JP4402076B2 - 電池缶 - Google Patents

Description

本発明は、内圧に対して抵抗する強度の向上させた電池缶に関する。

携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、またはノート型パーソナルコンピュータ等に使用される二次電池は、充電時及び連続使用時に発熱する。そのため、この発熱による電解液またはガスの膨張により、二次電池の内部に大きな内圧が発生する。その内圧に耐えきれず、電池缶が破壊してしまう現象が発生する場合がある。しかしながら、そのような内圧は、一定の基準内であれば安全弁が作動し、電池の暴発を防止することができる（例えば、特許文献１、特許文献２）。

さて、年々電池の小型化、薄型化が進む中、益々、電池性能を上げなくてはならない。電池性能を上げるために、電池缶の内容積を増すことが常道手段として挙げられる（例えば、特許文献３）。さらに、外形の大きさを変えずに、内容積を増すには電池缶の側壁を極限まで薄くすることが望まれる（例えば、特許文献４）。
特開２００１−２３５９６号公報 特開平１１−２５０８８６号公報 特開２００２−０１５７１２号公報 特開２００３−２４２９３６号公報

しかしながら、そのように電池缶の側壁を極限まで薄くした結果、電池缶の局部に集中加重が掛かり、安全弁の作動圧より低い圧力で電池缶が破壊に至る現象が発生するおそれがあった。

図１は、一般的な電池缶の外観構成を示す。図１（Ａ）は、電池缶１の外観斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＸａ−Ｘｂの断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＹａ−Ｙｂの断面図である。

電池缶１は、一枚の金属板をプレス加工にて有底角筒状に成型した外装缶である。電池缶１は、概して、長辺側壁２、短辺側壁３、底壁４、長辺Ｒ壁５、短辺Ｒ壁６、コーナー壁７から構成される。底壁４は、電池缶１の底部を形成しており、長辺と短辺とを有する略扁平状の長方形をなしている。

長辺側壁２は、底壁４の長辺側にある電池缶１の側壁である。短辺側壁３は、底壁４の短辺側にある電池缶１の側壁である。長辺Ｒ壁５は、底壁４と長辺側壁２との連結部分であり、その壁面は曲面形状を有している。短辺Ｒ壁６は、底壁４と短辺側壁３との連結部分であり、その壁面は曲面形状を有している。コーナー壁７は、長辺側壁２と短辺側壁３とが隣接した角部分であり、その壁面は曲面形状を有している。この図１で示す様な電池缶１の設計が、一般的である。

図２は、図１の部分Ｋの拡大図である。電池缶１は、通常、プレス加工により製造される。長辺側壁２と短辺側壁３は、プレス加工時に非常に大きなシゴキを受けるために、長辺側壁２と短辺側壁３の板厚が薄くなることに加え、最も激しい加工硬化が発生する。

次に、長辺Ｒ壁５及び短辺Ｒ壁６の外表面及び内表面はそれぞれ、曲率半径Ｒ，ｒの略曲面を有している。この曲率半径Ｒ，ｒの成すそれぞれの円の中心Ｃ_R，Ｃ_rは、異なった位置にある。

例えば、Ｒ＝１．０［ｍｍ］、ｒ＝０．６［ｍｍ］、長辺側壁２の板厚（符号１２）＝０．２［ｍｍ］、短辺側壁３の板厚（符号１２）＝０．２［ｍｍ］、底壁４の板厚（符号１１）＝０．５［ｍｍ］で電池缶１を設計した場合を考えてみる。この場合、長辺Ｒ壁５及び短辺Ｒ壁６から長辺側壁２及び短辺側壁３へ差し掛かる部分、側壁厚が急激に薄くなり、厚みが減少する。この設計に基づくプレス加工について図３で説明する。

図３は、プレス加工による電池缶１の外形の形成を示す。図３（Ａ）は、電池缶１の斜視図である。図３（Ｂ）は、部分Ｌの拡大図である。上記の設計に基づいて加工すると、厚い底壁４と、比較的厚い板厚及び加工硬化の進んだ長辺Ｒ壁５及び短辺Ｒ壁６と、構造上の強度と加工硬化で強度を増したコーナー壁７に隣接した長辺側壁２及び短辺側壁３と、からなる電池缶１が形成される。

このとき、短辺側壁３、底壁４、長辺Ｒ壁５、短辺Ｒ壁６、コーナー壁７の強度と比較して、長辺側壁２は、板厚が薄いため強度は弱いが、柔軟性はある。したがって、電池缶１に内圧を掛けた場合、長辺側壁２に延びが発生し、撓むことができる。

長辺側壁２において、中央部の延びが最も大きく、長辺Ｒ壁５、コーナー壁７に近づく程、延びが少なくなる。すなわち、長辺側壁２の中心部に向かう程、延びが大きくなる。よって、電池缶１の内部に内圧がかかっても、板材が撓むことによりその負荷を軽減させることができる。

しかしながら、長辺Ｒ壁５、短辺Ｒ壁６、コーナー壁７に近い程、板材の延びが小さく、長辺Ｒ壁５、短辺Ｒ壁６、及びコーナー壁７と、長辺側壁２との境界線上で内圧による負荷に抵抗することができない。そのため、内圧を板材の延びにより吸収することができず、その境界線部分において板材の破壊が起こる。

特に、長辺Ｒ壁５とコーナー壁７とに囲まれた長辺側壁２の隅部分（図３（Ｂ）参照）は、著しい加工硬化で側壁の伸びが期待できない部分である。この部分は、各壁の板厚の違いと加工硬化のアンバランスから、内圧に対する耐力の断層が顕著に現れ、その部分から破壊が始まる。図２、図３では、そのような破壊された部分を符号２０で示している。

電池缶１に内圧をかけて、電池缶１の破壊に至るまでのメカニズムを検証した結果、長辺Ｒ壁５及び短辺Ｒ壁６と、長辺側壁２、短辺側壁３、及びコーナー壁７との間の鉢巻状の境界領域（以下、Ａ線という）上で 破壊することが確認された。

この破壊現象の最大の原因は、先に述べた様に、内圧に対する耐力の断層（Ａ線）に起因している。なお、長辺側壁２及び短辺側壁３と、長辺Ｒ壁５及び短辺Ｒ壁６の内側の表面を形成している曲面の曲率半径ｒを単に大きくしても、上記の問題は解決できない。

上記の課題に鑑み、本発明では、内圧に対する耐力を向上させた電池缶を提供する。

本発明に係る、四隅がアール形状である長方形の底部と、該底部の各辺から延び出て形成された側面部とを有する有底角筒状の電池缶は、前記底部と前記側面部との境界領域において、前記底部と前記側面部の間に形成される該電池缶の内側におけるコーナー部分の表面形状について、該底部の端部に曲面が形成され、さらに、該曲面から前記側面部へ向かうに従い該側面部の厚みが薄くなるように傾斜面が形成されており、前記底部のなす平面方向と同方向における前記傾斜面の一端から他端までの高さが０．０８〜０．１［ｍｍ］、前記側面部のなす平面方向と同方向における前記傾斜面の一端から他端までの高さが１．５〜２．０［ｍｍ］であることを特徴とする。

また、前記電池缶の材質は、アルミニウムであることを特徴とする。また、前記内径を成す表面の形状は、テーパー形状または略テーパー形状であることを特徴とする。また、発明にかかる電池缶は、電池の外装部分に用いられる。

本発明に係る、プレス加工にて一枚の金属板から、四隅がアール形状である長方形の底部と、該底部の各辺から延び出て形成された側面部とを有する有底角筒状に成型される電池缶の製造方法は、前記底部と前記側面部との境界領域において、前記底部と前記側面部の間に形成される該電池缶の内側におけるコーナー部分の表面形状について、該底部の端部に曲面を形成すると共に、該曲面から前記側面部へ向かうに従い該側面部の厚みが薄くなるように、前記プレス加工を行い、前記底部のなす平面方向と同方向における前記傾斜面の一端から他端までの高さが０．０８〜０．１［ｍｍ］、前記側面部のなす平面方向と同方向における前記傾斜面の一端から他端までの高さが１．５〜２．０［ｍｍ］であることを特徴とする。

本発明を用いることにより、内圧に対する耐力を向上させることができるので、安全弁の作動圧より低い圧力で電池缶が破壊するのを防止することができる。

本実施形態では、電池缶１の破壊を改善するために、内圧に対する耐力の断層に注目し、その断層の線上の局所に集中する力を分散させる。
図４は、本実施形態における電池缶の底部のコーナー付近の外観の一部を拡大した斜視図である。同図は、図３（Ｂ）の部分に対応する部分である。従来の鉢巻状のＡ線の上方に、略平行に鉢巻状のＢ線を設ける。このＡ線及びＢ線の詳細は、図５で説明する。

図５は、図４の拡大部分Ｍの断面図である。図５は、図２に対応するものである。従来の鉢巻状のＡ線から上方に所定の高さにある鉢巻状の境界領域を、以下ではＢ線という。そして、Ａ線とＢ線の同鉢の間に耐力の断層を和らげる緩和領域Ｄを設ける。

この緩和領域Ｄの特徴は、内側壁の曲面を形成している曲率半径の成す円の中心Ｃ_rを、図２の中心Ｃ_rの位置より電池缶１の内部方向に移動させてその曲面を形成し、その移動した曲面の端部（Ａ線）と長辺側壁２の端部（Ｂ線）とをテーパー２７で結んだり、または大きく滑らかな曲面２８を形成するように大きい曲率半径で結んだりしたことである。

すなわち、長辺側壁２の板厚を連続的に変化させて、長辺Ｒ壁５及び短辺Ｒ壁６とつなげるために、Ａ線部分からＢ線部分の間の内側方向にある壁面を、テーパー２７または連続的な滑らかな曲面２８（略テーパー形状）とする。このようにすることで、耐力の断層に集中してかかっていた負荷をそのテーパー２７全面またはその曲面２８の全面に分散させることができるので、領域Ｄから発生する破壊現象を改善される。

なお、Ｒ＝１．０［ｍｍ］、ｒ＝０．６［ｍｍ］、長辺側壁２の板厚＝０．２［ｍｍ］、短辺側壁３の板厚＝０．２［ｍｍ］、底壁４の板厚＝０．５［ｍｍ］の電池缶１の場合、Ａ−Ｂ間の距離（符号２５）（以下、テーパーの高さという）は１．５〜２．０［ｍｍ］、符号２６で示す幅（以下、テーパーの幅という）は０．０８〜０．１［ｍｍ］の範囲内にあるのが好ましい。

次に、本実施形態における電池缶の製造方法について説明する。本実施形態における電池缶は、プレス成型により成型される。プレス成形とは、ポンチとダイス等の一対の型（多くの場合、金型）で金属板を挟圧して所望の形状に成形することをいう。

まず、円（楕円）形状の厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板材を、一対の絞りポンチとダイスとを用いてプレス加工し、有底角筒形状の外装缶を成形する。このとき、プレス加工を複数回行うことにより、徐々に成型していくが、最後の数回（例えば、最後の１回、２回）のプレス成型において、絞りポンチの先端の形状に所定の傾斜（または滑らかな球面）を設けておく。そうすることにより、その絞りポンチでプレスされ、その傾斜により加圧された部分には、テーパー２７（または曲面２８）が形成されている。

このようにすることで、プレス加工にて一枚の金属板から有底筒状に成型される電池缶１は、その底部（４）の内表面の端部と前記筒部（２または３）の内表面の端部とが隣接して曲面を有するコーナー部分（緩和領域Ｄと曲率半径ｒの曲面より成る）の内径（２７または２８）が、該底部より離れるに従い、大きくなる。このようにすることで、耐力の断層に集中してかかっていた負荷をそのテーパー２７の全面またはその曲面２８の全面に分散させることができるので、領域Ｄから発生する破壊現象を改善される。

以下では、テーパー２７を使用した電池缶に関しての実施例について説明する。

以下では、本実施形態にかかる電池缶と従来設計製品との破壊強度の比較を行った。
図６は、本実施例における破壊強度測定方法を説明するための図である。本実施例では、縦４１［ｍｍ］、横４０［ｍｍ］、高さ４．９［ｍｍ］のアルミニウム製の電池缶を用いた。同図に示すように、ストロー状の加圧口３１の付いた金属性カバー３０を電池缶１の上部の開口部に溶接することにより、その電池缶１を密閉する。次に、その密閉された電池缶１に増幅圧縮エア３２を加圧口３１より注入して、電池缶１の内圧を上昇させ、電池缶１が破壊した時の圧力を測定する。

図７は、本実施例における電池缶の測定条件を示す。本実施例では、Ｒ＝１．０［ｍｍ］、ｒ＝０．６［ｍｍ］、短辺側壁３の板厚が０．３［ｍｍ］、コーナー壁７の板厚が０．４［ｍｍ］、長辺側壁２の板厚が０．２［ｍｍ］の本実施形態にかかる電池缶及び従来製品を用いて比較測定を行った。さらに、本実施形態にかかる電池缶は、テーパーの高さ１．６８［ｍｍ］、テーパーの幅０．０８［ｍｍ］からなるテーパー２７が底部４のコーナー付近に形成されている。

この比較は本実施形態にかかる電池缶と、従来製品とをそれぞれ５回ずつ試行した。この結果を、表１に示す。なお、従来製品については参考として長辺側壁２の板厚が０．２２［ｍｍ］としたものを記載している。

表１より、従来製品（板厚０．２［ｍｍ］）の破壊強度は、平均値８．３［Ｋｇｆ／ｃｍ²］であるのに対して、本実施形態にかかる電池缶では平均値２８．５［Ｋｇｆ／ｃｍ²］である。したがって、本実施形態にかかる電池缶の方が約３．４倍の内圧にも耐えられることが分かる。

そして、両者の破壊した箇所を比較してみても、従来製品は底部付け根が破壊されているのに対して、本実施形態にかかる電池缶は胴体部が破壊されており、内圧に対する耐力の断層部分の破壊は生じていない。これは、板厚を０．２２［ｍｍ］とより厚くした従来製品に匹敵する結果である。

なお、内圧による胴体部の破壊は、材料の延び現象の後に発生する。胴体部の材料の延びは、比較的高く安定していて、計算により耐力の予測を行うことができる。一方、底部付け根の破壊は、集中的な内圧を受けることにより生じるため、胴体部の破壊強度に比較し、その破壊強度は著しく低く、予測することが困難である（予測不能致命的破壊）。

この結果より、本実施形態にかかる電池缶は、従来製品と同等の外形及び板厚であるにもかかわらず、従来品よりも破壊強度は向上していることを確認することができる。
なお、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。また、実施例ではアルミニウム製の電池缶を用いたが、材質はこれに限定されず、例えば、金、銀、銅、白金、真鍮、鉄、ステンレス、チタン、ニッケル、マグネシウム、セラミック、ガラス等の無機材料またはこれらの組み合わせでもよい。また、材質は、エンジニアプラスチック等の高分子有機材料、またはこれらの組み合わせでもよい。また、電池缶に限定しなくても、内圧がかかり、かつ、スリム化及び軽量化の必要のあるあらゆる成型品に利用することができる。

また、本実施形態では、有底角筒状の電池缶について説明したが、これに限定されず、例えば、円筒状、多角筒状の電池缶に用いてもよい。
また、本実施例では、テーパー２７に関する実施例について説明したが、曲面２８の場合でも同様の効果を得ることができる。

以上より、本発明を用いることにより、内圧に対する耐力を向上させることができるので、安全弁の作動圧より低い圧力で電池缶が破壊するのを防止することができる。また、本発明は、年々、性能の向上が求められ、板厚が薄くなる傾向にある電池缶に対して、益々有効な工法デザインである。

一般的な電池缶の外観構成を示す。 図１の部分Ｋの拡大図である。 プレス加工による電池缶１の外形の形成を示す。 本実施形態における電池缶の底部のコーナー付近の外観の一部を拡大した斜視図である。 図４の拡大部分Ｍの断面図である。 本実施例における破壊強度測定方法を説明するための図である。 本実施例における電池缶の測定条件を示す。

符号の説明

１ 電池缶
２ 長辺側壁
３ 短辺側壁
４ 底壁
５ 長辺Ｒ壁
６ 短辺Ｒ壁
７ コーナー壁
２７ テーパー
２８ 滑らかな曲面

Claims (4)

1. 四隅がアール形状である長方形の底部と、該底部の各辺から延び出て形成された側面部とを有する有底角筒状の電池缶であって、
   前記底部と前記側面部との境界領域において、前記底部と前記側面部の間に形成される該電池缶の内側におけるコーナー部分の表面形状について、該底部の端部に曲面が形成され、さらに、該曲面から前記側面部へ向かうに従い該側面部の厚みが薄くなるように傾斜面が形成されており、
   前記底部のなす平面方向と同方向における前記傾斜面の一端から他端までの高さが０．０８〜０．１［ｍｍ］、前記側面部のなす平面方向と同方向における前記傾斜面の一端から他端までの高さが１．５〜２．０［ｍｍ］であることを特徴とする電池缶。
2. 前記電池缶の材質は、アルミニウムである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池缶。
3. 請求項１または２に記載の電池缶を用いた電池。
4. プレス加工にて一枚の金属板から、四隅がアール形状である長方形の底部と、該底部の各辺から延び出て形成された側面部とを有する有底角筒状に成型される電池缶の製造方法であって、
   前記底部と前記側面部との境界領域において、前記底部と前記側面部の間に形成される該電池缶の内側におけるコーナー部分の表面形状について、該底部の端部に曲面を形成すると共に、該曲面から前記側面部へ向かうに従い該側面部の厚みが薄くなるように、前記プレス加工を行い、
   前記底部のなす平面方向と同方向における前記傾斜面の一端から他端までの高さが０．０８〜０．１［ｍｍ］、前記側面部のなす平面方向と同方向における前記傾斜面の一端から他端までの高さが１．５〜２．０［ｍｍ］であることを特徴とする電池缶の製造方法。