JP7187205B2

JP7187205B2 - 円筒型電池

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Publication number: JP7187205B2
Application number: JP2018147441A
Authority: JP
Inventors: 春彦佐竹; 皓己大塚; 徳久渡部; 浩濱田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2022-12-12
Anticipated expiration: 2038-08-06
Also published as: JP2020024788A

Description

本発明は、有底円筒状の電池缶の開口端が、ガスケットを介して円盤状の封口体によって封口されてなる円筒型電池に関する。

上記の円筒型電池の代表例として、ボビン型リチウム一次電池が挙げられる。ボビン型リチウム一次電池は、リチウム金属又はリチウム合金を負極活物質として用い、エネルギー密度が高く、高容量である、という特徴を有する。そのため、例えば定置型のガスメーターや水道メーターなど、長期にわたって無保守で電力の供給が必要な機器の電源として、広く利用されている。

＝＝＝ボビン型リチウム一次電池の構造＝＝＝
＜基本的な構造＞
図１に、一般的なＣＲ１７３３５型のボビン型リチウム一次電池１の構造を示した。図１は、円筒軸１００の延長方向を上下（縦）方向としたときの、ボビン型リチウム一次電池１の縦断面を示している。

ボビン型リチウム一次電池１は、二酸化マンガンなどの正極活物質が黒鉛などの導電助剤とともに中空円筒状に成形されてなる正極合剤３、板状のリチウム金属やリチウム合金が丸められてなる円筒状の負極リチウム４、上方が開口する有底円筒状のセパレーター５、及び電解液を発電要素とし、この発電要素が有底円筒状の電池缶２内に収納されているインサイドアウト構造を有する。電池缶２は金属製で、正極集電体と電池ケースとを兼ねている。電池缶２の底部には、凸状の正極端子部２１がプレス加工によって形成されている。図１に示したボビン型リチウム一次電池１では、開口端近傍の周囲に絞り加工によるビーディング部２２が形成されており、電池缶２の開口部は、周知のクリンプ封口方式によって密封されている。

＜封口構造＞
電池缶２の開口部は、封口体７によって封止されている。封口体７は、ともに金属製の負極端子板７１と封口板７２とから構成されている。負極端子板７１の形状は、電池缶２の開口端を上方とすると、上方を底とした皿状で、皿の縁にはフランジが形成されている。封口板７２は円板状で、負極端子板７１の下方に積層されている。負極端子板７１と封口板７２とは、いずれも周縁が上方に開口するＵ字型の縦断面を有し、封口体７として積層されている状態で、互いの周縁部分が係合するように形成されている。そして、封口体７の外周縁部と、電池缶２の内面２３の開口端近傍の領域との間には、樹脂製のガスケット６が介在している。

図１に示したボビン型リチウム一次電池１用のガスケット６は、ポリプロピレンやポリフェニレンサルファイトなどの絶縁性の樹脂からなる一体成形品で、正極と負極とを絶縁しつつ、電池缶２の開口部を密封する機能を備えている。これにより、電池缶２内が密閉されている。図２Ａ、図２Ｂに、ボビン型リチウム一次電池１用のガスケット６を示した。図２Ａは、電池缶２内に組み込まれる前の当初のガスケット６を上方から見たときの平面図である。図２Ｂは、図２Ａに示したガスケット６の縦断面図である。図２Ａ、図２Ｂに示したように、当初のガスケット６の形状は、上方が開口する円形カップ状で、円形の底部６１の外周縁辺６５を周回するように側壁部６３が形成されてなる。底部６１の中央には、当該底部６１の上面と下面とを連絡し、負極リード４３を挿通する円形の挿通孔６２が形成されている。また、ガスケット６には、挿通孔６２とは別の複数の小さな孔１６４が、当該挿通孔６２と同心円上に形成されている。この孔１６４は、以下に説明するように、ボビン型リチウム一次電池１の製造過程でガスケット６を電池缶２内に挿入する際に、電池缶２内の空気を電池缶外へ放出する機能を担っている。

＝＝＝ボビン型リチウム一次電池の製造手順＝＝＝
次に、図１に示したボビン型リチウム一次電池１の製造手順を説明する。なお、ボビン型リチウム一次電池１を構成する各種部品や部材の上下方向については、電池缶２外にある場合であっても、電池缶２に組み込まれた状態を基準に説明する。

まず、中空円筒状の正極合剤３を電池缶２内に圧入し、次に、正極合剤３の内側に、セパレーター５を、開口部が上方となるように配置する。さらに、有底円筒状のセパレーター５の内側に、負極リチウム４を挿入する。円筒状の負極リチウム４の内面には、金属薄板で形成された負極集電体４１が、あらかじめ取り付けられている。負極集電体４１は、負極リチウム４の内面に取り付けられる平板状の領域（以下、集電領域４２とも言う）と、集電領域４２の上端側に接続され、上方に延長する帯状のリード部４３とからなる。

負極集電体４１が取り付けられた状態の円筒状の負極リチウム４を電池缶２内に挿入したら、ガスケット６を電池缶２内に挿入する。このとき、電池缶２内の空気が、挿通孔６２、及び上述した挿通孔６２とは別の孔１６４から排出され、ガスケット６が電池缶２内に容易に挿入できるようになっている。そして、ガスケット６を、電池缶２の内方に環状に突出するビーディング部２２の上面を座として電池缶２の開口端側に配置する。

その後、ガスケット６の底部６１の中央に設けられた挿通孔６２にリード部４３を挿通させ、当該リード部４３の先端側を封口板７２の下面に溶接する。そして電解液を注入したのち、封口体７をカップ状のガスケット６内に圧入し、当該ガスケット６の底部６１の上面と密着させる。その後、電池缶２のビーディング部２２より上方の領域に対してカール絞り加工を施すと、電池缶２の開口端が縮径しつつ、内方にかしめられる。その結果、ガスケット６は、圧縮変形しつつ、封口体７の外周縁部と電池缶２の内面２３とによって狭持される。

なお、以下の特許文献１に、ボビン型リチウム一次電池の構造や機能などが記載されている。また、以下の非特許文献１には、製品として実際に販売されているボビン型リチウム一次電池の仕様が記載されている。

特許第４２６４１８０号公報

ＦＤＫ株式会社、"高容量円筒型リチウム一次電池"、[online]、[平成３０年６月１日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/battery/lithium/lithium_cylindrical.html＞

図１に示したボビン型リチウム一次電池１と同等の構造を有する円筒型電池では、正極合剤３の上端面とガスケット６の下面との間の空間８１が閉塞されている。そのため、円筒型電池１の製造工程において、工程時間を短縮するために、ガスケット６を電池缶２内に短時間で挿入すると、挿通孔６２や上記の孔１６４が形成されていても、上記の空間８１の内圧が上昇し、電解液がガスケットと電池缶との間隙から外部に漏出する場合がある。このとき、電池缶２内から挿通孔６２や上記の孔１６４を通って漏れ出した電解液については、カップ状のガスケット６の内側に溜まった後、同じ孔（６２、１６４）を介して再度電池缶２内に戻ることができる。しかし、一部の電解液については、ガスケット６と電池缶２との間隙から外部に漏出する場合がある。

円筒型電池の製造工程において、電解液が電池缶２の外部に漏出すると、電池缶２内の電解液が不足するため、すべての発電要素を効率よく使い切ることができなくなる。その結果、円筒型電池の製品寿命が、設計寿命よりも短くなる、という問題が生じる。また、電池缶２の外部に漏出した電解液によって、電池缶２の外表面が汚染されるという問題も生じる。

そこで本発明は、製造工程において、電池缶内の局所的な圧力の上昇によって電解液が電池缶外へ漏出することを抑制できる円筒型電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の円筒型電池は、下方を底とした有底円筒状の電池缶の開口端が、ガスケットを介して円盤状の封口体によって封口されてなる円筒型電池であって、
前記ガスケットは、中央に第１の開口部を有する円形の底部の外周縁辺から上方に側壁部が立設されてなり、
前記側壁部は、前記底部の外周縁辺を内周として、前記封口体の外周縁部と前記電池缶の内面との間に介在し、
前記ガスケットは、前記底部の外周縁辺を含む領域に、前記ガスケットの外面と内面とを連絡する第２の開口部が形成され、
前記底部における前記第２の開口部の開口率が１５％以上３０％以下である、
ことを特徴とする。

前記第２の開口部は、前記底部の外周縁辺から前記底部の中心、又は前記底部の外周縁辺から前記側壁部の上端側に向かって延長するように形成されていてもよい。

前記第２の開口部は、３～６箇所に等角度間隔で形成されていることとしてもよい。

前記電池缶の開口は、負極端子板を含む前記封口体によって封止されており、
前記電池缶の内部には、中空筒状の正極合剤と、当該正極合剤の内方にセパレーターを介して配置されている筒状の負極リチウムとが電解液とともに収納されているインサイドアウト構造を有する、
ことを特徴とする円筒型電池とすることもできる。

本発明によれば、製造工程における、電池缶内の局所的な圧力の上昇によって電解液が電池缶外へ漏出することを抑制できる円筒型電池が提供される。

一般的な円筒型電池１の構造の一例を示す図である。円筒型電池１用のガスケット６の平面図である。円筒型電池１用のガスケット６の縦断面図である。本発明の第１の実施例に係るガスケット６ａの平面図である。本発明の第１の実施例に係るガスケット６ａの縦断面図である。本発明の第２の実施例に係るガスケット６ｂの平面図である。本発明の第２の実施例に係るガスケット６ｂの縦断面図である。本発明の第３の実施例に係るガスケット６ｃの平面図である。本発明の第３の実施例に係るガスケット６ｃの縦断面図である。

本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ以下で説明する。なお、説明に用いた以下の図面においては、同一又は類似の部分に同一の符号を付すことによって、重複する説明を省略することがある。また、図面によっては、説明の際に不要な符号を省略することがある。

＝＝＝実施例＝＝＝
＜円筒型電池の構成＞
本発明の実施例に係る円筒型電池の基本的な構造や構成は、図１に示した一般的なボビン型リチウム一次電池１と同様である。しかし、実施例に係る円筒型電池（以下、円筒型電池１とも言う）は、図２Ａ及び図２Ｂに示したガスケット６とは異なる構造のガスケットを備えている。概略的には、図２Ａ及び図２Ｂに示したガスケット６の底部６１及び側壁部６３のうち、正極合剤３の上端面と対面する領域に、挿通孔６２と異なる第２の開口部が形成されている。

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
図３Ａ及び図３Ｂに、本発明の第１の実施例に係る円筒型電池１が備えるガスケット６ａ（以下、第１の実施例のガスケット６ａとも言う）の外観を示した。図３Ａは、ガスケット６ａを上方から見たときの平面図であり、図３Ｂは、図３Ａのａ－ａ断面における縦断面図である。図３Ａ、図３Ｂに示したように、ガスケット６ａには、挿通孔６２とは異なる第２の開口部（以下、放出孔６４とも言う）が、底部６１の外周縁辺６５を含む領域に形成されている。

図３Ａ及び図３Ｂに示したガスケット６ａでは、底部６１の外周縁辺６５から底部６１の中心と側壁部６３の上端との両方に向かって延長するように、等角度間隔で六つの放出孔６４が形成されている。そして、各放出孔６４がガスケット６ａの外面と内面とを連絡している。そのため、ガスケット６ａを電池缶２内に挿入する工程（以下、ガスケット挿入工程とも言う）において、ガスケット６ａの下面と正極合剤（図１、符号３）の上端面との間で圧縮された空気が、放出孔６４を介してガスケット６ａの内面側に導かれる。それによって、正極合剤３の上端面とガスケット６ａの底部６１との間の狭小な空間（図１、符号８１）の内圧の上昇が抑制され、電解液がガスケット６ａと電池缶２との間隙から外部に漏出し難くなる。

また、電解液が、ガスケット６ａと電池缶２との間隙又は放出孔６４からガスケット６ａの内面側に流入しても、その電解液は、放出孔６４や挿通孔６２を経由して再び電池缶２内に戻る。その結果、円筒型電池１のガスケット挿入工程において、電解液の電池缶２外への漏出が抑制される。

＝＝＝第２、第３の実施例＝＝＝
放出孔６４の開口形状は、上記第１の実施例に限らない。そこで、以下に、本発明の第２及び第３の実施例に係る円筒型電池１として、放出孔６４の開口形状が異なるガスケットを備えた円筒型電池１を挙げる。図４Ａと図４Ｂとに第２の実施例に係る円筒型電池１が備えるガスケット（以下、第２の実施例のガスケット６ｂとも言う）を示した。また、図５Ａと図５Ｂとに第３の実施例に係る円筒型電池１が備えるガスケット（以下、第３の実施例のガスケット６ｃとも言う）を示した。図４Ａ及び図５Ａは、それぞれ、第２及び第３の実施例のガスケット（６ｂ、６ｃ）を上方から見たときの平面図であり、図４Ｂ及び図５Ｂは、それぞれ、図４Ａのｂ－ｂ断面、及び図５Ａのｃ－ｃ断面における縦断面図である。

図４Ａ及び図４Ｂに示した第２の実施例のガスケット６ｂでは、六つの放出孔６４が、ガスケット６ｂの底部６１の外周縁辺６５からガスケット６ｂの底部６１の中心に向かって延長するように形成されている。また、六つの放出孔６４は、底部６１の中心に対して等角度間隔で形成されている。一方、図５Ａ及び図５Ｂに示した第３の実施例のガスケット６ｃでは、六つの放出孔６４が、ガスケット６ｂの底部６１の外周縁辺６５から側壁部６３の上方に向かって延長するように形成されている。また、六つの放出孔６４は、円筒状の側壁部６３の周囲に等角度間隔で形成されている。

＝＝＝性能評価＝＝＝
次に、本発明の実施例に係る円筒型電池１における電解液の漏出抑制効果を評価するために、第１、第２、及び第３の実施例のガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）のそれぞれについて、開口率が異なる７種類のガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）を作製し、それらのガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）を用いてＣＲ１７３３５型のボビン型リチウム一次電池をサンプルとして組み立てた。また、同じ種類のサンプルに対して５個の個体を用意した。具体的には、ガスケット（６ａ～６ｃ）の底部６１や側壁部６３に一つ当たり５％の開口率の放出孔６４を形成することで開口率を調整した。複数個の放出孔６４を設ける場合には、放出孔６４を等角度間隔で形成した。そして、全個体に対し、ガスケット挿入工程の前後でサンプルの重量を測定することで電解液の漏出抑制効果の有無や度合いを評価した。なお、ガスケット挿入工程に際し、電池の外方に電解液が付着した場合には、電解液を拭き取り、その上で、ガスケット挿入工程後の電池の重量を測定した。

以下の表１に各サンプルに対する評価試験の結果を示した。

表１において、開口率は、底部６１や側壁部６３の全領域の面積に対する放出孔６４の開口面積の割合であり、例えば、実施例３のサンプル１５～２１であれば、底部６１の上面あるいは下面の面積と、挿通孔６２の開口面積と、放出孔６４の開口面積とを合計した面積を１００％としたときの放出孔６４の開口面積の割合である。実施例１については、放出孔６４が、底部６１と側壁部６３の双方で同じ開口率となるように形成されている。すなわち、実施例１のガスケット６ａを備えたサンプル１～７と実施例２、３のガスケット（６ｂ、６ｃ）を備えたサンプル８～２１は、開口率が同じでも、放出孔６４の開口面積は異なっている。

重量変化率は、ガスケット挿入工程前のサンプルの重量を１００％としたときのガスケット挿入工程後のサンプル重量の割合であり、サンプルごとに用意した５個の個体の平均値が示されている。

表１に示したように、ガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）の種類が第１、第２、及び第３の実施例のいずれについても、開口率が１０％以下であるサンプル１、２、８、９、１５、１６では、ガスケット挿入工程の前後で電池重量が３％以上低減しており、電解液の漏出抑制効果を十分に得ることができなかった。これは、放出孔６４の開口率が少なく、ガスケット挿入工程において正極合剤３の上面側にて圧縮された空気が放出孔６４を介して十分に電池缶２の外方に放出できなかったためと思われる。

一方、ガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）の種類が第１、第２、及び第３の実施例のいずれについても、開口率が１５～３０％のサンプル３～６、１０～１３、１７～２０については、ガスケット挿入工程の前後で電池重量変化率が２％未満であった。とくに、開口率が３０％のサンプル６、１３、２０、及び第３の実施例のガスケット６ｃを備えて開口率が２５％のサンプル１９については、すべての個体で電池重量変化率が１００％であり、ガスケット挿入工程の前後で電池重量の変化が確認されなかった。これは、放出孔６４の開口面積が十分に大きく、ガスケット挿入工程において正極合剤３の上面側で空気が圧縮される前に放出孔６４を介して電池缶２の外方に開放されるとともに、ガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）の内面側に漏出した電解液が、放出孔６４を介して再び電池缶２内に戻ったためと考えられる。

なお、開口率が３５％のサンプル７、１４、２１では、ガスケット挿入工程時にガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）が破損し、電池缶２を密閉状態で封口することができなかった。これは、開口率が過大になったために、ガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）の底部６１又は側壁部６３の強度が不足したためと考えることができる。

次に、電解液の漏出抑制効果が顕著に確認された開口率が１５％～３０％のサンプル３～６、１０～１３、１７～２０について、電池重量変化率の平均値を実施例ごとに求めてみた。また、実施例に対する比較例として、図２Ａ、図２Ｂに示したガスケット（以下、比較例のガスケット６とも言う）を用いた従来の円筒型電池１もサンプルとして５個作製した。なお、比較例のガスケット６については、挿通孔６２と同心円上に形成された孔１６４の開口率を一つ当たり５％とし、その孔１６４を六つ形成したガスケット６を用意した。そして、これらのガスケット６を用いて、開口率が３０％のサンプルを作製した。

以下の表２に、実施例及び比較例の電池重量変化率の平均値の比較結果を示した。

表２に示したように、第１及び第３の実施例に対応するサンプル３～５、１７～２０の場合、電池重量変化率の平均値が、第２の実施例に対応するサンプル１０～２３と比較して若干少なかったものの、開口率が１５％以上であれば、９８．５％以上の電池重量変化率を確保できることが分かった。そして、開口率が３０％であれば、ガスケット挿入工程に際して確実に電解液の漏出を防止できることが分かった。一方、比較例のガスケットを用いたサンプルでは、開口率が３０％であるにも拘らず、元の電池重量に対して３％の電解液が漏出した。したがって、放出孔６４は、ガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）の底部６１の外周縁辺６５を含む領域に形成されていることが必要となる。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記サンプルでは、ガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）に複数個の放出孔６４を形成する場合、放出孔６４を等角度間隔で設けていた。それによって、ガスケット（６ａ、６ｂ、６ｃ）の下面と正極合剤３との間隙８１にある空気を外方に均一に逃がすことができる。また、放出孔６４の数は、表１や表２に示したサンプルに対する評価試験結果から、三つ～六つ程度が望ましい。

もちろん、放出孔６４の数が一つであっても、あるいは複数の放出孔６４が等角度間隔で形成されていなくても、電池缶２を封口する際に破損しない程度の強度を確保しつつ開口率を大きくすれば、ガスケット挿入工程時に電解液が漏出することを抑制することができる。また、第２の実施例のガスケット６ｂでは、底部６１にのみ放出孔６４が形成されていたが、当該放出孔６４は、側壁部６３の外方まで延長するように形成されていてもよい。

上記第１～第３の実施例に係る円筒型電池１は、ボビン型リチウム一次電池であったが、本発明の実施例に係る円筒型電池１は、電解液を発電要素の一つとし、インサイドアウト構造を有する円筒型電池１であれば、リチウム一次電池に限定されない。

本発明の実施例として上げた円筒型電池１では、電池缶２の開口部がクリンプ封口方式によって封口されていたが、本発明の実施例に係る円筒型電池１は、電池缶２がレーザー封口方式によって封口されているものでもよい。

１ボビン型リチウム一次電池（円筒型電池）、２電池缶、２１正極端子部、２２ビーディング部、３正極合剤、４負極リチウム、４１負極集電体、４２集電領域、４３リード部、５セパレーター、６，６ａ，６ｂ，６ｃガスケット、６１底部、６２挿通孔（第１の開口部）、６３側壁部、６４放出孔（第２の開口部）、６５底部の外周縁辺、７封口体、７１負極端子板、７２封口板、８１狭小空間（間隙）、１００円筒軸、１６４孔

Claims

下方を底とした有底円筒状の電池缶の開口端が、ガスケットを介して円盤状の封口体によって封口されてなる円筒型電池であって、
前記ガスケットは、中央に第１の開口部を有する円形の底部の外周縁辺から上方に側壁部が立設されてなり、
前記側壁部は、前記底部の外周縁辺を内周として、前記封口体の外周縁部と前記電池缶の内面との間に介在し、
前記ガスケットは、前記底部の外周縁辺を含む領域に、前記ガスケットの外面と内面とを連絡する第２の開口部が形成され、
前記底部における前記第２の開口部の開口率が１５％以上３０％以下である、
ことを特徴とする円筒型電池。
請求項１に記載の円筒型電池であって、
前記第２の開口部は、前記底部の外周縁辺から前記底部の中心、又は前記底部の外周縁辺から前記側壁部の上端側に向かって延長するように形成されていることを特徴とする円筒型電池。
請求項１又は２に記載の円筒型電池であって、前記第２の開口部は、３～６箇所に等角度間隔で形成されていることを特徴とする円筒型電池。
請求項１～３のいずれかに記載の円筒型電池であって、
前記電池缶の開口は、負極端子板を含む前記封口体によって封止されており、
前記電池缶の内部には、中空筒状の正極合剤と、当該正極合剤の内方にセパレーターを介して配置されている筒状の負極リチウムとが電解液とともに収納されているインサイドアウト構造を有する、
ことを特徴とする円筒型電池。