JP2017195165A

JP2017195165A - リチウム一次電池

Info

Publication number: JP2017195165A
Application number: JP2016086530A
Authority: JP
Inventors: 大塚　正雄; Masao Otsuka; 正雄大塚; 忠義高橋; Tadayoshi Takahashi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: JP6761961B2

Abstract

【課題】安全性に優れ、長期に亘って保存可能なリチウム一次電池を提供する。【解決手段】本発明のリチウム一次電池は、有底筒形の電池ケースの開口部が、封口板で封口されたリチウム一次電池であって、封口板は、レーザ溶接により、電池ケースの開口部に接合されており、電池ケース及び／又は封口板は、フェライト系ステンレス鋼板で構成されており、フェライト系ステンレス鋼板で構成された部位に、防爆用溝部が形成されており、フェライト系ステンレス鋼板の引張強度は、４２０〜５５０ＭＰａの範囲に設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、防爆弁を備えたリチウム一次電池に関する。

リチウム一次電池は、電池ケース内に、正極と負極とがセパレータを介して配置された発電要素を収容し、電池ケースの開口部を封口板で封口した構造をなしている。リチウム一次電池は、二酸化マンガンや酸化銅などを正極活物質とし、リチウムやリチウム合金を負極活物質としており、電圧が高く、かつ、寿命が長いという特性を生かして、多くの用途に使用されている。しかしながら、近年、より長期に亘って保存可能なリチウム一次電池が要望されている。

従来、電池ケースの素材として、安価なニッケルメッキ鋼板が多く用いられていたが、耐腐食性に優れ、かつ、延性に富み、深絞り等の加工性の良いオーステナイト系ステンレス鋼を用いることによって、リチウム一次電池の長寿命化が図られている。

また、従来、電池ケースの開口部は、封口板をガスケットを介してかしめ加工することによって封口していたが、封口板をレーザ溶接により電池ケースの開口部に接合することによって、密閉性をより高めて、電池内部に水分が侵入するのを防止し、これによりリチウム一次電池の長寿命化が図られている（例えば、特許文献１）。

特開２００７−４２５４４号公報

リチウム一次電池は、過放電などが原因で、電池内にガスが発生し、これにより、電池内の圧力が異常に上昇する場合がある。そのため、電池内の圧力上昇によって、電池ケースが破損するのを防止するために、電池ケースの底部等に、電池内の圧力が上昇したときに破断する溝部（防爆弁）を設けている。

しかしながら、電池ケースの素材に、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合、電池ケースに防爆用溝部を形成しても、作動圧が高く、電池内の圧力が上昇しても、溝部が破断しないという問題があった。特に、電池ケースの開口部が、封口板でレーザ溶接により封口されている場合、密閉性が高いため、安全性を確保するために、適正範囲の作動圧で破断する防爆用溝部を備えたリチウム一次電池が要求されている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、安全性に優れ、長期に亘って保存可能なリチウム一次電池を提供することにある。

本発明に係るリチウム一次電池は、有底筒形の電池ケースの開口部が、封口板で封口されたリチウム一次電池であって、封口板は、レーザ溶接により、電池ケースの開口部に接合されており、電池ケース及び／又は前記封口板は、フェライト系ステンレス鋼板で構成されており、フェライト系ステンレス鋼板で構成された部位に、防爆用溝部が形成されており、フェライト系ステンレス鋼板の引張強度は、４２０〜５５０ＭＰａの範囲に設定されていることを特徴とする。

ある好適な実施形態において、フェライト系ステンレス鋼板の防爆用溝部が形成された部位の厚みは、３０〜８０μｍの範囲にある。

ある好適な実施形態において、電池ケースの底部又は側部の何れかが、フェライト系ステンレス鋼板で構成されている。

本発明によれば、安全性に優れ、長期に亘って保存可能なリチウム一次電池を提供することができる。

本発明の一実施形態におけるリチウム一次電池の構成を模式的に示した断面図である。防爆用溝部の構成を示した図で、（ａ）は、電池ケースの底部近傍を拡大した部分断面図で、（ｂ）は、電池ケース底部から見た底面図である。図１に示したリチウム一次電池において、電池ケースの素材に、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合の防爆用溝部の破断作動圧を測定した結果を示したグラフである。図１に示したリチウム一次電池において、電池ケースの素材に、フェライト系ステンレス鋼を用いた場合の防爆用溝部の破断作動圧を測定した結果を示したグラフである。（ａ）、（ｂ）は、防爆用溝部の構成を示した部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態におけるリチウム一次電池の構成を模式的に示した断面図である。

図１に示すように、本実施形態におけるリチウム一次電池は、有底円筒形の電池ケース９内に、負極１及び正極２がセパレータ３を介して捲回された極板群４が、非水電解液（不図示）とともに収容されている。ここで、負極１は、リチウム金属箔、またはリチウム合金箔からなる。正極２は、ステンレス等の芯材に、正極活物質を含む正極合剤が塗布されている。正極活物質は、例えば、二酸化マンガンや酸化銅などを用いることができる。非水電解液は、リチウム一次電池に用いられる電解液であれば、特に限定されない。

電池ケース９の開口部は、封口板１０で封口されている。また、封口板１０の中央開口部には、ガスケット１２を介して、正極端子１１がかしめ固定されている。正極端子１１には、正極２の芯材に接続された正極リード５が接続され、電池ケース９の底部９ａには、負極１に接続された負極リード６が接続されている。ここで、電池ケース９の底部９ａは、負極端子を兼ねている。また、極板群４の上部と下部には、内部短絡防止のためにそれぞれ上部絶縁板７及び下部絶縁板８が配置されている。

本実施形態において、封口板１０の外周縁は、レーザ溶接により、電池ケース９の開口端部に接合されている。また、電池ケース９の底部９ａには、防爆用溝部１３が形成されている。

図２は、本実施形態における防爆用溝部１３の構成を示した図で、図２（ａ）は、電池ケース９の底部９ａ近傍を拡大した部分断面図で、図２（ｂ）は、電池ケース９の底部９ａから見た底面図である。防爆用溝部１３は、電池ケース９の底部９ａに、底部９ａの中心と同心円となる円形に形成されている。防爆用溝部１３は、例えば、電池ケース９の底部９をプレス加工（刻印）によって形成することができる。

図３は、図１に示したリチウム一次電池において、電池ケース９の素材に、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合に、電池ケース９の底部９ａに形成した防爆用溝部１３の破断作動圧を測定した結果を示したグラフである。グラフの横軸は、電池ケース９の防爆用溝部１３が形成された部位における残厚を示し、縦軸は、防爆用溝部１３が破壊されたときの電池内の圧力（作動圧）を示す。なお、比較のために、電池ケース９の素材に、鉄鋼を用いたときの破断作動圧も併せ測定した。図３のグラフ中、一次関数として近似した直線Ａが、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合の測定結果を示し、同じく、一次関数として近似した直線Ｂが、鉄鋼を用いたときの測定結果を示す。また、電池ケース９の底部９ａの厚みは、０．３ｍｍで、防爆用溝部１３は、電池ケース９の底部９ａに円形に形成した。

図３に示すように、電池ケース９の素材に、鉄鋼を用いた場合には、作動圧は、防爆用溝部１３の残厚が約４０〜１００μｍの範囲で、約２〜６ＭＰａの範囲に入っていた。この範囲は、リチウム一次電池の安全性を確保する上で、適正な範囲になっている。すなわち、作動圧が２ＭＰａより低くなると、電池内の圧力の異常上昇とは別の要因、例えば、外部から電池ケース９に衝撃が加わったときに、防爆用溝部１３が破断するおそれがあるので好ましくない。また、作動圧が６ＭＰａを超えると、電池ケース９、ガスケット１２、若しくはレーザ溶接部が先に破断してしまう恐れがあるので好ましくない。

これに対して、電池ケース９の素材に、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合、鉄鋼を用いた場合に比べて、同じ残厚に対して、作動圧が３倍以上高くなっていた。また、作動圧を、安全性の確保に必要な適正範囲（約２〜６ＭＰａ）にするためには、防爆用溝部１３の残厚を約１０〜３０μｍの範囲まで薄くする必要がある。

しかしながら、防爆用溝部１３を、このように薄く、かつ、バラツキ範囲を少なくするために精度良く加工すると、生産性が落ちてコストがかかる。また、残厚の変化に対する作動圧の変化が大きい（直線Ａの傾きが大きい）ため、作動圧を適正範囲に設定するための残厚の設定範囲が狭くなるとともに、残厚の変動による作動圧のバラツキが大きくなるという問題がある。

このように、電池ケース９の素材に、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合、適正範囲の作動圧で破断する防爆用溝部を形成するのが困難なのは、オーステナイト系ステンレス鋼の引張強度が、鉄鋼に比べて大きいことに起因していると考えられる。

そこで、本願発明者等は、引張強度が、オーステナイト系ステンレス鋼よりも小さい、フェライト系ステンレス鋼板に着目し、電池ケース９の素材に、フェライト系ステンレス鋼板を用いることによって、防爆用溝部１３の作動圧を適正範囲に、かつ、安定して設定できると考え、本発明を想到するに至った。

図４は、図１に示したリチウム一次電池において、電池ケース９の素材に、フェライト系ステンレス鋼を用いた場合に、電池ケース９の底部９ａに形成した防爆用溝部１３の破断作動圧を測定した結果を示したグラフである。図４のグラフ中、一次関数として近似した直線Ｃ１、及びＣ２が、フェライト系ステンレス鋼を用いた場合の測定結果を示し。ここで、電池ケース９の底部９ａの厚みは、直線Ｃ１が０．３ｍｍで、Ｃ２が０．２ｍｍとしている。また、比較のため、図３に示した、電池ケース９の素材に、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合の測定結果（直線Ａ）も示している。なお、防爆用溝部１３は、電池ケース９の底部９ａに円形に形成した。

図４に示すように、電池ケース９の素材に、フェライト系ステンレス鋼を用いた場合には、作動圧は、電池ケース９の底部９ａの厚みによって多少の差はあるものの、防爆用溝部１３の残厚が約３０〜８０μｍの範囲で、約２〜６ＭＰａの範囲に入っていた。これは、図３で示した、電池ケース９の素材に鉄鋼を用いた場合（直線Ｂ）と、ほぼ同等レベルである。

ここで、フェライト系ステンレス鋼は、フェライト相から成るステンレス鋼で、ＪＩＳ鋼種は、Ｃｒ量が１１〜３２％、Ｃ含有量が０．１２％以下のもので、代表的な鋼種としては、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３６、ＳＵＳ４４４などが挙げられる。

表１は、図１に示したリチウム一次電池において、電池ケース９の素材に、引張強度が異なるフェライト系ステンレス鋼のサンプルＡ〜Ｅを用いた場合に、電池ケース９の底部９ａに形成した防爆用溝部１３の破断作動圧を測定した結果を示した表である。また、比較のため、電池ケース９の素材に、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合の測定結果（サンプルＦ〜Ｈ）も示している。ここで、防爆用溝部１３は、電池ケース９の底部９ａに円形に形成し、電池ケース９の底部９ａの厚みは０．２ｍｍ、防爆用溝部１３の残厚は、全て５０μｍとした。

表１に示すように、フェライト系ステンレス鋼の引張強度が、４２０〜５５０ＭＰａの範囲にあれば、作動圧は、２．５〜５．８ＭＰａの適正範囲に入ることが分かる。これに対して、引張強度が６００〜７５０ＭＰａのオーステナイト系ステンレス鋼の場合には、作動圧は、６．４ＭＰａ以上となり、適正範囲に入らないことが分かる。

ここで、引張強度の異なるフェライト系ステンレス鋼は、例えば、構成元素の組成比率や、加工時の熱処理条件等を変えることで得られる。また、引張強度は、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して測定された値である。

以上、説明したように、本実施形態によれば、電池ケース９の開口部が、封口板１０でレーザ溶接により封口され、電池ケース９の底部９ａに防爆用溝部１３が形成されたリチウム一次電池において、電池ケース９を、引張強度が４２０〜５５０ＭＰａの範囲にあるフェライト系ステンレス鋼板で構成することによって、防爆用溝部１３の作動圧を適正範囲に設定することができる。これにより、安全性に優れ、長期に亘って保存可能なリチウム一次電池を提供することができる。

また、電池ケース９の防爆用溝部１３が形成された部位の厚みを、３０〜８０μｍの範囲にすることによって、安定した作動圧を設定することができる。

また、本実施形態において、防爆用溝部１３は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、湾曲面Ｐを有するが、この湾曲面Ｐの曲率半径は、０．０１〜０．１ｍｍの範囲にあることが好ましい。湾曲面Ｐの曲率半径が０．１ｍｍより大きいと、局所部分Ａ（残厚が薄い部分）が横に広がり、内圧がかかったとき、局所部分Ａの全体が伸びて切断しにくくなるため好ましくない。なお、湾曲面Ｐの曲率半径が０．０１ｍｍより小さいと、防爆用溝部１３を刻印により形成する際、局所部分Ａに亀裂が入りやすくなり好ましくない。湾曲面Ｐの曲率半径を、０．０１〜０．１ｍｍの範囲にすることによって、防爆用溝部１３に圧力がかかった場合、局所部分Ａで変形が生じて、低く、かつ、バラツキが少ない圧力で作動することができる。

また、本実施形態では、電池ケース９を構成するフェライト系ステンレス鋼は、磁性の有するため、電池の組み立て工程において、磁石を用いて搬送等のハンドリングができる。そのため、電池の組み立て工程が容易になり、コスト低減を図ることができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。

例えば、上記実施形態では、電池ケース９をフェライト系ステンレス鋼板で構成したが、封口板１０をフェライト系ステンレス鋼板で構成してもよい。この場合、防爆用溝部１３は、封口板１０に形成される。また、電池ケース９の一部を、フェライト系ステンレス鋼板で構成してもよい。例えば、電池ケース９の底部９ａ又は側部の何れかを、フェライト系ステンレス鋼板で構成してもよい。この場合、フェライト系ステンレス鋼板で構成された部位に、防爆用溝部１３が形成される。また、防爆用溝部１３が形成されない部位は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成してもよい。

また、上記実施形態では、防爆用溝部１３を、電池ケース９の底部９ａの中心と同心円となる円形に形成したが、中心角が１８０〜３６０°の範囲に、円弧状に形成してもよい。

また、上記実施形態では、円筒形の電池ケース９を用いたが、これに限定されず、有底筒状の電池ケース９であればよく、例えば、角形筒状のものでもよい。

また、本発明において、リチウム一次電池を構成する部材（極板群、セパレータ、電解液等）の材料、形状等は特に限定されない。

１負極
２正極
３セパレータ
４極板群
５正極リード
６負極リード
７上部絶縁板
８下部絶縁板
９電池ケース
９ａ底部
１０封口板
１１正極端子
１２ガスケット
１３防爆用溝部

Claims

有底筒形の電池ケースの開口部が、封口板で封口されたリチウム一次電池であって、
前記封口板は、レーザ溶接により、前記電池ケースの開口部に接合されており、
前記電池ケース及び／又は前記封口板は、フェライト系ステンレス鋼板で構成されており、
前記フェライト系ステンレス鋼板で構成された部位に、防爆用溝部が形成されており、
前記フェライト系ステンレス鋼板の引張強度は、４２０〜５５０ＭＰａの範囲に設定されている、リチウム一次電池。
前記フェライト系ステンレス鋼板の前記防爆用溝部が形成された部位の厚みは、３０〜８０μｍの範囲にある、請求項１に記載のリチウム一次電池。
前記電池ケースの底部又は側部の何れかが、フェライト系ステンレス鋼板で構成されている、請求項１または２に記載のリチウム一次電池。