JP5226165B2 - コイン形電池 - Google Patents

Description

本発明は、ボタン形電池、扁平形電池とも称されるコイン形電池に関し、間違った使用などの原因によって異常に加熱され、且つ内圧が異常上昇したときに内圧を放出することを可能にする構造を設けたことを特徴とするものである。

コイン形電池は、図７に示すように、円盤状に形成された正極ペレット３２と負極ペレット３３とをセパレータ３４を介して対向配置した極板構造のものが一般的に採用されている。このコイン形電池は、円形半殻体に形成された封口ケース３５内に正極ペレット３２と負極ペレット３３とをセパレータ３４を介して対向配置し、電解液を注入し、封口ケース３５の側周部にガスケット３６を配設し、この上にキャップケース３１を被せ、キャップケース３１の開口端を内側に折り曲げるカシメ加工により内部空間を密閉し、コイン形の外観を呈する電池に形成される。

上記のように正極ペレット３２と負極ペレット３３とを１：１で対面させた極板構造では、正極板と負極板とが対極する反応面積が小さいことなどの要因によって大きな放電容量を得ることができなかった。大きな放電容量を得るには正極板と負極板との対極面積を増加させる必要があり、コイン形電池以外の比較的大型の電池では複数枚の正極板と負極板とをセパレータを介して積層した積層構造や、帯状の正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した巻回構造により、反応面積を拡大させて放電容量の増大化を図った構造が広く用いられている。このような積層構造や巻回構造の極板群をコイン形の扁平なケース内に収容することができれば、コイン形電池の放電容量を増加させることができる。コイン形の扁平なケース内に巻回構造の極板群を収容した電池は、本願出願人が特願２０００−２４１６７８号、特願２０００−２４１６７９号他として提案している。

この巻回構造の極板群を用いたコイン形電池は、図８に示すように、コイン形のリチウム二次電池として構成することができる。図８において、円形半殻体の側周部に段差を形成した封口ケース４内に正極板と負極板とをセパレータを介して扁平に巻回した極板群１を収容し、電解液を注入し、封口ケース４の側周部にガスケット６を配し、円形半殻体に形成されたキャップケース５１を封口ケース４上に被せ、キャップケース５１の開口端を縮口するカシメ加工によりガスケット６を段差上に圧縮することによって極板群１を収容した内部空間が封止されている。

発明が解決しようとする課題

上記のように二次電池として構成されたコイン形電池は、それが接続された回路の異常により過充電状態に陥ったとき、あるいは使用環境が厳しい高温状態に曝されたような場合に、内部空間にガスが発生して内圧が異常上昇する。上昇した内圧がキャップケース５１による封口強度を越える状態に至ったとき、キャップケース５１のカシメが一気に外れて封口ケース４やその他の構成部材が破裂的に飛散する問題があった。封口ケース４やキャップケース５１のような金属物の飛散は危険であるばかりでなく、コイン形電池が装着された機器を破損あるいは汚染することになる。

比較的大型のリチウム電池などでは、内圧が異常上昇したときに上昇した内圧を排出する放出弁などが設けられるが、コイン形電池をはじめとする小型の電池では放出弁のような構造を設けるスペースがなく、ケースの平面部に刻印による薄肉部分を形成して異常内圧放出のための破断部位とするのが一般的である。しかし、安定した異常内圧放出の動作が得られない問題があった。

本発明が目的とするところは、電池を破裂させることなく高温に曝されて異常上昇した内圧を安定して放出する構造を設けたコイン形電池を提供することにある。

課題を解決するための手段

【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、半殻体の側周部が段差を設けて形成された封口ケースと、この封口ケースより大きな外径の半殻体に形成されたキャップケースとを、互いの開口部を対向させ、互いの側周部の間にガスケットを介在させて封口ケース上にキャップケースを被せた内部空間内に発電要素を収容し、キャップケースの開口端を縮口するカシメ加工によりガスケットを前記段差上に圧縮することによって前記内部空間が密閉されてなるコイン形電池において、前記キャップケースの開口端に、前記開口端を直径線で２分した一方の１８０度を、０度および１８０度を含む等分に分割した位置に複数の切欠部が形成され、他方の１８０度には切欠部が形成されておらず、前記切欠部の深さは、キャップケースをガスケットを介して封口ケースに被せたとき、その最深部が封口ケースの側周部に形成された段差の肩部分の高さ位置と略同等の位置になるように形成されてなることを特徴とする。

上記構成によれば、キャップケースの開口端に形成された切欠部の位置では、電池が高温に曝され、内圧が異常上昇したとき、切欠部周辺の軟化したガスケットが切欠部に押し込まれるため封口に緩みが生じて内圧が放出される。従って、内圧が封口強度を上回って電池ケースのカシメが一気に外れる破裂に至る以前に内圧が放出され、切欠部により異常内圧を放出する放出弁の効果を得ることができる。よって、高温状態に曝されたときには、ガスケットとして適用された樹脂材料の軟化変形により、切欠部から内圧を放出することができる。

上記構成において、複数の切欠部を開口端の一方に偏って形成することにより、カシメ封口の弱い部分が一方に偏るので、高温に曝されると同時に異常上昇した内圧は封口の弱い部分から放出され、内圧が全体に加わって破裂的に封口が破壊されることが回避される。

また、切欠部の深さは、キャップケースをガスケットを介して封口ケースに被せたとき、その最深部が封口ケースの側周部に形成された段差の肩部分の高さ位置と略同等の位置になるように形成するのが好適で、電池温度と電池内圧が上昇したとき、切欠部周辺のガスケットの変形と流動によりガスケットのシール力に緩みが生じ、切欠部によるガスケットの圧縮度合いの小さい部分から内圧を放出する作用が確実になされる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、実施形態に係る電池の構成を示す断面図で、発電要素である極板群１及び電解液を封口ケース４とキャップケース５とにより形成される内部空間内に封入したコイン形のリチウム二次電池として構成されたものである。尚、以下に示す実施形態の構成では従来構成と共通する構成要素には同一の符号を付している。

このコイン形電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平に巻回した極板群１を用いてコイン形電池としての放電容量の増加を図っている。この極板群１を円形半殻体の側周部４ｄが段差部４ｂを設けて形成された封口ケース４に収容し、電解液を注入し、封口ケース４の側周部４ｄにガスケット６を配設して、円形半殻体に形成されたキャップケース５を封口ケース４の開口部を閉じるように被せ、キャップケース５の開口端を内側に折り曲げるカシメ加工によりガスケット６を圧縮して極板群１及び電解液を収容した内部空間を封止して製作される。キャップケース５はその底面５ａに極板群１の正極板が圧接して電池の正極を構成し、封口ケース４はその底面４ａに極板群１の負極板が圧接して電池の負極を構成している。より好ましくは、正極板から引き出した正極リードをキャップケース５の底面５ａに溶接し、負極板から引き出した負極リードを封口ケース４の底面４ａに溶接する接続方法を適用することができ、接続がより確実となって内部抵抗の低減に効果的である。

このコイン形電池が接続された回路の故障などにより過充電になったときや、高温環境下に曝されたような場合に、極板群１を収容した内部空間にガスが発生して内圧が異常上昇する。このような小型の電池では、内圧が異常上昇したときに、比較的大型の電池に設けられているような内圧を放出する排出弁を設けるだけのスペースを確保することができない。従って、コイン形電池では内圧が異常上昇して限界圧力に達すると、前述したようにキャップケース５のカシメが一気に外れてキャップケース５やその他の構成部材が飛散し、人体や機器に損傷を与える恐れがある。特に、二次電池では充電という動作が伴うため一次電池に比して内圧が異常上昇する度合いは大きくなる。それは、過充電や逆充電、短絡、あるいは高温の環境下に曝されたような場合であり、ガスの発生や膨張により内圧が異常上昇する状態が一次電池より多くなる。従って、異常上昇した内圧の放出機能をコイン形電池においても設けることが望ましく、本実施形態に係る電池では、以下に示す異常内圧の放出構造が設けられている。

図２は、コイン形電池の外装ケースを構成する封口ケース４及びガスケット６、キャップケース５を組み立て加工前の状態で示すもので、封口ケース４は、その側周部４ｄが段差部４ｂを設けて形成された円形半殻体に形成されている。また、ガスケット６は、ポリプロピレン等の樹脂により封口ケース４の側周部４ｄに嵌まり合う溝を設けて形成され、正極となるキャップケース５と負極となる封口ケース４との間を絶縁すると共に、封口ケース４とキャップケース５とに囲まれた内部空間を密閉する封止材の役割を担っている。また、キャップケース５は、前記封口ケース４の直径より大きな直径の円形半殻体に形成され、開口端を直径線Ｄで２分した一方の１８０度を等分に分割した位置に複数（５か所）の切欠部２が形成されている。切欠部２の形状は、本実施形態の構成においては、図３（ａ）に示すように半径０．５ｍｍＲの半円形に形成しているが、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、Ｖの字状あるいは矩形状に形成してもよい。また、切欠部２の深さは、封口ケース及びキャップケース、ガスケット６の寸法形状によって変わる値で、本実施形態の直径３０ｍｍ、高さ３．２ｍｍ、板厚０．３ｍｍのコイン形電池の場合では、０．５ｍｍに形成されている。

上記封口ケース４に、その側周部４ｄにガスケット６を嵌め込み、極板群１及び電解液を収めた後、封口ケース４上にキャップケース５を被せた状態を、図２に示すキャップケース５のＡ−Ａ線矢視断面で図４に示す。この状態でキャップケース５に形成された切欠部２の最深部の位置は、本実施形態の構成においては封口ケース４の段差部４ｂが側周部４ｄに至る肩部４ｃの高さ位置と略同等の深さになるように形成されている。

上記キャップケース５の開口端は、プレス金型によって所定の曲げアールで内側に折り曲げるカシメ加工がなされることにより、図１に示すように、極板群１及び電解液を収容した内部空間を密閉したコイン形電池に完成される。カシメ加工は内側に折り曲げたキャップケース５の開口端によりガスケット６を封口ケース４の段差部４ｂ上に圧縮することにより内部空間から外部への通路が閉鎖される。

このコイン形電池が高温に曝され、内部空間にガスが発生して内圧が異常上昇したとき、図５に示すように、封口ケース４の底面４ａが内圧により外側に膨らむと、その直径が縮小する状態になり、ガスケット６は封口ケース４の変形により内側に引かれるので、ガスケット６とキャップケース５との間の密着性が低下する。キャップケース５に形成された切欠部２の形成部位では、高温の雰囲気になり内圧が異常上昇したとき切欠部２の周辺のガスケット６が軟化し、変形して切欠部２に流動するので、結果的にガスケット６のシール力が低下し、切欠部２から内圧が放出される。また、図２に示すように、複数の切欠部２は、開口端の円周上を直径線Ｄで二分した一方に偏って形成されているので、ガスケット６の軟化流動が局在し、特にガスケット６の流動は直径線Ｄの線上に集中するので、内圧は封口度の弱い一方側から放出され、キャップケース５の全体に圧力が加わらないので、キャップケース５のカシメが一気に外れることはなく、切欠部２が形成された一方側のカシメが外れて構成部材を飛散させることなく封口ケース４があたかも貝の口が開くようにして内圧を放出する。

上記のようにキャップケース５に切欠部２を形成することによって、高温に曝された電池の異常上昇した内圧を放出することができる効果を実証テストにより検証した。この実証テストでは、切欠部２の形成数による内圧放出の効果についても検証するために、実施例▲１▼〜▲３▼と、従来例▲４▼について同条件で破裂試験を実施した。実施例▲１▼は本実施形態の構成と同じく図６に示す切欠部２Ａ〜２Ｅを５か所に形成したキャップケース５を用いて組み立てたリチウム二次電池、実施例▲２▼は図６に示す切欠部２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを３か所に形成したキャップケース５を用いて組み立てたリチウム二次電池、実施例▲３▼は図６に示す切欠部２Ｃを１か所に形成したキャップケース５を用いて組み立てたリチウム二次電池、従来例▲４▼は従来構成のように切欠部２が形成されてないキャップケース５１を用いて組み立てたリチウム二次電池である。

実施例▲１▼〜▲３▼及び従来例▲４▼について、それぞれ５個作製し、各電池について内圧が上昇したときに、内圧が放出されるか否か、電池の構成要素が破裂的に飛散するか否かを検証する破裂試験を実施した。この検証のために、予め所定の温度に設定した熱板を用意し、熱板上に置いた被検電池の破裂の有無と破裂に至るまでの時間を測定した。この熱板を用いた破裂試験の結果を表１に示す。

従来例▲４▼の場合、電池が高温に曝されて上昇した内圧を放出できないので、その全数が内圧の封口強度を越える圧力に達したとき破裂し、キャップケース５が完全に外れた状態で構成要素を飛散させる結果となった。これに対して実施例▲１▼及び実施例▲２▼の場合、内圧が限界状態になる以前に切欠部２から上昇した内圧が放出されるので破裂に至ることはなく、切欠部２Ａ〜２Ｅが形成された側でガスケット６が軟化して切欠部２Ａ〜２Ｅに流動し、シールに緩みが生じた部分から内圧を放出し、切欠部２が形成された側と直径方向の反対位置では封口が維持された状態となった。実施例▲３▼のように切欠部２の形成は１か所でも効果があるが、温度上昇の速度が速い場合に破裂に至ることもあるので、実施例▲１▼及び実施例▲２▼の構成のように複数か所に形成することにより異常内圧放出の確実性を高めることができる。

上記検証結果から、キャップケース５の開口端に１か所以上の切欠部２を形成することにより、電池が高温に曝されて内圧が異常上昇したときに、ガスケット６の軟化に伴う変形、流動によって切欠部２から内圧を放出して、キャップケース５が飛散するような状態を防ぐことができる。更に複数の切欠部２を開口端のいずれか一方に偏らせて形成すると、より確実にキャップケース５の飛散を防止できる。

発明の効果

以上の説明の通り本発明によれば、コイン形電池のように小型電池において、異常上昇した内圧の放出弁を設けるスペースのない場合でも、カシメ封口部分に内圧放出のための切欠部を設けることができるので、電池が高温に曝されて異常上昇した内圧によって電池が破裂状態になることが防止できる。特に、過充電等の間違った使用や高温状態に至るケースの多い二次電池をコイン形電池として構成する場合に有効な手段となる。

実施形態に係るコイン形電池の構成を示す断面図。 同上コイン形電池の外装ケースの構成を示す斜視図。 切欠部の形状例を（ａ）〜（ｃ）に示す部分側面図。 実施例に係るコイン形電池の封口前の状態を示す断面図。 内圧が異常上昇した状態を模式的に示す断面図。 切欠部の形成数による効果をテストする説明図。 従来構成になるコイン形電池の構成を示す断面図。 従来構成になるコイン形電池の構成を示す断面図。

１ 極板群
２、２ａ、２ｂ 切欠部
４ 封口ケース
４ｂ 段差部
４ｃ 肩部
４ｄ 側周部
５ キャップケース
６ ガスケット

Claims (1)

1. 半殻体の側周部が段差を設けて形成された封口ケースと、
   この封口ケースより大きな外径の半殻体に形成されたキャップケースとを、
   互いの開口部を対向させ、
   互いの側周部の間にガスケットを介在させて封口ケース上にキャップケースを被せた内部空間内に発電要素を収容し、
   キャップケースの開口端を縮口するカシメ加工によりガスケットを前記段差上に圧縮することによって前記内部空間が密閉されてなるコイン形電池において、
   前記キャップケースの開口端に、前記開口端を直径線で２分した一方の１８０度を、０度および１８０度を含む等分に分割した位置に複数の切欠部が形成され、他方の１８０度には切欠部が形成されておらず、
   前記切欠部の深さは、キャップケースをガスケットを介して封口ケースに被せたとき、その最深部が封口ケースの側周部に形成された段差の肩部分の高さ位置と略同等の位置になるように形成されてなることを特徴とするコイン形電池。

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