JP5297697B2 - 円筒型電池 - Google Patents

Description

この発明は、一方の電極を兼ねる有底円筒状の電極缶内に、発電要素が収納されるとともに、当該開口が内方にかしめられることにより、当該電極缶の開口に封口体が絶縁性の樹脂からなる封口ガスケットを介して嵌着されて当該電極缶が密封されてなる円筒型電池に関する。具体的には当該円筒型電池における封口構造の改良に関し、例えば、円筒型リチウム電池などに適用可能である。

図９に、従来の円筒型電池の構造を示した。ここに示した従来の円筒型電池１ｂは、ボビン形リチウム電池であり、このボビン形リチウム電池１ｂは、有底円筒状の正極缶１１、二酸化マンガン等の正極活物質を黒鉛等の導電助剤とともに中空円筒状に成形してなる正極合剤２１、円筒状の負極リチウム２２、円筒袋状のセパレータ２３、封口体を兼ねる負極端子（３１，３２）などによって構成されている（たとえば特許文献１，２参照）。

正極缶１１は金属製で電池ケースと正極集電体を兼ねる。その外底面には凸状の正極端子部１２がプレス加工により形成されている。この正極缶１１内に、正極合剤２１、セパレータ２３、および負極リチウム２２が順次装填されて中空筒状の電極体が形成されている。また、正極缶１１の開口部１３を上方とすると、開口部１３の下方には正極缶１１の周囲を巡るビーディング部１４が正極缶１１の内方に突設するように形成されている。正極缶１１の開口部１３において、このビーディング部１４の上方に負極端子が封口ガスケット４０を介して嵌着されている。

このボビン形リチウム電池１ｂの具体的な組立順としては、金属リチウム板を丸めてなる負極リチウム２２の一部に、帯状の金属薄板で形成されて負極集電体を兼ねる負極リード３３の一端部をあらかじめ取り付けておく。また、その他端部を封口体を兼ねる負極端子にスポット溶接する。この例では、負極端子は金属製の負極端子板３１と封口板３２からなり、負極リード３３の他端部はその封口板３２の内側（電池内側）にスポット溶接される。

負極リード３３を封口板３２に溶接した後、正極缶１１内に非水電解液（図示省略）を注液する。この注液の後、負極端子板３１を封口板３２とを積層してなる負極端子を樹脂製の封口ガスケット４０を介して正極缶１１の開口部１３の内側に装着する。なお、封口ガスケット４０は、円形カップ状で、底部４１の中央に開口４３を有している。負極リード３３は、その開口４３を通して正極缶１１内に案内される。そして、正極缶１１の開口部１３を内方にかしめ加工（カール加工）することにより、正極缶１１が密閉封口される。

図１０（Ａ）〜（Ｅ）に上記ボビン形リチウム電池１ｂの封口構造を示した。上述したように、負極端子は、負極端子板３１と封口板３２とから構成されている。負極端子板３１の基本形状は、上方を底３４とした皿の周囲にフランジ３５を設けた形状であり、フランジ３５の周縁は断面がＵ字状となるように屈曲している。また、この例では、正極缶１１の内部でガスが発生することによって内圧が上昇したときにそのガスを抜くための開口３６を備えている（Ａ）。封口板３２は円盤状の金属プレート（Ｂ）であり、その周縁は、負極端子板３１と同様に断面がＵ字状となるように屈曲している。そして、このプレートの下面３７に負極リード３３が溶接される。封口ガスケット４０の初期形状は、円盤状の底部４１の周囲に円筒側面４２を立設させてなる円形カップ状であり、底部４１の中央には円形の開口４３が形成されている（Ｃ）。

正極缶１１の封口手順としては、まず、封口ガスケット４０をビーディング部１４を座として載置して正極１１内に挿嵌する。ついで、封口ガスケットの底部４１を座にして、上記封口板３２と負極端子板３１とをこの順に積層する。そして、この積層状態で正極缶１１の開口部１３の上端（開口端）１５を内側にカールする（Ｅ）。さらに、正極缶１１における開口端１５からビーディング部１４に向かって開口部１３を内方にかしめていく（絞り加工をする）ことで、図１１に示すように、円形カップ状の封口ガスケット４０の円筒側面４２が、正極缶１１と負極端子の周縁、すなわち正極缶１１の内面と、積層状態にある負極端子板３１および封口板３２の周縁との間に挟持されて圧縮される。封口ガスケットは、ポリプロピレン、およびその複合材、ポリアミド、ＰＦＡなどの樹脂製であり、その樹脂の圧縮に対する復元力により正極缶１１が密閉・封止される。なお、封口ガスケット４０の円筒側面４２は、負極端子周縁３８のＵ字の外側の側面と正極缶１１の内面の間に挟持された状態で圧縮される。
特開２００１−２７３９１１号公報 特開２００３−２０８９０６号公報

従来の円筒型電池の課題を図９〜図１１に示したボビン形リチウム電池に基づいて説明すると、ボビン形リチウム電池１ｂにおける封口構造では、円形カップ状の樹脂製封口ガスケット４０の外周を形成する円筒側面４２が負極端子と正極缶１１の内壁との間に挟持されて圧縮される。すなわち、電極缶１１の円筒軸方向を上下とすると、放射水平方向に弾性変形する。この水平方向の変形過程において、封口ガスケット４０の円筒側面４２には上下方向への剪断応力が発生し、円筒側面４２を上下方向に伸張させる。そして、この伸張が、封口ガスケット４０の底部４１の外周、すなわち円筒側面４２との境界で、底部４１を中心方向へ伸張させる応力として伝達される。しかし、底部４１の下面４１ａがビーディング部１４に支えられているため下方向ヘの伝達が抑制され、より多くの応力が支えがない上面４１ｂに伝達する。すなわち、円筒側面４２における上下方向の剪断応力が、底部４１の上面４１ｂを円筒側面４２から開口４３の中心に向かって伸張させるように働く。その結果、図１１に示したように、封口ガスケット４０の底部４１が正極缶１１の内方に向かって下方に撓む。

そして、このように底部４１が撓むと、封口ガスケット４０の底部開口４３の外周４４やその近傍が正極缶１１内部の発電要素（２１〜２３）に干渉し、これらの発電要素（２１〜２３）を破損させてしまう可能性もある。もちろん、ボビン形リチウム電池に限らず、かしめにより封口ガスケットと封口体で電池缶開口を密封する構造の円筒型電池であれば、同様に、封口ガスケットの撓みに起因する問題が発生する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、かしめ加工により、当該電極缶の開口に絶縁性の樹脂からなる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において、剪断応力による封口ガスケットの下方への撓みを抑止することを目的としている。

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、発電要素が収納されるとともに、当該電極缶の開口が内方にかしめられることで、封口体を兼ねる他方の電極の端子が絶縁性の樹脂からなる封口ガスケットを介して前記開口に嵌着されて前記電極缶が密封されてなる円筒型電池であって、
電極缶開口を上方として、前記封口ガスケットは、円盤状の底部の周囲に円筒側面を上方に立設させてなる円形カップ状で、前記底部の中央には前記封口体の下面に接続された帯状のリード板が挿通される円形の開口が形成され、
前記円盤状の底部は、下面が平坦で、上面には、前記開口と開口と同心円状に厚さが一定となる円環状の厚肉部が当該開口の周縁を内円として形成されているともに、当該円環状の厚肉部の外円を内円とした円環状の薄肉部が円筒側面まで形成され、当該底部において前記厚肉部が形成されていない領域の厚さＡと、当該厚肉部が形成されている領域の厚さＢとの比Ｂ／Ａが２．０＜Ｂ／Ａ≦５．０であり、
前記ガスケットは、前記電極缶に前記封口体がかしめにより嵌着された状態では、前記底部の下面において厚肉部に対応する円環状の領域が、前記円筒側面から前記開口の中央へ向かって水平以上となるように傾斜している円筒型電池としている。

前記底部の下面を、前記開口の周縁から前記円筒側面に向かって所定の深さで厚さを減じるようにした円筒形電池とすることもできる。

本発明の円筒型電池によれば、特殊な形状の封口ガスケットを採用することで、かしめ加工によって封口体を電極缶の開口に嵌着した際に、封口ガスケットの底部が電極缶内方に向かって下方に撓むのを抑止することができる。それによって、封口ガスケットの底部が電池缶内部の発電要素に干渉したり発電要素を圧迫したりすることがない。したがって、円筒型電池の電池反応を安定させることができる。

＝＝＝＝応力分布＝＝＝
図９に示した従来の円筒型電池１ｂにおいて、電池缶１１をかしめて封口する際に封口ガスケット４０に加わる応力の分布を解析した。当該解析には、周知の有限要素法に基づくコンピュータシミュレーション技術を利用した。なお、以下では、円筒型電池１ｂにおける電池缶１１の円筒軸６０を上下方向とし、正極端子部１２を下方、負極端子を上方として説明する。

図１に当該シミュレーションの結果を示した。この図では、円形カップ状の封口ガスケット４０の側断面の右半分を示した。そして、その側断面上に剪断応力発生箇所を島状の領域５０で示した。また、島状の応力発生箇所５０における応力の強さを塗りつぶしやハッチングの種類によって区別しており、強い方から順に黒塗り５１、網掛け５２、斜線５３、としている。このシミュレーションの結果によれば、円筒側面４２において、直接圧縮される箇所５０ａに応力が集中しているのは当然であるが、底部４１の上面４１ｂで、円筒側面４２近傍にも応力が集中している箇所（応力集中箇所）５０ｂがあることが分かった。

ここで本発明者らは、この応力集中箇所５０ｂの応力を分散、あるいは封口ガスケット４０の他の部位に伝達することができれば、結果的に撓みを抑止できるのではないかと推測した。具体的には、封口ガスケット４０の底部４１において、応力集中箇所５０ｂの一部を含む領域に新たな体積を付加すれば、すなわち、底部４１を部分的に肉厚にすれば、従来の封口ガスケット４０の底部４１の応力がその肉厚の部分（厚肉部）に伝達し、底部４１を電極缶１１の内方に向かって上方へ撓ませることが可能であると推測した。

＝＝＝封口ガスケットの構造＝＝＝
上記推測に基づいて、封口ガスケットの形状について考察したところ、図１に示した底部４１における応力集中箇所５０ｂの応力を厚肉部に均一に伝達させるとともに、少なくとも開口４３の外周４４近傍では、円筒側面４２から電極缶１１の内方に向かって下方に傾斜させないようにすることが必要であると考えた。そして、コンピュータシミュレーションによる解析を重ね、図２に示した側断面形状の封口ガスケット４０ａを得た。この封口ガスケット４０ａは、円盤状の底部４１の周囲に円筒側面４２を上方に立設させてなる円形カップ状で、底部４１の中央に円形の開口４３が形成されている。そして、当該底部４１には、開口４３の周縁、すなわち外周４４、またはその近傍から円筒側面４２に向かって開口４３と同心円をなす円環状の厚肉部４５が形成されている。そして、その厚肉部４５の円環の外円から円筒側面４２に至るまで、厚肉部４５より薄く一定の厚さの円環状領域（薄肉部）４６が形成されている。

なお、この例では、厚肉部４５は、厚さが一定となるように底部４１の上面４１ｂにのみ形成され、円環の内円が開口４３の外周４４に一致している。すなわち、底部４１の断面形状は、その上面４１ｂでは、厚肉部４５の形成領域における上面４１ｅと厚肉部４５が形成されていない薄肉部４６おける上面４１ｆとからなる２段形状であり、底部４１の下面４１ａは、厚肉部４５と薄肉部４６のそれぞれの下面（４１ｃ，４１ｄ）が直線となる面一となっている。

ここで、本発明の実施例に係る円筒型電池として、上記封口ガスケット４０ａを採用したボビン形リチウム電池を例示し、図３に、当該ボビン形リチウム電池１ａの封口構造を示した。この図では、封口ガスケット４０ａの変形状態をコンピュータシミュレーションによる解析結果に基づいて再現している。正極缶１１の開口部１３をかしめた際、封口ガスケット４０ａの底部４１において、薄肉部４６が厚肉部４５に向かって下方に撓んだのち、厚肉部４５との境界から撓みの方向が上方へ反転している。したがって、本実施例の円筒型電池１ａでは封口ガスケット４０ａが発電要素に干渉するのを防止することができることが分かった。

＝＝＝厚肉部のサイズについて＝＝＝
上記シミュレーションでは、封口ガスケット４０ａの底部開口４３と同心円をなす円環状の厚肉部４５は、厚さが大きくなるほどその外径を小さくできることが分かった。しかし、正極缶１１内において、封口ガスケット４０ａが収容される空間の大きさは限られており、厚肉部４５が厚すぎると、厚肉部４５の上面４１ｅが封口板３２に干渉し、十分に底部４１が上方に撓めず、下方に撓んだ状態のままとなる。また、厚肉部４５が薄すぎるとその厚肉部４５の外径が大きくなるため、厚肉部４５が円筒側面４２近傍にまで及んでしまう。そうなると、Ｕ字状断面をなす負極端子の周縁３８を収容するための空間が無くなってしまう。したがって、実用上の見地から、厚肉部４５の厚さを最適化する必要がある。

そこで、コンピュータシミュレーションによる解析結果を参考にして、円環状の厚肉部４５の径や厚さを変えた種々の封口ガスケット４０ａを実際に作成した。そして、その封口ガスケット４０ａをボビン形リチウム電池１ａに組み込み、封口ガスケット４０ａの撓み状態を評価した。具体的には、図４に示したように、封口ガスケット４０ａにおいて、底部４１の薄肉部４６の厚さをＡ、厚肉部４５の厚さをＢ、円筒側面４２から厚肉部４５の外周までの距離をＣとする。なお、円筒側面４２の厚さは薄肉部４６の厚さと同じでＡとなる。そして、評価は、Ｂ／Ａ、およびＣ／Ａをパラメータとして、これらのパラメータが異なる種々の封口ガスケット４０ａをそれぞれ正極缶１１内に組み込んでボビン形リチウム電池１ａを作製した後、封口構造に影響しないように正極缶１１を破断し、封口ガスケット４０ａの変形状態を観察することで行った。

なお、作製したボビン形リチウム電池１ａは 直径１７ｍｍ、高さ４５．０ｍｍのＣＲ８型電池であり、封口ガスケット４０ａ以外の構成は図９に示したボビン形リチウム電池１ｂと同じである。封口も図１０に示した従来の手順で行った。また、負極端子板３１と封口板３２はステンレス（ＳＵＳ３０４）製であり、封口ガスケット４０ａは、底部４１の薄肉部４６と円筒側面４２の厚さＡが０．５ｍｍのポリプロピレン製である。

以下の表１に当該評価結果を示した。

表１では、図２に示した厚肉部４５の底面４１ｃが、円筒側面４２から開口４３へ向かって水平となる角度以上となっていれば合格「○」とし、当該角度未満であれば不合格「×」としている。また、表１において、Ｃ／Ａ＜２．４については、シミュレーションでは合格でも、実用上、Ｕ字状断面をなす負極端子周縁３８を収容する空間がとれないので、評価対象外とした。そして、Ｃ／Ａ≧２．４において、Ｂ／Ａが２．１以上であれば合格となり、封口ガスケット４０ａが発電要素に干渉しないことが分かった。このようにして、まず、Ｂ／Ａの下限値を決定するための条件、Ｂ／Ａ＞２．０が規定できた。

一方、Ｂ／Ａの上限値については、封口ガスケット４０ａ自体の収容空間の限界から、Ｂ／Ａ≦５．０であることが望ましい。図５にＢ／Ａ＝５．０としたときのシミュレーション結果に基づく封口ガスケット４０ａの変形状態を示した。ここでは、Ａ＝０．２ｍｍ、Ｃ／Ａ＝７．７としてシミュレーションした。厚肉部４５の厚さが厚く、その外径が小さいため、厚肉部４５の重量が開口４３の外周４４近傍に集中する。そのため、封口ガスケット４０ａの底部４１の薄肉部４６は、外周の円筒側面４２から厚肉部４５に向かって一度大きく下方へ撓むが、厚肉部４５との境界で応力の方向が反転し、最終的に厚肉部４５の下面４１ｃは水平方向７０と同じ角度となり、Ｂ／Ａ≦５．０とすることに妥当性を得た。以上により、封口ガスケット４０ａにおける厚肉部４５の厚さＢと薄肉部４６の厚さＡとの比Ｂ／Ａには最適条件があり、その条件は、２．０＜Ｂ／Ａ≦５．０となることが分かった。

＝＝＝封口ガスケットの最適形状について＝＝＝
表１の結果において、Ｂ／Ａ＝２．１では、Ｃ／Ａ≦２．８で合格であった。また、Ｂ／Ａ＝２．２では、Ｃ／Ａ≦３．０で合格であった。しかし、実用上は、厚肉部４５を薄くしつつ、Ｃ／Ａの上限値を上げることが望ましい。そこで、封口ガスケット４０ａの形状についてさらに検討し、底部４１の外周にて鉛直方向に立設する円筒側面４２が当該底部４１を下方から支える構造とすれば、厚肉部４５の底面４１ｃが正極缶１１の内方に向かって上方に傾斜するための力を補助、あるいは増強できると考えた。そして、図６に示したように、底部４１の下面４１ａを開口４３の外周４４から円筒側面４２に向かって一定の深さＤで薄くした領域（以下、減厚部）４７を設けた形状の封口ガスケット４０ｂを作成した。そして、その封口ガスケット４０ｂをつかって正極缶１１開口をかしめて封口してみた。その結果、減厚部４７の深さＤを含んだ薄肉部４６の厚さＡと、同じく当該深さＤを含んだ厚肉部４５の厚さＢとの比をＢ／Ａ＝２．０とするとともにＤ／Ａ＝０．２とした場合、すなわち、減厚部４７の深さＤを含まない薄肉部４６と厚肉部４５の厚さをそれぞれａ、ｂとして、ａ／ｂ＝２．２５とした場合、Ｃ／Ａ≦３．３で合格となった。減厚部４７がない封口ガスケット４０ａでは、Ｂ／Ａ＝２．２においてＣ／Ａ≦３．０が合格条件だったので、減厚部４７を設けたことによる効果は十分にあり、図６に示したような、減厚部４７を設けた封口ガスケット４０ｂとすることがより望ましいと言える。

＝＝＝厚肉部の形状について＝＝＝
上述した封口ガスケット（４０ａ、４０ｂ）において、厚肉部４５は、底部開口４３の外周４４を内円とした円環状であったが、厚肉部４５の内円の位置は、底部開口４３の周縁であればよく、厳密に外周４４と一致させる必要はない。例えば、図７に示すように、内円４８を開口４３の外周４４より僅かに円筒側面４２側にずらした封口ガスケット４０ｃとしてもよい。実際に、図２、および図４に示した封口ガスケット４０ａにおける合否の境界条件である、Ｂ／Ａ＝２．２、Ｃ／Ａ＝３．０を採用するとともに、Ｅ／Ａ＝０．１となるように内円４８の位置をずらした封口ガスケット４０ｃを作成し、この封口ガスケット４０ｃをボビン形リチウム電池に組み込んで同様に評価した。その結果、内円４８と開口外周４４とが一致する封口ガスケット４０ａと同様に合格であった。

また、厚肉部４５は一律に同じ厚さでなくてもよく、例えば、図８（Ａ）〜（Ｄ）に示した封口ガスケット４０ｄ〜４０ｇのように、厚肉部４５の厚さが底部４１の開口外周４４側から円筒側面４２に向けて徐々に薄くなる断面形状（Ａ）や、逆に徐々に厚くなる形状（Ｂ）、あるいは厚肉部４５の両端が薄くなるような断面形状（Ｃ）（Ｄ）であってもよい。いずれにしても、底部４１の中央に開口４３を有する円形カップ状の封口ガスケットの底部４１に、当該開口４３の周縁から円筒側面４２に向かって円環状の厚肉部４５が形成されていればよい。

＝＝＝厚肉部の形成領域について＝＝＝
コンピュータシミュレーションでは、厚肉部４５の断面形状を単純な矩形とした場合、すなわち、厚肉部４５の厚さを一定にした場合では、厚肉部４５が上記応力集中箇所（図１：符号５０ｂ）の一部を含むように形成されていることが必要であるということが分かった。その一方で、厚肉部４５が上記応力集中箇所５０ｂの一部を含むように形成されていなくても、厚肉部４５の形状や形成領域、および体積を調整することで、下方への撓みを抑止できることも分かった。しかし、断面形状が矩形となる形状は、最も単純な形状であり、複雑な断面形状とするより、封口ガスケットの製造コストを安くすることができる。したがって、封口ガスケットは、厚肉部の形成領域では、厚さ一定であるとともに応力集中箇所を含む、という条件を満たしていることが望ましい。

上記「応力集中箇所を含む」という条件は、上記Ｃ／Ａの値を規定する、ということに相当する。しかし、封口ガスケットの径や厚さ、円筒側面の高さなどの外形サイズは、当該封口ガスケットが収納される電池缶や他の収納要素（封口体など）のサイズに応じて適宜に変更されるものであり、これらのサイズに応じて封口ガスケットの底部における上記応力集中箇所の位置も変化してしまう。そのため、Ｃ／Ａの値を一意的に規定することが難しい。そこで本発明では、「厚肉部の形成領域が応力集中箇所の一部を含んでいる」という条件を、「円環状の厚肉部が形成されている領域における底部下面の傾斜が、底部の外周から中央へ向かう方向に水平以上となる」という状態で定義した。

なお、当然のことながら、本発明は、ボビン形リチウム電池に限らず、有底中空円筒状の電池缶の開口をかしめて封口体を円形カップ状の封口ガスケットを介して嵌着する円筒型電池であれば、どのような電池にも適用可能である。

従来の円筒型電池における封口ガスケットに加わる応力の分布状態を示す図である。 本発明の実施例に係る円筒型電池に組み込まれる封口ガスケットの代表例を示す断面図である。 上記実施例の円筒型電池の封口構造を示す図である。 上記代表例の封口ガスケットの各部位のサイズを説明するための図である。 上記実施例の円筒型電池の封口構造を示す図であり、上記代表例の封口ガスケットにおける各部位のサイズを所定値に設定した場合を示している。 上記実施例の円筒型電池に組み込まれる封口ガスケットの１例を示す図である。 上記実施例の円筒型電池に組み込まれる封口ガスケットのその他の例を示す図である。 上記実施例の円筒型電池に組み込まれる封口ガスケットの変形例を示す図である。 従来の円筒型電池の概略構造図である。 上記従来の円筒型電池における封口手順を示す図である。 上記従来の円筒型電池における封口構造を示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 円筒型電池
１１ 電極缶（正極缶）
１４ ビーディング部
３１ 負極端子板
３２ 封口板
４０、４０ａ〜４０ｇ 封口ガスケット
４１ 封口ガスケットの底部
４２ 封口ガスケット外周の円筒側面
４３ 封口ガスケットの底部開口
４５ 厚肉部
４６ 薄肉部
４７ 減厚部

Claims (2)

1. 一方の電極を兼ねる有底円筒状の電極缶内に、発電要素が収納されるとともに、当該電極缶の開口が内方にかしめられることで、封口体を兼ねる他方の電極の端子が絶縁性の樹脂からなる封口ガスケットを介して前記開口に嵌着されて前記電極缶が密封されてなる円筒型電池であって、
   電極缶開口を上方として、前記封口ガスケットは、円盤状の底部の周囲に円筒側面を上方に立設させてなる円形カップ状で、前記底部の中央には前記封口体の下面に接続された帯状のリード板が挿通される円形の開口が形成され、
   前記円盤状の底部は、下面が平坦で、上面には、前記開口と同心円状に厚さが一定となる円環状の厚肉部が当該開口の周縁を内円として形成されているともに、当該円環状の厚肉部の外円を内円とした円環状の薄肉部が円筒側面まで形成され、当該底部において前記厚肉部が形成されていない領域の厚さＡと、当該厚肉部が形成されている領域の厚さＢとの比Ｂ／Ａが２．０＜Ｂ／Ａ≦５．０であり、
   前記ガスケットは、前記電極缶に前記封口体がかしめにより嵌着された状態では、前記底部の下面において厚肉部に対応する円環状の領域が、前記円筒側面から前記開口の中央へ向かって水平以上となるように傾斜している、
   ことを特徴とする円筒型電池。
2. 前記円盤状の底部の下面は、前記開口の周縁から前記円筒側面に向かって所定の深さで厚さが減じられていることを特徴とする請求項１に記載の円筒型電池。

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