JP2011228019A - 電池缶及びその製造方法、並びに非水電解液二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉部の開裂圧力にばらつきがなく、また薄肉部が開裂しても開裂部分が外側にはみ出るおそれがなく、さらにめっき層が形成された鋼板を用いて製造できる電池缶及びその製造方法を提供すること
【解決手段】外方に向かって円錐台状に突出した底壁１１の側周面の少なくとも一部に、外方から内方に向かう凹部２ａを形成する。そして、凹部２ａの側面２１と底面２２との屈曲部２３に、基材Ｂよりも厚みの薄い薄肉部３を形成する。ここで、薄肉部３の厚みとしては４０〜８０μｍの範囲が好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、防爆機能を備えた電池缶及びその製造方法、並びに非水電解液二次電池に関するものである。

ノート型パソコンや携帯電話機などの各種電気機器などの電源として二次電池が広く使用されている。また、近年ではハイブリッド車や電気自動車の車載電源としても種々開発が進められている。これらの二次電池の中でリチウム二次電池などの出力密度の大きい非水電解液二次電池が注目されている。

ところが、非水電解液二次電池は電解液として有機溶媒を用いているため、充放電の繰り返しや充電装置の故障等で過充電状態になると、電解液が分解してガスが発生し、電池缶内圧が上昇することがある。この電池缶内圧の上昇によって、電池缶が変形、破裂するおそれがある。

そこで、例えば特許文献１では、上蓋に薄板金属板を設けて、電池缶内部が所定圧力以上になると薄板金属板が変形して電流が遮断され、さらに内部圧力が上昇すると、薄板金属板が破裂してガスが抜けるようにした二次電池が提案されている。また、特許文献２では、電池缶を密閉する上蓋にダイヤフラムを設け、ダイヤフラムに所定圧で開裂する第１の開裂溝を形成すると共に、電池缶の底部に、前記第１の開裂溝の開裂後に開裂可能な第２の開裂溝を形成したリチウム二次電池が提案されている。

特開平8-7866号公報 特開2006-99977号公報

しかしながら、特許文献１の提案技術では、薄板金属板が電池缶内圧の上昇によって破裂した後も、電池缶内圧が上昇を続けると対応できないという問題がある。

一方、特許文献２の提案技術では、上蓋の他、電池缶の底部にも開裂溝が形成されているので、上蓋の開裂溝の開裂後の電池缶内圧の上昇にも対応可能である。しかし、電池缶内圧が上昇すると電池缶の底部が外側に大きく膨れることがある。そして、電池缶底部の開裂溝が破裂すると破裂部分が外方に大きくはみ出るおそれもある。このため、電池底部の周辺にスペースを確保する必要があり、電池の搭載空間のコンパクト化が困難になる。また、電池缶の底部が変形すると、これに伴って開裂溝も変形し、開裂溝の開裂圧力がばらつくことがある。特に電池缶が円筒形の場合には、放熱効率が比較的悪くなるので充放電時に温度が上昇し、材料特性が温度変化して開裂溝の開裂圧力が一層ばらつくことになる。

加えて、電池缶を鋼板で作製する場合、電池缶の底部は、成形時に大きな加工歪みを受けるので、通常は、成形後に鋼板をニッケルめっきして、電解液に対する電池缶の耐食性を確保していた。このため製造工程が多くなり生産性が悪かった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、薄肉部の開裂圧力にばらつきがなく、また薄肉部が開裂しても開裂部分が外側にはみ出るおそれがなく、さらにめっき層が形成された鋼板を用いて製造できる電池缶及びその製造方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、電池缶の内部圧力が設定圧力以上になると、ばらつくことなく薄肉部が開裂して内部ガスを放出し、しかも開裂部分が外側にはみ出ることがなく、電池の搭載空間をコンパクト化できる非水電解液二次電池を提供することにある。

本発明によれば、少なくとも一方面にめっき層が形成された鋼板を基材とし、前記めっき層が内側となるように成形された電池缶であって、電池缶の底壁の少なくとも一部に外方から内方に向かう凹部が形成され、前記凹部の側面の一部に基材よりも厚みの薄い薄肉部が形成されていることを特徴とする電池缶が提供される。

ここで、薄肉部が開裂する圧力のばらつきを抑え、開劣後に開裂部分が外側にはみ出るのを一層防止する観点からは、前記薄肉部を、凹部の側面と底面との間の屈曲部に形成するのが好ましい。

また、内部圧力の上昇による変形を一層抑える観点からは、前記底壁を外方に向かって突出した形状とするのが好ましい。

電池缶が有底円筒形状の場合には、前記底壁を円錐台状に外方に向かって突出した形状とするのが好ましい。この場合、前記凹部は、円錐台状の底壁の側周面に等間隔で複数個形成するのが望ましい。

さらに、前記薄肉部の厚みとしては４０〜８０μｍの範囲が好ましい。

また、本発明によれば、少なくとも一方面にめっき層が形成された鋼板を基材とし、前記めっき層が内側となるように前記基材をプレス加工し容器中間体を作製する工程と、電池缶の底壁をプレス加工し、底壁の少なくとも一部に外方から内方に向かう凹部を形成する工程と、前記凹部の側面の一部をプレス加工し、基材よりも厚みの薄い薄肉部を形成する工程とを有していることを特徴とする電池缶の製造方法が提供される。

そしてまた、本発明によれば、正極と負極とがセパレータを介して巻回されてなる電極群と、非水電解液とが電池缶に収容され、前記電池缶の開口部が上蓋で密閉された非水電解液二次電池であって、前記電池缶として、前記記載の電池缶を用いたことを特徴とする非水電解液二次電池が提供される。

ここで、前記上蓋に、開裂溝が形成された導電性ダイヤフラムを設け、前記導電性ダイヤフラムは、電池缶の内圧が所定以上になると、反転して前記電極群と前記上蓋との電気的接続を遮断し、さらに電池缶の内圧が上昇すると、前記開裂溝が開裂して電池缶内の気体を外部に放出するものが好ましい。前記開裂溝の開裂圧力は、前記電池缶の薄肉部の開裂圧力よりも低くするのが望ましい。

本発明に係る電池缶では、電池缶の底壁の少なくとも一部に外方から内方に向かう凹部を形成すると共に、凹部の側面の一部に基材よりも厚みの薄い薄肉部を形成したので、電池缶の内部圧力が設定圧力以上になると、ばらつくことなく薄肉部が開裂して内部ガスを放出し、開裂部分も外側にはみ出ることがない。

また、本発明に係る電池缶の製造方法では、前記電池缶を効率的に製造することができるようになる。

本発明に係る非水電解液二次電池では、電池缶として前記記載の電池缶を用いるので、安定した防爆効果が得られ、また電池の搭載スペースをコンパクトできるようになる。

本発明に係る電池缶の一例を示す縦断面図である。 図１の電池缶の底面図である。 図１の電池缶の製造工程図である。 図１の電池缶の製造工程図である。 本発明に係る電池缶の他の例を示す縦断面図である。 図５の電池缶の底面図である。 本発明に係る電池缶の他の例を示す縦断面図である。 図７の電池缶の底面図である。 本発明に係る非水電解液二次電池の一例を示す縦断面図である。 上蓋周辺の拡大断面図である。

以下、本発明に係る電池缶及びその製造方法、非水電解液二次電池（以下、「二次電池」と記すことがある）について、図に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

図１に、本発明に係る電池缶の一実施形態を示す縦断面図を、図２に底面図をそれぞれ示す。図１に示す電池缶１ａは有底円筒形状であり、底壁１１が外方（図の下方）に向かって円錐台状に突出している。そして、図２から理解されるように、円錐台状の底壁１１の側周面に、同一円周上に等間隔で２つの凹部２ａが形成されている。そして、図１の部分拡大断面図に示すように、凹部２ａの側面２１と底面２２との屈曲部２３に薄肉部３が形成されている。

この電池缶１ａは、ニッケルめっき層（不図示）が両面に形成された鋼材を基材として、後述するプレス加工によって成形されたものである。鋼板は鉄を主成分としたものであって、極低炭素鋼板あるいは低炭素鋼板が好適に用いられる。基材の厚みとしては０．３〜０．６ｍｍの範囲が好適である。めっき層の材料としてはニッケルの他、亜鉛など従来公知の材料を用いることができ、非水電解液の種類などを考慮して適宜決定すればよい。また、めっき層の厚みとしては０．１〜２０μｍの範囲が好ましい。なお、鋼板にニッケルめっきを行った後にさらに熱拡散処理を行って、ニッケルめっき層と鉄との界面にニッケル−鉄拡散層を形成してもよい。

電池缶１ａの底壁１１に形成する凹部２ａの形状及び形成位置、形成個数に特に限定はなく、電池缶１ａの底壁１１の形状や面積等を考慮し適宜決定すればよい。図２に示すように、通常、凹部２ａは、電池缶１ａの底壁１１の外周に沿うように形成するのが好ましく、その長さの総和（Ｌ_１＋Ｌ_２）は、凹部２ａの形成位置における底壁１１の周長（Ｌ_１＋Ｓ_１＋Ｌ_２＋Ｓ_２）に対して２０〜８０％の範囲とするのが好ましい。また、凹部２ａの深さに特に限定はなく、薄肉部３が開裂した際に、開裂部周辺が電池缶１ａよりも外方に飛び出さない程度の深さとするのがよい。凹部２ａの深さとしては、通常、１ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲が好ましい。

凹部２ａの側面に形成する薄肉部３の位置は、凹部２ａの側面２１と底面２２との屈曲部２３に限定されるものではなく、凹部２ａの側面２１のいずれの位置であってもよいが、薄肉部３の形成容易性や厚み制御性などの観点からは前記屈曲部２３の少なくとも一部に形成するのが好ましい。より好ましくは前記屈曲部の全域に屈曲部２３を形成するのがよい。また、薄肉部３の厚みは、薄肉部３を開裂させる設定圧力から適宜決定すればよいが、通常、４０〜８０μｍの範囲が好ましい。薄肉部３の厚みが４０μｍ未満では、薄肉部３の形成時にクラックが入りやすくなり、開裂圧力がばらつくおそれがある。一方、薄肉部３の厚みが８０μｍを超えると、開裂圧力が高くなりすぎるおそれがある。

図３に、図１に示した電池缶１ａの製造工程図を示す。めっき層が両面に形成された鋼板から打ち抜かれた円板状の基材Ｂを深絞り加工（プレス加工）する（図３（ａ））。具体的には、電池缶１ａの内径に対応する直径の成形パンチ５１によって基材Ｂを成形ダイス５２の中に挿通させる。成形パンチ５１の先端部は円錐台状を有し、前記深絞り加工を行うことにより、成形された容器中間体４の底壁４１は円錐台状に外方に突出し形状となる。この深絞り加工を複数回行って深さを徐々に深くし、最終的に所定の深さの容器中間体４を作製する（同図（ｂ））。次に、容器中間体４の底壁４１の凹部形成予定位置に対応する位置に凸部５１が形成された金型を用いて、容器中間体４をプレス加工し、容器中間体４の底壁４１の周側面に凹部を形成する（同図（ｃ）及び同図（ｄ））。

次に、金型によって容器中間体４の外形が変化しないようにして、所定形状の成形パンチ５３を容器中間体４内に挿入し（図４（ｅ））、凹部２ａの側面と底面との屈曲部２３を成形パンチ５３で押圧し冷間鍛造（プレス加工）を行う（同図（ｆ））。これにより、屈曲部２３の基材が回りに押し出され、屈曲部２３に薄肉部３が形成される。そして、金型から容器中間体４を取り出し（同図（ｇ））、抜き加工によってフランジ部４２を除去し、必要により、絞り加工又はしごき加工を行い側壁を所定の厚みに調整して電池缶とする。

図５及び図６に、本発明に係る電池缶の他の実施形態を示す。図５は、電池缶の縦断面図、図６は底面図である。図５に示す電池缶１ｂは有底円筒形状であり、底壁１１が平面状である。底壁１１には、底壁１１と同心円状に１つの円形の凹部２ｂが形成されている。そして、図５の部分拡大断面図に示すように、凹部２ｂの側面２１と底面２２との屈曲部２３に薄肉部３が形成されている。薄肉部３の好ましい厚みは前記実施形態と同様である。

図６に示すように、薄肉部３は、屈曲部２３において周方向に所定間隔で３つ形成されている。もちろん、薄肉部３の形成個数に限定はなく、２つ以下でもよいし４つ以上であっても構わないが、薄肉部３の合計長さが、屈曲部２３の全周長に対して２０〜８０％の範囲とするのが好ましい。また、前記実施形態と同様に、凹部２ｂの深さに特に限定はなく、薄肉部３が開裂した際に、開裂部周辺が電池缶１ｂよりも外方に飛び出さない程度の深さとするのがよい。凹部２ｂの深さとしては、通常、１ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲が好ましい。

図７及び図８に、本発明に係る電池缶のさらに他の実施形態を示す。図７は、電池缶の縦断面図、図８は底面図である。図７に示す電池缶１ｃは、図５に示した電池缶１ｂと同様に、有底円筒形状で底壁１１が平面状である。底壁１１には、同一円周状に３つの細長い凹部２ｃが形成されている。そして、図７の部分拡大断面図に示すように、凹部２ｃの外周側面２１と底面２２との屈曲部２３に薄肉部３が形成されている。なお、薄肉部３は、凹部２ｃの内周側面と底面２２との屈曲部２３に形成してもよいし、屈曲部２３のすべてに形成してもよい。薄肉部３の好ましい厚みは前記実施形態と同様である。

凹部２ｃの形成個数に限定はないが、所定間隔で２〜４個設けるのが望ましい。また、凹部２ｃの形状に限定はなく、直線状や曲線状などであってもよい。また、薄肉部３の合計長さは、屈曲部２３の全周長に対して２０〜８０％の範囲とするのが好ましい。また、前記実施形態と同様に、凹部２ｃの深さに特に限定はなく、薄肉部３が開裂した際に、開裂部周辺が電池缶１ｃよりも外方に飛び出さない程度の深さとするのがよい。凹部２ｃの深さとしては、通常、１ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲が好ましい。

次に、本発明に係る非水電解液二次電池について説明する。図９に、本発明に係る非水電解液二次電池の一実施形態として円筒型のリチウム二次電池の縦断面図を示す。この図のリチウム二次電池の大きな特徴は、電池缶として図１に示した電池缶１ａを用いていることにある。

電池缶１ａ内には、正極板６１と負極板６２とがセパレータ６３を介して積層された状態で渦巻き状に巻回された電極群６が収容されている。正極板６１からは正極リード６４が引き出され、上蓋Ｃを構成するダイヤフラム８（図２に図示）の突起８２（図２に図示）にレーザ溶接で接合されている。負極板６２からは負極リード６５が引き出されて電池缶１ａの底壁１１に接続されている。電極群６の上下部には、それぞれ絶縁リング６６ａ，６６ｂが設けられている。電池缶１ａの開口部は、電池缶１ａ内に非水電解液（不図示）が注液された後に、上蓋Ｃによって封止される。

上蓋Ｃは安全弁機構を備えている。図１０に、上蓋Ｃ周辺の拡大断面図を示す。上蓋Ｃの周縁部と電池缶１ａとはガスケットＧを介してカシメられている。これによって電池缶１ａ内部は密閉される。上蓋Ｃは、鉄製でニッケルメッキが施された円板状の形状を有する上蓋キャップ７を備えている。上蓋キャップ７の中央には外方に向けて突出した円筒状の突出部７１が形成されている。そして突出部７１の側面には、複数の開口７２が形成されている。また、上蓋キャップ７の周縁部は、導電性のダイヤフラム８の周縁部でカシメられている。

ダイヤフラム８は、アルミニウム合金製で下方に突出した皿状の中央部８１を有し、中央部８１の中心には突起８２が形成されている。ダイヤフラム８の下側には、ダイヤフラム８の中央部８１の底面に接触するように略円板状のスプリッタ９が設けられている。スプリッタ９はアルミニウム合金製で略円板状であり、周縁部に複数の開口９２が形成され、中央に貫通穴９１が形成されている。この貫通穴９１にダイヤフラム８の突起８２が挿通し、貫通穴９１から出たところで、スプリッタ９の下方に位置する正極リード６４とレーザ溶接で接合されている。また、ダイヤフラム８の中央部８１と周縁部との間には、電池缶１ａ内圧が所定圧に達すると開裂する開裂溝８３が形成されている。

このような構造のリチウム二次電池において、通常状態では、正極リート６４からダイヤフラム８を介して上蓋キャップ７へ電流が流れる。一方、リチウム二次電池が過充電等の異常状態になると、非水電解液が分解して電池缶１ａ内にガスが加速度的に発生する。このガスにより電池缶１ａ内圧が上昇する。ダイヤフラム８は、その形状・寸法・材質等で定まる所定圧（例えば、０．５〜２．５ＭＰａ）までは皿状の形状を維持するが、所定圧を超えるとダイヤフラム８は瞬時に反転する。このとき、ダイヤフラム８の突起８２と正極リード６４と接合が破断し、電極群６と上蓋キャップ７との電気的接続が遮断される。なお、ダイヤフラム８が反転する所定圧は大気圧より大きいので、一旦ダイヤフラム８が反転すれば、電池缶１ａ内が真空となっても大気圧でダイヤフラム８が元の皿状の形状に戻ることはない。したがって、ダイヤフラム８の突起８２と正極リード６４とが再び電気的に接触することはない。

そして、電池缶１ａの内圧がさらに上昇すると、ダイヤフラム８に形成された開裂溝８３が開裂し、電池缶１ａ内のガスは、スプリッタ９に形成された開口９２、開裂溝８３、上蓋キャップ７に形成された開口７１を通って外部へ放出される。

本発明の二次電池では安全性をさらに高めるために、前述のように防爆機構を備えた電池缶１ａを用いている。すなわち、電池缶１ａの底壁１１に薄肉部３が形成され、ダイヤフラム８に形成した開裂溝８３の開裂設定圧力が、電池缶１ａの底壁１１に形成した薄肉部３の開裂設定圧力よりも低く設定されている。これにより、ダイヤフラム８に形成された開裂溝８３の開裂が不十分であった場合や、設定圧力で開裂溝８３が開裂しなかった場合等に、電池缶１ａの内圧が上昇を続けると、電池缶１ａの底壁１１に形成した薄肉部３が開裂して、電池缶１ａ内のガスを外部に放出し二次電池の爆発を確実に防止する。

本発明の電池缶及び非水電解液二次電池は、電池缶の底壁に形成する薄肉部の開裂圧力にばらつきがなく、また薄肉部が開裂しても開裂部分が外側にはみ出るおそれがなく有用である。

１ａ，１ｂ，１ｃ 電池缶
２ａ，２ｂ，２ｃ 凹部
３ 薄肉部
６ 電極群
８ ダイヤフラム
Ｂ 基材
Ｃ 上蓋
１１ 底壁
２１ 側面
２２ 底面
２３ 屈曲部
６１ 正極板（正極）
６２ 負極板（負極）
６３ セパレータ
８３ 開裂溝

Claims (10)

1. 少なくとも一方面にめっき層が形成された鋼板を基材とし、前記めっき層が内側となるように成形された電池缶であって、
   電池缶の底壁の少なくとも一部に外方から内方に向かう凹部が形成され、前記凹部の側面の一部に基材よりも厚みの薄い薄肉部が形成されていることを特徴とする電池缶。
2. 前記薄肉部が、凹部の側面と底面との間の屈曲部に形成されている請求項１記載の電池缶。
3. 前記底壁が、外方に向かって突出した形状である請求項１又は２記載の電池缶。
4. 電池缶が有底円筒形状であり、前記底壁が円錐台状に外方に向かって突出した形状である請求項３記載の電池缶。
5. 前記凹部が、円錐台状の底壁の側周面に等間隔で複数個形成されている請求項４記載の電池缶。
6. 前記薄肉部の厚みが４０〜８０μｍの範囲である請求項１〜５のいずれかに記載の電池缶。
7. 少なくとも一方面にめっき層が形成された鋼板を基材とし、前記めっき層が内側となるように前記基材をプレス加工し容器中間体を作製する工程と、電池缶の底壁をプレス加工し、底壁の少なくとも一部に外方から内方に向かう凹部を形成する工程と、前記凹部の側面の一部をプレス加工し、基材よりも厚みの薄い薄肉部を形成する工程とを有していることを特徴とする電池缶の製造方法。
8. 正極と負極とがセパレータを介して巻回されてなる電極群と、非水電解液とが電池缶に収容され、前記電池缶の開口部が上蓋で密閉された非水電解液二次電池であって、
   前記電池缶として、請求項１〜６に記載の電池缶を用いたことを特徴とする非水電解液二次電池。
9. 前記上蓋は、開裂溝が形成された導電性ダイヤフラムを有し、
   前記導電性ダイヤフラムは、電池缶の内圧が所定以上になると、反転して前記電極群と前記上蓋との電気的接続を遮断し、さらに電池缶の内圧が上昇すると、前記開裂溝が開裂して電池缶内の気体を外部に放出する請求項８記載の非水電解液二次電池。
10. 前記開裂溝の開裂圧力が、前記電池缶の薄肉部の開裂圧力よりも低い請求項９記載の非水電解液二次電池。