JP2012209024A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、密閉型電池において封口板の改良により封口部の密閉性に優れた密閉型電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る封口板は、少なくとも円状プレートと、キャップと、前記円状プレートと前記キャップとの間に配置される弁体とを含み、前記円状プレートおよび前記キャップは、それぞれの周縁部でガスケットと一体化されている。よって、密閉性に優れ、かつ封口板が薄型化できることで高エネルギー密度の電池を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は密閉型電池に関し、特にその封口板の改良に関する。

近年、ＡＶ機器あるいはパソコンなどの電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、高容量のアルカリ蓄電池に代表される水系電解液二次電池や、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池などの密閉型電池が知られている。

このような密閉型電池の封口方法としては、例えば電池ケースの開口部に設けられた溝部にガスケットを介して封口板を配置し、かしめ封口する方法が採用されている。

ところで、高エネルギー密度の密閉型電池は、充電器等の故障による過充電や、誤使用による過充電・過放電が起こった場合、化学反応により電池内部にガスが発生し、電池内圧が増大して電池が不安全な状態になる可能性がある。そのような危険性を避けるために、上記封口板には、温度の上昇により抵抗が上がり電流を遮断するＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：正温度係数）サーミスタ板や、電池ケースの内部圧力が所定値以上になったときに、電気的結合部を機械的に破断する電流遮断用の弁体、さらには開口して内部圧力を下げるガス排出用の弁体、などの安全部品が収容されている。

このような封口板は、例えば、封口ケースの中に上記の安全部品を収容し、キャップを載積した後、インナーガスケットを介して封口ケースの周縁部をかしめることで成形される。また成形された封口板を、電池ケースの開口部に設けられた溝部にガスケットを介して配置し、電池ケースの開口部をかしめ封口することで、密閉型電池が作製できる（例えば、特許文献１参照）。

また、封口板の底面として円状の弁体を用い、その周縁部にガスケットを埋め込むことで、弁体とガスケットとが固定された有底円筒状の部品を形成し、その部品を電池ケースの開口部に設けられた溝部に配置した後、その他の封口板の構成部材（安全部品、キャップ等）をその内部に積層配置し、電池ケースの開口部を上記ガスケットを介してかしめ封口する構成も知られている（例えば特許文献２参照）。

特開平１１−１４４７０５号公報 特開２００２−２７９９５３号公報

特許文献１の構成では、封口ケース内に封口板の構成部材を載積し、周縁部をかしめて成形した封口板を、さらに電池ケースの開口部にガスケットを介して配置し、電池ケースの開口部をかしめて封口している。そのため、密閉性が良く、電池の組立工程での部品供給を簡略化できるが、容量に寄与しないかしめ封口部の厚みが大きく、電池の高エネルギー密度化に対して不利となっていた。

また、特許文献２の構成では、電池ケースの開口部の溝部に、周壁をガスケットで構成
した有底円筒状の部品を配置し、その中に封口板の構成部材を個々に積層した後、電池ケースの開口部をかしめることで、それら構成部材を一括して固定し封口している。そのため、かしめ封口の回数が減り、封口板の厚みを薄く構成できるが、電池の組立工程が煩雑化する。また、個々の部品が密着していないため、かしめ封口時に、電池の内圧上昇によってあふれた電解液が封口板の構成部材間に浸入し、電池の密閉性が損なわれることがあった。

本発明は、上記課題を解決するものであって、構成部材がガスケットで一体成形された封口板を用いることによって、電池ケースの開口部を封口板でかしめ封口する際に、構成部材の間に電解液が浸入することを防ぎ、密閉性に優れた高エネルギー密度の密閉型電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、発電要素を電解液とともに開口部を有する電池ケースに収容し、前記開口部をガスケットを介して封口板でかしめて封口した密閉型電池であって、前記封口板は、少なくとも円状プレートと、キャップと、前記円状プレートと前記キャップとの間に配置される弁体とを含み、前記円状プレートおよび前記キャップは、それぞれの周縁部で前記ガスケットと一体化されていることを特徴とする。

本発明によれば、封口板を構成するキャップおよび円状プレートが、それぞれガスケットと一体化されて成形されている。したがって、かしめ封口する際の電池の内圧上昇によって、電解液がガスケットと構成部材との隙間に浸入し密閉性が損なわれることを防止できる。また、かしめ封口の回数が減り、封口板の厚みを薄く構成することができるため、エネルギー密度の高い電池を得ることができる。

本発明によれば、封口板の構成部材をガスケットと一体成形することで、封口板の薄型化による高エネルギー密度化が可能となり、かつ密閉性に優れた密閉型電池を得ることができる。

本発明の密閉型電池の概略断面図 従来の密閉型電池の概略断面図

本発明は、発電要素を電解液とともに開口部を有する電池ケースに収容し、前記開口部をガスケットを介して封口板でかしめて封口した密閉型電池であって、前記封口板は、少なくとも円状プレートと、キャップと、前記円状プレートと前記キャップとの間に配置される弁体とを含み、前記円状プレートおよび前記キャップは、それぞれの周縁部で前記ガスケットと一体化されていることを特徴とする。

このような構成とすることで、電池の組立工程が増えることなく、またかしめ封口する際の電池の内圧上昇によっても、電解液が封口板の構成部材間に浸入することを防ぐことができ、電池の密閉性が向上する。さらに、かしめ封口の回数が減り、封口板の厚みを薄く構成することができるため、エネルギー密度の高い電池を得ることができる。

ここで、本発明におけるガスケットは、例えば非水電解質二次電池の場合、材質として、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ポリアミド等を用いることができる。特に、耐有機溶媒性及び低水分透過性の観点から、オレフィン系ポリマーが好ましい。

また、本発明の密閉型電池の封口板において、円状プレートおよびキャップの少なくともいずれかは、ガスケットとの接触面に粗面部を有していることが好ましい。

このような構成とすることで、一体化された封口板において、ガスケットと円状プレート間、またはガスケットとキャップ間の密着性をさらに向上することができる。そのため、あふれた電解液の挿入箇所がより密閉されることから、上記効果が一層得られる。また、円状プレートおよびキャップの両方において、ガスケットとの接触面に粗面部を有する場合は、さらに密閉性が向上し、封口板の一体成形工程から電池組立工程への搬送時等の衝撃による密閉性の低下も防ぐこともできるため、より好ましい。

具体的には、キャップまたは円状プレートにおける粗面部は、算術平均粗さＲａが、６．３μｍ以上とすることが好ましい。ここで、算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ０６０１−２００１に基づいて測定および算出できる。通常の平滑な金属表面の算術平均粗さＲａは０．２〜０．８μｍ程度なので、本発明では、これら金属部材の表面粗さＲａが６．３μｍ以上になるように、金属部材の表面を粗くする処理を行う。そのような処理としては、ブラスト処理が簡便で好ましいが、これに限定されない。例えば、通常の研磨処理を適用することもできる。また、キャップ、円状プレートをプレス加工で製作する場合には、金型の表面に凹凸部を設けることで、表面を粗くすることもできる。ブラスト処理は、無機物等の微粒子を部材表面に吹き付けて、部材表面を粗くする方法である。

以下、本発明の実施形態について、従来例と比較し、図面を参照しながら、より詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る密閉型電池の断面図であり、図２は従来例に係る密閉型電池の断面図である。

まず、図１の本発明の実施形態に係る封口板１０を用いた密閉型電池について説明する。

本発明の封口板１０は、円形の円状プレート４に、上部弁体１と下部弁体２が、リング状の絶縁性材料からなるインナーガスケット３を介在して載積され、その上にキャップ５が積層される。それらが積層された状態で外周部をガスケット６で一体成形することにより固定され封口板が構成される。

さらに詳細には、円状プレート４、下部弁体２、インナーガスケット３、上部弁体１、さらにその上にキャップ５を積層した状態で、樹脂成形金型に設置し、周縁部にガスケットの材料となる樹脂を溶融して射出することで、上記の各部品の周縁部をガスケットで固定し、さらには円状プレート４およびキャップ５を覆うように、ガスケット６の成形を行い、ガスケットと封口板の構成部材が一体化される。

ここで、金属箔製の上部弁体１は、中央部分に下方に突出する膨出部を有し、この膨出部にＣ字形状の薄肉部からなる易破断部を形成している。一方、金属箔製の下部弁体２は、中央部分に円形の薄肉部からなる易破断部を形成し、この易破断部は、上部弁体１の易破断部よりも径が小さく設定されている。

一体成形された封口板１０では、円状プレート４の中央部の通気孔４ａから、上部弁体１と下部弁体２の中央部をレーザー溶接で接続し、上部弁体１と下部弁体２とが弾性を保持した状態で固定される。その結果、封口板１０では、上部弁体１と下部弁体２は、中央部の溶接部のみで電気的に接続した構成となる。

以上の構成により、何らかの事故で電池ケース７内部の圧力が異常に上昇した場合、円
状プレート４に設けられた通気孔４ａより封口板１０の内部にガスが流入し、その圧力で下部弁体２の易破断部が破断し、さらにガスによる圧力で、上部弁体１は上方へ反転する。また、下部弁体２の易破断部は上部弁体１に溶接されているため、下部弁体２から完全に分離される。よって、上部弁体１と下部弁体２の間の接続が切れて、電流が遮断される。ここで、電流を遮断する圧力は、刻印により形成された易破断部の破断強度に依存する。

さらに電池内圧が上昇した場合は、上部弁体１の易破断部も破断され、ガスは破断した易破断部からキャップ５の排気孔５ａを経て外部に排出される。

このような構造を設けた封口板１０を、発電要素および電解液を収容した電池ケース７の溝部に配置し、電池ケースの開口部をかしめ封口することで密閉型電池が構成される。

一方、図２に係る従来例の封口板５０を用いた密閉型電池は、封口板ケース５４の上に、円形の下部弁体５２が載置され、その上に絶縁体からなる環状のインナーガスケット５３、円形の上部弁体５１、環状のＰＴＣサーミスタ板５８、導体からなるハット状のキャップ５５がこの順に載置されて構成されている。

さらに詳細には、通気孔５４ａを備えた封口板ケース５４上に、この上部弁体５１と下部弁体５２が、リング状の絶縁性材料からなるインナーガスケット５３を介在して載積される。ここで、インナーガスケット５３は、上部弁体５１の周辺部と下部弁体５２の周辺部とが接触するのを防いでいる。さらにその上に、ＰＴＣサーミスタ板５８と排気孔５５ａを備えたキャップ５５を載積し、この封口板ケース５４の周縁部を、インナーガスケット５３を介してキャップ５５の周縁にかしめて固定することで封口板５０が形成される。ここで、インナーガスケット５３は、封口板ケース５４とキャップ５５の周縁部とが接触するのを防いでいる。

このような機構を設けた封口板５０を、電池ケース５７に設けられた溝部に、絶縁体からなるガスケット５６を介して配置し、かしめて封口することで密閉型電池が構成されている。

上記、封口板の構成方法の相違により、ガスケットと一体成形した本発明の封口板１０を用いた密閉型電池のかしめ部の厚み（図１のａ）は、従来の封口板５０を用いた密閉型電池のかしめ部の厚み（図２のｂ）と比較して、かしめ回数が低減され、従来の封口板５０におけるインナーガスケット５３と封口ケース５４による厚みの分だけ薄く構成することが可能となる。したがって、収容する発電要素の容積を増やすことが可能となり、エネルギー密度の高い密閉型電池を得ることができる。

さらに、封口板の構成部材、すなわち円状プレート４、下部弁体２、インナーガスケット３、上部弁体１、およびキャップ５が、その周縁部でガスケット６と一体化されている。したがって、単に封口板の構成部材を積層してかしめ封口したものとは異なり、封口板１０はガスケット６が密着した状態で固定されている。そのため、かしめ封口する際に電池の内部圧力が上昇しても、電解液が、ガスケットと封口板の構成部材との隙間へ浸入することを抑制することができる。

本発明の密閉型電池の封口板１０において、円状プレート４およびキャップ５の少なくともいずれかは、ガスケット６との接触面に粗面部９を有していることが好ましい。このような構成とすることで、一体化された封口板において、ガスケット６と円状プレート４間、またはガスケット６とキャップ５間の密着性をさらに向上することができる。そのため、あふれた電解液の挿入箇所が、より密閉されることから、上記効果が一層得られる。
さらに、封口板の一体成形工程から電池組立工程への搬送時等の衝撃による密閉性の低下も防ぐこともできる。

次に、非水電解質二次電池としての実施例を示すが、本発明の密閉型電池はこの実施例に限られるものではない。

（実施例１）
（１）正極板の作製
正極活物質としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、結着剤としてフッ化ビニリデン（以下、ＶＤＦと略す）とヘキサフルオロエチレン（以下、ＨＦＰと略す）との共重合体Ｐ（ＶＤＦ−ＨＦＰ）、および導電材としてアセチレンブラックを、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに混練分散して正極合剤ペーストを作製した。次に、正極合剤ペーストを集電体として厚さ１５μｍのアルミニウム（以下、Ａｌと略す）箔に塗着、乾燥、そして圧延して、厚さ０．１５０ｍｍの正極板を作製した。この正極板を所定の寸法に裁断し、集電体の露出端にＡｌ製の正極リードを超音波溶着により接続した。

（２）負極板の作製
負極活物質として易黒鉛化炭素、結着剤としてＰ（ＶＤＦ−ＨＦＰ）の粉末を、アセトンとシクロヘキサノンからなる混合有機溶剤に混練分散して負極合剤ペーストを作製した。次に、負極合剤ペーストを集電体として厚さ１２μｍの銅箔に塗着、乾燥、そして圧延して、厚さ０．１６０ｍｍの負極板を作製した。この負極板を所定の寸法に裁断し、集電体の露出端にニッケル製の負極リードを抵抗溶接により接続した。

（３）非水電解液の調整
エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）の混合溶媒に、電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）が１．０ｍｏｌ／Ｌになるように溶解し、非水電解液を調整した。

（４）封口板の作製
図１に示すように、封口板は、厚さ０．１５ｍｍ、外径１６．８ｍｍのＡｌ製の円板状の上部弁体１と、この上部弁体１に対設された厚さ０．１ｍｍ、外径１６．８ｍｍのＡｌ製の円板状の下部弁体２と、上部弁体１と下部弁体２の各々の周縁部分の間に介在された厚み０．４ｍｍ、外径１６．８ｍｍのリング状のポリプロピレン（以下、ＰＰと略す）製のインナーガスケット３と、上部弁体１の周縁部の上面に重ねられた板厚０．４ｍｍ、外径１６．８ｍｍの排気孔５ａを有する鉄（以下、Ｆｅと略す）製のキャップ５と、底部に外径１６．８ｍｍの通気孔４ａを有するＡｌ製の円状プレート４を積層状態にした。

次に、上記の積層された封口板の構成部材を樹脂成形金型に設置した。その後、積層された封口板の構成部材の周縁部、キャップ５の上面、および円状プレート４の底面にガスケットの材料であるＰＰを溶融させた状態で射出し、冷却することで各構成部材を固定してガスケット６を成形し、各構成部材がガスケット６と一体化した封口板を構成した。

上部弁体１は、中央部分が下方に向け湾曲させた膨出部を形成し、この膨出部には、Ｃ字形状の刻印を用いてＣ字形状に薄肉化した易破断部を形成した。また、下部弁体２は、中央部分の周囲に、円形状の刻印を用いて円形状に薄肉化した易破断部を形成した。これらの易破断部は、電池内圧が所定値に達した時に破断するよう厚みを制御して破断強度を設定した。本実施例では、下部弁体２の易破断部の破断圧力が０．９ＭＰａ、上部弁体１の易破断部の破断圧力が０．９５ＭＰａとなるように薄肉化した。

この封口板において、円状プレート４の中央の通気孔４ａからレーザーを照射することで、上部弁体１と下部弁体２の各々の中心部を溶接し、電気的に接続した。

（５）電池の組立
上記正極板と負極板を、セパレータとして厚さ２５μｍの微多孔性ポリエチレン樹脂を介して渦巻状に巻回し、電極群を作製した。

この電極群を、ニッケルメッキを施した鉄製の有底筒状の電池ケース（外径１８．０ｍｍ、底部板厚０．３ｍｍ、側部板厚０．２ｍｍ）の中にＰＰ製の円板状の底部絶縁板を介して挿入し、負極板に接続された負極リードと、電池ケース底面とを抵抗溶接により接続した。

次に、電極群の上部にＰＰ製の円板状の上部絶縁板を挿入した後、上部絶縁板より上部の電池ケース開口部に、幅１．０ｍｍ、深さ１．５ｍｍのＵ字状の溝部を円周方向に塑性加工によって形成した。

その後、調整した非水電解液を電極群が入った電池ケース内に所定量注入した。このとき、非水電解液の液量は、通常の規定量より５％多く入れることにより、かしめ封口の際の電解液が封口板の構成部材間に浸入しやすい条件とした。

さらに、正極板に接続されたＡｌ製の正極リードを、封口板の円状プレートとレーザー溶接により接続し、正極リードを折り畳みながら、封口板を電池ケースの開口部に挿入し、溝部を介してかしめ封口を行い密閉型電池を作製した。

（実施例２）
キャップおよび円状プレートにおいて、ガスケットとの接触面に相当する箇所に、あらかじめ粗面化処理を行い、ガスケットとの接触面に相当する箇所の算術平均粗さＲａを６．３μｍとした。ここで、粗面化処理は、ブラスト処理により行った。また、算術平均粗さＲａは、下記測定装置及び測定ソフトを使用して測定した。
測定装置：株式会社キーエンス製 超深度形状測定顕微鏡ＶＫ−８５００
測定ソフト：同社製 画像計測・解析ソフトＶＫ−Ｈ１Ｗ
この封口板を用いた以外は、実施例１と同様にして密閉型電池を作製した。

（比較例１）
封口板の構成部材として、上部弁体と下部弁体はインナーガスケットを介した状態で、あらかじめそれらの中心部をレーザー溶接で電気的に接続したものを準備した。

実施例１と同様に、通常の規定量より５％多く非水電解液を注入した後、ケース開口部に単独で樹脂成形されたＰＰ製のガスケットを配置し、正極リードと円状プレートの中央部付近をレーザー溶接により接続後、正極リードを折り畳みながら、円状プレートをケース開口部に挿入した。その後、上記インナーガスケットを介して接続された上部弁体と下部弁体を載積し、さらにキャップを配置した後、溝部を介してかしめ封口を行い、密閉型電池を作製した。

＜高温保存試験での耐漏液性評価＞
各々の電池を１００個ずつ準備し、温度６０℃の環境下で３０日間放置した。放置後の電池を拡大鏡で漏液の有無を確認し、漏液発生率を算出した。その結果を表１に示す。

＜落下試験での耐漏液性評価＞
各々の電池を１００個ずつ準備し、７５ｃｍの高さから電池の上面、底面、側面の３方
向において各５０回落下させた。その後の電池を拡大鏡で漏液の有無を確認し、漏液発生率を算出した。その結果を表１に示す。

高温保存後の漏液発生率においては、封口板の構成部材を樹脂ガスケットによって一体成形した封口板を使用した本実施例では、漏液は確認されなかったが、封口板の構成部材を積層したのみの封口板を使用した比較例１では、７％の漏液が確認された。

さらに、落下試験における漏液発生率においては、キャップおよび円状プレートにおいて、ガスケットとの接触面に相当する箇所を粗面化した後、ガスケットと一体化成形した封口板を用いた実施例２の電池は、実施例１の電池より、さらに密閉性が良いことが確認できた。

以上のことから、本発明の封口板によれば、薄型化することで、エネルギー密度が高く、さらに密閉性の優れた密閉型電池を得ることができることがわかる。

なお、本実施例では非水電解質二次電池について説明したが、非水電解質二次電池以外のアルカリ蓄電池のような密閉型電池でも同様の効果が得られる。

本発明の密閉型電池は、封口部の密閉性が向上する機能を有しており、高エネルギー密度の密閉型電池を使用する電子機器等に有用である。例えば、携帯電話やノート型パソコン等の民生用モバイルツールの主電源、電動ドライバー等のパワーツールの主電源、およびＥＶ自動車等の産業用主電源の用途に適している。

１ 上部弁体
２ 下部弁体
３ インナーガスケット
４ 円状プレート
４ａ 通気孔
５ キャップ
５ａ 排気孔
６ ガスケット
７ 電池ケース
９ 粗面部
１０ 封口板

Claims (3)

1. 発電要素を電解液とともに開口部を有する電池ケースに収容し、前記開口部をガスケットを介して封口板でかしめて封口した密閉型電池であって、
   前記封口板は、少なくとも円状プレートと、キャップと、前記円状プレートと前記キャップとの間に配置される弁体とを含み、
   前記円状プレートおよび前記キャップは、それぞれの周縁部で前記ガスケットと一体化されている密閉型電池。
2. 前記円状プレートおよび前記キャップの少なくともいずれかは、前記ガスケットとの接触面に粗面部を有している請求項１に記載の密閉型電池。
3. 前記粗面部の算術平均粗さＲａは、６．３μｍ以上である請求項２記載の密閉型電池。