JP5595113B2 - 筒型リチウム電池 - Google Patents

Description

本発明は、開口部を有する金属缶の内部に電池要素を収納し、開口部にリング状の樹脂製ガスケット、金属製平板及び金属製端子を嵌め込んだ状態で開口部を密閉封口した構造の筒型リチウム電池に関するものである。

図５には、筒型リチウム電池４０の従来例を示している。図５に示されるように、筒型リチウム電池４０は、有底円筒状の正極缶４１と、正極缶４１の内周部に配置された筒状の正極合剤４２と、正極合剤４２の中空部に配置された有底円筒状のセパレータ４３と、セパレータ４３の内側に配置されたリチウム負極４４と、正極缶４１の開口部を閉塞するように配置された封口体４５とを備える。そして、筒型リチウム電池４０の正極缶４１内には非水電解液４６が充填されている。

封口体４５は、リング状の樹脂製ガスケット４７、金属製の封口板４８及び負極端子４９（金属製端子）からなり、正極缶４１を密閉封口している。具体的には、正極缶４１の開口部にガスケット４７を挟み、円形の封口板４８及び負極端子４９を蓋として正極缶４１の端部をかしめることで、ガスケット４７を締め付け、ガスケット４７の復元力により正極缶４１とガスケット４７間やガスケット４７と封口板４８との間を密着させて正極缶４１の密閉性を実現している。また、負極端子４９における内面の中央部付近には、下方に伸びる刃突起５１，５２が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

この種の筒型リチウム電池４０では、誤使用等によって電池内部が異常な状態になったとき、電池内部でガスが発生する場合がある。この場合、電池内圧が所定の圧力に達すると、圧力によって封口板４８が上方に押し上げられ負極端子４９の刃突起５１，５２に接触する。そして、封口板４８において刃突起５１の接触部に孔が開けられ、その孔を通じて電池４０内のガスが電池外部に放出される。このように、封口板４８と刃突起５１とが安全弁機構として機能して、電池４０の破裂が未然に防止される。

筒型リチウム電池４０において、刃突起５１，５２は、負極端子４９の一部を切り欠くとともにその切り欠いた部分を下方に折り曲げることで形成される。つまり、負極端子４９には、刃突起５１，５２を形成するために孔５３，５４（図５及び図６参照）が開けられる。

また、筒型リチウム電池４０は、一般的な乾電池のように単品で顧客自身が機器に挿入するといったことはないため、電池４０の負極端子４９や正極端子（図示略）に予めタブを溶接したりコネクタを付けたりして使用される場合が多い。

実用新案第３１４２７８８号公報

ところで、上述した従来の筒型リチウム電池４０において、負極端子４９にタブを溶接する場合、刃突起５１，５２の形成用の孔５３，５４が大きいと、負極端子４９にタブを接続するための十分なスペースを確保することができなくなる。また、負極端子４９おいて、孔５３，５４を小さく形成した場合でも、その孔５３，５４を避けた位置にタブを溶接する必要があるため、位置決め等の作業が煩雑となってしまう。さらに、タブを正しい位置に配置できないと、孔５３，５４の存在によって溶接時にスパークなどの不具合が発生するといったことも懸念される。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属製端子へのタブの接続を確実に行うことができ、かつガス発生時に電池の内圧を確実に解放することができる筒型リチウム電池を提供することにある。

上記課題を解決するための手段［１］〜［３］を以下に列挙する。

［１］開口部を有する金属缶の内部に電池要素を収納し、前記開口部にリング状の樹脂製ガスケット、金属製平板及び金属製端子をこの順序で嵌め込んだ状態で前記開口部を缶内側にかしめて密閉封口した構造の筒型リチウム電池において、前記金属製端子は無孔状の天板部を有するとともに、先細り形状の金属製突起部材がその先端を前記金属製平板に向けた状態で前記天板部の内面の中央部に接合され、前記天板部の内面において前記金属製突起部材よりも外周部寄りの位置には、前記金属製突起部材よりも長さの短い別の金属製突起部材が接合されていることを特徴とする筒型リチウム電池。

従って、手段１に記載の発明によれば、電池内部でガスが発生すると、電池内圧の上昇に伴って金属製平板が金属製端子側に押し上げられる。このとき、金属製突起部材が金属製平板に突き刺さって孔を開けることにより、電池内にて発生したガスが金属製端子側に放出され、その結果として電池内圧が開放される。また、金属製端子において金属製突起部材が接合される天板部には、従来技術のように孔が形成されていないので、その天板部にタブを容易に接合することができる。
また本発明では、前記金属製突起部材は、前記天板部の内面の中央部に接合されるとともに、前記天板部の内面において前記金属製突起部材よりも外周部寄りの位置には、前記金属製突起部材よりも長さの短い別の金属製突起部材が接合されている。電池内圧上昇時には、金属製平板の中央部が最も変位するため、天板部の中央部に設けられた比較的長い金属製突起部材が金属製平板の中央部に確実に接触して孔を開けることができる。またこのとき、外周部寄りの位置に設けられた比較的短い金属製突起部材にも金属製平板が接触することで、金属製突起部材に不均一な力が作用する。これにより、金属製平板には、金属製突起部材の先端形状とは異なる形状に変形した孔が形成されることとなる。この結果、金属製突起部材の表面と孔と間に隙間が形成され、電池内にて発生したガスをその隙間から確実に放出することができる。

［２］手段１において、前記金属製突起部材は、基端にフランジ部を有する柱状のプレス加工品であることを特徴とする筒型リチウム電池。

手段２に記載の発明によると、金属製突起部材がプレス加工品であるので、比較的低コストで金属製突起部材を製造することができる。また、金属製突起部材は、基端にフランジ部を有するので、金属製端子に金属製突起部材を十分な強度で確実に接合することができる。

［３］手段２において、前記金属製突起部材は、先端にヘッダ加工部が設けられかつ基端にプロジェクション加工部が設けられたものであり、前記天板部の内面に溶接されていることを特徴とする筒型リチウム電池。

手段３に記載の発明によれば、ヘッダ加工を施すことにより、金属製突起部材の先端に先細り形状のヘッダ加工部を確実に形成することができる。また、金属製突起部材の基端にはプロジェクション加工部が設けられているので、その基端をプロジェクション溶接にて天板部の内面に確実に接合することができる。

以上詳述したように、手段１〜３に記載の発明によると、金属製端子へのタブの接続を確実に行うことができ、かつガス発生時に電池の内圧を確実に解放することができる筒型リチウム電池を提供することができる。

一実施の形態の筒型リチウム電池の概略構成を示す断面図。 封口体の構成を示す分解断面図。 負極端子を示す上面図。 第１突起部材を示す側面図。 従来の筒型リチウム電池の概略構成を示す断面図。 従来の負極端子を示す上面図。

図１に示されるように、本実施の形態の筒型リチウム電池１０では、開口部１１ａを有する正極缶１１（金属缶）の内部に、円筒状の正極合剤１２が装填され、その正極合剤１２の中空部分にセパレータ１３を介してリチウム負極１４が配置されている。なお、本実施の形態の筒型リチウム電池１０は、直径が１７．０ｍｍ、高さが４５．０ｍｍのサイズを有する一次電池である。

正極缶１１の内部には、電池要素としての正極合剤１２及びリチウム負極１４の上方まで非水電解液１６が注液されている。非水電解液１６は、例えば、過塩素酸リチウムを溶質とし、プロピンカーボネート及び１，２−ジメトキシエタンを溶媒とした溶液などからなる。

正極合剤１２は、例えば、二酸化マンガン、黒鉛、及びバインダとしての粉末フッ素樹脂を混合した正極合剤粉を円筒状にプレス成形することで作製される。本実施の形態では、正極缶１１の内部においてその軸方向に沿って３つの正極合剤１２が積層装填されている。

リチウム負極１４は、リチウム金属の金属板を用い、円筒状にロール加工（曲げ加工）して作製されている。また、セパレータ１３は、ポリプロピレン製の不織布からなるセパレータ原紙を二重巻きにした後、底部となる一方の端部を折り重ねた状態で底部及び胴部の一部を熱融着加工することで有底円筒状に形成されている。

正極缶１１は、例えばＳＵＳ（ステンレススチール）鋼板を有底円筒状にプレス成形することで製造され、その底部の中央に正極端子１７が突設されている。また、正極缶１１の開口部１１ａは、金属製の負極端子１８（金属製端子）、金属製の封口板１９（金属製平板）、及び樹脂製のガスケット２０からなる封口体２１によって封口されている。

詳しくは、正極缶１１の開口部１１ａには、正極缶１１の外周面に沿って溝状のビード部２２が形成されている。そして、図２に示されるように、正極缶１１のビード部２２の上方に、リング状のガスケット２０、封口板１９及び負極端子１８の順で嵌め込む。その状態で、図１に示されるように、正極缶１１の開口部１１ａを缶内側にかしめることにより、正極缶１１が密閉封口されている。なお、本実施の形態において、負極端子１８及び封口板１９は、正極缶１１と同様にＳＵＳ鋼板を用いて形成され、ガスケット２０は、ポリプロピレンを用いて形成されている。

また、リチウム負極１４の内側面には、負極集電体２４が設けられている。負極集電体２４のリード部２４ａは、リチウム負極１４の上端面から突出し、ガスケット２０の中央開口部２３を挿通して、封口板１９の下面に溶接にて接続されている。

図１〜図３に示されるように、負極端子１８は、無孔状の天板部２６とその天板部２６の外周側に設けられる傾斜した側壁部２７とを有する。天板部２６は、孔が形成されていない円形状の平板部であって、その内面における中央部に、先細り形状の第１突起部材３１（金属製突起部材）がその先端を封口板１９に向けた状態で接合されている。

図４に示されるように、第１突起部材３１は、基端にフランジ部３２を有する柱状のプレス加工品であり、刃突起として機能する真鍮製の部材である。この第１突起部材３１において、先端には形状が針状であるヘッダ加工部３３が設けられるとともに、基端に突起部３４（プロジェクション加工部）が設けられている。そして、第１突起部材３１の基端がプロジェクション溶接にて天板部２６の内面に接合されている。

また、図１及び図２に示されるように、天板部２６の内面において第１突起部材３１よりも外周部寄りの位置には、第１突起部材３１よりも長さの短い第２突起部材３５（金属製突起部材）が接合されている。第２突起部材３５も、基端にフランジ部３２を有する柱状のプレス加工品であり、真鍮を用いて成形されている。第２突起部材３５は、第１突起部材３１とは異なり先端が平坦面となっている。第２突起部材３５も、第１突起部材３１と同様に基端に突起部３４が設けられており、その基端がプロジェクション溶接にて天板部２６の内面に接合されている。さらに、負極端子１８において、天板部２６よりも外周側となる側壁部２７の複数箇所（例えば４箇所）に、ガス抜き孔２９が形成されている。

本発明者らは、上記のように構成した筒型リチウム電池１０について、各端子１７，１８にタブ溶接を施した２つの電池１０を用い、各電池１０を直列接続してコネクタを装着した製品（組電池）を１０００個製造した。また、従来の筒型リチウム電池４０（図５参照）について、各端子４９にタブ溶接を施した２つの電池４０を用い、各電池４０を直列接続してコネクタを装着した製品を１０００個製造した。そして、それら製造時における溶接不良の発生頻度を確認した。その結果、従来の筒型リチウム電池４０を用いた場合は、１０００個中の１４個の製品で溶接不良が発生した。これに対して、本実施の形態の筒型リチウム電池１０を用いた場合は、１０００個の全ての製品において溶接不良は発生しなかった。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の筒型リチウム電池１０において、電池内部でガスが発生すると、電池内圧の上昇に伴って封口板１９が負極端子１８側に押し上げられる。このとき、第１突起部材３１が封口板１９に突き刺さって孔を開けることにより、電池内部にて発生したガスが負極端子１８側に放出され、その結果として電池内圧が開放される。また、負極端子１８において第１突起部材３１が接合される天板部２６には、従来技術のように孔５３，５４（図５及び図６参照）が形成されていない。この場合、負極端子１８の天板部２６において、従来技術のように孔５３，５４を避けるためにタブの位置合わせを行う必要がなく、さらに十分なスペースを確保できるため、タブを確実に接合することができる。また、天板部２６に孔が形成されていないため、溶接時におけるスパークの発生を回避しつつ接合作業を迅速に行うことができる。

（２）本実施の形態の筒型リチウム電池１０では、各突起部材３１，３５がプレス加工品であるので、比較的低コストで各突起部材３１，３５を製造することができる。また、各突起部材３１，３５は、基端にフランジ部３２を有するので、負極端子１８に各突起部材３１，３５を十分な強度で確実に接合することができる。さらに、ヘッダ加工を施すことにより、第１突起部材３１の先端に先細り形状のヘッダ加工部３３を確実に形成することができる。また、各突起部材３１，３５の基端には突起部３４が設けられているので、その基端をプロジェクション溶接にて天板部２６の内面に確実に接合することができる。

（３）本実施の形態の筒型リチウム電池１０において、負極端子１８はＳＵＳ製の部品であり、各突起部材３１，３５は真鍮製の部品である。つまり、負極端子１８と各突起部材３１，３５とはそれぞれ別の金属材料にて形成されている。このようにすると、負極端子１８と各突起部材３１，３５とを抵抗溶接によって比較的容易に接合することができる。

（４）本実施の形態の筒型リチウム電池１０では、負極端子１８の天板部２６内面において、中央部に第１突起部材３１が接合されるとともに、第１突起部材３１よりも外周部寄りの位置に、第１突起部材３１よりも長さの短い別の第２突起部材３５が接合されている。この場合、電池内圧の上昇時には、封口板１９の中央部が最も変位するため、天板部２６の中央部に設けられた比較的長い第１突起部材３１が封口板１９の中央部に確実に接触して孔を開けることができる。またこのとき、外周部寄りの位置に設けられた第２突起部材３５にも封口板１９が接触することで、封口板１９に不均一な力が作用する。これにより、封口板１９において形成された孔が歪むため、第１突起部材３１の先端形状とは異なる形状に変形した孔が形成されることとなる。この結果、第１突起部材３１の表面と孔と間に隙間が形成されるため、電池１０内にて発生したガスをその隙間から確実に放出することができる。

（５）本実施の形態の筒型リチウム電池１０では、負極端子１８において天板部２６以外の部位となる側壁部２７にガス抜き孔２９を有するので、電池内部にて発生したガスをガス抜き孔２９を介して電池外部に確実に放出することができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態の筒型リチウム電池１０において、封口板１９は、ＳＵＳ（ステンレススチール）鋼板を用いて形成したが、ＳＵＳ鋼板以外に、例えばニッケルめっきを施した鉄製の板材、アルミニウムやアルミニウム合金の板材、またはアルミの表面を樹脂で覆った板材などを用いて形成してもよい。また、負極端子１８も同様に、ニッケルめっきを施した鉄製の板材、アルミニウムやアルミニウム合金の板材などを用いて形成してもよい。

・上記実施の形態の筒型リチウム電池１０において、第１突起部材３１は、先端が針状に尖った形状であったが、ナイフのような細長い鋭利な刃先を有する形状に変更してもよい。また、筒型リチウム電池１０では、負極端子１８の天板部２６の内面に第１突起部材３１及び第２突起部材３５の２つの突起部材を接合していたが、第２突起部材３５を省略して第１突起部材３１のみを接合するよう構成してもよい。

・上記実施の形態において、筒型リチウム電池１０は一次電池であったが、リチウム二次電池に本発明を具体化してもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）手段１乃至４のいずれかにおいて、前記金属製端子と前記金属製突起部材とは別の金属材料で製造されていることを特徴とする筒型リチウム電池。

（２）手段１乃至４のいずれかにおいて、前記金属製突起部材は真鍮製であることを特徴とする筒型リチウム電池。

（３）手段１乃至４のいずれかにおいて、前記金属製端子は、前記天板部以外の部位に形成されたガス抜き孔を有することを特徴とする筒型リチウム電池。

（４）手段１乃至４のいずれかにおいて、前記金属製突起部材の先端形状は針状であることを特徴とする筒型リチウム電池。

１０…筒型リチウム電池
１１…金属缶としての正極缶
１１ａ…開口部
１２…電池要素を構成する正極合剤
１４…電池要素を構成するリチウム負極
１８…金属製端子としての負極端子
１９…金属製平板としての封口板
２０…樹脂製ガスケット
２６…天板部
３１…金属製突起部材としての第１突起部材
３２…フランジ部
３３…ヘッダ加工部
３４…プロジェクション加工部としての突起部
３５…金属製突起部材としての第２突起部材

Claims (3)

1. 開口部を有する金属缶の内部に電池要素を収納し、前記開口部にリング状の樹脂製ガスケット、金属製平板及び金属製端子をこの順序で嵌め込んだ状態で前記開口部を缶内側にかしめて密閉封口した構造の筒型リチウム電池において、
   前記金属製端子は無孔状の天板部を有するとともに、
   先細り形状の金属製突起部材がその先端を前記金属製平板に向けた状態で前記天板部の内面の中央部に接合され、
   前記天板部の内面において前記金属製突起部材よりも外周部寄りの位置には、前記金属製突起部材よりも長さの短い別の金属製突起部材が接合されている
   ことを特徴とする筒型リチウム電池。
2. 前記金属製突起部材は、基端にフランジ部を有する柱状のプレス加工品であることを特徴とする請求項１に記載の筒型リチウム電池。
3. 前記金属製突起部材は、先端にヘッダ加工部が設けられかつ基端にプロジェクション加工部が設けられたものであり、前記天板部の内面に溶接されていることを特徴とする請求項２に記載の筒型リチウム電池。

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