JP5124242B2 - 円筒型電池 - Google Patents

Description

この発明は、円筒型電池に関し、具体的には、一方の電極を兼ねる有底円筒状の電極缶内に、電解液と、帯状の正極および負極をセパレータを介して渦巻状に巻回してなる電極群とを収納した円筒型電池における封口構造の改良に関し、例えば、円筒型リチウム二次電池などに適用可能である。

図４に、従来の円筒型電池における封口構造の概略を示した。ここに示した従来の円筒型電池１ｂでは、一方の電極を兼ねる有底円筒状の電極缶２ｂ内に、帯状の正極および負極をセパレータを介して渦巻状に巻回した電極群４が収納されているとともに、電解液が充填されている。ここでは、電極缶を負極缶２ｂとしている。そして、負極缶２ｂ開口を上方として、負極缶２ｂの開口の僅かに下方には円筒周囲を巡るビーディング部３ｂが形成されており、負極缶２ｂ内のビーディング部３ｂと開口との間には封口体５ｂが絶縁性樹脂からなる封口ガスケット４０ｂを介して挟持・嵌着されている。

図５（Ａ）〜（Ｅ）に上記円筒型電池１ｂの封口構造を具体的に示した。封口体５ｂは、それぞれ金属プレートを所定形状に成型してなる正極端子板１０ｂと溶接板３０ｂが、プレート状、あるいはフィルム状の金属からなる封口板２０ｂを上下から挟持した積層構造をなしている。端子板１０ｂは、上方を底１１としたカップの周囲にフランジ１２を設けた形状であり（Ａ）、封口板２０ｂは、平坦な円盤状の金属プレートや円盤状の金属プレートに薄肉部（溝）を設けた形状としてもよいが、この例では、アルミラミネートフィルムを採用している（Ｂ）。溶接板３０ｂは、フランジ３１を有して下方を底３２とする皿状に形成され、ガス抜き口３３を有する（Ｃ）。なお、皿の底３２の外側には、正極集電体として機能する正極リード板６ｂの一方の端が溶接され、他端は、負極缶２ｂ内の正極集電体に案内され溶接されている（図１参照）。

封口ガスケット４０ｂの初期形状は、下方を底４１とした２段の中空円筒であり、上方の円筒の径が下方の円筒の径より大きい。また、底４１の中央には開口４２を有している（Ｄ）。そして、封口ガスケット４０ｂは、２段円筒の段４３ｂの部分がビーディング部３ｂを座として載置された状態で負極缶２ｂ内に挿嵌され、さらに、上記積層構造をなす封口体５ｂが、封口ガスケット４０ｂを介してビーディング部３ｂの上方に載置される。そして、この状態でビーディング部３ｂと負極缶２ｂの開口端７ｂとの間でかしめられることで、負極缶２ｂが密閉・封止される（Ｅ）。

上述した従来の円筒型電池における封口構造では、ビーディング部から上方へ向かう力と負極缶の開口から下方へ向かう力、すなわち上下（縦）方向の力より、封口体を負極缶に嵌着している。このように、封口体を縦方向の力により電極缶に嵌着してなる封口構造を「縦締め方式」と呼ぶことにする。この縦締め方式による円筒型電池の封口構造では、電極缶外周に形成された溝部と電極缶開口との間で、３つの構成部材を積層してなる封口体の外周部を面で圧着してかしめるため、ビーディング部には十分な深さが要求される。そのため、円筒状の電極缶側面に深いビーディング部を形成すると、このビーディング部で電極缶の肉厚が薄くなる可能性がある。肉厚が薄くなればその部分で強度が低下し、かしめ加工時にこの薄肉部分が割れれば歩留まりが低下する。また、この深いビーディング形状を寸法などで管理するのは容易ではない。すなわち、縦締め方式の封口構造を採用した円筒型電池では、電極缶のビーディング部を成形する際に、精密な加工制御や肉厚管理が必要であり、製造コストを低下させることが難しい。

このような縦締め方式に対し、円筒状電極缶の外周から円筒軸方向への「横方向」へ加圧して封口体を嵌着する「横締め方式」もある。横締め方式では、ビーディング部は、封口体の座として、封口体が電極缶内に落ち込まない程度の深さでよい。したがって、ビーディング部の肉厚が薄くなる可能性が少なく、さらに、外周から円筒軸方向への「横方向」への加圧の程度は、封口体を嵌着する円筒部分の外径を管理すればよいため、ビーディング部形成時に厳密な加工制御や肉厚管理を必要とせず、電極缶については生産性の向上が見込まれる。

しかし、横締め方式では、略円盤状の構成部材を積層してなる封口体の外縁（エッジ）を円盤中心方向に加圧することになり、面で積層体構成部材同士を加圧・密着させる縦締め方式と異なり、エッジに横方向の力が加わると、封口体の外周が容易に撓んでしまう。撓みによって積層構成体同士の接触が不十分になれば接触抵抗が増大し、電池としての性能劣化を招く。また、エッジが撓まないようにかしめ時の圧力を小さくすると、電池を長期に保存したり振動環境下に置いたりすると、封口体の積層構成体同士の密着度が低下し、やはり、積層体構成部材間の接触抵抗が増大する。また、漏液などの問題も発生する。

このように、「横締め方式」により端子板、封口板、溶接板からなる封口体をかしめて電極缶開口を密封する構造の円筒型電池は、生産性の向上が見込まれる反面、信頼性に問題がある。本発明は、ビーディング部の肉厚管理が容易な横締め方式による封口構造を採用する際の各種問題点に鑑みなされたもので、その目的は、横締め方式による封口構造を採用した円筒外電池において、確実に封口体構成部材間を密着させ、長期保存性能や耐振動性能を向上させることにある。

上記目的を達成するための本発明は、一方の電極を兼ねる有底円筒状の電極缶内に、電解液と、帯状の正極および負極をセパレータを介して渦巻状に巻回してなる電極群とを収納するとともに、当該電極缶の開口に絶縁性の樹脂からなる略中空筒状の封口ガスケットを介して封口体を嵌着して当該電極缶を密封してなる円筒型電池であって、
電極缶開口を上方として、前記封口体は、それぞれが金属プレートを成型してなる、他方の電極の端子板と、封口板と、他方の電極のリード線が溶接される溶接板を、この順に上方から積層してなり、
溶接板は、下方を中空の底とした円形の皿の周囲にフランジが一体的に設けられた形状をなすとともに、当該フランジの外周には、下方を底とするＵ字状の溝が形成され、
封口板は、表面の一部に薄肉部を有する平坦な円盤の周囲に下方を底とするＵ字状の溝が一体的に設けられた形状をなし、
端子板は、上方を底とした円形のカップの周囲にフランジが一体的に設けられた形状をなすとともに、当該フランジの外周には、下方を底とするＵ字状の溝が形成され、
前記溶接板、封口板、端子板は、それぞれの前記Ｕ字状の溝が互いに密着した状態で積層されて封口ガスケットの中空筒内に挿入されるとともに、円筒状電極缶の外方向から円筒軸方向に加圧嵌着されている。

好ましくは、前記溶接板の外径を、前記封口板の外径の９５．０％以上１００％未満とすることである。また、前記封口板と溶接板を、ともにアルミニウムあるいはアルミニウムの合金とした円筒型電池とすれば、不要な接触電位差が発生することなく、より好適である。

本発明の円筒型電池によれば、横締め方式の封口構造とすることで、電極缶のビーディング部の肉厚管理が容易で高い生産性を確保することができるとともに、確実に封口体構成部材間を密着させ、長期保存性能や耐振動性能を向上させることができる。

＝＝＝封口構造＝＝＝
図１に、本発明の実施例における円筒型電池の封口構造を示した。当該実施例における円筒型電池１ａは、封口構造以外の構成（電極群、電解液など）は、図４示した円筒型電池１ｂと同様であり、有底円筒状の負極缶２ａ内に、電解液と、セパレータを介して渦巻状に巻回されてなる帯状の正極および負極からなる電極群４とが収納されているとともに、当該負極缶２ａの開口に封口体５ａが絶縁性の樹脂からなる封口ガスケット４０ａを介して嵌着されている。封口体５ａは、従来の電池１ｂと同様に、正極端子板１０ａ、封口板２０ａ、溶接板３０ａから構成されている。しかし、本実施例における封口体５ａは、横締め方式による封口構造に最適な形状となっている。

図２に、本実施例における封口構造の構成を示した。（Ａ）は、かしめられる前の端子板１０ａ単体の側断面図である。端子板１０ａは、ニッケルメッキされた鉄やステンレスなどの、変形しにくい金属からなり、形状は、上方を底１１にして周囲にフランジ１２を設けた円形のカップである。カップの縁を巡るフランジ１２には、底の断面形状が略Ｕ字状となるように湾曲されてなる溝（Ｕ字溝）が形成され、このＵ字溝１３が端子板１０ａの外周を巡っている。また、端子板１０ａの縁１４は、Ｕ字溝１３の壁面としてほぼ垂直に上方に立ち上がっている。

（Ｂ）は、かしめられる前の封口板２０ａ単体の側断面図である。封口板２０ａは、金属プレートを所定形状に成型したものであり、端子板１０ａと同様のＵ字溝２２を円盤の外周に設けた形状をなし、円盤の縁２３は、Ｕ字溝２２の壁面としてほぼ垂直に上方に立ち上がっている。本実施例では、その立ち上がりの高さ２４は、溝の深さ２５より高く、また（Ｅ）に示すように、端子板１０ａと積層状態にあるときは、端子板１０ａの縁１４よりも上方に突出するようになっている。

なお、封口板２０ａにおける円盤状の平坦部２６の表面には、薄肉にしてなる溝２１が平坦部２６の円盤形状と同心円をなすように画成されている。この薄肉部（溝）２１は、電池１ａ内の内圧が異常上昇した際にこの部分２１が先行破断して内圧を開放し、負極缶２ａが破裂するのを防止する安全弁として機能する。さらに、この例における正極端子板１０ａのカップ側面には通気口１５が穿設されており、封口板２０ａの安全弁２１が作動した際に、負極缶２ａ内に発生したガスをこの通気口１５から缶外へ排出するようになっている。

（Ｃ）は、かしめられる前の溶接板３０ａ単体の側断面図である。溶接板３０ａは、下方を底３２にして周囲にフランジ３１を設けた円形の皿であり、フランジ３１には、底３２の断面形状が略Ｕ字となるように湾曲してなるＵ字溝が形成されている。また、皿の底３２は開口しており、皿の内側側面３４にはリード板６ａが溶接され、リード板６ａはこの開口３５から溶接板３０ａの皿の外側へ案内され、負極缶２ａ内の正極集電体に溶接されている。なお、封口板２０ａと溶接板３０ａの２つの部材は、積み重ねることによって導通を取っている。この二つの部材（２０ａ，３０ｂ）は、電解液に接する位置にあるため、接触により電位差が生じないように同じ金属で構成することが望ましい。封口板２０ａは、一般的にアルミニウムかその合金製であり、封口板２０ａと溶接板３０ａをアルミニウム、あるいはアルミニウム合金製とすることが現実的である。もちろん、上記２つの部材に加え、リード板６ａも同じ金属で構成すればより好ましい。

（Ｄ）は、かしめられる前の封口ガスケット４０ａ単体の側断面図である。封口ガスケット４０ａは、中央に開口４２を有する底４１を備えた中空円筒状の樹脂からできており、（Ｅ）に示すように、封口ガスケット４０ａは、底４１の縁４３ａが、座となるビーディング部３ａに当接した状態で負極缶２ａ内に挿入される。この封口ガスケット４０ａ内に、封口体５ａを構成する３つの部材（１０ａ，２０ａ，３０ａ）が積層された状態で収容される。このとき、最下層の溶接板３０ａの底３２は、封口ガスケット４０ａの底部開口４２を通して下方に突出する。

上記封口構造を備えた円筒型電池１ａによれば、封口体５ａは、略円盤状の３つの部材（１０ａ，２０ａ，３０ａ）を積層してなり、３つの部材（１０ａ，２０ａ，３０ａ）は、積層状態において、それぞれの外周に設けられたＵ字溝（１３，２２，３３）が互いに上下で密着するようになっている。そして、封口体５ａを封口ガスケット４０ａを介して横締め方式により負極缶２ａの外側から封口ガスケット４０ａを介して内側へ向かう力でかしめたとき、その圧力が、封口体５ａのエッジではなく、Ｕ字溝（１３，２２，３３）の外側壁面によって受け止められるとともに、封口板２０ａと溶接板３０ａが負極缶２ａと変形しにくい端子板１０ａのＵ字溝１３の外壁面との間に挟持される。そのため、３つの封口体構成部材（１０ａ，２０ａ，３０ｂ）が互いに確実に面で接触する。したがって、長期保存時や振動環境下においても安定して各部材（１０ａ，２０ａ，３０ｂ）が相互に密着し、接触抵抗が増大することがない。

＝＝＝信頼性試験＝＝＝
次に、上述した実施例の封口構造を採用した円筒型電池について、より優れた長期保存性能や耐振動性能を達成するための最適条件を検討することとする。当該条件は、製造容易性、あるいは、製造コストの低減などに鑑み、電極群や電極缶、封口体など、円筒型電池を構成する各部材の素材については、従来の円筒型電池と同様とし、専ら、封口板と溶接板のそれぞれの外径に関する条件を検討することで信頼性の向上を計ることとした。そして、本発明の実施例に係る上記封口構造を採用した電池と、比較例として溶接板のフランジを平坦とした電池とを作成し、封口板に対する溶接板の外径を種々変更した多種多様な電池をサンプルとして、長期保存性能や耐振動性能に関わる信頼性試験を行った。図３に比較例における溶接板の側断面図（Ａ）と、封口構造（Ｂ）とを示した。封口体５ｃを構成する溶接板３０ｃ以外は実施例と同じ構造・構成である。

なお、サンプルは、いずれも、帯状にしたリチウム複合酸化物からなる正極と、同じく帯状にしたリチウムイオンの吸蔵放出が可能な炭素材料からなる負極とをセパレータを介して巻回して電極群とし、この電極群を負極缶内に挿入してこれに電解液を含浸させた後、負極缶開口を横締め方式により封口して円筒型電池としたものである。また、各サンプルの外寸と封口板の外径（直径）は同じであり、外寸は、直径１８．０ｍｍ、高さ５０．０ｍｍで、封口板の外径は１６．３ｍｍである。

実施例、および比較例における各サンプル（実施例１〜５，比較例１，比較例２）について、初期状態における内部抵抗と信頼性試験後の内部抵抗とを測定した。内部抵抗は、ＬＣＲメータを用い、１ｋＨｚの交流を印加して測定した。長期保存性能は、７０℃の温度で２０日間保存した時点での内部抵抗値によって評価し、耐振動性能は、円筒型のサンプルを正極端子板を上にした状態で「ＮＤＳ Ｃ８５１０ｂ．４．５」に準拠した試験方法、すなわち、１ｍｍの震幅の振動で、周波数を１Ｈｚ／分の変化率で９０分掛けて、１０Ｈｚから５５Ｈｚに徐々に上げていき、５５Ｈｚに達したら１０Ｈｚに徐々に下げていく方法で試験した時点における内部抵抗値によって評価した。

以下の表１に各サンプルの作成条件と信頼性試験結果とを示した。

上記表１では、本発明の実施例に係る封口構造を採用したサンプル１〜５と、比較例として作成したサンプル６，７について、溶接板の外径および封口板の外径に対する溶接板の外径の比（％）と、初期状態、長期保存性能試験後、耐振動試験後のそれぞれの内部抵抗が示されている。

この表１における信頼性試験の結果から、初期状態における内部抵抗値は、実施例１〜５のサンプルより比較例のサンプルの方が３〜７ｍΩ程度高かった。長期保存性能試験では、実施例に係るサンプルでは大きな劣化は確認できなかった。特に実施例２〜４のサンプルは、初期状態に対して内部抵抗の増加率が３％未満であり、ほぼ初期状態の内部抵抗値を維持した。なお、その他の実施例１と５は、それぞれ、７％、１１％程度であった。一方、比較例のサンプルでは、外径比が１００％の比較例２が大きく劣化している。外径比９７％の比較例１では、２２％増加した。

耐振動性能試験では、実施例に係るサンプルでは、いずれも、内部抵抗値の増加率が２０％未満であり、大きな劣化は無いと言える。そして、実施例２〜４のサンプルでは、実施例４の約５％の増加率が最高であり、ほぼ初期状態の内部抵抗値を維持した。それに対し、比較例のサンプルでは、いずれも、内部抵抗値が約２４％も増加した。

以上の結果より、本発明の実施例における封口構造を採用した円筒型電池は、封口板の外径に対する溶接板の外径の比を９５％以上、１００％未満とすることで、より優れた信頼性を確保することができる。

本発明の実施例における円筒型電池の封口構造の概略図である。 上記封口構造の構成を説明するための図である。 上記実施例に係る円筒型電池と性能比較を行うための比較例に係る円筒型電池の封口構造の概略図である。 従来の円筒型電池における封口構造の概略図である。 従来の円筒型電池における封口構造の構成を説明するための図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ 円筒型電池
２ａ、２ｂ 電極缶（負極缶）
３ａ、３ｂ ビーディング部
５ａ、５ｂ、５ｃ 封口体
１０ａ、１０ｂ 端子板
２０ａ、２０ｂ 封口板
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 溶接板
４０ａ、４０ｂ 封口ガスケット

Claims (3)

1. 一方の電極を兼ねる有底円筒状の電極缶内に、電解液と、帯状の正極および負極をセパレータを介して渦巻状に巻回してなる電極群とを収納するとともに、当該電極缶の開口に絶縁性の樹脂からなる略中空筒状の封口ガスケットを介して封口体を嵌着して当該電極缶を密封してなる円筒型電池であって、
   電極缶開口を上方として、前記封口体は、それぞれが金属プレートを成型してなる、他方の電極の端子板と、封口板と、他方の電極のリード線が溶接される溶接板を、この順に上方から積層してなり、
   溶接板は、下方を中空の底とした円形の皿の周囲にフランジが一体的に設けられた形状をなすとともに、当該フランジの外周には、下方を底とするＵ字状の溝が形成され、
   封口板は、表面の一部に薄肉部を有する平坦な円盤の周囲に下方を底とするＵ字状の溝が一体的に設けられた形状をなし、
   端子板は、上方を底とした円形のカップの周囲にフランジが一体的に設けられた形状をなすとともに、当該フランジの外周には、下方を底とするＵ字状の溝が形成され、
   前記溶接板、封口板、端子板は、それぞれの前記Ｕ字状の溝が互いに密着した状態で積層されて封口ガスケットの中空筒内に挿入されるとともに、円筒状電極缶の外方向から円筒軸方向に加圧嵌着されている
   ことを特徴とする円筒型電池。
2. 請求項１において、前記溶接板の外径は、前記封口板の外径の９５．０％以上１００％未満であることを特徴とする円筒型電池。
3. 請求項１または２において、前記封口板と溶接板は、ともにアルミニウムあるいはアルミニウムの合金であることを特徴とする円筒型電池。