JP2017022057A - 電池用の外装体 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の内圧が上昇した場合でも外装缶の変形が抑制できる外装体を提供する。【解決手段】電池用の外装体であって、外装体は、外装缶と、補強部材を備え、前記外装缶の側面は、互いに対向し、側面視で他の面よりも幅が広い２枚の幅広面を有しており、前記２枚の幅広面の対向方向が外装缶の厚み方向であり、前記幅広面には、前記外装缶の厚み方向で内方に凹んだ凹部が形成されており、前記凹部には、補強部材が配置されていることを特徴とする電池用の外装体。【選択図】図４

Description

本発明は、電極体及び電解液が封入された外装缶に、変形を抑制するため補強部材が配置された電池用の外装体に関する。

従来から、アルミニウムなどの金属体を深絞り加工して形成される外装缶を蓋板で封口した電池ケースを用いた扁平型の密閉型電池が知られている。このような密閉型電池は、高温環境下で電池を使用したり、充放電反応を繰り返すと、副反応によりガスが発生するので、内圧の上昇により外装缶が膨れることがあった。そこで、外装缶の側面に凹部が形成された密閉型電池も知られている。このような密閉型電池では、例えば特許文献１、２に開示されるように、電池ケースの側面の中央部分に、該電池ケースの内方に向かって凹んだ凹部が形成されている。凹部によって電池ケースの側面の一部が予め電池ケースの内方に位置しているため、電池ケースの内圧が上昇した場合でも、該電池ケースの側面の変形を小さくすることができる。
更に特許文献３では、内方に向かって凹んだ凹部と、開裂溝と、が形成された電池ケースを用い、特定の電極材料を用いることで電池ケースの変形抑制と、内圧上昇時に容易に開裂溝が開裂させることが出来る電池ケースを提供している。

特開平７−１８３０１０号公報 特開２００２−０４２７４１号公報 特開２０１４−０１０８９３号公報

しかしながら、前記特許文献１〜３に開示される電池ケースの側面に凹部を設けた構成の場合、変形防止についてはまだ改善の余地があった。また、従来よりも外装缶の肉厚を薄くし内容積を向上させて電極体などの電池容量に寄与する材料を多くすることで電池の高容量化を図る場合など、これまで以上に外装缶の変形抑制が求められることになる。

本発明は、電池の内圧上昇による外装体の変形を抑制することが出来る外装体、又は電池を提供する。

本発明は、電池用の外装体であって、外装体は外装缶と補強部材を有し、前記外装缶の側面部は、互いに対向し、側面視で他の面よりも幅が広い２つの幅広面を有しており、記２つの幅広面の対向方向が外装缶の厚み方向であり、前記幅広面には、前記外装缶の厚み方向で内方に凹んだ凹部が形成されており、前記凹部には、補強部材が配置されていることを特徴とする（第１の構成）。

前記第１の構成において、凹部は、前記幅広面に複数設けられていると好ましい（第２の構成）。

凹部を幅広面に少なくとも１つ以上設け、更に凹部に補強部材が配置されると、凹部のみを設けた場合よりも、電池の内圧上昇に伴う外装体の変形をより抑制することが出来る。また、複数の凹部と補強部材とを設けると、更に変形抑制効果を発揮することが出来る。

前記幅広面は、側面からの投影形状が四角形であり、前記幅広面の前記投影形状における２本の対角線の交点に相当する箇所を中心点Ｃとしたときに、前記凹部は、前記中心点Ｃに対して点対称となるように形成されているのが更に好ましい（第３の構成）。これにより、外装缶の中で最も変形しやすい箇所である中心点Ｃを効率よく変形を抑制させることが出来る。

前記幅広面は、側面からの投影形状が互いに対向する短辺と長辺とからなる長方形である場合、補強部材は、前記幅広面における長手方向両端で凹部に固定されていると好ましい（第４の構成）。内圧上昇による外装缶の変形は、幅広面の短手方向よりも、長手方向の変形がより大きくなる。従って、補強部材を幅広面の長手方向の両端で固定しておけば、外装缶の変形抑制により効果的である。

前記幅広面は、側面からの投影形状が互いに対向する短辺と長辺とからなる長方形である場合、前記凹部は一方の短辺から他方の短辺に渡って形成されていると好ましい（第５の構成）。このような構成であると、外装缶の長手方向全体に渡って、外装缶の変形抑制効果を得ることが出来る。また、このような構造の外装缶を製造する場合、絞り加工により製造することが可能になる。絞り加工によって凹部を形成された外装缶は、プレス加工で凹部を形成された外装缶よりも応力が小さいので、より変形抑制効果を発揮することが出来る。

前記補強部材の材料は、前記外装缶の材料よりも剛性が高いと好ましい（第６の構成）。この構成により、外装缶が変形する力を、それよりも剛性が高い補強部材によって抑制することが出来るので、より変形抑制効果を発揮することが出来る。

前記凹部は、凹部側面部と凹部底面部とで形成されており、前記凹部側面部の少なくとも一部と、前記凹部底面部とでなす角は鈍角であると好ましい（第７の構成）。このような構成により、凹部側面部は一部が外方へ向かって開くように斜面となるが、この斜面に補強部材を接着や溶着などで固定することが出来るので、外装缶の厚み方向の寸法を増加させることなく外装体を形成することが出来る。

そして、第１〜第７の構成、いずれかの外装体を用いた電池であれば、電池の使用により外装缶が変形する力を受けても変形を抑制することが出来る電池とすることが出来る。

図１は、本発明の実施形態１にかかる電池（ただし補強部材を除く）の概略構成を示す斜視図である。 図２は、図１における縦断面図である。 図３は、電池の概略構成を示す側面図である。 図４は、図３における外装体のＡ−Ａ線断面図である。 図５は、図３における外装体のＤ−Ｄ線断面図が電池の内圧が上昇した時の概略図を示す。 図６は、実施態様１の変形例である。 図７は、実施態様１の変形例である。 図８は、実施態様１の変形例である。 図９は、実施態様１の変形例である。 図１０は、実施態様１の変形例である。 図１１は、本発明の実施形態２を示す側面図である。 図１２は、実施態様２の変形例である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１にかかる電池１の概略構成を示す斜視図である。この電池１は、有底筒状の外装缶１０と、該外装缶１０の開口を覆う蓋板２０と、該外装缶１０内に収納される電極体３０とを備えている。外装缶１０に蓋板２０を取り付けることによって、内部に空間を有する柱状の電池ケース２が構成される。なお、この電池ケース２内には、電極体３０以外に、非水電解液（以下、単に電解液という）も封入されている。
尚、後述する凹部７１には補強部材が配置されるが、図１〜２では省略している。

電極体３０は、それぞれシート状に形成された正極３１及び負極３２を、例えば両者の間及び該負極３２の下側にセパレータ３３がそれぞれ位置するように重ね合わせた状態で、図２に示すように渦巻状に巻回することによって形成された巻回電極体である。電極体３０は、正極３１、負極３２及びセパレータ３３を重ね合わせた状態で巻回した後、押しつぶして扁平状に形成される。

ここで、図２では、電極体３０の外周側の数層分しか図示していない。しかしながら、この図２では電極体３０の内周側部分の図示を省略しているだけであり、当然のことながら、電極体３０の内周側にも正極３１、負極３２及びセパレータ３３が存在する。また、図２では、蓋板２０の電池内方に配置される絶縁体等の記載も省略している。

正極３１は、正極活物質を含有する正極活物質層を、アルミニウム等の金属箔製の正極集電体の両面にそれぞれ設けたものである。詳しくは、正極３１は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なリチウム含有酸化物である正極活物質、導電助剤、及びバインダなどを含む正極合剤を、アルミニウム箔などからなる正極集電体上に塗布して乾燥させることによって形成される。正極活物質としては、例えば、ＬｉＣｏＯ_２などのリチウムコバルト酸化物やＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのリチウムマンガン酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのリチウムニッケル酸化物といった、リチウムと遷移金属とを含むリチウム含有複合酸化物を使用し、また前記リチウム含有複合酸化物の少なくとも一部は、遷移金属としてニッケルを含むリチウム含有複合酸化物であることを特徴とする。遷移金属としてニッケルを含むリチウム含有複合酸化物とは、前記複合酸化物を構成する遷移金属元素としてニッケルを少なくとも含有するものであり、コバルト、マンガン、チタン、クロム、鉄、銅、銀、タリウム、ニオブ、ジルコニウムなどの他の遷移金属を構成元素として含有してもよく、また、例えばホウ素、リン、亜鉛、アルミニウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ゲルマニウム、スズ、マグネシウムなどの遷移金属元素以外の元素を含んでいてもよい。

負極３２は、負極活物質を含有する負極活物質層を、銅等の金属箔製の負極集電体の両面にそれぞれ設けたものである。詳しくは、負極３２は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質、導電助剤、及びバインダなどを含む負極合剤を、銅箔などからなる負極集電体上に塗布して乾燥させることによって形成される。負極活物質としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素材料（黒鉛類、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類など）や、ＳｉとＯとを構成元素に含む材料（ただし、Ｓｉに対するＯの原子比ｘは、０．５≦ｘ≦１．５である。以下、当該材料を「ＳｉＯ_ｘ」と記載する場合がある。）が挙げられる。

また、電極体３０の正極３１には、正極リード３４が接続されている一方、負極３２には負極リード３５が接続されている。これにより、正極リード３４及び負極リード３５が、電極体３０の外部に引き出されている。そして、この正極リード３４の先端側は、蓋板２０に接続されている。一方、負極リード３５の先端側は、後述するように、リード板２７を介して負極端子２２に接続されている。

外装缶１０は、アルミニウム合金製の有底筒状部材である。外装缶１０は、図１に示すように、長方形の短辺側が円弧状に形成された底面１１を有する有底筒状の部材である。詳しくは、外装缶１０は、底面１１と、滑らかな曲面を有する扁平筒状の側面１２とを備えている。側面１２は、互いに対向し、側面視で他の面よりも幅が広い、一対の幅広面（本実施形態では長方形状）１３と、該一対の幅広面１３同士を接続する半円筒状の半円筒部とを有する。すなわち、外装缶１０は、底面１１の短辺方向に対応する厚み方向の寸法が、底面１１の長辺方向に対応する幅方向よりも小さくなるように、扁平形状に形成されている。また、この外装缶１０は、後述するように正極リード３４に接続される蓋板２０と接合されているため、密閉型電池１の正極端子も兼ねている。

図２に示すように、外装缶１０の内側の底部には、該外装缶１０を介して電極体３０の正極３１と負極３２との間で短絡が発生するのを防止するためのポリエチレンシートからなる絶縁体１５が配置されている。上述の電極体３０は、該絶縁体１５上に一方の端部が位置付けられるように配置されている。

蓋板２０は、外装缶１０の開口部を覆うように、該外装缶１０の開口部に溶接によって接合されている。この蓋板２０は、外装缶１０と同様、アルミニウム合金製の部材からなり、該外装缶１０の開口部の内側に嵌合可能なように長方形の短辺側が円弧状に形成されている。また、蓋板２０には、その長手方向の中央部分に貫通孔が形成されている。この貫通孔内には、フッ素樹脂製の絶縁パッキング２１及び炭素鋼製の負極端子２２が挿通されている。具体的には、概略柱状の負極端子２２が挿通された概略円筒状の絶縁パッキング２１が前記貫通孔の周縁部に嵌合されている。

負極端子２２は、円柱状の軸部の両端に平面部がそれぞれ一体形成された構成を有している。負極端子２２は、平面部が外部に露出する一方、該軸部が絶縁パッキング２１内に位置付けられるように、該絶縁パッキング２１に対して配置されている。この負極端子２２には、ニッケル製のリード板２７が接続されている。これにより、負極端子２２は、リード板２７及び負極リード３５を介して、電極体３０の負極３２に電気的に接続されている。なお、リード板２７と絶縁パッキング２１との間には、絶縁体２６が配置されている。

蓋板２０には、負極端子２２と並んで電解液の注入口２４が形成されている。注入口２４は、平面視で略円形状に形成されている。また、注入口２４は、蓋板２０の厚み方向に径が２段階で変化するように小径部及び大径部を有している。この注入口２４は、該注入口２４の径の変化に対応して段状に形成された封止栓２５によって封止されている。そして、封止栓２５と注入口２４の周縁部との間に隙間が生じないように、該封止栓２５の大径部側の平面外周部と注入口２４の周縁部とはレーザー溶接によって接合されている。

（凹部）
外装缶１０の側壁１２の幅広面１３には、複数の凹部７１が形成されている。凹部７１は、幅広面１３に配置されていれば、その大きさ、形状、個数など、制限はない。しかし、幅広面１３の中央部に１個の凹部を設けるよりも、２個以上の凹部を設けた方が、電池ケースの変形をより抑制する効果が高く望ましい。以下、この形態を例にとり詳述する。

凹部７１は、幅広面１３の法線方向から見て、四角形状（本実施形態では長方形状）に形成されている。凹部７１は、矩形状の凹部底面部７１ａと、該底面部７１ａの各辺に対応して外装缶１０の内方側に向かって延びる４つの凹部側面部７１ｂとを有する。

図３は幅広面１３を平面視した図であり、図４は図３のＡ−Ａ断面を示す。図４の実線円は点線円部分の拡大図である。凹部７１には、図３、図４に示すように、補強部材４０が配置される。補強部材４０は、凹部７１にちょうど嵌るように凹部７１と略同一寸法である。ただし、補強部材４０を凹部７１に固定するために接着剤やテープなどの接着手段を用いる場合、接着手段を配置できる程度にマージンをとっても良い。
一般に、電池は、仕上げとして電池全体を覆うように化粧フィルム（図示せず）で包装した状態で出荷される。その際、凹部７１と補強部材４０とが同一寸法であると、化粧フィルムに凹凸が転写されず、見た目を美しく仕上げることが出来る。

幅広面における外装缶の肉厚は、凹部も、凹部が形成されていない箇所も、標準の厚みに対して±０．０５ｍｍの範囲になるようにするのが好ましい。この範囲に収まるようにすれば、幅広面における肉厚がいずれの箇所でも略同一となるので、外装缶の変形抑制効果がより発揮される。

凹部７１に補強部材４０を固定する手段は、接着剤やテープなどに限らず、抵抗溶接や超音波溶接など補強部材４０の材料によって適切な手段を選べばよい。

補強部材４０の材料は、金属板（ＳＵＳ，アルミ合金、炭素鋼、など）、ガラス、樹脂、セラミックプレートなどが挙げられる。補強部材が樹脂等の場合は、凹部に樹脂材料を塗布し乾燥・硬化させることで固定することが出来る。
補強部材が金属などの場合はあらかじめ凹部に対応する形状の補強材料を作成しておき、接着剤などで固定することが出来る。この時、補強部材４０の材料は、外装缶１０の材料よりも剛性が高いものを選択すると、外装缶の変形抑制効果をより発揮することが出来る。本実施例では、外装缶１０がアルミニウム合金製であり、補強部材４０はＳＵＳを用いた。

図３の点線Ｂは長方形の幅広面の対角線を表す。対角線の交点に相当する箇所を中心点Ｃとすると、中心点Ｃは最も変形の度合いが大きい箇所になる。したがって、中心線Ｃに対して点対称となるように凹部を設けると、外装缶１０の変形に偏りが生じず、且つ中心点Ｃに対して変形抑制効果を発揮できるので、好ましい。

外装缶１０の２つの幅広面１３には、片面とその反対面とに凹部７１と補強部材４０を電池の表裏対称の位置に設けている。このような構成にすると、外装缶が偏って変形することがないので好ましい。ただし、電池が搭載される機器により求められる変形抑制効果が異なるため、例えば片面にのみ凹部７１と補強部材を設けたり、幅広面の片面とその反対面とで異なる形状の凹部と補強部材とを設けることも出来る。

図４の部分拡大図にあるように、凹部底面部７１ａと凹部側面部７１bとは角度θをなしており、本実施態様では角度θは鈍角である。角度θが鈍角であると、凹部側面部７１ｂが外装缶の外方へ向かって斜面をなしていることになり、この斜面に補強部材４０を凹部７１に固定する接着剤を配置すれば、外装缶１０の厚み方向に寸法を増加させることなく補強部材４０を固定することが出来るので、好ましい。
本実施形態では凹部側面部７１ｂは全体において凹部底面部７１aと鈍角をなしているが、凹部側面部７１ｂの少なくとも一部が凹部底面部７１aとで鈍角をなしていてもよい。また、角度θは直角であっても構わない。

図５は、図３のＤ−Ｄ断面で、且つ電池の内圧が上がって外装缶１０の変形する様子（理解しやすいように誇張している）である。ここでは紙面左右方向が幅広面１３の長手方向を表す。電池の内圧が上昇すると、幅広面１３の長手方向中心付近が最も大きく変形する。図５のように、補強材料４０が長手方向両端で接着部５０によって凹部に固定されていると、内圧上昇による外装缶の変形方向に対して、変形抑制方向に反作用の力を発生させることが出来るため、変形抑制効果がより発揮することが出来る。

凹部７１は、外装缶１０をプレス成形することで形成することが出来る。また、変形例として、幅広面に一つの長方形状の凹部を設けたり（図６）、十字形状の凹部を設けたり（図７）、アルファベットのＸ形状の凹部を設けても良い（図８）。図６〜図８においては、（a）が平面視した図であり、(b)が中心部を通る幅広面の短手方向の断面図を表す。
更に、凹部側面部７１ｂは曲面を構成していてもよい。凹部側面部７１ｂが曲面の例として、図９、１０を説明する。図９は凹部７１が幅広面１３の中心点Ｃを中心とした円形状である。上述した通り幅広面の中でも中心点Ｃが最も変形の度合いが大きい部分であるため、凹部７１および補強部材４０を円形に形成し、それらの円の中心を中心点Ｃに合わせると変形抑制効果がより発揮できる。この実施形態では凹部７１と補強部材４０の円の中心と中心点Ｃとは同心状である。「中心点Ｃを中心とした円」とは凹部７１と補強部材４０の円の中心と中心点Ｃとのずれが１ｍｍ以内のものが含まれる。この範囲であれば、凹部を中心点Ｃと同心円状に形成した場合と同様の効果を発揮することが出来るためである。
また、図１０のように凹部７１と補強部材４０を楕円形に形成しても良い。凹部７１と補強部材４０の楕円と中心点Ｃは、円の時と同様に多少のずれは許容できる。図９、図１０においては、中心部を通る幅広面の短手方向の断面図は図６(ａ)と変わらないため省略する。

＜実施形態２＞
図９は、本発明の別の実施形態を表す。本実施形態では外装缶１１０の幅広面１１３の一方の短辺から他方の短辺に渡って、凹部１７１が形成されている。このような構成であると、長手方向全体に渡って、外装缶の変形抑制効果を得ることが出来る。このような構造の外装缶を製造する場合、絞り加工により製造することが可能になる。絞り加工によって凹部を形成された外装缶は、プレス加工で凹部を形成された外装缶よりも、残留応力が小さく、且つ応力のバランスが安定的であるため、凹部が元の平面に戻ろうとする力が小さい。よって凹みそのものを安定的に形成できると共に、膨れ方向に対する抑制力も強い状態を維持しているので、電池の内圧が上昇した時にはより変形抑制効果を発揮することが出来る。
図示した以外は実施形態１と同様の構成の電池なので、説明は省略する。
変形例として、幅広面の一方の短辺から他方の短辺に渡って一つの長方形状の凹部を設けることも出来る（図１０）。

前記各実施形態では、電池１をリチウムイオン電池として構成している。しかしながら、電池１はリチウムイオン電池以外の電池であってもよい。また、電極体は巻回電極体以外でも、複数の正極シート、負極シート、セパレータを積層させた積層電極体であっても構わない。

本発明は、電極体等が収納される外装缶を備えた電池に利用可能である。

１：電池、２：電池ケース、１０：外装缶、１１：底面、１２：側壁、１３：幅広面、１４：半円筒部、２０：蓋板、３０：電極体、７１：凹部、７１ａ：凹部底面部、７１ｂ：凹部側面部、５０：接着部

Claims (9)

1. 電池用の外装体であって、
   外装体は、外装缶と、補強部材を有し、
   前記外装缶の側面は、互いに対向し、側面視で他の面よりも幅が広い２つの幅広面を有しており、
   前記２つの幅広面の対向方向が外装缶の厚み方向であり、
   前記幅広面には、前記外装缶の厚み方向で内方に凹んだ凹部が形成されており、
   前記凹部には、補強部材が配置されていることを特徴とする電池用の外装体。
2. 前記凹部は、前記幅広面に複数設けられている請求項１に記載の電池用の外装体。
3. 前記幅広面は、側面からの投影形状が四角形であり、
   前記幅広面の前記投影形状における２本の対角線の交点に相当する箇所を中心点Ｃとしたときに、
   前記凹部は、前記中心点Ｃに対して点対称となるように形成されている請求項１又は２に記載の電池用の外装体。
4. 前記凹部は、前記中心点Ｃを中心とした円、又は楕円形状である請求項３に記載の電池用の外装体。
5. 前記幅広面は、側面からの投影形状が互いに対向する短辺と長辺とからなる長方形であり、
   前記補強部材は、前記幅広面の長手方向両端で凹部に固定されている請求項１〜４のいずれかに記載の電池用の外装体。
6. 前記幅広面は、側面からの投影形状は互いに対向する短辺と長辺とからなる長方形であり、
   前記凹部は一方の短辺から他方の短辺に渡って形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の電池用の外装体。
7. 前記補強部材の材料は、前記外装缶の材料よりも剛性が高い請求項１〜６のいずれかに記載の電池用の外装体。
8. 前記凹部は、凹部側面部と凹部底面部とで形成されており、
   前記凹部側面部の少なくとも一部と、前記凹部底面部とでなす角は鈍角である請求項１〜７のいずれかに記載の電池用の外装体。
9. 内部に電極体と電解液が封入される外装体と、前記外装体の開口部を封口する蓋板とを備えた電池であって、
   外装体は、外装缶と、補強部材を備え、
   前記外装缶の側面部は、互いに対向し、側面視で他の面よりも幅が広い２枚の幅広面を有しており、
   前記２枚の幅広面の対向方向が外装缶の厚み方向であり、
   前記幅広面には、前記外装缶の厚み方向で内方に凹んだ凹部が形成されており、
   前記凹部には補強部材が配置されていることを特徴とする電池。

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