JP4420484B2

JP4420484B2 - 密閉型電池

Info

Publication number: JP4420484B2
Application number: JP08550899A
Authority: JP
Inventors: 拓磨森下; 雅統大木; 修一山下
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: JP2000277067A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に発電要素が収納された有底円筒状の外装缶と、この外装缶の開口部に外部ガスケットを介してかしめ固定された封口体とを有すると共に、この封口体は上記外装缶側から順に封止板と内部ガスケットとを有し、この内部ガスケットを介して上記封止板により端子キャップと防爆弁とが挟持される構造の密閉型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬｉＣｏＯ₂等のリチウム含有複合酸化物を正極材料とする一方、金属リチウム又はリチウムイオンを吸蔵、放出し得る合金又は炭素材料を負極材料とするリチウムイオン電池が、高容量化が可能な電池として注目されている。このようにリチウムイオン電池は優れた性能を有するということから、円筒型形状の密閉型電池等に用いられている。
【０００３】
ここで、上記リチウムイオン電池の具体的な構造は、図５に示すように、内部に発電要素３０が収納された有底円筒状の外装缶３１と、この外装缶３１の開口部に外部ガスケット３３を介してかしめ固定された封口体３２とを有すると共に、この封口体３２は上記外装缶３１側から順に封止板３４と内部ガスケット３５とを有し、この内部ガスケット３５を介して上記封止板３４により端子キャップ３６、防爆弁３７及びＰＴＣ素子３８が挟持される構造となっている。
【０００４】
しかしながら、上記従来の電池では、封口体３２のかしめ固定時に外装缶３１の開口端部を電池内部方向（図中Ａ方向）に押圧する必要があり、これに伴って封止板３４も電池内部方向に押圧されるので、封止板３４が電池内部方向に変形し（たわみ）、封止板３４と内部ガスケット３５との間に隙間４０が形成される。このため、封止板３４に形成されたガス抜き孔４１から進入した電解液が、隙間４０を通って電池外に大量に排出されて、電池外に存在する保護回路等を破損するおそれがある。加えて、内部ガスケット３５と防爆弁３７との間にも隙間が形成されることがあるため、電解液がこの隙間を通って封口体３２内に進入して、封口体３２内のＰＴＣ素子３８を破損するおそれもある。このような不都合は、電池の保存温度が大きく変化するような場合に、特に生じやすくなる。なぜなら、低温では内部ガスケット３５は収縮し、高温では内部ガスケット３５は膨張するため、このようなことを繰り返すと、内部ガスケット３５が徐々に劣化するからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、例え電池の保存温度が大きく変化するような場合であっても、封止板と内部ガスケットとの間及び防爆弁と内部ガスケットとの間に隙間が形成されるのを抑制することにより、電解液が電池外に排出されたり、封口体内に進入したりするのを防止し、これによって、保護回路やＰＴＣ素子の破損を抑制することができる密閉型電池の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１記載の発明は、内部に発電要素が収納された有底円筒状の外装缶と、この外装缶の開口部に外部ガスケットを介してかしめ固定された封口体とを有すると共に、この封口体は上記外装缶側から順に封止板と内部ガスケットとを有し、この内部ガスケットを介して上記封止板により端子キャップと防爆弁とが挟持される構造の密閉型電池において、上記封止板は、電池外部及び／又は内部方向に出っ張り、上記封止板の中心を囲む円周状の凸部を備え、上記内部ガスケットは、上記封止板の凸部が電池外部方向に出っ張る凸部である場合には、上記内部ガスケットの電池内部側に、この封止板の凸部と接する位置において、この凸部に対応した凹部が設けられ、上記封止板の凸部が電池内部方向に出っ張る凸部である場合には、上記内部ガスケットの電池内部側に、この凸部に対応した凸部が設けられ、上記封止板と上記内部ガスケットとの間に隙間が形成されないようになされていることを特徴とする
【０００７】
このように、封止板に電池外部及び／又は内部方向に出っ張る凸部が形成されていれば、封止板のたわみ強度が飛躍的に向上するので、封口体をかしめ固定する際に、封止板が電池内部方向に押圧された場合であっても、封止板が電池内部方向にたわむのが抑制される。したがって、例え電池の保存温度が大きく変化するような場合であっても、封止板と内部ガスケットとの間及び防爆弁と内部ガスケットとの間に隙間が形成されず、この結果、電解液が電池外に排出されたり、封口体内に進入したりするのを防止できるので、保護回路やＰＴＣ素子の破損が抑制される。
また、内部ガスケットが電池外部及び／又は内部方向に出っ張る封止板の凸部の形状に対応するように構成されていなければ、以下の不都合を生じる場合がある。
即ち、凸部が電池外部方向に出っ張る場合には、内部ガスケットに対する押圧力が大き過ぎるため、内部ガスケットの弾性力が十分に発揮されず、しかも内部ガスケットが大きく変形して防爆弁の作動部と接触するため、防爆弁が誤作動するおそれがある。一方、凸部が電池内部方向に出っ張る場合には、内部ガスケットに対する押圧力が小さすぎるため（或いは、押圧力が全く働かないため）、内部ガスケットの弾性力が十分に発揮されない（或いは、弾性力が全く発揮されない）。これに対して、内部ガスケットが凸部の形状に対応するように構成されていれば、内部ガスケットに適切な押圧力が加えられるため、内部ガスケットの弾性力が十分に発揮されると共に、内部ガスケットが大きく変形しないので、防爆弁が誤作動することもない。したがって、安全性の向上を図りつつ、前記の効果が一層発揮される。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記封止板の厚みに対する上記凸部の高さ割合が５０％以上であることを特徴とする。
このように規制するのは、凸部の高さ割合が５０％未満になると、凸部が小さすぎて凸部形成効果が十分に発揮されないからである。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、上記凸部が複数個形成されていることを特徴とする。
このような構成であれば、上記の効果が一層発揮される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１〜図４に基づいて、以下に説明する。
図１は本発明の一例に係るリチウムイオン電池の分解斜視図、図２は本発明電池に用いる封口体の拡大半断面図、図３は本発明電池に用いる他の例に係る封口体の拡大半断面図、図４は本発明電池に用いる更に他の例に係る封口体の拡大半断面図である。
【００１３】
図１に示すように、本発明の一例に係るリチウムイオン電池は、有底円筒状の外装缶５を有しており、この外装缶５内には、アルミニウムから成る芯体にＬｉＣｏＯ₂を主体とする活物質層が形成された正極１と、銅から成る芯体に黒鉛を主体とする活物質層が形成された負極２と、これら両電極１・２を離間するセパレータ３とから成る渦巻き状の発電要素４が収納されている。また、上記外装缶５内には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とが体積比で４：６の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解された電解液が注入されている。更に、上記外装缶５の開口部には、ポリプロピレン（ＰＰ）から成る絶縁性の外部ガスケット２５を介して、封口体６がかしめ固定されており、これによって電池が封口される。
【００１４】
ここで、上記封口体６は、図２に示すように、アルミニウム合金から成り且つガス抜き穴２３を有する封止板９（厚みＬ₁＝０．４０ｍｍ）を有している。この封止板９におけるかしめ代１４と上記ガス抜き穴２３との間には、電池外部方向に出っ張る凸部９ａ（高さＬ₂＝０．０５ｍｍであり、封止板の厚みに対する凸部の高さ割合〔Ｌ₂／Ｌ₁×１００〕は１２．５％）が形成されており、これにより封止板９のたわみ強度を向上させている。
【００１５】
また、封止板９には、ＰＰから成る絶縁性の内部ガスケット１５を介して、アルミニウム合金から成ると共に中央部が略半円球状を成す防爆弁８と、ＰＴＣ素子１２と、ガス抜き穴２４が設けられた端子キャップ７とがかしめ固定されている。上記内部ガスケット１５における上記封止板９の凸部９ａに対応する位置では、当該凸部９ａの形状に対応するように、凹部１５ａが形成されている。この凹部１５ａにより、内部ガスケット１５に適切な押圧力が加えられて、内部ガスケット１５の弾性力が十分に発揮されると共に、内部ガスケット１５が大きく変形しないので、防爆弁８の誤作動を防止しうる。
【００１６】
上記防爆弁８は、封口体内部２０と電池本体部２６（発電要素４が収納されている部位）とを区切るものであり、通常状態では、封止板９と電気的に接続される一方（図中、実線で示す）、過充電時等の異常時に電池内部の圧力が所定値（１０〜２０ｋｇｆ／ｃｍ²）以上になった場合には、封止板９から剥がれて、これにより充電が中止される（図中、二点鎖線で示す）。
【００１７】
尚、前記外装缶５には、負極２と電気的に接続された負極集電タブ１３が接続される一方、前記封口体６の封止板９には正極集電タブ１０が接続され、これにより、電池内で生じる化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換することができる。更に前記発電要素４の上下両端部近傍には、電池内でのショートを防止するための絶縁板１６・１７が配置されている。
【００１８】
ここで、上記構造の非水電解質電池を、以下のようにして作製した。
先ず、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ₂を９０重量％と、導電剤としてのカーボンブラックを５重量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５重量％と、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを混合してスラリーを調製した後、正極集電タブ１０の溶接部位を除き、上記スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔（厚み：２０μｍ）の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にアルミニウム製の正極集電タブ１０（幅：３ｍｍ）を溶接した。
【００１９】
これと並行して、負極活物質としての黒鉛粉末を９５重量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５重量％と、溶剤としてのＮＭＰ溶液とを混合してスラリーを調製した後、負極集電タブ１３の溶接部位を除き、上記スラリーを負極集電体としての銅箔（厚み：１６μｍ）の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にニッケル製の負極集電タブ１３（幅：３ｍｍ）を溶接した。
【００２０】
次に、上記正極１と負極２とをポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータ３（厚み：２５μｍ）を介して巻回して発電要素４を作製した後、この発電要素４を絶縁板１６と共に外装缶５内に挿入し、更に負極集電タブ１３を外装缶５の缶底に溶接した。
【００２１】
その後、防爆弁８、ＰＴＣ素子１２、及び端子キャップ７を、内部ガスケット１５を介して封止板９にかしめ固定して、封口体内部２０を封止した。しかる後、正極集電タブ１０を封口板６に溶接すると共に、ＥＣとＤＭＣとが体積比で４：６の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解された電解液を外装缶５内に注入した後、外部ガスケット２５を介して、封口板６を外装缶５の開口端部にかしめ固定することにより、円筒形の電池を作製した。
【００２２】
尚、封止板９の凸部９ａは、上記実施の形態に示すように電池外部方向に出っ張るような形状に限定するものではなく、例えば、図３に示すように、電池内部方向に出っ張るような形状であっても良い。但し、この場合には、内部ガスケット１５における凸部９ａに対応する位置においては、当該凸部９ａの形状に対応するように、凸部１５ｂを形成するのが望ましい。
【００２３】
また、凸部９ａは１つに限定するものではなく、例えば、図４に示すように、２つ以上設けても良く、更に電池外部方向に出っ張るような形状のものと電池内部方向に出っ張るような形状のものとを並設しても良いことは勿論である。
加えて、封止板９の材質としては上記アルミニウム合金に限定するものではなく、金属アルミニウム、鉄、ステンレス等を用いることも可能である。
【００２４】
また、本発明は上記リチウムイオン電池に限定するものではなく、電解液の漏れを確実に防止する必要性のある電池であれば適用しうることは勿論である。
但し、本発明を上記リチウムイオン電池に適用する場合には、正極材料としては上記ＬｉＣｏＯ₂の他、例えば、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄或いはこれらの複合体等が好適に用いられ、また負極材料としては上記炭素材料の他、リチウム金属、リチウム合金、或いは金属酸化物（スズ酸化物等）等が好適に用いられる。更に、電解液の溶媒としては上記のものに限らず、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの比較的比誘電率が高い溶液と、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフラン、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジオキソラン、２−メトキシテトラヒドロフラン、ジエチルエーテル等の低粘度低沸点溶媒とを適度な比率で混合した溶媒を用いることができる。また、電解液の電解質としては、上記ＬｉＰＦ₆の他、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃等を用いることができる。
【００２５】
【実施例】
〔実施例１〕
実施例１としては、上記発明の実施の形態に示す方法と同様の方法にて作製した電池を用いた。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａ１と称する。
【００２６】
〔実施例２〕
封止板９の凸部９ａの高さＬ₂を０．１０ｍｍ（封止板の厚みに対する凸部の高さ割合〔Ｌ₂／Ｌ₁×１００〕は２５％）とした他は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａ２と称する。
【００２７】
〔実施例３〕
封止板９の凸部９ａの高さＬ₂を０．２０ｍｍ（封止板の厚みに対する凸部の高さ割合〔Ｌ₂／Ｌ₁×１００〕は５０％）とした他は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａ３と称する。
【００２８】
〔比較例〕
封止板９に凸部９ａを形成しない他は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘと称する。
【００２９】
〔実験〕
上記本発明電池Ａ１〜Ａ３及び比較電池Ｘについて、ヒートショック環境試験機にて１００サイクル保存した後、かしめ部からの電解液リーク数と封口体内部への電解液浸透数とを調べたので、それらの結果を表１に示す。
尚、ヒートショック環境試験は、１時間毎に１サイクル、高温側７０℃、低温側−３０℃という条件で、各電池を保存することにより行った。また、試料数は、各電池５０個とした。
【００３０】
【表１】

【００３１】
上記表１から明らかなように、比較電池Ｘではかしめ部からの電解液リーク数と封口体内部への電解液浸透数とが多いのに対して、本発明電池Ａ１〜Ａ３ではかしめ部からの電解液リーク数と封口体内部への電解液浸透数とが減少しており、特に本発明電池Ａ３では極めて減少（或いは全く無い）ことが認められた。
【００３２】
したがって、封止板には、電池外部及び／又は内部方向に出っ張る凸部が設けられていることが望ましく、特に、封止板の厚みに対する凸部の高さ割合〔Ｌ₂／Ｌ₁×１００〕は５０％以上であることが望ましいことがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、例え電池の保存温度が大きく変化するような場合であっても、封止板と内部ガスケットとの間及び防爆弁と内部ガスケットとの間に隙間が形成されるのを抑制することができるので、電解液が電池外に排出されたり、封口体内に進入したりするのを防止でき、これによって、保護回路やＰＴＣ素子の破損を抑制することができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係るリチウムイオン電池の分解斜視図。
【図２】本発明電池に用いる封口体の拡大半断面図。
【図３】本発明電池に用いる他の例に係る封口体の拡大半断面図。
【図４】本発明電池に用いる更に他の例に係る封口体の拡大半断面図。
【図５】従来電池に用いる封口体の拡大半断面図。
【符号の説明】
４：発電要素
５：外装缶
６：封口体
７：端子キャップ
８：防爆弁
９：封止板
９ａ：凸部
１２：ＰＴＣ素子
１５：内部ガスケット
１５ａ：凹部
２５：外部ガスケット

Claims

内部に発電要素が収納された有底円筒状の外装缶と、この外装缶の開口部に外部ガスケットを介してかしめ固定された封口体とを有すると共に、この封口体は上記外装缶側から順に封止板と内部ガスケットとを有し、この内部ガスケットを介して上記封止板により端子キャップと防爆弁とが挟持される構造の密閉型電池において、
上記封止板は、電池外部及び／又は内部方向に出っ張り、上記封止板の中心を囲む円周状の凸部を備え、
上記封止板の凸部が電池外部方向に出っ張る凸部である場合には、上記内部ガスケットの電池内部側に、この封止板の凸部と接する位置において、この凸部に対応した凹部が設けられ、
上記封止板の凸部が電池内部方向に出っ張る凸部である場合には、上記内部ガスケットの電池内部側に、この凸部に対応した凸部が設けられ、
上記封止板と上記内部ガスケットとの間に隙間が形成されないようになされている
ことを特徴とする密閉型電池。
上記封止板の厚みに対する上記凸部の高さ割合が５０％以上である、請求項１記載の密閉型電池。
上記凸部が複数個形成されている、請求項１又は２記載の密閉型電池。