JP2016126975A

JP2016126975A - 円筒形電池

Info

Publication number: JP2016126975A
Application number: JP2015002013A
Authority: JP
Inventors: 翔太矢冨; Shota Yatomi
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2016-07-11

Abstract

【課題】外部から衝撃を受けても内部短絡が発生し難い円筒形電池を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した電極体と、電解質と、開口部を有する電池ケースと、開口部に絶縁ガスケットを介してかしめ固定された封口体を備えた円筒形電池であって、封口体は弁体と端子板を含み、端子板は通気孔と溝を有することを特徴としている。溝の平面形状は、線状及び環状のいずれかであることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、外部から衝撃を受けた場合であっても内部短絡が発生し難い円筒形電池に関する。

スマートフォンを含む携帯電話やノートパソコンなどの電子機器の駆動電源として、軽量でエネルギー密度の高い非水電解質二次電池が広く用いられている。非水電解質二次電池の中でも円筒形電池は、電動工具、電動アシスト自転車や電気自動車といった過酷な使用環境でも高い安全性が求められる用途の駆動電源として広く用いられている。

円筒形電池は、外装缶の開口部に封口体をかしめ固定して、電池内部が密閉されている。封口体には、外部端子としての端子キャップや、電極体から導出された正極リードに接続される端子板を含む構成が多く採用されている。端子キャップと端子板の間には、円筒形電池の安全性を確保するためのいくつかの手段が組み込まれており、電流遮断機構、防爆弁、及びＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：正温度係数）サーミスタ板がそれらの例として挙げられる。

特許文献１は、端子板としての溶接板の上面に配置された隔壁が絶縁ガスケットを介して溶接された構成を有する封口体を開示している。電池内圧が上昇して、所定値に達すると、隔壁が変形して溶接板との溶接部が破断し、溶接板と隔壁との間の電流経路が遮断される。絶縁ガスケットは電流遮断機構が動作した後に、溶接板と隔壁の間の絶縁を確保するために用いられている。

特許文献２は、端子板として機能するアルミニウム製金属ケースの上面に２つの金属箔が配置された構成を有する封口体を開示している。下側の金属箔はその周縁部において金属ケースと接続されており、その中心部において上側の金属箔と接続されている。２つの金属箔の周縁部は絶縁ガスケットで絶縁されており、それらの接続部が２つの金属箔の間の電流経路となっている。２つの金属箔のそれぞれには溶接部の周囲に薄肉部が形成されている。電池内部の圧力が所定値に達すると下側の金属箔の薄肉部が破断して弁体間の電流経路が遮断される。このような構成によれば、電流遮断機構が作動する電池内圧を溶接部の溶接強度ではなく薄肉部の破断強度によって制御することができるため、電流遮断圧力のバラツキを低減することが容易であることが特許文献２に記載されている。

特開平６−１９６１５０号公報特開平９−１２９１９５号公報

円筒形電池が側面から力を受けた場合、電極体が配置されている部分に比べて封口体が配置されている部分は潰れにくい。ところが過度に力が加えられると、封口体の変形や破断が生じるおそれがある。電極体に近接する位置に配置されている端子板に破断又は大きな変形が生じると、端子板が電極体に突き刺さって内部短絡を引き起こす可能性がある。封口体と電極体の間に絶縁板が配置されている場合には、上記のような内部短絡が発生する可能性は低いと考えられる。しかし、近年の円筒形電池の用途の拡大に伴って、円筒形電池はより過酷な環境下での使用が求められている。そのため、円筒形電池が側面から過
度な力を受けた場合であっても安全性を確保することが求められている。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、本発明に係る円筒形電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した電極体と、電解質と、開口部を有する電池ケースと、開口部に絶縁ガスケットを介してかしめ固定された封口体を備えた円筒形電池であって、封口体は弁体と端子板を含み、端子板は貫通孔と溝を有することを特徴としている。

本発明によれば、電池の側面から過度な力が加えられた場合であっても、端子板の破断や大きな変形に起因する内部短絡が抑制される。

本発明の一実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池の断面図である。（ａ）電池の内側から見た実施例１に係る端子板の平面図である。（ｂ）電池の内側から見た実施例２に係る端子板の平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１に示した円筒形電池は、本発明の一実施形態である円筒形非水電解質二次電池１０である。この非水電解質二次電池１０は、正極板１１と負極板１２とをセパレータ１３を介して巻回して作製された電極体１４を備えている。電極体１４は図示しない非水電解質とともに電池ケース１８内に収納される。電池ケース１８の開口部には絶縁ガスケット１７を介して封口体１９がかしめ固定され、これにより電池内部が密封される。電極体１４の上部及び下部には、それぞれ上部絶縁板１５及び下部絶縁板１６が配置されている。

封口体１９は、電池外方側から順に端子キャップ２０、ＰＴＣサーミスタ板２１、弁体２２、絶縁板２３、金属板２４、及び端子板２５が積層されている。封口体１９は電池ケース１８の開口部に嵌められるため、封口体１９の構成部材の平面形状は円形であることが好ましい。一方、封口体１９の構成部材の断面形状は、それぞれの構成部材の機能に適した形状に加工することができる。端子キャップ２０及び端子板２５にはガス通気孔として機能する貫通孔２０ａ、２５ａがそれぞれ設けられている。

また、本実施形態に係る封口体１９には次に述べるように電流遮断機構が付与されている。弁体２２と金属板２４とは中央部で接続されており、その接続部の周囲に環状の絶縁板２３が配置されている。さらに、その接続部の周囲には弁体２２及び金属板２４のそれぞれに環状の薄肉部が形成されている。金属板２４には貫通孔が設けられているため、電池内部の圧力が増加すると、弁体２２がその圧力を受ける。そのため、電池内部の圧力が所定値に達すると、まず金属板２４の薄肉部が破断して、電池内部の電流経路が遮断される。さらに電池内部の圧力が増加すると、弁体２２の薄肉部が破断して電池内部で発生したガスが端子キャップ２０の貫通孔２０ａを介して外部に排気される。弁体２２及び金属板２４の好ましい材料としてアルミニウム及びアルミニウム合金が挙げられる。

正極板１１と負極板１２にはそれぞれ正極リード１１ａと負極リード１２ａが接続されている。電極体１４から導出している正極リード１１ａと負極リード１２ａはそれぞれ端子板２５と外装缶１８の底部に接続されている。つまり、封口体１９の端子キャップ２０は正極外部端子として、外装缶は負極外部端子として機能する。なお、正極リード１１ａに接続される端子板２５の好ましい材料としてアルミニウム及びアルミニウム合金が挙げられる。

本実施形態では中心部が電池内方側に突出した板状の端子板２５を用いているが、皿状の端子板を用いることもできる。皿状の端子板を用いた場合には、端子板上に載置される他の構成部材を包むように固定して封口体を作製することができる。

端子板に溝を形成する方法には特に制限はないが、プレス加工によって形成する方法が簡便であるため好ましい。溝は端子板の表裏のいずれにも設けることができるが、電池内方側の面に設けることが好ましい。

溝の好ましい平面形状の例として線状及び環状の形状が挙げられる。ここで線状とは直線状及び曲線状を含み、環状とは円形状や楕円形形状を含む意味で使用している。線状の中では直線状がより好ましく、環状の中では円形状がより好ましい。溝の好ましい断面形状の例としてＶ字形及びＵ字形が挙げられる。

端子板における溝の位置として、溝の少なくとも一部が端子板の外周から中心部に向けて端子板の半径の２０％以上、９０％以下の範囲に配置されていることが好ましい。特に環状の溝を用いる場合は、溝が上記の範囲内に含まれるように配置されることが好ましい。

線状の溝を用いる場合は複数の溝を用いることが好ましい。複数の溝は端子板の同心円上に等間隔で配置されることが好ましい。この場合、複数の直線状の溝が端子板の半径方向に沿って設けられていることがより好ましい。このように溝が配置されることにより、電池の外部からの衝撃方向に対して溝が交差することになり、本発明の効果が効果的に発揮される。

環状の溝を用いる場合も複数の溝を用いて端子板の同心円上に配置することができるが、端子板の同心円に対応する少なくとも１つの円形状の溝を用いることがより好ましい。なお、線状の溝と環状の溝を組み合わせて用いることもできる。

溝の残肉部の厚みは端子板の厚みの１０％以上５０％以下であることが好ましい。溝の断面形状がＶ字形及びＵ字形である場合は、溝の最深部の残肉部の厚みを溝の残肉部の厚みとする。端子板の溝以外の部分の厚みが均一でない場合は、溝の周囲部の厚みを端子板の厚みとする。

溝の幅は端子板の半径の１％以上３０％以下であることが好ましく、１％以上２０％以下であることがより好ましい。溝の長さは端子板の円周の５％以上８０％以下であることが好ましい。ここで端子板の円周とは、電池内方側から見た端子板の平面形状の最外周部の長さを指す。

以下、本発明を実施する形態について実施例に基づいてより詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（実施例１）
（封口体の作製）
図２に示す貫通孔２５ａと直線状の溝２５ｂと有する端子板２５を用いて、図１に示す封口体１９を作製した。溝２５ｂは端子板２５の電池内方側の面にプレス加工により形成した。溝２５ｂの断面形状はＶ字形とした。

（正極板の作製）
正極活物質としてのＬｉ（Ｎｉ_0.8Ｃｏ_0.15Ａｌ_0.05）Ｏ₂が１００質量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンが２質量部、導電剤としてのアセチレンブラックが２質量部な
るように混合し、その混合物を分散媒としてのＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に均一に分散するように混練して、正極合剤スラリーを作製した。この正極合剤スラリーをアルミニウム箔からなる厚みが１５μｍの正極集電体の両面に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成した。この正極合剤層を圧延ローラーで圧縮し、所定寸法に切断して正極板１１を作製した。なお、正極板１１の長さ方向の一方の端部に両面に正極合剤層が形成されていない正極集電体露出部を設け、正極リード１１ａを接続した。この正極板１１は長さが６６７ｍｍ、幅が５７ｍｍとした。

（負極板の作製）
負極活物質としての黒鉛が１００質量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンが１質量部、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースが１質量部となるように混合し、その混合物を分散媒としての水中に均一になるように混練して、負極合剤スラリーを作製した。この負極合剤スラリーを銅箔からなる厚みが８μｍの負極集電体の両面に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成した。この負極合剤層を圧延ローラーで圧縮し、所定寸法に切断して負極板１２を作製した。なお、負極板１２の長さ方向の一方の端部に両面に負極活物質層が形成されていない負極集電体露出部を設け、負極リード１２ａを接続した。この負極板１２は、長さが７４５ｍｍ、幅が５８．５ｍｍとした。

（電極体の作製）
上記のようにして作製した正極板１１及び負極板１２を、厚みが１６μｍのポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータ１３を介して巻回して、電極体１４を作製した。正極リード１２ａを巻き始め側に、負極リード１２ａを巻き終り側に配置した。

（非水電解質の調製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を体積比で４：６（２５℃、１気圧）となるように混合して、非水電解質用の非水溶媒を調製した。この非水溶媒に電解質塩としてのヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解して、非水電解質を調製した。

（非水電解質二次電池の作製）
上記のようにして作製した電極体１４を電池ケース１８へ挿入し、負極リード１２ａを電池ケース１８の底部に接続した。電極体１４の上部及び下部にはそれぞれ上部絶縁板１５と下部絶縁板１６を配置した。正極リード１１ａを端子板２５に接続して、非水電解質を電池ケース１８へ注入した。最後に、封口体１９を電池ケース１８の開口部に絶縁ガスケット１７を介してかしめ固定して、直径が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍの実施例１に係る円筒形非水電解質二次電池１０を作製した。

（実施例２）
図２（ｂ）のように端子板に円形状の溝３５ｂを設けたことを除いては実施例１と同様の方法で実施例２に係る円筒形非水電解質二次電池を作製した。溝３５ｂは端子板の同心円に対応している。

（比較例）
端子板に溝を設けなかったことを除いては実施例１と同様の方法で比較例に係る円筒形非水電解質二次電池を作製した。
（試験前の充放電）

（圧壊試験）
上記のようにして作製した実施例１、２及び比較例に係る各電池を０．５Ｉｔ（１６７５ｍＡ）の定電流で電池電圧が４．２Ｖまで充電し、４．２Ｖの定電圧で充電電流が６７
ｍＡになるまで充電した。充電された各電池について次のような条件で圧壊試験を行った。まず、二つの平らな面の間に電池を横向きに配置した。次に、二つの面から電池に印加される力が１５ｋＮになるまで電池に力を印加し続けた。電池の圧壊後に電池の発熱の有無を確認した。発熱が発生した電池の数を表１に示す。なお、上記の圧壊試験は実施例１、２及び比較例の各５セルについて２５℃の環境下で行ったものである。

表１から、比較例には発熱が２セル発生したものの、実施例１及び２には発熱は発生していないことがわかる。試験後の電池を解体してその内部を調査した結果、発熱が発生した電池は封口体の端子板が破断していることがわかった。この破断した端子板が電池の内部短絡の原因であると考えられる。実施例の各電池については端子板の変形はみられたものの、端子板の破断は防止されていることがわかった。つまり、側面方向から電池を圧壊する力が過度に加えられても、端子板に設けられた溝を起点として端子板が小さく変形するため端子板に加わる力が緩和され、端子板の破断や大きな変形が抑制されたものと考えられる。

本発明によれば、過酷な使用環境下でも高い安全性を示す円筒形電池を提供することができる。本発明に係る円筒形電池は、特に電動工具、電動アシスト自転車や電気自動車の駆動電源として有用である。

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電極体
１５上部絶縁板
１６下部絶縁板
１７絶縁ガスケット
１８電池ケース
１９封口体
２０端子キャップ
２０ａ貫通孔
２１ＰＴＣサーミスタ板
２２弁体
２３絶縁板
２４金属板
２５端子板
２５ａ貫通孔
２５ｂ、３５ｂ溝

Claims

正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した電極体と、非水電解質と、開口部を有する電池ケースと、前記開口部に絶縁ガスケットを介してかしめ固定された封口体を備えた円筒形電池であって、
前記封口体は弁体と端子板を含み、
前記端子板は貫通孔と溝を有する、
円筒形電池。
前記溝の数は２以上であり、前記溝のそれぞれが前記端子板の同心円上に配置されている請求項１に記載の円筒形電池。
前記溝の平面形状は線状及び環状の少なくとも一方である請求項１又は２に記載の円筒形電池。
前記溝の平面形状は前記端子板の同心円に対応する円形状である請求項１に記載の円筒形電池。
前記溝の断面形状はＶ字形又はＵ字形の少なくとも一方である請求項１から４のいずれかに記載の円筒形電池。
前記溝は少なくとも前記端子板の外周部から中心方向に前記端子板の半径の２０％以上９０％以下の範囲に配置されている請求項１から５のいずれかに記載の円筒形電池。
前記溝の残肉部の厚みは、前記端子板の厚みの１０％以上５０％以下である請求項１から６のいずれかに記載の円筒形電池。