JP2012204128A - 円筒形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池を高温で保存した後に衝撃を加えても安定した大電流出力を示す円筒形電池を提供することを目的とする。
【解決手段】正極板１と負極板２とをセパレータ３を介して捲回した電極群を電解液と共に有底円筒状の電池ケース４に収納し、前記電池ケース４の開口部を、弁体１１を備えたフィルタ１２とキャップ９との間にＰＴＣ素子１０を挟持した封口板６で封口してなる円筒形電池において、前記フィルタ１２には前記ＰＴＣ素子１０と導通させるための先端尖鋭の複数の接続突起１４が設けられているとともに、接続突起１４の一定以上のＰＴＣ素子１０への食い込みを阻止する補強材１３が前記接続突起１４の周囲に設けられていることを特徴とする円筒形電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器に電源として用いられる円筒形電池に関し、特に円筒形電池の封口板の構造に関するものである。

近年、携帯電話やノートパソコン等のポータブルやコードレス機器の普及により、その電源である電池の需要が高まっている。特に、小型、軽量でエネルギー密度が高く、大電流の出力が可能な円筒形電池の開発が要望されている。

一方で円筒形電池の開発を進める中で、より安価で製造するために電池を構成する部品数をできるだけ少なくすることが求められている。

電池の封口板としては、キャップとＰＴＣ素子とスペーサと弁体を取り付けたフィルタとを順に積層し、それらを電池ケースにガスケットを介して組み込まれている（例えば、特許文献１参照）。

封口板の構成部品数を少なくする方法として、フィルタに先端尖鋭の複数の接続突起を設けることでＰＴＣ素子とフィルタとの接続を保持し、スペーサを削減する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−１５１５１８号公報 特開平０８−２９３２９５号公報

しかしながら、前記従来の封口板を備えた電池は、電池を封口する場合に、ＰＴＣ素子とフィルタとが圧接されるが、ＰＴＣ素子やフィルタの表面に僅かな反りやうねり、凹凸が存在すると、ＰＴＣ素子とフィルタ間に僅かながら隙間が発生する。この電池を高温で保存すると電解液が揮発して電池の内圧が上昇する。すると封口板のフィルタが押し上げられ、フィルタに設けられた接続突起がＰＴＣ素子へ更に食い込む。その後、電池に大きな衝撃が加わると、ＰＴＣ素子への接続突起の食い込みが緩和され、ＰＴＣ素子とフィルタに設けられた接続突起との密着度が低下する。稀ではあるがそのような現象が起こり、フィルタとＰＴＣ素子との接触抵抗が上昇し、電池の内部抵抗が増加し、大電流の出力が安定しないという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、電池を高温で保存した後に衝撃を加えても安定した大電流出力を示す円筒形電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明の円筒形電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して捲回した電極群を電解液と共に有底円筒状の電池ケースに収納し、前記電池ケースの開口部を、弁体を備えたフィルタとキャップとの間にＰＴＣ素子を挟持した封口板で封口してなる円筒形電池において、前記フィルタには前記ＰＴＣ素子と導通させるための先端尖鋭の複数の接続突起が設けられているとともに、接続突起の一定以上のＰＴＣ素子への食い込みを阻止する補強材が前記接続突起の周囲に設けられていることを特徴とするも
のである。

本発明によると、電池を高温で保存した後に衝撃を加えても安定した大電流出力を示す円筒形電池を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る円筒形電池であるリチウム一次電池の概略断面図 本発明の一実施の形態に係るフィルタおよび弁体の斜視図

本発明における第１の発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して捲回した電極群を電解液と共に有底円筒状の電池ケースに収納し、前記電池ケースの開口部を、弁体を備えたフィルタとキャップとの間にＰＴＣ素子を挟持した封口板で封口してなる円筒形電池において、前記フィルタには前記ＰＴＣ素子と導通させるための先端尖鋭の複数の接続突起が設けられているとともに、接続突起の一定以上のＰＴＣ素子への食い込みを阻止する補強材が前記接続突起の周囲に設けられていることを特徴とする円筒形電池である。

上記構成にすることで、電池を封口する場合に、ＰＴＣ素子は、フィルタではなく補強材と圧接されるため、ＰＴＣ素子と補強材間の圧接面積は、補強材を設けていない場合のＰＴＣ素子とフィルタ間よりも小さくなる。したがって、封口による圧力は、補強材とＰＴＣとが圧接している部分に集中することで従来より高くなり、ＰＴＣ素子や補強材の表面に僅かな反りやうねり、凹凸があったとしても、ＰＴＣ素子と補強材間には隙間が発生しない。この電池を高温で保存すると、電解液が揮発して電池の内圧が上昇するが、接続突起とＰＴＣ素子との接触状態は変化しないため、その後、衝撃を加えても接続突起とＰＴＣ素子との接触抵抗は安定する。その結果、安定した大電流出力を示す円筒形電池を提供することができる。

本発明における第２の発明は、第１の発明において、前記補強材が接続突起が通過できる大きさの透孔をもったリング状であることを特徴とする円筒形電池である。

上記構成にすることで、接続突起のＰＴＣ素子への一定以上の食い込みがリング状の補強材によって阻止されるので、電池を高温で保存した後に衝撃を加えても安定した大電流出力を示す円筒形電池を提供することができる。

本発明における第３の発明は、前記補強材が接続突起とともにフィルタと一体成型されたものであることを特徴とする円筒形電池である。

上記構成にすることで、部品点数を減らすことができ、かつ上記と同様の効果を得ることができる。

本発明における第４の発明は、前記補強材の外周部と弁体の外周部とを接触させることを特徴とする円筒形電池である。

上記構成にすることで、フィルタと、フィルタに設けられた弁体との位置決めが安定し、弁体の作動圧力も安定する。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に示す実施の形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は本発明の一実施の形態に係る円筒形電池の概略断面図である。この電池は二酸化マンガンを主活物質とした正極板１と、負極板２にリチウムを用いた円筒形リチウム一次電池である。二酸化マンガンを主とする活物質混合物を集電金属芯材に充填した帯状の正極板１と、リチウム金属からなる帯状の負極板２とこれら正負両電極板間に介在されたセパレータ３とを渦巻状に捲回構成された電極群が電解液（図示せず）とともに電池ケース４に収納されている。電池ケース４の上開口部にはガスケット５を介在させて封口板６が装着され、封口板６には正極芯材に接続された正極リード７が連結されている。負極板２に接続された負極リード８は電池ケース４に連結されている。

正極板１は以下のようにして作製される。上記の二酸化マンガンと導電剤とを混合した後、結着剤と水とを添加して混練することにより正極合剤が得られる。導電剤であるカーボンとしては、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが挙げられ、その配合量は二酸化マンガンの充填量が高く、かつ導電経路が形成されて正極中の電気抵抗が低減される量であればよいが、特に、二酸化マンガン１００質量部に対して導電剤が４〜８質量部であると好ましい。

次に、この正極合剤をエキスパンドメタル、ネット、パンチングメタルなどの網目状あるいは細孔を有する帯状の電極芯材に充填、圧延した後、定寸に裁断し、正極合剤の一部分を剥離し、その部分にリードを溶接することで帯状の正極板１が得られる。

帯状の負極板２は金属リチウム、Ｌｉ−Ａｌ、Ｌｉ−Ｓｎ、Ｌｉ−ＮｉＳｉ、Ｌｉ−Ｐｂなどのリチウム合金からなる。

電解液としては、通常リチウム電池の電解液に用いられる有機溶媒であるγ−ブチルラクトン、１，２−ジメトキシエタン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートを用いることができる。

電解液を構成する支持電解質には、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＳＯ_３ＣＦ_３、および分子構造内にイミド結合を有するＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）（Ｃ_４Ｆ_９ＳＯ_２）などを用いることができる。

電池ケース４の開口部にはガスケット５を介して封口板６が装着されている。封口板６には、正極板１の芯材に接続された正極リード７が連結されている。負極板２に接続された負極リード８は、電池ケース４に連結されている。また、電極群の上部と下部には、内部短絡防止のためにそれぞれ上部絶縁板、下部絶縁板が配備されている。

封口板６はキャップ９、ＰＴＣ素子１０、接続突起１４を設けたフィルタ１２に、弁体１１を取り付けて順に積層し、接続突起１４とＰＴＣ素子１０の間に補強材１３を設置し、それらの封口板部材の外周部にガスケット５を設ける。

キャップ９は電池の正極端子である。キャップ９は高温多湿などの外部環境の影響を受けるため、錆びにくい材料が好ましい。電池の正極端子として使用されるためキャップ９の表面には、電導性の高い材料を使用する必要がある。キャップ９は、ガス抜き孔を有している。キャップ９は、例えば厚み０．３ｍｍ程度のステンレスにニッケルメッキを行った材料を数工程のプレス成型を行うことで作製する。

ＰＴＣ素子１０は、温度上昇に伴い抵抗値が上昇する素子である。ＰＴＣ素子１０の機能は、過電流によって電池の温度が急激に上昇した場合に、ＰＴＣ素子１０の抵抗が上昇することで過電流を抑制するものである。

接続突起１４は、フィルタ１２に設けられ、ＰＴＣ素子１０とフィルタ１２との電気的接続を保つためのものである。

フィルタ１２は弁体１１を固定するものである。また、電極群の正極リード７と溶接されている。フィルタ１２は、例えば厚み０．３ｍｍのステンレスを円形に打ち抜き、中央に貫通孔を設け、数工程のプレス成型を行って接続突起１４と段差を設け、弁体１１を固定する。

弁体１１は、電池の内圧上昇に伴い変形する弁体である。弁体１１は、電池の異常により電池の内圧が上昇するにつれて変形し、ある一定の内圧以上になると、弁体１１が破れることで、電池内部に発生したガスを外部に逃がし、電池の破裂を防ぐものである。弁体１１は、例えば厚み０．０２５ｍｍのアルミニウムに、フィルタ１２を取り付ける面に厚み０．０５ｍｍの接着ポリエチレン、接着ポリエチレンと反対の面に厚み０．０５ｍｍの非接着ポリエチレンをヒートラミネートして作製する。

補強材１３は、フィルタ１２の接続突起１４が一定以上ＰＴＣ素子１０への食い込みを防止するものである。

図２は本発明の一実施の形態に係るフィルタ１２および弁体１１の斜視図である。

補強材１３の中央には透孔が設けられ、その孔をフィルタ１２の接続突起１４が通り抜けるが、その補強材の厚みにより、フィルタ１２の接続突起１４が一定以上ＰＴＣ素子１０へ食い込むことを防止する。補強材１３の厚みは、フィルタ１２の接続突起１４の高さよりも低くする必要がある。補強材１３の材料としては、電池の一般的な使用温度の上限である８５℃よりも高い温度、かつ電池封口時の封口板６にかかる加圧下でも変形せずに、フィルタ１２の接続突起１４とＰＴＣ素子１０との接続を保持できる材料であれば特に限定されるものではない。例えば厚み０．１５ｍｍのステンレスを円形に打ち抜き、中央に貫通孔を設けてリング状に作製する。

また、補強材１３は接続突起とともにフィルタと一体成型されたものであっても良い。

ガスケット５は、封口板部材と電池ケース４の間から電解液の漏液を防止するものである。ガスケット５は、例えばポリプロピレンを射出成型することにより作製する。

フィルタ１２に設けられた弁体１１の位置がずれた場合は、封口板６を形成した際に、ＰＴＣ素子１０に設けられた補強材１３と弁体１１とが重なるため、封口板６の総高が高くなる。その結果、弁体１１のフィルタ１２に対する位置不良を検出することが可能となる。

以下、具体的な実施例を用いて本実施の形態の効果を説明する。

（実施例１）
正極活物質として二酸化マンガン、導電材として導電性カーボン、結着剤としてポリテトラフルオロエチレンを混合後、この混合物に対し純水を加えて混練し、湿潤状態の正極合剤を作製した。この湿潤状態の正極合剤をステンレス製エキスパンドメタルとともに等速回転を行う２本の回転ロール間を通し充填を行った。乾燥後、圧延ローラプレスにより合剤シートの圧延を行った。これを所定の寸法に切断し、正極板１を作製した。

負極板２は、リチウム金属板を用い、この金属板を所定の寸法に切断したものを使用した。これらの正極板１と負極板２との間にポリエチレン製セパレータを介在させて渦巻状に巻き取り、これを電池ケース内に挿入した後、電解二酸化マンガンからなる正極板１の芯材に接続されたリードを正極端子に接続し、負極板２に接続されたリードを負極端子に接続した。この後、電解液（非水溶媒としてのプロピレンカーボネートとジメトキシエタンの１：１混合溶媒に、電解質としてのＬｉＳＯ_３ＣＦ_３を０．５モル／リットルの濃度で溶解させたものを用いた）を電池ケース４内に注液し、電池ケース４の開口部を封口板６で封口した。

封口板６は、フィルタ１２に弁体１１を溶着させた後、キャップ９、補強材１３を取り付けたＰＴＣ素子１０、弁体１１を取り付けたフィルタ１２を順に積層し、封止剤を塗布したガスケット５で挟みこんだ。ＰＴＣ素子１０の厚みは０．３５ｍｍとし、フィルタ１２には高さ０．２５ｍｍ、直径１ｍｍの円錐状の接続突起１４を等間隔に６つ設けた。ＰＴＣ素子１０の下部に取り付けた補強材１３は、フィルタ１２に設けた６つの接続突起１４に対応して均等の位置に設けた。補強材はステンレス製で高さは０．１５ｍｍのリング状とした。その後、高温でエージングを実施した円筒形電池を電池Ａとした。

（実施例２）
フィルタ１２を形成する際に、接続突起１４と共に補強材１３を一体形成したこと以外は、実施例１と同様にして作製し、電池Ｂとした。

（実施例３）
補強材１３の外周部と弁体１１の外周部とが接触するように、補強材１３と弁体１１を形成したこと以外は、実施例１と同様にして作製し、電池Ｃとした。

（比較例１）
ＰＴＣ素子１０下部に補強材１３を設けないこと以外は実施例１と同様にして作製し、電池Ｄとした。

上述した実施例および比較例の電池に対して、以下に示す評価を実施した。

（短絡試験）
上記のようにして作製した電池Ａ〜Ｄ 各１００個を、８５℃で１ヶ月保存した後、１．９ｍの高さから３０回自由落下させた前後の電池内部抵抗を測定した。その結果を（表１）に示す。

比較例１の電池Ｄは、８５℃で１ヶ月保存した後、落下試験を実施すると、落下試験前後で電池内部抵抗が０．１Ω以上変化した電池が発生した。これは、高温で保存すると電解液が揮発して電池の内圧が上昇する。すると封口板６のフィルタ１２が押し上げられ、
フィルタ１２に設けられた接続突起１４がＰＴＣ素子１０へ更に食い込む。その後、電池に大きな衝撃が加わると、ＰＴＣ素子１０への接続突起１４の食い込みが緩和され、ＰＴＣ素子１０とフィルタ１２に設けられた接続突起１４との密着度が低下する。そのために、フィルタ１２とＰＴＣ素子１０との接触抵抗が上昇し、電池の内部抵抗が増加したと考えられる。

これらに対して、実施例１から３の電池Ａ、ＢおよびＣは、上記短絡試験においてフィルタ１２の接続突起１４に補強材１３を設けることで、接続突起１４がＰＴＣ素子１０にさらに食い込むことを防ぐことで、電池の内部抵抗が上昇することを防ぐことができたと考えられる。

本発明は、安定した大電流出力を示す円筒形電池として有用である。

１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４ 電池ケース
５ ガスケット
６ 封口板
７ 正極リード
８ 負極リード
９ キャップ
１０ ＰＴＣ素子
１１ 弁体
１２ フィルタ
１３ 補強材
１４ 接続突起

Claims (4)

1. 正極板と負極板とをセパレータを介して捲回した電極群を電解液と共に有底円筒状の電池ケースに収納し、前記電池ケースの開口部を、弁体を備えたフィルタとキャップとの間にＰＴＣ素子を挟持した封口板で封口してなる円筒形電池において、前記フィルタには前記ＰＴＣ素子と導通させるための先端尖鋭の複数の接続突起が設けられているとともに、接続突起の一定以上のＰＴＣ素子への食い込みを阻止する補強材が前記接続突起の周囲に設けられていることを特徴とする円筒形電池。
2. 前記補強材が接続突起が通過できる大きさの透孔をもったリング状であることを特徴とする請求項１記載の円筒形電池。
3. 前記補強材が接続突起とともにフィルタと一体成型されたものであることを特徴とする請求項１記載の円筒形電池。
4. 前記補強材の外周部と弁体の外周部とを接触させるように構成した請求項１記載の円筒形電池。