JP2017142976A - 円筒形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池缶の開口に封口体をガスケットを介して嵌着する際のかしめ強度を高い精度で調整しなくても、漏液とガスケットの破断の双方を確実に防止できる円筒形電池を提供する。【解決手段】下方を底部とした有底円筒状の電池缶の開口が内方にかしめられて、当該開口に略円盤状の封口体が樹脂製のガスケット６ａを介して嵌着されている円筒形電池であって、前記ガスケットは、底部６１中央に開口６２を有するとともに、底部の周縁６８に上方に立設する側壁部６３が一体形成された円形カップ状で、当該側壁部が前記封口体の縁端と前記電池缶の内面との間に介在し、前記ガスケットの底部には、前記開口の周縁６２ｏを基端８１として前記底部の周縁方向に延長する切込部８０が形成されている。【選択図】 図５

Description

本発明は有底円筒状の電池缶の開口が内方にかしめられて、当該開口に略円盤状の封口体がガスケットを介して嵌着されている円筒形電池に関する。

本発明が対象とする円筒形電池の従来例としてボビン形（以下、インサイドアウト型とも言う）リチウム一次電池を挙げる。図１は従来例に係る円筒形電池の構造を示しており、この図では、円筒軸１００の延長方向を上下（縦）方向としたときの円筒形電池１の縦断面を示している。例示した円筒形電池１は、有底円筒状の電池缶２、二酸化マンガン等の正極活物質を黒鉛等の導電助剤とともに中空円筒状に成形してなる正極合剤３、円筒状の金属リチウムやリチウム合金からなる負極リチウム４、円筒カップ状のセパレーター５、ガスケット６、封口体７などによって構成されている。

電池缶２は、金属製で、電池ケースと正極集電体を兼ねており、その外底面には凸状の正極端子部２１がプレス加工により形成されている。また開口部近傍の周囲には絞り加工によるビーディング部２２が形成されている。円筒形電池１は、この電池缶２内に正極合剤３、セパレーター５、および負極リチウム４が電解液とともに収納されているとともに、電池缶２の開口端側に略円盤状の封口体７がガスケット６を介して嵌着されたものである。封口体７は、負極端子板７１と封口板７２とから構成されており、負極端子板７１は金属製で、電池缶２の開口を上方とすると、上方を底とした皿状で、皿の縁にはフランジが形成されている。封口板７２は、金属製の円板で負極端子板７１の下方に積層されている。そしてポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイトなど樹脂の一体成形品からなるガスケット６が封口板７２と負極端子板７１の周縁と電池缶２における開口側の内面との間に介在している。

この図１に示した円筒形電池１の組み立て手順としては、まず、電池缶２内に中空円筒状の正極合剤３を圧入するともに、その正極合剤３の内側に上方が開口する有底円筒状に成形されたセパレーター５を配置し、そのセパレーター５の内側に負極リチウム４を挿入する。負極リチウム４は、板状の金属リチウムやリチウム合金を円筒状に丸めたものであって、その円筒状の負極リチウムの４の内面には金属薄板で形成された負極集電体４０があらかじめ取り付けられている。負極集電体４０は、例えば、負極リチウム４の内面に取り付けられる平板状の領域４１の上端側に帯状に上方に延長する負極リード４１が一体的に形成されたものである。

次に電池缶２の内方に環状に突出するビーディング部２２を座として、ガスケット６を電池缶２の開口端側に装着する。すなわちガスケット６の底部６１の下面周縁をビーディング部２２の上面に当接させた状態で当該ガスケット６を電池缶２内に挿入する。ガスケット６は、底部６１の中央に開口６２を有し、この開口６２に上述した負極リード４２を挿通させるとともに、当該負極リード４２の先端４３側を封口板７２の下面に溶接する。そして電解液を注入した後、封口体７をカップ状のガスケット６内に圧入しつつ、当該ガスケット６の底部６１の上面に封口体７を載置する。なお負極端子板７１と封口板７２は、ともに周縁が上方に開口するＵ字型に屈曲されており、封口体７として積層されている状態では互いの周縁部分が係合するように形成されている。そして電池缶２のビーディング部２２より上方の領域を縮径しつつ開口端を内方にかしめるカール絞り加工を行い、ガスケット６を封口体７の周縁と電池缶２の内面とによって圧縮させた状態で狭持させる。それによって電池缶２の開口が密封される。

なお円筒形電池が図１に示したインサイドアウト型リチウム一次電池である場合、組立後に周知の予備放電を実施することから、当該インサイドアウト型リチウム一次電池用のガスケットは、正極と負極を絶縁しつつ電池缶開口を密封するという機能に加え、予備放電時に発生するガスを電池缶内の各所に分散させる機能も備えている。図２にインサイドアウト型リチウム一次電池用のガスケット６の構造を示した。ここでは電池缶１０内に組み込まれる前の初期状態にあるガスケット６を示しており、図２（Ａ）は当該ガスケット６の縦断面図であり、図２（Ｂ）はガスケット６を上方から見た時の平面図である。図２（Ａ）に示したように、初期状態にあるガスケット６の形状は上方に開口する円形カップ状で、円形の底部６１の周縁に上方に立設しながら周回する側壁部６３が一体的に形成されている。また上述したように、底部６１の中央には当該底部６１の上面６１ｕと下面６２ｄを連絡して負極リードが挿通される開口６２が形成されている。さらに図２（Ｂ）に示したように、底部６１には負極リードが挿通される開口６２とは別に、上下方向に貫通する小径の孔６４が形成されており、この孔６４が上記の予備放電時のガスを分散させる機能（以下、ガス分散機能）を担っている。

図１および図３を参照しながらこの孔（以下、通気孔６４とも言う）によるガス分散機能について説明すると、通気孔６４は、ガスケット６が円筒形電池１に組み込まれた状態で正極合剤３の上端面３１と対面する領域（図１、符号６５）に形成されており、リチウム一次電池の製造工程における予備放電に際して正極側に発生するガスがこの通気口を介して電池缶２内の各所に分散される。具体的には、セパレーター５の上端５１がガスケット６の底部６１の下面に当接する場合、通気孔がないと、予備充電時に正極側に発生したガスが正極合剤３の上端面３１とガスケット６の底部６１との間の狭小な空間２３に充満することになる。そこでガスケット６の底部６１において正極合剤３の上端面３１に対面する領域６５に通気孔を設けることで、正極合剤３の上端面３１側の空間２３に充満したガスを、封口板７２の下面とガスケット６の底部６１との間の空間２４、およびその空間２４とガスケット６の底部中央の開口６２を介して連絡している円筒状の負極リチウム４の内方の空間２５にも分散させ、電池缶２内において局所的に内圧が上昇するのを防止している。もちろん通気孔は、予備放電時に限らず、ハイレート放電時における発電反応に伴って発生するガスについても電池缶２内の各所に分散させることもできる。電池缶が破裂するような大量のガスが発生した際には、封口板７２がその内圧によって上方に膨らむことで負極端子板７１に形成された切り刃７３の先端がその封口板７２に当接して封口板７２を破断する。それによって電池缶内のガスが大気中に放出される。

なおインサイドアウト型のリチウム一次電池の構造などについては以下の特許文献１に記載されている。また以下の非特許文献１には実際に製品として販売されているインサイドアウト型リチウム一次電池の仕様などが記載されている。

特開２００１−２７３９１１号公報

ＦＤＫ株式会社、"高容量円筒形リチウム一次電池"、[online]、[平成２８年１月１９日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/battery/lithium/lithium_cylindrical.html＞

インサイドアウト型のリチウム一次電池などでは、ガスケットの底部中央にリードタブを挿通させるための開口が形成されており、そのガスケットが電池缶の開口端側に形成されたビーディング部を座にして電池缶内に装着されている。そして電池缶の開口端がかしめられることで封口体がガスケットを介して電池缶を封口している。なおこのような電池缶の封口方式はクランプ封口方式などとも呼ばれている。図３にクランプ封口方式による円筒形電池の封口構造をより詳しく示した。当該図３は図１における円１０１内を拡大した図であり、封口体７が電池缶２に嵌着されている状態を示している。図３に示したように、ガスケット６の側壁部６３は、封口体７の周縁領域７４と電池缶１０の内面２６との間に挟持されている。また電池缶２の開口端２６側は内方に向けて屈曲しており、ガスケット６における側壁部６３の縁端６６側もその電池缶２の開口端２６側の屈曲形状に沿って屈曲している。

ところでクランプ封口方式よって封口された円筒形電池では、電池缶開口をガスケットを介して封口体で封止する際の条件を高い精度で調整する必要がある。とくに封口に際して電池缶開口をかしめるときの強度が重要となる。かしめ強度が弱ければ、電池缶の内面とガスケットの側壁部６３の外面との密着度が低下して漏液などの問題が発生し、強すぎればガスケットにおいて封口体と電池缶内面とによって狭持される側壁部６３の一部が破断してしまう。例えば図３にて破線の楕円で示した２カ所の領域６７では、ガスケット６の側壁部６３が、封口体７の周縁領域７４において最も鋭利な負極端子板７１や封口板７２の先端部分（７５、７６）と電池缶２の内面２６との間に狭持されるため、この領域６７でガスケット６が破断する場合が多い。そしてガスケット６の側壁部６３の一部が破断すれば、封口板７と電池缶内面２６とが接触して短絡する。製品として出荷する前の検査で短絡が発覚すれば不良品として処分することもできるが、破断の度合いが軽度である場合には、出荷前の検査では良品であっても、出荷後の振動などによって破断箇所が広がって短絡が顕在化し、深刻な品質問題に発展することも懸念される。

そこで本発明は、電池缶の開口に封口体をガスケットを介して嵌着する際のかしめ強度を高い精度で調整しなくても、漏液とガスケットの破断の双方を確実に防止できる円筒形電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、下方を底部とした有底円筒状の電池缶の開口が内方にかしめられて、当該開口に略円盤状の封口体が樹脂製のガスケットを介して嵌着されている円筒形電池であって、
前記ガスケットは、底部中央に開口を有するとともに、底部の周縁に上方に立設する側壁部が一体形成された円形カップ状で、当該側壁部が前記封口体の縁端と前記電池缶の内面との間に介在し、
前記ガスケットの底部には、前記開口の周縁を基端として前記底部の周縁方向に延長する切込部が形成されている、
ことを特徴とする円筒形電池としている。

前記切込部は、前記ガスケットの底部中央に対して放射状となるように複数箇所に形成されていてもよい。好適には前記切込部が等角度間隔で３箇所以上に形成されている円筒形電池とすることである。さらに上記円筒形電池が、前記電池缶内に、二酸化マンガンを正極活物質としてリング状に形成された正極合剤と、当該正極合剤の内側に、リチウム金属またはリチウム合金を負極活物質とした負極がセパレーターを介して配置されてなる場合では、前記切込部の先端が前記正極合剤の上端面に対面する領域まで延長して形成されていることを特徴とする円筒形電池とすればより好ましい。

本発明に係る円筒形電池によれば、漏液とガスケットの破断の双方を確実に防止できる。それによって信頼性の高い円筒形電池を提供することができる。また歩留まりの向上によってより安価に提供することもできる。なおその他の効果については以下の記載で明らかにする。

従来の円筒形電池の一例であるボビン形（インサイドアウト型）リチウム電池の構造を示す図である。 上記従来の円筒形電池に採用されているガスケットの構造を示す図である。 上記従来の円筒形電池における封口構造を示す拡大図である。 上記従来の円筒形電池におけるガスケットの破断メカニズムを説明するための図である。 本発明の実施例に係る円筒形電池を構成するガスケットを示す図である。 上記実施例に係る円筒形電池におけるガスケットの破断防止作用を説明するための図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。ある図面において符号を付した部分について、不要であれば他の図面ではその部分に符号を付さない場合もある。

＝＝＝本発明に想到する過程＝＝＝
上述したように、クリンプ封口方式による封口構造を備えた従来の円筒形電池では、電池缶の開口をかしめて密封する際、そのかしめ強度が大き過ぎるとガスケットの主に側壁部の所定の位置が破断する。そのため従来の円筒形電池では、封口時のかしめ強度を、漏液が発生せず、かつガスケットが破断しないように調整することが必要であった。そこで本発明者は、漏液に関してはガスケットが破断しなければ、かしめ強度を大きくすればよいことから、従前より大きなかしめ強度で封口しても破断しないようなガスケットの構造が存在すれば、封口時のかしめ強度を厳密に制御する必要がなく、製造コストも削減できると考えた。そして破断しにくいガスケットの構造について検討する過程で、従来の円筒形電池においてガスケットが破断するメカニズムについての知見を得た。本発明はそのメカニズムについての知見に基づいて鋭意研究を重ねた結果なされたものである。

以下では、まず本発明者が本発明に想到する過程で知見した従来の円筒形電池１におけるガスケット６の破断メカニズムについて説明し、その上で、本発明の本実施例に係る円筒形電池のガスケットの構造と、その構造によるガスケットの破断防止作用について説明する。

＝＝＝ガスケットの破断メカニズム＝＝＝
図４に従来の円筒形電池１におけるガスケットの破断メカニズムを説明するための図を示した。なお図４は図１における円１０１内を拡大した図に対応している。図４に示したように、封口時に電池缶２の開口端が内方にカール加工されるのに伴って、ガスケット６の側壁部６３には縁端６６方向に引き延ばされるように応力（図中、実線白抜き矢印Ｆ１）が加わる。そのため側壁部６２の基端６８に連続する底部６１には、放射外方向に引き延ばされるように応力（図中、太線矢印Ｆ２）が加わる。すなわち円盤状の底部６１を拡径させて底部６１の表面積を増加させようとする応力Ｆ２が加わる。しかし底部６１は自身の形状を維持しようとするため、その応力Ｆ２が吸収されず、電池缶２の開口をかしめていく過程で側壁部６３が図中破線白抜き矢印Ｄ１で示したように、基端６８が固定された状態で縁端６６に向かって引き延ばされることになる。そして封口時のかしめ強度が強すぎれば、ガスケット６の側壁部６３において、負極端子板７１や封口板７２の先端（７５、７６）と電池缶２の内面２６とに狭持されて最も圧力が大きくなる領域６７で破断が生じる。したがって電池缶２の開口を封口する際にガスケット６の底部６１に掛かる拡径方向の応力Ｆ２を何らかの方法で吸収させることができれば、ガスケット６の破断を防止することができると考えられる。

＝＝＝実施例＝＝＝
本発明の実施例に係る円筒形電池の基本的な構造や構成は、図１に示したボビン形リチウム電池と同様である。しかし本実施例に係るボビン形リチウム電池では、上述した従来の円筒形電池におけるガスケットの破断メカニズムを前提として、電池缶の封口時に底部に掛かる拡径方向の応力を吸収させる構造を有するガスケットを備えている。図５に本発明の実施例に係る円筒形電池が備えるガスケット６ａを示した。ここでは電池缶内に組み込まれる前のガスケット６ａを上方から見たときの平面図を示した。図５に示したようにガスケット６ａの構造が図２に示した従来のものとは異なっており、ガスケット６ａには、円盤状の底部６１の中央に形成された開口６２の周縁６２ｏを基端８１として底部６１の外周、すなわち側壁部６３の基端６８に向かって延長する切込部８０が形成されている。この例における切込部８０は、基端８１となる開口６２の周縁６２ｏを底辺とするとともに先端８２を頂点とした鋭角三角形状で、円盤状の底部６１の中心ｏに対して等角度間隔で８カ所に形成されている。

図６に本実施例のガスケット６ａによる電池缶封口時の破断防止作用を説明するための図を示した。なおこの図６も図１における円１０１内を拡大した図に対応している。本実施例のガスケット６ａでは、電池缶２の封口時に側壁部６３の縁端６６側に掛かる応力Ｆ１に伴って底部６１に拡径方向の応力Ｆ２が加わると、切込部（図５、符号８０）の幅（図５、符号ｗ）が広がる。すなわち切込部８０の面積が広がり、底部６１の表面積が実質的に大きくなる。それによって底部６１に掛かる拡径方向の応力Ｆ２が吸収される。すなわち側壁部６３は、電池缶２の開口をかしめていく過程で発生する縁端６６側に向かう応力Ｆ１によって底部６１の周縁側が側壁部６３の基端６８から縁端６６側へ繰り出され（図中、破線白抜き矢印Ｄ２）、その結果としてガスケット６ａの破断が防止される。また切込部８０が等角度間隔で複数箇所に形成されていることで、円盤状の底部６１に掛かる拡径方向の応力Ｆ２が底部６１に均一に分散され、強大なかしめ強度にも耐えてより確実に破断を防止できるようになっている。なおこの例では、切込部６７の先端６８が図１に示したインサイドアウト型リチウム電池１における正極合剤３の上端面３１に対面する領域６５まで延長しており、この切込部６７が通気孔としても機能するようになっている。

＝＝＝ガスケットの破断防止性能＝＝＝
従来の円筒形電池では、電池缶の開口をかしめて封口する際、そのかしめ強度はガスケットが破断しない上限値を厳密に調整する必要があった。言い換えれば、ガスケットが破断しない限り、かしめ強度が大きいほど漏液を確実に防止することができる。そこで本実施例の円筒形電池におけるガスケットの破断防止性能を確認するために、まず、封口時におけるカシメ強度を変えて従来の円筒形電池を作製した。ここでは上記非特許文献１に「ＣＲ２／３ ８Ｌ」として記載されているリチウム一次電池を封口時のカシメ強度のみを変えて製造し、ガスケットが破断し易い条件（以下、ガスケット破断条件）を求めた。その上で図５に示した底部６１に切込部８０が形成されたガスケット６ａを用いて上記ガスケット破断条件で電池缶の開口を封口して本実施例の円筒形電池を作製し、その本実施例の円筒形電池におけるガスケットの破断の有無を確認した。

具体的には上記「ＣＲ２／３ ８Ｌ」と同じ構成や構造を採用しつつ、封口時のカシメ強度を変えた円筒形電池（以下、比較例とも言う）を１０個一組として、各組毎に封口時のカシメ強度を変えて従来例に係る円筒形電池を作製した。なお全ての組でかしめ強度を上記「ＣＲ２／３ ８Ｌ」よりも大きくした。また作製後の比較例に係る円筒形電池を分解してガスケットの破断状態を目視によって調べ、各組の１０個の個体の内破断が生じている個体数を数えた。そして一組中の１０個の個体の内８個の個体において破断が確認された組におけるカシメ強度をガスケット破断条件とした。

次に実施例に係る円筒形電池として、図５に示した切込部８０が形成されたガスケット６ａを用いつつ他の構成や構造が上記「ＣＲ２／３ ８Ｌ」と同じ１０個の実施例に係る円筒形電池を上記ガスケット破断条件によって作製した。そして１０個の実施例に係る円筒形電池に対してガスケットの破断状態を調べたところ破断が発生した個体が一つもなかった。したがって本発明の実施例に係る円筒形電池では、封口時に漏液が発生しない強度で電池缶開口をかしめさえすれば、かしめ強度の上限については厳密に制御しなくても確実にガスケットの破断を防止でき、漏液はもちろん、出荷後の短絡の発生も確実に防止することができる。すなわち本実施例の円筒形電池では、製造コストが削減でき、歩留まりも向上し、結果として信頼性の高い円筒形電池をより安価に提供することが可能となる。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
切込部の形状は三角形状に限らず、例えば、基端から先端まで同じ幅のスリット状など、適宜な形状とすることができる。また切込部の先端位置については、必ずしもガスケット圧縮部近傍にまで延長させる必要はない。なお封口時に円盤状のガスケットの底部に掛かる拡径方向の応力をより均一に分散させるためには、切込部を等角度間隔で３カ所以上に放射状に形成することが望ましいが、基端が拡幅する切込部が一つ以上形成されていれば、上記拡径方向の応力を逃がすことができ、少なくとも従来のガスケットでは破断してしまう強度よりも高い強度でかしめても破断が生じることがないことは容易に予想される。もちろん本発明は、リチウム一次電池に限らず、発電方式の種別、あるいは一次電池と二次電池の種別を問わず、クリンプ方式の封口構造を備えるとともに底部中央に開口を有するガスケットを備えたあらゆる円筒形電池に適用可能である。

１ 円筒形電池（ボビン形（インサイドアウト型）リチウム電池）、２ 電池缶、
３ 正極合剤、４ 負極リチウム、５ セパレーター、６,６ａ ガスケット、
７ 封口体、２１ 正極端子部、２２ ビーディング部、２６ 電池缶の内面、
３１ 正極合剤の上端面、４１ 負極集電体、４２ 負極リード、
６１ ガスケット底部、６２ ガスケットの底部開口、６３ ガスケットの側壁部、
６４ ガスケットの通気孔、６６ ガスケット壁部の縁端、
６８ ガスケット壁部の基端、７１ 負極端子板、７２ 封口板、８０ 切込部、
８１ 切込部の基端、８２ 切込部の先端

Claims (4)

1. 下方を底部とした有底円筒状の電池缶の開口が内方にかしめられて、当該開口に略円盤状の封口体が樹脂製のガスケットを介して嵌着されている円筒形電池であって、
   前記ガスケットは、底部中央に開口を有するとともに、底部の周縁に上方に立設する側壁部が一体形成された円形カップ状で、当該側壁部が前記封口体の縁端と前記電池缶の内面との間に介在し、
   前記ガスケットの底部には、前記開口の周縁を基端として前記底部の周縁方向に延長する切込部が形成されている、
   ことを特徴とする円筒形電池。
2. 請求項１において、前記切込部は、前記ガスケットの底部中央に対して放射状となるように複数箇所に形成されていることを特徴とする円筒形電池。
3. 請求項２において、前記切込部は、等角度間隔で３箇所以上に形成されていることを特徴とする円筒形電池。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記電池缶内に、二酸化マンガンを正極活物質としてリング状に形成された正極合剤と、当該正極合剤の内側に、リチウム金属またはリチウム合金を負極活物質とした負極がセパレーターを介して配置されてなり、
   前記切込部の先端は前記正極合剤の上端面に対面する領域まで延長して形成されている、
   ことを特徴とする円筒形電池。

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