JP6975942B2 - 円筒型電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池等、電池ケースを備えた円筒型電池に関する。

リチウムイオン二次電池等の円筒型電池は、有底円筒状の電池ケースと、電解液と共に電池ケースに収納された電極群と、電池ケースの開口部を封止する円盤状の封口部材と、電池ケースの開口部と封口部材との間に介在した環状のガスケットとを備えている。電池ケースの開口部には絞り加工が施されており、これにより、ガスケットが圧縮されて封口部材が電池ケースの開口部に固定されている。

具体的には、電池ケースの開口部に絞り加工が施されることにより、電池ケースの開口端部が電池ケースの中心軸側へ湾曲又は屈曲し、又、電池ケースには、中心軸周りに環状に延びた括れ部が形成される。そして、開口端部と括れ部とによりガスケットが圧縮され、圧縮されたガスケットにより封口部材の周縁部が挟持される。

従来、円筒型電池の内圧の上昇に伴う電池ケースの破損を防止するべく、減圧弁等の減圧機構が封口部材に設けられていた。そして、減圧機構にその減圧能力を十分に発揮させるべく、封口部材は、電池ケースに対して強固に固定されていた（例えば、特許文献１又は２参照）。

特開平０６−２５１７５８号公報 特開２０００−３０６５５７号公報

近年、電子機器の小型化に伴い、電子機器の電源として使用される円筒型電池の小型化が望まれ、特に電池ケースの外径が小さいものが望まれている。しかし、電池ケースの外径を小さくした場合、封口部材のサイズも小さくなり、封口部材に対して減圧機構を設けることが困難になる。或いは、封口部材に対して減圧機構を設けることが出来たとしても、十分に高い減圧能力を減圧機構に発揮させることは難しい。

この様な背景の下、小型の円筒型電池において、内圧の上昇に伴う電池ケースの破損を防止する対策として、次の様な対策が考えられる。即ち、円筒型電池の内圧が上昇したときに、その内圧が、電池ケースの破損を招く様な圧力に達する前に、内圧を利用して封口部材を電池ケースから脱落させる。そして、これを実現する手段として、封口部材を電池ケースに対して緩く固定することが、通常は考えられる。しかし、この場合、電池ケースの密閉性が低下し、電解液の漏れが生じ易くなる。この様に、小型の円筒型電池では、電池ケースの破損を防止するという意味での安全性と、電解液の漏れを防止するという意味での密閉性とを両立させることが困難であった。

そこで本発明の目的は、安全性と密閉性とを兼ね備えた小型の円筒型電池を提供することである。

本発明に係る円筒型電池は、有底円筒状の電池ケースと、電解液と共に電池ケースに収納された電極群と、電池ケースの開口部を封止する円盤状の封口部材と、電池ケースの開口部と封口部材との間に介在した環状のガスケットとを備える。電池ケースは、電池ケースの中心軸側へ湾曲又は屈曲した開口端部と、中心軸周りに環状に形成された括れ部とを有し、開口端部と括れ部とによりガスケットが圧縮されると共に、圧縮されたガスケットにより封口部材の周縁部が挟持されている。そして、電池ケースの外径は１０ｍｍ以下である。又、開口端部の先端縁は、電池ケースの底部とは反対側へ斜めに向けられている。又、ガスケットの平均圧縮率Ｒは、１０％≦Ｒ≦６０％を満たす。或いは、電池ケースの中心軸に垂直な仮想平面への封口部材の投影像において封口部材の周縁に対応する第１対応線と、仮想平面への開口端部の投影像において開口端部の先端縁に対応する第２対応線とを考えた場合、第１対応線からの中心軸側への第２対応線のずれ量ｄが、−０．１ｍｍ≦ｄ≦＋０．５ｍｍを満たしている。

本発明に係る円筒型電池によれば、それが小型であるにも拘らず、安全性と密閉性との両立が実現される。

本発明の一実施形態に係る円筒型電池を概念的に示した断面図である。 安全性と密閉性とが両立される条件の説明に用いられる図である。 ずれ量とベント圧との関係が示された散布図である。

先ず、本発明に係る円筒型電池について説明する。

本発明に係る円筒型電池は、有底円筒状の電池ケースと、電解液と共に電池ケースに収納された電極群と、電池ケースの開口部を封止する円盤状の封口部材と、電池ケースの開口部と封口部材との間に介在した環状のガスケットとを備える。電池ケースは、電池ケースの中心軸側へ湾曲又は屈曲した開口端部と、中心軸周りに環状に形成された括れ部とを有し、開口端部と括れ部とによりガスケットが圧縮されると共に、圧縮されたガスケットにより封口部材の周縁部が挟持されている。そして、電池ケースの外径は１０ｍｍ以下である。好ましくは、電池ケースの外径は６ｍｍ以下である。又、電池ケースの中心軸に垂直な仮想平面への封口部材の投影像において封口部材の周縁に対応する第１対応線と、仮想平面への開口端部の投影像において開口端部の先端縁に対応する第２対応線とを考えた場合、第１対応線からの中心軸側への第２対応線のずれ量ｄが、−０．１ｍｍ≦ｄ≦＋０．５ｍｍを満たしている。

ずれ量ｄの上記範囲は、本発明者らが行った後述の実験に基づいて得られたものである。そして、ずれ量ｄの上記範囲によれば、円筒型電池の通常の使用時にあっては、電池の温度が上昇して内圧が上昇した場合でも、封口部材が脱落することが防止され、又、機器の異常等が発生した場合にあっては、電池の異常過熱が生じて内圧が過度に上昇した場合でも、電池ケースが破損する前に、内圧を利用して封口部材を電池ケースから脱落させることが出来る。更に、ずれ量ｄの上記範囲によれば、ガスケットが適度に圧縮され、その結果として電解液の漏れが生じ難くなる。よって、上記円筒型電池によれば、それが小型であるにも拘らず、電池ケースの破損を防止するという意味での安全性と、電解液の漏れを防止するという意味での密閉性との両立が実現される。

上記円筒型電池において、開口端部の先端縁は、電池ケースの底部とは反対側へ斜めに向けられていることが好ましい。又、電池ケースの中心軸に沿う方向についての、封口部材の周縁部の上面から開口端部の先端縁に対応する位置までの距離ｚが、０．１ｍｍ≦ｚ≦０．３ｍｍを満たしていることが好ましい。ここで、上面とは、電池ケースの開口端部を上方へ向けて円筒型電池を設置したときに、上方を向くことになる面である。

更に、上記円筒型電池において、ガスケットの平均圧縮率Ｒが、１０％≦Ｒ≦６０％を満たしていることが好ましい。これにより、円筒型電池において高い密閉性が実現される。

次に、本発明の実施形態について、図面に沿って具体的に説明する。

［１］円筒型電池の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る円筒型電池を概念的に示した断面図である。図１に示す様に、円筒型電池は、有底円筒状の電池ケース１と、電解液と共に電池ケース１に収納された電極群２と、電池ケース１の開口部１１を封止する円盤状の封口部材３と、電池ケース１の開口部１１と封口部材３との間に介在した環状のガスケット４とを備えている。

［１−１］電池ケース
電池ケース１は、電池ケース１の中心軸１ａ側へ湾曲又は屈曲した開口端部１１１と、中心軸１ａ周りに環状に形成された括れ部１１２とを有している。この様な電池ケース１は、次の様に作製される。先ず、均一な厚さを持ったステンレス鋼板に深絞り加工を施すことにより、開口端部１１１に湾曲や屈曲が生じておらず且つ括れ部１１２のない電池ケース１を成型する。そして、この電池ケース１に電極群２を収納し、その後、電池ケース１に横絞り加工を施すことにより括れ部１１２を形成する。次に、電池ケース１の開口部１１にガスケット４を挿入する。このとき、ガスケット４は、括れ部１１２によって位置決めされる。それから、電池ケース１に電解液を注入し、その後、ガスケット４の内側に封口部材３を載置した状態で電池ケース１の開口部１１に横絞り加工を施すことにより、開口端部１１１を湾曲又は屈曲させる。その結果として、電池ケース１の開口部１１に、ガスケット４を介して封口部材３が嵌め込まれる。即ち、円筒型電池において、開口端部１１１と括れ部１１２とによりガスケット４が圧縮され、圧縮されたガスケット４により封口部材３の周縁部３１が挟持される。又、圧縮されたガスケット４は、電池ケース１の内面及び封口部材３の周縁部３１に密着する。これにより、円筒型電池の密閉性が高められる。

電池ケース１の外径Ｄ（具体的には、横絞り加工が施された部分（開口端部１１１や括れ部１１２）とは異なる部分の外径）は、１０ｍｍ以下であり、好ましくは６ｍｍ以下である。電池ケース１の側壁１２の厚さＴは、０．０５ｍｍ≦Ｔ≦０．２５ｍｍを満たしていることが好ましく、Ｔ≦０．１５ｍｍを満たしていることが特に好ましい。ここで、電池ケース１の側壁１２の厚さＴが０．２５ｍｍより大きい場合、電池ケース１が変形し難くなり、封口部材３を脱落させるためには大きな内圧が必要となる。一方、電池ケース１の側壁１２の厚さＴが０．０５ｍｍより小さい場合、電池ケース１が変形し易くなり、電解液の漏れが生じ易くなる。尚、電池ケース１の側壁１２の厚さＴと底部１３の厚さとの比ｒＴ（＝側壁１２の厚さＴ／底部１３の厚さ）は、０．２０≦ｒＴ≦１．２０を満たし、好ましくは０．３３≦ｒＴ≦１．０５を満たしている。

［１−２］封口部材及びガスケット
封口部材３は、ステンレス鋼やアルミニウム等の導電性材料から構成されている。又、ガスケット４は、弾性材料から構成されている。弾性材料として、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、架橋形ゴム等が用いられる。ガスケット４を構成する弾性材料の曲げ弾性率ｋは、０．４ＧＰａ≦ｋ≦１．４ＧＰａを満たしていることが好ましい。

［１−３］電極群
電極群２は、負極板２１と、正極板２２と、セパレータ２３とを有している。電極群２において、負極板２１及び正極板２２は、これらの間にセパレータ２３を介在させた状態で、互いに重ねられると共に巻回されている。電極群２に巻ずれが生じない様に、負極板２１及び正極板２２の少なくとも何れか一方の巻き終わりの部分が、固定テープにより電極群２の外周面に固定されている。尚、電極群２の構成は、これに限定されるものではない。

負極板２１は、負極リード５１を介して電池ケース１に電気的に接続されており、電池ケース１は、負極端子として機能している。具体的には、負極リード５１は、一端が負極板２１に電気的に接続され、他端が、スポット溶接等の溶接手段により電池ケース１の内面に接合されている。尚、負極リード５１の他端は、これを電池ケース１の内面に接触させることにより、電池ケース１に電気的に接続されていてもよい。

正極板２２は、正極リード５２を介して封口部材３に電気的に接続されており、封口部材３は、正極端子として機能している。具体的には、正極リード５２は、一端が正極板２２に電気的に接続され、他端が、スポット溶接等の溶接手段により封口部材３の底面に接合されている。ここで、正極リード５２は、電極群２と封口部材３との間に配された環状の電気絶縁部材６に通され、この電気絶縁部材６により、正極リード５２が負極リード５１や電池ケース１に接触することが防止されている。

［２］安全性と密閉性との両立
本実施形態に係る小型の円筒型電池において、電池ケース１の破損を防止するという意味での安全性と、電解液の漏れを防止するという意味での密閉性とを両立させるためには、以下の条件を満たしていることが好ましい。

図２は、上記条件の説明に用いられる図である。図２に示す様に、先ず、電池ケース１の中心軸１ａに垂直な仮想平面Ｃを考える。次に、仮想平面Ｃへの封口部材３の投影像において封口部材３の周縁３ａに対応する第１対応線Ｌ１と、仮想平面Ｃへの開口端部１１１の投影像において開口端部１１１の先端縁１１１ａに対応する第２対応線Ｌ２とを考える。この様に第１対応線Ｌ１及び第２対応線Ｌ２を考えた場合、安全性と密閉性とが両立される条件として、第１対応線Ｌ１からの中心軸１ａ側への第２対応線Ｌ２のずれ量ｄが、−０．１ｍｍ≦ｄ≦＋０．５ｍｍを満たしていることが好ましく、ｄ≦＋０．１ｍｍを満たしていることが特に好ましい。

より好ましくは、上記円筒型電池において、開口端部１１１の先端縁１１１ａが電池ケース１の底部１３とは反対側へ斜めに向けられ、この状態で、上記条件が満たされていることである。又、電池ケース１の中心軸１ａに沿う方向についての、封口部材３の周縁部３ａの上面３１ａから開口端部１１１の先端縁１１１ａに対応する位置までの距離ｚが、０．１ｍｍ≦ｚ≦０．３ｍｍを満たしていることが好ましい。ここで、上面３１ａとは、電池ケース１の開口端部１１１を上方へ向けて円筒型電池を設置したときに、上方を向くことになる面である。

更に、上記円筒型電池において、ガスケット４の平均圧縮率Ｒが、１０％≦Ｒ≦６０％を満たしていることが好ましい。なぜなら、円筒型電池において高い密閉性が実現されるからである。平均圧縮率Ｒが１０％≦Ｒ≦６０％を満たした状態は、ずれ量ｄに関する上記条件が満たされている場合に実現され易く、又、開口端部１１１の先端縁１１１ａが電池ケース１の底部１３とは反対側へ斜めに向けられている場合にも、同様に実現され易い。尚、平均圧縮率Ｒが１０％≦Ｒ≦６０％を満たす様に、例えば、ガスケット４の厚さや材料が選択されてもよい。

ずれ量ｄ、距離ｚ、及び平均圧縮率Ｒに関する上記条件は、本発明者らが行った実験に基づいて得られたものである。表１は、その実験の結果を示したものである。

表１に示す様に、本発明者らは、ずれ量ｄ、距離ｚ、及び平均圧縮率Ｒの少なくとも何れか１つが異なる１７種類の円筒型電池を作製した（実施例１〜１７）。ずれ量ｄ、距離ｚ、及び平均圧縮率Ｒ以外の条件は、次の通りである。実施例１〜１７の何れにおいても、電池ケース１を構成する材料にステンレス鋼を用い、電池ケース１の外径Ｄを３．６ｍｍとし、電池ケース１の側壁１２の厚さＴ及び底部１３の厚さをそれぞれ０．０８ｍｍ及び０．１ｍｍとし、電池ケース１の高さを３５．１ｍｍとした。又、実施例１〜１７の何れにおいても、封口部材３を構成する材料にステンレス鋼を用い、封口部材３の外径を２．８ｍｍとし、封口部材３の周縁部３１の厚さを０．２５ｍｍとした。更に、実施例１〜１７の何れにおいても、ガスケット４を構成する弾性材料として、曲げ弾性率ｋが約０．６ＧＰａであるＰＦＡを用いた。尚、表１中の距離ｈは、電池ケース１の中心軸１ａに沿う方向についての、括れ部１１２から開口端部１１１の先端縁１１１ａに対応する位置までの距離である。本実験では、距離ｈの基準となる括れ部１１２の位置として、括れ部１１２の深さが最も大きくなる位置が採用されている（図２参照）。

そして、本発明者らは、作製した１７種類の円筒型電池の各々について、内圧を上昇させることによって封口部材３を電池ケース１から脱落させ、脱落時の内圧を、ベント圧Ｐｖとして測定した。尚、本実験では、電池の底部に穴を開け、その穴から水を注入することより、内圧を上昇させた。図３は、その測定の結果を、横軸及び縦軸をそれぞれずれ量ｄ及びベント圧Ｐｖとした座標にプロットした散布図である。又、本発明者らは、円筒型電池の各々について、電解液の漏れの有無を調べた（表１参照）。尚、電解液の漏れを調べる実験では、１７種類の円筒型電池を５個ずつ準備し、これらを６０℃の雰囲気中で１０日間保存した。この様な保存は、電解液の溶媒成分を気化させて内圧を強制的に上昇させるので、漏液を促すことになる。そして、１０日間の保存後、本発明者らは、各円筒型電池について電解液の漏れの有無を目視により確認した。表１では、電解液の漏れが生じた個数が示されている。

本発明者らは、ベント圧Ｐｖの好ましい範囲を４ＭＰａ≦Ｐｖ≦２５ＭＰａと設定した。円筒型電池の通常の使用時に、例えば高温に曝されることによって内圧が上昇した場合でも、そのときの内圧は、殆どの場合が４ＭＰａより小さいので、ベント圧Ｐｖが４ＭＰａ以上であれば、封口部材の脱落が防止される。又、機器の異常等が発生した場合であって、電池の異常過熱が生じて内圧が過度に上昇した場合でも、ベント圧Ｐｖが２５ＭＰａ以下であれば、電池ケース１が破損する前に、内圧を利用して封口部材３を電池ケース１から脱落させることが出来る。尚、安全性の観点からは、ベント圧Ｐｖは、Ｐｖ≦２０ＭＰａを満たしていることが好ましく、Ｐｖ≦１０ＭＰａを満たしていることが特に好ましい。そして、本発明者らは、ベント圧Ｐｖの上記範囲（４ＭＰａ≦Ｐｖ≦２５ＭＰａ）が満たされる様に、表１及び図３から、ずれ量ｄの範囲を−０．１ｍｍ≦ｄ≦＋０．５ｍｍと定めた。そして、本発明者らは、この範囲を満たす円筒型電池に基づいて、距離ｚの範囲を０．１ｍｍ≦ｚ≦０．３ｍｍと定めた。更に、本発明者らは、電解液の漏れを確実に防止するための高い密閉性を実現するべく、表１から、ガスケット４の平均圧縮率Ｒの範囲を１０％≦Ｒ≦６０％と定めた。

尚、ずれ量ｄの好ましい範囲は、電池ケース１の外径Ｄの大きさに応じて変化すると考えられる。具体的には、電池ケース１の外径Ｄが大きくなるほど、封口部材３は、低い内圧で脱落し易くなる。これは、封口部材３に加わる総圧力が、電池ケース１の開口面積に比例して大きくなるためである。但し、電池ケース１の外径Ｄが１０ｍｍより小さい円筒型電池であれば、ずれ量ｄの好ましい範囲は、電池ケース１の外径Ｄが３．６ｍｍである円筒型電池を用いて本発明者らが定めた−０．１ｍｍ≦ｄ≦＋０．５ｍｍの範囲に含まれると考えられる。

表２は、電池ケース１の外径Ｄが６ｍｍである円筒型電池（実施例１８）と、電池ケース１の外径Ｄが１０ｍｍである円筒型電池（実施例１９）について、上記実験と同じ実験を行った結果を示したものである。これらの円筒型電池では、ずれ量ｄを＋０．０２ｍｍ、距離ｚを０．１９ｍｍ、距離ｈを０．８０ｍｍ、平均圧縮率Ｒを３０％とした。又、封口部材３の外径を、実施例１８では５．３６ｍｍとし、実施例１９では９．３６ｍｍとした。円筒型電池に関する他の条件は、実施例１〜１７の円筒型電池と同じである。

実験の結果、ベント圧Ｐｖは、実施例１８では６．０ＭＰａとなり、実施例１９では４．１ＭＰａとなった。これらのベント圧Ｐｖは、好ましい範囲（４ＭＰａ≦Ｐｖ≦２５ＭＰａ）を満たすものであり、又、これらの円筒型電池に採用したずれ量ｄ（０．０２ｍｍ）は、本発明者らが定めた上記範囲（−０．１ｍｍ≦ｄ≦＋０．５ｍｍ）に含まれるものである。更に、実施例１８及び１９の何れにおいても、平均圧縮率Ｒを３０％とした結果、電解液の漏れが生じなかった。これらの円筒型電池に採用した平均圧縮率Ｒ（３０％）は、本発明者らが定めた上記範囲（１０％≦Ｒ≦６０％）に含まれるものである。

ずれ量ｄの上記範囲によれば、円筒型電池の通常の使用時にあっては、電池の温度が上昇して内圧が上昇した場合でも、封口部材３が脱落することが防止され、又、機器の異常等が発生した場合にあっては、電池の異常過熱が生じて内圧が過度に上昇した場合でも、電池ケース１が破損する前に、内圧を利用して封口部材３を電池ケース１から脱落させることが出来る。更に、ずれ量ｄの上記範囲によれば、ガスケット４が適度に圧縮され、その結果として電解液の漏れが生じ難くなる。よって、本実施形態に係る円筒型電池によれば、それが小型であるにも拘らず、電池ケース１の破損を防止するという意味での安全性と、電解液の漏れを防止するという意味での密閉性との両立が実現される。

更に、平均圧縮率Ｒの上記範囲によれば、円筒型電池において高い密閉性が実現される。

尚、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明に係る円筒型電池は、ポータブルデジタル機器等の様々な電子機器において、それらの電源として有用である。

１ 電池ケース
１ａ 中心軸
１１ 開口部
１１１ 開口端部
１１１ａ 先端縁
１１２ 括れ部
１２ 側壁
１３ 底部
２ 電極群
２１ 負極板
２２ 正極板
２３ セパレータ
３ 封口部材
３ａ 周縁
３１ 周縁部
３１ａ 上面
４ ガスケット
５１ 負極リード
５２ 正極リード
６ 電気絶縁部材
Ｄ 外径
Ｔ 厚さ
ｒＴ 比
ｋ 弾性率
Ｃ 仮想平面
Ｌ１ 第１対応線
Ｌ２ 第２対応線
ｄ ずれ量
ｈ 距離
Ｒ 平均圧縮率
Ｐｖ ベント圧

Claims (4)

1. 有底円筒状の電池ケースと、
   電解液と共に前記電池ケースに収納された電極群と、
   前記電池ケースの開口部を封止する円盤状の封口部材と、
   前記電池ケースの前記開口部と前記封口部材との間に介在した環状のガスケットと
   を備え、
   前記電池ケースは、前記電池ケースの中心軸側へ湾曲又は屈曲した開口端部と、前記中心軸周りに環状に形成された括れ部とを有し、前記開口端部と前記括れ部とにより前記ガスケットが圧縮されると共に、圧縮された前記ガスケットにより前記封口部材の周縁部が挟持され、
   内圧がベント圧Ｐｖに達すると、前記封口部材が前記電池ケースから脱落する、円筒型電池であって、
   前記電池ケースの外径は１０ｍｍ以下であり、
   前記開口端部の先端縁は、前記ガスケットに接触しつつ前記電池ケースの底部とは反対側へ斜めに向けられており、
   前記ガスケットの平均圧縮率Ｒが、１０％≦Ｒ≦６０％を満たし、
   前記ベント圧Ｐｖが、４ＭＰａ≦Ｐｖ≦２５ＭＰａを満たす、円筒型電池。
2. 前記中心軸に沿う方向についての、前記封口部材の前記周縁部の上面から前記開口端部の前記先端縁に対応する位置までの距離ｚが、０．１ｍｍ≦ｚ≦０．３ｍｍを満たす、請求項１に記載の円筒型電池。
3. 前記ガスケットは、弾性材料から構成され、
   前記弾性材料の曲げ弾性率ｋは、０．４ＧＰａ≦ｋ≦１．４ＧＰａを満たす、請求項１または２に記載の円筒型電池。
4. 前記電池ケースの外径は６ｍｍ以下である、請求項１から３のいずれか１つに記載の円筒型電池。

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