JP2012178229A - 密閉電池 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃に対して電解液の漏出がない高信頼の密閉電池を提供する。
【解決手段】電極体１４が開口を備える外装容器１５に収納され、前記外装容器の開口を封口体１６で封止する密閉電池１０であって、前記封口体は前記密閉電池の内部圧力上昇に応じて開裂する安全弁２４を備え、前記封口体には絶縁板２２が固定され、前記電極体にはスペーサ２３が固定され、さらに前記絶縁板２２と前記スペーサ２３が密着固定されている構成を特徴とする密閉電池１０。
【選択図】図１

Description

本発明は信頼性を向上した密閉電池に関する。

リチウムイオン電池に代表される非水電解質二次電池やニッケル水素電池に代表されるアルカリ蓄電池は、高エネルギー密度を特徴とすることから、携帯機器などの電源のみならず、電動工具や電気自動車、電力貯蔵などの電源にも、その用途を拡大している。

そのような電池のなかで例えばリチウムイオン電池は、正極活物質として、リチウムイオンを可逆的に吸蔵放出可能なコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウムなど、リチウム遷移金属酸化物が用いられる。そして正極活物質は結着剤や導電剤等と混合され、アルミニウム箔上に塗布されて正極板として用いられる。

一方、負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークスなどの炭素質材料やシリコンや錫とそれらの合金、金属酸化物等が用いられる。そして負極活物質は結着剤等と混合され、銅箔上に塗布されて負極板として用いられる。

正極板と負極板は所定の寸法に加工されて、樹脂製微多孔セパレータを介して対向され電極体をなし、電極体は電解質とともに封口体を用いて外装容器へ封入される。

封口体には、電池内部の異常な圧力上昇を開放する目的で安全弁が設けられる。安全弁は封口体の他の部分よりも金属の厚さが薄い箔状に形成されたり、溝が形成され、その形成部分が破砕されやすくしている。

ところで、外装容器に封入される電極体は、外装容器内部の寸法よりも若干小さくなるように成形することで外装容器にスムースに挿入できるようにする。

また、電解液を電極体へ浸透させるためのバッファのためや電極体と封口体とを接続するために、封口体と電極体の間にはいくらかの空間が設けられる。そしてその空間には、電極体と封口体とを絶縁する目的でスペーサが配置される。

このように、外装容器と電極体には少なからず空間が存在するので、例えば電池を装着した携帯機器を落下させるなど、電池に振動や落下の衝撃が加えられると外装容器内で電極体が移動することがある。

そこで特許文献１には電極体の移動を防止するために、図７のような角形密閉電池が開示されている。すなわち、正極端子１１９、負極端子１１８、安全弁１２４を備える封口体１１６と電極体１１４の間にスペーサ１２３を挿入される。そしてスペーサ１２３は絶縁テープ１２９を用いて電極体１１４に固定され、それらが外装容器１１５に収納される。

特開２０１０−７３５８０号公報（００２４段落、図２）

しかしながら、特許文献１のような構造であっても、電極タブ接続の誤差や各部品の公差等があるため、スペーサを封口体と電極体との双方に密着させることは難しく、電極体の可動空間を完全になくすことができない。

電池に振動や落下の衝撃が加わると、スペーサと電極体が移動し、特に電池に封口体を下にして衝撃が加わると、電池内部空間の気体を圧縮して安全弁が誤作動し、安全弁が作動した部分から電解液が漏出して、電池の信頼性を低下させ得る。

本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、その目的は信頼性を高めた密閉電池を提供することである。

本発明に係る第一の態様の密閉電池は、電極体が開口を備える外装容器に収納され、外装容器の開口を封口体で封止する密閉電池であって、封口体は密閉電池の内部圧力上昇に応じて開裂する安全弁を備え、封口体には絶縁板が固定され、電極体にはスペーサが固定され、さらに絶縁板とスペーサが密着固定されていることを特徴とする。

密閉電池を上記構成とすることで、封口板と電極体とが絶縁板とスペーサを介して固定されることとなる。このことにより密閉電池に振動や落下の衝撃が加えられても電極体の移動が制限され、封口体に設けた安全弁へかかる圧力が減少するので、安全弁の誤作動を防止できる。

また本発明に係る第二の態様の密閉電池は、外装容器は開口に長辺と短辺を持つ角筒形であり、封口体と絶縁板およびスペーサは長辺と短辺を備えて外装容器の開口に対応する形状であって、絶縁板またはスペーサの長辺長さを２Ｌとしたときに、少なくとも絶縁板またはスペーサの長辺方向端部から０．１Ｌないし０．３Ｌの間で、絶縁板とスペーサが固定されていることを特徴とする。

密閉電池を上記の構成とすることで、振動や落下の衝撃が加えられても効果的に電極体の移動が制限されて封口体に設けた安全弁への圧力は低減されるので、安全弁の誤作動を防止できる。

さらに、本発明に係る第三の態様の角形密閉電池は、絶縁板とスペーサは粘着テープを用いて密着固定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る第四の態様の角形密閉電池は、絶縁板とスペーサは互いに接着されて密着固定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る第五の態様の角形密閉電池は、絶縁板とスペーサは一方に凸部を他方に凹部を備え、凸部と凹部が強嵌合されて絶縁板とスペーサが密着固定されていることを特徴とする。

このような構造とすることで、容易に絶縁板とスペーサを密着固定できるので好ましい。

本発明によると、電池に振動や落下の衝撃が加えられても電極体の移動が制限されるので、電極体による安全弁への加圧が低減できる。したがって、安全弁の誤作動が防止されるので電解液の漏出がなく、信頼性が高い密閉電池が提供できる。

角形密閉電池の縦断面斜視図で、実施例、比較例に共通の構造を示す図面である。 図２（ａ）は、封口体の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ断面図であって、封口体と絶縁板のかしめ状態を示す図面である。 実施例１の角形密閉電池について、外装容器を除いた図１のＡ部を拡大した要部側面図である。 実施例２の角形密閉電池について、外装容器を除いた図１のＡ部を拡大した要部側面図である。 図５（ａ）は、実施例３の角形密閉電池について、外装容器を除いた図１のＡ部を拡大した要部側面図である。図５（ｂ）は実施例３に用いたスペーサの要部平面図と要部側面図であり、図５（ｃ）は実施例３に用いた絶縁板の要部平面図と要部側面図である。 比較例１の角形密閉電池について、外装容器を除いた図１のＡ部を拡大した要部側面図である。 特許文献１に開示される従来技術の角形密閉電池の斜視図である。

本発明を実施するための形態を、角形非水電解質二次電池を例として、図面に基づいて説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではなく、例えば外装容器を角筒形から円筒形に変更するなど、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

[実施の形態]
図１は実施例、比較例に共通する角形非水電解質二次電池の構造を縦方向に切断して示す斜視図である。

非水電解質電解質二次電池１０は正極板１１と負極板１２とがセパレータ１３を介して巻回された偏平状電極体１４を、有底で開口部に長辺と短辺とを有するアルミニウム合金製角筒形外装容器１５の内部に収容し、アルミニウム合金製の封口板１６によって外装容器１５の開口部を密閉している。そして注液孔２１から電解液が注入され、図示しない栓で封止される。

封口板１６には厚さを他の封口板の部分よりも薄くした安全弁２４が設けられている。安全弁２４は電池内部圧力が異常に上昇したときに破壊されて、圧力を開放する。

電極体１４は、正極板１１が最外周に位置して露出するように巻回されており、露出された最外周の正極板１１は、正極端子を兼ねる外装容器１５の内面に接触すると共に、露出された最外周の正極板１１に設けられた図示しない正極タブが外装容器１５開口と封口体１６との間に挟み込まれる。この構造により電極体と外装容器が電気的に接続される。

負極板１２は、封口体１６の中央部に形成され、絶縁体１７を介して取り付けられた負極端子１８に図示しない負極タブを介して電気的に接続される。

そして、外装容器１５と封口体１６は正極板１１と電気的に接続されているので、外装容器１５や封口体１６と負極板１２など負極側となる部品との接触を防止するために、封口体１６の電池内面側に絶縁板２２が取り付けられ、電極体１４の封口体１６側端部にスペーサ２３が取り付けられる。

上記非水電解質二次電池の作製方法は以下のとおりである。

＜正極板の作製＞
正極活物質としてコバルト酸リチウムと、導電剤としてカーボンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを９５：２．５：２．５（質量比）で混合し、この混合物をＮ−メチル−２−ピロリドンに分散してペーストとした。このペーストをドクターブレード法により、厚さ１３μｍのアルミニウム箔の両面に均一に塗布し、加熱乾燥して、アルミニウム箔上に活物質層が形成された乾燥極板を作製した。乾燥極板をローラープレス機で圧縮し、幅と長さを所定寸法に裁断して正極板１１を作製した。

＜負極板の作製＞
負極活物質として黒鉛と、結着剤としてスチレンブタジエンゴムと、粘度調整剤としてカルボキシメチルセルロースとを９８：１：１（質量比）で混合し、この混合物を水に分散してペーストとした。このペーストをドクターブレード法により、厚さ８μｍの銅箔の両面に均一に塗布し、加熱乾燥して、銅箔上に活物質層が形成された乾燥極板を作製した。乾燥極板をローラープレス機で圧縮し、幅と長さを所定寸法に裁断後、電極タブを取り付けて負極板１２を作製した。

＜電極体の作製＞
電極体１４は、上記正極板１１と負極板１２とポリエチレン製微多孔質セパレータ１３とを、正極板１１と負極板１２がセパレータ１３により絶縁されるように、巻き取り機を用いて巻回して作製した。そして外装容器１５の形状にあわせてプレス機を用いて偏平状に成形した。

＜電解質の作製＞
エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジエチルカーボネートを体積比で４０：３０：３０（２５℃、１気圧）の割合で混合した非水溶媒に電解質塩として六フッ化リン酸リチウムを１モル／リットルとなるように溶解した。

＜電池の組み立て＞
電極体１４の封口体１６側端面にポリプロピレンからなるスペーサ２３を粘着テープによって固定した。封口体１６は図２（ｂ）に示すように、電池外部側の面に負極端子１８を絶縁体１７を介してかしめ付けると同時に、封口体１６の電池内部側の面にポリプロピレンからなる絶縁板２２をかしめ付けた。封口体１６、絶縁板２２、スペーサ２３は、外装容器開口の形状に対応して長辺と短辺を備えている。それぞれの長辺、短辺長さは、外装容器への挿入を容易にするために外装容器開口の長辺、短辺長さよりも０．５〜３．０ｍｍ程度小さくしている。

電極体１４から導出される図示しない負極タブと負極端子１８を封口体１６の電池内部側で接続し、それを外装容器１５に収納した。そして、封口体１６は外装容器１５の開口に嵌め合わされ、その境界をレーザ光線を用いて溶接した。その後、注液孔２１から電解液を注入し、図示しない栓を用いて密封した。このようにして幅３８ｍｍ、高さ５５ｍｍ、厚さ４．７ｍｍの角形非水電解質二次電池を作製した。

以上の非水電解質二次電池の作製方法を基本として、以下に述べる実施例と比較例の電池を作製した。

（実施例１）
図３のように、絶縁板２２の側面全周とスペーサ２３の側面全周とを粘着テープ２５で覆い、絶縁板２２とスペーサ２３を密着固定した。このように作製した電池を実施例１の電池とした。

（実施例２）
図４のように、絶縁板２２とスペーサ２３を密着させて、長辺方向の両端部から長辺方向に３ｍｍの範囲を、ポリプロピレンが溶融する程度の温度に熱した金属棒を用いて互いの側面を溶融して熱溶融部２６を設けることで接着固定した。熱溶融部２６の範囲は、絶縁板やスペーサの長辺長さを２Ｌとしたとき、０．２Ｌとなる長さである。このようにして作製した電池を実施例２の電池とした。なお、絶縁板２２とスペーサ２３との接着は接着剤を用いてもよい。

（実施例３）
図５のように、スペーサ２３の長辺方向両端部から４ｍｍで短辺方向長さの中心となる部分に、幅１ｍｍ、厚さ２ｍｍ、高さ１ｍｍの突起２７を設けた。また、絶縁板２２にはスペーサ２３の突起と対応する部分に幅１ｍｍ、厚さ２ｍの穴２８を設けた。そしてスペーサ２３の突起２７を絶縁板２２の穴２８に嵌め込み、絶縁板２２とスペーサ２３を密着固定した。この嵌合は穴から突起が抜け落ちないように強嵌合となるように寸法を設定することが好ましい。絶突起２７と穴２８を設けた部分は、絶縁板やスペーサの長辺長さを２Ｌとしたとき、０．２Ｌとなる長さである。このようにして作製した電池を実施例３の電池とした。なお、実施例３ではスペーサ２３に突起２７を設け、絶縁板２２に穴２８を設けたが、スペーサ２３に穴２８を設け、絶縁板２２に突起２７を設けても良い。また、実施例３の突起２７と穴２８の断面形状は四角形としたが、円形や楕円形、多角形でも良い。また、穴２８は絶縁板２２やスペーサ２３の厚みによって貫通した穴とすることも、底がある穴とすることもできる。

（比較例１）
図６のように、絶縁板２２とスペーサ２３を固定せずに作製した電池を比較例１の電池とした。

（落下試験）
作製した電池を、携帯電話（質量１３０ｇ）または同等の質量のモックアップに固定した。そして１．５ｍの高さからコンクリート床へ、電池の封口体側が下向きになるように携帯電話を自由落下させた。このとき、コンクリート床には携帯電話が衝突し、電池は直接衝突しないように落下させた。落下は安全弁が破壊されて電解液が漏出するまで行い、その落下回数を記録した。実施例１〜３、比較例１の電池各１０個について落下試験を行った。なお、この落下試験は、日常の機器使用で想定される携帯電話の落下よりも過度に落下させているものである。

上記の各実施例および各比較例の電池仕様と試験結果を表１に示す。

上記表１から、以下のことが判る。すなわち、絶縁板２２とスペーサ２３が密着固定されていない比較例１の電池が、平均１５回の落下で安全弁が破壊されて電解液が漏出した。一方で、絶縁板２２とスペーサ２３が密着固定されている実施例１〜３の電池は、平均３７〜４６回の落下で安全弁が破壊されて電解液が漏出しており、落下に対する信頼性が大幅に向上していることが判る。

これは、比較例１の電池が絶縁板２２とスペーサ２３が密着固定されていないので、電池の落下にともないスペーサ２３と電極体１４が上下に移動する。これらが移動すると封口体とスペーサの空間にある気体が圧縮され、その圧力が他の部分よりも脆弱に設定されている安全弁に加わり、安全弁が破壊され、電解液が漏出するに至ったものと考えられる。

一方、実施例１〜３の電池は絶縁板２２とスペーサ２３が密着固定されているので、電池を落下させてもスペーサ２３と電極体１４の移動は比較例１の電池よりも格段に小さくなり、生じる圧力も小さく、安全弁の破壊が抑制されたものと考えられる。

このような効果は、電池の形状を問わず、薄肉の安全弁を備える電池であれば生じるものと考えられる。外装容器開口をかしめて封口する電池では、開口をかしめるために開口付近にくびれが設けられ、それが電極体の移動をある程度抑制するが、外装容器開口をレーザ溶接等で封口する角形電池においては開口付近のくびれが設けられないので、本発明の効果がより顕著に奏される。

以上説明したように、本発明によれば、落下による安全弁の誤作動が抑制されて電解液の漏出が防止されて、信頼性の高い密閉電池を提供できるので、産業上の利用可能性が大きい。

１０ 非水電解質二次電池
１１ 正極板
１２ 負極板
１３ セパレータ
１４、１１４ 電極体
１５、１１５ 外装容器
１６、１１６ 封口体
２２ 絶縁板
２３、１２３ スペーサ
２４、１２４ 安全弁
２５、１２５ 粘着テープ
２６ 熱溶融部
２７ 突起
２８ 穴

Claims (5)

1. 電極体が開口を備える外装容器に収納され、前記外装容器の開口を封口体で封止する密閉電池であって、
   前記封口体は前記密閉電池の内部圧力上昇に応じて開裂する安全弁を備え、
   前記封口体には絶縁板が固定され、
   前記電極体にはスペーサが固定され、
   さらに前記絶縁板と前記スペーサが密着固定されていることを特徴とする密閉電池。
2. 前記外装容器は開口に長辺と短辺を持つ角筒形であり、
   前記封口体と前記絶縁板および前記スペーサは長辺と短辺を備えて前記外装容器の開口に対応する形状であって、
   前記絶縁板または前記スペーサの長辺長さを２Ｌとしたときに、少なくとも前記絶縁板または前記スペーサの長辺方向端部から０．１Ｌないし０．３Ｌの間で、前記絶縁板と前記スペーサが固定されていることを特徴とする請求項１に記載の密閉電池。
3. 前記絶縁板と前記スペーサは粘着テープを用いて密着固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の密閉電池。
4. 前記絶縁板と前記スペーサは互いに接着されて密着固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の密閉電池。
5. 前記絶縁板と前記スペーサは一方に凸部を他方に凹部を備え、前記凸部と前記凹部が強嵌合されて前記絶縁板と前記スペーサが密着固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の密閉電池。
   

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