JP2010218933A - 扁平形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて大きな振動や衝撃等が加わった場合でも、正極材が凹部の周側面に激突して損壊したり、負極材との適正な対面位置からずれることが無く、優れた耐振動性と耐衝撃性とを備える信頼性に優れた扁平形電池を得る。
【解決手段】本発明に係る扁平形電池は、上向きに開口する正極缶２と下向きに開口する負極缶３とからなる電池缶１の内部に、正極材７、セパレータ１０および負極材９からなる発電要素５が収容されている。正極缶２の底壁１２の中央側に円状の凹部１３を段落ち状に形成する。正極材７の外周側面に円リング状の台座１１を装着し、台座１１を凹部１３に嵌め込む。そして、台座１１を凹部１３に嵌め込む前の状態で、台座１１の外径寸法Ｄ１を、正極缶２の凹部１３の内径寸法Ｄ２と等しく、またはそれよりも大きく設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボタン形一次電池やコイン形一次電池等の扁平形電池に関する。

本発明に係る扁平形電池では、正極缶の底壁の中央に段付き状に凹み形成された凹部内に、台座付きの正極材が配されるが、同様の構成を有する扁平形電池は、例えば特許文献１・２に公知である。詳しくは、これら特許文献１・２に記載の扁平形電池は、電池要素および電解液を収容する正極缶と、ガスケットと共に正極缶の開口内縁にかしめ固定されて正極缶を密封する負極缶とで電池缶が構成されており、電池要素は、正極活物質等を円盤形状に固めた正極材と、負極活物質の金属リチウム等を円盤形状に形成した負極材と、これら正極材と負極材との間に挟まれる不織布製のセパレータとからなり、正極材の外周面にリング状の台座が装着されている。台座の外径寸法は、正極缶の底壁の中央に段付き状に凹み形成された凹部の内径寸法よりも小さく設定されており、これら台座および正極材は、正極缶の底壁の中央に段付き状に凹み形成された凹部内に配置されている。

特開２００７−２７３１０９号公報（図１、段落番号００２８） 特開２００７−２７３１１１号公報（図１、段落番号００２８）

本発明者等は、車両のタイヤ部分に装着されて、タイヤの空気圧を検出する無線式のタイヤ空気圧センサの電源として、上記のような扁平形電池を用いることを予定している。この電池には車両走行時におけるタイヤの振動やタイヤに加わる衝撃等に耐え得るだけの優れた耐振動性、耐衝撃性が求められる。

しかし、特許文献１・２に記載の扁平形電池では、上述のように台座の外径寸法が正極缶の凹部の内径寸法よりも小さく設定されているため、正極材が台座と共に正極缶の凹部内で動くおそれが皆無とは言えず、極めて大きな振動や衝撃が電池缶に加わると、正極材が台座と共に凹部内で動いて、正極材が凹部の周側面に激突して損壊するおそれがある。また、正極材が負極材との適正な対面位置からずれるおそれもある。

本発明は、極めて大きな振動や衝撃等が加わった場合でも、正極材が凹部の周側面に激突して損壊したり、負極材との適正な対面位置からずれることが無く、優れた耐振動性と耐衝撃性とを備える信頼性に優れた扁平形電池を得ることを目的とする。

本発明は、図１に示すように、上向きに開口する正極缶２と下向きに開口する負極缶３とからなる電池缶１の内部に、正極材７、セパレータ１０および負極材９からなる発電要素５が収容されている扁平形電池を対象とする。正極缶２の底壁１２の中央側に円状の凹部１３を段落ち状に形成する。正極材７の外周側面に円リング状の台座１１を装着し、台座１１を凹部１３に嵌め込む。そして、図２に示すように、台座１１を凹部１３に嵌め込む前の状態で、台座１１の外径寸法Ｄ１を、正極缶２の凹部１３の内径寸法Ｄ２と等しく、またはそれよりも大きく設定する。
台座１１は、導電性を有する金属、或いは絶縁性のプラスチックで構成することができる。台座１１の凹部１３に対する嵌め込み具合は、台座１１の全体が凹部１３に嵌め込まれる場合、上下方向の一部が嵌め込まれる場合のいずれであってもよい。

凹部１３の内周側面１３ａと正極缶２の底壁１２とのコーナー部に、内方に向かって下り傾斜する傾斜面１３ｂが周回状に形成されている形態を採ることができる。

図５に示すように、正極缶２の凹部１３の内周側面または台座１１の外周側面のうち、いずれか一方に突起３２を設け、他方に突起３２が係合する係合凹部３３を設けることができる。

また本発明に係る扁平形電池は、図３に示すように、上向きに開口する正極缶２と下向きに開口する負極缶３とからなる電池缶１の内部に、正極材７、セパレータ１０および負極材９からなる発電要素５が収容されている扁平形電池を対象とする。正極缶２の底壁１２の一部を立ち上げて円リング状の規制部３０を形成し、正極材７の外周側面に円リング状の台座１１を装着して、該台座１１を規制部３０の内側に嵌め込む。そして、台座１１を規制部３０の内側に嵌め込む前の状態で、台座１１の外径寸法Ｄ１を、正極缶２の規制部３０の内径寸法Ｄ３と等しく、またはそれよりも大きく設定する。

本発明に係る扁平形電池においては、台座１１が凹部１３に嵌め込まれる前の状態で、円リング状の台座１１の外径寸法Ｄ１を、円状の凹部１３の内径寸法Ｄ２と等しく、またはそれよりも僅かに大きく設定した。これによれば、台座１１を装着した正極材７を正極缶２の凹部１３に上方より押し込むことで、台座１１を凹部１３に対して抜け止め状に嵌合装着することができる。かかる嵌合装着状態において、台座１１は、嵌合部１３ａの周側面に密着して正極缶２の径方向へ動く余地がなく、したがって、大きな振動や衝撃等の大きな外力が電池に作用した場合でも、正極材７が凹部１３内で動いて凹部１３の内周側面に衝突して損壊する不具合は生じない。正極材７が動くことでセパレータ１０が擦れて破断し、正極材７と負極材９とが短絡することもない。さらに、正極材７が負極材９に対する適正な対面位置からずれ動いて電池容量が低下することもない。さらに、円状の凹部１３内に、円リング状の台座１１を嵌め込む形態であり、台座１１がその全周方向において凹部１３の内周側面で受け止められる形態であるから、全周方向から衝撃等の大きな外力が作用した場合でも台座１１がズレ動くことが無く、この点でも耐振動性や耐衝撃性に優れた電池を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、優れた耐振動性と耐衝撃性とを備える信頼性に優れた扁平形電池を得ることができる。かかる扁平形電池は、車両タイヤに装着される空気圧センサのような極めて大きな衝撃が作用する過酷条件下で使用される機器の電源として好適である。

凹部１３の内周側面１３ａと正極缶２の底壁１２とのコーナー部に、内方に向かって下り傾斜する傾斜面１３ｂが周回状に形成されていると、電池の組み立ての際には、傾斜面１３ｂによって凹部１３内の適正位置に台座１１を位置決め案内して、その嵌め込み操作を補助するので、台座１１の凹部１３に対する装着作業を円滑に進めることができる。

正極缶２の凹部１３の内周側面または台座１１の外周側面のうち、いずれか一方に係合突起３２を設け、他方に係合突起３２が係合する係合凹部３３を設けると、これら係合突起３２および係合凹部３３の凹凸係合により、台座１１の凹部１３からの抜け外れを確実に阻止することができ、扁平形電池の耐衝撃性や耐振動性の向上を図ることができる。特に、係合突起３２および係合凹部３３を周回状に形成してあると、全周方向に凹凸係合による台座１１に対する抜け止め作用が発揮され、耐衝撃性や耐振動性のさらなる向上を図ることができる。

また、本発明においては、図３に示すごとく、台座１１が規制部３０の内側に嵌め込まれる前の状態で、台座１１の外法寸法Ｄ１が、正極缶２の規制部３０の内法寸法Ｄ３と等しく、またはそれよりも大きく設定した。これによれば、台座１１を装着した正極材７を正極缶２の規制部３０の内側に上方より押し込むことで、台座１１を規制部３０に対して抜け止め状に嵌合装着することができる。かかる嵌合装着状態において、台座１１は、規制部３０の内周側面に密着して正極缶２の径方向へ動く余地がなく、大きな振動や衝撃等の大きな外力が電池に作用した場合でも、正極材７が規制部３０の内側で動いて規制部３０の内周側面に衝突して損壊する不具合は生じない。正極材７が動くことでセパレータ１０が擦れて破断し、正極材７と負極材９とが短絡することもない。さらに、正極材７が負極材９との適正な対面位置からずれて電池容量が低下することもない。さらに、円状の凹部１３内に、円リング状の台座１１を嵌め込む形態であり、台座１１がその全周方向において規制部３０の内周側面で受け止められる形態であるから、全周方向から衝撃等の大きな外力が作用した場合でも台座１１がズレ動くことが無く、この点でも耐振動性や耐衝撃性に優れた電池を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る扁平形電池の縦断面図である。 第１実施形態に係る扁平形電池の分解断面図である。 第２実施形態に係る扁平形電池の縦断面図である。 第２実施形態に係る扁平形電池の分解断面図である。 第３実施形態に係る扁平形電池の縦断面図である。 第３実施形態に係る扁平形電池の分解断面図である。

（第１実施形態） 図１および図２に、本発明に係る扁平形電池の第１実施形態を示す。図１に示すように、扁平形電池は電池缶１が上向きに開口する正極缶２と下向きに開口する負極缶３とからなり、全体が扁平なコイン形状に形成されている。電池缶１の内部には、発電要素５が収容されている。

負極缶３は、ガスケット６と共に正極缶２の開口内縁にかしめ固定されて正極缶２を密封する。ガスケット６によって正極缶２と負極缶３とは絶縁される。本実施形態において、電池缶１の外径寸法は２４．５ｍｍ、全厚寸法は５．０ｍｍである。

発電要素５は、正極活物質等を円盤形状に固めた正極材７と、負極活物質の金属リチウムまたはリチウム合金を円盤形状に形成した負極材９と、不織布製のセパレータ１０と、非水電解質とを含み、正極材７の上側にセパレータ１０を介して負極材９が配置されている。正極材７は、その外周面にリング状の台座１１が装着されている。

電池組み立て前のブランク状態の正極缶２は、図２に示すように、丸皿形状のプレス成形品からなる。正極缶２は、その底壁１２の中央側を下向きに膨出させて、台座１１および正極材７の下端部が嵌め込まれる凹部１３を段落ち状に形成してある。正極缶２の底壁１２の周縁側には、ガスケット６の下面に密着する封止壁部１５が形成されており、封止壁部１５の外周縁に連続して円筒状の周壁１６が立ち上げ形成されている。

正極缶２の凹部１３の内周側面１３ａと底壁１２のコーナー部には、内方に向かって下り傾斜する傾斜面１３ｂが周回状に形成されている。電池組み立ての際には、台座１１は傾斜面１３ｂによって案内されて正極缶２の凹部１３内へ落とし込まれる。

電池組み立て前のブランク状態の負極缶３は、丸皿形状のプレス成形品からなり、その上壁側に設けられる負極材収容用の収容部１８と、該収容部１８の下端の肩部から外向きに張り出されるフランジ壁１９と、該フランジ壁１９に連続して下向きに突出する封止部２０とを一体に有している。封止部２０は、はぜ折りされた内外二重の壁で形成してある。負極材９の外径寸法は、負極缶３の収容部１８の内径寸法よりも小さくなっている（図１参照）。

ガスケット６は、ポリプロピレン樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂やテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体等の弾性と絶縁性とに優れたプラスチック材を素材とする射出成形品からなる。ガスケット６は、図１および図２に示すように、リング形状のベース部２２と、ベース部２２の外周縁から上向きに張り出して正極缶２の周壁１６と負極缶３の封止部２０との間に挟持される外筒壁２３と、ベース部２２の内周縁から上向きに張り出す内筒壁２４とを有している。

正極材７は、正極活物質としての二酸化マンガンを含有しており、その二酸化マンガンに、黒鉛、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体およびヒドロキシプロピルセルロース等を混合して正極合剤を調整し、所定の金型内に台座１１をセットしたのち、前記正極合剤を充填して加圧成形し、その成形体を加熱することで作製される。なお、当該作製後の正極材７は粘性を有している。

セパレータ１０は、ポリブチレンテレフタレート繊維を素材とする不織布を使用しており、非水電解質を含浸させている。非水電解質としては、プロピレンカーボネイトと１，２−ジメトキシエタンとを混合した溶媒にＬｉＣｌＯ₄ を溶解した溶液を用いた。セパレータ１０の厚さ寸法は０．２〜０．５ｍｍ程度である。

台座１１は、図１に示すように、上下が開口する円筒状に形成されて正極材７の外周側面に装着された円筒部２６と、該円筒部２６の下端から内方へ水平状に延びる円環形状のフランジ部２７とを有する。台座１１の厚みは、３０〜１５０μｍ（３０μｍ以上、１５０μｍ以下）の範囲に設定していることが好ましい。
前記範囲よりも薄い場合（３０μｍ未満の場合）には、台座１１による放電時の膨張方向の規制の効果が弱くなり、上記範囲よりも厚い場合（１５０μｍを超える場合）には、凹部１９への嵌め込みの際の変形がされ難く、生産性が低下する。

台座１１が凹部１３に嵌め込まれる前の状態（図２の状態）で、台座１１の円筒部２６の外径（外法）寸法Ｄ１は、正極缶２の凹部１３の内周側面１３ａの内径（内法）寸法Ｄ２と等しく、またはそれよりも大きく設定してある。具体的には、台座１１の円筒部２６の外径寸法Ｄ１と、正極缶２の凹部１３の内周側面１３ａの内径寸法Ｄ２との差（Ｄ１−Ｄ２）は０〜１００μｍに設定してある。

このように、台座１１の円筒部２６の外径寸法Ｄ１を、凹部１３の内径寸法Ｄ２よりも大きくしていると、台座１１を凹部１３に嵌め込んだときに、台座１１の円筒部２６が、凹部１３の内周側面によって内方に押され、正極材７も内方側へ押圧されて変形するおそれがある。本実施形態においては、台座１１の円筒部２６の外径寸法Ｄ１と、凹部１３の内径寸法Ｄ２との差（Ｄ１−Ｄ２）を１００μｍ以下としたことで、正極材７の変形を最小限として、正極材７が損壊することを防ぐとともに、台座１１を凹部１３へ嵌め込み易くできるため、生産性が低下しない。
凹部１３の深さＬ２は２００〜５００μｍ（２００μｍ以上、５００μｍ以下）に設定していることが好ましく、セパレータの厚み以上に設定していることがより好ましい。
このように設定していることで、振動により縦方向に圧縮の力が働いて、セパレータが圧縮された際にも、台座１１が凹部１３から外れる虞がない。凹部１３の深さＬ２が大き過ぎる場合、電池の外形に対する内容積が減少するため好ましくない。
また、凹部１３の内周側面１３ａと正極缶２の底壁１２とのコーナー部に、内方に向かって下り傾斜する傾斜面１３ｂが周回状に形成されているが、傾斜面１３ｂの高さをＬ１とした場合、Ｌ１／Ｌ２が０．２〜０．６に設定してあることが好ましい。
このように設定していることで、電池の組み立ての際には、傾斜面１３ｂによって凹部１３内の適正位置に台座１１が位置決め案内されて、その嵌め込み操作を補助するので、台座１１の凹部１３に対する装着作業を円滑に進めることができる。

扁平形電池の組み立てに際しては、図２とは天地を逆姿勢にした状態で組み立てる。なお、正極材７は、前述の要領で、予めその外周面に台座１１を装着してある。まず負極缶３の開口端部にガスケット６を装着し、負極缶３の収容部１８の内面に負極材９を配置したのち、セパレータ１０と台座１１を装着した正極材７とを負極材９の上側に重ねるようにして組み付ける。

次に、負極缶３内に非水電解液を注入したうえで、正極缶２を上方より被せて正極缶２の凹部１３に台座１１を装着した正極材７を嵌め込む。このとき、負極缶３とガスケット６とは正極缶２内に嵌まり込む（図１の状態）。次いで、正極缶２の周壁１６の開口端部を内方に向けてかしめ加工する。これによって電池の組み立てが完了する。この状態で、正極缶２と負極缶３との間にガスケット６が圧縮状態で挟み込まれて電池缶１内が密封され、また正極材７と負極材９とセパレータ１０とが上下方向に圧縮される。また、正極材７が正極缶２に導通し、負極材９が負極缶３に導通する。

以上のように、本実施形態に係る扁平形電池においては、台座１１が凹部１３に嵌め込まれる前の状態で、円リング状の台座１１の外径寸法Ｄ１を、円状の凹部１３の内径寸法Ｄ２と等しく、またはそれよりも僅かに大きくなるように設定したので、台座１１を凹部１３に対して抜け止め状に嵌合装着することができる。この嵌合装着状態においては、台座１１は、嵌合部１３ａの周側面に密着して正極缶２の径方向へ動く余地がなく、したがって、大きな振動や衝撃等の大きな外力が電池に作用した場合でも、正極材７が凹部１３内で動いて凹部１３の内周側面に衝突して損壊する不具合は生じない。正極材７が動くことでセパレータ１０が擦れて破断し、正極材７と負極材９とが短絡することもない。さらに、正極材７が負極材９に対する適正な対面位置からずれ動いて電池容量が低下することもない。

円状の凹部１３内に、円リング状の台座１１を嵌め込む形態であり、台座１１がその全周方向において凹部１３の内周側面で受け止められる形態であるから、全周方向から衝撃等の大きな外力が作用した場合でも台座１１がズレ動くことが無く、この点でも耐振動性や耐衝撃性に優れた電池を得ることができる。

また、電池組み立て後の状態では、正極材７と負極材９とセパレータ１０とは上下方向に圧縮された状態で電池缶１内に収容されているため、これによって台座１１を装着した正極材７が、負極缶３側（上側）へ動くことは抑制される。

（第２実施形態） 図３および図４に、本発明に係る扁平形電池の第２実施形態を示す。第２実施形態の扁平形電池では、正極缶２に前述の凹部１３を設けることに代えて、図３に示すように、正極缶２の底壁１２の封止壁部１５の内周側の一部を立ち上げた状態に折り畳んで、内外二重の壁からなる規制部３０を形成した。規制部３０は、台座１１の円筒部２６を取り囲む円リング状に形成した。

図４に示す台座１１が規制部３０の内側に嵌め込まれる前の状態で、台座１１の円筒部２６の外径（外法）寸法Ｄ１を、正極缶２の規制部３０の内径（内法）寸法Ｄ３と等しく、またはそれよりも大きく設定した。具体的には、台座１１の円筒部２６の外径寸法Ｄ１と正極缶２の規制部３０の内径寸法Ｄ３との差（Ｄ１−Ｄ３）は０〜１００μｍになるようにした。その他の点は、第１形態と同じであるので、同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、台座１１を装着した正極材７を正極缶２の規制部３０内に嵌め込んだときには、台座１１は、規制部３０の内周側面に密着して正極缶２の径方向へ動く余地がなく、したがって、振動や衝撃等で正極材７が動いて規制部３０の内周側面に衝突して損壊すること、正極材７が動くことでセパレータ１０が擦れて破断し、正極材７と負極材９とが短絡すること、および正極材７が負極材９との適正な対面位置からずれて電池容量が低下することが確実に防止することができる。

（第３実施形態） 図５および図６に、本発明に係る扁平形電池の第３実施形態を示す。本実施形態の扁平形電池では、図５および図６に示すように、台座１１の円筒部２６の外周側面の上下方向中間に、外向きに突出する突起３２が設けられ、それに合わせて正極缶２の凹部１３の内周側面に、前記突起３２が係合する係合凹部３３を設けられている。突起３２は、台座１１の円筒部２６の外周側面の全周にわたって設けられ、係合凹部３３は、正極缶２の凹部１３の内周側面の全周にわたって設けられる。

そして、扁平形電池の組み立てに際し、正極缶２の凹部１３に台座１１を装着した正極材７を嵌め込んだとき、前記突起３２が前記係合凹部３３に係合し、それによって台座１１を装着した正極材７が正極缶２の凹部１３から上方へ抜け出ることが抑制される。その他の点は、第１実施形態と同じであるので、同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。

第３実施形態では、突起３２と係合凹部３３との凹凸係合によって、扁平形電池に強い衝撃等が加わっても台座１１を装着した正極材７が凹部１３から抜け出ることを確実に抑制できる。

なお、正極缶２の凹部１３の内周側面に突起３２を設け、台座１１の円筒部２６の外周側面に係合凹部３３を設けてもよい。突起３２は、例えば半球形状の突起であってもよい。その場合、突起３２は、台座１１の円筒部２６の外周側面、または正極缶２の凹部１３の内周側面の全周にわたって一個または複数個設けられ、正極缶２の凹部１３の内周側面、または台座１１の円筒部２６の外周側面に係合凹部３３が設けられる。

第１実施形態において、正極缶２の凹部１３の内周側面１３ａの上端部分と、台座１１の円筒部２６とを溶接すると、台座１１が正極缶２の凹部１３から抜け出ることをより確実に防止できる。第２実施形態においても同様である。
本発明において、正極、負極および電解液等の各種構成要素は限定されないが、例えば正極活物質として、二酸化マンガンを用い、正極合剤成形体からなる正極を用いる場合には、正極合剤の成形体密度は２．６０〜２．９０ｇ／ｃｍ³ （２．６０ｇ／ｃｍ³ 以上、２．９０ｇ／ｃｍ³ 以下）であることが好ましい。成形体密度が上記範囲であることによって、成形体の強度が適切であるため、成形体の取扱い時に壊れる等の問題がないとともに、容量を確保できる。成形体密度が小さい場合には、成形体が脆く崩れ易く、成形体密度が大きい場合には、台座を凹部に嵌め込む際に正極合剤成形体が割れる等の問題が生じる可能性がある。

１ 電池缶
２ 正極缶
３ 負極缶
５ 発電要素
６ ガスケット
７ 正極材
９ 負極材
１０ セパレータ
１１ 台座
１２ 底壁
１３ 凹部
１３ａ 内周側面
１３ｂ 傾斜面
２６ 円筒部
３０ 規制部
３２ 突起
３３ 係合凹部

Claims (4)

1. 上向きに開口する正極缶と下向きに開口する負極缶とからなる電池缶の内部に、正極材、セパレータおよび負極材からなる発電要素が収容されている扁平形電池において、
   前記正極缶の底壁の中央側に円状の凹部が段落ち状に形成されており、
   前記正極材の外周側面に円リング状の台座を装着されており、これら台座および正極材が前記正極缶の凹部に嵌め込まれており、
   前記台座を凹部に嵌め込む前の状態で、該台座の外径寸法を、前記正極缶の凹部の内径寸法と等しく、またはそれよりも大きく設定したことを特徴とする扁平形電池。
2. 前記正極缶の凹部の内周側面と前記正極缶の底壁とのコーナー部に、内方に向かって下り傾斜する傾斜面が周回状に形成されている請求項１記載の扁平形電池。
3. 前記正極缶の凹部の内周側面または台座の外周側面のうち、いずれか一方に突起が設けられており、他方に突起が係合する係合凹部が設けられている請求項１または２記載の扁平形電池。
4. 上向きに開口する正極缶と下向きに開口する負極缶とからなる電池缶の内部に、正極材、セパレータおよび負極材からなる発電要素が収容されている扁平形電池において、
   前記正極缶の底壁の一部を立ち上げて円状のリング状の規制部を形成し、正極材の外周側面に円リング状の台座を装着されており、これら台座および正極材が前記規制部の内側に嵌め込まれており、
   台座を規制部の内側に嵌め込む前の状態で、該台座の外径寸法を、正極缶の規制部の内径寸法と等しく、またはそれよりも大きく設定したことを特徴とする扁平形電池。

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