JP4631245B2

JP4631245B2 - 角形電池

Info

Publication number: JP4631245B2
Application number: JP2002328974A
Authority: JP
Inventors: 真介福田; 俊治北川; 幸司齋藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: JP2004164978A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半殻体に形成された本体ケースの開口部を蓋板によって封口した電池ケース内に発電要素を収容した扁平形状の角形電池に関し、特に、この電池ケース構造に適した安全弁構造を設けたことを特徴とするものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機やＰＤＡなどの携帯電子機器は、高機能化と共に小型化、薄型化の進展が著しく、それに適用する電池に小型、薄型にして高エネルギー密度であることが要求され、これに対応する電池として扁平角形のリチウムイオン二次電池が広く用いられている。この扁平角形の電池に適用される電池ケースは、深絞り加工によって有底角筒形状に形成された電池缶と、その開口端を閉じる封口板とによって構成され、電池ケース内に極板群および電解液からなる発電要素が収容されている。
【０００３】
電池の薄型化を達成するためには、前記電池缶をより狭い幅の角筒に深絞りする必要があるが、加工方向の深さに対して開口面積が小さくなるほどに加工が困難となり、深絞り加工による電池缶の薄型化には限度がある。また、幅が狭く深い筒状に形成された電池缶に極板群を挿入することも、薄型化して開口面積が小さくなるほどに困難になる。
【０００４】
従って、薄型化に限度がある角形電池の更なる薄型化を図るためには、電池ケースの構造を変える必要があり、半殻体に形成された本体ケースと、この本体ケースの開口部を閉じる平板もしくは半殻体に形成された蓋板とによって電池ケースを形成した電池が開発されている。
【０００５】
例えば、図７に示すように、上カップ１内に極板群を収容し、その開口部を下カップ２によって封口した角形電池が知られている（特許文献１参照）。この電池ケース構造では、浅い絞り加工によって発電要素を収容する凹部を形成することができるので、電池ケースの製造は容易である。
【０００６】
二次電池が外部短絡や過充電、高温環境に曝されて高温になると、正負極活物質と電解液との反応や電解液の分解、気化が生じ、それらは発熱を伴うために反応が加速されてガスが発生し、内圧の上昇により電池ケースに膨らみを生じさせ、破裂に至る恐れがある。破裂は電池を装填した機器に損傷を与えるだけでなく、電池ケースやケース内の内容物を飛散させて危険を伴う。破裂を防止するためには、破裂に至る以前に異常上昇した内圧を外部放出させる必要があり、安全弁構造が設けられる。上記従来例電池では、上カップ１又は下カップ２の板厚を部分的に薄くした安全弁２ｂが形成されている。
【０００７】
また、角形電池の安全弁構造として、電池ケースを内面側に樹脂フィルムを接着した金属板によって形成し、本体ケースの底面に金属板を貫通させた切り込みを形成して、これを安全弁とした構成が知られている（特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２５０５１７号公報（第２〜４頁、図１）
【０００９】
【特許文献２】
特開平０７−２１１３００号公報（第２〜３頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
安全弁は、電池内圧が異常上昇したとき確実に作動するように構成することが必要であるため、異常内圧の影響を最も受けやすい部位に設け、破裂に至る以前に確実に内圧を外部に放出できることが要求される。しかし、上記従来例電池に設けられた安全弁は、安全弁構造として要求される要件を満たしているとはいえず、半殻体に形成された本体ケースの開口部を蓋板で閉じる構造に形成された電池ケースを用いた角形電池に適した安全弁構造が求められている。
【００１１】
また、安全弁が作動したときには、電池ケース内に収容された電解液が飛散し、極板群が飛び出すこともあり、電池を装填した機器に汚損、損傷を与えることになる。従来の安全弁構造を備えた電池において、安全弁が作動したときの被害を防止することは考慮されていなかった。また、安全弁が作動したとき、安全弁形成部分の金属片が外方に突出すると、電池を被覆している外装フィルムを破断させ、電解液の飛散や極板群の飛び出しが広範囲に広がることになる。
【００１２】
本発明が目的とするところは、半殻体ケースを蓋板で閉じる構造の電池ケースを用いた角形電池に適した安全弁構造を備え、安全弁が作動したときの被害を抑制する構造を備えた角形電池を提供することにある。
【００１３】
上記目的を達成するための本発明は、四角形の半殻体に形成された本体ケースの開口部に蓋板の周辺部を溶接することによって本体ケース内が封口された電池ケース内に発電要素が収容されてなる角形電池であって、前記蓋板は、前記本体ケースより厚さの薄い金属板材が適用され、前記蓋板の中央部には、前記本体ケース側に向けて窪みが形成され、前記窪みの直角コーナー部分には、前記直角コーナーの角度を２分する４５度方向に線状の薄肉部が形成されてなることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、電池ケースの内圧が異常上昇したとき、広い平坦面を有する本体ケースの底面及び蓋板は球状に膨らみが発生する。特に、その影響を最も受けやすい蓋板はより膨らみが生じやすくなる。四角形の面に膨らみが生じたとき、直角コーナーの角度を２分する４５度方向は板面が変形して破断が発生しやすい状態になるので、その線上に薄肉部を形成して、これを安全弁とすることにより、内圧が異常上昇したとき、薄肉部から破断して内圧が外部放出されるので、電池の破裂が防止される。
【００１５】
上記構成において、薄肉部は、前記直角コーナーの角度を２分する４５度方向の線状部と、線状部からその延長方向と異にする方向に直線状または孤状に延出する延出部とを設けて形成することにより、内圧の異常上昇に伴って薄肉部が破断したときの開口面積が大きくなり、内圧の外部放出が円滑になされる。
【００１７】
また、薄肉部を被覆して前記窪みに吸液性のシートを配置することにより、薄肉部が破断して破断部分から噴出した電解液を吸液して外部に飛散することを防止し、電解液の染み出しを遅らせることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る角形電池の外観形状を示すもので、リチウムイオン二次電池として構成されたものである。この角形電池は、図２に示す電池本体２０と、それを被覆する外装体３０とによって構成されている。
【００２２】
電池本体２０は、図３に各構成要素に分解して示すように、半殻体に形成された本体ケース１１と、その開放部を閉じる蓋板１２とにより電池ケース１０が構成されており、本体ケース１１の凹部１５内に極板群１４を収容し、本体ケース１１に形成されたフランジ部１３に蓋板１２の周囲を溶接して本体ケース１１の開口部を蓋体１２で封止するように構成されている。
【００２３】
前記本体ケース１１は、金属板をプレス加工して一端側に絞り深さを小さくした段差部１６を設けて凹部１５を形成すると共に、凹部１５の周囲にフランジ部１３を設けて形成される。前記段差部１６は正極及び負極の外部接続端子を形成する部位で、ここでは段差部１６に形成された端子孔１７に下ガスケット１８で本体ケース２と絶縁すると共に気密性を確保してリベット１９によりＰＴＣユニット２６を段差部１６の外面上に固定している。
【００２４】
前記ＰＴＣユニット２６は、図６に示すように、ＰＴＣ導電性ポリマ３３ａの両面に上電極３３ｂと下電極３３ｃとを接合したＰＴＣ素子３３をＰＴＣホルダ３４内に収容し、上ガスケット３５によって段差部１６と絶縁してワッシャ３７を介して前記リベット１９を締結することにより段差部１６上に固定され、前記ＰＴＣホルダ３４の開口部にホルダプレート３６を溶接したものである。ホルダプレート３６は、ここでは正極外部接続端子を構成する。尚、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子３３は、過電流や過熱により温度上昇して素子温度が所定温度に達すると急激に抵抗値が上昇するデバイスであり、平常時は僅少な抵抗値で通電回路の電力損失は低く抑えられ、所定温度に達したときには抵抗値が１０の４乗から６乗にも急上昇するので、外部短絡が生じたときに温度上昇して短絡電流を抑え、電池を外部短絡から保護する。
【００２５】
前記本体ケース１１の凹部１５内には、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平に巻回された極板群１４が収容される。極板群１４は最外周が負極板となるように巻回され、その巻回方向は、段差部１６からその対向辺に向く方向であり、巻き終わり端が段差部１６側になるようにして、正極板及び負極板それぞれの巻き終わり端から正極リード２１、負極リード２２が引き出される。この極板群１４を正極リード２１及び負極リード２２が引き出された側を前記段差部１６側にして凹部１５内に収容すると、極板群１４から引き出された正極リード２１の先端部は前記リベット１９上に位置し、負極リード２２の先端部分は段差部１６上に位置するので、正極リード２１はリベット１９に、負極リード２２は段差部１６にそれぞれ接合される。
【００２６】
極板群１４を収容した本体ケース１１の開口部上に蓋板１２を被せ、フランジ部１３と蓋板１２とをそれぞれの外縁端が一致するように位置決めして、蓋板１２の周辺部とフランジ部１３との間を溶接する。
【００２７】
蓋板１２は本体ケース１１に用いる金属板材の厚さより薄い金属板材が適用され、図示するように中央部に浅い窪み２３を形成して、極板群４の膨張、あるいは内圧の上昇により電池ケース５０に膨らみが生じたとき、膨らみを窪み２３の形成深さ内で吸収して、角形電池としての全体厚さに変化が生じないようにしている。また、窪み２３内の直角コーナー部位には略４５度方向に薄肉部２４が形成されている。前記薄肉部２４は、略４５度方向の線上を刻印、スクライブ等によって板厚を部分的に薄くしたもので、これを安全弁とする。
【００２８】
また、前記窪み２３内には、吸液性又は吸液性且つ難破断性を有する吸液シート２７が薄肉部２４を被覆して配置される。
【００２９】
蓋板１２とフランジ部１３との間の溶接は、レーザ溶接、電子ビーム溶接、シーム溶接、超音波溶接などの方法を適用することが可能であるが、ここでは、板厚の薄い蓋板１２側からレーザ照射してレーザ溶接し、極板群１４を収容した凹部１５内を封止する。
【００３０】
封止された凹部１５内には、段差部１６に形成された電解液注入口２８から所定量の電解液が注入され、注入完了後に電解液注入口２８には封栓２９が挿入され、段差部１６に封栓２９を溶接することにより凹部１５内は密封される。
【００３１】
上記のように形成された電池本体２０には、図５に示すように、樹脂成形によって形成された樹脂カバー２５が被せられ、樹脂フィルム３８を巻着することにより、図１に示した角形電池に形成される。
【００３２】
前記樹脂カバー２５には、段差部１６の外面上に固定されたＰＴＣユニット２６のホルダプレート３６上に開口する正極端子窓３１と、本体ケース１１底面の段差部１６が形成されていない部位上に開口する負極端子窓３２とが形成され、正極端子窓３１及び負極端子窓３２の部分には、前記樹脂フィルム３８が巻着されないように切り欠きが形成されているので、正極端子窓３１から正極外部接続端子となるホルダプレート３６が外部露出し、負極端子窓３２から負極外部接続端子となる本体ケース１１が外部露出するので、外部接続の用に供することができる。
【００３３】
上記構成になる角形電池は、極板の膨張や通常使用における内圧上昇が生じたとき、板厚が本体ケース１１より薄く形成された蓋板１２に膨らみが生じるが、蓋板１２に窪み２３が形成されていることにより、膨らみを窪み２３の形成深さ内で吸収して、角形電池全体の厚さに変化が生じないようにする。
【００３４】
通常使用における膨らみは窪み２３で吸収することができるが、角形電池が高温環境に曝されたり、過充電や外部短絡等によって温度上昇し、それに伴って内圧が異常上昇したとき、蓋板１２は窪み２３の深さを越えるまでに球状に膨らみが生じる。このとき、四角形の面が球状に膨らむので、四角形の直角コーナー部位の略４５度方向には大きな変形が及び、その変形の大きな部分に線状に薄肉部２４が形成されているので、異常内圧による膨らみにより薄肉部２４から破断して異常内圧を外部放出する。従って、薄肉部２４は、異常上昇した内圧によって角形電池が破裂することを防止する安全弁の作用をなす。
【００３５】
薄肉部２４は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、薄肉部２４を形成する直線部分からその延長方向を異にする方向に直線状または弧状に延出する部分を形成した薄肉部２４ａ〜２４ｃに形成することにより、破断時の開口面積が大きくなり、内圧の外部放出が円滑になされる。
【００３６】
薄肉部２４が破断して異常内圧が外部放出されたとき、ガスと共に電解液も破断部位から噴出する。電解液は導電性であり、噴出した電解液が角形電池を装填した機器に付着すると短絡を発生させる恐れがあり、機器を汚損させることにもなる。これを防止するために、窪み２４内に吸液シート２７が配置されており、噴出した電解液の飛散を防止すると共に、電解液を吸収して機器側に染み出すことを防止し、漏出量が多いときにも染み出す速度を遅らせることができる。
【００３７】
また、破断した薄肉部２４から極板群１４が飛び出したり、破断して外方に突出した金属片が樹脂フィルム３８を破壊する恐れもあるが、これを防止するために、吸液シート２７を吸液性且つ難破断性を有するシートで形成することが効果的である。
【００３８】
以上説明した実施形態の構成においては、本体ケース２と蓋板３の材厚が異なるようにして変形強度に差があるようにしているが、本体ケース２を構成する板材の剛性が蓋板３を構成する板材の剛性より大きくなるようにしても、本体ケース２の変形強度の方が大きくなるように構成することができ、変形圧力が加わったときに蓋板３側を変形させ、本体ケース２の変形を抑制することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、四角形半殻体に形成された本体ケース内に極板群を収容して蓋板によって封口した構造の角形電池に適した安全弁構造が形成されるので、外部短絡や過充電等の原因によって内圧の異常上昇が生じたとき、確実に異常内圧を外部放出して角形電池の破裂を防止することができる。また、異常内圧を外部放出したときに噴出する電解液や極板群の飛び出しを防止することができるので、安全弁が作動したときに角形電池が装填された機器に損傷や汚損を与えることが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る角形電池の外観形状を示す斜視図。
【図２】同上角形電池を構成する電池本体の外観形状を示す斜視図。
【図３】電池本体の構成を示す分解斜視図。
【図４】薄肉部の変形例を示す部分平面図。
【図５】角形電池の構成を示す分解斜視図。
【図６】ＰＴＣユニットの構成を示す断面図。
【図７】従来技術に係る角形電池の構成を示す分解斜視図。
【符号の説明】
１０電池ケース
１１本体ケース
１２蓋板
１３フランジ部
１４極板群
１５凹部
１６段差部
２０電池本体
２４薄肉部
２７吸液シート
３８樹脂フィルム

Claims

四角形の半殻体に形成された本体ケースの開口部に蓋板の周辺部を溶接することによって本体ケース内が封口された電池ケース内に発電要素が収容されてなる角形電池であって、
前記蓋板は、前記本体ケースより厚さの薄い金属板材が適用され、
前記蓋板の中央部には、前記本体ケース側に向けて窪みが形成され、
前記窪みの直角コーナー部分には、前記直角コーナーの角度を２分する４５度方向に線状の薄肉部が形成されてなることを特徴とする角形電池。
前記薄肉部は、前記直角コーナーの角度を２分する４５度方向の線状部と、前記線状部からその延長方向と異にする方向に直線状または孤状に延出する延出部とを設けて形成されてなる請求項１に記載の角形電池。
前記薄肉部を被覆して吸液性のシートが前記窪みに配置されてなる請求項１または２のいずれかの請求項に記載の角形電池。