JP2010161024A

JP2010161024A - 筒状電池

Info

Publication number: JP2010161024A
Application number: JP2009003792A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Nozue; 智久野末; Shuichi Arae; 修一荒栄; Masanori Nakanishi; 正典中西
Original assignee: FDK Energy Co Ltd
Current assignee: FDK Energy Co Ltd
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2010-07-22

Abstract

【課題】かしめ加工により封口体が電池缶開口に嵌着されてなる筒状電池において、密閉性を確保した上で、コストアップを伴わずに確実に安全防爆機能を作動させる。
【解決手段】発電要素（２１〜２３）が収納された上方に開口する筒状の電池缶１１の開口に封口体３０ａがかしめ加工によって嵌着されて密閉されてなる筒状電池１ａであって、封口体は、上方を底面とした皿状の端子板３１ａと円盤状の封口板３２とからなり、端子板は、底面４４に略Ｖ字型の切欠４０によって形成された舌片を前記電池缶の内方に立設するように折り曲げてなる切り刃４１を備えるとともに、切り刃を形成した跡の開口を排気口４２として備え、切り刃の先端４７は、円盤状の封口板の上面で当該円盤のほぼ中央にて近接して内圧上昇によって封口板が上方に膨張した際に封口板に穴を穿設し、円盤状の封口板は、切り刃先端との近接点５０を含む領域５１が円盤周縁より薄肉となっている。
【選択図】図１

Description

この発明は、有底筒状の電池缶内に発電要素を収納してなる筒状電池に関し、具体的には、筒状電池の防爆安全機構に関する。

本発明の対象となる筒状電池の典型例として、正極活物質に二酸化マンガンを用い、負極活物質に金属リチウムを用いる二酸化マンガン−リチウム系のリチウム電池（ＣＲ型電池）を挙げる。図２に従来のＣＲ型電池の構造を示した。（Ａ）は、当該電池１を上方から見たときの平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるｄ−ｄ矢視断面図である。また（Ｃ）は（Ａ）におけるＤ−Ｄ矢視断面の拡大図である。図示したＣＲ型電池１ｂは、ボビン形と言われるもので、上方が開口する有底円筒状の正極缶１１、二酸化マンガン等の正極活物質を黒鉛等の導電助剤とともに中空円筒状に成形された正極合剤２１、円筒状の負極リチウム２２、円筒カップ状のセパレータ２３、負極端子を兼ねて電池缶１１の開口を密閉封口する封口体３０などによって構成されている。

正極缶１１は金属製であって電池ケースと正極集電体を兼ねる。下方底面には外側に凸状となる正極端子部１２がプレス加工により形成されている。また、開口部近傍の周囲には絞り加工によるビーディング部１０が形成されている。そして、この正極缶１１内に、正極合剤２１、セパレータ２３、および負極リチウム２２が順次装填されて中空筒状の電極体が形成されている。

負極リチウム２２は金属リチウム板を丸めたものであって、その一部に負極リード３３の一端部があらかじめ取り付けられている。この負極リード３３は帯状の金属薄板で形成され、負極集電体を兼ねる。その他端部は封口体３０を構成するステンレスなどの金属製薄板からなる円盤状の封口板３２の内側（電池内側）にスポット溶接されている。封口体３０は、当該封口板３２とステンレスなどの金属からなる負極端子板３１とによって構成されている。負極端子板３１は、周囲にフランジを有する皿状であり、底面を上方にして皿を伏せた状態で封口板３２と積層されて封口体３０を構成している。

正極缶１１内には非水電解液（図示省略）が充填されており、封口体３０は、ガスケット３４とともに正極缶１１の開口部内側にビーディング部１０を座として装着されつつ、正極缶１１開口部が内方にかしめ加工（カール加工）されることで電池缶１１に嵌着されている。

ところで、上記構造の電池１において、皿状の負極端子板３１の底面４４のほぼ中央には、略Ｖ字状の切欠４０が画成され、その切欠４０によって形成された舌片がその基端４８で電池缶１１内方に折り曲げられている。それによって、その舌片が鋭利な先端４７を有する切り刃４１となる。そして、その先端４７が封口板３２の円盤中央付近でその上面に近接している。また、負極端子板３１の底面４４には、この切り刃４１を形成したことにより、内外を連絡する鋭角三角形状の孔（排気口）４２が開口する。

当該皿状負極端子板３１の底面４４の周囲４６を縁とした壁面（周辺面）４５には、負極端子板３１の内外を連絡する小孔（通気孔）４３が形成されている。この封口板３２と切り刃４１は、電池１の誤使用による過放電や強制充電などで、当該電池１の内部にガスが発生し内圧が上昇した場合の防爆安全機構として動作する。そして排気口４２は、電池缶１１内外方を連絡してガスを外方へ放出するための通路（排気通路）となる。通気孔４３は、補助的な排気通路としての役割を担っている。

図３（Ａ）（Ｂ）に、従来のボビン形電池１における防爆安全機構の動作を示した。まず、内圧上昇に伴って封口板３２が上方に膨らみ、切り刃４１の先端４７がこの封口板３２に当接する（Ａ）。そして、さらに内圧が上昇すると、切り刃４１が封口板３２に突き刺さり、封口板３２に穴を開ける（Ｂ）。それによって、この穴３５から排気口４２に至る経路（排気経路）６０が形成されて、電池１内部のガスが外部へ逃げる。ガスの一部は、穴から通気孔４３に至る排気経路を通って外部に排気される。このようにして、電池１の破裂を防止できるようになっている。

上述した筒状電池１では、所定の内圧で防爆安全機構が確実に作動することが重要である。そのため、封口板の厚さや切り刃の形状などを適切に設計するとともに、その設計通りに精度良く封口板や切り刃を加工することが必要となる。しかし、その加工は困難であり、とくに、切り刃の形状を低コストで精密に形成することは困難であった。

また、コストアップを招くことなく切り刃の精密加工をすることが難しいので、封口板を適切な厚さで作製しても防爆安全機構の動作が不安定となる。確実に防爆安全機構が作動するために封口板の厚さを薄くすると、強度不足となり、封口板をかしめ加工によって電池缶の開口に嵌着すると、封口板が変形する可能性がある。封口板が変形すれば、電池缶の密閉性が低下し、液漏れなどの発生原因となる。

そこで、本発明は、上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素が収納されているとともに、前記電池缶の開口がかしめられることで封口体がガスケットを介して嵌着されて当該電池缶が密閉されてなる筒状電池において、十分な密閉性を確保した上で、電池内でガスが発生して内圧が上昇した際に、所定の内圧となったときに確実に安全防爆機能が作動する高い信頼性を大きなコストアップを招くことなく達成することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素が収納されているとともに、前記電池缶の開口がかしめられることで封口体がガスケットを介して嵌着されて当該電池缶が密閉されてなる筒状電池であって、前記封口体は、上方を底面とした金属製皿状の端子板と、この端子板の下方に配設された円盤状の金属製薄板からなる封口板とによって構成され、前記皿状端子板は、底面に略Ｖ字型の切欠によって形成された舌片を前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げてなる切り刃を備えるとともに、当該切り刃を形成した跡の略三角形状型の開口を排気口として備え、前記切り刃の先端は、前記円盤状の封口板の上面で当該円盤のほぼ中央にて近接し、前記電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板を貫通して穴を穿設するように構成され、前記円盤状の封口板は、前記切り刃の先端との近接点を含む領域が当該円盤の周縁より薄肉となっている筒状電池としている。

また、前記円盤状の封口板における前記薄肉領域は、前記円盤と同心の円形領域であればより好ましい。

本発明の筒状電池によれば、十分な密閉性を確保した上で、内圧が上昇した際、所定の内圧で確実に防爆安全機構が作動する。また、その機構は、円盤状の封口板の一部の厚さを薄くするだけでよく、製造コストをほとんど増加させることがなく実現することができる。

本発明の実施例における筒状電池を構成する封口体の構造図である。従来の筒状電池の構造図である。従来の筒状電池における防爆安全機構の動作原理を示す図である。

本発明の実施例における筒状電池の基本構造は、図２に示した従来のボビン形電池１とほぼ同様であり、上方に開口する円筒状の金属製電池缶１１内に発電要素（２１〜２３）を収納し、かしめ加工によって当該開口に封口体３０を嵌着して電池缶１１を密閉してなっている。しかし、本実施例の電池では、従来の電池において課題となっていた防爆安全機構における機能不全の可能性を無くし、電池内にガスが発生して所定の内圧となったときに確実に防爆安全機構が作動し、電池缶１１内の発生ガスを排気できる高い信頼性を備えている。

＝＝＝本発明の実施例＝＝＝
本発明の実施例における筒状電池の構造は、基本的には、図２に示した従来の筒状電池１と同じであり、皿状負極端子板３１の底面４４に、切り刃４１を形成するための切欠４０が画成されている。そして、切り刃４１の先端４７は、円盤状の封口板３２ａの上面に近接している。しかし、本実施例における封口板３２ａは、従来の電池１のように一様な厚さの円盤状とは異なっている。図１に、本実施例の筒状電池における封口体３０ａの構造を示した。（Ａ）は、従来の筒状電池１を示した図２（Ｃ）に対応する図であり、封口体３２ａの側断面を示している。また、（Ｂ）は（Ａ）における要部１００の拡大図であり、（Ｃ）は封口板３２ａを上方から見たときの平面図である。

図示したように、本実施例の筒状電池では、封口板３２の上面において、切り刃４１の先端４７との近接点５０とその周囲の領域５１が他の領域５２よりも薄肉となっている。本実施例では、薄肉領域（薄肉部）５１は、円盤状の封口板３２ａの中心とした円形の領域に形成されている。また、封口板３２ａは、薄肉部５１の上面５３が、周囲の肉厚領域（厚肉部５２）の上面５４より下方となるように凹状となっている。図１（Ｃ）では、薄肉部５１と厚肉部５２を異なるハッチングによって示した。

＝＝＝防爆安全機構の動作試験＝＝＝
本実施例の筒状電池における防爆安全機構の動作は、従来の筒状電池１と同様であり、内圧上昇によって上方に膨張した封口板３２ａに切り刃４１の先端４７が穴を開けて内圧を開放する。ここで、本発明の実施例における筒状電池と従来の筒状電池１ａとについて、防爆安全機構の性能を比較した。当該比較に際しては、図１に示した封口板３２ａを備えた本実施例における筒状電池（発明品）と、従来の封口板３２を備えた図２に示した筒状電池１（従来品）とをサンプルとして作製した。サンプルはＣＲ８型リチウム電池であり、電池缶１１の直径が１７ｍｍ、高さが４５ｍｍである。また、発明品の封口板３２ａは、薄肉部５１の直径ｗが４ｍｍで、その厚さｔが０．０４ｍｍ、厚肉部の厚さＴが０．０８ｍｍである。従来品は、厚さが一様な円盤状で、Ｔ＝０．０８ｍｍのサンプル（従来品１）、およびＴ＝０．０４ｍｍのサンプル（従来品２）の２種類とし、発明品、従来品１、および従来品２について、それぞれ５個ずつサンプルを用意した。そして、各サンプルの電池缶１１の下端に穴を開け、その穴から送気して電池缶１１内の内圧を上昇させ、防爆安全機構が動作する圧力とそのバラツキを測定した。なお、防爆安全機構の動作圧力は、ＣＲ８型リチウム電池では、一般的に４ＭＰａ程度に設定される。

表１に当該比較結果を示した。

従来品１では、封口板３２が一様に厚いため、防爆安全機構が動作する圧力が高く、その動作圧力のバラツキの指標となる標準偏差も０．８以上で大きな値であった。封口板３２が一様に薄い従来品２、および発明品では、動作圧力の平均値がほぼ目標値である４ＭＰａに近かった。また、標準偏差も０．２以下で、動作圧力にバラツキが少なかった。

次に、発明品と従来品１と２をそれぞれ５０個用意し、各サンプルを７０℃の温度下で７０日間保存し、保存期間経過後の漏液の有無を調べ、電池の密閉性について評価した。その結果、発明品と従来品１のサンプルでは漏液したものが一つもなかった。一方、一様に薄い封口体３２を備えた従来品２では、５０個中４個のサンプルに漏液が発生した。これは、発明品と従来品１では、円盤状の封口体（３２ａ、３２）において、電池缶１１に嵌着される円盤周縁が肉厚のため、この周縁部に十分な強度があり、かしめによる変形がなく、十分な密閉強度が確保でき、従来品２では、一様に薄い封口体３２をかしめによって電池缶１１に嵌着する際、封口板３２の円盤周縁における強度が不足して封口板３２が変形し、電池缶１１との密着性が低下したためと思われる。

以上により、本実施例の筒状電池は、防爆安全機構の動作圧力にバラツキが少なく、所定の圧力で確実に動作するとともに、密閉性も十分に確保されていることが確認できた。

＝＝＝薄肉部の領域について＝＝＝
上記実施例では、封口板３２ａの薄肉部５１は、円盤状の外形と同心円をなす円形の平面形状であった。これは、内圧上昇時における封口板の上方への膨張形状が円錐状となって、円錐の頂点付近で確実に切り刃に当接することを期待するとともに、加工の容易性にも配慮したためである。しかし、この例に限らず、切り刃４１の先端４７との近接点５０の周囲が薄肉であれば、どのような平面形状であってもよく、封口板３２ａは、内圧が上昇したときに上方へ膨張して切り刃に当接した際、その当接した部分が薄肉であればよい。また、薄肉部５１は封口板３２ａの下面を凹状にして形成してもよい。

１筒状電池
１１電池缶
２１正極合剤
２２負極リチウム
２３セパレータ
３０、３０ａ封口体
３１端子板
３２、３２ａ封口板
３４ガスケット
３５封口体に開いた穴
４０切り刃用切欠
４１切り刃
４２排気口
５０封口板における切り刃との近接点
５１薄肉部
５２厚肉部

Claims

上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素が収納されているとともに、前記電池缶の開口がかしめられることで封口体がガスケットを介して嵌着されて当該電池缶が密閉されてなる筒状電池であって、
前記封口体は、上方を底面とした金属製皿状の端子板と、この端子板の下方に配設された円盤状の金属製薄板からなる封口板とによって構成され、
前記皿状端子板は、底面に略Ｖ字型の切欠によって形成された舌片を前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げてなる切り刃を備えるとともに、当該切り刃を形成した跡の略三角形状型の開口を排気口として備え、
前記切り刃の先端は、前記円盤状の封口板の上面で当該円盤のほぼ中央にて近接し、前記電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板を貫通して穴を穿設するように構成され、
前記円盤状の封口板は、前記切り刃の先端との近接点を含む領域が当該円盤の周縁より薄肉となっている
ことを特徴とする筒状電池。
前記円盤状の封口板における前記薄肉領域は、前記円盤と同心の円形領域であるあることを特徴とする請求項１に記載の筒状電池。