JP2011187288A

JP2011187288A - 密閉型電池

Info

Publication number: JP2011187288A
Application number: JP2010050668A
Authority: JP
Inventors: Mayumi Yamamoto; 真由美山本; Hiroshi Maezono; 寛志前園; Soichi Watari; 聡一亘理; Akino Isa; 亜希乃伊佐
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】膨れ抑制又は厚み抑制に有利な外装缶を備えた密閉型電池を提供する。
【解決手段】角形の外装缶２の開口を蓋４で封止した密閉型電池１であって、外装缶２の側面のうち、外装缶２の開口の長手方向に延びた面を幅広面２ａとすると、１つ分の幅広面２ａに、複数の縦長の凹部２０、２１が塑性加工されている。外装缶２の幅広面２ａにおける凹部２０、２１を複数としたことにより、外装缶２の膨れ抑制又は厚み抑制に有利になる。
【選択図】図３

Description

本発明は、角形の外装缶内に発電要素を収納した密閉型電池に関する。

近年、携帯電話やモバイル機器等の小型軽量の電子機器が普及している。これらの電子機器に用いる電池として、角形の密閉型電池が知られている。密閉型電池は、電極体を内蔵した有底筒状の外装缶の開口を蓋で封止したものである。

角形の密閉型電池として、例えばリチウムイオン電池が挙げられる。リチウムイオン電池の市場においては、高容量薄型化が進んでおり、これに伴い外装缶の肉厚を薄くする傾向にある。外装缶の肉厚を薄くすると、外装缶の内圧上昇により外装缶が膨れ易くなる。下記特許文献１には、外装缶の側面に凹みを設けて外装缶の膨れを抑制することが提案されている。

特開平７−１８３０１０号公報

しかしながら、側面に凹みを設けた外装缶について解析をしたところ、側面中央部に単に一つの凹みを設けた外装缶は、膨らみ抑制には必ずしも最適ではなく、凹みの個数、配置を変えることにより、外装缶の膨らみ抑制又は厚み抑制により有利な構成を実現できることが分かった。

本発明は、前記のような問題を解決するものであり、膨れ抑制又は厚み抑制に有利な外装缶を備えた密閉型電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の密閉型電池は、角形の外装缶の開口を蓋で封止した密閉型電池であって、前記外装缶の側面のうち、前記開口の長手方向に延びた面を幅広面とすると、１つ分の前記幅広面に、複数の縦長の凹部が塑性加工されていることを特徴とする。

本発明の密閉型電池によれば、外装缶の膨れ抑制又は厚み抑制に有利になる。

本発明の一実施の形態に係る密閉型電池１において、外装缶２の開口３に蓋４を嵌合させる様子を示す斜視図。本発明の一実施の形態に係る密閉型電池１において、外装缶２に蓋４を接合した状態を示す斜視図。本発明の一実施の形態に係る密閉型電池１の完成状態の斜視図。各種解析仕様のサンプルを示した斜視図。（ａ）図は図４（ａ）の中心線６２における断面図、（ｂ）図は図４（ｂ）の中心線６２における断面図。内圧の変化と電池膨れｓとの関係を示した図。図６において内圧が０．２ＭＰａまでの範囲を拡大した図。内圧の変化と電池厚みｔの関係を示した図。図８において内圧が０．２ＭＰａまでの範囲を拡大した図。

本発明の密閉型電池によれば、外装缶の幅広面に複数の縦長の凹部を塑性加工したことにより、外装缶の膨れ抑制又は厚み抑制に有利になる。

前記本発明の密閉型電池においては、前記幅広面の中心線に対し右側の領域を右側領域、左側の領域を左側領域とすると、前記複数の凹部は奇数個であり、かつ前記幅広面の中心線を含む凹部と、凹部全体が前記右側領域にある少なくとも一つの凹部と、凹部全体が前記左側領域にある少なくとも一つの凹部とで構成されていることが好ましい。この構成によれば、特に外装缶の厚み抑制に有利になる。

また、前記幅広面の中心線に対し右側の領域を右側領域、左側の領域を左側領域とすると、前記複数の凹部は偶数個であり、かつ凹部全体が前記右側領域にある少なくとも一つの凹部と、凹部全体が前記左側領域にある少なくとも一つの凹部とで構成されていことが好ましい。この構成によれば、特に外装缶の膨れ抑制に有利になる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。最初に、本実施の形態に係る密閉型電池の完成前の状態を説明しながら、本実施の形態に係る密閉型電池の基本的な構成について説明する。

図１は、本実施の形態に係る密閉型電池１において、外装缶２の開口３に蓋４を嵌合させる様子を示す斜視図である。図２は、外装缶２に蓋４を接合した状態を示す斜視図である。

密閉型電池１は、例えば、角形リチウムイオン電池であり、携帯電話やモバイル機器等に用いられる。外装缶２は角形であり、上端に略矩形状の開口３を形成した有底筒状体である。外装缶２は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金の薄板を深絞り加工して形成する。外装缶２の幅広面２ａは、外装缶２の側面のうち、開口３の長手方向に延びた面である。幅広面２ａには、縦長の凹部２０、２１が形成されている。凹部２０、２１は、深絞り加工の後に、幅広面２ａに塑性加工したものである。凹部２０、２１は、外装缶２の膨れ抑制又は厚み抑制のために形成したものである。この詳細については、後に解析結果を参照しながら説明する。

外装缶２内には扁平状の電極体５を内蔵している。電極体５は、帯状の正極集電体と帯状の負極集電体との間に、帯状のセパレータを介在させた状態で、正極集電体及び負極集電体を渦巻状に巻回して作製したものである。負極集電体からは薄板状の負極集電リード６を導出しており、正極集電体からは薄板状の正極集電リード７を導出している。

蓋４は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金の薄板を塑性加工した横長状部材である。図２に示したように、蓋４の表面には負極端子９を設けている。また、蓋４には、電解液を外装缶２内に注液するための注液孔１０を形成している。図２には図示していないが、蓋４の表面に防爆用の凹み部を設ける場合がある。

図１に示したように、蓋４の裏面には負極端子９（図２）に接続したリード体８を設けている。リード体８と蓋４の裏面との間には、絶縁体（図示せず）を介在させている。リード体８は負極集電リード６に接合されている。このことにより、負極端子９（図２）は負極電位に帯電することになる。また、蓋４には、正極集電リード７が直接接合されている。このことにより、蓋４及び外装缶２が正極電位に帯電することになる。

図１の状態から、負極集電リード６及び正極集電リード７を折り曲げつつ、蓋４の外周を、外装缶２の開口３の内周面に嵌合させる。図２では、蓋４は、外装缶２の開口３（図１）の内周面に嵌合した状態で、シーム溶接により接合されている。

また、図２には注液孔１０に装着する前の封止体１１が示されている。注液孔１０から外装缶２内に非水電解液が注入された後に、注液孔１０は封止体１１で塞がれる。封止体１１は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されたアルミニウム板１２と、ニッケル又はニッケル合金で形成したニッケル板１３とを圧着して積層したものである。アルミニウム板１２には、注液孔１０に挿入される凸部１４が一体になっている。ニッケル板１３は正極端子として使用できる。

図３は、密閉型電池１の完成状態の斜視図を示している。本図の状態では、図２の注液孔１０は封止体１１で塞がれている。封止体１１は、アルミニウム板１２の外周部を蓋４に溶接することにより、蓋４に接合している。

蓋４とアルミニウム板１２は、いずれもアルミニウム又はアルミニウム合金の同種金属で形成されている。このため両部材の溶接性は良好である。また、ニッケル板１３には、ニッケル板１３と同種金属のリードプレートとの溶接性が良好になる。

前記のような密閉型電池１においては、電極体５の膨張や電極体５と電解液との反応によるガスの発生により、密閉型電池１の内部の圧力が上昇すると、外装缶２に膨れが生じ易くなる。本実施の形態は、外装缶２の幅広面２ａに複数の凹部を形成することにより、外装缶２の膨れ抑制又は厚み抑制を図っている。このことについて、以下解析結果を参照しながら説明する。

解析にはＣＡＥソフトウエア（ＬＳ−ＤＹＮＡ）を用いた。図４（ａ）−（ｅ）に５つの解析仕様のサンプルを示している。図４（ａ）−（ｅ）の順にサンプルａ−ｅを示している。サンプルａ−ｅは、いずれも縦長の凹部が形成されており、凹部を除く本体部分は共通である。本体部分は、外装缶６０の上部の開口を蓋６１で封止したものである。外装缶６０、蓋６１は、図１を用いて説明した外装缶２、蓋４と同様の構成である。ただし、蓋６１は負極端子や注液孔は省いた平板状である。サンプルａ−ｅは厚さが５．５ｍｍであり、各凹部の深さは０．３５ｍｍである。

図４の各図において、中心線６２は外装缶６０の幅広面６０ａの中心線である。図５（ａ）は図４（ａ）の中心線６２における断面図であり、図５（ｂ）は図４（ｂ）の中心線６２における断面図である。図示の便宜上、図４における高さ方向を図５では横方向（矢印ａ方向）に図示している。

図５（ａ）では、幅広面２ａは凹部１０の形成により窪みが形成されている。図５（ｂ）では、外装缶２の幅広面２ａは平板状である。図５（ａ）は、図４（ａ）の中心線６２における断面図であるが、図４（ｃ）、（ｅ）の中心線６２における断面図も同様である。また、図５（ｂ）は、図４（ｂ）の中心線６２における断面図であるが、図４（ｄ）の中心線６２における断面図も同様である。また、図４の各図において、中央部以外に形成した凹部についても、図５（ａ）と同様の断面形状である。以下の表１に、外装缶６０、蓋６１の材料及び特性を示す。

図４の各図において、説明の便宜上、幅広面６０ａは右側領域６３と左側領域６４とに区分している。右側領域６３は中心線６２に対し右側の領域であり、左側領域６４は中心線６２に対し左側の領域である。

図４（ａ）のサンプルａは凹部の個数が１個であり、幅広面６０ａの中央部に中心線６２を含むように凹部１０を配置したものである。

図４（ｂ）のサンプルｂは凹部の個数が２個であり、右側領域６３に凹部２０、左側領域６４に凹部２１を配置したものである。凹部２０は凹部全体が右側領域６３にあり、凹部２１は凹部全体が左側領域６４にある。

図４（ｃ）のサンプルｃは凹部の個数が３個であり、幅広面６０ａの中央部に中心線６２を含むように凹部３０を配置し、右側領域６３に凹部３１、左側領域６４に凹部３２を配置したものである。凹部３１は凹部全体が右側領域６３にあり、凹部３２は凹部全体が左側領域６４にある。

図４（ｄ）のサンプルｄは凹部の個数が４個であり、右側領域６３に凹部４０、４１、左側領域６４に凹部４２、４３を配置したものである。凹部４０、４１は凹部全体が右側領域６３にあり、凹部４２、４３は凹部全体が左側領域６４にある。

図４（ｅ）のサンプルｅは凹部の個数が５個であり、幅広面６０ａの中央部に中心線６２を含むように凹部５０を配置し、右側領域６３に凹部５１、５２、左側領域６４に凹部５３、５４を配置したものである。凹部５１、５２は凹部全体が右側領域６３にあり、凹部５３、５４は凹部全体が左側領域６４にある。

なお、図４の各図は一対の幅広面６０ａのうち、片面のみを図示しているが、他方の面（裏面）にも表面側と同様の凹部を設けている。

以上のようなサンプルａ−ｅについて、外装缶６０及び蓋６１に最大１ＭＰａまで内圧を付加し、内圧の変化と電池膨れ及び電池厚みとの関係を得た。電池膨れ測定位置は、図４（ａ）−（ｅ）に示したように、幅広面６０ａの中心点（Ａ点）とした。なお、図４（ａ）、（ｃ）、（ｅ）のように、Ａ点が凹部にある場合は、図５（ａ）に示したようにＡ点は空間の点ではなく凹部の底面上の点である。電池厚みは、図５（ａ）、（ｂ）において、Ａ点とＢ点との間の厚さである。Ｂ点は、Ａ点を通る垂直線と、幅広面６０ａに対向する幅広面６０ｂとの交点である。

図６は、内圧の変化と電池膨れｓとの関係を示している。図６から分かるように、サンプルｂ（凹部２個）及びサンプルｄ（凹部４個）と、サンプルａ（凹部１個）、サンプルｃ（凹部３個）及びサンプルｅ（凹部５個）との間における膨れ量の差異が明確になっている。すなわち、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄは、凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅよりも電池膨れが小さいことが分かる。

図７は、図６において内圧が０．２ＭＰａまでの範囲を拡大したものである。少なくとも０．０４−０．１４ＭＰａにおいては、サンプルａ（凹部１個）、サンプルｃ（凹部３個）、サンプルｂ（凹部２個）、サンプルｄ（凹部４個）の順に膨れ量が小さくなっている。

実際の電池評価において、電池膨れや電池厚みが問題となるのは、内圧が０．１ＭＰａ程度までの低圧域である。このため、内圧０．１ＭＰａにおける電池膨れを見ると、凹部が複数のサンプルｂ−ｅはいずれも、凹部が１個のサンプルａよりも膨れ量が小さい。また、図６を用いて説明した通り、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄは、凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅよりも膨れ量が小さい。

凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄについてみると、凹部が２個から４個に増加すると、これに伴って膨れ量も小さくなっている。凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅについてみると、凹部が１個から、３個、５個と増加するにつれて、膨れ量も小さくなっている。したがって、凹部が偶数個同士又は奇数個同士であれば、凹部の数が多いほど、膨れ量は小さくなる。

ここで、前記の通り、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄは、凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅよりも膨れ量が小さい。この点検討してみると、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄは、図４（ｂ）、（ｄ）に示したように、測定点であるＡ点は凹部上にはなく、図５（ｂ）に示したように、幅広面６０ａの平板状部分にある。これに対して、凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅは、図４（ａ）、（ｃ）、（ｅ）に示したように測定点であるＡ点は凹部上にあり、図５（ａ）に示したように凹部の底面上にある。

図５（ａ）のように幅広面６０ａに凹部を形成した場合は、凹部の形成により、幅広面６０ａの面に沿った高さ方向（矢印ａ方向）の線長が延びている。このため、内圧が加わった場合に、凹部形成部に反転の余地が生じる。このことが凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄが、膨れの大きくなっている要因と考えられる。

以上の電池膨れに関する解析結果をまとめてみると、電池膨れは、凹部が１個よりも複数個の方が小さく、凹部が奇数個（中央部に凹部有り）よりも偶数個（中央部に凹部無し）の方が小さく、凹部が奇数個同士又は偶数個同士であれば、凹部の数が多い方が小さいということになる。

図８は、内圧の変化と電池厚みｔの関係を示している。図９は、図８において内圧が０．２ＭＰａまでの範囲を拡大したものである。前記の通り、電池厚みｔは、図５（ａ）、（ｂ）においてＡ点とＢ点との間の厚さである。

図４（ｂ）、（ｄ）のサンプルｂ、ｄでは、内圧が印加されていない初期の電池厚みｔは５．５ｍｍである。図４（ａ）、（ｃ）、（ｅ）のサンプルａ、ｃ、ｅでは、図５（ａ）に示したように、Ａ点及びＢ点は凹部上にある。このため、内圧が印加されていない初期の電池厚みｔは、５．５ｍｍから凹部（深さ０．３５ｍｍ）２個分の深さを引いた４．８ｍｍである。

このことにより、図８、９の初期（内圧０）において、凹部が奇数個（中央部に凹部有り）のサンプルａ、ｃ、ｅと、凹部が偶数個（中央部に凹部無し）のサンプルｂ、ｄとでは電池厚みｔに差が生じている。

図８、９では、内圧０近傍においては、凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅと、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄとの間に開きが見られ、凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅは、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄより電池厚みｔが小さくなっている。一方、内圧が０近傍から増加した状態では、各サンプルの電池厚みｔの差異が縮まっている。

これは、凹部が奇数個のサンプルは、測定点である中央部に凹部があるため、内圧印加の小さい状態では、凹部が偶数個（中央部に凹部無し）のサンプルよりも電池厚みが小さくなることと、前記のように電池膨れは、中央部に凹部のある凹部が奇数個のサンプルの方が、中央部に凹部の無い凹部が偶数個のサンプルよりも大きいためと考えられる。すなわち、凹部が奇数個のサンプルは、内圧が０近傍においては電池厚みｔが凹部が偶数個のサンプルよりも小さくなっているが、電池膨れは凹部が偶数個のサンプルよりも大きいため、内圧がある程度増加すると、電池厚みは凹部が偶数個のサンプルに近づくものと考えられる。

前記の通り、実際の電池評価において、電池膨れや電池厚みが問題となるのは、内圧が０．１ＭＰａ程度までの低圧域である。このため、図９の内圧０．１ＭＰａについてみると、凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅは、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄよりも電池厚みｔは小さくなっている。一方、図７の結果の通り、膨れ量は凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅの方が、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄよりも大きくなっている。

したがって、凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅが、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄより電池厚みが小さいのは、測定点である中央部に凹部を形成していることによるものと考えられる。

他方、凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅについてみると、凹部が１個から、３個、５個と増加するにつれて、電池厚みも小さくなっている。凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄについてみると、凹部が２個から４個に増加すると、これに伴って電池厚みも小さくなっている。したがって、凹部が偶数個同士又は奇数個同士であれば、凹部の数が多いほど、電池厚みは小さくなる。この結果は、図７の電池膨れの結果とも整合している。

なお、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄは、前記の通り電池膨れ抑制の効果は凹部が奇数個のサンプルａ、ｃ、ｅより良好である。このため、凹部が偶数個のサンプルｂ、ｄについても、電池膨れ抑制による電池厚み抑制の効果があることになる。

以上の電池厚みに関する解析結果をまとめてみると、電池厚みは、凹部が偶数個よりも凹部が奇数個の方が小さくなるが、これは、凹部が奇数個のサンプルは、測定点である中央部に凹部を形成していることによるものと考えられる。一方、凹部が奇数個同士又は偶数個同士であれば、凹部の数が多い方が電池厚みは小さく、このことは電池膨れの場合と同様である。

したがって、電池厚み抑制には、外装缶の幅広面の中央部に単に凹部を１個設ける構成よりも、中央部の凹部以外にも凹部を設け、凹部の個数を複数とすることが有利であることが分かる。

以上の結果をまとめてみると、外装缶の幅広面における凹部の配置は、電池膨れ抑制に有利な配置と、電池厚み抑制に有利な配置とがある。電池膨れ抑制には、凹部が偶数個（中央部に凹部無し）が有利であり、電池厚み抑制には、凹部が奇数個（中央部に凹部有り）が有利である。そして、いずれの場合であっても、凹部の個数を複数とした方が有利であり、凹部の個数が多いほど有利になる。

一方、凹部の個数、配置は、電池缶の幅広面の大きさ、凹部形成による内容積減少、外装缶内の電極体との干渉等の考慮が必要な場合がある。したがって、これらを考慮しつつ、凹部の配置、個数を決定すればよい。

また、解析サンプルでは、凹部の深さが０．３５ｍｍであったが、これに限るものではなく、例えば０．１−０．５ｍｍの範囲内で決定してもよい。

また、凹部の個数は偶数個の場合は最大４個、奇数個の場合は最大５個の例で説明したが、偶数個の場合は６個以上、奇数個の場合は７個以上としてもよい。

また、図１−３に示した蓋４及びその取り付け部品は一例であり、他の構成であってもよい。例えば蓋４の表面に防爆用の凹み部を設けてもよい。

以上のように、本発明に係る密閉型電池によれば、外装缶の膨れ抑制又は厚み抑制に有利になるので、本発明に係る密閉型電池は、例えば携帯電話やモバイル機器に用いる密閉型電池として有用である。

１密閉型電池
２外装缶
２ａ，６０ａ幅広面
４，６１蓋
１０，２０，２１，３０，３１，３２，４０，４１，４２，４３，５０，５１，５２，５３，５４凹部
６２幅広面の中心線
６３右側領域
６４左側領域

Claims

角形の外装缶の開口を蓋で封止した密閉型電池であって、
前記外装缶の側面のうち、前記開口の長手方向に延びた面を幅広面とすると、
１つ分の前記幅広面に、複数の縦長の凹部が塑性加工されていることを特徴とする密閉型電池。
前記幅広面の中心線に対し右側の領域を右側領域、左側の領域を左側領域とすると、前記複数の凹部は奇数個であり、かつ前記幅広面の中心線を含む凹部と、凹部全体が前記右側領域にある少なくとも一つの凹部と、凹部全体が前記左側領域にある少なくとも一つの凹部とで構成されている請求項１に記載の密閉型電池。
前記幅広面の中心線に対し右側の領域を右側領域、左側の領域を左側領域とすると、前記複数の凹部は偶数個であり、かつ凹部全体が前記右側領域にある少なくとも一つの凹部と、凹部全体が前記左側領域にある少なくとも一つの凹部とで構成されている請求項１に記載の密閉型電池。