JP2010225300A

JP2010225300A - 扁平形電池及びその製造方法

Info

Publication number: JP2010225300A
Application number: JP2009068068A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Yabushita; 昇志籔下
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】台座と正極との電気的な接触性を十分に確保し、内部抵抗の上昇を抑制可能な扁平形電池を提供する。
【解決手段】本発明の扁平形電池は、有底円筒状の正極容器４と、有天円筒状の負極容器５により形成された空間内に、円盤形状の正極１と円盤形状の負極２がセパレータ３を介して収容されたものであり、正極１２の周囲に配置された、Ｌ字状の断面を有する環状の台座を含む。台座７と正極１との接触面には、導電性材料が塗布されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、扁平形電池に関する。

最近、タイヤ空気圧センサなどのように激しく振動する状態で使用される機器の電源として使用できる電池が必要とされるようになってきた。このような用途に使用される電池の一例としては、図１に示すように、円盤形状の正極１と、円盤形状の負極２と、セパレータ３と、有底円筒形状の正極缶４と、有天円筒形状の負極容器５と、環状のパッキング６と、Ｌ字状の断面を有する環状の台座７とを備えた扁平形電池が知られている。台座７は、正極１の膨張方向を規制するものである。

しかし、タイヤ空気圧センサは車両のタイヤ内部に設置されるため、走行中、遠心力や振動などの衝撃が伝わりやすい。そのため、正極１と負極２とが対向位置からずれて容量が劣化したり、隣接するパッキング６に接触して割れたりするなどの問題が生じる。さらに、タイヤ空気圧センサは上下方向にも振動するため、正極容器４と台座７との密着性が不足し、正極１と正極容器４との電気的な接触性が十分に確保できない状態となる可能性がある。

このような問題を解決するため、たとえば、特許文献１では、台座７を正極容器４の底面部に溶接することで、電池の放電特性の安定化を図っている。

特開平０１−３２０７６０号公報

しかしながら、台座を正極容器に溶接するにあたり、正極が台座と一体化されている場合、台座が一体化された正極を正極容器内に収容した後に正極容器の外部から溶接することになるため、溶接の信頼性に欠け、台座内に収容されている正極に悪影響を及ぼす可能性がある。また、扁平形電池の作製（組み立て）後に台座の溶接を行うと、扁平形電池内に収容されている非水電解液にも悪影響を及ぼす可能性がある。

一方、予め台座を正極容器に溶接しておき、その後、正極１を台座内に挿入する場合には、上記のような問題は起こらない。しかし、正極１は、通常、二酸化マンガンとカーボンブラック等の粉体とバインダーとを用いて成形されるものであるため強度が弱く、正極１が台座７内に挿入される際に台座に接触すると、正極１に割れや欠けが発生し、その破片が電池内に存在することで種々の問題を引き起こす可能性がある。このような問題を防ぐためには、正極の外周面と台座の内周面との間にクリアランスを確保しなければならないが、クリアランスを確保した場合、未放電状態において、正極と台座との電気的な接触性が不十分となり、内部抵抗が高くなる可能性がある。内部抵抗が高くなると、放電性能が劣るという問題が生じる。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、正極と正極容器との電気的な接触を向上させ、内部抵抗の上昇を抑制できる扁平形電池及びその製造方法を提供する。

本発明の扁平形電池は、有底円筒状の正極容器と有天円筒状の負極容器により形成された空間内に、円盤形状の正極と円盤形状の負極がセパレータを介して収容された扁平形電池において、前記正極の周囲に配置された、Ｌ字状の断面を有する環状の台座を含み、前記台座と前記正極との接触面には、導電性材料が塗布されていることを特徴とする。

本発明の扁平形電池の製造方法は、Ｌ字状の断面を有する環状の台座の内面に導電性材料を塗布する工程と、前記台座内に、円盤形状の正極を挿入する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、台座と正極との電気的な接触性を十分に確保して、内部抵抗の上昇を抑制可能な扁平形電池を実現できる。

扁平形電池の一例を示す概略断面図である。

本発明の扁平形電池は、有底円筒状の正極容器と有天円筒状の負極容器により形成された空間内に、円盤形状の正極と円盤形状の負極がセパレータを介して収容された扁平形電池において、上記正極の周囲に配置された、Ｌ字状の断面を有する環状の台座を含み、上記台座と上記正極との接触面には、導電性材料が塗布されていることを特徴とする。

上記台座と上記正極との接触面に導電性材料が塗布されていることにより、台座と正極との電気的な接触性を十分に確保し、内部抵抗の上昇を抑制可能な扁平形電池を実現できる。

本発明の扁平形電池の製造方法は、Ｌ字状の断面を有する環状の台座の内面に導電性材料を塗布する工程と、上記台座内に、円盤形状の正極を挿入する工程とを含むことを特徴とする。

上記台座と上記正極との接触面に導電性材料を塗布することにより、正極容器に溶接された台座と正極との電気的な接触性を十分に確保し、内部抵抗の上昇を抑制可能な扁平形電池を実現できる。

上記正極は、上記台座に塗布された上記導電性材料が乾燥する前に上記台座内に挿入することが好ましい。導電性材料が接着剤としての役割を果たすため、正極と台座とを接着でき、耐振動性、耐衝撃性を向上させた扁平形電池を実現できる。

以下、本発明の実施形態について図１を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は、本発明の扁平形電池の一例を示す概略断面図である。

本実施形態の扁平形電池は、図１に示すように、円盤形状の正極１、円盤形状の負極２、セパレータ３、有底円筒状の正極容器４、有天円筒状の負極容器５、環状のパッキング６、及び、Ｌ字状の断面を有する環状の台座７を備え、電池内に非水電解液が充填されている。

また、本実施形態の扁平形電池は、台座７と正極１との電気的な接触性を確保するために、台座７と正極１との接触面に導電性材料が塗布されている。導電性材料を塗布するにあたっては、台座７内に正極１を挿入する前に台座７の内面に導電性材料を塗布すれば、台座７と正極１との電気的な接触性を向上でき、その結果、正極１と正極容器４との電気的な接触性が向上し、内部抵抗を抑制できる。また、台座７内に正極１を挿入する前に、台座７だけでなく正極１にも塗布すると、塗布された導電性材料が正極１に吸収され、正極１の導電性を高めることができる。

上記導電性材料は、接着剤としての役割も果たすことが可能である。たとえば、台座７に塗布された導電性材料が乾燥する前に正極１を台座７内に挿入すると、台座７と正極１とを接着でき、台座７と正極１との密着性を向上できるため、これにより台座７と正極１との電気的な接触性がより向上することになる。

上記導電性材料としては、カーボンペースト、銀ペーストなどを用いることができる。コスト面を考えると、特にカーボンペーストが好ましい。

カーボンペーストは、例えば、黒鉛を水ガラスと分散剤を用いて水中に分散させたものであり、水ガラスが空気中の二酸化炭素と反応することにより、接着剤としての役割を果たすこともできる。そのため、正極１と台座７とを接着させることができる。導電性材料により正極１が台座７に接着した場合には、耐振動性、内部抵抗低下の面でより好ましい。

台座７と正極１との接触面に塗布される導電性材料の塗布量、あるいは塗布後の厚みについては、内部抵抗を低下できれば特に制限はないが、乾燥後の塗布量が１ｍｇ／ｃｍ²以上１０ｍｇ／ｃｍ²であることが好ましく、あるいは、塗布後の厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。導電性材料の乾燥後の塗布量が少ない、あるいは塗布後の厚みが薄すぎる場合、安定した導電性が得られず、内部抵抗の低下効果が充分に発揮されない可能性がある。導電性材料の乾燥後の塗布量が多い、あるいは、塗布後の厚みが厚すぎる場合、電池内での占有体積が大きくなり、他の構成要素（電極や電解液など）を収容できる体積が小さくなる可能性がある。また、導電性材料としてカーボンペーストを用いた場合には、接触抵抗の低減による内部抵抗の低下には寄与するが、カーボンペースト自体の抵抗はそれ程低くないため、カーボンペーストの塗布量が多すぎると、かえって導電性を形成し難くなるという問題が発生するため、カーボンペーストの塗布量に注意が必要である。

正極１に含まれる正極活物質としては、例えば、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＮｉ_xＣｏ_1-xＯ₂のほか、ＬｉＭｎＯ₂、ＬｉＭｎＯ₂、ＬｉＮｉ_xＭｎ_1-xＯ₂、ＬｉＭｎ₃Ｏ₆、二酸化マンガンなどのマンガン含有酸化物、フッ化炭素などを用いることができる。

正極１の作製にあたっては、通常、その正極活物質に加えて、導電助剤およびバインダーが用いられる。上記導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、鱗片状黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、繊維状炭素などが用いられ、バインダーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンラバーなどが用いられる。そして、正極の作製にあたっては、正極活物質と導電助剤とバインダーとを混合して調製した正極合剤を加圧成形することによって作製される。ただし、正極の作製方法は、上記例示の方法のみに限られることなく、他の方法によってもよい。

負極２に含まれる負極活物質としては、特に限定されるものではなく、例えば、金属リチウム、リチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−ビスマス、リチウム−インジウム、リチウム−ガリウム、リチウム−インジウム−ガリウムなどのリチウム合金、炭素質材料、リチウムチタン酸化物に代表される金属酸化物などが挙げられる。上記負極活物質はそれ単独で負極を形成してもよいし、正極と同様にして負極合剤を作製し、これを集電体に塗布し、乾燥した後、加圧成形することによって負極２を作製してもよい。

セパレータ３としては、微孔性樹脂フィルム、樹脂不織布のいずれも用いることができる。その材質としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン、ポリメチルペンテンなどのポリオレフィンのほか、耐熱用途として、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などのフッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリブチレンテレフタレートなどが挙げられる。また、上記材質の微孔性フィルムと不織布とを複数積層する、あるいは微孔性フィルム同士や不織布同士を複数積層することにより構成される複層体を用いることもできる。

正極容器４及び負極容器５としては、例えば、ステンレス鋼製や、鉄製で表面をニッケルめっきしたもの等を用いることができる。

パッキング６としては、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などの弾性及び絶縁性に優れたプラスチック材を用いることができる。

台座７としては、金属製、例えばステンレス鋼製のものを用いることができる。また、台座７は、正極１の挿入に先立って、正極容器４の底面部に溶接される。正極１の挿入後に台座７を溶接すると、台座７内に挿入されている正極１に影響を及ぼす可能性がある。溶接方法としては、電気的なスポット溶接の他、レーザ溶接、超音波溶接などを用いることができ、正極容器４の内側または外側のいずれから溶接しても良い。

電池内に充填される非水電解液としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状炭酸エステル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状炭酸エステル、１，２−ジメトキシエタン、ジグライム（ジエチレングリコールジメチルエーテル）、トリグライム（トリエチレングリコールジメチルエーテル）、テトラグライム（テトラエチレングリコールジメチルエーテル）、メトキシエトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフランなどのエーテル、より選択される１種の溶媒あるいは２種以上の混合溶媒に、電解質塩を溶解させたものが用いられる。

次に、本実施形態の扁平形電池の製造方法について説明する。

まず、正極容器４の底面部に台座７を溶接する。台座７の正極１との接触面（台座７の内面全面）に導電性材料を塗布した後、台座７内に正極１を挿入する。

一方、負極２については、負極容器５の天面部に圧着し、負極容器５の外周縁部に、負極容器５の下方から環状のパッキングを装着する。

そして、上記正極１の正極容器４の底面部側とは反対側の主面上（図１において、正極１の上側主面上）に、セパレータを介して、上記負極２を配置する。

その後、電池内部に非水電解液を注入してから、正極容器４の開口端部を内方に向かって締め付ける。これにより、負極容器５の外周面に装着されたパッキング６が押圧され、負極容器５の外周縁部と、正極容器４の開口端部の内周面とが圧接され密封される。このようにして図１に示す構造の扁平形電池が作製される。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例のみに限定されない。

（実施例１）
正極１については、まず、正極活物質として二酸化マンガンと、導電助剤として人造黒鉛と、バインダーとしてテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体を準備し、二酸化マンガンが９１．７質量％、人造黒鉛が７．６質量％、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体が０．７質量％となるように混合して正極合剤を調製し、調製後の正極合剤を金型に充填して加圧成形することにより、正極１を作製した。この正極１は直径１９ｍｍ、厚さ３ｍｍの円盤形状をしている。

正極容器４及び負極容器５としては、ステンレス鋼製の缶を準備した。以下、正極容器を正極缶と称し、負極容器を負極缶と称する。

台座７としては、ステンレス鋼製のものを準備した。台座７の周壁部の長さは２．５ｍｍ、厚みは１００μｍとした。台座７の上端側の開口部の内径（周壁部の内径）は１９．５ｍｍ、台座７の底部側の開口部の内径は、１５．０ｍｍとした。

負極２については、厚さ１．０ｍｍのリチウム板と、厚さ６μｍのアルミニウム箔とを積層したものを、直径が１９ｍｍの円盤形状となるように打ち抜くことにより作製した。負極２は、電池の組み立て後、非水電解液の存在下で電気化学的に合金化され、リチウム−アルミニウム合金で構成されることになる。

非水電解液としては、プロピレンカーボネートと１，２−ジメトキシエタンとの体積比１：１の混合溶媒にＬｉＣｌＯ₄を０．５ｍｏｌ／ｌ溶解させたものを準備した。

セパレータ３としては、厚み４００μｍの不織布を準備した。パッキング６としては、ポリフェニレンサルファイド製のものを準備した。

そして、以下のようにして電池の組み立てを行った。

まず、台座７を正極缶４の底面部に溶接した。そして、正極缶４に溶接された台座７の内面に、導電性材料であるカーボンペーストを塗布した。ここで使用したカーボンペーストは、日本黒鉛工業（株）製の“バニーハイトＩＶ−１７４（商品名）”であり、その成分は、黒鉛２６質量％、水ガラス１５．５質量％、分散剤２質量％、イオン交換水５６．５質量％である。カーボンペーストは、乾燥後の塗布量が５ｍｇ／ｃｍ²となるように塗布した。そして、塗布したカーボンペーストが乾燥する前に正極１を台座７内に挿入し、台座７に正極１を接着させた。カーボンペーストは、台座７に塗布した後、１０５±５℃の温度で乾燥して配置した。

一方、負極２については、負極缶５の天面部に圧着し、負極缶５の外周縁部には、負極缶５の下方からポリフェニレンサルファイド製のパッキング６を装着した。

そして、台座７内に挿入された上記正極１の上側主面上に、セパレータ３を介して、上記負極２を配置した。その後、電池内部に非水電解液を０．５ｍｌ注入し、正極缶４の開口端部を内方に向かって締め付けた。

このようにして図１に示す構造の厚さ５ｍｍ、直径２４ｍｍの扁平形電池を作製した。

（実施例２）
本実施例２の扁平形電池は、正極１と台座７とを接着していないこと以外、上記実施例１と同様にして作製した。本実施例２では、正極１と台座７とを接着させないために、台座７の内面に塗布されたカーボンペーストを乾燥させた後に正極１を挿入した。

（実施例３）
本実施例３の扁平形電池は、正極１と台座７とを接着せず、カーボンペーストを台座７及び正極１に塗布したこと以外、上記実施例１と同様にして作製した。

（比較例１）
本比較例１の扁平形電池は、台座７の内面へのカーボンペーストの塗布を行わなかったこと以外、上記実施例１と同様にして作製した。

上記実施例１〜３、及び比較例１の扁平形電池について、安定電圧を得るために、予備放電、エージングを行った後、各扁平形電池の内部抵抗を測定した。内部抵抗の測定は交流インピーダンス測定（１ｋＨｚ）で行った。

内部抵抗が８Ω以上の扁平形電池を不良品と判定した。上記各扁平形電池の試料数は１００個とし、そのうちの不良品の個数を調べるとともに、内部抵抗の平均値を求めた。結果を表１に示す。

表１に示す結果から明らかなように、台座７と正極１との接触面にカーボンペーストを塗布した実施例１〜３の扁平形電池は、カーボンペーストを塗布していない比較例１に比べ、不良品の発生を無くすことができることが分かった。

また、実施例１の扁平形電池の内部抵抗値が、実施例２、３に比べて低い値となっていることから、カーボンペーストにより台座７と正極１とが接着され、耐振動性、耐衝撃性を向上できたと考えられる。

本発明の扁平形電池は、振動などの影響を受けにくい電池として、タイヤ空気圧センサの電源に利用可能である。

１正極
２負極
３セパレータ
４正極容器（正極缶）
５負極容器（負極缶）
６パッキング
７台座

Claims

有底円筒状の正極容器と有天円筒状の負極容器により形成された空間内に、円盤形状の正極と円盤形状の負極がセパレータを介して収容された扁平形電池において、
前記正極の周囲に配置された、Ｌ字状の断面を有する環状の台座を含み、
前記台座と前記正極との接触面には、導電性材料が塗布されていることを特徴とする扁平形電池。
前記導電性材料は、銀ペーストまたはカーボンペーストである請求項１に記載の扁平形電池。
請求項１に記載の扁平形電池を製造する方法であって、
Ｌ字状の断面を有する環状の台座の内面に導電性材料を塗布する工程と、
前記台座内に、円盤形状の正極を挿入する工程とを含むことを特徴とする扁平形電池の製造方法。
前記正極は、前記台座に塗布された前記導電性材料が乾燥する前に前記台座内に挿入する請求項３に記載の扁平形電池の製造方法。