JP5096671B2 - 密閉角形電池 - Google Patents

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Description

本発明は、電池内圧が異常上昇したときに開裂する開裂ベントを備えた密閉角形電池に関する。
近年、携帯電話や携帯型情報端末などの小型軽量の電子機器が普及している。これらの電源として小型軽量で高容量な電池が用いられている。そこでは、前記電子機器の高機能化に伴って電池の更なる高容量化の要求が高い。とくに、リチウム金属を活物質に用いた一次電池や、リチウムイオンを用いて充放電を行う二次電池などが、軽量で高容量であるために広く用いられており、その高容量化の開発も活発である。
かかる電池では、過大な電気負荷が加えられたり、過度の熱負荷が加えられたりすると、電池内部で短絡状態が発生してガスを発生し、電池内圧が異常上昇する。また、電池が過充電状態になった場合にも、電解液の分解により電池内でガスが発生し、電池内圧が異常上昇する。電池が内圧の異常上昇に耐えられなくなると破裂して内容物が飛散する。このため、電池には、所定の内圧以上になると開裂作動して電池内圧を解放することで、電池の破裂を未然に防止する開裂ベントが備えられている。
また、前記電子機器に用いられるこれらの電池には、密閉角形電池が多く用いられ、その薄型化が求められている。このため、かかる開裂ベントの面積が小さくなり、特許文献１・２に示すような電池内圧が所定値以上になったときに、電池の内圧のみで前記周回溝の底壁を開裂させて、電池内圧を解放させることは困難になってきている。開裂性を上げるために、蓋に設けた開裂ベントを大きくしたり、その薄膜部や薄肉部の厚みを薄くすると、電池落下などの衝撃時にベントの破損や、蓋の変形が発生するだけでなく、通常の電池貯蔵時においてもベントが開裂するおそれがある。
そこで、特許文献３，４，５に示すように電池内の内圧上昇による電池の膨れによる変形を利用して、電池内の比較的低い圧力で開裂するベント構造が用いられるようになったが、耐衝撃性改善との両立を十分満足できるものではない。
特開２００１−２５６９４４号公報（２−４頁 図１−１２） 特開平１１−２７３６４０号公報（３−５頁 図４−８） 特開平１０−２６１３９１号公報（２−３頁 図２−４） 特開２０００−２６０４１０号公報（２−３頁 図１，２） 特開２００２−００８６１５号公報（２−４頁 図１，２）
本発明は、上記の問題を解決することを課題とするもので、開裂ベントを比較的低い作動圧で安定して開裂させることができ、さらに電池落下時等の衝撃に対して耐久性に優れた密閉角形電池を提供することを目的とする。
本発明に係る密閉角形電池は、図１に示すような、電池缶１の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋３と、蓋３に配されて電池内圧が異常上昇したときに開裂する開裂ベント１６とを含んでいる。
この密閉角形電池において、本発明の開裂ベント１６は、図１に示すごとく、蓋３の外面側であって蓋３の左右方向のいずれか一方の端寄りの長円形状の最外コイニング部１７内に形成された長円状の周回溝１９とそれに囲まれる薄肉弁体２５とを有する。周回溝１９は、蓋の長手方向に平行な直線状の長辺部２０・２１と前記長辺部をつなぐ円弧状部２２・２３から形成されており、本願においては前記長辺部２０、薄肉弁体２５、長辺部２１の肉厚が異なることを特徴とし、さらに詳しくは、長辺部２０、長辺部２１、薄肉弁体２５の肉厚がこの順に厚くなるように寸法設定されていることを特徴とする。
具体的には、長辺部２０の肉厚を１としたときに、長辺部２１の肉厚は１．５〜３．０に、薄肉弁体２５の肉厚を２．０〜５．０とすることが好ましい。また、本願の薄型密閉角形電池において、安定して確実にベントの開裂を行うために、前記長辺部２０の肉厚は２０〜５０μｍであることが好ましく、２５〜４０μｍがさらに好ましい。長辺部２０の肉厚が２０μｍより薄いと電池落下などの衝撃時にベントの破損が起こりやすいだけでなく、通常の電池貯蔵時においてベントが開裂することがあるからである。また、５０μｍより厚いと開裂圧が高くなり、ベントの開裂前に電池が破裂するおそれがあるためである。また、周回溝の幅寸法は大きくなるとベントの作動圧が高くなり、開裂性に影響するため、０．１５〜０．３ｍｍとすることが好ましい。前述したように、電池内圧が異常上昇すると、電池が膨張変形するが、その挙動を具体的に観察すると、図４に示すように、電池缶１の面積の大きい前後壁の中央部分が前後方向に膨張する。これに伴って、蓋３は、その中央部分が電池の内方に湾曲し、左右方向の端部側が持ち上がった屈曲形状に変形する。
この電池の変形により、それぞれの部位に引っ張り力が働くが、開裂ベント１６において２つの長辺部２０,２１の肉厚が異なるために、肉厚の薄い長辺部２０に亀裂が入り、そこからガスが抜け出ようとする。しかし、このガスが、肉厚が厚いために、変形しにくく、面積の大きな薄肉弁体２５を電池外方に押す力としてはたらくので、長辺部２０の溝部が完全に開裂し、ガスの噴出する力と電池変形による力で、薄肉弁体部２５が、長辺部２１の部分で折れ曲がって大きく開口し、迅速に電池内のガスが抜け出すようになって、電池の破裂を確実に防止することができる。
また、前記長円形の開裂ベント１６の短い方の幅(Ｗ２)が、前記電池缶の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋３の短い方の幅(Ｗ１)の６０％以上であれば、電池内圧による開裂が起こりやすくなり好ましい。
ただし、電池落下時に開裂ベント１６の破損や、図６に示すような蓋３の変形がおこりやすくなるため７５％以下であることが好ましく、７０％以下であることがさらに好ましい。
また、蓋３の外面側であって蓋３の左右方向のいずれか一方の端寄りの最外コイニング部１７を矩形状から長円形状とすることにより、その円弧状の形状により電池落下時に代表される外力による蓋３の変形に対する強度を上げることができる。
すなわち、本発明の開裂ベント１６において、長辺部２０、長辺部２１、薄肉弁体２５の肉厚がこの順に厚くなるように寸法設定したことにより、電池内圧の異常上昇時に開裂ベント１６が安定・確実に作動する。
周回溝１９は、開裂ベント１６の底壁のプレス加工により容易、かつ確実に形成することができる。これによっても、開裂ベント１６をより安定・確実に開裂させることができる。
（実施例１） 図１ないし図４は、本発明に係る薄型密閉角形電池としてのリチウムイオン二次電池の実施例１を示している。図４に示すごとく、上面に左右横長の開口を有する有底角筒形状の電池缶１と、電池缶１内に収容された電極体２および非水電解液と、電池缶１の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋３と、蓋３の内側に配置されるプラスチック製の絶縁体５などを備えている。電池缶１は、アルミニウムまたはその合金からなる板材を深絞り加工して上下縦長の薄型に形成してあり、左右幅寸法を３４mm、上下高さ寸法を５０mm、前後厚み寸法を３.８mmとした。
電極体２は、シート状の正極と負極とを微多孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータを間にして渦巻状に巻回してなる。正極の電極からは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる薄板状の正極集電リード６が上向きに導出されている。負極の電極からは、ニッケルや銅、あるいはこれらのクラッド体などの複合体からなる薄板状の負極集電リード７が上向きに導出されている。
蓋３は、アルミニウム合金などの板材をプレス成形してなり、電池缶１の開口周縁に蓋３の外周縁がレーザーでシーム溶接される。蓋３の中央には、上側の絶縁パッキング９および下側の絶縁板１０を介して負極端子１１が貫通状に取り付けられる。蓋３の左右方向の右端寄りには、電解液を電池缶１内に注入するための円形の注液孔１２が上下貫通状に形成されている。注液孔１２は、電解液の注入後に栓１３で塞いで封口する。
負極端子１１の下端には、蓋３の内面において左右横長の薄板からなるリード体１５が接続されている。リード体１５は、前記注液孔１２の反対側に延びており、下側の絶縁板１０で蓋３と絶縁されている。このリード体１５の下面に負極集電リード７を溶接する。正極集電リード６は、蓋３の裏面において絶縁板１０と注液孔１２との間のスペースに溶接する。これで正極集電リード６が蓋３および電池缶１に導通して、蓋３および電池缶１が正極電位に帯電する。
電池の組み立てに際しては、蓋３に対し、前述のように負極端子１１、上下の絶縁パッキング９・１０およびリード体１５を取り付けて封口体を形成し、電極体２を電池缶１内に収容したのちに、負極集電リード９を封口体のリード体１５に、正極集電リード６を封口体の蓋３にそれぞれ前述の要領で溶接する。次に、封口体を電池缶１の開口周縁にレーザーでシール溶接したのち、電解液を注液孔１２に注入し、注液孔１２を封口することにより、本発明の電池が完成する。
蓋３の左右方向の一端寄り（図の左端寄り）には、電池内圧が異常上昇したときに開裂する開裂ベント１６が形成されている。開裂ベント１６は、図１、２に示すごとく、蓋３の外面側に長円形状の最外コイニング部１７内に形成した左右横長で長円形状の周回溝１９とそれに囲まれる薄肉弁体２５からなる。
周回溝１９は、電池の前後の長辺部２０・２１およびこの長辺部をつなぐ円弧状の溝部２２・２３からなるように配してある。
また、内圧上昇による電池変形時、中央部分が電池の内方に湾曲し、左右方向の端部側が持ち上がった屈曲形状に変形するので、蓋３の変形は外面側の方が大きくなるため、開裂を起こしやすいが、電池落下時のような外部からの衝撃が働いたときに開裂ベント１６が破損するおそれがあるため、周回溝１９は蓋３の外面側よりやや内面側に位置することが好ましい。
周回溝１９で囲まれた部分が、左右横長の薄肉弁体２５になっている。周回溝の溝幅寸法は、すべて０．２ｍｍに設定した。なお、周回溝１９は、プレス加工で形成することができる。
図２に示すように、周回溝１９の長辺部２１の肉厚は、それ以外の溝部２０・２２・２３よりも厚く寸法設定した。つまり、長辺部２１の溝部の肉厚寸法Ｔ２は０．０７mmに対して、長辺部２０、円弧部２２および２３の各溝部の肉厚寸法Ｔ１は、それぞれ０．０３１mmに設定を行った。すなわちＴ２／Ｔ１は２．３である。薄肉弁体２５の肉厚Ｔ３は０．１３５ｍｍに設定を行った。すなわちＴ３／Ｔ１は４．４である。蓋３は、左右幅寸法を３３．２６mm、前後幅寸法を３．６２mm、上下厚み寸法を０.８mmとした。開裂ベント１６は、電池内圧が異常上昇して電池に膨張変形が生じた際に蓋３が屈曲する個所に配されている。つまり、開裂ベント１６の左右方向の中央から蓋３の左端までの長さ寸法Ｌ１を５．８mmに設定した。開裂ベント１６は、左右幅寸法を４．９mm、前後幅寸法を２．３mmとした。すなわち蓋３の前後幅寸法に対する開裂ベント１６の前後幅寸法の比率は６３．５％である。

開裂ベント１６の左右方向の中央から蓋３の左端までの長さ寸法Ｌ１と、蓋３の左右幅寸法Ｌ２との比率（Ｌ１／Ｌ２）は、０．１〜０.２５の範囲内が望ましく、実施例１では０．１８である。前記比率が０.１よりも小さいと、開裂ベント１６が蓋３の左端に近寄り過ぎて、電池内圧の上昇時に開裂ベント１６が左右方向に圧縮されて開裂され難くなる。前記比率が０.２５よりも大きくなると、開裂ベント１６が電池の中央側に寄り過ぎて開裂ベント１６の下面にリード体１５が重なり、電池内部からのガス噴出が妨げられて電池が破裂するおそれがある。
（実施例２）長辺部２１の底壁の肉厚寸法Ｔ２を０．０８mmとし、長辺部２０、円弧部２２および２３の各溝部の肉厚寸法Ｔ１は、それぞれ０．０３４mmに寸法設定した。すなわちＴ２／Ｔ１は２．４である。Ｔ３／Ｔ１は４．０である。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）長辺部２１の底壁の肉厚寸法Ｔ２を０．０７mmとし、長辺部２０、円弧部２２および２３の各溝部の肉厚寸法Ｔ１は、それぞれ０．０２８mmに寸法設定した。すなわちＴ２／Ｔ１は２．５である。Ｔ３／Ｔ１は４．８である。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４）電池の前後厚み寸法を４.０mmに設定し、これに合わせて、開裂ベント１６の前後幅寸法を２.５mmに寸法設定した。長辺部２１の底壁の肉厚寸法Ｔ２を０．０７mmとし、長辺部２０、円弧部２２および２３の各溝部の肉厚寸法Ｔ１は、それぞれ０．０３７mmに寸法設定した。すなわちＴ２／Ｔ１は１．９である。また、薄肉弁体の厚みＴ３は０．１５ｍｍに寸法設計した。すなわち、Ｔ３／Ｔ１は４．１である。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５）長辺部２１の底壁の肉厚寸法Ｔ２を０．０７mmとし、長辺部２０、円弧部２２および２３の各溝部の肉厚寸法Ｔ１を、それぞれ０．０３４mmに寸法設定した。すなわちＴ２／Ｔ１は２．１である。その他の点は、実施例４と同じとした。
（実施例６）電池の左右幅寸法を３０mm、上下高さ寸法を４８mmに寸法設定した。長辺部２１の肉厚Ｔ２を０．０７ｍｍとし、長辺部２０、円弧部２２および２３の各溝部の肉厚寸法Ｔ１は、それぞれ０.０３３mmに寸法設定した。すなわちＴ２／Ｔ１は２．１である。
また、開裂ベント１６の左右方向の中央から蓋３の左端までの長さ寸法(Ｌ１)は４．７５ｍｍであり、蓋３の左右幅寸法Ｌ２は２８．９５ｍｍであり、比率（Ｌ１／Ｌ２）は０．１６である。その他の点は、実施例１と同じにした。
（実施例７）長辺部２１の底壁の肉厚寸法Ｔ２を０．０８mmとし、長辺部２０、円弧部２２および２３の各溝部の肉厚寸法Ｔ１は、それぞれ０．０３３mmに寸法設定した。すなわちＴ２／Ｔ１は２．４である。その他の点は、実施例６と同じにした。
（比較例１）開裂ベントを構成する溝部の肉厚寸法Ｔ１をすべて０．０３２ｍｍに寸法設定したこと以外は実施例１と同じにした。すなわちＴ２／Ｔ１は１．０である。
に形成した。
（比較例２）開裂ベントを構成する溝部の肉厚寸法Ｔ１、Ｔ２をすべて０．０４ｍｍに寸法設定したこと以外は実施例１と同じにした。すなわちＴ２／Ｔ１は１．０である。
（比較例３）長辺部２０、円弧部２２および２３の各溝部の肉厚寸法Ｔ１は、それぞれ０．０３５mmに寸法設定し、長辺部２１の底壁の肉厚寸法Ｔ２と、薄肉弁体２５の肉厚Ｔ３を同じ０．０６５ｍｍに寸法設定し、周回溝１９における長辺部２１部分の溝をなくしたこと以外は実施例１と同じにした。すなわちＴ２／Ｔ１は１．９であり、Ｔ３／Ｔ１は１．９である。
（比較例４）開裂ベントを構成する溝部の肉厚寸法Ｔ１をすべて０．０３３ｍｍに寸法設定したこと以外は実施例４と同じにした。すなわちＴ２／Ｔ１は１．０である。
に形成した。
（比較例５）開裂ベントを構成する溝部の肉厚寸法Ｔ１、Ｔ２をすべて０．０３２ｍｍに寸法設定したこと以外は実施例５と同じにした。すなわちＴ２／Ｔ１は１．０である。
(比較例６)最外コイニング部１７の形状を図５に示す略矩形状としたことおよび、長辺部２１の底壁の肉厚寸法Ｔ２を０．０７mm、長辺部２０、円弧部２２および２３の各溝部の肉厚寸法Ｔ１は、それぞれ０．０３mmに、また、薄肉弁体２５の肉厚は０．１３５ｍｍに寸法設定したこと以外は実施例１と同じにした。すなわちＴ２／Ｔ１は２．３であり、Ｔ３／Ｔ１は４．５である。
本発明の実施例１〜７に係る電池と、比較例１〜６の電池とをそれぞれ用意して、開裂ベント１６の作動圧を測定するとともに開裂性を確認した。ここでは、各電池缶１内に電極体２および電解液を収容することに代えて、電池缶１の底壁に穴あけて、この穴から電池内に水を注入して電池内圧（水圧）を徐々に上昇させ、開裂ベント１６の作動圧の測定および開裂性を確認した。
つまり、前記作動圧の測定では、開裂ベント１６が開きあるいは亀裂が生じて水が漏れ出したときの水圧を作動圧として測定した。前記開裂性の確認では、長辺部２１以外の溝部がほぼ完全に開裂したと目視で認められた個数を数えた。測定試料数は各５０個である。落下試験は、電池の６つのそれぞれの面が下になるようにして1.５ｍの高さから２回ずつ鉄板上に落下させることを１セットとして、５セット後の開裂ベント１６の損傷および蓋３の変形がみられた個数を確認した。測定試料数は各１０個である。
表１は、その結果を示す。
Figure 0005096671
前記作動圧の測定では、表１に示すように、電池の大きさが同じである実施例１〜３と比較例１〜３とを比較するといずれも長辺部２１を長辺部２０の膜厚より厚く設定したことにより、作動圧が低く、開裂性が極端に改善されることがわかった。また、この効果は、電池の大きさを変えても同じであることがわかる。また、薄肉弁体２５と長辺部２１の厚みが同じにした場合には、開裂時に薄肉弁体２５の変形も起こるため、長辺部２１以外の溝部がきれいに開裂しなくなって作動圧の上昇、開裂性の低下が見られた。
また、最外コイニング部１７の形状を長円状にすることにより、落下試験での開裂ベント１６および蓋３の変形が改善された。
また、最外コイニング部１７の形状が略矩形状から長円形状にすることにより落下試験時の蓋の変形が改善された。
実施例１の密閉角形電池の蓋の平面図 図１のＡ−Ａ線断面図 電池の縦断正面図 電池の膨張状態を説明する斜視図 従来の密閉角形電池の蓋の平面図 落下試験による蓋の変形を示す図
符号の説明
１ 電池缶
２ 電極体
３ 蓋
１６ 開裂ベント
１７ 最外コイニング部
１９ 周回溝
２０，２１ 長辺部
２２，２３ 円弧状溝部
２５ 薄肉弁体

Claims (4)

  1. 電池缶の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋と、前記蓋に配して電池内圧が異常上昇したときに開裂する薄肉弁体を有する開裂ベントとを含む密閉角形電池において、
    前記開裂ベントは、前記蓋の外面側であって前記蓋の左右方向のいずれか一方の端寄りの長円形状のコイニング部内に形成された長円状の周回溝とこれに囲まれた薄肉弁体を有し、前記長円状の周回溝が蓋の長手方向に平行な長辺部の薄肉部と、これらの長辺部をつなぐ円弧状の薄肉部で構成され、一方の長辺部の薄肉部、他方の長辺部の薄肉部、開裂ベントの薄肉弁体の順に肉厚が厚くなるように設計され、且つ、円弧状の薄肉部の肉厚が、一方の長辺部の薄肉部の肉厚と同じであり、
    電池内圧の異常上昇時に前記電池缶が膨張変形することによって、前記薄肉部のうち肉厚が厚い他方の長辺部の薄肉部以外の溝部が開裂することを特徴とする密閉角形電池。
  2. 電池缶の開口上面を塞ぐ左右横長の蓋と、前記蓋に配して電池内圧が異常上昇したときに開裂する薄肉弁体を有する開裂ベントとを含む密閉角形電池において、
    前記開裂ベントは、前記蓋の外面側であって前記蓋の左右方向のいずれか一方の端寄りの長円形状のコイニング部内に形成された長円状の周回溝とこれに囲まれた薄肉弁体を有し、前記長円状の周回溝が蓋の長手方向に平行な長辺部の薄肉部と、これらの長辺部をつなぐ円弧状の薄肉部で構成され、一方の長辺部の薄肉部、他方の長辺部の薄肉部、開裂ベントの薄肉弁体の順に肉厚が厚くなるように設計され、且つ、円弧状の薄肉部の肉厚が、一方の長辺部の薄肉部の肉厚と同じであり、
    電池内圧の異常上昇時に前記電池缶が膨張変形することによって、前記薄肉部のうち肉厚の薄い一方の長辺部の薄肉部から開裂することを特徴とする密閉角形電池。
  3. 前記周回溝の他方の長辺部の薄肉部の肉厚が前記周回溝の一方の長辺部の薄肉部の肉厚の１.５〜３.０倍である請求項１または２に記載の密閉角形電池。
  4. 前記開裂ベントの薄肉弁体の肉厚が前記周回溝の一方の長辺部の薄肉部の肉厚の２．０〜５.０倍である請求項１または２に記載の密閉角形電池。
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