JP3846154B2

JP3846154B2 - 電池缶及びその製造方法と電池

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Publication number: JP3846154B2
Application number: JP2000117477A
Authority: JP
Inventors: 正敏羽野; 克彦森; 彰橋本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2020-04-19
Also published as: JP2001307686A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池缶の構造を改良することにより、電池の体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度または安全性を向上させた電池缶及びその製造方法と電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電池を使用する機器、特に携帯電話等の携帯機器の小型化、軽量化の進展に伴って電池のエネルギー密度の向上が要求されている。外形サイズが規格化されている電池にあっては、同一規格サイズであっても、より高エネルギー密度で、より軽量であることが望まれている。電池のエネルギー密度を示す指標として、電池の小型化の指標となる体積エネルギー密度（Ｗｈ／ｌ）と、電池の軽量化の指標となる重量エネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）とが用いられている。
【０００３】
電池のエネルギー密度を決定する重要な要素は、正極及び負極の活物質や電解質等により構成される発電要素が主であるが、この発電要素を収容する電池缶が前記体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度の向上に寄与する度合いも少なくない。即ち、電池缶の肉厚を薄く形成することによって外形寸法が規格化されている電池缶の容積の増加を図ることができ、発電要素の収容量の増加から電池全体としての体積エネルギー密度が向上する。また、電池缶の重量の軽減により電池全体としての重量が減少し、重量エネルギー密度の向上を図ることができる。電池缶が電池全体の重量に占める重量比率は、現状ではニッケル水素蓄電池やリチウムイオン二次電池において、円筒形電池の場合で１０〜２０ｗｔ％である。角形電池の場合では耐圧強度を得るために電池缶の肉厚を増加させる必要があるので３０〜４０ｗｔ％である。この重量比率を軽減させることによって重量エネルギー密度の向上を図ることができる。
【０００４】
電池缶の薄肉化や軽量化を図るために、電池缶としての使用材料や加工技術に様々の改良がなされており、角形のリチウムイオン二次電池では電池缶材料にアルミニウムもしくはアルミニウム合金を用いることにより前記重量比率を２０〜３０ｗｔ％に低減することが可能となっている。また、電池缶を有底筒状に加工する製造方法として、例えば特公平７−９９６８６号公報に記載されるように、絞り加工とシゴキ加工とを併用するＤＩ（ＤｒａｗｉｎｇａｎｄＩｒｏｎｉｎｇ）工法が用いられ、製造工程の削減による生産性の向上だけでなく、より薄肉化が可能となり、アルミキルド鋼（ＳＰＣＥ材）を用いた場合では、電池の体積エネルギー密度を２〜５％向上させるまでに至っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
電池の信頼性や安全性を確保するためには電池缶の強度保持は不可欠な要素であり、強度を犠牲にしてエネルギー密度の向上を図ることはできない。一次電池においては長期保存での容量確保や漏液防止あるいは安定した放電特性を得ること、二次電池においては一次電池に要求される要素に加えて充放電のサイクル寿命や安全性あるいは電池内部圧力の上昇による膨れ変形に対応できる強度を保持していくことが必要である。また、電池はその種類によって使用する電解液の種類が異なるため、電池缶として使用する材料は電解液に対する耐食性を有するものであることが必要で、電池缶の形成素材を安易に選定することはできない。
【０００６】
従って、強度を確保しつつエネルギー密度の向上を図るためには、強度が高く軽い材料で尚且つ耐食性に優れた材料が必要となるが、この要求を満たす素材の開発はいまだなされていない。現在、電池缶として使用されている材料として、アルミキルド鋼等の鉄鋼板材料と、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料とがあるが、いずれの場合も電池缶としては一長一短である。即ち、前記アルミキルド鋼はヤング率が約２００００ｋｇｆ／ｍｍ²であるため電池缶の薄肉化を達成することができ、体積エネルギー密度の向上を図ることはできるが、その比重が約７．８であるため電池缶の重量増加をまねき、重量エネルギー密度を向上させることはできない。一方、前記アルミニウム合金の場合は、その比重は約２．７であるが、ヤング率は約７０００ｋｇｆ／ｍｍ²であるため、軽量化に寄与できるものの剛性が劣るため、電池缶としての強度を得るには肉厚に形成する必要があり、体積エネルギー密度が低下し、重量エネルギー密度の点でもその軽量さを生かすことができない。
【０００７】
そこで、鉄鋼板材料及びアルミニウム系材料それぞれの特質を生かすために、これらをクラッド材に形成した材料を電池缶として使用する試みがなされており、特開２０００−３０６７３号公報に開示されている。しかし、電池缶全体がクラッド材であるため電池缶封口部の強度が不十分であったり、レーザー封口を用いる場合は封口部が異種金属で構成されているため、融解温度が異なり調整が難しく封口作業が困難であったりと、クラッド材を用いた有効な電池缶の開発に至っていない状況にある。
【０００８】
本発明の目的とするところは、封口耐圧強度の低下を防ぎ、また、レーザー封口が容易な電池缶の薄肉化及び軽量化を図り、電池の体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度を向上させることができる電池缶及びその製造方法と電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本願発明の電池缶は、有底筒状に形成された電池缶であって、前記電池缶の封口部周面以外の材料は異種金属あるいは異種合金の２層構造であり、封口部周面材料は封口部周面以外の２層構造材料のいずれか一方の材料からなり、底面厚さ／側周面厚さ比が１．２〜５．０となるように形成されてなることを特徴とする電池缶である。上記構成によれば、封口部周面以外は異種金属あるいは異種合金の二層構造材料を用いることにより、相互の利点が得られ、且つ封口部は異種金属でなくなるため融解温度の違いによるレーザーの調整が不要となり、レーザー封口が容易となる。電池缶は底面厚さ／側周面厚さ比が１．２未満であると材料の使用量が増加し実用化は困難であり、また、５．０以上では必要とされている形状に加工することができない。このため底面厚さ／側周面厚さ比は１．２〜５．０が好ましい。
【００１０】
また、２層構造材料の１層にアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることにより、その比重が約２．７と小さいことから、軽量化に寄与できる。
【００１１】
さらにアルミニウム系材料層は、０．５〜２．５ｗｔ％のマンガンを含有させたアルミニウム合金により形成することによって、製缶性が良好となり、電池缶の強度も向上する。
【００１２】
また、２層構造材料の１層に鉄鋼板を用いることにより、ヤング率が約２００００ｋｇｆ／ｍｍ²と大きいため電池缶の薄肉化を達成することができる。また封口部周面材料に鉄鋼板を用いることにより、電池缶としての強度が特に必要である封口部に鉄鋼板単一材料で作製された電池缶と同等の強度を得ることができる。
【００１３】
さらに鉄鋼板材料層は、炭素の含有量が０．１ｗｔ％以下の冷間圧延用炭素鋼とすることによって、製缶性が良好となるため電池缶の製缶不良による電池不良をなくすことができる。特に、シゴキ加工が円滑になされるには、０．０５ｗｔ％以下が好ましい。
【００１４】
また、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼を２層構造材料の１層として用いることができ、これを電池缶の内面側となるように配したときには電解液に対する耐食性を、電池缶の外面側となるように配したときには保存時の耐食性を向上させることができる。
【００１５】
また、鉄鋼板材料層の両面または片面にニッケル層を設けることにより、鉄鋼板材料と他の金属材料との間の接合性、特にアルミニウム系材料との接合性が良くなり、ＤＩ加工により安定した品質の電池缶を製造することができる。また、鉄鋼板材料層の表面にニッケル層が設けられていることにより、アルカリ電解液に対する耐食性が向上し、鉄鋼板材料を内面側にして電池缶を製作し、ニッケル水素蓄電池等の電池缶として適用するのに好適である。
【００１６】
さらに、封口部周面と同じ材料が電池缶外面となる場合は、電池缶内面側が異種金属となるため、局部電池を構成し自己放電が生じる可能性があることから、この構成を用いる場合は、電解液の這い上がり防止などの対策を講じる必要がある。そのため封口部周面と同じ材料が電池缶内面となることが好ましい。
【００１７】
なお、電池缶の封口部周面厚さが、他の側周面より１０％以上厚くなるように形成することにより、容積の低下をまねくことなく耐圧強度を増加させることができる。
【００１８】
また、本願発明の電池缶は、電池缶の封口部周面以外は鉄鋼板とアルミニウムあるいはアルミニウム合金の２層構造であり、封口部周面材料は封口部周面以外の２層構造材料のいずれか一方の材料からなり、底面厚さ／側周面厚さ比が１．２〜５．０となるように形成された電池缶である。
【００１９】
発電要素を収容する部分はアルミニウム系材料と鉄鋼板材料を接合した２層構造により形成されているため、アルミニウム系材料の軽量性と鉄鋼板材料の剛性により、従来の全てが鉄鋼板材料の電池缶、あるいは全てがアルミニウム系材料の電池缶の同一寸法のものと比べ、肉厚が同一でも、軽量且つ強度の高い電池缶を形成することができる。この軽量化により重量エネルギー密度の向上を図ることができる。また、アルミニウム系材料と鉄鋼板材料とでは熱膨張係数が異なるため、この電池缶を二次電池に適用した場合、充電時の温度上昇に伴う内圧の上昇により電池缶に膨れ変形が生じるのを抑える方向に曲げ応力が作用し、膨れ変形を抑制するので側周面を薄く形成しても所要の変形強度を保持することができる。
【００２０】
さらに、封口部周面材料を鉄鋼板材料としたときには、従来の全てが鉄鋼板材料の電池缶と同等の封口部の強度が得られる。
【００２１】
ここで封口部周面と同じ材料が電池缶外面となる場合は、電池缶内面側が異種金属となるため、局部電池を構成し自己放電が生じる可能性があることから、この構成を用いる場合は、電解液の這い上がり防止などの対策を講じる必要がある。そのため封口部周面と同じ材料が電池缶内面となることが好ましい。
【００２２】
このため、アルミニウム系材料を封口部周面材料にして電池缶を有底筒状に形成した場合には、封口部周面以外の外面側は鉄系材料となるので、傷つきにくく耐久性に優れたものとなる。
【００２３】
以上のことから、鉄鋼板材料層を封口部にして、鉄鋼板材料が電池缶内面側となるようアルミニウム系材料との２層構造にして電池缶を形成し、望ましくはその電池缶内面側の鉄鋼板材料層の表面にニッケルメッキを施して電解液に対する耐食性を確保し、電池缶が電池の負極電極となるように構成することにより、重量エネルギー密度及び体積エネルギー密度とも大きく、かつ電池強度も高く、保存時の耐食性に優れた電池を構成することができる。また、アルミニウム系材料が封口部周面以外の外面側となるので、電池缶に対する溶接性も良くなる。
【００２４】
本願発明の第１の製造方法は、２層構造とする部分に異種金属を２層貼り合わせて形成した材料を絞り加工により形成したカップ状中間製品をシゴキ加工あるいは絞りおよびシゴキ加工することにより作製する電池缶の製造方法である。
【００２５】
本願発明の第２の製造方法は、２層構造のそれぞれの金属材料あるいは合金材料を有底筒状に加工した後はめ込み、シゴキ加工あるいは絞りおよびシゴキ加工することにより作製する電池缶の製造方法である。
【００２６】
有底筒状に形成された電池缶が、異種金属を必要部分に複数層に形成された材料をプレス機による絞り加工し、カップ状中間製品に形成するもの、または、異種金属をそれぞれ個々にカップ状中間製品に形成したものを重ねて、絞りダイス及びシゴキダイスを用いて前記カップ状中間製品をシゴキ加工するＤＩ工法により、底面厚さ／側周面厚さが１．２〜５．０となる有底筒状に形成されてなることを特徴とする。
【００２７】
また、本願発明は上記電池缶に発電要素を収容してなる電池である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一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。
【００２９】
本実施形態に係る電池缶は、発電要素を収容する電池缶に、鉄鋼板材料とアルミニウム系材料とを電池缶の必要部分に用いたことを特徴とするもので、その金属あるいは合金の組成を変えた電池缶としての有効性を検証すると共に、適用する電池の種類及び形状を変えて、電池缶を形成する適正な構成について検証を行ったものである。
【００３０】
まず、ＡＡサイズのニッケル水素蓄電池を構成するために、その電池缶を仕上がり外径１３．８ｍｍφ、高さ４９．０ｍｍの有底円筒形に形成し、これに発電要素を収容してニッケル水素蓄電池を形成した第１の実施形態について説明する。
【００３１】
図１において、ニッケル水素蓄電池１は、電池缶２内に発電要素３を収容し、電池缶２の開口端を封口板４で封口して形成される。このニッケル水素蓄電池１に用いられた前記電池缶２は、封口部周面と缶内面側は鉄鋼板材料、封口部周面以外の缶外面側はアルミニウム系材料を用いた電池缶で以下に説明するように製造される。
【００３２】
図２（ａ）において両面に厚み２．５μｍのニッケルメッキを施した、厚さ４００μｍ、炭素含有量：０．０４ｗｔ％のアルミキルド鋼５（以下、ＳＰＣＥ材）を外径４０ｍｍφに加工し、その中心に深さ２００μｍ、直径２５ｍｍの穴を加工する。その後この加工品の中心穴部に厚さ２００μｍ、直径２５ｍｍの純アルミニウム材６（ＪＩＳ−Ａ１０５０相当）を貼り合わせ電池缶を形成する出発材料とする。
【００３３】
この出発材料を、図２（ｂ）に示すように電池缶の外面側に貼り合わせた純アルミニウム材６が出るようにしてプレス機により絞り加工して、外径２１．５ｍｍφ、高さ１５．５ｍｍのカップ状中間製品７に形成する。この状態では、底面の厚さ、側周面の厚さ共に出発材料とほとんど変化はない。
【００３４】
このように形成されたカップ状中間製品７を、図３に示すようにＤＩ加工工程に送り出し、絞り及びシゴキにより側周面が所定高さ寸法となる有底円筒形に成形する。このＤＩ工法は、カップ状中間製品７をパンチ８により絞りダイス９及びシゴキダイス１０、１０が一直線上に列設されたダイス列内に押し出すことにより、パンチ８の進出方向にその内径が小さくなるようにダイスが配列された絞りダイス９、各シゴキダイス１０内にカップ状中間製品７が押し込まれる毎に絞り及びシゴキが加えられ、一工程で所定寸法の有底円筒形の電池缶２に成形される。ＤＩ加工がなされた状態では、外径１３．８ｍｍφ、高さ５４ｍｍとなり、開口端側は平坦でなく波打ったような状態になっているので、電池缶２の設定高さ寸法である４９．０ｍｍになるように開口端側の耳部を切断する。
【００３５】
図４は、上記ＤＩ工法によって形成された電池缶２の縦断面形状を示すもので、底面２ａの厚さは４００μｍ、側周面２ｂの厚さは１５０μｍ、封口部周面２ｃの厚さは１８０μｍの有底円筒形に形成されている。従って、この電池缶２のＤＩ加工におけるシゴキ率は６３％となる。尚、シゴキ率は、「シゴキ率（％）＝（元の厚さ−シゴキ後の厚さ）×１００／元の厚さ」と定義する。また、底面厚さ／側周面厚さ比は２．６７で、重量は約３．１ｇである。因みに同形同サイズの電池缶をＳＰＣＥ材の単一材料により形成したときの重量は約３．６ｇであり、約１４％の軽量化が達成されたことになる。
【００３６】
さらに、電池内面側が鉄鋼板材料であることから電池の内圧が上昇したときの膨れ、封口耐圧に優れている。
【００３７】
前記封口部周面２ｃは、この電池缶２内に発電要素等を収容した後、開口端を封口板で封口する封口強度を得るために、側周面２ｂの厚さより約２０％厚く形成されている。電池の内圧が上昇したとき、封口部位が耐圧強度的に最も弱い部位となるため、側周面２ｂより厚く形成することにより封口による耐圧強度をさらに増強することができる。そして側周面２ｂの厚さは膨れ変形が抑制できる必要最小限にすることができる。尚、封口部周面２ｃを側周面２ｂより厚く形成する方法は、図３（ｂ）に示すように、ＤＩ金型におけるパンチ８の直径を封口部周面２ｃの位置で、増加させる厚さ相当分だけ小さく形成しておくことにより、シゴキダイス１０を通過するときに封口部はパンチ８の直径が小さくなっている内方に押し出されて封口部周面２ｃが側周面２ｂより厚く形成される。
【００３８】
以上説明したように形成された電池缶２は、アルミニウム材により軽量化がなされ、封口部周面材料はすべて鉄鋼板材料であるため、ヤング率の低いアルミニウム材を一部使用したクラッド材に見られる封口耐圧強度の低さを補うことができる。よって、従来の全てが鉄鋼板材料で形成された同一寸法の電池缶と同じ封口耐圧が得られる。また、電池缶２を二次電池に適用した場合に、充電時の温度上昇に伴う内圧の増加により生じる電池胴部の膨れ変形は、アルミニウム系材料と鉄鋼板材料との熱膨張係数の差による曲げ応力が電池缶２の側周面２ｂを内側に変形させる応力として作用するため、電池缶２の膨れ変形が抑制される効果を得ることができる。
【００３９】
上記構成になる電池缶２を用いてニッケル水素蓄電池を作製するために、以下に示す発電要素を電池缶２内に収容する。
【００４０】
まず、正極は、球状の水酸化ニッケル粉末と酸化亜鉛、酸化コバルト、水酸化コバルト等の添加物とをペースト状に混合し、スポンジ状のニッケル導電性多孔体に充填した後、乾燥、加圧、切断により所定の寸法に形成して正極板とする。
【００４１】
また、負極は、水素吸蔵合金としてＡＢ₅タイプのＭｍＮｉ_3.6Ｍｎ_0.4Ａｌ_0.3Ｃｏ_0.7組成の合金粉末に導電剤や結着剤を添加してペースト状にし、ニッケルメッキした鉄素材のパンチングメタル芯材に塗着し、乾燥、加圧、切断により所定寸法に形成して負極板とする。これら正極板と負極板とをスルフォン加工したポリプロピレン不織布により作製されたセパレータを介して巻回し、これを電池缶２内に収容する。このとき、負極板の最外周面は電池缶２の内面に直接接触させ、正極板からリードを引き出して封口キャップに設けた正極端子にスポット溶接する。
【００４２】
次に、電池缶２内に電解液として、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ・Ｈ₂Ｏ）を４０ｇ／ｌ溶解させて比重１．３０とした水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を２．０ｃｃ注液する。この後、電池缶２の開口端を封口キャップにより封口するため、封口部周面２ｃをカシメ加工することにより封口キャップを取り付け、電池缶２内を密閉封口してニッケル水素蓄電池を完成させる。このようにして作製されたＡＡサイズのニッケル水素蓄電池の電池重量は約２５ｇ、電池容量は１３５０ｍＡｈとなる。
【００４３】
上記第１の実施形態として作製した電池缶２を（電池缶２Ａ）として、この電池缶２Ａの適性を考察するために、組成及び加工方法を変えて同一規格サイズの電池缶２Ｂ〜２Ｇを作製し、各電池缶２Ｂ〜２Ｇにより同様にニッケル水素蓄電池を作製した。以下、各電池缶２Ｂ〜２Ｇについて電池缶２Ａと比較検証しつつ説明する。
【００４４】
（電池缶２Ｂ）
電池缶２Ｂは、構成する材料の鉄鋼板表面にニッケルメッキを施すことの有効性を検証するために構成したものである。厚さ４００μｍのＳＰＣＥ材（炭素含有量０．０４ｗｔ％）と厚さ２００μｍの純アルミニウム材（ＪＩＳ−Ａ１０５０相当）とを使用し、電池缶２Ａと同様にＤＩ加工して図４に示したものと同一サイズに形成した。電池缶２Ａと異なるのは、ＳＰＣＥ材の両面にニッケルメッキが施されていないことのみで、その他の構成は同一である。従って、底面厚さ／側周面厚さ比（２．６７）、シゴキ率（６３％）、重量（３．１ｇ）は電池缶２Ａとほぼ同等である。
【００４５】
上記構成において、電池缶２Ｂの製缶工程となるＤＩ加工における絞り及びシゴキ加工が必ずしもスムーズでなく、電池缶２Ａの場合と比較すると、やや製缶不良が発生しやすいことが判明した。この原因は、ニッケルメッキ層が無いことによりアルミニウム系材料と鉄鋼板材料との接合強度が弱くなること、ＤＩ金型との接触面にニッケルメッキ層が無いことによるものと考えられる。
【００４６】
また、電池缶２Ｂをニッケル水素蓄電池のようなアルカリ蓄電池に適用した場合に、ニッケルメッキ層が無いことによりアルカリ電解液による腐食の進行と推察される充電特性、放電特性、サイクル寿命特性、保存特性の低下が生じた。しかし、有機電解液を使用するリチウムイオン二次電池等に適用する場合には全く問題なく、ＤＩ加工の加工性の低下を除けば電池缶としての有用性はあるといえる。
【００４７】
（電池缶２Ｃ）
電池缶２Ｃは、構成する鉄鋼板材料の炭素含有量によるＤＩ工法による製缶加工性を検証したもので、両面に厚み２．３μｍのニッケルメッキを施した、厚さ４００μｍ、炭素含有量：０．１１ｗｔ％のＳＰＣＥ材と厚さ２００μｍの純アルミニウム材（ＪＩＳ−Ａ１０５０相当）とで、電池缶２Ａと同様にＤＩ加工して図４に示したものと同一サイズに形成した。電池缶２Ａと同一の底面厚さ／側周面厚さ比（２．６７）、シゴキ率（６３％）、重量（３．１ｇ）に形成したが、炭素含有量が０．１ｗｔ％を越えるＳＰＣＥ材ではＤＩ加工に難があり、電池缶を製造する加工性に問題があり、適切な電池缶材料とし得なかった。
【００４８】
（電池缶２Ｄ）
電池缶２Ｄは、構成するアルミニウム系材料のマンガン含有量によるＤＩ加工性及び溶接性等を検証したもので、電池缶２Ａの純アルミニウム材に代えてマンガン含有量が０．４ｗｔ％のアルミニウム合金を使用して電池缶を形成した。他の構成は電池缶２Ａと同一である。この電池缶２Ｄの構成の場合には、マンガンの含有量が少ないことからアルミニウム合金として硬度が低くなり、ＤＩ加工による製缶性に問題があり、目的とする構成を得るに至らなかった。
【００４９】
（電池缶２Ｅ）
電池缶２Ｅは、前記電池缶２Ｄと反対にアルミニウム系材料のマンガン含有量が２．６ｗｔ％と多いアルミニウム合金を使用したもので、この場合も製缶性に問題があり、電池組み立て時の加工や溶接性が悪く、やはり目的とする構成を得るに至らなかった。
【００５０】
（電池缶２Ｆ）
電池缶２Ｆは、電池缶２Ａで使用した２種類の材料のクラッド材による全クラッド材の電池缶とを比較するための比較例として構成したもので、図４に示した電池缶２と同一形状寸法で同一のＤＩ加工を行ったものである。製缶性において問題はなく、電池を構成した場合にも電池缶２Ａを用いたものと同等の性能が得られた。しかし、クラッド材を使用し電池缶を形成しているため、封口部周面材料がＳＰＣＥ材とアルミ材であるため、封口耐圧強度が電池缶２Ａと比べて低下してしまった。
【００５１】
（電池缶２Ｇ）
電池缶２Ｇは、円筒形の底面厚さ／側周面厚さ比の適正範囲を検証するために、電池缶２Ａと同一構成の材料を用いてＤＩ加工のシゴキ率を変えて作製した。底面厚さ４００μｍに対して側周面厚さを３６０μｍに形成すると、このときの底面厚さ／側周面厚さ比は１．１、シゴキ率は１０％となり、材料の使用量が増加し実用的でない。また、電池缶内の有効容積が減少するため、電池缶２Ａと比較すると約６％の体積エネルギー密度の低下をまねくことになる。体積エネルギー密度を増加させるためには、側周面の厚さを薄く形成することが有効であるので、底面厚さ４００μｍに対して側周面厚さを６０μｍまで薄く形成した電池缶の作製を試みた。この場合の底面厚さ／側周面厚さ比は６．７、シゴキ率は８５％と大きくなり、必要とされる形状に加工することは困難であった。検証の結果、底面厚さ／側周面厚さ比は、１．２以下では電池缶内の有効容積が減少し、体積エネルギー密度の低下を大きくまねき、また、５．０以上では必要とされる形状に加工できないことから適正値は１．２〜５．０となった。
【００５２】
上記各態様による電池缶２Ｂ〜電池缶２Ｇの検証から、ＡＡサイズのニッケル水素蓄電池に適用した電池缶２として実施例１に示した構成が適正なものであることがわかる。従来のクラッド材を使用した電池缶と比べ、封口部周面材料がＳＰＣＥ材とアルミ材のクラッド材でなく、すべてがＳＰＣＥ材であるため、封口耐圧強度が高く、且つアルミによる軽量化も兼ね備えた電池缶をＤＩ加工により作製することができる有効性が示される。
【００５３】
なお、出発材料には、図５に示すようにそれぞれ単一材の外径の異なるカップ状中間製品を使用することもできる。実施例としてＳＰＣＥ材のカップ状中間製品１１とカップ中間製品１１の外径より内径が大となるアルミニウム材のカップ状中間製品１２をはめ込みＤＩ加工時に同時に加工することで電池缶２とほぼ同様のものを得ることができる。
【００５４】
次に、角形のリチウムイオン二次電池を構成するために、その電池缶を仕上がり寸法が底面２２×８ｍｍ、高さ４８．０ｍｍの有底角筒形に形成し、これに発電要素を収容してリチウムイオン二次電池を形成した第２の実施形態について説明する。
【００５５】
図６において、リチウムイオン二次電池１３は、電池缶１４内に発電要素１５を収容し、電池缶１４の開口端を封口キャップ１６で封口して形成される。このリチウムイオン二次電池１３に用いられた前記電池缶１４は、アルミニウム系材料と鉄鋼板材料とで構成され、以下に説明するように製造される。
【００５６】
厚さ４５０μｍのアルミニウム合金（ＪＩＳ−Ａ３００３相当）と、両面に３．５μｍの厚さにニッケルメッキを施し熱処理した厚さ２５０μｍ、炭素含有量：０．０３ｗｔ％のＳＰＣＥ材を採用し、電池缶を形成する。
【００５７】
アルミニウム合金を円形に切り抜き、その中心部に深さ２５０μｍの穴を加工する。この加工品の中心穴部に厚さ２５０μｍ、炭素含有量：０．０３ｗｔ％のＳＰＣＥ材を貼り合わせ電池缶２と同様に電池缶１４を形成する出発材料とする。電池缶１４の外面側に貼り合わせたＳＰＣＥ材が出るようにしてプレス機により絞り加工してカップ状の中間製品に形成する。この状態では、底面厚さ、側面厚さ共に出発材料ほとんど変化はない。このように形成されたカップ状の中間製品を、図３に示したものと同様のＤＩ加工工程に送り出し、絞り及びシゴキにより所定高さ寸法の有底角筒形に成形する。ＤＩ加工がなされた状態では、底面サイズ２２×８ｍｍ、高さ５２ｍｍとなり、開口端側は平坦でなく波打ったような状態になっているので、電池缶の設定高さ寸法である４８ｍｍになるように開口端側の耳部を切断する。
【００５８】
図７は、上記加工方法によって製作された角形の電池缶１４の縦断面形状を示すもので、底面１４ａの厚さは４５０μｍ、側周面１４ｂの厚さは２００μｍに形成されており、底面厚さ／側周面厚さ比は２．２５、シゴキ率は５６％となっている。また、電池缶１４の封口部周面１４ｃは、側周面１４ｂより３０％厚い２５０μｍに形成され、封口強度を向上させている。
【００５９】
また、底面１４ａから側周面１４ｂに立ち上がるコーナー部は、曲率半径０．３５ｍｍの曲面に形成されている。この曲率半径は大きくした方が電池缶１４の強度を大きくすることができるが、電池缶１４内に収容する発電要素の有効容積を確保するためには曲率半径は小さい方が望ましく、強度保持と容積確保とを加味すると０．５ｍｍ以下の曲率半径であることが望ましい。
【００６０】
上記のように構成された電池缶１４を用いてリチウムイオン二次電池１３を製作するために、電池缶１４内に以下に示すような発電要素１５を収容する。
【００６１】
正極は、導電剤であるＬｉＣｏＯ₂、アセチレンブラック、結着剤であるフッ素樹脂等をペースト状に混合し、これをアルミニウム箔基板に塗着した後、乾燥、加圧、切断により所定寸法にして正極板を形成する。負極は、球状の黒鉛にスチレンブタジエンラバー結着剤、カルボキシメチルセルロース増粘剤等を添加してペースト状にしたものを銅箔基板に塗着し、乾燥、加圧、切断により所定寸法にして負極板に形成する。これらの正極板と負極板とをポリエチレン微多孔膜で形成したセパレータを介して巻回し、電池缶１４内に収容し、リチウムイオン二次電池の負極端子とする封口キャップ１６と負極板とをリードで接続すると共に、正極端子となる電池缶１４とをリードで接続する。この電池缶１４内に、エチレンカーボネート−ジエチルカーボネートをモル比で１：３に混合したものに１ｍｏｌ／１の濃度の六フッ化リン酸リチウムを溶解した電解液を注入し、電池缶１４の開口端に封口キャップ１６を配し、電池缶１４と封口キャップ１６との間をレーザー封口により密閉する。
【００６２】
このようにして製作されたリチウムイオン二次電池１３は、幅２２ｍｍ、厚さ８ｍｍ、高さ４８ｍｍの角形電池となり、電池重量は約１９ｇ、電池容量は６１０ｍＡｈとなる。この電池の有効性を検証するために、従来のクラッド材を用いた電池缶により同一規格のリチウムイオン二次電池を比較例として製作した。
【００６３】
比較例は、電池缶１４で使用したのと同様の２種類の材料のクラッド材を用いて電池缶１４と同一の外径寸法に形成した全クラッド材の電池である。電池重量としては、クラッド材で電池缶を形成した比較例の方が有利であるが、レーザー封口などの工程上、本発明の実施例の電池は加工部が単一金属であるため加工が容易で、且つ漏液などの安全性も高く、よって電池缶１４を用いた実施例の電池の有効性が明らかとなった。
【００６４】
以上説明した各実施形態は、円筒形、角形それぞれの二次電池に適用した例を示したが、二次電池は充電等により電池内圧の上昇などによる膨れ変形や封口部の耐圧強度において最も過酷な条件に曝されるものとして、これらを適用対象とした。従って、適用条件がよりゆるやかな一次電池に適用してもよいことは明確である。
【００６５】
また、電池缶を構成する鉄鋼板材料としてステンレス鋼を用いることもでき、ＤＩ工法における加工性は各実施形態において採用したＳＰＣＥ材よりやや劣るが、耐圧強度や耐食性を向上させることができる。ステンレス鋼としてはＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等が好適である。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、有底筒状に形成された電池缶であり、前記電池缶の封口部周面以外の材料は異種金属あるいは合金の２層構造であり、封口部周面材料は、封口部周面以外の２層構造材料のいずれか一方の材料からなる、底面厚さ／側周面厚さ比が１．２〜５．０となるように形成されるので、レーザー封口が容易となりまた、封口耐圧強度の低下を防ぎ、電池缶の薄肉化及び軽量化を図ることで、電池の体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度を向上させることができる電池缶を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るニッケル水素蓄電池の概略構成を示す断面図
【図２】電池缶の出発材料の構成を示す断面図
【図３】ＤＩ工法の構成を示す概略断面図
【図４】円筒形電池缶の構成を示す断面図
【図５】電池缶の出発材料の構成を示す断面図
【図６】第２の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の概略構成を示す断面図
【図７】角形電池缶の構成を示す断面図
【符号の説明】
１ニッケル水素蓄電池
２電池缶（円筒形）
（ａ）底面
（ｂ）側周面
（ｃ）封口部周面
３発電要素
４封口板
５アルミキルド鋼
６純アルミニウム材
７カップ状中間製品
１１カップ状中間製品（ＳＰＣＥ材）
１２カップ状中間製品（アルミニウム材）
１３リチウムイオンに次電池
１４電池缶（角形）
（ａ）底面
（ｂ）側周面
（ｃ）封口部周面
１５発電要素
１６封口キャップ

Claims

有底筒状に形成された電池缶であって、前記電池缶の封口部周面以外の材料は異種金属あるいは異種合金の２層構造であり、封口部周面材料は封口部周面以外の２層構造材料のいずれか一方の材料からなり、底面厚さ／側周面厚さ比が１．２〜５．０となるように形成されてなることを特徴とする電池缶。
２層構造材料の１層がアルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項１記載の電池缶。
アルミニウム合金が０．５〜２．５ｗｔ％のマンガンを含有したものである請求項２記載の電池缶。
２層構造材料の１層が鉄鋼板である請求項１記載の電池缶。
鉄鋼板が炭素の含有量が０．１ｗｔ％以下の冷間圧延用炭素鋼である請求項４記載の電池缶。
鉄鋼板材料層の両面または片面にニッケル層が設けられている請求項４あるいは５記載の電池缶。
封口部周面材料と電池缶内面材料が同じである請求項１から６のいずれかに記載の電池缶。
有底筒状に形成された電池缶であり、前記電池缶の封口部周面以外は鉄鋼板とアルミニウムあるいはアルミニウム合金の２層構造であり、封口部周面材料は封口部周面以外の２層構造材料のいずれか一方の材料からなり、底面厚さ／側周面厚さ比が１．２〜５．０となるように形成されてなることを特徴とする電池缶。
２層構造とする部分に異種金属を２層貼り合わせて形成した材料を絞り加工により形成したカップ状中間製品をシゴキ加工あるいは絞りおよびシゴキ加工することにより作製したことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電池缶の製造方法。
２層構造のそれぞれの金属材料あるいは合金材料を有底筒状に加工した後はめ込み、シゴキ加工あるいは絞りおよびシゴキ加工することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電池缶の製造方法。
請求項１から８のいずれかに記載の電池缶に発電要素を収容してなる電池。