JP6090918B2

JP6090918B2 - 円筒形電池

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Publication number: JP6090918B2
Application number: JP2013061983A
Authority: JP
Inventors: 中村　友美; 友美中村; 浩行柴岡; 田中　和宏; 和宏田中
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: JP2014186912A

Description

本発明は円筒形電池に関する。

有底円筒形状の外装缶と、外装缶に収容された電極体と、外装缶の開口を封止する蓋構造体とを備える円筒形電池として、例えばアルカリマンガン乾電池等の一次電池、ニカド二次電池、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等の二次電池が公知である。このような円筒形電池は、例えば過放電や誤充電等によって内部にガスが異常発生して内圧が上昇する虞があり、また例えば二次電池は充放電サイクルによって内圧が上昇する場合がある。そのため一般的に円筒形電池の蓋構造体には、内圧が一定の弁作動圧に達すると開弁して内部のガスを外部に排出し、そのガスの排出により内圧が弁作動圧より低下すると閉弁する復帰式の安全弁機構が設けられている。この安全弁機構が設けられた蓋構造体によって、円筒形電池の内圧は一定の圧力以下に保たれる。

このような円筒形電池の蓋構造体の一例としては、ガス抜き孔が形成された蓋板と、弾性を有する材料で形成され、ガス抜き孔を塞ぐように蓋板に当接する弁体とを備えるものが公知である（例えば特許文献１、２又は３を参照）。このような構成の蓋構造体は、円筒形電池の内圧が弁作動圧に達すると、その内圧によって弁体が弾性変形して弁体と蓋板との当接面に隙間が生じてガス抜き孔が開いた状態となり、円筒形電池の内部のガスがガス抜き孔から外部へ排出される。そして円筒形電池の内圧が弁作動圧より低下すると、その弁体の弾性変形が元に戻り、ガス抜き孔が弁体に塞がれて閉じた状態に復帰する。

特開２００７−２４２５１０号公報特開２００３−６８２６８号公報特開２０００−１００４０７号公報

しかしながら、円筒形電池の内圧の上昇時に蓋構造体のガス抜き孔に導かれる物質はガスだけではない。
近年の携帯電話やノート型コンピュータ等のモバイル機器の普及に伴って円筒形電池には高容量化が要望されており、それに応えるために円筒形電池内に収容されている電極体等の内容物は次第に増加する傾向にある。例えば充電機器の制御異常或いは誤使用による外部短絡等が生じると、内部の急激な温度上昇によりガスが発生するだけでなく内容物が溶融する場合がある。比較的低容量の円筒形電池では溶融物の発生量が少ないため、主にガスのみがガス抜き孔に導かれて問題なく外部へ排出される。

ところが、高容量の円筒形電池では溶融物が多量に発生することから、一部の溶融物がガスと共にガス抜き孔に導かれる現象が生じる。これらの溶融物がガスと同じくガス抜き孔を経て外部に排出される場合には問題ないが、高粘度の溶融物はガス抜き孔の周縁の角部に付着して凝固してしまう。結果として蓋構造体の安全弁機構は初期作動するものの、その直後に凝固した溶融物によりガス抜き孔が閉塞されて正常な内圧調整機能を果たせなくなる。このような不具合を回避するために円筒形電池内に収容される電極体等の内容物は制限を受け、結果として円筒形電池の高容量化が阻まれている現状があった。

このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、電極体等の内容物が溶融した場合であっても、その溶融物をガスと共に円滑に外部に排出して正常な内圧調整機能を維持でき、もって、さらなる高容量化を実現することができる円筒形電池を提供することにある。

＜本発明の態様＞
本発明の態様は、有底円筒形状の外装缶と、前記外装缶に収容された電極体と、ガス抜き孔が形成された蓋板、弾性を有する材料で形成され、前記ガス抜き孔を塞ぐように前記蓋板に当接する弁体を含み、前記外装缶の開口を封止する蓋構造体と、を備え、前記ガス抜き孔の前記電極体側の周縁に、該電極体に向けて直線状の断面をなして拡開するテーパー面、又は円弧状の断面をなして拡開する湾曲面として第１の拡開面が形成され、前記ガス抜き孔の前記弁体側の周縁に、該弁体側に向けて円弧状の断面をなして拡開する第２の拡開面が形成され、前記蓋板の板厚をｔ、前記第１の拡開面を前記テーパー面として形成したときの面取りをＣ、前記第１の拡開面を前記湾曲面として形成したときの断面半径をＲとしたときに、０．１ｍｍ＜Ｃ＜ｔ、又は０．１ｍｍ＜Ｒ＜ｔを満足する、ことを特徴とする円筒形電池である。

円筒形電池の内圧の上昇により弁体と蓋板との当接面に隙間が生じると、ガスと共に溶融物がガス抜き孔に流入する。このときの溶融物は流通を妨げられることなく、テーパー面又は湾曲面として形成された第１の拡開面の案内により円滑にガス抜き孔内に導かれて外部に排出される。
これにより本発明の態様によれば、溶融物の付着・凝固によるガス抜き孔の閉塞を防止でき、円筒形電池の内圧を常に弁作動圧以下の適切な圧力に保つことができる。そして、このように円筒形電池の内容物が溶融した場合であっても正常な内圧調整機能を維持できるため、内部の電極体等の内容物を増加させることにより、さらなる高容量化を実現することができる。

又、ガス抜き孔の弁体側の周縁に湾曲面として第２の拡開面が形成されているため、弁体が第２の拡開面に対して広い領域で当接して接触圧が分散される。よって、所期の弁作動圧で確実に弁体と蓋板との当接面に隙間を生じさせてガス抜き孔を開くことができ、結果として弁作動圧の安定化により内圧調整機能を一層向上することができる。

一方、第１の拡開面をテーパー面として形成したときの面取りＣ、或いは第１の拡開面を湾曲面として形成したときの断面半径Ｒをそれぞれ増加させるほど、溶融物の付着・凝固を防止する作用は向上するが、蓋板の板厚まで増加させると、弁体側に湾曲面として第２の拡開面を形成できなくなる。一方で、たとえ面取りＣや断面半径Ｒを０．１ｍｍ程度まで縮小しても、ある程度の溶融物の付着・凝固を防止作用が得られる。よって、０．１ｍｍ＜Ｃ＜ｔ、又は０．１ｍｍ＜Ｒ＜ｔを満足することにより、溶融物の付着・凝固を防止する作用と弁体の作動を安定化させる作用とを両立させることができる。

本発明によれば、電極体等の内容物が溶融した場合であっても、その溶融物をガスと共に円滑に外部に排出して正常な内圧調整機能を維持でき、もって、さらなる高容量化を実現することができる。

ニッケル水素二次電池の縦断面を図示した斜視図。ニッケル水素二次電池における正極板と正極集電板及び負極板と負極集電板との接続部を示す断面図。蓋構造体の要部を図示した縦断面図。実施形態のガス抜き孔の周縁の断面形状を示す図３のＡ部詳細図。別例１のガス抜き孔の周縁の断面形状を示す詳細図。別例２のガス抜き孔の周縁の断面形状を示す詳細図。別例３のガス抜き孔の周縁の断面形状を示す詳細図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

＜ニッケル水素二次電池の構成＞
ニッケル水素二次電池１の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。
図１は、ニッケル水素二次電池１の縦断面を図示した斜視図である。図２は、ニッケル水素二次電池１の縦断面を図示した平面図である。

「円筒形電池」の一例である円筒型のニッケル水素二次電池１は、外装缶１０、電極体２０及び蓋構造体３０を備える。外装缶１０は、一端が開口した有底円筒形状の部材であり導電性を有している。電極体２０は、セパレータ２３を介して正極板２１と負極板２２とを重ねて渦巻き状に巻くことによって略円筒状に構成されている。蓋構造体３０は、外装缶１０の開口を封止する構造体である。ニッケル水素二次電池１は、外装缶１０に電極体２０が収容され、さらにアルカリ電解液（図示せず）が充填され、外装缶１０の開口が蓋構造体３０に閉塞されて構成されている。

正極板２１は、非焼結式ニッケル極であり、正極芯体（図示せず）と正極芯体に保持された正極合剤とからなる。正極芯体は、耐アルカリ性を有する金属材料からなり、金属繊維によって構成されたフェルト状の３次元の網目構造を有する。耐アルカリ性を有する金属材料としては、例えばニッケルを用いることができる。正極合剤は、正極活物質粒子、正極板の特性を改善するための種々の添加剤粒子、これら正極活物質粒子及び添加剤粒子の混合粒子を正極芯体に結着するための結着剤からなる。

正極活物質粒子は水酸化ニッケル粒子である。水酸化ニッケル粒子は、ニッケルの平均価数が２よりも大の高次水酸化ニッケル粒子であってもよい。また水酸化ニッケル粒子は、コバルト、亜鉛、カドミウム等を固溶していてもよく、あるいはコバルト化合物で表面が被覆されていてもよい。添加剤は、酸化イットリウムの他に、酸化コバルト、金属コバルト、水酸化コバルト等のコバルト化合物、金属亜鉛、酸化亜鉛、水酸化亜鉛等の亜鉛化合物、酸化エルビウム等の希土類化合物等を用いることができる。結着剤は、親水性又は疎水性のポリマー等を用いることができる。より具体的には結着剤は、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリアクリル酸ナトリウム（ＳＰＡ）のうちから選択される１種以上を使用することができる。結着剤は、例えば正極活物質粒子１００質量部に対して０．１質量部以上０．５質量部以下となるようにすればよい。

負極板２２は、帯状をなす導電性の負極芯体（図示せず）に負極合剤が保持されて形成されている。負極芯体は、複数の貫通孔を有するシート状の金属材からなり、例えばパンチングメタル、金属粉末焼結体基板、エキスパンデッドメタル、ニッケルネット等を用いることができる。特にパンチングメタルや金属粉末を成型してから焼結した金属粉末焼結体基板は負極芯体に好適である。

負極合剤は、水素を吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金粒子と結着剤とからなる。水素吸蔵合金粒子は、電池の充電時にアルカリ電解液中で電気化学的に発生させた水素を吸蔵でき、かつ放電時にその吸蔵水素を容易に放出できるものであればよい。このような水素吸蔵合金としては、特に限定されないが、例えばＬａＮｉ₅やＭｍＮｉ₅（Ｍｍはミッシュメタル）等のＡＢ₅型系のものを用いることができる。また負極合剤は、水素吸蔵合金に代えて、例えばカドミウム化合物を用いることもできる。結着剤は、例えば親水性又は疎水性のポリマー等を用いることができる。

セパレータ２３は、例えばポリアミド繊維製不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン繊維製不織布に親水性官能基を付与したものを材料として用いることができる。

蓋構造体３０は、蓋板３１、絶縁ガスケット３２、弁体３３、正極端子３４、正極リード３５及び正極集電板３６を含む。蓋板３１は、略円形をなし、その中央には円形状のガス抜き孔３１１が設けられている。蓋板３１は、絶縁ガスケット３２が介装された状態で、外装缶１０の開口縁をかしめ加工することによって外装缶１０に固定されている。弁体３３は、例えばＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）を主成分とするゴムで形成されており、円板形状の鍔部３３１と円柱体形状の弁本体部３３２とからなる。

弁本体部３３２の直径はガス抜き孔３１１の直径より大きく、その下面の周囲を蓋板３１上に当接させている。正極端子３４は、フランジ付きの円筒形状をなして弁体３３を上方から覆い、その周囲を蓋板３１の上面にスポット溶接で固定されている。正極端子３４には、ガス抜き孔３１１から放出されたガスを外部へ排出する排出孔３４１が形成されている。蓋板３１と正極端子３４との間で弁体３３は所望の圧縮率で縮設され、その弾性力によりガス抜き孔３１１を塞いでいる。

正極リード３５は、折り曲げられた状態で設けられており、蓋板３１の内面に一端が溶接され、正極集電板３６に他端が溶接されている。正極集電板３６は、円板形状の部材であり、外装缶１０にアルカリ電解液を注液するための孔３６１が中央に形成されている。正極板２１の正極芯体は、正極集電板３６側の端部に連結部２１１が形成されている。連結部２１１の径方向内面には、例えば溶接又は導電性接着剤によって、ニッケルリボン等からなる帯状の金属薄板２１２が固定されている。金属薄板２１２は、連結部２１１から突出して正極集電板３６に当接している。つまり正極集電板３６と正極板２１とは、金属薄板２１２を介して電気的に接続されている。他方、負極板２２は、ニッケル水素二次電池１の負極端子をなす外装缶１０の内周面に接した状態で、その外装缶１０と電気的に接続されている。

以上のように構成されたニッケル水素二次電池１では、ガスの異常発生により内圧が一定の弁作動圧に達すると、その内圧によって弁体３３が弾性変形して弁体３３と蓋板３１との当接面に隙間が生じる。これによりガス抜き孔３１１が開いた状態となるため、内部で発生したガスはガス抜き孔３１１から排出孔３４１を経て外部へ排出される。
ところが、［発明が解決しようとする課題］で述べたように、ガスの発生だけでなく急激な温度上昇で外装缶１０内の電極体２０等の内容物が溶融する場合がある。特に高容量のニッケル水素二次電池１では多量に発生した溶融物の一部がガスと共にガス抜き孔３１１の周囲に導かれて付着・凝固し、ガス抜き孔３１１を閉塞して正常な内圧調整機能を阻害するという問題がある。

本出願人は、このような溶融物の付着・凝固に関する現象が、ガス抜き孔３１１の周縁の断面形状に依存する点に着目した。
蓋板３１にプレス加工等でガス抜き孔３１１を形成した場合、ガス抜き孔３１１の内周面は、その周方向の何れの箇所においても蓋板３１の上面及び下面に対して単純な断面直角状をなすことになる。このため、外装缶１０内で発生したガス及び溶融物は、ガス抜き孔３１１の下側（蓋板３１の下面側）の周縁に形成された角部を乗り越えながらガス抜き孔３１１に流入し、このとき高粘度の溶融物が角部に付着・凝固してガス抜き孔３１１を閉塞させてしまう。

そこで本出願人は、ガス抜き孔３１１を上方よりバーリング加工してガス抜き孔３１１の周縁を外装缶１０内に向けて環状に突出させ、この環状に突出した箇所により溶融物の流れを堰き止めてガス抜き孔３１１の閉塞を防止する対策を見出した。しかし、試験の結果、堰き止められた溶融物は環状に突出した箇所に一層付着・凝固し易くなり、却ってガス抜き孔３１１の閉塞を助長してしまうことが判明した。
以上のことから、溶融物の流れを堰き止めるよりも、逆に溶融物を円滑に流通させてガスと共にガス抜き孔３１１を経て外部に排出した方が、ガス抜き孔３１１の閉塞防止に有効であるという知見に至った。そこで、本実施形態のニッケル水素二次電池１では、以下に述べるようにガス抜き孔３１１の周縁の断面形状を設定している。

＜ガス抜き孔３１１の周縁の断面形状＞
図３は、蓋構造体３０の要部を図示した縦断面図である。図４は、ガス抜き孔３１１の周縁の断面形状を示す図３のＡ部詳細図である。なお、図４はガス抜き孔３１１の周縁の一側の断面形状を示しているが、周方向の何れの箇所においても同一断面形状である。

ガス抜き孔３１１の下側（電極体２０側）の周縁にはパンチ加工が施され、これにより直線状の断面をなして電極体２０に向けて拡開するテーパー面３１２（第１の拡開面）が形成されている。また、ガス抜き孔３１１の上側（弁体３３側）の周縁には同じくパンチ加工が施され、これにより円弧状の断面をなして弁体３３側に向けて拡開する湾曲面３１３（第２の拡開面）が形成されている。

本実施形態では、蓋板３１の板厚をｔとすると、テーパー面３１２が面取りＣ＝ｔ/２（面取り角度θ＝４５°）となるように形成され、湾曲面３１３が断面半径Ｒ1＝ｔ/２となるように形成されている。例えば板厚ｔ＝０.４mmの場合には、Ｃ＝０.２mm、Ｒ1＝０.２mmとなる。なお、テーパー面３１２及び湾曲面３１３の加工方法はパンチ加工に限ることはなく、例えば切削加工を適用してもよい。

ニッケル水素二次電池１の内圧の上昇により弁体３３と蓋板３１との当接面に隙間が生じると、ガスと共に溶融物がガス抜き孔３１１に流入する。図４に示すように、蓋板３１の下面とガス抜き孔３１１の内部とは、テーパー面３１２を介して緩やかな断面形状で接続されている。このためテーパー面３１２は、上記した角部のように溶融物の流通を妨げることなく、逆に溶融物をガス抜き孔３１１内に案内する作用を奏する。よって、溶融物はテーパー面３１２に付着せずに、図４中に矢印で示すようにテーパー面３１２の案内により円滑にガス抜き孔３１１内に導かれ、その後にガス抜き孔３１１から排出孔３４１を経て外部に排出される。

結果として、溶融物の付着・凝固によるガス抜き孔３１１の閉塞を防止でき、ニッケル水素二次電池１の内圧を常に弁作動圧以下の適切な圧力に保つことができる。そして、このようにニッケル水素二次電池１内で電極体２０等の内容物が溶融した場合であっても正常な内圧調整機能を維持できるため、内部の電極体２０等の内容物を増加させることにより、さらなる高容量化を実現することができる。

一方、ガス抜き孔３１１の上側の周縁に角部が形成されている場合には、弁体３３が局所的に強く当接することにより弁作動圧が不安定になり易いことが確認されている。本実施形態では、ガス抜き孔３１１の上側の周縁に湾曲面３１３が形成されているため、弁体３３は湾曲面３１３に対して広い領域で当接して接触圧が分散されることになる。よって、所期の弁作動圧で確実に弁体３３と蓋板３１との当接面に隙間を生じさせて、ガス抜き孔３１１を開くことができる。結果として弁作動圧が安定化するため、内圧調整機能を一層向上することができる。

ところで、ガス抜き孔３１１の周縁の断面形状は上記実施形態に限るものではなく、任意に変更可能である。そこで、以下に別例１〜３を順次説明する。なお、これらの別例の基本的な構成は図１〜３に基づき説明した実施形態のものと同一であるため、共通する構成の箇所は同一部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。

＜ガス抜き孔３１１の周縁の断面形状の別例＞
図５は、別例１のガス抜き孔３１１の周縁の断面形状を示す詳細図である。
この別例１では、実施形態と同様にガス抜き孔３１１の上側の周縁に湾曲面３１３（第２の拡開面）が形成され、ガス抜き孔３１１の下側の周縁にはテーパー面３１２に代えて湾曲面３１４（第１の拡開面）が形成されている。この点は、以下の他の別例も同様である。ガス抜き孔３１１の上側の湾曲面３１３は、円弧状の断面をなして弁体３３側に向けて拡開し、ガス抜き孔３１１の下側の湾曲面３１４は、円弧状の断面をなして電極体２０に向けて拡開している。
蓋板３１の板厚ｔに対して、下側の湾曲面３１４が断面半径Ｒ2＝ｔ/２となるように形成され、上側の湾曲面３１３が断面半径Ｒ3＝ｔ/４となるように形成されている。例えば板厚ｔ＝０.４mmの場合には、Ｒ2＝０.２mm、Ｒ3＝０.１mmとなる。

図６は、別例２のガス抜き孔３１１の周縁の断面形状を示す詳細図である。
この別例２では、蓋板３１の板厚ｔに対して、下側の湾曲面３１４が断面半径Ｒ2＝ｔ/２となるように形成され、同じく上側の湾曲面３１３が断面半径Ｒ4＝ｔ/２となるように形成されている。例えば板厚ｔ＝０.４mmの場合には、Ｒ4＝Ｒ5＝０.２mmとなる。

図７は、別例３のガス抜き孔３１１の周縁の断面形状を示す詳細図である。
この別例３は別例１と上下逆の設定であり、蓋板３１の板厚ｔに対して、下側の湾曲面３１４が断面半径Ｒ6＝ｔ/４となるように形成され、上側の湾曲面３１３が断面半径Ｒ7＝ｔ/２となるように形成されている。例えば板厚ｔ＝０.４mmの場合には、Ｒ6＝０.１mm、Ｒ7＝０.２mmとなる。

ガス抜き孔３１１の下側の湾曲面３１４の断面半径Ｒ2を大とした図５に示す別例1では、特に溶融物の付着・凝固を防止する作用が奏され、これに対して、ガス抜き孔３１１の上側の湾曲面３１３の断面半径Ｒ7を大とした図７に示す別例３では、特に弁体３３の作動を安定化させる作用が奏される。なお、図６に示す別例２は、別例１．３の中間特性になる。
このようにガス抜き孔３１１の下側の湾曲面３１４の断面半径Ｒ2，Ｒ4，Ｒ6を増加させるほど、溶融物の付着・凝固を防止する作用は向上するが、断面半径Ｒ2，Ｒ4，Ｒ6を蓋板３１の板厚ｔまで増加させると、上側の湾曲面３１３を形成できなくなる。一方で、たとえ下側の湾曲面３１４の断面半径Ｒ2，Ｒ4，Ｒ6を０.１mm程度まで縮小しても、ある程度の溶融物の付着・凝固を防止作用は得られる。よって、下側の湾曲面３１４の断面半径Ｒ2，Ｒ4，Ｒ6を、０.１mm＜Ｒ＜ｔの範囲内で設定すれば、溶融物の付着・凝固を防止する作用と弁体３３の作動を安定化させる作用とを両立させることができる。

この点は、上記実施形態のようにガス抜き孔３１１の下側の周縁にテーパー面３１２を形成した場合でも同様であり、下側のテーパー面３１２の面取りＣを、０.１mm＜Ｃ＜ｔの範囲内で設定することが望ましい。特にテーパー面３１２を形成した場合には湾曲面３１４を形成した場合に比較して溶融物をより円滑にガス抜き孔３１１内に案内できることから、溶融物の付着・凝固を一層効果的に防止することができる。

１ニッケル水素二次電池
１０外装缶
２０電極体
３０蓋構造体
３１蓋板
３３弁体
３１１ガス抜き孔
３１２テーパー面（第1の拡開面）
３１３湾曲面（第２の拡開面）
３１４湾曲面（第1の拡開面）

Claims

有底円筒形状の外装缶と、
前記外装缶に収容された電極体と、
ガス抜き孔が形成された蓋板、弾性を有する材料で形成され、前記ガス抜き孔を塞ぐように前記蓋板に当接する弁体を含み、前記外装缶の開口を封止する蓋構造体と、を備え、
前記ガス抜き孔の前記電極体側の周縁に、該電極体に向けて直線状の断面をなして拡開するテーパー面、又は円弧状の断面をなして拡開する湾曲面として第１の拡開面が形成され、
前記ガス抜き孔の前記弁体側の周縁に、該弁体側に向けて円弧状の断面をなして拡開する第２の拡開面が形成され、
前記蓋板の板厚をｔ、前記第１の拡開面を前記テーパー面として形成したときの面取りをＣ、前記第１の拡開面を前記湾曲面として形成したときの断面半径をＲとしたときに、０．１ｍｍ＜Ｃ＜ｔ、又は０．１ｍｍ＜Ｒ＜ｔを満足する、ことを特徴とする円筒形電池。