JP2752361B2 - 正極端子ピンと過塩素酸塩電解質を有する密閉された非水性電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は非水性電池に関するものであり、さらに詳し
くは、経時的自己放電を実質的に低下させまたは除去す
るこの種の電池の構造に関するものである。 〔従来技術と問題点〕 電池は、その容器が一方の電極端子として使用される
ように構成される事が多い。従って電池の短絡を防止す
るため、電池容器と他方の電極端子との間に絶縁体を配
置する必要がある。 さらに、電池は代表的には電解質の漏洩とこれに伴う
電解質の損失を防止するため密閉され、従って前記の電
池構造においては、絶縁体が電池容器と他方の端子の双
方に対して漏れ抵抗的に密着されなければならない。し
かし、このような密閉の結果、ある種の作動条件におい
ては電池の内圧が著しく増大する場合がある。リチウム
などの高反応性負極物質を使用する電池においては、火
などの外部熱源または放電中に発生する熱などの内部熱
源が負極を融解させ、激しく正極および／または電解質
と反応させ、その結果として電池の内圧を急激に増大さ
せる。アルカリ−亜鉛電池、炭素−亜鉛電池などの他の
電池においては、若干の使用条件において多量のガスが
発生される。故にこれらの電池のいずれかを永久的に密
閉すると、電池内部に発生した内圧が電池容器を漏ら
せ、膨張させ、または破裂させ、これに伴って財産およ
び／または人体の損傷を招く可能性がある。 従って、正常な作動条件においては密閉されている
が、電池内圧が実質的に増大した時に開く脱気口を電池
に具備する必要がある。その目的から、脱気機構を具備
する電池が製造されている。絶縁体が電池容器と電極端
子との間に配置された場合、この絶縁体は電池容器を電
極端子から絶縁すると共に、脱気機構として作用する事
ができる。さらに詳しくは、絶縁体は、脆い程度に十分
に薄いガラスまたはセラミックス材料で製造する事がで
きる。この場合、絶縁体は通常電池カバーの脱気用オリ
フィスの中に配置され固着されて脱気オリフィスを封止
し、電極端子が絶縁体の中心区域を貫通する。電池内部
の圧力が所定限度を超えた時、脆い部材が破断して、過
剰圧を放出する。 平型電池と呼ばれる型の電池においては、短い円筒形
容器がリチウムなどの負極活物質から成るウェーハ型負
極を内蔵し、前記の負極を二酸化マンガンなどの正極活
物質から成るウェーハ状正極の上に載置しまたこの正極
から分離される。容器については、通常ステンレス鋼な
どの鉄金属が使用される。これは、ステンレス鋼が一般
に耐食性であって、適当な容器形状に形成または加工が
容易であり、また導電性であるので容器そのものが電池
の一方の端子を成す事ができるからである。 負極上に配置されこれから分離された容器カバーが電
池容器に対して密着されている。正極が容器底部上に載
置され、これにより容器を電池の正極端子と成してい
る。これに対して、負極は容器から電気的に隔離されて
いる。 負極の電気接続を成すために、ディスク状の集電体プ
レートが負極上に配置され物理的に接触させられ（従っ
て電気的に接続され）、またこの集電体プレートと電池
カバーの間に集電体絶縁体が配置されて負極を容器から
電気的隔離状態に保持する。代表的にはステンレス鋼な
どの鉄材料から成る円筒形ピンが集電体プレートと電気
的に接続され、電池カバーのオリフィスを貫通して電池
の負極端子を成す。代表的にはガラスから成る環状シー
ルがピンと電池カバーとの間のオリフィスの中に配置さ
れて電池を密閉する。電池の内部圧が実質的に増大した
時、このシールが破断して、内部圧を解除する。 前記の電池構造の腐食の問題がガラスシールに関連し
て生じた。さらに詳しくは、アルカリ金属負極、特にリ
チウムの場合、貯蔵中に導電性腐食沈着物が負極端子ピ
ンからシールの下側面に沿ってシール内部に入り、正極
端子としての電池容器に向かって成長する事が発見され
た。この沈着物はガラスシールがブリッジされるまで成
長し、電池が短絡され、電池を自己放電させる。さらに
導電性腐食沈着物はその成長中にガラスシールを腐食
し、これが電池漏れの可能性を生じる。 導電性腐食沈着物の正確な物質と発生原因は不明であ
るが、これは複雑な反応によって生じるリチウム変性鉄
質化合物であると考えられ、この反応は少なくとも、電
池電位と、負極、正極物質と接触する電池構造部分およ
びガラスシールの材料組成との関数である。 リチウム電池の早期の機能減退を防止しその貯蔵寿命
を延長する努力は主としてシールの組成および／または
シールの有効な被覆に集中されていた。 例えば、サンディア リポート＃83−2314、1984,9
月、「液体リチウム中のガラス腐食」は、ある種のガラ
ス組成物が他のものより液体リチウム腐食耐性が優れて
いると記載している。米国特許第4,168,351号によれ
ば、電池内部に露出したガラス面全体を金属酸化物、ポ
リオレフィンまたはフルオロカーボン重合体によって被
覆する事によってシールの腐食が遅延される。米国特許
第4,233,372号によれば、電池環境に露出されたガラス
面上に不活性被覆を被着してガラスに対する化学腐食を
低下させる。また欧州特許第35,074号によれば、露出ガ
ラス面はシリコーン層によって防護される。米国特許第
4,308,323号によって提案されたガラス腐食問題の他の
解決法によれば、端子ピンに接合された１つのガラス組
成物と容器壁に接合された他のガラス組成物とから成る
段階的シールによって化学腐食に対するガラスの抵抗力
が改良される。 米国特許第4,609,598号に記載の他のガラス腐食問題
解決法においては、正極に電子的に接続した電池のすべ
ての金属成分がモリブデンなどの非鉄金属から成る。こ
の構造はガラスシール上の導電性腐食沈着物の沈着を低
減させ、従ってシール腐食を低下させる。 〔発明の概要〕 本発明は、シール上の導電性腐食沈着物の沈着による
電池の自己放電とシール腐食を大幅に低下させまたは防
止するのに役立つ。本発明の電池においては、負極活物
質と正極活物質とを含む導電性ハウジングが提供され
る。正極活物質がハウジングから電気的に絶縁され、負
極活物質がハウジングに対して電気的に接続されて、ハ
ウジングを電池の負極端子と成す。また本発明の電池
は、導電性ピン部材を有し、このピン部材は電池ハウジ
ングのオリフィスから突出した第１部分と、正極活物質
に電気的に接続されてピン部材を電池の正極端子と成す
第２部分とを有する。電気絶縁体がピン部材とカバーオ
リフィスの壁との間に配置され、またこの電池は、非水
性溶媒中に溶解された金属過塩素酸塩を含有する電解質
を含む。 〔実施例〕 以下、本発明を図面に示す実施例について詳細に説明
する。 第１図について述べれば、本発明を使用した円筒形電
池10の横断面図を示すが、本発明は他の幾何学的形状を
有する電池についても同様に適当である。この電池のハ
ウジングは、主として、ステンレス鋼などの導電性材料
から成る末端開放型電池容器12と、同じくステンレス鋼
などの導電性材料から成る電池カバー14とによって画成
される。カバー14は、容器12に対して、これらの両方の
素子をレーザ溶接するなどの方法で固着される。 負極26は一般に消耗性金属であり、アルカリ金属、ア
ルカリ土類金属、またはアルカリ金属あるいはアルカリ
土類金属の相互合金および他種金属との合金である（こ
の明細書において「合金」とは、混合物、リチウム−マ
グネシウムなどの固溶体、およびリチウム モノアルミ
ニドなどの金属間化合物を含む）。負極26の好ましい物
質はアルカリ金属、特にリチウム、ナトリウムおよびカ
リウム、アルカル土類金属、特にカルシウムおよびマグ
ネシウムである。負極26の物質として、リチウムが特に
好ましい。 図示の実施例において、負極26はリチウムの比較的薄
いウェーハ状を成し、その一方の平面が容器底壁16の内
側面に当接配置される。これは負極26を容器12に対して
電気的に接続し、容器12を電池の負電極とする。 また容器の中に正極組立体28が配置され、この組立体
は、正極30と集電体プレート32とを含む。正極30の正極
活物質は、二酸化マンガン、二硫化鉄、二硫化チタン、
三硫化アンチモン、二硫化モリブデン、三硫化モリブデ
ン、三セレン化ニオブ、酸化ビスマス、五酸化バナジウ
ム、または（C₂F）_ｎまたは（CFx）_ｎなどの多炭素フッ
化物（ここにｘは0.0乃至約1.2の範囲とする）、または
それらの混合物などの固定である。正極活物質が結合剤
および導体と混合されて正極30を形成する。 正極30はセパレータ40によって負極26から分離されて
いる。セパレータ40は、不導電性でなければならない
が、負極26と正極30の間にイオン伝導を可能とするよう
にイオン透過性でなければならない。従って、セパレー
タ40は、下記において詳述する組成を有する液状電解質
で含浸されたフェルト状ガラスファイバファブリックと
する事ができる。 ディスク状集電体プレート32は鉄金属または非鉄金属
から成り、正極30と電気的に接触するように配置されて
いる。本発明においては、集電体プレート32として、鉄
金属が非鉄金属より安価であるが故に好ましい。集電体
プレート32は正極30の正極面34と密接に接触配置され
る。好ましくは、正極面34と接触する集電体プレート32
の面は予め導電性炭素被覆で被覆される。 正極30と集電体プレート32は電池容器12と電池カバー
14から絶縁体42によって電気的に絶縁され、この絶縁体
42は、集電体プレート32とカバー14の間に配置されたデ
ィスク状絶縁部43と、この絶縁部43から垂下して集電体
プレート32、正極30およびセパレータ40並びに負極26の
外周の一部に外接する絶縁性スカート部44とから成る。
絶縁体42は、電池素子に対して相容性の材料、例えばポ
リプロピレンまたはTefzel^Rから成り、後者は米国デラ
ウェア州、ウィルミングトン、E.I.デュポンドヌムール
社から入手されるエチレンとテトラフルオロエチレンの
共重合体である。 電池カバー14は、第１図に図示のように、反転した円
形フランジ20によって画成されたオリフィス50を有す
る。このオリフィス中の挿入された導電性の円筒形ピン
部材22は、このオリフィス50から突出した第１部分51を
有する。集電体プレート32はピン部材22の第２部分36に
対して任意適当な機械的−電気的接続手段によって接続
され、これにより集電体プレート32とピン部材22とを電
子的に接続してピン部材22を電池の正極端子と成す。実
際にピン部材22は、これを集電体32のオリフィス33の中
にプレスばめして着脱自在に集電体プレート32に固着さ
せる事ができる。このような接続は、米国特願第886,62
0号に記載のように、異常な作動条件において電池中に
発生したガス圧の脱気を改良する。この特願は本発明の
譲り受け人に対して譲渡されたものである。この特願の
内容をここに引例として加える。集電体プレート32の場
合と同様に、低価格の故にピン部材22を非鉄金属でなく
鉄金属で製造する事が好ましい。 円形フランジ20とピン部材22との間のオリフィス50の
中に、環状シール部材24が配置されている。このシール
部材24はフランジ50およびピン部材22に対して接着され
（ガラスシールの場合には融着、またセラミックスシー
ルの場合にはロウ付け）、電池を封止し、ピン部材22を
その正当な位置に固着する。シール部材24は、ピン22と
カバー14を電気的に隔離する絶縁性材料から成り、また
好ましくは脆い程度に薄く製造される。このようにし
て、電池内部の圧が一定水準に達した時に前記材料が破
断して、電池内部の過剰圧を解除するため電池内部から
大気中への通路を形成しまたは通路形成に貢献する。シ
ール部材24は好ましくは、ホウケイ酸ガラスなどのガラ
スまたはアルミナなどのセラミックス材料から成る。 第１図に図示のように、正極30の正極面34の一部が凹
み38を画成している。ピン部材22の第２部分36は集電体
のオリフィス33を貫通し、この凹み38中に受けられてい
る。凹み38は、その底面39がピン部材22の第２部分36か
ら離間されて、ピン部材22の下端部分の周囲にスペース
を成す程度に大である。このスペースは、電池が組立ら
れている時にシール部材24が応力を受けないように保証
する。この点に関して述べれば、製造工程中にカバー14
がピン部材22およびシール部材24と共に予組立てされ、
そこで容器12に対してユニットとして取り付けられる。
このような組立工程中にピン部材22の第２部分36が正極
30に当接すれば、ピン部材22に対して軸方向応力を生じ
て、シール部材24を破損しまたは破壊する可能性があ
る。ピン部材22の周囲に凹み38によって与えられるスペ
ースが、このような接触の発生を防止する。 第１図に図示の電池10の内部構造の結果、ピン部材22
は電池10の正極端子となり、負極26はシール部材24から
離間配置されて容器12と電気的に接触する。腐食沈着物
が生じても、これはピン部材22とシール部材24との接合
点ではなく、シール部材24の下側面の外周部分において
開始される。さらに、ピン部材22が電池10の負極である
場合よりも、沈着物はシール部材24に沿って短絡を生じ
にくい形状で、内側に遅い速度で成長する。 またもしセパレータ40を含浸した液状電解質が非水性
液中に溶解された金属過塩素酸塩を含むならば、導電性
腐食沈着物の発生と成長はさらに劇的に減少するであろ
う。腐食反応の開始した時に、金属過塩素酸塩が、正極
物質と接触する鉄金属素子上に薄い不動態化層を形成
し、これが、それ以上の腐食を防止し、シール部材24の
下側面上のリチウム変性導電性腐食沈着物の成長を阻止
する。 本発明において使用するに適した金属過塩素酸塩は、
アルカリまたはアルカリ土類金属過塩素酸塩、例えば過
塩素酸リチウムとする事ができる。非水性液体溶媒は、
有機溶媒、例えば炭酸プロピレンとジメトキシエタンと
の同体積部混合物とする事ができる。金属過塩素酸塩が
主たる溶質である限り、電解質中に少量の他の溶質を含
有する事ができる。 不動態化層がクロム富化されている事が発見されたの
で、正極物質と電気的に接触する鉄金属素子が高クロム
含有量を有する事が好ましい。従って、第１図の実施態
様において、ピン部材22が400シリーズのステンレス
鋼、特に446ステンレス鋼で製造される事が好ましい。 第１図に図示の電池を製造するための、シール部材24
をカバー14のオリフィス50の中に配置し、このシール部
材24の中にピン部材22を配置する。つぎに、この組立体
を加熱し、ピン部材22のオリフィス50の外周をシール部
材24に対して密着する。つぎに、この組立体を逆転し、
ピン部材22の上に予成形絶縁体42を配置し、予被覆され
た面34を有する集電体プレート32をピン部材22上にまた
予成形絶縁体42上に配置し、集電体プレートのアパチュ
ア33の縁がピン部材22と接触するようにする。つぎに、
正極30上に予成形セパレータ40を配置し、同体積の炭酸
プロピレンとジメトキシエタンの中に金属過塩素酸塩を
溶解して成る電解質を前記セパレータ40上に分与する。
つぎに、負極26を超音波溶接または冷間溶接によって、
容器底壁16の内側面に対して固着し、負極組立体を形成
する。この負極組立体を逆転し、前記の正極組立体上に
配置して電池10を構成する。つぎに、電池10を回転させ
て正立させ、カバー14を容器12内に正確に着座させ、電
池10を溶接密閉する。 第２図は、相異なる電解質を使用して第１図に図示の
ように製造された４ロット（５電池毎ロット）の電池の
高温貯蔵中（85℃）の平均開路電圧を比較したグラフで
ある。第２図に図示の曲線、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、そ
れぞれ下記の電解質を有する電池ロットの性能を示す。 各電池は、その他の点では同様に形成され、リチウム
負極と、二酸化マンガン正極と、446ステンレス鋼から
成るピン部材22と、米国ペンシルバニア州 15650、ラ
トローブ、580 モナテステリ ドライブ、ガラス ビ
ーズ社から入手される364U型無色アルカリケイ酸ガラス
部材から成るシール部材24とを有する。 第２図から明らかなように、ロットＡは18週間の実質
的に一定の開路電圧を示し、電解質の溶質の組成のみ相
違するロットＣより遥かに優れた性能を示した。またロ
ットＡの性能はロットＢの性能より著しく優れていた
（ロットＢはロットＣと同一の溶質を含有するが、相異
なる溶媒を有する事を注意）。実際に、本発明はシール
部材の下側面の導電性腐食沈着物の成長率を低下させ、
20℃における30年の貯蔵寿命が予想される。 比較の目的から、第３図は、各電池の極性を第２図の
電池と逆にした事以外は第２図のテストと同一構造の４
ロットの電池の高温貯蔵（85℃）中の平均開路電圧を示
す。すなわちこの場合、各電池のピン部材22は負極に電
気的に接続され、容器12は正極に電気的に接続される。 第３図に図示のように、すべての電池の開路電圧は第
２図の対応のものに対して実質的に時間と共に低下して
いる。実際に、本発明による過塩素酸塩電解質を使用す
るロットＡの開路電圧は、混合電解質を有するロットＤ
より急速に低下した。すなわち第３図は、開示された金
属過塩素酸塩電解質と共に第１図の極性を必要とする事
を示している。 本発明は絶縁シールを有する任意の電池において導電
性腐食沈着物の成長を防止するために使用する事ができ
るが、特に高圧リチウム電池系において使用するために
有用であると思われる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による平型電池を部分破断して断面を示
す立面図、また第２図と第３図は各電池の時間に対する
開路電圧の変動を示すグラフである。 10……電池、12……電池容器、14……カバー、22……ピ
ン、24……絶縁性シール、26……負極、30……正極、32
……集電体プレート、40……セパレータ、42……絶縁
体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アール、ジェイコブ、チェニー、ジュニ ア アメリカ合衆国オハイオ州、ウェストレ イク、ピー、オー、ボックス、45035 エバレディー、バッテリー、カンパニー 内 (56)参考文献 特開 昭57−174857（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−117543（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−13663（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−111634（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−224073（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−175373（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−108461（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．（ａ） 導電性電池ハウジングを含み、このハウジ
   ングは負極活物質と正極活物質とを含有し、正極活物質
   はハウジングから電気的に絶縁され、負極活物質はハウ
   ジングに電気的に接続されてハウジングを電池の負極端
   子と成し、 （ｂ） 導電性ピン部材を含み、このピン部材は、電池
   からハウジングのオリフィスを通して突出する第１部分
   と、正極活物質に電気的に接続されて前記ピン部材を電
   池の正極端子と成す第２部分とを有し、 （ｃ） 前記ピン部材と前記オリフィスの壁部との間に
   配置された電気絶縁性部材を含み、 （ｄ） 非水性液中に溶解された金属過塩素酸塩から成
   る電解質を含む電池。 ２．前記の金属過塩素酸塩はアルカリ金属またはアルカ
   リ土類金属の過塩素酸塩である特許請求の範囲第１項に
   よる電池。 ３．ピン部材は鉄金属から成る特許請求の範囲第１項に
   よる電池。 ４．過塩素酸塩は過塩素酸リチウムである特許請求の範
   囲第２項による電池。 ５．ピン部材は446ステンレス鋼から成る特許請求の範
   囲第３項による電池。 ６．負極活物質は、リチウム、ナトリウム、カリウム、
   カルシウム、マグネシウムおよびこれらの金属相互の合
   金または多種金属との合金から成るグループから選ばれ
   る特許請求の範囲第１項による電池。 ７．正極活物質は、二酸化マンガン、二硫化鉄、三硫化
   アンチモン、二硫化チタン、二硫化モリブデン、三硫化
   モリブデン、三セレン化ニオブ、酸化ビスマス、五酸化
   バナジウム、多炭素フッ化物、およびそれらの混合物か
   ら成るグループから選ばれる特許請求の範囲第６項によ
   る電池。 ８．負極活物質はリチウムであることを特徴とする特許
   請求の範囲第７項による電池。 ９．正極活物質は二酸化マンガンであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第８項による電池。 １０．非水性液は有機溶媒であることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項による電池。 １１．前記有機溶媒はジメトキシエタンと炭酸プロピレ
   ンであることを特徴とする特許請求の範囲第10項による
   電池。 １２．前記の電気絶縁性部材は脆性であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項による電池。 １３．前記の脆性絶縁性部材はガラスおよびセラミック
   スから成るグループから選ばれた材料から成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第12項による電池。