JP2012079689A - 電池ケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】電池ケーシングを提供する。
【解決手段】本発明の電池ケーシングは、第１接触面（７）を有する第１ケーシング素子（１）と、第２接触面（８）を有する第２ケーシング素子（２）と、を備える。組立位置において前記第１及び第２接触面（７，８）が互いに接触し、前記第１及び第２ケーシング素子（１，２）が内部空間に電池の活物質（９，１０）を包み込む。前記内部空間を密閉するために少なくとも１つの密閉層が前記第１及び第２接触面（７，８）間に配置され、前記第１及び第２接触面の一方（７；８）が空隙容量層を備え、前記第１及び第２接触面の他方（７；８）が、前記組立位置において前記空隙容量層表面の空隙を密閉状態で満たして前記密閉層を形成する成形可能材料層を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１接触面を有する第１ケーシング素子と第２接触面を有する第２ケーシング素子とを備え、組立位置において前記第１及び第２接触面が互いに接触し、前記第１及び第２ケーシング素子が、内部空間に電池の活物質を包み込み、前記内部空間を密閉するために少なくとも１つの気密性の密閉層が前記第１及び第２接触面間に配置された、電池ケーシングに関連する。

最新技術によると、様々な形態の異なる種類の電池が知られており、それらの各々が異なる技術的応用に向けて設計され、使用されている。特に医療デバイス分野では、電池は小さくなければならず、それらの外側は、生体適合性材料で作製されなければならない。しかし電池は、高エネルギー密度及び長いライフサイクルを示さなければならない。

小型構造の電池には例えばボタン電池があり、カバー部分を有するカップ形のハウジングを通常備える。アノード及びカソード材料は、カップ内に収容され、セパレータで互いに分離される。カップはカバー部分で覆われ、気密性内部空間を提供するためにシーリングがカップとカバーとの間に設置される。シーリングとしては通常ゴム又はプラスチックリング若しくはそれらの同等物が提供される。カップ及びカバーは各々、ボタン電池を電気回路又は消費負荷に接続する電気コネクタを備える。このようなボタン電池は、例えばＥＰ０６１５３０１Ｂ１（Ａｌｌｉａｎｔ Ｔｅｃｈｓｙｓｔｅｍｓ）又はＵＳ２００３／０１６２４３６Ａ１（Ｄｅｎｓｏ Ｃｏｒｐ．）から知られる。他のデザインにおいて、両電極に対する接続部が電池の同一の側に提供される場合、ガラス導管のような絶縁されたフィードスルーが必要になる。シーリング及び電池内の電極の要求される分離の設備又はフィードスルー自体は、多大な空間を必要とする。従って一般的なボタン電池の構造は、大抵大きい。また使用可能な空間は、電池のエネルギー密度を最適化するために全て使用されていない。

他の小型電池としては、例えばＵＳ２００６／０１５４１４１Ａ１（Ｒ．Ｓａｌｏｔ ｅｔ ａｌ．）に記載された薄膜電池がある。これらの電池は、例えば初めに基板に電池空間をエッチングし、続いて層ごとに電池を作り上げるなどの薄膜技術によって製造される。このような電池の製造は、多大な費用及び時間を必要とする。

欧州特許第０６１５３０１号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１６２４３６号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１５４１４１号明細書

本発明の目的は、簡単な構造を提供し、電池空間と電池のエネルギー容量との関係を最適化し、コンパクトな電池サイズを保証し、簡単かつ費用効率の高い方法で製造できるような、冒頭に述べた技術分野に付随する電池ケーシングを生成することである。

本発明の解決策は、請求項１の特徴によって特定される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項において特定される。

本発明による電池ケーシングは、第１接触面を有する第１ケーシング素子と、第２接触面を有する第２ケーシング素子と、を備える。組立位置において第１及び第２ケーシング素子が互いに接続される時、第１及び第２接触面が互いに接触し、つまり近くに配置され、接触面は互いに平行に配置される。また第１及び第２ケーシング素子は、電池の活物質を包み込むための内部空間を提供する。このことは、一般的な電池構造として知られるアノード及びカソード材料、電解質、分離層などがケーシングの第１及び第２ケーシング素子内部に収容されることを意味する。ケーシングの内部空間を密閉するために、少なくとも１つの気密性の密閉層が第１及び第２接触面間に配置される。本発明によると、密閉層は、第１及び第２接触面の一方の上にある電気的に絶縁された空隙容量層と、第１及び第２接触面の他方の上にある成形可能材料層とによって形成される。組立位置では、成形可能材料層が空隙容量層表面の空隙を密閉状態で満たす。得られる密閉層は気密性であるだけでなく電気的に絶縁されており、従ってこのような層に対する要求を満たす。

電気的に絶縁された空隙容量層は、特にセラミック材料のような多孔質材料から成る。成形可能材料層は例えば柔らかい又は曲げやすい材料などから成り、例えば圧力又は張力によって変形され得る。本発明に従って、電池ケーシングの第１及び第２ケーシング素子を組立位置に共に押し込んだ場合、第１及び第２接触面が互い押し合い、成形可能材料層の成形可能材料が空隙容量層の空隙に変形して入り込み、空隙が密閉され、多孔質材料が塞がれる。従って、第１及び第２ケーシング素子間の接触部を密閉する密閉層を形成するために、空隙容量層及び成形可能材料層が互いにかみ合う。空隙容量層は少なくとも部分的に成形可能材料層で満たされ、第１及び第２ケーシングの間に気密性で且つ電気的に絶縁された層を形成する。空隙容量層は、好ましくは１から２０μｍ、より好ましくは２から１０μｍの厚さを有する。成形可能材料層は、０．５から５μｍの厚さを有し得る。

本発明による電池ケーシングのシーリングは、シーリング素子のための補足的な保管スペースを必要としない。シーリングは、ケーシング素子が組み立てられるとすぐに、ハウジングの素子の一方の密閉層に結合する非常に薄い膜によって提供される。分離部分はケーシングに挿入されてはならない。接触面間で予想外の不規則事態が起こっても第１及び第２ケーシング素子のシーリング接触によって安全に閉じられることが出来るため、そのシーリングはケーシング素子に対し、信頼性のある気密性接続部を保証する。一例として、本発明による円筒形電池は、３ｍｍ未満、特に２．５ｍｍ未満の直径を有し得る。本電池の高さは、例えば約１．０ｍｍであり得る。従って本電池は、超小型（再充電可能な）電池を必要とする応用に適している。

本発明の好ましい実施形態によると、接触面の一方の空隙容量層は陽極酸化層であり得る。陽極酸化層は少なくとも接触面に適用されると同時に、電池の活物質又は負荷に接続される外部接触部に電気的に接触される表面を除いた、各々のケーシング素子の表面にも適用される。陽極酸化層を製造する際に、陽極酸化されない領域は、例えば接着フィルムで覆うことができる。あるいは全表面を陽極酸化し、覆わないことになっている表面からその層を除去する。好ましくは、空隙容量層は、セラミック酸化層として、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２又はそれらの同等物から設計される。成形可能材料層は、例えば適切な金属の層、特に金又はインジウム層である。しかしプラスチック材料もまた、多孔質空隙容量層の空隙及び開口部に到達できるような成形可能性を有する限り使用できる。特にＰＴＦＥ層が使用され得る。基本的にこれらの層は第１及び／又は第２ケーシング素子のコーティングとして提供される。しかし原則として、第１及び第２ケーシング自体は各々の材料層で製造され得る。

好ましい実施形態では、第１及び第２ケーシング素子の一方は金又は金めっきされた銅で作られる。空隙容量層を担持する他方の素子は、例えばアルミニウムであり得る。

本発明による電池ケーシングの一実施形態では、空隙容量層は、第１成形可能材料層に加えて第２成形可能材料層で覆われる。第２成形可能材料層は、空隙容量層が関与しない他方のケーシング素子の表面上に、第１成形可能材料層と同じ又は異なる材料から成る。特に空隙容量層上の第２成形可能材料層は、第１成形可能材料層よりも薄い厚さを有し、好ましくは約１００から４００ｎｍ、特に約１５０から２００ｎｍである。ケーシング素子の組立位置では、少なくとも第２層が空隙容量層の多孔質材料に導入されるように、第１及び第２成形可能材料層は互いに押し合う。好ましくは、第１成形可能材料層も部分的に空隙容量層に広がる。

本発明による電池ケーシングは、好ましくは円筒状に形成され、第１及び第２ケーシング素子は各々底壁及び上壁並びに周囲壁を有する円形である。第１及び第２ケーシング素子の一方は、接触面が周囲壁間に配置され得るように、僅かに小さい直径を有する。主に上壁を備える上側ケーシング素子が、底壁を備える下側ケーシング素子よりも小さい。上側ケーシング素子の接触面は、円形の壁の外円周領域に提供される。下側ケーシング素子の接触面は、円形の壁の内円周領域に提供される。このように上側ケーシング素子の円形の壁は底部ケーシング素子の円形の壁に導入され、各々の接触面が互いに接触する。組立位置では、大直径を有するケーシング素子、つまり上側ケーシング素子が外側ケーシング素子を画定し、小直径を有するケーシング素子、つまり下側ケーシング素子が内側ケーシング素子を画定する。好ましくは、第１及び第２ケーシング素子の壁は、０．０８から０．１２ｍｍの厚さを有し、より好ましくは約０．１０ｍｍの厚さを有する。もちろん本発明による大きな電池を作製する場合（例えば、５ｍｍ又はそれ以上の直径を有する円筒形電池）、壁の厚さは電池の機械的安定性を確保するために増加させる。

電池の活物質は、外側ケーシング素子に収容され得る電極材料及び内側ケーシング素子に収容され得る補助電極材料を含む。組立部分では、内側ケーシング素子が外側ケーシング素子内に導入され、両電極材料が互いに上下に配置され、分離層で分離される。好ましくは、分離層は外側ケーシング素子の内部に位置し、そのケーシング素子の内壁表面の接触面を終わらせ、電極材料間の分離層としての機能を果たせる。

接触層はまた、外側ケーシング素子の内部空間に直面する内側ケーシングの正面に提供され得る。外側ケーシング素子は、電極材料上に分離層を備えることができ、電極材料上の分離層は、外側ケーシング素子の空隙容量層との接触面として設計される。この場合、空隙容量層表面は、外側ケーシング素子の内壁間を紡ぐ層として提供される。

他の有利な実施形態及び特徴の組合せは、下記の詳細な説明及び特許請求項の範囲の全体から明らかである。

本発明による電池ケーシングの断面図である。

図１では、本発明による電池ケーシングの実施形態が、組立位置で示され、第１の外側ケーシング素子１（缶）と第２の内側ケーシング素子２（蓋）とを備える。外側ケーシング素子１は、周囲壁３及び底壁４を伴って円形を有する。基本的に第１ケーシング素子１はカップ形であり、金めっきされたＣｕＰｂ１Ｐから成る。金層は、成形可能材料層である。第１ケーシング素子１の外径は２．０８ｍｍであり、壁の厚さは０．１０ｍｍに達する。第１ケーシング素子１の高さは１．０ｍｍである。

内側ケーシング素子２も同様に、周囲壁５及び上壁６を伴って円形を有する。その壁の厚みもまた、０．１０ｍｍである。一般的に第２ケーシング素子２は、カップ形の第１ケーシング素子１に対してカバー又は蓋を形成する。外側ケーシング素子１は、第１内側接触面７を備える。内側ケーシング２は、第２外側接触面８を備える。内側ケーシング素子２はアルミニウムから成り、上壁６と同様に周囲壁５の外面、すなわち接触面８は、陽極酸化される、つまりＡｌ_２Ｏ_３の外層（空隙容量層）を備える。部分的に、つまり接触面８の領域では、陽極酸化層は金層によって覆われる。上壁６の外面の中心円形部は、陽極酸化層によってではなく金層によって覆われる。

電池内部は、例えばリチウムイオン電池の活物質などとして知られる電池の活物質を含む。図において、これらの素子は単に概略的に表示される。外側ケーシング素子１の底部において、電極材料９が底壁４の上に配置される。補助電極材料１０は内側ケーシング素子２に収容される。示された組立位置では、電極材料９及び補助電極材料１０は互いに上下に配置されるが、両者は分離層１１によって分離される。電極材料は、幾つかのアノード層又はカソード層、電解質層及び導電体を備えるが、それらは、ここでは更に詳細に説明しない。本発明が、１．８ｍｍを超える直径及び０．３９ｍｍの高さを有する電極材料９に対して一般的な円筒形空間を提供する電池形状を許容することは注意すべきである。同様に円筒形である補助電極材料１０の空間は、約１．６ｍｍの直径及び０．３３ｍｍの高さを有する。

内側ケーシング素子２が外側ケーシング素子１に挿入される場合、成形可能材料層は空隙容量層に押し付けられ、成形可能材料が空隙容量層表面の空隙を満たす。周囲壁５の正面は、分離層１１上に存在する。このように外側及び内側ケーシング素子１及び２は気密的に接続され、同時に外側ケーシング素子１は内側ケーシング素子２から電気的に絶縁される。

内側ケーシング素子２のコーティングは、例えば以下のように製造され得る。初めに、周囲壁５の内面と同様に上壁６の内面がラックに接触するように、内側ケーシング素子２がラック上に置かれる。上壁６の外面の中心部６ａは、保護コーティングによって覆われる。次に、約３μｍの最小の厚さを有するセラミックＡｌ_２Ｏ_３層を生成するために、それ自体知られるプロセスを用いて、内側ケーシング素子２の接近可能面が陽極酸化される。しかし、その層の厚さは３から８μｍの間で変化し得る。その後に、中心部６ａの保護コーティングが除去され、中心部６ａを囲う上壁６の外面の領域にもう１つの保護コーティングが付けられる。次に、例えばそれ自体よく知られたＰＶＤプロセスで、接近可能面が金めっきされる。最後に、保護コーティングが除去される。従って、ラックに接触する内側ケーシング素子２の内面は未加工のアルミニウムであり、周囲壁５の外面は第１にセラミック層によって覆われ、第２に金層によって覆われる。上壁６の外面の中心部６ａは金層によって覆われるが、上壁の外面の残りの部分はセラミック層のみによって覆われる。

あるいは、初めの保護コーティングは省略することができ、セラミック層は、例えばレーザーなどを用いて中心部６ａにおいて除去され得る。

要約すれば、本発明による電池ケーシングが極めて大きいエネルギー容量比を持ち、且つ製造しやすい信頼性のあるボタン電池を提供することも注意すべきである。

１ 外側ケーシング素子
２ 内側ケーシング素子
３ 周囲壁
４ 底壁
５ 周囲壁
６ 上壁
６ａ 中心部
７ 第１内側接触面
８ 第２外側接触面
９ 電極材料
１０ 補助電極材料
１１ 分離層

Claims (13)

1. 第１接触面（７）を有する第１ケーシング素子（１）と、第２接触面（８）を有する第２ケーシング素子（２）と、を備え、
   組立位置において前記第１及び第２接触面（７，８）が互いに接触し、前記第１及び第２ケーシング素子（１，２）が、内部空間に電池の活物質（９，１０）を包み込み、
   前記内部空間を密閉するために少なくとも１つの気密性の密閉層が前記第１及び第２接触面（７，８）間に配置された、電池ケーシングであって、
   前記第１及び第２接触面の一方（７；８）が、電気的に絶縁された空隙容量層を備え、
   前記第１及び第２接触面の他方（７；８）が、前記密閉層を形成するために前記組立位置において前記空隙容量層表面の空隙を密閉状態で満たす成形可能材料層を備えることを特徴とする電池ケーシング。
2. 前記空隙容量層が陽極酸化層である、請求項１に記載の電池ケーシング。
3. 前記空隙容量層がセラミック酸化層である、請求項１又は２に記載の電池ケーシング。
4. 前記成形可能材料層が金属層、特に金又はインジウム層である、請求項１から３の何れか１項に記載の電池ケーシング。
5. 前記空隙容量層が第２成形可能材料層で覆われた、請求項１から４の何れか１項に記載の電池ケーシング。
6. 前記空隙容量層上の前記第２成形可能材料層が約１００から４００ｎｍ、特に約１５０から２００ｎｍの厚さである、請求項５に記載の電池ケーシング。
7. 前記第１及び第２ケーシング素子（１，２）が各々底壁（４）及び上壁（６）並びに周囲壁（３，５）を有する円形であり、前記接触面（７，８）が前記周囲壁（３，５）間に配置されるように前記第１及び第２ケーシング素子の一方（１；２）が僅かに小さい直径を有する、請求項１から６の何れか１項に記載の電池ケーシング。
8. 前記第１及び第２ケーシング素子（１，２）の前記壁（３，４，５，６）が０．０８から０．１２ｍｍ、好ましくは約０．１０ｍｍの厚さを有する、請求項１から７の何れか１項に記載の電池ケーシング。
9. 前記ケーシングの外径が３ｍｍ以下、特に２．５ｍｍ以下である、請求項１から８の何れか１項に記載の電池ケーシング。
10. 前記活物質が、外側ケーシング素子（１）に収容される電極材料（９）と内側ケーシング素子（２）に収容される補助電極材料（１０）とを備え、
    前記組立位置において前記内側ケーシング素子（２）が前記外側ケーシング素子（１）に導入され、
    前記補助電極材料（１０）が前記電極材料（９）上に配置され、分離層（１１）で分離される、請求項１から９の何れか１項に記載の電池ケーシング。
11. 前記外側ケーシング素子内の前記分離層（１１）が前記内壁表面（７）の接触面を終わらせる、請求項１０に記載の電池ケーシング。
12. 前記第１及び第２ケーシング素子（１，２）の一方が金又は金めっきされた銅で作られる、請求項１から１１の何れか１項に記載の電池ケーシング。
13. 請求項１から１２の何れか１項に記載の電池ケーシングを備える電池。

Images