JP7070571B2 - 円筒形電池 - Google Patents

Description

本発明は、作動圧のバラツキが低減された電流遮断機構を有する円筒形電池に関する。

近年、ノートパソコン、携帯電話やスマートフォンといった電子機器の普及によって、それらの駆動電源として様々な密閉型電池が用いられている。密閉型電池はその外装ケースの形状や材質によって、円筒形電池、角形電池及びパウチ型電池などに大別される。円筒形電池は、電動工具や電動アシスト自転車といった高出力が求められる用途で使用されることが多い。特に円筒形の非水電解液二次電池は軽量で高エネルギー密度を有することから、その需要は大きい。

非水電解液二次電池は外部短絡や充電器の故障によって過大な電流で放電された場合又は過充電された場合に、電解液の分解などの化学反応を伴って電池内部の圧力や温度が上昇し、電池が破裂又は発火の危険に曝される。そこで、円筒形の非水電解液二次電池の封口体の内部には、電池内部の圧力が所定値に達したときに電池内部の電流経路を遮断する電流遮断機構が組み込まれている。

特許文献１及び２に開示されているように、電流遮断機構は互いに接合された二つの金属板とそれらの間に介在する絶縁板から構成される。電池外方に配置された金属板は電池内方に配置された金極板に向けて突出しており、その突出部の先端が電池内方に配置された金属板に接合されている。電池内部の圧力が上昇して所定値に達すると、電池外方の金属板が反転するように変形することで、二つの金属板の接合部が破断して電池内部の電流経路が遮断される。さらに電池内部の圧力が上昇すると、電池外方の金属板が破断して電池内部のガスが排出される。このように電流遮断機構の構成部材の一部には可撓性を有する金属板からなる弁体が用いられる。

特開２００７－２７０２０号公報 特開２００８－２８２６７９号公報

封口体の電池外部に露出する部分には外部端子として機能する端子キャップが配置される。その端子キャップと電流遮断機構を構成する弁体の間に、中心に開口を有する導電性の中間部材を配置する場合がある。例えば、特許文献１及び２では端子キャップと弁体の間に金属ワッシャが配置されている。

端子キャップと弁体の間に金属ワッシャが配置されている場合、電池内部の圧力が上昇して弁体が反転する際に、金属ワッシャにおける弁体との当接部のうち最内周部の内径は弁体が反転する際の電池内部の圧力、すなわち電流遮断機構の作動圧に影響を与える。

金属ワッシャは一般的に、パンチとダイの間に挿入された金属板の打ち抜き加工により作製される。そのため、金属ワッシャの表裏のどちらを弁体に当接させても、金属ワッシャの弁体との当接部の最内周部の内径は同じ値となるように思われる。しかし、金属板の打ち抜き加工により金属ワッシャの中心に開口部を形成する際に、金属板の表裏の一方にダレが形成され、他方にバリが形成される。そのため、金属ワッシャの表裏のいずれを弁体に当接させるかによって、その当接部の最内周部の内径が変動して電流遮断機構の作動圧が変化する。そのため、金属ワッシャの表裏をランダムに用いて封口体を作製すると、電流遮断機構の作動圧のバラツキが大きくなる。封口体を作製する際に、金属ワッシャの向きを統一することにより作動圧のバラツキを低減できるが、そのような手法は円筒形電池の製造工程の複雑化や製造コストの上昇を招く。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、本発明の一態様に係る円筒形電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された電極体と、電解液と、電極体及び電解液を収容する有底筒状の外装缶と、封口体と、を有し、封口体が、端子キャップ、電流遮断機構を構成する弁体、及びそれらの間に介在する中心に開口部を有するワッシャを含み、ワッシャが、その厚み方向の両端の各表面において開口部の周囲に形成された凹部と、凹部の周囲に配置された平面部を有し、ワッシャの各表面における凹部と平面部の境界線はワッシャの厚み方向で互いに重なるように配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、ワッシャにおける弁体との当接部の最内周部はワッシャ表面の平面部と凹部の境界線に一致する。その境界線をワッシャの厚み方向で互いに重なるように配置することで、ワッシャの表裏差に起因して電流遮断機構の作動圧が変化するという問題が解決される。したがって、本発明によれば円筒形電池の製造工程の複雑化や製造コストの上昇を招くことなく、円筒形電池の電流遮断機構の作動圧のバラツキを低減することが可能となる。

図１は一実施形態に係る円筒形の非水電解液二次電池の断面図である。 図２は一実施形態に係る封口体の断面図である。 図３は一実施形態に係るワッシャの断面図である。 図４は一実施形態に係るワッシャの平面図である。 図５は他の実施形態に係るワッシャの断面図である。 図６は一実施形態に係るワッシャの作製方法を示す模式図であり、図６（ａ）は開口部を形成する工程を示し、図６（ｂ）は凹部を形成する工程を示す。 図７は比較例に係るワッシャの作製方法を示す模式図であり、図７（ａ）は開口部を形成する工程を示し、図７（ｂ）はワッシャを平面成形する工程を示す。 図８は比較例に係るワッシャの断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、下記の実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明は実施形態に限定されない。本発明は、その要旨の範囲内において適宜変更して実施することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る円筒形の非水電解液二次電池１０の断面図である。有底円筒状の外装缶１８の内部に電極体１４と図示しない非水電解液が収容されている。電極体１４の上下にそれぞれ絶縁板１５，１６が配置されている。外装缶１８の開口部にガスケット１７を介して封口体２０をかしめ固定することにより電池内部が密閉されている。

電極体１４は正極板１１と負極板１２の巻回構造を有し、正極板１１と負極板１２の間にはセパレータ１３が介在している。正極板１１及び負極板１２にそれぞれ正極リード１１ａ及び負極リード１２ａが接続されている。正極リード１１ａは封口体２０に接続され、負極リード１２ａは外装缶１８の底部に接続されている。正極板１１、負極板１２、及びセパレータ１３には非水電解液二次電池に用いられる公知の材料を適宜選択して用いることができる。

図２に示すように、封口体２０は端子キャップ２１、ワッシャ２２、弁体２３、インナーガスケット２４、及び内部端子板２５から構成されている。端子キャップ２１、ワッシャ２２、及び弁体２３はインナーガスケット２４を介して内部端子板２５の外周部でかしめ固定されている。インナーガスケット２４には絶縁性の樹脂が用いられており、弁体２３と内部端子板２５が互いに接合されることにより内部端子板２５から端子キャップ２１までの電流経路が確保される。内部端子板２５には通気孔が設けられているため、電池内部の圧力が上昇すると弁体２３がその圧力を受ける。電池内部の圧力が所定値に達すると、弁体２３と内部端子板２５の接合部が破断して電池内部の電流経路が遮断される。さらに電池内部の圧力が上昇すると、弁体２３が破断して電池内部のガスが端子キャップ２１に設けられた通気孔を通じで排出される。

弁体２３及び内部端子板２５には正極電位で非水電解液に曝されても安定に存在することができる金属材料を用いることが好ましく、そのような金属材料としてアルミニウム及びアルミニウム合金が例示される。弁体２３と内部端子板２５は超音波溶接又はレーザ溶接により互いに接合することができる。弁体２３と内部端子板２５の間に介在するインナーガスケット２４には絶縁性の樹脂材料を用いることが好ましく、そのような樹脂材料としてポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタラート、及びポリフェニレンサルファイトが例示される。

電流遮断機構は電池内部の圧力の上昇に伴って変形可能な弁体、その弁体の電池内側面に接合される導電性部材、及びそれらの間に介在する絶縁部材の３つの部材から構成することができる。本実施形態では、弁体２３、内部端子板２５、及びそれらの間に介在するインナーガスケット２４から電流遮断機構が構成されているが、本発明の電流遮断機構はこのような構成に限定されない。例えば、弁体と内部端子板の間に金属板を介在させて、その金属板を内部端子板に代えて電流遮断機構の構成要素として用いることができる。その金属板に易破断部としての薄肉部を設けて、その薄肉部を電流遮断部とすることができる。

端子キャップ２１とワッシャ２２は正極電位で大気に曝されるため、耐酸化性に優れた金属材料を用いることが好ましく、そのような金属材料としてニッケル、ニッケルめっきされた鉄、及びステンレス鋼が例示される。ワッシャ２２には金属材料だけでなく、例えば導電性粉末と樹脂とを混合し、成形したＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を用いることができる。

図３及び図４に示すように、ワッシャ２２の各表面には開口部２２ａの周囲に凹部２２ｃが形成されている。その凹部２２ｃの周囲にワッシャ２２の表面が平坦な平面部２２ｂが配置されている。凹部２２ｃを形成した場合、ワッシャ２２の弁体２３との当接部の最内周部が凹部２２ｃと平面部２２ｂの境界線２２ｄに一致する。本実施形態では境界線２２ｄの平面形状は円形状となっている。境界線２２ｄの平面形状は開口部２２ａの平面形状と相似形であることが好ましい。ワッシャ２２の各表面に形成された境界線２２ｄは、ワッシャ２２の厚み方向で互いに重なるように配置されている。

凹部２２ｃには、ワッシャ２２の残肉厚みが一定となる底部が存在している。そのため、平面部２２ｂから開口部２２ａにかけて段差が形成されている。このような段差は電流遮断機構が作動する際の弁体２３の速やかな反転に寄与するため、平面部２２ｂと開口部２２ａにかけて段差を形成することが好ましい。段差を形成する場合、平面部２２ｂと底部の間に傾斜面が介在してもよく、平面部２２ｂと底部の間に湾曲面が介在してもよい。

図５は、本発明の他の実施形態に係るワッシャ５２の断面図である。図５に示すように、平面部５２ｂと開口部５２ａの間に傾斜面のみからなる凹部５２ｃを形成してもよい。この場合は、平面部５２ｂから開口部５２ａにかけて段差が形成されないが、平面部５２ｂと凹部２２ｃの間に境界線２２ｄが明確に形成されるため、上記の実施形態のワッシャ２２と同様の効果が発揮される。

ここで、一実施形態に係るワッシャ２２の製造方法の一例について図６を参照しながら説明する。図６はワッシャ２２の原材料となる金属板３０にワッシャ２２の中心の開口部２２ａとその周囲の凹部２２ｃをプレス加工により形成する方法を示す模式図である。まず、金属板３０をダイ３２に押さえ治具３３により固定する。そして、ダイ３２の開口部に向かってパンチ３１を打ち抜くことにより金属板３０に開口部２２ａが形成される（図６（ａ））。その際、金属板３０の一方の面にダレが形成され、他方の面にバリが形成される。次に、金属板３０に形成された開口部２２ａよりも面積が大きい平坦な突起部を有するプレス治具３４，３５を用いて金属板３０をプレス加工して開口部２２ａの周囲に凹部２２ｃが形成される（図６（ｂ））。最後に、金属板３０のワッシャ２２の外周部分に対応する位置を打ち抜いてワッシャ２２が作製される。

ワッシャの作製方法は上記のような金属板の打ち抜き加工に限定されず、例えば、原料となる金属材料を鋳型に流し込んで成形する鋳造によりワッシャを作製してもよい。鋳造の場合には、ワッシャの表裏の一方にダレが形成され、他方にバリが形成される可能性は小さいが、ワッシャの表裏の一方にのみバリが形成される場合がある。本発明によれば、そのようなバリの影響を防止してワッシャの表裏差に起因する電流遮断機構の作動圧の変化を防止することができる。このように、本発明はワッシャを打ち抜き加工以外の方法で作製する場合にも電流遮断機構の作動圧のバラツキを低減する効果が発揮される。

ワッシャ２２は、ニッケル製の金属板３０の打ち抜き加工により作製した。まず、図６（ａ）に示すように金属板３０に開口部２２ａを形成し、次に図６（ｂ）に示すように開口部２２ａの周囲に凹部２２ｃを形成した。開口部２２ａ及び凹部２２ｃの平面形状は円形状とした。最後に、開口部２２ａの中心から所定半径の円に沿って金属板３０を打ち抜いて、外径が１５．５ｍｍのワッシャ２２を作製した。開口部２２ａの内径は６．０ｍｍ、ワッシャ２２の平面部２２ｂと凹部２２ｃの境界線２２ｄが形成する円の直径は６．４ｍｍとした。

封口体２０の構成部材には、図２に示すように、端子キャップ２１、ワッシャ２２、弁体２３、インナーガスケット２４、及び内部端子板２５を用いた。アルミニウム板からなる内部端子板２５上にインナーガスケット２４と弁体２３を積層して、内部端子板２５と弁体２３を互いの中心部で接合した。弁体２３にはアルミニウム箔を用いた。さらに、弁体２３上にワッシャ２２と端子キャップ２１を積層して、端子キャップ２１のフランジ部をインナーガスケット２４を介して内部端子板２５でかしめ固定して実施例に係る封口体２０を作製した。端子キャップ２１にはニッケルめっきされた鉄板を用いた。

（比較例）
比較例のワッシャ８２は実施例と同様に、まず、ニッケル製の金属板３０の打ち抜き加工により開口部８２ａを形成した（図７（ａ））。次に、開口部８２ａの周囲に凹部を形成するのではなく、金属板３０の全面を平坦な表面を有するプレス治具３６，３７を用いてプレスして平面成形した（図７（ｂ））。最後に、開口部８２ａの中心から所定半径の円に沿って金属板３０を打ち抜いて、外径が１５．５ｍｍの図８に示すワッシャ８２を作製した。ワッシャ８２の開口部８２ａの内径は６．４ｍｍとした。その内径は実施例のワッシャ２２の平面部２２ｂと凹部２２ｃの境界線２２ｄが形成する円の直径に一致している。なお、比較例のワッシャ８２の表裏の一方にはダレ８３が形成され、他方にはバリ８４が形成されている。上記の平面成形の工程ではダレ８３やバリ８４は消失しなかった。

上記のようにして作製したワッシャ８２を用いたこと以外は実施例と同様にして比較例に係る封口体を作製した。

なお、実施例では図６（ｂ）に示す凹部の形成工程が平面成形の役割を兼ねている。そのため、実施例のワッシャの製造方法によれば、ワッシャの製造工程の工数を比較例に比べて増加させることなく凹部を形成することができる。

（電流遮断機構の作動圧測定）
封口体の内部端子板側に空洞を有する金型を当接させて密閉空間を形成した。その密閉空間にガス供給路を通じてガスを供給することで電池内部の圧力の上昇を模擬した電流遮断機構の作動圧の測定を行った。密閉空間の圧力を一定の速度で上昇させている間に、封口体と内部端子板の間の電気抵抗が作動圧の測定前の電気抵抗よりも１Ω上昇した時点の密閉空間の圧力を電流遮断機構の作動圧とした。実施例及び比較例ともに各２０個の封口体の作動圧（ＭＰａ）を測定し、標準偏差（σ）を算出して実施例と比較例のバラツキを比較した。その結果を表１に示す。なお、作動圧の測定に用いた封口体には、ワッシャの表裏の向きがランダムに配置されている。

表１に示すように、比較例に比べて実施例の電流遮断機構の作動圧の標準偏差は大きく低下しており、ワッシャの開口部の周囲への凹部の形成が作動圧のバラツキの低減に大きく寄与していることがわかる。一方、比較例のワッシャの表裏の一方にダレが形成され、他方にバリが形成されている。その表裏差に起因して電流遮断機構の作動圧が変化するため、封口体を作製する際にワッシャの表裏をランダムに用いた場合に電流遮断機構の作動圧のバラツキが大きくなったものと推察される。

本発明の効果は、外装缶内部に収容される電極体や電解液の材料に依存しないことは明らかである。したがって、本発明は非水電解液二次電池だけでなく、ニッケル－カドミウム電池やニッケル－金属水素化物電池といった他の円筒形電池にも適用することが可能である。

本発明によれば電流遮断機構の作動圧のバラツキを低減して高品質な円筒形電池を実現することができるため、本発明の産業上の利用可能性は大きい。

１０ 円筒形の非水電解液二次電池
１４ 電極体
１８ 外装缶
２０ 封口体
２１ 端子キャップ
２２ ワッシャ
２２ａ 開口部
２２ｂ 平面部
２２ｃ 凹部
２２ｄ 境界線
２３ 弁体
２４ インナーガスケット
２５ 内部端子板

Claims (5)

1. 正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された電極体と、電解液と、前記電極体及び前記電解液を収容する有底筒状の外装缶と、封口体と、を備え、
   前記封口体が、端子キャップ、電流遮断機構を構成する弁体、及びそれらの間に介在する中心に開口部を有するワッシャを含み、
   前記ワッシャが、その厚み方向の両端の各表面において、前記開口部の周囲に形成された凹部と、前記凹部の周囲に配置された平面部を有し、
   前記ワッシャの各表面における前記凹部と前記平面部の境界線は前記厚み方向で互いに重なるように配置されている、円筒形電池。
2. 前記境界線は円形状である請求項１に記載の円筒形電池。
3. 前記境界線に段差が形成されている請求項１又は２に記載の円筒形電池。
4. 前記凹部の厚みは一定である請求項３に記載の円筒形電池。
5. 前記凹部は、前記境界線から前記開口部に向けて厚みが小さくなる傾斜部を有する請求項１又は２に記載の円筒形電池。
   

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