JP2010165506A

JP2010165506A - 扁平形電池

Info

Publication number: JP2010165506A
Application number: JP2009005589A
Authority: JP
Inventors: Toku Takai; 徳高井
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】通常状態における良好且つ確実な封口性の維持と、低いベント作動圧での内圧開放動作とを同時に解決し得る信頼性に優れた扁平形電池を低コストに提供する。
【解決手段】本発明の扁平形電池は、発電要素を収容する電池容器２が、底壁３の周縁から周側壁５を上向きに曲げた扁平丸皿形状の外装缶６と、上壁７の周縁から周側壁９を下向きに曲げた丸扁平皿形状の封口缶１０とからなる。これら外装缶６と封口缶１０とは、両者の周側壁５・９間に配置したガスケット１１を介してカシメ封口されている。外装缶６の周側壁５の開口上端部５ａにおける板厚は、封口缶１０の板厚よりも薄肉に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電要素を収容する電池容器が、底壁の周縁から周側壁を上向きに曲げた扁平皿形状の外装缶と、上壁の周縁から周側壁を下向きに曲げた扁平皿形状の封口缶とからなり、これら外装缶と封口缶とが、両者の周側壁間に配置したガスケットを介してカシメ封口されている扁平形電池に関する。

この種の扁平形電池の分野において、電池内圧の異常上昇時に電池内圧を開放するためのベント機構を設けることは周知の技術である。かかるベント機構の具定例としては、電池容器の表面（外装缶の底壁の表面、あるいは封口缶の上壁の表面）に設けられた薄肉の開裂ベントのほか、特許文献１、２に示すように、電池容器を構成する外装缶の周側壁に工夫を凝らすことにより、電池内圧を開放できるようにしたものがある。

より詳しくは、特許文献１では、外装缶の周側壁の開口上端に部分的に切欠部を形成して、電池内圧が異状上昇したとき、切欠部の周辺の軟化したガスケットが当該切欠部に押し込まれて封口に緩みが生じることにより、内圧を開放できるようにしている。特許文献２では、外装缶の周側壁に部分的に高さ寸法の小さな縮口高さ減少部位を形成し、当該縮口高さ減少部位の封口強度の低下を図ることにより、異状上昇した内圧が縮口高さ減少部位の封口強度を上回ったとき、ガスケットが部分変形して内圧を放出できるようにしている。なお、これら特許文献１、２では、正極の板厚寸法と負極の板厚寸法とは、同一寸法に設定されている。

特開２００３−４５３７９号公報（段落番号００１９、図１−２）特開２００３−５１２９３号公報（段落番号００２０、図１、３）

しかし、特許文献１の扁平形電池では、切削加工等により周側壁に切欠部を形成するため、外装缶の加工に手間が掛かり、結果として扁平形電池の製造コストが上昇することが避けられない。加えて、切欠部では、ガスケットに対する圧縮力が小さくなるため、当該切欠部での封口性が低下し、通常の使用状態において液漏れ等が生じる虞がある。
特許文献２に記載の扁平形電池においても、特許文献１と同様の問題が生じる。すなわち、切削加工等で縮口高さ減少部位を形成するため、外装缶の加工に手間が掛かり、結果として扁平形電池の製造コストが上昇することが避けられない。縮口高さ減少部位では、ガスケットに対する圧縮力が小さくなるため、当該縮口高さ減少部位での封口性が低下し、通常状態において液漏れ等が生じる虞が残る。

上記特許文献１、２の形態において、封口性の向上を図り、通常状態における液漏れ等を防ぐためには、例えばガスケットの肉厚を厚くする等の対策が考えられる。しかしこの場合には、開放動作が実行されるときの内圧値（以下、これをベント作動圧と記す。）が上昇することが避けられず、結果として破裂的に内圧開放が行なわれる虞がある。

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、通常状態における良好且つ確実な封口性の維持と、低いベント作動圧での内圧開放動作という、相反する課題を同時に解決し得る信頼性に優れた扁平形電池を低コストに提供することを目的とする。

本発明は、発電要素を収容する電池容器２が、底壁３の周縁から周側壁５を上向きに曲げた扁平皿形状の外装缶６と、上壁７の周縁から周側壁９を下向きに曲げた扁平皿形状の封口缶１０とからなり、これら外装缶６と封口缶１０とが、両者の周側壁５・９間に配置したガスケット１１を介してカシメ封口されている扁平形電池を対象とする。本発明は、外装缶６の周側壁５の開口上端部５ａにおける板厚が、封口缶１０の板厚よりも薄肉に形成されていることを特徴とする。

外装缶６を構成する底壁３と周側壁５の板厚は、同寸法に形成されているものとすることができる。

外装缶６の周側壁５の開口上端部５ａにおける板厚寸法Ｌ１が、封口缶１０の板厚寸法Ｌ２よりも、１０〜３０％薄肉に形成されているものとすることができる。

本発明に係る扁平形電池においては、過充電や内部短絡等により電池内圧が異状上昇すると、封口缶１０を押し上げる方向に力が働き、この封口缶１０に対する押し上げ力により、外装缶６の開口上端部５ａが拡径方向に押し広げられるように変形する。これにて、ガスケット１１による両缶６・１０の封止が緩み、ガスケット１１と外装缶６との間、あるいはガスケット１１と封口缶１０の間からガスを逃して、電池内圧を開放することができる。
そのうえで本発明においては、外装缶６の周側壁５の開口上端部５ａにおける板厚を、封口缶１０の板厚よりも薄肉に設定したので、より小さな力で以て、外装缶６の開口上端部５ａを拡径方向に押し広げることができる。このことは例えば特許文献１、２のような両缶６・１０の板厚寸法が均一な従来形態に比べて、より低い圧力条件で電池内圧を開放できることを意味し、換言すればベント作動圧を従来形態に比べて低圧方向にシフトすることができる。

加えて、本発明によれば、外装缶６の開口上端部５ａを周方向の全体に亘ってかしめて、ガスケット１１の全体を均一に圧縮することができるので、通常状態における液漏れ等を確実に防いで、信頼性に優れた扁平形電池を得ることができる。つまり、本発明によれば、外装缶６の開口上端部５ａに部分的に切欠部等を設ける形態（特許文献１、２）においては不可避となる、これら切欠部等における封口性の低下問題は生じず、通常状態における不用意な液漏れ等を確実に防ぐことができる。

また、本発明によれば、特許文献１、２のごとく、外装缶６の開口上端部５ａに対して、切欠部等を設ける等の加工を要せず、より低コストに扁平形電池を得ることができる点でも優れている。

外装缶６を構成する底壁３と周側壁５の板厚が同寸法に形成されている、換言すれば、周側壁５だけでなく底壁３も薄肉化する形態を採ることができる。これによれば、底壁３を薄肉化した分だけ、電池容器２の内部容積の増大化を図ることができるので、電池容器２内に収容される電解液や正負極剤等の発電要素の増やすことができ、結果として、電池容量を大きくすることができる。

外装缶６の周側壁５の開口上端部５ａにおける板厚寸法Ｌ１は、封口缶１０の板厚寸法Ｌ２よりも、１０〜３０％（１０％以上、３０％以下）薄肉に形成することが好ましい。３０％を超えると、外装缶６の周側壁５の板厚寸法Ｌ１が過小となり、ガスケット１１を適正に圧縮することが困難となり、通常状態において液漏れ等が生じる虞がある。１０％未満では、外装缶６の周側壁５の板厚寸法Ｌ１が過大となり、先のベント作動圧の減少効果を確実に得ることができない。

本発明に係る扁平形電池の縦断面図である。本発明の扁平形電池の全体を示す縦断面図である。扁平形電池の組み立て前の状態を示す分解断面図である。本発明の扁平形電池の作用を説明するための縦断面図である。

図１ないし図４に、本発明に係る扁平形電池をコイン型のリチウムイオン電池に適用した実施形態を示す。この扁平形電池は、図１および図２に示すように、電池容器２内に、発電要素としての電極体１および非水電解液が収容されている。電池容器２は、底壁３の周縁から周側壁５を上向きに曲げた扁平丸皿形状の外装缶６と、上壁７の周縁から周側壁９を下向きに曲げた扁平丸皿形状の封口缶１０とからなり、これら外装缶６と封口缶１０とが、両者の周側壁５・９間に配置したガスケット１１を介してカシメ封口されている。封口缶１０の周側壁９の下部は、内外二重のはぜ折りに加工してある。外装缶６および封口缶１０はステンレス等からなり、ガスケット１１は合成樹脂製の絶縁材からなる。

そして、ガスケット１１を装着した封口缶１０を、ガスケット１１の内側に電極体１を配置した状態で外装缶６の内側に嵌め込んで、外装缶６の周側壁５の開口上端部５ａを内方に向けてカシメ加工することで、外装缶３と封口缶１０とが、ガスケット１１を介在させた状態で結合される（図２の状態）。これにて、ガスケット１１によって外装缶６と封口缶１０との間が封止される。扁平形電池は、全高寸法が３．５ｍｍ、外径寸法が２０ｍｍである。

ガスケット１１は、図１および図３に示すように、外装缶６の底壁３上に配置されるリング状のベース部１１ａと、ベース部１１ａの外縁部から上向きに張り出し形成されていて外装缶６の周側壁５および封口缶１０の周側壁９で挟まれる外壁部１１ｂと、ベース部１１ａの内縁部から上向きに張り出し形成されていて封口缶１０の周側壁９の内面に接する内壁部１１ｃとを備える。ガスケット１１の内壁部１１ｃの内側に電極体１が配置される。

電極体１は、略円形の正極１２と略円形の負極１３とを上下方向に交互に複数段積層することで構成され、電極体１の上下両端に負極１３がそれぞれ配置される。各正極１２は、略円形の扁平袋状のセパレータ１５内に収容される。正極１２は、コバルト酸リチウム等の正極活物質を含有する正極活物質層１６をアルミニウム等の金属箔製の正極集電体１７の上下両面に配置することで形成される。

負極１３は、黒鉛等の負極活物質を含有する負極活物質層１９を銅等の金属箔製の負極集電体２０の上下両面に配置することで形成される。最上段に配置された負極１３は、負極集電体２０の上面に負極活物質層１９を配置しておらず、その負極集電体２０の上面が露出状態で封口缶１０の上壁７の内面に接触する。最下段に配置された負極１３は、負極集電体２０の下面に負極活物質層１９を配置していない。最下段の負極１３の負極集電体２０と外装缶６の底壁３の内面との間には、短絡防止用の絶縁シール２１を介在させる。絶縁シール２１は、ポリエチレンやポリプロピレン等からなる絶縁テープで構成される。

セパレータ１５は、絶縁性に優れたポリエチレン製の微多孔性薄膜であり、リチウムイオンが透過可能である。各正極１２の正極集電体１７には、袋状のセパレータ１５外へ導出される導電性の正極リード２４が一体形成されており、各正極１２の正極リード２４の先端側どうしを一まとめにした状態で、外装缶６の底壁３の内面に超音波溶接等で接続される。これにて各正極１２を外装缶６に導通させることができる。

各負極１３の負極集電体２０には、正極リード２４の反対方向に延出する導電性の負極リード２５が一体形成されており、各負極１３の負極リード２５が、その先端どうしを一まとめにした状態で超音波溶接等で互いに接続される。前述のように最上段に配置した負極１３の負極集電体２０は封口缶１０の上壁７に接触しており、したがって各負極１３は封口缶１０に導通している。

そのうえで本実施形態では、本外装缶６の底壁３および周側壁５の板厚寸法（以下、単に外装缶６の板厚寸法という。）Ｌ１が、それぞれ封口缶１０の上壁７および周側壁９の板厚寸法（以下、単に封口缶１０の板厚寸法という。）Ｌ２よりも２０％薄肉に形成した点が着目される。外装缶６の底壁３および周側壁５の板厚寸法は同寸法とした。封口缶１０の上壁７および周側壁９の板厚寸法も同寸法とした。

本発明の扁平形電池の組み立てを説明する。まず封口缶１０の上壁７を下側にした状態で、封口缶１０の開口部にガスケット１１を装着し、そのガスケット１１の内壁部１１ｃの内側に、最上段に配置した負極１３側を下側にした電極体１を嵌め込んで収容する。なお、これに先立って各正極１２の正極リード２４は、外装缶６の底壁３の内面に超音波溶接等で接続する。

次いで、封口缶１０内に非水電解液を注入し、外装缶６の内側に封口缶１０をガスケット１１と共に嵌め込んで、外装缶６の周側壁５の開口上端部５ａを内方に向けてカシメ加工する。これにて外装缶６と封口缶１０とが、ガスケット１１を介在させた状態でカシメ封口されて、図２に示す本発明の扁平形電池を得ることができる。前記カシメ加工に伴なってガスケット１１が圧縮され、そのガスケット１１によって外装缶６と封口缶１０との間が封止される。なお、非水電解液は、例えば、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとを混合した溶媒に、ＬｉＰＦ₆ を溶解させて作製した。

過充電や内部短絡等で電池内部にガスが多量に発生して電池内圧が異常上昇したときには、当該電池内圧によって封口缶１０には上向きの力が加わり、封口缶１０によって外装缶６の周側壁５の開口上端部５ａが、図４に示すようにガスケット１１を介して押し上げられて外方に広がるように変形する。これにてガスケット１１による外装缶６と封口缶１０との間の封止が緩み、ガスケット１１と外装缶６との間、あるいはガスケット１１と封口缶１０の間から電池内圧が開放される。

以上のような構成からなる扁平形電池によれば、通常状態における良好且つ確実な封口性の維持と、低いベント作動圧での内圧開放動作という相反する課題を同時に解決することができる。すなわち、外装缶６の板厚を、封口缶１０の板厚よりも薄肉に設定したので、両缶６・１０の板厚寸法が均一な従来形態に比べて、より小さな力で外装缶６の開口上端部５ａを拡径方向に押し広げて、電池内圧を開放することができる。

加えて、外装缶６の開口上端部５ａを周方向の全体に亘ってかしめて、ガスケット１１の全体を均一に圧縮することができるので、通常状態における液漏れ等を確実に防ぐことができる。外装缶６の開口上端部５ａに対して、切欠部等を設ける等の加工を要せず、より低コストに扁平形電池を得ることができる点でも優れている。

以下に示すような実施例１および比較例に係る電池を作製し、本発明の効果を確認した。

（実施例１）板厚寸法Ｌ１が０．２０ｍｍの外装缶６と、板厚寸法Ｌ２が０．２５ｍｍの封口缶１０により、図１のような実施例１に係る電池容器２を作成した。つまり、外装缶６の板厚寸法Ｌ１は封口缶１０の板厚寸法Ｌ２よりも２０％薄肉である。

（比較例）板厚寸法Ｌ１が０．２５ｍｍの外装缶６と、板厚寸法Ｌ２が０．２５ｍｍの封口缶１０により、比較例に係る電池容器２を作成した。つまり、外装缶６と封口缶１０とは、両板厚寸法は同寸法である。

これら実施例１および比較例に係る電池に対して、封口缶１０の中央に２．７ｍｍの孔を設けて、その孔から電池容器２内に１０ｍｌ／ｍｉｎで水を注入することで電池内圧を上昇させた。そして、ガスケット１１と外装缶６との間、あるいはガスケット１１と封口缶１０の間から電池内の水が漏れ出したときの水圧（電池内圧）を測定した。その結果、実施例の電池では、水の注入開始直後の圧力が加わっていないときには水漏れがなく、圧力が２．２４ＭＰＡに上昇すると水漏れが生じた。それに対して比較例の電池では、水の注入開始直後には実施例の電池と同様に水漏れがなく、圧力が２．９１ＭＰＡに上昇すると水漏れが生じた。このように、実施例１の電池では、圧力が加わっていないときにはガスケット１１による外装缶６と封口缶１０との間の封口性が得られるとともに、圧力が上昇したときには比較例の電池よりも低い圧力で内圧開放が行なわれることを確認できた。

前記実施形態では、外装缶６が正極、封口缶１０が負極であったが、外装缶６が負極、封口缶１０が正極になるように構成してもよい。扁平形電池は、例えば扁平四角形状であってもよい。

２電池容器
３底壁
５周側壁
５a 開口上端部
６外装缶
７上壁
９周側壁
１０封口缶
１１ガスケット

Claims

発電要素を収容する電池容器が、底壁の周縁から周側壁を上向きに曲げた扁平皿形状の外装缶と、上壁の周縁から周側壁を下向きに曲げた扁平皿形状の封口缶とからなり、これら外装缶と封口缶とが、両者の周側壁間に配置したガスケットを介してカシメ封口されている扁平形電池であって、
前記外装缶の前記周側壁の開口上端部における板厚が、前記封口缶の板厚よりも薄肉に形成されていることを特徴とする扁平形電池。
前記外装缶を構成する前記底壁と前記周側壁の板厚が、同寸法に形成されている請求項１記載の扁平形電池。
前記外装缶の前記周側壁の開口上端部における板厚寸法が、前記封口缶の板厚寸法よりも、１０〜３０％薄肉に形成されている請求項１又は２記載の扁平形電池。