JP7410882B2 - 円筒形電池 - Google Patents
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Description
本開示は、円筒形電池に関する。
例えば、特許文献１には円筒形密閉電池が開示されている。この円筒形密閉電池は、有底円筒状の外装缶と、外装缶内に収納された円筒状巻回電極体および電解質と、外装缶の開口部に絶縁ガスケットを介してカシメ固定されて電池内部を密閉する封口体とを備える。
上記特許文献１に記載される円筒形密閉電池において、外装缶の開口部に封口体をカシメ固定するとき、封口体の外周端縁部に作用するモーメントや径方向内側への押圧力によって封口体の中央部分が電池内方側である下側に凹状に反ったり、その反対に上側に凸状に反ったりすることがある。封口体が下側に反った場合には問題にならないが、封口体が上側に反ることで中央部分が電池を立てた状態での最高点となった場合、複数の円筒形密閉電池を電池モジュールとして組み立てる際に円筒形密閉電池から出力電流を取り出すための外部リードと干渉し、封口体が破損するおそれがある。
本開示の目的は、外装缶の開口部にカシメ固定された封口板の中央部分が確実に電池内方側に反った形状となるように構成した円筒形電池を提供することにある。
本開示の円筒形電池は、正極板と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円筒状の外装缶と、外装缶の開口部にガスケットを介してカシメ固定される封口板と、を備える。封口板は平面視で円形状をなし、封口板において外装缶にカシメ固定される外周端縁部が、カシメ固定される前は、径方向外側へいくにしたがって電池内方側となるように傾斜した形状に形成されている。
本開示に係る円筒形電池によれば、外装缶の開口部にカシメ固定された封口板の中央部を確実に電池内方側に反った形状することができる。したがって、電池モジュールとして組み立てる際に円筒形電池から出力電流を取り出すための外部リードと干渉して封口体が破損するのを防止できる。
以下に、本開示に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。
図１は、本開示の一実施形態である円筒形電池１０の断面図である。図２は、封口体２０の断面図である。円筒形電池１０は、例えば、非水電解質二次電池である。図１及び図２において、軸方向の中心線Ｏが一点鎖線で示されている。以下では、円筒形電池１０において、封口体側を「上」といい、外装缶の底部側を「下」という。
図１に示すように、円筒形電池１０は、有底円筒状の外装缶１２と、外装缶１２の内部に収容された電極体１４及び電解液（図示せず）と、外装缶１２の開口部に絶縁性のガスケット１６を介してカシメ固定された封口体２０とを備える。
外装缶１２は、例えば、鉄を主成分とする鋼材からなる板材を深絞り加工することによって形成される。外装缶１２の開口部が形成される上端部１２ａには、溝入部１３が形成されている。溝入部１３は、平面視で円環状をなし、外装缶１２の径方向内側へ例えば略Ｕ字状に突出するように形成されている。溝入部１３は、外装缶１２にカシメ固定される際に封口体２０の外周端縁部が載置される部分となる。
外装缶１２内には、正極板３０と負極板３２がセパレータ３４を介して巻回された円筒状の電極体１４が電解質と共に収容されている。電極体１４と外装缶１２の底部１２ｂとの間には、下側絶縁部材３６が介在し、電極体１４を構成する負極板３２には、負極リード３３が接続されている。
下側絶縁部材３６は、絶縁性を確保することができ、かつ、電池特性に影響を与えない材料を用いることができる。下側絶縁部材３６に用いられる材料としてはポリマー樹脂が好ましく、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂が例示される。
本実施形態では、負極リード３３は電極体１４の最外周位置で負極板３２に接続されている。負極リード３３は、電極体１４から延出して径方向内側へ屈曲しており、下側絶縁部材３６の下側において外装缶１２の底部１２ｂに接続されている。これにより、本実施形態の円筒形電池１０では、外装缶１２が負極端子として機能する。電極体１４を構成する正極板３０、負極板３２及びセパレータ３４の詳細については後述する。
外装缶１２内において電極体１４は、溝入部１３の下側に収容されている。電極体１４上には上側絶縁部材３８が配置されており、電極体１４の軸方向の上側端面が封口体２０及び外装缶１２の溝入部１３と接触しないようにしている。上側絶縁部材３８は、絶縁性を確保することができ、かつ、電池特性に影響を与えない材料を用いることができる。上側絶縁部材３８に用いられる材料としてはポリマー樹脂が好ましく、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂が例示される。
封口体２０は、外装缶１２の上端部１２ａにガスケット１６を介してカシメ固定されている。これにより、円筒形電池１０の内部が密封されている。
封口体２０は、封口板２２、絶縁板２４、及び端子板２６から構成されている。封口体２０は、電流遮断機構を有する。封口板２２は、平面視で円形状をなしており、弁体として機能する。絶縁板２４は、封口板２２の電池内方側の表面に接触して配置されている。
絶縁板２４は、平面視で円環状に形成され、中央部に開口２４ａを有する。
端子板２６は、平面視で円形の外形を有し、絶縁板２４を挟んで封口板２２に対向して配置されている。封口板２２と端子板２６は、絶縁板２４の開口２４ａを介して、それらの中心部同士が例えばレーザー溶接等によって接続されている。端子板２６には、電極体１４を構成する正極板３０に一端部が接続された正極リード３１の他端部が接続されている。正極リード３１は、電極体１４から上側絶縁部材３８を貫通して延出して封口体２０の端子板２６に例えばレーザー溶接等によって接続されている。これにより、本実施形態の円筒形電池１０では、電極体１４の正極板３０が正極リード３１及び端子板２６を介して封口板２２に電気的に接続され、円筒形電池１０の上端面において電池外部に露出した封口板２２が正極端子として機能する。
電流遮断機構は次のように作動する。端子板２６には通気孔２６ａが設けられており、絶縁板２４には通気孔２４ｂが設けられている。そのため、電池内圧が上昇すると、封口板２２が端子板２６の通気孔２６ａ及び絶縁板２４の通気孔２４ｂを介して、その圧力を受ける。その結果、電池内圧の上昇に伴って、封口板２２が端子板２６との接続部を電池外方へ引っ張るように作用する。そして電池内圧が所定値に達すると端子板２６の封口板２２との接続部又は端子板２６に設けられた溝２６ｂが破断して、封口板２２と端子板２６との間の電流経路が遮断される。その後、電流遮断機構の作動後さらに電池内圧が上昇すると、後述する封口板２２の薄肉部である傾斜領域２２ｂが破断して、電池内部のガスが排出される。すなわち、封口板２２が所定の作動圧で開弁して電池内圧を解放する弁体として機能する。
封口板２２はアルミニウム又はアルミニウム合金の板材のプレス加工により作製することができる。アルミニウム及びアルミニウム合金は可撓性に優れているため封口板２２の材料として好ましい。
封口板２２は、平面視で円形状をなしている。図２に示すように、封口板２２の中央領域２２ａは、電池外方側の表面（又は上面）が平坦面に形成されている。封口板２２の中央領域２２ａの電池内方側の表面（又は下面）には、例えば扁平な円錐台状の突出部２５が形成されている。突出部２５の突出高さは、絶縁板２４の板厚と略同じに設定されている。このような突出部２５が形成されていることで、封口板２２と端子板２６との接続を容易かつ確実に行えるとともに、封口板２２と端子板２６との間に絶縁板２４が介在するためのスペースを確保することができる。
封口板２２は、中央領域２２ａの外周側に傾斜領域２２ｂを一体に有している。傾斜領域２２ｂでは、電池外方側の表面が径方向外側へ向かって上り傾斜面に形成されている。これにより、封口板２２の電池外方側の表面は、傾斜領域２２ｂがあることで中央領域２２ａが電池内方側に凹んだ形状を有している。
封口板２２において、傾斜領域２２ｂの電池内方側には、断面が略三角状の空間２３が形成されている。これにより、傾斜領域２２ｂは径方向外側にいくほど板厚が次第に薄くなった薄肉部となっている。このように傾斜領域が薄肉部として形成されていることで、電池内圧が上昇してその圧力が封口板２２の傾斜領域２２ｂに電池内方側から作用したときに、傾斜領域２２ｂの最も薄い部分（すなわち三角状をなす空間２３の頂点に対応する位置）において破断するように設定されている。
なお、本実施形態では傾斜領域２２ｂにおいて封口板２２の板厚が径方向外側にいくほど次第に薄くなった薄肉部として形成される例を説明したが、これに限定されるものではなく、傾斜領域２２ｂにおいて径方向外側にいくほど板厚が次第に厚くなった薄肉部として形成されてもよい。
封口板２２の電池内方側の表面には、平面視で円環状をなす突起２２ｃが形成されている。突起２２ｃは、電池外方側の表面にある傾斜領域２２ｂよりも径方向外側に位置している。突起２２ｃは、その先端が径方向内側へ傾くように形成されており、その内側に絶縁板２４が嵌め込まれて保持されるようになっている。
封口板２２において外装缶１２にカシメ固定されることとなる外周端縁部２７は、カシメ固定される前は、径方向外側へいくにしたがって電池内方側となるように傾斜した形状に形成されている。換言すれば、封口板２２の外周端縁部２７は、起点位置２８から外周側が下方に傾斜するように曲がっている。封口板２２の径方向に対する外周端縁部２７の傾斜角度θは、例えば、０度より大きく３０度以下に設定することができる。上記角度範囲は、カシメ固定されたときの封口体２０の下側への反り量が適量となるように考慮して設定される。
絶縁板２４は、絶縁性を確保することができ、かつ、電池特性に影響を与えない材料を用いることができる。絶縁板２４に用いられる材料としてはポリマー樹脂が好ましく、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂が例示される。
絶縁板２４はその外周部に電池内方側へ延びるスカート部２４ｃを有している。スカート部２４ｃの内周部に端子板２６が嵌め合されて保持される。これにより、端子板２６の外周縁部がスカート部２４ｃに係合した状態で組み付けられ、絶縁板２４に対する端子板２６の位置ズレを確実に防止することができる。
端子板２６は、平面視で絶縁板２４より小径の円形をなし、中央部が薄肉部に形成されている。端子板２６は、封口板２２と同様にアルミニウム又はアルミニウム合金から形成されることが好ましい。これにより封口板２２と端子板２６の中央部同士の接続が容易になる。接続方法としては冶金的接合を用いることが好ましく、冶金的接合としてレーザー溶接が例示される。端子板２６の外周部には通気孔２６ａが貫通形成されている。
封口体２０は、次のようにして組み立てられる。まず、封口体２０を構成する封口板２２、絶縁板２４、及び端子板２６を準備する。次に、絶縁板２４のスカート部２４ｃの内側に端子板２６を嵌め合わせ、続いて、封口板２２の突起２２ｃの内側に絶縁板２４を嵌め合わせる。なお、上記の部材を嵌め合わせる２つの手順は順序を入れ替えてもよい。
封口板２２と端子板２６との接続は上記の手順を完了した後に行うことが好ましい。封口板２２と端子板２６が互いに位置決め保持された状態で接続できるため、接続強度のバラツキが低減される。
次に、電極体１４について説明する。本実施形態では図１に示すように正極板３０と負極板３２とをセパレータ３４を介して巻回して円筒状に形成した電極体１４を用いている。
正極板３０は、例えば次のようにして作製することができる。まず、正極活物質と結着剤を分散媒中で均一になるように混練して、正極合剤スラリーを作製する。結着剤にはポリフッ化ビニリデンを分散媒にはＮ－メチルピロリドンを用いることが好ましい。正極合剤スラリーには黒鉛やカーボンブラックなどの導電剤を添加することが好ましい。この正極合剤スラリーを正極集電体上に塗布、乾燥して正極合剤層が形成される。その際、正極集電体の一部に正極合剤層が形成されていない正極集電体露出部が設けられる。次に、正極合剤層をローラーで所定厚みに圧縮し、圧縮後の極板を所定寸法に切断する。最後に、正極集電体露出部に正極リード３１を接続して正極板３０が得られる。
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵、放出することができるリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。リチウム遷移金属複合酸化物としては、一般式ＬｉＭＯ２（ＭはＣｏ、Ｎｉ、及びＭｎの少なくとも１つ）、ＬｉＭｎ２Ｏ４及びＬｉＦｅＰＯ４が挙げられる。これらは、１種単独で又は２種以上を混合して用いることができ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、及びＺｒからなる群から選ばれる少なくとも１つを添加して、又は遷移金属元素と置換して用いることもできる。
負極板３２は、例えば次のようにして作製することができる。まず、負極活物質と結着剤を分散媒中で均一になるように混練して、負極合剤スラリーを作製する。結着剤にはスチレンブタジエン（ＳＢＲ）共重合体を、分散媒には水を用いることが好ましい。負極合剤スラリーにはカルボキシメチルセルロースなどの増粘剤を添加することが好ましい。この負極合剤スラリーを負極集電体上に塗布、乾燥して負極合剤層が形成される。その際、負極集電体の一部に負極合剤層が形成されていない負極集電体露出部が設けられる。次に、負極合剤層をローラーで所定厚みに圧縮し、圧縮後の極板を所定寸法に切断する。最後に、負極集電体露出部に負極リード３３を接続して負極板３２が得られる。
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵、放出することができる炭素材料や金属材料を用いることができる。炭素材料としては、天然黒鉛及び人造黒鉛などの黒鉛が例示される。金属材料としては、ケイ素及びスズ並びにこれらの酸化物が挙げられる。炭素材料及び金属材料は単独で、又は２種以上を混合して用いることができる。
セパレータ３４として、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）のようなポリオレフィンを主成分とする微多孔膜を用いることができる。微多孔膜は１層単独で又は２層以上を積層して用いることができる。２層以上の積層セパレータにおいては、融点が低いポリエチレン（ＰＥ）を主成分とする層を中間層に、耐酸化性に優れたポリプロピレン（ＰＰ）を表面層とすることが好ましい。さらに、セパレータ３４には酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のような無機粒子を添加することができる。このような無機粒子はセパレータ中に担持させることができ、セパレータ表面に結着剤とともに塗布することもできる。
非水電解液として、非水溶媒中に電解質塩としてのリチウム塩を溶解させたものを用いることができる。
非水溶媒として、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状カルボン酸エステルを用いることができ、これらは２種以上を混合して用いることが好ましい。環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）及びブチレンカーボネート（ＢＣ）が例示される。また、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）のように、水素の一部をフッ素で置換した環状炭酸エステルを用いることもできる。鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）及びメチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）などが例示される。環状カルボン酸エステルとしてはγ－ブチロラクトン（γ－ＢＬ）及びγ－バレロラクトン（γ－ＶＬ）が例示され、鎖状カルボン酸エステルとしてはピバリン酸メチル、ピバリン酸エチル、メチルイソブチレート及びメチルプロピオネートが例示される。
リチウム塩として、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＣ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）３、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌＯ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０及びＬｉ２Ｂ１２Ｃｌ１２が例示される。これらの中でもＬｉＰＦ６が特に好ましく、非水電解液中の濃度は０．５～２．０ｍｏｌ／Ｌであることが好ましい。ＬｉＰＦ６にＬｉＢＦ４など他のリチウム塩を混合することもできる。
次に、図３を参照して、封口体２０のカシメ固定について説明する。図３（ａ）はカシメ固定前の封口体２０及びその近傍を示す径方向半分の断面図、（ｂ）はカシメ固定されたときの封口体２０及びその近傍を示す径方向半分の断面図である。図３（ａ），（ｂ）において正極リード３１及び電極体１４等の図示が省略されている。
封口体２０が外装缶１２にカシメ固定されるとき、図３（ａ）に示すように、封口板２２の外周端縁部２７が外装缶１２の溝入部１３上にガスケット１６を介して載置される。この状態で、図３（ｂ）に示すように、金型（図示せず）を用いて外装缶１２の上端部１２ａを径方向内側に押し曲げて、封口体２０をカシメ固定する。
このとき、外装缶１２の開口部の周縁部１２ｃに対応する位置で最も大きくなる押し付け力Ｆが、封口板２２の外周端縁部２７に作用する。これにより、カシメ固定前には傾斜して形成されている封口板２２の外周端縁部２７は封口板２２の径方向に沿った向きに変形する。このとき、封口板２２の外周端縁部２７を含む外周部分には円弧状の矢印で示すモーメントＭが作用し、その結果、封口板２２の中央領域２２ａが下側（矢印Ａ方向）へ凹状に反った形状で確実に組み付けられることとなる。
このとき、封口板２２において傾斜した外周端縁部２７の起点位置２８は、外装缶１２にカシメ固定されたときに外装缶１２の開口部の周縁部１２ｃよりも径方向内側に位置していることが好ましい。このような位置関係とすることで、カシメ固定時に外周端縁部２７の起点位置２８に下側への押し付け力が作用する。その結果、封口板２２及びこれを含む封口体２０の中央部を下側に反った形状にさせる応力が封口板２２に作用する。
カシメ固定が完了して円筒形電池１０が金型から取り出されると、封口板２２及びこれを含む封口体２０は図３（ｂ）中に二点鎖線で示す位置までスプリングバックするが、この戻った位置が所望位置となるように封口板２２の外周端縁部２７の傾斜角度θや外周端縁部２７の径方向幅などを設定すればよい。
上述したように、本実施形態の円筒形電池１０によれば、封口板２２において外装缶１２にカシメ固定される外周端縁部２７が、カシメ固定される前は、径方向外側へいくにしたがって電池内方側となるように傾斜した形状に形成されている。これにより、外装缶１２にカシメ固定されるときに封口板２２及びこれを含む封口体２０を下側に反った形状で確実に組み付けることができる。したがって、封口体２０が上側に反った形状で組み付けられた円筒形電池を電池モジュールとして組み立てる際に円筒形電池１０から出力電流を取り出すための外部リードと干渉して封口体２０が破損するのを防止できる。
また、本実施形態では、封口板２２がその中央領域２２ａが電池内方側に凹んだ形状を有しているため、封口体２０がカシメ固定される際に封口板２２をより確実に下側へ反った形状で組み付けることができる。
なお、本開示に係る円筒形電池は、上述した実施形態及びその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。
１０ 円筒形電池、１２ 外装缶、１２ａ 上端部、１２ｂ 底部、１２ｃ 周縁部、１３ 溝入部、１４ 電極体、１６ ガスケット、２０ 封口体、２２ 封口板、２２ａ 中央領域、２２ｂ 傾斜領域、２２ｃ 突起、２３ 空間、２４ 絶縁板、２４ａ 開口、２４ｂ，２６ａ 通気孔、２４ｃ スカート部、２５ 突出部、２６ 端子板、２６ｂ 溝、２７ 外周端縁部、２８ 起点位置、３０ 正極板、３１ 正極リード、３２ 負極板、３３ 負極リード、３４ セパレータ、３６ 下側絶縁部材、３８ 上側絶縁部材、Ｆ 押し付け力、Ｍ モーメント、Ｏ 中心線、θ 傾斜角度。
Claims (5)
- 正極板と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、前記電極体及び電解液を収容する有底円筒状の外装缶と、前記外装缶の開口部にガスケットを介してカシメ固定される封口板と、を備える円筒形電池であって、
前記封口板は平面視で円形状をなし、前記封口板において前記外装缶にカシメ固定される外周端縁部が、カシメ固定される前は、径方向外側へいくにしたがって電池内方側となるように傾斜した形状に形成されている、円筒形電池。 - 前記封口板は、その中央領域が電池内方側に凹んだ形状を有している、請求項１に記載の円筒形電池。
- 前記封口板において傾斜した外周端縁部の起点位置は、前記外装缶にカシメ固定されたときに前記外装缶の開口部周縁よりも径方向内側に位置している、請求項１又は２に記載の円筒形電池。
- 正極板と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、前記電極体及び電解液を収容する有底円筒状の外装缶と、前記外装缶の開口部にガスケットを介してカシメ固定される封口板と、を備える円筒形電池の製造方法であって、
前記封口板は平面視で円形状をなし、前記封口板において前記外装缶にカシメ固定される外周端縁部が、径方向外側へいくにしたがって電池内方側となるように傾斜した形状に形成されている、円筒形電池の製造方法。 - 円筒形電池の外装缶の開口部にガスケットを介してカシメ固定される封口板であって、
前記封口板において前記外装缶にカシメ固定される外周端縁部が、径方向外側へいくにしたがって電池内方側となるように傾斜した形状に形成されている、封口板。
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