JP2013149476A

JP2013149476A - 密閉型電池用封口体、密閉型電池及びその製造方法

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Publication number: JP2013149476A
Application number: JP2012008969A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sunada; 賢砂田; Masao Kondo; 正雄近藤; Keizo Murakami; 啓三村上
Original assignee: FDK Tottori Co Ltd
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: JP5877724B2

Abstract

【課題】ＰＴＣ素子を内蔵するとともに封止性を十分に保つことができる密閉型電池用封口体を提供すること。
【解決手段】リチウム一次電池１０において、正極缶１１の開口部１３を封止すべくレーザ溶接にて封口体１５が装着される。封口体１５は、封口板３１、樹脂製パッキング３２、負極端子３３、ＰＴＣ素子３４、キャップ部材３５及び絶縁リング３６を備え、それらが樹脂インサート成形にて一体的に形成される。封口体１５では、キャップ部材３５において折り曲げられた外周端と負極端子３３のフランジ部４２との間に形成される段差部分４７が樹脂製パッキング３２に埋まり込んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流保護機能を有するＰＴＣ素子を備えた密閉型電池用封口体、その封口体を装着した密閉型電池及びその製造方法に関するものである。

従来、カメラやライトなどの携帯型電気機器の電源として、組電池が搭載されている。この種の組電池では、複数本の電池を直列に接続して大電流を流す構成となっており、その保護素子として、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子が用いられている（特許文献１，２等参照）。このＰＴＣ素子は、通常は低抵抗であるが、電池に大電流が流れて電池温度が上昇したときに、電気抵抗が増大する。従って、このＰＴＣ素子を用いれば、電気機器の故障時に回路素子等が短絡して大電流が流れたとしても、電池の電流を遮断することができる。

また、リチウム一次電池などの密閉型電池では、電池缶の開口部にレーザ溶接により封口体を接続して電池を密閉封止するものが実用化されている。その封口体５０の従来例を図６に示す。図６の封口体５０は、封口板５１と、封口板５１の中央孔５２に樹脂製パッキング５３を介して装着される負極端子５４と、負極端子５４を固定するためのワッシャ５５とを備えている。この封口体５０では、負極端子５４の下端部にワッシャ５５を嵌めこんだ状態で負極端子５４をリベット方式でかしめて樹脂製パッキング５３を圧縮することで、密閉性を保ちつつ負極端子５４が封口板５１に固定されている。そして、電池缶の開口部に封口体５０を嵌め込んで封口板５１の外周部をレーザ溶接することにより、電池が封止される。

上述した特許文献１，２では、電池の端子部に外付けされるタイプのＰＴＣ素子が開示されている。これに対して、本発明者らは、レーザ封口方式の封口体にＰＣＴ素子を内蔵した製品を検討している。その具体例を図７に示す。図７に示す封口体６０では、負極端子６１の上端に設けられたフランジ部６２上に円板状のＰＣＴ素子６３が配置されている。また、ＰＴＣ素子６３を取り囲むようにキャップ部材６４を装着し、そのキャップ部材６４とフランジ部６２との間にＰＴＣ素子６３を挟み込むことでＰＣＴ素子６３を固定している。

特開２０００−３４０１９２号公報実開平１−８１８７０号公報

ところで、図７の構成の封口体６０では、リベット方式で負極端子６１をかしめる際に、その負極端子６１に大きな負荷が加わる。このため、負極端子６１の上部にＰＣＴ素子６３を装着する場合、その部品強度を十分に保つことができない。また、負極端子６１をかしめる際の圧縮力を弱めてＰＣＴ素子６３が壊れないようにすると、封止性を保つための部品精度を十分に得ることができなくなる。このような理由から、図７のようにＰＴＣ素子６３を内蔵した封口体６０を製造することは困難であると考えられる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＴＣ素子を内蔵するとともに封止性を十分に保つことができる密閉型電池用封口体を提供することにある。また、別の目的は、ＰＴＣ素子を内蔵した封口体を用いて確実に封止することができる密閉型電池を提供することにある。さらに、別の目的は、製造コストを抑えることができる密閉型電池の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するための手段［１］〜［５］を以下に列挙する。

［１］電池缶の開口部を封止すべくレーザ溶接にて前記開口部に装着される密閉型電池用封口体であって、前記開口部を塞ぐために設けられ、中央に貫通孔を有する金属製の封口板と、前記封口板の貫通孔に挿通された状態で樹脂製パッキングを介して固定され、缶外側方向に配置される一方の端部にフランジ部を有する柱状の端子と、前記フランジ部に配置される板状のＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子を取り囲むように外周端が折り曲げられ、前記フランジ部との間に前記ＰＴＣ素子を挟み込んで固定するキャップ部材と、前記キャップ部材と前記フランジ部との接触部位に介在される絶縁シートとが一体的に形成され、前記キャップ部材において折り曲げられた外周端と前記フランジ部との間に形成される段差部分が前記樹脂製パッキングに埋まり込んでいることを特徴とする密閉型電池用封口体。

手段１に記載の発明によると、封口板、樹脂製パッキング、端子、ＰＴＣ素子、キャップ部材、及び絶縁シートが一体的に形成される。この場合、従来技術のようなリベット方式で負極端子をかしめる必要がないため、ＰＴＣ素子に大きな負荷を加えることなく、封口体にＰＴＣ素子を確実に内蔵することができる。また、キャップ部材において折り曲げられた外周端と端子のフランジ部との間に形成される段差部分が樹脂製パッキングに埋まり込んでいるので、端子軸方向の長さを短く形成することができる。さらに、封口体において樹脂製パッキングの接触面積が増えるため、封止性を十分に高めることができる。また、本発明の封口体は、従来技術のリベット方式の場合のようにワッシャを用いなくてもよいため、部品点数が減る。さらに、ワッシャの体積分だけ電池缶内の容量を確保することができる。このため、本発明の封口体を用いると、電池缶内における電解液や電極活物質を増量することができ、密閉型電池の放電特性を高めることができる。

［２］手段１において、前記端子は、前記フランジ部の反対側の端部に行くに従って径が大きくなるようテーパ状に形成されていることを特徴とする密閉型電池用封口体。

手段２に記載の発明によると、負極端子のテーパ状の部分が楔となって負極端子が抜け難くなり、封口体の部品信頼性が向上する。

［３］手段１または２において、前記端子は、その軸方向から見て非円形状となるよう形成されていることを特徴とする密閉型電池用封口体。

手段３に記載の発明によると、端子が非円形状であるので、封口体における端子の回転を防止することができ、封止性が高められる。

［４］手段１乃至３のいずれか１項に記載の密閉型電池用封口体を用いて電池缶の開口部を封止したことを特徴とする密閉型電池。

手段４に記載の発明によると、ＰＴＣ素子を内蔵した封口体を用いて電池缶の開口部を確実に封止することができる。

［５］手段１乃至３のいずれか１項に記載の密閉型電池用封口体を、樹脂インサート成形にて製造する工程と、前記封口体を前記電池缶の開口部に配置して前記封口板の端部をレーザ溶接することで前記電池缶を封止する工程とを含むことを特徴とする密閉型電池の製造方法。

手段５に記載の発明によると、ＰＴＣ素子を内蔵した封口体が樹脂インサート成形にて一体的に形成される。その後、封口体が電池缶の開口部に配置され、封口板の端部をレーザ溶接することで電池缶が封止される。このようにすると、密閉型電池の組み付け時における部品数を少なくすることができる。また、密閉型電池の組み付け後にＰＴＣ素子を取り付ける必要がないため、密閉型電池の生産性が向上し、製造コストを抑えることができる。

以上詳述したように、手段１乃至３に記載の発明によると、ＰＴＣ素子を内蔵するとともに封止性を十分に保つことができる密閉型電池用封口体を提供することができる。また、手段４に記載の発明によると、ＰＴＣ素子を内蔵した封口体を用いて密閉型電池を確実に封止することができる。手段５に記載の発明によると、密閉型電池の製造コストを抑えることができる。

一実施の形態のリチウム一次電池の概略構成を示す要部断面図。一実施の形態の封口体を示す下面図。別の実施の形態の封口体を示す断面図。図３の封口体を示す下面図。別の実施の形態の封口体を示す断面図。従来技術の封口体を示す断面図。従来技術の封口体にＰＴＣ素子を内蔵した場合の例を示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態におけるリチウム一次電池１０（密閉型電池）の概略構成を示す要部断面図である。

図１に示されるように、リチウム一次電池１０は、有底筒状の正極缶１１（電池缶）と、その正極缶１１内に非水電解液とともに収納される電極体１２と、正極缶１１の開口部１３に装着される封口体１５とを備える。

正極缶１１は、例えばステンレス鋼板を有底筒状にプレス成形することで作製されている。電極体１２は、帯状の正極２１と帯状の負極２２とがセパレータ２３を介して重ねられ、これらを巻回することで形成されている。正極２１は、例えば二酸化マンガンを含んだ正極材を網目状に加工したステンレス板（正極集電体）に圧着し、それを帯状に切断することで形成される。負極２２は、例えばリチウム−アルミニウム合金板を帯状に切断することで形成される。

封口体１５は、金属板（例えばステンレス鋼板）からなる封口板３１と、樹脂製パッキング３２と、負極端子３３と、ＰＴＣ素子３４と、キャップ部材３５と、絶縁リング３６とを備えている。封口体１５において、負極端子３３の下端面にリード部材３７が溶接されており、負極端子３３はそのリード部材３７を介して電極体１２の負極２２に電気的に接続されている。さらに、電極体１２の正極２１は、リード部材３８を介して正極缶１１の内側壁に電気的に接続されている。

封口板３１は、正極缶１１の開口部１３の形状に合わせて円板状に形成されており、その中央に貫通孔４１が形成されている。封口板３１の貫通孔４１に樹脂製パッキング３２を介して負極端子３３が固定されている。図１及び図２に示されるように、負極端子３３は、缶外側方向に配置される一方の端部（図１では上端部）にフランジ部４２を有する円柱状の部材であり、貫通孔４１の中央部に挿通されている。本実施の形態の負極端子３３は、フランジ部４２の反対側の端部（下端部）に行くに従って径が大きくなるようテーパ状に形成されている。

樹脂製パッキング３２は、負極端子３３の外周面と貫通孔４１の内周面との隙間を埋めるとともに、封口板３１における貫通孔４１の周囲部を覆うように円板状に形成されている。より詳しくは、樹脂製パッキング３２は、封口板３１において貫通孔４１の周囲部における表面及び裏面を挟み込むようにして密着固定されている。

ＰＴＣ素子３４は、素子表面及び素子裏面を有する円板状であり、その中央部に貫通孔４５が形成されている。このＰＴＣ素子３４は、正温度特性を有する導電性ポリマー材料を素子電極（具体的には、板状のニッケル電極）間に挟み込んだ構造を有し、温度が上昇することにより、抵抗値が増大する。

キャップ部材３５は、例えば、ニッケルめっき鋼板などの導電性材料を用いてキャップ状に形成されている。具体的には、キャップ部材３５は、かしめ加工によって、ＰＴＣ素子３４を取り囲むように外周端が折り曲げられており、フランジ部４２との間にＰＴＣ素子３４を挟み込んで固定している。また、キャップ部材３５とフランジ部４２との嵌合部分、つまり、キャップ部材３５の折曲がっている外周端の内側部分とフランジ部４２の外周部分との間には、キャップ部材３５と負極端子３３とが直接接続しないように絶縁リング３６が介在されている。絶縁リング３６は、薄い絶縁シートを用いて円環に形成されており、断面Ｌ字状に折り曲げられた状態でキャップ部材３５内に配置されている。この絶縁リング３６を設けることによって、負極端子３３とキャップ部材３５とがＰＴＣ素子３４を介して接続される。このようにすると、電池１０の放電電流がＰＴＣ素子３４を介して流れるため、ＰＴＣ素子３４によって過電流を防止することが可能となる。

本実施の形態の封口体１５において、フランジ部４２とキャップ部材３５との間に介在される絶縁リング３６の内周端は、キャップ部材３５の折り曲げられた外周端よりも内側に突出している。つまり、フランジ部４２の下面において絶縁リング３６の内周端とキャップ部材３５の外周端とが段差状に配置されている。そして、キャップ部材３５の外周端及び絶縁リング３６の内周端とフランジ部４２との間に形成される段差部分４７が樹脂製パッキング３２に埋まり込んでいる。封口体１５は、樹脂のインサート成形によって各部材３１，３２，３３，３４，３５，３６が一体的に形成されている。そして、封口体１５における封口板３１の外周部が正極缶１１の内周面に接触しており、その接触部がレーザ溶接によって接続されている。このように、封口体１５が正極缶１１の開口部１３に装着されることで、リチウム一次電池１０内が密閉封止される。

次に、本実施の形態のリチウム一次電池１０の製造方法について説明する。

先ず、封口体１５を樹脂のインサート成形により一体的に形成する。具体的には、プレス機を用いて線材を押し潰すことにより、フランジ部４２を有する負極端子３３を形成する。また、円板状に打ち抜いた金属板を用意するとともに、絶縁シートを用いて円環に形成した絶縁リング３６を用意する。さらに、ＰＴＣ素子３４を用意するとともに、封口板３１を用意する。そして、負極端子３３のフランジ部４２の上面にＰＴＣ素子３４を配置し、そのＰＴＣ素子３４を覆うように金属板を配置する。その後、絶縁リング３６をフランジ部４２の裏面側に嵌め込み、金属板の外周縁をかしめてキャップ部材３５を形成する。このように、キャップ部材３５を負極端子３３のフランジ部４２に装着することにより、ＰＴＣ素子３４を固定する。なおここでは、ＰＴＣ素子３４の接続性を高めるために、素子表面とキャップ部材３５との接触面及び素子裏面とフランジ部４２との接触面をはんだや導電性接着剤等によって接続してもよい。

次に、インサート成形用金型内の所定の位置に、ＰＴＣ素子３４及びキャップ部材３５を装着した負極端子３３と封口板３１とを挿入する。そして、樹脂製パッキング３２となる樹脂材料を金型内に注入してインサート成形を行い、封口体１５を一体的に形成する。

また、帯状に形成した正極２１、負極２２及びセパレータ２３を用意し、正極２１の端部及び負極２２の端部にリード部材３７，３８を圧着する。そして、正極２１と負極２２とをセパレータ２３を介して重ね合わせ、それらを巻回することで電極体１２を形成する。さらに、電極体１２を正極缶１１内に収容し、正極２１のリード部材３８を正極缶１１の内側壁に溶接接続するとともに、負極２２のリード部材３７を封口体１５における負極端子３３の下端面に溶接接続する。

次に、正極缶１１内に非水電解液を注入し、正極缶１１の開口部１３に封口体１５を嵌め込む。その後、封口体１５（封口板３１）の外周部をレーザ溶接することで正極缶１１を密閉封止する。以上の工程を経て図１のリチウム一次電池１０を製造する。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の封口体１５は、樹脂のインサート成形によって一体的に形成されている。このように封口体１５を形成すると、ＰＴＣ素子３４に大きな負荷を加えることなく、ＰＴＣ素子３４を確実に内蔵することができる。また、封口体１５において、キャップ部材３５の外周端及び絶縁リング３６の内周端とフランジ部４２との間に形成される段差部分４７が樹脂製パッキング３２に埋まり込んでいるので、端子軸方向の長さを短く形成することができる。さらに、封口体１５において樹脂製パッキング３２の接触面積が増えるため、封止性を十分に高めることができる。また、封口体１５は、従来技術のリベット方式の場合のようにワッシャ５５を用いなくてもよいため、部品点数が減る。さらに、ワッシャ５５の体積分だけ正極缶１１内の容量を確保することができる。このため、正極缶１１内における電解液や電極活物質を増量することができ、リチウム一次電池１０の放電特性を高めることができる。

（２）本実施の形態の封口体１５において、負極端子３３は、フランジ部４２の反対側の端部に行くに従って径が大きくなるようテーパ状に形成されている。このように負極端子３３を形成すると、テーパ状の側壁部分が楔となって負極端子３３が抜け難くなり、封口体１５の部品信頼性が向上する。

（３）本実施の形態では、ＰＴＣ素子３４を内蔵した封口体１５が一体的に形成されているので、電池組み付け時における部品数を少なくすることができる。また、リチウム一次電池１０の組み付け後にＰＴＣ素子３４を取り付ける必要がないため、リチウム一次電池１０の生産性が向上し、製造コストを抑えることができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態の封口体１５において、負極端子３３の形状を変更してもよい。図３には、その具体例を示している。図３に示されるように、封口体１５Ａにおける負極端子３３Ａは、上記実施の形態と同様に上端にフランジ部４２を有し、下端に行くに従って径が大きくなるようテーパ状に形成されている。さらに、負極端子３３Ａは、フランジ部４２の端面中央にて開口する凹部４８（空洞部）を有しており、凹部４８は、端子軸方向に延設されている。また、負極端子３３Ａは、その軸方向から見て楕円形状となるよう形成されている（図４参照）。このように負極端子３３Ａを楕円形状とすることにより、負極端子３３Ａの周方向の回転を規制することができ、封口体１５Ａの封止性を高めることができる。この結果、負極端子３３と樹脂製パッキング３２との隙間から水分が入り込んで電池性能が劣化するといった問題を回避することができる。なお、負極端子３３Ａは、例えば板材をプレス加工することで形成される。プレス加工では、楕円形状などの非円形状の負極端子を容易に形成することができる。また、負極端子３３において、外周面に凸部または凹部を設けて非円形状の端子とし、負極端子３３の回転を規制するように構成してもよい。

・上記実施の形態の封口体１５，１５Ａでは、負極端子３３，３３Ａのフランジ部４２の上面にＰＴＣ素子３４を配置していたが、これに限定されるものではない。例えば、図５に示す封口体１５Ｂのように、フランジ部４２の下面にＰＴＣ素子３４を配置してもよい。なお、この封口体１５Ｂでは、キャップ部材３５とフランジ部４２とが直接接触しないように、キャップ部材３５の下面とフランジ部４２の上面との間に絶縁シート４９が設けられている。この封口体１５Ｂにおいても、キャップ部材３５において折り曲げられた外周端とフランジ部４２との間に段差部分４７Ａが形成されており、その段差部分４７Ａが樹脂製パッキング３２に埋まり込んでいる。このようにしても、ＰＴＣ素子３４を内蔵した封口体１５Ｂを一体的に形成することができるため、リチウム一次電池１０の組み付け性が向上する。

・上記実施の形態では、リチウム一次電池１０に具体化したが、ニッケル−水素電池やリチウム二次電池などの他の密閉型電池に具体化してもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）手段１乃至３のいずれか１項において、前記ＰＴＣ素子は、中心部に貫通孔を有する円板状に形成されていることを特徴とする密閉型電池用封口体。

（２）手段１乃至３のいずれか１項において、前記端子は、その軸方向から見て楕円形状となるよう形成されていることを特徴とする密閉型電池用封口体。

（３）手段１乃至３のいずれか１項において、前記フランジ部の端面中央に開口し、前記端子の軸方向に延設された凹部を有することを特徴とする密閉型電池用封口体。

（４）手段１乃至３のいずれか１項において、前記端子の外周面には、周方向の回転を規制するための凸部または凹部が設けられていることを特徴とする密閉型電池用封口体。

１０…密閉型電池としてのリチウム一次電池
１１…電池缶としての正極缶
１３…開口部
１５，１５Ａ，１５Ｂ…封口体
３１…封口板
３２…樹脂製パッキング
３３，３３Ａ…端子としての負極端子
３４…ＰＴＣ素子
３５…キャップ部材
３６…絶縁シートからなる絶縁リング
４１…封口板の貫通孔
４２…フランジ部
４７，４７Ａ…段差部分
４９…絶縁シート

Claims

電池缶の開口部を封止すべくレーザ溶接にて前記開口部に装着される密閉型電池用封口体であって、
前記開口部を塞ぐために設けられ、中央に貫通孔を有する金属製の封口板と、
前記封口板の貫通孔に挿通された状態で樹脂製パッキングを介して固定され、缶外側方向に配置される一方の端部にフランジ部を有する柱状の端子と、
前記フランジ部に配置される板状のＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子を取り囲むように外周端が折り曲げられ、前記フランジ部との間に前記ＰＴＣ素子を挟み込んで固定するキャップ部材と、
前記キャップ部材と前記フランジ部との接触部位に介在される絶縁シートと
が一体的に形成され、前記キャップ部材において折り曲げられた外周端と前記フランジ部との間に形成される段差部分が前記樹脂製パッキングに埋まり込んでいることを特徴とする密閉型電池用封口体。
前記端子は、前記フランジ部の反対側の端部に行くに従って径が大きくなるようテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池用封口体。
前記端子は、その軸方向から見て非円形状となるよう形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の密閉型電池用封口体。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の密閉型電池用封口体を用いて電池缶の開口部を封止したことを特徴とする密閉型電池。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の密閉型電池用封口体を、樹脂インサート成形にて製造する工程と、
前記封口体を前記電池缶の開口部に配置して前記封口板の端部をレーザ溶接することで前記電池缶を封止する工程と
を含むことを特徴とする密閉型電池の製造方法。