JP4035710B2

JP4035710B2 - 扁平形電池

Info

Publication number: JP4035710B2
Application number: JP2002165861A
Authority: JP
Inventors: 祐一菊間; 隆加藤; 正美鈴木; 宗人早見
Original assignee: Toshiba Battery Co Ltd
Current assignee: FDK Twicell Co Ltd
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: JP2004014290A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は扁平角形電池に係わり、特に底部平坦面の変形を防止し、かつ密閉性を向上させる扁平角形電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話やＰＤＡなどの小型情報端末を中心に使用機器の小型化が加速されており、主電源である二次電池についても小型化を図ることが要求されている。このような要求に対し、特願平１１−２４０９６４号や特願平１１−２４１２９０号に示すように、負極端子を兼ねる金属製の負極ケースと、正極端子を兼ねる金属製の正極ケースが絶縁ガスケットを介し嵌合され、さらに前記正極ケースまたは負極ケースが加締め加工により加締められた封口構造を有し、その内部に少なくとも正極、セパレータ、負極を含む発電要素と、非水電解質を内包した扁平形非水電解質二次電池において、扁平形電池の扁平面に垂直な方向の断面を見た場合に、少なくとも３面以上の正極と負極がセパレータを介し対向している正負極対向面を有する電極群が収納され、かつ、この電極群内の正負極対向面積の総和が絶縁ガスケットの開口面積よりも大きくした扁平形非水電解質二次電池が小型化の要求を満たす電池として提案されている。
【０００３】
さらに、近年では、液晶をはじめとした表示装置を有する小型機器は、薄型化を進める一方、表示装置の小型化には実使用上限度があるため、機器全体に占める表示装置の占有面積比率を極力大きくして、機器全体を小型化することが検討されている。この表示装置の多くは角形状を有していることから、この形状に機器を合わせるため機器全体が角形状を有するものが多くなっており、機器内での電池の搭載には扁平角形電池が望まれている。
【０００４】
また、前述した対向面積を拡大した電極群を実現する方法として、生産性、経済性の面から薄肉電極をセパレータを介して捲回し、さらにこれを押しつぶすことで扁平形の電極群を得る方法が多く採用されている。この場合、得られる電極群は扁平角形状となり、この電極群を内包し、さらに高容量化を実現するためには、周縁部に少なくとも２つ以上の直線部を有し、各直線部の端部が略円弧状曲線部により結ばれている角形や小判形に代表される扁平角形電池を形成する必要がある。
【０００５】
しかしながら、このような角形状を有する金属製の外装ケースと内装ケースが絶縁ガスケットを介し嵌合され、さらに外装ケースを加締め加工により封口部を形成する場合、周縁曲線部に対応する側壁部および底面曲線部の外面半径Ｒ1部は強度が高く、底面下方向への加締め圧力はその周辺部へ分散するためケース側壁部の材料の底面平坦部内方向への移動は抑えられる。しかし、周縁直線部に対応する側壁部および底面曲線部の外面半径Ｒ2部は強度が低く、前記加締め圧力は底面垂直方向に集中し、ケース側壁部の材料が底面平坦部内方向に移動してしまうことにより、部分的な材料余りにより平坦部に歪みを生じていた。さらにこのような材料の移動により加締め部の開口端までの高さが低くなることで、所定の加締め寸法を得ることができなくなり、封口性が低下するなどの課題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、その課題は加締め加工により加締められた封口時の外装ケース側壁部の移動を防止し、かつ底面平坦部の歪み変形を防止することで、封口性を向上した扁平角形電池を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、下記に述べるような結論に到達した。
金属製の外装ケースと金属製の内装ケースが、絶縁ガスケットを介し嵌合され、さらに前記外装ケースが加締め加工により加締められた封口構造の周縁部に少なくとも２つ以上の周縁直線部を有し、各周縁直線部の端部が略円弧状の周縁曲線部により結ばれている扁平角形電池において、前記外装ケースは平坦面を有する内底面と外底面を有し、該底面の周縁より垂直上方向に延伸した側壁部は内側面と外側面を有するとともにそれぞれ該内底面および該外底面と、円弧状の底面曲線部で結ばれており、かつ周縁曲線部に対応する底面曲線部の外面半径をＲ1、周縁直線部に対応する底面曲線部の外面半径をＲ2としたとき、Ｒ 2 ／Ｒ 1 が１．１以上であり、かつ、前記外装ケースを構成する部材の板厚ｔに対する前記外面半径Ｒ 1 およびＲ 2 の比がともに１以上３以下とすることで、加締め封口時の外装ケース側壁部材料の移動を防止し、底面平坦部の変形を抑え、封口性を向上できることを見出した。
【０００８】
すなわち、外装ケース開口端上方より加締め型を押さえ付けることで加締めによる封口部を形成するが、この際の加締め圧力は外装ケースの開口端を加締め型に沿って内方向へ折り曲げるとともに、その反力として外装ケースの側壁部を底面方向に押し下げる力を生じる。更には、加締め型と側壁部の摩擦力も同様に底面方向への力を生じさせる。
【０００９】
電池形状がコイン型のように周縁部の強度が全て均一であれば、底面方向へ生じた圧力はケース側壁部を均一に押し下げることから、底面平坦部へケース側壁部の材料の移動も均一となり、部分的な材料余りが生じることなく、底部平坦部の変形を押さえることが可能である。しかし、電池形状が角形のように周縁部の強度が均一でない場合、強度の高い部分の周囲への分散圧力も合わせて強度の低い部分に集中し、底部平坦面へのケース側壁部材料の移動も不均一となる。そのため材料余りによる底部平坦面の変形を生じるとともに、ケースの加締め寸法が一定でなくなり、封口性が低下してしまう。すなわち、角形電池の周縁曲線部Ａは周縁直線部Ｂより強度が高いことから、加締め圧力による材料の移動は周縁直線部Ｂに集中し、底面平坦部での材料余りによる変形が生じてしまうことになる。
【００１０】
本発明によれば、扁平角形電池において、周縁曲線部Ａに対応する前記外面半径Ｒ1と周縁直線部Ｂに対応する前記外面半径Ｒ2の関係を、Ｒ1＜Ｒ2とすることで、底面方向に生じた加締め圧力による側壁部材料の移動を均一化するようにし、コイン型と同様に底部平坦面の変形を生じることなく、所定の加締め寸法とすることが可能となり、封口性も良好となる。
【００１１】
さらに本発明によれば、Ｒ2／Ｒ1が１．１以上であり、前記外装ケースを構成する部材の板厚ｔに対する前記外面半径Ｒ1およびＲ2の比が１以上３以下とすることで、封口部形状の安定化による封口性向上が期待できる。ここで、板厚ｔに対するＲ1、Ｒ2の比が１よりも小さい場合、加締め圧力は側壁部下方向のみとなり、加締め後の電池周縁部にバリが発生する場合がある。また、逆に３以上となった場合は、Ｒ2／Ｒ1が１．１以上であってもＲ1部およびＲ2部の変形が大きく、所定の加締め寸法を得ることができず、封口性が保てなくなる。
【００１２】
ここで、本発明は扁平角形電池の封口構造について、詳しくは外装ケースの形状を改良し、底面平坦部の歪み変形を防止するとともに、封口性を向上することに主点をおいたものであり、前述の電極構造および電極構成については限定されるものではなく、電極構造については、前述した捲回方式だけでなく、積層方式、ペレット方式等、あるいは従来の構造を採用した場合でも本発明と同様の効果が期待できる。
また、耐食性の向上を目的にステンレスからなる正極ケース内面にアルミもしくはアルミ合金層を配してもよい。この場合、正極ケースの強度が低下することから、加締め圧力による材料の移動により電池底面平坦部の変形や電池周縁部のバリが発生し易くなるが、本発明の範囲とすることで所定の加締め寸法を得ることができ、良好な封口性を確保できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例及び比較例について、リチウム二次電池に採用した場合を例に説明する。
（実施例１）
本実施例１の扁平角形電池の断面図を図１、その平面図を図２に示す。すなわち、図に示すように、本実施例１の扁平角形電池は内面に金属ネット８が溶接された外装ケース４内に、ポリエチレン微多孔膜からなるセパレータ３を介して正極作用物質層１と負極作用物質２を渦巻状に捲回した電極群の正極作用物質層１が金属ネット８に接するように収納し、一方内面に金属ネット７が溶接された内装ケースの金属ネット７が電極群の負極作用物質層２に接するように収納し、さらに内装ケース６と外装ケース４の周辺の間に絶縁ガスケット５を介して、加締め加工により液密に封口されている。
【００１４】
以下、本実施例１の扁平角形リチウム二次電池の製造方法を説明する。
まず、ＬｉＣｏＯ₂１００質量部に対し導電材としてアセチレンブラック５質量部と黒鉛粉末５質量部を加え、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを５質量部加え、Ｎ‐メチルピロリドンで希釈、混合し、スラリー状の正極合剤を得た。次に、この正極合剤を、正極集電体である厚さ０．０２ｍｍのアルミ箔の片面にドクターブレード法により塗工、乾燥を行い、アルミ箔表面に正極作用物質含有層１を形成した。以後、正極作用物質含有層の塗膜厚さが両面で０．１５ｍｍとなるまで塗工、乾燥を繰り返し、両面塗工正極を作製した。次に、この電極体の片面の端から１０ｍｍ部分の作用物質含有層を除去し、アルミ層を剥き出し通電部とし、幅１９ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの長さに切り出した正極板を作製した。
【００１５】
次に、正負極通電部面を外周巻き終わり側とし、これら正極と負極の間に厚さ２５μｍのポリエチレン微多孔膜からなるセパレータ３を介し渦巻状に捲回し、扁平形電池の扁平面に対し水平方向に正負極対向部をもつように一定方向に捲回電極の中心部の空間がなくなるまで加圧した。
【００１６】
作製した電極群を８５℃で１２ｈ乾燥した後、ステンレス製の金属ネット７を内面に溶接し、絶縁ガスケット５と一体化した内装ケース（負極金属ケース）６の内底面に電極群の片面塗工負極板２の未塗工側が金属ネット７に接するように配置し、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを体積比１：１の割合で混合した溶媒に支持塩としてＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌの割合で溶解せしめた非水電解質を注液し、さらに電極群の片面塗工正極板１の未塗工側に接するようにステンレス製の金属ネット８が内面に溶接された板厚０．２５ｍｍのステンレスからなる外装ケース（正極ケース）４を嵌合し、上下反転後、正極ケース４に加締め加工を実施し、封口し、厚さ３．２ｍｍ、縦３０ｍｍ、横３０ｍｍの実施例１の扁平角形非水電解質二次電池を製作した。この際の外装ケースのＲ1、Ｒ2および板厚ｔはそれぞれ０．５０ｍｍ、０．５５ｍｍ、０．２５ｍｍとし、加締め後の電池底面部から側壁部開口端高さｈは２．５ｍｍとした。
【００１７】
（実施例２）
外装ケースＲ1、Ｒ2および板厚ｔはそれぞれ０．２５ｍｍ、０．２８ｍｍ、０．２５ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様に電池を作製した。
【００１８】
（実施例３）
外装ケースＲ1、Ｒ2および板厚ｔはそれぞれ０．６８ｍｍ、０．７５ｍｍ、０．２５ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様に電池を作製した。
【００１９】
（比較例１）
外装ケースＲ1、Ｒ2および板厚ｔはそれぞれ０．５０ｍｍ、０．５０ｍｍ、０．２５ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様に電池を作製した。
【００２０】
（比較例２）
外装ケースＲ1、Ｒ2および板厚ｔはそれぞれ０．２０ｍｍ、０．２２ｍｍ、０．２５ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様に電池を作製した。
【００２１】
（比較例３）
外装ケースＲ1、Ｒ2および板厚ｔはそれぞれ０．７０ｍｍ、０．８０ｍｍ、０．２５ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様に電池を作製した。
【００２２】
上述したようにして作製した本実施例及び比較例の電池３００個について、底面バリの発生および底部平坦面の変形／歪の発生を観察した。また、これらの電池において４．２Ｖ、１０ｍＡの定電流定電圧で４８ｈ初充電を実施し、３日間室温で放置後、６０℃‐９３％ＲＨの雰囲気下で３０日間貯蔵し、電解液の漏液について確認した。
【００２３】
外面半径Ｒ1およびＲ2、Ｒ2／Ｒ1、板厚ｔ、Ｒ1／ｔ、Ｒ2／ｔを表１に、更に底面周縁部バリ発生数、底部平坦面変形発生数、貯蔵後漏液発生数を表２に示した。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【表２】

【００２６】
上記表１，２より明らかなように、本実施例の電池は加締め加工の際の底面方向に生じる加締め圧力による側壁部材料の移動が、電池周縁部全体で均一化するため、底部平坦面の変形を生じることなく、封口性も良好となった。また、比較例２では、図４に示すようにＲ1、Ｒ2ともに、外装ケース材料板厚ｔより小さくしていることから、加締め時の側壁部下方向への圧力により周縁部バリ９が発生した。比較例３では、Ｒ2／ｔが３．０を超えており、平坦面の変形は発生していないが、Ｒ2部が変形しており加締めが不充分となり漏液が発生した。
【００２７】
なお、本発明の実施例は、非水電解質に非水溶媒を用いた扁平形非水溶媒二次電池を用いて、正極ケースを外装ケースとした場合の加締め加工により封口する扁平角形電池について説明したが、正負極電極を入れ替え、外装ケースとして負極ケースを配置することも可能であり、また、他の電池系への適用も可能であって、要は扁平角形の加締め封口の電池に適用しても本発明と同様の効果が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、加締め封口時の外装ケース側壁部材料の移動を防止し、底面平坦部の歪み変形を防止するとともに、封口性を向上した工業的価値の非常に大きな扁平角形電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例１の電池の断面図。
【図２】本実施例１の電池の平面図。
【図３】本実施例１の電池の封口部の断面図。
【図４】比較例２の電池の周縁部バリ発生を示す概略図。
【符号の説明】
１…正極作用物質含有層（塗工電極）、２…負極作用物質含有層（塗工電極）、３…セパレータ、４…外装ケース（正極ケース）、５…絶縁ガスケット、６…内装ケース（負極ケース）、７…金属ネット（負極側）、８…金属ネット（正極側）、９…周縁部バリ、Ａ…周縁曲線部、Ｂ…周縁直線部、Ｒ1…周縁曲線部に対応した外装ケース底面曲線部の外面半径、Ｒ2…周縁直線部に対応した外装ケース底面曲線部の外面半径。

Claims

金属製の外装ケースと金属製の内装ケースが、絶縁ガスケットを介し嵌合され、さらに前記外装ケースが加締め加工により加締められた封口構造の周縁部に少なくとも２つ以上の周縁直線部を有し、各周縁直線部の端部が略円弧状の周縁曲線部により結ばれている扁平角形電池において、前記外装ケースは平坦面を有する内底面と外底面を有し、該底面の周縁より垂直上方向に延伸した側壁部は内側面と外側面を有するとともにそれぞれ該内底面および該外底面と、円弧状の底面曲線部で結ばれており、かつ周縁曲線部に対応する底面曲線部の外面半径をＲ1、周縁直線部に対応する底面曲線部の外面半径をＲ2としたとき、Ｒ 2 ／Ｒ 1 が１．１以上であり、かつ、前記外装ケースを構成する部材の板厚ｔに対する前記外面半径Ｒ 1 およびＲ 2 の比がともに１以上３以下であることを特徴とする扁平角形電池。