JP4665427B2 - 扁平型密閉電池 - Google Patents

Description

本発明は、リード溶接位置不良を低減可能な封口板を有する扁平型密閉電池に関する。

携帯電話、ＤＳＣを始め、多くの機器のポータブル化に伴ない、駆動用電源である扁平型密閉電池において、小型、軽量、高エネルギー密度化の要望が高まっている。扁平型密閉電池の代表として、リチウムイオン二次電池があり、駆動用電源として注目を浴びている。さらに、電池のサイズも多品種化してきている。

扁平型密閉電池は、一般的に次のような構造をしている。正極板と、負極板とが、セパレータを介して渦巻き状に巻かれた極板群を有している。極板群は、非水電解液とともに有底電池ケース内に収納されている。電池ケースの開口部は、安全弁を有する封口板がレーザーにより溶接され、封口されている。

封口板の中央部には、上部ガスケット、下部ガスケット、およびワッシャが積層されており、リベットによりかしめられている。極板群から延出された２本のリードのうち、一方がワッシャと溶接され、もう一方は天板に溶接されている。ワッシャは、下部ガスケットにより、天板と電気的に絶縁され、リベットとかしめにより接続されている。リベットは、上部ガスケットにより、天板と電気的に絶縁されている。さらに、リベットは、電池外部に露出しており、外部接続端子の役割を担っている。

電池の温度が急激に上昇するような異常時において、電池内部で多量のガスが発生する。この際、電池内部で発生したガスを速やかに電池外部に放出し、電池が破裂したり、発火したりするという危険性を回避する必要がある。

そこで、電池内圧が所定の圧力に達した際に、電池の封口板に設けられた安全弁が破断し、電池内部のガスを速やかに電池外部へ放出することができるようにしている。一般に安全弁は、封口板に設けた孔に、ミクロンオーダーの薄いアルミニウム金属箔が貼り付けられている。

この安全弁の形状として安全弁の長辺が、封口板の長辺と平行に配置されているものが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００１−２５６９４４号公報 特開平１０−２４１６５１号公報

このような従来の扁平型密閉電池の封口板において、安全弁の長辺は、封口板の長辺と平行である。そのため、電池の長辺幅が短くなると、封口板中央から安全弁までの距離が必然的に短くなる。そのため、封口板に積層された下部ガスケットとワッシャが、封口板の孔部に設けた安全弁を塞いでしまい、安全弁を所定の圧力で作動させることが困難となる。したがって、安全弁を塞がないようにするために、安全弁の下に配置される下部ガスケットとワッシャの長さを短くしなければならなくなる。また、極板群から延出された２本のリードの位置は、極板群を渦巻き状に巻く時の精度や、正極板と負極板とセパレータの厚みのばらつきによっては、ばらつくこととなる。そのため、リードをワッシャに溶接する時の溶接位置不良をなくすためには、ワッシャの長さを長くして、リードの溶接代を確保しなければならなくなる。これらの内容を考慮すると、電池の長辺幅が３０ｍｍ以下の短い場合には、リードの溶接代を十分に確保することが困難であるという問題がある。

そこで本発明は、このような従来の課題を解決するもので、長辺幅が短い電池においても、リードの溶接代を十分に確保し、溶接位置不良が少なく、さらに安全弁の信頼性の高い扁平型密閉電池を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、正極板と、負極板とが、セパレータを介して渦巻き状に巻かれた極板群を有し、前記極板群は、非水電解液とともに有底電池ケース内に収納され、前記電池ケースの開口部は、安全弁を有する封口板で封口されている扁平型密閉電池であって、前記安全弁は、直線部とこれに連なる曲線部、または直線部とこれに連なる曲線部の一部が略直線部で形成され、前記安全弁の長辺は、前記直線部を含み、前記封口板の長辺と垂直方向に配置されており、前記安全弁の長辺端面から、前記封口板の短辺端面までの距離が０．５ｍｍ以上であり、安全弁の短辺に対する長辺の比が１．４〜２．２であることが好ましい。

本発明によれば、安全弁の長辺が、封口板の短辺端面より０．５ｍｍ以上の位置に配置され、かつ安全弁の長辺が封口板の長辺と垂直方向に配置されているため、封口板中央から安全弁までの距離が長くとれる。したがって、安全弁下に位置する下部ガスケットとワッシャの長さを十分に確保することが可能になり、リード溶接不良を低減できる。さらには、安全弁の信頼性の高い扁平型密閉電池を提供することができる。

本発明の扁平型密閉電池は、正極板と、負極板とが、セパレータを介して渦巻き状に巻かれた極板群を有し、前記極板群は、非水電解液とともに有底電池ケース内に収納され、前記電池ケースの開口部は、安全弁を有する封口板にてレーザーにより封口されている。

封口板の中央部には、上部ガスケット、下部ガスケット、およびワッシャが積層されており、リベットによりかしめられている。極板群から延出された２本のリードのうち、一方がワッシャと溶接され、もう一方は天板に溶接されている。ワッシャは、下部ガスケットにより、天板と電気的に絶縁され、リベットとかしめにより接続されている。リベットは、上部ガスケットにより、天板と電気的に絶縁されている。さらに、リベットは、電池外部に露出しており、外部接続端子の役割を担っている。

安全弁は、直線部とこれに連なる曲線部、または直線部とこれに連なる曲線部の一部が略直線部で形成されている。

安全弁の長辺は、封口板の長辺と垂直方向に配置され、前記安全弁の長辺端面から、前記封口板の短辺端面までの距離が０．５ｍｍ以上である。

安全弁をこのように配置することにより、封口板中央から安全弁までの距離を長くすることが可能になり、安全弁を塞ぐことなく、下部ガスケットとワッシャの長さを十分に確保することができ、ワッシャに溶接されるリードの幅と位置ばらつきを加味した適正なリードの溶接代を確保することが可能になる。封口板は、電池ケースとレーザーにより封口されるため、レーザーと安全弁が干渉しないために、前記安全弁の長辺端面から、前記封口板の短辺端面までの距離は０．５ｍｍ以上が望ましく、２．０ｍｍ以上がより望ましい。また、封口板の中央部にリベットと上部ガスケットを配置するような電池の場合、天板にはリベットと上部ガスケットが挿入される凹み部が必要となる。安全弁の短辺は排気面積の関係上、１．５ｍｍ以上が望ましい。

また、安全弁の短辺に対する長辺の比は１．４〜２．２の範囲が望ましい。安全弁の短辺に対する長辺の比が１．４より小さくなると、安全弁に圧力をかけた時に生じる応力分布が均一になるため、安全弁の作動圧が急激に大きくなり、安定した作動圧を得ることが困難になる。一方、安全弁の短辺に対する長辺の比が２．２を超えると、安全弁に圧力をかけた時に生じる応力が小さくなり、安全弁の作動圧は大きくなる。そのため、安定した作動圧を得ることが困難になる。したがって、異常時に電池内圧が急激に上昇した場合において、安定した作動圧で確実に安全弁が開き、電池内のガスを速やかに電池外へ放出するためには、安全弁の短辺に対する長辺の比を１．４〜２．２の範囲とすることが望ましい。

前記、リベット、ワッシャには、導電性及び耐腐食性の向上のため、ニッケルメッキを施した鉄やステンレス鋼が望ましい。天板には、溶接性、加工性からアルミニウム金属、アルミニウム合金が望ましい。上部ガスケット、下部ガスケットには、耐熱性の高い樹脂として、例えば、ペルフルオロアルコキシフッ化樹脂（以下、ＰＦＡと略す）、ポリフェニレンサルファイド（以下、ＰＰＳと略す）が望ましい。

図１に、本発明の一実施例である扁平型密閉電池の概略縦断面図を示す。図２に、図１の平面図を示す。図３に、天板の単品作動圧を測定する圧力検査装置の概略図を示す。

天板１には、厚さ１ｍｍのアルミニウム平板状蓋板にアルミニウム箔が圧着されたクラッド板を使用した。安全弁７は、安全弁用穴部８と、その下部に圧着されたアルミニウム箔９により構成される。封口板１０の中央部に、ＰＦＡ製の上部ガスケット２、ＰＰＳ製の下部ガスケット３、ステンレス鋼製のワッシャ４を積層し、鉄製のリベット５によりかしめ加工した。リベット５をかしめることで、リベット５とワッシャ４の電気的接続を確保した。また、上部ガスケット２と下部ガスケット３を積層させることで天板１とワッシャ４の絶縁を確保した。

ケース６に、正極板と、負極板とが、セパレータを介して渦巻き状に巻かれた極板群１１を挿入し、絶縁体１２を挿入した後、正負極のリード溶接を行った。正極リード１３は、天板１にレーザースポット溶接し、負極リード１４は、ワッシャ４にレーザースポット溶接した。正負極リードの幅はともに２．５ｍｍである。

次に、封口板１とケース６とをレーザー溶接し、非水電解液を注液孔から所定量注液した後、封栓１５をレーザー溶接して密閉型電池を作製した。

図２において、安全弁の長辺は、封口板の長辺と垂直方向に配置されており、安全弁の長辺は３．５ｍｍ、短辺は２．０ｍｍである。

電池のサイズは、幅２５ｍｍ、高さ３５ｍｍ、厚み８ｍｍの扁平型密閉電池である。

《実施例１〜４》
図１で説明した安全弁の長辺が、封口板の長辺と垂直方向に配置され、安全弁の長辺端面から、封口板の短辺端面までの距離が表１に示す０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの封口板を組み立て、扁平型密閉電池を各５０００セル作製した。

《比較例１》
安全弁の長辺を、封口板の長辺と垂直に配置し、安全弁の長辺端面から、封口板の短辺端面までの距離が０．２ｍｍの封口板を組み立て、扁平型密閉電池を５０００セル作製した。

《比較例２》
安全弁の長辺を、封口板の長辺と平行に配置し、安全弁の短辺端面から、封口板の短辺端面までの距離が１．０ｍｍの封口板を、実施例１と同様にして組み立て、扁平型密閉電池を５０００セル作製した。

これらの扁平型密閉電池を作製したが、リード溶接するときに、画像検査を行い、ワッシャにリード溶接可能な範囲から、リードがはみだした電池をリード溶接位置不良として排出した。リード溶接位置不良率は、不良数を作製した電池数で割ることで算出し、その結果を表１に示す。

表１の結果から、実施例２の電池は、比較例２の電池に比べ、リード溶接位置不良数およびその不良率が少なかった。比較例２の安全弁の長辺が封口板の長辺と平行方向に配置された封口板の場合、安全弁の長辺が封口板の長辺と垂直方向に配置された封口板と比較して、リードの溶接代を十分に確保することが困難であった為である。

また、比較例１の電池のように、安全弁の長辺端面から、封口板の短辺端面までの距離が０．２ｍｍと短い場合、ケースと封口板をレーザーで溶接したときに、レーザーが安全弁に干渉してしまい、扁平型密閉電池を作製することができなかった。実施例１〜４の電池のように、安全弁の長辺端面から、封口板の短辺端面までの距離が０．５ｍｍ以上である場合には、レーザーが安全弁に干渉することなく、扁平型密閉電池を作製することができた。このことから、安全弁の長辺端面から封口板の短辺端面までの距離は、０．５ｍｍ以上が望ましいことが明らかになった。

《実施例５〜１１》
安全弁の長辺が、封口板の長辺と垂直方向に配置され、安全弁の長辺端面から、封口板の短辺端面までの距離を１．０ｍｍと固定した封口板を用いた。さらに、安全弁の短辺を２．０ｍｍと固定し、安全弁の長辺の寸法を変えることにより、安全弁の短辺に対する長辺の比が表２に示す１．２〜２．８の封口板を作製した。

このようにして作製した封口板の安全弁の作動圧を、図３の圧力検査装置を用いて測定した。封口板を一対の弾性体１６、１７を用いて上下より挟み付けて気密を確保し、高圧空気源１８から弾性体を通じて安全弁に加える高圧空気を０．００３ＭＰａで徐々に昇圧させていき、安全弁が破断した際の圧力センサーの指示値を作動圧として計測した。作動圧の測定は、実施例ごとに１００個行なった。その結果を表２に示す。

表２の結果から、安全弁の短辺に対する長辺の比が１．４より小さくなると、安全弁に圧力をかけた時に生じる応力分布が均一になる。そのため、安全弁の作動圧が急激に大きくなる傾向にあり、作動圧の平均値が高くなり、標準偏差が大きくバラツキによって電池の破裂に至る場合が考えられる。一方、安全弁の短辺に対する長辺の比が２．２を超えると、安全弁に圧力をかけた時に生じる応力が小さくなり、安全弁の作動圧の平均値が高くなり、標準偏差が大きくバラツキによって電池の破裂に至る場合が考えられる。このことから、安全弁の短辺に対する長辺の比は１．４〜２．２が望ましいことが明らかになった。

本発明による扁平型密閉電池は、リード溶接不良が少なく、安全性の高い扁平型密閉電池を得ることができ、携帯電話、ＤＳＣ、ノートパソコンなどの小型ポータブル機器の駆動用電源として有用である。

本発明の一実施例である扁平型密閉電池の概略縦断面図 図１の平面図 圧力検査装置の概略図

符号の説明

１ 天板
２ 上部ガスケット
３ 下部ガスケット
４ ワッシャ
５ リベット
６ ケース
７ 安全弁
８ 安全弁用穴部
９ アルミニウム箔
１０ 封口板
１１ 極板群
１２ 絶縁体
１３ 正極リード
１４ 負極リード
１５ 封栓
１６、１７ 弾性体
１８ 高圧空気源

Claims (2)

1. 正極板と、負極板とが、セパレータを介して渦巻き状に巻かれた極板群を有し、前記極板群は、非水電解液とともに有底電池ケース内に収納され、前記電池ケースの開口部は、安全弁を有する封口板で封口されている扁平型密閉電池であって、
   前記安全弁は、直線部とこれに連なる曲線部、または直線部とこれに連なる曲線部の一部が略直線部で形成され、
   前記安全弁の長辺は、前記直線部を含み、前記封口板の長辺と垂直方向に配置されており、前記安全弁の長辺端面から前記封口板の短辺端面までの距離が、０．５ｍｍ以上である扁平型密閉電池。
2. 前記安全弁の短辺に対する長辺の比が１．４〜２．２である請求項１記載の扁平型密閉電池。

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