JP2010108870A

JP2010108870A - 円筒形電池

Info

Publication number: JP2010108870A
Application number: JP2008282127A
Authority: JP
Inventors: Kanji Urushibara; 完二漆原; Satoru Naruse; 悟成瀬
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-13

Abstract

【課題】
電池が落下するなどして電池に衝撃が加わった際、電池缶の開口部付近の内側壁に接続されているリード部材が折れ曲がり、折れ曲がった部分が他の極の電極板と接触し内部短絡を起こすことを防止して、信頼性の高い円筒形電池を提供すること。
【解決手段】本発明の円筒形電池は、巻回形電極体３において最も外周に位置する負極板５に接続された負極リード８が、電池缶１の内側壁に接続されており、前記負極リード８は、前記電池缶１の内側壁に接続された領域の長手方向と垂直な断面がＶ字状であり、前記Ｖ字状のＶ字間の角度が１５０°以下であることを特徴とする。落下の衝撃により巻回電極体３が電池缶１内で移動する共に負極リード８が内側に折れ曲がることを防ぎ、内部短絡を起こすことを防止する。
【選択図】図５

Description

本発明は、円筒形電池に関し、特に帯状の正極板と帯状の負極板とをセパレータを介して巻回した巻回形電極体と、電解液とを、円筒形電池缶内に収納し、前記巻回形電極体において最も外周に位置する前記正極板または前記負極板に接続されたリード部材が、前記円筒形電池缶の内側壁に接続されている円筒形電池に関する。

従来、正負極板から電気エネルギーを取り出すために、金属製のリード部材が正負極板にそれぞれ取り付けられており、例えば、これらの正負極のリード部材を金属製電池缶および金属製電池蓋に絶縁固定された端子にそれぞれ接続した後、電池缶の開口部に電池蓋を溶接封口した構造がとられている。
このリード部材を電池缶に接続する位置は、電池缶内のスペースを有効に利用するため、また、リード部材の取り付け作業を簡略化するため、電池缶の開口部付近の内側壁とされている。

上述したような構成を有する従来の電池においては、内部構造を簡略化する目的で電極体から電池缶の接続部までのリード部材の長さはできるだけ短くなるように設計されている。この従来の構造を有する電池に、例えば誤って落下するなどして衝撃が加わった場合、その衝撃によって電極体が移動し、リード部材に圧縮、引っ張りの力かかってリード部材が切断され、電池として機能しなくなる虞がある。このため、電池内の空間部分に電極体の移動を防止するための樹脂製スペーサを配している。しかしながら、スペーサだけでは十分な効果を得られるには至っていない。
また、図６に示すように、電池缶の開口部付近の内側壁に接続したリード部材に凸状のたわみを持たせることにより、落下などの衝撃が加わった場合でもタブ部材に圧縮、引っ張りの力がかかることを防ぎ、リード部材が切断することのない電池の構造が提案されている（特許文献１）。

実開平５−２３４１４号公報

図６に示す構造をとることにより、電池が落下するなどして電池に衝撃が加わった場合、電池缶の開口部付近の内側壁に接続されているリード部材に圧縮、引っ張りの力がかかることを防ぎ、リード部材が切断されることを防止できる。しかしながら、凸状のたわみを持たせたリード部材が、内側に位置する異なる極の電極板と接触し、内部短絡を起こす虞があった。
また、リード部材の長さを適切に調節した場合であっても、図7Ａに示すような状態で電池蓋側を下に向け電池を落下させた場合、図7Ｂに示すように落下の衝撃により電極体が電池蓋側へ移動すると共に、リード部材が内側に折れ曲がり、折れ曲がった部分が内側に位置する異なる極の電極板と接触し、内部短絡を起こす虞があった。

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するために開発されたものであり、その目的は、電池が落下するなどして電池に衝撃が加わった際、電池缶の開口部付近の内側壁に接続されているリード部材が折れ曲がり、折れ曲がった部分が他の極の電極板と接触し内部短絡を起こすことを防止して、信頼性の高い円筒形電池を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の円筒形電池は、帯状の正極板と帯状の負極板とをセパレータを介して巻回した巻回形電極体と、電解液とを、円筒形電池缶内に収納した円筒形電池において、
前記巻回形電極体において最も外周に位置する前記正極板または前記負極板に接続されたリード部材が、前記円筒形電池缶の内側壁に接続されており、前記リード部材は、前記円筒形電池缶の内側壁に接続された領域の長手方向と垂直な断面がＶ字状であり、前記Ｖ字状のＶ字間の角度が１５０°以下であることを特徴とする。

上記構成によると、リード部材の長手方向と垂直な断面がＶ字状であるため、リード部材が長手方向で折れ曲がり難くなる。これにより、電池蓋側を下に向け電池を落下させた場合であっても、落下の衝撃により巻回形電極体が電池缶の電池蓋方向へ移動すると共にリード部材が内側に折れ曲がることを防止できる。したがって、電池が落下した際、リード部材が異なる極の電極板と接触し、内部短絡を起こすことを防止できる。

本発明の効果を得るためには、リード部材の円筒形電池缶の内側壁に接続された領域の断面におけるＶ字間の角度θが、１５０°以下である必要がある。これは、リード部材の断面におけるＶ字間の角度θが、１５０°よりも大きくなると、リード部材が長手方向で折れ曲がり難くなるという効果が得られ難くなるためである。

また、リード部材の断面におけるＶ字間の角度θが小さくなりすぎると、折れ曲げられたリード部材の両端が、電極体に接触する虞があるため好ましくない。したがって、リード部材の円筒形電池缶の内側壁に接続された領域の断面におけるＶ字間の角度θは、６０°以上であることが好ましく、９０°以上であることがより好ましい。

また、本発明の円筒形電池において、円筒形電池缶の内側壁に接続されたリード部材は、前記円筒形電池缶の内側壁に接続された領域の長手方向と垂直な断面がコ字状、Ｕ字状、または半円弧状であることを特徴とする。

これにより、リード部材が長手方向で折れ曲がることを抑制できるため、長手方向と垂直な断面がＶ字状である場合と同様の効果が得られる。
但し、リード部材の幅は通常数ｍｍ程度であるため、成形性を考慮した場合、
リード部材を長手方向に沿って折り曲げることにより容易に成形できるＶ字状であることが好ましい。

以下、実施例、比較例と共に図面を参照して本発明の最良の実施形態を説明する。ただし、以下に示す各実施例は、本発明の技術思想を具体化するための円筒形電池としての円筒形リチウム一次電池の製造方法を例示するものであって、本発明をこの円筒形リチウム一次電池の製造方法に特定することを意図するものではなく、例えばニッケル−水素二次電池、ニッケル−カドミウム二次電池、リチウムイオン二次電池等、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものにも等しく適応し得るものである。

なお、図１は、実施例及び比較例に共通する円筒形電池の内部構造を示す断面図である。図２は、図１のＡ部分の要部拡大断面図である。図３Ａは、本発明に用いられるリード部材の斜視図であり、図３Ｂは、本発明に用いられるリード部材における電池缶に接続される領域の長手方向に垂直な面の断面図である。図４は、本発明に用いられるリード部材の変形例の斜視図である。図５は、本発明におけるリード部材と電池缶との接続構造を示す図である。

最初に各実施例及び比較例に共通する円筒形電池として、円筒形リチウム一次電池について、図１を用いて説明する。この円筒形リチウム一次電池２０は、正極板４と負極板５とがセパレータ６を介して巻回された巻回形電極体３を非水電解液と共に、有底円筒形状の電池缶１の内部に収容し、電池蓋２によって電池缶１を密閉したものである。

この巻回形電極体３は、帯状の正極板４と帯状の負極板５とを、これらの間にセパレータ６を介して巻回して構成されている。この正極板４の端部にリード部材である正極リード７が接続される一方、この負極板５の端部にリード部材である負極リード８が接続される。

正極リード７は、巻回形電極体３の巻回中心部側から電池缶１の開口部側に延在するとともに、電池蓋２に絶縁部材９を介して固定された正極端子１０に溶接接続されている。この電池蓋２が電池缶１の開口側端部にレーザ溶接され封口される。負極リード８は、巻回形電極体３の外周側から電池缶１の開口部側に延在するとともに、電池缶の開口部付近の内側壁に溶接接続されている。
ここで、電池缶１の開口部付近とは、電池缶１における巻回形電極体３の上端部と電池蓋２の間に対応する領域である。

次に、実施例及び比較例に共通する円筒形リチウム一次電池２０の具体的な製造方法について説明する。

［正極板の作製］正極板は次のようにして作製した。正極活物質としての二酸化マンガン粉末９０重量部に、導電剤としてのグラファイト２重量部と、電解液の保液性を与えるためのケッチェンブラック３重量部を良く混合し、この混合物に、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の分散液５重量部及び純水を加えて混練することによって正極合剤を作製した。この正極合剤をシート状に成形し、圧着ローラを用いてステンレス板を網目に加工したラス芯体に圧着した後、真空中にて２５０ ℃ で２時間乾燥し、幅３７ｍｍ、長さ３５５ｍｍの帯状に裁断し正極板４を得た。その後、正極活物質の一部を除去し、ラス芯体にニッケル製の正極リード７をスポット溶接した。

［負極板の作製］
アルミニウムを０.５重量％添加したリチウムーアルミニウム合金板を幅３４．５ｍｍ、長さ３６０ｍｍの帯状に裁断し負極板５とした。このリチウム−アルミニウム合金板にニッケル製の負極リード８を圧着した。

[電極体の作製]
正極リード７と負極リード８が同じ側に突出するようにし、正極板４と負極板５とをポリオレフィン製のセパレータ６を介して巻回し、電極体３を作製した。ここで、電極体３の最外周はセパレータ６となっており、電極体３において、最も外周に位置する負極板５にニッケル製の負極リード８が接続されている。

[電解液の調整]
エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、および１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）を体積比率１５：１５：７０で混合した溶媒に、溶質としてのトリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃）を０．６モル／リットル溶解した非水電解液を調整した。

［電池の組み立て］
正負極のリードが電池缶の開口側となるようにニッケルメッキを施した鉄製の電池缶１に挿入した。負極リード７を電池缶１の内側壁にスポット溶接し、次いで正極リード８を電池蓋２に設けられたステンレス製の正極端子１０にスポット溶接した。

その後、電極体３の上部に樹脂製のスペーサ１１を配置した。そして、上記の方法で調整した非水電解液を電池缶１に注入し、電池缶１の開口部に電池蓋２を圧入後、電池缶１と電池蓋２の勘合部をレーザ溶接した。

次に、本発明に係る実施例および比較例について説明する。本発明に係る実施例および比較例として、負極リード８において電池缶１と接続される領域の長手方向に垂直な面の断面形状が異なる電池Ａ１〜電池Ａ４、および電池Ｂ１〜３を作製した。

（実施例１）
負極リード８として、幅３ｍｍ、長さ２６ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの平板状のニッケル板を用いた。負極リード８の一方の端部の幅方向の中央を折り曲げることにより、図３Ａに示すように、長手方向に垂直な断面がＶ字状である負極リード８を作製した。ここで、図３Ｂに示すＶ字間の角度θが１５０°となるように成形した。Ｖ字間の先端部分はＲになっていても良い。
図３Ａおよび図５に示すように、負極リード８の長手方向の一方側は負極板５と接するために平板状であり(領域Ｉ）、他方側は電池缶１と接続する領域として長手方向と垂直な断面がＶ字状になるように成形されている(領域III）。また、負極リード８は、電極体３から突出する部分より先端方向へと、平板状から断面が徐々にＶ字状になるように変化している(領域II)。
次に、リチウム−アルミニウム合金板に負極リード８の平板状の部分を圧着した。ここで、負極板５から突出するリード長さは、５ｍｍとした。この負極板４を用い、上記の手順により電池Ａ１を作製した。
負極リード４と電池缶１との接続は、図５に示すように、負極リード８におけるＶ字の中央部分を電池缶１の内側壁にスポット溶接することにより行った(溶接部１２)。

（実施例２）
負極リード８のＶ字状断面におけるＶ字間の角度θが１３５°となるように成形した以外は実施例１と同様の方法で、電池Ａ２を作製した。

（実施例３）
負極リード８のＶ字状断面におけるＶ字間の角度θが１２０°となるように成形した以外は実施例１と同様の方法で、電池Ａ３を作製した。

（実施例４）
負極リード８のＶ字状断面におけるＶ字間の角度θが９０°となるように成形した以外は実施例１と同様の方法で、電池Ａ４を作製した。

（比較例１）
負極リード８にＶ字状断面を成形しない以外は実施例１と同様の方法で、電池Ｂ１を作製した。

（比較例２）
負極リード８のＶ字状断面におけるＶ字間の角度θが１７０°となるように成形した以外は実施例１と同様の方法で、電池Ｂ２を作製した。

（比較例３）
負極リード８のＶ字状断面におけるＶ字間の角度θが１６０°となるように成形した以外は実施例１と同様の方法で、電池Ｂ３を作製した。

上記の電池Ａ１〜Ａ４、および電池Ｂ１〜３をそれぞれ１０個ずつ作製し、落下試験を行った。
〔落下試験〕
各電池について、電池蓋２を下向きにしてコンクリート上に１９０ｃｍの高さから１回自然落下させた。その後、負極リード８の変形の有無を確認した。また、内部短絡の有無についても確認した。各電池について、それぞれ１０個の電池について落下試験を行い、負極リード８に変形があったものの個数、および内部短絡があったものの個数を調査した。結果を表１に纏めて示す。

表１より明らかなように、本発明に係る電池Ａ１〜Ａ４は、負極リード８の変形が認められなかった。これは、負極リード８の電池缶１と接続される領域にＶ字加工を施すことにより、落下時の衝撃により折れ曲がり難くなったためと考えられる。また、Ｖ字間の角度θは１５０°以下であれば、本発明の効果が得られることが分かる。但し、Ｖ字間の角度θが小さくなりすぎると、折れ曲げられた負極リード８の両端部が電極体３に接触する虞があるため好ましくない。したがって、リード部材のＶ字間の角度θは、６０°以上であることが好ましく、９０°以上であることがより好ましい。

なお、上記実施例においては、負極リード８の成形を折り曲げにより行ったが、これに限定されず、プレス成形等により成形することも可能である。この場合、図４に示すように、電極体から突出する領域全体(III)を、長手方向に垂直な断面がＶ字状になるように成形しても良い。

また、上記実施例では、電池缶１と接続される領域の長手方向に垂直な断面がＶ字状に成形された負極リード８を用いたが、長手方向に垂直な断面がコ字状、Ｕ字状、または半円弧状であっても同様の効果が得られる。
この場合、図３のように、リード部材の長手方向の一方側が平板状であり、他方が長手方向に垂直な断面がコ字状、Ｕ字状、または半円弧状になるように成形し、その間の領域は平板状から断面が徐々に変化するようにすれば良い。
あるいは、図４のように、電極体から突出する領域全体を、長手方向に垂直な断面がコ字状、Ｕ字状、または半円弧状となるように成形しても良い。

上記実施例においては、電極体３の最外周はセパレータ６となるように電極体３を作製したが、電極体３の最外周が正極板４、あるいは負極板５であっても良い。また、上記実施例においては、負極リード８を電池缶１に接続し、正極リード４が電池蓋２に設けられた正極端子１０に接続したが、正極リード７を電池缶１に接続し、負極リード８を電池蓋２に設けられた負極端子に接続しても良い。

上記実施例においては、電池缶１と電池蓋２の勘合部をレーザ溶接することにより封口したが、電池蓋２にガスケットを介して電池缶１の開口部端部をかしめることにより封口しても良い。また、上述した実施例においては、円筒形リチウム一次電池を用いた例について説明したが、例えばニッケル−水素二次電池、ニッケル−カドミウム二次電池、リチウムイオン二次電池等にも等しく適応し得ることは明らかである。

図１は実施例及び比較例に共通する円筒形電池の内部構造を示す断面図である。図２は、図１のＡ部分の要部拡大断面図である。図３Ａは、本発明に用いられるリード部材の斜視図であり、図３Ｂは、本発明に用いられるリード部材における電池缶に接続される領域の長手方向に垂直な面の断面図である。図４は、本発明に用いられるリード部材の変形例の斜視図である。図５は、本発明におけるリード部材と電池缶との接続構造を示す図である。図６は、従来のリード部材の接続構造を示す図である。図７は、電池蓋を下に向けに円筒型電池を落下させた場合に生じる短絡状態を示す図である。図７Ａは落下前の状態を示し、図７Ａは落下後の状態を示す。

符号の説明

２０：円筒形リチウム一次形電池１：電池缶２：電池蓋３：巻回形電極体４：正極板５：負極板６：セパレータ７：正極リード８：負極リード９：絶縁部材１０：正極端子１１：スペーサ１２：溶接部

Claims

帯状の正極板と帯状の負極板とをセパレータを介して巻回した巻回形電極体と、電解液とを、円筒形電池缶内に収納した円筒形電池において、
前記巻回形電極体において最も外周に位置する前記正極板または前記負極板に接続されたリード部材が、前記円筒形電池缶の内側壁に接続されており、前記リード部材は、前記円筒形電池缶の内側壁に接続された領域の長手方向と垂直な断面がＶ字状であり、前記Ｖ字状のＶ字間の角度が１５０°以下であることを特徴とする円筒形電池。
前記Ｖ字間の角度が、６０〜１５０°であることを特徴とする請求項１に記載の円筒形電池。
前記Ｖ字間の角度が、９０〜１５０°であることを特徴とする請求項１に記載の円筒形電池。
帯状の正極板と帯状の負極板とをセパレータを介して巻回した巻回形電極体と、電解液とを、円筒形電池缶内に収納した円筒形電池において、
前記巻回形電極体において最も外周に位置する前記正極板または前記負極板に接続されたリード部材が、前記円筒形電池缶の内側壁に接続されており、前記リード部材は、前記円筒形電池缶の内側壁に接続された領域の長手方向と垂直な断面がコ字状、Ｕ字状、または半円弧状であることを特徴とする円筒形電池。