JP3811388B2 - 電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池形状が直方体に形成され、その呼称が角形、扁平形、平形等に称される電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電子機器のように小型化、薄型化された機器の限られた空間にスペース効率よく電池を収容するために、角形電池が広く採用されている。中でも携帯電話機や携帯情報端末にその端的な例が見られるように、小型軽量化に加えて高機能化に伴う消費電力の増大に対応できる電池として角形のリチウムイオン二次電池の採用が増加している。
【０００３】
角形のリチウムイオン二次電池は、図９（ａ）（ｂ）に示すように、２種類の形態が知られている。図９（ａ）に示すリチウムイオン二次電池Ｅは、Ｓ−Ｓ線矢視横断面が長円形に形成されている。電池缶６０内には、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平に巻回した極板群１４と電解液が収容され、図１０（ａ）に示すように、極板群１４はその横断面形状が長円形に形成されている。この極板群１４を収容する電池缶６０は、その横断面形状が極板群１４の外周を囲む長円形に形成されている。このリチウムイオン二次電池Ｅは、両端側に円弧が形成されているため、図１１に示すように、機器の外装ケース３８が角部分でアールを描いている形状に対応させることができ、スペース効率のよい電池収納ができる特徴を有している。
【０００４】
一方、図９（ｂ）に示すリチウムイオン二次電池Ｆは、Ｔ−Ｔ線矢視横断面が長方形に、厳密には角部に最小円弧を設けた角丸長方形に形成されている。電池缶６１内には、上記リチウムイオン二次電池Ｅと同一の極板群１４と電解液が収容されている。図１０（ｂ）に示すように、角丸長方形の中に横断面形状が長円形の極板群１４を収容することにより電池缶６１内の四隅に空間６３が形成され、この空間６３を電解液溜まりとして利用できる利点がある。二次電池においては充放電の繰り返しにより極板群３１の膨張が進行するが、極板群３１の膨張時に電解液溜まりから電解液が極板群３１に吸い込まれることにより、膨張時に不足する電解液を補うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の角形の二次電池は、上記のように横断面形状が長円形のものと、角丸長方形のものとがある。長円形断面のものは前述のように装填する機器の角部のアールに対応できるためスペース効率のよい電池収納ができる利点がある反面、極板群１４と電池缶６０との間に電解液溜まりとなる空間が得られないので、充放電に伴って極板群１４に膨張が生じたときに不足する電解液を補うことができず、二次電池のサイクル寿命が低下する問題点があった。
【０００６】
一方、角丸長方形のものは前述のように極板群１４と電池缶６１との間に形成される空間６３を電解液溜まりとして利用できる利点がある反面、多くの機器に採用されている角部分にアールが形成された機器の外装ケースに対応できず、スペース効率の悪い電池収納となる問題点があった。
【０００７】
本発明が目的とするところは、機器ケースにスペース効率よく装填できる形状と、電解液を貯留する電解液溜まりの形成とを両立させた電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平に巻回し、その横断面形状が長円形になるように形成された極板群が、有底筒状に形成された電池缶内に収容され、電池缶の開口端が封口板によって封口されてなる電池であって、前記電池缶はその横断面形状が、前記極板群の長円形横断面をその外周に沿って囲む長方形又は台形の任意の角部が前記長円形横断面の円弧部分に対応する曲線に形成され、他の角部が加工上許容される最小円弧に形成されてなることを特徴とするものである。
【０００９】
上記構成によれば、横断面形状が長円形の極板群に対して、極板群の円弧部分に向く長方形又は台形の任意角部を円弧部分に対応する曲線に形成することにより、曲線部を機器の外装ケースの角に形成されたアール部分に位置させることができ、アール部分に曲線部を位置させてスペース効率のよい電池収納が可能となる。また、極板群の円弧部分に向く長方形又は台形の他の角部を最小円弧に形成すると極板群との間に空間ができ、この空間を電解液溜まりとして、極板群が膨張したときに不足する電解液を電解液溜まりから補うことができ、二次電池のサイクル寿命の低下を抑制することができる。
【００１０】
電池缶の横断面形状は、極板群の長円形横断面をその外周に沿って囲む長方形の一方の長辺両側角部を前記長円形横断面の円弧部分に対応する曲線に、他方の長辺両側角部を最小円弧に形成すると、一方の長辺の両側に曲線部が、他方の長辺の両側に最小円弧が形成されるので、曲線部を機器の外装ケースのアールに対応させて装填することができ、最小円弧部分は極板群との間に空間が形成され、その空間を電解液溜まりにして極板群が膨張して電解液が不足したときに電解液溜まりから補うことができる。
【００１１】
また、電池缶の横断面形状は、極板群の長円形横断面をその外周に沿って囲む台形の上底の両側に接する角部を前記長円形横断面の円弧部分に対応する曲線に、下底の両側に接する角部を最小円弧に形成すると、台形の上底両側に曲線部が、下底両側に最小円弧が形成されるので、曲線部を機器の外装ケースのアールに対応させて装填することができ、最小円弧部分は極板群との間に空間が形成され、その空間を電解液溜まりにして極板群が膨張して電解液が不足したときに電解液溜まりから補うことができる。横断面形状が台形状に形成されることにより、電解液溜まりの容積を充分に確保することができる。
【００１２】
また、電池缶の横断面形状は、極板群の長円形横断面をその外周に沿って囲む長方形の一方の短辺両角部を前記長円形横断面の円弧部分に対応する曲線に、他方の短辺両側角部を最小円弧に形成すると、一方の短辺が曲線に形成され、他方の短辺の両側に最小円弧が形成されるので、曲線部を機器の外装ケースのアールに対応させて装填することができ、最小円弧部分は極板群との間に空間が形成され、その空間を電解液溜まりにして極板群が膨張して電解液が不足したときに電解液溜まりから補うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１４】
本実施形態は、電池の一例であるリチウムイオン二次電池について示すもので、図１、図５、図６に示すように、扁平な角形電池として形成されたものである。
【００１５】
図１は、第１の実施形態に係るリチウムイオン二次電池Ａの外観を示すもので、有底筒状に形成された電池缶１内に発電要素が収容され、電池缶１の開口部は後述する封口板３によって封口され、封口板３上に設けられた正極端子（＋）及び負極端子（−）を構成する部位が封口板３上を閉じる絶縁板１１に形成された開口部から外部に露出するように構成されている。
【００１６】
前記発電要素を構成する極板群１４は、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平に巻回し、図２に断面形状として示すように、長円形の横断面形状に構成されている。この極板群１４を収容する電池缶１は、図２に示すように、その横断面形状が、一方の長辺３１ａと両短辺３２ａ、３２ｂとが交差する角部３６ａ，３６ｂが加工上必要な最小半径の円弧に、他方の長辺３１ｂと両短辺３２ａ、３２ｂとが交差する角部３４ａ，３４ｂが極板群１４の円弧部位に対応する半径の円弧（曲線）になるカマボコ状に形成されている。ここでは、角部３４ａ，３４ｂの円弧半径は、電池缶１の短幅Ｄの１／２に形成されているが、円弧半径は任意に設定することができ、例えば円弧半径＝Ｄに設定することも可能である。
【００１７】
この電池缶１は、ニッケルメッキ鋼鈑やアルミニウムの板材を絞り加工あるいは絞り加工の後しごき加工する方法により所定深さの有底筒状体に形成することができる。前記角部３４ａ，３４ｂの円弧が加工上必要な最小半径としているのは、この加工方法に基づくものである。これは本実施形態の横断面形状に特定されるものではなく、従来技術に係る横断面形状にも共通である。
【００１８】
図３は、リチウムイオン二次電池Ａの内部構造を示すもので、電池缶１内に収容された極板群１４は枠体２によって収容位置から移動しないように位置固定されている。電池缶１の開口端には缶内側に向けて凹部を形成した封口板３が嵌め合わされ、その周囲が電池缶１にレーザー溶接されることにより電池缶１の開口端が封口されている。封口板３の両側に形成された開口部の一方の開口部には上ガスケット７と下ガスケット５とにより封口板３と絶縁すると共に封口性を保ち、ワッシャ４及び後述するＰＴＣ素子９の下極板９ａを取り付けてリベット６が固定されている。他方の開口部は封口板３が電池缶１上に取り付けられた後に、電池缶１内に電解液を注液するためのもので、注液後は図示するように封栓１０が挿入され、封栓１０を封口板３に溶接することにより閉じられる。
【００１９】
前記極板群１４を構成する正極板から引き出された正極リード１２は、前記リベット６の延出部６ａに溶接接続され、負極板から引き出された負極リード１３は封口板３の底面に溶接接続される。封口板３の凹部内には、上ガスケット７によって封口板３と絶縁されたＰＴＣ素子９と、樹脂モールドされた温度ヒューズ８とが配設されている。温度ヒューズ８は所定の動作温度になったとき溶断する低融点合金を樹脂モールドして低融点合金の保護と伝熱性の安定化を図ったもので、低融点合金の一端は樹脂モールドの上面に配置された端子板８ａに接続され、低融点合金の他端は樹脂モールド外にリード板８ｂとして引き出されている。このリード板８ｂは前記ＰＴＣ素子９の上電極９ｂに半田付けにより接合されている。封口板３の凹部内には、そこに配設された構成要素を包み込んでエポキシ樹脂等の樹脂材料１６が充填される。この樹脂充填により封口板３の凹部内に配置された各構成要素が絶縁体で被覆固定され、電池に振動や衝撃が加わったときにも各構成要素が保護され、耐湿性の向上や伝熱性の安定化が図られる。
【００２０】
上記構成において、温度ヒューズ８はその動作温度が１００〜１３０℃に設定され、ＰＴＣ素子９の動作温度、即ちトリップ状態となる温度が８０〜１００℃に設定される。ＰＴＣ素子９のトリップ状態になる温度を８０℃、温度ヒューズ８の動作温度を１００℃に設定した場合、このリチウムイオン二次電池が装填された機器の故障や、金属物が正極端子（＋）と負極端子（−）との間に接触したような外部短絡が生じたとき、過大な短絡電流によりＰＴＣ素子９は温度上昇し、その温度がトリップ状態となる温度８０℃に達すると、抵抗値が急増するので短絡電流は一気に制限され、短絡によって電池が危険な状態に至る前に阻止することができる。短絡状態が解除されると、過大な短絡電流がなくなるので、ＰＴＣ素子９の温度は低下してトリップ状態から外れ、抵抗値も下がるので再び正常な電池使用が可能となる。
【００２１】
また、このリチウムイオン二次電池が装填された機器の故障などの原因によって高電圧が印加されたり、逆充電がなされたような場合に、ＰＴＣ素子９が絶縁破壊され、それによる電流規制の作用が働かなかったときには、電池温度の急激な上昇により１００℃の温度状態に達すると、温度ヒューズ８が溶断して、ＰＴＣ素子９が動作し得ない状態での危険状態への移行が阻止される。このような二重の安全機能によってエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池を安全に使用することができる。
【００２２】
上記構成になるリチウムイオン二次電池Ａは、図４に携帯機器に装填した状態を断面で示すように、機器ケース４１の外形角部が円弧に形成されていることによる内部空間の形状に対応して無駄な空間を生じさせない装填が可能となる。図４は携帯電話機の電源として適用した例を示すものであるが、このように小型の携帯機器では角に丸みをもたせた外観形状は常識的に採用されている形態であって、これに適応する電池形状となる。
【００２３】
また、図２に示したように、リチウムイオン二次電池Ａの横断面において、電池缶１の最小円弧に形成された角部３３ａ、３３ｂと極板群１４との間に形成された空間３５ａ、３５ｂは、電池缶１内への注液時に極板群１４に充填された後の余剰の電解液を溜める液溜として活用される。二次電池、特に極板群１４を構成する正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素質材料を用いたリチウムイオン二次電池においては、充放電の繰り返しにより極板群１４が膨張することが知られている。この膨張に伴って極板群１４に充填されている電解液に不足が生じる。前記空間３５ａ，３５ｂに余剰の電解液が溜められていると、極板群１４が膨張したときに不足する電解液を補うことができる。このような余剰の電解液がない場合、極板群１４の膨張時に電解液を補うことができず、二次電池として急激なサイクル特性の劣化を来すことになる。
【００２４】
従って、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池Ａは、一方面側に形成された円弧形成により機器の形状に対応して無駄な空間が生じない装填ができると同時に、他方面側に極板群１４との間に電解液の液溜が形成されることによりサイクル寿命を向上させることができる。また、電池の短幅方向で両側の形状が異なる非対称な形状であり、更に加えて正極端子（＋）及び負極端子（−）が非対称位置に設けられていることにより、逆装填が防止できる。
【００２５】
図５は、第２の実施形態に係るリチウムイオン二次電池Ｂの外観を示すものである。そのＰ−Ｐ線矢視横断面形状は、図７に示すように、極板群１４を収容する電池缶１ａは、長辺４１ａ，４１ｂをつなぐ一方の短辺が極板群１４の円弧部位に対応する円弧４４ｂに形成され、他方の短辺が直線辺４４ａを最小半径の円弧の角部４３ａ，４３ｂで長辺４１ａ及び長辺４１ｂにつなぐように形成されている。
【００２６】
このリチウムイオン二次電池Ｂは、一方の短辺が円弧４４ｂに形成されているので、機器の外装ケースの底面あるいは側面に円弧側が位置するように機器に装填すると、機器の底面又は側面にアールを形成した形状に適合させることができる。また、他方の短辺は直線部４４ａに形成され、長辺４１ａ，４１ｂと交差する角部４３ａ，４３ｂは最小円弧に形成されているので、図７に示すように、極板群１４との間に電解液を溜める空間４５ａ，４５ｂが形成され、第１の実施形態の構成と同様に、充放電に伴う極板群１４の膨張によって生じる電解液の不足を補う電解液を貯留させることができる。
【００２７】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池Ｂの内部構造は、第１の実施形態に係るリチウムイオン二次電池Ａと同様に構成されているので、その説明は省略する。
【００２８】
図６は、第３の実施形態に係るリチウムイオン二次電池Ｃの外観を示すものである。そのＱ−Ｑ線矢視横断面形状は、図８に示すように、長円形断面の極板群１４を収容する電池缶１ｂは台形状に形成されている。台形の下底５１ａと両斜辺５２ａ，５２ｂとが交差する部分は最小円弧に形成された角部５３ａ，５３ｂに、上底５１ｂと両斜辺５２ａ，５２ｂとの間は極板群１４の円弧部位に対応する円弧５４ａ，５４ｂに形成されている。
【００２９】
この電池缶１ｂはその横断面形状が台形状に形成されているので、機器ケースの角部分のアール形状に最も適合しやすく、無駄な空間を形成することなく機器に装填することができる。また、台形状に形成することによって極板群１４との間に余剰の電解液を溜める液溜５５ａ，５５ｂの容積が大きくなり、充放電に伴う極板群１４の膨張に際して不足する電解液を液溜５５ａ，５５ｂから補充することができ、サイクル寿命の向上に効果的である。
【００３０】
以上説明した各実施形態の構成は、二次電池として構成した例を示したが、一次電池に適用しても外形形状の特徴を生かすことができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、横断面形状が長円形に形成された極板群を収容する電池缶は、極板群の円弧部分に対応する曲線部が形成されているので、この電池を装填する機器の外装ケースの角部のアールに前記曲線部を位置させて電池を装填することができ、無駄な空間を形成することなくスペース効率のよい電池装填ができる。また、極板群の円弧部分との間に電解液溜まりが形成されるので、極板群が膨張した際に不足する電解液を電解液溜まりから補うことができ、二次電池のサイクル寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成を示す外観斜視図。
【図２】同上Ｙ−Ｙ線矢視断面図。
【図３】同上Ｘ−Ｘ線矢視断面図。
【図４】同上二次電池を機器に装填した状態を示す断面図。
【図５】第２の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成を示す外観斜視図。
【図６】第３の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成を示す外観斜視図。
【図７】図５におけるＰ−Ｐ線矢視断面図。
【図８】図６におけるＱ−Ｑ線矢視断面図。
【図９】従来構成のリチウムイオン二次電池（ａ）（ｂ）の構成を示す外観斜視図。
【図１０】（ａ）は図９におけるＴ−Ｔ線矢視断面図、（ｂ）は図９におけるＳ−Ｓ線矢視断面図。
【図１１】従来構成の電池を機器に装填した状態を示す部分断面図。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ 電池缶
１４ 極板群
３１ａ，３１ｂ，４１ａ，４１ｂ 長辺
３４ａ，３４ｂ，４４ｂ，５４ａ，５４ｂ 円弧部（曲線）
３５ａ，３５ｂ，４５ａ，４５ｂ 空間
３６ａ，３６ｂ，４３ａ，４３ｂ，５３ａ，５３ｂ 角部（最小円弧）
５１ａ 下底
５１ｂ 上底
５２ａ，５２ｂ 斜辺

Claims (4)

1. 正極板と負極板とをセパレータを介して扁平に巻回し、その横断面形状が長円形になるように形成された極板群が、有底筒状に形成された電池缶内に収容され、電池缶の開口端が封口板によって封口されてなる電池であって、前記電池缶はその横断面形状が、前記極板群の長円形横断面をその外周に沿って囲む長方形又は台形の任意の角部が前記長円形横断面の円弧部分に対応する曲線に形成され、他の角部が加工上許容される最小円弧に形成されてなることを特徴とする電池。
2. 電池缶の横断面形状は、極板群の長円形横断面をその外周に沿って囲む長方形の一方の長辺両側角部が前記長円形横断面の円弧部分に対応する曲線に、他方の長辺両側角部が最小円弧に形成されてなる請求項１に記載の電池。
3. 電池缶の横断面形状は、極板群の長円形横断面をその外周に沿って囲む台形の上底の両側に接する角部が前記長円形横断面の円弧部分に対応する曲線に、下底の両側に接する角部が最小円弧に形成されてなる請求項１に記載の電池。
4. 電池缶の横断面形状は、極板群の長円形横断面をその外周に沿って囲む長方形の一方の短辺両角部が前記長円形横断面の円弧部分に対応する曲線に、他方の短辺両側角部が最小円弧に形成されてなる請求項１に記載の電池。

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