JP5358194B2 - Cylindrical battery - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a cylindrical battery in which a power generation element is accommodated in a bottomed cylindrical battery can, and more specifically to an explosion-proof safety mechanism for the cylindrical battery.
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6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、負極端子を兼ねて正極缶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。
A typical example of a cylindrical battery that is an object of the present invention is a manganese dioxide-lithium lithium battery (CR type battery) using manganese dioxide as a positive electrode active material and metal lithium as a negative electrode active material. FIG. 6 shows the structure of a conventional CR battery. (A) is a top view when the said
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。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、開口部近傍の周囲にビーディング部10が加工形成されて、中空筒状の電極体が形成されている。
The positive electrode can 11 is made of metal and serves as a battery case and a positive electrode current collector. On the lower bottom surface, a positive
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。
The
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)されることで正極缶11に嵌着されている。
The positive electrode can 11 is filled with a non-aqueous electrolyte (not shown), and the sealing
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には、略V字状の切欠40が画成され、その切欠40によって形成された舌片がその基端49で正極缶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47を有する切り刃41となる。そして、その先端47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(排気口)43が開口する。
By the way, in the
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。そして排気口42は、正極缶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。
A small hole (a vent hole) 43 that communicates the inside and outside of the negative
従来のボビン形電池1における防爆安全機構の動作を具体的に説明すると、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47がこの封口板32に突き刺さり封口板32に穴を開ける。それによって、この穴から排気口43に至る経路(排気経路)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。
The operation of the explosion-proof safety mechanism in the conventional
従来の筒状電池では、電池缶内の内圧が想定外の速度で爆発的に上昇した場合、切り刃が封口板に突き刺さると、封口板が切り裂かれる。そして、その切り裂かれた封口板が排気口に向かって大きく撓むように膨張し、その膨張部分が排気口を塞いでしまう場合がある。図7にこのような爆発的な内圧上昇時における防爆安全機構の動作状態を示した。この図では、封口体30の拡大断面図を示している。まず、正極缶(電池缶)11内でガスが発生し、内圧が上昇すると封口板32が上方へ膨張し切り刃41の先端47に当接し、封口板32に穴35が開く(A)。ガスの発生が爆発的であると、この穴35から封口板32が切り刃41を境にして分断する。そして、排気口42を通じて外方に排気される間もなく、分断された封口板32が正極缶11に嵌着されている円盤周縁部分を支点にして一気に排気口42に向かって撓み、端子板31の底面44の裏側48に張り付く。それによって、最も大きな排気通路が閉塞されてしまう(B)。このような爆発的な内圧上昇時には、正極合剤やセパレータの破片などの固形物も噴出するため、封口板32によって排気口42が完全に塞がれなくても、排気口42に残された僅かな間隙にこの固形物が集中し、排気口42を完全に閉塞してしまう。もちろん、径が小さな通気孔43も閉塞されてしまう。
In the conventional cylindrical battery, when the internal pressure in the battery can explosively rises at an unexpected speed, the sealing plate is torn when the cutting blade pierces the sealing plate. Then, the cut sealing plate may expand so as to be greatly bent toward the exhaust port, and the expanded portion may block the exhaust port. FIG. 7 shows the operating state of the explosion-proof safety mechanism when such an explosive internal pressure rises. In this figure, the expanded sectional view of the sealing
このような状態になると、矢印60で示したように、電池内で発生したガスは、切り刃41によって封口板32に穿設された穴35から封口板32の上方に案内されたあと、結局、排気通路が無い端子板31と封口板32との間の空間(網点部分)36部分のみを緩衝領域とするだけで、それ以上の内圧上昇を抑えることができない。その結果、電池が破裂・発火する、という非常に危険な事態となる可能性がある。
In such a state, as indicated by an
そこで、本発明は、電池内でガスが爆発的に発生し、想定外の異常な速度で電池缶内の圧力が上昇したとしても、その内圧を確実に電池外へ開放し、電池の破裂・発火を防止する高度な安全機構を備えた筒状電池を提供することを目的としている。 Therefore, even if the gas explosively occurs in the battery and the pressure in the battery can rises at an unexpected abnormal speed, the present invention reliably releases the internal pressure to the outside of the battery, It aims at providing the cylindrical battery provided with the advanced safety mechanism which prevents ignition.
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、底面に略V字状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三角形形状の開口を排気口として備え、前記切り刃の先端は、前記封口板の上面に近接し、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、当該封口板を貫通するように構成され、前記皿状端子板の前記底面には、前記排気口から当該底面の周縁部に向かって延長するスリット状の孔が少なくとも一つ以上形成されている筒状電池とした。 In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a power generation element is housed in a bottomed cylindrical metal battery can that opens upward, and a sealing member is fitted to the opening of the battery can via a gasket. A cylindrical battery in which the battery can is sealed, and the sealing body includes a metal dish-shaped terminal plate with the upper surface as a bottom surface, and a disk-shaped metal disposed below the terminal plate. The plate-like terminal plate is bent so that a tongue piece formed by a substantially V-shaped notch on the bottom surface is erected in a substantially vertical direction inside the battery can. And a substantially triangular opening formed on the trace of the cutting blade as an exhaust port, and the tip of the cutting blade is close to the upper surface of the sealing plate to increase the internal pressure in the battery can. When the sealing plate is expanded upward, the sealing plate penetrates. Is configured so that, on the bottom surface of the dish-shaped terminal plate was a cylindrical battery with a slit-shaped opening extending towards the periphery of the bottom surface from the exhaust port is formed at least one.
あるいは、前記皿状端子板の底面の電池内側面に、前記排気口から当該底面の周縁部に向かって延長する直線上の溝が少なくとも一つ以上形成されている筒状電池としてもよい。そして、前記皿状端子板において、当該皿の側壁面を形成する周辺面には、当該端子板の表裏を連絡する通気孔が穿設され、前記溝の延長方向に当該通気孔が配置されている筒状電池とすればより好ましい。また、前記溝は前記周辺面にまで延長し、前記通気孔は、当該溝の先端側の底に開口していることとしてもよい。 Alternatively, it may be a cylindrical battery in which at least one linear groove extending from the exhaust port toward the peripheral edge of the bottom surface is formed on the inner surface of the battery on the bottom surface of the dish-shaped terminal plate. And in the said plate-shaped terminal board, the vent hole which connects the front and back of the said terminal plate is drilled in the peripheral surface which forms the side wall surface of the said dish, and the said vent hole is arrange | positioned in the extension direction of the said groove | channel. It is more preferable to use a cylindrical battery. Further, the groove may extend to the peripheral surface, and the vent hole may be open to the bottom on the tip side of the groove.
本発明の筒状電池によれば、内圧が想定外の異常な速度で上昇したとしても、その内圧を確実に電池外方へ逃がし、電池の破裂や発火を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、端子板の構造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。 According to the cylindrical battery of the present invention, even if the internal pressure rises at an unexpected abnormal speed, the internal pressure can be surely released to the outside of the battery, and the battery can be prevented from bursting or firing. Can be secured. In addition, the extremely high safety can be achieved only by changing the structure of the terminal board. When manufacturing the battery, no separate parts or processes are required, and the increase in manufacturing cost can be suppressed to a very low level.
本発明の実施例における筒状電池の基本構造は、図6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正極缶11内に発電要素(21〜23)を収納し、当該開口に封口体30を嵌着して正極缶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爆発的な内圧上昇に対しても確実に正極缶11内の発生ガスを排気できる極めて信頼性の高い防爆安全機構を備えている。
The basic structure of the cylindrical battery in the embodiment of the present invention is substantially the same as that of the
===第1の実施例===
図1に本発明の第1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。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いるが、皿状負極端子板31aの底面44にスリット状の孔50aが画成されている点が従来の電池1とは異なっている。この例では、排気口42から負極端子板31aの底面44の周縁46に向かって放射状に延長する3本のスリット状孔50aが形成されている。
=== First Embodiment ===
FIG. 1 shows the structure of the cylindrical battery in the first embodiment of the present invention. (A) is a top view from above, (B) is a side sectional view, and shows a cross section taken along the line AA in (A). The
図2に第1の実施例における防爆安全機構の動作を示した。(A)は封口体30aを上方から見た平面図であり、(B)は(A)におけるa−a矢視断面図である。電池1aの内部でガスが爆発的に発生した場合、ほぼ一瞬で、封口板32が上方へ膨張して切り刃41の先端47がこれに穴35を開ける。しかし、従来の電池1とは異なり、複数のスリット状孔50aが排気通路として十分に開口しており、内圧の上昇速度に見合う速度でガスを排気することができる。例え、封口板32の一部が負極端子板31aの底面44の裏側48に張り付いたとしても、端子板31aの底面44には、底面44のほぼ中心にある排気口43から周縁46に延長するスリット状穴50aが複数形成されているため、排気口43とスリット状孔50aの何れかの排気通路が生き残る。スリット状孔の一部が封口板31で覆われたとしても、スリット状穴50aの一部、とくに端子板31aの底面44の周縁46近傍部分が排気通路として生き残る。それによって、ガスを速やかに排気するための排気経路60aが確保され、電池1aの破裂・発火を防止することができる。
FIG. 2 shows the operation of the explosion-proof safety mechanism in the first embodiment. (A) is the top view which looked at the sealing
ここで、従来の筒状電池1と第1の実施例における筒状電池1a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に示した第1の実施例における筒状電池(発明品)1aと、図6に示した従来の筒状電池(従来品)1とをサンプルとして作製した。サイズは、CR8型とし、発明品1aと従来品1とは、負極端子板(31a,31)におけるスリット状孔50aの有無を除けば全て同じ構造とした。なお、皿状の負極端子板(31a,31)は、厚さ0.4mmのステンレス製で、その皿の周辺面45の互いに対向する二箇所には、直径約0.5mmの通気孔43が穿設されている。また、発明品におけるスリット状孔50aは、幅が1mmで負極端子板31aの底面44の周縁46にまで延長している。
Here, the performance of the explosion-proof safety mechanism was compared between the conventional
そして、上記発明品1aと従来品1について、強制過放電試験を行った。試験は、まず、各サンプルを1mAの定電流で公称容量2,600mAhrを放電し完全放電品とする。次に、12V電源で20mA、30mA、40mAのそれぞれの電流を流して強制過放電させ、公称容量を各電流値で除算した時間、2600/20=130h、2600/30≒87h、2600/40=65h経過後を放電完了時点とする。その放電完了時点から7日間、各サンプルを常温で放置することで行った。試験結果は、この放置期間中の破裂・発火の有無によって判定した。また、当該試験に際しては、強制過放電条件時の三つの電流値毎に、発明品1a、従来品1ともに5本ずつサンプルを用意した。
And the forced overdischarge test was done about the said
表1に当該試験結果を示した。
完全放電後に20mA、および30mAで強制放電させたサンプルでは、発明品1aと従来品1は、ともに5本全てのサンプルで破裂・発火することがなかった。しかし、極めて過激な条件である40mAで強制過放電させたサンプルでは、従来品1の5本のサンプルの内、4本が破裂・発火した。一方、発明品1aでは、全てのサンプルで破裂劣化しなかった。したがって、本発明の第1の実施例における筒状電池1aは、極めて高い安全性を有することが確認できた。
In the samples forcibly discharged at 20 mA and 30 mA after complete discharge, the
===スリットの数や開口率について===
上記従来例や第1の実施例として示した筒状電池(1,1a)は、一般的な乾電池とは異なり、負極端子板(31,31a)の底面44にリード端子がスポット溶接などによって取り付けられた状態で使用される場合が多い。そのため、第1の実施例における筒状電池1aでは、切り刃41を形成した跡である排気口42に加え、スリット状孔50aを負極端子板31aに形成しており、このスリット状孔50aの数を多くしたり、スリット状孔50aの開口面積を広くしたりすると、リード端子を取り付ける場所が無くなってしまう。また、スリット状孔50aの数が多すぎたり、開口面積が大き過ぎたりすると、負極端子板31aの強度が低下する。そのため、スリット状孔50aを形成する場合には、リード端子の取付け場所や強度などを考慮してその数や開口率を設定する必要がある。
=== About the number of slits and the aperture ratio ===
Unlike the general dry battery, the cylindrical battery (1, 1a) shown as the conventional example or the first embodiment has a lead terminal attached to the
実験では、図3に示した端子板31a−2のように5本のスリット状孔50aを形成し、負極端子板31a−2の底面44の面積の約30%を開口させた場合でもリード端子を取り付けることが可能であり、強度も実用上問題がなかった。なお、内圧上昇に切り刃41が封口板32に穴を開ける際、切り刃41の基端49には大きな力が掛かる。そのため、切り刃41の基端49は、ある程度の幅が必要である。図1〜図3に示した例では、複数本のスリット状孔50aの内の1本のスリット状孔51が排気口42に連絡しておらず、細長い矩形状に切り抜かれている。それによって、基端49の幅を確保している。なお、スリット状穴50aは、複数本ある方がより好ましいが、1本でもよく、その1本が排気口に連絡してさえいれば、排気経路60aを確保することができる。
In the experiment, even when five slit-
===第2の実施例===
図4に、本発明の第2の実施例に係る筒状電池における封口体30bの構造を防爆安全機構の動作原理とともに示した。(A)は当該封口体30を上方から見たときの平面図であり、(B)は(A)におけるb−b矢視断面図である。第2の実施例では、第1の実施例におけるスリット状孔50aに代え、排気口42に連絡する溝50bを負極端子板31bの底面44の裏側48に形成している。図示した例では、溝50bの平面形状は、第1の実施例における負極端子板31aにおけるスリット状孔50aと同じで、約1mmの幅で排気口42から負極端子板31bの底面44の周縁46に向かって放射状に3本形成されている。そして、0.4mmの端子板31bの厚さに対し、溝50bの深さは0.15mmとなっている。
=== Second Embodiment ===
FIG. 4 shows the structure of the sealing
第2の実施例では、ガス発生時の排気通路は、従来と電池1と同じ排気口42と通気孔43である。そのため、爆発的にガスが発生した場合には、従来の電池1と同様に、封口板32が排気口42を覆う。しかし、第2の実施例では、排気口42に連絡する溝50bが形成されているため、切り刃41によって封口板32に開いた穴35から端子板31bの底面44方向に噴出したガスがその底面44の裏側48に形成されている溝50bを伝って排気口42に案内される。すなわち、封口板32が排気口42の開口面を全て覆っても、ガスの排気経路60bが確保される。それによって、破裂・発火の可能性を極めて低くすることができる。実際、第1の実施例における負極端子板31aをこの第2の実施例における端子板31bに変更したCR8型電池をサンプルとして上記強制過放電試験を実際に行ったところ、全ての電流値での強制過放電試験において、破裂・発火するサンプルが無かった。
In the second embodiment, the exhaust passage at the time of gas generation is the
===第3の実施例===
上記第2の実施例では、通気孔43は、従来の電池1と同様に補助的な排気通路として形成されていた。本発明における第3の実施例は、この通気孔43を積極的に活用して排気を促す実施形態である。図5に当該第3の実施例における筒状電池の封口体30cの構造を防爆安全機構の動作原理とともに示した。(A)は封口体30の平面図であり、(B)は側断面図で、(A)におけるc−c矢視断面を示している。(C)は、第3の実施例の変形例であり、封口体32の側断面図を示している。
=== Third embodiment ===
In the second embodiment, the
当該第3の実施例では、第2の実施例と同様に負極端子板31cの底面44裏側48に放射状の溝50bが形成されている。しかし、第3の実施例では、溝50bの延長方向に通気孔43が配置されている点が異なっている。このような構成にすることで、図中に示した排気経路60cのように、封口板32と端子板31cとの間の空間36に充満したガスが溝50cに案内されつつ通気孔43にも案内されてより素早く電池缶内のガスを排出することができるようになっている。もちろん、(C)に示した変形例のように、溝50cが、皿状端子板31cの底面44の中心から底面周縁45を経由して周辺面46にまで延長し、その延長方向の先端に通気孔43が配置されて、溝50cの先端側の底に通気孔43が開口していてもよい。
In the third embodiment, a
1、1a 筒状電池
11 正極缶(電池缶)
21 正極合剤
22 負極リチウム
23 セパレータ
30、30a〜30c 封口体
31、31a、31a−2、31b、31c 端子板
32 封口板
34 ガスケット
35 穴
40 切欠
41 切り刃
42 排気口
43 通気孔
44 端子板の底面
45 端子板の周辺面
50a スリット状孔
50b、50c 溝
60a〜60c 排気経路
1,
21
Claims (4)
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、底面に略V字状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三角形形状の開口を排気口として備え、
前記切り刃の先端は、前記封口板の上面に近接し、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、当該封口板を貫通するように構成され、
前記皿状端子板の前記底面には、前記排気口から当該底面の周縁部に向かって延長するスリット状の孔が少なくとも一つ以上形成されている
ことを特徴とする筒状電池。 A cylinder in which a power generation element is housed in a bottomed cylindrical metal battery can that opens upward, and a sealing body is fitted into the opening of the battery can via a gasket so that the battery can is sealed. Battery
The sealing body is composed of a metal dish-shaped terminal plate with the upper surface as a bottom surface, and a sealing plate made of a disk-shaped metal thin plate disposed below the terminal plate,
The dish-shaped terminal plate includes a cutting blade formed by bending a tongue piece formed by a substantially V-shaped notch on a bottom surface so as to be erected in a substantially vertical direction inside the battery can. With a substantially triangular opening of the trace that formed
The tip of the cutting blade is close to the upper surface of the sealing plate, and is configured to penetrate the sealing plate when the sealing plate expands upward as the internal pressure increases in the battery can,
At least one or more slit-like holes extending from the exhaust port toward the peripheral edge of the bottom surface are formed on the bottom surface of the dish-shaped terminal plate.
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、底面に略V字状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三角形形状の開口を排気口として備え、
前記切り刃の先端は、前記封口板の上面に近接し、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、当該封口板を貫通するように構成され、
前記皿状端子板の底面の電池内側面には、前記排気口から当該底面の周縁部に向かって延長する直線上の溝が少なくとも一つ以上形成されている
ことを特徴とする筒状電池。 A cylindrical shape in which a power generation element is housed in a bottomed cylindrical metal battery can that opens upward, and the battery can is sealed by fitting a sealing body through a gasket to the opening of the battery can. A battery,
The sealing body is composed of a metal dish-shaped terminal plate with the upper surface as a bottom surface, and a sealing plate made of a disk-shaped metal thin plate disposed below the terminal plate,
The dish-shaped terminal plate includes a cutting blade formed by bending a tongue piece formed by a substantially V-shaped notch on a bottom surface so as to be erected in a substantially vertical direction inside the battery can. With a substantially triangular opening of the trace that formed
The tip of the cutting blade is close to the upper surface of the sealing plate, and is configured to penetrate the sealing plate when the sealing plate expands upward as the internal pressure increases in the battery can,
At least one or more linear grooves extending from the exhaust port toward the peripheral edge of the bottom surface are formed on the inner surface of the battery on the bottom surface of the dish-shaped terminal plate.
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