JP4745589B2

JP4745589B2 - 大型リチウム二次電池用缶体及び大型リチウム二次電池

Info

Publication number: JP4745589B2
Application number: JP2002003587A
Authority: JP
Inventors: 児玉　　克; 勉橋本; 英彦田島; 康一井手
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: JP2003208877A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウム二次電池等の密閉型二次電池に好適に用いられる大型リチウム二次電池用缶体及び大型リチウム二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、リチウム二次電池等の密閉型二次電池の軽量化を図るべく、電池缶の改良が種々報告されている（例えば特許第３０９６６１５号公報参照）。この密閉型二次電池においては、充放電に伴って缶内圧が上昇して缶体が変形すると不都合が生じるので、缶体強度を保ちつつ缶厚みを薄くすることが必要になってくる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では上記リチウム二次電池を大型化してバックアップ電源や電力貯蔵等に用いる計画も進んでいる。しかしながら、上記した従来の電池缶の場合、そもそも携帯電話やパーソナルコンピュータ等の小型機器への搭載が主であるため、例えばアルミニウム缶であれば缶厚みは０．１〜０．２ｍｍ程度である。従って、この電池缶をそのまま大型化しても、充分な缶体強度を得ることは難しい。特に、角型電池の場合、缶側部（胴部）の強度の確保が困難である。一方、大型電池といえども徒に重量が増大することは好ましくないので、缶体の軽量化が必要なことはいうまでもない。
【０００４】
さらに加えて、本発明者らは、密閉型二次電池を大型化すると次のような問題が生じることを見出した。つまり、電池を大型化すると、充放電に伴う電極の膨張や収縮が顕著になるが、かかる場合に電極の自由な膨張を缶体で規制すると、電極からのガスの円滑な放散を妨げたり、あるいは電極や電池内部の損傷が生じる可能性がある。
【０００５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、大型化しても強度と軽量化をともに確保でき、さらには充放電時の電極膨張に起因する不具合を防止できる大型リチウム二次電池用缶体及び大型リチウム二次電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１に記載の大型二次電池用缶体は、アルミニウム合金板により構成される角型のバックアップ電源や電力貯蔵等に用いられる大型二次電池用缶体であって、前記缶体における一の面の厚みは、該一の面に隣接する面の厚みに比べて厚くされているとともに、該一の面には電極端子が設けられており、前記缶体における一の面の非変形耐圧強度は、該缶体に収容される二次電池の充放電で生じる缶内圧以上の０．５ＭＰａ以上であり、該一の面に隣接する面の非変形耐圧強度は、０．１〜０．２ＭＰａであり、前記缶体に０．５ＭＰａの内圧を負荷した場合の、前記缶体における一の面のたわみ率は、０〜３％であり、該一の面に隣接する面のたわみ率は、１０〜２０％であることを特徴とする。
【０００７】
前記缶体の内容積は、２５００ｃｍ³以上であることが好ましい。
【０００８】
本発明の大型リチウム二次電池は、前記大型リチウム二次電池用缶体を用いたことを特徴とする。
前記大型リチウム二次電池において、電極群の積層方向に、前記一の面に隣接する面が対向していることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のバックアップ電源や電力貯蔵等に用いられる大型リチウム二次電池用缶体及び大型リチウム二次電池について、各図を参照して説明する。図１は、本発明に係る大型リチウム二次電池の斜視図である。図２は、本発明に係る大型リチウム二次電池の一部分を破断視した斜視図である。
【００１０】
図１において、缶蓋部２、缶胴部４ａ〜４ｄ、缶底６から二次電池の缶体が構成され、この缶体の外形は、幅１１６ｍｍ×高さ１７９ｍｍ×奥行き６６．５ｍｍの略直方体形状をなしている。なお、この実施形態では、缶胴部４ａ〜４ｄと缶底６は、アルミニウム合金板等をプレス加工して深絞り成形やしごき成形することにより一体形成されている。そして、缶胴部４ａ〜４ｄの周縁に缶蓋部２を接合（レーザ溶接や抵抗溶接等）することにより、缶体が形成されている。又、缶蓋部２には、安全弁１２、正極端子１３、負極端子１４、注液口（封口する）１５が設けられている。
【００１１】
図２は、二次電池の一部分を破断視した斜視図であり、符号１６は、例えばマンガン酸リチウム系材料とされる正極電極板（電極板）、１７は例えば炭素系材料とされる負極電極板（電極板）、１８はセパレータを示す。図に示された通り、正極電極板１６、負極電極板１７は略直立した状態で配置され、セパレータ１８を介して、正極電極板１６，セパレータ１８，負極電極板１７，セパレータ１８，正極電極板１６…の順に複数積層され、電極群１９が形成されている。各正極電極板１６は正極端子１３に接続され、各負極電極板１７は負極端子１４に接続されている。
【００１２】
さらに、電池缶の内部には、例えばエチレンカーボネート＋ジメチルカーボネート等の有機材料とされる電解液が封入されている。電解液の液量は、任意に設定されるが、缶体の内容積に対して２０〜５０パーセント程度（液位は缶高さの９０％程度）とされており、正極電極１６、負極電極１７、セパレータ１８は、電解液に浸漬された状態となっている。
【００１３】
図３は、安全弁１２が設けられた面を示す平面図であり、図１の二次電池においては、缶蓋部２を示す平面図である。安全弁１２は、正極電極板１６（電極板），負極電極板１７（電極板）の積層方向から容器１を視た際に上側となる缶蓋部２の対向する二つの角部に配設されている。また、正極端子１３、負極端子１４は、缶蓋部２の中心部の左右にそれぞれ配設されている。
【００１４】
この二次電池は、例えば定格２７０Ｗｈの単電池であり、複数の（４つの）単電池を直列に接続して、（定格約１ＫＷｈの）モジュールとする。そして、用途に応じて、モジュールを一または複数組み合わせて容量を適宜調節して用いる。また、設置場所のスペースに応じて、図１に示す如く正極端子１３、負極端子１４が設けられた面が上面となるように縦向きに設置される場合と、正極端子１３、負極端子１４が設けられた面が側面となるように横向きに設置される場合とがある。
【００１５】
次に、本発明の大型リチウム二次電池用缶体が強度を確保する機構について、図４を参照して説明する。この図において、缶体を構成する各面のうち上面が缶蓋部２であり、上面に隣接する４つの側面が缶胴部４である。
【００１６】
本発明においては、缶蓋部２（缶体の一の面）の厚みが、缶胴部４（隣接する面）の厚みに比べて厚くなっている。そのため、上面の缶蓋部２はほとんど変形することがなく、この部分では充分な缶体強度を有している。一方、側面の缶胴部４は、缶内圧の上昇等に伴い変形が生じることになるが、変形の大部分は中央部４Ｓで生じ、側面同士の交わる綾（角部）４Ｌでは変形は生じ難くなっている。すなわち、綾４ＬはＬ字形断面になっているので板厚が薄くても所定の強度を保つようになっている。
【００１７】
そして、各綾４Ｌは剛性を有する缶蓋部２に接続しているので、外枠として機能する。そのため、缶体は全体として所定の強度を保持し、内圧で缶が膨張したとしても缶の外形寸法（缶の高さ等）が大きく変化することはない。又、缶体の側面の厚みが比較的薄くなっているので、缶体の各面の厚みが均一な場合に比べて缶を軽量化することができる。
【００１８】
上記した効果を生じさせるためには、缶体の缶蓋部２（一の面）の厚みが、缶胴部４ａ、４ｃ（これに隣接する面）の厚みの２〜５倍であることが好ましい。なお、具体的には、缶体にアルミニウム合金を用いた場合、缶蓋部の厚み２〜５ｍｍ程度、缶胴部の厚み１〜１．５ｍｍ程度とすることができる。
【００１９】
又、缶体の各面の厚みを上述の如く構成するのに変え、以下のように構成しても同様な効果を得ることができる。すなわち、缶体の一の面の非変形耐圧強度を該缶体に収容される二次電池の充放電で生じる缶内圧以上とし、該一の面に隣接する面の非変形耐圧強度を０．１（ＭＰａ）〜０．２ＭＰａとする。ここで、非変形耐圧強度とは、その面に垂直方向から荷重を負荷した場合の、当該面のたわみ率が１％以下であるときの荷重値（圧力）をいう。又、たわみ率とは、缶体に内圧が負荷されないときに互いに対向する面の間隔（缶幅）を基準とし、内圧が負荷されたときの缶幅の増加率である。好ましくは、一の面の非変形耐圧強度を０．５ＭＰａ以上とすると、当該一の面の剛性が高くなり、缶体強度も向上する。又、本発明において以下のような構成としても、上記と同様な作用効果を得ることができる。すなわち、缶体に０．５ＭＰａの内圧を負荷した場合に、一の面のたわみ率を０〜３％とし、一の面に隣接する面のたわみ率を１０〜２０％とする。このようにすると、一の面では缶内圧が上昇してもほとんど撓みが生じないが、隣接する面では適度に撓むよう厚みを薄くでき、軽量化が計られる。
【００２０】
なお、電池、つまり電極が大きくなるほど、充放電に伴う電極の膨張や収縮が顕著になるので、缶体の内容積が２５００ｃｍ³以上である場合に本発明はより有効である。ここで缶体の内容積とは、缶を密閉したときの缶内容積をいい、缶内に収容される電極や電極端子等の容積を含む。
【００２１】
さらに、上記した缶体において、電極群の積層方向に缶胴部（一の面に隣接する面）を対向させた構成とすると、以下の効果が生じる。これについて図５を参照して説明する。図５は、図４のＶ−Ｖ’線に沿う断面図を示す。
【００２２】
この図において、左右方向に正極電極板１６，負極電極板１７、セパレータ１８が積層され、又、正極電極板１６の上端部に突出形成された正極タブ１６ａが集電板１３ａに接続されている。そして、集電板１３ａは正極端子１３の下端部に接続されている。
【００２３】
ここで、通常、充放電に伴う電極反応により電極は膨張する。例えばリチウムイオン二次電池の場合、負極に用いるカーボンはリチウムイオンを吸蔵した際に膨張する。又、充放電時にガスが発生する場合にも電極は膨張する。電極の膨張は、主として電極の積層方向で顕著となるので、電極は図５の左右方向に膨らむことになる。
【００２４】
ところが、缶側面の缶胴部４ａ、４ｃの厚みを厚くして剛性を付与すると、電極の自由な膨張が規制され、電極からのガスの円滑な放散が妨げられることがある。この場合、ガスは電極の上方に上昇して電極上部付近で最も強度が弱い部分、例えば正極タブ１６ａ（又はこれと同様な負極タブ）の突出部と電極端子との接合部分等を破断する虞がある。又、電極の左右方向への膨張が規制されると、その分だけ上下方向への電極の膨張が顕著となり、これによっても上記接合部分が破断する場合もある。さらには、電極の自由な膨張が規制されると電極が局所的に膨張し、電極活物質が電極板から剥離する可能性もある。
【００２５】
そこで、本発明においては、缶胴部４ａ、４ｃの厚みを比較的薄くし、電極の膨張に伴って缶胴部４ａ、４ｃが撓むようにしている。これにより電極の積層方向（図５の左右方向）への自由な膨張を規制することがなく、上記した接合部分の破断や電極の破損を防止することができる。
【００２６】
なお、上記実施形態においては、板厚の厚い缶蓋部（一の面）に電極端子を設けた場合について説明したが、これに限らず、電極端子が缶体のどの面に設けられていてもよい。
【００２７】
【実施例】
１．二次電池の作成
幅１１６ｍｍ×高さ１７９ｍｍ×奥行き６６．５ｍｍの略直方体の外形状を有し、缶底部と一体成形された缶胴部を用意した。この缶胴部に電極群及び電解液を収容した後、缶胴部の開口面に缶蓋部を接合して密閉型二次電池を作成した。缶蓋部には電極端子を設け、電極群上部のタブに接続させた。缶蓋部、缶胴部はいずれもアルミニウム合金からなり、缶蓋部厚み３ｍｍ、缶胴部厚み１ｍｍであった。又、正極電極板はマンガン酸リチウム系材料を活物質とし、負極電極板は炭素系材料を用い、各電極板の間にセパレータを介装したものを複数積層して電極群とした。比較として、缶蓋部、缶胴部の厚みをいずれも２ｍｍとしたことのほかは上記と同様な二次電池を作成した。
【００２８】
２．充放電試験
次に、この二次電池を４．１５Ｖまで３時間充電した後、３．１Ｖまで放電する充放電サイクルを行ったところ、ガスが発生して缶内圧が０．５ＭＰａに上昇した。この状態で缶体の外形寸法を測定するとともに、電池内部の導通状態を測定した。得られた結果を表１に示す。
【表１】

【００２９】
表１から明らかなように、実施例においては、缶重量が軽量化されているとともに、充放電で缶内圧が上昇しても缶の高さ方向の寸法変化は生じていない。又、缶胴部がたわみ率１８％で撓んだ結果、電池内部の導通状態は良好であった。
【００３０】
一方、缶胴部の厚みを缶蓋部と同一とした比較例の場合は、缶重量が過大となった。又、缶の高さ変化が５ｍｍと大きく、電極が缶の上下方向に膨張したために電極端子との接続部分が破断し、電池内部で断線が生じた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、アルミニウム合金板により構成される角型のバックアップ電源や電力貯蔵等に用いられる大型リチウム二次電池用缶体の一の面の厚みが、該一の面に隣接する面の厚みに比べて厚くされるとともに、該一の面には電極端子が設けられているので、各面の厚みを均一とした場合に比べて、電池を大型化した場合に強度と軽量化をともに確保できる。
【００３２】
一の面の非変形耐圧強度を該缶体に収容されるリチウム二次電池の充放電で生じる缶内圧以上の０．５ＭＰａ以上とし、隣接する面の非変形耐圧強度を０．１〜０．２ＭＰａとしても、電池を大型化した場合に強度と軽量化をともに確保できる。
【００３３】
缶体に０．５ＭＰａの内圧を負荷した場合の、一の面のたわみ率を０〜３％とし、隣接する面のたわみ率を１０〜２０％としても、電池を大型化した場合に強度と軽量化をともに確保できる。
【００３４】
請求項３記載の本発明の大型リチウム二次電池によれば、電極群の積層方向に、前記一の面に隣接する面が対向しているので、充放電により当該積層方向の電極が膨張するとこの面がそれに追随して撓む。そのため、電極の自由膨張を妨げることがないので、電極からのガスの円滑な放散を妨げたり、電極が局所的に膨張して電極活物質が電極板から剥離するといった不具合が防止される。特に、前記一の面側に設けた電極端子に電極群のタブを接合した場合に、電極の膨張に伴って当該接合部分が破断する問題が回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る大型リチウム二次電池の斜視図である。
【図２】本発明に係る大型リチウム二次電池の一部分を破断視した斜視図である。
【図３】安全弁１２が設けられた面を示す平面図である。
【図４】本発明の大型リチウム二次電池用缶体が強度を確保する機構を示す模式図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ’線に沿う断面図である。
【符号の説明】
２一の面
４ａ、４ｃ一の面に隣接する面
１３電極端子
１９電極群

Claims

アルミニウム合金板により構成される角型のバックアップ電源や電力貯蔵等に用いられる大型リチウム二次電池用缶体であって、
前記缶体における一の面の厚みは、該一の面に隣接する面の厚みに比べて厚くされているとともに、該一の面には電極端子が設けられており、
前記缶体における一の面の非変形耐圧強度は、該缶体に収容される二次電池の充放電で生じる缶内圧以上の０．５ＭＰａ以上であり、該一の面に隣接する面の非変形耐圧強度は、０．１〜０．２ＭＰａであり、
前記缶体に０．５ＭＰａの内圧を負荷した場合の、前記缶体における一の面のたわみ率は、０〜３％であり、該一の面に隣接する面のたわみ率は、１０〜２０％であることを特徴とする大型リチウム二次電池用缶体。
前記缶体の内容積は、２５００ｃｍ³以上であることを特徴とする請求項１に記載の大型リチウム二次電池用缶体。
請求項１または２のいずれかに記載の大型リチウム二次電池用缶体を用いたことを特徴とする大型リチウム二次電池。
電極群の積層方向に、前記一の面に隣接する面が対向していることを特徴とする請求項３に記載の大型リチウム二次電池。