JP4293799B2

JP4293799B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP4293799B2
Application number: JP2003028423A
Authority: JP
Inventors: 広一佐藤; 直哉中西; 淳浩船橋; 俊之能間
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: JP2004165128A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池缶の内部に巻き取り電極体などの二次電池要素を収容して、電池缶に設けられた一対の電極端子部から二次電池要素の発生電力を取り出すことが出来る二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯型電子機器の電源として、エネルギー密度の高いリチウム二次電池が注目されている。又、電気自動車の電源として、大容量の円筒型二次電池が注目されている。
従来の円筒型リチウムイオン電池(特許文献１参照)は、図１３に示す如く、アルミニウム製筒体(61)の開口部にアルミニウム製蓋体(62)を溶接固定して電池缶(６)を形成し、該電池缶(６)の内部に巻き取り電極体(２)を設置して構成されており、該巻き取り電極体(２)の発生電力を、両蓋体(62)(62)に取り付けた正負一対の電極端子機構(９)(９)から外部に取り出すことが可能となっている。
【０００３】
又、蓋体(62)には、電池缶(６)内の圧力が所定値を越えたときにガスを排出するガス排出弁(７)が取り付けられている。該ガス排出弁(７)は、アルミニウム製の弁膜(72)の外周部にアルミニウム製のリング体(71)を固定してなり、該リング体(71)の外周部が、蓋体(62)に開設した貫通孔(63)の開口縁に溶接されている。
【０００４】
巻き取り電極体(２)は、リチウム複合酸化物を含む正極(21)と、炭素材料を含む負極(23)との間に、非水電解液が含浸されたセパレータ(22)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。
巻き取り電極体(２)の正極(21)及び負極(23)からはそれぞれ複数本の集電タブ(３)が引き出され、極性が同じ複数本の集電タブ(３)の先端部(31)が１つの電極端子機構(９)に接続されている。
【０００５】
又、ステンレス鋼製の有底電池容器の開口部にガスケットを介してアルミニウム製の上蓋ケースを固定すると共に、上蓋ケースに圧力開放型の安全弁を取り付けた非水電解液二次電池が提案されている(特許文献２参照)。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９０２号公報(【０００５】、【図９】)
【特許文献２】
特開２００１−３５７８８７号公報(【００１３】〜【００１９】、【図１】)
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の如き円筒型二次電池において、体積エネルギー密度を増大させるためには、電池缶の薄肉化を図ることが必要であるが、この点で、アルミニウム製の電池缶よりもステンレス鋼製の電池缶が有利である。
但し、図１３に示す円筒型二次電池においては、電池缶(６)の蓋体(62)にガス排出弁(７)を溶接固定する必要があり、そのためには、ガス排出弁(７)を蓋体(62)と同じ材質、即ち、ステンレス鋼製としなければならない。
しかしながら、ステンレス鋼製のガス排出弁(７)においては、作動圧を適正値である９.８×１０^５Ｐａ程度以下とすることが困難である。
【０００８】
そこで本発明の目的は、ガス排出弁を適正な作動圧が得られる材質とした場合においても、電池缶の材質として、鉄、ニッケルメッキされた鉄、或いはステンレス鋼を採用することにより、体積エネルギー密度の増大を図ることが出来る二次電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る二次電池は、気密性を有する電池缶(１)の内部に二次電池要素を収容して構成され、電池缶(１)には、内圧が所定値を越えたときに開放するガス排出弁(８)が取り付けられている。
ガス排出弁(８)は、電池缶(１)よりも軟質の金属からなる弁膜(82)の外周部に、電池缶(１)と同じ金属からなるリング体(81)を固定してなり、該リング体(81)の外周部が、電池缶(１)に開設した貫通孔(13)の開口縁に溶接されている。
【００１０】
上記本発明の二次電池においては、ガス排出弁(８)が弁膜(82)とリング体(81)の２つの部材から構成されているので、ガス排出弁(８)の弁膜(82)をアルミニウム製又はアルミニウム合金製とする一方、ガス排出弁(８)のリング体(81)の材質を、電池缶(１)と同じ材質、即ち、鉄、表面がニッケルメッキされた鉄、又はステンレス鋼とすることが可能である。これによって、ガス排出弁(８)の作動圧を適正値に設定することが出来ると共に、ガス排出弁(８)を電池缶(１)に溶接することが可能となる。又、電池缶(１)を薄肉化することが可能となり、これによって体積エネルギー密度の増大を図ることが出来る。
【００１１】
ガス排出弁(８)のリング体(81)は、弁膜(82)の外周部にかしめ固定することが可能である。これによって、リング体(81)と弁膜(82)の間に高い気密性を保つことが出来る。
又、リング体(81)と弁膜(82)の間には、リング状のシール部材(83)を介在させることが可能であり、これによって、更に気密性を上げることが出来る。
尚、シール部材(83)は、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂又はＥＰＤＭから形成することが望ましい。これによって、非水系二次電池で用いられる電解液に対して優れた耐食性が得られ、長期に亘って高い信頼性が維持される。
【００１２】
具体的な構成において、弁膜(82)には、シール部材(83)との接触面に、弁膜(82)の中心部の全周を包囲する凸条部(82b)若しくは溝部(82c)が形成されている。該具体的構成においては、弁膜(82)の凸条部(82b)がシール部材(83)を局所的に圧縮し、或いはシール部材(83)が局所的に弁膜(82)の溝部(82c)に食い込んで、弁膜(82)とシール部材(83)の間の接触面には、弁膜(82)の中心部の全周を包囲して線状に伸びる、高い接触圧の接触部が形成されることになり、これによって弁膜(82)とシール部材(83)の間の気密性がより高いものなる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明に係る二次電池によれば、ガス排出弁の弁膜を、適正な作動圧が得られる材質、例えばアルミニウム製又はアルミニウム合金製とする一方、電池缶の材質として、強度の高い材質、例えば鉄、ニッケルメッキされた鉄、或いはステンレス鋼を採用することにより、体積エネルギー密度の増大を図ることが出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を円筒型リチウムイオン二次電池に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
【００１５】
全体構成
本発明に係る円筒型リチウムイオン二次電池は、図１に示す如く、ステンレス鋼製の筒体(11)の開口部に、ステンレス鋼製の蓋体(12)をレーザ溶接により固定して、電池缶(１)を形成し、該電池缶(１)の内部には巻き取り電極体(４)が収容されている。又、電池缶(１)の両蓋体(12)(12)には、正負一対の電極端子機構(９)(９)が取り付けられており、巻き取り電極体(４)が発生する電力を外部に取り出すことが可能となっている。
【００１６】
電池缶(１)の蓋体(12)には貫通孔(13)が開設され、該貫通孔(13)には、圧力開放型のガス排出弁(８)が固定されると共に、組立工程で電解液を注入するための注液孔には、注液栓(３)がねじ込まれている。
巻き取り電極体(４)の両端部にはそれぞれ集電板(５)が設置され、該集電板(５)が巻き取り電極体(４)に金属溶射若しくはレーザ溶接により接合されている。該集電板(５)の端部に突設されたリード部(55)の先端は、電極端子機構(９)を構成する電極端子(91)の鍔部(92)に、スポット溶接、超音波溶接或いはレーザ溶接によって接合されている。
【００１７】
ガス排出弁 ( ８ )
ガス排出弁(８)は、図５に示す如く、円板状を呈するアルミニウム製の弁膜(82)の外周部に、ステンレス鋼製のリング体(81)をかしめ固定してなり、弁膜82)の外側の表面には、円周上を伸びる凹部(82a)が形成されている。
尚、弁膜(82)は、直径が８ｍｍ、厚さがかしめ部において０.５ｍｍであり、かしめ固定後のリング体(81)は、内径が６ｍｍ、外径が１０ｍｍである。
一方、蓋体(12)の貫通孔(13)は段付き孔であって、円周上を伸びる段部(14)を有し、ガス排出弁(８)は、図６に示す如く、リング体(81)が段部(14)上に設置されて、リング体(81)の外周縁と貫通孔(13)の開口縁との接合部に、レーザ溶接(10)が施される。
【００１８】
ガス排出弁(８)は、図７に示す如く、弁膜(82)とリング体(81)の間に、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂又はＥＰＤＭからなるリング状のシール部材(83)を介在させて構成することも可能であり、同様にリング体(81)はシール部材(83)を介して弁膜(82)の外周部にかしめ固定される。
該ガス排出弁(８)は、図８に示す如く、リング体(81)が段部(14)上に設置されて、リング体(81)の外周縁と貫通孔(13)の開口縁との接合部に、レーザ溶接(10)が施される。
【００１９】
尚、ガス排出弁(８)の弁膜(82)の外側の表面には、図９に示す如く、シール部材(83)と接触する位置に、弁膜(82)の中心部の全周を包囲して伸びる凸条部(82b)を、弁膜(82)の表面から突出させて形成することも可能である。同様にガス排出弁(８)のリング体(81)は、シール部材(83)を介して弁膜(82)の外周部にかしめ固定される。
該ガス排出弁(８)の構造によれば、図９中に拡大して示す様に、弁膜(82)の凸条部(82b)がシール部材(83)に局所的に食い込んでシール部材(83)を圧縮し、弁膜(82)とシール部材(83)の間の接触面には、弁膜(82)の中心部の全周を包囲する高い接触圧の線状接触部が形成されることになり、これによって弁膜(82)とシール部材(83)の間の気密性がより高いものとなる。
ガス排出弁(８)は、図１０に示す如く、リング体(81)が段部(14)上に設置されて、リング体(81)の外周縁と貫通孔(13)の開口縁との接合部に、レーザ溶接(10)が施される。
【００２０】
又、ガス排出弁(８)の他の構造として、図１１に示す如く、弁膜(82)の外側の表面には、シール部材(83)と接触する位置に、弁膜(82)の中心部を包囲して伸びる溝部(82c)を形成することも可能である。同様にガス排出弁(８)のリング体(81)は、シール部材(83)を介して弁膜(82)の外周部にかしめ固定される。
該ガス排出弁(８)の構造によれば、図１１中に拡大して示す様に、シール部材(83)が弁膜(82)の溝部(82c)に局所的に食い込んで、弁膜(82)とシール部材(83)の間の接触面には、弁膜(82)の中心部の全周を包囲する高い接触圧の線状接触部が形成されることになり、これによって弁膜(82)とシール部材(83)の間の気密性がより高いものとなる。
ガス排出弁(８)は、図１２に示す如く、リング体(81)が段部(14)上に設置されて、リング体(81)の外周縁と貫通孔(13)の開口縁との接合部に、レーザ溶接(10)が施される。
【００２１】
電極端子機構 ( ９ )
図１に示す如く、電極端子機構(９)は、電池缶(１)の蓋体(12)を貫通して取り付けられた電極端子(91)を具え、該電極端子(91)の基端部には鍔部(92)が形成されている。蓋体(12)の貫通孔には絶縁パッキング(93)が装着され、蓋体(12)と締結部材(91)の間の電気的絶縁性とシール性が保たれている。電極端子(91)には、蓋体(12)の外側からワッシャ(94)が嵌められると共に、第１ナット(95)及び第２ナット(96)が螺合している。そして、第１ナット(95)を締め付けて、電極端子(91)の鍔部(92)とワッシャ(94)によって絶縁パッキング(93)を挟圧することにより、シール性を高めている。
【００２２】
巻き取り電極体 ( ４ )
巻き取り電極体(４)は、図２に示す如く、アルミニウム箔からなる芯体(45)の表面にリチウム複合酸化物からなる正極活物質(44)を塗布してなる正極(41)と、銅箔からなる芯体(47)の表面に炭素材料を含む負極活物質(46)を塗布してなる負極(43)と、非水電解液が含浸されたセパレータ(42)とから構成され、正極(41)及び負極(43)はそれぞれセパレータ(42)上に幅方向へずらして重ね合わされ、渦巻き状に巻き取られている。これによって、巻き取り電極体(４)の巻き軸方向の両端部の内、一方の端部では、セパレータ(42)の端縁よりも外方へ正極(41)の芯体(45)の端縁(48)が突出すると共に、他方の端部では、セパレータ(42)の端縁よりも外方へ負極(43)の芯体(47)の端縁(48)が突出している。
【００２３】
集電構造
集電板(５)は、図２〜図４に示す如く円板状の本体(51)を具え、該円板状本体(51)には、中央孔(54)が開設されている。円板状本体(51)には、中央孔(54)を中心として放射状に伸びる複数条の円弧状凸部(52)が一体成型され、巻き取り電極体(４)側に突出している。又、円板状本体(51)には、隣接する円弧状凸部(52)(52)の間にそれぞれ、複数条の切り起し片(53)が形成され、巻き取り電極体４)側に突出している。更に、円板状本体(51)の端部には、短冊状のリード部(55)が一体に形成されている。
尚、集電板(５)の円弧状凸部(52)は、図４に示す如く円板状本体(51)の半径線に直交する断面形状が半円の円弧を呈している。
【００２４】
上記集電板(５)を作製した後、巻き取り電極体(４)の各端部に形成されている芯体端縁(48)に集電板(５)を押し付ける。これによって、集電板(５)の円弧状凸部(52)は、巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)に食い込み、円弧状凸部(52)と芯体端縁(48)の間には、円筒面からなる接合面が形成される。又、集電板(５)の切り起し片(53)は、巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)に深く食い込み、芯体端縁(48)と圧着することになる。
この状態で、集電板(５)の円弧状凸部(52)の内周面に向けてレーザビームを照射し、レーザ溶接を施す。この結果、集電板(５)の円弧状凸部(52)と巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)とが、大きな接触面積で互いに接合されると共に、切り起し片(53)と芯体端縁(48)の間の圧着状態が維持されることになる。
【００２５】
上記本発明のリチウムイオン二次電池においては、ガス排出弁(８)の弁膜(82)がアルミニウム製であるので、ガス排出弁(８)の作動圧を９.８×１０^５Ｐａ以下の適正値に設定することが出来る。
又、ガス排出弁(８)のリング体(81)が、電池缶(１)の蓋体(12)と同じステンレス鋼製であるので、ガス排出弁(８)を蓋体(12)に溶接することに問題はなく、電池缶(１)を薄肉化することによって、体積エネルギー密度の増大を図ることが出来る。
【００２６】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、ガス排出弁(８)の弁膜(82)はアルミニウム以外の材質、例えばアルミニウム合金製とすることも可能であり、ガス排出弁(８)のリング体(81)と電池缶(１)は、ステンレス鋼以外の材質、例えば鉄、或いは表面がニッケルメッキされた鉄によって形成することも可能である。又、ガス排出弁(８)の弁膜(82)に形成すべき凸条部(82b)若しくは溝部(82c)は、何れか一方を形成する構成に限らず、両方を形成する構成や、同心円状に複数条形成する構成も採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る円筒型リチウムイオン二次電池の一部破断正面図である。
【図２】巻き取り電極体と集電板の分解斜視図である。
【図３】集電板の平面図である。
【図４】該集電板の要部を示す拡大断面図である。
【図５】蓋体とガス排出弁の分解断面図である。
【図６】蓋体と該ガス排出弁の組立断面図である。
【図７】蓋体とガス排出弁の分解断面図である。
【図８】蓋体と該ガス排出弁の組立断面図である。
【図９】蓋体と他のガス排出弁の分解断面図である。
【図１０】蓋体と該ガス排出弁の組立断面図である。
【図１１】蓋体と更に他のガス排出弁の分解断面図である。
【図１２】蓋体と該ガス排出弁の組立断面図である。
【図１３】従来の円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。
【符号の説明】
(１) 電池缶
(11) 筒体
(12) 蓋体
(13) 貫通孔
(４) 巻き取り電極体
(５) 集電板
(８) ガス排出弁
(81) リング体
(82) 弁膜
(82b) 凸条部
(82c) 溝部
(83) シール部材
(９) 電極端子機構

Claims

気密性を有する電池缶(１)の内部に二次電池要素を収容して構成され、電池缶(１)には、内圧が所定値を越えたときに開放するガス排出弁(８)が取り付けられている二次電池において、前記ガス排出弁(８)は、電池缶(１)よりも軟質の金属からなる弁膜(82)の外周部に、電池缶(１)と同じ金属からなるリング体(81)を固定してなり、該リング体(81)の外周部が、電池缶(１)に開口した貫通孔(13)の開口縁に溶接され、リング体(81)は、弁膜(82)の外周部にかしめ固定されていることを特徴とする二次電池。
前記リング体(81)と弁膜(82)の間には、リング状のシール部材(83)が介在している請求項１に記載の二次電池。
前記電池缶(１)とガス排出弁(８)のリング体(81)は、鉄、表面がニッケルメッキされた鉄、又はステンレス鋼から形成され、ガス排出弁(８)の弁膜(82)は、アルミニウム製又はアルミニウム合金製である請求項１または２に記載の二次電池。
前記ガス排出弁(８)のシール部材(83)は、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂又はＥＰＤＭから形成されている請求項２に記載の二次電池。
前記ガス排出弁(８)の弁膜(82)には、シール部材(83)との接触面に、弁膜(82)の中心部の全周を包囲する凸条部(82b)が形成されている請求項２に記載の二次電池。
前記ガス排出弁(８)の弁膜(82)には、シール部材(83)との接触面に、弁膜(82)の中心部の全周を包囲する溝部(82c)が形成されている請求項２に記載の二次電池。