閉性を問題なく保つことができる。

なお、樹脂ガスケットの狭圧部の厚みは、封口機のかしめ金型によりかしめ封口されているときが最も薄くなり、封口後かしめ金型を開放するときに樹脂ガスケットの狭圧部の厚みは若干戻り大きくなる。微小短絡は、かしめ金型が開放されたときに金属ケースと封口板とが導電体の異物を介して接触していなくても、樹脂ガスケットの狭圧部の厚みが最も薄くなる、かしめ封口されているときに金属ケースと封口板とが導電性の異物を介して接触すれば、微小短絡し電圧不良になる恐れがある。本発明の構成によれば、このようにかしめ封口しているとき、即ち樹脂ガスケットの狭圧部の厚みが最も薄くなるときに、導電体の異物を介して金属ケースと封口板とが接触することを効果的に抑制することができる。

次に、円筒形リチウム二次電池としての実施例を示すが、本発明の密閉型電池はこの実施例に限られるものではない。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例における円筒形リチウム二次電池の縦断面図を示しており、図２は本発明の一実施例における円筒形リチウム二次電池の封口部を拡大した断面図を示している。

正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した電極群４を金属ケース５に収納した後、電極群４の上部に上部絶縁板３を配置して、金属ケース５の上方に溝入れローラーを用いて溝部５ａを設けて電極群４を金属ケース５内に保持した。この溝部５ａの上にポリプロピレンを成型した樹脂ガスケット２を介して封口板１を載置し、金属ケース５の開口部をかしめ封口して、電解液を注液していない、円筒形リチウム二次電池の試験品を構成した。かしめ封口後の樹脂ガスケット２の狭圧部２ｂの厚みは約４００μｍであった。

樹脂ガスケット２はその狭圧部２ｂのほぼ中心部に、柔軟性が高い樹脂からなる層２ａとして、厚み０．０５ｍｍのエチレンプロピレンゴムをインサート成型したものを用いた。これを実施例１とした。

（比較例１）
樹脂ガスケットに柔軟性が高い樹脂からなる層を備えなかったことの他は、実施例１と同様に作製したものを比較例１とした。

柔軟性が高い樹脂からなる層２ａを備えた実施例１と備えなかった比較例１の樹脂ガスケットを評価するために、導電体の異物の代替品として金属異物を事前準備し、かしめ封口前に封口板と樹脂ガスケットの狭圧部との間に意図的に金属異物を配置させ、かしめ封口した。以下に試験方法について示す。

（試験）
金属異物として鉄製の球体で直径１５０μｍを最小径とし、４００μｍ、４２０μｍ、４６０μｍ、６２０μｍと直径を大きくした鉄製の球体を準備し、それぞれ各１個を封口板と樹脂ガスケットの狭圧部との間に配置させ、かしめ封口した。

これらの試験品を雰囲気温度２５℃の環境下で、まず封口直後の状態で抵抗測定を実施した。その後、同じ試験品を４５℃の環境下で２４時間保管後、再度抵抗測定を実施した。ここで、抵抗値が無限大となったものを「微小短絡無し」と判定し、導通状態となったものを「微小短絡有り」と判定した。この試験結果を（表１）に示す。

（表１）の結果からわかるように、樹脂ガスケット２に柔軟性が高い樹脂からなる層２ａとしてエチレンプロピレンゴムをインサート成型したものを用いた実施例１は、金属異物のサンプル１〜５のいずれにおいても微小短絡しなかった。これは樹脂ガスケット２に柔軟性が高い樹脂からなる層２ａを備えたため、金属異物による樹脂ガスケット２のせん断の進行を止めるとともに金属異物の貫通を止めることができたためと考えられる。

一方、樹脂ガスケットに柔軟性が高い樹脂からなる層を備えなかった比較例１は、金属異物のサンプル１〜３において微小短絡した。これは金属異物の大きさが４２０μｍ以上と大きいため、樹脂ガスケットの厚みが薄くなる狭圧部において金属異物が貫通したためである。

金属異物のサンプル４、５においてはいずれも微小短絡しなかった。これは樹脂ガスケットの狭圧部の厚みに対して金属異物の大きさが小さかったためと考えられる。しかしな
がらサンプル４を配置させた試験品の樹脂ガスケットの狭圧部をＸ線観察したところ、実施例１では樹脂ガスケットのせん断が止まっていたが、比較例１では全厚みに渡ってせん断していることがわかった。サンプル４の金属異物の大きさは４００μｍであり、かしめ封口時には樹脂ガスケットの狭圧部の厚みが最も薄くなるため、この最も薄くなったときに樹脂ガスケットの狭圧部が全厚みに渡ってせん断したと考えられる。即ち、比較例１のサンプル４を用いた試験品ではかしめ封口時に金属ケースと封口板とが金属異物を介して接触、導通し、かしめ封口後、かしめ金型を開放したときに樹脂ガスケットの厚みが若干戻ることによって導通しなくなったことが予想される。

また、今回の試験では、電池組立後と４５℃２４時間保管後の微小短絡の有り、無しで特に差は確認できなかったが、樹脂ガスケットの表面に用いたポリプロピレンは４５℃２４時間保管で熱変形し易いがエチレンプロピレンゴムは同条件で熱変形しないため、柔軟性が高い樹脂としてエチレンプロピレンゴムを用いることは有効であるといえる。

なお、本実施例では柔軟性が高い樹脂としてエチレンプロピレンゴムを用いたが、熱可塑性エラストマーを用いても同様の効果が得られることを確認した。

また、本実施例では円筒形リチウム二次電池について説明したが、かしめ封口構造であれば角形の密閉型電池でも同様の効果が得られる。また、リチウム二次電池に限らずアルカリ蓄電池でも同様の効果が得られることはいうまでもない。

本発明にかかる密閉型電池は、かしめ封口時の樹脂ガスケットが挟圧される部分に導電体の異物が挟まった場合においても、金属ケースと封口板とが導電体の異物を介して接触し、微小短絡することを抑制できるため、さらなる高エネルギー密度化と安全性への要望が高まる小型携帯機器や自動車等の駆動用電源として有用である。

本発明の一実施例における円筒形リチウム二次電池の断面図本発明の一実施例における円筒形リチウム二次電池の封口部を拡大した断面図

符号の説明

１封口板
２樹脂ガスケット
２ａ柔軟性が高い樹脂からなる層
２ｂ狭圧部
３上部絶縁板
４電極群
５金属ケース
５ａ溝部

Claims

正極板と負極板とセパレータとからなる電極群と電解液とを収納した金属ケースと、前記金属ケースの開口部を絶縁性の樹脂ガスケットを介して封口する封口板を備えた密閉型電池であって、
前記樹脂ガスケットは、樹脂ガスケットの表面に用いる樹脂より柔軟性が高い樹脂からなる層を内部に備えたことを特徴とする密閉型電池。
前記樹脂ガスケットの表面は、前記封口板と接触する内部層と前記金属ケースと接触する外部層とからなり、前記柔軟性が高い樹脂からなる層を前記内部層と外部層との間に中間層として備えたことを特徴とする、請求項１に記載の密閉型電池。
前記柔軟性が高い樹脂として合成ゴムを用いたことを特徴とする、請求項１または２に記載の密閉型電池。
前記柔軟性が高い樹脂として熱可塑性エラストマーを用いたことを特徴とする、請求項１または２に記載の密閉型電池。