JP6902735B2

JP6902735B2 - 円筒形電池

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Publication number: JP6902735B2
Application number: JP2020502007A
Authority: JP
Inventors: 賢治大和; 忠義高橋
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: JPWO2019163179A1; WO2019163179A1

Description

本発明は、有底円筒状の電池ケースの開口部を、蓋体の外周部で二重に巻き締めて封口した円筒形電池に関する。

一般に、円筒形電池は、有底円筒状の電池ケース内に発電要素及び電解液を収容した後、電池ケースの開口部を蓋体で封口することによって製造される。

電池ケースの開口部の封口は、例えば、電池ケースの開口部側端部を、ガスケット（蓋体）を介して、かしめ加工することによって行われることが一般的である。

また、特許文献１には、電池ケースの開口部を、蓋体の外周部で二重巻締加工して封口した円筒形電池が開示されている。

特表２００２−５２３８７５号公報

円筒形電池の製造工程において、有底円筒状の電池ケース内に発電要素及び電解液を収容した後、電池ケースの開口部を封口する際、電池ケースと蓋体との間に、少量の電解液が残る場合がある。製造工程における振動や搬送によって、電池ケースの開口部に少量の電解液が付着してしまうことが原因である。

電池ケースと蓋体との間に電解液が残った状態で、円筒形電池を長期間放置すると、少量ではあるが、電解液が電池ケースから漏れ出るおそれがある。通常、電池ケースの外周面は、絶縁性の外装ラベルで被覆されているが、もし、電解液が電池ケースから漏れ出ると、漏れ出た電解液が、外装ラベルの隙間から漏れ出る事態となる。

使用前の期間や使用期間が長くなると、周囲環境の水分により、その電解液が電池ケースと外装ラベルの隙間から電池外部へ漏れ出し、その結果、電池を装着する機器の端子を腐食させて、機器と電池との接点不良を起こすことがある。

電解液は、電池の種類によって異なるが、例えば、アルカリ乾電池やニッケル水素二次電池などのアルカリ水溶液系の電解液は、強いアルカリ性を示す。また、リチウム一次電池やリチウムイオン二次電池の電解液は、有機溶媒を含み、用いる支持塩により酸性又はアルカリ性を示す。そのため、このような電解液は腐食性が高い。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、電池ケースの開口部を蓋体で封口した円筒形電池において、電解液が、電池ケースと外装ラベルの隙間から漏れ出るのを抑制した円筒形電池を提供することにある。

本開示に係る円筒形電池は、有底円筒状の電池ケースの開口部が、蓋体の外周部で二重に巻き締められて封口されており、電池ケースの開口部側の外周部は、径方向内側に縮径されており、電池ケースの外周面は、絶縁性の外装ラベルで被覆されており、電池ケースの開口部側の外周部において、電池ケースの外周面と、蓋体の外周部と、外装ラベルとで囲まれた空間部が形成されており、電池ケースの厚みをＴ_１、空間部の径方向に垂直な断面積をＡとしたとき、０．１ｍｍ≦Ｔ_１≦０．５ｍｍの範囲において、以下の式（１）を満たしている。

４×Ｔ_１ ^２≦Ａ・・・（１）
本開示によれば、電池ケースの開口部を蓋体で封口する円筒形電池において、電解液が、外装ラベルの隙間から漏れ出るのを抑制することができる。

本発明の一実施形態における円筒形電池の構成を模式的に示した半断面図である。図１に示した円筒形電池において、二重巻締めされた部位の近傍を拡大した拡大図である。電池ケースの厚み、及び、空間部の径方向に垂直な断面積に対して、外装ラベルの隙間からの電解液の漏れ状況を示したグラフである。一般的なかしめ封口した円筒形電池の漏液経路を示した図である。（ａ）〜（ｆ）は、電池ケースと蓋体とを二重巻締めする方法を示した工程図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態における円筒形電池の構成を模式的に示した半断面図である。なお、図１では、アルカリ乾電池の例を示すが、これに限定されず、例えば、ニッケル水素二次電池、リチウム一次電池、リチウムイオン二次電池等の他の電池にも適用できる。

図１に示すように、本実施形態における円筒形電池１は、有底円筒状の電池ケース１０内に、セパレータ１５を挟んで、二酸化マンガンを含む正極１３と、亜鉛合金を含む負極１４とが、電解液（水酸化カリウム）とともに収容されている。そして、電池ケース１０の開口部は、蓋体１１で封口されている。ここで、電池ケース１０の底部は正極端子を兼ね、蓋体１１は負極端子を兼ねている。

本実施形態において、電池ケース１０の開口部は、蓋体１１の外周部で二重に巻き締められて封口されており、所謂、二重巻締め構造となっている。このような二重巻締めは、例えば、予め電池ケース１０の開口部に設けられたフランジ部に、蓋体１１の外周部に設けられたカール部を被せた状態で、カール部とフランジ部とを一緒に巻き込むように加工することによって形成することができる。電池ケース１０と蓋体１１との絶縁は、フランジ部とカール部の間に、絶縁性の封止剤を塗布することで行っている。

図１に示すように、電池ケース１０の開口部側の外周部は、径方向内側に縮径されている。また、電池ケース１０の外周面は、絶縁性の外装ラベル１２で被覆されている。なお、外装ラベル１２は、少なくとも、蓋体１１の外周部の二重巻締めされた部位まで被覆されている。

図２は、図１に示した円筒形電池１において、二重巻締めされた部位の近傍を拡大した拡大図である。

図２に示すように、電池ケース１０の開口部側の外周部において、電池ケース１０の外周面と、蓋体１１の外周部と、外装ラベル１２とで囲まれた空間部３０が形成されている。この空間部３０は、電池ケース１０の開口部側の外周部を、径方向内側に縮径加工することと、電池ケース１０の開口部を、蓋体１１の外周部で二重巻締め加工することによって形成されたものである。

円筒形電池１の製造工程において、有底円筒状の電池ケース１０内に、正極１３、負極１４、及び電解液を収容した後、電池ケース１０の開口部を、蓋体１１の外周部で二重巻締めして封口する際、二重巻締め部に、少量の電解液が残る場合がある。

二重巻締め部に電解液が残った状態で、円筒形電池１を長期間放置することによって、電解液が電池ケース１０から漏れ出た場合、電解液は、二重巻締めされた部位の隙間から、外装ラベル１２で囲まれた空間部３０に溜まる。

一方、電池のエネルギー密度を向上させる観点からは、空間部３０は、できるだけ小さいことが好ましい。そのため、空間部３０が小さいと、そこに溜まった電解液は、すぐに満杯になってしまう。電解液が満杯になると、外装ラベル１２の隙間から、電解液が外部に漏れ出る事態となる。

上述したように、空間部３０は、電池ケース１０の開口部側の外周部を、径方向内側に縮径加工することと、電池ケース１０の開口部を、蓋体１１の外周部で二重巻締め加工することによって形成される。そのため、電池ケース１０の厚みに応じて、空間部３０の大きさがほぼ決められる。

一方、電池ケース１０内に収容する電解液の量は、電池１の大きさによって変わり、電池１の大きさに応じて、電池ケース１０の厚みがほぼ決められる。

そこで、電池ケース１０の厚みと、空間部３０の大きさとを変えた円筒形電池１を作製して、意図的に二重巻締め部に電解液を溜まらせて、外装ラベル１２の隙間からの電解液の漏れとの関係を調べた。なお、空間部３０は、電池ケース１０の外周に沿ってリング状に形成されることから、空間部３０の大きさは、空間部３０の径方向に垂直な断面積で評価した。

表１に、作製した円筒形電池（電池Ａ１〜Ｅ４）の電池ケース１０の厚みＴ_１（ｍｍ）、及び、空間部３０の径方向に垂直な断面積Ａ（ｍｍ^２）を示す。なお、蓋体１１の厚みは、電池ケース１０の厚みと同じにした。また、電池ケース１０の厚みＴ_１に応じて、作製した円筒形電池１の外径Ｌ（ｍｍ）を変えた。これは、電池ケース１０の厚みＴ_１が変わると、電池ケース１０の曲げ加工精度や、強度等が変わるため、電池ケース１０の厚みＴ_１に応じて、電池１の外径Ｌを変えるという、実際の電池仕様に合わせたものである。同様に、電池１の外径Ｌの大きさに応じて、電池ケース１０内に注液する電解液の量を、実際の電池仕様に合わせて変えた。

なお、電池ケース１０の厚みＴ_１を、０．１ｍｍより薄くすると、電池の製品強度が弱くなるため、評価の対象から外した。同様に、電池ケース１０の厚みＴ_１を、０．５ｍｍより厚くすると、二重巻締め加工時の強度が上がるため、評価の対象から外した。

また、図４に示すように、電池ケース１１０の開口部側端部を、ガスケット１１３（蓋体１１１）を介してかしめ封口した一般的な円筒形電池（電池Ｆ）も作製した。

このように作製した各電池（電池Ａ１〜Ｅ４，Ｆ）を、長期間放置して、外装ラベル１２の隙間からの電解液の漏れを、以下の方法により評価した。

電池ケース１０内に、正極（二酸化マンガン）１３、負極（亜鉛合金）１４、及び電解液（水酸化カリウム）を収容した後、電池ケース１０の開口部を、蓋体１１の外周部で二重巻締め加工して、図１に示したような円筒形電池１を作製した。なお、封口の際、蓋体１１の内面に、予め、電池仕様の電解液の注液量に対して１％の電解液を滴下しておいた。このような方法で、表１に示した各電池を３０個作製し、温度３５℃、湿度７５％の環境下で、６ヶ月間保存し、その時点で、外装ラベル１２の隙間から電解液が染み出ているかどうかを、目視により確認した。

表１に、その評価結果を示すとともに、図３に、電池ケース１０の厚みＴ_１（ｍｍ）、及び、空間部３０の径方向に垂直な断面積Ａ（ｍｍ^２）に対して、外装ラベル１２の隙間からの電解液の漏れ状況を示す。ここで、３０個の電池全てにおいて、電解液の漏れが生じなかったものを黒丸で示し、１個でも電解液の漏れが生じたものをバツ印（Ｘ印）で示している。

なお、一般的なかしめ封口の電池Ｆでは、５０％以上の電解液の漏れ出しが見られたが、二重巻締めされた電池Ａ１〜Ｅ４は、その発生率が大幅に低減した結果となった。

一般的なかしめ封口の電池Ｆでは、図４の矢印Ａで示すように、電池ケース１１０とガスケット１１３の隙間から漏れ出た電解液が、直接、電池外部に漏れ出ることとなるため、高い確率で電解液の漏れ出しが検出された。

一方、二重巻締めされた電池Ａ１〜Ｅ４では、図３に示すように、０．１ｍｍ≦Ｔ_１≦０．５ｍｍの範囲において、空間部３０の径方向に垂直な断面積Ａ（ｍｍ^２）が、矢印（Ａ）で示した曲線（Ａ＝４×Ｔ_１ ^２）より大きければ、外装ラベル１２の隙間からの電解液の漏れがないことが分かる。これは、電池ケース１０の厚みＴ_１に応じて、ある程度の大きさの空間部３０を確保することによって、二重巻締めされた部位の隙間から漏れ出た電解液を、空間部３０に溜めておくことができたためと考えられる。

すなわち、電池ケース１０の厚みをＴ_１（ｍｍ）、空間部３０の径方向に垂直な断面積をＡ（ｍｍ^２）としたとき、０．１ｍｍ≦Ｔ_１≦０．５ｍｍの範囲において、以下の式（１）を満たすことによって、電解液が、外装ラベル１２の隙間から漏れ出るのを抑制することができる。

４×Ｔ_１ ^２≦Ａ・・・（１）
なお、空間部３０が必要以上に大きくなると、デッドスペースが増えるため、電池容量の低下を招く。電池容量の観点からは、断面積Ａを小さく設計する方が有利である。

上述した方法では、電池仕様上の電解液の注液量に対して、１％の電解液を滴下して評価したが、電池の製造工程における電池ケースへの電解液の付着量のばらつきを考慮する必要がある。実際の製造工程で、５日間に渡って電解液の付着量を観察すると、式（１）の下限値（左辺）の４倍相当の断面積Ａが必要であることが判明した。

従って、電池容量の低下を抑えつつ、電解液が、外装ラベル１２の隙間から漏れ出るのをより確実に抑制するためには、電池ケース１０の厚みＴ_１、及び、空間部３０の径方向に垂直な断面積Ａは、以下の式（２）をさらに満たしていることが好ましい。

Ａ≦１６×Ｔ_１ ^２・・・（２）
また、本実施形態において、蓋体１１の厚みＴ_２は、空間部３０の大きさに影響する二重巻締め部の下部の電池ケースの形状を制御する上で、それほど影響しない。従って、本実施形態では、蓋体１１の厚みＴ_２は、特に限定されないが、電池ケース１０の厚みＴ_１との関係で、以下の式を満たすことが好ましい。

０．８Ｔ_１≦Ｔ_２≦１．２Ｔ_１・・・（３）
電池ケースの厚みＴ_１及び蓋体１１の厚みＴ_２が、上記式（３）を満たすことによって、電池ケース１０と蓋体１１の加工強度差が小さくなるため、両方の部品をバランスよく均一に二重巻締め加工しやすくなる。

図５（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態において、電池ケース１０と蓋体１１とを二重巻締めする方法を示した工程図である。

まず、図５（ａ）に示すように、金属板を絞り加工することによって、有底円筒状の電池ケース１０を作製する。

次に、図５（ｂ）に示すように、治具５０、５１を用いて、電池ケース１０の開口部側の外周部１０Ａを、径方向内側に縮径加工する。

次に、図５（ｃ）に示すように、治具６０を用いて、電池ケース１０の開口部をフランジ加工して、フランジ部１０Ｂを形成する。

次に、図５（ｄ）に示すように、外周部にカール部１１Ａが形成された蓋体１１を、カール部１１Ａが、電池ケース１０のフランジ部１０Ｂに被さるように配置する。

次に、図５（ｅ）に示すように、治具７０を用いて、カール部１１Ａとフランジ部１０Ｂとを一緒に巻き込むように加工して、図５（ｆ）に示すように、二重巻締め構造を完成させる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。

１円筒形電池
１０電池ケース
１０Ｂフランジ部
１１蓋体
１１Ａカール部
１２外装ラベル
１３正極
１４負極
１５セパレータ
３０空間部

Claims

有底円筒状の電池ケースの開口部が、蓋体の外周部で二重に巻き締められて封口されており、
前記電池ケースの開口部側の外周部は、径方向内側に縮径されており、
前記電池ケースの外周面は、絶縁性の外装ラベルで被覆されており、
前記電池ケースの開口部側の外周部において、前記電池ケースの外周面と、前記蓋体の外周部と、前記外装ラベルとで囲まれた空間部が形成されており、
前記電池ケースの厚みをＴ_１（ｍｍ）、前記空間部の径方向に垂直な断面積をＡ（ｍｍ^２）としたとき、０．１ｍｍ≦Ｔ_１≦０．５ｍｍの範囲において、以下の式（１）を満たしている、円筒形電池。
４×Ｔ_１ ^２≦Ａ・・・（１）
前記電池ケースの厚みＴ_１、及び、前記空間部の径方向に垂直な断面積Ａは、以下の式（２）をさらに満たしている、請求項１に記載の円筒形電池。
Ａ≦１６×Ｔ_１ ^２・・・（２）
前記蓋体の厚みをＴ_２（ｍｍ）したとき、以下の式（３）を満たしている、請求項１または２に記載の円筒形電池。
０．８Ｔ_２≦Ｔ_１≦１．２Ｔ_２・・・（３）