JP5041468B2

JP5041468B2 - 扁平形電池

Info

Publication number: JP5041468B2
Application number: JP2007019053A
Authority: JP
Inventors: 昇志籔下; 隆生工藤; 健一佐野
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-01-30
Also published as: JP2008186711A

Description

本発明は、コイン型電池やボタン型電池などの扁平形電池に関する。より詳しくは、上向きに開口する正極缶と下向きに開口する負極缶とをガスケットを介してかしめ固定してなる電池缶の内部に、正・負極材と、これら正・負極材の間に介在されたセパレータとからなる発電要素が収容されている扁平形電池に関する。

この種の扁平形電池における解決すべき重要な課題の一つに、放電時における負極材の減少に起因する、電池缶と発電要素との接触不良問題がある。かかる問題を解決する方法としては、例えば特許文献１を挙げることができ、そこでは、正極材に装着される正極リングに、正極材を上向きに押し上げる付勢機能を付与するとともに、正極材の径方向への膨張を抑制して高さ方向へ膨張させることで、電池缶と発電要素との間の良好な接触圧を確保して放電不良の発生を防いでいる。

特公昭６３−６９８４号公報

上記特許文献１の問題は、正極リング自体の位置ズレについては考慮されていないことにある。すなわち、外部からの衝撃や製造誤差などにより、正極リングが横方向へずれると、セパレータが正極材と電池缶（負極缶）の内面との間に強く挟まれて破損して、内部短絡を引き起こすおそれがある。

また、この種の扁平形電池では、使用時に放電に伴って負極材の体積が徐々に減少するとともに正極材が膨張するが、正極リングごと正極材が電池缶内で位置ズレしていると、正極材の膨張に伴って、セパレータが正極材と電池缶の内面との間に挟まれてセパレータが破損するおそれもある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、発電要素と電池缶との間で良好な導電性を確保することができるとともに、正極材の位置ズレに起因するセパレータの破損を確実に防止することができる、信頼性に優れた扁平形電池を提供することを目的とする。

本発明が対象とする扁平形電池は、図１に示すように、上向きに開口する正極缶２と下向きに開口する負極缶３とで構成される電池缶１の内部に、正・負極材６・７と、これら正・負極材６・７の間に介在されたセパレータ８とからなる発電要素５が収容されている扁平形電池を対象とする。正極材６には、リング状の底壁１１と、底壁１１の外周から上方に向けて垂直に折り曲げ連設した筒壁１２とを含む正極リング１０が装着されている。正極缶２の底壁１５には、正極リング１０の外周面を受け止めて、正極材６の水平方向の位置ズレを規制するための位置決め用のホルダー３０が固定されている。ホルダー３０は、正極材６に上向きの付勢力を与える板バネ部３１と、正極リング１０の外周面を受け止めるガイド部３２とを含み、ガイド部３２の内面で、正極リング１０の外周面を受け止めることにより、正極材６の水平方向への位置ズレが規制されるようになっていることを特徴とする。

正極缶２の底壁１５の内面側に、上向きの受面１７を有する凹部１８が段落ち状に形成されており、該凹部１８の受面１７の中央部にホルダー３０が固定されている形態を採ることができる。

ホルダー３０は、凹部１８の受面１７の中央部に固定されて上向きの付勢力を発揮する板バネ部３１と、該板バネ部３１の遊端に形成されたガイド部３２とからなるものとすることができる。

ガイド部３２は、円弧状又は部分円弧状を呈するものとすることができる。

具体的には、負極缶３の上壁側に設けられた収容部２２内に負極材７を収容する。この場合には、ホルダー３０の内径寸法Ｄ２は、収容部２２の内径寸法Ｄ１よりも小さく設定することが望ましい。具体的には、少なくともセパレータ８の厚さ寸法の２倍分だけ小さく設定することが望ましい。

以上のように、本実施形態に係る扁平形電池においては、正極材６に上向きの付勢力を与える板バネ部３１を具備するホルダー３０を正極缶２の底壁１５に固定したので、放電時において負極材７の体積が減少した場合でも、正極材６の体積増加と相俟って、電池缶１と発電要素５との間の良好な接触圧と導電性を確保することができ、したがって、放電不良の発生を確実に防ぐことができる。

加えて、電池に衝撃が加わった場合でも、ホルダー３０のガイド部３２で正極材６の外周面が受け止められるため、正極材６の水平方向の不用意な位置ズレを抑制できる。これにて、ズレ動いた正極材６と電池缶１の内面との間にセパレータ８が強く挟まれたり、放電に伴う正極材６の体積増加（膨張）により、ズレ動いた正極材６と電池缶１の内面との間にセパレータ８が強く挟まれることを確実に防ぐことができるので、セパレータ８の損傷を抑えて、内部短絡の発生を防ぐことができる。このことは、電池の信頼性向上に資する。

ホルダー３０を、正極缶２の底壁１５に段落ち状に形成された凹部１８の受面１７の中央部に固定するようにしていると、ホルダー３０を凹部１８内に落とし込んだうえで、レーザー溶接などの固定作業を進めることができる。したがって、ホルダー３０の位置ズレを防ぎながら、固定作業を作業効率良く迅速に進めることができる。また、レーザー溶接に先立つホルダー３０の位置決め作業を、凹部１８を用いて行うことができるので、当該位置決め作業をより少ない手間で簡便に行うことができる点でも優れている。さらに、電池に大きな衝撃が加わって、ホルダー３０が受面１７から外れた場合でも、当該受面１７と封止壁部１９とを繋ぐ周側面２３（図４参照）でガイド部３２を受け止めて、ホルダー３０の水平方向の移動を規制することができる点でも優れている。

ホルダー３０を、板バネ部３１と、該板バネ部３１の遊端に形成されたガイド部３２とからなる一体成形品としていると、これら板バネ部３１とガイド部３２とを各々別部材とする場合に比べて、部品点数の削減化を図ることができ、ホルダー３０の組み付け等に要するコストおよび手間が少なくて済む。

ホルダー３０の内径寸法Ｄ２が、収容部２２の内径寸法Ｄ１よりも小さく設定されていると、ホルダー３０のガイド部３２が、負極缶３の収容部２２に係る内壁面よりも外側寄りに進入し難い構成とすることができる。つまり、ホルダー３０のガイド部３２で受け止められる正極材６の移動限界を、収容部２２よりも内方寄りに置くことができる。これにて、ズレ動いた正極材６と電池缶１の内面との間にセパレータ８が強く挟まれたり、放電に伴う正極材６の体積増加により、ズレ動いた正極材６と電池缶１の内面との間にセパレータ８が強く挟まれることによって、該セパレータ８が損傷することを効果的に防ぐことができ、したがって、セパレータ８の損傷に起因する内部短絡の発生を防いで、電池の信頼性向上に貢献できる。

（第１実施形態）
図１乃至図４に、本発明に係る扁平形電池の第１実施形態を示す。図１に示すように、電池缶１は、下側の正極缶２と上側の負極缶３とをガスケット４を介してかしめ固定してなるものであり、全体として扁平なコイン形状に形成されている。

電池缶１の内部に収容される発電要素５は、二酸化マンガンなどを円盤状に固めた正極材６と、円盤状の金属リチウム製の負極材７と、これら正極材６と負極材７との間に配されるセパレータ８と、電池缶１内に注入される電解液とからなる。セパレータ８は、ポリプロピレン製の不織布からなる。

図１において符号１０は、正極材６の補強を主目的として装着される正極リングを示す。この正極リング１０は、導電性を有するステンレス鋼を素材とするプレス成形品であり、中央開口部を有するリング状の底壁１１と、底壁１１の外周から上方に向けて垂直に折り曲げ連設した円筒壁１２とを含む。円筒壁１２の上下方向の高さ寸法は、放電開始前における正極材６の全体の上下高さ寸法と等しいか、それよりも僅かに小さくなるように設定されている。放電時において、正極材６が膨張した場合でも、正極材６は円筒壁１２の上方開口から上方向に向かって自由に膨張することができる。尤も、水平方向への正極材６の膨張は円筒壁１２によって規制される。

図３に示すように、電池組み立て前のブランク状態の正極缶２は、円形の底壁１５と、底壁１５の外周から上方に向けて垂直に折り曲げ連設した外周筒壁１６とを含む丸皿状を呈している。底壁１５の盤面中央部には、上向きの受面１７を有する凹部１８が段落ち状に形成されており、該凹部１８を囲む底壁１５の周縁側には、ガスケット４の下面に密着する封止壁部１９が形成されている。この封止壁部１９の外周縁に連続して、先の外周筒壁１６が立ち上げ形成されている。

負極缶３は、円形の上面壁２０と、上面壁２０の外周から下方に向けて折り曲げ連設された外周側壁２１とを含む丸皿状を呈している。図１において、符号２２は、負極缶３の内部に形成された、負極材７を収容するための収容部を、またＤ１は、収容部２２の内径寸法を示す。これら正極缶２および負極缶３は、ステンレス、アルミニウム、チタンおよびニッケルのいずれか一種、あるいはこれら金属の合金、または前記金属の数種類を積層したクラッド材を素材とする金属平板をプレス加工して形成することができる。ガスケット４は、ポリプロピレン樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂などの弾性と絶縁性に優れたプラスチック材を素材とする円形リング状の射出成形品である。

そのうえで、本実施形態に係る扁平形電池においては、正極材６の外周面を受け止めて、該正極材６の水平方向の位置ズレを規制するための位置決め用のホルダー３０が、正極缶２の底壁１５の中央部、すなわち凹部１８の受面１７の中央部に、遊動不能に固定されている点が着目される。このホルダー３０は、正極材６に上向きの付勢力を与える板バネ部３１と、正極材６の外周面、より具体的には正極リング１０の円筒壁１２の外周面を受け止める一対のガイド部３２・３２とが一体に形成されたステンレスを素材とするプレス成形品であり、これらガイド部３２・３２の内面で、正極材６の外周面を受け止めて、正極材６の水平方向への位置ズレを規制する。

より詳しくは、図２に示すように、ホルダー３０は、長片と短片の二つの片を直交させてなる十字状のベース部３３と、長片の両遊端に形成されたガイド部３２・３２とが一体に形成されたプレス成形品である。板バネ部３１となる長片は、凹部１８の受面１７に沿うように水平方向に走り、該受面１７にレーザー溶接で固定される基端部３４と、該基端部３４の両端に連続して斜め上方に折り曲げ形成された二つの傾斜部３５・３５とで構成される両持ちバネであり、負荷が掛からない常態においては、傾斜部３５・３５は斜め姿勢にあり（図４参照）、図１に示すように、加圧により両傾斜部３５・３５が基端部３４と直線状となるように変形することで、正極材６を上向きに押し上げる付勢力を発揮する。なお、図４は、放電により負極材７がある程度減少した状態を示しており、この状態では、傾斜部３５が持ち上がって正極材６を負極材７に押し付けている。

傾斜部３５の遊端に形成されるガイド部３２は、傾斜部３５に連続して上向きに折り曲げ形成された第１ガイド片３６と、この第１ガイド片３６の水平方向の両端部に連設された一対の第２ガイド片３７・３７とで構成する。各ガイド片３６・３７は平板状に形成されているが、ガイド部３２全体としては、略円弧状とされている（図２の二点鎖線参照）。つまり、これら第１ガイド片３６および第２ガイド片３７・３７で構成されるガイド部３２の内面は、全体として略円弧状と近づくように、第１ガイド片３６に対する第２ガイド片３７・３７の折り曲げ角度は設定されている。

図１および図２において、符号Ｄ２は、ガイド部３２の対向間隔寸法で規定されるホルダー３０の内径寸法を示している。なお、図１に示すように、両傾斜部３５・３５が基端部３４と直線状となるときには、ガイド部３２は垂直姿勢となるように形成されており、図４に示すように、両傾斜部３５・３５が持ち上がったとき、ガイド部３２は、内向きに倒れる傾斜姿勢となり、両ガイド部３２・３２の対向間隔寸法が小さくなって、ホルダー３０の内径寸法Ｄ２は小さくなる。

図１および図２において、符号３９は、ベース部３３を構成する短片の両端から上方に折り曲げ形成された係合片を示す。これら係合片３９・３９は、正極材６の固定要素としての役割だけでなく、発電要素５の正極缶２との間の導電性の向上作用を担っている。つまり、これら係合片３９・３９が正極リング１０の底壁１１の中央開口部分を介して、正極材６内に差し込まれることで、正極材６をホルダー３０上に遊動不能に確実に固定することができ、加えて正極材６と正極缶２との間の導電性の向上を図ることができる。

加えて、電池に衝撃が加わった場合でも、ホルダー３０のガイド部３２で正極材６の外周面が受け止められるため、正極材６の水平方向の不用意な位置ズレを抑制できる。これにて、ズレ動いた正極材６と電池缶１の内面との間にセパレータ８が強く挟まれたり、放電に伴う正極材６の体積増加（膨張）により、ズレ動いた正極材６と電池缶１の内面との間にセパレータ８が強く挟まれることを確実に防ぐことができるので、セパレータ８の損傷を抑えて、内部短絡の発生を防ぐこができる。このことは、電池の信頼性向上に資する。

ホルダー３０を、正極缶２の底壁１１に段落ち状に形成された凹部１８の受面１７の中央部に固定するようにしていると、ホルダー３０を凹部１８内に落とし込んだうえで、レーザー溶接などの固定作業を進めることができる。したがって、ホルダー３０の位置ズレを防ぎながら、固定作業を作業効率良く迅速に進めることができる。また、レーザー溶接に先立つホルダー３０の位置決め作業を、凹部１８を用いて行うことができるので、当該位置決め作業をより少ない手間で簡便に行うことができる点でも優れている。さらに、電池に大きな衝撃が加わって、ホルダー３０が受面１７から外れた場合でも、当該受面１７と封止壁部１９とを繋ぐ周側面２３（図４参照）でガイド部３２を受け止めて、ホルダー３０の水平方向の移動を規制することができる点でも優れている。

かかる凹部１８は、従来から広く採用されている電池内圧の異状上昇対策用の凹部を利用することができる。これによれば、ホルダー３０を組み込むことに伴う電池の製造コストの上昇を抑制できる点でも優れている。

また、この電池では、ホルダー３０の板バネ３１を構成する傾斜部３５が上昇したとき、ガイド部３２が垂直姿勢（図１参照）から内向きに倒れる傾斜姿勢（図４参照）に姿勢変位して、ホルダー３０の内径寸法Ｄ２が小さくなるように構成している。当該構成によれば、放電動作が進行するに連れて正極材６が遊動し得る幅が小さくなるので、正極材６のズレ動きを効果的に抑制できる。

（第２実施形態）
図５に、本発明の第２実施形態に係る扁平形電池の要部を示す。この場合のホルダー３０は、四点ガイド構造となっている点が、先の第１実施形態と大きく相違する。つまり、ベース部３３が、両持ちバネである二つの長片を直交状に組み合わせてなる十字形状を呈しており、これら二つの長片の遊端にガイド部３２・３２がそれぞれ設けられており、計四つのガイド部３２で、正極材６の外周面を受け止めるようになっている。各長片の基端部の二箇所には、係合片３９が切り上げ形成されている。その他の構成および作用効果は、第１実施形態と実質的に同一であるので、同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

なお、係合片３９は、正極リング１０の底壁１１の中央開口部分を介して正極材６内に差し込まれるように形成してあればよく、その形成箇所は適宜選択することができる。また、場合によっては省略することもできる。以下の実施形態では、係合片３９を省略して説明する。

（第３実施形態）
図６に、本発明の第３実施形態に係る扁平形電池の要部を示す。この場合のホルダー３０は、二つの長片を直交状に組み合わせてなる十字形状を呈しており、これら二つの長片の遊端にガイド部３２・３２がそれぞれ設けられており、計四つのガイド部３２で、正極材６の外周面を受け止めるようになっている。つまり、四点ガイド構造となっている。そのうえで、これら長片の交差部から、板バネ部３１となる短片が放射状に形成されている。その他の構成および作用効果は、第１実施形態と実質的に同一であるので、同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

（第４実施形態）
図７に、本発明の第４実施形態に係る扁平形電池の要部を示す。この場合のホルダー３０は、二つの長片を直交状に組み合わせてなる十字形状を呈しており、これら二つの長片の遊端にガイド部３２・３２がそれぞれ設けられており、計四つのガイド部３２で、正極材６の外周面を受け止めるようになっている。つまり、四点ガイド構造となっている。そのうえで、これら一つの長片の二箇所に、板バネ部３１となる短片が直交状に形成されている。その他の構成および作用効果は、第１実施形態と実質的に同一であるので、同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

（第５実施形態）
図８に、本発明の第５実施形態に係る扁平形電池の要部を示す。この場合のホルダー３０は、中心部から外方向に向かって等間隔の放射状に交互に配設された三本の長片と、三本の片持ちバネとなる短片で構成されており、これら三本の長片のそれぞれの端部にガイド部３２を備える三点ガイド構造となっている。その他の構成および作用効果は、第１実施形態と実質的に同一であるので、同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。

（第６実施形態）
図９に、本発明の第６実施形態に係る扁平形電池の要部を示す。この場合のホルダー３０は、ガイド部３２が、垂直方向に立ち上げる周側面を有するリング形に形成されている点が、先の第１実施形態と大きく相違する。また、ホルダー３０のベース部３３は、両持ちバネである二つの長片を直交状に組み合わせてなる十字形状を呈している。その他の構成および作用効果は、第１実施形態と実質的に同一であるので、同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。

第１実施形態に係る扁平形電池の縦断面図である。ホルダーの構成を示す図である。第１実施形態に係る扁平形電池の分解断面図である。第１実施形態に係る扁平形電池の要部の縦断面図であり、放電が進行したときのホルダーの状態を示している。第２実施形態に係る扁平形電池の要部の平面図である。第３実施形態に係る扁平形電池の要部の平面図である。第４実施形態に係る扁平形電池の要部の平面図である。第５実施形態に係る扁平形電池の要部の平面図である。第６実施形態に係る扁平形電池を構成するホルダーの斜視図である。

符号の説明

１電池缶
２正極缶
３負極缶
４ガスケット
５発電要素
６正極材
７負極材
８セパレータ
２２負極缶の収容部
３０ホルダー
３１板バネ部
３２ガイド部

Claims

上向きに開口する正極缶と下向きに開口する負極缶とをガスケットを介してかしめ固定してなる電池缶の内部に、正・負極材と、これら正・負極材の間に介在されたセパレータとからなる発電要素が収容されている扁平形電池において、
前記正極材には、リング状の底壁と、底壁の外周から上方に向けて垂直に折り曲げ連設した筒壁とを含む正極リングが装着されており、
前記正極缶の底壁に、前記正極リングの外周面を受け止めて、前記正極材の水平方向の位置ズレを規制するための位置決め用のホルダーが固定されており、
前記ホルダーは、前記正極材に上向きの付勢力を与える板バネ部と、前記正極リングの外周面を受け止めるガイド部とを含み、
前記ガイド部の内面で、前記正極リングの外周面が受け止められることにより、前記正極材の水平方向への位置ズレが規制されるようになっていることを特徴とする扁平形電池。
前記正極缶の底壁には、上向きの受面を有する凹部が段落ち状に形成されており、該凹部の受面の中央部に前記ホルダーが固定されている請求項１記載の扁平形電池。
前記ホルダーは、前記凹部の受面の中央部に固定されて上向きの付勢力を発揮する板バネ部と、該板バネ部の遊端に形成されたガイド部とからなるものである請求項２記載の扁平形電池。
前記負極缶の上壁側に設けられた収容部内に前記負極材が収容されており、
前記ホルダーの内径寸法（Ｄ２）が、前記収容部の内径寸法（Ｄ１）よりも小さく設定されている請求項１乃至３のいずれかに記載の扁平形電池。