JP2020145088A - 封口体 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接を利用しない耐環境性に優れた封口体の提供。【解決手段】電池用の封口体１であって、（１）底部１２とかしめ部１１とを有する第１キャップ２と、（２）前記第１キャップの底部上に位置する保護素子３と、（３）前記保護素子上に位置する第２キャップ４とを有し、前記保護素子および前記第２キャップは、前記第１キャップのかしめ部により固定されており、前記第１キャップは、前記底部の内側面の前記保護素子との接触領域に凸部６を有することを特徴とする封口体。【選択図】図１
Description
本開示は、封口体に関する。
リチウムイオン電池等の二次電池は、異常発熱または過電流から保護するために保護素子として、ＰＣＴ素子、ディスクプロテクターなどが用いられている。
上記保護素子は、通常、封口体に組み入れて用いられている。かかる封口体は、一般的に、第１キャップ、ガスケット、保護素子および第２キャップを重ね、これらをかしめにより固定することにより製造される（特許文献１）。
特許文献１の封口体のように、かしめを利用した機械的接触では、例えば耐熱衝撃などの耐環境性が十分とはいえず、封口体部品同士の接触部において抵抗が増加するという問題がある。かかる問題に対して、部品同士を溶接する方法があるが、接合する部品が互いに異なる金属から製造されている場合には溶接が容易ではないという技術的問題があり、また、溶接装置の導入、上記問題を解決するために大きな費用が必要なるという問題もある。
従って、本発明は、溶接を利用しない耐環境性に優れた封口体を提供することを目的とする。
本開示は、特に限定されないが、以下の態様を含む。
［１］ 電池用の封口体であって、
（１）底部とかしめ部とを有する第１キャップと、
（２）前記第１キャップの底部上に位置する保護素子と、
（３）前記保護素子上に位置する第２キャップと
を有し、前記保護素子および前記第２キャップは、前記第１キャップのかしめ部により固定されており、
前記第１キャップは、前記底部の内側面の前記保護素子との接触領域に凸部を有する
ことを特徴とする封口体。
［２］ 前記第１キャップの凸部は、複数存在する、上記［１］に記載の封口体。
［３］ 前記第１キャップの底部は、平面視において円環状であり、前記凸部が、前記底部の中心に対して均等に配置されている、上記［１］または［２］に記載の封口体。
［４］ 前記第１キャップは、前記底部の外側面の前記凸部に対向する位置に凹部を有する、上記［１］〜［３］のいずれか１つに記載の封口体。
［５］ 前記第１キャップは、アルミニウム製である、上記［１］〜［４］のいずれか１つに記載の封口体。
［６］ 前記凸部の高さは、５〜２００μｍである、上記［１］〜［５］のいずれか１つに記載の封口体。
［７］ 前記保護素子は、ＰＴＣ素子である、上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の封口体。
［８］ 前記ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ層状要素と、ＰＴＣ層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層とを有し、該ＰＴＣ層状要素は、ポリエチレンを主成分とするポリマー組成物から構成されている、請求項７に記載の封口体。
［９］ 前記ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ層状要素と、ＰＴＣ層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層とを有し、該ＰＴＣ層状要素は、ポリフッ化ビニリデンを主成分とするポリマー組成物から構成されている、上記［７］に記載の封口体。
［１０］ 前記保護素子は、ディスクプロテクターである、上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の封口体。
［１１］ 前記保護素子は、
絶縁性樹脂またはＰＴＣ組成物により形成され、少なくとも１つの貫通開口部を有する層状要素と、
上記層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層と、
上記貫通開口部の少なくとも１つを規定する側面上に位置し、導電性金属薄層を電気的に接続するヒューズ層と
を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の封口体。
［１２］ 前記層状要素は絶縁性樹脂により形成され、該絶縁性樹脂はポリエチレンである、上記［１１］に記載の封口体。
［１３］ 前記層状要素は絶縁性樹脂により形成され、該絶縁性樹脂はポリフッ化ビニリデンである、上記［１１］に記載の封口体。
［１４］ 円筒型電池用である、上記［１］〜［１３］のいずれか１つに記載の封口体。
［１５］ リチウムイオン二次電池用である、上記［１］〜［１４］のいずれか１つに記載の封口体。
［１６］ 上記［１］〜［１５］のいずれか１つに記載の封口体を有する、密閉型電池。
［１７］ 円筒型電池である、上記［１６］に記載の密閉型電池。
［１８］ リチウムイオン二次電池である、上記［１６］または［１７］に記載の密閉型電池。
［１９］ （１）底部とかしめ部とを有する第１キャップと、（２）前記第１キャップの底部上に位置する保護素子と、（３）前記保護素子上に位置する第２キャップとを有し、前記第１キャップのかしめ部により、前記保護素子および前記第２キャップが固定されており、前記第１キャップは、前記底部の内側面に凸部を有する封口体の製造方法であって、
前記第１キャップの底部上に前記保護素子を配置し、さらに該保護素子上に前記第２キャップを配置すること、
前記第１キャップのかしめ部をかしめることにより、前記保護素子および前記第２キャップを固定すること、次いで
前記第１キャップの底部の外側面に凹部を形成することにより、底部の内側面の凹部に対向する位置に前記凸部を形成すること
を含む製造方法。
［１］ 電池用の封口体であって、
（１）底部とかしめ部とを有する第１キャップと、
（２）前記第１キャップの底部上に位置する保護素子と、
（３）前記保護素子上に位置する第２キャップと
を有し、前記保護素子および前記第２キャップは、前記第１キャップのかしめ部により固定されており、
前記第１キャップは、前記底部の内側面の前記保護素子との接触領域に凸部を有する
ことを特徴とする封口体。
［２］ 前記第１キャップの凸部は、複数存在する、上記［１］に記載の封口体。
［３］ 前記第１キャップの底部は、平面視において円環状であり、前記凸部が、前記底部の中心に対して均等に配置されている、上記［１］または［２］に記載の封口体。
［４］ 前記第１キャップは、前記底部の外側面の前記凸部に対向する位置に凹部を有する、上記［１］〜［３］のいずれか１つに記載の封口体。
［５］ 前記第１キャップは、アルミニウム製である、上記［１］〜［４］のいずれか１つに記載の封口体。
［６］ 前記凸部の高さは、５〜２００μｍである、上記［１］〜［５］のいずれか１つに記載の封口体。
［７］ 前記保護素子は、ＰＴＣ素子である、上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の封口体。
［８］ 前記ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ層状要素と、ＰＴＣ層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層とを有し、該ＰＴＣ層状要素は、ポリエチレンを主成分とするポリマー組成物から構成されている、請求項７に記載の封口体。
［９］ 前記ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ層状要素と、ＰＴＣ層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層とを有し、該ＰＴＣ層状要素は、ポリフッ化ビニリデンを主成分とするポリマー組成物から構成されている、上記［７］に記載の封口体。
［１０］ 前記保護素子は、ディスクプロテクターである、上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の封口体。
［１１］ 前記保護素子は、
絶縁性樹脂またはＰＴＣ組成物により形成され、少なくとも１つの貫通開口部を有する層状要素と、
上記層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層と、
上記貫通開口部の少なくとも１つを規定する側面上に位置し、導電性金属薄層を電気的に接続するヒューズ層と
を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の封口体。
［１２］ 前記層状要素は絶縁性樹脂により形成され、該絶縁性樹脂はポリエチレンである、上記［１１］に記載の封口体。
［１３］ 前記層状要素は絶縁性樹脂により形成され、該絶縁性樹脂はポリフッ化ビニリデンである、上記［１１］に記載の封口体。
［１４］ 円筒型電池用である、上記［１］〜［１３］のいずれか１つに記載の封口体。
［１５］ リチウムイオン二次電池用である、上記［１］〜［１４］のいずれか１つに記載の封口体。
［１６］ 上記［１］〜［１５］のいずれか１つに記載の封口体を有する、密閉型電池。
［１７］ 円筒型電池である、上記［１６］に記載の密閉型電池。
［１８］ リチウムイオン二次電池である、上記［１６］または［１７］に記載の密閉型電池。
［１９］ （１）底部とかしめ部とを有する第１キャップと、（２）前記第１キャップの底部上に位置する保護素子と、（３）前記保護素子上に位置する第２キャップとを有し、前記第１キャップのかしめ部により、前記保護素子および前記第２キャップが固定されており、前記第１キャップは、前記底部の内側面に凸部を有する封口体の製造方法であって、
前記第１キャップの底部上に前記保護素子を配置し、さらに該保護素子上に前記第２キャップを配置すること、
前記第１キャップのかしめ部をかしめることにより、前記保護素子および前記第２キャップを固定すること、次いで
前記第１キャップの底部の外側面に凹部を形成することにより、底部の内側面の凹部に対向する位置に前記凸部を形成すること
を含む製造方法。
本発明の封口体は、第１キャップと保護素子の接触部分に凸部を有することにより、高い耐環境性を有する。
以下に、図面を参照して、本発明の封口体を詳細に説明する。但し、本発明の封口体は、図示する態様に限定されないことに留意されたい。
本発明の封口体の１つの態様を、図１にその厚み方向に沿った断面図にて、図２に上側（図１の図面上側）から見た平面図にて、図３に底面図にて、模式的に示す。
図示した封口体１は、円筒型電池用の封口体であり、第１キャップ２上に、保護素子３および第２キャップ４を、この順に積層された状態で有しており、さらにこれらの周囲および第２キャップ４のフランジ部（外縁部）１０上に位置する絶縁性ガスケット５を有している。これらは、第１キャップ２の縁部に位置するかしめ部１１により固定されている。封口体１には、電解液および／または活物質等の異常反応により電池内部でガスが発生した場合に作動する防爆弁１３が設けられている。さらに、封口体１には、防爆弁が作動した際に、ガスを電池外部に排出するためのガス抜き口８が設けられている。封口体１において、電流は、第１キャップ２−保護素子３−第２キャップ４の順（またはその逆）に流れる。
図示した態様では、第１キャップ２は、円環状の底部１２、その内側に位置する防爆弁１３、および底部１２の外縁から上方に延伸するかしめ部１１を有する。第１キャップ２は、底部１２の内側面の上記保護素子３との接触領域に凸部６を有し、底部１２の外側面における凸部６に対向する位置に凹部７を有する。ここに、底部１２の内側面とは、底部１２の主面のうち図１における上側の面（すなわち、保護素子３側の面）をいい、底部１２の外側面とは、底部１２の主面のうち図１における下側の面をいう。
上記第１キャップ２は、導電性金属から形成される。該導電性金属は、特に限定されないが、例えば封口体がリチウムイオン電池用である場合、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金、より好ましくはアルミニウムである。第１キャップ２をアルミニウム製とすることにより、第１キャップ２と保護素子３の間の抵抗をより小さくすることができる。本開示は理論に拘束されないが、第１キャップをアルミニウム製とすることによる抵抗値の低減効果は以下の理由によると考えられる。第１キャップ２と保護素子３の間の抵抗は、第１キャップの表面の酸化皮膜に影響を受け、酸化皮膜が存在すると抵抗は高くなる。第１キャップ２がアルミニウム製である場合、第１キャップ２の表面に形成される酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）は、保護素子３との接触により、特に凸部６に圧がかかることにより、破壊され、金属アルミニウム表面が露出する。これにより、第１キャップ２と保護素子３の間の抵抗をより小さく維持することができると考えられる。
上記第１キャップ２を構成する金属板の厚みｔ１は、好ましくは０．１〜１．０ｍｍ、より好ましくは２００〜６００μｍ、さらに好ましくは３００〜５００μｍであり得る。かかる金属板の厚みを１．０ｍｍ以下にすることにより、第１キャップを低背化することができ、即ち封口体を低背化することができ、電解質を収容する電池の本体部分をより大きくすることが可能になる。また、凸部６の形成において、第１キャップの底部１２の一部分を外側面から押すことにより凸部を形成することが容易になる。即ち、凹部の形成と同時に凸部を形成することが容易になる。金属板の厚みをより小さくすることにより、上記の効果はより顕著になる。一方、金属板の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、第１キャップの強度を担保することができる。金属板の厚みをより大きくすることにより、上記の効果はより顕著になる。
上記第１キャップの高さ（底部１２の外側面からの高さｔ２）は、好ましくは１．０〜５．０ｍｍ、より好ましくは１．５〜３．０ｍｍ、さらに好ましくは１．５〜２．５ｍｍ、特に好ましくは１．５〜２．０ｍｍであり得る。
上記防爆弁１３は、円環状の上記底部１２の内側空間を封じるように設けられる。
上記防爆弁１３の厚みは、防爆弁として機能できる厚みであれば特に限定されない。当業者であれば、所望の圧力（一般的には、１０〜１５ｋｇｆ）が負荷された場合に防爆弁が作動する（破裂する）ように、封口体の構成、特に保護素子の内径に応じて、上記防爆弁の厚みを適宜決定することができる。
図示した態様では、上記凸部６は、第１キャップ２の底部１２の内側面に、円環の中心に対して対象に６つ設けられている。本開示の封口体において、第１キャップの底部の内側面に凸部を設けることにより、かしめ圧による保護素子の特性の変化を抑制しつつ、第１キャップと保護素子間の抵抗を小さくすることができる。より詳細には、第１キャップと保護素子間の抵抗を小さくするには、一般的にかしめ圧を大きくすることが考えられるが、かしめ圧を大きくすると保護素子およびガスケットが変形し、封口体の信頼性が低下する虞がある。しかしながら、本開示の封口体においては、第１キャップの底部の内側面に凸部を設けることにより、かしめ圧を凸部に集中させることができるので、かしめ圧を過度に大きくすることなく、第１キャップと保護素子間の電気的接触をより確実にし、抵抗を小さくすることが可能になる。また、凸部を設けることにより、各部品の寸法のばらつきを吸収することが可能なり、封口体の電気的特性が安定し、信頼性が向上する。
本態様では、凸部６は６つ設けられているが、本開示の封口体はこれに限定されない。即ち、本開示の封口体は、１つ以上の凸部を有していればよい。
好ましい態様において、凸部の数は、２以上、好ましくは３以上、より好ましくは４以上、さらに好ましくは６以上であり得る。また、凸部の数は、好ましくは２０以下、より好ましくは１０以下であり得る。凸部の数を２以上とすることにより、保護素子３との電気的接続をより確実にすることができ、また、抵抗を小さくすることができる。凸部の数を増やすことにより、抵抗はより小さくなる。一方、凸部の数を２０以下とすることにより、製造がより容易になる。
上記凸部６の高さは、好ましくは５〜２００μｍ、より好ましくは１０〜１５０μｍ、さらに好ましくは２０〜１００μｍであり得る。凸部の高さを５μｍ以上にすることにより、第１キャップと保護素子間の電気的接続をより確実にすることができる。凸部の高さをより大きくすることにより、上記の効果はより顕著になる。一方、凸部の高さを２００μｍ以下にすることにより、封口体の高さを抑制することができる。
上記凸部６の形状は、特に限定されないが、例えば、その平面形状（即ち、第１キャップ２の底面と同一平面に現れる形状）は、多角形、例えば矩形、台形、三角形等、円形、楕円形、あるいはこれらを組み合わせた形状であってもよく、その断面形状は、多角形、例えば四角形、円形、楕円形、あるいはこれらを組み合わせた形状であってもよい。好ましくは、凸部の平面形状は、円形である。なお、凸部は、第１キャップの底面を貫通する穴を有しない。
上記凸部６が円形である場合、その直径は、好ましくは０．５〜２．０ｍｍ、より好ましくは０．８〜１．８ｍｍであり得る。
図示した態様において、上記凸部６は、かしめ部よりも円環内側に存在するが、好ましくは少なくとも一部が、より好ましくは５０％以上が、さらに好ましくは全体がかしめ部の真下に位置することが好ましい。凸部をかかる位置に配置することにより、かしめによる圧が、より凸部に伝わり、より良好な接続が可能になる。
上記凹部７は、第１キャップ２の底部１２の外側面の上記凸部６に対向する位置に、６つ設けられている。即ち、凹部７は、第１キャップ２の底部１２の外側面に、円環の中心に対して対象に６つ設けられている。
好ましい態様において、凹部７の数は、上記凸部６の数と同じであり、２以上、好ましくは３以上、より好ましくは４以上、さらに好ましくは６以上であり得る。また、凹部の数は、好ましくは２０以下、より好ましくは１０以下であり得る。
上記凹部７の高さは、好ましくは１０〜３００μｍ、より好ましくは２０〜２００μｍ、さらに好ましくは５０〜１６０μｍであり得る。
上記凹部７の形状は、特に限定されないが、例えば、その平面形状（即ち、第１キャップ２の底面と同一平面に現れる形状）は、多角形、例えば矩形、台形、三角形等、円形、楕円形、あるいはこれらを組み合わせた形状であってもよく、その断面形状は、多角形、例えば四角形、円形、楕円形、あるいはこれらを組み合わせた形状であってもよい。好ましくは、凸部の平面形状は、円形である。
上記凹部７が円形である場合、その直径は、好ましくは０．１〜１．５ｍｍ、より好ましくは０．５〜１．０ｍｍであり得る。
尚、凹部７は、本開示の封口体において必須の構成ではなく、存在しなくてもよい。
上記保護素子３は、第１キャップ２と第２キャップ４の間に配置され、これらを電気的に接続する。また、保護素子３は、異常発熱または過電流が生じた場合に動作して、そこを流れる電流を遮断し、保護すべき対象、例えば二次電池を保護する。
上記保護素子３としては、上記の機能を発揮できるものであれば特に限定されないが、例えばＰＴＣ素子、ディスクプロテクター（例えば、国際公開第２０１４／０３４８３３号参照）などが挙げられる。
本開示の封口体における保護素子の形状は、封口体の形状に合わせて適宜設定することができる。例えば、図示した態様においては、保護素子３は円環状である。
上記保護素子３は、上記凸部６と接する箇所に窪みを有していてもよい。かかる窪みは、凸部６よりも小さな形状であり得る。
一の態様において、保護素子３は、ＰＴＣ層状要素と、ＰＴＣ層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層とを有するＰＴＣ素子であり得る。保護素子３は、好ましくは、ポリマーＰＴＣ素子であり得る。
上記ＰＴＣ層状要素を構成するＰＴＣ組成物は、ＰＴＣ特性を示す組成物であって、例えば、ポリマー材料中に導電性フィラーが分散された組成物である。ＰＴＣ層状要素は、ＰＴＣ組成物を層状に形成したもの、例えば押出成形したものであり得る。
上記導電性フィラーとしては、カーボンブラック、グラファイト（または黒鉛）、他の炭素質材料、金属、導電性金属酸化物、導電性セラミック、導電性ポリマー、およびそれらの組合せが挙げられる。導電性フィラーは、通常、粉末状態である。
上記ポリマー材料としては、高密度ポリエチレン、（メタ）アクリル系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。
一の態様において、上記ポリマー材料は、ポリフッ化ビニリデンであり得る。ポリマー材料としてポリフッ化ビニリデンを用いることにより、高温環境下での使用においても、ＰＴＣ層状要素の熱変形を抑制することができ、電気的特性が安定する。
上記ＰＴＣ層状要素は、その両側の主表面上に配置された導電性金属薄層を有する。この導電性金属薄層は、導電性を有する金属の薄い層（例えば、厚みが０．１〜１００μｍ程度）であれば特に限定されるものではなく、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、金等の金属によって構成でき、複数の金属薄層により形成されていてもよい。
上記導電性金属薄層が各主表面上に位置するＰＴＣ層状要素は、それを構成するＰＴＣ組成物を、金属薄層を構成する金属シート（または金属箔）と一緒に同時押し出し、金属シート（または金属箔）の間にＰＴＣ組成物が挟まれた状態の押出物を得ることによって、製造することができる。別の態様では、ＰＴＣ組成物の層状物を例えば押出によって得、この層状物を金属シート（または金属箔）の間に挟み、これらを一体に熱圧着して圧着物を得ることによって、製造することもできる。このような押出物（または圧着物）は、導電性金属薄層を両側の主表面に有する、ＰＴＣ層状要素が多数隣接して集合した状態であり、押出物（または圧着物）を所定の形状および寸法に切り出して、単一の、導電性薄層を有するＰＴＣ層状要素を得ることができる。
上記ＰＴＣ素子の導電性金属薄層は、めっきを施されていてもよい。該めっきとしては、例えばＮｉ、Ｓｎのめっきが挙げられる。
上記ＰＴＣ素子の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．１〜０．７ｍｍ、好ましくは０．２〜０．６ｍｍである。ＰＴＣ素子の厚みを０．７ｍｍ以下とすることにより、封口体の低背化がより容易になる。また、ＰＴＣ素子の厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、押出成形での製造が容易になる。
別の態様において、保護素子３は、ディスクプロテクターであり得る。
上記ディスクプロテクターは、好ましくは、
絶縁性樹脂またはＰＴＣ組成物により形成され、少なくとも１つの貫通開口部を有する層状要素、
上記層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層、および
上記貫通開口部の少なくとも１つを規定する側面上に位置し、導電性金属薄層を電気的に接続するヒューズ層を有する。
絶縁性樹脂またはＰＴＣ組成物により形成され、少なくとも１つの貫通開口部を有する層状要素、
上記層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層、および
上記貫通開口部の少なくとも１つを規定する側面上に位置し、導電性金属薄層を電気的に接続するヒューズ層を有する。
上記ディスクプロテクターは、絶縁性樹脂またはＰＴＣ組成物により形成された層状要素を有して成り、この層状要素は、少なくとも１つの貫通開口部を有する。この開口部は、層状要素の厚み方向に沿って延びて層状要素を貫通しており、その厚み方向に垂直な方向の断面形状は特に限定されるものではないが、例えば円形であるのが好ましい。この場合、貫通開口部は円柱状の空間部である。しかしながら、他の形状、例えば正方形、菱形、長方形、楕円形であってもよい。貫通開口部の数は、少なくとも１つである。即ち、１つまたは２つ以上であり、例えば２つ、３つ、４つ、５つであってよいが、保護素子としてのディスクプロテクターに要求される保護の程度に応じて、適宜選択できる。１つの貫通開口部を有する場合、貫通開口部は層状要素の中心部、より詳しくは、厚み方向に垂直な方向の断面形状の中心部に位置するのが好ましい。
一の態様において、上記ディスクプロテクターの層状要素は、１つの貫通開口部を有する。別の態様において、上記ディスクプロテクターの層状要素は、複数の貫通開口部を有する。この場合、層状要素を通過する電流が可及的に均等に各貫通開口部のヒューズ層を流れるように貫通開口部を配置するのが好ましい。例えば、中心貫通開口部を有する円環状の層状要素の周状部分（即ち、内側周と外側周とによって規定される層状要素の本体部分）に、同じ断面形状およびサイズを有する貫通開口部（「周辺貫通開口部」とも呼ぶ）を複数設ける。この場合、円環を規定する内側周の円の中心に関して等角度で貫通開口部を設けるのが好ましい。例えば、１８０°毎に２つ、１２０°毎に３つ、９０°毎に４つ、６０°毎に６つ貫通開口部を設ける。
上記層状要素を構成する絶縁性樹脂は、電気的に絶縁性を有する樹脂であれば特に限定されるものではない。例えば、上記絶縁性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、フッ素系樹脂等の樹脂が挙げられる。特にポリエチレンまたはポリフッ化ビニリデンのような樹脂を使用するのが好ましい。
上記層状要素を構成するＰＴＣ組成物は、上記ＰＴＣ層状要素に関して記載したＰＴＣ組成物と同様のものが用いられる。
上記層状要素は、その各主表面上に、即ち、その両側の主表面上に配置された導電性金属薄層を有して成る。この金属薄層は、導電性を有する金属の薄い層（例えば、厚みが０．１μｍ〜１００μｍ程度の層）であれば特に限定されるものではなく、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、金等の金属によって構成できる。
上記ディスクプロテクターは、貫通開口部の少なくとも１つを規定する側面上に位置するヒューズ層を有する。このヒューズ層は、層状要素の両側主表面に位置する導電性金属薄層を電気的に接続すると共に、一方の主表面上の導電性金属薄層から他方の主表面上の導電性金属薄層に向かって過電流が流れようとする場合に、過電流が集中的にヒューズ層を流れる結果、それが溶融して回路を開くことによって、そのような電流の流れを遮断する機能（いわゆるヒューズとしての機能）を有する。そのようヒューズ層は、少なくとも１つの貫通開口部を規定する側面上に形成されている。より詳しくは、両側の導電性金属薄層を電気的に接続できる限り、そのような側面の少なくとも一部分にヒューズ層が形成されていてもよいが、そのような側面の全体にわたって形成されているのが好ましい。形成方法は特に限定されるものではないが、導電性金属をメッキ（例えば電解メッキまたは無電解メッキ）することによって形成するのが特に好ましい。ヒューズ層の厚みは、メッキ条件によってコントロールできるが、例えば０．００１〜０．０２ｍｍであるのが好ましい。
上記ヒューズ層を構成する金属としては、導電性であれば特に限定されるものではなく、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ−Ａｕ合金、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ−Ｇｅ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｓｕ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｆｅ合金、Ｚｎ−Ｎｉ合金、Ｚｎ−Ｆｅ合金、Ｚｎ−Ｃｏ合金、Ｚｎ−Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｐｄ−Ｎｉ合金およびＳｎ−Ｂｉ合金が挙げられる。
好ましい態様において、上記ヒューズ層は、少なくとも１つの高融点金属により形成される高融点金属層および少なくとも１つの低融点金属により形成される低融点金属層が積層されている。
上記高融点金属としては、特に限定するものではないが、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ−Ａｕ合金、Ｎｉ−Ｐ合金およびＮｉ−Ｂ合金が挙げられ、特にＮｉが好ましい。
上記の高融点金属を用いる場合、上記低融点金属としては、特に限定するものではないが、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ−Ｇｅ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｓｕ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金およびＳｎ−Ｂｉ合金が挙げられ、特にＳｎ、Ｓｎ−Ｃｕ合金またはＳｎ−Ｂｉ合金が好ましい。
上記ディスクプロテクターの厚みは、特に限定されないが、例えば、０．１〜０．７ｍｍ、好ましくは０．２〜０．６ｍｍである。ディスクプロテクターの厚みを０．７ｍｍ以下とすることにより、封口体の低背化がより容易になる。また、ディスクプロテクターの厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、押出成形での製造が容易になる。
上記第２キャップ４は、上記保護素子３の上に配置され、保護素子３と電気的に接続されている。下記するように、第２キャップ４は、第１キャップ２とは電気的に絶縁されている。
上記第２キャップ４は、ガス抜き口８を有する。当該ガス抜き口８は、電解液および／または活物質等の異常反応により、電池内部でガスが生じ、電池内圧が上昇して防爆弁１３が作動した際に、ガスを排出するために設けられる。ガス抜き口８の配置、数は特に限定されない。
上記第２キャップは、導電性金属から形成される。該導電性金属は、特に限定されないが、例えば封口体がリチウムイオン電池用である場合、ニッケルメッキ鋼であることが好ましい。
本開示の封口体において、絶縁性ガスケット５は、電解液に対し耐性があり、絶縁性であれば、一般的に用いられるガスケットを用いることができる。例えば、該絶縁性ガスケットの材料としては、絶縁性樹脂、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等が挙げられる。
上記絶縁性ガスケット５は、第１キャップ２と、保護素子３（詳細には、図示した態様では、保護素子３の第２キャップ４側の主表面上の電極）および第２キャップ４との間の絶縁を確保する。この第１キャップと保護素子および第２キャップとの間を絶縁することにより、第１キャップから第２キャップに直接電流が流れる、換言すれば、保護素子を介さずに電流が流れることを防止することができる。このような構成とすることにより、保護素子が作動して、第１キャップから保護素子を介して第２キャップへ流れる電流を遮断することによって、封口体を流れる電流を遮断することが可能になる。
上記絶縁性ガスケット５の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．０５〜０．８ｍｍ、好ましくは０．１〜０．６ｍｍ、より好ましくは０．２〜０．５ｍｍである。
図示した態様では、第１キャップ２の内側に、保護素子３および第２キャップ４を重ね、保護素子３および第２キャップ４の周囲ならびに第２キャップ４のフランジ部１０上に、絶縁性ガスケット５を設置する。保護素子３、第２キャップ４および絶縁性ガスケット５は、図示したように設置した後、第１キャップ２のかしめ部１１により固定される。
図示した封口体１は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、かしめ部１１が伸びた状態である皿形の第１キャップ２を準備する。この第１キャップの壁面の内側に絶縁性ガスケット５を設置する。この際、第１キャップの底面部には絶縁性ガスケット５を設けない。次いで、第１キャップの内部に、保護素子３、第２キャップ４を順に重ねる。最後に、第１キャップ２のかしめ部１１を内側に折り曲げ、保護素子３、第２キャップ４および絶縁性ガスケット５をかしめ付けて固定する。
まず、かしめ部１１が伸びた状態である皿形の第１キャップ２を準備する。この第１キャップの壁面の内側に絶縁性ガスケット５を設置する。この際、第１キャップの底面部には絶縁性ガスケット５を設けない。次いで、第１キャップの内部に、保護素子３、第２キャップ４を順に重ねる。最後に、第１キャップ２のかしめ部１１を内側に折り曲げ、保護素子３、第２キャップ４および絶縁性ガスケット５をかしめ付けて固定する。
次に、第１キャップ２の外側面に凹部７を形成する。凹部７は、第１キャップ２の底面側から打ち付ける、あるいは金型に嵌めることにより製造することができる。これにより、凹部７に対向する内側面に凸部６が同時に形成される。この際、凸部６が保護素子３の電極部分に強く押しつけられることにより、表面の酸化皮膜が破壊され、第１キャップ２と保護素子３の間の良好な電気的接続が達成される。
別法として、保護素子３および第２キャップ４を配置する前に、予め第１キャップ２に凸部６を形成していてもよい。この場合、保護素子３および第２キャップ４を配置し、かしめ付けて固定する際の圧が凸部６に集中し、これにより表面の酸化皮膜が破壊され、第１キャップ２と保護素子３の間の良好な電気的接続が達成される。
本開示の封口体は、第１キャップ２と保護素子３が主に凸部６において接触することから、かしめ圧が凸部６に集中し、第１キャップ２と保護素子３の電気的接続が良好となり、電気的特性が向上し、また、環境耐性も向上する。
本開示の封口体は、密閉型電池、特に円筒型電池、具体的には円筒型リチウムイオン二次電池の封口体として好適に用いることができる。したがって、本発明は、本発明の封口体を有する密閉型電池、特に円筒型電池、具体的には円筒型リチウムイオン二次電池をも提供する。
以上、本開示の封口体の１つの実施形態について説明したが、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。
実施例１
図４および下記表に示す寸法を有する封口体を作製した。具体的には、第１キャップ（アルミニウム製）の内部側面に、ガスケット（ポリプロピレン製）を配置し、第１キャップの底部上にディスクプロテクター（厚さ：０．４ｍｍ；絶縁性樹脂：ポリエチレン；導電性金属薄層：ニッケル；ヒューズ層：ニッケル）および第２キャップ（ニッケルメッキ鋼）を配置し、第１キャップのかしめ部を内側に折り曲げ、保護素子と第２キャップをかしめにより固定した。保護素子と第２キャップを固定した後、封口体を金型に嵌めて、第１キャップの底部の外側面からプロジェクション加工を行い、凸部および凹部を形成した。凸部の直径は１．６ｍｍ、高さは０．０８０ｍｍであり、凹部の直径は、０．７５ｍｍ、深さは０．１６０ｍｍであった。また、保護素子の凸部との接触箇所の窪みは、直径１．１０ｍｍ、深さ０．０４０ｍｍであった。
図４および下記表に示す寸法を有する封口体を作製した。具体的には、第１キャップ（アルミニウム製）の内部側面に、ガスケット（ポリプロピレン製）を配置し、第１キャップの底部上にディスクプロテクター（厚さ：０．４ｍｍ；絶縁性樹脂：ポリエチレン；導電性金属薄層：ニッケル；ヒューズ層：ニッケル）および第２キャップ（ニッケルメッキ鋼）を配置し、第１キャップのかしめ部を内側に折り曲げ、保護素子と第２キャップをかしめにより固定した。保護素子と第２キャップを固定した後、封口体を金型に嵌めて、第１キャップの底部の外側面からプロジェクション加工を行い、凸部および凹部を形成した。凸部の直径は１．６ｍｍ、高さは０．０８０ｍｍであり、凹部の直径は、０．７５ｍｍ、深さは０．１６０ｍｍであった。また、保護素子の凸部との接触箇所の窪みは、直径１．１０ｍｍ、深さ０．０４０ｍｍであった。
実施例２
ディスクプロテクターの絶縁性樹脂として、ポリエチレンの代わりにポリフッ化ビニリデンを用いること以外は、実施例１と同様にして封口体を製造した。
ディスクプロテクターの絶縁性樹脂として、ポリエチレンの代わりにポリフッ化ビニリデンを用いること以外は、実施例１と同様にして封口体を製造した。
実施例３
ディスクプロテクターに代えて、ＰＴＣ素子（樹脂組成物：ポリエチレン）を用いること以外は、実施例１と同様にして封口体を製造した。
ディスクプロテクターに代えて、ＰＴＣ素子（樹脂組成物：ポリエチレン）を用いること以外は、実施例１と同様にして封口体を製造した。
比較例１
プロジェクション加工を行わないこと以外は、実施例１と同様にして、比較例１の封口体を作製した。比較例１の封口体は凸部を有しない。
プロジェクション加工を行わないこと以外は、実施例１と同様にして、比較例１の封口体を作製した。比較例１の封口体は凸部を有しない。
比較例２
プロジェクション加工を行わないこと以外は、実施例２と同様にして、比較例２の封口体を作製した。比較例２の封口体は凸部を有しない。
プロジェクション加工を行わないこと以外は、実施例２と同様にして、比較例２の封口体を作製した。比較例２の封口体は凸部を有しない。
比較例３
プロジェクション加工を行わないこと以外は、実施例３と同様にして、比較例３の封口体を作製した。比較例３の封口体は凸部を有しない。
プロジェクション加工を行わないこと以外は、実施例３と同様にして、比較例３の封口体を作製した。比較例３の封口体は凸部を有しない。
試験例
・温度衝撃試験
実施例１〜２および比較例１〜２の封口体各５個について、温度衝撃試験を行った。具体的には、下記１〜３のサイクルを繰り返した。
１．８５℃に加温、８５℃で３０分保持、５分で−４０℃に冷却、−４０℃で３０分保持、２５℃に加温の温度プロファイルで保存
２．１時間常温放置
３．常温で抵抗測定
・温度衝撃試験
実施例１〜２および比較例１〜２の封口体各５個について、温度衝撃試験を行った。具体的には、下記１〜３のサイクルを繰り返した。
１．８５℃に加温、８５℃で３０分保持、５分で−４０℃に冷却、−４０℃で３０分保持、２５℃に加温の温度プロファイルで保存
２．１時間常温放置
３．常温で抵抗測定
抵抗測定は、第１キャップ中心と第２キャップ中心の間の抵抗を、日置電気株式会社製のミリオームハイテスターＨＩＯＫＩ３２２７を用いて、４端子測定法で測定することにより行った。
結果を、実施例１〜２および比較例１〜２については２６４サイクル後の抵抗変化率を５個の試料の平均として、実施例３および比較例３については１０５サイクル後の抵抗変化率を１０個の試料の平均として、下記表に示す。
ＰＴＣ：ＰＴＣ素子
ＰＥ：ポリエチレン
ＰＶＤＦ
本開示の封口体は、種々の電池の封口体として用いることができる。
１…封口体
２…第１キャップ
３…保護素子
４…第２キャップ
５…絶縁性ガスケット
６…凸部
７…凹部
８…ガス抜き口
１０…フランジ部
１１…かしめ部
１２…底部
１３…防爆弁
２…第１キャップ
３…保護素子
４…第２キャップ
５…絶縁性ガスケット
６…凸部
７…凹部
８…ガス抜き口
１０…フランジ部
１１…かしめ部
１２…底部
１３…防爆弁
Claims (19)
- 電池用の封口体であって、
（１）底部とかしめ部とを有する第１キャップと、
（２）前記第１キャップの底部上に位置する保護素子と、
（３）前記保護素子上に位置する第２キャップと
を有し、前記保護素子および前記第２キャップは、前記第１キャップのかしめ部により固定されており、
前記第１キャップは、前記底部の内側面の前記保護素子との接触領域に凸部を有する
ことを特徴とする封口体。 - 前記第１キャップの凸部は、複数存在する、請求項１に記載の封口体。
- 前記第１キャップの底部は、平面視において円環状であり、前記凸部が、前記底部の中心に対して均等に配置されている、請求項１または２に記載の封口体。
- 前記第１キャップは、前記底部の外側面の前記凸部に対向する位置に凹部を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の封口体。
- 前記第１キャップは、アルミニウム製である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の封口体。
- 前記凸部の高さは、５〜２００μｍである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の封口体。
- 前記保護素子は、ＰＴＣ素子である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の封口体。
- 前記ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ層状要素と、ＰＴＣ層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層とを有し、該ＰＴＣ層状要素は、ポリエチレンを主成分とするポリマー組成物から構成されている、請求項７に記載の封口体。
- 前記ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ層状要素と、ＰＴＣ層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層とを有し、該ＰＴＣ層状要素は、ポリフッ化ビニリデンを主成分とするポリマー組成物から構成されている、請求項７に記載の封口体。
- 前記保護素子は、ディスクプロテクターである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の封口体。
- 前記保護素子は、
絶縁性樹脂またはＰＴＣ組成物により形成され、少なくとも１つの貫通開口部を有する層状要素と、
上記層状要素の各主表面上に位置する導電性金属薄層と、
上記貫通開口部の少なくとも１つを規定する側面上に位置し、導電性金属薄層を電気的に接続するヒューズ層と
を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の封口体。 - 前記層状要素は絶縁性樹脂により形成され、該絶縁性樹脂はポリエチレンである、請求項１１に記載の封口体。
- 前記層状要素は絶縁性樹脂により形成され、該絶縁性樹脂はポリフッ化ビニリデンである、請求項１１に記載の封口体。
- 円筒型電池用である、請求項１〜１３のいずれかに記載の封口体。
- リチウムイオン二次電池用である、請求項１〜１４のいずれかに記載の封口体。
- 請求項１〜１５のいずれかに記載の封口体を有する、密閉型電池。
- 円筒型電池である、請求項１６に記載の密閉型電池。
- リチウムイオン二次電池である、請求項１６または１７に記載の密閉型電池。
- （１）底部とかしめ部とを有する第１キャップと、（２）前記第１キャップの底部上に位置する保護素子と、（３）前記保護素子上に位置する第２キャップとを有し、前記第１キャップのかしめ部により、前記保護素子および前記第２キャップが固定されており、前記第１キャップは、前記底部の内側面に凸部を有する封口体の製造方法であって、
前記第１キャップの底部上に前記保護素子を配置し、さらに該保護素子上に前記第２キャップを配置すること、
前記第１キャップのかしめ部をかしめることにより、前記保護素子および前記第２キャップを固定すること、次いで
前記第１キャップの底部の外側面に凹部を形成することにより、底部の内側面の凹部に対向する位置に前記凸部を形成すること
を含む製造方法。
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