JP4942008B2 - コイン形電池 - Google Patents

Description

本発明は、コイン形二酸化マンガンリチウム電池（ＣＲ電池）などのコイン形電池に関する。

前記コイン形電池にあっては、高温の環境下で使用されたり貯蔵されたりすることがある。高温の環境下では、電池内での電解液の分解などによってガスが発生し、このガスによって電池内圧が上昇して電池缶が膨張する。この電池缶の膨張に伴って電池缶内の正極材と負極材との間隔が広がり、十分な放電電流が得られなくなる。

これに対して、特許文献１−３には、バネの付勢力によって正極材をセパレータを介して負極材側に押し付ける形式が開示されている。このバネを備えた電池では、電池缶が膨張しても正極材と負極材との間隔を小さくできて十分な放電電流を得ることができる。

特開昭６１−１３３５７１号公報（第１図） 特開平３−２２３４６号公報（第１図） 特公平６−７４９３号公報（第３−４図）

特許文献１−３では、電池缶内にバネを配する分だけ電池の内部空間が小さくなる。これに伴って、正極材や負極材の大きさが小さくなり、電池容量が減少するところに問題がある。

そこで本発明の目的は、電池容量を減少させることなく、電池内圧の上昇による電池缶の膨張を的確に抑えるコイン形電池を提供することにある。

本発明に係るコイン形電池は、図１および図２に示すごとく、電池缶１の上面壁１３および底面壁１１の少なくとも一方に、帯板状の端子板２６・２７が少なくとも２点でスポット溶接されている。端子板２６・２７は、そのスポット溶接に係る溶接点間の引っ張り強度を電池缶１の上面壁１３および底面壁１１の引っ張り強度以上に設定しておき、スポット溶接のうちの少なくとも２点の溶接点Ｐ１・Ｐ２は、図１に示すごとく一方の溶接点Ｐ１が電池缶１の上面壁１３もしくは底面壁１１の中心点Ｏを挟んで他方の溶接点Ｐ２の反対側に配される。

ここで、端子板２６・２７の引っ張り強度が電池缶１の上面壁１３および底面壁１１の引っ張り強度以上であるとは、端子板２６・２７における溶接点Ｐ１・Ｐ２間の引っ張り強度が、少なくとも電池缶１の上面壁１３および底面壁１１における溶接点Ｐ１・Ｐ２間の引っ張り強度以上であることをいう。電池缶１の上面壁１３および底面壁１１は、円形や四角形や三角形などが該当する。前記スポット溶接の溶接点は、２点でもよいが、溶接強度的には溶接点は多いほうが好ましい。この場合、溶接点が多すぎると電池の製造効率が低下するため、溶接点は３〜６点に設定することが好ましい。スポット溶接は、電気抵抗溶接やレーザー溶接などで行うことができる。

詳しくは、スポット溶接のうちの少なくとも２点の溶接点Ｐ１・Ｐ２は、電池缶１の上面壁１３もしくは底面壁１１の中心点Ｏを介して点対称位置に配する。端子板２６・２７は、引っ張り強度が高くて加工性の優れた材質が好ましく、具体的にはオーステナイト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ３０４のステンレス鋼で形成されることが望まれる。

端子板２６・２７の厚さ寸法は、好ましくは0.２〜0.６mmに設定する。端子板２６・２７の厚さ寸法が0.２mmよりも小さいと、電池缶１の膨張を確実には抑え切れない。一方、端子板２６・２７の厚さ寸法を0.６mmより大きく設定しても、電池缶１の膨張の抑制効果が頭打ちになるのに対して、端子板２６・２７の材料コストは増えることになり、さらに端子板２６・２７が厚くなる分だけ、溶接が困難になるうえに溶接温度を高くしなければならず電池缶１内の電池要素２の溶解などを招くおそれがある。端子板２６・２７の厚さ寸法は、0.２５mm以上であることがより好ましく、0.３mm以上であることがさらに好ましい。また、端子板２６・２７の厚さ寸法は、0.５mm以下であることがより好ましい。

スポット溶接のうち、最も離れているスポット溶接の溶接点Ｐ１・Ｐ２間の距離Ｌ２は、電池缶１の外径寸法Ｌ１の２０〜５０％に寸法設定すればよい。溶接点Ｐ１・Ｐ２間の距離Ｌ２が電池缶１の外径寸法Ｌ１の２０％よりも小さいと、電池缶１の中央付近の膨張は抑えられるが、電池缶１の周辺側の膨張を確実には抑え切れないことになる。一方、溶接点Ｐ１・Ｐ２間の距離Ｌ２が電池缶１の外径寸法Ｌ１の５０％よりも大きいと、電池缶１の中央付近の膨張を確実には抑え切れないからである。

本発明によれば、外部機器に電池を接続するために電池缶１の上面壁１３や底面壁１１の外面にスポット溶接される端子板２６・２７において、そのスポット溶接の溶接点や厚さ寸法などを変更するだけで、電池缶１の膨張を抑えることができる。

したがって、電池缶１内にバネなどを設けなくても済む分だけ電池容量の減少を防ぐことができ、溶接点や端子板２６・２７の厚さなどを設計変更するだけの簡単な手法で、電池缶１の膨張を確実に抑えることができて、電池缶１の膨張による電池缶１内で正極材７と負極材９との間隔が広がることを確実に防止できる。

（実施例１） 図面は、本発明に係るコイン形電池の実施例１を示す。電池缶１は、図２に示すごとく、電池要素２を収容する正極缶５と、ガスケット３と共に正極缶５の開口内縁にかしめ固定されて正極缶５を密封する負極缶６とで構成されていて、全体が扁平なコイン形に形成されている。電池要素２は、円盤形状の正極材７と、円盤形状の負極材９と、両者間に介装されるセパレータ１０とを含む。電池缶１内には、非水電解液が充填される。電池缶１は、外径寸法Ｌ１（図１参照）を２４mm、厚さ寸法を５mmとした。

正極材７は、平均粒径が５５μｍの二酸化マンガンと、導電助剤としての人造黒鉛とを含んでおり、バインダーとしてのテトラフルオロエチレンを用いる。これらの混合比率は、二酸化マンガンが９1.７重量％、人造黒鉛が7.６重量％、テトラフルオロエチレンが0.７重量％である。正極材７の成形用の金型内にステンレス鋼製の円筒形台座Ｄ（図３）を装填し、二酸化マンガンと人造黒鉛とテトラフルオロエチレンとを前記金型内に注入して加圧することにより、前記台座Ｄ内に充填された状態の正極材７が成形される。成形後の正極材７は、直径寸法を１９mm、厚さ寸法を３mmとした。

負極材９は、厚さ寸法が1.０mmの金属リチウム板と、厚さ寸法が６μｍのアルミニウム箔とを積層することで形成した。負極材９の直径寸法は１９mmである。セパレータ１０は、微孔性のポリプロピレンフィルムと、ポリプロピレン製の不織布とを積層することで形成した。

電解液の溶媒は、プロピレンカーボネート（ＰＣ）と、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）とを１：１（体積比）で、溶質として0.５Ｍ過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄ ）を溶解させたものを使用した。

図３に示すごとく、電池組み立て前のブランク状態における正極缶５は、円形の底面壁１１と、底面壁１１の外周から上向きに折り曲げた周側壁１２とを含む深い丸皿状を呈している。負極缶６は、円形の上面壁１３と、上面壁１３の外周から下向きに折り曲げた周側壁１５とを含む浅い丸皿状を呈している。

これら正極缶５および負極缶６は、ＳＵＳ４３０のステンレス鋼で形成されており、電池外面側がニッケルでメッキされている。正極缶５および負極缶６の厚さ寸法はそれぞれ0.２mmとした。

負極缶６の周側壁１５は、上面壁１３の外周から斜め下方向に段状に張り出す拡径部１６と、拡径部１６に連続して垂直方向に伸びるストレート部１７と、ストレート部１７に連続して上向きに折り返されたシール部１９とを備える。

ガスケット３は、弾性と絶縁性とに優れたポリフェニレンサルファイド樹脂を素材にして、リング状に形成した射出成形品である。ガスケット３は、図３に示すごとく、電池要素２の受け入れを許す中央開口部２０を有する円形リング状のベース部２１と、該ベース部２１の外縁部から上向きに張り出し形成されて、正極缶５の周側壁１２および負極缶６の周側壁１５に挟持される外筒壁２２と、ベース部２１の内縁部から上向きに張り出し形成されて、負極缶６のストレート部１７の内面に当接する内筒壁２３とを備える。同心状に形成した内外筒壁２３・２２間には、負極缶６の周側壁１５の下端部を受け入れる円環状の溝２５が形成されている。ガスケット３は、弾性と絶縁性とに優れたプラスチック材であればよく、ポリプロピレン樹脂などであってもよい。

負極缶６の上面壁１３の外側上面には、図２に示すごとく、ステンレス鋼製の帯板状の負極端子板２６をスポット溶接で固定し、正極缶５の底面壁１１の外側下面には、ステンレス鋼製の帯板状の正極端子板２７をスポット溶接で固定する。負極端子板２６は、負極缶６の上面壁１３の上面から横外側方に向けて水平に、かつ直線状に延びている。正極端子板２７は、正極缶５の底面壁１１の下面から負極端子板２６と同一方向に水平に、かつ直線状に延びている。

図１において負極端子板２６は、一方のスポット溶接点Ｐ１から端辺（左側）までの寸法を３mm程度に設定し、同様に正極端子板２７は、一方のスポット溶接点から端辺までの寸法を３mm程度に設定した。

負極端子板２６および正極端子板２７を形成するステンレス鋼としては、オーステナイト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ３０４を挙げることができる。負極端子板２６および正極端子板２７の表面にはニッケルメッキを施す。ＳＵＳ３０４のステンレス鋼は、クロムが１８重量％、ニッケルが８重量％の含有率で含まれている。負極端子板２６および正極端子板２７は、幅寸法を３mm、厚さ寸法を0.２mmに設定した。

負極端子板２６に対するスポット溶接は２点で行い、これら溶接点Ｐ１・Ｐ２は、一方の溶接点Ｐ１が負極缶６の上面壁１３の中心点Ｏを挟んで他方の溶接点Ｐ２の反対側に設けた。詳しくは、溶接点Ｐ１・Ｐ２は、負極缶６の上面壁１３の中心点Ｏを介して点対称位置に設け、各溶接点Ｐ１・Ｐ２は、前記中心点Ｏからそれぞれ６mmだけ離れている。両溶接点Ｐ１・Ｐ２間の距離Ｌ２は１２mmとしたが、これは電池缶１の外径寸法Ｌ１（２４mm）の５０％に相当する。

同様に、正極端子板２７に対するスポット溶接は２点で行い、これら溶接点は、正極缶５の底面壁１１の中心点を介して点対称位置にそれぞれ設け、底面壁１１の中心点に対して６mmずつ離れた点対称位置にそれぞれ設定した。

電池の組み立てに際しては、正極缶５の内部に正極材７などの電池要素２を入れ、正極缶５内に電解液を注入したうえで、負極缶６の周側壁１５にこれの下方からガスケット３を装着して、正極缶５に負極缶６を嵌合する。次いで、正極缶５の周側壁１２の開口上端部１２ａを内方に向けてかしめ加工する。これにて正極缶５の周側壁１２と負極缶６の周側壁１５の拡径部１６、ストレート部１７、シール部１９との間において、ガスケット３を圧縮状態に加圧し、正極缶５を密封状に封口する。次に、負極缶６の上面壁１３に負極端子板２６をスポット溶接し、正極缶５の底面壁１１に正極端子板２７をスポット溶接する。

高温下での使用で電池内にガスが発生すると、その圧力で電池が膨張しようとする。つまり、負極缶６の上面壁１３の中央部分は上方向に膨張し、正極缶５の底面壁１１の中央部分は下方向に膨張しようとする。この膨張に伴って負極端子板２６および正極端子板２７は、それぞれスポット溶接の溶接点Ｐ１・Ｐ２間で引っ張られるが、端子板２６・２７の引っ張り強度は、正極缶５の底面壁１１および負極缶６の上面壁１３よりもそれぞれ大きい。このため、正極缶５の底面壁１１および負極缶６の上面壁１３の膨張が、負極端子板２６および正極端子板２７によってよく抑制できた。

（実施例２） 実施例２では、負極端子板２６および正極端子板２７の厚さ寸法を0.２５mmに設定した。その他の点は、実施例１と同じであるので説明を省略する。

（実施例３） 実施例３では、負極端子板２６および正極端子板２７の厚さ寸法を0.３mmに設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。

（実施例４） 実施例４では、負極端子板２６および正極端子板２７の厚さ寸法を0.５mmに設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。

（比較例１） 比較例１では、負極端子板２６および正極端子板２７を省略した。その他の点は、実施例１と同じにした。

（比較例２） 比較例２では、負極端子板２６および正極端子板２７の厚さ寸法を0.１mmに設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。

（比較例３） 比較例２では、負極端子板２６および正極端子板２７の厚さ寸法を１mmに設定した。その他の点は、実施例１と同じにした。

本発明の実施例１〜４に係る電池と、比較例１〜３の電池とをそれぞれ１２５℃で貯蔵して、該貯蔵開始から５時間後、１０時間後、２５時間後および５０時間後における電池の膨れ量をそれぞれ測定した。表１は、その結果を示す。なお、貯蔵開始時の各電池の厚さ寸法は5.０mmである。

表１に示すごとく、実施例１〜４では、５０時間後でも電池の膨れ量は0.１１〜0.２７mmとあまり膨張しておらず、正負の端子板２６・２７を配していない比較例１の１／２程度以下になっていた。

比較例２では、５０時間後の電池の膨れ量が0.４９mmもあって比較例１とあまり変わらない。これは、正負の端子板２６・２７の厚さ寸法が0.１mm程度では、負極缶６の上面壁１３および正極缶５の底面壁１１の膨張を抑え切れないためと考えられる。

比較例３では、５０時間後でも電池の膨れ量が0.０９mmしかなく、実施例３・４と同程度である。つまり、正負の端子板２６・２７の厚さ寸法は、0.５mm程度もあれば電池の膨張を十分に抑えることができることがわかる。

負極端子板２６および正極端子板２７に対するスポット溶接の溶接点は３点以上であってもよく、３〜６点がより好ましい。この場合でも、各溶接点は、負極缶６の上面壁１３および正極缶５の底面壁１１の中心点Ｏを挟む両側に設定することになる。また、最も離れているスポット溶接の溶接点間の距離は、電池缶１の外径寸法の２０〜５０％の範囲内に設定すればよい。

正負の端子板２６・２７に対するスポット溶接の強度は、正負の端子板２６・２７の溶接位置で直角に折り曲げて、負極缶６の上面壁１３および正極缶５の底面壁１１と垂直に１０mm／分で引っ張り試験を行った場合に、３０Ｎ以上であることが好ましく、６０Ｎ以上であることがより好ましい。

本発明に係るコイン形電池は、円盤形状に限られず、扁平な四角形や三角形などであってもよい。正負の端子板２６・２７を形成するステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０などを用いることができる。なお、ＳＵＳ４３０のステンレス鋼は、クロムが１８重量％の含有率で含まれており、ニッケルは含まれていない。

コイン形電池の上面図 コイン形電池の縦断面図 コイン形電池の分解図

符号の説明

１ 電池缶
２ 電池要素
５ 正極缶
６ 負極缶
１１ 正極缶の底面壁
１３ 負極缶の上面壁
２６ 負極端子板
２７ 正極端子板

Claims (4)

1. 電池缶の上面壁および底面壁の少なくとも一方には、帯板状の端子板が少なくとも２点でスポット溶接されており、
   前記端子板は、そのスポット溶接に係る溶接点間の引っ張り強度が前記電池缶の前記上面壁および前記底面壁の引っ張り強度以上に設定されており、
   前記スポット溶接のうちの少なくとも２点の溶接点は、一方の溶接点が前記電池缶の前記上面壁もしくは前記正極缶の前記底面壁の中心点を挟んで他方の溶接点の反対側に配されており、
   前記スポット溶接のうちの少なくとも２点の溶接点が、前記電池缶の前記上面壁もしくは前記底面壁の中心点を介して点対称位置に配されているコイン形電池。
2. 前記端子板が、オーステナイト系ステンレス鋼で形成されている請求項１記載のコイン形電池。
3. 前記端子板の厚さ寸法が、0.２〜0.６mmに設定されている請求項２記載のコイン形電池。
4. 前記スポット溶接のうち、最も離れているスポット溶接の溶接点間の距離が、前記電池缶の外径寸法の２０〜５０％に寸法設定されている請求項３記載のコイン形電池。

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