JP4489374B2 - 耐衝撃性充電式の電池セルとその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して充電式電気化学電池セルに関し、より詳細には、このようなセルのための耐衝撃性パッケージングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯可能な電池作動の電子機器は、あらゆる場所に普及している。手持ちのゲーム機から、コンパクトディスクプレーヤー、ラジオ、パーソナルデータアシスタント（ＰＤＡ）、電話器、ポケットベルに渡って、携帯電子機器の少なくとも一台を常に携帯している人と遭遇しないことは稀になりつつある。人々はこれらの機器を、娯楽のため、管理目的のため、他の人々と連絡を保つために携行している。これらの各機器に共通する特徴は、これらは全て携帯性を目的として電池に依存していることである。
【０００３】
電池は、二つの電気的に反対な電極を積み重ねることによって製造される。ここで各電極は、他方の電極と物理的に分離されている。電池に使用する電気化学セルを製造する通常の方法は「ゼリーロール」法として知られており、セルの内部部分を巻き上げてアルミニウム缶の内部に配置することから、古風なゼリーロールケーキに類似しているものである。缶に使用する金属は、軽量で熱特性が良好であることから、アルミニウムが好ましい。ゼリーロール法を理解するために、以下の実施例を検討されたい。
【０００４】
セルは、正極（陽極）と、負極（陰極）と、これら二つの接触を防止する一方で電子を通過させるセパレータとから形成される。図１を参照すると、ここでは典型的な電極層アセンブリの断面側面図が示されている。電極１０は、頂部１４と底部１６とを有するセパレータ１２を備える。セパレータ１２の頂部１４の上に、電気化学的に活性な物質の第一層１８が配置されている。例えば、ニッケル水素電池では、第一層１８は、当業者に周知の金属水素化物電荷蓄積物質（metal hydride charge storage material）の層であり得る。代わりに、第一層１８は、リチウム電池に通常使用されているリチウムまたはリチウムインターカレーション物質であってもよい。
【０００５】
第一層１８の頂部上に、集電層２０が配置されている。集電層は、当業者に周知の多数の金属のうちの任意のものから製造され得る。このような金属の例には、例えばニッケル、銅、ステンレス鋼、銀、およびチタンが含まれる。集電層２０の頂上には、電気化学的に活性な物質の第二層２２が配置されている。
【０００６】
図２および図３を参照すると、充電式セルを形成するためにゼリーロール形態に組み合わされた、図１に示す電極と同様の電極のスタックが図示されている。図２および図３に、上述の電極４０, ６０を提供する。電極４０は、例えば負／正の電気化学物質の二層から製造され、一方、電極６０は、正の電極物質の二層から製造されている。図２に示す帯状の電極４０, ６０を、図３に示すように内端から外端へと巻回させる。そして、巻回された電極４０，６０によりゼリーロール７０が構成される。このゼリーロール７０を図６に示すように立設する。各電極４０, ６０には、集電領域２０が設けられている。集電領域２０は、電流コレクタ上に配置され、電極それ自体と、図２の電極のスタックが挿入され得るセル缶の外側上の端子との間の、電気的接続を可能にする。この実施態様において、集電領域２０は、ゼリーロールの頂部および底部に配置される一方、集電領域は同様に、ゼリーロールの内端および外端にも位置し得ることに留意されたい。
【０００７】
電極４０, ６０は、集電領域２０がスタックの対向する両端部に配置されるように積み重ねられて配置されている。その後、スタックは巻回されて巻回体７０となり、続いて電気化学的セル缶の内部に挿入される。缶は、断面が略楕円形、略四辺形、または略円形であり、単一の開口部および蓋部を有する。これは、通常の家庭用ごみ容器と同様である。
【０００８】
図３を参照すると、図２に示した積み重ね形態の、断面切除図が図示されている。ここで電極４０, ６０は、積み重ねの配向にて図示されている。電極４０は、基体４２、負極活物質の第一層４４、集電層４６、および活物質の第二層４８を備える。第二層４８の直上に、電極６０のセパレータ６２が配置されている。次に、セパレータ６２の直上に活物質の第一層６４が配置され、活物質の第一層の直上に集電層６６が配置され、集電層の頂部上に活物質の第二層６８が配置されている。
【０００９】
この構成を巻き上げて巻回体７０にすると、外側薄層が巻かれて接触し、即ち、電極４０の薄膜基体層４２が巻かれて、電極６０の活物質の第二層６８と接触する。このようにして、薄膜基体層はセパレータとして働き、正電極と負電極とを互いに電気的に絶縁する。さらに、薄膜は多孔質であるため、当業者に周知の電解液などで充填され得る。従って、薄膜は、電解槽（electrolyte reservoir ）およびセパレータの両方の機能を果たす一方、極薄電極層および集電層の堆積（deposition）を可能にする。その結果、容量の非常に大きい極薄の電極が得られる。
【００１０】
ゼリーロールが完成すると、図４に示すように、ゼリーロールを金属缶１２２の内部に挿入する。金属缶１２２は、陰極として機能し得る第一金属コネクタ１２４と、陽極として機能することの可能な第二金属コネクタ１２６とを備える。ゼリーロールに注目すると、セパレータ１３４、第一電極１２８、および第二電極１３６の様々な層が図示されている。所望であれば、構成に依拠して電子または電流コレクタもしくはグリッド１３８を、機器に加えることもできる。電流コレクタ１３８は、一般に、コバルト、銅、金、鉄、マンガン、ニッケル、白金、銀、タンタル、チタン、または亜鉛などの金属から形成される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来、このような金属缶型の電池は、保護回路、充電回路、フューエルゲージ回路などの回路を備えたプラスチック製の電池ハウジング内に挿入されていた。その後、プラスチック製の電池ハウジングは、電子ホスト機器と共に使用されていた。しかしながら、電子機器がより小さなものとなるにつれ、製造者は、関連する電池回路をホスト機器内に塔載することを開始した。従って、金属缶電池は保護的なプラスチック製のハウジングを用いることなく、機器内にて使用されている。
【００１２】
このことにより、上述したように金属缶が概してアルミニウムなどの軟質金属から形成されていることによる問題点が生じる。即ち、金属缶が落下すると、缶は陥没、湾曲、および変形し得る。電池の構造において、陽極と陽極とをセパレータまたは薄膜層によって隔離することが重要であることを、上述から想起されたい。金属缶が湾曲または陥没すると、缶の内部で陽極と陰極とが接触する可能性があり、缶内で短絡状態が形成され得る。短絡状態は、高温を引き起こす高い電流を発生し、電池の信頼度は相当損なわれる。
【００１３】
従って、衝撃を原因とする金属缶の変形によって生じる短絡状態を防止する、改良された金属缶電池アセンブリが必要とされている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ハウジングと、同ハウジング内に配置され、かつ陽極と陰極とを備える電極アセンブリと、同じくハウジング内に配置され、かつ第一表面と第二表面とを有するスペーサであって、第二表面は第一表面よりも小さい面積を有するスペーサとを備え、前記電極アセンブリは、前記ハウジングの全長より少なくとも２％短く、前記スペーサは、前記電極アセンブリと前記ハウジングとの間に配置されていることを要旨とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセルであって、スペーサの挿入によって、スペーサとハウジングの角部との間に少なくとも一箇所の空隙が提供されることを要旨とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のセルであって、前記スペーサは、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ポリカーボネート−ＡＢＳ、スチレン、およびポリスチレンのうちから選択される材料から製造されたことを要旨とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のセルであって、前記第二表面の表面積は、前記第一表面の表面積の８０％未満である電池セルであることを要旨とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のセルであって、スペーサの横断面がＴ形状である電池セルであることを要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載のセルであって、さらに第二のスペーサを備え、該第二のスペーサは、電極アセンブリに対して第一のスペーサと対向する位置に配置され、該第二のスペーサはさらに陰極と陽極との接触を防止することを要旨とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。図面を参照すると、図面を通じて同様の番号は同様の部材を示している。本願の詳細な説明および特許請求の範囲に使用するように、以下の用語は、文脈が明らかに他の意味を指定するのではない限り、本願に明白に関連する意味を有する。一つの（「ａ」、「ａｎ」）、およびその（「ｔｈｅ」）は、複数の参照事項を含み、「内」（「ｉｎ」）は、「内」および「上（ｏｎ）」も含む。
【００２０】
図５を参照して、ＯＥＭ品質認定の慣例において一般的であるように、硬質面上に繰り返し落下させた先行技術による金属缶電池の断面図を示す。例えば、一般的な認定試験において、電池は、約１．５２ｍ（５フィート）の高さからコンクリート面に対して、３０回の落下に耐えるものでなければならない。試験は、試験所にて普通のリチウム−イオン金属缶セルに対して行われた。この試験の結果、５００個中、平均７個の電池が不合格であり、最初の１８回の落下で平均４個が不合格となった。２００ドルの新品の電子手帳を数回落下させただけで使用不能となる事程、消費者を落胆させることはないであろう。図５に示すように、故障は、内部のゼリーロール５０１に損傷５０３を与えた金属缶５００の変形５０２に起因する。上述したように、この損傷５０３は、セル内で短絡を発生させ得る。
【００２１】
図６を参照して、本発明に従ったセルアセンブリ、即ち電極アセンブリを示す。該セルアセンブリは、陰極６０１と陽極６０２とを有する、略楕円筒形状のゼリーロール６００を備える。ゼリーロール６００は、金属缶（図示せず）に構成されるハウジングの内部に挿入され得る。アセンブリは、ゼリーロール６００の一方の端部上に、外部陰極の役割をする第一金属コネクタ６０３と、第一金属コネクタ６０３を陰極６０１に連結させるタブ６０４とを備える。第一金属コネクタ６０３を陽極６０２から隔離するために、絶縁体６０５が備えられている。ゼリーロール６００の一端における平坦な頂部絶縁体は、ザヤツ（Ｚａｙａｔｚ）による米国特許第６，３１７，３３５号に引用されているように、当業者に周知である。
【００２２】
本発明によれば、通常は金属缶の底部に接触するであろうゼリーロール６００が短縮されている。試験結果によると、ゼリーロールの全長６０７は、缶の全長の２％だけ短縮されていることが好ましい。ゼリーロール６００が短縮された後、ハウジング内においてゼリーロール６００の他方の端部である底部にスペーサ６０６が配置される。スペーサ６０６は、第一表面６０８によってゼリーロール６００を完全に支持し、さらに第二表面６０９を介して缶の一部分のみと接触するよう設計されなければならない。このことは、缶の角部とスペーサ６０６との間に空隙を形成する。この空隙を領域６１０として示す。第二表面６０９の表面積は、第一表面６０８の表面積の８０％未満であり得る。
【００２３】
図７を参照すると、先行技術のセル７００の断面図と、本発明に従ったセル７０１の断面図との比較を示す。先行技術のセル７００では、ゼリーロール７０２の端部（底部）は、金属缶７０３の内面に対向して配置される。しかしながら本発明７０１によるセルは、スペーサ７０４が、ゼリーロール７０５の端部と金属缶７０６との間に空隙７０７を形成する。この空隙は、缶がその角部にて落下したときに、金属缶７０６を変形、すなわち「潰れ（ｃｒｕｍｐｌｅ）」させるが、ゼリーロール７０５は損傷を受けない。スペーサ７０４が挿入されているとき、コンクリートへ３０回落下させた結果、電池２５０個中０個が不合格という試験結果を得た。
【００２４】
スペーサは、耐久性を有することから、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、およびポリカーボネートＡＢＳ等の、適切な熱可塑性プラスチックを用いて、射出成形によって製造されることが好ましい。例えば、スチレン、ポリスチレン、または他の熱可塑性プラスチック等の、当業者に知られる他の等価物で代用してもよい。図６に示したセルの値段は、図示したように、スペーサを、クランプルゾーン（衝撃吸収帯）スペーサおよび絶縁体の双方の役割を果たすように設計することによって、低下させることが可能である。
【００２５】
本発明の好ましい実施態様を図示および説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものではないことは明らかである。当業者は、特許請求の範囲に定義する本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、数多くの改良、変更、バリエーション、代替物、および等価物を想定するであろう。例えば、好ましい実施態様において、スペーサは、空隙領域を最大にするために、文字「Ｔ」形状にて構成される。しかしながら、「Ｖ」などを含む他の形状もまた使用され得る。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、衝撃を原因とする金属缶の変形によって生じる短絡状態を防止する、改良された金属缶電池アセンブリが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 先行技術による典型的な電極層アセンブリの断面側面図。
【図２】 先行技術による、充電式セルを形成するためにゼリーロール形態に組み合わされた電極のスタックを示す図。
【図３】 図２に示すスタック形態の断面切除図。
【図４】 金属缶の内部に挿入された、従来技術によるゼリーロールの断面図。
【図５】 OEM 品質認定の慣例（OEM quality and qualification practice) に一般的な、硬質面上に繰り返し落下させた先行技術による金属缶電池の断面図。
【図６】 . 本発明によるセルアセンブリの図。
【図７】 先行技術によるセルおよび本発明によるセルの断面図を比較する図。
【符号の説明】
６０１…陰極、６０２…陽極、６０８…第一表面、６０９… 第二表面、６０６…スペーサ、６１０…空隙

Claims (11)

1. ハウジング（７０３）と、前記ハウジング（７０３）内に配置される電極アセンブリと、前記電極アセンブリと前記ハウジング（７０３）の内部底面との間に配置される第１スペーサ（６０６）とを備える耐衝撃性充電式の電池セルであって、
   前記電極アセンブリは、陽極（６０２）と陰極（６０１）への接続部（６０３）を有する第一端部と、前記第一端部とは反対側の第二端部とを有し、前記第二端部は前記内部底面に対向するように配置され、
   前記第１スペーサ（６０６）は、前記第二端部に接触する第一表面（６０８）と、前記内部底面に向かう第二表面（６０９）とを有し、
   前記電極アセンブリは、前記ハウジング（７０３）の全長より少なくとも２％短く、
   前記電池セルが堅い面に落ちることによる衝撃力によって前記ハウジング（７０３）が湾曲や陥没（５０２）しても前記湾曲や陥没が前記電極アセンブリに到達することを防ぎ、その結果、前記陽極（６０２）と前記陰極（６０１）の短絡を防ぐべく、前記第一表面と前記第二表面と前記ハウジングの間において、前記ハウジングの角部に、前記湾曲や陥没した前記ハウジングの部分を収容するクランプルゾーン（６１０、７０７）を区画形成するように、前記第二表面は前記第一表面の中央から前記内部底面に向かって突出し、前記第二表面は前記第一表面よりも小さく形成されることを特徴とする、耐衝撃性充電式の電池セル。
2. 前記クランプルゾーン（６１０、７０７）は、前記ハウジング（７０３）の角部の少なくとも一箇所に位置する、請求項１記載の電池セル。
3. 前記第１スペーサ（６０６）は、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、ポリカーボネート−アクリロニトリルブタジエンスチレン、スチレン、およびポリスチレンのうちから選択された材料から製造される、請求項２記載の電池セル。
4. 前記第二表面の面積は、前記第一表面（６０８）の面積の８０％未満である、請求項３記載の電池セル。
5. 前記第１スペーサ（６０６）は、前記第一表面と前記第二表面の両方を横切る断面がＴ字状である、請求項４記載の電池セル。
6. 前記電池セルは更に、前記陰極（６０１）が前記陽極（６０２）に接触することを防止すべく前記第一端部に配置された第２スペーサ（６０５）を備える、請求項１記載の電池セル。
7. 請求項１記載の電池セルを有する、電子装置。
8. 前記電子装置は、手持式ゲーム機、コンパクトディスクプレーヤ、ラジオ、パーソナルデータアシスタント、および電話器のうちから選択される、請求項７記載の電子装置。
9. 前記第１スペーサ（６０６）は、前記第一表面と前記第二表面の両方を横切る断面がＶ字状である、請求項１記載の電池セル。
10. 前記第二表面（６０９）は、均一な厚さの前記第１スペーサ（６０６）から、前記電極アセンブリとは反対側に突出する突起物の表面である、請求項１記載の電池セル。
11. 耐衝撃性充電式の電池セルの製造方法であって、前記製造方法は、
    ハウジング（７０３）内に第１スペーサを配置するステップと；
    前記ハウジング（７０３）に更に電極アセンブリを挿入するステップと
    を備え、
    前記第１スペーサは前記電極アセンブリと前記ハウジング（７０３）の内部底面との間に配置され、
    前記電極アセンブリは、陽極（６０２）と陰極（６０１）への接続部（６０３）を有する第一端部と、前記第一端部とは反対側の第二端部とを有し、前記第二端部は前記内部底面に対向するように配置され、
    前記第１スペーサ（６０６）は、前記第二端部に接触する第一表面（６０８）と、前記内部底面に向かう第二表面（６０９）とを有し、
    前記電極アセンブリは、前記ハウジング（７０３）の全長より少なくとも２％短く、
    前記電池セルが堅い面に落ちることによる衝撃力によって前記ハウジング（７０３）が湾曲や陥没（５０２）しても前記湾曲や陥没が前記電極アセンブリに到達することを防ぎ、その結果、前記陽極（６０２）と前記陰極（６０１）の短絡を防ぐべく、前記第一表面と前記第二表面と前記ハウジングの間において、前記ハウジングの角部に、前記湾曲や陥没した前記ハウジングの部分を収容するクランプルゾーン（６１０、７０７）を区画形成するように、前記第二表面は前記第一表面の中央から前記内部底面に向かって突出し、前記第二表面は前記第一表面よりも小さく形成されることを特徴とする、電池セルの製造方法。

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