JP5294566B2 - 角形電池 - Google Patents
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Description
本発明は、角形電池の体積膨張を抑制する技術に関する。
非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるため、携帯機器の駆動電源として広く利用されており、角形電池は携帯機器の狭い空間内に実装しやすいので、利用価値が高い。
このような非水電解質二次電池は、充放電反応によって正極及び負極が膨張する。このため、電池が膨張する。また、正極及び／又は負極と非水電解質とが反応してガスが発生し、このガスにより電池が膨張するが、電子機器内に実装された電池が膨張すると、その周囲に配置されている電子回路等を破壊する恐れがある。よって、このような電池膨張を最小限に押さえる必要がある。
この問題を解決するため、特許文献１〜４に、外装缶の最も面積の大きい側面に、予め凹部を形成する技術が提案されている。
しかしながら、これらの技術を用いても、十分に電池の膨張を抑制できない。
本発明は、電池の膨張を抑制し得た角形電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための電池のかかる本発明は、正極と負極とを有する電極体と、電解液と、が、角形外装缶に収納された電池において、前記外装缶の四つの側面のうち、最も面積の大きい側面の中央領域には、外装缶内方に向かって突出した凹部が設けられ、前記凹部に一つ以上の膨張抑制溝が設けられ、前記膨張抑制溝は、前記電池の高さ方向に平行に複数形成されていることを特徴とする
この構成によると、外装缶の最も面積の大きい側面に予め形成された凹部が電池の膨張変形を吸収するように作用する。また、この凹部に形成された膨張抑制溝が電池中央領域の膨張を抑制するように作用する。これらの効果が相乗的に作用する結果、電池の膨張が確実に抑制される。
上記外装缶の四つの側面のうち、最も面積の大きい側面は、通常、対向する一対の側面（２つ）であるが１つである場合もある。外装缶の最も面積の大きい側面の中央領域とは、外装缶の最も面積の大きい側面の缶底から５ｍｍ、封口板側端辺から５ｍｍ、両側辺から５ｍｍの領域を除いた残余の領域を意味する。
ここで、電池の膨張を効果的に抑制するためには、図２（ａ）に示すように、凹部２は、少なくとも外装缶１の最も面積の大きい側面の面積中心点を中心にして、面積が３６％（電池幅方向においてその中央６０％且つ電池高さ方向においてその中央６０％）の領域に形成されていることが好ましい。
また、電池の膨張を効果的に抑制するためには、図２（ｂ）に示すように、凹部の最大深さを０．０５ｍｍ以上とすることが好ましい。また、凹部の最大深さを０．１ｍｍよりも大きくすると、外装缶内部に電極体や電解液を収容させることが難しくなるので、凹部の最大深さを０．１ｍｍ以下とすることが好ましい。
ここで、膨張抑制溝を複数本形成する場合には、外装缶の最も面積の大きい側面の面積中心点を通り、且つ電池高さ方向に平行な直線を対称軸として、複数本の膨張抑制溝を形成することが好ましい。この場合において、隣り合う溝同士の間隔が３．０ｍｍ未満であると、膨張抑制溝形成時に膨張抑制溝形成の応力によって、隣り合う膨張抑制溝同士の間の領域が大きく膨張するため、好ましくない。この一方、隣り合う溝同士の間隔が６．０ｍｍより大きいと、正負極の膨張やガスの発生によって、隣り合う膨張抑制溝同士の間の領域が大きく膨張するため、好ましくない。よって、隣り合う溝同士の間隔を３．０〜６．０ｍｍとすることが好ましい。
上記課題を解決するための電池の製造方法にかかる本発明は、角形外装缶の四つの側面のうち、最も面積の大きい側面に凹部を形成する凹部形成ステップと、凹部が形成された前記角形外装缶の内部に正極と負極とを有する電極体を収容する収容ステップと、前記角形外装缶の開口を封口体で封口する封口ステップと、電解液を注入して栓をする封止ステップと、封止後の電池外装缶の最も面積の大きい側面に形成された前記凹部に一つ以上の膨張抑制溝を形成する膨張抑制溝形成ステップと、を備えることを特徴とする。
外装缶に対する凹部の形成は、電極体及び電解液の収容前に行うことが好ましく、凹部に対する膨張抑制溝の形成は、外装缶の開口を封口し、電解液を注入して栓をした後の状態で行うことが好ましい。
以上説明したように、上記本発明によると、膨張を効果的に抑制し得た角形電池が得られる。
本発明を実施するための最良の形態を、非水電解質二次電池を例として、図面に基づいて説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
図１は、本発明電池の斜視図であり、図２（ａ）は本発明電池の正面図、図２（ｂ）は本発明電池の側面透視図である。電池の外装缶１の最も面積の大きい側面の中央部分には、凹部２が設けられており、当該凹部２に膨張抑制溝３が３本設けられている。
上記電池の大きさは、高さ５０ｍｍ、幅３４ｍｍ、厚み５．２ｍｍである。図２に示すように、外装缶１の最も面積の大きい側面の高さをＴ、幅をＷとしたとき、凹部２は、外装缶の最も面積の大きい側面の面積中心点を中心として、少なくとも３／５Ｔ且つ３／５Ｗの領域に設けられている。また、凹部の最も凹んでいる部分の深さは０．０５〜０．１ｍｍである。また、膨張抑制溝３の間隔は、３．０〜６．０ｍｍである。
上記非水電解質二次電池は、公知の材料、方法を用いて作製することができる。具体的には、正極材料としてはコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属複合酸化物、負極材料としては黒鉛、コークス等の炭素質物、リチウム合金、金属酸化物等、非水溶媒としてはエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート類、γ−ブチロラクトン等のエステル類、１，２−ジメトキシエタン等のエーテル類等、電解質塩としてはＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＰＦ６等をそれぞれ単独で、あるいは二種以上混合して用いることができる。また本発明は、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池等に利用することもできる。
以下、実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
〈凹部形成ステップ〉
絞り加工により、アルミニウム製の角形外装缶（高さ５０ｍｍ、幅３４ｍｍ、厚み５．２ｍｍ）を作製した。この絞り加工と同時に、図２に示すように、外装缶１の面積の最も大きい側面の面積中心点を中心として、当該側面の面積の３６％の領域（外装缶の最も面積の大きい側面の面積中心点を中心として、高さ３０ｍｍ、幅２０．４ｍｍの領域）に、最大深さが０．０５ｍｍである凹部２を形成した。
〈凹部形成ステップ〉
絞り加工により、アルミニウム製の角形外装缶（高さ５０ｍｍ、幅３４ｍｍ、厚み５．２ｍｍ）を作製した。この絞り加工と同時に、図２に示すように、外装缶１の面積の最も大きい側面の面積中心点を中心として、当該側面の面積の３６％の領域（外装缶の最も面積の大きい側面の面積中心点を中心として、高さ３０ｍｍ、幅２０．４ｍｍの領域）に、最大深さが０．０５ｍｍである凹部２を形成した。
〈収容ステップ〉
コバルト酸リチウムを主体とする正極と、黒鉛を主体とする負極と、ポリオレフィン系微多孔膜からなるセパレータと、を備えた電極体を上記外装缶１の内部に収容し。、外装缶１の開口を封口体４により封口した。この後、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物からなる非水溶媒に、ＬｉＰＦ６をからなる電解質塩を溶解した電解液を、封口体４に設けられた注液口から注液した。
コバルト酸リチウムを主体とする正極と、黒鉛を主体とする負極と、ポリオレフィン系微多孔膜からなるセパレータと、を備えた電極体を上記外装缶１の内部に収容し。、外装缶１の開口を封口体４により封口した。この後、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物からなる非水溶媒に、ＬｉＰＦ６をからなる電解質塩を溶解した電解液を、封口体４に設けられた注液口から注液した。
〈封止ステップ〉
注液口に封止栓５を挿入し、封止栓周囲を溶接した。
注液口に封止栓５を挿入し、封止栓周囲を溶接した。
〈膨張抑制溝形成ステップ〉
円周上の先端部分が回転軸方向に半径２．５ｍｍであり直径１７ｍｍのローラを用いて凹部２の中央部分に、電池高さ方向に平行な膨張抑制溝３（溝幅は０．３ｍｍ）を３本、４．０ｍｍの間隔で形成して、実施例１に係る非水電解質二次電池を作製した。
円周上の先端部分が回転軸方向に半径２．５ｍｍであり直径１７ｍｍのローラを用いて凹部２の中央部分に、電池高さ方向に平行な膨張抑制溝３（溝幅は０．３ｍｍ）を３本、４．０ｍｍの間隔で形成して、実施例１に係る非水電解質二次電池を作製した。
（比較例１）
凹部が形成されていない外装缶を用いたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１に係る非水電解質二次電池を作製した（図５参照）。
凹部が形成されていない外装缶を用いたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１に係る非水電解質二次電池を作製した（図５参照）。
〔電池厚みの測定〕
上記で作製した各電池の溝加工前及び溝加工後の電池厚みを測定した。
溝加工後の電池を、定電流１Ｉｔ（１０５０ｍＡ）で１８分充電し、厚みを測定した（３０％充電厚み）。
溝加工後の電池を、定電流１Ｉｔ（１０５０ｍＡ）で電圧が４．２Ｖとなるまで充電し、その後定電圧４．２Ｖで電流が５１ｍＡとなるまで充電し、厚みを測定した（満充電厚み）。
これらの結果（実施例１、比較例１ともに各２０セル）を下記表１に示す。なお、下記表１において、かっこ外数値は平均値、かっこ外数値はバラツキを示す。また、実施例１の満充電後の膨張抑制溝近傍の形状を図３（ｂ）、比較例１の満充電後の膨張抑制溝近傍の形状を図３（ａ）に示す。
上記で作製した各電池の溝加工前及び溝加工後の電池厚みを測定した。
溝加工後の電池を、定電流１Ｉｔ（１０５０ｍＡ）で１８分充電し、厚みを測定した（３０％充電厚み）。
溝加工後の電池を、定電流１Ｉｔ（１０５０ｍＡ）で電圧が４．２Ｖとなるまで充電し、その後定電圧４．２Ｖで電流が５１ｍＡとなるまで充電し、厚みを測定した（満充電厚み）。
これらの結果（実施例１、比較例１ともに各２０セル）を下記表１に示す。なお、下記表１において、かっこ外数値は平均値、かっこ外数値はバラツキを示す。また、実施例１の満充電後の膨張抑制溝近傍の形状を図３（ｂ）、比較例１の満充電後の膨張抑制溝近傍の形状を図３（ａ）に示す。
上記表１から、実施例１に係る電池の溝加工後厚みは平均５．２２ｍｍであり、比較例１の５．２５ｍｍよりも０．０３ｍｍ小さいことがわかる。
このことは、次のように考えられる。外装缶に溝加工を行うと、その応力によって外装缶が膨張するように変形する。ここで、予め外装缶の最も面積の大きい側面に凹部を設けておくと、この凹部がこの膨張を抑制するように作用するため、実施例１の溝加工後の電池厚みは、比較例１よりも小さくなる。
また、実施例１に係る電池の３０％充電厚みは平均５．２７ｍｍであり、比較例１の５．３１ｍｍよりも０．０４ｍｍ小さいことがわかる。
また、実施例１に係る電池の満充電厚みは平均５．３５ｍｍであり、比較例１の５．４２ｍｍよりも０．０７ｍｍ小さいことがわかる。
これらのことは、次のように考えられる。電池を充電すると、負極がリチウムイオンを吸蔵する反応が生じ、負極の体積が増加するため、電極体の体積が増加し、電池が膨張する。ここで、予め外装缶の最も面積の大きい側面に予め凹部を形成し、当該凹部に膨張抑制溝を形成すると、凹部による電池膨張の吸収作用と、膨張抑制溝による電池膨張抑制作用とが相乗的に作用して、電池の膨張が効果的に抑制される。他方、凹部が形成されていないと、電池膨張抑制作用が不十分であり、電池厚みが大きくなる。
これらのことは、電池充電後の電池表面形状を示す図３からも確認できる。凹部が形成されていない比較例１では、図３（ａ）に示すように、膨張抑制溝の外側の部分が大きく隆起（矢印で示すように、図の上方向に突出した部分が存在）するのに対し、凹部が形成されている実施例１では、図３（ｂ）に示すように、膨張抑制溝の外側の部分に隆起がない（矢印で示すように、図の上方向に突出した部分が存在しない）。これにより、実施例１の電池厚みの増加量が小さくなる。
〔充電高温保存試験〕
上記で作製した各電池を、定電流１Ｉｔ（１０５０ｍＡ）で電圧が４．２Ｖとなるまで充電し、その後定電圧４．２Ｖで電流が５１ｍＡとなるまで充電し、厚みを測定した（試験前厚み）。
この後、この電池を８５℃の恒温槽内で３時間保存し、この電池厚みを測定した（取出し直後厚み）。
この後、この電池を電池が室温（２５℃）となるまで冷却し、この電池厚みを測定した（冷却後厚み）。
これらの結果（実施例１、比較例１ともに各５セル）を下記表２に示す。なお、下記表２において、かっこ外数値は平均値、かっこ外数値はバラツキを示す。
上記で作製した各電池を、定電流１Ｉｔ（１０５０ｍＡ）で電圧が４．２Ｖとなるまで充電し、その後定電圧４．２Ｖで電流が５１ｍＡとなるまで充電し、厚みを測定した（試験前厚み）。
この後、この電池を８５℃の恒温槽内で３時間保存し、この電池厚みを測定した（取出し直後厚み）。
この後、この電池を電池が室温（２５℃）となるまで冷却し、この電池厚みを測定した（冷却後厚み）。
これらの結果（実施例１、比較例１ともに各５セル）を下記表２に示す。なお、下記表２において、かっこ外数値は平均値、かっこ外数値はバラツキを示す。
上記表２から、実施例１に係る電池の試験前厚みは平均５．３４ｍｍであり、比較例１の５．４２ｍｍよりも０．０８ｍｍ小さいことがわかる。
この理由は、上記満充電厚みにおいて考察した理由と同様である。
また、表２から、実施例１に係る電池の取出し直後厚みは平均６．１２ｍｍであり、比較例１の６．３１ｍｍよりも０．１９ｍｍ小さいことがわかる。
また、表２から、実施例１に係る電池の冷却後厚みは平均５．６９ｍｍであり、比較例１の５．８２ｍｍよりも０．１３ｍｍ小さいことがわかる。
これらのことは、次のように考えられる。満充電状態の電池を高温環境で保存すると、非水電解質と電極とが反応してガスが発生するため、電池が膨張する。ここで、予め外装缶の最も面積の大きい側面に予め凹部を形成し、当該凹部に膨張抑制溝を形成すると、凹部による電池膨張の吸収作用と、膨張抑制溝による電池膨張抑制作用とが相乗的に作用して、電池の膨張が効果的に抑制される。他方、凹部が形成されていないと、電池膨張抑制作用が不十分であり、電池厚みが大きくなる。
（その他の事項）
なお、上記実施例では、外装缶材料としてアルミニウムを用いたが、これに限定するものではなく、アルミニウム合金・鉄・ステンレススチール等の公知の材質でも良い。
なお、上記実施例では、外装缶材料としてアルミニウムを用いたが、これに限定するものではなく、アルミニウム合金・鉄・ステンレススチール等の公知の材質でも良い。
本発明は、角型外装缶を有する電池に関するものであるが、角型外装缶とは電池の角の部分が曲面になっている形状の外装缶を含むものである。
また、凹部は、図２に示すようになだらかなカーブ形状に形成されていてもよく、図４（ａ）に示すように急激な段差形状であってもよく、図４（ｂ）に示すように複数の段差があってもよい。
膨張抑制溝の溝幅方向の断面形状は特に限定しない。溝幅は、溝幅方向の断面における最大幅部分が０．２〜０．５ｍｍであることが好ましい。
以上に説明したように、本発明によると、電池の膨張を効果的に抑制できるという優れた効果を奏する。したがって、産業上の利用可能性は大きい。
１ 外装缶
２ 凹部
３ 膨張抑制溝
４ 封口体
５ 封止栓
２ 凹部
３ 膨張抑制溝
４ 封口体
５ 封止栓
Claims (5)
- 正極と負極とを有する電極体と、電解液と、が、角形外装缶に収納された電池において、
前記外装缶の四つの側面のうち、最も面積の大きい側面の中央領域には、外装缶内方に向かって突出した凹部が設けられ、
前記凹部に一つ以上の膨張抑制溝が設けられ、
前記膨張抑制溝は、前記電池の高さ方向に平行に複数形成されている
ことを特徴とする角形電池。 - 請求項１に記載の角形電池において、
前記凹部は、少なくとも外装缶の最も面積の大きい側面の面積中心点を中心にして、面積が３６％の領域に形成されている、
ことを特徴とする角形電池。 - 請求項１に記載の角形電池において、
前記凹部の最大深さが、０．０５〜０．１ｍｍである、
ことを特徴とする角形電池。 - 請求項１に記載の角形電池において、
前記膨張抑制溝の隣り合う溝同士の間隔が３．０〜６．０ｍｍである、
ことを特徴とする角形電池。 - 角形外装缶の四つの側面のうち、最も面積の大きい側面に凹部を形成する凹部形成ステップと、
凹部が形成された前記角形外装缶の内部に正極と負極とを有する電極体を収容する収容ステップと、
前記角形外装缶の開口を封口体で封口する封口ステップと、
電解液を注入して栓をする封止ステップと、
封止後の電池外装缶の最も面積の大きい側面に形成された前期凹部に一つ以上の膨張抑
制溝を形成する膨張抑制溝形成ステップと、
を備えることを特徴とする角形電池の製造方法。
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