JP5342893B2

JP5342893B2 - 筒状電池

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Publication number: JP5342893B2
Application number: JP2009030306A
Authority: JP
Inventors: 修一荒栄; 正彦鈴木; 正典中西
Original assignee: FDK Energy Co Ltd
Current assignee: FDK Energy Co Ltd
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: JP2010186650A

Description

この発明は、有底筒状の電池缶内に発電要素を収納してなる筒状電池に関し、具体的には、筒状電池の防爆安全機構に関する。

本発明の対象となる筒状電池の典型例として、正極活物質に二酸化マンガンを用い、負極活物質に金属リチウムを用いる二酸化マンガン−リチウム系のリチウム電池（ＣＲ型電池）を挙げる。図４に従来のＣＲ型電池の構造を示した。（Ａ）は、当該電池１を上方から見たときの平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるｄ−ｄ矢視断面図である。また（Ｃ）は（Ａ）におけるＤ−Ｄ矢視断面の拡大図である。図示したＣＲ型電池１ｂは、ボビン形と言われるもので、上方が開口する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された正極合剤２１、円筒状の負極リチウム２２、円筒カップ状のセパレータ２３、負極端子を兼ねて電池缶１１の開口を密閉封口する封口体３０などによって構成されている。

正極缶１１は金属製であって電池ケースと正極集電体を兼ねる。下方底面には外側に凸状となる正極端子部１２がプレス加工により形成されている。また、開口部近傍の周囲には絞り加工によるビーディング部１０が形成されている。そして、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。

負極リチウム２２は金属リチウム板を丸めたものであって、その一部に負極リード３３の一端部があらかじめ取り付けられている。この負極リード３３は帯状の金属薄板で形成され、負極集電体を兼ねる。その他端部は封口体３０を構成するステンレスなどの金属製薄板からなる円盤状の封口板３２の内側（電池内側）にスポット溶接されている。封口体３０は、当該封口板３２とステンレスなどの金属からなる負極端子板３１とによって構成されている。負極端子板３１は、周囲にフランジを有する皿状であり、底面を上方にして皿を伏せた状態で封口板３２と積層されて封口体３０を構成している。

正極缶１１内には非水電解液（図示省略）が充填されており、封口体３０は、ガスケット３４とともに正極缶１１の開口部内側にビーディング部１０を座として装着されつつ、正極缶１１開口部が内方にかしめ加工（カール加工）されることで電池缶１１に嵌着されている。

ところで、上記構造の電池１において、皿状の負極端子板３１の底面４４のほぼ中央には、略Ｖ字状の切欠４０が形成され、その切欠４０によって形成された舌片がその基端４７で電池缶１１内方に折り曲げられている。それによって、その舌片が鋭利な先端５０を有する切り刃４１となる。そして、その先端５０が封口板３２に近接している。また、負極端子板３１の底面４４には、この切り刃４１を形成したことにより、内外を連絡する鋭角三角形状の孔（ガス抜き孔）４２が開口する。

当該皿状負極端子板３１の底面４４の周囲４６を縁とした壁面（周辺面）４５には、負極端子板３１の内外を連絡する小孔（通気孔）４３が形成されている。この封口板３２と切り刃４１は、電池１の誤使用による過放電や強制充電などで、当該電池１の内部にガスが発生し内圧が上昇した場合の防爆安全機構として動作する。そしてガス抜き孔４２は、電池缶１１内外方を連絡してガスを外方へ放出するための通路（排気通路）となる。通気孔４３は、補助的な排気通路としての役割を担っている。

図５（Ａ）（Ｂ）に、従来のボビン形電池１における防爆安全機構の動作を示した。まず、内圧上昇に伴って封口板３２が上方に膨らみ、切り刃４１の先端５０がこの封口板３２に当接する（Ａ）。そして、さらに内圧が上昇すると、切り刃４１が封口板３２に突き刺さり、封口板３２に穴を開ける（Ｂ）。それによって、この穴３５からガス抜き孔４２に至る経路（排気経路）６０が形成されて、電池１内部のガスが外部へ逃げる。ガスの一部は、穴から通気孔４３に至る排気経路を通って外部に排気される。このようにして、電池１の破裂を防止できるようになっている。

しかしながら、従来の筒状電池では、切り刃が封口板に突き刺さって穴が開いても、封口板が柔軟性がない固い金属であるため、封口板に開いた穴の切り口が切り刃に沿った形状のまま、それ以上穴が広がらない場合がある。すなわち、切り刃と封口板にできた切り口との間に隙間がなく、切り刃と封口板の切り口とが密着した状態となる場合がある。正極合剤やセパレータの破片などの固形物が封口板に開いた穴に詰まる場合もある。このような場合、電池内に発生したガスが封口板の上面側に排気されず、内圧がさらに上昇してしまう。すなわち、防爆安全機構が正確に作動しても機能不全となる可能性がある。このような場合、内圧が増大して封口板に開いた穴が急激に広がってガスや内容物が噴出したり、最悪、電池が破裂する、という非常に危険な事態となる可能性がある。

そこで、本発明は、電池内でガスが発生して内圧が上昇した際に、まず、所定の内圧となったときに確実に安全防爆機能が作動し、それでも内圧が上昇し続ける場合には、その内圧をさらに電池外へ開放するようにして、電池の破裂を防止する高度な安全性を備えた筒状電池を提供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、上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素が収納されているとともに、前記電池缶の開口にガスケットを介して封口体が嵌着されて当該電池缶が密閉されてなる筒状電池であって、前記封口体は、上方を底面とした金属製皿状の端子板と、この端子板の下方に配設された円盤状の金属製薄板からなる封口板とによって構成され、前記皿状端子板は、底面に複数の頂点を有する山型の切欠によって形成された舌片を前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げてなる切り刃を備えるとともに、当該切り刃を形成した跡の略山型の開口をガス抜き孔として備え、前記山型の切欠の複数の頂点に対応する前記切り刃の複数の先端の一つを主先端として、当該主先端は、他の先端である副先端よりも下方に位置して前記封口板の上面に近接し、前記電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板を貫通して最初の穴を穿設するように構成され、前記副先端は、前記封口板が前記最初の穴が穿設された後にさらに上方に膨張した際に、当該封口板を貫通して穴を穿設するように構成されている筒状電池としている。

また、前記切り刃は、奇数の先端が鉛直線に対して対称に形成されるとともに、切り刃の幅方向の中央に位置する先端を前記主先端とし、前記副先端は同じ高さに位置している筒状電池としてもよい。

本発明の筒状電池によれば、内圧が上昇した際、所定の内圧で確実に防爆安全機構が作動するとともに、この作動後に内圧が上昇し続けても、順次防爆安全機構が作動し確実に内圧を開放し、電池の破裂を確実に防止することができる極めて高い安全性を確保することができる。また、その極めて高い安全性は、端子板の切り刃の形状を変更するだけで達成でき、電池を製造する際に、別部品や別工程が不要であり、製造コストの増加を極めて低く抑えることができる。

本発明の実施例における筒状電池の構造図である。上記実施例における防爆安全機構の動作原理を示す図である。本発明のその他の実施例における切り刃の構造図である。従来の筒状電池の構造図である。従来の筒状電池における防爆安全機構の動作原理を示す図である。

本発明の実施例における筒状電池の基本構造は、図４に示した従来のボビン形電池１とほぼ同様であり、上方に開口する円筒状の金属製電池缶１１内に発電要素（２１〜２３）を収納し、当該開口に封口体３０を嵌着して電池缶１１を密閉してなっている。しかし、本実施例の電池では、従来の電池において課題となっていた防爆安全機構が機能不全となる可能性を無くし、確実に電池缶１１内の発生ガスを排気できる極めて高い安全性を備えている。

＝＝＝本発明の実施例＝＝＝
図１に本発明の実施例における筒状電池の構造を示した。（Ａ）は上方からの平面図であり、（Ｂ）は側断面図であり（Ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面を示している。また、（Ｃ）に（Ｂ）における円１００内の拡大図を示した。この拡大図では本発明の要部である切り刃４１ａを拡大して示した。当該実施例に係る電池１ａは、従来の電池１と同様の基本構成を有しており、皿状負極端子板３１ａの底面４４に、切り刃４１ａを形成するための切欠４０ａが形成されている。しかし、本実施例における切欠４０ａは、その形状が従来の電池１とは異なり、複数の頂点を有する山型となっている。そして、切欠４０ａによって形成される山型の舌片をその麓（基端）４７で電池内方に折り曲げることで切り刃４１ａが形成されている。

ここで、切り刃４１ａの幅方向、すなわち基端４７の延長方向を左右とすると、本実施例では、切り刃４１ａには山型の切欠４０ａのそれぞれの頂点に対応して、三つの先端（５１，５２）があり、これら三つの先端（５１，５２）が左右対称となるように形成されている。そして、中央の先端（主先端）５１が最も下方に位置して封口板３２に最も近接している。その両側の二つの先端（副先端）５２は、主先端５１より少し高い位置にあって、その高さは同じとなっている。

＝＝＝防爆安全機構の動作＝＝＝
図２（Ａ）〜（Ｆ）に本実施例の筒状電池１ａにおける防爆安全機構の動作を示した。この図では、封口体３０ａにおける切り刃４１ａと封口板３２を拡大して示しており、具体的には、防爆安全機構が動作したときに切り刃４１ａによって封口板３２に開いた穴の状態や形状を示している。（Ａ）〜（Ｃ）は、切り刃４１を面方向から見たときの穴の開口状態を示しており、（Ａ）〜（Ｃ）のそれぞれに対応する（Ｄ）〜（Ｆ）は、切り刃４１ａを下方から見たときの穴（３５，３６）の切り口形状と、当該切り口における切り刃の断面を示している。

まず、電池１ａの内部でガスが発生し、内圧が上昇すると、封口板３２が上方へ膨張し、所定の内圧に達した時点で切り刃４１ａの主先端５１がこれに最初の穴３５を開ける（Ａ，Ｄ）。この時点で、最初の穴３５の切り口が切り刃４１ａに密着したり、電池内部からの固形物が穴３５に詰まったりすることがなければ、電池１内で発生したガスがこの穴３５からガス抜き孔４２や通気孔４３を経て外部に排気される。

しかし、封口板３２の穴３５の切り口と切り刃４１ａとが密着するなどして十分に排気できない場合、封口板３２はさらに上方へ膨張し続け、切り刃４１ａにおいて主先端５１の上方にある副先端５２に封口板３２が当接し、副先端５２が封口板３２に再度穴３６を開ける（Ｂ，Ｅ）。これでも排気が十分で無い場合、さらに封口板３２が上方に膨張する。そして、切り刃４１ａの各先端（５１，５２）が末広がりの形状であるため、穴（３５，３６）の切り口が亀裂となって二つ穴（３５，３６）が連結し、一つの大きな穴３７が形成される（Ｃ，Ｆ）。この状態では、切り刃４１ａの複数の先端（５１，５２）によって形成される谷５３の部分に封口板３２の表裏を連絡する隙間５４が形成され、ガスは、この隙間５４からガス抜き孔４２を通って電池１ａの外部に排気される。

すなわち、本実施例の電池１ａにおける安全防爆機構は、電池１ａ内でガスが発生した際、そのガスによる内圧が所定値まで上昇した際、まず、主先端５１が封口板３２に穴を開け、従来の筒状電池１と同様に、確実に防爆安全機構が作動する。その後、内圧が上昇し続ける場合には、副先端５２が再度封口板３２に穴３６を開ける。そして、最終的には封口板３２が裂けて、山型形状の切り刃４１ａの谷５３の部分に間隙５４が形成されて、確実に排気経路６０ａが確保されるようになっている。このように、本実施例では、１〜３段階で内圧を制御し、電池１ａの内容物噴出や破裂を確実に抑止することができる。

＝＝＝防爆性能試験＝＝＝
ここで、従来の筒状電池と本発明の筒状電池について、防爆安全機構の性能を比較した。当該比較に際しては、図１に示した実施例における筒状電池１ａから電解液を含む発電要素（２１〜２３）を省略して電池缶１１を封口したサンプル（発明品）と、図４に示した従来の筒状電池１から発電要素を除いたサンプル（従来品）とを作製した。そして、上記発明品と従来品について、電池缶１１の下端に穴を開け、その穴から送気して電池缶１１内の内圧を上昇させた。

当該試験において、まず、３Ｍｐａで発明品においては主先端５１で、従来品においては切り刃の先端５０によって封口板３２に穴が開き、設定通りの内圧で防爆安全機構が作動した。いくつかのサンプルでは、この作動では機能不全で、さらに圧力が増加した。そそして、これらのサンプルにおいて、３Ｍｐａに達したとき、発明品では、副先端５２によって封口板３２に再度穴が開き、それ以上の圧力上昇が認められなかった。すなわち、送気したガスが電池内に滞留せず、円滑に排気されていることを示した。一方、従来品では圧力の上昇に減少傾向が見られなかった。以上の試験結果により、本発明の実施例における筒状電池１ａは、従来の筒状電池１と比較して極めて高い安全性を有していることが確認できた。

＝＝＝切り刃の形状、先端の数や位置について＝＝＝
切欠４０ａは、高さが異なる複数の頂点がある山型形状であればよい。すなわち、切り刃の複数の先端の高さが同じであると、封口板の膨張に伴って、一度に複数の先端が封口板３２に当接して圧力が分散される。それによって、所定の圧力で確実に封口板に穴が開かなくなり、防爆安全機構の動作が不安定となる。

本発明では、切り刃に形成された複数の先端の一つを主先端として他の先端よりも下方に位置させることで、最初に防爆安全機構が所定の圧力で確実に作動するようにしている。そして、その最初の作動によっても圧力が減少しない場合に副先端による防爆安全機構が作動する。したがって、本発明の筒状電池では、例えば、図３（Ａ）（Ｂ）に示したような形状の切り刃を備えた実施形態も可能である。（Ａ）は、切り刃４１ｂに主先端と副先端が一つずつある例であり、（Ｂ）複数の副先端（５２Ｌ，５２Ｒ）のそれぞれの高さが異なる切り刃４１ｃを示している。ところで、上記実施例における切り刃４１ａは、左右対称となるように奇数の先端を備えた切り刃の代表例である。左右対称とすることで、２回目以降の防爆安全機構の動作によって主先端による穴の両側に左右対称に穴があいて、封口板３２が左右非対称に変形して穴が開きにくくなることを防止する、という機能上の利点の他に、電池の美観に関する利点にも配慮している。

１、１ａ筒状電池
１１電池缶
２１正極合剤
２２負極リチウム
２３セパレータ
３０、３０ａ封口体
３１、３１ａ端子板
３２封口板
３４ガスケット
３５〜３７封口体に開いた穴
４０切り刃用切欠
４１、４１ａ〜４１ｃ切り刃
４２ガス抜き孔
５０従来例における切り刃の先端
５１切り刃の主先端
５２切り刃の副先端
６０、６０ａ排気経路

Claims

上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素が収納されているとともに、前記電池缶の開口にガスケットを介して封口体が嵌着されて当該電池缶が密閉されてなる筒状電池であって、
前記封口体は、上方を底面とした金属製皿状の端子板と、この端子板の下方に配設された円盤状の金属製薄板からなる封口板とによって構成され、
前記皿状端子板は、底面に複数の頂点を有する山型の切欠によって形成された舌片を前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げてなる切り刃を備えるとともに、当該切り刃を形成した跡の略山型の開口をガス抜き孔として備え、
前記山型の切欠の複数の頂点に対応する前記切り刃の複数の先端の一つを主先端として、当該主先端は、他の先端である副先端よりも下方に位置して前記封口板の上面に近接し、前記電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板を貫通して最初の穴を穿設するように構成され、
前記副先端は、前記封口板が前記最初の穴が穿設された後にさらに上方に膨張した際に、当該封口板を貫通して穴を穿設するように構成されている
ことを特徴とする筒状電池。
前記切り刃は、奇数の先端が鉛直線に対して対称に形成されるとともに、前記切り刃の幅方向の中央に位置する先端を前記主先端とし、前記副先端は同じ高さに位置していることを特徴とする請求項１に記載の筒状電池。